基于末端尺寸控制的管材彎曲成形控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于末端尺寸控制的管材彎曲成形控制系統(tǒng)，還涉及一種基于末 端尺寸控制的管材彎曲成形的方法，屬于管材加工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 管材成形加工易于滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化、加工過程低耗高效等特點(diǎn)，因此在航空 航天、電力聯(lián)結(jié)、大型發(fā)電機(jī)、船舶、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.管材的成形方法多 種多樣，總體可分為有模成形和無模成形。有模成形采用剛性模具直接作用于管材的彎曲 變形區(qū)進(jìn)行的彎曲，無模成形一般指彎曲變形區(qū)不受到剛性模具的直接作用，管材最終的 形狀由工具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)決定的彎曲。
[0003] 由于管材在彎曲成形過程中，存在塑性變形和彈性變形。管材成形過程中回彈 控制是影響管材成形精度的主要因素，為提高彎曲精度，可經(jīng)過大量試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)后利用 調(diào)整剛性模具工作部分的形狀和尺寸來補(bǔ)償管材卸載后發(fā)生的回彈，但是大量試驗(yàn)耗時(shí)耗 力。
[0004] 2012年9月19日專利數(shù)據(jù)庫(kù)中公開了一件名稱為"一種管材熱成形設(shè)備"的中國(guó) 專利，其申請(qǐng)?zhí)枮椋?01210140059. 1，該發(fā)明主要解決了管材熱成形方法成形效率低以及管 材在轉(zhuǎn)移到模具的過程中成形不穩(wěn)定的問題，管材加熱后進(jìn)行成形加工不但可以明顯改善 其成形性能，減小管材的成形后的回彈，而且可以大大減小其成形所需要的載荷。但這種成 形方法降低了管材的剛強(qiáng)度，限制了其應(yīng)用范圍。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中管材成形技術(shù)的研究包括：管材成形機(jī)理、成形工藝等多種方法來預(yù) 測(cè)或估算回彈，實(shí)現(xiàn)管材的高精度成形加工。
[0006] 文獻(xiàn)"管材空間繞彎回彈補(bǔ)償方法研究"（西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)-2011年-第29卷-5 期-811~815)中，針對(duì)管材彎曲卸載后的回彈，利用數(shù)值回彈預(yù)測(cè)方法，提高彎管幾何精 度。文獻(xiàn)"管子彎曲成形的機(jī)理分析"（廣東造船-2013年-第5期-98~102)中，以提高 管材彎曲精度為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用彈塑性變形的原理，分析了管材回轉(zhuǎn)牽引彎曲過程中產(chǎn)生的 回彈、伸長(zhǎng)現(xiàn)象，并推導(dǎo)出管材彎曲后的延伸量、回彈量的近似計(jì)算公式。文獻(xiàn)"矩形管彎 曲實(shí)驗(yàn)及有限元仿真"（機(jī)械制造與自動(dòng)化-2014年4期-105~107)中，利用有限元軟件 對(duì)管材彎曲過程進(jìn)行分析，有效減少數(shù)控彎管機(jī)的調(diào)試時(shí)間和試驗(yàn)次數(shù)，提高管材的成形 品質(zhì)。但是由于管材一致性存在差異，上述方法都難以達(dá)到管材的高精度成形，影響后續(xù)加 工、安裝帶來不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于末端尺寸控制的管材彎 曲成形控制系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)中管材在彎曲成形過程中，存在塑性變形和彈性變形導(dǎo)致 管材彎曲成形精度不高的技術(shù)問題。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：基于末端尺寸控制的管材彎 曲成形控制系統(tǒng)，包括底座、設(shè)于底座上的管材靠模、垂直底座設(shè)置的內(nèi)模、用于管材彎曲 加工的轉(zhuǎn)模、用于轉(zhuǎn)模的驅(qū)動(dòng)裝置、用于檢測(cè)轉(zhuǎn)模旋轉(zhuǎn)位置的位置編碼器和用于管材回彈 檢測(cè)的激光測(cè)距傳感器；所述轉(zhuǎn)模以內(nèi)模的中心軸為轉(zhuǎn)軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；
[0009] 所述管材靠模與內(nèi)模之間設(shè)有供管材穿過的預(yù)留間隙；
[0010] 所述位置編碼器、激光測(cè)距傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置分別與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)通過驅(qū)動(dòng) 裝置控制轉(zhuǎn)模旋轉(zhuǎn)，通過位置編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)模旋轉(zhuǎn)角度，激光測(cè)距傳感器通過不斷檢測(cè)、反 饋激光測(cè)距傳感器與管材之間的實(shí)際距離，實(shí)現(xiàn)管材彎曲成形閉環(huán)控制。
[0011] 優(yōu)選的，所述激光測(cè)距傳感器的測(cè)量軸線與加工完成后的管材的測(cè)量面相垂直。
[0012] 優(yōu)選的，所述計(jì)算機(jī)上還連接有用于人機(jī)交互的觸摸屏。
[0013] 優(yōu)選的，所述位置編碼器、驅(qū)動(dòng)裝置通過CAN總線通訊卡與計(jì)算機(jī)通訊連接。
[0014] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于末端尺寸控制的管材彎曲成形方法，包括初 步成形階段和漸進(jìn)加工成形階段；
[0015] 所述初步成形階段是：通過驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)模，配合內(nèi)模擠壓，使管材彎曲初步成形；
[0016] 所述漸進(jìn)加工成形階段是：通過激光測(cè)距傳感器反復(fù)測(cè)量管材初步成形后管材末 端與激光測(cè)距傳感器間的實(shí)際距離，與計(jì)算機(jī)設(shè)定的目標(biāo)距離相比較，結(jié)合管材自身調(diào)整 系數(shù)，計(jì)算管材加工角度，采用漸進(jìn)加工的方式實(shí)現(xiàn)管材彎曲成形的閉環(huán)控制。
[0017] 所述初步成形階段包括如下步驟：
[0018] 步驟101 :調(diào)整管材靠模、轉(zhuǎn)模與內(nèi)模之間的間距，將待加工管材安裝于靠模、轉(zhuǎn) 模與內(nèi)模之間；
[0019] 步驟102 :將管材理想成形角Θ _分為n等份；
[0020] 步驟103 :計(jì)算機(jī)以Θ iX Θ max/n作為目標(biāo)角度，其中：i e (1，2,…，η)，通過 驅(qū)動(dòng)裝置控制轉(zhuǎn)模旋轉(zhuǎn)，并在目標(biāo)位置保持〇. 5~2秒，使管材發(fā)生塑性變形；當(dāng)i = η時(shí)， 表明轉(zhuǎn)模已轉(zhuǎn)動(dòng)至θ_角度，完成管材初步成形。
[0021] 所述η滿足
[0022] 所述漸進(jìn)加工成形階段包括如下步驟：
[0023] 步驟201 :設(shè)管材完全加工成形后，管材末端與激光測(cè)距傳感器之間的目標(biāo)距離 為L(zhǎng)1，此時(shí)轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為Θ
[0024] 步驟202 :反向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)模，設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θχ，0xe (5°~15° )，使管材充分釋 放彈性變形；
[0025] 步驟203 :管材充分釋放彈性變形后，再次用激光測(cè)距傳感器檢測(cè)管材末端與激 光測(cè)距傳感器之間的距離，設(shè)為L(zhǎng)2,并求取AL = L2-L1;
[0026] 步驟204 :重新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)模，使轉(zhuǎn)模正向旋轉(zhuǎn)Θ y，Θ y按下式求?。?br>[0027] Θ y= KX AL+ Θ y !
[0028] 其中：y e (1，2· · ·) ; Θ。= Θ nax;K 為調(diào)整系數(shù)。
[0029] 步驟205 :重復(fù)步驟202~204,漸進(jìn)逼近成形尺寸LI，直到Δ L彡δ，δ為管材 加工成形允許的最大偏差，完成管材漸進(jìn)加工成形。
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：控制系統(tǒng)采用單軸運(yùn)動(dòng)控制將管 材成形分為兩個(gè)階段，在管材成形末端通過激光測(cè)距傳感器對(duì)管材回彈實(shí)時(shí)檢測(cè)，并依據(jù) 檢測(cè)結(jié)果漸進(jìn)成形，實(shí)現(xiàn)管材成形最終尺寸的高精度加工。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明提供的基于末端尺寸控制的管材彎曲成形控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖2是本發(fā)明提供的基于末端尺寸控制的管材彎曲成形控制系統(tǒng)加工過程結(jié)構(gòu) 示意圖。
[0033] 圖3是本發(fā)明提供的基于末端尺寸控制的管材彎曲成形控制系統(tǒng)加工最終成形 結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖中：1、底座；2、內(nèi)模；3、管材靠模；4、轉(zhuǎn)模；5、管材；6、激光測(cè)距傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0036] 如圖1所示，是本發(fā)明提供的基于末端尺寸控制的管材5彎曲成形控制系統(tǒng)，包括 底座1、設(shè)于底座1上的管材靠模3、垂直底座1設(shè)置的內(nèi)模2、用于管材5彎曲加工的轉(zhuǎn)模 4、用于轉(zhuǎn)模4的驅(qū)動(dòng)裝置、用于檢測(cè)轉(zhuǎn)模4旋轉(zhuǎn)位置的位置編碼器和用于管材5回彈檢測(cè) 的激光測(cè)距傳感器6。
[0037] 激光測(cè)距傳感器6安裝時(shí)，應(yīng)保證激光測(cè)距傳感器6的測(cè)量軸線垂直于管材5加 工完成后的測(cè)量面，同時(shí)應(yīng)盡可能靠近管材5末端，以提高測(cè)量精度。
[0038] 轉(zhuǎn)模4以內(nèi)模2的中心軸為轉(zhuǎn)軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0039] 管材靠模3與內(nèi)模2之間設(shè)有供管材5穿過的預(yù)留間隙，預(yù)留間隙可通過改變管 材靠模3位置實(shí)現(xiàn)調(diào)整，以適應(yīng)不同寬度的管材5加工。
[0040] 位置編碼器、激光測(cè)距傳感器6、驅(qū)動(dòng)裝置分別與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)通過驅(qū)動(dòng)裝 置控制轉(zhuǎn)模4旋轉(zhuǎn)，通過位置編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)模4旋轉(zhuǎn)角度，激光測(cè)距傳感器6通過不斷檢 測(cè)、反饋激光測(cè)距