（机械电子工程专业论文）基于pmac的卷板设备数控系统研究与开发.pdf

摘要 大型卷板设备是海洋石油导管架、海上采油平台及锅炉等压力容器制造 工程中的关键设备。本研究旨在实现大型卷板设备的数字化控制、自动化操 作，以取代手工操作，提高生产率，并将检验质量转化为控制质量。 本文的主要研究内容为：在分析卷板设备运动学及动力学的基础上，对 卷板的工艺过程进行了分析，建立了各种材质规格尺寸的板材成形数学模型， 该数学模型是自动卷圆工艺的基础；编制了一次进给、二次进给自动卷制工 艺过程；提出了以p m a c ( 可编程多轴控制器) 作为c n c 模块，工控机系统 为系统支撑单元的双c p u 开放式数控系统，此系统以w i n d o w s 9 8 操作系统为 软件平台：提出了数控系统硬件和软件的抗干扰措施，从而解决了数控系统 的干扰问题。 本文研究与开发的数控卷板设备具有如下特点：实现了工件卷制从对中、 顸弯压头、卷圆、矫圆等系列工艺工步的自动化操作；对各种材质、规格尺 寸的板材自动计算、确定数控卷制参数，更加科学合理；卷制过程中采用适 时视屏监控方法，具有保证卷制质量和生产安全功能；实现了不对称板边预 弯数控卷板工艺，使大型卷板设备达9 0 年代国际先进水平，使我国掌握了数 控卷板设备的核心技术，对于促进数控技术的工程化研究及产品开发有重要 推动作用。 关键词：卷板设备，开放式数控系统，工控机 l a r g es i z eb e n d i n ge q u i p m e n t i sac f i d e a lf a c i l i t yi nm a n u f a c t u r e e n g i n e e r i n g s u c ha so f f s h o r eo i lp i p ef r a m e c o n s t r u c t i o n ，d r i l l i n ga n dp r o d u c t i o np l a t f o r m ( d p ) i nm a r i n eb u i l d i n g ，a n dp r e s s u r ec o n t a i n e rm a n u f a c t u r e t h i sr e s e a r c ha l r n st o r e a l i z en u m e r i c a lc o n t r o l ，a u t o m a t i o no ft h e l a r g es i z eb e n d i n ge q u i p m e n t , s o a st o r e p l a c em a n u a lc o n t r o l ，a n di n c r e a s ep r o d u c t i v i t y , a n dt u r nt e s t i n gq u a l i t y i n t o c o n t r o lq u a l i t y t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e r ：b a s e do nt h ea n a l y s i so fk i n e m a t i c sa n d k i n e t i c so ft h eb e n d i n ge q u i p m e n t ，t h i sp a p e r a n a l y z e dt h ep r o c e s so f m e t a lp l a t e b e n d i n g ，a n de s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e l so fa l lk i n d sm a t e r i a lt e x t u r e ，s i z e p l a t ef i g u r a t i o n ，w h i c hi st h eb a s e o f t h ea u t o c i r c l i n gp r o c e s s t h i sp a p e rc o m p i l e d o n e o p e r a t i o na n dm u l t i - o p e r a t i o nn o n - s y m m e t r i c a lc i r c l i n gp r o c e s s t h i sp a p e r p u tf o r w a r d ad o u b l ec p uo p e na r c h i t e c t u r en cs y s t e mw h i c hr i s e sp m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x i sc o n t r o l l e r ) a sc n cb l o c k , u s e s ca ss u p p o r tu n i to f t h es y s t e m ，a n dn s e sw i n d o w s 9 $ a ss o f t w a r e p l a t f o r m a tt h ee n do f t h i sp a p e r , i t i n t r o d u c e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n t i d i s t u r bm e a s u r e so f t h en c s y s t e m ，t h e r e b y s o l v e dd i s t u r b i n gq u e s t i o n so f n o s y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d b e n d i n ge q u i p m e n t r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e ra sf e l l o w s ：i tr e a l i z e das e r i e so f s t e p so f t h ea u t o m a t i o np r o c e s sf r o mc e n t e ra d j u s t i n gt op r e b e n d i n g ，r o l l i n g ，a n dc y l i n d e r c o r r e c t i n g i ti sm u c hm o r es c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l ei na u t oc a l c u l a t i o na n da u t o b e n d i n gp a r a m e t e r sb e i n gg i v e n b e c a u s ea d o p t e dt i m e l ym o n i t o ri nb e n d i n g p r o c e s s ，i t c a ne n s u r e b e n d i n gq u a l i t y a n d p r o d u c i n gs a f e t y i t r e a l i z e d n o n - s y m m e t r i c a lp r e - b e n d i n gn u m e r i c a l l yc o n t r o l l e db e n d i n gp r o c e s s ，t h el a r g e s i z eb e n d i n ge q u i p m e n th a sr e a c h e da ti n t e r n a t i o n a la d v a n c e dt e c h n o l o g yo ft h e 1 9 9 0 s w eh a sm a s t e r e dt h ec o r et e c h n o l o g yo ft h e f r u i t ，w h i c hh a si m p o r t a n t i m p u l s e i nt h e e n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n d p r o d u c td e v e l o p m e n to f n c t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：b e n d i n ge q u i p m e n t ，o p e n a r o h i t e e t u r es y s t e m ，i p c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘韭盘壁或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名； 签字日期：年月日签字日期：年 月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外卷板设备技术现状“1 卷板设备是当今应用非常普遍的板料加工成型，特别是海上采油平台建 造、压力容器制造加工的重要设备之一。大体可分为两类，一类为小型薄板 卷板设备，另一类为中厚板大型卷板设备；又可分类三辊和四辊卷板设备。 一般来说，小型薄板卷板设备多采用三辊式机械传动，并常见于对称式，近 年来多采用不对称式。中厚板多采用全液压式传动，或主传动为机械式，辅 助传动为液压式。 1 1 1 国外卷板设备技术现状 目前英国、瑞士、意大利、德国等国家将板厚小于3 8 毫米的卷板设备以 机械传动不对称式产品为主，板厚4 0 毫米以上则采用全液压式传动的三辊或 四辊产品为主。由于四辊结构上较三辊复杂，且价格高、体积大、耗电多， 因此不少国家生产三辊全液压式不对称卷板设备，这种机型，既具有四辊机 压头作用，又较容易调节成左右不对称式。尤其采用全液压传动后，扭矩大， 运行可靠，钢板卷圆后剩余直边较小，卷圆后两端基本没有错口。近年来采 用计算机控制后，加工精度大大提高，适于批量生产，效率高、成本低。当 今世界上生产卷板设备水平最高的国家有瑞士、意大利、德国等，它们基本 上设计制造应用全液压计算机控制的三辊或四辊卷板设备。 国外著名厂家的产品如下： 瑞士c h r i - l a e u s l e r 生产世界上最大型四辊卷板设备v r m - h y4 0 0 0 1 5 0 m m 。工作能力为：冷卷钢板最大宽度最大厚度4 0 0 0 1 5 0 m m ，热卷为 4 0 0 0 2 6 0 m m ，主要应用于核工业方面。 意大利“p r o m a u ”公司生产全液压式“d a v i ”系列四辊卷板设备。 “d a v i ”加工工艺专刊，它具有a b s 一自动平衡系统：p s g 一行星摆式回转 导轨；a l s 一自动润滑系统：e s s 一节能系统。“d a v i ”m c b3 5 5 0 ( 3 5 5 0 5 0 ) 全液压四辊机主要技术参数： 最大卷板宽度：3 5 5 0 m m 对称卷板最大厚度：5 0 m m 不对称卷板最大厚度( 预弯) ：4 0 m m 最小弯曲直径：5 9 0 m m 功率：6 0 l 国外生产卷板设备的著名厂商还有西德瑟尔夫公司、西德汉堡爆隆福斯 造船及机械公司、英国布朗克公司、日本富士车辆公司和日本栗木铁工所等。 第一章绪论 1 1 2 国内卷扳设备技术现状 国内生产的三辊和四辊卷板设备，三辊多为对称式机械传动。近年来越 来越多采用不对称式，主传动为机械传动。辅助传动为液压传动。四辊机多 采用机械传动，或主传动为机械传动，辅助传动为液压传动。目前只有山西 长冶锻压机床厂采用了当今世界上较先进的四辊数控全液压传动设计方案。 尽管该机型设计己接近当今世界上较先进的数控全液压的水平，但是由于国 产液压元件不太过关，泄漏率较高，维修较困难，精度往往达不到设计要求。 国内生产卷板设备的厂家还有一重、二重、沈阳重型机械厂、太原重型 机械厂、北京重型机械厂、江苏南通重型机械厂、浙江苍南重型机械厂、福 建三明重型机械厂等。尽管生产厂家众多，但是产品与国外产品相比精度偏 低，数控程度也偏低，还不能根据坯料的材质，尺寸等，自动计算加工全过 程的各种参数，而是需要较多的人工干预。 1 2 数控系统的发展概况 1 2 1 数控系统发展回顾“1 1 9 4 6 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部 分代替脑力劳动的工具。6 年后，即在1 9 5 2 年，计算机应用到了机床上，在 美国诞生了第一台数控机床。此后半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段 六代的发展。 数控( n c ) 阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 年) 。早期的计算机运算速度低，对当时 的科学计算和数据处理影响还不大，自然不能适应机床实时控制的要求。人 们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用的计算机作为数控系统， 被称为硬件连接数控( h a r d w i r e dn c ) ，简称数控( n c ) 。在这一阶段， 随着元器件的发展，经历了电子管、晶体管和小规模集成电路等三代。 计算机数控( c n c ) 阶段( 1 9 7 0 现在) 。1 9 7 0 年，随着通用小型计算机 业出现，其运算速度和可靠性大大提高，且其成本也比硬件连接的数控 ( h a r d - w i r e dn c ) 低，于是将小型计算机移植过来作为数控系统的核心 部件，从此进入了计算机数控阶段。1 9 7 1 年，美国i n t e l 公司生产出第块 中央处理单元( c p u ) 。1 9 7 4 年c p u 被用于数控系统。到了1 9 9 0 年。p c 机 ( 个人计算机) 的性能发展到很高的阶段，从8 位、1 6 位到3 2 位，可以满足 数控系统核心部件的要求，数控系统从此进入了基于p c 的阶段。计算机控制 也经历了小型计算机、微处理器和基于p c ( 国外成为p c b a s e d ) 等三代。 目前，国际及国内使用和研究中的数控系统可以分为3 类：专用式、通 用式和开放式“1 。专用式数控系统是控制器制造商针对专用的机床蔼开发的， 2 第一章绪论 它是封闭、不可兼容和不可扩展的，很难二次开发和更新换代，但由于这些 产品是在专用c n c 系统上发展的，为用户所熟悉，并且还批量生产，降低了 成本，因此还有一定的市场：通用式数控系统对许多机床的特性不能完全支 持，不具备某些机床或工艺特征所期望的特性，因而也有一定的局限性；开 放式控制系统是以通用计算机( p c ) 的硬件和软件作为基础的，具有可扩展 性、可移植性、可互换性、可操作性和可配置性，是当今最为流行的一种控 制系统，而且基于p c 的第六代开放式数控系统已成为国内外研究与开发的热 点。 1 2 2 开放式数控系统的国内外发展概况3 4 1 “”1 “1 开放式数控系统的概念在8 0 年代就已出现”1 。4 0 | 0 早在1 9 8 1 年，美国国 防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始了名为“下一代控制 器”n g c ( n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) “的计划。随后 1 9 9 4 年，美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司又启动了称为“开放式、 模块化体系结构控制器”o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) u 2 1 的计划，使用这种结构，可以使制造者减少最初投资，缩短开发时间，把使用 者的专业技术集成在系统上，提供软硬件模块的“即插即用”。 与此同时，欧洲也提出了“自动化控制体系中的开放式体系结构”o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) ”的概念， 提出了新型控制器的原则是：可组配、模块化和开放式，其核心技术是数字 接口通讯技术和通讯协议。 日本在1 9 9 4 年正式启动了由东芝机器公司、丰田机器厂和m a z a k 公司三 家机床制造商和日本i b m 、三菱电子及s m l 信息系统提出的“控制器开放系 统环境”o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t f o rc o n t r o l l e r s ) “”计划，其目的是 建立一个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准。 i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 总结了对开放式数控系统的定义是： 开放式系统应能使应用程序在不同厂商的各种平台上运行，能够与其它系统 的应用程序相互操作，并具有用户界面的一贯形式。由此可见，开放式系统 必须提供接口能力、相互操作能力和界面的一致性。系统明确定义了这些模 块之间的接口以及这些模块和实现平台之间的接口，以便在构成一个完整、 正确的功能化控制时，不同厂家的模块能相互合作，进行有意义的组合，并 能在各种平台上运行。系统的接口具有统一标准。 综上所述，开放式数控系统的基本特征是以通用计算机( p c ) 的硬件和 软件作为基础的：通常采用标准总线技术，如i s a 、p c i 、s t d 和u s b 总线 等：采用模块化设计原则开发系统软件；具有可扩展性、可移植性、可互换 第一章绪论 性、可操作性和可配置性等。 目前，国内外研究的开放式数控系统概括起来有三种模式”1 ： 第一种叫衍生式，是专用n c + p c ，将p c 作为专用控制器的前端接口。 在传统的非开放式的c n c 上插入一块专门开发的个人计算机模板，使传统的 专用c n c 带有个人计算机的特点。这里，传统c n c 没有改变，进行实时插 补、伺服控制、电源控制以及i o 控制等一些实时控制：p c 部分执行前端管 理等非实时控制，例如人机界面，存储和通讯。这是一种折中的方案，在专 用的c n c 系统中加入p c 的前端接口，使其具有p c 处理的柔性，也就是说， 这种模式只具有部分开放性，它不能实现n c 内核的开放。 第二种叫嵌入式，即p c + 适配器。p c 机作为系统的核心，将控制卡插入 到p c 的标准扩展槽中完成各种标准数控功能，一般p c 机处理各种非实时性 任务，由控制卡处理实时任务。图1 1 给出了“p c + 适配器”开放式数控 广一一一 厂一一 i 丽厂面田ii 厂丽丽l ii 厂：= = = 二= li = = = l i i iil 通讯幕统 ii lll l lf 二l t i 二ii ii墨堡至竺i iii ! 堕蔓竺l i ji 坠卜十刊坠li l 一竺皇坠一一- j j 型些丝竺j 图1 1 “p c + 适配器”开放式数控系统应用平台的典型结构 系统应用平台的典型结构。这种模式中，p c 能提供一定意义上的开放，控制 卡能保证实时性，是目前研究以p c 为基础的数控系统的主流。美国d e l t at a u d a t as y s t e m 公司的p m a c 、德国p a 公司的p a s 0 0 0 、美国o r m e es y s t e m 公 司的o r i o n 、美国g a l i l 公司的d m c 、德国i n d r a m a t 公司的m t c 2 0 0 都是类 似的这种模式。 第三种叫扩展式，即p c + c n c 接口板。将c n c 接口板插入到p c 机的标 准插槽中，这里的p c 是不需要改造的通用p c ，整个系统由p c 扩展而成。个 人计算机即完成前端管理等非实时性任务，又完成如实时插补、伺服控制、 电源控制及i o 控制等一些实时任务，c n c 接口板则担任沟通p c 接口和物理 驱动器连接的任务，能够最大限度地利用p c 的软硬件资源。 近年来，我国也走上了数控技术开放式的道路，提出了建造多c p u 及双 总线结构的开放式数控系统，如华中i 型、蓝天i 型、航天i 型等。 开放式数控系统普及应用仍需一段时间。因为“： ( 1 ) 缺乏统一标准和认识。虽然包括非实时性的t c p i p 协议在内的各 4 第一章绪论 种网络协议己比较成熟，但诸如开放的现场总线标准规范的制订还很不成熟， 仍需要一段时间，并且，缺乏实时性的传输控制协议( t c p i p ) ，这给开放式 数控系统的开发应用及推广带来一定困难。同时，关于“开放”的概念，学 术界和工业界都各执一词，还没有形成统一的认识。因此，各厂商为顺应“开 放数控”的潮流纷纷推出“形开放”的产品。 ( 2 ) 经济利益的原因。开放式控制系统体系结构的推出，将迫使各大机 床和控制器厂商投入大量资金进行售后服务和人员再培训。另外，这种体系 结构的推出，将会有更多的公司参与市场竞争，会导致传统数控供应商的市 场份额下降。所以开放式控制系统概念已提出十几年，各厂商却迟迟不推出 完全开放型的产品。 ( 3 ) 技术原因。由于开放式控制系统出现的时间较晚，许多n c 的控制 算法和功能的开发还有待发展。如基于复杂曲面加工的特殊要求，还依赖于 传统数控技术，用户还难放弃技术成熟的传统c n c 。并且到目前为止，还没 有真正解决w i n d o w s 操作系统的实时控制问题。 ( 4 ) 开放式控制系统平台的获益者将是控制系统集成商。对于最终用户， 如对数控功能的变动有新的要求，出于安全和专业分工的特点，不会自己改 变系统，仍会依赖于系统集成商进行设备改造。 1 3 卷板设备数控系统的若干关键技术 1 3 1 数控系统硬件平台的构建技术 数控系统硬件平台的构建是否合理是开发卷板设备数控系统的关键技术 之一。目前，国内外研究的开放式数控系统概括起来有三种模式：n c + p c 、 p c + 适配器、p c + c n c 。在此，采用了“p c + 适配器”的方案，这是目前研究 开放式数控系统最为流行的一种。从前面的叙述中我们知道，所谓的“适配 器”即n c 卡，其种类是很多的，但从性能和价格方面比较，选美国d e l t a t a u d a m s y s t e m 公司的p m a c ( 可编程多轴运动控制器) 卡是比较合理的。因此， 能否正确地掌握p m a c 与上位机的接口与通讯技术便成为开放式数控系统开 发的首要前提。 1 3 2 上位机和下位机的实时通讯技术 上位机与下位机的实时通讯是利用d d mt a ud a ms y s t c m 公司提供的与 p m a c 相配套的p t a l k d t 类实现的。p t a l k d t 类通过添加a e t i v e x 的方式加以 实例化，并由其中的g e t r e s p o l l s e ( ) 方法完成双向通讯。上位机与下位机通 讯的速度取决于主计算机的主频、p m a cc p u 的速度，以及系统程序和下位 机控制程序的大小。 5 第一章绪论 1 3 3 数控系统的抗干扰能力 卷板设备工作环境恶劣，尤其是电网电压极不稳定，很容易冲击数控系 统，造成死机。其结果轻则产品报废，重则损坏设备，损失难以估量。为了 防止数控系统因电源干扰而产生控制失误，系统专门配置了响应速度小于 0 1 m s 的在线不问断稳压电源。除此之外，系统还在软件设计上进行了必要的 处理，为每个动作编制了滤波程序。 1 4 课题提出及研究意义 卷板设备由于其消耗功率大，工作条件恶劣，因此国内普遍采用强电控 制，手动操作的方式进行生产。这种生产模式效率低，难以保证加工精度的 一致性，已远远不能满足市场对数量与质量的要求。与此同时，近年来数控 技术飞速发展，特别是工业控制机的广泛应用和开放体系结构的提出，使得 大型卷板设备数控化成为可能。目前，国外已有商品化数控卷板机上市，国 内也开始生产数字控制的卷板机，无论是国外产品还是国内产品，从数控技 术的实现上看，还没有达到令人满意的效果。还不能根据坯料的材质，尺寸 等，自动计算加工全过程的各种参数，而是需要较多的人工干预。针对上述 缺陷，海洋石油工程股份有限公司提出了“卷板设备数控系统研制与开发”。 该项目的研制属于特殊专用数控系统及设备的研究与开发，是典型的机 电一体化范畴。该项目的研究成果将使我国掌握自动卷板的核心技术，在卷 板领域赶上并超过国际先进水平，为今后研制全自动卷板设备打下基础。 1 5 课题研究的主要内容 卷板设备是海洋石油导管架、海上采油平台及锅炉等成型容器制造工程中 的关键设备。本研究旨在实现大型卷板机的数字化控制、自动化操作，以取 代手工操作，提高生产率，并将检验质量转化为控制质量。 本文结合卷板设备数控系统的研究与开发，提出了以p m a c ( 可编程多 轴控韦4 器) 为控制核心，工控机为系统支撑单元的双c p u 开放式数控系统。 总体思路为在弹塑性变形理论基础上，分析卷制工艺、正确确定材质弹塑性 变形量及回弹指数，核算设备运动及动力参数，创造性地建立了板材卷制的 数学模型；合理设计卷制工艺，编制计算机程序，采用计算机程序控制；研 制基于p m a c 的开放式数控系统，实现大型板材工件数控卷制。 全文内容如下： 第一章本章阐述了课题研究的背景和意义，介绍了卷板设备和开放式 数控系统的国内外发展现状和存在问题。 6 第一章绪论 第二章本章介绍了三辊不对称卷板设备的结构特点，并对三辊不对称 卷板的运动学及动力学进行了分析。 第三章本章从卷板的工艺过程入手，对一次进给和二次进给卷板工艺 进行了研究，分析卷板的弹塑性变形，建立了三辊不对称卷板的数学模型， 给出了卷板的几何参数计算，并深入研究了一次进给卷板和二次进给卷板的 验算，为编制数控化的p l c 程序打下了基础。 第四章本章提出了卷板设备数控系统的总体方案，以p m a c ( 可编程 多轴控制器) 为控制核心，工控机为系统支撑单元的双c p u 开放式数控系统， 详细介绍了数控系统硬件的搭建，并且采用面向对象的设计思想，以 w i n d o w s 9 8 操作系统和d e l p h i 语言作为开发平台，采用模块化设计技术，编 制了数控系统各控制模块。 第五章本章设计了卷板设备外部电气控制电路。 第六章本章根据实际应用过程中所面临的一些干扰问题，介绍了卷板 设备数控系统的主要干扰形式，从硬件和软件两个方面分别研究了抗干扰的 措施，使数控系统更为可靠。 第七章课题的结论与展望。 7 第二章三辊不对称卷板的运动学及动力学分析 第二章三辊不对称卷板的运动学及动力学分析 2 1引言 三辊不对称卷板机又称上辊万能式三辊卷板机，它既可以实现对称卷板， 也可以实现不对称卷板。本章研究了上辊万能式三辊卷板机( 三辊不对称卷 板机) 的结构特点，在此结构特点的基础上对三辊不对称卷板的运动学及动 力学进行分析。这是建立三辊不对称卷板的数学模型、进而编制卷板工艺的 理论基础，也是卷板设备数控化的依据。 2 2 上辊万能式三辊卷板机的结构特点 上辊万能式三辊卷板机的结构如图2 1 所示： 图2 1 上辊万能式三辊卷板机结构图 该种机型采用上辊横移的方式实现不对称弯曲，横移电机通过皮带轮、 圆柱减速器、蜗轮减速机、丝杠螺母带动左、右机架及上辊实现横移，具有 良好的同步性、机械自锁性和移动的平稳行等优点。由于上辊的升降和横移 行程均采用线型磁尺传感器进行数字显示和控制，精度可达0 1 m m 。横移电 机自带制动器，可以使上辊准确地停在所需位置。使用过程中，如果横移电 机的功率小于实际载荷时，皮带和皮带轮之间将发生打滑，可以保护设备不 受损。 由于该种机型的下辊只有旋转动作而没有移动动作所以在每个下辊的中 部各设有一个支撑辊及托辊，以减小下辊的变形挠度保证了所卷简体的质 量。托辊采用丝杠螺母、斜铁来调整自身的高度，可以方便的调至托辊和下 辊紧密贴合。 该种机型采用一台下辊驱动电机，通过行星减速器、开式齿轮直接驱动 第二章三辊不对称卷板的运动学及动力学分析 两个下辊旋转，使设备结构紧凑、重量轻、占地面积小。卷板机不对称弯曲 时，靠近上辊一侧的下辊所需驱动功率远远大于另侧下辊所需的驱动功率， 约占总驱动功率的6 0 7 0 。如采用两下辊单独驱动方案，则两台驱动电机 的总功率约为单台驱动电机功率的1 3 倍。对于具有不对称弯曲功能的卷板 机，采用一台下辊驱动电机明显优于采用两台下辊驱动电机。下辊单独驱动 方案适用于对称式三辊卷扳机。 上辊万能式三辊卷板机采用液压传动实现上辊的升降，上辊的两个液压 缸既可同步动作，亦可单独动作，可以方便地将上辊调之水平或倾斜( 用于 卷制锥筒) 。对于有些种类的上辊万能式三辊卷板机上辊的升降和加压还可以 分别用快慢两种速度，以提高生产率。翻倒架的翻倒和复位是由液压缸驱动 的，在卷制的过程中，液压缸保持一定的压力，这样可以避免翻倒架由于卷 制时间过长而发生倾斜。其液压系统图如图2 2 所示。 2 3 三辊不对称卷板的运动学及动力学分析 卷板机在卷板时，是通过下辊正、反转使板料来回送进，上辊下压，使 板料产生变形。当需要对称卷板时，上辊不必横移，若是不对称卷板，上辊 应在一定的高度进行横移，其运动关系参照图2 3 具体描述如下： 图2 3 卷板运动关系图 对于上辊万能式三辊卷板机，上辊的横移定义为x 轴( 向板料送进的方 向为正，其在两下辊正中间位置时x 为0 ) ，上辊的升降定义为y 轴( 向下为 正，上辊在最高点时y 为0 ，上辊的升降分为翻倒侧升降y f 和固定侧升降 y g ) ，下辊的旋转定义为z 轴( 向板料送进的方向旋转为正，其0 位置是在卷 板开始时设置的) ，而使下辊产生预变形的托辊的升降定义为h 轴( 向上使下 辊产生变形为正，其0 位置在托辊和下辊接触的临界位置) 。 卷板时，由送料装置送迸板料，当板料和下辊接触后，可以由下辊正转 送进板料，之至板料和挡料装置接触，这时上辊在0 位置，此过程由手动完 9 第二章三辊不对称卷板的运动学及动力学分析 图2 2 液压系统图 i o 第二章三辊不对称卷板的运动学及动力学分析 成。正式卷板开始后，根据下传的各种位置参数，卷板机自动完成卷制全过 程，即按照卷板工艺，顺序完成各工步。对称卷板和不对称卷板的唯一区别 在于上辊是否参与横移运动，上辊有横移运动的是不对称卷板，上辊不横移 的是对称卷板。 以上研究的是上辊万能式卷板机的运动关系，在明白其运动关系后，从 以下几个方面对其运动学和动力学进行分析，提高板料卷制精度，降低其卷 制的形状误差： ( 1 ) 对中。对中的目的是使工件母线与辊轴线平行，防止产生扭斜，如 图2 5 中( 1 ) 所示。对中可以由挡料板来实现，使板料前端紧贴挡料板，并 使挡料板居板料的正中央，即板料居辊轴的中间。 ( 2 ) 预弯。平板 ii 两端各有一段长度由 于没有接触上辊不发 生弯曲，称为剩余直 边。工艺上把平板开 始弯曲的最小力臂叫 理论剩余直边，其大 小与设备及其弯曲形 式有关。为了避免板 料从工作辊间脱落，实 ( a ) 对称弯曲( b ) 不对j ；鲁弯曲 图2 4 不同弯曲形式的理论剩余直边 际剩余直边常比理论值大。对称弯曲时为( 6 2 0 ) t ，不对称弯曲时为对称 弯曲的l 6 l 1 0 。由于剩余直边在矫圆时难以消除，并造成较大的焊缝应力 及设备负荷，容易造成质量和设备事故，故卷制前必须应对板料进行板边预 弯，使剩余直边接近理论值。本机是不对称弯曲，具有预弯边的能力。 ( 3 ) 左右两液压缸升降同步性。在卷制过程中y 轴的同步性是很重要的， 因为不同步将会卷出锥筒，如图2 5 中( 2 ) 所示，y 轴的同步性是由液压缸 来完成的，如果液压缸不满足要求时，可以由软件编制y r y g 轴的同步程序。 由前面介绍的上辊万能式卷板机的结构特点可知，在卷制锥筒时，y f 、y g 轴 是可以不同步的，这使卷板运动要求变得更为复杂，既要满足同步的要求， 还的具备不同步的条件。 ( 4 ) 左右两液压缸下压、上升速度与下辊回转速度的匹配。如果这两个 速度不匹配的，将无法按照自动卷圆工艺进行自动卷制。在卷板过程中的压 头是由y 轴和z 轴联动完成的，这对卷板设备y 轴和z 轴的运动具有严格的 要求。由于y 轴运动是由液压传动来实现的其速度快慢是通过调节电磁阀 第二章三辊不对称卷板的运动学及动力学分析 的流量实现的：z 轴是由电机通过变速箱来带动的，其速度由电机转速和变速 箱传动比决定，这基本是定值，不易调节。当z 轴转动，同时y 轴同步下压、 上升完成卷边时，y 轴的速度必须调节到使这种联动能够完成卷边，并且精 度控制在误差要求的范围内。如果液压缸下压过慢，卷边量未达到要求，将 产生图2 5 中( 3 ) 所示形状：如果液压缸下压过快，卷变量过多，将产生图 2 5 中( 4 ) 所示形状。这样都将造成其卷制的形状误差过大。 圈( d oo 图2 5 卷制圆筒的形状误差 ( 5 ) 复位缸保压。卷扳机翻倒架的翻倒和复位是靠液压缸实现的，在卷 制的过程中，液压缸必须保持一定的压力，这样可以避免翻倒架由于卷制时 间过长而发生倾斜，致使卷制精度下降。其功能实现可以参照其液压系统图。 ( 6 ) 回弹与过卷量。在卷板机上卷制篱体，板科弯蓝的回弹因素必须加 以考虑，尤其是冷卷时，回弹更是显著。目前，大部分卷制简体的工作还是 凭经验操作，虽经过多次试卷制。 制简体的过程中考虑了回弹因素。 将规定卷制的简体尺寸适当卷小， 及加入了一定的过卷量，但如何具 体确定过卷量及如何确定回弹前的 简体内径，仍然是难以解决的问题。 弯曲回弹的表现形式有两种，如图 2 6 所示。 曲率减小。曲率由卸载前的 11 二减小至卸载后的回弹量为 pp 还是很难达道理想的圆筒尺寸。虽然在卷 图2 6 弯曲回弹的表现形式 苎三兰三堡至翌整鲞堡塑薹垫兰墨垫垄兰坌曼一 4 一p 寺= 半学p e r 式中卜一曲率变化量： p 回弹前平均曲率，m m ； p7 一回弹后平均曲率，m m ； e 弹性模量； u 一泊松比； t 板料厚度，m m ； m 一一回弹前板内弯矩，n 衄。 弯角减小。弯角由卸载前的n 减小至卸载后的t l 。回弹角an = n a 。 在卷板机卷制简体的过程中，影响回弹的因素是多中的，主要有以下几种： 板料的力学性能。板料的屈服强度6s 越大，硬化指数n 越大，弹性模 数e 越小，回弹量越大。 变形程度三。在其相同的条件下，角度回弹量随二值增大而增大；曲率 回弹量随! 值增大而减小。 t 弯曲角n 。n 越大，变形区长度越大，n 越大，对曲率的回弹无影响。 卷板的工艺。冷卷回弹量最大，温卷次之，热卷无回弹量；一次卷制回 弹量大，二次卷制回弹量小。 过卷量可由第三章中( 3 - - 1 ) 式确定。 ( 7 ) 允许变形率。冷卷时不得超过允许的最大变形率，变形率f 通常按 外部纤维伸长率计算： 对于简体 1 一旦 p 5 0 t 生 月 对于卷制球形工件 l 一旦 s ：6 5 f 月 式中t 板厚，n l i i l ； r - 一简体或球体平均半径，m m ； 第二章三辊不对称卷板的运动学及动力学分析 r 。简体或球体原始平均半径，m l t l ，平板r o = 。 冷卷极限变形量为5 ，高强钢应更低：( 2 5 3 ) 。 ( 8 ) 设备条件。设备条件指的是不打滑条件和功率条件，不打滑条件是 指送进板料的扭矩必须大于克服摩擦而消耗的扭矩，功率条件是指卷板机的 额定功率必须大于或等于实际所需功率，其具体计算详见第三章。 ( 9 ) 送进板料所需拉力。送进板料所需的拉力可由下式计算： f = m 0 t d 电f 2 1 式中m n 为总驱动扭矩，d b 为下辊( 主动辊) 直径，具体计算见第三章。 ( 1 0 ) 上辊加载问题。由于卷板设备上辊升降液压缸的最大压力是有限 的，因此，卷制板材的最大厚度也是有限制的，如果卷制上位机验算未通过 的板材，极有可能造成液压缸受损，这是应注意的。 2 4 小结 本章从卷板设备的结构入手，重点介绍了上辊万能式三辊卷板机的结构 特点，并对上辊万能式三辊卷板机的运动学及动力学进行了分析，这是编制 卷板工艺所必须了解的，也是卷板数控化所必须了解的。 1 4 第三章三辊不对称自动卷板工艺过程研究和数学模型的建立 第三章三辊不对称自动卷扳工艺过程研究 和数学模型的建立 3 1 引言 要想使三辊不对称卷板工艺过程自动化，需要根据被卷板材的几何参数， 如板厚、板宽、卷制曲率；力学参数，如板材屈服极限、强度极限等来确定 卷制工艺参数，计算过程是根据数学模型，由计算机来完成的。计算机得出 的工艺参数和演算结果，通过人机对话予以确认，最终依此参数和预先按自 动卷板工艺编制的运动程序，完全实现板材自动化卷制。 按卷制曲面的形状不同可分为单曲率卷制( 如圆柱面、圆锥面等) 及双 曲率卷制( 如球面、双曲面等) ，本章及以后的章节均是针对单曲率卷制中圆 柱面的卷制进行分析。本章首先研究了自动卷板工艺过程，在此基础上给出 了三辊不对称卷板的几何参数计算，最后导出了一次进给和二次进给不对称 卷板验算的数学模型，这是实现卷板工艺自动化的理论依据。 3 2 自动卷板工艺过程研究 3 2 1 卷板工艺过程分析 卷板过程基本分为三个阶段：第一是上料找正阶段，这个阶段采用半自 动方式；第二是卷制阶段，需要实现自动和手动双重功能，并且二者可适时 切换；第三是点焊落料阶段，这一阶段也采用半自动方式。 卷板是用卷扳机对板料进行连续三点弯曲的过程。按卷制温度不同可分为 冷卷、热卷及温卷。按卷制曲面的形状不同可分为单曲率卷制( 如圆柱面、 圆锥面等) 及双曲率卷制( 如球面、双曲面) 1 2 2 | 0 其一般卷板工艺为： 1 预弯 平板两端各有一 段长度由于没有接触 上辊不发生弯曲，称 为剩余直边。工艺上 把平板开始弯曲的最 小力臂州理论剩余直 边，其大小与设各及 其弯曲形式有关。为 了避免板料从工作辊 间脱落，实际剩余直 ( a ) ，t 称窜曲 ( b ) 不对称弯曲 圈3 1 不同弯曲形式的理论剩余直边 第三章三辊不对称自动卷板工艺过程研究和数学模型的建立 边常比理论值大。对称弯曲时为( 6 2 0 ) t ，不对称弯曲时为对称弯曲的1 6 1 1 0 。由于剩余直边在矫圆时难以消除，并造成较大的焊缝应力及设备负荷， 容易降低质量和造成设备事故，故卷制前必须对板料进行板边预弯，使乖i 余 直边接近理论值。本机是不对称弯曲，具有预弯边的能力。 2 对正 对正的目的是使工件母线与辊轴线平行，防止产生扭斜。 3 卷圆 卷圆的方式分为一次进给与多次进给。冷卷回弹量显著，需加一定的过卷 量。 4 矫圆 一般分为三个步骤：( 1 ) 加载，根据经验或计算将辊筒调到所需的最大矫 正曲率位置：( 2 ) 滚圆。将辊筒在矫正曲率下滚卷l 2 圈( 着重滚卷近焊缝 区) 使整圆曲率均匀一致；( 3 ) 卸载。逐渐卸除载荷，使工件在逐渐减少的 矫正载荷下多次滚卷。 3 。2 2 一次进给自动卷板工艺过程 从整个卷板工艺过程可以看出，需要数控系统自动完成的功能包括：( i ) 根据操作人员输入的卷板尺寸和扳材材质参数，计算卷板机各个运动部件在 不同卷制阶段的理论位移量：( 2 ) 根据理论计算，控制下辊旋转驱动电机、 上辊横向移动电机和升降液压缸控制阀协调工作，自动完成预弯、对中、卷 圆、矫圆全过程。 向计算机输入需卷 制工件的直径、板宽、板 厚、材料机械性能等参 数，计算机将进行一次进 给或二次进给验算。如果 一次进给验算通过，则不 再进行二次进给验算，而 是直接给出一次进给的 上辊水平移动量x ，上辊 的垂直下压量m ，以及板 料的进给量即下辊旋转 量z 。 将板料送入上下辊之 间( 这步是半自动实现的) ， b c d 图3 2 自动卷板工艺过程图 由挡料板找正定位，上辊向后移到羔。并下降 第三章三辊不对称自动卷板工艺过程研究和数学模型的建立 到y ，刚好与板材接触( 如图3 2a ) ；驱动下辊反转z ，使板材的前端刚好 位于下辊中心线上( 不致使板材脱落) ；上辊下降到弦，同时下辊正转( 如图 3 2b ) ，通过旋转编码器，使板材的后端达到与下辊接触时停止( 如图3 2c ) ， 一边的直边得到卷制；上辊下降到归进行压头；接着上辊回到弦，同时下辊 反转；使上辊升到必，并移到前端x 处，进行板材另端的直边卷制及压头 ( 如图3 2d ) 。之后的矫圆工序视情况而定，需要矫圆的可以自动矫圆，不 需要矫圆的即可点焊落料，在翻倒架翻倒后即可取出工件。根据整个工艺过 程，可以编制一次进给的自动卷圆工艺，这为编制数控化的全自动p l c 程序 打下了基础。 3 2 3 = 次进给自动卷板工艺过程 如果不满足一次进给自动卷制，要想自动卷制则必须进行二次进给验算。 如果二次进给验算通过，则应取d w o 7 作为二次进给卷制中第一次卷制的直 径，其卷制工艺与一次进给卷制工艺相同，只是参数有别。在二次进给卷制 的第二次卷制时方可达到成品直径，用通俗的话说即第一次卷成稍大一点的 直径，第二次时在第一次的基础上将直径卷小，达到成品直径。其自动卷制 工艺的编制可仿照一次进给工艺的编制，在此不在累述。 如果二次进给验算还不满足，可以进行三次、四次或更多次进给验算，直 到满意为止。但在工程实际