CN101224477B - 大尺寸金属钣金件精密超塑气胀成形自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于大尺寸金属钣金件精密超塑气胀成形的自动控制系统，属于超塑气胀成形技术。主要由气源(1)、总减压阀(2)、气压传感器(6)、下模减压阀(7)、执行机构(16)、上位机(12)、超塑气胀成形装置(13)、温度控制仪(14)和五个电磁阀阵列(3、8、9、10、11)组成的阵列。温度控制仪(14)预先对超塑气胀成形装置(13)进行温度控制，气源通过气路通道进入超塑气胀成形装置(13)，由电磁阀阵列控制气路中气体的走向；气路压力和超塑气胀成形装置(13)内温度通过传感器检测并传送给上位机(12)，由上位机(12)控制执行机构(16)动作，使生产过程按预先设定的P-T曲线进行。提高了自动化程度、生产精度和效率，降低了劳动强度。
Description
技术领域
本发明属于先进机械制造自动化装备领域。具体是涉及一种大尺寸金属钣金件精密超塑气胀成形自动控制系统。
背景技术
超塑气胀成形技术在现代的航空、航天及交通车辆制造领域占据重要地位。目前，金属钣金件超塑气胀成形过程主要采用人工手动完成，气压调节的难度较大，劳动强度高；人工操作具有较大的主观性和局限性，且人工无法实现按材料的理论P-T曲线进行调节，导致控制精度低，加剧了零件厚度变薄不均匀程度，降低了零件的成形质量和力学性能。尤其大尺寸零件的精确控制将显著提高产品的性能。
发明内容
本发明的目的是解决当前工业用超塑气胀成形过程中控制系统的设计和应用问题，提供一种可批量生产大尺寸金属钣金件精密超塑气胀成形的自动控制系统，以提高超塑气胀成形操作的自动化程度和精度，减轻工人的劳动强度。
实现以上目的所采用的技术方案为：包括气源、总减压阀、总电磁阀、气压传感器、下模减压阀、上模进气电磁阀、上模放气电磁阀、下模进气电磁阀、下模放气电磁阀、上位机、超塑气胀成形装置、温度控制仪、执行机构，其中气源的出口通过管道与总减压阀同轴相连，总减压阀的出口通过管道连于执行机构的入口。气压传感器安装在执行机构的输出端，总电磁阀的输入端连于执行机构的输入端，总电磁阀的输出端连于执行机构的输出端，气压传感器的输出端分别连于上模进气电磁阀的输入端和下模减压阀的输入端，上位机分别通过RS485总线连于执行机构和气压传感器，下模减压阀的输出端通过管道连于下模进气电磁阀的输入端，下模进气电磁阀的输出端通过管道连于下模放气电磁阀的输入端，下模放气电磁阀安装在下模的放气管道处，上模进气电磁阀的输出端通过管道连于上模放气电磁阀的输入端，上模放气电磁阀安装在上模出气管道处，超塑气胀成形装置的上模端连于上模进气电磁阀的输出端和上模放气电磁阀的输入端连接处，超塑气胀成形装置的下模端连于下模进气电磁阀的输出端和下模放气电磁阀输入端的连接处，上模进气电磁阀、上模放气电磁阀、下模进气电磁阀、下模放气电磁阀均分别通过隔离I/O接口连于上位机，与超塑气胀成形装置相连的温度控制仪通过RS485总线连于上位机。所述执行机构包括控制减压阀、步进电机、步进电机控制器，其中，步进电机与控制减压阀通过旋转轴轴向连接，步进电机控制器的三相交流输出连于步进电机的输入，控制步进电机的转速和方向，步进电机控制器的输入端分别通过转速I/O接口和方向I/O口连于上位机。所述的超塑气胀成形装置包括加热电阻丝和温度传感器，置于超塑气胀成形装置内的加热电阻丝与温度传感器相连，温度传感器通过电缆连于与上位机相连的温度控制仪。
本发明的优点在于：
(1)执行机构利用电磁阀和减压阀的并联安装，可以灵活和可靠的实现“自动功能”和“手动功能”的切换；采用基于RS485总线的主从式控制，RS485总线的使用可以使得系统的数据远程传输更为可靠，主从控制方式可方便的进行系统装配、集成和维护；
(2)电磁阀阵列的使用和上位机的隔离I/O控制简化了气路设计，使得气路的控制更加高效、可靠和方便，同时也简化了上位机的软件设计；大功率步进电机的使用能够适应各种尺寸零件的成形操作，且避免了较大的控制累计误差。
(3)整体方案利用对系统建模的方法，实现了对超塑气胀成形的自动化操作，大大减少了人工干预的程度，提高了大尺寸钣金件超塑气胀成形的精密度。
4、附图说明
图1：大尺寸金属钣金件精密超塑气胀成形自动控制系统
图2：执行结构示意图
图3：超塑气胀成形装置示意图
图中：1、气源2、总减压阀3、总电磁阀4、控制减压阀5、步进电机6、气压传感器7、下模减压阀8、上模进气电磁阀9、上模放气电磁阀10、下模进气电磁阀11、下模放气电磁阀12、上位机13、超塑气胀成形装置14、温度控制仪15、步进电机控制器16、执行结构17、加热电阻丝18、温度传感器
5、具体实施方式
现结合附图1、附图2和附图3详细说明本发明的具体实现方式。
一种大尺寸金属钣金件精密超塑气胀成形自动控制系统，主要包括三个子系统：自动功能/手动功能切换子系统、系统的校正子系统、金属钣金件的超塑气胀成形子系统等。
(1)自动功能/手动功能切换子系统的设计主要考虑系统可靠性操作，当自动功能出现问题时，则需要人工加以干预。该子系统的使用较为简单，主要依靠控制总电磁阀3实现。当“手动功能”有效时，总电磁阀3动作，使得控制减压阀4两端的气压等同，即：Po＝Pi。此时，控制减压阀4的两端气路等效于“短路”，手动操作起作用，可以通过调节总减压阀2实现对零件成形的人工操作。该措施可以降低手动方式下由于自动方式误操作带来的危害性，提高了气路系统的工作可靠性。当切换至“自动功能”有效时，自动控制功能起作用。输入的气源值Pi和控制减压阀4输出控制值Po存在下列等式：
Po＝K·Pi
其中，k＜1为控制减压阀4的控制系数，与控制减压阀4的阀门开度有关，而阀门开度和步进电机5的轴向进距，即步进电机5的前进步长数目相关。
(2)系统校正子系统主要包括：气源1、总减压阀2、下模减压阀7、执行机构16、气压传感器6、电磁阀阵列3、8、9、10、11和上位机12。自动系统在使用前需要进行校正，校正的目的是为了提高零件超塑气胀成形的精密度。气压传感器6是一个智能压力在线检测仪，装配在减压阀4的出气管道处，气压传感器6的精度为0.2级，可以满足系统的气压控制和检测要求。执行机构16采用了大功率步进电机5控制减压阀4的方式，步进电机5和控制减压阀4通过旋转轴轴向连接，固定在一个底座上。选用的步进电机采用了大功率三相驱动(力矩高达15N.M)方式，采用了步距细分方式(标准步距为0.6度，可细分至0.15度)，可以方便的、精确的驱动和控制减压阀进行大尺寸钣金件的成形操作。
校正时，把气路中的气压降为0，并切换至自动功能，打开气源1，人工调节好总减压阀2的输出值，系统自动关闭电磁阀阵列，开始调整执行机构16中步进电机5的转速和转动方向，上位机12通过隔离I/O接口控制步进电机控制器15，利用步进电机控制器15的三相交流输出U、V、W控制步进电机5的转速和方向；当步进电机5转动时，上位机12需要检测步进电机5的启动零点并保存该点的位置；通过检测气压传感器6传来的数据计算步进电机5转动步长和气压之间的关系，把此关系的数据在上位机12的硬盘上妥善保存。
金属钣金件的超塑气胀成形操作子系统主要包括：气源1、总减压阀2、下模减压阀7、执行机构16和气压传感器6、电磁阀阵列3、8、9、10、11和上位机12、温度控制仪14、超塑气胀成形装置13。在超塑气胀成形装置13内放置加热电阻丝17，温度控制仪14利用PID控制方式对电阻丝17加热升温，温度传感器18放置在超塑气胀成形装置13内，通过电缆把温度的测量信号传输至温度控制仪14，温度控制仪14通过RS485总线与上位机12相连。
在进行成形操作之前，通过上模放气电磁阀9和下模放气电磁阀11动作预先排除超塑气胀成形装置13内的气体，并采用温度控制仪14对超塑气胀成形装置13进行加热和温度PID控制，当装置温度处于一个合适的范围时即可进行成形的自动控制。人工打开钢瓶气源1并观察气源仪表，调节总减压阀2和下模减压阀7至合适的气压并保持不变。
利用上位机12选择合适的操作方式，通过选择使得系统处于“自动功能”操作，假设成形模式为正吹。上位机12通过软件发出指令，通过隔离I/O接口控制总电磁阀8动作，其余的电磁阀3、9、10、11不动作。根据软件预先设定的P-T曲线、步进电机步长和气压之间的增量关系、系统模型，计算当前超塑气胀成形装置13内上模腔体内的理论压力，进而算出步进电机应该旋转的步数和旋转方向，通过隔离I/O接口控制步进电机动作，此时，由于上模电磁阀8打开，因此，上模腔内气压应该等于控制减压阀4的输出气压。同时，气压传感器6把检测的数据通过RS485总线实时传输至上位机12进行压力显示、计算和步进电机的控制校正，以保持实际的P-T曲线和理论曲线尽量一致。在超塑气胀成形过程中，温度控制仪自动控制成形装置内的温度，使其基本保持在一个合理范围内，同时，温度值通过RS485总线传输至上位机进行处理和显示。当一个P-T曲线的周期完成之后，即一个零件的成形操作基本完成之后，上位机12通过RS485总线命令温度控制仪14停止工作，即断开对超塑气胀成形装置13的加热操作，温度开始下降，当下降至一定程度，上位机12通过隔离I/O接口控制步进电机5逆转，关闭减压阀4，并通过隔离I/O接口打开上模放气电磁阀9进行上模腔内的放气操作，同时，上位机12利用气压传感器6检测腔内气压大小，判断气压大小至放气完毕。此时，基于正吹模式的一个钣金件成形操作完整结束。
假设成形模式为反正吹，分为反吹和正吹两个阶段。首先P-T曲线处于反吹阶段，上位机12通过软件发出指令，通过隔离I/O接口控制下模进气电磁阀10动作，其余的电磁阀3、8、9、11不动作。根据软件预先设定的P-T曲线、利用校正子系统获取的步进电机5步长和气压之间的增量关系、系统模型，计算当前超塑气胀成形装置13内下模的理论压力，进而算出步进电机5应该旋转的步数和旋转方向，通过隔离I/O接口控制步进电机5动作，此时，由于下模进气电磁阀10打开，因此，下模内气压等于控制减压阀4的输出气压。同时，气压传感器6把检测的数据通过RS485总线实时传输至上位机12进行压力显示、计算和步进电机的控制校正，以保持实际的P-T曲线和理论曲线尽量一致。当反吹阶段结束时，下模进气电磁阀10关闭，下模放气电磁阀11打开放气，放气完毕即关闭下模放气电磁阀11，随即转入P-T曲线的正吹阶段，正吹阶段进行的操作模式和系统工作在正吹操作模式是一致的。
Claims (3)
1.一种大尺寸金属钣金件精密超塑气胀成形自动控制系统，其特征在于，包括气源(1)、总减压阀(2)、总电磁阀(3)、气压传感器(6)、下模减压阀(7)、上模进气电磁阀(8)、上模放气电磁阀(9)、下模进气电磁阀(10)、下模放气电磁阀(11)、上位机(12)、超塑气胀成形装置(13)、温度控制仪(14)、执行机构(16)，其中气源(1)的出口通过管道与总减压阀(2)同轴相连，总减压阀(2)的出口通过管道连于执行机构(16)的入口，气压传感器(6)安装在执行机构(16)的输出端，总电磁阀(3)的输入端连于执行机构(16)的输入端，总电磁阀(3)的输出端连于执行机构(16)的输出端，气压传感器(6)的输出端分别连于上模进气电磁阀(8)的输入端和下模减压阀(7)的输入端，上位机(12)分别通过RS485总线连于执行机构(16)和气压传感器(6)，下模减压阀(7)的输出端通过管道连于下模进气电磁阀(10)的输入端，下模进气电磁阀(10)的输出端通过管道连于下模放气电磁阀(11)的输入端，下模放气电磁阀(11)安装在下模的放气管道处，上模进气电磁阀(8)的输出端通过管道连于上模放气电磁阀(9)的输入端，上模放气电磁阀(9)安装在上模出气管道处，超塑气胀成形装置(13)的上模端连于上模进气电磁阀(8)的输出端和上模放气电磁阀(9)的输入端连接处，超塑气胀成形装置(13)的下模端连于下模进气电磁阀(10)的输出端和下模放气电磁阀(11)输入端的连接处，上模进气电磁阀(8)、上模放气电磁阀(9)、下模进气电磁阀(10)、下模放气电磁阀(11)均分别通过隔离I/O接口连于上位机(12)，与超塑气胀成形装置(13)相连的温度控制仪(14)通过RS485总线连于上位机(12)。
2.根据权利要求1所述的大尺寸金属钣金件精密超塑气胀成形自动控制系统，其特征在于，所述执行机构(16)包括控制减压阀(4)、步进电机(5)、步进电机控制器(15)，其中，步进电机(5)与控制减压阀(4)通过旋转轴轴向连接，步进电机控制器(15)的三相交流输出连于步进电机(5)的输入，以控制步进电机(5)的转速和方向，步进电机控制器(15)的输入端分别通过转速I/O接口和方向I/O口连于上位机(12)。
3.根据权利要求1或2所述的大尺寸金属钣金件精密超塑气胀成形自动控制系统，其特征在于，所述的超塑气胀成形装置(13)，包括加热电阻丝(17)和温度传感器(18)，置于超塑气胀成形装置内的加热电阻丝(17)与温度传感器(18)相连，温度传感器(18)通过电缆连于与上位机(12)相连的温度控制仪(14)。
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