CN116540628A - 一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统及方法 - Google Patents

一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及数控加工技术领域，特别是涉及一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统及方法，通过位移传感器实时采样测量弯曲零件偏移量，形状解析模块处理偏移量数据后得到弯曲零件的曲率和挠率，经形状拼接模块拼接后，通过方位对比模块进行方位对比，得到偏差值，进给轴位置补偿模块给出进给轴的进给值和进给速度，动作执行模块调用工艺参数，发送到指定的数控系统内部PLC地址，作为弯曲零件补偿量的输入值。本发明实时检测截面处弯曲零件外径偏移量，实现在线测量零件形状，通过对比分析，获得偏差，继而进行补偿，实现了自由弯曲零件实时补偿，提高自由弯曲成形过程的迭代速度，实现工艺参数的快速寻优，提高零件成形精度，可适用于自由弯曲设备。

Description

一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统及方法
技术领域
本发明涉及数控加工技术领域，特别是涉及一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统及方法。
背景技术
目前，金属管材和型材的成形方式普遍采用平面弯曲方式，主要包括绕弯、拉弯、压弯、推弯、辊弯等。这些方式只能用于成形轴线形式单一、弯曲半径恒定的弯曲件。然而，近年来金属弯曲件的空间构型渐趋复杂，弯曲件的轴线形式从平面形式逐渐演变成空间形式。对于这种轴线具有空间复杂形状或者弯曲半径不断变化的复杂弯曲构件，传统的弯管工艺就具有很大的应用局限性。因此，自由弯曲成形逐渐成为国内外塑性成形领域的技术创新热点，该技术不但可以实现精确无模弯管，有效地节省模具设计生产环节，缩短模具准备周期，降低生产成本。但是自由弯曲成形由于不同批次材料性能的差异、边界条件复杂，导致成形的零件精度较差、工艺参数调整周期长，这影响自由弯曲工艺在军工、汽车等领域的应用。
现有的自由弯曲零件在成形过程中，没有精度反馈，只能在加工后，进行线下测量，再根据实际零件和理论零件的偏差，进行修正和补偿，这导致无法在成形过程中精确控制零件成形精度，无法快速得到目标零件形状，调试周期长。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统及方法，解决现有的自由弯曲零件在成形过程中，没有精度反馈，只能在加工后进行线下测量，再根据实际零件和理论零件的偏差，进行修正和补偿的技术问题。
(二)技术方案
第一方面，本发明的实施例提出了一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统，包括实时位移测量模块、形状解析模块、形状拼接模块、方位对比模块、进给轴位置补偿模块以及动作执行模块；所述实时位移测量模块设置在自由弯曲设备的弯曲模上，用于采集测量当前段弯曲零件的偏移量；所述形状解析模块与所述实时位移测量模块连接，用于根据采集到的偏移量计算出当前段弯曲零件形状的曲率κ和挠率τ信息；所述形状拼接模块与所述形状解析模块连接，用于将各单段弯曲零件拼接成一段完整的弯曲零件；所述方位对比模块与所述形状拼接模块连接，用于计算拼接后弯曲零件与目标零件的匹配情况，给出偏差值；所述进给轴位置补偿模块与所述方位对比模块连接，用于根据所述方位对比模块给出的偏差值和目标值进行寻优，给出进给轴的进给值和进给速度；所述动作执行模块与所述进给轴位置补偿模块连接，用于控制自由弯曲设备工作，根据所述进给轴位置补偿模块给出的控制参数对弯曲模进行相应的补偿。
进一步地，所述实时位移测量模块包括位移传感器、计算机串口以及信号标定模块。
进一步地，所述形状解析模块基于数控系统接口的独立可执行程序，不间断定时访问计算机串口从而获取位移传感器的采样数据，数据包经过校验、解码、去噪、均值和基于几何推理的数据处理方法获得工件曲率κ和挠率τ。
进一步地，所述动作执行模块在控制自由弯曲设备执行弯曲时的加工工艺参数包括：弯曲模的位移、偏转、进给速度、转动速度。
进一步地，弯曲模在空间的平动和转动，使得弯曲零件弯曲成形，控制弯曲模的运动轴，按照笛卡尔坐标系，三轴弯曲设备的弯曲模运动轴包括水平X轴和垂直Z的运动，六轴弯曲设备包括水平X轴、垂直Z移动、绕X轴旋转α轴、绕Y轴旋转β轴、绕Z轴旋转γ轴和送料Y轴的运动。
第二方面，提供了一种自由弯曲加工用在线测量与补偿方法，所述方法包括：
S1，通过位移传感器实时采样测量弯曲零件弯曲过程中在测量点处偏移量；
S2，用计算机串口读取偏移量数据，通过形状解析模块处理后得到弯曲零件的曲率和挠率；
S3，经形状拼接模块拼接后，通过方位对比模块进行方位对比，得到偏差值；
S4，进给轴位置补偿模块根据弯曲零件进给规律，给出进给轴的进给值和进给速度；
S5，动作执行模块调用工艺参数，发送到指定的数控系统内部PLC地址，作为弯曲零件补偿量的输入值；
S6，重复S1～S3，符合要求后结束，实现闭环控制。
进一步地，根据零件的曲率和挠率特征，将零件划分为稳定段和过渡段，通过调整弯曲模的运动，保证稳定段的形状、位置和方向，使得零件最终形状满足目标形状要求，补偿和控制过程针对每一个过渡段进行，到稳定段起点处结束。
进一步地，稳定段是在成形过程中，弯曲模保持不动而成形出来的形状，其轴线为直径、圆弧和螺旋线三种形式；过渡段是在成形过程中，弯曲模运动中成形出来的零件形状。
进一步地，通过送料机构推送弯曲零件穿过固定模和弯曲模，弯曲模根据数模的要求，沿XZ轴的平动和绕XYZ轴的转动，不断变换运动轨迹和姿态，使弯曲零件产生弯曲和扭转，实现弯曲零件多段、多个方向连续弯曲成形。
进一步地，弯曲零件的进给规律是积累在知识库中弯曲零件形状与弯曲模的位置关系。
(三)有益效果
综上，本发明通过在弯曲模出口处设置位移传感器，实时检测截面处弯曲零件外径偏移量，由偏移量推算得到弯曲零件的曲率和挠率，实现在线测量零件形状，通过对比分析，获得偏差，继而进行补偿，实现了自由弯曲零件实时补偿，提高自由弯曲成形过程的迭代速度，实现工艺参数的快速寻优，提高零件成形精度，可适用于自由弯曲设备。
(1)通过与数模相应曲率和挠率的对比，实时修正成形参数，提高零件成形精度，提高工艺迭代效率；
(2)实时记录零件形状与工艺参数的对应关系，提高工艺知识库的积累速度；
(3)可靠性良好、有效提高弯曲精度使整体弯管精度上升一个数量级，同时能及时发现废品并报警，在多弯长管及大批量生产时意义重大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一些实施例的一种自由弯曲加工用在线测量与补偿方法的流程示意图；
图2是本发明一些实施例的弯曲零件的弯曲加工和检测的示意图；
图3是本发明一些实施例的一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统的位移传感器安装示意图；
图4是本发明一些实施例的位移传感器测量示意图；
图中：1、弯曲模固定座；2、传感器固定座；3、位移传感器；4、弯曲模；5、弯曲零件；6、测量截面；7、固定模；51、未成形区；52、成形区；53、已成形部分。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参考图1～图4，本发明的实施例提出了一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统，包括实时位移测量模块、形状解析模块、形状拼接模块、方位对比模块、进给轴位置补偿模块以及动作执行模块。
所述实时位移测量模块设置在自由弯曲设备的弯曲模4上，使得加工零件处于所述测量装置的检测范围内，目标补偿轴为设备控制弯曲模4运动的各运动轴，所述实时位移测量模块用于采集测量当前段弯曲零件5的偏移量。进一步地，所述实时位移测量模块包括位移传感器3、计算机串口以及信号标定模块。
所述形状解析模块与所述实时位移测量模块连接，用于根据采集到的偏移量计算出当前段弯曲零件5形状的曲率κ和挠率τ信息。进一步地，所述形状解析模块基于数控系统接口的独立可执行程序，不间断定时访问计算机串口从而获取位移传感器3的采样数据，数据包经过校验、解码、去噪、均值和基于几何推理的数据处理方法获得工件曲率κ和挠率τ。
所述形状拼接模块与所述形状解析模块连接，用于将各单段弯曲零件5拼接成一段完整的弯曲零件5。
所述方位对比模块与所述形状拼接模块连接，用于计算拼接后弯曲零件5与目标零件的匹配情况，给出偏差值。
所述进给轴位置补偿模块与所述方位对比模块连接，用于根据所述方位对比模块给出的偏差值，根据弯曲零件5进给规律，动态调整，根据目标值进行寻优，给出进给轴的进给值和进给速度。
所述动作执行模块与所述进给轴位置补偿模块连接，用于控制自由弯曲设备工作，根据所述进给轴位置补偿模块给出的控制参数对弯曲模4进行相应的补偿。进一步地，所述动作执行模块在控制自由弯曲设备执行弯曲时的加工工艺参数包括：弯曲模4的位移、偏转、进给速度、转动速度。
在一些实施例中，弯曲模4是自由弯曲成形的关键，其在空间的平动和转动，使得弯曲零件5弯曲成形。控制弯曲模4的运动轴，根据设备的轴数不同，而有所不同。以送料方向以Y轴为例，按照笛卡尔坐标系，三轴弯曲设备的弯曲模4运动轴包括水平X轴和垂直Z的运动，六轴弯曲设备包括水平X轴、垂直Z移动、绕X轴旋转α轴、绕Y轴旋转β轴、绕Z轴旋转γ轴和送料Y轴的运动。
第二方面，提供了一种自由弯曲加工用在线测量与补偿方法，所述方法包括：
S1，通过位移传感器3实时采样测量弯曲零件5弯曲过程中在测量点处偏移量；
S2，用计算机串口读取偏移量数据，通过形状解析模块处理后得到弯曲零件5的曲率和挠率；
S3，经形状拼接模块拼接后，通过方位对比模块进行方位对比，得到偏差值；
S4，进给轴位置补偿模块根据弯曲零件5进给规律，给出进给轴的进给值和进给速度；
S5，动作执行模块调用工艺参数，发送到指定的数控系统内部PLC地址，作为弯曲零件5补偿量的输入值；
S6，重复S1～S3，符合要求后结束，实现闭环控制。
请参考图2，图2表示的是自由弯曲设备在对弯曲零件5进行弯曲成型的局部，弯曲零件5在弯曲成型过程中包括未成形区51、成形区52和已成形部分53，弯曲零件5在自由弯曲设备上以位于弯曲模4处的部分作为成形区52，还未进入弯曲模4处的部分作为未成形区51，出弯曲模4处的部分作为已成形部分53，自由弯曲设备保证自由弯曲零件5的成形精度的思路为：根据零件的曲率和挠率特征，将零件划分为稳定段和过渡段，通过调整弯曲模4的运动，保证稳定段的形状、位置和方向，使得零件最终形状满足目标形状要求，补偿和控制过程针对每一个过渡段进行，到稳定段起点处结束。稳定段是在成形过程中，弯曲模4保持不动而成形出来的形状，其轴线为直径、圆弧和螺旋线三种形式；过渡段是在成形过程中，弯曲模4运动中成形出来的零件形状。
在一些实施例中，自由弯曲的成形原理：通过送料机构(送料装置加夹紧装置)推送弯曲零件5穿过固定模7和弯曲模4，弯曲模4根据数模的要求，沿XZ轴的平动和绕XYZ轴的转动，不断变换运动轨迹和姿态，使弯曲零件5产生弯曲和扭转，实现弯曲零件5多段、多个方向连续弯曲成形。
在一些实施例中，弯曲零件5的进给规律主要是指积累在知识库中弯曲零件5形状与弯曲模4的位置关系。
实施例：
变曲率推弯设备通过控制弯曲模4在空间的平动和转动，使得弯曲零件5弯曲成形。弯曲零件5形状在线测量装置如图2～4所示，包括传感器固定座2、位移传感器3和控制系统(未示出)。两个位移传感器3测量面重合且相互垂直布置在弯曲模4出口处。传感器固定座2与弯曲模固定座1通过螺栓紧固在一起，保证弯曲模4在起始位置时，弯曲零件5的中心在测量位置的中心，位移传感器3通过螺钉实现紧固。
根据零件的大小和位移传感器3探头大小，在弯曲模4的固定座一周设置2个位移传感器3，位移传感器3距离弯曲模4与弯曲零件5的接触部位，根据弯曲零件5直径和位移传感器3实体尺寸的大小，设为20mm。
位移传感器3可以选用激光式位移传感器3，该激光式位移传感器3检测精度需达到2μm级及以上，激光式位移传感器3的测量中心与弯曲模4中心重合。
激光式位移传感器3与控制系统电连接，传输激光式位移传感器3采集到的位移信号。控制系统用于分析激光式位移传感器3采集到的信号。
测量原理的前提假设：考虑到测量点与弯曲部位较为接近，因此假设激光式位移传感器3距离弯曲模4与弯曲零件5的接触点到测量点间的弯曲零件5轴线为一般螺线，该处的弯曲零件5为螺旋管。
螺旋管的参数方程H如下式，典型的选取弯曲零件5直径为20的进行相应的计算。
式中，R为螺旋管轴线的半径，r为弯曲零件5的半径，b为螺距h的参数，b＝h/2π，u，v为参数。
螺旋管的一般方程如下式。
可简记为
F(x,y,z,R,b,r)＝0；
将该参数方程写成矩阵的形式
从参数方程可知，上述螺旋管以Z轴为轴线，轴线与X轴的交点A0为(R,0,0)。
为了与变曲率推弯弯曲零件5的Frenet标架一致，作以下变换。
(1)螺旋管以X轴为转动轴，转动α角。使螺旋管轴线的点A0处的切线与X轴平行，变换矩阵为Rx(α)。
即
简写为A1＝Rx(α)A；
(2)螺旋管沿X轴负方向移动距离t。t＝-R，使得螺旋管轴线起点A在新坐标系中，变为原点。即
简记为A2＝A1+t(-R)；
(3)螺旋管以Y轴为转动轴。由于零件成形的需要，变换后的螺旋管还需要在Y轴进行相应的转动，β由弯曲模4的X轴平动位移xm和Z轴平动位移zm决定，可从机床控制系统中获取，变换矩阵为Ry(β)。
简记为A3＝Ry(β)A2；
螺旋管的方程为F(u,v,R,b,r,α,β)＝0
令y＝S，可得螺旋管与y＝S平面相交得到的曲线，测量截面6即激光式位移传感器3所在截面。
见图4，H1～H4为传感器示数，L11、L21、L31、L41为经传感器示数计算而来的偏移量；根据弯曲零件5被遮挡的部位，激光式位移传感器3上可以读取出H1、H2、H3和H4，然后根据激光式位移传感器3与弯曲模4的相对位置关系，可以计算得到弯曲零件5极值处的弯曲零件5外径位置L11、L21、L31、L41。
分析螺旋管的一般方程为F(x,y,z,R,b,r,α,β)＝0，其中，y＝20。可得方程z＝P(x,20,R,b,10,α,β)，x＝Q(z,20,R,b,10,α,β)。
利用极值公式解得x11,x12，|x11|≥|x12|；极值公式/>解得z21,z22，|z21|≥|z22|。利用β角，确定x11、x12、z21、z22对应的极值，以β为角135度为例，此时即可联立得到以下方程，解得R和b。
L11＝z12＝P(x12,20,R,b,10,α,β)；
L21＝z11＝P(x11,20,R,b,10,α,β)；
L31＝x21＝Q(z21,20,R,b,10,α,β)；
L41＝x22＝Q(z22,20,R,b,10,α,β)；
对于一般螺线而言：
从而可以实时地进行弯曲零件5形状的检测，与数模的目标值进行比对，继而可以通过数控系统进行相应的修正，使弯曲零件5形状满足数模要求。如曲率偏小，则增大弯曲模4的平移距离和相应的偏转角，使后续的曲率变大，补偿前期偏小，若曲率偏大，则相反进行。如挠率偏小，则增大弯曲模4的偏转角，使后续的挠率变大，补偿前期偏小，若挠率偏大，则按相反进行。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统，其特征在于：包括实时位移测量模块、形状解析模块、形状拼接模块、方位对比模块、进给轴位置补偿模块以及动作执行模块；
所述实时位移测量模块设置在自由弯曲设备的弯曲模上，用于采集测量当前段弯曲零件的偏移量；
所述形状解析模块与所述实时位移测量模块连接，用于根据采集到的偏移量计算出当前段弯曲零件形状的曲率κ和挠率τ信息；
所述形状拼接模块与所述形状解析模块连接，用于将各单段弯曲零件拼接成一段完整的弯曲零件；
所述方位对比模块与所述形状拼接模块连接，用于计算拼接后弯曲零件与目标零件的匹配情况，给出偏差值；
所述进给轴位置补偿模块与所述方位对比模块连接，用于根据所述方位对比模块给出的偏差值和目标值进行寻优，给出进给轴的进给值和进给速度；
所述动作执行模块与所述进给轴位置补偿模块连接，用于控制自由弯曲设备工作，根据所述进给轴位置补偿模块给出的控制参数对弯曲模进行相应的补偿。
2.根据权利要求1所述的一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统，其特征在于：所述实时位移测量模块包括位移传感器、计算机串口以及信号标定模块。
3.根据权利要求2所述的一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统，其特征在于：所述形状解析模块基于数控系统接口的独立可执行程序，不间断定时访问计算机串口从而获取位移传感器的采样数据，数据包经过校验、解码、去噪、均值和基于几何推理的数据处理方法获得工件曲率κ和挠率τ。
4.根据权利要求3所述的一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统，其特征在于：所述动作执行模块在控制自由弯曲设备执行弯曲时的加工工艺参数包括：弯曲模的位移、偏转、进给速度、转动速度。
5.根据权利要求4所述的一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统，其特征在于：弯曲模在空间的平动和转动，使得弯曲零件弯曲成形，控制弯曲模的运动轴，按照笛卡尔坐标系，三轴弯曲设备的弯曲模运动轴包括水平X轴和垂直Z的运动，六轴弯曲设备包括水平X轴、垂直Z移动、绕X轴旋转α轴、绕Y轴旋转β轴、绕Z轴旋转γ轴和送料Y轴的运动。
6.一种自由弯曲加工用在线测量与补偿方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任一项所述的一种自由弯曲加工用在线测量与补偿系统，所述方法包括：
S1，通过位移传感器实时采样测量弯曲零件弯曲过程中在测量点处偏移量；
S2，用计算机串口读取偏移量数据，通过形状解析模块处理后得到弯曲零件的曲率和挠率；
S3，经形状拼接模块拼接后，通过方位对比模块进行方位对比，得到偏差值；
S4，进给轴位置补偿模块根据弯曲零件进给规律，给出进给轴的进给值和进给速度；
S5，动作执行模块调用工艺参数，发送到指定的数控系统内部PLC地址，作为弯曲零件补偿量的输入值；
S6，重复S1～S3，符合要求后结束，实现闭环控制。
7.根据权利要求6所述的一种自由弯曲加工用在线测量与补偿方法，其特征在于：根据零件的曲率和挠率特征，将零件划分为稳定段和过渡段，通过调整弯曲模的运动，保证稳定段的形状、位置和方向，使得零件最终形状满足目标形状要求，补偿和控制过程针对每一个过渡段进行，到稳定段起点处结束。
8.根据权利要求7所述的一种自由弯曲加工用在线测量与补偿方法，其特征在于：稳定段是在成形过程中，弯曲模保持不动而成形出来的形状，其轴线为直径、圆弧和螺旋线三种形式；过渡段是在成形过程中，弯曲模运动中成形出来的零件形状。
9.根据权利要求6所述的一种自由弯曲加工用在线测量与补偿方法，其特征在于：通过送料机构推送弯曲零件穿过固定模和弯曲模，弯曲模根据数模的要求，沿XZ轴的平动和绕XYZ轴的转动，不断变换运动轨迹和姿态，使弯曲零件产生弯曲和扭转，实现弯曲零件多段、多个方向连续弯曲成形。
10.根据权利要求6所述的一种自由弯曲加工用在线测量与补偿方法，其特征在于：弯曲零件的进给规律是积累在知识库中弯曲零件形状与弯曲模的位置关系。
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