用于板料成形回彈的小型液壓機(jī)控制系統(tǒng)

1、用于板料成形回彈的小型液壓機(jī)控制系統(tǒng) P. Sun, J.J. Gracio, J.A. Ferreira葡萄牙阿威羅3810-193，阿威羅大學(xué)，機(jī)械工程系，機(jī)械技術(shù)和自動(dòng)化中心2005年4月13日收稿; 2006年2月8日收到修改稿; 2006年2月8日錄用摘要：本文提出一種估測(cè)回彈的方法，回彈是在控制系統(tǒng)中零件卸壓后引發(fā)的一種現(xiàn)象。由零件回彈產(chǎn)生的線(xiàn)性位移作為參考值來(lái)估測(cè)實(shí)際的回彈，并在控制界面即時(shí)顯示。該方法是基于閉環(huán)控制下的沖壓測(cè)量值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了對(duì)壓機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，需要在在汽缸內(nèi)安裝兩個(gè)壓力傳感器，并在沖頭滑動(dòng)桿上安裝位置傳感器（光學(xué)測(cè)量精度為1m）。控制和監(jiān)控軟件都運(yùn)行在一個(gè)實(shí)時(shí)

2、的硬件主板上，主板是在Matlab/ Simulink環(huán)境下運(yùn)行的。沖壓過(guò)程中，壓力、穿孔位置以及回彈效應(yīng)的數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)顯示在控制面板上。為此，在小型液壓機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試這些控制系統(tǒng)，并采用一個(gè)線(xiàn)性模型來(lái)檢驗(yàn)對(duì)沖壓位置或力的控制。實(shí)驗(yàn)中也采用了硬件回路仿真技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制的驗(yàn)正。系統(tǒng)模型具有計(jì)算量小、調(diào)整參數(shù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。沖壓機(jī)在200毫米移動(dòng)行程內(nèi)，其位置控制可以達(dá)到很高精度。本文的目的是為板料成形的過(guò)程中對(duì)回彈實(shí)時(shí)評(píng)估提供一個(gè)有效的方法。關(guān)鍵詞：回彈，金屬板材成形，評(píng)估，控制系統(tǒng)1 簡(jiǎn)介回彈是板料成形中一種普遍現(xiàn)象，其形成原因是卸載時(shí)板料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力。雖然基本理論分析已經(jīng)發(fā)

3、展到用數(shù)值量化回彈的程度，但是自從發(fā)現(xiàn)了理論預(yù)測(cè)與實(shí)際數(shù)據(jù)比較的差異后，這些數(shù)值對(duì)于控制板料成形中的回彈的作用就受限制了。這就導(dǎo)致各種經(jīng)驗(yàn)公式的產(chǎn)生，他們適用于特定的成形過(guò)程的檢測(cè)。理論和實(shí)際數(shù)據(jù)之間的不統(tǒng)一主要由于材料性能的變化，個(gè)體成形的復(fù)雜性和特殊性，而導(dǎo)致的成形參數(shù)的不確定性（比如壓模和成形時(shí)的張緊力）1。現(xiàn)今，在評(píng)估和減小板料成形上有很多的成就。諸如Wang, Budian-sky2，Morestin3等應(yīng)用有限元法來(lái)分析板料沖壓過(guò)程，并考慮材料的非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)中的硬化來(lái)預(yù)測(cè)拉伸過(guò)程中的回彈。隨著數(shù)學(xué)領(lǐng)域環(huán)境的快速發(fā)展，近年來(lái)采用數(shù)值方法對(duì)板料成形過(guò)程中回彈預(yù)測(cè)得到了很大的發(fā)展4。大多數(shù)

4、的有限元模擬采用二維模型5,6，預(yù)測(cè)成形零件在板料成形過(guò)程中回彈。然而，很少有文獻(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)沖壓過(guò)程中的回彈做出準(zhǔn)確評(píng)估。因此，現(xiàn)今很有必要對(duì)實(shí)時(shí)沖壓過(guò)程中回彈的評(píng)估進(jìn)行研究。在目前的研究中，提出一種實(shí)時(shí)控制方法，對(duì)金屬板料成形過(guò)程中卸載后產(chǎn)生的回彈進(jìn)行評(píng)估。成形工件回彈產(chǎn)生的線(xiàn)性位移被用來(lái)作為回彈參考值，以評(píng)估實(shí)際的回彈。通過(guò)工件厚度和沖壓位置的變化() 來(lái)計(jì)算回彈參考值，并在控制界面上實(shí)時(shí)顯示。檢測(cè)工具所反饋的力或速度/位置的結(jié)果將作用于液壓機(jī)上。這是一個(gè)實(shí)用的評(píng)估沖壓成形過(guò)程回彈的方法。為了對(duì)液壓機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，在液壓缸內(nèi)安裝了兩個(gè)壓力傳感器，并在液壓機(jī)的活塞桿上安裝了位置傳感器（光學(xué)測(cè)量精

5、度為1m）。控制和監(jiān)控軟件都運(yùn)行在一個(gè)實(shí)時(shí)的硬件主板上，實(shí)時(shí)卡是通過(guò)Matlab / Simulink的環(huán)境來(lái)快速反應(yīng)的。壓力和穿孔位置、甚至回彈效應(yīng)的數(shù)據(jù)，都可以在沖壓的過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示在控制面板上。為此，有一個(gè)實(shí)驗(yàn)例子是在小型壓力機(jī)（）上構(gòu)建和測(cè)試這些控制系統(tǒng)，和一個(gè)線(xiàn)性模型用于檢驗(yàn)控制沖壓機(jī)位置和力。這種功能的液壓缸和控制閥門(mén)以及回彈機(jī)制的裝置已經(jīng)研制出來(lái)。該硬件回路模擬技術(shù)是基于在Matlab / Simulink環(huán)境下的仿真實(shí)驗(yàn)用以檢驗(yàn)整體系統(tǒng)的控制過(guò)程。系統(tǒng)模型具有計(jì)算量小、功率、調(diào)整參數(shù)的特點(diǎn)。該沖壓機(jī)在200毫米的行程內(nèi)具有很高的可控制精度。該實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟跒榘辶铣尚蔚倪^(guò)程中實(shí)時(shí)評(píng)

6、估回彈提供一個(gè)有效的方法。2 回彈行為工業(yè)應(yīng)用比如拉伸下料和彎曲加工，都是以局部塑性變形為特點(diǎn)的。發(fā)生在工件卸荷后的彈性恢復(fù)，總是存在于沖壓加工過(guò)程中?；貜棸l(fā)生于各種類(lèi)型的彎曲加工，包括折彎、折疊、滾壓成形、輥彎曲。由于回彈的存在，彎曲模的角度1與工件所需的角度2并不完全一致時(shí)（如圖2-1）。這兩個(gè)角度的比值，又稱(chēng)回彈系數(shù)，取決于材料特性、彎曲半徑之比以及板料厚度： （2.1）其中為模型的角度（需要彎曲的角度），為工件的期望角度（回彈后的實(shí)際彎曲角）。r1為沖模的內(nèi)徑，r2為工件的內(nèi)徑，t為板料的厚度7。t，金屬板料厚度；加工的彎曲角；實(shí)際的彎曲角；，模具內(nèi)徑；工件內(nèi)徑。圖2-1 彎曲后的彈性

7、回復(fù)影響回彈的因素包括材料及加工參數(shù)，比如材料的特性、板厚、摩擦條件、約束力、刀具集合參數(shù)、潤(rùn)滑條件等8。此外，有限元建模中網(wǎng)格類(lèi)型、網(wǎng)格密度、材料模型的模擬對(duì)回彈的預(yù)測(cè)可能會(huì)有重大的影響。圖2-2為實(shí)際生產(chǎn)中的回彈現(xiàn)象。分析表明，薄板成形中回彈可以通過(guò)改變夾具類(lèi)型和材料屬性而減小，但由于成形時(shí)的殘余應(yīng)力存在不能完全消除。那么，如何準(zhǔn)確地計(jì)算、控制、顯示工件成形過(guò)程中的回彈，已成為設(shè)計(jì)者和制造商在板料成形領(lǐng)域的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。圖2-2 成品的回彈現(xiàn)象3 評(píng)估回彈的方法3.1. 控制方法說(shuō)明這個(gè)方法是一種實(shí)用的評(píng)估沖壓成形過(guò)程中回彈的方法，通過(guò)測(cè)量工具的反饋對(duì)液壓機(jī)的壓力大小和速度,位置進(jìn)行控制。

8、閉環(huán)控制執(zhí)行依靠了安裝在汽缸內(nèi)的兩個(gè)壓力傳感器和一個(gè)位置傳感器（光學(xué)測(cè)量精度為1m）安裝在液壓機(jī)的活塞桿上?？刂坪捅O(jiān)控軟件都運(yùn)行在一個(gè)實(shí)時(shí)的硬件主板上，主板是通過(guò)Matlab / Simulink環(huán)境來(lái)快速反應(yīng)的。壓力、位置甚至回彈效應(yīng)的數(shù)據(jù)，都可以在沖壓的過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示在控制面板上。工件成形的回彈所產(chǎn)生的一個(gè)線(xiàn)性位移被作為參考值用以評(píng)價(jià)實(shí)際的回彈（）（圖3-1）?；貜椀膮⒖贾涤靡杂?jì)算工件厚度的了解和位置的變化()，并立即顯示在控制端口。圖3-1 沖壓工藝的示意圖圖3顯示的是沖壓工藝原理圖，是一個(gè)回彈發(fā)生后的線(xiàn)性位移被定義為回彈的數(shù)值，t為工件的厚度，液壓機(jī)的控制面板上表現(xiàn)液壓機(jī)的位置變化。沖

9、壓機(jī)加工完零件后，調(diào)整內(nèi)缸壓力（和）使液壓機(jī)緩慢上行直到成形的工件彈性回復(fù)。在這種情況下，成形的工件將產(chǎn)生位移，和相對(duì)于液壓機(jī)位置的變化，可視為一種僅僅回彈力（）（圖3-4和3-5）作用下的變化?？梢酝ㄟ^(guò)控制系統(tǒng)的面板準(zhǔn)確的測(cè)量（圖3-2）?；貜椀臄?shù)值可以估計(jì)在控制界面的關(guān)系?；貜椀膶?shí)時(shí)測(cè)量會(huì)通過(guò)以適應(yīng)控制器參數(shù),優(yōu)化對(duì)液壓機(jī)參考軌跡和力量，從而導(dǎo)致提高控制能力。這些數(shù)據(jù)(控制器參數(shù)、優(yōu)化)可以作為數(shù)據(jù)庫(kù)以充分調(diào)整壓力的大小。3.2. 原理分析沖壓的過(guò)程就是工件從受力開(kāi)始到力完全卸載的過(guò)程（圖3-3）。工件成形中的回彈會(huì)導(dǎo)致一個(gè)沿著受力方向的尺寸誤差（線(xiàn)性位移）。因此，尺寸誤差的大小也能反映出

10、回彈尺寸的變化。圖3-2 （a和b）沖頭位置在兩種控制界面的顯示圖3-3 板料成形的過(guò)程液壓機(jī)將配備一套傳感器測(cè)量系統(tǒng)用以測(cè)量壓力和活塞的位置。這個(gè)壓力馬上可以通過(guò)液壓缸內(nèi)壁兩個(gè)壓力傳感器測(cè)量得到?；钊麠U的運(yùn)動(dòng)需要一個(gè)1m光學(xué)測(cè)量精度的支持。速度的獲得是取決一個(gè)位置信號(hào)的變化。所有傳感器的輸入信號(hào)和電器控制都傳輸?shù)揭粋€(gè)低成本的基于實(shí)時(shí)卡（DS1102）的信號(hào)處理器上，在這個(gè)方法下實(shí)時(shí)控制才得以實(shí)行。在沖壓過(guò)程中，液壓機(jī)的壓力和位置就被實(shí)時(shí)反應(yīng)在控制面板上。過(guò)程可分為三個(gè)步驟，第一步（圖3-4）：拉伸階段，沖頭高度相當(dāng)于板料厚度。第二步：調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)壓力和使壓頭緩慢上升，直至工件完成了回彈。在這

11、種情況下，成形的工件將產(chǎn)生位置和位移的變化，可以視為僅有回彈力作用下產(chǎn)生的變形（圖3-5）。同時(shí)沖頭的位置可以被實(shí)時(shí)反映在控制面板上。根據(jù)這些測(cè)量值（包括缸室壓力數(shù)據(jù)），回彈力可以被估測(cè)，液壓缸和液壓閥的受力就可以得知了。圖3-4 沖壓加工中沖頭的位置和的關(guān)系為： （）當(dāng) （3.2.2）液壓機(jī)的位置為： （）表示回彈 （）,為汽缸內(nèi)壁的壓力；,為缸內(nèi)面積;T為板料厚度；為液壓機(jī)的高度位置。為液壓機(jī)的重力和封閉汽缸的摩擦力（可以通過(guò)液壓機(jī)總重和封閉面的摩擦系數(shù)計(jì)算得出）。壓力的數(shù)值也可輕松的反應(yīng)到控制面板上。圖3-5 回彈時(shí)的沖頭位置圖3-6 加工后的沖頭位置第三步：卸載過(guò)程：（圖3-6），液壓

12、機(jī)遠(yuǎn)離工件升高到h的高度。該過(guò)程與回彈沒(méi)有關(guān)系。在實(shí)際操作中設(shè)置允許的回彈值()于實(shí)際的回彈值相比較()。當(dāng) （）工件的回彈滿(mǎn)足對(duì)成形零件的尺寸需求。當(dāng) （）回彈超出了尺寸限定，模具尺寸需要調(diào)整。因此,該方法可以在加工中立即檢查回彈的情況。需要注意的是裝卸壓邊圈時(shí)（力)是需要手動(dòng)調(diào)整的。4 實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備4.1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備首先需要一個(gè)工作行程為200mm的小型壓力機(jī)（）（圖4-1）。建立一個(gè)準(zhǔn)確方便的控制系統(tǒng)，以測(cè)試液壓機(jī)在工作時(shí)的位置。小型液壓機(jī)1的驅(qū)動(dòng)由高性能的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的伺服液壓缸（圖4-2）。壓力通過(guò)2個(gè)裝在缸內(nèi)的壓力傳感器間接測(cè)量。活塞位置的測(cè)量通過(guò)一個(gè)1m精度的光柵尺，速度用

13、一個(gè)加速度測(cè)量計(jì)測(cè)量。該小型液壓機(jī)允許壓縮和拉伸的操作。壓縮能力是用模擬接近實(shí)際的工作，拉伸能力則是模擬反運(yùn)動(dòng)（表4-1）。為了檢測(cè)控制系統(tǒng)性能，回彈行為在試驗(yàn)中被一個(gè)減震器替代，裝置用來(lái)替代在工作成形時(shí)的回彈行為。在典型的加工中這是一個(gè)最原始的方法，代表材料彈性恢復(fù)。液壓回路及控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D4-3）。一個(gè)變量調(diào)節(jié)的軸向柱塞泵壓力與蓄能器連接提供恒定的流量。為了減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，半閉環(huán)實(shí)驗(yàn)和線(xiàn)性模型減少了開(kāi)發(fā)的時(shí)間，并提出了一種新液壓機(jī)位置和壓力測(cè)試和優(yōu)化控制算法。圖4-1 試驗(yàn)中的小型壓力機(jī)（）圖4-2 小型壓力機(jī)（）原理圖4.2. 模擬實(shí)驗(yàn) 模型為了檢測(cè)力和位置控制，建立了液壓伺服系統(tǒng)

14、(比例閥、線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)器)。圖4-4是運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)中的控制閥門(mén)和液壓缸以及回彈機(jī)構(gòu)。線(xiàn)性模型運(yùn)用實(shí)驗(yàn)中以執(zhí)行閉環(huán)系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，測(cè)試這種不同于平常的控制方式。在試驗(yàn)平臺(tái)上線(xiàn)性模型表現(xiàn)出的整體性能是令人滿(mǎn)意的。線(xiàn)性模型在平臺(tái)上表現(xiàn)的動(dòng)態(tài)性能，需要通過(guò)一些非線(xiàn)性參數(shù)改善，像液壓缸密閉的摩擦力或者閥門(mén)的非線(xiàn)性控制，都被運(yùn)用于評(píng)價(jià)這個(gè)不同的控制方法。液壓缸的模型是由實(shí)際液壓缸和液壓閥工程分析而建立的?；钊乃俣葹椋簤焊椎膭?dòng)力學(xué)如下： （.1）表4-1小型壓力機(jī)（）組件名字 型號(hào)伺服氣缸 伺服操縱閥 KBSDG4V-3壓力傳感器 P15RVA1光柵 分辨率1m實(shí)時(shí)卡 DS1102加速度傳感器 FA201計(jì)算機(jī)

15、圖4-3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊簤夯芈泛涂刂葡到y(tǒng)活塞加速度和M總質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)(負(fù)載、活塞、桿)。由公式4-2中推導(dǎo)出的吸收特性為： 另外一些用于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)為： , , ，, , 圖4-4 小型壓力機(jī)（）工作狀態(tài)圖和回彈機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型圖4-5 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)圖解決閥門(mén)和缸的線(xiàn)性化方程為： （.2）閥門(mén)的工作壓力為,4.2.2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)的控制和仿真平臺(tái)是基于兩個(gè)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理芯片(模型DS1102)。數(shù)據(jù)信號(hào)處理器是在Simulink和Matlab軟件平臺(tái)下進(jìn)行編程。其中一個(gè)芯片負(fù)責(zé)位移于力的混合控制，所獲得的力與位移的信號(hào)將控制流量閥的流量分配。一個(gè)控制器對(duì)位置、速度和力量進(jìn)行控制。平臺(tái)的模擬實(shí)驗(yàn)室由

16、一個(gè)小型的半實(shí)物仿真液壓機(jī)完成的(圖4-5)。半實(shí)物仿真11指的是一種技術(shù),有些地方的部件的純粹的以模擬的方式取代真實(shí)硬件。圖4-6 實(shí)際和仿真結(jié)果的比較圖4-7 實(shí)際和仿真的PD控制器中活塞位置一個(gè)控制臺(tái)的應(yīng)用以開(kāi)發(fā)改變參數(shù)的控制?？刂婆_(tái)的軟件工具都由DSPACE公司提供以建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。它很適合數(shù)據(jù)采集,并且它的圖形界面(GUI)簡(jiǎn)單又直觀。它也有可以隨時(shí)改變基準(zhǔn)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以在Matlab的框架下存儲(chǔ)以待處理。進(jìn)行一系列試驗(yàn)用不同的參考信號(hào)(形狀、振幅、頻率)來(lái)估測(cè)線(xiàn)性模型的性能。圖4-6和4-7表現(xiàn)的是小型壓力機(jī)（）實(shí)時(shí)模擬出來(lái)的結(jié)果12。位置信號(hào)是一個(gè)方波,兩種系統(tǒng)都由一個(gè)比例微分

17、控制器，統(tǒng)一的比例常數(shù)和信號(hào)增益。圖4-8 （a和b）實(shí)驗(yàn)裝置（）和模具小型壓力機(jī)（）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際非常吻合。小型液壓機(jī)（）,第二次的實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)設(shè)計(jì)完成（圖4-8(a和b)）。它和實(shí)際液壓機(jī)非常接近、并將被用來(lái)執(zhí)行成形試驗(yàn)，檢測(cè)和分析回彈的參考值。5 結(jié)論在液壓機(jī)領(lǐng)域估測(cè)板料成形中回彈的方法提上了日程表。工件成形后釋放應(yīng)力導(dǎo)致的回彈已經(jīng)被詳細(xì)論述。這種小型壓力機(jī)（）的一個(gè)原型和一個(gè)線(xiàn)性模型的也被開(kāi)發(fā)出來(lái)。這個(gè)模型被用來(lái)做半閉環(huán)(HILS)實(shí)驗(yàn),以測(cè)試不同控制方案，沒(méi)有直接做實(shí)物實(shí)驗(yàn)的相關(guān)危險(xiǎn)。該方法將成為一個(gè)行之有效的方法，通過(guò)技術(shù)的改進(jìn)以提高效率和質(zhì)量。新型的液壓系統(tǒng)將被運(yùn)用并進(jìn)行最后的

18、實(shí)驗(yàn)。感謝衷心感謝葡萄牙科學(xué)和技術(shù)基金會(huì)(FCT)對(duì)該研究給予盛大的支持。參考文獻(xiàn)1 W.Y.D. Yuen, Springback in the stretch-bending of sheet metal with non-unifom deformation, J. Mater. Proc. Technol. 22 (1990) 120.2 S.W. Key, R.D. Kring, K.J. Bathe, On the application of finite element method to metal forming processes, Comp. Mech. Appl. M

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