CN102306009A - 拟合渐进成形控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拟合渐进成形控制系统，包括触摸屏、激光测距传感器、工业控制计算机、多功能卡、X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动，所述的触摸屏、工业控制计算机、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动安装在控制机柜中，多功能卡包含CAN1、CAN2总线接口，安装在工业控制计算机的插槽内，X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器分别安装在X丝杆、Y丝杆、R丝杆、D丝杆的尾部，激光距离传感器2、触摸屏通过电缆分别和工业控制计算机相连。本发明实现管材拟合渐进成形控制，无需在进行管材退火后有模加工；实现各种管材的自动成形控制，无需变换系统组成及模具。

Description

拟合渐进成形控制系统及其方法

技术领域

本发明属于无模成形等机械加工控制技术领域，特别是一种拟合渐进成形控制系统及其方法

背景技术

金属工件成形方法可以分为两类，即有模成形和无模成形，有模成形指将金属工件放在刚性磨具中直接成形，无模成形加工没有特定磨具，其成形形状由工具及工件的相对运动决定成形形状。无模成形取代传统的整体模具，节省模具设计、制造、调试等所需人力、物力和财力，成形的产品精度高、质量好，并且具有良好加工柔韧性。

无模成形控制方法分为多点无模成形装置和单点无模成形装置，专利CN1338367公开了一种多点无模成形装置，包含带自动调整机构的上基本体控制单元群和下基本体控制单元群，上基本体控制单元群、下基本体控制单元群上下相对应。利用上、下基本体控制单元群，随意改变成形面的形状，取代传统的模具来实现板类件的多点成形。金属板料无模单点渐近成形控制系统研究(《锻压机械》2002年01期)描述了一种单点无模成形控制。无模多点成形和单点成形控制方法都是利用基本体运动达到加工成形的目的。

对于大功率发电机的管材成形，目前国内厂家普遍采用有模成形折弯技术，管材需退火后进行有模折弯，退火后管材的刚强度又往往不能满足使用要求，同时，发电机管材品种多，造成需要的模具种类繁多。为了满足生产需要，国内厂家每年需要从国外进口大批成形管材。多点无模成形装置和单点无模成形装置需要较多基本体控制单元群，系统组成复杂，模具数量多，设备的体积大，成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拟合渐进成形控制系统及其方法，实现数控机床对管材进行拟合无模成形控制。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种拟合渐进成形控制系统，包括触摸屏、激光测距传感器、工业控制计算机、多功能卡、X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动，所述的触摸屏、工业控制计算机、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动安装在控制机柜中，多功能卡包含CAN1、CAN2总线接口，安装在工业控制计算机的插槽内，X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器分别安装在X丝杆、Y丝杆、R丝杆、D丝杆的尾部，激光距离传感器2、触摸屏通过电缆分别和工业控制计算机相连；

激光测距传感器、下压模、上压模导向块固定安装在压头转台上，上压模设置在上压模导向块上，该上压模相对于压头转台沿上压模导向块具有D向运动，固定待加工管材的固定架固定在数控机床的床身上，压头转台相对于数控机床床身具有X、Y、R三自由度运动功能；

X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器分别检测数控机床的X、Y、R、D轴的位置，通过CAN1总线接口与工业控制计算机实现信号连接，实时为工业控制计算机提供数控机床的X、Y、R、D轴的位置信息；X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动通过CAN2总线接口与工业控制计算机实现信号连接，工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动实现对各轴运动控制；工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动分别控制压头转台的左右、上下和旋转运动，通过D轴驱动控制上压模上下运动。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1、本发明与现有的有模成形相比，其显著优点：(1)实现管材拟合渐进成形控制，无需在进行管材退火后有模加工。(2)实现各种管材的自动成形控制，无需变换系统组成及模具。(3)本发明实践生产表明，某型号发电机190种管材，通过本发明系统进行加工时，控制系统自动提取加工特征参数进行加工，无需更换模具，提高了生产效率，简化了生产操作。2、本发明与多点无模成形装置和单点无模成形装置相比，其显著优点：(1)本发明减少控制轴的数量，简化了控制系统；(2)本发明减少了模具数量和结构组成，从而缩小了设备的体积；(3)本发明降低了设备的成本。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明拟合渐进成形控制系统组成示意图。

图2是压头转台、固定架等安装示意图。

图3是管材加工前后外形示意图。

图4是虚拟理论加工圆确定方法。

图5是加工过程示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明拟合渐进成形控制系统，包括触摸屏、激光测距传感器、工业控制计算机、多功能卡、X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动，所述的触摸屏、工业控制计算机、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动安装在控制机柜中，多功能卡包含CAN1、CAN2总线接口，安装在工业控制计算机的插槽内，X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器分别安装在X丝杆、Y丝杆、R丝杆、D丝杆的尾部，激光距离传感器2、触摸屏通过电缆分别和工业控制计算机相连；

激光测距传感器2、下压模4、上压模导向块7固定安装在压头转台1上，上压模3设置在上压模导向块7上，该上压模3相对于压头转台1沿上压模导向块7具有D向运动，固定待加工管材5的固定架6固定在数控机床的床身上，压头转台1相对于数控机床床身具有X、Y、R三自由度运动功能；

X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器分别检测数控机床的X、Y、R、D轴的位置，通过CAN1总线接口与工业控制计算机实现信号连接，实时为工业控制计算机提供数控机床的X、Y、R、D轴的位置信息；X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动通过CAN2总线接口与工业控制计算机实现信号连接，工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动实现对各轴运动控制；工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动分别控制压头转台1的左右、上下和旋转运动，通过D轴驱动控制上压模3上下运动。其中，X轴为压头转台1左右运动，Y轴为压头转台1上下运动，R轴为压头转台1旋转运动，D轴为上压模3的上下运动。

本发明利用上述拟合渐进成形控制系统进行的拟合渐进成形控制方法，步骤如下：

第一步，依据要求加工圆形尺寸及公差带，产生一个半径为R的虚拟加工圆形。其中产生半径为R的虚拟加工圆形方法为：

(1)待加工管材5成形后的加工要求半径为R1，R2、R3分别为要求的公差带半径(R2＝R1+δ，R3＝R1-δ，δ是管材成形后的公差要求，一般为0.2～0.8mm)；

(2)确定虚拟加工圆半径为R，R＝R1+0.8δ；

(3)依据以下公式确定步进角θ：

1.6×δ＝R×(1-cos(θ/2))可得：

第二步，操作人员通过触摸屏输入工件代号ID，工业控制计算机从数据库中读取工件相关信息，包括：

a.管材的成形角与上压模下压量之间的函数关系，即上压模的下压行程和管材加工成形角的函数关系y＝f(x)，y为下压量，x为目标成形角，这个函数是依据试验进行标定拟合，不同的管材变形特性不同，函数关系也不相同，采用一次曲线拟合或二次曲线拟合；b.管材成形后的加工要求半径R1；c.精度要求±δ。

第三步，管材5加工过程，即工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动控制压头转台1运动到加工的起点A，管材AB段、BC段、......均为直线，由这些直线段拟合成成形加工需要的圆弧段，其中B、C、......是管材加工成形点，产生变形角。其中采用直线拟合成圆弧的步骤为：

a.以弧

为轨迹，工业控制计算机控制X轴、Y轴，将变形点运行到B点，同时控制R轴旋转，旋转量为θ/2；

b.以步进角θ作为目标成形角x，依据管材的成形角与上压模下压量之间的函数关系y＝f(x)，控制上压模下压，使管材产生变形，到位后保持0.5～2秒后，抬起上压模；

c.通过激光测距传感器测量管材变形前后的距离差AL，计算出实际塑性变形角θ₁，θ1＝arctanΔL/r，r为激光测距传感器的测量激光点打到管材表面的点到加工变形点的距离：

d.以θ₁为下一步折弯成形的步进角，工业控制计算机控制X轴、Y轴，以弧

为轨迹将变形点运行到C点，同时工业控制计算机控制R轴旋转θ₁角；

e.依旧以θ作为目标成形角，依据管材的成形角与上压模下压量之间的函数关系，控制上压模下压，到位后保持0.5～2秒后，抬起上压模，通过激光测距传感器测量管材变形前后的距离差ΔL，计算出实际塑性变形角，进行下一次步进，如此反复加工，直到拟合渐进成形加工完毕。

下面对本发明的工作过程作进一步说明。

本发明拟合渐进成形控制系统的测量过程如下：

1.图1是控制系统组成示意图，包括触摸屏、激光测距传感器、工业控制计算机、多功能卡、X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动等；

2.图1控制系统组成中，触摸屏、工业控制计算机、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动安装在控制机柜中；

3.多功能卡是一种计算机功能板卡，安装在工业控制计算机的插槽内，包含两路CAN总线接口(CAN1、CAN2)；

4.激光测距传感器是一种非接触式距离测量传感器，安装在图2的压头转台上；

5.X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器分别安装在X丝杆、Y丝杆、R丝杆、D丝杆的尾部；

6.图1中，触摸屏通过两根电缆和计算机相连，分别为计算机传送给触摸屏的显示信号(DVI协议)和触摸屏触摸信息传送给计算机(USB协议)；

7.激光距离传感器作为一种成形角的测量反馈元件，通过电缆与工业控制计算机实现信号连接(协议RS232)；

8.X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器分别检测X、Y、R、D轴的位置，它们通过CAN总线(多功能卡中CAN1)与工业控制计算机实现信号连接，实时为工业控制计算机提供X、Y、R、D轴的位置信息；

9.X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动分别包括电机及电机驱动器，它们通过CAN总线(多功能卡中CAN2)与工业控制计算机实现信号连接，工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动实现对各轴运动控制；

10.其中触摸屏是系统输入输出控制设备，指示加工状态及输入加工指令等；

11.工业控制计算机是系统控制核心，控制整个系统的运行；

12.图2是结构部分安装示意图，包括压头转台1、用于成形角测量的激光测距传感器2(已同时申报了专利：非接触式无模加工成形角测量方法)、上压模3、下压模4、待加工的管材5、固定管材的固定架6以及上压模导向块7等；

13.图2中，成形角测量的激光测距传感器2、下压模4、上压模导向块7是固定在压头转台1上；

14.图2中，固定管材的固定架6是固定在机床的床身上；

15.固定架6用于装夹待加工管材；

16.压头转台1相对于机床床身具有X、Y、R三自由度运动功能；

17.上压模3相对于压头转台1沿上压模导向块7具有D向(即上下运动)运动功能；

18.压头转台1上安装了激光测距传感器2、下压模4、上压模导向7等随压头转台1一起运动；

19.图3中a、b为管材(工件)加工前形状(直管)，c工件加工成形后的形状。

20.图4是管材加工的尺寸说明，其中R1是管材需要加工成形的理论尺寸，其范围在100毫米～1000毫米，精度要求±δ，δ＝0.3毫米(可依据实际加工要求确定，一般范围为0.1～0.5毫米)；R2、R3是公差带半径，其中，R2＝R1-δ，R3＝R1+δ

21.图5是拟合成形加工过程示意图，加工成形方法是采用直线拟合成圆弧，图5中，工件AB段、BC段、CD段......均为直线，由这些直线段拟合成成形加工需要的圆弧段，其中B、C、D......是工件加工成形点，即在B、C、D......图2中的上压模3、下压，和下压模4挤压工件，产生变形角，在后续的加工方法中进行详细的描述。

本发明拟合渐进成形控制方法加工的动态过程如下：

1.依据图4中理论加工圆形尺寸及公差带，产生一虚拟加工圆形(半径为R)，产生方法后续内容描述；

2.图5是管材加工过程示意图；

3.操作人员通过触摸屏输入工件代号ID，工业控制计算机从数据库中读取工件相关信息，主要包括：

a.工件的成形角与上压模下压量之间的函数关系，即上压模的下压行程和管材加工成形角的函数关系y＝f(x)，y为下压量，x为成形角，这个函数管材是依据试验进行标定拟合，不同的管材变形特性不同，函数关系也不相同，可以采用一次曲线拟合或二次曲线拟合(函数关系由系统自动标定，同时申报了专利：无模成形控制参数自动标定方法)；

b.工件成形后的理论半径R1；

c.精度要求±δ；

4.图5中工件成形后的理论半径为R1，R2，R3分别为理想圆的公差带半径；

5.图4中，确定虚拟加工圆半径为R，R＝R1+0.8δ；

6.图4及图5中，依据以下公式确定理想步进角θ：

1.6×δ＝R×(1-cos(θ/2))可得：

7.X轴、Y轴、R轴开始加工的起点是图5中的A点，加工步骤如下：

a.以图5中的弧为轨迹，工业控制计算机控制X轴、Y轴，将变形点运行到B点，同时控制R旋转，旋转量为θ/2；

b.以θ为目标成形角，依据工件的成形角与上压模下压量之间的函数关系y＝f(x)，控制上压模下压，使工件产生变形，到位后保持1秒(一般可保持0.5～2秒左右，以确保工件成形)后，抬起上压模；

c.通过激光测距传感器测量的距离，计算出实际塑性变形角θ₁(已同时申报了专利：非接触式无模加工成形角测量方法)；

d.以θ₁为下一步折弯成形的步进角，工业控制计算机控制X轴、Y轴，以弧

为轨迹将变形点运行到C点，同时工业控制计算机控制R轴旋转θ₁角；

e.依旧以θ为目标成形角，依据工件的成形角与上压模下压量之间的函数关系，控制上压模下压，到位后保持1秒后，抬起上压模，通过激光测距传感器测量的距离，计算出实际塑性变形角，进行下一次步进；

以上述步骤，直至加工完成。

Claims (4)

1.一种拟合渐进成形控制系统，其特征在于包括触摸屏、激光测距传感器、工业控制计算机、多功能卡、X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动，所述的触摸屏、工业控制计算机、X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动安装在控制机柜中，多功能卡包含CAN1、CAN2总线接口，安装在工业控制计算机的插槽内，X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器分别安装在X丝杆、Y丝杆、R丝杆、D丝杆的尾部，激光距离传感器[2]、触摸屏通过电缆分别和工业控制计算机相连；

激光测距传感器[2]、下压模[4]、上压模导向块[7]固定安装在压头转台[1]上，上压模[3]设置在上压模导向块[7]上，该上压模[3]相对于压头转台[1]沿上压模导向块[7]具有D向运动，固定待加工管材[5]的固定架[6]固定在数控机床的床身上，压头转台[1]相对于数控机床床身具有X、Y、R三自由度运动功能；

X丝杆位置编码器、Y丝杆位置编码器、R丝杆位置编码器、D丝杆位置编码器分别检测数控机床的X、Y、R、D轴的位置，通过CAN1总线接口与工业控制计算机实现信号连接，实时为工业控制计算机提供数控机床的X、Y、R、D轴的位置信息；X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动通过CAN2总线接口与工业控制计算机实现信号连接，工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动、D轴驱动实现对各轴运动控制；工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动分别控制压头转台1的左右、上下和旋转运动，通过D轴驱动控制上压模[3]上下运动。

2.一种拟合渐进成形控制方法，其特征在于步骤如下：

第一步，依据要求加工圆形尺寸及公差带，产生一个半径为R的虚拟加工圆形；

第二步，操作人员通过触摸屏输入工件代号ID，工业控制计算机从数据库中读取工件相关信息，包括：

a.待加工管材的成形角与上压模下压量之间的函数关系，即上压模的下压行程和管材加工成形角的函数关系y＝f(x)，y为下压量，x为目标成形角，这个函数是依据试验进行标定拟合，不同的管材变形特性不同，函数关系也不相同，采用一次曲线拟合或二次曲线拟合；b.管材成形后的加工要求半径R1；c.精度要求±δ；

第三步，待加工管材加工过程，即工业控制计算机通过X轴驱动、Y轴驱动、R轴驱动控制压头转台运动到加工的起点A，管材AB段、BC段、......均为直线，由这些直线段拟合成成形加工需要的圆弧段，其中B、C、......是管材加工成形点，产生变形角。

3.根据权利要求2所述的拟合渐进成形控制方法，其特征在于第一步中，产生半径为R的虚拟加工圆形方法为：

(1)待加工管材成形后的加工要求半径为R1，R2、R3分别为要求的公差带半径；

(2)确定虚拟加工圆半径为R，R＝R1+0.8δ；

(3)依据以下公式确定步进角θ：

1.6×δ＝R×(1-cos(θ/2))可得：

4.根据权利要求2所述的拟合渐进成形控制方法，其特征在于第三步中采用直线拟合成圆弧的步骤为：

a.以弧

为轨迹，工业控制计算机控制X轴、Y轴，将变形点运行到B点，同时控制R轴旋转，旋转量为θ/2；

b.以步进角θ作为目标成形角x，依据管材的成形角与上压模下压量之间的函数关系y＝f(x)，控制上压模下压，使管材产生变形，到位后保持0.5～2秒后，抬起上压模；

c.通过激光测距传感器测量管材变形前后的距离差ΔL，计算出实际塑性变形角θ₁，θ1＝arctanΔL/r，r为激光测距传感器的测量激光点打到管材表面的点到加工变形点的距离；

d.以θ₁为下一步折弯成形的步进角，工业控制计算机控制X轴、Y轴，以弧

为轨迹将变形点运行到C点，同时工业控制计算机控制R轴旋转θ₁角；

e.依旧以θ作为目标成形角，依据管材的成形角与上压模下压量之间的函数关系，控制上压模下压，到位后保持0.5～2秒后，抬起上压模，通过激光测距传感器测量管材变形前后的距离差ΔL，计算出实际塑性变形角，进行下一次步进，如此反复加工，直到拟合渐进成形加工完毕。

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