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基于有限状态机(FSM)的热冲压工艺过程建模
摘要：高强度钢的热冲压技术为汽车制造商提高安全性和燃油效率创造了新的可能性。汽车上的热冲压件比例逐年增加，世界各地已有数百种不同类型的热冲压生产线。然而，关于热冲压工艺过程建模的研究很少，也没有关于制造单元(包括加热单元、转移单元和成形单元)的协同调度或生产率与能源消耗之间的关系的研究。随着汽车生命周期的缩短，汽车零部件的生产必须灵活多样、小批量，以应对市场的挑战。摘要建立了基于有限状态机的热冲压工艺过程模型，并将该模型应用于由多腔炉、直线输送机器人和机械伺服压力机组成的热冲压生产线的过程控制。重点研究了各生产单元的协同调度问题，特别是多个加热室与一个成形模的匹配问题。最后，设计并实现了一种多腔炉热冲压生产线，并对其生产顺序、能耗和交付周期进行了分析。结果表明，采用基于有限状态机的热冲压过程建模新方法，新开发的热冲压生产线能够实现多种生产目标，并能根据生产周期和交货期灵活配置。这种主动配置有助于延长设备寿命和降低能源消耗。该建模方法扩展了热冲压生产模型，从大批量生产模型扩展到多品种、小批量生产模型。
关键词：有限状态机；流程建模；可重构制造系统；多腔炉；
1介绍
目前，汽车行业越来越重视降低能源消耗和排放，以保护环境，同时也不断呼吁提高安全性。目前，实现这一目标的主要途径之一是用高强度钢代替传统钢。针对高强钢变形能力差的问题，开发了高强钢的热冲压淬火工艺[1,2]。热冲压技术是将钢板加热到再结晶温度以上，达到完全奥氏体，然后快速冲压和冷却毛坯，获得完全马氏体。高强度钢的热冲压件的最终强度可达1500mpa。
市场竞争的压力使产品设计和制造系统的生命周期从10年以上延长到3-5年[3-6]。相应地，汽车零部件必须重新设计以适应新车型的发布，其设计和制造过程也必须适应缩短的生命周期。在生产中，汽车零部件的制造方式逐渐转变为多类型、小批量的生产方式，这就要求提高制造系统的灵活性和可配置性[7,8]。通过对产业链的调查，发现热冲压设备的需求是生产灵活性和减少占地面积。
在热冲压工艺中，主要的矛盾是成形与加热的不匹配。第一个错配是加热过程需要3-5分钟，成型只需要5-10秒。二是加热单元与成形单元很少混合在一起，避免了热坯在运输过程中的散热。
为了解决第一个失配，最常用的方案是使用辊底炉[1,2,9,10]。毛坯从一端送入辊底炉，再从另一端送出。毛坯按流水线顺序加热。虽然模块化辊底式炉是在[11]中提出的，但其生产方式仍然是系列化的，在降低能耗方面不够灵活。辊底炉长度与生产周期成一定的反比关系。周期越短，辊底炉的[12]越长。现有的热冲压生产线的炉长已经可以达到70米。巨大的体积和表面导致大量的辐射，需要大量的能量来维持温度。辊底炉的优点是所有坯料加热过程相同，温度场一致。其缺点是占地面积大，炉温配置区域少，轧辊密封条件差，能耗高。因此，辊底式加热炉提高了热冲压的投资和成本，限制了其应用。较高的空间要求和不断上升的投资成本表明，有必要采用其他方法来加热毛坯。
另一种上升的方案是多室炉[1,12,13]。多室炉是一种多室堆砌的箱式炉。有独立的加热模块;因此，它能够在平行模式下加热毛坯。其分室能够独立控制是否参与生产周期。减少了炉膛，降低了炉膛的功耗。这是很大程度的灵活性。与单室箱式炉生产线一样[13-15]，多室炉生产线在高方向上占用空间大，与辊底炉相比占地面积小。APT采用多室炉代替辊底炉，将生产线长度从70米缩短至25米。带多室炉的西格马热冲压生产线只有18米长。多室加热炉减少了热冲压生产线64%以上的空间需求。箱式炉内无机械装置，密封性能好，比辊底式炉具有更高的节能效率，有利于降低零件的能源成本。毛坯在内部保持不动，避免了摩擦造成的磨损和表面质量下降。这也是采用箱式炉保温成型的轻质材料的原因之一，如铝合金[16]。多室加热炉的优点包括加热过程的灵活控制，对空间的要求低得多，独立的加热单元具有独立的温度配置，无磨损的坯料避免在炉膛内移动。
在控制方面，多室炉比辊底炉复杂得多。辊底炉只有一个入口和一个出口，其温度仅由少量区域配置。但是多室炉通常有10到20个炉门。每一扇门都应该在精确的时间点按照正确的顺序[13]打开和关闭。为了使所有的腔室都能高效率地工作，转移机器人的数量从2个增加到6个。炉用机器人的转移范围几乎占了生产线面积的一半。一方面，必须精确控制其运动路径，避免与炉体发生碰撞，另一方面，必须尽可能快地运行，以减少空气中被加热坯料的热损失[17-19]。因此，需要一种合适的热冲压过程和生产过程的建模方法来表征和组织热冲压过程及其生产，特别是在多腔炉复杂生产线的控制上。
与传统冲压相比，热冲压技术更为复杂，涉及设备较多，需要各设备密切配合[20-22];因此，需要一种合适的流程建模方法[23]来描述和分析其流程。在过去的几十年里，在过程过程中使用了许多建模方法，如有限状态机(FSM)[24]、Petri网[25]、向量法[26]、事件图[27]等。FSM方法是一种建立有限状态和行为的数学模型，在这些状态和行为之间建立过渡和动作。它能够将实际的流程过程[28]描述为状态转换。由于其简单、直接、可控性和可观测性，有限状态机被广泛应用于许多成功的应用中。与Petri网相比，FSM更好地定义了通信接口。Endsley等人提出了一种模块化的有限状态机，用于对多个关节机器人和两个制造单元的过程进行建模。Wang[29]采用FSM法对冷轧生产线进行优化调度。在这些文献中，建模方法给出了一种描述制造过程的方法，使得控制生产变得容易，但是没有试图改变旧的生产模型。生产的建模应该支持未来的制造。
本文建立了一个热冲压工艺流程模型来描述各种热冲压生产线的核心工序。在此基础上，提出了多腔炉热冲压生产线的具体模型。在此基础上，实现了具有在线配置功能的烫印生产线。最后，分析了热冲压生产线的生产顺序、能耗和产能。
2基于FSM的热冲压工艺过程建模
2.1高性能钢的热冲压
热冲压技术利用钢的固相转变来提高零件的机械性能。毛坯的温度控制是该工艺的关键。图1为热冲压过程中坯料的典型温度变化。在整个生产过程中，坯料的温度必须限制在工艺窗口内。主要有四个阶段:加热、保温、传热和成型。前两个阶段在加热单元样炉中进行。成形阶段通常由成形单元样压力机来完成。
坯料的目标温度必须高于奥氏体化温度A[30]。c3 气温一般在850 - 950摄氏度之间。较高的目标温度为后续传递过程的热损失提供了空间[31,32]。毛坯经加热后从加热单元转移到成形单元，其关键是速度快。加热后的毛坯一般在6秒内交货。
在压力保持之前，坯料的温度应高于Ms温度，以便在材料硬化[33-37]和难以成形的情况下延缓马氏体转变。由于热毛坯与冷刀接触，毛坯在封闭的刀具内淬火。如果冷却速率超过一个最小值，即约为27k /s[14]，则会诱发马氏体相变[38]，此时零件可达到约1500mpa的高强度[39,40]。
2.2热冲压工艺过程的建模
热冲压工艺过程的建模应能够正确地表示和组织热冲压工艺，并适用于当前和未来的热冲压生产方法。采用基于有限状态机的模型。
根据加热炉的加热方式，烫印工艺流程分为两个制造步骤和三个转移步骤。两个制造步骤是加热(HU)和成形(FU)，三个转移步骤是拆堆毛坯(UB)、转移加热毛坯(THB)和卸载零件(UP)。如图2所示，这5个步骤是基于FSM建模的，这5个FSM通过4组触发器和状态转换来连接，这些触发器和状态转换描述了制造单元之间的关系。这四组触发器和状态转换如下所示。
图1热冲压过程中的温度变化
相同的操作在两个不同的FSMs在每组所描述的两个触发器。其中,sum;1和Delta;1连接拆堆毛坯和加热, sum;2和Delta;2连接加热和转移加热毛坯, sum;3 和Delta;3连接转移加热毛坯和成形, sum;4 和Delta;4 连接成形和卸载零件。它们将五个fsm连接起来，并推动流程向前发展。
该模型与生产设备无关，与串行或并行生产方法无关。它能够从理论上描述导频线、辊底炉线和多室炉线。中试生产线一般用于工艺验证和性能分析，其生产周期不受限制;它们有一个简单的系统结构，一个机器人负责拆码垛和搬运，它们的部件是手工卸载的。对于生产线，THB由机器人操作，以提高效率。各炉的结构和运行方式有很大的不同，如图3所示。对于辊底炉，辊筒连续滚动，坯料工位移动不确定;因此，HU表示炉内一个可移动的工作位置。辊底炉的炉前热工性能随着坯料的进出而不断发生变化和破坏。生产线上的多室炉将按照与多室炉相对应的HU数依次建模。当冷坯进入腔体时，相应的FSM从未占用状态过渡到加热状态;当加热达到时间限制时，FSM过渡到精加热;当一个被加热的空白被移除时，FSM返回到空闲状态。
图2热冲压工艺流程建模
图3辊底炉和多室炉结构
2.3多室加热炉热冲压生产线建模
与辊底式加热炉相比，多室加热炉使胡炉结构更加复杂。大约有10到20个小房间涉及到这条线，它的每一个门都应该按照工序顺序操作。首先，该模型应描述如何组织各个房间，并与FU适当配合。
其次，提出了一种适用于所有型腔的调度策略，以弥补加热和成形时间的不匹配。
炉子进行加热和保温。冷热坯由机器人传送，包括拆堆机器人(UNR)、加料机器人(FFR)、加料机器人(FUR)、加料机器人(PFR)和加料机器人(PUR)。由于设备数量多、类型多，以及不同类型设备之间存在复杂的相关性，因此对热冲压工艺过程模型进行了调整，以控制多腔炉和所有的机器人。在该模型中，根据热冲压过程，将加热炉、压力机和机器人的操作划分为有限状态。定义了各生产单元的状态转移规则和各生产单元之间的关联关系。所有的FSMs都是粉碎机，其中输出状态仅由输入状态和触发器决定。
多室加热炉的状态控制以炉膛为基本元件，根据炉膛的功能和职责进行状态控制。炉子的有限状态集合包括六种状态:未使用状态、加热状态、余热状态、超时状态、退出状态和停用状态。腔状态通过未占用、加热和精加热循环。如果加热时间超过限制，则里面的毛坯将不合格，房间将过渡到加班状态。加热时间的限制通常为20分钟。当坯料被加热超过时间限制或与叉子接触不正常时，腔体必须通过卸载废坯料回到空闲状态，如图4中F.E触发所示。
图4室的状态转变
触发F.b和F.d由材料特性决定，只与加热周期有关，并通过定时器操作。触发F.F。C.F。涉及多个设备之间的协作，以完成热冲压过程，由制造控制系统操作，并由转移机器人执行。触发F.f, F.g和F.h涉及到炉体故障状态及其原因的人工判断，通常由现场工程师操作。炉体状态控制可以部署在生产流程控制系统或炉体控制系统中。在本例中，它部署在制造流程控制系统中。
如图5所示，生产线的建模实际上涉及到不同类型设备的FSMs的匹配和协调。在这种情况下，最重要的一点是匹配和协调唯一的压力机和多个腔体。当腔体过渡到精加热状态，压机过渡到等待状态时，流量控制系统触发热坯转移过程。FUR和PFR接收任务指令，通过继电器将加热后的坯料从腔体转移到模具上;从而实现了压力机与加热炉的协调。UNR和FFR也协同将冷坯送入腔内。
图5烫印线造型
图6室队列和调度
2.4箱式炉多室调度
合理安排型腔是缩短加热和成形时间不匹配的关键。由于热冲压工艺的限制，确定了坯料在加热炉内的加热周期，使最先进入加热炉的坯料先达到最终加热状态。因此，炉膛管理采用5条FIFO队列(如图6所示)，分别为未使用炉膛队列(UCQ)、加热炉膛队列(HCQ)、精加热炉膛队列(FHCQ)、超温加热炉膛队列(OHCQ)和退出炉膛队列(QCQ)。对于一个腔室，它的队列和状态之间存在一对一的对应关系。它的当前队列与当前状态相等。进入队列和退出队列的触发器是用于状态转换的触发器。这样，队列和有限状态机就结合在一起了。在UCQ、HCQ、FHCQ三种触发器的驱动下，常规的腔室被传送，然后发送一个冷空白(FFR.b和F.a，如图5所示)，达到加热时间限制(F.b)，去掉被加热的毛坯(F.c和FUR.a)。当毛坯超过加热时间限制时，箱体将进入超时状态，并转入OHCQ。如果OHCQ中出现任何腔体，则流量控制系统将指示毛皮和PFR丢弃废物毛坯。清关后进入UCQ，回到正常流程。为了减少由坯料占用的腔室所引起的生产率波动，在加热下料前进行了腔室清理操作。
图7多室炉热冲压生产线的生产装置及控制示意图
3 .可重构烫印线的实现
3.1烫印线的实施
该热冲压生产线由多腔炉、直线输送机器人、机械伺服压力机组成，采用分布式控制结构，即每个制造单元是一个独立完整的控制系统，通过不同单元之间的信息交换实现设备协调。机械伺服压力机采用工业计算机控制伺服驱动器和电机，通过齿轮箱驱动机械多连杆，实现压力输出和成型。直线机器人采用PLC和运动控制器控制伺服驱动器和电机，通过齿轮和齿条实现直线运动和运输。炉膛
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