用于板料成形回彈的小型液壓機控制系統(tǒng)

1、用于板料成形回彈的小型液壓機控制系統(tǒng) P. Sun, J.J. Gracio, J.A. Ferreira葡萄牙阿威羅3810-193，阿威羅大學，機械工程系，機械技術(shù)和自動化中心2005年4月13日收稿; 2006年2月8日收到修改稿; 2006年2月8日錄用摘要：本文提出一種估測回彈的方法，回彈是在控制系統(tǒng)中零件卸壓后引發(fā)的一種現(xiàn)象。由零件回彈產(chǎn)生的線性位移作為參考值來估測實際的回彈，并在控制界面即時顯示。該方法是基于閉環(huán)控制下的沖壓測量值來實現(xiàn)的。為了對壓機實現(xiàn)閉環(huán)控制，需要在在汽缸內(nèi)安裝兩個壓力傳感器，并在沖頭滑動桿上安裝位置傳感器（光學測量精度為1m）?？刂坪捅O(jiān)控軟件都運行在一個實時

2、的硬件主板上，主板是在Matlab/ Simulink環(huán)境下運行的。沖壓過程中，壓力、穿孔位置以及回彈效應的數(shù)據(jù)都可以實時顯示在控制面板上。為此，在小型液壓機上進行實驗，測試這些控制系統(tǒng)，并采用一個線性模型來檢驗對沖壓位置或力的控制。實驗中也采用了硬件回路仿真技術(shù)，來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)控制的驗正。系統(tǒng)模型具有計算量小、調(diào)整參數(shù)簡單的特點。沖壓機在200毫米移動行程內(nèi)，其位置控制可以達到很高精度。本文的目的是為板料成形的過程中對回彈實時評估提供一個有效的方法。關(guān)鍵詞：回彈，金屬板材成形，評估，控制系統(tǒng)1 簡介回彈是板料成形中一種普遍現(xiàn)象，其形成原因是卸載時板料內(nèi)部存在殘余應力。雖然基本理論分析已經(jīng)發(fā)

3、展到用數(shù)值量化回彈的程度，但是自從發(fā)現(xiàn)了理論預測與實際數(shù)據(jù)比較的差異后，這些數(shù)值對于控制板料成形中的回彈的作用就受限制了。這就導致各種經(jīng)驗公式的產(chǎn)生，他們適用于特定的成形過程的檢測。理論和實際數(shù)據(jù)之間的不統(tǒng)一主要由于材料性能的變化，個體成形的復雜性和特殊性，而導致的成形參數(shù)的不確定性（比如壓模和成形時的張緊力）1?，F(xiàn)今，在評估和減小板料成形上有很多的成就。諸如Wang, Budian-sky2，Morestin3等應用有限元法來分析板料沖壓過程，并考慮材料的非線性運動中的硬化來預測拉伸過程中的回彈。隨著數(shù)學領(lǐng)域環(huán)境的快速發(fā)展，近年來采用數(shù)值方法對板料成形過程中回彈預測得到了很大的發(fā)展4。大多數(shù)

4、的有限元模擬采用二維模型5,6，預測成形零件在板料成形過程中回彈。然而，很少有文獻對實時沖壓過程中的回彈做出準確評估。因此，現(xiàn)今很有必要對實時沖壓過程中回彈的評估進行研究。在目前的研究中，提出一種實時控制方法，對金屬板料成形過程中卸載后產(chǎn)生的回彈進行評估。成形工件回彈產(chǎn)生的線性位移被用來作為回彈參考值，以評估實際的回彈。通過工件厚度和沖壓位置的變化() 來計算回彈參考值，并在控制界面上實時顯示。檢測工具所反饋的力或速度/位置的結(jié)果將作用于液壓機上。這是一個實用的評估沖壓成形過程回彈的方法。為了對液壓機實現(xiàn)閉環(huán)控制，在液壓缸內(nèi)安裝了兩個壓力傳感器，并在液壓機的活塞桿上安裝了位置傳感器（光學測量精

5、度為1m）?？刂坪捅O(jiān)控軟件都運行在一個實時的硬件主板上，實時卡是通過Matlab / Simulink的環(huán)境來快速反應的。壓力和穿孔位置、甚至回彈效應的數(shù)據(jù)，都可以在沖壓的過程中實時顯示在控制面板上。為此，有一個實驗例子是在小型壓力機（）上構(gòu)建和測試這些控制系統(tǒng)，和一個線性模型用于檢驗控制沖壓機位置和力。這種功能的液壓缸和控制閥門以及回彈機制的裝置已經(jīng)研制出來。該硬件回路模擬技術(shù)是基于在Matlab / Simulink環(huán)境下的仿真實驗用以檢驗整體系統(tǒng)的控制過程。系統(tǒng)模型具有計算量小、功率、調(diào)整參數(shù)的特點。該沖壓機在200毫米的行程內(nèi)具有很高的可控制精度。該實驗目的在于為板料成形的過程中實時評

6、估回彈提供一個有效的方法。2 回彈行為工業(yè)應用比如拉伸下料和彎曲加工，都是以局部塑性變形為特點的。發(fā)生在工件卸荷后的彈性恢復，總是存在于沖壓加工過程中?；貜棸l(fā)生于各種類型的彎曲加工，包括折彎、折疊、滾壓成形、輥彎曲。由于回彈的存在，彎曲模的角度1與工件所需的角度2并不完全一致時（如圖2-1）。這兩個角度的比值，又稱回彈系數(shù)，取決于材料特性、彎曲半徑之比以及板料厚度： （2.1）其中為模型的角度（需要彎曲的角度），為工件的期望角度（回彈后的實際彎曲角）。r1為沖模的內(nèi)徑，r2為工件的內(nèi)徑，t為板料的厚度7。t，金屬板料厚度；加工的彎曲角；實際的彎曲角；，模具內(nèi)徑；工件內(nèi)徑。圖2-1 彎曲后的彈性

7、回復影響回彈的因素包括材料及加工參數(shù)，比如材料的特性、板厚、摩擦條件、約束力、刀具集合參數(shù)、潤滑條件等8。此外，有限元建模中網(wǎng)格類型、網(wǎng)格密度、材料模型的模擬對回彈的預測可能會有重大的影響。圖2-2為實際生產(chǎn)中的回彈現(xiàn)象。分析表明，薄板成形中回彈可以通過改變夾具類型和材料屬性而減小，但由于成形時的殘余應力存在不能完全消除。那么，如何準確地計算、控制、顯示工件成形過程中的回彈，已成為設計者和制造商在板料成形領(lǐng)域的焦點問題之一。圖2-2 成品的回彈現(xiàn)象3 評估回彈的方法3.1. 控制方法說明這個方法是一種實用的評估沖壓成形過程中回彈的方法，通過測量工具的反饋對液壓機的壓力大小和速度,位置進行控制。

8、閉環(huán)控制執(zhí)行依靠了安裝在汽缸內(nèi)的兩個壓力傳感器和一個位置傳感器（光學測量精度為1m）安裝在液壓機的活塞桿上?？刂坪捅O(jiān)控軟件都運行在一個實時的硬件主板上，主板是通過Matlab / Simulink環(huán)境來快速反應的。壓力、位置甚至回彈效應的數(shù)據(jù)，都可以在沖壓的過程中實時顯示在控制面板上。工件成形的回彈所產(chǎn)生的一個線性位移被作為參考值用以評價實際的回彈（）（圖3-1）。回彈的參考值用以計算工件厚度的了解和位置的變化()，并立即顯示在控制端口。圖3-1 沖壓工藝的示意圖圖3顯示的是沖壓工藝原理圖，是一個回彈發(fā)生后的線性位移被定義為回彈的數(shù)值，t為工件的厚度，液壓機的控制面板上表現(xiàn)液壓機的位置變化。沖

9、壓機加工完零件后，調(diào)整內(nèi)缸壓力（和）使液壓機緩慢上行直到成形的工件彈性回復。在這種情況下，成形的工件將產(chǎn)生位移，和相對于液壓機位置的變化，可視為一種僅僅回彈力（）（圖3-4和3-5）作用下的變化?？梢酝ㄟ^控制系統(tǒng)的面板準確的測量（圖3-2）?；貜椀臄?shù)值可以估計在控制界面的關(guān)系?；貜椀膶崟r測量會通過以適應控制器參數(shù),優(yōu)化對液壓機參考軌跡和力量，從而導致提高控制能力。這些數(shù)據(jù)(控制器參數(shù)、優(yōu)化)可以作為數(shù)據(jù)庫以充分調(diào)整壓力的大小。3.2. 原理分析沖壓的過程就是工件從受力開始到力完全卸載的過程（圖3-3）。工件成形中的回彈會導致一個沿著受力方向的尺寸誤差（線性位移）。因此，尺寸誤差的大小也能反映出

10、回彈尺寸的變化。圖3-2 （a和b）沖頭位置在兩種控制界面的顯示圖3-3 板料成形的過程液壓機將配備一套傳感器測量系統(tǒng)用以測量壓力和活塞的位置。這個壓力馬上可以通過液壓缸內(nèi)壁兩個壓力傳感器測量得到?；钊麠U的運動需要一個1m光學測量精度的支持。速度的獲得是取決一個位置信號的變化。所有傳感器的輸入信號和電器控制都傳輸?shù)揭粋€低成本的基于實時卡（DS1102）的信號處理器上，在這個方法下實時控制才得以實行。在沖壓過程中，液壓機的壓力和位置就被實時反應在控制面板上。過程可分為三個步驟，第一步（圖3-4）：拉伸階段，沖頭高度相當于板料厚度。第二步：調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)壓力和使壓頭緩慢上升，直至工件完成了回彈。在這

11、種情況下，成形的工件將產(chǎn)生位置和位移的變化，可以視為僅有回彈力作用下產(chǎn)生的變形（圖3-5）。同時沖頭的位置可以被實時反映在控制面板上。根據(jù)這些測量值（包括缸室壓力數(shù)據(jù)），回彈力可以被估測，液壓缸和液壓閥的受力就可以得知了。圖3-4 沖壓加工中沖頭的位置和的關(guān)系為： （）當 （3.2.2）液壓機的位置為： （）表示回彈 （）,為汽缸內(nèi)壁的壓力；,為缸內(nèi)面積;T為板料厚度；為液壓機的高度位置。為液壓機的重力和封閉汽缸的摩擦力（可以通過液壓機總重和封閉面的摩擦系數(shù)計算得出）。壓力的數(shù)值也可輕松的反應到控制面板上。圖3-5 回彈時的沖頭位置圖3-6 加工后的沖頭位置第三步：卸載過程：（圖3-6），液壓

12、機遠離工件升高到h的高度。該過程與回彈沒有關(guān)系。在實際操作中設置允許的回彈值()于實際的回彈值相比較()。當 （）工件的回彈滿足對成形零件的尺寸需求。當 （）回彈超出了尺寸限定，模具尺寸需要調(diào)整。因此,該方法可以在加工中立即檢查回彈的情況。需要注意的是裝卸壓邊圈時（力)是需要手動調(diào)整的。4 實驗與實驗設備4.1. 實驗設備首先需要一個工作行程為200mm的小型壓力機（）（圖4-1）。建立一個準確方便的控制系統(tǒng)，以測試液壓機在工作時的位置。小型液壓機1的驅(qū)動由高性能的伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制的伺服液壓缸（圖4-2）。壓力通過2個裝在缸內(nèi)的壓力傳感器間接測量?；钊恢玫臏y量通過一個1m精度的光柵尺，速度用

13、一個加速度測量計測量。該小型液壓機允許壓縮和拉伸的操作。壓縮能力是用模擬接近實際的工作，拉伸能力則是模擬反運動（表4-1）。為了檢測控制系統(tǒng)性能，回彈行為在試驗中被一個減震器替代，裝置用來替代在工作成形時的回彈行為。在典型的加工中這是一個最原始的方法，代表材料彈性恢復。液壓回路及控制系統(tǒng)的實驗模型（圖4-3）。一個變量調(diào)節(jié)的軸向柱塞泵壓力與蓄能器連接提供恒定的流量。為了減少實驗時間，半閉環(huán)實驗和線性模型減少了開發(fā)的時間，并提出了一種新液壓機位置和壓力測試和優(yōu)化控制算法。圖4-1 試驗中的小型壓力機（）圖4-2 小型壓力機（）原理圖4.2. 模擬實驗 模型為了檢測力和位置控制，建立了液壓伺服系統(tǒng)

14、(比例閥、線性驅(qū)動器)。圖4-4是運用于實驗中的控制閥門和液壓缸以及回彈機構(gòu)。線性模型運用實驗中以執(zhí)行閉環(huán)系統(tǒng)仿真試驗，測試這種不同于平常的控制方式。在試驗平臺上線性模型表現(xiàn)出的整體性能是令人滿意的。線性模型在平臺上表現(xiàn)的動態(tài)性能，需要通過一些非線性參數(shù)改善，像液壓缸密閉的摩擦力或者閥門的非線性控制，都被運用于評價這個不同的控制方法。液壓缸的模型是由實際液壓缸和液壓閥工程分析而建立的。活塞的速度為，液壓缸的動力學如下： （.1）表4-1小型壓力機（）組件名字 型號伺服氣缸 伺服操縱閥 KBSDG4V-3壓力傳感器 P15RVA1光柵 分辨率1m實時卡 DS1102加速度傳感器 FA201計算機

15、圖4-3 實驗模型的液壓回路和控制系統(tǒng)活塞加速度和M總質(zhì)量與運動(負載、活塞、桿)。由公式4-2中推導出的吸收特性為： 另外一些用于實驗的數(shù)據(jù)為： , , ，, , 圖4-4 小型壓力機（）工作狀態(tài)圖和回彈機構(gòu)的動態(tài)模型圖4-5 半實物仿真實驗圖解決閥門和缸的線性化方程為： （.2）閥門的工作壓力為,4.2.2. 實驗結(jié)果實驗的控制和仿真平臺是基于兩個實時的數(shù)據(jù)處理芯片(模型DS1102)。數(shù)據(jù)信號處理器是在Simulink和Matlab軟件平臺下進行編程。其中一個芯片負責位移于力的混合控制，所獲得的力與位移的信號將控制流量閥的流量分配。一個控制器對位置、速度和力量進行控制。平臺的模擬實驗室由

16、一個小型的半實物仿真液壓機完成的(圖4-5)。半實物仿真11指的是一種技術(shù),有些地方的部件的純粹的以模擬的方式取代真實硬件。圖4-6 實際和仿真結(jié)果的比較圖4-7 實際和仿真的PD控制器中活塞位置一個控制臺的應用以開發(fā)改變參數(shù)的控制?？刂婆_的軟件工具都由DSPACE公司提供以建立實驗平臺。它很適合數(shù)據(jù)采集,并且它的圖形界面(GUI)簡單又直觀。它也有可以隨時改變基準信號。實驗數(shù)據(jù)可以在Matlab的框架下存儲以待處理。進行一系列試驗用不同的參考信號(形狀、振幅、頻率)來估測線性模型的性能。圖4-6和4-7表現(xiàn)的是小型壓力機（）實時模擬出來的結(jié)果12。位置信號是一個方波,兩種系統(tǒng)都由一個比例微分

17、控制器，統(tǒng)一的比例常數(shù)和信號增益。圖4-8 （a和b）實驗裝置（）和模具小型壓力機（）的實驗結(jié)果與實際非常吻合。小型液壓機（）,第二次的實驗裝置已經(jīng)設計完成（圖4-8(a和b)）。它和實際液壓機非常接近、并將被用來執(zhí)行成形試驗，檢測和分析回彈的參考值。5 結(jié)論在液壓機領(lǐng)域估測板料成形中回彈的方法提上了日程表。工件成形后釋放應力導致的回彈已經(jīng)被詳細論述。這種小型壓力機（）的一個原型和一個線性模型的也被開發(fā)出來。這個模型被用來做半閉環(huán)(HILS)實驗,以測試不同控制方案，沒有直接做實物實驗的相關(guān)危險。該方法將成為一個行之有效的方法，通過技術(shù)的改進以提高效率和質(zhì)量。新型的液壓系統(tǒng)將被運用并進行最后的

18、實驗。感謝衷心感謝葡萄牙科學和技術(shù)基金會(FCT)對該研究給予盛大的支持。參考文獻1 W.Y.D. Yuen, Springback in the stretch-bending of sheet metal with non-unifom deformation, J. Mater. Proc. Technol. 22 (1990) 120.2 S.W. Key, R.D. Kring, K.J. Bathe, On the application of finite element method to metal forming processes, Comp. Mech. Appl. M

19、ech. Eng. 17/18 (1979) 579608.3 F. Morestin, M. Boivin, C. Silva, Elasto plastic formulation using a kinematic hardening model for springback analysis in sheet matal forming, J. Mater. Proc. Technol. 56 (1996) 619630.4 Makinouchi, Sheet metal forming simulation in industry, J. Mater. Proc. Technol.

20、60 (1996) 1926.5 A. Makinouchi, E. Nakamichi, E. Onate, R.H. Wagoner, Prediction of spring-back and side-wall curl in 2-D draw bending, J. Mater. Proc. Technol. 20 (1995) 361374.6 W. Klingberg, U.P. Singh, W. Urquhart, A finite element simulation of free bending, in: Proceedings of International Con

21、ference on Sheet Metal, University of Ulster, 1994, pp. 201211.7 Taylan Alten, Metal Forming Handbook, Press, Goppingen, Germany, 1998.8 Y. Hu, G.N. Walters, A Few Issues on Accuracy of Springback Simulation of Automobile Parts, SAE Paper No. 1999-01-1000, SAE SP-1435.9 P. Talaia, A. Rocha, J.A. Ferreira, Suspension Analysing Equipment Based on a Hydraulic Servo-Cylinder, in: Proceedings of CONTROLO 2002Fifth Portuguese Conf