彎曲智能化控制系統在實驗教學中的應用

[摘要]將板材V形彎曲智能化控制這一科研成果引入實驗教學，并以該成果的理論作為指導開發了針對本科生和研究生實驗的實驗控制系統，不僅豐富了原有的教學內容，而且通過學生親自設計實驗方案，親自動手操作，對教學內容有了更深入的了解，取得了良好的教學效果。

[關鍵詞]科研成果，實驗教學，實驗控制系統，LabVIEW。

[中圖分類號]TG386.3[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2008)02-0258-03

0引言

板料在彎曲卸載后將產生回彈，使彎曲件的尺寸和形狀發生變化，精度降低，因此研究影響彎曲回彈的因素對保證彎曲件質量有著重要意義。在生產中彎曲件的形狀很多，如V形件、U形件等。產生彎曲回彈的原理是：板料的變形過程由彈性變形和塑性變形過程構成，當外力去除后，彈性變形部分會立即消失，產生彈性回復，即回彈。可見，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在許可的范圍內變化，是研究和擬定彎曲工藝的主要內容。

近年來燕山大學課題組開展了旨在控制V形件彎曲回彈的研究，該項目同時獲得了省自然科學基金的資助，通過該項目的研究對V形件彎曲回彈的機理有了更深入的認識，找到了控制V形件回彈的方法，進而開發了一套V形件彎曲智能化控制系統。為了充分發揮這一成果的作用，能夠讓學生對彎曲回彈有更深刻的認識，實驗教師把這一內容與原有的傳統彎曲回彈實驗相結合開設了一門綜合性、設計性實驗。

1實驗原理

影響V形彎曲過程的因素除了彎曲力、彎曲行程外，還有材料性能參數和毛坯及模具幾何參數，而目標彎曲角（回彈后的角度）與彎曲行程成線性關系，因此可以通過控制彎曲行程來達到控制目標彎曲角的目的[1]。根據此原理建立了如圖1所示的實驗系統，由模具部分、液壓系統、智能控制系統等組成，工作原理如圖2所示。

系統按照工作原理分成四部分：

1）過程監測部分：主要由傳感器、A/D卡、工控機及采集、記錄和顯示程序組成。能夠反映彎曲過程特征的兩個物理量，彎曲行程、彎曲力，被位移傳感器和壓力傳感器經調理模塊（Scx1-1180和Scx2-1520）轉換成兩個電壓信號。兩個電壓信號經A/D卡（6062E1）將模擬量轉換為數字量輸入計算機。計算機內設置的記錄顯示程序將上述兩個物理量以數據文件的形式自動保存在計算機內，并隨著彎曲過程的進行在顯示器上實時顯示出變化曲線；

2）工藝參數輸入部分：主要由計算機和相應的軟件組成，根據目標彎曲角計算出彎曲行程，然后輸入行程控制量；

3）系統控制部分：由計算機、控制程序、D/A卡（6062E2）、三位四通電磁換向閥、控制器及相關模塊等組成。控制系統以彎曲行程作為輸入信號，發出控制指令，D/A卡將控制電壓信號的數字量轉換成模擬量后進入三位四通電磁換向閥，使換向閥動作，達到控制彎曲行程的目的；

3）系統控制部分：由計算機、控制程序、D/A卡（6062E2）、三位四通電磁換向閥、控制器及相關模塊等組成。控制系統以彎曲行程作為輸入信號，發出控制指令，D/A卡將控制電壓信號的數字量轉換成模擬量后進入三位四通電磁換向閥，使換向閥動作，達到控制彎曲行程的目的；

2實驗內容介紹

板材彎曲回彈的測量與控制實驗教學重點體現沖壓工藝的基礎理論知識在實驗中的應用，同時向學生有選擇的滲透系統工作的控制原理，激發、啟迪學生對于科研工作的熱愛。

本實驗課主要講授如下內容：①V形彎曲產生回彈的原理及影響因素；②回彈的基本控制方法；③實驗系統工作原理；④傳感器的原理及標定。本實驗使用了磁致伸縮位移傳感器、應變片式壓力傳感器。

根據實驗指導書，學生自行確定實驗方案。同時完成以下主要內容：①選擇實驗材料、排樣、下料，實驗室提供多種板材，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通過數據采集系統采集、處理數據，測量回彈角度得出行程影響目標彎曲角的規律；④在老師的指導下把行程－目標彎曲角的變化規律植入控制程序；⑤運行系統，實現彎曲回彈的自動控制。

現場給出了實驗標準做法的步驟、圖片和實物參考，實驗完畢要求寫出實驗報告。

在彎曲回彈實驗中加入控制手段，改進、豐富了原有的實驗內容，同時也展示了本學科的前沿科研成果，該控制系統是多學科交叉的產物，不僅能引起學生極大的好奇心和科研興趣，而且對培養學生的動手能力和獨立思考能力，培養交叉學科的復合型人才很有益處。

3實驗軟件系統的開發

以該項成果的理論為指導依據，針對學生實驗的實際條件筆者所在實驗室人員開發了相關的數據采集系統和控制系統。

3.1基于LabVIEW的數據采集系統

基于G語言的圖形化編程軟件LabVIEW是美國國家儀器公司（NI）的創新軟件產品[2~6]，即對稱之為虛擬儀器的軟件對象進行圖形化組合操作，提供了直覺式的環境，在自動測試、數據采集與控制、過程監控和工業自動化等領域得到廣泛應用。

廣義的數據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、壓力等物理信號轉化為數字量并傳遞到計算機中的過程。LabVIEW的數據采集程序庫包括許多數據采集卡的驅動控制程序。通常，一塊卡可以完成多種功能。用戶在使用之前必須設置好采集卡的硬件配置。基于LabVIEW的數據采集系統一般如圖3所示[5]。

數據采集硬件有多種形式，硬件的選擇要根據具體的應用場合并考慮到自己現有的技術資源。本系統采用的是由6062筆記本數據采集卡（Card-6062E）、IBM筆記本電腦T60、信號調理4槽機箱（SCXI-1180）、8通道應變測試調理模塊（SCXI-1520）及其接線端子（SCXI1314）、6通道模擬輸出調理模塊（SCXI-1124）及其接線端子（SCXI-1125）組成的數據采集系統。

3.2基于LabVIEW數據采集系統上的程序開發和測試

在彎曲實驗控制系統中，過程變量彎曲力和彎曲行程的樣本數據的采集是利用基于LabVIEW[2~4]的數據采集系統完成的。

圖4和圖5分別為在LabVIEW上開發的V形彎曲控制過程中變量采集程序的前面板圖及主框圖。圖形和數據的顯示控件都安放在前面板上，數據間具體的輸入輸出、運算關系和文件的讀寫等操作則是在框圖程序里進行定義。

4結束語

本實驗的開設集中體現了多學科知識的融合，整個實驗過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，對本學科的大學生來說既是一次內容充實的實驗課，又是一堂理論聯系實際的工藝理論課。將該系統引入實驗教學中，經過兩年的實踐，收到了良好的效果：

1）相比原有傳統的實驗，實驗內容更加豐富了，更能提高學生學習興趣；

2）通過改裝原來的實驗設備、開發實驗數據采集、控制系統既節省了實驗經費又改善了實驗條件；

3）將科研成果引入實驗教學是一個高效可行之路，實驗室教師通過開發高新技術實驗，不但提高教學水平，同時促進了科研。

參考文獻

1官英平，蘇春建，趙軍.寬板V形自由彎曲智能化控制實驗系統[J].塑性工程學報，2006，13(5).

2 歐陽黎明.MATLAB控制系統設計[M].北京:國防工業出版社，2001.

3 劉君華，賈惠芹，丁昕，等.虛擬儀器圖形化編程語言[M].西安:西安電子科技大學出版社，2001.

4 汪敏生.LabVIEW基礎教程[M].北京:電子工業出版社，2002.

5G W Johnson著.LabVIEW圖形編程.武嘉澍譯.北京:北京大學出版社.2002.

6 張立明.人工神經網絡的模型及其應用[M].南京:復旦大學出版社，1994.