鄭博升 黃馬樂(lè) 謝雨烽
(上海電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,上海200090)
在生產(chǎn)過(guò)程中,使用回焊爐加熱電路板自動(dòng)焊接電子元件,因此保持回焊爐的各部分工藝要求的溫度十分重要,需要通過(guò)機(jī)理模型來(lái)對(duì)回焊爐進(jìn)行分析研究。
通過(guò)溫度傳感器測(cè)試不同位置上焊接區(qū)域中心的溫度為爐溫曲線。附件給出一次實(shí)驗(yàn)的爐溫曲線,知道各小溫區(qū)設(shè)定溫度、傳送帶的過(guò)爐速度、焊接區(qū)域的厚度。溫度傳感器在焊接區(qū)域中心的溫度達(dá)到30℃時(shí)開(kāi)始工作,電路板進(jìn)入回焊爐開(kāi)始計(jì)時(shí)。
基于以上背景,本文將解決以下問(wèn)題:建立溫度變化數(shù)學(xué)模型。在所建模型的基礎(chǔ)上,給出制程要求列出數(shù)學(xué)規(guī)劃模型,應(yīng)用MOPSO粒子群算法求解得到回焊爐的最優(yōu)參數(shù)。
如圖1所示,假設(shè)平壁的壁厚為δ,平壁的兩個(gè)表面溫度分別維持在T1和T2,且無(wú)內(nèi)熱源。由于是一維的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,因此可得微分方程:
圖1 平壁熱導(dǎo)分析
已知邊界條件:當(dāng)x=0時(shí),T=T1;當(dāng)x=δ時(shí),T-T2。代入可知:
因此,平壁的溫度分布為:
由于小溫區(qū)是有內(nèi)熱源的,所以在其范圍內(nèi)溫度均為設(shè)定值,此外邊界附近的溫度受到相鄰溫區(qū)溫度的影響范圍不大,忽略不計(jì)。
由于是強(qiáng)制對(duì)流換熱,因此使用牛頓冷卻定律可以和實(shí)際符合較好。根據(jù)牛頓冷卻公式可知,當(dāng)物體表面與周?chē)嬖跍囟炔顣r(shí),單位時(shí)間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比,由此可得傳熱的微分方程:
其中,λ是熱傳遞系數(shù);A是受熱面的面積;Ts(t)是電路板經(jīng)過(guò)回焊爐各個(gè)位置的溫度;T(t)是電路板焊接區(qū)域中心的溫度。
根據(jù)比熱容的公式可得:
當(dāng)時(shí)間Δt取無(wú)窮小時(shí),可以得到熱量變化的微分方程:
其中,c為電路板的比熱容;m為電路板的質(zhì)量,m=ρV=ρAh,h為電路板的厚度,h=0.15 mm,化簡(jiǎn)可得焊接區(qū)域中心溫度變化模型:
在前面,我們建立了的焊接區(qū)域中心溫度變化模型,可知焊接區(qū)域中心的溫度T受Tfirst、Tsecond、Tthird、Tfourth、V和t六個(gè)不同的因素影響,即可表示為
當(dāng)我們?cè)O(shè)定好其中的參數(shù)就可以求解出爐溫變化曲線模型的表達(dá)式:
其他Ts(t)不為常數(shù)的區(qū)間求解過(guò)程類(lèi)似。
然后,把求解的各個(gè)區(qū)域的微分方程和原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到不同區(qū)域的模型系數(shù)。
由于各小溫區(qū)設(shè)定溫度僅可以在實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度的基礎(chǔ)上進(jìn)行±10℃范圍內(nèi)的調(diào)整。導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力粘度受溫度變化的影響不大,可以忽略。故系數(shù)不受溫度的影響,可以在所有的模型中通用。
第五步,根據(jù)擬合出來(lái)的模型系數(shù),結(jié)合已知條件繪制仿真的爐溫曲線并和實(shí)際的爐溫曲線進(jìn)行對(duì)比如圖2所示。
圖2 爐溫曲線的對(duì)比
根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù)計(jì)算其誤差如式(10)所示:
其中,Tori(i)為附件中的原始的爐溫曲線,Tbuild(i)為建立的模型的仿真爐溫曲線。無(wú)論是從對(duì)比圖還是誤差e,可以看到模型可以很好的還原實(shí)際的爐溫曲線,體現(xiàn)真實(shí)的溫度變化過(guò)程情況。
在考慮滿足制程界限的條件下,為滿足回焊爐工作要求,不僅要考慮超過(guò)217℃到峰值溫度所覆蓋的面積最小,更要考慮以峰值溫度為中心線的兩側(cè)超過(guò)217℃的爐溫曲線應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)。
由圖3,可得中心線對(duì)稱(chēng)的對(duì)稱(chēng)評(píng)價(jià)模型為:
圖3 對(duì)稱(chēng)求解示意圖
綜合制程界限的要求,可以得到要求爐溫曲線的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型:
首先,隨機(jī)生成五個(gè)種群,分別對(duì)應(yīng)四個(gè)溫區(qū)和過(guò)爐速度。
其次,設(shè)置兩個(gè)適應(yīng)度函數(shù),一個(gè)設(shè)置為和覆蓋的面積有關(guān),另一個(gè)設(shè)置為和對(duì)稱(chēng)誤差有關(guān)。通過(guò)計(jì)算相關(guān)的適應(yīng)度可以得到各個(gè)解之間是否是支配的。若種群p的所有適應(yīng)度都不比種群q差,并且,至少有一個(gè)適應(yīng)度種群p比種群q好,則p為非支配的,q為被支配的,非劣解要保留并組成集合,從而進(jìn)行進(jìn)一步的處理。[3]
符合制程界限的爐溫曲線如圖4所示,體現(xiàn)出以峰值溫度為中心線的兩側(cè)超過(guò)217℃的爐溫曲線的對(duì)稱(chēng)性。
圖4 部分爐溫曲線