复杂成形零件数字化设计仿真与成形控制集成实验教学大纲

1、复杂成形零件数字化设计仿真与成形控制集成实验教学大纲课程编号： 课程名称：复杂成形零件数字化设计仿真与成形控制集成实验课程总学时：24学时 课程总学分：4实验总学时：24学时 适用专业：飞行器制造工程课程类型： 必修 选修 先修课程：金属塑性成形原理、飞机钣金成形工艺， /实验教学的目的、任务与要求以矩形件成形过程为主线，结合数字化技术发展趋势，贯穿设计、分析模拟以及成形控制等环节，使学生掌握复杂零件展开方法、成形过程仿真、计算机控制等技术在板料成形领域的应用；在分析板料拉深成形过程主要工艺影响参数的基础上，确定优化参数并实现成形过程工艺参数的优化控制。经过系统的综合性训练，使学生对数字化设计

2、制造集成技术的了解和掌握达到一个全新的高度，从而适应航空先进制造技术对人才培养的需求。复杂成形零件数字化设计仿真与成形控制集成实验的主要要求如下：1）掌握板料拉深成形工艺；2）了解有限元基本概念和原理；3）了解有限元分析软件在板料成形中的应用；4)熟悉常用仪器，设备的使用及操作方法。5)有一定的理论分析以及结果处理的能力。实验项目内容及学时分配序号实验项目学时实验内容实验类型备注1理论内容讲解41）盒形件拉深成形2）矩形件的毛料展开方法3）有限元基本概念和原理4）模糊控制5）分区变压边力矩形件成形系统2零件造型及毛坯展开41）建立矩形件模型2）完成矩形件的毛坯展开3零件成形过程的仿真与分析10

3、1）矩形件成形过程建模2）矩形件成形过程有限元模拟3）模拟结果分析，确定参数毛坯形状对板料成形性能的影响压边力对板料成形性能的影响4基于分区可控压边力成形系统的矩形件成形6以仿真分析得到的工艺参数为实验条件，通过分区变压边力矩形件成形系统完成板料拉深成形，并分析结果。主要教材（讲义、实验指导书）复杂成形零件数字化设计仿真与成形控制集成实验讲义 李西宁 2007.1.参考书飞机钣金成形原理与工艺 翟平等 西北工业大学出版社，1995.11.金属塑性成形原理 俞汉清等 机械工业出版社 2002.6.考核方式实验过程与实验报告相结合。使用主要仪器设备说明1.材料：低碳钢板及铝板2.设备：100吨双动

4、液压机3.拉深模具、计算机/工控机4.控制系统5.测试仪器制订人：李西宁 课程负责人：李西宁 大纲制订时间： 2007年1月27日西 北 工 业 大 学复杂成形零件数字化设计仿真与成形控制集成实验目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc 1.基本知识概述 PAGEREF _Toc h 1 HYPERLINK l _Toc 1.1 盒形件拉深成形 PAGEREF _Toc h 1 HYPERLINK l _Toc 1.2 矩形件的毛料展开方法概述 PAGEREF _Toc h 2 HYPERLINK l _Toc 1.3 有限元基本概念和原理 PAGEREF _T

5、oc h 7 HYPERLINK l _Toc 1.4 模糊控制 PAGEREF _Toc h 9 HYPERLINK l _Toc 2.分区变压边力矩形件成形系统 PAGEREF _Toc h 12 HYPERLINK l _Toc 2.1 分区变压边力矩形件成形系统总体结构 PAGEREF _Toc h 12 HYPERLINK l _Toc 2.2 压边圈分区的拉深模具 PAGEREF _Toc h 13 HYPERLINK l _Toc 2.3 压边装置的液压部分 PAGEREF _Toc h 14 HYPERLINK l _Toc 2.4 控制部分 PAGEREF _Toc h 16

6、 HYPERLINK l _Toc 3.实验 PAGEREF _Toc h 18 HYPERLINK l _Toc 3.1 实验目的 PAGEREF _Toc h 18 HYPERLINK l _Toc 3.2 实验材料、使用工具及仪器设备 PAGEREF _Toc h 18 HYPERLINK l _Toc 3.3 实验内容及步骤 PAGEREF _Toc h 18 HYPERLINK l _Toc 3.4 问题讨论 PAGEREF _Toc h 20 HYPERLINK l _Toc 3.5 参考书目 PAGEREF _Toc h 20基本知识概述1.1 盒形件拉深成形拉深是在具有一定圆角

7、半径的凸、凹模的作用下，将平板毛坯或半成品毛坯制成开口空心零件的一种冲压工艺。拉深是钣金成形的基础性工艺。各种拉深件按变形力学的特点可分为：圆筒形零件(指直壁旋转体)、曲面形状零件(指曲面旋转体)、盒形件(直壁非旋转体)和非旋转体曲面形状零件(如大型覆盖件)等四种类型。一直以来，圆筒形件作为最简单、最典型的拉深件，而在现阶段，人们对于盒形件的研究也日益增多。盒形件不具有轴对称的回转体形状，所以盒形件的拉深是非轴对称的冲压成形。在盒形件拉深时，由于在周边方向上的变形与应力的不均匀分布，致使毛坯变形区内各点的位移与位移速度也不一样。方向和大小不同的位移速度可能引发变形区（甚至在非变形区）的诱发应力

8、。为了便于理解盒形件的拉深变形特点，通常人为的把盒形件划分为直边部分和圆角部分：四个直边和四个半径为的圆角部分。在不考虑直边部分和圆角部分在变形上互相影响的前提下，可以简单的认为：由平板毛坯拉深成盒形件时，直边部分只产生反复的弯曲变形，而圆角部分相当于四分之一筒形件拉深变形。直边部分在通过凹模圆角区时，只产生弯曲和反弯曲变形，不产生其他形式的变形，所以直边部分拉入凹模的阻力，仅是弯曲变形阻力和摩擦阻力；圆角部分被拉入凹模的阻力，由拉深变形阻力与毛坯通过凹模圆角时产生的摩擦阻力和弯曲变形阻力组成，其值远大于直边部分的拉入阻力。浅盒形件拉深时毛坯各部分拉入凹模阻力沿凹模上口的分布是不均匀的，圆角部

9、分的拉入阻力（拉应力）大于直边部分。事实上，盒形件的直边部分和圆角部分并不是处于相互分离和各自独立的状态，这两部分是相互联接在一起的整体毛坯，所以这两部分中的任何一部分的变形都要受到另一部分的影响。因此，圆角部分的拉深变形会向直边部分扩展，使直边受到切向挤压，也产生一定程度的拉深变形，其结果使圆角部分本身的拉深变形得到减轻。盒形件的越大，这个现象越严重。由于直边部分与圆角部分的变形性质不同，它们在拉深过程中产生的径向伸长变形也不一样。伸长变形较小的直边部分，具有较大的位移速度，结果使直边部分和圆角部分之间的金属产生诱发的切向应力和剪切变形。在圆角部分和直边部分的中线上，不受切向应力的作用。直边

10、部分通过切向应力的作用，带动阻力较大的圆角部分拉入凹模，其结果使圆角部分侧壁内的拉应力降低，并使侧壁内拉应力沿周边的分布趋于均匀，而且越接近于盒形件的底部，因切向应力引起的均匀化程度越大。这样，圆角部分的底部就不在是拉应力最大的危险断面，而拉应力最大的危险断面已转移到圆角部分的凹模圆角区的出口，即稍低于凹模圆角的部位。图1 盒形件拉深应力分布1.2 矩形件的毛料展开方法概述求出冲压件的展开毛坯，是分析冲压件变形程度、设计工艺及拟订工艺规程的前提。如果毛坯形状合适，变形沿毛坯分布不均匀的现象能够得到明显改善，成形极限也可有所提高，并能降低凸耳高度，减少切边余量。此外，采用合理的毛坯形状，往往能够

11、使某些需要二次拉深才能成形的制件，用一次拉深便可达到制件要求的高度。对于不规则冲压件，由于其形状的复杂性，不可能用解析方法来求得它的毛坯外形。至今未能得到满意的结果。因此求解毛坯展开形状成为冲压工艺设计中的一个重要而亟待解决的问题。目前的方法及其优缺点：经验法现在工厂中最常用的方法是分别计算矩形直边部分的展开长度和圆角部分的展开半径，然后在过渡区域以圆弧和直线相连接，不过这种方法仅适用于比较浅的拉深件。罗曼诺夫斯基提出了一种分区域计算的方法，在原来的基础上有较大的改进，但准确度有待进一步提高。所有这些求矩形毛坯的方法，都是一些凑合性质的经验方法。滑移线法应用滑移线理论，研究和制作冲压毛坯的合理

12、形状和尺寸，是一种比较直观和合理的方法。滑移线场建立的方法，概括起来有两种：数学解析法和分析推理法。但是研究表明：只有在特别简单的边界条件下，才能从特征方程求解中给出滑移线的数学表达式。一般情况下，需利用特征方程的数值积分，根据给定的边界条件，逐点递推，求得近似滑移线场，这种方法是以变换特征线微分方程为有限差分关系式，并利用滑移线的特性作为基础的。由于数学运算比较复杂，较难推广应用。分析推理法根据金属流动情况、塑性区的边界条件和应力状态等，并利用滑移线的特性，通过分析推理得出滑移线场。由于变形区各部分的边界条件和应力状态不一定相同，故常常需要分区域考虑滑移线场，然后将一系列滑移线场拼接起来，构

13、成一个完整的滑移线场。有时，对于同一个问题，可能作出不同的滑移线场，这就需要进一步校核其唯一性和合理性。但是，滑移线法由于种种原因未能被生产实践广为应用。滑移线理论的应用前提有两方面：（1）忽略材料的应变刚效应，假定变形体为一理想刚塑性体，这会影响毛坯预测的精度；（2）变形物体必须处于平面应变状态，在板料成形问题中，如果忽略厚度的变化，才可用于主应力异号的平面应力状态。势场模拟法势场模拟法假设冲压件板料为不可压缩的平面各向同性的刚塑性体，在冲压中介于工件边缘和准确坯料边缘之间的凸缘部分处于塑性状态，并在内边缘应力的作用下向凹模型腔内流动。从理论上可以证明：冲压工件凸缘处金属的这种流动与相似区域

14、、相似边界条件的纯粘性流体的流动、电流的流动或热传导是相似的，因而可用这些有势场模拟求出不规则冲压件的展开坯料外形。一般对于外形相似的冲压件，只须求出某一尺寸模型的等位线，其它尺寸模型的等位线均可以通过放大或缩小得到。对于圆角半径较小而直边较长的矩形件，当冲压件很浅时，直边段凸缘很少或不发生塑性变形，这与一般的理论推导中整个凸缘的板料均处于塑性状态的假设是不符合的，因而模拟法效果较差，这时以采用经验法为好。对于圆角半径较大的矩形件，当冲压深度较浅时三种方法相差不大。当矩形件深度增加，经验法产生很大误差，罗氏法笼统地增加直边的高度也与实际情况相差很大，模拟法从金属流动的观点来考虑冲压件的毛料，对

15、较深的矩形件取得了比经验法和罗氏法都更好的效果。总之，电模拟法基本符合求冲压件毛料展开尺寸的一般假设条件：（1）毛料面积在冲压前后不变；（2）由第一个条件得出的必然推论，即圆角部分的多余毛料全部转移到直边部分，实际上圆角部分的多余毛料是很难全部转移到直边部分的。由于冲压中变厚变薄量分配的不均匀，甚至凸缘部分也往往不全部处于塑性变形状态。冲压前后的面积并不完全相同，这些与假设条件不相符的实际情况，也使电模拟法的准确度受到同样的影响。几何映射法JCGerdeen和P.Chen最早提出几何映射法，他们认为：应变由变形前后板料的几何差别定义，而通常变形后的板料形状已知。因此从理论上讲有可能将变形后的板

16、料点对点地映射回初始平板，并且不需要知道载荷就能够计算应力的分布。应变决定于厚度分布，但是变形后板料的厚度分布未知，这样几何映射法的成功依赖于特定问题厚度分布的正确假设和开发一种迭代方法使厚度与特定的边界条件相匹配。Gerdeen提出了一些假设来确定特定问题的厚度分布，并且开发了一个迭代算法使与一定的边界条件相匹配。关于厚度分布，Gerdeen规划了三个几何映射基本因素：纯剪应变、平面应变、双轴拉伸。一般的板料成形中，摩擦会影响应变的分布，非对称零件有非对称的应变分布。Gerdeen开发了两套程序AXIFORMH和FEPFORM分别用来处理轴对称和非对称情况。他的方法使用了有限单元，在每个单元

17、中进行几何映射。如果同时考虑三向位移，微分方程将非常复杂，因此Gerdeen将变形过程分解为若干步，每一步的求解非常简单。考虑到位移矢量可以叠加，这种分解是可能的。具体的有：（1）有X向拉伸的板到板单元；（2）有Y向拉伸的板到板单元；（3）有X向剪切的板到板单元；（4）有Y向剪切的板到板单元；（5）刚体转动；（6）有Z向位移的板到壳单元。由于几何映射法本身的局限性，它只适用于有限的范围，并且误差较大。增量有限元法板料成形过程中金属的塑性流动受模具形状、润滑条件和毛坯形状等因素的影响，而前述4种方法没有考虑模具形状和润滑条件的影响。增量有限元方法正是全面考虑了各种因素的影响，因此也是最精确的方法

18、，但是增量有限元方法需要很长的计算时间，由于接触边界条件处理的困难，计算模型十分复杂，计算的收敛性受到很大的影响。同时，增量有限元法必须先假定一个毛坯形状才能开始计算，然后根据计算结果对毛坯形状进行修正，这更加长了设计周期。一步法一步法的基本思想是在满足一定的边界条件基础上，通过非线性有限元分析从零件形状推算出初始毛料的形状，由零件中的网格节点的分布去推知初始毛料中网格节点的分布，通过比较零件和毛料上网格变形得到零件的应变分布和厚度变化，达到初步预测零件变形情况的目的。一步法假定初始毛料在一个水平面上，毛料上所有节点有相同的Z向坐标。一步法中初始构形和最终构形中已知量和未知量如图2和表1所示。

19、 图2 一步法计算示意图表1 一步法计算中的已知量和未知量已知量未知量毛料形状（初始构形）厚度初始应力初始应变节点的向坐标节点的向坐标节点的向坐标零件形状（最终构形）节点坐标垂直方向位移厚度应变，应力 1990年，YQGuo首次详细推导出一步法基于虚功原理的平衡方程。由于一步法中最终构形中节点坐标是已知的，初始构形中节点坐标是未知的，所以采用Euler法来描述其变形过程。将虚功原理应用于最终构形可得： （1）其中为塑性变形能，为外力所做的功。将上式表达为离散形式为： （2） 其中e为单元序号，和分别为虚位移和虚应变，为Canchy应力，为外力。在一步法中，假定材料沿着最小功路径变形，由于最终构

20、形上节点坐标已知，所以W为初始构形上节点坐标X的函数，而：X=x-U （3）其中U为节点位移，所以W为U的函数。所以W可写成以下（4）为单元虚位移，为节点位移向量。为节点单元内力，为单元外力，为节点内力和外力差。 方程（4）相当于下列方程： （5）方程（5）为非线性方程组，采用Newton-Raphson法求解： （6）令： 成为切向刚度矩阵。最后修正如下： （7）按照理想变形，通过最小变形功的计算得到成形过程中产品上的应变分布，对可能出现破裂、起皱（用厚向应变表示）的趋势和部位进行预测，为改进产品设计和模具工艺设计提供参考。由于这一方法从产品形状入手得到毛坯形状和最终的成形状态，所以一步法也

21、称之为“反向法”。1.3 有限元基本概念和原理有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了

22、应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。有限元方法与其它求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleig

23、h Ritz法分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形

24、状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则

25、要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分

26、析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。动力显式的求解过程如图3所示：图3 求解流程图1.4 模糊控制传统的液压伺服系统中大都采用PID控制技术，它具有结构简单、可靠、稳定等优点，但不能有效克服负载、模型参数大范围变化等非线性因素的影响，因而在高性能、高精度场合不能满足要求；自适应PID控制器结构复杂，计算量大，实时性差，并且控制品质的好坏对控制系统数学模型的精确性有很大的依赖。液压系统本身属于多变量、非线性时变系统，常因油温，负载等参数变化使输出不稳定，而且许多非线性环节比如死区、摩擦和

27、滞环等又是未知和时变的，很难建立精确的数学模型，因此基于PID控制算法的控制器很难获得满意的效果。控制系统在算法设计上，采用了最近几年在大型液压系统上比较常用的模糊控制算法，它不依赖于被控对象精确的数学模型，能够克服非线性因素的影响，对调节对象的参数变化具有较强鲁棒性。此外，由于此套系统的液压子系统的设计原理采用的是以比例溢流阀为执行元件的背压控制，控制系统的模型呈现出高阶，控制过程呈现出非线性特性，而模糊控制器在非线性、时变、强耦合及时滞等复杂系统中能表现出比传统控制算法更优的控制品质。通过对模糊控制规则库的动态查询，可以直接得到控制量的模糊值，在通过简单的反模糊化计算，即可得到实际的控制信

28、号，在线计算量很小，很好的弥补了传统的PID算法以及神经网络控制算法在响应速度上的缺陷，使整套系统在快速性与超调性上得到了协调，缩短系统的调整时间，在保证控制系统稳定性的同时，改善了系统的动态性能。模糊控制算法的基本原理模糊逻辑控制 (Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控

29、制，并获得了成功。模糊控制的基本原理就是将人的经验总结成语言控制规则，运用模糊理论模拟人的推理与决策，从而实现自动控制的控制系统。模糊推理系统的基本结构由四个重要部件组成：知识库、推理机制、模糊化输入接口与去模糊化输出接口。知识库又包含模糊if-then规则库和数据库。规则库中的模糊规则定义和体现了与领域问题有关的专家经验或知识，而数据库则定义模糊规则中用到的隶属函数。模糊规则的形式一般为if A is a then B is b，其中A与B都是语言变量而a和b则是由隶属函数映射到的语言值，在数据库中都有相应的隶属函数加以定义。推理机制按照这些规则和所给的事实执行推理过程，求得合理的输出或结论

30、。模糊输入接口，将明确的输入转换为对应隶属函数的模糊语言值，而去模糊输出接口则将模糊的计算结果转换为明确的输出。其结构可以用图4进行描述:图4 模糊推理系统的基本结构由图4我们可以看到，模糊控制系统的建立分为三个步骤：一是挑选能够反映系统工作机制的输入输出变量 ；二是挑选这些变量的模糊子集；三是用模糊规则建立输出集与输入集的关系。而模糊系统F用三个步骤将输入x映射到输出F(x)。第一步是将输入x并联地匹配到所有“如果部分”的模糊集合，这一步依据输入x属于每一个“如果部分”集合A的程度来“激活”或“启动”模糊规则。第二步是叠加所有按比例收缩的“则部分”集合，生成最终的输出集合。第三步是去模糊化，

31、系统计算出最终输出集的形心或重心作为输出F（x）,将模糊控制量转化为相应的实际输出的控制量进行输出控制。分区变压边力矩形件成形系统2.1 分区变压边力矩形件成形系统总体结构在分析XP3CEF-100四柱液压机工作参数和工作原理的基础上，综合运用板料成形技术、液压技术、计算机技术和控制技术，建立分区变压边力矩形件成形系统，以分区变压边力为主要控制参数，实现矩形件的拉深成形。分区变压边力矩形件成形系统体系如图5所示。成形系统主要由液压机、压边圈分区的拉深模具、压边装置的液压部分和系统控制部分组成，如图6。成形过程中主要的控制参数有：拉深力、压边力和拉深位移。成形系统在控制部分的统一控制下，由液压机

32、的液压系统和压边装置的液压部分分别提供拉深力和压边力，基于分区变压边力的拉深模具完成矩形件的成形。图5 分区变压边力矩形件成形系统体系控制部分液压机液压部分拉深模具图6 分区变压边力矩形件成形系统组成2.2 压边圈分区的拉深模具压边圈分区的矩形件拉深模具如图7所示，模具采用拉深凹模位于上模，凸模置于下模的倒装式结构。压边圈采用分区结构，即4个直边和4个角部压边块，各块之间可以协调运动，且各压边块压力由相应的液压缸提供，各液压缸的压力可以独立调节。因此，压边块可针对毛坯不同部分的压边力需要，提供相应的压边力。为了保证压边块的合理动作，使用压边托盘和盖板把8个压边块连为一体，以约束压边块在水平方向

33、的位移，而在垂直方向压边块与盖板之间可相对运动。通过在托盘上加装导柱，在下模板上加装与之配合的导套，来对压边装置（压边盖板5、压边块6和压边托盘7）进行整体定位。液压缸的活塞杆头装有压力传感器，用于测量在拉深成形过程中液压缸提供的实时压边力值；在上模板上装有压力传感器用于测量拉深力。压边力和拉深力通过控制部分进行实时控制。工作时，液压缸活塞杆向上运动，使压边装置一起向上运动至稍高于凸模表面，通过定位销实现板料的合理定位。然后上模部分（上模板1、垫块2和凹模3）随液压机滑块下行，凹模先与压边块上的板料接触，实现压边；随着上模部分继续下行，在压边的状况下实现矩形件的拉深成形。图7 压边圈分区的矩形

34、件拉深模具1上模板2垫块 3凹模 4凸模 5压边盖板 6压边块 7压边托盘 8液压缸 9下模板10凸模支架 11导套架 12导套13导柱14定位销15压力传感器 16液压缸活塞杆2.3 压边装置的液压部分液压部分主要是由液压油泵、控制阀、液压缸等组成，液压原理如图8所示。由于拉深模具的倒装结构，在拉深过程中液压缸的活塞杆是随着拉深滑块一起下行，使得板料成形时活塞杆是在回缩过程中。此时的压力油流动方向与油泵提供的压力油流动方向相反，即压力油是向着回油方向流动，因此液压系统采用背压控制技术。同时考虑串联回路虽然可以减少油缸的数目，但是会引起如下缺点：（1）同一时间内只宜使用一个缸操作。（2）所有换

35、向阀都要适应油泵的输油量，因此要加大阀门的流量指标。（3）三个或三个以上的换向阀串联配置，阻力大。（4）阀换向时引起液压冲击，为实现分区变压边力控制，采用了多缸并联控制回路，以便同步独立控制压力力。拉深准备阶段，完成液压缸活塞杆的顶出。首先启动油泵23，压力油通过电磁阀22卸荷，保证油泵的无负载启动。在控制系统的作用下，先打开相应分区压边区域对应的电磁方向阀9-16，并置于左端，然后控制电磁阀22换向后，压力油通过溢流阀26经系统调压后排回油箱，准备开始活塞杆顶出。当电磁方向阀20换向到左端时，压力油经单向阀I19、方向阀20以及方向阀9-16、单向阀I1-I8，通过节流阀J1-J8的调速，向

36、各液压缸供油，实现活塞杆的顶出。拉深成形阶段。首先将阀22换向至右端使压力油卸荷。然后根据工艺要求，将需要压边力控制区域对应的压边力控制单元的电磁换向阀9-16关闭于中位。此时由于单向阀I1-I8以及溢流阀E1-E8的作用，形成背压，使活塞杆维持顶出位置。毛坯放好位置后，在控制系统的作用下液压机的拉深滑块开始下行。当凹模与毛坯表面接触开始拉深时，由于凹模通过毛坯对模具的压边圈的作用，将活塞杆下压，液压缸无杆腔中的压力油排出。由于单向阀I1-I8的作用，压力油通过溢流阀E1-E8背压控制，调节压边力。从溢流阀流出的压力油一部分补充进液压缸的有杆腔中，一部分通过方向阀9-16的中位流回油箱。拉深结

37、束后，控制系统使液压机的拉深滑块回程。然后切换阀9-16至右端，活塞杆准备下行。在电磁阀20切换至左端后，切换方向阀22，将油泵提供的压力油通过换向阀供入液压缸，使活塞杆下行直至就位。1-8液压缸 E1-E8比例溢流阀 J1-J8节流阀 I1-I8单向阀9-16、20、22电磁换向阀 图8 压边装置液压原理图2.4 控制部分根据系统要求，控制部分主要对压边力、拉深力和拉深位移进行控制。控制部分采用可编程控制器（PLC）和工控机两级控制的结构。PLC 负责按钮、行程开关和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、继电器、比例阀的放大板等电气元件，进而控制液压系统的压力油的流向、压力以及电机

38、的运行，同时控制相应指示灯的显示。工控机用来对系统的工作参数的设定和修改、控制算法的实现、工艺过程的自动控制、系统工况的在线监视、信息交换等工作。工控机通过串行口与 PLC 相连，进行相互通信，所以工控机是通过发出命令去控制 PLC 的运行以达到进行控制的目的。控制部分结构如图9所示。这样通过系统的层次划分既保证了控制系统的可靠性，又使得系统控制灵活。图9 控制部分结构本系统采用工控机和可编程序控制器（PLC）两级控制的上下位机的结构形式。研华610工业控制机作为上位机用于完成对系统工作参数的设定和修改、控制算法的实现、工艺过程的自动控制、系统工况的在线监视、信息交换等工作；上位机通过RS-232C串行通信线与OMRON CJ系列的可编程序控制器相连，该PLC与相关数字量和模拟量输入输出模块共同实现系统的参数采集和底层控制任务。在拉深过程中，工控机通过串口读取PLC采集到的八个压边力数值，根据系统设定的压边力控制曲线，实时计算各拉深深度时当前压边力数值与目标值的偏差，执行控制算法，工