基于虛擬儀器的雙軸柔性輥彎成型機控制系統設計*

張若青 景作軍 李 凱

(①北方工業大學機電工程學院，北京 100144;②中國農業科學研究院農產品加工所，北京 100193)

輥彎成型是一種高效、節能、節材、先進適用的板金屬深加工工藝。通過順序配置具有一定形狀的成型輥，對卷材、帶材等金屬板帶逐步進行彎曲變形，制成特定斷面的型材［1］。與其他板金屬成型工藝相比，輥彎成型產品具有斷面形狀合理、重量輕、機械性能好等特點。當型材斷面沿縱向尺寸變化時，相應產品稱為變截面冷彎成型產品。與等截面型材相比，變截面產品具有力學性能好、構件重量輕、節省材料等優點，越來越廣泛地應用于汽車、建筑型材等行業。

變截面冷彎成型的概念首先由德國達姆施塔特大學提出，隨后各國學者紛紛展開了相關技術的研究［2－4］。這些研究包括采用有限元技術分析典型變截面輥彎成型的變形特性與受力狀態［4］，研制不同結構的變截面輥彎成型機［2－3］。在變截面輥彎成型技術越來越受到國際上廣泛重視的同時，中國也相繼開展了相關技術的研究，如通過數值計算與試驗，探討變截面成型型材截面的變化范圍［5］;研制單軸變截面輥彎成型機與雙軸變截面輥彎成型機以及相應的控制系統，進行變截面輥彎成型的實驗研究等［6－8］。

本文介紹了基于虛擬儀器思想的雙軸變截面輥彎成型機的控制系統，以PXI控制器為控制核心，采用NI運動控制器以及信號處理模塊，實現了高精度三道次雙軸變截面成型。

1 雙軸變截面成型機設計

根據輥彎成型原理，在成型過程中，成型輥的中心線應與板材邊緣成型點法線平行，即與成型點處切線保持垂直關系，如圖1所示。因此成型輥不僅需要沿軸向的平動，還需要轉動以保持上述關系。

根據以上成型原理，我校研制了可進行三道次變截面成型的雙軸變截面成型機，其單道次機組的結構簡圖如圖2所示。成型輥通過滑臺與伺服電動機聯接，配合絲杠—螺母與齒輪—齒條機構，利用2臺伺服電動機實現同一道次的兩組成型輥對稱的平動與轉動。

2 控制系統設計

根據變截面成型原理可知，在板材成型過程中，根據板材成型點曲率與板材送料速度，需要調整成型輥運動的速度與位移，從而成型出滿足要求的變截面型材。成型機三道次成型的6臺伺服電動機構成了多軸伺服電動機的運動控制系統。

用于伺服電動機控制的運動控制器，可分為基于計算機標準總線的運動控制器、Soft型開放式運動控制器以及嵌入式運動控制器等，其中基于計算機標準總線的運動控制器的應用越來越廣泛。這類運動控制器采用“PC+運動控制器模式”，可以充分利用計算機軟件資源，構建用戶定制的應用［9］。

本系統采用基于虛擬儀器思想的運動控制器以及相應的硬件平臺，構建了雙軸變截面冷彎成型機的控制系統。

2.1 虛擬儀器技術簡介

所謂虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。作為虛擬儀器常用的硬件平臺—PXI控制器，具有開放式架構，內置高速、高精度的定時和觸發總線，配合各類標準化的I/O硬件模塊，在圖形化編程軟件LabVIEW的支持下，不僅可以輕松方便地完成與各種硬件的聯接，還具有強大的后續數據處理能力，滿足各種高性能要求，越來越多地應用于各種工業場合。

2.2 控制系統結構

本系統以PXI控制器為硬件平臺，采用NI 7356控制電動機運動，NI 6624采集板材速度以及軋輥位置信號，同時配合相應的接口配件，構建了如圖3所示的雙軸變截面輥彎成型控制系統。

板材進行變截面成型時，成型力在較大范圍內變化，影響了板材的進給速度，進而影響道次之間的協調運動，因此成為影響成型軌跡精度的重要時變因素，也是參與控制的重要變量。所構建的全數字測試系統大大提高了系統的抗干擾能力，位置與速度閉環控制策略也極大地減小了傳動機構機械間隙等造成的位置誤差。

3 軟件設計

采用圖形化語言LabVIEW編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑，可以大大提高工作效率。

圖4為實現電動機轉動的程序框圖?？梢钥闯?，框圖中電動機工作模式的設置與參數給定是圖形化編程中的重要組成部分，既能完成硬件配置，又實現了數據交換。程序的流向控制由數據傳遞來實現，不同的執行過程由不同的結構實現。如圖4中由分支結構實現電動機工作狀態的分解，循環結構實現電動機運行狀態的判斷。

4 實驗結果分析

利用上述控制系統在雙軸輥彎成型機上實現了某5斜率板材的成型，其中一個機組的2臺電動機的部分運行曲線以及實際成型樣件如圖5所示。為便于分析電動機特性對軌跡精度的影響，圖中已經將電動機轉角折算為成型輥位移的電動機位移曲線。

由板材成型原理可以知道，成形板材的輪廓形狀由成型輥的運動與板材送料運動合成;圖5a中電動機1的位移曲線基本反映了板材輪廓形狀，電動機2由于需要根據變斜率段的曲率調整成型輥的角度而與電動機1的曲線存在一定量偏差。因為電動機過渡過程的存在，使成型輥軌跡在圖5a中所示A、B、C、D四處斜率變化點出現過渡曲線，從而造成軌跡偏差。本實驗在板材送料速度為0.2 m/s的情況下，軌跡偏差最大約為4 μm。

高精度成型輥軌跡控制是實現高精度變截面成型的前提，在此基礎上分析成型質量才是可靠的。

5 結語

北方工業大學研制的雙軸變截面輥彎成型機具有結構簡單、合理等特點，配合基于虛擬儀器思想的成型輥位置與速度的計算機控制系統，實現了直線型雙軸變截面板材的成型?？刂葡到y以LabVIEW軟件為開發環境，運用NI運動控制器等模塊，充分利用圖形化軟件系統編程靈活、方便的特點，完成了對控制系統的快速開發。

［1］小奈弘，劉繼英.輥彎成型技術［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［2］P Groche，G von Breitenbach，M J？ ckel，et al.New tooling concepts for future roll forming applications［C］.2003 ICIT Conference.Bled，Yugosalvia.

［3］Hiroshi Ona，Ryuhou Sho，Takuo Nagamachi，et al.On development of flexible cold roll forming machine［C］.ICTP 2008:2021 －2025.

［4］Abee A，Berner S，Sedlmaier A.Accuracy improvement of roll formed profiles with variable cross sections［C］.ICTP 2008:520 －527.

［5］卜高樂.變截面冷彎成型的FEA仿真研究［D］.北京:北方工業大學，2007.

［6］李偉麗，景作軍，劉繼英.雙軸柔性冷彎成型機運動學分析［J］.機械工程師，2008(7).

［7］林新鵬.柔性冷彎成型控制系統設計［D］.北京:北方工業大學，2008.

［8］李凱.雙軸變截面冷彎成型機組控制系統設計與研究［D］.北京:北方工業大學，2010.

［9］Chaturi Singh，K Poddar.Implementation of a VI－ Based Multi－ Axis motion control system for automated test and measurement applications［C］.TENCON 2008－2008 IEEE Region 10 Conference 2008:1－6.