管材塑性擬合成形數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳桂，湯玉東，萬(wàn)其

(南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京211167)

0 前言

金屬塑性成形加工由于其高效環(huán)保已成為目前工業(yè)控制領(lǐng)域的重要研究方向之一，在電力、航天、汽車(chē)、船舶等行業(yè)廣泛應(yīng)用［1］。金屬塑性成形方法可分為有模成形和無(wú)模成形。有模成形需要定制專(zhuān)用模具，同時(shí)金屬回彈控制較為困難，這種方法適合品種少、批量大的工件加工，有模加工研究重點(diǎn)是回彈補(bǔ)償技術(shù)，如楊建鳴等［2］提出了一種基于回彈數(shù)值模擬并通過(guò)修正基本體群成形面的方法來(lái)補(bǔ)償板材多點(diǎn)成形的回彈，黃曉磊等［3］根據(jù)U 型梁的應(yīng)力狀態(tài)分析，改變制件內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合材料本身彈性回復(fù)的特性，利用模具結(jié)構(gòu)控制回彈。在金屬塑性成形領(lǐng)域，板材成形由于廣泛的應(yīng)用需求，發(fā)展較快，高精度多點(diǎn)無(wú)模成形已成功應(yīng)用到板材成形加工中。多點(diǎn)無(wú)模成形是由規(guī)則排列的基本體點(diǎn)陣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整體模具，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制基本體的位置形成形狀可變的柔性模具，從而方便對(duì)成形板材回彈進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)不同形狀板類(lèi)件的快速成形［4］，這種方法與有模成形相比較具有較大優(yōu)勢(shì)，只是設(shè)備量較大，成本高。金屬管材的成形方法也可采用多點(diǎn)成形方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如劉啟騫等［5］研究了一種管材基于多點(diǎn)成形控制方法。

目前，成形技術(shù)研究相對(duì)集中在板材成形領(lǐng)域，管材成形由于其回彈難以控制而影響其應(yīng)用范圍，因而成形精度需求成為制約管材成形應(yīng)用的主要因素［6－7］。作者在單點(diǎn)成形控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用管材曲線擬合漸進(jìn)成形的控制方法，設(shè)計(jì)多軸控制管材成形數(shù)控系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)管材的塑性成形角，實(shí)現(xiàn)管材成形的閉環(huán)控制，對(duì)管材成形的回彈進(jìn)行補(bǔ)償和修正，從而實(shí)現(xiàn)了大彎曲半徑管材的擬合漸進(jìn)成形。

1 管材擬合漸進(jìn)成形原理

管材彎曲成形方式較多［8］，主要有壓彎、拉彎、繞彎、推彎、滾彎等方式，這些成形方式的共同特點(diǎn)是管材在外力的作用下，在某一點(diǎn)(或某一小段)產(chǎn)生塑性變形。管材單點(diǎn)成形原理示意如圖1所示，主要由上、下夾具和下壓模具3 個(gè)部分組成，上、下夾具首先夾緊工件(管材)，下壓模具下壓，工件首先產(chǎn)生彈性變形，待下壓量達(dá)到一定范圍時(shí)，工件產(chǎn)生塑性變形，下壓模具恢復(fù)到起始位置后，工件彈性變形恢復(fù)，保留了塑性變形，圖1 中，θ 為塑性成形角。擬合漸進(jìn)成形技術(shù)基于單點(diǎn)成形，在工件的不同位置進(jìn)行單點(diǎn)成形，進(jìn)而擬合成所需要的曲線。

圖1 單點(diǎn)成形原理示意圖

圖2 為管材擬合漸進(jìn)成形原理示意圖。管材成形后的理想曲線(圖中所成曲線為1/4 圓)，擬合漸進(jìn)成形實(shí)際曲線為圓的內(nèi)接多邊形。擬合漸進(jìn)成形基本原理是在管材理想曲線圓與該圓的內(nèi)接多邊形的交點(diǎn)處進(jìn)行單點(diǎn)成形，用內(nèi)接多邊形擬合所需要的成形曲線。內(nèi)接多邊形的邊到圓周最大距離為擬合漸進(jìn)成形固有誤差，多邊形的數(shù)量越多，理論精度越高。在擬合漸進(jìn)成形中，圓弧半徑的內(nèi)接多邊形的邊數(shù)決定了單次成形角度大小。相鄰單次成形點(diǎn)在圓周方向上距離，可采用對(duì)具體管材進(jìn)行試驗(yàn)并結(jié)合必要的仿真確定，文獻(xiàn)［9］提供了一種基于有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA 的管材成形仿真模型。

圖2 擬合漸進(jìn)成形原理示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 加工轉(zhuǎn)臺(tái)及多軸運(yùn)動(dòng)描述

圖3 為擬合漸進(jìn)成形轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括上、下夾具、下壓模具、超聲測(cè)距傳感器等，均安裝轉(zhuǎn)臺(tái)上。擬合漸進(jìn)成形過(guò)程中，固定夾具夾緊管材，上、下夾具運(yùn)動(dòng)由雙向絲杠驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)(簡(jiǎn)稱(chēng)z軸)絲桿旋轉(zhuǎn)，上、下夾具做趨近或分離運(yùn)動(dòng);下壓模具(簡(jiǎn)稱(chēng)z'軸)作上下運(yùn)動(dòng)。在單點(diǎn)成形點(diǎn)，系統(tǒng)控制z 軸運(yùn)行，將工件夾緊，單點(diǎn)成形結(jié)束后，松開(kāi)工件;z 軸夾緊運(yùn)動(dòng)完成后，系統(tǒng)控制下壓模具z'軸下壓，在單點(diǎn)成形點(diǎn)下壓管材使其產(chǎn)生彈塑性變形，下壓完成后，向上運(yùn)動(dòng)，完成單點(diǎn)成形運(yùn)動(dòng);轉(zhuǎn)臺(tái)作水平(x 軸)、上下(y 軸)及旋轉(zhuǎn)(R 軸)運(yùn)動(dòng)，x、y 軸帶動(dòng)夾具(z 軸)和下壓模具(z'軸)向管材下一個(gè)單點(diǎn)成形點(diǎn)運(yùn)行，同時(shí)R 軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，使z 軸和z'軸每次加工和起始點(diǎn)的單點(diǎn)成形狀態(tài)相同。

圖3 加工轉(zhuǎn)臺(tái)安裝示意圖

2.2 塑性成形角測(cè)量

塑性成形角測(cè)量是高精度擬合漸進(jìn)成形的關(guān)鍵技術(shù)。由于管材成形過(guò)程的回彈難以控制，影響管材的成形精度，在擬合漸進(jìn)成形過(guò)程中，由于誤差的累積，最終很難得到理想的成形曲線。對(duì)管材已成形部分成形角度的實(shí)時(shí)測(cè)量，作為管材擬合漸進(jìn)成形閉環(huán)控制的反饋量，可對(duì)管材成形角進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，提高管材成形曲線的精度。直接測(cè)量成形角設(shè)計(jì)較為困難，本系統(tǒng)采用一種非接觸式距離傳感器測(cè)量單點(diǎn)成形前后的距離變化，折算成形管材塑性成形角，將角度測(cè)量轉(zhuǎn)換為距離測(cè)量。

圖3 中，測(cè)距傳感器選擇超聲波測(cè)距傳感器，選擇其測(cè)量范圍為20 ～150 mm，測(cè)量精度為0.2 mm，當(dāng)安裝在距離旋轉(zhuǎn)點(diǎn)L =100 mm 處時(shí)，可折算出角度測(cè)量精度約0.11°，成形角θ 的計(jì)算表達(dá)式為:

式中:Δl 為塑性成形前后的距離差，θ 為成形角。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，超聲波測(cè)距傳感器安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，因此每次單點(diǎn)成形加工前超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)是相同的。需要說(shuō)明的是，超聲波測(cè)距傳感器的測(cè)量范圍大于最大成形角度距離變化量。

2.3 成形系統(tǒng)坐標(biāo)系及運(yùn)動(dòng)控制

建立如圖3所示擬合漸進(jìn)成形x、y 直角坐標(biāo)系，為方便數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)給控制，y 軸坐標(biāo)方向向下，圖3中，x 軸和y 軸的交點(diǎn)為坐標(biāo)系起始原點(diǎn)，設(shè)θ 為單點(diǎn)成形角，管材內(nèi)接多邊形的邊數(shù)為N，理論曲線圓半徑為R，單點(diǎn)成形理論成形角為θ0= θ1= … = θk(k≤N/4－1)，轉(zhuǎn)臺(tái)各成形點(diǎn)的理論坐標(biāo)為:

第1 點(diǎn)坐標(biāo)為

第k 點(diǎn)坐標(biāo)為

不檢測(cè)成形角(開(kāi)環(huán))運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程是控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行到每個(gè)理論成形點(diǎn)(即圓內(nèi)接多邊形與圓的交點(diǎn))處，進(jìn)行單點(diǎn)成形加工，由于實(shí)際單次成形角總存在偏差，開(kāi)環(huán)控制往往難以達(dá)到理想的精度，因此需要利用2.2 節(jié)中描述的成形角測(cè)量對(duì)單次成形點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行修正。

通過(guò)在單點(diǎn)成形點(diǎn)對(duì)實(shí)際已成形角的修正，保證了擬合成形曲線接近理論曲線，達(dá)到高精度成形加工的目的。

2.4 多軸控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)及控制［10］

開(kāi)放式可重構(gòu)技術(shù)的飛速發(fā)展加快和簡(jiǎn)化了數(shù)控成形加工系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，擬合漸進(jìn)成形數(shù)控系統(tǒng)硬件組成如圖4所示。

圖4 數(shù)控系統(tǒng)組成框圖

上位計(jì)算機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(工業(yè)PC)，在工業(yè)PC 中安裝了一塊含兩路現(xiàn)場(chǎng)總線CAN 的通訊卡，分別完成工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的通訊和位置傳感器的通訊。超聲測(cè)距傳感器通過(guò)RS232直接與計(jì)算機(jī)相連。

工業(yè)PC 中，利用位置傳感器對(duì)各軸位置檢測(cè)實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，在各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中完成速度閉環(huán)控制，位置傳感器和各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與上位機(jī)接口均選用CAN 總線接口，這種架構(gòu)便于系統(tǒng)的重構(gòu)和擴(kuò)展。

2.5 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從2.3 節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制描述可知，擬合漸進(jìn)成形的加工過(guò)程是一種順序控制，即順序控制各軸的位置，圖5 為軟件控制流程圖。實(shí)際成形角θ'k 通過(guò)式(4)計(jì)算x、y、R 軸單點(diǎn)成形點(diǎn)目標(biāo)位置;根據(jù)管材厚度計(jì)算z 軸實(shí)際目標(biāo)位置;z'的進(jìn)給位置根據(jù)實(shí)際已成形角和理論成形的差，對(duì)已產(chǎn)生的實(shí)際成形角進(jìn)行修正，圖中成形角下壓曲線是下壓量與成形角關(guān)系，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲取，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算z'進(jìn)給量時(shí)，根據(jù)需求的成形角查表，進(jìn)行線性插值，求出z'的進(jìn)給量。

圖5 控制軟件流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)上述控制方法，研制一種針對(duì)矩形銅質(zhì)管材成形數(shù)控設(shè)備，并進(jìn)行了加工試驗(yàn)，試驗(yàn)管材成形半徑R 為115 mm，成形總角度為70°，單點(diǎn)理論成形角為2°，圖6 是測(cè)距傳感器測(cè)量值與理論值的差值，圖7 是成形點(diǎn)的角度誤差曲線，試驗(yàn)表明，在擬合成形初始段誤差角度較大，通過(guò)對(duì)單點(diǎn)成形角實(shí)時(shí)測(cè)量，并在下一成形點(diǎn)修正和補(bǔ)償，成形誤差逐漸減小，根據(jù)計(jì)算，控制精度均方值優(yōu)于0.05°。

圖6 加工誤差曲線圖

圖7 成形角度誤差曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

闡述了單點(diǎn)成形原理，研究了擬合漸進(jìn)成形控制方法并設(shè)計(jì)管材成形數(shù)控加工系統(tǒng)，通過(guò)非接觸式實(shí)際成形角度的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)擬合漸進(jìn)成形的成形角實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。這種成形加工方法摒棄傳統(tǒng)的有模成形方法，實(shí)時(shí)對(duì)實(shí)際成形角進(jìn)行補(bǔ)償和修正，從而實(shí)現(xiàn)管材的高精度成形加工。實(shí)際加工表明，上述控制方法可對(duì)一定范圍尺寸的多種管材成形加工。

管材塑性成形加工精度要求越來(lái)越高，上述擬合漸進(jìn)成形數(shù)控加工技術(shù)雖然帶有成形角度測(cè)量，但目前只能滿足一定尺寸范圍的成形曲線加工，對(duì)于曲率較大成形曲線加工還難以實(shí)現(xiàn)，大曲率成形曲線的高精度成形技術(shù)是目前成形加工領(lǐng)域的應(yīng)用研究方向之一。

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