CN103071716A - 超塑性胀形防氧化程序控制精密加载实验装置及方法 - Google Patents

超塑性胀形防氧化程序控制精密加载实验装置及方法 Download PDF

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马品奎
管晓芳
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Abstract

本发明涉及一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载实验装置及方法。该装置主要由防氧化气源、两路具有压力测控功能的加载气路、预热和加热装置、以及胀形所需压边模等组成。两路加载气路分别由精密减压阀、步进电机、增量型旋转编码器、压力传感器、高/低压压力开关、电磁换向阀、以及相应的驱动和控制系统组成。精密减压阀由步进电机驱动，编码器检测电机旋转角度。由控制系统控制完成恒压、变压、压力跃变等多种加载方式。高、低压压力开关结合数字逻辑电路组成安全保护装置，防止对精密减压阀造成损坏和压力过载。该加载装置调压可采用闭环串行PID控制，加载过程安全可靠，调压过程具有更高的控制精度和良好的响应特性。

Description

超塑性胀形防氧化程序控制精密加载实验装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种超塑性胀形实验加载装置及方法，特别适用于高温防氧化超塑性胀形程序控制精密加载实验装置，也适用于超塑成形的实际生产试制中。
背景技术：
超塑性胀形技术在航空、航天、汽车和精密仪表领域占有重要的地位，而且有良好的发展前景。超塑性胀形的实验装置必须能测量自由胀形极点高度随时间或压力的变化规律，由于金属的超塑性在最佳超塑温度下的变形抗力很小，在初期的超塑性胀形实验装置都是通过与自由胀形件极点相接触的顶杆位移变化获得的，而顶杆是与设在高温压边模之外的位移传感器固接。由于金属超塑性具有很强的温度敏感性，在高温下的变形抗力很小，极点处又是变薄最严重的区域，因此，因胀形件无力顶起顶杆而使实验测试失败。自本发明人的“保护气体超塑性胀形可控温度压力的光电记录试验装置”(200410010939.2)发明专利公告之后，本专利提出了借助光电转换测量自由胀形极点高度随时间或压力变化的中心思想。虽然解决了接触测量法测量超塑性胀形的疑难问题，由于超塑变形具有极强的结构敏感性，其变形规律不仅与所处的应力状态密切相关，而且与经历的变形路径密切相关。采用步进电机或比例控制阀等调节气体流量，实现按设定加载路径的压力调节自动控制，已因高可靠性逻辑数字电路以及微处理器等广泛应用，步进电机使用的日益广泛。设计用步进电机驱动对加载装置进行伺服控制，以求实现各种不同加载路径的加载，并达到更高的控制精度和灵敏度，且能有效降低加载滞后的超塑性胀形实验装置势在必行。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：设计一种可在超塑性胀形实验中，实现双拉应力状态的恒压、变压、压力跃变等多种加载路径，且具有调压精度高、响应快、防高温氧化和安全可靠等特征的超塑性胀形程序控制精密加载实验装置及方法。
本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下。
一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载实验装置及方法，所述实验装置主要由防氧化气源部分、两路压力测控加载气路、控制系统19和上位PC机20组成，所述气源部分与所述两路压力测控加载气路联接，所述两路压力测控加载气路由分别装在每一气路上的精密减压阀7、压力表C10、压力传感器11及其放大电路、高低压压力开关12、13和加载电磁换向阀14组成，所述精密减压阀7由步进电机8驱动，并由增量型旋转编码器9检测步进电机8旋转角度，所述两路压力测控加载气路经预热装置16后通入压边模18的下腔，压边模18的上腔通过单向阀15与大气连通，压边模18由加热炉17加热，所述控制系统19为两套，分别与上位机PC之间采用RS485通信，对应控制两路压力测控加载气路上的各部件。
所述防氧化气源部分由装有高压氮气或其它惰性气的气体瓶1、气体瓶1顶部的瓶头阀2、高压减压阀4、手动开关阀6和装在高压减压阀4两侧的压力表A3、压力表B5组成。
所述控制系统通过检测压力传感器11输出和步进电机8旋转角度，来控制步进电机8旋转完成对压力的闭环调控。
所述高压压力开关12和低压压力开关13为安全保护装置，其输出能够限制步进电机旋转，从而使精密减压阀7在其调压范围内工作，并防止加压过载，增压过程中当调节压力达到最高值时，高压压力开关输出信号PH作用使步进电机8不能继续沿升压方向旋转，只能沿降压方向旋转；减压过程中当调节压力达到最低值时，低压压力开关输出信号PL作用使电机只能沿升压方向旋转。
在胀形加载前通过标定建立两路压力调控气路中步进电机8旋转角度与输出压力间的对应关系。
所述的一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载方法，采用恒压加载方式，所述恒压加载只需一路气路II工作，包括以下步骤：
1)初始化关闭各电磁换向阀，实验中首先设定所需目标压力，然后依据气路中当前压力值和标定所得到步进电机转角与输出气压间的关系，计算目标压力所对应的转角；
2)控制系统Ⅱ19.2控制步进电机II8.2旋转至所求角度后，检测当前压力是否达到目标值，若达不到则再次调整，直至达到目标压力值；
3)打开加载气路中的加载电磁换向阀II14.2加载，并调整压力使其尽快达到目标压力，加载过程中压边模上腔接通排空，以保证上腔的压力始终为零，不受温度和上腔空间减小而使上腔压力有所改变。
所述的一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载方法，采用变压力加载方式，所述变压力加载只需一路气路Ⅱ工作，包括以下步骤：
1)初始化关闭各电磁换向阀，实验中首先给出加载压力曲线，对压力曲线按照自变量等值插值后，用小段直线逼近曲线；
2)计算每段插值线段两端点处的压力值，依据步进电机转角与输出气压间的关系，求出两端点各自对应的转角；
3)根据两端点对应的转角，确定在该插值线段内电机的旋转角速度；
4)打开加载气路中的加载电磁换向阀Ⅱ14.2，控制系统II19.2控制步进电机Ⅱ8.2按所求角速度旋转，实现按压力曲线加载，加载过程中压边模上腔接通排空，以保证上腔的压力始终为零，不受温度和上腔空间减小而使上腔压力有所改变。
所述的一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载方法，采用压力跃变加载方式，具体包括以下步骤：
1)初始化关闭各电磁换向阀，实验中首先给出压力跃变前后的压力值，根据气路中当前压力值和标定所得的步进电机转角与输出气压间的关系，计算跃变前后压力所对应的转角；
2)调整气路I压力至跃变前压力，调整气路II至跃变后压力；
3)打开加载电磁换向阀I(14.1)，由气路I迅速加载至跃变前压力；
4)跃变时关闭加载电磁换向阀I(14.1)，同时打开加载电磁换向阀II(14.2)，由气路II迅速加载至跃变后压力，加载过程中压边模上腔通过单向阀15接通排空，以保证上腔的压力始终为零，不受温度和上腔空间减小而使上腔压力有所改变；；
5)重复上述过程可实现多次压力跃变。
本发明的有益效果：
1．采用步进电机驱动精密减压阀，编码器检测电机旋转角度，压力传感器检测输出压力，压力控制能够形成串级PID控制，从而提高加载的精度和灵敏度，有效降低加载滞后。
2．能在双拉应力状态下单向加载，按设定的变形路径实现超塑性胀形。
3．能够设置高、低压保护，既能保护精密减压阀不受损坏，又能防止系统压力过载。
5．以PC机为人机界面完成整个加载过程的操作和控制，操作简单，自动化程度高。
附图说明：
图1为加载装置系统组成图；
图2为控制系统结构框图；
图3为串级PID控制结构图；
图4为高/低压压力开关形成过载保护逻辑电路图；
图5为变压力加载时压力曲线插值图；
图6为旋转编码器输出信号的细分辩向电路图。
图中：1-高压气瓶，2-瓶头阀，3-压力表A，4-减压阀，5-压力表B，6-手动开关阀，7-精密减压阀，7.1-精密减压阀I，7.2精密减压阀II，8-步进电机，8.1-步进电机I，8.2-步进电机Ⅱ，9-增量型旋转编码器，9.1-增量型旋转编码器I，9.2-增量型旋转编码器Ⅱ，10-压力表C，10.1-压力表CI，10.2-压力表CII，11-压力传感器，11.1-压力传感器I，11.2-压力传感器Ⅱ，12-高压压力开关，12.1-高压压力开关I，12.2-高压压力开关Ⅱ，13-低压压力开关，13.1-低压压力开关I，13.2-低压压力开关Ⅱ，14-加载电磁换向阀，14.1-加载电磁换向阀I，14.2-加载电磁换向阀II，15-单向阀，16-预热装置，17-加热炉，18-压边模，19-控制系统，19.1-控制系统I，19.2-控制系统Ⅱ，20-上位PC机
具体实施方式：
下面结合附图实施例，进一步说明本发明的具体内容及其使用方法。
一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载实验装置及方法，所述实验装置主要由防氧化气源部分、两路压力测控加载气路、控制系统19和上位PC机20组成，所述气源部分与所述两路压力测控加载气路联接，所述两路压力测控加载气路由分别装在每一气路上的精密减压阀7、压力表C10、压力传感器11及其放大电路、高低压压力开关12、13和加载电磁换向阀14组成，所述精密减压阀7由步进电机8驱动，并由增量型旋转编码器9检测步进电机8旋转角度，所述两路压力测控加载气路通过预热装置16后与压边模18下腔连接，压边模18上腔通过单向阀15与大气连通，压边模18由加热炉17加热，所述控制系统19为两套，分别与上位PC机20之间采用RS485通信，对应控制两路压力测控加载气路上的各部件。
所述控制系统，其特征在于由单片机微处理器通过压力传感器11检测气路压力变化，通过编码器9检测步进电机(精密减压阀)旋转角度，最终通过控制步进电机8实现调压，通过控制电磁换向阀14实现加载，完成对压力的闭环调控。控制系统19与上位PC机20之间采用RS485传输数据和指令。上位PC机20主要作为人机界面来输入和输出数据、指令等。
所述的保护装置，其特征在于将高压压力开关12的输出信号PH、低压压力开关13的输出信号PL、步进电机旋转方向控制信号DIR_ctl、电机运行控制信号ST_ctl和电机步进脉冲CP_ctl信号通过逻辑电路，使压力开关输出信号能够对步进电机控制信号产生作用，形成保护装置，参阅附图2。在调压过程中当压力达到最高值时，PH信号接通高电平，使步进电机不能再沿升压方向旋转，而只能沿降压方向旋转；当调压达到最低值时，PL信号接通高电平，使电机只能沿升压方向旋转。
(1)图1所示为加载装置系统组成，其中高压气瓶1、瓶头阀2、压力表A3和压力表B5、高压减压阀4、以及手动开关阀6组成防氧化气源部分，实验前先关闭手动开关阀6并打开瓶头阀2，压力表A3显示高压气瓶内的气压，通过观察压力表B5并调节高压减压阀4使输出压力稍高于实验所需的最高压力。两路压力测控加载气路分别包括精密减压阀7、双出轴步进电机8、增量型旋转编码器9、压力表C10、压力传感器11、高/低压压力开关12和13、加载电磁换向阀14、以及相关的驱动和控制电路组成的控制系统19等，双出轴步进电机8的前端输出与精密减压阀7调节螺杆采用零回转间隙的膜片联轴器连接，尾端输出与增量型旋转编码器9的输出轴通过弹性联轴器相连，双出轴步进电机8旋转带动精密减压阀调压，并由增量型旋转编码器9检测其旋转角度，同时，压力传感器11检测气路压力变化，控制过程可采用附图3所示的串级PID控制。图中单向阀15将压边模18上腔连通大气，预热装置16、加热炉17、压边模18组成胀形所需的预热、加热和胀形单元；上位PC机20作为上位机主要用来输入数据和指令，显示和存储输出数据以及显示装置的运行状态等，与控制系统采用RS485通信。
(2)附图2所示为控制系统19的结构框图，是以C8051F120单片机为核心，压力传感器11输出的模拟信号经放大后输入单片机的12位A/D转换器，压力传感器放大电路可直接选用二次仪表。编码器9输出两路相位差为90°的脉冲信号A和B，经细分辩向电路处理后进一步提高分辨率，且顺时针旋转时输出脉冲PA，逆时针旋转时输出脉冲PB，参阅附图6，可采用通用阵列逻辑芯片GAL22V10实现，两路脉冲信号分别输入单片机的定时/计数器T0和T1，T0和T1计数脉冲个数便可测得步进电机8的转角；单片机的P3.1、P3.2、P3.3和CEX引脚用来控制步进电机，其中P3.1作为步进电机控制的脱机信号(Motor_FREE)，直接输入步进电机驱动器，当该端为低电平时输出到电机的电流被切断，用于在手动调节压力时使步进电机处于无力矩输出状态，P3.2作为步进电机方向控制信号(DIR_ctl)、P3.3作为步进电机启动控制信号(ST_ctl)、CEX作为步进电机脉冲信号(CP_ctl)，与高低压压力开关12、13的输出一起输入安全保护逻辑电路，经过安全保护逻辑电路后输出步进电机转向信号(Motor_DIR)和步进电机脉冲信号(Motor_CP)；单片机的P3.4、P3.5引脚输出控制固态继电器，用来驱动电磁换向阀14；单片机的URT0输出作为RS485与PC通讯；电源电路、复位电路、晶振电路和JTAG调试接口等为单片机工作和调试所需的辅助电路。控制系统可采用串级PID控制实现对压力的闭环调控，附图3为串级PID控制结构图。
(3)附图4为高/低压压力开关形成过载保护的组合逻辑电路图，可采用GAL22V10实现。逻辑电路的输入信号有高压压力开关输出信号PH、低压压力开关输出信号PL、步进电机旋转方向控制信号DIR_ctl、电机运行控制信号ST_ctl和电机步进脉冲CP_ctl信号，输出信号有电机转向信号Motor_DIR和电机旋转脉冲信号Motor_CP。由图4可知，当调节压力达到最高值时，高压压力开关接通，PH为高电平，使步进电机不能再沿升压方向旋转，而只能沿降压方向旋转；当调节系统压力达到最低值时，低压压力开关接通，PL为高电平，使电机只能沿升压方向旋转，由此形成精密减压阀保护和防止过载安全保护装置。
(4)标定建立电机转角与输出气压p之间的关系是在实验前进行，由控制系统控制电机等转角旋转，每转过一定的角度，检测所对应的压力值，以此重复，直至在整个调压范围内建立两路气路中电机旋转角度与对应输出压力值之间的关系式
Figure BDA00002661022100061
(5)在进行恒压加载实验时，首先设定目标压力P0后，然后带入标定关系式计算P0所对应的转角
Figure BDA00002661022100063
然后由控制系统控制电机旋转至角度
Figure BDA00002661022100064
检测当前对应的压力值是否达到设定值，若达不到则再次调整，直至达到，加载过程中上腔接通大气，上腔压力始终为零。
在进行变压力加载方式，首先实验加载曲线函数(以压力-时间曲线加载为例)p＝f(t)，如附图5，在曲线上取等时差Δt的一系列点A1、A2、…，用小段直线逼近曲线p＝f(t)。将其中一段直线两端的压力值pk、pk+1，带入标定关系式
Figure BDA00002661022100065
求得两端点处对应的转角
Figure BDA00002661022100066
和
Figure BDA00002661022100067
以此可以确定在该段直线段内步进电机的转速然后由控制系统控制步进电机以ωk速度转动，转动过程中检测压力变化不能超过误差范围Δp，最终实现变压力加载。加载过程中上腔接通大气，上腔压力始终为零。
在进行压力跃变加载时，首先给出压力跃变前后的压力值p1和p2，带入标定关系
Figure BDA00002661022100069
计算出对应的转角；调整气路I压力至p1，调整气路I压力至p2；打开两路加电磁换向阀I14.1，由气路I迅速加载至p1；跃变时关闭电磁换向阀I14.1，同时打开加载电磁换向阀II14.2，由气路II迅速加载至p2；两路气路反复调压，可实现多次压力跃变。加载过程中上腔接通大气，上腔压力始终为零。

Claims (8)

1.一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载实验装置，所述实验装置主要由防氧化气源部分、两路压力测控加载气路、控制系统(19)和上位PC机(20)组成，其特征在于：
所述气源部分与所述两路压力测控加载气路联接，所述两路压力测控加载气路由分别装在每一气路上的精密减压阀(7)、压力表C(10)、压力传感器(11)及其放大电路、高低压压力开关(12、13)和加载电磁换向阀(14)组成，所述精密减压阀(7)由步进电机(8)驱动，并由增量型旋转编码器(9)检测步进电机(8)旋转角度，所述两路压力测控加载气路通过预热装置(16)后与压边模(18)的下腔连通，压边模(18)由加热炉(17)加热，压边模(18)的上腔经单向阀(15)与大气连通，以保证上腔压力始终为零的同时，防止空气进入压边模，所述控制系统(19)为两套，分别与上位PC机(20)之间采用RS485通信，对应控制两路压力测控加载气路上的各部件。
2.如权利要求1所述的一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载实验装置，其特征在于：
所述气源部分由装有高压氮气或其它惰性气的气体瓶(1)、气体瓶(1)顶部的瓶头阀(2)、高压减压阀(4)、手动开关阀(6)和装在高压减压阀(4)两侧的压力表A(3)、压力表B(5)组成。
3.如权利要求1所述的一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载实验装置，其特征在于：
所述控制系统(19)通过检测压力传感器(11)输出和步进电机(8)旋转角度，来控制步进电机(8)旋转完成对压力的闭环调控。
4.如权利要求1所述的一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载实验装置，其特征在于：
所述高压压力开关(12)和低压压力开关(13)为安全保护装置，其输出能够限制步进电机旋转，从而使精密减压阀(7)在其调压范围内工作，并防止加压过载，增压过程中当调节压力达到最高值时，高压压力开关输出信号(PH)作用使步进电机(8)不能继续沿升压方向旋转，只能沿降压方向旋转；减压过程中当调节压力达到最低值时，低压压力开关输出信号(PL)作用使电机只能沿升压方向旋转。
5.如权利要求1所述的一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载实验装置，其特征在于：
在胀形加载前通过标定建立两路压力调控气路中步进电机(8)旋转角度与输出压力间的对应关系。
6.如权利要求1至5任一项所述的一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载方法，采用恒压加载方式，所述恒压加载只需一路气路Ⅱ工作，包括以下步骤：
1)初始化关闭各电磁换向阀，实验中首先设定所需目标压力，然后依据气路中当前压力值和标定所得到步进电机转角与输出气压间的关系，计算目标压力所对应的转角；
2)控制系统II(19.2)控制步进电机II(8.2)旋转至所求角度后，检测当前压力是否达到目标值，若达不到则再次调整，直至达到目标压力值；
3)打开加载气路中的加载电磁换向阀II(14.2)加载，调整压力使其尽快达到目标压力，加载过程中压边模上腔通过单向阀15接通排空，以保证上腔的压力始终为零，不受温度和上腔空间减小而使上腔压力有所改变。
7.如权利要求1至5任一项所述的一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载方法，采用变压力加载方式，所述变压力加载只需一路气路II工作，包括以下步骤：
1)初始化关闭各电磁换向阀，实验中首先给出加载压力曲线，对压力曲线按照自变量等值插值后，用小段直线逼近曲线；
2)计算每段插值线段两端点处的压力值，依据步进电机转角与输出气压间的关系，求出两端点各自对应的转角；
3)根据两端点对应的转角，确定在该插值线段内电机的旋转角速度；
4)打开加载气路中的加载电磁换向阀Ⅱ(14.2)，控制系统Ⅱ(19.2)控制步进电机Ⅱ(8.2)按所求角速度旋转，实现按压力曲线加载，加载过程中压边模上腔通过单向阀15接通排空，以保证上腔的压力始终为零，不受温度和上腔空间减小而使上腔压力有所改变。
8.如权利要求1至5任一项所述的一种超塑性胀形防氧化程序控制精密加载方法，采用压力跃变加载方式，具体包括以下步骤：
1)初始化关闭各电磁换向阀，实验中首先给出压力跃变前后的压力值，根据气路中当前压力值和标定所得的步进电机转角与输出气压间的关系，计算跃变前后压力所对应的转角；
2)调整气路I压力至跃变前压力，调整气路II至跃变后压力；
3)打开电磁换向阀I(14.1)，由气路I迅速加载至跃变前压力；
4)跃变时关闭电磁换向阀I(14.1)，同时打开加载电磁换向阀II(14.2)，由气路II迅速加载至跃变后压力，加载过程中压边模上腔通过单向阀15接通排空，以保证上腔的压力始终为零，不受温度和上腔空间减小而使上腔压力有所改变；
5)重复上述过程可实现多次压力跃变。
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