（机械工程专业论文）对数控薄壁弯管机进行优化技术开发及研究.pdf

摘要 现, f 弋, i t t - 会随着制造业的快速发展，我国现阶段对各种自动弯管设备的要求也 越来越高。以往零件的弯曲大多采用手工弯曲或液压弯管夹具弯曲的方法，加工 精度低、生产技术周期长、资金投资较大、设备较单一的，无法适应批量和高效 率生产的需求。所以基于此本文将现代数控技术运用到该加工设备巾，优化自动 薄壁弯管机专用数控系统，并改进设备硬件技术的相关要求。本文的工作任务： 首先，深入分析i - 4 前薄壁弯管机的现状和工作原理以及国内数控薄壁弯管机的需 求状况；根据零件的加工特点及其发展趋势，分析了弯管机系统的设计方案，最 终提 l 了该系统的整体设计方案，并在此基础上深入研究空间坐标转换算法和弹 性回弹算法，完成了弯管空间坐标直接转化为数控代码系统的设计，从而实现了 该系统的自动编程和自动换模加工。基于以上的研究丌发了自动弯管编程、智能 暂停等功能较完善的自动薄壁弯管机专用数控系统。 该数控薄壁弯管机现已应用于弯管企业的实际生产加工，实践表明，该专机 的应用缩短了新模型的设计周期，提高了弯管零件加工的生产效率和制造精度， 增强的溥壁弯管机床的扩展性，提高了产品质量和档次，满足了实际生产的需要。 我的研究生论文是按我的导师剧国庆老师提 i “科、教、产一体化”的模式 进行的。“科”是指科学研究，本论文密切结合本人单位目前研究的科研项几“如 何避免薄壁管件的弯曲变形在加工中的不利影响”；“教”是指人才培养，我在顺 利通过研究生课程学习和论文开题报告之后，在导师指导下，现在已完成论文的 全部内容，进行了一。轮理论联系实际，独立完成设计、研制及分析问题、解决问 题能力的培养和锻炼；“产”是指结合学位论文，要对生产力的发展做出贡献。 本课题的t 要工作任务是将数控技术运用到薄壁弯管加工设备中，在原有基础1 - - _ 优化薄壁弯管机专用数控系统。该项l 1 以弯管加工工艺和技术为背景，采片j 数控 系统软硬件为平台，利用其具有的开放性特点，开发薄壁弯管机专用数控系统， 实现了对各类型弯管零件的数控加工，提高薄壁弯管机数控系统的技术水平，这 对于提高我国汽年、家电、船舶、航窄航天等产品的相关制造能力都有重要意义。 关键词：专用数控系统，自动编程，弹性同弹，自动换模 a b s t r a c t m o d e ms o c i e t yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em a n u f a c t u r i n gs e c t o r , t h e r e q u i r e m e n t so fo u rc o u n t r ya t t h i ss t a g e0 1 1av a r i e t yo fa u t o m a t i cp i p eb e n d i n g e q u i p m e n t p r e v i o u sb e n d i n go fp a r t st h e yu s eam a n u a lb e n d i n go rh y d r a u l i cp i p e b e n d i n gf i x t u r eo f t h em e t h o d ，t h em a c h i n i n ga c c u r a c ya n dl o n gl i f ec y c l e ，p r o d u c t i o n t e c h n o l o g y , c a p i t a li n v e s t m e n t ，e q ui p m e n t ，s i n g l ea n du n a b l et oa d a p tt ot h en e e d so f b u l ka n dh i g h e f f i c i e n c y p r o d u c t i o n s o b a s e do nt h i sa r t i c l e ，m o d e mc n c t e c h n o l o g ya p p l i e d t ot h ep r o c e s s i n ge q u i p m e n t ，o p t i m i z a t i o no ft h ea u t o m a t i c t h i n - w a l l e d p i p eb e n d i n gm a c h i n e c n cs y s t e m ，a n d i m p r o v e t h er e l e v a n t r e q u i r e m e n t so ft h ed e v i c eh a r d w a r et e c h n o l o g y t a s k so ft h i sp a p e r ：f i r s t ，i n d e p t h a n a l y s i so ft h ec u r r e n ts t a t u sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h et h i n w a l l e dt u b eb e n d e r , a n dt h i n w a l l e dt u b eb e n d e rd e m a n dc o n d i t i o n si nd o m e s t i cc n cb e n d i n gm a c h i n e s y s t e md e s i g n ；p a r t s o ft h ep r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d s ， p r o g r a m ，a n du l t i m a t e l yt h eo v e r a l l s y s t e md e s i g n ，a n do nt h i sb a s i s ，i n d e p t hr e s e a r c h o ns p a c ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o na n de l a s t i cs p r i n g b a c ka l g o r i t h m ，c o m p l e t e dt h e d e s i g no fe l b o ws p a c ec o o r d i n a t e sd i r e c t l y i n t ot h ec n cc o d es y s t e m ，i no r d e rt o a c h i e v et h es y s t e ma u t o m a t i cp r o g r a m m i n ga n da u t o m a t i cd i ec h a n g ep r o c e s s i n g b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c ht od e v e l o pa u t o m a t i c a l l yb e n d sp r o g r a m m i n g ，s m a r t p a u s ea u t o m a t i ct h i n w a l l e dp i p eb e n d i n gm a c h i n ec n cs y s t e m t h en ct h i n w a l l e dt u b eb e n d e ri sn o wa p p l i e dt ot h ee l b o wt ot h ea c t u a l p r o d u c t i o na n dp r o c e s s i n g ，p r a c t i c es h o w s t h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h ep l a n et os h o r t e n t h ed e s i g nc y c l eo fn e wm o d e l s ，t oi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dm a n u f a c t u r i n g p r e c i s i o no ft h ee l b o wf o r t h e m a n u f a c t u r eo fe n h a n c e dt h i nw a l lp i p eb e n d i n g m a c h i n es c a l a b i l i t y , i m p r o v e dp r o d u c tq u a l i t ya n dg r a d e s ，t om e e tt h en e e d so ft h e a c t u a lp r o d u c t i o n m yg r a d u a t et h e s i si sm ym e n t o rz h o ug u o q i n gt e a c h e rb r a n c h ，e d u c a t i o n ， p r o d u c t i o ni n t e g r a t i o n ”m o d e l ”b r a n c h ”i st h es c i e n t i f i cr e s e a r c h ，t h i sp a p e r i sc l o s e l y l i n k e diu n i t so ft h ec u r r e n ts t u d yt h er e s e a r c hp r o j e c t ”h o wt oa v o i db e n d i n g d e f o r m a t i o no ft h et h i n w a l l e dt u b ei nt h ep r o c e s s i n go fa d v e r s ee f f e c t s ；”t e a c h i n g ” r e f e r st o p e r s o n n e lt r a i n i n g ，ip a s s e dt h e g r a d u a t ec o u r s e sa n dp a p e r sa f t e rt h e o p e n i n gr e p o r t ，u n d e rt h eg u i d a n c eo fa ni n s t r u c t o r , i sn o wc o m p l e t ep a p e r sw e r ea t h e o r yw i t hp r a c t i c e ，i n d e p e n d e n t l yc o m p l e t e dt h ed e s i g n ，d e v e l o p m e n ta n da n a l y s i s o fi s s u e s ，p r o b l e m - s o l v i n gs k i l l st r a i n i n ga n de x e r c i s e ；p r o d u c t i o n ”r e f e r st ot h e c o m b i n a t i o no ft h ed i s s e r t a t i o n ，t oc o n t r i b u t et ot h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i v ef o r c e s t h em a i nt a s k so f t h i st o p i ci sn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya p p l i e dt ot h et h i n - w a l l e d p i p eb e n d i n gp r o c e s s i n ge q u i p m e n t ，o p t i m i z a t i o n o ft h i n w a l l e dp i p eb e n di n g m a c h i n ec n cs y s t e mb a s e do nt h eo r i g i n a l t h ep r o j e c ti no r d e rt ob e n dt h ep r o c e s s a n dt e c h n o l o g y , t h eu s eo fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m ， t h eu s eo fi t so p e nc h a r a c t e r , t h ed e v e l o p m e n to ft h i n w a l l e dp i p eb e n d i n gm a c h i n e c n c s y s t e m ，c n cm a c h i n i n gp a r t sf o ra l lt y p e so fe l b o wi m p r o v et h et e c h n o l o g i c a l l e v e lo ft h et h i n w a l l e dp i p eb e n d i n gm a c h i n ec n cs y s t e m ，w h i c hh a v ei m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h em a n u f a c t u r i n gc a p a c i t yo fo u rc a r s ，a p p l i a n c e s ，s h i p s ， a e r o s p a c ep r o d u c t s k e yw o r d s ：s p e c i a lc n cs y s t e m ，e l a s t i c re b o u n d ，n c tu b e - b e n d i n gm a c h i n e ， m o d u l ea u t o m a t i cc h a n g i n g 学位论文的主要创新点 一、用数字化控制技术改造传统的薄壁弯管零件机械加工设备，优化 薄壁弯管机专用数控系统。通过分析溥壁弯管零件的加工特点和功能 结构，设计出薄壁弯管机专i 、j 数控系统的软硬件方案，最终实现了该 系统的整体设计方案。 二、分析薄壁弯管零件的弹性回弹问题及长度形变问题，建立了弯管 工件形变的数学模型，实现了坐标的描述方式，即绝对坐标和相对坐 标相互转化，并将其应用于薄壁弯管机专用数控系统。 三、实现了空间世标转换算法和弹性回弹算法，完成了弯管空间坐标 直接转化为编程代码系统的设计，开发出自动弯管编程、智能暂停等 功能较完善的自动薄壁弯管机专用数控系统。 第1 章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 大家都知道，设备和生产技术是实现j i k 务目标的物质保障，设备的性能和技 术条件，将直接影响产品质量和经济效益，设备更新改造和技术进步直接影响产 品的开发和市场营销进度。因此，加快设备更新和技术改造，以提高企业在国内 国际市场的竞争力，也是企业一项重要战略任务。随着制造业的快速发展，中国 的各类管材生产设备的需求量越来越大，性能要求也越来越高。存过去的管件弯 曲部位加工多采用手动或液压弯管夹具的加工方法，这两利处理方法存在生产周 期长，单一品种无法适应数量多高效率的生产要求。 图1 1 液砸弯管机图卜2 传统机械弯管机 1 2 课题研究意义 随着数控技术的迅速发展，弯管件的需求量越来越大，如汽车的基本零部件 等，为了提高弯管零件的性能及生产效率，弯管设备改进势在必行。为此，本课 题将研究将数控技术运用到弯管零件加工设备中，在原有设备及技术基础上研究 薄壁弯管设备专用数控系统。该研究课题以弯管零件的加工工艺和加工技术为背 景，数控系统软件和硬件的使用作为平台，利用其开放性的特点，开发薄壁弯管 机专用的数控系统，以实现各类弯管零件的数控加工，提高薄壁弯管机数控系统 天津工业大学硕l 学位论文 技术水平，这对提高我国汽车，家电，海洋，航空航天和其它产品的制造能力具 有十分重要的意义。 1 3 弯管机的现状分析 以往弯管加工是采用零件的局部变形来产生整体连续变形得以加工制件的 成形加工方法。其弯曲成形性能主要与加工参数、材料特性、截而参数、加工条 件、加工方法、润滑方法有关。 弯管加工在工程管道、航空航天、金属材料、动力机械、建筑机械、石化轻 工等部门中起着非常重要的的地位。 一般情况下，在航空领域需要弯管较少，而且需要的弯曲变形较大，加工要 求的加工精度较高，而在其它行业，如汽车工业及航空领域方面需要人量的弯管 零件。为了满足性能及精度的要求，需要一个高效灵活的弯管设备。随着经济的 发展，新型产品不断涌现，弯管产品的需求快速增长，各个领域需求量的增大， 对各种不同类型的高精密管材弯曲件的需求加入，促使对管件弯曲加工的设备及 工艺进行深入更新和研究，以此、发计并开发出精度高、操作简单、使用方便、效 率较的高的弯管加工设备。近年来，随着计算机的普及及技术的更新，计算机数 字控制技术已经迅速应用到机械和工业的各个领域，弯管制造设备也逐渐的实现 计算机数字控制化，目前，国内国外许多公司正将该技术应用到弯管制造设备中 来，一些工业发达国家已经开始研究该技术，将数控核心技术越来越多地席用到 管件弯曲加工设备中，进一步研究管件的加工工艺、弯曲变形的技术理论和应用 实践，并在实践中取得了很好的经济效益和社会效益，随着我国经济建没的加快， 在各个行业的许多领域，如家电、汽车、机械设备、冶金等领域对弯管件的需求 也越来越多。目前，我国在弯管加工技术方面的研究还处在革新阶段，数控管件 设备也远远落后工业发达国家的水平，技术研究也远远落后于工业发达国家，与 我国口前经济建没很不相称，远远不适应我国现代工业技术的要求，现阶段国内 许多企业还存有大量的、陈旧的弯管设备、在一定程度上影响了弯管零件的加工 效率和加工质量，基于技术的落后，迫使我们不得不从工业发达国家花巨资引进 先进的数控弯管设备。 目前，许多制造企业，如汽车、航空、冶金等大量采用生产流水线、自动化 较高的组合机床来完成管件的弯曲变形加工：而对一些标准要求较高的标准化零 件，如螺母、螺钉、带轮等的生产加工则采用凸轮技术控制的方法，这种方法主 要用于特殊零件加工的场合，使用的这类数控机床，主要适用于大批量的零件加 工，但是由于弯管零件的加工制造过程较复杂，生产工艺较繁琐，投入的加工制 2 第一章绪论 造费用较高，随着技术的更新，产品的更新也越来越快，小批量、中批量的零件 加工需求也越来越多。对于我国来说，弯管零件中小批量的需求数量已经占据的 产品数量的7 0 以上，随着航空工业、制造工业对产品的需求，传统的刚性自动 化水平已经不能满足目前的需要，为了保证产品的质量，必须采用柔性加工来实 现技术的刨新，随着刚性自动化与柔性自动化的结合，产品的性能及质量已经完 全能满足制造产品的要求，数控设备就是实现柔性自动化的最主要的装备之一。 图卜3 大型液压式弯管机 图1 - 4 大型液压式导轨联动弯管机 擘k 图卜5 数控弯管机 天津工q k 大学硕j j 学何论文 1 4 课题研究的主要内容 本论文课题主要研究的工作任务是薄壁弯管机专用数字化控制系统的设计、 安装调试及软硬件关键技术的实现，本沦文理论与实践的研究主要集1 1 i 在以下几 方面。 第一、阐述了论文课题的研究背景、课题的来源；介绍了薄壁弯管零件加工 领域的情况及口前国内外薄壁弯管零件加工的主要设备情况，介绍了数控薄壁弯 管机的应用、特点及性能，通过对现有普通设备的介绍和性能方面的阐述，进而 提出用数字化控制技术来改造传统的薄壁弯管零件的机械加工设备，从而提高现 有薄壁弯管机床的使用性能和生产效率。 第二、通过分析薄壁弯管零件的加工特点和薄壁弯管机的功能结构及制造原 理，从而提出薄壁弯管机的专门数控化系统的软硬件的设计方案，论文有些篇幅 侧重阐述了该系统软件的各种实现功能，以此提出合理的实现方案。 第三、通过理论和实践的进一步研究，实现了坐标的描述方式，即绝对坐标 和相对坐标相互转化的工作原理，在此基础上建立薄壁弯管零件相互转化的数学 模型。进一步对薄壁弯管零件的弹性回弹问题及长度形变问题从力学的角度进行 了分析，描述了薄壁弯管工件发生形变时的基本原理，通过具体的研究建立了弯 管工件发生形变时得形变大小，以及发生形变时影响其因素的数学模型。给出薄 壁弯管机专用数控系统的实现方式及应用实例。 4 第二章工作政理和控制要求 第二章工作原理和控制要求 2 1 成型加工概述 零件的成型加工可以通过不同的加工方式来完成，薄壁管件弯曲的加工方法 也有很多种方式，如常见的拉伸弯曲、回转弯曲、压缩弯曲、压制弯曲、滚亚弯 曲、高频感应加热弯曲等方法，其i - 回转弯曲、压缩弯曲、压制弯曲这三种主要 适用于大、中批量的生产加工。加工时，当管件在外力的作用下，中间层的外侧 管壁受拉应力的作用而变薄，中间层的内侧管壁受压应力的作用而变厚，在外力 及内应力的作用下，薄壁管件的截面发生了严重的变形，在外应力的作用下达到 极限，从而产生外部破坏，外表层产生破裂，在外应力及内应力的作用下内表面 失去的原有的稳定，产牛塑性变形，截向失去的原有的稳定性而发生变化，从弯 曲彤变的过程可以看出，无论采川什么样的弯曲加工方法，在薄壁管件加工过程 中，塑性变形及相关变形都会发生，只是变化大小的不i 一，但都会发生如下现象： 薄壁管件外侧管壁受拉应力的作用而变薄从而产生破裂；薄壁管件内侧管壁受压 应力的作j f j 而变厚变形，在外力及内应力的作用下，薄壁管件的截面发生了严重 的变形，在外应力的作用下达到极限，从而产生破坏。当变形发生后，随着外力 的消失，薄壁管件自身的弯曲角度及弯曲半径都会发生弹性回弹现象，这种情况 的出现对管件的精度及后续的使川都会产生很大的影响，对管件的尺寸极限造成 了很大的破坏，使尺寸精度误差加大，这里我们要清楚的了解这一现象，知道影 响管件的弯曲加工性因素肯很多，如薄壁管件弯曲件的形状及性能参数，包括直 径大小、管件的壁厚、发生弯曲时弯曲量的变化及弯曲半径的大小、管件横截面 的形状及尺寸等；薄壁管件材料的特性参数包括材料的硬度、材料的弹性形变、 极限应力、屈服应力及各项性能参数等：薄壁管件原有的尺寸精度、形状精度、 外形的规整程度，以及加工设备的精度及采j | j 的加工方法等。薄壁管件弯曲加工 性能的改善可以通过技术及参数的选择来加以优化，如管件材料的参数及改变加 工条件。对于薄壁管件材料参数的优化，可以选择薄壁管件表面规整的工件，如 表面无划伤、无裂痕、薄壁管件内部组织均匀避免产生应力集j j 等缺陷，同时， 可以选择具有较好材料性能的管件。但足对于一般的管件来说，决定其加工性能 的改善，主要还足依赖于改变其加工条件的改善，通过改进加工条件可以最大程 度上避免管件产生过人的精度误差，有效控制变形程度的加大，在薄壁管件自身 发生弯曲的过程中，其内在应力状态的变化会随着管件弯曲的加载方式及加工方 天津工q k 大学硕j ：学位论文 法而变化。 薄壁管件弯曲加工性的改善主要是通过改善薄壁管件在弯曲加工过程中的 应力的大小及有效防止薄壁管件薄壁外部破坏，外表层产生破裂、薄壁管件内侧 变厚变形，截面发生变化、薄壁管件的弯曲角度、弯曲量的变化、弯曲半径的变 化及叫弹等缺陷来有效改善其加工性。 2 2 薄壁弯管机的工作原理和主要加工部件 2 2 1 弯管机结构简要介绍 1 床身 床身由金属板材、金属型材焊接而成，床身被支撑在液压油箱和尾座上。床 身上装有弯管头、导轨、芯棒机构、行程开关等。 2 弯管头 弯管头的功用是完成弯曲运动的部件，把管件弯成所需要的角度，可以通过 丝杠作横向运动，以便调整弯模中心线。弯管头由压模机构、助推机构、夹模机 构、驱动【- 】转机构等组成。 3 移动小车 移动小车由直流电机带动移动，以完成直线上的送进运动。移动小车上装有 夹头，用气动方式操作。 4 芯棒机构 芯棒机构装在机器床身的尾部，可用上面的螺母调整芯棒，保证芯棒在所需 的位置卜。在自动弯管过程中，芯棒的前进、后退按电腑的指令，由液压系统操 作完成。 如图2 1 所示为薄壁弯管机的工作运行原理图。 移 图2 - i薄壁弯管机工作原理图 6 第二章工作原理和控制要求 薄壁弯管机工作原理：移动的小车沿着床身来回的运动，在移动小车的一端 带有可调夹头，主要是用来夹持住薄壁管件的末端，移动小车的水平移动可带动 薄壁管件沿水平方向来回移动，确定相对坐标方位i l l 的y 方向上的左右运动， 即相邻的两弯距之间的距离；同时，移动小车的前端夹头可以实现以薄壁管件理 论中心为圆心的空间方向上的转动，移动小车可以带动薄壁管件沿着y 方向做垂 直于该方向的空间转动。为了使空问弯角加以固定，可采用弯曲模的方式，即用 弯曲模来使薄壁管件形成特定的弯曲半径；机器上的夹块可以沿着弯曲模中心做 圆周运动，夹块可以沿着l l 方向做水平方向的运动。当薄壁管件上料的时候， 夹块做离开弯曲模方向的运动，这样薄壁管件就很方便地进入移动小车的夹头巾 去，当薄壁管件上料结束后，夹块向弯曲模方向移动并夹紧薄壁管件，并沿着弯 曲模轴一6 转动，在此过程中，夹块靠其压力将薄壁管件压向弯曲模表面，以此实 现薄壁管件的弯i i t j n 工工序，夹块沿着c 的方向转动，当薄壁管件受到向下方向 的压力时，在薄壁管件接触弯曲模的一端定会有一个向上的反方向的作用力，该 力会使薄壁管件的没有加工的部位出现弯曲，造成材料精度的损坏，为了防j l ：该 变形的发生，在夹块沿着c 的方向移动的时候，导向块要紧紧贴在薄壁管件的外 壁，以此来保证薄壁管件的直线度位置误差，导向块可沿着l 2 的方向上下移动，。 在该薄壁弯管机的整个加工环节过程中，机器上弯曲模半径的大小决定了薄壁管 件弯曲半径的大小，对于用于不同场合的薄壁管件，其对弯曲半径大小的要求也 有着不同要求。为了保证薄壁管件弯曲半径火小的适应性，日前比较先进的薄壁 弯管机都有更换弯曲模的功能，弯曲模大小不同，按其规格大小顺序排列，要求 弯曲模的轴杆可以来回移动，以实现换模的要求。当夹块沿着c 方向做转动时， 薄壁管件会受到轴向拉力的作用力，如果移动小车的刚性不够，就会造成薄壁管 件局部受拉过大而产生缺陷，为了防i f ：此现象的发生，需要移动小车在薄壁管件 轴线方向不受阻力的作用。同样如果只通过导向块支撑管件，由于薄壁管件与导 向块接触紧密，当薄壁管件受到轴向拉力的时候，导向块也会沿着轴向的方向移 动。如果在导向内部加个气缸，使气缸与薄壁管件接触，避免导向块与薄壁管件 直接接触，进而实现薄壁管件轴线方向的移动。这里，导向块只负责垂直于薄壁 管件的移动，轴向方向的移动就由气缸来完成。 薄壁管件弯曲时的变形主要表现在轴的内外管壁组织的伸长和缩短，在中间 部分以内的管在内压力的作用下收缩，管壁金属材料受压而产生内部凹陷；在中 间层外部的管壁金属材料在外拉力的作用下，金属材料组织发生外向流动，管壁 在外拉力的作用下产生拉伸变形而变薄，从而产生塌陷现象和破裂想象，薄壁管 件在弯曲的时候，必须在薄壁管件弯曲部位的内腔孔壁内设置圆球头芯棒，保证 内外组织颗粒的流向，以此控制内外管壁金属材料的流向使其内外变形均匀。在 天津工q k 大学硕上学何沦文 薄壁弯管机弯曲臂的两侧而均安装了涂有颜色的安全挡板，当板i 酊受到挤压时， 设备就会立即停1 l ：运转，同时将液压系统卸荷，运动中不论是济压了板而，还是 移动的部什越过了安全行程开关，都会引起机器的紧急刹车，并将刹车指令信号 反馈到系统中，我们可以通过屏幕看到报警信号，只有当信号解除后，机器才能 开动运转。 2 2 2 薄壁弯管机床主要控制的加工部件 薄壁弯管机床主要控制的加工部件包括：夹头、导向、弯i l | i 模、夹块四种。 ( 1 ) 夹头：它主要是为了夹持管件末端，从而来带动管件做y 向平动和b 向 转动，夹头时分为两个动作：加紧、放松。在加工的过程当， i ，夹头一般处于夹 紧工位，如果想使弯曲过程巾处于松开工位状态，只有使末弯k 度过小( 小于导 向长度) 。 ( 2 ) 导向：在火块做c 方向的旋转时，管件会受到轴向方向的拉力的作川， 所以，当移动小车固定不动时时，会造成管件局部受拉应力过大，这很可能会产 生缺陷，为了避免缺陷的产生，我们可以让移动小车在管件的轴线方向上不受阻 力的作用。根据上面的分析，我们可以推理出如果只是单方面的通过导向而支撑 管件，管件会和导向紧密的接触，当管件受到轴向方向的拉力时，导向也会轴向 方向移动，为了避免此情况发生可以在导向里面加了一个气缸，使气缸和管件充 分的接触，这避免导向跟管件饿直接接触，从而实现了轴线的随动。 ( 3 ) 弯曲模：弯曲模的半径大小决定了弯管的弯曲半径的人小，不同用途、 不同场合的管件，对管件弯曲半径大小也有着不同的要求，因此，在现在看来先 进的薄壁弯管机都有换模的功能。 ( 4 ) 夹块：夹块足用来围绕弯曲模旋转的并带动管件一同做弯i | f | 运动。 2 3 薄壁弯管机运动坐标轴 薄壁弯管机的结构一般包括：弯曲模、弯曲臂、防皱板、压力模、夹头、移 动小车、油缸、导向板、随动块等组成，其三个运动坐标轴分别为y 轴、b 轴、 c 轴，其三个坐标轴分别由计算机来进行控制，其中y 轴、b 轴由交流伺服电 机控制，c 轴由电液伺服阀来控制。下面从以下三方面分别介绍薄壁弯管机的功 能： 1 、直线送进距离( y 轴) ：送料的移动小车是沿着床身的方向纵向直线往复 移动的是通过齿轮、齿条的i 啮合，并由交流伺服电机驱动来完成的，是通过光电 篼二章工作j 泉理和控制要求 编码器与伺服电机相连接，并将移动的位移及移动快慢的信号反馈给电脑而组成 控制系统，移动小车的进给移动受计算机的直接控制，在计算机的控制下完成所 需的直线运动。 图2 2 溥壁弯管机运动坐标轴 2 、管子空间回转角度( b 轴) ：移动小车夹头的旋转方向是由一套与直线移 动的运动控制半闭环系统控制的，反馈的信号将由无间隙齿轮取样，进而提高了 信号的精确度和运动控制的精度。为了保证移动小车在加工弯曲过程中不受附加 力的影响，在移动小车上安装了浮动装置来控制横向移动，如果载荷过大，移动 小车的横向浮动就会超过所需的极限，自动将其运动停止，以此保护移动小车的 部件不发生破坏。 3 、管子平面弯曲的角度( c 轴) ：设备中弯曲臂的旋转是由系统内液压缸及 链条系统的拖动完成的，弯曲臂做的吲程及弯曲的两种动作是由机械内的电液伺 服系统控制完成的，实现精确制动及完成控制，其中阎控油缸为制动的元件与传 感器、伺服放大器、数字控制系统一同来组成半闭环的连续控制系统，进而保证 了机器做弯曲动作的平稳性、可靠性。 由于管件的应用不同，不同的场合、不同的机器设备需要弯曲半径不同的管 件，当使用同一套装置时，可以对设备的弯曲头加以调整来实现弯管的同的，这 里面需要指出的足弯曲头的弯曲半径是可以根据需要的要求随意进行改变的。该 薄壁弯管机设备的三个坐标轴足由伺服系统控制的，而电液伺服系统得控制精度 较高效率较低，回路开关多为节流调速的系统，在工作过程中，内部油温的上升 温度较高，为了降低温度使油温下降，通常在系统内部设有专用的冷却系统和油 温控制装置，用以控制系统中油的温度。j 芯轴有进和退两种动作，在弯管时，为 了减少溥壁管材的内表面与芯轴之间的摩擦，应及时往芯轴处加注润滑液，可采 用气动润滑泵通过调节脉动频率控制其供油量的人小。 9 天律工q k 大学硕上学何论文 从上面的分析我们可以看出，为了保证弯管过程的顺利完成，必须严格做好 以下儿方面的控制，数控设备控制系统中的软硬件系统都要具有开放性；系统能 够对其位移以及运动速度的半闭环进行有效的控制：要实现系统的动态可扩展性 和可移植性：要能够对薄壁弯管机上三个主要的运动轴进行有效的控制；可完成 移动、刀补、速度的综合控制等。 薄壁弯管机控制系统在研制过程l i i 需要重点解决的问题如下：必须要有开放 性和模块化的软件系统来支撑，硬件体系结构的要求；为了保证控制系统的要求 需提前 发计出硬件系统的体系结构舰划；薄壁弯管机数控系统的指令体系是建立 在数控系统软件设计体系之上需要考虑的问题，这也是技术的难点问题。 2 4 小结 本章介绍的薄壁弯管机的工作原理和控制系统，以及薄壁弯管机运动坐标轴 的建立，重点阐述了薄臂弯管零件弯曲加工特征和加工工艺，在分析基础上提出 弯管过程必须严格做好几方面的控制，从而提出薄壁弯管机在软硬件方面模块化 设计的理念。 l o 第= i 章专用数控系统总体设计方案 第三章专用数控系统总体设计方案 由于原数控系统具有开放式、实用性特点，所以选择该系统为研制对象，在 原有功能基础上经过优化改良，研制出薄壁弯管机专用数控系统。这样可使薄壁 弯管机专用数控系统具有较好的应用性、开放性、实用性、高性能、高精度等， 使用上可以随时根据工艺的需要调整设备的加工工艺、加工参数及加工时的工艺 路线等，以此改变机床的适用性，使机床的加工范围扩大和应用场合扩大。该数 控系统的基本硬件系统是在工业数控机器硬件的基础上，以基本的计算机操作系 统和功能扩展为技术开发平台，实现其一个开放式和扩展试的数控使用平台，正 是有了这种开放式的系统数字控制体系才得以实现薄壁弯管机专用数控系统的 实现，图3 - 1数控系统操作面板。 图3 - 1数控系统操作面板 3 1 薄壁弯管机硬件系统总体设计方案 为了更好地解决硬件的公用问题，在设计中我们采用了开放式数控系统标准 总线技术来解决，该技术采j _ j 了标准开放及模块化的设计，以此解决了设备硬件 标准化的问题。我们设计的薄壁弯管机专用数控系统在原有数控系统的硬件基本 结构卜进行的二次优化设计，将操作键盘的电路接i j 重新设计，将开关量接口电 路重新优化，同时与主轴及进给运动轴的接口电路集成在一块电路版上，为了更 天津工q k 大学硕i 学位论文 好地满足数控软硬件对系统开放性的要求，优化结构，在设汁中我们采用双：卷片 的没计思路，将其中的一个：笆= 片负责控制步迸电机驱动装置的接e l 电路及脉冲量 伺服驱动装置的接u 电路，同时控制模拟量伺服驱动装置的接e l 电路；另一个芯 片负责控制操作键盘的接1 ：1 电路，控制启动停止开关的接e 1 电路，同时控制土轴 及串行口伺服驱动装置的接口电路，通过这样的设计来优化软硬件的缺陷，达到 计算机数控系统控制的口的，见图3 - 2 、图3 - 3 薄壁弯管机数控系统硬件结构图 及嵌入式数控系统硬件的体系结构。 豳斗国际 蛰 胃接l l 电路 l 5 i 矿l 二黑：兰峙翟兰| 瞄：蚓压 图3 2 薄壁弯管机数控系统硬件结构图 图3 - 3 嵌入式数控系统硬件的体系结构 该数控薄肇弯管机主要由以下几部分组成：灾具及摆臂轴弯板定位装置，胀 紧套式联轴器装置，电气伺服数控系统，交流伺服电机，编码器及编码器传动装 置，行星摆线针轮减速器，普通液压系统等组成。这里的y 、b 轴方向的控制是 通过伺服电机控制，内部的传动装置来完成的，其驱动是通过数控系统来实现完 成的，移动小车的直线往复运动及在水平平面内的同转角的运动足通过圆柱直线 导轨的导向来完成的。为了实现多齿同时啮合传动，这里采用了国外生产的摆线 针轮减速器，由于该减速器采用摆线针轮啮合，具有抗冲击、惯性小、多齿啮合、 高抗过载能力的特点，所以应用到正反转负载、起动较频繁的场合。为了减小误 1 2 第三章专用数控系统总体设引力案 差，在设计中我们采用光电偏码器装置检测零件弯曲角度误差来进行伺服补偿， 并通过同步带直接安装在摆臂轴上，通过这样的优化设计，更好的解决了编码器 容易损坏，使用寿命短的问题，使检测精度更加精确。该数控薄壁弯管机的特点： 使原有的液压伺服控制系统的电液伺服阀驱动油缸完成c 轴的弯曲加工传动， 这样设计后使该机器结构简单，运行稳定性更强，运动精确度更高，承载能力更 大的特点，同时使检测数据更准，使光电编码器容易损坏问题得到有效的解决， 由于将原有的直流伺服改为交流伺服，操作起来方便灵活，操作稳定且性能增强。 3 2 薄壁弯管机软件系统总体设计方案 3 2 1 薄壁弯管机专用数控系统的软件结构设计 图3 4 控制程序流程图 天津工q k 大学硕上学位论文 图3 - 5 数控系统软什结构 在研究薄蹙弯管机专用数控系统的软仆结构设计之前，我们要清楚数控系统 的控制流程，见图3 - 4 。数控系统软件是一个复杂而有具有实用性的实时系统软 件。图3 5 为该数控系统的软件结构。其中n c b i o s 为皋本输出输入系统，负责 着数控系统中所有的外部控制对象，包括位置的控制、实时捅补计算、i o 摔制、 p l c 控制、各个设备驱动程序的控制及内部的监控等功能；而r t m 负责数控系统 的任务管理，该部件足自行研制的具有实时多任务管理功能。该数控系统将，f t 务 划分为：动态显示、人机交互界面、译码的解释、刀补的运算、单板机控制、数 据更新采集、位置控制、插补计算。图中虚线上为过程控制软件，包括泽码程序、 p l c 管卿、m d i 、编辑程序、参数没置、故障显示等，不同的数数字控制系统， 其功能不同在这一层区分，各种功能是通过n c b i o s 与n c b a s e 来进行数据信息的 交换。n c b a s e 的主要功能如下： 1 实时进行多任务调度 多任务调度功能由r 1 、m 模块实现。根据调度机制和完成任务的状态，系统 中各种任务都是通过调度核心控制的运动的。在配置系统时，必须说明驱动程序 都在n c b i o s 的n c b i o s c f g ( 类似于d o s 的c o n f i g s y s 文件) 的硬件模块的中。 系统在运行时，调入对应模块的驱动程序，建寺相应的接口通道，n c b i o s 根据 n c b i o s c f g 的进行预先的没置。n c b i o s 的一个固定程序是控制位置的，接受插 补运算程序送来的位置控制指令是其主要功能，输出速度指令值给位置控制模块 是经进行螺距误差补偿、传动间隙补偿、极限位置判别等处理后实现的。 2 位置控制 位置控制足一个l 古i 定的程序，接受来至插补运算反馈的位置控制指令，经 过传动间隙的补偿、螺距误差的补偿等后，将速度指令赋予给位置的控制模块。 3 设备驱动程序 在配置系统时，设备的硬件模块驱动程序都要在n c b i o s 的n c b i o s c f g 中 提示，当运行时，n c b i o s 根据n c b i o s c f g 的预先设置，调出程序弗建立相应的 第i 章专用数控系统总体设i | 方案 接口通道。 4 插补器和p l c 调度 该系统为多通道数控系统，并且每个通道都有。个相应的插补器，其主要任 务足完成运动的插补运算，如要创建一个插补任务必须在每个通道有一个插补 器。直线、圆弧、螺纹、攻丝以及微小直线段等的插补运算是由该数控系统任务 完成的工作；p i 。c 调度的主要任务有七项：故障报警处理、m s t 、处理急停和复 位处理、虚拟轴驱动处理、刀具寿命管理、操作面板开关处理、指示灯及突发事 件处理，见图3 - 6 数控系统顺序逻辑程序p l c 。 5 内部的监控 实现对数控系统故障临控 图3 - 6 数控系统顺序逻辑程序p l c 3 2 2 系统软件设计平台 l i t - k e r n e l i 多仃务渊瞪 l i g 代x y z y b c 窍管 i 位键 1 3 1 , cg 码 参敲 势敌磐数；辑；铡输入 f l c 码 文件输入输八输入； 输f l i i 解释 - - i m - - 1 入秽l 猝i i i 受丘朦, t ：j l t l 换t - i ：氍妊处琏堪糍j l 接u 图3 7 数控薄壁弯管机系统软件、严台的结构 开放式体系结构大部分采用模块化和层次化的结构，它的统一应用程序接 口，是通过各利，形式向外提供的。它的特点具有可扩展性、可缩放性、互操作性 和等。用户可通过数控薄弯管机系统平台按自己的要求进行灵活制定，提供一个 具备一定的程度的开放型应用程序接口，系统扩展的两个应用接口层面为，人机 界面交互层和事务处理层。在人机界面交互层提供的参数输入界面的基础上，输 入y b c 坐标、x y z 坐标、弯管参数等以此自动生成g 代码指令来完成文件的管 天津工、l k 大学硕上学位沦文 理编辑以及加工中工艺参数的编辑，可以将x y z 文件直接转换为y b c 文件。事 务处理层所涉及的就是系统里各种控制任务的调度，如插补器、运动控制、p l c 逻 辑控制等。 3 3 薄壁弯管机的主要功能及解决方案 我们通过以上叙述的薄壁弯管机动作顺序可以知道，在弯曲过程中，要注意 的足y 轴每次在c 轴弯管之前要撤消使能，这样可以方便送料小车能够住弯管 时拖动，弯管这个过程结束后，y 轴又要上使能，这样又可以很方便的完成下一 弯的送料，这个过程在普通数控机床的软件中是不能够实现的，当系统报警没备 不在断点位置时，说明y 轴的使能撤销前和使能上之前的位置发生了变换，这可 能会导致没备报警。在加工的过程当中这种使能撤销以后且被拖动，使能上且走 正确位置情况下，在普通机床设计中是绝对不可以的，需要我们注意的是它不仅 会导致y 轴上位置的丢失，而且还会使加工过程无法继续，同时这也是我们优化 薄壁弯管机软件设计中的关键。 根据上述的问题，如果我们要正确的完成弯管动作需要解决以下问题：y 轴 上基本数据丢失问题：c n c 系统的报警问题：如何实现换模0 d 题等。 下面钊对设计中的问题提出以下解决方案： 第一、y 轴上基本数据丢失问题。在原有系统中每个控制轴的位置有三种， 即实际位置、程编位置和指令位置。如果我们想使