CN111174729A - 单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统，包括信号处理模块，以及分别与信号处理模块通信连接的第一信号采集模块、第二信号采集模块、第三信号采集模块和第四信号采集模块。渐进成形装置工作时，第一信号采集模块采集成形压头顶端x轴坐标数据，第二信号采集模块采集成形压头顶端y轴坐标数据，第三信号采集模块采集成形压头顶端z轴坐标数据，第四信号采集模块采集成形头处板材背面的坐标数据、板材下压量，信号处理模块处理并记录四个信号采集模块的坐标数据获得板材加工中每个监测点的三维坐标。本发明在渐进成形加工中，实现对板材的三维坐标采集，通过坐标连线得到渐进成形后板材的成形轨迹，无需额外操作。

Description

单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统

技术领域

本发明涉及渐进成形技术领域，具体涉及一种单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统。

背景技术

在工业发展的过程中，金属板材的成形一直扮演着很重要的角色，尤其在航空、船舶、汽车等领域。但随着现代工业的发展，对于板材成形的要求越来越高，成形形状越来越复杂，产品更新换代快、小批量生产的趋势越来越明显，而传统的板材成形方式需要模具，设计时间长，成本高，很难满足如今的市场需求。

渐进成形技术作为无模成形技术的一种，特点之一就是不需要专用模具，节省了设计模具的时间和成本，市场响应速度快，可进行小批量生产，是一种柔性制造技术。

但渐进成形设备是从伺服电机的编码器获得成形压头顶端的位置，只能对加工轨迹进行半闭环控制，未能将成形压头顶端的实际位置采集用于反馈;由于渐近成形加工过程环境的复杂性，在此过程中会产生板材减薄、破裂、起皱、回弹等现象，影响成形精度，成形精度有待提高。

另外，现有技术在对成形板材进行三维建模时，需要在渐进成形加工以后通过对板材利用视觉的方式实现三维模拟建模，操作比较麻烦，由于采用照片整体模拟，因而无法得到板材上每个点的坐标即无法判断该点处的板材成形是否符合成形要求，继而影响成形精度的测量及研究。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统，不仅实现了对加工轨迹的全闭环控制，将成形压头顶端的实际位置采集用于反馈，使得成形精度显著提高，而且可在渐进成形加工过程中，实现对加工中板材的三维坐标采集，通过坐标连线得到渐进成形后板材的成形轨迹，无需额外操作，可实现成形加工与三维建模同时进行。

本发明是通过如下技术方案实现的：

提供一种单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统，包括信号处理模块，以及分别与信号处理模块通信连接的第一信号采集模块、第二信号采集模块、第三信号采集模块和第四信号采集模块；其中：

第一信号采集模块设置在x轴导轨上，用于采集渐进成形设备工作时成形压头顶端x轴坐标数据；

第二信号采集模块设置在y轴导轨上，用于采集渐进成形设备工作时成形压头顶端y轴坐标数据；

第三信号采集模块设置在z轴导轨上，用于采集渐进成形设备工作时成形压头顶端z轴坐标数据；

第四信号采集模块设置在与成形压头相对的板材背面且位于成形压头的正下方，并与成形压头保持在x-y平面上随动，用于测量成形压头的下压距离以及第四信号采集模块到成形压头处板材下表面的距离；

信号处理模块处理并记录四个信号采集模块的坐标数据获得每个监测点在板材上表面和下表面的三维坐标。

本方案通过利用第一信号采集模块、第二信号采集模块、第三信号采集模块分别采集成形压头顶端每个监测点的x轴、y轴和z轴坐标，即得到加工板材上表面各监测点的坐标；通过第四信号采集模块采集成形压头的下压距离以及第四信号采集模块到成形压头处板材下表面的距离，通过差值计算的得到板材下表面监测点的坐标，进而可以得到加工板材的形状轨迹，轨迹上每个点均有坐标数据，可以方便对板材成形精度进行比较和研究。从微观层面对渐近成形加工过程进行监控，通过对获取的点坐标进行数值运算，能够较为直观的反应出加工过程中出现的问题。

进一步的，还包括与信号处理模块电连接的显示模块，显示模块用于显示信号处理模块记录的每个监测点在板材上表面和下表面的三维坐标，并通过对点坐标依次连接显示板材的成形形状。

更进一步的，显示模块还用于显示当前成形压头顶端实际的坐标位置以及经信号处理模块计算第一、第二和第三信号采集模块输出实际坐标值与理想坐标值间的差值，以及显示成形压头处板材背面的坐标数据、加工进度等参数

进一步的，信号处理模块分别通过对成形压头顶端x轴坐标位置与理想位置x轴坐标值做差值比较、对成形压头顶端y轴坐标位置与理想位置y轴坐标值做差值比较，以及对成形压头顶端z轴坐标位置与理想位置z轴坐标值做差值比较，调整成形压头顶端x轴坐标数据、y轴坐标数据及z轴坐标数据。

进一步的，还包括与信号处理模块电连接的报警模块，显示模块用于设置报警值，当信号采集模块采集到的实际坐标位置与理想的坐标位置差值较大时，报警模块发出警告信号，通过显示模块显示，同时显示下一步成形压头顶端的加工轨迹。

进一步的，第一信号采集模块、第二信号采集模块和第三信号采集模块为光栅尺位移传感器，第四信号采集模块为激光位移传感器。

光栅尺位移传感器具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点，时效性好，对信号的检测反馈及时高效，提高加工精度；激光位移传感器能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，可以测量位移、厚度、振动、距离、直径等精密的几何测量。

进一步的，信号处理模块包括处理器、存储器和存储控制器，存储控制器分别与处理器和存储器连接。

本发明的有益效果：

第四信号采集模块设置在板材下方，z轴坐标不变，x轴与y轴坐标变化与成形压头的主轴随动，信号处理模块通过第四信号采集模块记录成形压头下压的距离以及信号采集模块到成形压头处板材的下表面距离，在此过程中，第四信号采集模块的z轴坐标数据不变，由此坐标数据与信号采集模块到板材下表面的距离即可得到板材下表面的坐标数据，其x轴坐标、y轴坐标数据与成形压头相同，z轴坐标等于第三信号采集模块采集的z轴坐标加上传感器到板材下表面的距离，由此可计算成形头处板材下表面的三维坐标位置，同样由此坐标数据在坐标系中建模即可得到实际的成形形状即可得到加工后板材下表面形状及成形形状，以供对成形精度、表面质量和减薄规律等参数进行分析。而通过第一信号采集模块、第二信号采集模块、第三信号采集模块采集的坐标数据为实时的成形压头的三维坐标数据，通过对此坐标数据依次连接即可得到成形压头的实际加工轨迹，即金属板材的上表面形状。进而可以得到加工成形后板材的成形轨迹。

另外，对上下两个表面的对应点坐标数据进行做差运算，依据此时的板材成形角度也可获得此时板材的厚度，可以对板材的厚度分布进行分析，而不依赖其他的仪器。

信号处理模块对检测到的成形压头的坐标数据与理想成形轨迹在此时的坐标数据相比较，对成形轨迹进行调整；比较过程为做差值运算，计算结果为负，对于成形轨迹要往结果为正的方向调整，结果为正时，成形轨迹往结果为负的方向进行调整，最终实现对单点渐进成加工过程的路径监控，而且有助于提高加工成形的精度。

附图说明

图1为本发明单点渐进成形加工中路径成形系统安装结构图；

图2为本发明单点渐进成形加工中路径成形系统的结构框图；

图3为图1的系统剖面图。

图中所示：

110-第一信号采集模块；120-信号处理模块；122-处理器；124-存储器；126-存储控制器；130-第二信号采集模块；160-第三信号处理模块；170-第四信号采集模块；140-显示模块；150-报警模块；211-成形压头；212-主轴；213-板材成形区域；214-成形板材；215-下压板；216-上压板。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

一种单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统，用于渐进成形设备，包括信号处理模块120，以及分别与信号处理模块120通过电缆或网络通信连接的第一信号采集模块110、第二信号采集模块130、第三信号采集模块160和第四信号采集模块170。

其中：第一信号采集模块110、第二信号采集模块130和第三信号采集模块160为光栅尺位移传感器，第四信号采集模170块为激光位移传感器。

第一信号采集模块110设置在x轴导轨上，用于采集渐进成形设备工作时成形压头211顶端x轴坐标数据，信号处理模块120通过对成形压头211顶端x轴坐标位置与理想位置x轴坐标值做差值比较，调整成形压头211顶端x轴坐标数据；

第二信号采集模块130设置在y轴导轨上，用于采集渐进成形设备工作时成形压头211顶端y轴坐标数据，信号处理模块120通过对成形压头211顶端y轴坐标位置与理想位置y轴坐标值做差值比较，调整成形压头211顶端y轴坐标数据；

第三信号采集模块160设置在z轴导轨上，用于采集渐进成形设备工作时成形压头211顶端z轴坐标数据，信号处理模块120通过对成形压头211顶端z轴坐标位置与理想位置z轴坐标值做差值比较，调整成形压头211顶端z轴坐标数据；

第四信号采集模块170设置在与成形压头211相对的板材背面且位于成形压头211的正下方，并与成形压头211保持在x-y平面上随动，用于测量成形压头211的下压距离以及第四信号采集模块170到成形压头211处板材下表面的距离。

信号处理模块120处理并记录四个信号采集模块的坐标数据获得每个监测点在板材上表面和下表面的三维坐标。综合三坐标差值得到最终的偏离理想轨迹的差值，判断此差值是否大于加工误差，以使控制器发出控制指令调整加工轨迹；并且，由测量到的所有数据坐标依次连接即可得到上表面的板材形状。第四信号采集模块170用于测量成形压头211的下压量、板材在成形头处北面的坐标数据，转换计算得到板材成形的下表面的成形形状；内下表面的成形形状已知，在同一坐标系下对内下表面的板材形状建模，即可得到实际成形板材的表面形状，可以使用此三维模型对成形的精度、成形质量等其他指标进行分析，得出复杂实验条件环境下，各种因素对于板材成形的影响，为制定板材成形的最佳方案提供依据。

此外，信号处理模块120还用于对坐标值误差产生处的时间段、点数的数据处理，以实现误差峰值检测。

信号处理模块120包括处理器122、存储器124和存储控制器126，存储控制器126分别与处理器122和存储器124连接。信号处理模块120还可以包括外设接口、输入输出模块、音频模块和射频模块。处理器、存储器和存储控制器、外设接口、输入输出模块、音频模块、射频模块各元件之间直接或间接地电连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间可以通过一条或多条通讯总线或信号总线实现电连接。

存储器124可以包括但不限于随机存取存储器、只读存储器、可编程只读存储器、可擦除只读存储器，可擦除只读存储器等。

处理器122可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器、网络处理器；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述外设接口将各种输入/输入装置耦合至处理器122以及存储器124。在一些实施例中，外设接口、处理器122以及存储控制器126可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。

输入输出模块用于提供给用户输入数据实现用户与信号处理模块120的交互。所述输入输出模块可以是，但不限于鼠标和键盘等。

音频模块向用户提供音频接口，其可包括一个或多个麦克风、一个或者多个扬声器以及音频电路。

射频模块用于接收以及发送电磁波，实现电磁波与电信号的相互转换，从而与通信网络或者其他设备进行通信。

信号处理模块可以为PC电脑、平板电脑、手机、笔记本电脑、智能电视、机顶盒或车载终端等。

单点渐进成形加工中路径成形系统还包括与信号处理模块120电连接的显示模块140，显示模块140用于显示信号处理模块记录的每个监测点的三维坐标，并通过对点坐标依次连接显示板材的成形形状。显示模块140还用于显示当前成形压头211顶端实际的坐标位置以及经信号处理模块120计算第一、第二和第三信号采集模块输出实际坐标值与理想坐标值间的差值，以及显示成形压头211处板材背面的坐标数据、加工进度等参数。

显示模块140用于显示实时的x轴、y轴及z轴坐标数值，理想成形轨迹此时的工具顶端坐标及这两个的差值，还用于显示实时的加工路径（由测得的坐标数据依次连接生成）；显示模块140还用于显示渐进成形设备的参数设置。显示模块140可以为工业触屏显示器。

还包括与信号处理模块120电连接的报警模块150，可以为声光报警器，显示模块140用于设置报警值，当信号采集模块采集到的实际坐标位置与理想的坐标位置差值较大时，报警模块150发出警告信号，通过显示模块140显示，同时显示下一步成形压头211顶端的加工轨迹。

本发明的工作过程为：

当渐进成形设备处于工作状态时，即成形压头211处于成形板材的状态，各个信号采集模块处于工作状态：

第一信号采集模块110采集成形压头顶端x轴坐标数据，信号处理模块120基于第一信号采集模块110检测到x轴坐标数据，判断此数值是否到达报警值，即是否满足加工精度的需求。

第二信号采集模块130、第三信号采集模块160分别采集成形压头顶端的y轴和z轴数据，信号处理模块120对成形压头顶端的实际位置与理想位置进行分析比对，对第一信号采集模块得到x轴坐标得到的运算结果进行补充，并获得是否报警的结果，并且依据判断的差值决定调整的方向和大小。显示模块140显示成形压头顶端实际位置的三个坐标轴的值与理想位置的三个坐标轴的值，显示内容还包括实际坐标值与理想坐标值之间的差值。通过显示模块140设置报警值，当所述第一信号采集模块、第二信号采集模块和第三信号采集模块测得一个坐标位置差值大于报警值，即触发所述报警模块150报警及成形压头调整成形轨迹，下一步的成形轨迹由当前的报警及差值决定。

通过第一信号采集模块110、第二信号采集模块130、第三信号采集模块160采集的坐标数据为实时的成形压头的三维坐标数据，对此坐标数据依次连接即可得到成形压头的实际加工轨迹，即金属板材的上表面形状。

在此基础上，通过第四信号采集模块170采集成形压头211在每一点的下压量、第四信号采集模块170到成形压头211处板材的下表面坐标数据，

第四信号采集模块依靠随动系统始终保持与成形压头在同一直线上， x、y轴的坐标与成形压头x、y轴坐标相同；并且第四信号采集模块只在x-y坐标平面上相对于成形平台运动，z轴坐标是固定不变的，对于第四信号采集模块来说，在此坐标系统中的z轴坐标值根据第四信号采集模块的安装位置确定，并且是唯一确定的；由此利用第四信号采集模块的z轴坐标值及第四信号采集模块采集到的采集模块到板材下表面的距离数值运算，即可得到板材下表面在检测点的z轴坐标。一般的，渐近成形加工过程中选取初始加工面为z轴坐标为零的平面，沿成形压头向上为z轴正方向，在此，板材下表面在检测点的z轴坐标=第四信号采集模块z轴坐标+第四信号采集模块的采集数值（激光位移传感器测得的第四信号采集模块到板材下边面检测点的距离数值）同上表面一样，对检测到的坐标依次连接，即可获得成形板材下表面的模型。对上下表面在同一工件坐标系下建模，即可获得板材的上下表面的成形形状，由此三维模型可以进行板材减薄规律的研究、可以进行成形精度、成形质量的分析，对渐进成形技术的工艺研究提供更好的分析依据。对上表面和下表面的z轴坐标进行差值运算和已知的此处板材成形角度配合，即可获得此处板材的厚度，可以对板材进行厚度分析。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (7)

1.一种单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统，其特征在于：包括信号处理模块，以及分别与信号处理模块通信连接的第一信号采集模块、第二信号采集模块、第三信号采集模块和第四信号采集模块；其中：

第一信号采集模块设置在x轴导轨上，用于采集渐进成形设备工作时成形压头顶端x轴坐标数据；

第二信号采集模块设置在y轴导轨上，用于采集渐进成形设备工作时成形压头顶端y轴坐标数据；

第三信号采集模块设置在z轴导轨上，用于采集渐进成形设备工作时成形压头顶端z轴坐标数据；

第四信号采集模块设置在与成形压头相对的板材背面且位于成形压头的正下方，并与成形压头保持在x-y平面上随动，用于测量成形压头的下压距离以及第四信号采集模块到成形压头处板材下表面的距离；

信号处理模块记录并处理四个信号采集模块的坐标数据获得每个监测点在板材上表面和下表面的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统，其特征在于：还包括与信号处理模块电连接的显示模块，显示模块用于显示信号处理模块记录的每个监测点在板材上表面和下表面的三维坐标，并通过对点坐标依次连接显示板材的成形形状。

3.根据权利要求2所述的单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统，其特征在于：显示模块还用于显示当前成形压头顶端实际的坐标位置以及经信号处理模块计算第一、第二和第三信号采集模块输出实际坐标值与理想坐标值间的差值，以及显示成形压头处板材背面的坐标数据、加工进度等参数。

4.根据权利要求3所述的单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统，其特征在于：信号处理模块分别通过对成形压头顶端x轴坐标位置与理想位置x轴坐标值做差值比较、对成形压头顶端y轴坐标位置与理想位置y轴坐标值做差值比较，以及对成形压头顶端z轴坐标位置与理想位置z轴坐标值做差值比较，调整成形压头顶端x轴坐标数据、y轴坐标数据及z轴坐标数据。

5.根据权利要求3所述的单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统，其特征在于：还包括与信号处理模块电连接的报警模块，显示模块用于设置报警值，当信号采集模块采集到的实际坐标位置与理想的坐标位置差值较大时，报警模块发出警告信号，通过显示模块显示，同时显示下一步成形压头顶端的加工轨迹。

6.根据权利要求1所述的单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统，其特征在于：第一信号采集模块、第二信号采集模块和第三信号采集模块为光栅尺位移传感器，第四信号采集模块为激光位移传感器。

7.根据权利要求1所述的单点渐进成形加工用测量板材路径成形系统，其特征在于：信号处理模块包括处理器、存储器和存储控制器，存储控制器分别与处理器和存储器连接。

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