張若青 景作軍 李 凱

(①北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144;②中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院農(nóng)產(chǎn)品加工所，北京 100193)

輥彎成型是一種高效、節(jié)能、節(jié)材、先進(jìn)適用的板金屬深加工工藝。通過順序配置具有一定形狀的成型輥，對(duì)卷材、帶材等金屬板帶逐步進(jìn)行彎曲變形，制成特定斷面的型材［1］。與其他板金屬成型工藝相比，輥彎成型產(chǎn)品具有斷面形狀合理、重量輕、機(jī)械性能好等特點(diǎn)。當(dāng)型材斷面沿縱向尺寸變化時(shí)，相應(yīng)產(chǎn)品稱為變截面冷彎成型產(chǎn)品。與等截面型材相比，變截面產(chǎn)品具有力學(xué)性能好、構(gòu)件重量輕、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于汽車、建筑型材等行業(yè)。

變截面冷彎成型的概念首先由德國達(dá)姆施塔特大學(xué)提出，隨后各國學(xué)者紛紛展開了相關(guān)技術(shù)的研究［2－4］。這些研究包括采用有限元技術(shù)分析典型變截面輥彎成型的變形特性與受力狀態(tài)［4］，研制不同結(jié)構(gòu)的變截面輥彎成型機(jī)［2－3］。在變截面輥彎成型技術(shù)越來越受到國際上廣泛重視的同時(shí)，中國也相繼開展了相關(guān)技術(shù)的研究，如通過數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)，探討變截面成型型材截面的變化范圍［5］;研制單軸變截面輥彎成型機(jī)與雙軸變截面輥彎成型機(jī)以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，進(jìn)行變截面輥彎成型的實(shí)驗(yàn)研究等［6－8］。

本文介紹了基于虛擬儀器思想的雙軸變截面輥彎成型機(jī)的控制系統(tǒng)，以PXI控制器為控制核心，采用NI運(yùn)動(dòng)控制器以及信號(hào)處理模塊，實(shí)現(xiàn)了高精度三道次雙軸變截面成型。

1 雙軸變截面成型機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)輥彎成型原理，在成型過程中，成型輥的中心線應(yīng)與板材邊緣成型點(diǎn)法線平行，即與成型點(diǎn)處切線保持垂直關(guān)系，如圖1所示。因此成型輥不僅需要沿軸向的平動(dòng)，還需要轉(zhuǎn)動(dòng)以保持上述關(guān)系。

根據(jù)以上成型原理，我校研制了可進(jìn)行三道次變截面成型的雙軸變截面成型機(jī)，其單道次機(jī)組的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。成型輥通過滑臺(tái)與伺服電動(dòng)機(jī)聯(lián)接，配合絲杠—螺母與齒輪—齒條機(jī)構(gòu)，利用2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)同一道次的兩組成型輥對(duì)稱的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)變截面成型原理可知，在板材成型過程中，根據(jù)板材成型點(diǎn)曲率與板材送料速度，需要調(diào)整成型輥運(yùn)動(dòng)的速度與位移，從而成型出滿足要求的變截面型材。成型機(jī)三道次成型的6臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成了多軸伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

用于伺服電動(dòng)機(jī)控制的運(yùn)動(dòng)控制器，可分為基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器、Soft型開放式運(yùn)動(dòng)控制器以及嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器等，其中基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用越來越廣泛。這類運(yùn)動(dòng)控制器采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制器模式”，可以充分利用計(jì)算機(jī)軟件資源，構(gòu)建用戶定制的應(yīng)用［9］。

本系統(tǒng)采用基于虛擬儀器思想的運(yùn)動(dòng)控制器以及相應(yīng)的硬件平臺(tái)，構(gòu)建了雙軸變截面冷彎成型機(jī)的控制系統(tǒng)。

2.1 虛擬儀器技術(shù)簡介

所謂虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動(dòng)化的應(yīng)用。作為虛擬儀器常用的硬件平臺(tái)—PXI控制器，具有開放式架構(gòu)，內(nèi)置高速、高精度的定時(shí)和觸發(fā)總線，配合各類標(biāo)準(zhǔn)化的I/O硬件模塊，在圖形化編程軟件LabVIEW的支持下，不僅可以輕松方便地完成與各種硬件的聯(lián)接，還具有強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，滿足各種高性能要求，越來越多地應(yīng)用于各種工業(yè)場合。

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以PXI控制器為硬件平臺(tái)，采用NI 7356控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，NI 6624采集板材速度以及軋輥位置信號(hào)，同時(shí)配合相應(yīng)的接口配件，構(gòu)建了如圖3所示的雙軸變截面輥彎成型控制系統(tǒng)。

板材進(jìn)行變截面成型時(shí)，成型力在較大范圍內(nèi)變化，影響了板材的進(jìn)給速度，進(jìn)而影響道次之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，因此成為影響成型軌跡精度的重要時(shí)變因素，也是參與控制的重要變量。所構(gòu)建的全數(shù)字測試系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，位置與速度閉環(huán)控制策略也極大地減小了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械間隙等造成的位置誤差。

3 軟件設(shè)計(jì)

采用圖形化語言LabVIEW編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，可以大大提高工作效率。

圖4為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的程序框圖?？梢钥闯?，框圖中電動(dòng)機(jī)工作模式的設(shè)置與參數(shù)給定是圖形化編程中的重要組成部分，既能完成硬件配置，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換。程序的流向控制由數(shù)據(jù)傳遞來實(shí)現(xiàn)，不同的執(zhí)行過程由不同的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。如圖4中由分支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的分解，循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判斷。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用上述控制系統(tǒng)在雙軸輥彎成型機(jī)上實(shí)現(xiàn)了某5斜率板材的成型，其中一個(gè)機(jī)組的2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的部分運(yùn)行曲線以及實(shí)際成型樣件如圖5所示。為便于分析電動(dòng)機(jī)特性對(duì)軌跡精度的影響，圖中已經(jīng)將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角折算為成型輥位移的電動(dòng)機(jī)位移曲線。

由板材成型原理可以知道，成形板材的輪廓形狀由成型輥的運(yùn)動(dòng)與板材送料運(yùn)動(dòng)合成;圖5a中電動(dòng)機(jī)1的位移曲線基本反映了板材輪廓形狀，電動(dòng)機(jī)2由于需要根據(jù)變斜率段的曲率調(diào)整成型輥的角度而與電動(dòng)機(jī)1的曲線存在一定量偏差。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)過渡過程的存在，使成型輥軌跡在圖5a中所示A、B、C、D四處斜率變化點(diǎn)出現(xiàn)過渡曲線，從而造成軌跡偏差。本實(shí)驗(yàn)在板材送料速度為0.2 m/s的情況下，軌跡偏差最大約為4 μm。

高精度成型輥軌跡控制是實(shí)現(xiàn)高精度變截面成型的前提，在此基礎(chǔ)上分析成型質(zhì)量才是可靠的。

5 結(jié)語

北方工業(yè)大學(xué)研制的雙軸變截面輥彎成型機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、合理等特點(diǎn)，配合基于虛擬儀器思想的成型輥位置與速度的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了直線型雙軸變截面板材的成型?？刂葡到y(tǒng)以LabVIEW軟件為開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用NI運(yùn)動(dòng)控制器等模塊，充分利用圖形化軟件系統(tǒng)編程靈活、方便的特點(diǎn)，完成了對(duì)控制系統(tǒng)的快速開發(fā)。

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