CN115255033A - 一种伺服驱动板材矫平装置及矫平控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种伺服驱动板材矫平装置矫平控制方法,该矫平装置主要由矫平辊、托辊、上横梁及矫平辊的倾角调节螺杆构成,根据所校平的板材厚度规格,通过上横梁的伺服电机与丝杠结构调节上横梁的升降高度位置,从而确定矫平辊间的距离,然后通过螺杆调节矫平辊的倾角,使板材进入到出矫平辊形成渐变变形过程,矫平辊通过变频电机提供动力,通过齿轮传动使矫平辊主动转动产生压力进行校平,矫平辊相连的托辊的作用是支撑矫平辊,避免其变形。所述装置在整个矫平辊过程中,控制上横梁位置的伺服电机能够采集矫平辊的变形抗力,结合校平结果,通过若干次的计算分析,控制计算机可以通过学习给出最佳的矫平参数方案。

Description

一种伺服驱动板材矫平装置及矫平控制方法
技术领域
本发明属于材料成形矫平技术,具体涉及一种伺服驱动板材矫平装置。
背景技术
机加车间在铣削不锈钢板材类零件的过程当中,由于板材本身在轧制阶段产生的残余应力没有消除干净,导致铣孔或铣边后板材翘曲变形,平整度严重超差,影响制品的质量,尤其是弹性较大,抗拉强度较高的板材,例如高温合金板、钛合金板的翘曲变形,传统校直方法无法实现,需要专用设备对板材进行矫平或板材加工后矫平操作,才能保证制件的品质要求。经市场调研,国内外矫平设备的价格都比较昂贵,各个型号的加工能力和范围都比我们的技术需求高出许多,没有相应的,符合小批量生产,效率要求不高,精度要求高,薄厚板都可以兼容的矫平设备。为节约成本,提高产品质量,自主研发和生产适合现行生产需求的工艺装备。
国内矫平机知名品牌有常州中安机械制造有限公司和南通海迅智造科技股份有限公司,国际上知名品牌有德国阿库(ARKU)和瑞士(HRC)等,国外进口设备强调高精度,高效率。对于不同厚度范围的板材,对应着固定的型号,一个型号的设备加工,不能兼容跨度比较大的厚度范围。按照实际需求,从0.5-12mm之间的板类零件都需要平整。按照德国阿库(ARKU)的产品规格,需要0.5-3.5mm和3.5-20mm对应的两个型号的设备,购进成本极高,但精度控制技术还有差距,只能靠增加平整辊的对数,填补技术不足。为了追求高效率,一味的增大电机功率,设备体积比较憨重,自然成本也比较高。目前常州中安机械制造有限公司生产的型号为150-1600-19设备,加工范围是4.0-10mm,而0.5-4mm的设备都是整张板开卷用,宽幅都比较大。因此,生产效率适中,成本低廉,可靠耐用,精度能满足一般要求的,性价比较高的设备的研发势在必行。通过校核计算,平整辊在11对(22根),轧辊直径在50-60mm范围内就能满足0.5-12mm宽度在1300mm以内的不同材质和厚度的板材平整加工,适合单件小批量生产模式。驱动采用变频电机多轴输入,多轴输出的形式,保证板材咬入和弯曲扭矩要求,矫平运动平稳。Z轴运动控制,采用伺服电机和高精度滚珠丝杠导轨相结合,再配上全闭环数字运动控制,能够精确控制开合距离和离去角,也便于实现参数化、一键操作等自动化功能。平整度能控制在0.2mm/平方米以内。
发明内容:
发明目的:针对目前矫平机结构复杂造价高,现有的简单结构无法满足控制精度的问题,本发明提供一种伺服驱动板材矫平装置,本发明的第二目的是提供一种伺服驱动板材矫平控制方法,通过控制板材应力的缓慢释放,提高板材矫平的平整度问题。
技术方案:一种伺服驱动板材矫平装置,包括机架,所述机架中部设有上平台和下平台,上平台和下平台均设有托辊,两组托辊中间设置矫平辊,矫平辊由变频电机驱动;
所述上平台通过倾角调节螺杆固定在上横梁上,所述倾角调节螺杆用于调节上平台的左右倾斜角度,上横梁通过滚珠螺母及滚珠丝杆与位于机架顶部的伺服电机连接,伺服电机控制上横梁下降高度,从而控制两组托辊之间的间距,且上横梁的两侧通过滚珠导轨和滚珠滑块配合实现在机架的侧壁上下移动。
所述的矫平辊由变频电机驱动,变频电机通过传动轴与矫平辊连接,所述的矫平辊设置若干个,构成上下两条矫平线,其中间用于钢板的矫平。
进一步的,上下两条矫平线上的矫平辊由两台独立的变频电机控制,变频电机通过传动轴驱动与其连接的第一个矫平辊,同条矫平线上的矫平辊之间齿轮啮合联动。
更进一步的,所述伺服电机连接有电磁制动器以控制上横梁的升降高度。
更进一步的,位于同一条矫平线上的矫平辊通过固定框并连,上矫平线上的矫平辊连同上平台升降移动。
所述装置中,伺服电机连接控制计算机,伺服电机将矫平辊的变形压力信号传输至控制计算机,控制计算机包括控制电磁制动器的动力传递和运动。
基于上述的矫平装置,本发明还提供一种伺服驱动板材矫平控制方法,包括如下步骤:
(1)将板材从一端输送至所述矫平装置,伺服电机控制上横梁提起高度为H0,控制计算机通过伺服电机收集板材的形变数据,直至板材末端离开矫平辊;所述高度H0是根据板材矫平的要求设定的初始值;
(2)控制计算机将整块板材输入矫平装置所获得的形变数据划分数据段,对应矫平线上的矫平单元,所述的矫平单元包括为单个矫平辊或若干个矫平辊;
(3)根据有限元分析模型计算矫平线上各个伺服电机的扭矩输出,进而对板材进行矫平。
进一步的,步骤(1)在板材形变数据的检测过程中,包括通过调节倾角调节螺杆控制所述装置中上平台的倾斜角度,配合对应位置上的伺服电机,以此获得板材通过不同位置点的不同应力值数据。
更进一步的,步骤(2)中形变数据的对应板材经过单个或若干个矫平辊的时间划分数据段,宽度定义为t,t的大小根据板材的厚度以及所要矫正的平整度参数进行调节。
有益效果:与现有的矫平设备相比,本发明所述的伺服驱动板材矫平装置采用电磁制动器和伺服电机的联合控制,相对现有的液压控制装置其位置控制精度更高,省却了液压装置附带的液压油的存储与输送结构,使矫平机相对简单;本发明能够采集校平产生的抗力信息,为优化校平工艺提供了分析便利,并且通过横梁调节,针对多种厚度规格的板材实施矫平。
附图说明
图1是本发明所述装置的结构示意图;
图2是本发明所述方法的实施示意图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案,下面结合说明书附图做进一步的阐述。
本发明提供的是一种伺服驱动板材矫平装置,用于板材加工过程的矫平操作。现有的矫平机或整平机多数采用的都是液压的方式驱动,通过液压的方式控制矫平辊的升降以实现不同厚度钢板的整平工作。进一步的指出,由于板材本身在轧制阶段产生的残余应力的存在,故会导致各种板材的形变,对于矫平过程,应当着重控制好应力的释放,使板材恢复平整是关键,在矫平过程中强行的施压,会一定程度的影响到板材金属刚性及特征,也会造成使用该板材制备的产品质量下降。
结合图1,本发明包括机架1,机架1外部包括进行封装成成品,也用于该装置的支撑。机架1的中部,对立设置有上平台2和下平台3,上平台2和下平台3上面均设有托辊4,托辊4可以使用同等长度的辊并排摆列,也包括采用不同长度的交错有序排列。托辊4的作用是支撑矫平辊5。故,在上平台2和下平台3各自连接托辊4所形成的上下两个矫平面中,设置若干个矫平辊5。矫平辊5的数量两个及以上,其数量可根据矫平参数和矫平辊5的圆筒直径大小调整,矫平辊5的圆筒直径越小,数量越多,其矫平的效果越好。
若干个矫平辊5构成两条矫平线,即连接上平台2设置的上矫平线,堆放在下平台3上的下矫平线。同一矫平线上的矫平辊5通过齿轮联动,相连矫平辊5之间的齿轮啮合,两条矫平线上,变频电机6通过传动轴连接第一个矫平辊5实现驱动,且两条矫平线采用两台独立的变频电机6驱动。为了进一步的实现精度控制,变频电机6包括设置减速控制器,也进一步扩大扭矩的可调范围。进一步的,对于上矫平线和下矫平线上的矫平辊5,通过固定框固定连接在一起,实现整条矫平线的升降移动,对于下矫平线,则也可以采用堆放、不通过固定框的方式,靠自身重力和矫平压力可实现齿轮联动,而方便实际使用过程中的更换和操作,对于上矫平线上的矫平辊5,则优选固定整条矫平线上的矫平辊5,连接在上平台2上,可通过上平台2的升降控制,也方便钢板14的插入和传输,方便工件的搬运。对于下矫平线上的矫平辊5,包括采用链条传动,实现同线上的联动。
上平台2为可调节高度和倾斜角度的结构设计,通过倾角调节螺杆7连接上横梁8,通过调节倾角调节螺杆7控制两端的水平高度,以此实现上平台2固定上矫平线中的矫平辊5的倾角,使板材进入到出矫平辊5形成渐变变形过程,矫平辊5通过变频电机6提供动力,通过齿轮传动使矫平辊5主动转动产生压力进行校平,矫平辊5相连的托辊的作用是支撑矫平辊5,避免其变形。该设计,其一是通过渐变的形式控制应力的适当,其二是方便各种厚度板材的传输插入加工操作。
上横梁8的上顶部开槽固定滚珠丝母901,并给开槽向下开设一定的孔洞用于滚珠丝杆9的深入,滚珠丝母901和滚珠丝杆9配合,滚珠丝杆9连接位于机架1上伺服电机10的转轴,为了更好的精度控制,伺服电机10设有电磁制动器101。为了保证上横梁8上下高度调节的稳定性,上横梁8的侧面通过滚珠滑块11和滚珠导轨12的配合,在机架1的内侧沿导轨移动。
进一步的指出,上横梁8的升降位置采用伺服电机10及电磁制动器101控制,伺服电机10不仅可以控制上横梁8的高度位置,还可以采集矫平过程中的区域变形抗力。在上横梁8处在一定高度时,伺服电机10采集到的变形抗力值,如果存在较大差异,则伺服电机10会首要根据变形抗力值来调整对应的高度距离,用以进一步调整板材的平整度。基本趋势是变形抗力值越大,伺服电机10对应降低适当高度用以对此部分的板材构成过度压力。
本领域技术人员在结合现有设备的结构和常规技术手段的基础上,应得知该设备的控制。本发明所述的矫平装置还包括设置控制计算机,该控制计算机主要是控制输出矫平参数,并且能够获取矫平辊5的压力变化,通过伺服电机10的电流或扭力感知,尤其是配合电磁制动器101来获取参数和输出值,还包括在机架、上横梁或上、下平台的相应位置设置压力传感器来提高本发明的使用效果,矫平精度。
下面针对本发明所述的装置,介绍一种伺服驱动板材矫平控制方法的过程。
一种伺服驱动板材矫平控制方法,如图2所示,包括如下步骤:
(1)将板材从一端输送至所述矫平装置,伺服电机控制上横梁提起高度为H0,控制计算机通过伺服电机收集板材的形变数据,直至板材末端离开矫平辊;所述高度H0是根据板材矫平的要求设定的初始值;
步骤(1)中,板材矫平之前,需要整块顺序通过整个矫平系统的上下矫平辊,目的为做矫平之前的板材平整状况测试。上横梁的升降位置采用伺服电机及制动装置控制,伺服电机不仅可以控制横梁的高度位置,还可以采集矫平过程中的区域变形抗力。当整块板材逐步通过矫平辊,处于上横梁上的伺服电机将配合板材的进给而动作,给定一个高度初值H0,初始高度值一般以板材不产生塑性应变为准,此时伺服电机的作用在于记录高度初始值下的应力值。对于高度值,可以根据待整平板材的厚度和形变量直接目测或测量设定一个初始值。进一步的,可调节倾角调节螺杆控制所述装置中上平台的倾斜角度,配合对应位置上的伺服电机,以此获得板材通过不同位置点的不同应力值数据。例如,从板材传输的入口段,开口较大,往后端则上下矫平线的中间间距开口较大,如此以实现伺服电机采集到不同的数据,该数据为连续的数据,当板材依次通过矫平辊产生的压力是连续的,且因为板材是一整块,所以其数据更够用于很好的模拟仿真板材的形变,结合有限元模型的分析,可以实现更好的控制力(伺服电机和电磁制动器扭力输出)的控制。
(2)控制计算机将整块板材输入矫平装置所获得的形变数据划分数据段,对应矫平线上的矫平单元,所述的矫平单元包括为单个矫平辊或若干个矫平辊;
当板材经过上下矫平线中的矫平辊时,下矫平线上的矫平辊在托辊的支撑下保持水平线位置,上矫平线上的矫平辊因其与上平台,且与伺服电机的连接,伺服电机的电磁制动器则可以采集到扭力值的变化,另外,因为矫平辊为圆柱体,上矫平辊所构成的上矫平线呈波浪线,当矫平辊外圆上切点与板材相抵的时候,伺服电机受到的扭力最强,所以整块板材所采集到的连续数据中,容易提取到各个节点的应力值。
其中,形变数据的对应板材经过单个或若干个矫平辊的时间划分数据段,时间由变频电机的转速转化为矫平辊的转速,进而求解其经过的时间,宽度定义为t,t的大小根据板材的厚度以及所要矫正的平整度参数进行调节。
在高度初值H0的前提下,板材在进给方向上被划分成n个测量单元,单元的宽度定义成t(如图2),t的大小根据板材的厚度以及所要矫正的平整度参数进行调节,一般t的范围是50-400mm,t值越小,矫正精度越高。
(3)根据有限元分析模型计算矫平线上各个伺服电机的扭矩输出,进而对板材进行矫平。
该方法首先是进行板材形变数据(应力值),并且通过矫平辊的压力传输到伺服电机,通过控制计算机来采集伺服电机就电磁制动器的扭力值,获得整块板材的全部数据,然后根据采集的形变数据转化应力值计算,控制伺服电机及电磁制动器的扭力输出,在板材的矫平过程中,控制各个阶段的扭力值,产生对应的抗力,促使板材应力逐渐释放。对于有限元对于应力值的分析处理,现有技术一种圆柱滚动体的分片接触应力检测方法(公开号:CN114491848A),对于伺服电机,电磁制动器对于压力检测,伺服电机通过主轴反向传递回来的扭矩,把压力信号变送给plc的,plc通过运算得到应力数据。
最后,伺服电机在设定高度初值与测量单元宽度的条件下,遍历采集板材各部分的应力,通过叠加应力数据而采用有限元分析的程序计算得出板材各部分的原始高度。根据板材各单元原始高度(平整度)数据和所要矫平的平整度结果,通过计算方法反向精确输出各部分需要提供的矫平力大小,达到精确矫平的目的。

Claims (10)

1.一种伺服驱动板材矫平装置,包括机架(1),其特征在于:所述机架(1)中部设有上平台(2)和下平台(3),上平台(2)和下平台(3)均设有托辊(4),两组托辊(4)中间设置矫平辊(5),矫平辊(5)由变频电机(6)驱动;
所述上平台(2)通过倾角调节螺杆(7)固定在上横梁(8)上,所述倾角调节螺杆(7)用于调节上平台(2)的左右倾斜角度,上横梁(8)通过滚珠螺母(901)及滚珠丝杆(9)与位于机架(1)顶部的伺服电机(10)连接,伺服电机(10)控制上横梁(8)下降高度,从而控制两组托辊(4)之间的间距,且上横梁(8)的两侧通过滚珠导轨(12)和滚珠滑块(11)配合实现在机架(1)的侧壁上下移动。
2.根据权利要求1所述的伺服驱动板材矫平装置,其特征在于:所述的矫平辊(5)由变频电机(6)驱动,变频电机(6)通过传动轴(13)与矫平辊(5)连接,所述的矫平辊(5)设置若干个,构成上下两条矫平线,其中间用于钢板(14)的矫平。
3.根据权利要求2所述的伺服驱动板材矫平装置,其特征在于:上下两条矫平线上的矫平辊(5)由两台独立的变频电机(6)控制,变频电机(6)通过传动轴(13)驱动与其连接的第一个矫平辊(5),同条矫平线上的矫平辊(5)之间齿轮啮合联动。
4.根据权利要求1所述的伺服驱动板材矫平装置,其特征在于:所述伺服电机(10)连接有电磁制动器(101)以控制上横梁(8)的升降高度。
5.根据权利要求2所述的伺服驱动板材矫平装置,其特征在于:位于同一条矫平线上的矫平辊(5)通过固定框并连,上矫平线上的矫平辊(5)连同上平台升降移动。
6.根据权利要求1所述的伺服驱动板材矫平装置,其特征在于:所述装置中,伺服电机(10)连接控制计算机,伺服电机(10)将矫平辊(5)的变形压力信号传输至控制计算机,控制计算机包括控制电磁制动器的动力传递和运动。
7.根据权利要求6所述的伺服驱动板材矫平装置,其特征在于:所述的伺服电机设置为两组及以上,包括板材的输入端和输出端对应的应力检测采集。
8.一种伺服驱动板材矫平控制方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)将板材从一端输送至矫平装置,伺服电机控制上横梁提起高度为H0,控制计算机通过伺服电机收集板材的形变数据,直至板材末端离开矫平辊;所述高度H0是根据板材矫平的要求设定的初始值;
(2)控制计算机将整块板材输入矫平装置所获得的形变数据划分数据段,对应矫平线上的矫平单元,所述的矫平单元包括为单个矫平辊或若干个矫平辊;
(3)根据有限元分析模型计算矫平线上各个伺服电机的扭矩输出,进而对板材进行矫平。
9.根据权利要求8所述的伺服驱动板材矫平控制方法,其特征值在于:步骤(1)在板材形变数据的检测过程中,包括通过调节倾角调节螺杆控制所述装置中上平台的倾斜角度,配合对应位置上的伺服电机,以此获得板材通过不同位置点的不同应力值数据。
10.根据权利要求8所述的伺服驱动板材矫平控制方法,其特征值在于:步骤(2)中形变数据的对应板材经过单个或若干个矫平辊的时间划分数据段,宽度定义为t,t的大小根据板材的厚度以及所要矫正的平整度参数进行调节。
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