（机械电子工程专业论文）基于人工神经网络的轴类零件校直系统的研究.pdf

基于人工神经网络的轴类零件校直系统的研究 摘要 轴类零件是机械装置中的重要组成部分，其弯曲变形普遍存在，为了获取 下道工序所允许的最小切削量、减少废件、提高成品率、节约加工和原材料的 成本和保证工件达到严格的最终设计公差要求，使用校直机械进行合理的校直 成了这些产品必不可少的工艺步骤。 本文在现有文献和研究的基础上，采用金属弹塑性弯曲理论，建立了轴类 零件校直模型，分析了轴类零件在校直过程中的弯矩、曲率及挠度变化过程， 推导了行程控制的校直计算方法。以合肥工业大学研制的y h 4 0 2 5 为例，通过 对传统通用型校直系统的介绍和构建和分析，指出了该类系统的优越性及局限 性；在此基础上，提出了以人工神经网络技术为蓝本，建立起一套完整的具有 很强自适应性和自学习性的校直系统，它既能继承传统校直系统在伺服控制方 面的良好表现，又能克服传统系统的局限性。 论文随后通过对神经网络理论的研究，选定了以b p 网络算法为基础算法， 按实际要求确定了网络结构和各项网络参数，并通过对以往成功校直样本的学 习建立了一个完整的神经网络。该神经网络作为校直系统的核心部分可以针对 不同的校直参量的输入迅速而准确的产生合理的校直策略。最后在m a t l a b 软件 中进行的仿真结果表明，文章建立的基于人工神经网络的校直系统准确快捷能 够很好的产生校直策略指导校直工艺。 关键词：校直人工神经网络曲轴滚压校直 m a t l a b 仿真 r e s e a r c ho ns h a f t k i n ds t r a i g h t e n i n gs y s t e mb a s e d o n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t s h a f t k i n dp a r t sa n dc o m p o n e n t s ，w h i c hp l a yi m p o r t a n tp a r t si nm e c h a n i c a l d e v i c e s ，a r ei n e v i t a b l yb e n d e da n dd e f o r m e dd u r i n gm a n u f a c t u r i n g s oi t 1 s i n d i s p e n s a b l et h a t t h es h a f t sa r em i n u t e l ys t r a i g h t e n e di no r d e rt oe n s u r et h e i r q u a l i t i e s b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c h e sa n dp a p e r s ，e s p e c i a l l ya c c o r d i n gt ot h em e t a l e l a s t i c - p l a s t i cm e c h a n i c st h e o r y ，t h i sd i s s e r t a t i o nb u i l d s u pt h es h a f t k i n dp a r t s s t r a i g h t e n i n gm o d e l ，a n a l y s e st h er e l a t i o na m o n gb e n d i n gm o m e n t ，c u r v a t u r ea n d d e f l e c t i o ni nt h es t r a i g h t e n i n gp r o c e s s ，a n df o u n d sas u i to fm a t h e m a t i c sf o r m u l a s o fp r e c i s es t r a i g h t e n i n g t a k et h ey h 4 0 2 5s y s t e mf o rae x a m p l e ，w h i c hi sp r o d u c e d b y h e i f e i u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , i ti sp o i n t e d o u tt h a tt h et r a d i t i o n a ls t r a ig h t e n i n g s y s t e m sl i k ey h 4 0 2 5 h a v es o m em e r i t sb u ta l s o h a v ep l e n t yo fd i s a d v a n t a g e sb y a n a l y z i n gt h es y s t e m st h e o r ya n ds t r u c t u r e b a s e do nt h i si n s t a n c e ，an e ws t r a i g h t e n i n g s y s t e mm u s tb es e tu p ，w h i c hc a l lo v e r c o m et h ef o r m e ro n e sd e m e r i t s ，i ns o m e e x t e n t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，as y s t e mi n c l u d i n ga n nm o d u l ei s e s t a b l i s h e dt og u i d e s h a f i k i n dp a r t s s t r a i g h t e n i n g ，e s p e c i a l l yc o m p l e xs h a f t s ，s u c h a sc r a n k s h a f t ，e t c t h r o u g hi n p u t t i n ga n dl e a r n i n gag r e a td e a lo fs a m p l e s ，t h es y s t e mp e r f o r m a n c e r e a c h e st h e i n i t i a l i z e de n - 0 r sg o a l a n ds i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e t h en e ws y s t e mc a nc r e a t e p r o p e rs t r a i g h t e n i n gs t r a t e g ya n dg u i d es t r a i g h t e n i n gt e c h n i c ss u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：s t r a i g h t e n i n g ；a n n ；c r a n k s h a f tr o l l i n g & a l i g n i n g ；m a t l a b ；s i m u l a t i o n ； 插图清单 图1 1 长春a s c 系列自动校直机3 图1 2 无锡大正双辊轮精密校直3 图1 3 合肥工业大学y i - - 1 4 0 2 5 数控精密校直机4 图2 1 几种轴类零件8 图2 2 轴类零件的几种常见弯曲9 图2 3 校直工艺的基本流程一9 图2 4 碳钢的拉伸变形曲线1 0 图2 5 反弯校直示意图1 0 图2 6 校直的简支粱力学模型1 2 图2 7 简支梁变形区域划分1 2 图2 8 两类金属材料的应力应变曲线1 5 图2 9 强化性金属弯曲应力与应变分布模型1 5 图2 1 0 轴类零件弯曲截面应力图1 7 图2 1 1 校直过程的曲率关系示意图1 8 图2 1 2 样本经验法示意图2 l 图3 1 基于i p c 的数控校直系统结构图2 3 图3 2y h 4 0 2 5 型校直系统的工作流程图2 5 图3 3 系统软件结构图2 6 图3 4 系统硬件结构图2 8 图4 1 滚压校直示意图3 1 图4 2m c c u l l o c h - p i t t s 提出的神经元模型3 3 图4 3 神经网络基本模型3 4 图4 4 神经网络的分类功能3 6 图4 5h o p f i e l d 网络结构3 7 图4 6b a m 网络结构3 8 图4 7b p 网络结构图3 9 图4 8 六缸曲轴示意图4 3 图4 9 采用标准b p 法的网络训练结果4 8 图4 1o 存在多个局部极小点4 9 图4 1 1 动量项梯度下降法训练过程5 l 图4 1 2 自适应l r 梯度下降法( 含动量项) 训练过程5 3 图4 13 共轭梯度法的训练过程5 4 图4 1 4 误差折线图5 7 表格清单 表2 1 校直过程中的各种曲率比1 9 表4 1 滚压校直和传统压力校直的比较3 2 表4 2 三种神经网络的比较3 8 表4 3 学习样本输入4 5 表4 4 对应输出4 5 表4 5 归一化后的样本输入4 5 表4 6 归一化后的样本输出4 5 表4 7 用于网络训练的几种b p 算法5 5 表4 8 验证样本的输入值5 5 表4 9 输出数据对比5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金目曼王些太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多墅 签字日期少濞f 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金世王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金目墨王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢砂垄 签字日期如。令年乡月6 日 学位论文作者毕_ i k 后去向： 工作单位：上耐轧确 通讯地址： 导师签名：孤癌 签字日期：7 峭君年，月易日 电话：f 弓8 留，3 6 乏冶 邮编： 致谢 值此论文完成之际，我要向我的导师夏链副教授及韩江教授致以最诚挚的 敬意和最衷心的感谢! 在近三年的研究生学习期间，无论是在科研工作中，还是在生活中，夏老 师韩老师都给予我悉心的指导和照顾。两位老师严谨认真的治学态度和对学术 孜孜追求的精神深深影响了我。他们渊博的学识和对学术问题的独到见解，对 研究课题的敏锐发现和研究方向的准确把握，都体现了极高的学术素养。 从开始收集与本论文相关资料，一直到本论文的完成，两位老师都给予了 我无私的指导和帮助。在选题、开题及完成论文的每一个阶段，他们都严格把 关，并在课题的研究思路上给以具有建设性的意见。对论文的审阅也同样耐心 细致，大到论文的框架，d , n 一个知识点，都是一样细心批阅纠正。同时，他 们也是我生活中的老师，平和、亲切，对学生的关心爱护，三年的研究生生涯 让我体会到了什么是人格的魅力! 感谢何高清老师，他亦师亦友，平易亲和，手把手的教会了我许多工程技 能和工作思路。 感谢祖暄老师、余道洋老师、齐继阳老师、李良初老师在我的课题研究过 程中对我的帮助和指导! 感谢我的同学次青波、谢捷、唐保、戴文明、夏静霆、田艺、李志鹏等， 和他们在一起的学习和生活时光将值得我永远纪念! 感谢师弟王曦、王川、王程、王玉兵、余仲元、杨牧原、吴建霖、孟超、 曹文霞、房科文等给予我的帮助! 最后还要特别感谢我的父母，是他们不辞劳苦、任劳任怨的辛勤付出以及 对于我的精神和物质上的强大支持，使我最终得以完成学业。 再次感谢所有曾经给予我帮助的所有人。 作者：王垫 2 0 0 8 年4 月 第一章绪论 在机械行业中大量使用轴类、杆类零件，这些零件的原材料在粗加工或热 处理等过程中不可避免的会出现弯曲变形，如果不进行校直处理就会直接影响 工件的后序加工和使用，甚至可能出现相当数量的废品。为了获取下道工序所 允许的最小切削量、减少废件、提高成品率、节约加工和原材料的成本和保证 工件达到严格的最终设计公差要求，使用校直机械进行合理的校直成了这些产 品必不可少的工艺步骤。 1 1 校直技术的概述 “校直”，笼统的说来，就是“校而使之直 ，它不同于“矫直 ，在许 多应用和阐述过程中，常常不太注意区别“校直 和“矫直”这两个概念，有 时会将这两个概念混淆或等同起来。然而，这两个概念在机械行业中是有一定 区别的，必要进行一定的说明。文献n3 定义：“矫直”是使挠曲的板料、型材 和管料变为平直状态的塑性加工方法；“校直”是消除材料或工件弯曲的加工 方法。因此，矫直机的概念要更广一些，它消除材料的弯曲、翘曲、凸凹不平 等缺陷，更多地应用于冶金行业。而“校直”则是仅针对弯曲棒材的加工方法， 多用于零部件的生产制造中或零件的修复。可以说，校直是矫直的方法之一。 在不同的场合和环境下，为了消除材料和零件的弯曲变形的校直过程又采 用不同的具体方法，常见的情况有心： 1 ) 在批量较小的精密大型轴类零件的校直加工中( 如汽轮机转子大轴校 直) ，常采用松弛一蠕变直轴法进行校直，工件通过反复加热、加压，实现校直。 2 ) 在大批量复杂轴类( 如发动机曲轴) ，采用类似于无心外回磨削原理， 通过滚轮进行滚压校直。 3 ) 在中小型轴、管类零件的校直加工中，主要采用三点弯校直加工方法， 工件在冷态下实现校直。 4 ) 在大型轴类零件的修复过程中( 如挖掘机拉紧轴修复) ，如果在施工现 场环境下，不具备相应的加工条件，采用热校直是一种有效的校直方法( 也称火 焰校直) 。 1 2 自动校直设备的发展现状 近年来随着机械工业的发展，中、小型轴类零件生产批量越来越大，种类 繁多，手工校直已远远不能满足生产需要，因此自动校直技术和自动校直设备 便应运而生。 自动校直技术是一种先进制造技术，通过自动校直设备完成对轴、管、棒 等零件的校直工艺，是机械加工中保证产品质量的重要工序，广泛应用于汽车、 拖拉机、工程机械、纺织、机械、军工机械等机械制造行业。随着我国机械工 业的发展，对机械产品质量的要求不断提高，此项技术的重要性日益显现出来， 迫切需要对自动校直技术作进一步的研究，实现对轴类零件的精密校直，以提 高轴类零件的加工精度。 自动校直技术主要包括两方面研究内容： 第一是校直工艺理论的研究，校直工艺理论主要是研究通过何种工艺流程 或步骤，实现工件的弹塑性变形，以消除或减少零件在机械加工或热处理过程 中产生的弯曲变形，使机械零部件最终达到设计要求； 第二是自动校直设备的研究开发，自动校直设备是根据校直工艺理论研究 成果开发的，能实现机械零部件精密校直工艺的专用设备。文献旧1 将校直机分 为压力校直机、辊式校直机、拉伸校直机、拉弯校直机等。 这两个研究内容之间关系是相辅相成的。校直工艺理论需要通过校直设各 应用于实际，校直工艺理论的研究必须考虑校直设备的实现方便。校直设备的 研究开发则应在控制生产成本和提高生产效率的前提下，尽可能满足校直工艺 动作要求，保证工件的校直精度。因此在研究校直理论的同时，应当兼顾校直 设备的设计和制造问题。 据上世纪9 0 年代的不完全统计，我国年产轴类零件约为1 0 亿件左右，需 要经过校直工艺的约占7 0 ，面对如此庞大的校直需求，我国一些企业却还停 留在手工校直上，即校直工艺的实施多由操作人员凭经验和估计来确定校直位 置、压力及行程，这种传统的做法不仅劳动强度大，生产效率低，而且校直精 度的稳定性得不到保证。相比之下，西方工业发达国家里，由于技术起步早， 劳动力成本高，在校直工序普遍采用自动化程度很高的校直设备。它不仅提高 了生产效率和校直精度，而且也直接避免了人的因素对产品质量的影响。 在工业发达国家都有一些专门的校直机制造公司和研究机构，知名度较高 的有德国m a e 公司、意大利g a l d a b i n i 公司、美国的e i t e l 公司、日本的 东和精机株式会社和国际计测器株式会社等。他们生产的校直机产品规格齐全。 系列完善，如德国m a e 公司生产的a d s 2 5 r h 型2 5 k n 和a d s f 6 3 r h 型6 3 0 k n 闭式全自动液压校直机，m u e l l e rw e i n g a r t e n 公司生产的r r e 系列 ( 1 0 0 。1 0 0 0 k n ) 的全自动液压校直机，意大利g a l d a b i n i 公司生产的2 5 0 k n 型自动液压校直机等。这些产品都已经有了较高的技术水平，行程精度高，检 测与显示手段完善，在自动化、智能化、柔性化等方面处于国际领先地位。由 于全自动校直机增加了检测装置、自动送取料装置和计算机控制系统，因而校 直效率和精度明显提高。 随着国家“九五 、“十五”，h 十一五”计划开展，国内的自动校直设备的 研制也迎来了一个春天，大批拥有自动知识产权的自动精密校直机械纷纷涌现。 2 例如：长春试验研究所于2 0 0 3 年开发出具有自主知识产权的a s c 一系列 自动校直机；无锡大正的双辊轮精密校直机；合肥锻压集团公司和合肥工业大 学机械与汽车工程学院合作研制的具有先进水平的y t 4 0 2 5 全自动精密液压校 直机。 图1 1k 春a s c i i 系列自动校直机 图1 2 无锡大正双辊轮精密校百 合肥工业大学机械与汽车工程学院研制的y h 4 0 - 2 5 精密校直机控采用基于 工业控制计算机的c x c 控制系统，工控机与运动控制卡使用串口通信的方式； 软件系统采用模块化设计，包括自动加工模块、手动调整模块、参数设置模块、 状态监控模块、数字量采集和处理模块、故障诊断模块、通信模块等，整个软 件系统通过这些或相关或独立的模块构成，结构简明，功能稳定；具有压力、 行程和油温数字显示和预置功能，并具有报警功能。该机的研制成功，提高了 我国精密校直工艺装备的水平。一批批自丰品牌的出现填补了校直技术上的空 白，初步打破了国外校直设备的垄断局面。 图1 3合肥工业大学y h 4 0 2 5 数控精密校直机 1 3 校直控制系统的现状及发展1 3 进入新世纪，随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对 零件校直质量的要求也越来越高，自动校直设备也面临着新的发展方向一数 控化。数控化程度是一个国家综合科技能力的体现，校直设备的数控化能大大 提高生产率，提高校直精度，提高加工的一致性、互换性，减少废品和返修率， 降低了生产成本，提高了市场的竞争力。 1 ) 提高生产率。数控系统具有记忆、计算、信息处理、屏幕显示和反馈 控制等功能，可大大提i 岛测试、控制灵敏度、精度和分辨能力，可实现生产自 动化、无人化，因此生产率可以大幅度提高。 2 ) 提高精度。且能保证质量。由于采用数控装备，可实现自动上下料、 自动调速、自动进给、自动校正、自动检测、自动补偿、监控等功能，故可大 大提高加工制造精度，减小误差，加工一致性好。 3 ) 提高可靠性。可靠性是衡量数控系统质量的一项关键性指标。衡量可 靠性的重要量化指标是平均无故障工作时间m t b i ? ( m e a n tim eb e t w e e n f a i ur e s ) 。数控系统具有自动监测、故障诊断功能，遇到过载、失速和停电 等情况，能自动采取对策，防止事故的发生，从而提高可靠性和安全性。 4 ) 降低生产成本。由于元件和整机结构小型化，能大大降低能耗，改善 操作性能( 如普遍采用数字和屏幕显示，而减少手轮等) 和维修性能( 标准化、 模块化结构，采朋伺服电机、主轴电机，大量减少了齿轮传动机构) ，这样就 大幅度降低了劳动强度和生产成本。 计算机和自动控制技术的革新为校直设备的数控化发展提供了有力的保 障。近年来，在我国校直数控系统的发展生机勃勃，特别是在通用计算机数控 领域，以p c 平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，由于国 内校直数控系统的起步晚，知名度低，关键技术受制于国外，在创新力、市场 占有率等方面问题尤为突出。当前校直数控系统正处在由专用型封闭式开环控 制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展的时期，高速化、高精度 化、高可靠性、高柔性化、高一体化、网络化和智能化即将成为发展的主体。 1 4 人工神经网络技术在校直中的应用 近年来，国内的自动校直机械发展迅速，已经大大改变了以往手工校直的 局面，使得加工零件的精度有了大幅度的提高；然而许多应用了自动校直机械 的工厂企业反映出校直效率不理想，没有达到预期的工作效率和经济效益，这 主要是由国内现有的自动校直系统通用性不强，对于型号参数略有差别的工件 自学习，自适应性低造成的。又比如类似于汽车曲轴这类零件，形状复杂，实 际变形计算时间长，且因弹塑性力学理论上的局限性，理论计算校直量也很不 准确，亟需一种新的方法来更完善的建立起校直零件变形量和校压量的映射关 系，以便校直工作高效的进行。 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是由大量简单的元 件连接而成的，是对生物神经元的简化和模拟。人工神经网络反映了人类脑功 能的许多基本特征，对复杂的人脑神经系统进行简化、抽象和模拟h 1 。人脑作 为一个智能的信息处理系统，具有并行分布处理、神经系统的可塑性和白组织 性、神经系统的系统性及系统的恰当退化等特征。人工神经网络是智能控制的 一个崭新的研究方向，它能通过一段时间的学习训练或感知，能针对外界环境 的变化自动调整网络结构参数，来适应新的信息和情况。曲轴作为复杂轴类零 件的代表，在汽车及航海等诸多领域占有重要的地位，由于其结构复杂、刚性 差，制造应力复杂，校直便成为一个不可或缺的工艺广场。在普通的曲轴数控 校直系统中引入人工神经网络单元，通过对大量成功校直的范例样本的学习， 使系统能够准确的建立起曲轴弯变情况( 输入量) 和睦轴下压位置及下压量( 输 出量) 的映射关系。这样整个系统的自适应、自学习、自组织性加强，可以满 足企业对校直机械通用性、自适应性的需求。 1 5 课题来源与论文的主要内容 1 5 1 课题来源 本课题来源于合肥工业大学机械与汽车工程学院承担的安徽省“十一五 重点科技攻关项目“自动校直技术及其成套设各研究开发”，该项目主要针对汽 车、纺织等机械制造行业中因热处理和机械加工导致的轴类零件轴心线弯曲变 5 形，研究轴类零件的自动校直工艺理论问题，实现轴类零件高效率、高质量的 校直工艺，进一步提高我国机械产品质量，提升我国机械产品的国际竞争力。 其研究主要包括两方面的内容：一是校直工艺理论的研究；二是数控精密校直 机的研究开发。 1 5 2 论文主要内容 本文工作基于台肥工业大学机械与汽车工程学院与合肥锻压集团公司合作 研发的y h 4 0 2 5 精密数控校直机，主要介绍了校直工艺理论、y h 4 0 2 5 数控校 直机的工作流程及控制系统的设计与开发，重点对人工神经网络在曲轴校直中 的应用做了详细的讨论，提出了一个完整的以a n n 模块为核心的曲轴校直系 统，并运用理论计算与计算机仿真想结合的方法验证了系统的可行性。 论文具体分为以下三个部分： 1 校直工艺理论的研究 主要采用金属弹塑性弯曲理论，以单弧度轴类零件为研究对象，对轴类零 件在弹塑性弯曲过程中的弯矩、曲率以及挠度之间的关系展开理论研究。定义 了弯曲过程中的初始曲率、反弯曲率、弹复曲率及残余曲率等，分析了各种曲 率间的相互关系，并建立了弯矩与曲率的函数关系，进而推导了挠度的计算公 式和建立了由“下压力转化为“下压量”的行程控制校直的计算方法。 2 传统通用型轴类零件校直系统的研究 该部分以y h 4 2 5 机为基础，提出了一套完整且可行的循环校直方案，并 对其控制系统的功能要求和特点进行分析，并在此基础上构建了数控精密校直 机控制系统的二级分布式集散控制系统体系结构。着重对数控精密校直机控制 系统的软件结构、硬件结构进行设计研究，同时对传统型数控校直系统的局限 性进行了分析，指出现有的数控校直系统存在着许多固有的缺陷。 3 基于人工神经网络的轴类零件校直系统的研究 该部分针对现有自动校直系统通用性、自适应性不高的现状，将人工神经 网络理论引入校直系统中。并以较为复杂的曲轴校直为例，运用三层前馈b p 网络建立曲轴滚压校直网络模型，探讨如何运用合理的方式进行网络输入层、 隐层、输出层节点数的选择；对于所设计的神经网络算法，提出了几种典型改 进方法用以提高网络的学习速度，增强系统的自学习、自适应能力；探讨了网 络训练算法中训练过程的不确定性、冗长的训练时间、实时性差等问题，对学 习收敛速度慢，存在能量函数局部极小值等问题进行了改进，并运用m a t l a b 软 件进行了系统的仿真计算，结果表明构建的系统性能基本符合要求。 论文的最后对整个研究进行了总结，提出了展望，希望能对以后的进一步 的研究提供一个可行的方向。 6 1 6 本章小结 本章主要探讨了校直技术及自动校直设备的现状及发展，提出了将人工神 经网络引入曲轴校直的想法，说明了课题来源并安排了论文的主要章节和内容。 7 第二章轴类零件校直工艺理论的研究 2 1 轴类零件校直工艺概述 是组成机械的一种重要零件，它的制造精度直接影响到机械运行的平稳性。 一切作回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。 因此轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。按照承受载荷的不同可 分为转轴、心轴和传动轴；按照轴线形状的不同又可分为曲轴和直轴pj 。常见 的轴类零部件包括：汽车及机床一卜常崩的光轴、台阶轴、曲轴、丝杠、齿轮轴、 蜗杆；纺织机械上常用的罗拉轴、长主轴；工具刃具上常用的麻花钻、拉刀等； 石油机械上的实心钻杆和空心钻杆等；小型船舶发动机的尾轴等。 2 1 1 轴类零件的常见弯曲情况 图2 1 几种轴类零f 轴类零件经过锻造或者铸造工艺处理后不可避免的会出现不同程度的弯 曲变形，通过对众多零件生产制造商调查发现，轴类零件的初始变形既有随机 性，又有规律性。现总结出如下几种情况【2 j ： 1 ) 单弯型 有一个弧度的初始弯曲变形，其主要特点是在轴端点之间有一个弧度的弯曲变 形，粗短轴类零件的初始弯曲主要体现这种情况。 2 ) s 犁 有限多个弧度的弯f h l 变形，主要特点是轴线在两端点间有多个弧度的弯曲变形， 相邻的两个弧度的弯曲方向可能在一个甲面如s 型，细长杆轴类零件的初始弯曲主要 体现这种情况。 3 ) 双峰型 轴线两端点间有两个弧度，形状类似f 双峰，轴线近似波浪形，主要在长线材在 出现此类情况。 4 ) 空间弯曲型 这是一种比较复杂的弯曲情况。轴线两端有多个弯曲变形，有些在同一平 面，有些则不在一个平面，这些弯曲共同构成了一个空间的弯曲形状。 1 单弯型2s 型3 双峰型4 宅间弯曲型 卢、了二k 图2 2 轴类零件的几种常见弯曲 通过大量实际的统计发现，其中后两种情况出现的概率要大于第一种情 况，如果轴心线呈现空间分布，则校直难度更大【6 1 。 2 1 2 校直工艺的基本流程和方法 “校直”，顾名思义是校而使之直。它是对待加工工件先检测而后通过一 定的方法消除弯曲变形的过程。很显然，它是一个含有检测过程的闭环系统。 为了便于表述，现把校直过程进行简化如下： 图2 3 校直工艺的基本流程 工人或者校直机床通过反馈的检测结果分析判断待加工零件是否合格，然 后根据经验或者既定算法确定支点和压点的位置，所需的下压力或者下压量， 实施校直。再观察检测环节的结果，根据结果确定下一步的校直参数，实施新 一次的校直，直到零件合乎要求则校直工艺结束。 从传统的单纯依靠经验的人工校直到现代机械式的校直再到当代先进的自 动精密数控校直设备，虽然无论在校直形式还是校直精度上都有了日新月异的 飞跃，但它们依然是按照上图的流程进行校直工作，所不同的是机器代替了人， c n c 控制代替了人的主观经验。而所采取的校直方法依然是在材料的弯曲处施 加载荷使其产生反向弯曲，以达到校直的目的。 9 2 2 反弯校直和反弯校直的两个根本问题 2 2 2 反弯校直 所谓反弯校直就是在金属材料的弯曲处施加不同程度的反向载荷，使其产 生反向弯曲从而达到校直目的的全过程盯3 。 虽然弯曲和校直是两个完全相反的过程，但究其根源它们都源自金属弹塑 性变形机理。金属在受到外力作用时，会在其内部产生应力，并迫使原子离开 原来的位置，从而改变了原子间的相互距离，使金属发生变形，同时引起原子 位能的增高。位于高位能的原子具有返回原子低能平衡位置的倾向。当外力停 止作用后，应力消失。变形也随之消失，金属的这种变形称为弹性变形。当外 力继续增大，使金属内部应力超过该金属的屈服强度后，即使外力停止作用， 金属的变形也不能消失。这种变形称为塑性变形鹋7 。下图为碳钢的拉伸变形曲 线。 c r ( f l 气 以 吼 图2 4 碳钢的拉伸变形曲线 其中o e 段为弹性变形，超过e 点材料开始塑性变形，b 点为最大抗拉强度， k 点为材料破坏失效。 轴类零件的校直属于弹塑性变形阶段。由于弹性变形是可逆的，塑性变形 是不可逆的，所以弹塑性弯曲后必然有一部分变形得到恢复，另一部分被残留 下来。若此时零件的残留变形量与初始变形量相等，该零件就会被校直。 如图2 5 所示，玩为初始弯曲变形量，以为反弯变形量。只有当反弯变形 等于弹复变形4 时，卸载后零件才会变直。 支点 图2 5 反弯校直示意图 l o 反弯校直是人类在生产实践中发展最早的校直方法，经过几百年的发展仍 然是工业生产中最直接有效的校直方法，这主要是由以下特点所决定的： 1 ) 反弯校直能使金属零件产生不可回复的塑性变形。在前述局部范围确 定后，外界提供的反弯校直载荷超过一定界限后，将使零件在局部范围内产生 一定塑性变形。如果在卸载后残留下的塑性变形值和零件初始弯曲变形值相当， 且方向相反，零件即能被校直。 2 ) 反弯校直的加载方式适合于具有复杂变形特征金属零件的校直。金属 零件在经过不同的加工，以及不同的热处理工艺后，所产生的弯曲变形是复杂 的。纯弯曲的方法进行校直是不可行的，因为零件上各处弯曲变形初始曲率并 非均匀一致，用同一弯矩进行校直，则各处反弯曲率相等，不能校直零件。而 反弯校直可针对零件上局部弯曲变形最大值处进行校直，只影响零件上某一点 及其附近区域，因此可分别对复杂变形、复杂几何形状中各局部弯曲变形实施 校直，最终达到校直目的。 2 2 3 反弯校直的两个根本问题 反弯校直是将带有原始弯曲的工件支承在工作台的两个活动支点之间，运 用压头对准最弯部位进行反压弯的校直方式。于是，压点、支点如何组合以及 下压量值如何计算便理所应当的成为反弯校直的两个必须要解决的根本问题。 ( 1 ) 压点和支点的组合问题 根据零件的初始变形情况，压点的位置无疑应选择在最大弯曲挠度处。对 于轴类或管类零件的弯曲方向及最大弯曲点的确定则比较麻烦，一般地，用顶 尖夹持轴类工件，电机带动工件回转，由多路传感器测量出多点处的弯曲跳动 量和相应的相位，再利用一定的算法对测得的数据进行处理计算，最终确定弯 曲方向和最大弯曲位置。所采用算法的思路基本上是一致的：先采用最小二乘 圆心法确定各测量点所在截面的圆心坐标，然后将各圆心点连成空间折线看作 是被测实际轴线，晟后依据基准轴线即可确定最大弯曲量和弯曲方向。校直时， 往往将实测轴线简单地看成是最大弯曲方向上的平面弯曲问题。 由于校直力学模型可采用材料力学中简支梁模型，如图所示，只要挠陆线 上无其它极值点，跨度中点的挠度值和最大挠度值相差不大。也就是说不管集 中载荷距支点的位置如何，发生最大挠度的截面仍然会在跨度中点附近渖_ 钔。上 述结论虽然限于简支梁弹性变形阶段，但仍可以作为校直过程中，确定压点、 支点组合的基本依据。经过总结归纳出压点和支点组合的基本原则： 1 ) 为避免轴类零件原先直的部分被压弯，压点应尽量选在初始弯曲变形 最大点处： 2 ) 支点应尽量对称分布于压点两侧； 3 ) 弯矩变化梯度和零件初始曲率尽可能一致。 图2 6 校直的简支粱力学模型 以上原则是在单弯曲单一压点的情况得出的，那么对于更为常见的双峰弯 曲轴和空间弯曲轴而言呢? 这些轴的情况显然更加的复杂，对它们进行校直时 压点和支点的组合问题又如何解决呢? 就此我们提出了对于多弧度初始弯曲变形轴的“隔离 技术。所谓“隔离 就是将需要校直的多个弧度弯曲分解成单个弧度弯曲，对单个弧度弯曲采用上 述方法进行校直。 ( 2 ) 校直量的确定问题 压点和支点的组合解决了在哪里压的问题，校直量则关系到怎么压，压多 少的问题。我们还以简支弹性梁作为校直的力学模型。如下图所示，在载荷的 作用下，简支粱的变形分为三个阶段n 虬1 ： 1 ) 载荷较小时，简支粱产生弹性变形，这时材料的应力应交关系符合虎克 定律，即e = e a r ； a1、 b 吐 ： 童矗l壹点2 i - 2 ，- 日性辑磅区身弹性壹形区，1 身孽难e 压薯区- 尘膏l h 生掘呻吕 图2 7 简支梁变形区域划分 2 ) 载荷继续增加超越梁弯曲的弹性极限，梁开始进入弹塑性变形阶段， 如图2 7 中的l 区域和2 区域分别为弹塑性压缩区和弹塑性拉伸区，其它区域 仍为弹性变形区，处于弹塑性变形的材料不再遵循虎克定律，表现为某种近似 直线的曲线模式，其弹性特性明显的减弱，数学关系式为盯= 名( ) ，其中五为非 1 2 线性函数； 3 ) 当变形达到要求，压点卸载。简支梁开始进入弹性回复阶段，大部分 的变形回复，小部分的塑性变形残留下来。 经过对各类金属材料的试验，可将其弹塑性变形阶段的力学特性总结为如 下的几种形式纠： 1 ) 弹塑性变形过程中的应力应变关系表现为幕指数关系，多为中碳钢和 优质合金钢； z ) 在经过较长的一段塑性屈服阶段后应力近似为盯= o s = c o n s t ，多为低碳 钢； 3 ) 在屈服阶段后应力和应变关系表现为线性关系，但与弹性变形过程时 的斜率不同，多为铝合金等一些小塑性变形材料； 4 ) 屈服过程较长或者强化效果不显著，多为一些用于塑性加工的金属材 料。 轴类零件主要是采用中碳钢或者优质合金钢3 。，弹塑性变形阶段的力学特 性主要体现为上述的第一种情况。对于需要校直的轴类零件而言，实际上是在 人为的控制下经历有限多次弹塑性变形的过程，只有经过弹塑性变形才能产生 残留的塑性变形，从而使轴的弯曲程度减轻。因此校直量的确定问题便可以表 述为：已知轴类零件的初始最大弯曲变形，材料的特性参数，几何特征；已知 压点、支点如何布置组合，确定出压点出零件经历多次弹塑性变形，每次变形 多少，才能最有效率的将零件的弯曲变形减少的精度要求的范围以内。 2 3 校直量计算的几种方式 校直量的计算是整个校直工艺理论的关键技术，也是其核心部分，校直量 的计算结果直接影响到校直结果的精度。 为了研究方便，我们对材料先做出如下的简化假设： ( 1 ) 被校轴类零件为理想弹塑性材料； ( 2 ) 材料变形过程中，轴的截面保持为平面且垂直于的轴线； ( 3 ) 轴的各纵向纤维之间没有正应力相互作用； ( 4 ) 轴的弯曲轴线与其中性轴重合，弯曲过程中中性轴向半径较大方向偏 移非常小，可忽略不计，即弹性阶段的中性轴在塑性阶段仍保持为中性轴； ( 5 ) 不考虑鲍辛格效应。 根据文章上面提到的校直量问题的表述，建立以下的函数表达： y ，= ，( 坑，疋u ，g ) ( 2 1 ) 其中：f 一变形次数 ，一零件压点处变形 ，一函数符号 1 3 口。一零件初始弯曲变形量 刀一压点、支点组合集 u 材料特性参数集 g 一几何特性参数集 对于校直量计算问题传统上有两种观点n4 1 屿1 ，一是压力控制方式，二是行 程控制方式。 2 3 1 压力控制方式 在传统的手工校直中。对一批具有相同初始弯曲变形特点的轴类零件，如 果校直压点和支点组合是固定的，操作者可根据经验将可能出现的初始弯曲变 形值划分成几个区域，在校直机立柱上标定相应的校直行程记号，以后的校直 中，就以此为依据控制滑块行程进行校直。这实际上是一种原始的行程控制的 校直方式，然而这方法对复杂弯曲变形轴类零件的校直，存在废品率高的特 点，主要原因是材料在多次变形后，材料的参数己变化，不再符合以前的经验。 与此不同，压力校直从另外一个角度来思考这一问题。造成材料的反弯变形的 根本原因是外加载荷的压力作用，所以压力控制方式是最直接也最容易被人接 受的控制方式。其主要的计算公式为： y = a p + y o ( z 2 ) 其中p 一压头瞬间的压力值 a 一弹性回复系数，是材料的特性常数 y 。一零件初始弯曲量 y 一计算所得的下压量 以压力控制的校直方式，考虑了校直中可能出现的各种情况，相比起传统 的经验式校直精确性得到进一步提高。然而它也有自身不可弥补的缺陷，从试 验上看，校直计算中涉及到力参量，在测得力参量同时，还有需要测量瞬时行 程；从实践上看，当今自动校直设备已经成为主流，特别是精密度很高的c n c 设备。这些设各虽然在驱动方式上各有不同，但归根结底都是通过精密伺服系 统控制行程来完成工作的，压力控制的方式不能满足机床发展的普遍趋势，将 压力值转化行程值越来越成为校直理论研究的出发点。 2 3 2 行程控制方式 从人类最原始的经验校直法到当今配备数控伺服系统的自动校直设备，行 程控制的方式始终是校直理论中不可缺少的部分，尤其是近十几年来计算机和 自动控制理论的长足发展，行程控制方式又再次占据了校直机械的主流。 本文从弹塑性理论基础角度出发，对基于行程控制方式的校直工艺理论进 行了系统化的研究。 1 4 ( 1 ) 一些必要的假设 在前述5 条材料简化假设的基础上，根据校直工艺的实际，主要考虑平截 面和单向应力的情况。 ( 2 ) 根据零件的材料建立零件校直的弹塑性力学模型。 轴类零件大多采用高强度金属以保证其性能，如下图所示，相比起一般金 属材料，高强度金属材料屈服平台较短或没有屈服平台，且强化特性明显n 6 | 。 有屈服的情况 j f j c t b 吒 巧t ) 口 占t 毛 5 5d 皿 无明显届服的情况 图2 8 两类金属材料的应力应变曲线 从现实条件、校直特点及计算可能性出发，在没有实测。，和。a 值条件下， 使用断后延伸率以和吒两坐标的定位点d 及吼与的定位点f 间连线t d 的斜率 上p 作为强化模量的平均值，并用它与弹性模量e 的比值作为强化系数五即 f1 = 等= 譬( 2 _ 3 ) 。当金属材料具有高强度低韧性时，屈服平台消失或 e o s 一a t 很小。此时必须考虑强化影响，参照图2 8 ( 无明显屈服情况) 及图2 9 ，设边界 处应力吼与对应的边界应变为，则有 o - h = o - , + e e ( 岛- - e t ) = 吼+ 2 ( e h e q ) ( 2 4 j 式中的岛可按平截面确定的变形( 线性) 关系来计算。即各层纵向纤维的 变形与该层到中性层的距离成正比。 图2 9 强化性金属弯曲应力与应变分布模犁 参看图2 9 ，并假设在距中性层，2 处达到弹性极限变形时，则有： 岛2 景h ( 2 j ) 同时可算出任何厚度( 2 z ) 处的变形： 铲姿： ( 2 6 ) h 、 各种厚度处应力的计算要分类别考虑。 1 ) 弹性区厚度内的应力，可按简单线性关系写出其任意厚度处( 2 z ) 的应 力为： 以=竺2三t“,z7)o = o z1 。 月t 2 ) 弹塑性变形区厚度( h h ) 内应力须按韧性大小分两种情况来考虑。 第一种是韧性大的中低强度金属有明显屈服平台者，在( 日一日，) 厚度内应力为 常数，即 o z = q ( 2 8 ) 第二种是韧性较小的中高强度金属无屈服平台或平台区很短者，在( h 一日，) 厚度内应力