CN116197294A - 基于温度检测矩阵的钳口体定位方法及蒙皮拉伸设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于温度检测矩阵的钳口体定位方法及蒙皮拉伸设备，方法包括以下步骤：S1、调整红外线检测传感器的检测位置；S2、确定钳口体初始位置和钳口体拉形初始位置；S3、根据钳口体最终位置，判断钳口与模具是否有干涉；S4、确定有效红外线检测传感器阵列；S5、进行钳口体定位，移动钳口体到拉形初始位置；S6、停止钳口体定位。基于温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备包括：固定机架、左右两侧的拉伸单元、检测单元、温度检测单元和控制系统。本发明利用温度检测、位移检测、液压限位检测和摆角限位检测信息，控制钳口体在三维空间的移动，使钳口体能准确钳住板材。本发明结构简单，控制快捷，适用性强，实现整个蒙皮拉形的全自动化。
Description
技术领域
本发明属于自动化技术领域，具体涉及一种基于温度检测矩阵的钳口体定位方法及蒙皮拉伸设备。
背景技术
蒙皮是一种覆盖在飞机骨架外的受力构件，相当于飞机的“皮肤”，可以有效保护飞机内部结构，维持飞机外形，增强飞机的空气动力特性。早期低速飞机的蒙皮多采用布质材料，即用纺织品包裹在飞机的木质或金属框架上，并在此基础上涂覆一层不透水、不透气的薄膜以满足飞行需求，这样的结构可以形成流线型的机翼外表面，有效减小飞机机翼阻力。随着飞机工艺的进步和军事需求的提升，飞机的飞行速度、高度及自身重量逐渐增加，金属蒙皮逐步取代了布质蒙皮。现代飞机的蒙皮主要采用高强铝、镁合金、钛合金或复合材料等。
由于飞机飞行时需要面对强大的空气动力，因而对蒙皮材料的强度、塑性、抗蚀性和工艺水平等都要求较高。为了使加工出的蒙皮能满足这些要求，除了采用不同性能的蒙皮材料之外，蒙皮拉形工艺是决定蒙皮性能的一个关键环节，钳口体定位方法是蒙皮拉形工艺中的核心技术。钳口体定位技术在航空航天领域内属于大型薄板零件成形控制工艺，在制造过程中不仅需要考虑制造方法，更需要考虑其实用性能的要求。随着近年来航空航天产业的迅速发展，钳口体定位的方法、效率和精度是实现蒙皮拉形技术的核心保障，是衡量飞机制造能力和水平的重要标志之一。因此，该技术对于航空制造业具有十分重要的意义。
现有蒙皮钳口体定位工艺中，定位的效果主要取决于机床夹钳钳口相对于模具的三维空间运动路径。近年来，国内外许多企业已经研发和生产了不同系列的蒙皮拉形机床设备，这些设备大都具备了优良的硬件基础，所生产的蒙皮产品质量也明显提高。国内外许多专家和学者已经把有限元技术与数控拉形机床系统结合起来，充分利用数控技术实现蒙皮拉形机对拉形精准控制，从而可以满足不同类型飞机蒙皮的业务需求。但是，在全自动的过程中，最初的钳口体拉形初始位置一直依靠技术人员的经验确定，而钳口体拉形初始位置决定了后续拉形的效果，因此，如何自动准确的确定钳口体拉形初始位置是实现全自动化蒙皮拉形过程中急需解决的技术问题，只有当钳口体在拉形初始位置准确钳住板材后，再将钳口体按照拉伸工艺曲线移动到钳口体最终位置才能进行精准拉伸。
因此，目前急需通过对现有蒙皮拉伸设备进行改造，并结合对应的钳口体定位方法，实现蒙皮拉伸设备在蒙皮拉形前，钳口体能准确钳住板材，实现整个蒙皮拉形的全自动化。
发明内容
为解决蒙皮拉伸设备在蒙皮拉形过程中，钳口体拉形初始位置一直依靠技术人员的经验确定的问题，本发明提出了一种基于温度检测矩阵的钳口体定位方法及蒙皮拉伸设备，其设备结构简单，方法技术适用性强，可以实现飞机蒙皮拉形的全自动化加工工艺需求。
本发明公开了一种基于温度检测矩阵的钳口体定位的方法，其包括以下步骤：
步骤1：调整红外线检测传感器的检测位置，使红外线检测传感器检测范围覆盖整个板材；
步骤2：确定钳口体初始位置和钳口体拉形初始位置；
步骤21：钳口体在Z轴的初始位置与板材高度相同；
步骤22：钳口体在Y轴的初始位置根据理想线型确定；
步骤23：确定钳口体在X轴的初始位置；
步骤24：设置钳口体的拉形初始位置：
钳口体四个端点的拉形初始位置在Z轴和Y轴上的坐标与初始位置相同，X轴坐标值分别为e rf(t)，e rn(t)，e lf(t)，和e ln(t)；
步骤3：根据钳口体最终位置，判断钳口体拉形过程中与模具是否有干涉，如有干涉则停止钳口体定位；
步骤4：确定有效红外线检测传感器阵列；
步骤5：进行钳口体定位，将钳口体从钳口体初始位置移动到拉形初始位置；
钳口体的Y轴和Z轴不变，钳口体在XY平面内移动，利用四根水平液压驱动柱将两个钳口体的四个端点从钳口体初始位置移动到拉形初始位置；当控制系统分别控制四根水平液压驱动柱进给一步，先对钳口体四个端点分别进行横移限位、摆角限位、位移和温度判断，再对钳口体四个端点进行偏差计算和偏差判别，最终分别确定四根水平液压驱动柱下一步的移动方向，逐渐向拉形初始位置靠近，具体为：
使用S表示水平液压驱动柱进给方向，F x 表示摆角限位量，F w 表示液压驱动柱横移限位，F t 表示温度量，F q 表示目标值和位移传感器反馈的钳口体位置值的偏差；S n 表示第n步时水平液压驱动柱进给方向，S n =1时表示第n步时正向进给，即向板材靠近，S n =-1时表示第n步时负向进给，即远离板材，S n =0时表示第n步时保持不动 ；F xn 表示第n步时摆角限位量，F xn =1表示超出摆角限位，F xn =0表示未超出摆角限位；F wn 表示第n步时液压驱动柱横移限位，F wn =1表示第n步时液压驱动柱超出横移限位，F wn =0表示第n步时液压驱动柱未超出横移限位；F tn 表示第n步时温度量，F tn =1表示第n步时板料局部区域温度过高，F tn =0表示第n步时板料局部区域温度正常；F qn 表示第n步时目标值和位移传感器反馈的钳口体位置值的偏差，F qn ＞0表示第n步时钳口体位置比目标值更靠近板材，F qn ＜0表示第n步时钳口体位置比目标值更远离板材，F qn =0表示第n步时钳口体位置与目标值相等；初始时设置n=1, S 0=1，F x0=0，和F w0=0，根据初始 S 0=1四根水平液压驱动柱先进给一步后，后续四根水平液压驱动柱的进给方向再分别都采用以下步骤确定：
步骤51、摆角限位判别 ：根据摆角限位检测器信息判断摆角限位量F xn， 如果F xn =0，则设置S n =1，并执行步骤52，如果F xn =1，表示超出摆角限位，则设置S n =-1并执行步骤55；
步骤52、液压限位判别：根据蒙皮拉伸设备液压限位检测器测量信息判断F wn， 如果F wn =0，则设置S n =1，并执行步骤53，如果F wn =1，表示液压驱动柱超出横移限位，则设置S n =-1并执行步骤55；
步骤53、温度判别：根据有效红外线检测传感器阵列信息判断温度量F tn ，如果F tn =0则设置S n =1并执行步骤54；如果F tn =1，表示板料局部区域温度过高，设置S n =-1，并直接跳转至步骤55；
步骤54、偏差判别：根据步骤24中钳口体设定目标值和位移传感器反馈的钳口体的实际值判断差F qn ，F qn ＞0时设S n =-1；F qn ＜0时设S n =1；F qn =0时设S n =0；
步骤55、水平液压驱动柱进给：根据S n 的值给出第n步时水平液压驱动柱的进给方向，如果S n =1，则需要水平液压驱动柱正进给；如果S n =-1，则需要水平液压驱动柱负进给；如果S n =0，水平液压驱动柱保持不动；四个水平液压驱动柱分别根据各自S n 的值，进行水平液压驱动柱的进给，并且对n赋值为n+1；
步骤56、偏差计算：计算进给一步后新的偏差
，
其中，S rf(n)、S rn(n)、S lf(n)、S rn(n)分别表示右侧远端、右侧近端、左侧远端、左侧近端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值与相应位移传感器的目标值的偏差值；e rf(n-1)为第n-1步右侧远端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值，e rn(n-1)为第n-1步右侧近端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值，e lf(n-1)为第n-1步左侧远端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值，e ln(n-1)为第n-1步左侧近端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值；e rf(t)为右侧远端位移传感器的目标值，e rn(t)为右侧近端位移传感器的目标值，e lf(t)为左侧远端位移传感器的目标值，e ln(t)为左侧近端位移传感器的目标值；
步骤57、钳口终点判断：如果
，说明钳口体目标位置已经到达，执行步骤6，如果/>
，说明钳口体目标位置还没有到达，则需要继续执行步骤58；
步骤58、更新钳口体信息，返回步骤51；更新钳口体信息包括：保存当前位移量、横移限位量、温度量、偏差和进给方向，更新后的钳口体信息作为下一循环比较值；
步骤6、钳口体已移动到钳口体的拉形初始位置，钳口体定位结束。
优选的，步骤1中调整红外线检测传感器的检测位置，使红外线检测传感器检测范围覆盖整个板材，具体为：
以拉形模具长方形底座中心点为整个设备定位原点(0,0,0)，建立XYZ坐标轴，水平长方形底座为XY平面，Z为竖直平面，根据拉形模具高度h在XYZ三个方向轴上定义板材初始位置中心点(0,0,h)，板料长度c和宽度d，确定板料加工的初始位置{(0.5c,0.5d,h)，(0.5c,-0.5d,h)，(-0.5c,0.5d,h)，(-0.5c,-0.5d,h)}；
首次调整红外线检测传感器矩阵的分布范围，红外线检测传感器矩阵的范围为{(0.5c,0.5d,h 1)，(0.5c,-0.5d,h 1)，(-0.5c,0.5d,h 1)，(-0.5c,-0.5d,h 1)}；红外线检测传感器矩阵的中心点在XY平面上的投影和原点重合；其中，h 1=h+a为红外线检测传感器矩阵的高度，a为红外线检测传感器矩阵与板材之间的距离；
两组钳口体左右对称分布，每组钳口体由N段钳口组成，N为正整数；以钳口数量N两组钳口体左右对称分布，每组钳口体由N段钳口组成，N为正整数；以钳口数量N检测传感器覆盖板料范围的10N个离散关键位置点，关键位置点位置为均匀分布或根据模具确定。
优选的，步骤23中确定钳口体在X轴的初始位置，具体为：
左右钳口体的初始位置必须在板材左右两侧的外部，因为钳口体中的钳口深度为p，因此钳口体在X轴的初始位置的坐标值左侧必须小于-0.5c-p，右侧必须大于0.5c+p。
优选的，步骤3中确定钳口体最终位置，并判断钳口与模具是否有干涉，具体步骤为：
（1）利用拉形模具采用测量绘图方式绘制散点图；设定y=0，对于XZ平面内拉形模具轨迹上的m个数据点，-0.5c≤x≤0.5c，0＜z≤h；x、y、z分别表示在X、Y、Z轴上的取值；
（2）根据散点的分布情况，选取方程z=a 0 + a 1 x+ a 2 x 2 +…+a m x m ，其中a 0，a 1，a 2，…，a m 为常数；
（3）按最小二乘法原理求线性方程和方差分析：计算拟合残差e k =z k -(a 0 +a 1 x+ a 2 x 2 +…+a m x m )，其中k=1,2,3…,m；z k 为离散轨迹曲线在Z轴的第k个数据点的坐标值；设定拟合度函数
，其中，w k ＞0为常值权系数；
（4）得到使T达到最小时的参数a 0，a 1，a 2，…，a m ，得到的方程z即为拉形模具轮廓线离散点所拟合的函数表达式，利用该函数得到拉形模具轮廓线在XZ平面内反向延伸所有离散点；
（5）根据轮廓线在XZ平面内反向延伸所有离散点，使用这些离散点用于判断钳口体与模具是否有干涉；如有干涉，则停止钳口体定位。
本发明还公开了一种基于温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备，其包括：固定机架、左右两侧的拉伸单元、检测单元、温度检测单元和控制系统；
固定机架作为设备底座，用于支撑左右两侧的拉伸单元；固定机架包括操作桌面、支撑架和固定基座，操作桌面的上表面两侧分别有两个固定基座，操作桌面的下表面安装有支撑架用于固定和支撑操作桌面；
左右两侧的拉伸单元都分别由两个水平液压驱动柱和两个垂直液压驱动柱组成，两个单元都固定在固定机架上，且都具有六自由度分支；其中，四根水平液压驱动柱安装在固定基座上并于钳口体连接，实现钳口体水平方向移动，四根垂直液压驱动柱安装在操作桌面的下方，并穿过操作桌面于钳口体连接，实现钳口体在垂直方向移动。
检测单元包括位移检测器、液压限位检测器和摆角限位检测器，检测单元与控制系统相连接，其中水平液压驱动柱和垂直液压驱动柱上都安装有位移检测器和液压限位检测器，摆角限位检测器安装在钳口体上，位移检测器用来检测所在驱动柱的位移量，液压限位检测器用来检测是否达到所在驱动柱的最大限制，摆角限位检测器用来检测钳口体角度是否达到最大限制，通过位移检测器、液压限位检测器和摆角限位检测器的检测，实现水平液压驱动柱和垂直液压驱动柱在配合协作运动下完成钳口体在三维空间的有限移动；
温度检测单元包括检测矩阵固定支架和红外线检测传感器矩阵；温度检测单元中的红外线检测传感器矩阵与控制系统相连接；长方体形状的检测矩阵固定支架安装在固定机架上方，高于左右两侧的拉伸单元；红外线检测传感器矩阵安装在检测矩阵固定支架上方，外线检测矩阵由红外线检测传感器组成的阵列构成，红外线检测传感器用于检测红外线检测传感器探头下方的温度；红外线检测传感器矩阵中行列距离可调，红外线检测传感器矩阵最大检测范围覆盖设备可拉伸板料的整个区域，根据板材大小设置红外线检测传感器矩阵大小，并根据所能检测到的板材范围确定红外线检测传感器矩阵中有效红外线检测传感器阵列范围，有效红外线检测传感器阵列范围是利用垂直液压驱动柱和水平液压驱动柱的位移检测值和红外线检测传感器阵列位置信息得到；
控制系统利用温度检测单元得到的温度检测信息，以及检测单元得到的柱体位移检测信息、液压限位检测信息和摆角限位检测信息，来控制钳口体在三维空间的移动，实现钳口体定位。
本发明在水平液压驱动柱和垂直液压驱动柱上都安装有位移检测器，该传感器可以检测驱动柱的伸缩长度，当伸缩长度超出了系统允许最大值时，控制系统可以根据该测试值及时调整装置的控制策略，迅速调整驱动柱的移动方向和速度，这样可以保证设备的整体安全性和钳口体定位的成功率。
在水平液压驱动柱和垂直液压驱动柱上都安装有液压限位检测器，该传感器可以检测驱动柱的最大活动限位量，当驱动轴与连接部件之间旋转角度达到系统允许最大值时，即传感器得到有效检测信号后，控制系统可以根据该信号及时调整装置的控制策略，迅速调整驱动柱的移动方向和速度，这样可以保证设备的整体安全性和钳口体定位的成功率。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明在固定机架上方安装红外线检测传感器矩阵，可以有效监测整个板料在钳口体定位过程中的温度变化情况，温度变化的实时监测有助于设备控制系统能根据不同的温度变化情况及时调整钳口体定位策略，这样既可以提高钳口体定位的工艺质量和成品率，也可以有效保障拉形设备及板料的安全性。
2、本发明利用位移检测器、液压限位检测器和摆角限位检测器，可以检测驱动柱的伸缩长度，最大活动限位量、以及钳口体两端驱动柱伸缩长度的差距，如果超出了系统允许最大值时，系统控制程序根据钳口体定位方法可以及时调整装置的控制策略，保证设备的整体安全性和钳口体定位的成功率。
3、本发明结构简单，控制快捷，适用性强，可以适用对不同材料、不同大小的板材进行钳口体定位任务。
附图说明
图1为本发明基于温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备的结构主视图；
图2为本发明基于温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备的结构俯视图；
图3为本发明基于温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备的板料预拉伸示意图；
图4为本发明基于温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备的板料拉伸过程示意图；
图5为本发明基于温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备的板料拉伸成形示意图；
图6为本发明基于温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备的板料预拉伸三维示意图；
图7为本发明基于温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备的板料拉伸成形三维示意图；
图8为本发明基于温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备的钳口体定位方法流程图。
具体实施方式
本发明提出一种具有温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备及钳口体定位方法，设备采用在现有蒙皮拉伸设备上增加温度检测矩阵的方式实现，主要包括固定机架、左右两侧的拉伸单元、检测单元、温度检测单元和控制系统，该蒙皮拉伸设备具有结构简单、控制灵活、精度高、适应能力强等优点，可以实现钳口体的精确定位任务。
固定机架1，四根垂直液压驱动柱包括第一垂直液压驱动柱14、第二垂直液压驱动柱15（有两根垂直液压驱动柱未在附图中显示），四根水平液压驱动柱包括第一水平液压驱动柱16、第二水平液压驱动柱17、第三水平液压驱动柱18、第四水平液压驱动柱19，钳口体10，位移检测器6，液压限位检测器7，检测矩阵支架2和红外线检测传感器矩阵13。
图1和图2为具有温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备的结构主视图和俯视图。
固定机架1作为设备底座，用于支撑左右两侧的拉伸单元；固定机架包括操作桌面、支撑架和固定基座，操作桌面的上表面两侧分别有两个固定基座，操作桌面的下表面安装有支撑架用于固定和支撑操作桌面。
蒙皮拉伸设备主要由左右两侧的拉伸单元组成。两个单元分别由两个水平液压驱动柱和两个垂直液压驱动柱组成。两个单元都固定在固定机架1上，且都具有六自由度分支。其中，第一水平液压驱动柱16、第二水平液压驱动柱17、第三水平液压驱动柱18、第四水平液压驱动柱19都安装在固定基座3上，它们可以实现钳口体在四个位置点的水平方向移动，四根垂直液压驱动柱可以实现钳口在四个位置点的垂直方向移动。水平液压驱动柱分别由球铰4、移动副5、万向铰9、转动副8组成，垂直液压驱动柱分别由球铰、移动副、转动副组成。在水平液压驱动柱和垂直液压驱动柱上都安装有位移检测器6和液压限位检测器7，八根驱动柱，即四根垂直液压驱动柱和四根水平液压驱动柱，在配合协作运动下可以完成钳口体在三维空间的有限移动。
检测单元包括位移检测器、液压限位检测器和摆角限位检测器，其中水平液压驱动柱和垂直液压驱动柱上都安装有位移检测器和液压限位检测器，摆角限位检测器安装在钳口体上，位移检测器用来检测所在驱动柱的位移量，液压限位检测器用来检测是否达到所在驱动柱的最大限制，摆角限位检测器用来检测钳口体角度是否达到最大限制，通过位移检测器、液压限位检测器和摆角限位检测器的检测，实现水平液压驱动柱和垂直液压驱动柱在配合协作运动下完成钳口体在三维空间的有限移动。
为了实现钳口体定位作业，如图1和图2所示，在固定机架1上安装有长方体形状的检测矩阵固定支架2，在支架上方安装红外线检测传感器矩阵13，红外线检测传感器矩阵13由红外线检测传感器组成的阵列构成，红外线检测传感器用于检测红外线检测传感器探头下方板材的温度，红外线检测传感器矩阵固定在支架2上。红外线检测传感器矩阵13中行列距离可调，因此红外线检测传感器矩阵13的检测范围可调整。红外线检测传感器矩阵13最大检测范围覆盖设备可拉伸板料的整个区域，可根据板材大小设置红外线检测传感器矩阵13大小，并根据所能检测到的板材范围确定红外线检测传感器矩阵中有效红外线检测传感器阵列范围。在实际工作过程中，红外线检测传感器矩阵可以实时检测板料在拉形过程中主要位置处的温度。图3、图4和图5分别为温度检测矩阵辅助的蒙皮拉伸机板料预拉伸、拉伸过程、拉伸成形示意图。在钳口体定位过程中，板料范围内的有效红外线检测传感器阵列检测范围动态变化。图6和图7分别为红外线检测传感器矩阵辅助的蒙皮拉伸设备的板料预拉伸和拉伸成形三维示意图。红外线检测传感器矩阵在板料垂直方向检测板料的不同位置温度。在实际工作中，有效红外线检测传感器阵列范围可以利用垂直液压驱动柱和水平液压驱动柱的位移检测值和红外线检测传感器阵列位置信息计算得到。
控制系统利用温度检测单元得到的温度检测信息，以及检测单元得到的柱体位移检测信息、液压限位检测信息和摆角限位检测信息，来控制钳口体在三维空间的移动，实现钳口体定位。
有温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备的钳口体定位方法流程图如图8所示。具体步骤如下：
步骤1：调整红外线检测传感器的检测位置。
将拉形模具放置在操作桌面中间，将需要拉形的板材11放置在拉形模具12上，以拉形模具的长方形底座中心点为整个蒙皮拉伸设备定位原点(0,0,0)，建立XYZ坐标轴，水平长方形底座为XY平面，Z为竖直平面，具体方向如图1和图2所示，图1为蒙皮拉伸设备的正视图，图2为蒙皮拉伸设备的俯视图，后续操作坐标定位都以此坐标轴为标准，保证了所有部件在操作时坐标数值的统一。板材中心点投影与原点重合根据拉形模具高度在XYZ三个方向轴上定义板材初始位置中心点(0,0,h)，板料大小（长度为c和宽度为d）和所处位置范围确定板料加工的初始位置{(0.5c,0.5d,h)，(0.5c,-0.5d,h)，(-0.5c,0.5d,h)，(-0.5c,-0.5d,h)}，首次调整红外线检测传感器矩阵的分布范围，红外线检测传感器矩阵的范围为{(0.5c,0.5d,h 1)，(0.5c,-0.5d,h 1)，(-0.5c,0.5d,h 1)，(-0.5c,-0.5d,h 1)}。红外线检测传感器矩阵的中心点在XY平面上的投影和原点重合。其中，h 1=h+a为红外线检测传感器矩阵的高度，a为红外线检测传感器矩阵与板材之间的距离。设备设计两组钳口体，左右对称分布，每组钳口体由N段钳口组成，N为正整数。以钳口数量N为参考标准，对红外线检测传感器矩阵13进行二次调整，使红外线检测传感器矩阵13中的红外线检测传感器能覆盖板料范围的10N个离散关键位置点，关键位置点位置为均匀分布或根据模具确定，如：需拉伸板材比较小，红外线检测传感器矩阵13中的红外线检测传感器之间距离较近，则关键位置点可以均匀分布，如果需拉伸板材面积较大，且模具中间形状变化较多，两侧较少时，则红外线检测传感器矩阵13中的红外线检测传感器可以在中间相对较密集，两侧相对比较稀疏。
红外线检测传感器矩阵的初始检测位置根据上述方式进行调整，线传感器矩阵与XY平面平行，且在整个操作过程中红外线检测传感器矩阵保持不变。
步骤2：确定钳口体10初始位置和钳口体拉形初始位置。
步骤21：钳口体在Z轴的初始位置为h,即与板材高度相同。
步骤22：钳口体在Y轴的初始位置根据理想线型确定。理想线型是利用拉形模具进行测量绘图得到，理想线型是Y轴方向的钳口的分布。因为每组钳口体由N段钳口组成，而进行拉形时并不一定需要使用钳口体上所有的钳口，因此根据拉形模具在Y轴上的位置，确定需要使用的钳口，即调整钳口体在Y轴上的位置，使得钳口体上需要使用的钳口与理想线型相吻合。
步骤23：钳口体在X轴的初始位置采用以下方式确定。
左右钳口体的初始位置必须在板材左右两侧的外部且与板材在同一水平面上，因为钳口体中的钳口有一定深度，此深度称为钳口深度p，如图6中所示，即钳口体在X轴的初始位置的坐标值左侧必须小于-0.5c-p，右侧必须大于0.5c+p。
步骤24：确定钳口体的拉形初始位置。
钳口体拉形初始位置是指钳口体定位完成后，钳口体要到达的位置，钳口体就是从这个位置开始对板材进行拉伸。因为步骤钳口体在定位过程中，Y轴和Z轴位置不变，也就是说步骤21和步骤22已经确定了拉形初始位置的Y和Z坐标，钳口体四个端点的拉形初始位置的X轴坐标值，分别使用以下变量表示：右侧远端位移传感器的目标值e rf(t)，右侧近端位移传感器的目标值e rn(t)，左侧远端位移传感器的目标值e lf(t)，左侧近端位移传感器的目标值e ln(t)。本实施例中，e rf(t)=0.5c；e rn(t)=0.5c，e lf(t)=-0.5c， e ln(t)=-0.5c。
步骤3：根据钳口体最终位置，并判断钳口体与模具是否有干涉。
利用最小二乘法，在XZ平面内反向延伸拉形模具轮廓线离散点，确定钳口体最终位置。具体实现步骤如下：
（1）利用拉形模具采用测量绘图方式绘制散点图。设定在Y轴上的取值y=0，对于XZ平面内拉形模具轨迹上的m个数据点，-0.5c≤x≤0.5c，0＜z≤h；x、y、z分别表示在X、Y、Z轴上的取值。利用方格XZ坐标纸上绘制散点图。因为拉形完成后的形状在XZ平面内都是相同的，因此只需要计算一个XZ切面即可。
（2）根据散点的分布情况，选择接近的、合适的曲线类型。选取方程z=a 0 + a 1 x+ a 2 x 2 +…+a m x m ，其中a 0，a 1，a 2，…，a m 为常数。
（3）按最小二乘法原理求线性方程和方差分析。计算拟合残差e k =z k -(a 0 +a 1 x+ a 2 x 2 +…+a m x m )，其中k=1,2,3…,m；z k 为离散轨迹曲线在Z轴的第k个数据点的坐标值。设定拟合度函数
，其中，w k ＞0为常值权系数；w k 的具体取值由蒙皮MES（制造执行系统）管理系统下发的参数值确定，MES系统根据成形后的材料厚度变化率和强度分布来制定这些参数。
（4）选取合适的参数a 0，a 1，a 2，…，a m ，使T达到最小时，得到的方程z即为拉形模具轮廓线离散点所拟合的函数表达式，利用该函数可以计算出拉形模具轮廓线在XZ平面内反向延伸所有离散点。
（5）根据计算轮廓线在XZ平面内反向延伸所有离散点，这些离散点用于判断钳口体与模具是否有干涉。如有干涉，则停止钳口体定位。后续可通过调整拉形模具在蒙皮拉伸设备上的位置或拉形模具的形状，再次执行步骤1。
步骤4：确定有效红外线检测传感器阵列。
在步骤1中红外线检测传感器矩阵的范围是按照板材范围调整的，且在整个拉伸过程中红外线检测传感器矩阵范围不再进行调整，因此与钳口体位置相比较，在初始时小于两个钳口体的水平距离，随着钳口体不断向板材靠拢，当钳口体与板材接近后钳口体深度会对板材发生遮挡，而本申请后续需要根据温度来判断钳口体的位置，因此需要确定红外线检测传感器矩阵中的有效红外线检测传感器阵列。
启动红外线检测传感器矩阵，检测板料各个位置点的温度，经数据滤波后可以得到温度检测矩阵。两个钳口体的移动是四根垂直液压驱动柱配合四根水平液压驱动柱在同一平面上进行移动，根据四根水平液压驱动柱上的位移传感器可以实时得到两个钳口体的水平位置坐标值。钳口体的X轴坐标绝对值大于等于0.5c+p时，有效红外线检测传感器阵列就是红外线检测传感器矩阵，随着钳口体不断向板材靠拢，当钳口体与板材接近后钳口体深度会对板材发生遮挡，即当钳口体的X轴坐标绝对值小于0.5c+p时，只有位于两个钳口体之间的红外线检测传感器才组成有效红外线检测传感器阵列，此时有效红外线检测传感器阵列是红外线检测传感器矩阵的子集。此处的两个钳口体之间是指两个钳口体靠近板材那边的钳口边缘之间的距离，即位于X轴负轴的钳口体坐标加上钳口深度p，位于X轴正轴的钳口体坐标减去钳口深度p，位于这两个坐标之间的才是有效红外线检测传感器阵列。有效红外线检测传感器阵列得到的温度被称为温度矩阵C n ；
其中，n为小于9的正值常数。
步骤5：进行钳口体初始定位，移动钳口体到拉形初始位置。
钳口体初始定位的过程为：钳口体的Y轴和Z轴不变，钳口体在XY平面内移动，利用四根水平液压驱动柱将两个钳口体的四个端点分别移动到X轴坐标值为±0.5c处。目前这个过程是通过人工根据经验进行移动控制完成，这是由于钳口体两端的液压柱是通过控制器按步进分别控制，但钳口体两端又存在有位移限位、摆角限位等限制，因此并不能直接将钳口体移动到拉形初始位置，影响了蒙皮拉伸过程的全自动实现，本实施例中，此步骤采用以下方式自动实现钳口体从初始位置移到拉形初始位置的移动，可概述为：根据位移传感器和有效温度矩阵，蒙皮拉伸设备的控制器控制钳口体位移及移动方向。在蒙皮拉伸设备钳口体移动过程中，每当钳口体进给一步，先进行限位、位移和温度判断，再对钳口体四个端点分别进行一次偏差计算和偏差判别，也就是比较到达的新位置和拉形初始位置坐标之间的偏离程度，然后根据偏差的大小分别确定四根水平液压驱动柱下一步的移动方向，使钳口在满足限位、位移等条件下，逐渐向拉形初始位置靠近，起到步步逼近的效果。
本实施例中使用S表示水平液压驱动柱进给方向，F x 表示摆角限位量，F w 表示液压驱动柱横移限位，液压驱动柱横移限位根据液压限位检测器得到，钳口体在X轴移动时，只使用水平液压驱动柱，因此安装在水平液压驱动柱上液压限位检测器，实际上检测的就是液压驱动柱横移限位；F t 表示温度量，F q 表示目标值和位移传感器反馈的钳口体位置值的偏差。通过摆角限位检测器、液压限位检测器、位移检测器、和有效红外线检测传感器阵列得到的数据经过控制系统处理后分别得到F x 、F w 、F q 和F t 。S n 表示第n步时水平液压驱动柱进给方向，S n =1时表示第n步时正向进给，即向板材靠近；S n =-1时表示第n步时负向进给，即远离板材；S n =0时表示第n步时保持不动。F xn 表示第n步时摆角限位量，F xn =1表示超出摆角限位；F xn =0表示未超出摆角限位。F wn 表示第n步时液压驱动柱横移限位，F wn =1表示第n步时液压驱动柱超出横移限位；F wn =0表示第n步时液压驱动柱未超出横移限位。F tn 表示第n步时温度量，F tn =1表示第n步时板料局部区域温度过高；F tn =0表示第n步时板料局部区域温度正常。F qn 表示第n步时目标值和位移传感器反馈的钳口体位置值的偏差，F qn ＞0表示第n步时钳口体位置比目标值更靠近板材，F qn ＜0表示第n步时钳口体位置比目标值更远离板材，F qn =0表示第n步时钳口体位置与目标值相等。初始时设置n=1, S 0=1，F x0=0，和F w0=0，根据初始 S 0=1四根水平液压驱动柱进给一步，后续四根水平液压驱动柱的进给方向分别都采用以下步骤确定：
步骤51：摆角限位判别。根据蒙皮拉伸设备摆角限位检测器测量信息判断摆角限位量F xn =1还是F xn =1；如果F xn =0，则设置S n =1，并执行步骤52，如果F xn =1，表示超出摆角限位，则设置S n =-1并执行步骤55。即如果摆角限位量没有超出，则水平液压驱动柱控制钳口体继续向材料靠近一个步进，当摆角限位量超出时，则水平液压驱动柱需要后退一个步进。
步骤52：液压限位判别。根据蒙皮拉伸设备液压限位检测器测量信息判断F wn =1还是F wn =0；如果F wn =0，则设置S n =1，并执行步骤53，如果F wn =1，表示液压驱动柱超出横移限位，则设置S n =-1并执行步骤55。即如果液压驱动柱横移限位量没有超出，则水平液压驱动柱控制钳口体继续向材料靠近一个步进，当液压驱动柱横移限位量超出时，则水平液压驱动柱需要后退一个步进，当后退一次后依然超出液压驱动柱横移限位量则需要继续后退。
步骤53：温度判别。根据蒙皮拉伸设备控制器测量信息判断温度量，温度量根据有效红外线检测传感器阵列获得。如果F tn =0，表示板料局部区域温度正常，则设置S n =1并执行步骤54；如果F tn =1，表示板料局部区域温度过高，说明有钳口太靠里导致板料被挤压凸起，因此设置S n =-1，并直接跳转至步骤55。
步骤54：偏差判别。根据钳口体设定目标值和位移传感器反馈的钳口体的实际值判断偏差是F qn ＞0,F qn =0,还是F qn ＜0，根据三种偏差情况确定不同的S值；F qn ＞0时，水平液压驱动柱需要负向进给设定S n =-1；F qn ＜0时，水平液压驱动柱需要正向进给设定S n =1；F qn =0时，表示水平液压驱动柱保持原位置不动S n =0。
步骤55：水平液压驱动柱进给。根据S n 的值给出第n步时水平液压驱动柱的进给方向；如果S n =1，则需要水平液压驱动柱正进给。如果S n =-1，则需要水平液压驱动柱负进给。如果S n =0，水平液压驱动柱保持不动。四个水平液压驱动柱分别根据各自的值，进行水平液压驱动柱的进给，并且对n赋值为n+1，即n=n+1。
步骤56：偏差计算。计算进给一步后四个水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值与位移传感器的目标值的偏差
，其中，S rf(n)、S rn(n)、S lf(n)、S rn(n)分别表示右侧远端、右侧近端、左侧远端、左侧近端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值与相应位移传感器的目标值的偏差值；e rf(n-1)为第n-1步右侧远端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值，e rn(n-1)为第n-1步右侧近端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值，e lf(n-1)为第n-1步左侧远端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值，e ln(n-1)为第n-1步左侧近端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值；e rf(t)为右侧远端位移传感器的目标值，e rn(t)为右侧近端位移传感器的目标值，e lf(t)为左侧远端位移传感器的目标值，e ln(t)为左侧近端位移传感器的目标值。
步骤57：钳口终点判断，如果
，明钳口体目标位置已经到达，执行步骤S6，如果/>
，说明钳口体目标位置还没有到达，则需要继续执行步骤S58。
步骤58：更新钳口体信息，具体为：保存当前位移量、横移限位量、温度量、偏差、进给方向作为下一循环比较值；返回步骤51。
步骤6: 钳口体已定位到钳口体的拉形初始位置，钳口体定位结束。
本发明中，因为每个水平液压驱动柱是分别控制的，但是钳口体的定位需要四个端点同时到位，而且左右两侧的端点还互相连接影响，因此步骤51到步骤55都是对每个水平液压驱动柱在n步时的单独判断，当判断完成进给一步后，需要使用步骤56和步骤57对整体进行判断后，只要有一端钳口体目标位置没有到达，就需要通过执行步骤58再次进入步骤51对四个水平液压驱动柱分别进行调整。
本发明结构简单，控制快捷，适用性强，可以适用在不同材料、不同形状的钳口体定位任务。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于温度检测矩阵的钳口体定位方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤1、调整红外线检测传感器的检测位置，使红外线检测传感器检测范围覆盖整个板材；
步骤2、确定钳口体初始位置和钳口体拉形初始位置；
步骤21、钳口体在Z轴的初始位置与板材高度相同；
步骤22、钳口体在Y轴的初始位置根据理想线型确定；
步骤23、确定钳口体在X轴的初始位置；
步骤24、设置钳口体的拉形初始位置：
钳口体四个端点的拉形初始位置在Z轴和Y轴上的坐标与初始位置相同，X轴坐标值分别为e rf(t)，e rn(t)，e lf(t)，和e ln(t)；
步骤3、根据钳口体最终位置，判断钳口体拉形过程中与模具是否有干涉，如有干涉则停止钳口体定位；
步骤4、确定有效红外线检测传感器阵列；
步骤5、进行钳口体定位，将钳口体从钳口体初始位置移动到拉形初始位置；
钳口体的Y轴和Z轴不变，钳口体在XY平面内移动，利用四根水平液压驱动柱将两个钳口体的四个端点从钳口体初始位置移动到拉形初始位置；当控制系统分别控制四根水平液压驱动柱进给一步，先对钳口体四个端点分别进行横移限位、摆角限位、位移和温度判断，再对钳口体四个端点进行偏差计算和偏差判别，最终分别确定四根水平液压驱动柱下一步的移动方向，逐渐向拉形初始位置靠近，具体为：
使用S表示水平液压驱动柱进给方向，F x 表示摆角限位量，F w 表示液压驱动柱横移限位，F t 表示温度量，F q 表示目标值和位移传感器反馈的钳口体位置值的偏差；S n 表示第n步时水平液压驱动柱进给方向，S n =1时表示第n步时正向进给，即向板材靠近，S n =-1时表示第n步时负向进给，即远离板材，S n =0时表示第n步时保持不动 ；F xn 表示第n步时摆角限位量，F xn =1表示超出摆角限位，F xn =0表示未超出摆角限位；F wn 表示第n步时液压驱动柱横移限位，F wn =1表示第n步时液压驱动柱超出横移限位，F wn =0表示第n步时液压驱动柱未超出横移限位；F tn 表示第n步时温度量，F tn =1表示第n步时板料局部区域温度过高，F tn =0表示第n步时板料局部区域温度正常；F qn 表示第n步时目标值和位移传感器反馈的钳口体位置值的偏差，F qn ＞0表示第n步时钳口体位置比目标值更靠近板材，F qn ＜0表示第n步时钳口体位置比目标值更远离板材，F qn =0表示第n步时钳口体位置与目标值相等；初始时设置n=1, S 0=1，F x0=0，和F w0=0，根据初始 S 0=1四根水平液压驱动柱先进给一步后，后续四根水平液压驱动柱的进给方向再分别都采用以下步骤确定：
步骤51、摆角限位判别 ：根据摆角限位检测器信息判断摆角限位量F xn， 如果F xn =0，则设置S n =1，并执行步骤52，如果F xn =1，表示超出摆角限位，则设置S n =-1并执行步骤55；
步骤52、液压限位判别：根据蒙皮拉伸设备液压限位检测器测量信息判断F wn， 如果F wn =0，则设置S n =1，并执行步骤53，如果F wn =1，表示液压驱动柱超出横移限位，则设置S n =-1并执行步骤55；
步骤53、温度判别：根据有效红外线检测传感器阵列信息判断温度量F tn ，如果F tn =0则设置S n =1并执行步骤54；如果F tn =1，表示板料局部区域温度过高，设置S n =-1，并直接跳转至步骤55；
步骤54、偏差判别：根据步骤24中钳口体设定目标值和位移传感器反馈的钳口体的实际值判断差F qn ，F qn ＞0时设S n =-1；F qn ＜0时设S n =1；F qn =0时设S n =0；
步骤55、水平液压驱动柱进给：根据S n 的值给出第n步时水平液压驱动柱的进给方向；如果S n =1，则需要水平液压驱动柱正进给；如果S n =-1，则需要水平液压驱动柱负进给；如果S n =0，水平液压驱动柱保持不动；四个水平液压驱动柱分别根据各自S n 的值，进行水平液压驱动柱的进给，并且对n赋值为n+1；
步骤56、偏差计算：计算进给一步后新的偏差
，
其中，S rf(n)、S rn(n)、S lf(n)、S rn(n)分别表示右侧远端、右侧近端、左侧远端、左侧近端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值与相应位移传感器的目标值的偏差值；e rf(n-1)为第n-1步右侧远端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值，e rn(n-1)为第n-1步右侧近端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值，e lf(n-1)为第n-1步左侧远端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值，e ln(n-1)为第n-1步左侧近端水平液压驱动柱上位移传感器的反馈值； e rf(t)为右侧远端位移传感器的目标值，e rn(t)为右侧近端位移传感器的目标值，e lf(t)为左侧远端位移传感器的目标值，e ln(t)为左侧近端位移传感器的目标值；
步骤57、钳口终点判断：如果
，说明钳口体目标位置已经到达，执行步骤6，如果/>
，说明钳口体目标位置还没有到达，则需要继续执行步骤58；
步骤58、更新钳口体信息，返回步骤51；更新钳口体信息包括：保存当前位移量、横移限位量、温度量、偏差和进给方向，更新后的钳口体信息作为下一循环比较值；
步骤6、钳口体已移动到钳口体的拉形初始位置，钳口体定位结束。
2.根据权利要求1所述的基于温度检测矩阵的钳口体定位方法，其特征在于：所述步骤1具体为：
以拉形模具长方形底座中心点为整个设备定位原点(0,0,0)，建立XYZ坐标轴，水平长方形底座为XY平面，Z为竖直平面，根据拉形模具高度h在XYZ三个方向轴上定义板材初始位置中心点(0,0,h)，板料长度c和宽度d，确定板料加工的初始位置{(0.5c,0.5d,h)，(0.5c,-0.5d,h)，(-0.5c,0.5d,h)，(-0.5c,-0.5d,h)}；
首次调整红外线检测传感器矩阵的分布范围，红外线检测传感器矩阵的范围为{(0.5c,0.5d,h 1)，(0.5c,-0.5d,h 1)，(-0.5c,0.5d,h 1)，(-0.5c,-0.5d,h 1)}；红外线检测传感器矩阵的中心点在XY平面上的投影和原点重合；其中，h 1= h+a为红外线检测传感器矩阵的高度，a为红外线检测传感器矩阵与板材之间的距离；
两组钳口体左右对称分布，每组钳口体由N段钳口组成，N为正整数；以钳口数量N为参考标准，对红外线检测传感器矩阵行二次调整，使红外线检测传感器矩阵中的红外线检测传感器覆盖板料范围的10N个离散关键位置点，关键位置点位置为均匀分布或根据模具确定。
3.据权利要求1所述的基于温度检测矩阵的钳口体定位方法，其特征在于：所述步骤23具体为：
左右钳口体的初始位置必须在板材左右两侧的外部，因为钳口体中的钳口深度为p，因此钳口体在X轴的初始位置的坐标值左侧必须小于-0.5c-p，右侧必须大于0.5c+p。
4.据权利要求1所述的基于温度检测矩阵的钳口体定位方法，其特征在于：所述步骤3确定钳口体最终位置，并判断钳口与模具是否有干涉，具体步骤为：
（1）利用拉形模具采用测量绘图方式绘制散点图；设定y=0，对于XZ平面内拉形模具轨迹上的m个数据点，-0.5c≤x≤0.5c，0＜z≤h；x、y、z分别表示在X、Y、Z轴上的取值；
（2）根据散点的分布情况，选取方程z=a 0 + a 1 x+ a 2 x 2 +…+a m x m ，其中a 0，a 1，a 2，…，a m 为常数；
（3）按最小二乘法原理求线性方程和方差分析：计算拟合残差e k =z k -(a 0 +a 1 x+ a 2 x 2 +…+ a m x m )，其中k=1,2,3…, m；z k 为离散轨迹曲线在Z轴的第k个数据点的坐标值；设定拟合度函数
，其中，w k ＞0为常值权系数；
（4）得到使T达到最小时的参数a 0，a 1，a 2，…，a m ，得到的方程z即为拉形模具轮廓线离散点所拟合的函数表达式，利用该函数得到拉形模具轮廓线在XZ平面内反向延伸所有离散点；
（5）根据轮廓线在XZ平面内反向延伸所有离散点，使用这些离散点用于判断钳口体与模具是否有干涉；如有干涉，则停止钳口体定位。
5.一种基于温度检测矩阵的蒙皮拉伸设备，其特征在于：其包括：固定机架、左右两侧的拉伸单元、检测单元、温度检测单元和控制系统；
固定机架作为设备底座，用于支撑左右两侧的拉伸单元；固定机架包括操作桌面、支撑架和固定基座，操作桌面的上表面两侧分别有两个固定基座，操作桌面的下表面安装有支撑架用于固定和支撑操作桌面；
左右两侧的拉伸单元都分别由两个水平液压驱动柱和两个垂直液压驱动柱组成，两个单元都固定在固定机架上，且都具有六自由度分支；其中，四根水平液压驱动柱安装在固定基座上并于钳口体连接，实现钳口体水平方向移动，四根垂直液压驱动柱安装在操作桌面的下方，并穿过操作桌面于钳口体连接，实现钳口体在垂直方向移动；
检测单元包括位移检测器、液压限位检测器和摆角限位检测器，检测单元与控制系统相连接；其中水平液压驱动柱和垂直液压驱动柱上都安装有位移检测器和液压限位检测器，摆角限位检测器安装在钳口体上，位移检测器用来检测所在驱动柱的位移量，液压限位检测器用来检测是否达到所在驱动柱的最大限制，摆角限位检测器用来检测钳口体角度是否达到最大限制，通过位移检测器、液压限位检测器和摆角限位检测器的检测，实现水平液压驱动柱和垂直液压驱动柱在配合协作运动下完成钳口体在三维空间的有限移动；
温度检测单元包括检测矩阵固定支架和红外线检测传感器矩阵；温度检测单元中的红外线检测传感器矩阵与控制系统相连接；长方体形状的检测矩阵固定支架安装在固定机架上方，高于左右两侧的拉伸单元；红外线检测传感器矩阵安装在检测矩阵固定支架上方，外线检测矩阵由红外线检测传感器组成的阵列构成，红外线检测传感器用于检测红外线检测传感器探头下方的温度；红外线检测传感器矩阵中行列距离可调，红外线检测传感器矩阵最大检测范围覆盖设备能拉伸板料的整个区域，根据板材大小设置红外线检测传感器矩阵大小，并根据所能检测到的板材范围确定红外线检测传感器矩阵中有效红外线检测传感器阵列范围，有效红外线检测传感器阵列范围是利用垂直液压驱动柱和水平液压驱动柱的位移检测值和红外线检测传感器阵列位置信息得到；
控制系统利用温度检测单元得到的温度检测信息，以及检测单元得到的柱体位移检测信息、液压限位检测信息和摆角限位检测信息，来控制钳口体在三维空间的移动，实现钳口体定位。
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