CN105032998A - 基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统，包括底座、设于底座上的管材靠模、垂直底座设置的内模、用于管材弯曲加工的转模、用于转模的驱动装置、用于检测转模旋转位置的位置编码器和用于管材回弹检测的激光测距传感器；转模以内模的中心轴为转轴作旋转运动。本发明还公开了一种基于末端尺寸控制的管材弯曲成形的方法，包括初步成形阶段和渐进加工成形阶段。本发明解决了管材在弯曲成形过程中，存在塑性变形和弹性变形导致管材弯曲成形精度不高的技术问题，在管材成形末端通过激光测距传感器对管材回弹实时检测，并依据检测结果渐进成形，实现管材成形最终尺寸的高精度加工。

Description

基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统，还涉及一种基于末端尺寸控制的管材弯曲成形的方法，属于管材加工技术领域。

背景技术

管材成形加工易于满足产品结构轻量化、加工过程低耗高效等特点，因此在航空航天、电力联结、大型发电机、船舶、石油化工等领域得到了广泛应用.管材的成形方法多种多样，总体可分为有模成形和无模成形。有模成形采用刚性模具直接作用于管材的弯曲变形区进行的弯曲，无模成形一般指弯曲变形区不受到刚性模具的直接作用，管材最终的形状由工具和工件的相对运动决定的弯曲。

由于管材在弯曲成形过程中，存在塑性变形和弹性变形。管材成形过程中回弹控制是影响管材成形精度的主要因素，为提高弯曲精度，可经过大量试验得出数据后利用调整刚性模具工作部分的形状和尺寸来补偿管材卸载后发生的回弹，但是大量试验耗时耗力。

2012年9月19日专利数据库中公开了一件名称为“一种管材热成形设备”的中国专利，其申请号为：201210140059.1，该发明主要解决了管材热成形方法成形效率低以及管材在转移到模具的过程中成形不稳定的问题，管材加热后进行成形加工不但可以明显改善其成形性能，减小管材的成形后的回弹，而且可以大大减小其成形所需要的载荷。但这种成形方法降低了管材的刚强度，限制了其应用范围。

现有技术中管材成形技术的研究包括：管材成形机理、成形工艺等多种方法来预测或估算回弹，实现管材的高精度成形加工。

文献“管材空间绕弯回弹补偿方法研究”(西北工业大学学报-2011年-第29卷-5期-811～815)中，针对管材弯曲卸载后的回弹，利用数值回弹预测方法，提高弯管几何精度。文献“管子弯曲成形的机理分析”(广东造船-2013年-第5期-98～102)中，以提高管材弯曲精度为出发点，运用弹塑性变形的原理，分析了管材回转牵引弯曲过程中产生的回弹、伸长现象，并推导出管材弯曲后的延伸量、回弹量的近似计算公式。文献“矩形管弯曲实验及有限元仿真”(机械制造与自动化-2014年4期-105～107)中，利用有限元软件对管材弯曲过程进行分析，有效减少数控弯管机的调试时间和试验次数，提高管材的成形品质。但是由于管材一致性存在差异，上述方法都难以达到管材的高精度成形，影响后续加工、安装带来不便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统，解决现有技术中管材在弯曲成形过程中，存在塑性变形和弹性变形导致管材弯曲成形精度不高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统，包括底座、设于底座上的管材靠模、垂直底座设置的内模、用于管材弯曲加工的转模、用于转模的驱动装置、用于检测转模旋转位置的位置编码器和用于管材回弹检测的激光测距传感器；所述转模以内模的中心轴为转轴作旋转运动；

所述管材靠模与内模之间设有供管材穿过的预留间隙；

所述位置编码器、激光测距传感器、驱动装置分别与计算机连接，计算机通过驱动装置控制转模旋转，通过位置编码器检测转模旋转角度，激光测距传感器通过不断检测、反馈激光测距传感器与管材之间的实际距离，实现管材弯曲成形闭环控制。

优选的，所述激光测距传感器的测量轴线与加工完成后的管材的测量面相垂直。

优选的，所述计算机上还连接有用于人机交互的触摸屏。

优选的，所述位置编码器、驱动装置通过CAN总线通讯卡与计算机通讯连接。

本发明的另一目的在于提供一种基于末端尺寸控制的管材弯曲成形方法，包括初步成形阶段和渐进加工成形阶段；

所述初步成形阶段是：通过驱动转模，配合内模挤压，使管材弯曲初步成形；

所述渐进加工成形阶段是：通过激光测距传感器反复测量管材初步成形后管材末端与激光测距传感器间的实际距离，与计算机设定的目标距离相比较，结合管材自身调整系数，计算管材加工角度，采用渐进加工的方式实现管材弯曲成形的闭环控制。

所述初步成形阶段包括如下步骤：

步骤101：调整管材靠模、转模与内模之间的间距，将待加工管材安装于靠模、转模与内模之间；

步骤102：将管材理想成形角θ_max分为n等份；

步骤103：计算机以θ_i＝i×θ_max/n作为目标角度，其中：i∈(1,2,…，n)，通过驱动装置控制转模旋转，并在目标位置保持0.5～2秒，使管材发生塑性变形；当i＝n时，表明转模已转动至θ_max角度，完成管材初步成形。

所述n满足：

所述渐进加工成形阶段包括如下步骤：

步骤201：设管材完全加工成形后，管材末端与激光测距传感器之间的目标距离为L1，此时转模转动的角度为θ_max；

步骤202：反向转动转模，设转动角度为θ_x，θ_x∈(5°～15°)，使管材充分释放弹性变形；

步骤203：管材充分释放弹性变形后，再次用激光测距传感器检测管材末端与激光测距传感器之间的距离，设为L2，并求取ΔL＝L₂-L₁；

步骤204：重新驱动转模，使转模正向旋转θ_y，θ_y按下式求取：

θ_y＝K×ΔL+θ_y-1

其中：y∈(1,2...)；θ₀＝θ_max；K为调整系数。

步骤205：重复步骤202～204，渐进逼近成形尺寸L1，直到ΔL≤δ，δ为管材加工成形允许的最大偏差，完成管材渐进加工成形。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：控制系统采用单轴运动控制将管材成形分为两个阶段，在管材成形末端通过激光测距传感器对管材回弹实时检测，并依据检测结果渐进成形，实现管材成形最终尺寸的高精度加工。

附图说明

图1是本发明提供的基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统的结构示意图。

图2是本发明提供的基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统加工过程结构示意图。

图3是本发明提供的基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统加工最终成形结构示意图。

图中：1、底座；2、内模；3、管材靠模；4、转模；5、管材；6、激光测距传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，是本发明提供的基于末端尺寸控制的管材5弯曲成形控制系统，包括底座1、设于底座1上的管材靠模3、垂直底座1设置的内模2、用于管材5弯曲加工的转模4、用于转模4的驱动装置、用于检测转模4旋转位置的位置编码器和用于管材5回弹检测的激光测距传感器6。

激光测距传感器6安装时，应保证激光测距传感器6的测量轴线垂直于管材5加工完成后的测量面，同时应尽可能靠近管材5末端，以提高测量精度。

转模4以内模2的中心轴为转轴作旋转运动。

管材靠模3与内模2之间设有供管材5穿过的预留间隙，预留间隙可通过改变管材靠模3位置实现调整，以适应不同宽度的管材5加工。

位置编码器、激光测距传感器6、驱动装置分别与计算机连接，计算机通过驱动装置控制转模4旋转，通过位置编码器检测转模4旋转角度，激光测距传感器6通过不断检测、反馈激光测距传感器6与管材5之间的实际距离，实现管材5弯曲成形闭环控制。

激光测距传感器6的测量轴线与加工完成后的管材5的测量面相垂直。

计算机上还连接有用于人机交互的触摸屏，实现加工操作、指示加工进程及工作状态显示等。

位置编码器、驱动装置通过CAN总线通讯卡与计算机通讯连接，CAN总线通讯卡包含CAN总线接口，安装在计算机的插槽内。初步成形阶段，计算机通过CAN总线通讯卡上的CAN总线接口读取位置编码器测量值，进行位置校正运算，并将位置校正运算结果通过CAN总线通讯卡上的CAN总线接口发送到驱动装置，驱动装置带动转模4旋转到目标位置。在渐进加工成形阶段，计算机读取激光测距传感器6的测量值，且依据该测量值控制转模4旋转。

本发明提供的基于末端尺寸控制的管材5弯曲成形方法是采用上述控制系统完成的，它包括初步成形阶段和渐进加工成形阶段。

初步成形阶段是：通过驱动转模4，配合内模2挤压，使管材5弯曲初步成形；渐进加工成形阶段是：通过激光测距传感器6反复测量管材5初步成形后管材5末端与激光测距传感器6间的实际距离，与计算机设定的目标距离相比较，结合管材5自身调整系数，计算管材5加工角度，采用渐进加工的方式实现管材5弯曲成形的闭环控制。具体如下：

如图2所示，初步成形阶段包括如下步骤：

步骤101：调整管材靠模3、转模4与内模2之间的间距，将待加工管材5安装于靠模、转模4与内模2之间；

步骤102：将管材5理想成形角θ_max分为n等份；n满足：

步骤103：计算机以θ_i＝i×θ_max/n作为目标角度，其中：i∈(1,2,…，n)，通过驱动装置控制转模4旋转，并在目标位置保持0.5～2秒，使管材5发生塑性变形；当i＝n时，表明转模4已转动至θ_max角度，完成管材5初步成形。

如图3所示，渐进加工成形阶段包括如下步骤：

步骤201：设管材5完全加工成形后，管材5末端与激光测距传感器6之间的目标距离为L1，此时转模4转动的角度为θ_max；

步骤202：反向转动转模4，设转动角度为θ_x，θ_x∈(5°～15°)，使管材5充分释放弹性变形，图3中虚线为管材5释放后的回弹位置。

步骤203：管材5充分释放弹性变形后，再次用激光测距传感器6检测管材5末端与激光测距传感器6之间的距离，设为L2，并求取ΔL＝L₂-L₁；

步骤204：重新驱动转模4，使转模4正向旋转θ_y，θ_y按下式求取：

θ_y＝K×ΔL+θ_y-1

其中：y∈(1,2...)；θ₀＝θ_max；K为调整系数，其单位为度/毫米，K值大小影响管材5成形达到最终成形尺寸速度，K值取的较大，则成形速度快，但过大，则会导致管材5过成形而无法恢复，不同型号的管材由于其回弹特性不同，一般取不同值，同种型号管材取相同值。

步骤205：重复步骤202～204，渐进逼近成形尺寸L1，直到ΔL≤δ，δ为管材5加工成形允许的最大偏差，完成管材5渐进加工成形。

本发明将管材5成形分为两个阶段，在管材5成形末端通过激光测距传感器6对管材5回弹实时检测，并依据检测结果渐进成形，实现管材5成形最终尺寸的高精度加工。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统，其特征在于，包括底座、设于底座上的管材靠模、垂直底座设置的内模、用于管材弯曲加工的转模、用于转模的驱动装置、用于检测转模旋转位置的位置编码器和用于管材回弹检测的激光测距传感器；所述转模以内模的中心轴为转轴作旋转运动；

所述管材靠模与内模之间设有供管材穿过的预留间隙；

所述位置编码器、激光测距传感器、驱动装置分别与计算机连接，计算机通过驱动装置控制转模旋转，通过位置编码器检测转模旋转角度，激光测距传感器通过不断检测、反馈激光测距传感器与管材之间的实际距离，实现管材弯曲成形闭环控制。

2.根据权利要求1所述的基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统，其特征在于，所述激光测距传感器的测量轴线与加工完成后的管材的测量面相垂直。

3.根据权利要求1所述的基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统，其特征在于，所述计算机上还连接有用于人机交互的触摸屏。

4.根据权利要求1所述的基于末端尺寸控制的管材弯曲成形控制系统，其特征在于，所述位置编码器、驱动装置通过CAN总线通讯卡与计算机通讯连接。

5.基于末端尺寸控制的管材弯曲成形方法，其特征在于，包括初步成形阶段和渐进加工成形阶段；

所述初步成形阶段是：通过驱动转模，配合内模挤压，使管材弯曲初步成形；

所述渐进加工成形阶段是：通过激光测距传感器反复测量管材初步成形后管材末端与激光测距传感器间的实际距离，与计算机设定的目标距离相比较，结合管材自身调整系数，计算管材加工角度，采用渐进加工的方式实现管材弯曲成形的闭环控制。

6.根据权利要求5所述的基于末端尺寸控制的管材弯曲成形方法，其特征在于，所述初步成形阶段包括如下步骤：

步骤101：调整管材靠模、转模与内模之间的间距，将待加工管材安装于靠模、转模与内模之间；

步骤102：将管材理想成形角θ_max分为n等份；

步骤103：计算机以θ_i＝i×θ_max/n作为目标角度，其中：i∈(1,2,...，n)，通过驱动装置控制转模旋转，并在目标位置保持0.5～2秒，使管材发生塑性变形；当i＝n时，表明转模已转动至θ_max角度，完成管材初步成形。

7.根据权利要求6所述的基于末端尺寸控制的管材弯曲成形方法，其特征在于，所述n满足：

8.根据权利要求5所述的基于末端尺寸控制的管材弯曲成形方法，其特征在于，所述渐进加工成形阶段包括如下步骤：

步骤201：设管材完全加工成形后，管材末端与激光测距传感器之间的目标距离为L1，此时转模转动的角度为θ_max；

步骤202：反向转动转模，设转动角度为θ_x，θ_x∈(5°～15°)，使管材充分释放弹性变形；

步骤203：管材充分释放弹性变形后，再次用激光测距传感器检测管材末端与激光测距传感器之间的距离，设为L2，并求取ΔL＝L₂-L₁；

步骤204：重新驱动转模，使转模正向旋转θ_y，θ_y按下式求取：

θ_y＝K×ΔL+θ_y-1

其中：y∈(1,2...)；θ₀＝θ_max；K为调整系数。

步骤205：重复步骤202～204，渐进逼近成形尺寸L1，直到ΔL≤δ，δ为管材加工成形允许的最大偏差，完成管材渐进加工成形。