（机械制造及其自动化专业论文）数控弯管机的研究与开发.pdf

数控弯管机的研究与开发 搐要 本论文介绍了常用的弯曲加工方法和弯管设备，分析了国内外数控弯管机 的现状及发展趋势；研究设计了s t a r 0 3 w 数控系统的伺服运动控制模块、电液 伺服控制模块及其机械、电气、液压系统，并探讨了数控弯管机中电液伺服系 统的控制理论。通过对弯管工艺的分析，本文在研究弯管机工作原理和控制系 统的基础上，以面向对象编程技术为手段，设计和开发出了基于工业p c 和 w i n d 0 w s9 8 的双模数控弯管机数控系统，通过调试已成功应用于s t a r 0 3 w 数 控弯管机上；同时，也对在w i n d 0 w s9 8 平台下开发数控系统所存在的实时性问 题提出了解决方法。 结果表明，所开发的s t a r _ 0 3 w 数控弯管机不仅满足了实际生产要求，而且 大大提高了生产效率和加工质量。 关键词：数控弯管机：工业p c ；伺服运动控制；电液伺服系统；伺服阀 r e s e a r c ha n dd e v e l 叩m e to fn u m e r i c a lc o n t r o l b e n dp i p en ，b c h i n e a b s n 叠c t t h i sp a p e ri n 仃o d u e 船t h ec o m m o nb e n dp i p ep r o c e s sm e t h o d sa 1 1 db e n dp i p e e q u i p i n e n t sa n a l y z c sd 把a c t u 越i t y 姐dd e v e i o p m g 讹n do fb e n dp i p em a c h i n ea t h o m oa n da b o a r d ；s f u d i e s 如dd e s i p 即e ss e r v o c o n 订o lm o d u l e 、e l e c t c h y d r a u l i c s e n r o - c o d 廿_ o lm o d u l ea n dm e c h 姐i c a l - e l e c t r i c h y d r a u l i c p r e s s u r es y s t e mo f s 1 a r 一0 3 w ；d i s c u s s e st h ec o n l r o l _ t h e o r yo fe l e c t r i c h y d r 卸l i cs e r 啪s y s t e mi n n u l n e c a ic o n t r 0 1b e n dp l p em a c h i n e 0 nt h eb a s i so fr e s e 盯c ho fb e n dp i p e m a c m n e sp r i n c i p l e 锄dn 岫舐c 1c o n t m ls y s t c l n ，b ya 1 1 a l y z i n gb 姐dp i p et e “c s a 1 1 da d o 曲n gm i c r o s o f 【w i n d o w s9 8s y s t 锄a n do b j e c to d e n t e dp r 0 舒锄m i n g t e c h n o l o g y ，d e s i g n s柚dd e v e l o p sn 州c a lc o n t m ls y t e m o fd o u b i e m o d e l n u m e r i c a lc o n t r o lb e n dp i p em a c h i n eb a s e do nt h ci n d u s 竹yp ca 1 1 dm j c f o s o f t w i n d o w s9 8s y s t c m f u r t h e rm o r e ，血i sp 印盯o f 琵r sar e s o l v c n tf o rr e a l - t i m e n u m e r i c a lc o n d is y t e md e v e l o p e db a s e do nw 愀w s9 8p i a 墒r n l p r a c t i c e i n d i c a t e s t h ms 1 a r 0 3 w n 哪盯i c a l c 0 n t r o l b e n d p i 口e m a c h i n e l e e t s l en e e do fp r a c 廿c a ip r o d u c t i n a t l di m p r o v e sp f o d u c t i o ne 衔c i e n c ya n dm a c l l i n g q u a l i t 矿 k e yw o r d s ：n 啪e r i c a lc o 1b e dp i p em a c h i n e ；h l d u s 妇1p c ；s e r v 。- n l o t i o n c o n 廿o i ；e l e c t r i c 小y d r a m i cs e n r o - c o n t r o is y s t e m ；船r v o v a l v e 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：易弦乐 拓碰韵向她蟛 委员：棼至凑翻鳓晷仑胆趔髻庶 l 争勿彩经食i 够分阢 孺? 童饥饿大乏弓1 敞 苌、鼓吖刁别教维冷胆上参坼 导师：徉p 知錾念畔彳 插图清单 图卜l 滚弯工作原理示意图，2 图l 一2 压弯工作原理示意图。2 图卜3 型模式冷推弯管示意图2 图卜4 芯棒式热推弯管示意图，2 图卜5 绕弯工作原理示意图3 图卜6 有芯弯管原理图，3 图卜7 中频弯管原理图4 图l 一8 钢管的热应力弯曲，5 图卜9 有芯弯曲工作原理简图，6 图l 一1 0 有芯弯管反弹示意图7 图卜“多功能弯管机组成简图，8 图卜1 2d b 8 0 b ( c n c ) 弯管机外形图，。，。，9 图l 一1 3 弯管机外形图和加工工件图1 0 图2 1s t a r 0 一0 3 w 双模电液数控弯管机工作原理图1 2 图2 2s t a r 0 3 w 弯管机钳口夹紧装置示意图。1 3 图2 3 数控弯管机系统结构图，1 5 图2 4 数控弯管机液压系统原理图1 7 图2 5 气动润滑原理图1 8 图3 一l 电液伺服控制系统的功能方框图2 2 图3 2 电液伺服阀的结构图2 3 图3 3 模糊控制系统的组成2 5 图3 4 种典型的多层神经网络，2 6 图3 5 全自动电动数控弯管机硬件结构图，2 7 图3 6 全自动电液数控弯管机硬件结构简图2 8 图3 7 半自动数控弯管机硬件结构简图2 8 图3 8 数控弯管机软件系统结构简图，2 9 图4 一ls t a r 一0 3 w 数控弯管机硬件结构图，3 0 图4 2 输入输出卡p c i 1 7 5 6 结构图，3 1 图4 3 计算机控制的弯管机液压伺服系统3 3 图4 4 数模转换卡p c l 一7 2 8 结构图。，。，3 3 图4 5 运动控制系统结构框图，3 6 图4 6 运动控制卡p i s o p s 3 0 0 结构图，3 7 图4 7p i s 0 一p s 3 0 0 与端子板d b 一8 r 的连接图3 8 图4 8 电机运动控制硬件结构图，3 9 图4 9 半闭3 = _ i f ：伺服系统结构框图 图5 一ls t a r 0 3 w 数控弯管机软件结构图 图5 2 硬件驱动程序编制流程图 图5 3s t a r 0 3 w 数控弯管机主操作界面， 图5 4x y z 坐标参数设置界面 图5 5y b c 坐标转换界面 图5 6 段空间管件的投影图， 图5 7 自动加工人机界面 图5 8 自动加工程序流程图， 图5 9 手动调整界面 图5 1 0d a 转换板输出电压随弯曲角度变化图 图5 1 l 系统参数修改界面 图5 1 2 故障诊断界面 蛎媳的虬嬲弱盯船的 表2 1 弯管机控制参数 表4 一lp c l 一7 2 8 基地址选择表 表格清单 1 4 3 5 独创性声明 本人声明所警交的学位论文是本人在导9 m 指导下进行的研究j 二作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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金e e 王丝塞堂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谢 意。 靴敝储签湖辩醐州 肋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒自b 工些本坐有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅或借阅。本人授权金 篷王些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：研 导师签名 谗凡 0 签字目期知，譬年妒月叫日签字日期：c 万年y 月。 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 光阴似剑，转眼间我的硕士学习生涯即将过去，在己逝去的日日夜夜里， 无论是在学习、科研，还是生活方面都得到了许多老师、朋友和同学的鼎立相 助，或许感谢的语言是苍白无力的，但所有这些我将永远铭记在心。 首先，要感谢我尊敬的导师韩江教授! 在近三年攻读硕士学位期间，韩老 师不但在课题研究上给了我热心指导而且在生活上也悉心关照。韩老师渊博的 知识、严谨求实的治学态度、诲人不倦的指导作风以及勇于开拓的迸取精神， 是我今后学习和工作的楷模。从开始收集论文材料到选题、开题直到完成论文 的每个阶段，韩老师都严格把关、耐心审阅。同时，韩老师对人平和、亲切， 教会了我平易近人的待人处事方式。 其次，要感谢合肥工业大学机械与汽车工程学院袒垣、丁苏赤、何高清、 李良初、翟华和韩春明老师。我是在他们的指导和帮助下才完成了本科研项目 的成功验收和本论文的撰写。在这里尤其要感谢祖垣老师在课题研究中给我的 教导和在生活中对我的关心。 本论文的完成还要感谢c i m s 所王治深教授、夏链老师、吴焱明老师。他们 丰富的实践经验、耿直、开朗的性格以及忘我的工作精神给我留下了深刻的印 象，令我敬佩与叹服。 感谢江淮汽车集团公司杜公权总工、夏春秋和张怀民师傅对我在江汽做课 题期间所给予的支持与帮助。 感谢我的同学余道洋、方兴、胡朝斌、曹斌、蒋克荣、高荣博士，使得我 能够在平时学习过程中与他们互相交流、互相帮助、不断提高。 感谢师弟王建兵、郭建强、姜烧林、潘斌、成勇、程治等绘我的帮助! 衷 心祝各位前程似锦! 最后，特别要感谢父母的养育之恩，是父母亲数十载的辛劳、一如既往地 期待与支持，使我得以完成学业。感谢我的女友金琳，在课题研究和论文撰写 过程中，她始终如一的鼓励和支持才使我顺利完成了课题的研究和论文的撰写。 对他们的感激之情无法言表，我只有在今后工作、生活和学习中用辉煌成就来 汇报他们的殷殷之情。 作者：唐长平 2 0 0 5 年4 月 第一章绪论 冷冲压是一种先进的金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上， 利用模具和冲压设备对板料金属进行加工，以获得所需要的零件形状和尺寸。 冷冲压和切削加工相比，具有生产率高、加工成本低、材料利用率高、产品尺 寸精度稳定、能成形复杂零件及适合大批量生产等一系列优点，在机械、航空、 汽车、电子、轻工和家电等工业部门生产中应用广泛。冷冲压工艺大致可区分 为分离工序与成形工序两大类【1 j 。 弯曲属于冲压工艺中的成形工序，是最为普遍的成形方法。弯曲成形就是 将金属材料弯成一定的角度、曲率和形状。弯曲成形的应用广泛，在冲压生产 中占有十分重要的地位。弯曲可以在压力机上使用弯曲模压弯，也可以在弯板 杌、弯管机、滚弯机和拉弯机上进行。弯曲材料有板料、棒料、管材和型材【2 】【引。 管材的弯曲加工，在汽车、电子、石油化工、管道工程、航空航天等工业 部门，占有十分重要的地位，用管材制造的弯曲零件，无论是平面弯曲件，还 是空间弯曲件，除大量应用于气体、液体的输送管路外，在金属结构中的应用 也十分广泛。采用管材弯曲加工管件，除了常用钢、铜、铝管外，也使用各种 合金及其他金属管作为管坯f 4 】。弯管质量的好坏，将直接影响到这些行业产品 的结构合理性、安全性期可靠性。为了满足用户对不同形状、不月规格弯管的 需求，提高管材弯曲加工的质量和工效可以采用一些新技术来改善钢管的加 工极限，提高加工精度，增加钢管弯曲加工的柔性化程度，防止因弯曲变形而 产生的钢管内侧起皱、外侧壁厚减薄以及歪扭等形状的不规则变化f 5 j f 6 】。 1 1 管材弯曲加工的种类及技术现状川 管材弯曲加工的方法很多。按成形方法来区分，主要有滚弯曲、模弯曲和 无模弯曲三种。按弯曲时加热与否，可分为冷弯曲和热弯曲。按弯曲时有无填 充物又分为有芯( 填料) 弯管和无芯( 填料) 弯管。近年来，管材弯曲成形技术 取得了新进展，相继开发出了零半径钢管弯曲加工、热应力弯曲和激光弯曲成 形等最新技术。 l 1 1 滚弯 滚弯是用三个驱动辊轮对管材进行弯曲加工的加工方法，其工作原理如图 卜l 所示。滚弯方法及滚弯机工作原理与板材滚弯基本相同，区别仅在于管材滚 弯所用的辊轮具有与弯曲管坯断面形状相吻合的工作表面。通过改变辊轮的阈 隔，就可作各种曲率半径的弯曲，尤其对弯制环形或螺旋线形管件特别方便。 不过，滚弯方法对弯曲半径有一定的限制，仅适用于曲率半径要求大的厚壁管 件。 图1 1 滚弯工作原理示意图图卜2 压弯工作原理示意图 1 1 2 模弯曲 模弯曲是一种钢管在弯曲模型中实现弯曲的成形过程，它包括压弯、推弯 和绕弯三种方式。 ( 1 ) 压弯 压弯是最早用于管材弯曲加工的工艺方法。如图卜2 所示，它是在液压机上 利用模具或胎具对管坯进行弯曲加工。压弯方法既可以弯制带直段的管件，又 可以弯制弯头。由于压弯具有生产效率高、模具调整简单等突出优点，故在生 产中一直被广泛应用。 ( 2 ) 推弯 推弯是在一般压力机、液压机上进行弯曲加工，主要用于弯制弯头。推弯 包括型模式冷推弯管和芯棒式热推弯管。型模式冷推弯管是在普通液压机或曲 柄压力机上，利用金属的塑性，在常温状态下将管坯压入带有弯曲型腔的型模 中，从而形成弯头。型模式冷推弯管装置如图卜3 所示。芯棒式热推弯管是在专 用推制机上，在推力和牛角芯棒阻力的作用下，边加热边推制，使管坯产生周 向扩张和轴向弯曲变形。从而将较小直径的管坯推制成较大直径的弯头，其工 作原理如图卜4 所示。 图卜3 型模式冷推弯管示意图图卜4 芯棒式热推弯管示意图 ( 3 ) 绕弯 绕弯是最常用的弯管方法，包括辗压式和拉拔式，其工作原理如图卜5 所示。 按弯管设备的不同，绕弯又可以分为手工弯管和弯管机弯管两类。 手工弯管是利用简单的弯管装置对管坯进行弯曲加工。它不需要专用的弯 管设备，弯管装置制造成本低，调节使用方便，但劳动量大，生产率低，主要 应用于小批量生产的场合。弯管机弯管是在立式或卧式弯管机上进行冷态弯曲 加工，是用得最多的一种弯管方式。目前，弯管机弯管主要包括有芯弯管、无 芯弯管和顶压弯管三种工艺方法。 ( a ) 辗压式( b ) 拉拔式 图卜5 绕弯工作原理示意图 有芯弯管是在弯管机上利用芯棒使管材沿弯曲模胎绕弯的工艺方法，其工 作原理如图卜6 所示：弯曲模胎4 固定在机床主聋由上并随主轴一起旋转，管坯5 的 一端由夹持块3 压紧在弯曲模胎上。在管坯与弯曲模胎的相切点附近，其弯曲外 侧装有压块1 ，而管坯内部塞有芯棒2 。当弯曲模胎转动时，管坯即绕弯曲模胎 逐渐成形。管件的弯曲角度由挡块( 图中未示出) 控制，当弯曲模胎转到管件要 求的弯曲角度时，则撞击挡块使弯曲模胎停止转动。 图卜6 有芯弯管原理图 1 压块2 芯棒3 夹持块4 弯曲模胎5 管坯 无芯弯管的工作原理与有芯弯管相似。它的结构比有芯弯管简单( 省去了芯 棒和芯棒的固定调整装置) ，工作原理与有芯弯管相同，只是没有芯棒支撑内管 壁，而是在管坯进入弯曲变形前，预先利用反变形装置( 如反变形滚轮和反变形 滑槽) 给以管坯一定量的反向变形。在弯曲后，由于不同方向变形的相互抵消， 使管坯截面基本保持圆形。无芯弯管与有芯弯管相比，既提高了生产率，又避 免了芯棒的消耗，省却了管内的润滑。 1 1 3 无模弯曲 对于大口径、厚壁及高强度钢管的弯制加工，最适宜的方法就是无模弯曲。 无模弯曲是利用局部加热代替弯曲模具和芯棒等工具进行弯曲加工的方法。按 加热方式的不同，可分为中频感应弯管和火焰加热弯管两种。中频弯管原理如 图卜7 所示，它是将中频感应圈套在管坯上，依靠中频感应电流将管坯加热到所 图卜7 中频弯管原理图 1 管坯2 支撑滚轮3 感应圈4 夹头5 转臂 需的高温，随即对加热部分进行弯曲，并在弯曲后紧接着喷水冷却，从而获得 所需的管件。火焰弯管的原理与中频弯管相同，只不过是用火焰加热豳代替了 中频感应圈来加热管坯f 8 】。 无模弯曲不需要模具，弯管成形质量好，弯管能力强，具有生产效率高、 劳动强度低的优点。由于无模弯曲的弯曲力臂自由回转，弯曲半径可随弯曲力 臂长度的变化任意改变，故其适应性比其他弯曲方法强。同时，由于加热线圈 与管材的形状无关，故利用无模弯曲代替弯模成形，可以巧妙地解决异形钢管 的弯曲加工问题。 1 1 4 零半径钢管弯曲如工 在制造空调装置、热水装置等的热交换器时，由于配管空间的限制，希望 钢管的弯曲半径愈小愈好。近几年，利用弯曲加工与液压相结合的方法成功地 开发出了弯曲半径为零的钢管弯曲加工技术。模具由上下模组成，在上下模内 插入钢管，管内施加内压p ，上下模具在推力w 的作用下相对移动，使钢管产生 零半径弯曲。为了防止弯曲变形时产生局部断裂，在钢管的两端施加压力f 。选 择适宜的内压力p 、压力f 和模具移动力w ，有利于减少钢管弯曲成形过程中产生 缺陷的可能性，从而得到成形性良好的弯管。 4 1 1 5 热应力弯曲 热应力弯曲是一种利用工件内部温度分布不均匀所产生的热应力来驱动工 件变形的特殊的成形方法，具有无外力、无模具、便于现场操作等优点。通常 产生热应力的方法是对工件进行局部加热或冷却。加热方式包括火焰局部加热 和加热炉内整体加热 冷却方式包括空冷、喷水冷却及浸水冷却【9 】。 由于钢管的形状所致，采用火焰加热和喷水冷却的方案难以形成合适的温 度场，工艺过程不易控制。2 0 0 0 年，北京机电研究所对管的热应力弯曲进行了 研究，确定了炉内整体加热后浸水冷却的方案，取得了较好的弯曲效果。如图 卜8 所示，管的热应力弯曲工艺是：先将管子整体加热到某一高温，然后以一定 速度水平浸入水中，直至管件完全冷却。 图卜8 钢管的热应力弯曲 l l 6 激光成形弯曲 激光成形是一种利用激光柬照射材料表面时形成的内部非均匀热应力场来 实现材料成形的新技术。通过调整激光加工工艺参数和选择合适的扫描轨迹就 能成形任意的弯曲件、异形件和其他复杂的三维曲面等零件。与常规成形相比， 其显著优点是： ( 1 ) 激光成形为无模成形，因而生产周期短、柔性大，特别适合小批量的大 型零件生产； ( 2 ) 激光成形为非接触式成形，变形时无外力作用，因而不产生回弹变形和 由此带来的问题； ( 3 ) 激光成形属热态成形，总的变形由多次扫描累积而成，故能够成形在常 温f 不易成形的难变形材料。 钢管的激光成形方法比较复杂，根据所要弯曲的几何形状不同，采取的激 光照射方法也大不相同。一般是先通过精确的有限元计算，然后确定照射方法 和照射区域及工艺参数。通过选择不同的照射区域就可以形成变化多端的形状。 激光弯曲成形加工成本较高，目前还未应用于工程实际。但是，由于它的先进 性和独特优势，在不久的将来必将获得广泛应用。 1 2 弯管机弯管要求和工艺分析【川 对管材进行弯曲加工，必须在充分考虑管材横截面形状特点和影响弯曲加 工的各种因素的基础上，注重解决以下问题： ( 1 ) 根据管件的材料、精度要求及相对弯曲半径r d 、相对厚度( d 为管材外 径、t 为壁厚、r 为管件中心层弯曲半径) ，选择合适的弯曲加工方法： ( 2 ) 采用适当的施加外力或外力矩的方法及采取必要的工艺措施，使管件的 截面形状畸变和壁厚变化量尽可能小： ( 3 ) 采用的弯曲模具及设备尽可能简单、通用，操作方便、安全。 从本章第一节的介绍中已经知道管材弯曲方法众多，由于本文研究的弯管 是建立在绕弯这种弯曲方式之上的，所以这里主要介绍绕弯这种弯曲方法。绕 弯是最常用的弯管方法，它分为手工弯管和弯管机弯管两类。考虑到本文的研 究对象是有芯自动数控弯管机，下面就此类弯管机的工作原理和弯管工艺进行 分析。从图卜9 有芯弯管机工作原理图可知：数控弯管机的弯曲模固定在机床主 轴上并随主轴一起旋转，管坯的一端由夹持块( 钳口) 压紧在弯曲模上，管坯 内部塞有芯棒；当弯曲模转动时，管坯即绕弯曲模逐渐弯曲成形。 图卜9 有芯弯曲工作原理简图 无论是普通弯管机还是数控弯管机，当管件弯曲到指定角度时，把先前所 加载荷卸掉后，弯管将发生回弹。管件回弹情形如图1 1 0 所示，其中e 为回 弹角度，它是回弹前工件弯曲角度8 变为回弹后工件实际角度9 。的代数差 e = o 。一e 。对质量要求不高的弯管制件。在特定的情况下，可以通过反变 形法控制管料截面的变形或采用回弹角度补偿的方法修正角度。 综上所述，数控弯管机的弯管工艺过程为：芯棒进到位一一装管件一一小 车上夹料筒夹紧一一小车运送一一空间旋转一一随动模夹持一一钳口模夹 紧一一弯曲轴弯管一一小车随动一一随动模随动一一弯管角度到位一随动模 回到位一一弯曲轴回零一一芯棒退到位一松开随动模夹持一一小车运送一一 空间旋转随动夹持一一芯棒进到位一一弯曲轴弯管如上所述重复循环进 行，到管件加工成形，所有加工动作回到初始位置，进入下次加工。 6 图卜l o 有芯弯管反弹不意图 1 3 常用的先进弯管设备【7 】 如前面所述，管材弯曲有很多方法，相应地也就有不同的弯管设备。在各 种方法中，绕弯是最常用的弯管方法。而绕弯最常用的设备是弯管机。因此， 弯管机是管材弯曲加工的主要设备。 弯管机的结构形式很多，按弯管时加热与否可分为冷弯管机和热弯管机两 类，按传动方式可分为手动、气动、机械传动和液压传动四种，按控制方式又 可分为手控、半自动、自动和数控四种。机械传动式弯管机结构简单，制造方 便，通用性大。液压弯管机传动平稳、可靠、噪音小，结构紧凑，能弯制不同 直径的管材。半自动控制的弯管机，一般只对弯管角度进行自动控制，主要用 于中、小批量的生产。自动控制的弯管机通过尺寸预选机构和程序控制系统对 弯管全过程( 送迸、弯管和空间转角) 实行自动控制，这种弯管机一般采用液压 传动，适用于大批量生产。数控弯管机能够根据零件图规定的程序和尺寸，通 过输入数据来实现弯管过程的全自动控制，它适用于大批量生产，龙其是管彳牛 尺寸参数多变的场合。 随着科学技术的不断发展，弯管机的型式目趋多样化，弯管性能也在大幅 度地提高。微型计算机、单片机、可编程控制器、先进的交流伺服系统以及新 型液压元器件和液压技术的应用，使弯管机的功能更趋完善。下面是几种常用 的代表目前国内外先进水平的弯管机。 1 3 1 机械传动式弯管机 常用的机动( 用蜗轮蜗杆驱动) 弯管机，能弯曲直径为a 1 5 一a 3 2 m m 的管材， 该弯管机由机架、蜗轮减速机、电动机及四副导轮等梳件构成。弯管时，先把 管坯装入相应直径的导轮副内，并用夹圈予以固定，然后开动电机，使活动导 7 轮绕固定导轮转动，便可完成弯管工作。机动弯管机的弯管能力不高，弯管精 度也一般，但由于它结构简单，制造方便，占地面积小，故目前还广泛应用于 中、小企业。 1 3 2 多功能弯管机 一般的弯管机每加工一种类型的管材，需加工一副型槽与管径一致、外形 与弯曲半径一致的模具。弯曲半径越大，管件批量越小，则模具费用越高，加 工周期越长。而且，往往需要在特制的模具上对大弯曲半径弯管的弯曲回弹超 差进行修整，既不方便，又增加了加工成本。多功能弯管机是江西省机械科学 研究所在普通弯管机的基础上研制出来的。它是一种生产准备周期短、模具费 用低、功能齐全、能满足多种批量弯管生产要求的新型设备。该弯管机的工作 原理及组成如图卜1 1 所示。 图卜1 1 多功能弯管机组成简图 1 弯管模2 夹紧模3 4 辊轮5 芯棒6 压力模7 防皱板8 夹头 与普通弯管机相比。多功能弯管机增设了辊轮及其附属装置。若要大规模、 大批量地生产尺寸精密的弯管件，只需卸下辊轮3 ，4 ，使无缝管在芯棒支持下 通过夹紧模进入弯曲模具，采用缠绕式弯管工艺即可将管坯弯成预定形状。对 于大弯曲半径、小批量、多品种的管件，则将夹紧模、压力模、夹头和芯棒卸 下，采用三辊轮弯管工艺来进行生产。由于辊轮3 ，4 的位置可以利用丝杆和螺 栓分别调节，使得辊轮与管件接触的三点a ，b ，c 所确定圆弧的曲率半径可进行 无级调节。这种相互位置可调的辊轮，在弯管过程中实际上起着模具的作用， 具有装拆方便、调节简易、一模多用的优点【1 2 】。 1 3 3 数控弯管机 数控弯管机是基于矢量弯管原理，按程序通过数字控制系统来弯曲用户所 需的任意空间立体管件的现代重要的先进弯曲加工设备，其执行机构主要包括 夹紧弯曲机构和管材送进旋转机构。随着微机技术的迅速发展，现在的数控 弯管机一般都采用微机控制，故也称为c n c ( c o 珂p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 。1 ) 系 列的弯管机。由于计算机可完全出软件来确定数字信息的处理过程，从而具有 真正的“黍性”，使数控系统的性能大大提高。 d b 8 0 b ( c n c ) 弯管机是英国a d d j s d n 公司生产的一台代表弯管世界先进水的 机器，其外形如图卜1 2 所示。该机床采用了多c p u 控制系统、模块化设计方法、 标准化总线结构和人机对话图形编程等先进技术，使其控制系统的控制精度、 可靠性大大提高。另外，程序的自诊断功能和高效率的安全保护系统使得控制 系统的功能更加完善。该机床的电气伺服系统采用的是交流伺服系统，具备了 快速的动态响应特性、精确的重复定位精度和可靠的连续稳定工作等先进性能。 图卜1 2d b 8 0 b ( c n c ) 弯管机外形图 1 3 4 中频感应弯管机 中频感应局部加热弯管技术不需要模具，具有生产效率高、劳动强度低、 适应性强等优点，主要用于大口径、厚壁、高强度钢管的弯制加工。目前，能 弯制直径1 5 2 0 姗，壁厚8 0 啪的各种弯管。华北电力大学研制开发的机电液一体 化z w 系列大型中频弯管机是我国目前最先进的中频弯管设备。这类机床主要由 床身基体、推力液压缸、后夹具及床身滚动导轨、滚轮组件、转臂立轴滑台、 转臂及前夹具部分组成。该机床完全由计算机进行监控，监控系统采用i s a 结构 的工业p c 机为主机，并采用i b m x 8 6f o rp c 作为操作系统。与同类设备相比，该 机床具有总体结构十分紧凑、弯管角度范围大、操作方便、能够进行工艺参数 自动测试、弯管质量好、效率高等优点。 1 4 国内外数控弯管机发展概况 数控机床水平和装备的数控化程度是一个国家综合国力的集中体现，装备 的数控化是振兴我国制造业的重要基础。数控机床按其功能类型大致分为金属 切削加工类机床( 如车、铣、镗、磨、钻、加工中心、切齿设备等) 、金属成形 类机床( 如冲床、弯管、折弯、剪边等) 和特种加工类机床( 如激光加工类机 床、电加工类机床、各种原理的切割机床等) 。金属成形类机床的数控化起步相 对较晚，发展迅速。其中数控弯管机广泛应用在汽车、家电等行业，是汽车行 业重要的加工装备，各种类型的数控弯管机工艺对象和工艺过程不同，单个品 种数量不多，其核心数控系统尚未形成完整的系列产品，品牌比较杂雨少。 在国内，塑性成形设备的特点是小批量多品种，其数控系统除了有跟般 金切枫床相同的共性外，还有自己的独有的特性( 如成形工艺的复杂性、控制 对象的多样性、生产过程的非线性等) 。由于国外塑性成形设备的数控系统一般 采用专用结构，给系统的维护和升级带来很大困难，且成本昂贵。数控弯管机 作为塑性成形设备之一，其应用广泛。但是，目前在国内主要弯管机生产厂家： 长治锻压机床厂、江阴机械厂、上海常青机械厂、上海嘉定弯管机厂、中山市 科力高自动仪设备有限公司、上海颁新弯管设备有限公司等，但大多为液压半 自动弯管机，数控弯管机品种批量较少，很多产品数控系统均是在工业p c 基础 上自主开发或者主要是国外非主流品牌数控系统，针对性强、通用性差。国外 弯管机主要生产厂家：英国a d d i s o n 公司、意大利b m 集团、日本大洋株式会 社、瑞典h e r b e r 公司和美国伊顿公司等，主要生产数控弯管杌，且数控系统均 是自己公司开发配套产品。国外产品( 相当s t a r 0 3 w 弯管机) 均在2 0 0 万以 上，国内产品约在8 0 1 2 0 万元之间。 1 5 课题来源及其主要内容、研究意义 课题来源于合肥工业大学c i m s 研究所承担的江淮汽车集团一合肥工业大学 汽车研究院重点项目：d b 7 6 s t c n c 双模数控弯管机优化设计和数控改造。本 人作为主要承担者，参加了该课题研制工作，本文就是在此基础上撰写的。 图卜1 3 弯管机外形图和加工工件图 本课题主要对数控弯管机软硬件进行了优化设计、改造更新。在w i n d o w s 1 0 平台下完成了基于工业p c 的弯管机数控系统开发，并设计开发出了s t a r 0 3 w 弯管机，如图卜1 3 。 本论文介绍了三维双模数控弯管机的系统组成、工作原理及弯管工艺，确 定了控制系统需要完成的功能和实现方法：并通过对各种数控系统的考察与调 研，以及对原数控机床的机械结构和液压系统的深刻分析，基于工业p c ，采用 运动控制卡、d a 控制卡和输入输出卡和计时器计数器卡，研究开发了弯管 机数控系统。同时为了更好地控制弯曲轴的弯管速度和弯管角度，对在液压伺 服系统中的伺服阀采用常用控制算法进行闭环控制作了探讨。最后，基于工业 p c 在w i n d o w s 平台，利用v c + 十6 0 ，采用面向对象技术和方法实现了系统的自 动、手动、半自动加工和工作故障的诊断等功能。 设计的弯管数控系统具有很高的可靠性、良好的人机交互界面、简单通用 的用户接口，操作方便、简单。不但提高了弯管机的工作性能，而且维修、维 护方便，在生产实践中创造了良好的经济效益。 第二章s t i | u l _ o 骊数控弯管机 2 1 数控弯管机工作原理 弯管机是在空心管件型材弯曲到材料屈服极限时加载弯曲并保持定的轴 向弯曲力，使之成形的设备。卸载后弯曲管件会出现曲率半径回弹以及角度回 弹的现象，为了有效的防止管材的回弹变形，弯曲成形是在精确控制工件的应 力、应变以及应变速度下弯曲成形的。随着产品弯曲精度要求的日益提高，弯 曲成形的要求逐渐增加，数字化设计制造也对弯曲成形工艺提出了新的要求， 普通的弯管机已不能满足生产的要求，只有数控弯管机才能满足对加工空间管 件的移位、调整、空间旋转和弯曲力进行精确控制的要求，才能符合弯曲成形 的工艺要求。但是，目前我国生产数控弯管机的能力较弱，数控弯管机主要靠 进口来满足国内市场的需求。 数控弯管机是用来生产空间多弯、外形尺寸要求较高、相对弯曲半径大的 空心管件，尤其是汽车上的排气管、发动机上的油管。根据不同的分类标准， 有自动、半自动、手动弯管机和全电动数控弯管机、电一液数控弯管机等等。 数控弯管机具有以下的功能和特点： ( 1 ) 能成形空间结构复杂的三维管材零件： ( 2 ) 能成形屈服强度大的管材弯曲零件； ( 3 ) 具有多种成形机床的组合特点； 4 ) 具有不同工艺方法相结合的综合成型特点； ( 5 ) 弯曲精度高、回弹小，生产效率高。 弯曲 钳 弯 降装置 图2 1s t a r d 0 3 w 双模电液数控弯管机工作原理图 目前，数控弯管机已经广泛用于航空、航天、汽车、石油化工等行业。图 2 1 所示为s t a r - 0 3 w 全自动双模电液数控弯管机工作原理图，主要由弯曲旋 转轴装置、运送小车和调整装置以及芯棒升降装置四部分组成。整个系统由机 械系统、液压系统、气动系统和控制系统等组成，实现对运送、翻转、弯曲三 怕 i 轴的空间控制，完成具有复杂空间形状的空心管加工。 弯曲旋转装置绕旋转中心0 转动，其转动角位移o 、角速度m 和转动力 矩m 是主要控制对象；锚口将管件压紧到旋转台上的弯曲模具中，随着弯曲旋 转台一起转动，从而将管件弯曲成形：钳日夹紧管件装置通常是一个连秆机构 如图2 2 所示，靠摆动液压油缸来提供夹紧动力。摆动油缸与弯曲旋转装置中 的弯曲臂成为一体，钳口夹紧或松开管件时，在弯曲臂的导轨上来回滑动，从 而实现夹紧和松开管件。弯管轴的转动是由油缸活塞杆带动双排链条，链条驱 动弯曲轴上的链轮使弯曲轴( c 轴) 绕轴心o 作旋转运动；弯曲轴的转速、转 角以及转矩的控制是通过控制弯曲油缸上的电液伺服阀来实现的。 运送小车部分由气动夹料筒、升降油缸、b 轴旋转装置、y 轴运送装置等组 成。气动夹料筒是靠气缸夹紧管件，通过b 轴旋转装置实现夹料筒在空间上的 旋转，以便完成空间多弯，在弯管过程中小车随着弯曲轴转动的角度而向前随 动。在进行上下模切换弯管时，升降油缸用来将夹料筒、芯棒升或降到管件弯 曲前的对中位置。y 轴运送装置由齿轮齿条组成，齿条及导轨装在床身上，电 机带动小车沿着导轨移动，来完成向弯曲轴运动管件。 ( a ) 钳口压紧管件状态( b ) 钳口松开管件状态 图2 2s t a r - 0 3 w 弯管机钳口夹紧装置示意图 调整装置由丝杠、随动模具、防皱模具及随动油缸、夹紧油缸等组成。x 轴电机驱动丝杠带动工装夹具来实现上下模具的对中和方便操作者装卸管件。 随动模具由睫动油缸驱动，在弯管过程中，为了防止管件被弯瘪、拉裂，随动 模先在夹紧油缸的作用下把管件压紧在防皱模中，而后随弯曲轴的旋转而沿管 件表面跟随移动。 芯棒升降装置由芯捧升降油缸、芯棒进退油缸和芯棒组成。芯棒进退的位 置和时机不当，同样会导致管件被弯瘪、拉裂，出现废品。在弯管之前，芯棒 靠进退油缸动作将芯棒进到位；在弯管结束后，芯棒退到位，等待下次弯管前 进到位。芯棒升降油缸是在进行上下模切换弯管或是准备在上模弯管时动作。 数控弯管机的基本功能如下： ( 1 ) 能成形空间复杂空心管件。空间扭曲且变曲率的管件成形必须依赖机 械部件如钳口的宽度、随动模的尺寸、弯曲模的半径尺寸等； ( 2 ) 能成形屈强比大的空心管件。屈强比大时要求成形力和运动的精确控 制，否则管件在成形中会破裂，导致成形失败； ( 3 ) 能一次自动成形空间多弯的空心管件。数控弯管机可以根据工艺需要 自动完成复杂的多弯管件，也可灵活地应用手动加工来实现单弯管件。 2 2 数控弯管机加工的特点与控制要求 弯管机对空心管件弯曲成形经卸载后会出现曲率半径回弹和角度回弹现 象，为能有效地防止材料的回弹变形，弯管成形是在精确控制管件的应力、应 变以及应变速度下成形的，因此，弯管工艺要求精确控制弯管机的工作参数( 如 表2 1 所示) 。 表2 一l 弯管机控制参数 控制对象控制参数 弯曲油缸( c 轴)弯曲力、位移、速度、工作加速度 送料轴( y 轴)位移、送料速度、送料加速度 旋转轴( b 轴)角度、角速度、角加速度 调整轴( x 轴)位移、调整速度、调整加速度 弯管机控制特点是通过液压驱动实现力、位移和速度的混合控制。所有控 制变量要求协调控制。根据弯管工艺要求，为了防止弯曲过程中管件出现压瘪、 拉裂现象，随动模的移动速度与弯曲轴的弯管速度、位移应协调一致。 就弯管工艺要求而言，数控弯管机的突出特点在于对弯曲力、弯曲速度、 弯曲角度等控制变量的协调控制。通过分析可以得至弯管机的控制要求如下： ( 1 ) 能实现对力、位移、速度混合控制； ( 2 ) 控制系统的软硬件系统都应具有开放性，系统通过增减控制模块即可 用于其它相近类型设备的控制； ( 3 ) 具有多种控制方式：根据不同的工艺要求，可以采用手动方式和自动 方式完成弯管工作； ( 4 ) 具有良好的开发性，实现系统的模块化、动态配置、可移植性、可扩 展性。 综上所述。弯管机控制系统研制中需要重点解决的问题概括为以下几方面： ( 1 ) 为满足弯管机控制系统的要求，需设计具有开放性、模块化的弯管机 硬件体系结构； ( 2 ) 开放性的硬件体系结构需要具有开放性、模块化的软件系统支撑，设 计并实现满足弯管机控制系统要求的软件系统成为关键； ( 3 ) 为实现对力、位移、速度的精确控制，需建立有效的弯管机控制模型。 1 4 2 3s t a i c 一0 3 w 数控弯管机的组成 s t a r 0 3 w 数控弯管机是由机械部分、电气系统、液压系统、气动系统、冷 却系统和润滑系统组成，如图2 3 所示。 2 3 1 机械部分 数控弯管机的机械部分包括机身、调整机丰句、小车部分、钳臼夹紧机构及 上下模装置、芯棒进退装置以及辅助部分。 l 。机身 机身是由板材、型材焊接和铸造而成的床身。床身，被支撑在尾座和液压 油箱上。床身上装有导轨、齿条、弯管模、芯棒机构等。在导轨上装有小车， 床身上有行程开关。 颤拄膏曹机蔗蛲i 矾艟蓑统般压囊拄控剖最蛀 蘸麓谚断 【动秉线冷却最撬l 暮娆 机 小芯潮破畦宅 曩件蒹装软件基蛀i 【 气 雾 身 辜 攥蝴 压匿疆 动动 馥轨t秉同啊 篁疆 键墨 整捌 嚣断 嘉漓 量 构量站瞎 姬 掇 嘟札 鞋件 戮试 舞滑 部 囊信 麒摔簸件 装 出 号幢粤 景撬 管理 置 分 出 软件 软件 量量 图2 3 数控弯管机系统结构倒 2 调整轴 双模数控弯管机可以弯制不同弯益半径的管件，这就要求进行上下模切换 弯管。由于上下模具半径不同，模具切换后需重新将模具与芯棒进行对中。调 整轴的功能就是在加工不同弯曲半径的管件时，通过丝杠作横向运动，来调整 弯管模对准中心线。对于单模弯管机，不需要调整轴。 3 小车 弯管机的小车包括两个传动轴。即运送轴( y 轴) 和旋转轴( b 轴) ，它们 由交流伺服电机带动以完成“直线运送管件”和“空问旋转管件”的运动。y 轴伺服电机通过一级减速传动后，与床身上的齿条啮合来运送管件；8 轴伺服 电机通过蜗轮蜗杆驱动小车上的夹料筒将夹紧在其中的空心管件带动，使其在 空间旋转。 4 钳口夹紧机构 钳口夹紧机构在数控弯管机中起着重要作用，它不只是影晌加工管件的质 量，更严重的是它直接导致生产废品。钳口不能夹紧管件，弯曲轴在弯管过程 中就会出现打滑、压瘪、拉裂、拉断管件等严重问题。钳口夹紧机构是一个四 杆机构( 如图2 2 所示) ，由液压缸来顶起四杆机构，从而使钳口压紧管件，反 之，钳口松开。 5 上下模装置 对于同一管件上有两种不同的弯曲半径，为能完成这种管件的加工，就需 要进行上下模具的切换。在切换前，先松开夹紧管件的钳口、随动模具通过调 整轴调整对中后，切换到对应的弯曲模具上进行弯曲。 6 芯棒机构 芯棒机构装在床身的尾部，用其上面的螺母可前后调整芯棒，以保证芯棒 在所需的位置上。在自动弯管过程中，芯棒的前进、后退按计算机的指令，由 液压操作完成。 2 3 2 电气系统 电气系统由电控柜、操纵台、走线盒等部分组成。本机采用3 8 0 v 三相电 源，其中油泵启动由3 8 0 v 供电，伺服驱动单元由变压器t c 输出的2 0 0 v 电源 供电，控制电路由整流变压器和稳压电源提供2 4 v 直流电压。电控柜中设有中 间继电器、时间继电器及各转接板( 与计算机中扩展槽上的板卡相连) ，具有较 高的稳定性、可靠性和抗干扰性。 2 3 3 液压系统 液压传动是以液体( 油、高水基液压油、合成液体) 作为介质来实现各种 机械量( 力、位移或速度等) 的传递。液压传动与单纯的机械传动、电气传动 和气压传动相比，具有传递功率大、结构紧凑、体积小、重量轻等优点，因而 被广泛运用于各种机械设备及精密自动控制系统中【1 3 1 。 数控弯管机液压系统就是由液压伺服系统、液压随动系统、芯棒控制系统、 液压夹紧系统等组成。本液压系统的原理图如图2 4 所示。 1 电液伺服系统 电液伺服系统是电气元件和液压元件的结合，此系统可发挥两者的优点