CN111026050A - 基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，包括：加热控制模块、数据采集模块和倍福工业以太网控制模块；加热控制模块和数据采集模块均与所述倍福工业以太网控制模块信号连接。其中，数据采集模块采集工件所在加工区域的图像信息和温度信息；倍福工业以太网控制模块根据图像信息和温度信息以及预设标准热源模型，生成控制信号；加热控制模块根据控制信号对加工区域进行加热。由于采用倍福工业以太网总线系统为底层控制架构，可以对加工温度进行实时控制，能够提高旋压加工的工艺可靠性，提高旋压加工的成品质量，提高成品率，提高加工效率，减少加工成本，并且减轻工人劳动强度和燃烧环境对身体的影响。
Description
技术领域
本申请涉及加工制造领域，具体涉及一种基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统。
背景技术
高强度薄壁壳体是航空航天、核工业、石油及化工领域的一种必需的典型零件，例如发动机壳体，助推器壳体等高精度部件；例如核工业使用核一、核二级不锈钢无缝管、换热管、溢流管、蒸汽发生器等；例如石油、化工、天然气等行业的油气管、油井管、物料输送管等。高强度薄壁壳体的制造水平是决定相关设备的精度和可靠性的关键指标，事关国家能源安全、军事安全的高端装备制造。
高强度薄壁壳体整体热旋压成形技术是制造高端无缝精密管材的最佳工艺方法，旋压成形是一种典型的局部加载成形技术，具有能耗小、模具寿命长、产品精度高等特点，是加工高强度薄壁空心壳体件的有效方法，己广泛应用于航天、航空、船舶、兵器等制造领域。但是，由于旋压对变形温度和变形速率的要求极其严格，热旋压过程中易产生起皱、裂纹或加工变形等缺陷，变形程度较大时工件成形难度极大。
目前开发的旋压装备和设计的加工工艺可以完成高强度薄壁壳体的整体成形，但要满足武器装备关键结构件批量生产的加工需求，还必须保证零件生产制造的工艺可靠性。国内外旋压机床的控制所采用的编程数控技术，对每一种工件都需要人工反复调试工艺参数，如进给速度，旋压轨迹曲线的参数，旋压道次数等，要求操作者具有丰富的旋压工艺经验，加工过程中遇到环境条件变化影响加工质量时，机床控制系统无法实时做出调整。
发明内容
本申请的目的是提供一种基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，以能够实现提高目前旋压加工的工艺可靠性，提高旋压加工的成品质量。
本申请提供一种基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，包括：
加热控制模块、数据采集模块和倍福工业以太网控制模块；加热控制模块和数据采集模块均与所述倍福工业以太网控制模块信号连接；其中，
所述数据采集模块，用于采集工件所在加工区域的图像信息和温度信息，并将所述图像信息和温度信息发送至所述倍福工业以太网控制模块；
所述倍福工业以太网控制模块，用于根据所述图像信息和温度信息以及预设标准热源模型，生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述加热控制模块；所述标准热源模型是指所述工件在旋压加工过程中各个加工阶段加工区域所需温度的变化曲线；
所述加热控制模块，用于根据所述控制信号对所述加工区域进行加热。
在本申请的一些实施方式中，所述数据采集模块包括至少一个红外热像仪。
在本申请的一些实施方式中，所述倍福工业以太网控制模块包括数据处理模块和控制模块；其中，
所述数据处理模块，用于对所述图像信息进行图像处理，确定所述加工区域的位置信息，并根据所述温度信息计算所述加工区域的平均温度以及该平均温度与预设标准热源模型中预设温度的温度差值；
所述控制模块，用于根据所述加工区域的位置信息和温度差值生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述加热控制模块。
在本申请的一些实施方式中，所述图像处理采用Sobel算子边缘检测方法。
在本申请的一些实施方式中，所述控制信号包括位置指令和流量指令。
在本申请的一些实施方式中，所述加热控制模块包括：
机械臂模组，所述机械臂模组夹取喷枪，用于根据所述位置指令控制喷枪移动至喷火位置；
喷枪，用于向工件表面喷火；
流量控制阀，所述流量控制阀安装于所述喷枪出气口，用于根据所述流量指令控制喷枪出气量。
在本申请的一些实施方式中，所述倍福工业以太网控制模块通过倍福EL2521模块与所述机械臂模组信号连接。
在本申请的一些实施方式中，所述倍福工业以太网控制模块通过倍福EL6021模块与所述流量控制阀信号连接。
相较于现有技术，本申请提供的基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，包括：加热控制模块、数据采集模块和倍福工业以太网控制模块；加热控制模块和数据采集模块均与所述倍福工业以太网控制模块信号连接。其中，所述数据采集模块采集工件所在加工区域的图像信息和温度信息，并将所述图像信息和温度信息发送至所述倍福工业以太网控制模块；所述倍福工业以太网控制模块根据所述图像信息和温度信息以及预设标准热源模型，生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述加热控制模块；所述加热控制模块根据所述控制信号对所述加工区域进行加热。由于采用倍福工业以太网总线系统为底层控制架构，可以对加工温度进行实时控制，因此，通过上述基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统能够提高旋压加工的工艺可靠性，提高旋压加工的成品质量，提高成品率，提高加工效率，减少加工成本，并且减轻工人劳动强度和燃烧环境对身体的影响。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本申请的一些实施方式所提供的一种基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统的示意图；
图2示出了本申请的一些实施方式所提供的机械臂模组的示意图；
图3示出了本申请的一些实施方式所提供的热旋压加工智能控制系统整体硬件结构的示意图；
图4示出了本申请的一些实施方式所提供的整系统控制过程的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
另外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本申请实施例提供一种基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，下面结合附图进行说明。
请参考图1，其示出了本申请的一些实施方式所提供的一种基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统的示意图，如图所示，所述基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统100(简称系统100)，包括：
加热控制模块110、数据采集模块120和倍福工业以太网控制模块130；加热控制模块110和数据采集模块120均与所述倍福工业以太网控制模块130信号连接。
数据采集模块120，用于采集工件所在加工区域的图像信息和温度信息，并将所述图像信息和温度信息发送至所述倍福工业以太网控制模块130；
在本申请的一些实施方式中，数据采集模块120包括至少一个红外热像仪。
具体的，数据采集主要采集的是两类信息，一个是目前的加工区域，另一个是目前加工区域的平均温度。使用红外热像仪拍摄整体旋压加工过程来获取这些关键信息，红外热像仪采用的是FLIR的A615系列。红外热像仪开始工作，温度获取可能存在误差，需要越热3-5分钟，减少误差。
所述倍福工业以太网控制模块130，用于根据所述图像信息和温度信息以及预设标准热源模型，生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述加热控制模块110；
其中，倍福工业以太网控制模块130可以为倍福工业以太网控制器，可以采用倍福公司的C6920-0050工控机，并搭载倍福公司的EtherCAT端子I/O模块。EtherCAT是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，它是一个开放源代码，高性能的系统，在利用机器人和其他装备线上的技术方面具有强实时性的特点，可以很好地满足该旋压加工控制系统的实时性要求，达到加工过程中温度的精准实时控制。
其中，所述标准热源模型是指所述工件在旋压加工过程中各个加工阶段加工区域所需温度的变化曲线。具体的，可以利用在线数据进行快速仿真建模，建立热旋压加工标准热源模型，举例如下：
热旋压有限元的求解过程分为前处理、求解计算和后处理三个部分。前处理阶段，需要对连续体进行网格划分，实际上是对连续空间进行离散。
建模过程中，辊子运动速度为27mm/s。工件为变形体，材料是6082铝合金。为了使仿真尽可能与实际相近，使用了该材料的实验数据，而不是在不同本构模型下的近似性能。材料的变形等力学参数信息来源于Simufact的材料数据库，在这个数据库中，对该型铝合金的性能描述有非常详细的数据，包括了该铝合金在不同应变速率(静拉伸，
0.05/s,1/s,5/s,10/s,50/s,100/s,200/s,500/s)和不同温度(20℃～200℃)下的应力-应变关系，泊松比(0.33)，不同温度下的弹性模量，不同温度下的密度和热膨胀系数，以及热力学方面的数据。
在进行完前处理之后，将这个有限元模型提交给仿真求解器进行计算求解。在求解完毕之后，需要将计算结果各种分析，也就是有限元的第三阶段：后处理。后处理可以用数据分析软件或者对结果直接进行可视化处理，画出云图、矢量图、某一物理量的变化曲线等。
本实施例，在加工控制系统建立后，使用该热旋压加工标准热源模型进行实际加工过程的控制，根据最终加工效果再对热旋压加工标准热源模型进行优化，由此可以得到最终最佳的热旋压加工标准热源模型。
通过上述仿真方法，可不断通过仿真试验，调整仿真加工温度曲线，来获取理论最佳加工温度曲线，完成旋压加工标准热源模型的建立。
在本申请的一些实施方式中，倍福工业以太网控制模块130可以包括数据处理模块和控制模块；其中，
所述数据处理模块用于对所述图像信息进行图像处理，确定所述加工区域的位置信息，并根据所述温度信息计算所述加工区域的平均温度以及该平均温度与预设标准热源模型中预设温度的温度差值；所述控制模块用于根据所述加工区域的位置信息和温度差值生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述加热控制模块。
在本申请的一些实施方式中，所述图像处理采用Sobel算子边缘检测方法。
所述加热控制模块110，用于根据所述控制信号对所述加工区域进行加热。
在本申请的一些实施方式中，所述控制信号包括位置指令和流量指令。
在本申请的一些实施方式中，所述加热控制模块110可以包括：
机械臂模组，所述机械臂模组夹取喷枪，用于根据所述位置指令控制喷枪移动至喷火位置；图2示出了本申请的一些实施方式所提供的机械臂模组的示意图。机械臂会根据温度情况自动调整喷枪的喷火点。
喷枪，用于向工件表面喷火；
流量控制阀，所述流量控制阀安装于所述喷枪出气口，用于根据所述流量指令控制喷枪出气量。
具体的，通过机械臂模组夹取喷枪，使得系统能够控制喷枪喷火位置，从而保证加热位置在加工过程中一直处于理想位置，加工过程符合预先设定好的标准热源模型，分别负责控制喷枪在水平和竖直方向的位置以及与工件表面的距离。流量控制阀控制出气量来调节火焰的大小。
在本申请的一些实施方式中，所述倍福工业以太网控制模块130通过倍福EL2521模块与所述机械臂模组信号连接。
在本申请的一些实施方式中，所述倍福工业以太网控制模块130通过倍福EL6021模块与所述流量控制阀信号连接。
具体的，流量控制阀控制使用倍福公司支持RS485接口的EL6021模块，机械臂模组控制采用PWM协议进行控制，PWM输出可采用倍福公司的EL2521脉冲串输出端子模块。并使用倍福公司提供的EL1809与EL2809模块完成I/O信号的读取与输出，EK1100模块负责整体模块的总线耦合。
为了便于理解本申请，请参考图3，其示出了本申请的一些实施方式所提供的热旋压加工智能控制系统整体硬件结构的示意图，如图3所示，图中的阀为流量控制阀，工控机为倍福工业以太网控制模块130。
开始对工件进行加工，系统100根据时间开始获取加工工艺的温度，红外热像仪获取实时采集到的加工区域温度，如果系统100采取的是自动控制，系统100会把当前采集到的温度跟加工工艺中的预期温度传给倍福工业以太网控制模块130，倍福工业以太网控制模块130通过滞回控制与模糊PID控制结合的控制算法，调整喷火点，达到实际温度与预期温度的最小偏差。
为了便于理解本申请，请参考图4，其示出了本申请的一些实施方式所提供的整系统控制过程的示意图，如图4所示，整系统控制过程如下：
S1：加热控制系统控制喷枪按照初始设置开始喷火，对加工件进行加工；
S2：红外热像仪对加工区域进行视频采集，形成加工过程视频，并将加工过程视频发送至倍福工业以太网控制模块(图中的工控机和控制系统)进行图像处理，获得当前加工位置信息和当前加工区域温度信息；
S3：将当前加工位置信息和当前加工区域温度信息与预设标准热源模型(图中的标准加工热模型)进行比较，获得位置偏移量和温度差值；
S4：根据相关控制算法和位置偏移量生成机械臂的控制信号，以控制机械臂带动喷枪到达指定位置，并接收喷枪位置反馈进一步调整。
S5：根据相关控制算法和温度差值生成流量控制阀(图中的电液阀伺服控制器和电液伺服阀)的控制信号，以控制喷枪的供气量，从而控制喷火大小以调整加工温度。
上述整系统控制过程，使用了红外热像仪信息进行加工件热状态分析和温度反馈，采用了智能闭环控制的方法实现输出控制。
相较于现有技术，本申请提供的基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，包括：加热控制模块、数据采集模块和倍福工业以太网控制模块；加热控制模块和数据采集模块均与所述倍福工业以太网控制模块信号连接。其中，所述数据采集模块采集工件所在加工区域的图像信息和温度信息，并将所述图像信息和温度信息发送至所述倍福工业以太网控制模块；所述倍福工业以太网控制模块根据所述图像信息和温度信息以及预设标准热源模型，生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述加热控制模块；所述加热控制模块根据所述控制信号对所述加工区域进行加热。由于采用倍福工业以太网总线系统为底层控制架构，可以对加工温度进行实时控制，因此，通过上述基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统能够提高旋压加工的工艺可靠性，提高旋压加工的成品质量，提高成品率，提高加工效率，减少加工成本，并且减轻工人劳动强度和燃烧环境对身体的影响。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (8)
1.一种基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，其特征在于，包括：
加热控制模块、数据采集模块和倍福工业以太网控制模块；加热控制模块和数据采集模块均与所述倍福工业以太网控制模块信号连接；其中，
所述数据采集模块，用于采集工件所在加工区域的图像信息和温度信息，并将所述图像信息和温度信息发送至所述倍福工业以太网控制模块；
所述倍福工业以太网控制模块，用于根据所述图像信息和温度信息以及预设标准热源模型，生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述加热控制模块；所述标准热源模型是指所述工件在旋压加工过程中各个加工阶段加工区域所需温度的变化曲线；
所述加热控制模块，用于根据所述控制信号对所述加工区域进行加热。
2.根据权利要求1所述的基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，其特征在于，所述数据采集模块包括至少一个红外热像仪。
3.根据权利要求1所述的基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，其特征在于，所述倍福工业以太网控制模块包括数据处理模块和控制模块；其中，
所述数据处理模块，用于对所述图像信息进行图像处理，确定所述加工区域的位置信息，并根据所述温度信息计算所述加工区域的平均温度以及该平均温度与预设标准热源模型中预设温度的温度差值；
所述控制模块，用于根据所述加工区域的位置信息和温度差值生成控制信号，并将所述控制信号发送至所述加热控制模块。
4.根据权利要求3所述的基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，其特征在于，所述图像处理采用Sobel算子边缘检测方法。
5.根据权利要求1所述的基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，其特征在于，所述控制信号包括位置指令和流量指令。
6.根据权利要求5所述的基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，其特征在于，所述加热控制模块包括：
机械臂模组，所述机械臂模组夹取喷枪，用于根据所述位置指令控制喷枪移动至喷火位置；
喷枪，用于向工件表面喷火；
流量控制阀，所述流量控制阀安装于所述喷枪出气口，用于根据所述流量指令控制喷枪出气量。
7.根据权利要求6所述的基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，其特征在于，所述倍福工业以太网控制模块通过倍福EL2521模块与所述机械臂模组信号连接。
8.根据权利要求6所述的基于倍福工业以太网的热旋压加工智能控制系统，其特征在于，所述倍福工业以太网控制模块通过倍福EL6021模块与所述流量控制阀信号连接。
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