彎曲智能化控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

[摘要]將板材V形彎曲智能化控制這一科研成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并以該成果的理論作為指導(dǎo)開發(fā)了針對(duì)本科生和研究生實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)，不僅豐富了原有的教學(xué)內(nèi)容，而且通過(guò)學(xué)生親自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，親自動(dòng)手操作，對(duì)教學(xué)內(nèi)容有了更深入的了解，取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]科研成果，實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)，LabVIEW。

[中圖分類號(hào)]TG386.3[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1005-4634(2008)02-0258-03

0引言

板料在彎曲卸載后將產(chǎn)生回彈，使彎曲件的尺寸和形狀發(fā)生變化，精度降低，因此研究影響彎曲回彈的因素對(duì)保證彎曲件質(zhì)量有著重要意義。在生產(chǎn)中彎曲件的形狀很多，如V形件、U形件等。產(chǎn)生彎曲回彈的原理是：板料的變形過(guò)程由彈性變形和塑性變形過(guò)程構(gòu)成，當(dāng)外力去除后，彈性變形部分會(huì)立即消失，產(chǎn)生彈性回復(fù)，即回彈。可見(jiàn)，板料彎曲后回彈總是存在的，如何減小和控制板料彎曲的回彈，使彎曲件的彎曲半徑、彎曲角等幾何形狀參數(shù)在許可的范圍內(nèi)變化，是研究和擬定彎曲工藝的主要內(nèi)容。

近年來(lái)燕山大學(xué)課題組開展了旨在控制V形件彎曲回彈的研究，該項(xiàng)目同時(shí)獲得了省自然科學(xué)基金的資助，通過(guò)該項(xiàng)目的研究對(duì)V形件彎曲回彈的機(jī)理有了更深入的認(rèn)識(shí)，找到了控制V形件回彈的方法，進(jìn)而開發(fā)了一套V形件彎曲智能化控制系統(tǒng)。為了充分發(fā)揮這一成果的作用，能夠讓學(xué)生對(duì)彎曲回彈有更深刻的認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)教師把這一內(nèi)容與原有的傳統(tǒng)彎曲回彈實(shí)驗(yàn)相結(jié)合開設(shè)了一門綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

1實(shí)驗(yàn)原理

影響V形彎曲過(guò)程的因素除了彎曲力、彎曲行程外，還有材料性能參數(shù)和毛坯及模具幾何參數(shù)，而目標(biāo)彎曲角（回彈后的角度）與彎曲行程成線性關(guān)系，因此可以通過(guò)控制彎曲行程來(lái)達(dá)到控制目標(biāo)彎曲角的目的[1]。根據(jù)此原理建立了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由模具部分、液壓系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等組成，工作原理如圖2所示。

系統(tǒng)按照工作原理分成四部分：

1）過(guò)程監(jiān)測(cè)部分：主要由傳感器、A/D卡、工控機(jī)及采集、記錄和顯示程序組成。能夠反映彎曲過(guò)程特征的兩個(gè)物理量，彎曲行程、彎曲力，被位移傳感器和壓力傳感器經(jīng)調(diào)理模塊（Scx1-1180和Scx2-1520）轉(zhuǎn)換成兩個(gè)電壓信號(hào)。兩個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)A/D卡（6062E1）將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置的記錄顯示程序?qū)⑸鲜鰞蓚€(gè)物理量以數(shù)據(jù)文件的形式自動(dòng)保存在計(jì)算機(jī)內(nèi)，并隨著彎曲過(guò)程的進(jìn)行在顯示器上實(shí)時(shí)顯示出變化曲線；

2）工藝參數(shù)輸入部分：主要由計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的軟件組成，根據(jù)目標(biāo)彎曲角計(jì)算出彎曲行程，然后輸入行程控制量；

3）系統(tǒng)控制部分：由計(jì)算機(jī)、控制程序、D/A卡（6062E2）、三位四通電磁換向閥、控制器及相關(guān)模塊等組成。控制系統(tǒng)以彎曲行程作為輸入信號(hào)，發(fā)出控制指令，D/A卡將控制電壓信號(hào)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量后進(jìn)入三位四通電磁換向閥，使換向閥動(dòng)作，達(dá)到控制彎曲行程的目的；

3）系統(tǒng)控制部分：由計(jì)算機(jī)、控制程序、D/A卡（6062E2）、三位四通電磁換向閥、控制器及相關(guān)模塊等組成。控制系統(tǒng)以彎曲行程作為輸入信號(hào)，發(fā)出控制指令，D/A卡將控制電壓信號(hào)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量后進(jìn)入三位四通電磁換向閥，使換向閥動(dòng)作，達(dá)到控制彎曲行程的目的；

2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹

板材彎曲回彈的測(cè)量與控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)體現(xiàn)沖壓工藝的基礎(chǔ)理論知識(shí)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，同時(shí)向?qū)W生有選擇的滲透系統(tǒng)工作的控制原理，激發(fā)、啟迪學(xué)生對(duì)于科研工作的熱愛(ài)。

本實(shí)驗(yàn)課主要講授如下內(nèi)容：①V形彎曲產(chǎn)生回彈的原理及影響因素；②回彈的基本控制方法；③實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理；④傳感器的原理及標(biāo)定。本實(shí)驗(yàn)使用了磁致伸縮位移傳感器、應(yīng)變片式壓力傳感器。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，學(xué)生自行確定實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)完成以下主要內(nèi)容：①選擇實(shí)驗(yàn)材料、排樣、下料，實(shí)驗(yàn)室提供多種板材，主要包括鋼板、鋁板和銅板；②選擇合適的彎曲條件，主要是材料、彎曲角度、試件尺寸；③通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、處理數(shù)據(jù)，測(cè)量回彈角度得出行程影響目標(biāo)彎曲角的規(guī)律；④在老師的指導(dǎo)下把行程－目標(biāo)彎曲角的變化規(guī)律植入控制程序；⑤運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)彎曲回彈的自動(dòng)控制。

現(xiàn)場(chǎng)給出了實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)做法的步驟、圖片和實(shí)物參考，實(shí)驗(yàn)完畢要求寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

在彎曲回彈實(shí)驗(yàn)中加入控制手段，改進(jìn)、豐富了原有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)也展示了本學(xué)科的前沿科研成果，該控制系統(tǒng)是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，不僅能引起學(xué)生極大的好奇心和科研興趣，而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立思考能力，培養(yǎng)交叉學(xué)科的復(fù)合型人才很有益處。

3實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)的開發(fā)

以該項(xiàng)成果的理論為指導(dǎo)依據(jù)，針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的實(shí)際條件筆者所在實(shí)驗(yàn)室人員開發(fā)了相關(guān)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

3.1基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于G語(yǔ)言的圖形化編程軟件LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品[2~6]，即對(duì)稱之為虛擬儀器的軟件對(duì)象進(jìn)行圖形化組合操作，提供了直覺(jué)式的環(huán)境，在自動(dòng)測(cè)試、數(shù)據(jù)采集與控制、過(guò)程監(jiān)控和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

廣義的數(shù)據(jù)采集包括模擬輸入和模擬輸出兩部分，就是將電壓、電流、溫度、壓力等物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳遞到計(jì)算機(jī)中的過(guò)程。LabVIEW的數(shù)據(jù)采集程序庫(kù)包括許多數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)控制程序。通常，一塊卡可以完成多種功能。用戶在使用之前必須設(shè)置好采集卡的硬件配置。基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般如圖3所示[5]。

數(shù)據(jù)采集硬件有多種形式，硬件的選擇要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合并考慮到自己現(xiàn)有的技術(shù)資源。本系統(tǒng)采用的是由6062筆記本數(shù)據(jù)采集卡（Card-6062E）、IBM筆記本電腦T60、信號(hào)調(diào)理4槽機(jī)箱（SCXI-1180）、8通道應(yīng)變測(cè)試調(diào)理模塊（SCXI-1520）及其接線端子（SCXI1314）、6通道模擬輸出調(diào)理模塊（SCXI-1124）及其接線端子（SCXI-1125）組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.2基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的程序開發(fā)和測(cè)試

在彎曲實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)中，過(guò)程變量彎曲力和彎曲行程的樣本數(shù)據(jù)的采集是利用基于LabVIEW[2~4]的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成的。

圖4和圖5分別為在LabVIEW上開發(fā)的V形彎曲控制過(guò)程中變量采集程序的前面板圖及主框圖。圖形和數(shù)據(jù)的顯示控件都安放在前面板上，數(shù)據(jù)間具體的輸入輸出、運(yùn)算關(guān)系和文件的讀寫等操作則是在框圖程序里進(jìn)行定義。

4結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)的開設(shè)集中體現(xiàn)了多學(xué)科知識(shí)的融合，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程濃縮了沖壓工藝中彎曲回彈的基本理論、控制回彈的基本方法和新近的科研成果，對(duì)本學(xué)科的大學(xué)生來(lái)說(shuō)既是一次內(nèi)容充實(shí)的實(shí)驗(yàn)課，又是一堂理論聯(lián)系實(shí)際的工藝?yán)碚撜n。將該系統(tǒng)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，經(jīng)過(guò)兩年的實(shí)踐，收到了良好的效果：

1）相比原有傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加豐富了，更能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；

2）通過(guò)改裝原來(lái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、開發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)又改善了實(shí)驗(yàn)條件；

3）將科研成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)高效可行之路，實(shí)驗(yàn)室教師通過(guò)開發(fā)高新技術(shù)實(shí)驗(yàn)，不但提高教學(xué)水平，同時(shí)促進(jìn)了科研。

參考文獻(xiàn)

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