CN114193358B - 一种多点柔性浮动支撑设备及变形主动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多点柔性浮动支撑设备及变形主动控制方法，本发明的硬件系统包括若干组支撑杆子系统，每个支撑杆子系统包括一个液压缸、一个位移传感器、一个拉/压力传感器构成及相关固定结构。每个支撑杆系统都可以在垂直方向上独立移动，由液压泵站驱动。每个支撑杆的位移由位移传感器测量，力由力传感器测量。本发明将力传感器和位移传感器集成到系统，并通过位移和力的闭环控制，实现零件的变形主动调控。本发明专利的柔性随动装置采用多点接触、力‑位移闭环控制、柔性支撑相结合的方法，不仅可以实现零件在加工过程中的主动柔性随动支撑，保证支撑刚度，而且可以减小零件的变形及残余应力，从而提高零件在成形的制造精度。
Description
背景技术
零件在热加工制造过程中，如焊接、增材制造、表面熔覆、热矫形等，当基底结构刚度较低的情况下，很容易发生变形，严重影响零件的加工精度。比如，航天中常用的网格壁板的筋板是通过将材料沉积在平面或者曲面的大薄板上来制造。在基底结构刚度较低的情况下，施加外部约束是减小零件变形最为有效的手段。
然而在零件加工过程中如何合理的施加外部约束具一定的挑战性。一方面，底部基板并非平直规则，可能存在曲面。另一方面，零件在加工过程时，零件的应力分布和变形实时变化，以增材制造为例，其多层和重复的加热和冷却循环，导致基底所需的约束力可能随着层数的增加而变化。因此，所需的夹具应是柔性的，以便适应各种零件形状及各个不同阶段的应力和变形状态，并能主动控制约束力。
为了同时实现柔性和可控约束力两个目标，本发明研制了一种新型柔性浮动支撑系统，以保证零件在加工过程中力和变形可控，从而实现整体构件的精度控制。
发明内容
本发明的柔性浮动支撑设备包含自身需要的硬件系统以及相应的控制系统，具体而言包括以下内容：
(1)所述硬件系统包括若干组支撑杆子系统，每个支撑杆子系统包括一个液压缸直线推杆、一个位移传感器、一个拉压力传感器构成及相关固定结构。
各个支撑杆子系统之间将通过法兰连接在同一个固定结构的基板上，固定结构基板上带有很多的螺纹孔，可以让各个支撑杆子系统安装在适当的位置上。对于单个支撑杆子系统，支撑杆顶端会安装一个力传感器，通过螺纹连接的方式将传感器与支撑杆顶端固定，拉压力传感器则放置在支撑杆底部。
每个支撑杆子系统的直线推杆都能够在垂直方向上独立移动，由液压泵站驱动。每个支撑杆子系统的位移由位移传感器测量，力由拉压力传感器测量。直线推杆的数量、最大行程、最大速度、最大力及相邻支撑杆的间距不做限定，可根据底板的尺寸、形状及所受力的大小选择合适的参数。
(2)所述控制系统为基于PC电脑作为上位机，选择继电器板通过TCP/IP通讯连接电脑进行控制，将多点支撑杆子系统的拉压力传感器和位移传感器集成到系统中。此外，该系统也可以输入模拟仿真的结果，以便于对支撑杆子系统施加力进行预先控制。
(3)所述控制系统有三种控制模式:位移控制模式和力控制模式以及基于模拟仿真的控制模式，可以根据不同的控制需求采用相应的控制策略。在位移控制模式下，每个支撑杆的位移作为控制目标，位移传感器信号作为反馈。在力控制模式下，每个支撑杆提供的约束力作为控制目标，力单元信号作为反馈。在基于模拟仿真的控制模式下，先通过热力耦合有限元建模，采用固有应变法、温度函数法等热力耦合高效计算法对结构的变形进行预测，然后基于模拟仿真结果采用多个支撑杆在基板上发生变形的位置进行反变形处理，通过控制不同位置处的推杆抵消热加工过程中产生的变形，继而对结构的变形进行精确的控制。
(4)所述控制系统的位移传感器反馈位移数据用于位移闭环控制，可适应基体外形以提供支撑和装夹。拉压力传感器反馈力数据用于力闭环控制，可在不同的加热或冷却阶段施加外力。通过各支撑杆力-位移闭环及协调控制可以通过施加外部约束来抵消局部热力载荷的作用，使得底板处于力和力矩平衡状态，从而有效抑制零件变形。
下面是该技术的实施过程：
步骤1配置好整个设备系统，并且将各个支撑杆子系统按照需要的位置进行摆放并安装固定在固定结构的基板上。
步骤2将需要打印的部件下部的基板按照预定的安装位置与各个支撑杆子系统相连接，基板与推杆使用螺栓连接固定。
步骤3设备与目标零部件装夹完成，从pc上位机输入信号，同时输入模拟仿真的计算结果，然后驱动液压泵站控制推杆进行z轴方向上的上下运动，达到推力和拉力两种需要的工作方式。之后由每个支撑杆子系统上有的位移传感器以及拉压力传感器给上位机提供反馈信号，进行闭环控制。
与现有技术相比，该发明具有以下明显的技术优势：
1.柔性多点支撑设备允许快速调整工作面位置和施加外部力，有效地减少了熔敷过程中的角变形。
2.支撑杆子系统的安装比较灵活，能适应不同形状的工件装夹。
3.使用柔性支撑，能够及时调整推杆上拉压力的大小，使控制更为精准。
4.多层熔敷时效果更佳优于其他的装置。
5.可以直接输入模拟仿真的结果，提前让各个推杆子系统先施加好力。
附图说明
图1是多点柔性辅助支撑装置示意图；
图2是控制系统原理图；
图3是单个支撑杆系统；
图4是增材制造过程中采用本柔性支撑技术与普通支撑方式的变形结果对比。a)无外部约束；b)夹紧；c)预变形；d)采用本柔性支撑技术。
具体实施方式
下面以增材制造为例并结合附图进一步说明本发明的具体内容和工作过程。
图1是多点柔性辅助支撑装置示意图。每个支撑杆子系统包括一个液压缸直线推杆、一个位移传感器、一个拉压力传感器构成及相关固定结构。每个液压缸支撑杆系统都可以在垂直方向上独立移动，由液压泵站驱动，提供直线运动。每个支撑杆的位移由位移传感器测量，力由力传感器测量。支撑杆的数量、最大行程、最大速度、最大力及相邻支撑杆的间距不做限定，可根据底板的尺寸、形状及所受力的大小选择合适的参数。
以增材制造为例，在每层的沉积阶段，基底应该保持在适当的位置(位移控制)，否则焊接热源(焊炬、激光熔覆头等)和零件之间的相对位置可能会由于变形而改变。为了实现这一点，采用了离散余弦变换，其目的是重新配置支撑杆的位置，以根据零件形状生成工作表面。然后可以将零件固定在这些支撑杆上。在每层的冷却阶段，应抑制与加热局部区域的不均匀收缩相关的变形。为了实现这一点，采用了FCM(力控制)，其目的是主动向基板施加外力。显然，该设备可以适应各种零件形状，而不需要设计和制造新的夹具，与传统夹具相比，这是高效的，几乎没有成本。
图2是控制系统原理图。整个装置的控制系统基于PC电脑作为上位机，选择继电器板通过TCP/IP通讯连接电脑进行控制，将力传感器和位移传感器集成到系统中。上述处理器控制系统，实现了对整个装置的控制。由于单个支撑杆仅在Z方向可以移动，控制系统可以对其进行单个位置两个方向控制，但是整体柔性浮动支撑控制系统的液压缸推杆有若干个，为了实现对变形过程的研究需要多轴联动，以最短时间控制液压缸驱动支撑点到达目标位置，其最主要的控制要求就是能够实现多轴联动控制。在控制方面，该设备还能够在软件中输入模拟仿真的运算结果，得到应力场的变化情况以及受力变形的具体位置，操纵该位置的液压推杆向上或者向下施加力，从而达到一个精确控制的效果。
图3是单个支撑杆系统传动原理图。柔性支撑装置的每个支撑杆系统采用伺服系统的液压缸。每个液压缸上配置有一个拉压力传感器和一个位移传感器，实时跟踪推杆上力和位移的数据，再反馈到上位机进行力控制和位移控制。
图4是增材制造过程中采用本柔性支撑技术与普通支撑方式的变形结果对比。增材制造结束后，没有外部约束的最大角变形为3.10mm，对基板采用传统的完全夹紧和预变形拘束条件后，最大的角变形分别为1.76mm和0.42mm。采用本专利所提出的柔性支撑技术后，最大的角变形减小为0.21mm,与没有拘束时的变形相比，减小了93.2％，显著减小了变形。
Claims (4)
1.一种多点柔性浮动支撑设备的变形主动控制方法，其特征在于：实现该方法包含硬件系统以及相应的控制系统，硬件系统包括若干组支撑杆子系统，每个支撑杆子系统包括一个液压缸直线推杆、一个位移传感器、一个拉压力传感器构成及相关固定结构；
各个支撑杆子系统之间将通过法兰连接在同一个固定结构的基板a上，固定结构的基板a上带有多个螺纹孔，让各个支撑杆子系统安装在适当的位置上；对于单个支撑杆子系统，支撑杆顶端安装一个拉压力传感器，通过螺纹连接的方式将拉压力传感器与支撑杆顶端固定，位移传感器放置在支撑杆底部；将多点支撑杆子系统的拉压力传感器和位移传感器集成到控制系统中；控制系统输入模拟仿真的结果，以便于对多点支撑杆子系统施加力进行预先控制；
具体实施步骤如下：
步骤1 配置好整个设备，并且将各个支撑杆子系统按照需要的位置进行摆放并安装固定在固定结构的基板a上；
步骤2 将需要打印的部件下部的基板b按照预定的安装位置与各个支撑杆子系统相连接，基板b与推杆使用螺栓连接固定；
步骤3 设备与目标零部件装夹完成，从PC上位机输入信号，同时输入模拟仿真的计算结果，然后驱动液压泵站控制推杆进行z轴方向上的上下运动，达到推力和拉力两种需要的工作方式；之后由每个支撑杆子系统上有的位移传感器以及拉压力传感器给上位机提供反馈信号，进行闭环控制；
所述控制系统有三种控制模式：位移控制模式和力控制模式以及基于模拟仿真的控制模式，根据不同的控制需求采用相应的控制策略；在位移控制模式下，每个支撑杆的位移作为控制目标，位移传感器信号作为反馈；在力控制模式下，每个支撑杆提供的约束力作为控制目标，力单元信号作为反馈；在基于模拟仿真的控制模式下，先通过热力耦合有限元建模，采用热力耦合高效计算法对结构的变形进行预测，然后基于模拟仿真结果采用多个支撑杆在基板b上发生变形的位置进行反变形处理，通过控制不同位置处的推杆抵消热加工过程中产生的变形，继而对结构的变形进行精确的控制。
2.根据权利要求1所述的一种多点柔性浮动支撑设备的变形主动控制方法，其特征在于：每个支撑杆子系统的直线推杆都能够在垂直方向上独立移动，由液压泵站驱动；每个支撑杆子系统的位移由位移传感器测量，力由拉压力传感器测量；直线推杆的数量、最大行程、最大速度、最大力及相邻支撑杆的间距不做限定，根据底板的尺寸、形状及所受力的大小选择合适的参数。
3.根据权利要求1所述的一种多点柔性浮动支撑设备的变形主动控制方法，其特征在于：所述控制系统的位移传感器反馈位移数据用于位移闭环控制，适应基体外形以提供支撑和装夹；拉压力传感器反馈力数据用于力闭环控制，在不同的加热或冷却阶段施加外力；通过各支撑杆力-位移闭环及协调控制施加外部约束来抵消局部热力载荷的作用，使得底板处于力和力矩平衡状态，从而有效抑制零件变形。
4.根据权利要求1所述的一种多点柔性浮动支撑设备的变形主动控制方法，其特征在于：采用力控制技术，增材制造每层的沉积阶段中，基底保持在适当的位置，否则焊接热源和零件之间的相对位置可能会由于变形而改变；采用离散余弦变换重新配置支撑杆的位置，以根据零件形状生成工作表面；将零件固定在这些支撑杆上；在每层的冷却阶段，抑制与加热局部区域的不均匀收缩相关的变形。
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