CN106843142A - 基于板料成形过程的随动闭环控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于板料成形过程的随动闭环控制系统，包括线性结构光发生装置、成像装置、信号处理器、图像处理器、运动控制单元、运动单元，线性结构光发生装置、成像装置、信号处理器固定在工作平台上，信号处理器的输出端与线性结构光发生装置的输入端电连接，成像装置的输出端与信号处理器的输入端电连接，信号处理器的输出端与图像处理器的输入端电连接，图像处理器的输出端与运动控制单元的输入端电连接，运动控制单元的输出端与运动单元电连接，运动单元驱动工作平台。本发明通过非接触式测量的方式获得板料的实时变形状况，结合板料成形要求，对随动对象的预设路径进行修正，可有效地减小加工头预设路径与实际加载路径间存在的误差。
Description
技术领域
本发明涉及板料渐进成形加工领域，尤其涉及一种基于板料成形过程的随动闭环控制方法及系统。
背景技术
随着客户个性需求的增加，制造业从传统的规模化量产向以定制化为重点的多种类、小批量方向转变。渐进成形是根据板料成形过程的要求，编制数控程序，利用数控设备的进给系统，使板料按照给定的路径逐步成形，最终成形出所需的工件形状的板材加工技术。渐进成形技术的数字化和信息化，大大降低了板料成形过程对专用成形工具的依赖度，使得板料零件的柔性制造成为可能，为小批量，多品种，复杂零件的生产奠定了基础。因此，在制造业“个性化”发展的过程中，板材渐进成形引起了业界的关注。
柔性化的成形方式缩短了生产的准备周期，同时也增加了板料的成形难度，与整体成形相比，板料渐进成形过程中更易出现起皱和破裂等问题。为克服成形缺陷，渐进成形采用的加工头数量从最初的单个增至多个，例如公开号为CN105268831A的专利提出将成形工具头和辅助加工头分别置于板料的两侧，通过辅助加工头对板料的支撑来降低成形缺陷；公开号为CN103316981A专利提出采用上、下加工头，其中下加工头至少三个，通过独立驱动的上、下加工头间的运动配合，来提高成形精度和成形效率。
随着轻质难变形材料的盛行，综合温成形和渐进成形的温渐进成形的应用开始增多。成形过程中，塑性变形仅出现在加工头与板料的接触区域，因此温渐进成形通常采用局部加热方式，仅对变形区域材料进行加热，例如日本广岛大学的Ryutaro Hino等提出采用两套运动控制系统分别控制加工头和激光辅助加热工具，以此来实现对局部变形区的同步加热；公开号为CN105033462A专利提出在板料两侧分别设置喷丸激光和加热激光装置，实现对喷丸的区域进行局部加热，从而解决高强度高性能的板材的加工制造问题。
板料的成形是一个复杂的弹塑性变形过程，与整体变形相比，渐进成形中加工头反复的加载和卸载，降低了成形的稳定性，使得加工头实际的加载路径与预设值存在较大差异，进而影响成形零件的形状和尺寸精度。在渐进成形中，两个以上单独驱动加工头的辅助成形或辅助加热头的局部加热，在降低成形风险的同时，也对加工头的运动控制提出了更高的要求，也是柔性化成形方式中的难点。
发明内容
为了解决渐进成形中，加工头反复加载和卸载，影响成形稳定性的问题，本发明提供了一种基于板料成形过程的随动闭环控制系统及方法来解决上述技术问题。
一种基于板料成形过程的随动闭环控制系统，包括线性结构光发生装置、成像装置、信号处理器、图像处理器、运动控制单元、运动单元，所述的线性结构光发生装置、成像装置、信号处理器固定在工作平台上，所述的信号处理器的输出端与线性结构光发生装置的输入端电连接，所述的成像装置的输出端与信号处理器的输入端电连接，所述的信号处理器的输出端与图像处理器的输入端电连接，所述的图像处理器的输出端与运动控制单元的输入端电连接，所述的运动控制单元的输出端与运动单元电连接，所述的运动单元驱动工作平台运动。
所述的线性结构光发生装置包括激光发射器和位于所述激光发射器的光束发出端前方的第一透镜，所述的激光发射器的输入端与信号处理器的输出端电连接，所述的激光发射器的光束经过第一透镜汇聚到板料的变形区。
所述的成像装置包括镜片组和图像传感器，所述的镜片组位于图像传感器和板料之间，所述的图像传感器的输出端与信号处理器的输入端电连接，所述的镜片组包括用于过滤红外光的滤镜和第二透镜。
实施例1：所述的运动控制单元包括平台位移控制单元和随动对象控制单元，所述的运动单元包括平台位移装置和随动对象，所述的图像处理器的输出端分别与平台位移控制单元和随动对象控制单元的输入端电连接，所述的平台位移控制单元的输出端电连接平台位移装置，所述的平台位移装置带动工作平台运动，所述的随动对象控制单元电连接随动对象驱动随动对象运动。
所述的运动单元为随动对象，所述的工作平台与随动对象固定连接，所述的运动控制单元电连接随动对象驱动随动对象。
实施例2：所述的随动对象为主加工头组件，所述主加工头组件与成像装置处于板料的同一侧。
实施例3：所述的随动对象为辅助加工头组件，所述辅助加工头组件与成像装置处于板料的同一侧，所述板料的另一侧设有主动加工头系统，所述的主动加工头系统包括主动加工头控制单元和主动加工头组件，所述的主动加工头控制单元的输出端与主动加工头组件电连接。
实施例1的控制方法：一种基于板料成形过程的随动闭环控制系统的控制方法，步骤如下，
a、在随动对象控制单元内预设随动对象的加工路径，在平台位移控制单元内预设平台位移装置的检测路径，所述加工路径和所述检测路径存在一一对应关系；
b、线性结构光发生装置将线性结构光投射到板料表面的待分析成形区形成与板料变形过程相关的投影条纹，且固定在平台位移装置上的工作平台带动成像装置、信号处理器、图像处理器按照预设检测路径进行检测；
c、从板料反射回的光经成像装置，形成与投影条纹相关的电信号；
d、信号处理器将电信号转化为二维图像；
e、利用图像处理器提取二维图像的中心线，通过坐标变换复原待分析成形区的二维特征曲线；
f、利用信号处理器根据二维特征曲线计算出随动对象的参考点的实时坐标值及法向矢量；
g、将计算结果发送至随动对象控制单元，并与随动对象控制单元的预设值相比较，且计算出随动对象的修正值；
h、根据修正值，随动对象控制单元控制随动对象进行调整；
i、按照设置的频率不断重复步骤b-h,不断对随动对象进行调整。
实施例2的控制方法：一种基于板料成形过程的随动闭环控制系统的控制方法，步骤如下，
a、在运动控制单元内预设主加工头组件的运动路径；
b、线性结构光发生装置将线性结构光投射到板料表面的待分析成形区形成与板料变形过程相关的投影条纹，且固定在主加工头组件上的工作平台带动成像装置、信号处理器、图像处理器按照主加工头组件的预设运动路径进行检测；
c、从板料反射回的光经成像装置，形成与投影条纹相关的电信号；
d、信号处理器将电信号转化为二维图像；
e、利用图像处理器提取二维图像的中心线，通过坐标变换复原待分析成形区的二维特征曲线；
f、利用信号处理器根据二维特征曲线计算出主加工头组件的参考点的实时坐标值及法向矢量；
g、将计算结果发送至运动控制单元，并与运动控制单元的预设值相比较，且计算出主加工头组件的修正值；
h、根据修正值，运动控制单元控制主加工头组件进行调整；
i、按照设置的频率不断重复步骤b-h，不断对主加工头组件进行调整。
实施例3的控制方法：一种基于板料成形过程的随动闭环控制系统的控制方法，步骤如下，
a、在运动控制单元内预设辅助加工头组件的运动路径；在主动加工头控制单元内预设主动加工头组件的加工路径；
b、线性结构光发生装置将线性结构光投射到板料表面的待分析成形区形成与板料变形过程相关的投影条纹，且固定在辅助加工头组件上的工作平台带动成像装置、信号处理器、图像处理器按照辅助加工头组件的预设运动路径进行检测，主动加工头组件按照预设加工路径进行加工。
c、从板料反射回的光经成像装置，形成与投影条纹相关的电信号；
d、信号处理器将电信号转化为二维图像；
e、利用图像处理器提取二维图像的中心线，通过坐标变换复原待分析成形区的二维特征曲线；
f、利用信号处理器根据二维特征曲线计算出辅助加工头组件的参考点的实时坐标值及法向矢量；
g、将计算结果发送至运动控制单元，并与运动控制单元的预设值相比较，且计算出辅助加工头组件的修正值；
h、根据修正值，运动控制单元控制辅助加工头组件进行调整；
i、按照设置的频率不断重复步骤b-h，不断对辅助加工头组件进行调整。
本发明提出的基于板料成形过程的随动闭环控制系统及方法，有效益效果是：(1)采用基于结构光的图像传感器对待分析区域的变形状况进行实时跟踪，为渐进成形参数的自适应控制提供依据，具有灵敏度高、动作相应快等优点，大大提高了成形系统的适应能力；(2)解决传统方法的渐进成形中，加工头反复加载和卸载，影响成形稳定性的问题；大大提高了板料渐进成形的稳定性。(3)解决了传统方法的渐进成形中，为了降低成形风险，采用两个及以上单独驱动加工头的辅助成形或辅助加热的情况而出现的加工头运动控制要求较高的问题。(4)通过非接触式测量的方式获得板料的实时变形状况，结合板料成形要求，对随动对象的预设路径进行修正，可有效地减小随动对象预设路径与实际加载路径间存在的误差。
附图说明
图1是基于板料成形过程的随动闭环控制系统的实施例1的结构示意图，
图2是基于板料成形过程的随动闭环控制系统的实施例2的结构示意图，
图3是基于板料成形过程的随动闭环控制系统的实施例3的结构示意图，
1、镜片组，2、图像传感器；3、图像处理器，4、信号处理器，5、激光发射器，6、第一透镜；7、工作平台，8、随动对象控制单元；9、随动对象；10、板料；11、平台位移控制单元，12、平台位移装置，13、主动加工头控制单元，14、主动加工头组件，15、运动控制单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明基于板料成形过程的随动闭环控制系统，包括线性结构光发生装置、成像装置、信号处理器4、图像处理器3、运动控制单元15、运动单元，线性结构光发生装置、成像装置、信号处理器固定在工作平台7上，信号处理器4的输出端与线性结构光发生装置的输入端电连接，所述的成像装置的输出端与信号处理器4的输入端电连接，信号处理器4的输出端与图像处理器3的输入端电连接，图像处理器3的输出端与运动控制单元15的输入端电连接，运动控制单元15的输出端与运动单元电连接，运动单元驱动工作平台7运动。线性结构光发生装置包括激光发射器5和位于所述激光发射器5的光束发出端前方的第一透镜6，激光发射器5的输入端与信号处理器4的输出端电连接，激光发射器5的光束经过第一透镜6汇聚到板料10的变形区。成像装置包括镜片组1和图像传感器2，镜片组1位于图像传感器2和板料10之间，图像传感器2的输出端与信号处理器4的输入端电连接，镜片组1包括用于过滤红外光的滤镜和第二透镜。
实施例1、实施例2和实施例3的区别在于：
实施例1：如图1所示，运动控制单元15包括平台位移控制单元11和随动对象控制单元8，运动单元包括平台位移装置12和随动对象9，图像处理器3的输出端分别与平台位移控制单元11和随动对象控制单元8的输入端电连接，平台位移控制单元11的输出端电连接平台位移装置12，平台位移装置12带动工作平台7运动，随动对象控制单元8电连接随动对象9驱动随动对象9运动。
基于实施例1的控制方法：步骤如下，
a、在随动对象控制单元8内预设随动对象9的加工路径，在平台位移控制单元11内预设平台位移装置12的检测路径，加工路径和所述检测路径存在一一对应关系；
b、线性结构光发生装置将线性结构光投射到板料10表面的待分析成形区形成与板料10变形过程相关的投影条纹，且固定在平台位移装置12上的工作平台7带动成像装置、信号处理器4、图像处理器3按照预设检测路径进行检测；
c、从板料10反射回的光经成像装置，形成与投影条纹相关的电信号；
d、信号处理器4将电信号转化为二维图像；
e、利用图像处理器3提取二维图像的中心线，通过坐标变换复原待分析成形区的二维特征曲线；
f、利用信号处理器4根据二维特征曲线计算出随动对象9的参考点的实时坐标值及法向矢量；
g、将计算结果发送至随动对象控制单元8，并与随动对象控制单元8的预设值相比较，且计算出随动对象9的修正值；
h、根据修正值，随动对象控制单元8控制随动对象9进行调整；
i、按照设置的频率不断重复步骤b-h,不断对随动对象9进行调整。
实施例2：如图2所示，运动单元为随动对象9，工作平台7与随动对象9固定连接，运动控制单元15电连接随动对象9驱动随动对象9。随动对象9为主加工头组件，主加工头组件包括主加工头运动单元和主加工头，运动控制单元15驱动主加工头运动单元带动主加工头运动，主加工头组件与成像装置处于板料10的同一侧。
基于实施例2的控制方法：步骤如下，
a、在运动控制单元15内预设主加工头组件的运动路径；
b、线性结构光发生装置将线性结构光投射到板料10表面的待分析成形区形成与板料10变形过程相关的投影条纹，且固定在主加工头组件上的工作平台7带动成像装置、信号处理器4、图像处理器3按照主加工头组件的预设运动路径进行检测；
c、从板料10反射回的光经成像装置，形成与投影条纹相关的电信号；
d、信号处理器4将电信号转化为二维图像；
e、利用图像处理器3提取二维图像的中心线，通过坐标变换复原待分析成形区的二维特征曲线；
f、利用信号处理器4根据二维特征曲线计算出主加工头组件的参考点的实时坐标值及法向矢量；
g、将计算结果发送至运动控制单元15，并与运动控制单元15的预设值相比较，且计算出主加工头组件的修正值；
h、根据修正值，运动控制单元15控制主加工头组件进行调整；
i、按照设置的频率不断重复步骤b-h，不断对主加工头组件进行调整。
实施例3：如图3所示，运动单元为随动对象9，工作平台7与随动对象9固定连接，运动控制单元15电连接随动对象9驱动随动对象9。随动对象9为辅助加工头组件，辅助加工头组件包括辅助加工头运动单元和辅助加工头，运动控制单元15驱动辅助加工头运动单元带动辅助加工头运动，辅助加工头组件与成像装置处于板料10的同一侧，板料10的另一侧设有主动加工头系统，主动加工头系统包括主动加工头控制单元13和主动加工头组件14，主动加工头组件14包括主动加工头运动单元和主动加工头，主动加工头控制单元13驱动主动加工头运动单元带动主动加工头运动，主动加工头控制单元13的输出端与主动加工头组件14电连接。
基于实施例3的控制方法：步骤如下，
a、在运动控制单元15内预设辅助加工头组件的运动路径；在主动加工头控制单元13内预设主动加工头组件14的加工路径；
b、线性结构光发生装置将线性结构光投射到板料10表面的待分析成形区形成与板料10变形过程相关的投影条纹，且固定在辅助加工头组件上的工作平台7带动成像装置、信号处理器4、图像处理器3按照辅助加工头的预设运动路径进行检测，主动加工头组件14按照预设加工路径进行加工。
c、从板料10反射回的光经成像装置，形成与投影条纹相关的电信号；
d、信号处理器4将电信号转化为二维图像；
e、利用图像处理器3提取二维图像的中心线，通过坐标变换复原待分析成形区的二维特征曲线；
f、利用信号处理器4根据二维特征曲线计算出辅助加工头组件的参考点的实时坐标值及法向矢量；
g、将计算结果发送至运动控制单元15，并与运动控制单元15的预设值相比较，且计算出辅助加工头组件的修正值；
h、根据修正值，运动控制单元15控制辅助加工头组件进行调整；
i、按照设置的频率不断重复步骤b-h，不断对辅助加工头组件进行调整
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于板料成形过程的随动闭环控制系统，其特征在于：包括线性结构光发生装置、成像装置、信号处理器(4)、图像处理器(3)、运动控制单元(15)、运动单元，所述的线性结构光发生装置、成像装置、信号处理器固定在工作平台(7)上，所述的信号处理器(4)的输出端与线性结构光发生装置的输入端电连接，所述的成像装置的输出端与信号处理器(4)的输入端电连接，所述的信号处理器(4)的输出端与图像处理器(3)的输入端电连接，所述的图像处理器(3)的输出端与运动控制单元(15)的输入端电连接，所述的运动控制单元(15)的输出端与运动单元电连接，所述的运动单元驱动工作平台(7)运动。
2.权利要求1所述的基于板料成形过程的随动闭环控制系统，其特征在于：所述的线性结构光发生装置包括激光发射器(5)和位于所述激光发射器(5)的光束发出端前方的第一透镜(6)，所述的激光发射器(5)的输入端与信号处理器(4)的输出端电连接，所述的激光发射器(5)的光束经过第一透镜(6)汇聚到板料(10)的变形区。
3.权利要求2所述的基于板料成形过程的随动闭环控制系统，其特征在于：所述的成像装置包括镜片组(1)和图像传感器(2)，所述的镜片组(1)位于图像传感器(2)和板料(10)之间，所述的图像传感器(2)的输出端与信号处理器(4)的输入端电连接，所述的镜片组(1)包括用于过滤红外光的滤镜和第二透镜。
4.权利要求1或2或3所述的基于板料成形过程的随动闭环控制系统，其特征在于：所述的运动控制单元(15)包括平台位移控制单元(11)和随动对象控制单元(8)，所述的运动单元包括平台位移装置(12)和随动对象(9)，所述的图像处理器(3)的输出端分别与平台位移控制单元(11)和随动对象控制单元(8)的输入端电连接，所述的平台位移控制单元(11)的输出端电连接平台位移装置(12)，所述的平台位移装置(12)带动工作平台(7)运动，所述的随动对象控制单元(8)电连接随动对象(9)驱动随动对象(9)运动。
5.权利要求1或2或3所述的基于板料成形过程的随动闭环控制系统，其特征在于：所述的运动单元为随动对象(9)，所述的工作平台(7)与随动对象(9)固定连接，所述的运动控制单元(15)电连接随动对象(9)驱动随动对象(9)。
6.权利要求5所述的基于板料成形过程的随动闭环控制系统，其特征在于：所述的随动对象(9)为主加工头组件，所述主加工头组件与成像装置均处于板料(10)的同一侧。
7.权利要求5所述的基于板料成形过程的随动闭环控制系统，其特征在于：所述的随动对象(9)为辅助加工头组件，所述辅助加工头组件与成像装置处于板料(10)的同一侧，所述板料(10)的另一侧设有主动加工头系统，所述的主动加工头系统包括主动加工头控制单元(13)和主动加工头组件(14)，所述的主动加工头控制单元(13)的输出端与主动加工头组件(14)电连接。
8.一种采用权利要求4的基于板料成形过程的随动闭环控制系统的控制方法，其特征在于：步骤如下，
a、在随动对象控制单元(8)内预设随动对象(9)的加工路径，在平台位移控制单元(11)内预设平台位移装置(12)的检测路径，所述加工路径和所述检测路径存在一一对应关系；
b、线性结构光发生装置将线性结构光投射到板料(10)表面的待分析成形区形成与板料(10)变形过程相关的投影条纹，且固定在平台位移装置(12)上的工作平台(7)带动成像装置、信号处理器(4)、图像处理器(3)按照预设检测路径进行检测；
c、从板料(10)反射回的光经成像装置，形成与投影条纹相关的电信号；
d、信号处理器(4)将电信号转化为二维图像；
e、利用图像处理器(3)提取二维图像的中心线，通过坐标变换复原待分析成形区的二维特征曲线；
f、利用信号处理器(4)根据二维特征曲线计算出随动对象(9)的参考点的实时坐标值及法向矢量；
g、将计算结果发送至随动对象控制单元(8)，并与随动对象控制单元(8)的预设值相比较，且计算出随动对象(9)的修正值；
h、根据修正值，随动对象控制单元(8)控制随动对象(9)进行调整；
i、按照设置的频率不断重复步骤b-h,不断对随动对象(9)进行调整。
9.一种采用权利要求6中的基于板料成形过程的随动闭环控制系统的控制方法，其特征在于：步骤如下，
a、在运动控制单元(15)内预设主加工头组件的运动路径；
b、线性结构光发生装置将线性结构光投射到板料(10)表面的待分析成形区形成与板料(10)变形过程相关的投影条纹，且固定在主加工头组件上的工作平台(7)带动成像装置、信号处理器(4)、图像处理器(3)按照主加工头组件的预设运动路径进行检测；
c、从板料(10)反射回的光经成像装置，形成与投影条纹相关的电信号；
d、信号处理器(4)将电信号转化为二维图像；
e、利用图像处理器(3)提取二维图像的中心线，通过坐标变换复原待分析成形区的二维特征曲线；
f、利用信号处理器(4)根据二维特征曲线计算出主加工头组件的参考点的实时坐标值及法向矢量；
g、将计算结果发送至运动控制单元(15)，并与运动控制单元(15)的预设值相比较，且计算出主加工头组件的修正值；
h、根据修正值，运动控制单元(15)控制主加工头组件进行调整；
i、按照设置的频率不断重复步骤b-h，不断对主加工头组件进行调整。
10.一种采用权利要求7中的基于板料成形过程的随动闭环控制系统的控制方法，其特征在于：步骤如下，
a、在运动控制单元(15)内预设辅助加工头组件的运动路径；在主动加工头控制单元(13)内预设主动加工头组件(14)的加工路径；
b、线性结构光发生装置将线性结构光投射到板料(10)表面的待分析成形区形成与板料(10)变形过程相关的投影条纹，且固定在辅助加工头组件上的工作平台(7)带动成像装置、信号处理器(4)、图像处理器(3)按照辅助加工头组件的预设运动路径进行检测，主动加工头组件(14)按照预设加工路径进行加工。
c、从板料(10)反射回的光经成像装置，形成与投影条纹相关的电信号；
d、信号处理器(4)将电信号转化为二维图像；
e、利用图像处理器(3)提取二维图像的中心线，通过坐标变换复原待分析成形区的二维特征曲线；
f、利用信号处理器(4)根据二维特征曲线计算出辅助加工头组件的参考点的实时坐标值及法向矢量；
g、将计算结果发送至运动控制单元(15)，并与运动控制单元(15)的预设值相比较，且计算出辅助加工头组件的修正值；
h、根据修正值，运动控制单元(15)控制辅助加工头组件进行调整；
i、按照设置的频率不断重复步骤b-h，不断对辅助加工头组件进行调整。
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