加世瀅，王清華，胡建華，雙遠華

（太原科技大學電子信息工程學院，山西 太原 030024）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，無縫鋼管的生產(chǎn)在我國經(jīng)濟生產(chǎn)的眾多領域起著十分重要的作用，在無縫鋼管生產(chǎn)的機組中合理規(guī)劃穿孔機軋制工藝是生產(chǎn)高品質(zhì)鋼管的根本保證[1]。因此，設計合適的穿孔設備才能使得穿孔過程順利進行，保證穿孔產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。

隨著圖形顯示設備的廣泛應用和以“用戶為中心”的發(fā)展趨勢，工業(yè)生產(chǎn)對人機交互界面的需求也越來越多。無縫鋼管的斜軋穿孔設備的設計是一項復雜的工作，涉及到了許多繁雜的理論公式和經(jīng)驗公式。要滿足工藝要求并且能穿軋出符合要求的產(chǎn)品，計算過程不僅要求準確，還需要隨時可以調(diào)整，所以進行斜軋穿孔設備的參數(shù)化設計，取代人工計算是有實際應用價值的。文獻［3］應用Visual Basic 平臺根據(jù)斜軋擴徑的工藝特點實現(xiàn)了輥形的設計，將復雜的設計工作參數(shù)化。文獻［4］應用MATLAB 與AutoCAD 軟件實現(xiàn)了Y 型軋管機連軋棒材的孔型計算參數(shù)化設計，自動完成孔型參數(shù)計算、繪圖及輸出的功能。

MATLAB 具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，它還為用戶提供了直觀的程序設計流程、高品質(zhì)的可視化體驗以及便捷的與其他程序接口的功能[5]。對于參數(shù)繁多又經(jīng)常需要修改的大型計算程序，利用MATLAB 應用程序功能設計一個交互式圖形用戶界面十分有意義，在越來越多的領域得到了應用。文獻［6］利用MATLAB APP Designer 開發(fā)設計了一款APP，實現(xiàn)電動汽車的驅(qū)動電機、動力電池和傳動比的關鍵參數(shù)匹配。文獻［7］利用MATLAB GUI 軟件平臺，開發(fā)出了滾動軸承修正額定壽命計算系統(tǒng)，設計了常用的滾動軸承的計算界面。

本文通過對斜軋穿孔工藝進行分析，提取關鍵影響參數(shù)，開發(fā)了穿孔工藝參數(shù)離線計算軟件，利用MATLAB 應用程序組件，以傳統(tǒng)的數(shù)學模型為基礎，進行了軟件的可視化圖形界面設計。該軟件簡潔、易于操作、運行速度快、計算準確，能夠使設計人員通過可視化界面預測、調(diào)整工藝參數(shù)，大大簡化了傳統(tǒng)計算方法，并可根據(jù)已知參數(shù)提前獲得生產(chǎn)所需的各項指標[8-13]。

1 斜軋穿孔工藝軟件開發(fā)方案

本文是在MATLAB APP 工具下完成的斜軋穿孔工藝軟件開發(fā)，該斜軋穿孔工藝參數(shù)計算系統(tǒng)可在離線的情況下對穿孔設備中的關鍵參數(shù)進行模擬計算，以便于在設計生產(chǎn)時能快捷、準確地獲得主要的設備參數(shù)和產(chǎn)品信息。軟件要求實現(xiàn)的功能有：坯料信息、設備參數(shù)的維護、調(diào)用和修改，不同產(chǎn)品規(guī)格要求的軋輥設計、導板設計、頂頭設計、運動學參數(shù)、管型預測、力能參數(shù)計算。界面中設計多個EditFiled 可以導入影響鋼管參數(shù)計算的關鍵因素，通過“按鈕”將鋼管頂頭設計、管型預測、力能參數(shù)的預測值導入EditFiled 并顯示，最后可生成電子表格保存。該工具通過代碼視圖和設計視圖的結(jié)合，提供一種設計簡單、計算速度快、靈活性高且穩(wěn)定可靠的無縫鋼管穿孔工藝參數(shù)用戶界面。斜軋穿孔設備參數(shù)化設計流程如圖1 所示。現(xiàn)以頂頭設計、管型預測、力能參數(shù)計算模塊為例介紹軟件開發(fā)過程。

圖1 斜軋穿孔設備參數(shù)化設計流程

2 穿孔工藝數(shù)學模型

2.1 毛管管型計算

鋼管生產(chǎn)過程中，尺寸精度是影響產(chǎn)品精度的重要因素之一。近年來，隨著鋼管技術和自動化水平的不斷提高，對其尺寸精度要求愈來愈嚴格。尺寸精度主要包括有毛管的外徑、壁厚和延伸率。

毛管外徑d0計算式為：

式中 b —— 軋輥間距，mm；

l —— 導板間距，mm；

D —— 軋輥直徑，mm；

Lp—— 頂頭圓弧部分長度，mm；

γ —— 頂頭伸出量，mm；

β —— 送進角，（°）；

α2——軋輥出口錐角，（°）；

Δdi—— 直徑彈跳值，mm。

壁厚值S0計算式為：

式中 δn—— 頂頭直徑，mm；

ΔSi—— 壁厚彈跳值，mm。

穿孔延伸系數(shù)μ計算式為：

式中 dz—— 管坯直徑，mm。

2.2 軋制力計算

軋制壓力、頂頭軸向負荷、軋制扭矩和軋制功率是鋼管斜軋管機工具設計中的主要參數(shù)[8]。斜軋穿孔的力能參數(shù)包括金屬對軋輥的軋制壓力、金屬作用在導板上的壓力和軸向力，而后面兩個均與第一個軋制壓力有關，因此精確確定軋制壓力大小對設備設計很重要。計算總軋制壓力時，首先要確定接觸面積。在斜軋穿孔時，沿變形區(qū)長度，接觸表面的寬度是變化的。

（1） 接觸面積F 為：

式中 bi，bi+1—— 分點i 及i+1 上的接觸寬度，mm；

Δl —— 分點i 及i+1 間的距離，mm。

（2） 平均單位壓力p 為：

式中 υ —— 中間主應力影響系數(shù)，取1.15；

n —— 外摩擦及變形區(qū)幾何參數(shù)影響系數(shù)，取1；

n′ —— 外端影響系數(shù)；

n″ —— 張力影響系數(shù)，取1；

σs—— 一定的變形溫度、變形速度及變形程度金屬的變形抗力，MPa。

綜上所述，軋制力P 為：

2.3 頂頭設計

二輥斜軋穿孔中，穿孔頂頭是重要內(nèi)變形工具，頂頭質(zhì)量的好壞直接影響到毛管的質(zhì)量、產(chǎn)量和各種消耗。就變形的作用看，由實心管坯變成空心毛管時，內(nèi)徑由0 擴展到要求值，這種變形主要靠頂頭來完成[9]。

（1） 鼻部直徑Dp：

（2） 鼻部長度lo：

（3） 頂頭伸出量：

式中 Lo—— 毛管長度，mm；

K —— 壓縮帶寬度，mm。

3 功能模塊及界面

MATLAB GUI 通常采用圖形對象的形式創(chuàng)建操作界面，如：窗口、光標、按鈕、菜單、文本描述等[10]。其中，按鈕的主要功能是執(zhí)行命令，是最常用的控件；靜態(tài)文本框主要用于對界面提供功能性的解釋和說明；可編輯文本框為程序提供輸入?yún)?shù)，包括文本或數(shù)字。利用MATLAB 應用程序中的有關控件[11]，構(gòu)造無縫鋼管斜軋穿孔工藝的運行界面及輸入、輸出窗口，再根據(jù)采集數(shù)據(jù)的輸入形式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行計算。

本文以頂頭設計、管型預測和力能參數(shù)計算為例介紹穿孔離線軟件的模塊功能及代碼。將理論基礎及晦澀難懂的電腦語言轉(zhuǎn)化成簡單易懂的圖形用戶界面，并編寫了后臺回調(diào)函數(shù)，形成無縫鋼管斜軋穿孔工藝計算系統(tǒng)，具有很強的實用性；該界面簡潔、易于操作，能直觀反映不同數(shù)據(jù)的測試結(jié)果，使操作人員提高生產(chǎn)效率，降低時間成本[13]。

3.1 應用程序交互界面設計

基于MATLAB 應用程序軟件開發(fā)無縫鋼管斜軋穿孔工藝系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)操作性能好，操作方法簡單，只需輸入幾個相關參數(shù)即可完成對頂頭設計、管型預測、力能參數(shù)的計算。考慮到使用該系統(tǒng)的用戶是非專業(yè)的計算機人員，在設計界面時應遵循簡潔、友好、直觀的原則，這里采用的控件主要是按鈕（Push Button）、靜態(tài)文本框（Static Text）和可編輯文本框（Edit Text），并通過編輯m 腳本文件創(chuàng)建該界面。

設計的交互界面主要劃分為3 部分：主界面、參數(shù)設定界面和參數(shù)計算界面，每個界面均可獨立運行。參數(shù)設定區(qū)包括坯料信息和設備參數(shù)；參數(shù)計算包括頂頭設計、管型預測和力能參數(shù)。主界面設置了2 個菜單欄用于跳轉(zhuǎn)到相應的界面，參數(shù)設定界面和參數(shù)計算界面需要從模塊組件庫中拖入多個“EditField”組件用來輸入初始參數(shù)和顯示計算結(jié)果，“Button”組件，用于啟動計算指令、重置數(shù)據(jù)和返回主界面，此外對組件進行屬性編輯和排版美化，設計出人機交互界面。

在進行二輥斜軋穿孔工藝參數(shù)計算之前，需先設定坯料信息以及設備參數(shù)，點擊“參數(shù)設定”菜單，彈出參數(shù)設定界面如圖2 所示。

圖2 參數(shù)設定界面

各項參數(shù)設定結(jié)束以后，點擊“保存參數(shù)”按鈕程序會彈出對話框提示參數(shù)設定成功，若參數(shù)需要重新輸入則點擊“修改”按鈕，然后點擊“返回”按鈕返回主界面，此時“參數(shù)計算”菜單變?yōu)榭删庉嫚顟B(tài)，點擊“參數(shù)計算”菜單進入?yún)?shù)計算界面，點擊“頂頭設計計算”“管型預測計算”“力能參數(shù)計算”3個按鈕分別得到二輥斜軋穿孔工藝頂頭設計、管型預測和力能參數(shù)的計算結(jié)果，參數(shù)計算界面如圖3所示，該界面可以實現(xiàn)對工藝參數(shù)的計算。

圖3 參數(shù)計算界面

3.2 應用程序代碼編寫

MATLAB APP Designer 的代碼編寫可在代碼視圖中完成。代碼視圖部分是畫布拖入組件后生成的默認代碼，這些代碼不可修改。

MATLAB App Designer 中可以通過添加回調(diào)函數(shù)、函數(shù)和屬性對APP 進行代碼編寫?；卣{(diào)函數(shù)是代碼編寫的核心，可以使用它來響應用戶交互。在設計的界面中對頂頭設計、管型預測、力能參數(shù)的計算就需要添加回調(diào)函數(shù)來實現(xiàn)。具體使用時是利用組件瀏覽器選擇“Button”組件，在代碼視圖中白色背景可編輯部分，可在此對回調(diào)進行編寫。APP 功能的實現(xiàn)，回調(diào)函數(shù)是代碼編寫的核心，此處需要將前面描述的理論計算數(shù)學模型編寫嵌入到其中，要求能夠準確、快速地進行計算，編寫的回調(diào)函數(shù)代碼如圖4 所示。

圖4 編寫的回調(diào)函數(shù)代碼

MATLAB 文件編譯完成后，可以將計算軟件相關的APP 文件和m 文件打包編譯成可執(zhí)行程序exe 文件，將MATLAB 組件的運行環(huán)境（MCR）和可執(zhí)行程序exe 文件一起打包，在用戶使用該計算軟件時，可以直接運行exe 文件打開使用。

4 總 結(jié)

應用MATLAB APP Designer 中修改控件屬性簡單，具有代碼和界面設計切換方便等優(yōu)勢，結(jié)合理論數(shù)學模型和電子表格開發(fā)了無縫鋼管二輥斜軋穿孔設備的可視化軟件，實現(xiàn)了不同產(chǎn)品規(guī)格要求的軋輥設計、導板設計、頂頭設計、運動學參數(shù)、管型預測、力能參數(shù)計算及電子表格格式的輸出。該軟件可以顯著地縮短穿孔設備設計周期，由快捷的計算機輔助計算代替繁雜的人工計算，提高了設計效率，為無縫鋼管斜軋穿孔生產(chǎn)提供了指導。