（机械电子工程专业论文）三支点型材成形的控制方法及送料机构的研发.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a ss h i p b u i l d i n gi n d u s t r y , t h ed e m a n do fc o l d f o r m e ds e c t i o n sc o n t i n u e st os u r g ea n dc o l df o r m i n ge q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g yh a sa l s o b e e nar a p i dd e v e l o p m e n t p r o f i l eb e n d i n gm a c h i n et h a th a su s e da d j u s t a b l ef r o mt h r e e - p o i n t c o n c e n 仃a f i o nb e n d i n gt h e o r yi sp r o f i l eb e n d i n ge q u i p m e n t f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eb a c k g r o u n do ft h es u b j e c t ，p u r p o s ea n dm e a n i n g ，a n d i n t r o d u c e st h ec o n t r o lm e t h o do ff o r m i n gp r o f i l e s ，t h e np r e s e n t san e wc o n t r o lm e t h o df o r c o l d f o r m i n gw h i c hi s b a s e do nn o n - c n d p o i n tc a l l e dc h o r da n g l ed e t e c t i o nc o n t r o l m e t h o d t h i sm e t h o da b a n d o n e dm a n ys h o r t c o m i n g so ft h ep a s te n d p o i n tc o n t r o lm e t h o d f o r e x a m p l e ：l a r g et e s t i n go r g a n i z a t i o n st h a tn o to n l yc o v _ rag r e a ta r e a ，c o s t sh i g h e r , i n s t a l l s d i f f i c u l t ，o p e r a t e si n c o n v e n i e n c e ，m a i n t a i n sd i f f i c u l t , b u ta l s o c a u s ei t sr a i lw e a ra n d d e f o r m a t i o n ，r e s u l t i n g i nad e c l i n ei np r e c i s i o np r o c e s s i n ge q u i p m e n ta n df o r m i n gt h e p r o f i l ee r r o r s t h i sc o n t r o lm e t h o da l s ou s e sm a t h e m a t i c a lt h e o r y , g r a p h i cd r a w i n ga n d e x p e r i m e n t a lm e t h o dt ov a l i d a t ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo fc h o r da n g l ed e t e c t i o nc o n t r o l m e t h o d c h o r da n g l ed e t e c t i o na n dc o n t r o lm e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri st h ef i r s tp o i n to f i n n o v a t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e dr e q u i r e m e n t so f c h o r da n g l ed e t e c t i o na n dc o n t r o lm e t h o d ， m u s ti m p r o v et h eo r i g i n a lr o l l e r sf e e d i n ga n dt h eo r d i n a r yh y d r a u l i cc y l i n d e rf e e d i n gt o a v o i df e e d i n ge r r o ra n da c c u m u l a t e de r r o r f i r s t l y ，t h i sp a p e re x p l o r e st h ep r o b l e mo ff e e d i n g l e n g t ha n df u l c r u md i s t a n c et oi n d i c a t et h ed i r e c t i o nt oi m p r o v ef e e d i n gm e c h a n i s m t h e i m p r o v e m e n to f t h ef e e d i n gm e c h a n i s mi n c l u d e st h ed e s i g no ft h ef e e d i n gc y l i n d e r a n dt h e s e l e c t i o no fe l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a lv a l v ea n dd i s p l a c e m e n ts e n s o r i m p r o v e df e e d i n gm e c h a n i s mu s e ss e r v oh y d r a u l i cc y l i n d e ri n s t e a do fr o l l e r sa n do r d i n a r y h y d r a u l i cc y l i n d e r t h e nt h ef e e di sa c c u r a t e ，f u l c r u md i s t a n c ei sa d j u s t a b l e ，m a k e sf u l lu s eo f r a wm a t e r i a l s ，r e d u c t st h es h i p b u i l d i n gc o s t ，i m p r o v e st h eq u a l i t yo ft h ep r o f i l e sf o r m i n g t h e l e f ta n dr i g h ts o r v of e e d i n gc y l i n d e r sa c h i e v er e s p e c t i v e l ya b o u tt h ed i r e c t i o no fi n d i v i d u a l f e e d i n g ，r o t a t i o n a lf e e d i n ga n df e e d i n go p e r a t i o nc o n t i n u o u s ，s t a b l e ，h i g h - s p e e da n d m e e t i i i 广东工业大学硕士学位论丈 p r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t sn o w t h ei m p r o v e m e n to ff e e d i n gm e c h a n i s mi st h es e c o n d i n n o v a t i o no ft h i sp a p e r a n d i ta d o p t e dt h en o v e l t yo fg u a n g d o n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i n f o r m a t i o ni n s t i t u t e t h i sp a p e ra l s ou s e ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt oc a r r yo u tt h et h e o r e t i c a ls t u d ya n d p r a c t i c a lv e r i f i c a t i o nt oi m p r o v et h ef e e d i n gm e c h a n i s mo ft h er i g h to rn o t u s i n ga m e s i m a n ds i m u l i n ki nt h em a t l a bs o f t w a r ec a r r y so u tm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n 。d e s i g nf u z z y s l i d i n gm o d ec o n t r o la l g o r i t h mi nt h es i m u l a t i o na n do v e r c o m et h eh y d r a u l i cs y s t e mw i t h n o n l i n e a r ，d e a dz o n e ，h y s t e r e s i s ，a n do t h e rs h o r t c o m i n g so ft i m e - v a r y i n gp a r a m e t e r s t h e r e s p o n s eo fh y d r a u l i cf e e d i n gm e c h a n i s mv e r i f i e si t sf e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s s a n a l y s i s o fs i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e st h a tt h ef e e d i n gm e c h a n i s mo ft h ei m p r o v e m e n ti sf e a s i b l ea n d c o r r e c ta n dm e e t st h er e q u i r e m e n t so ft h ep r e c i s i o np r o f i l eb e n d i n gm a c h i n e k e yw o r d s ：p r o f i l eb e n d i n gm a c h i n e ；c h o r da n g l ec o n t r o lm e t h o d ；f e e d i n gm e c h a n i s m ； p r o p o r t i o n a l ；s i m u l a t i o n i v c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n v i i 1 1b a c k g r o u n d ，p u r p o s ea n dm e a n i n go f p r o j e c t 1 1 1 1s h i p p i n gi n d u s t r yb a c k g r o u n d 1 1 1 2p r o c e s s i n gm e t h o d sp r o f i l e s 1 1 1 3p u r p o s ea n dm e a n i n go f p r o j e c t 3 1 2p r o f i l e so fc o l db e n d i n gm a c h i n er e s e a r c hs i t u a t i o n 4 1 2 1 p r o f i l e so f c o l db e n d i n gm a c h i n eo v e r v i e w 4 1 2 2r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f p r o f i l e so f c o l db e n d i n gm a c h i n e 4 1 3r e s e a r c ho b j e c t i v ea n dr e s e a r c hm e t h o do f t h i sp a p e r 8 1 3 1r e s e a r c ho b j e c t i v e ，8 1 3 2r e s e a r c hm e t h o d 9 1 4p a p e rc o n t e n ta n df r a m e w o r k 9 c h a p t e r2c h o r da n g l ed e t e c t i o na n dv e r i f i c a t i o no fp r o p o s e dc o n t r o lm e t h o d 1 1 2 1o f t h ep r o b l e ma n dp u r p o s e ：1 1 22f u l c r u mf u l c r u mt h r e ec o l da n dc o m p a r i s o no ff o u r 11 2 3c h o r da n g l ed e t e c t i o na n dc o n t r o ll a wp r o p o s e d 1 2 2 3 1i n v e r s el i n e a rc o n t r o ll a w 1 2 2 3 2e n d p o i n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lm e t h o d 1 3 2 3 3c h o r da n g l ed e t e c t i o na n dc o n t r o ll a w p r o p o s e d 1 6 2 4c h o r da n g l ed e t e c t i o na n dc o n t r o lm e t h o dv a l i d a t i 1 7 2 5f e e dl e n g t ha n dt h ed i s t a n c eo f t h ef u l c r u m 1 8 2 6e r r o rp r o c e s s i n g 2 0 2 6 1f i x e da n g l ec o n t r o lt h ea m o u n to f c o m p e n s a t i o n 2 0 v i i 广东工业大学硕士学位论文 2 6 2e r r o rp r o c e s s i n gf e e dl e n 舳2 1 2 7e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w 2 1 2 8c h a p t e rs u m m a r y 2 5 c h a p t e r3h y d r a u l i cp r o f i l eb e n d i n gm a c h i n ew i t hi m p r o v e df e e dm e c h a n i s m 2 7 ：；1o f t h ep r o b l e ma n dp u r p o s e 2 7 3 2i m p r o v e m e n to f t h eh y d r a u l i cf e e d i n gm e c h a n i s m 2 7 3 2 1r o l lf e e dm e c h a n i s m 2 7 3 2 2f e e dm e c h a n i s mr o b o t 2 8 3 2 3a n t i w i r es c r e wf e e dm e c h a n i s m 2 9 3 2 4i m p r o v e m e n to f t h eh y d r a u l i cf e e d i n gm e c h a n i s m 3 0 3 3t h ed e s i g no f h y d r a u l i cc y l i n d e r 3 1 3 4c h a p t e rs u m m a r y 3 7 c h a p t e r4h y d r a u l i cf e e dm e c h a m i s mm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ns y s t e m 3 9 4 1n e e do fs e l e c tt h ec o n t r o la l g o r i t h m 3 9 4 2f e e d i n gh y d r a u l i cs y s t e mm o d e l i n g 3 9 4 3e q u i v a l e n tc o n t r o l b a s e df u z z ym o d ec o n t r o l 4 2 4 4p r e s s u r ef e e ds y s t e mo f t h es i m u l i n km o d e lo f t h es t r u c t u r e s 4 3 4 5s i m u l a t i o nr e s u l t sa n a l y s i s 4 4 4 6c h a p t e rs u m m a r y 4 8 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 4 9 r e f e r e n c e 5 1 p a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gt h ep e r i o do fr e a d i n gf o rm a s t e r 5 5 o r i g i n a ld e c l a r a t i o n 5 7 t h a n k s 5 9 a p p e n d i x 6 1 v i i l 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 课题研究的背景、目的和意义 1 1 1 船舶行业的背景 我国船舶工业始于2 0 世纪7 0 年代，经过3 0 多年的发展，目前已跻身世界三大造船 国之一。2 0 0 8 年，我国的三大造船指标，即造船完工量、新承接船舶订单量和手持船 舶订单量分别占世界市场份额的2 9 5 、3 7 7 和3 5 5 ，均已超越了日本，位居世界第 二。2 0 0 8 年的金融风暴引发了世界航运业和造船业的危机，2 0 0 9 年2 月，国务院审议并 原则通过了船舶工业调整振兴规划，特别提出要推进产业结构调整，提高大型企业的 综合实力，加强技术改造，提高自主创新能力。我国船舶工业一年来认真贯彻实施国 务院颁布的“船舶工业调整和振兴规划”，积极应对这场全球的金融危机，各项经济 指标仍然保持了平稳发展的态势。从中国船舶工业协会目前公布的数据中可以看出， 2 0 0 9 年中国新接订单量分别是2 6 0 0 万载重吨，占全球新接单量的6 1 6 ，手持订单量也 达到了1 8 8 1 7 亿载重吨，两项指标均为世界第一。在危机中悄然布局，待到危机化解 之际，也正是我国船舶产业脱胎换骨之时。专家认为未来1 5 年将是我国船舶工业发展 的战略机遇期，大力推进自主创新战略建设创新型产业，特别是先进制造技术的创新， 是我国迈向世界造船强国的必然选择。 然而在国家的中长期船舶产业发展规划中，以广州为中心的珠江三角洲地区被列 为我国重点发展的三大造船基地之一。2 0 0 8 年7 月，广东省公布了关于加快建立现代产 业体系的决定中，船舶制造业被列为先进制造业五大重点发展产业之一。在2 0 0 9 年初 出台的珠江三角洲地区改革发展规划纲要中，船舶与汽车、钢铁、石化等一起被 列为未来1 0 多年重点发展的先进制造业，纲要规定，将在珠三角打造产能千万吨级 的世界级大型修造船基地和具有现代化技术水平的海洋工程装备制造基地。 1 1 2 型材加工的方法 船体看起来十分复杂，实际上主要是由型材构件如肋骨、横梁、纵骨等焊接而成 的。船体的形状，主要是由型材的线型所决定。在型材加工中以肋骨的弯曲工作量最 广东工业大学硕士学位论文 多。船体肋骨冷弯是一种难度很大的塑性加工，由于肋骨具有非对称截面( 常用的有 不等边角钢、球扁钢和型钢三种) ，在冷弯成形时会出现“回弹”、“旁弯”、“倒边”及腹 板“皱折”等现象，加上船体线型比较复杂，因而船体肋骨的成形加工就成为了造船生 产的重要工序之一，肋骨成形的好坏将直接影响到船体建造的质量和周期。为将这些 型钢弯制成所需要的曲线形状，就需要一定的设备和加工方法。目前比较典型的加工 方法有以下几种2 1 嘲： ( 1 ) 手工热弯成形； ( 2 ) 型钢校正机冷弯成形； ( 3 ) 轧辊连续进给方法冷弯成形； ( 4 ) 中频弯肋骨机热弯成形； ( 5 ) 拉弯机冷弯成形； ( 6 ) 多模头一次成形数控肋骨冷弯机冷弯； ( 7 ) 三支点( 纯弯曲) 数控肋骨冷弯机。 若按n - r 时是否对型钢进行预热的方式，可分成热弯与冷弯加工。在以上肋骨成 形加工方法中，手工热弯和中频加热肋骨弯曲机是热弯加工成形，型钢校正机冷弯、 拉弯机冷弯、多模头一次成形数控冷弯、三支点( 纯弯曲) 数控冷弯属于冷弯加工成 形。热弯加工的主要缺点是劳动强度大、操作环境差、生产效率低、费用较高等。冷 弯加工虽然存在型材需留有较多的加工余量、型材的材料性能也稍有一些变化( 但并 不影响使用) 等缺点，但与热弯相比，冷弯成形工作环境好，工序简单，效率高，且 型材冷弯过程主要是弹塑性变形，采用液压力进行弯曲能够得到良好的线形，因此型 材的弯曲目前主要采取液压力冷弯的方法。 若按加工时型材的进给方式，可分为连续进给加工、逐段进给加工及一次成型加工 三种类型。以上型材成形加工方法中，轧辊连续进给冷弯和中频肋骨机热弯是连续进 给加工，该方法对于加工圆形的型材有一定效果，但在加工任意曲线形状的型材时， 其加工操作就会相当复杂，且有较多困难；多模头一次成形数控冷弯是一次成型加工， 美国巴斯公司应用拉弯原理设计制造了一种能一次把型材加工成形的多模头数控肋骨 拉弯机，该机的各个模头，可用数控方式调整成所需要的型材曲线形状，放上型钢， 将其两端分别夹住，由拉伸油缸施加拉力，使型钢稍稍超过材料的屈服极限值，然后 操纵模头，用顶压方式对型钢进行拉弯加工。此种加工方法设备庞大，投资多，由于 2 第一章绪论 不能预计型钢弯曲时的回弹量的多少，就需要反复修正加工，才能使型钢准确地弯曲 到所需要的曲线形状。型钢校正机冷弯、拉弯机冷弯、三支点( 纯弯曲) 数控冷弯是 逐段进给加工的，特点是进给一段，冷弯一段，待该段型钢的形状符合肋骨形状要求 时，再进给新的一段进行弯曲加工。采用该方法的冷弯设备较一次成型数控拉弯设备 简单，对型材成形加工全过程的控制也比较完善，逐段进给加工是目前采用的主要方 法【3 】 4 1 【5 1 。就目前船厂使用的型材冷弯机多是三支点和四支点结构的，三支点是集中力 弯曲，结构简单，控制容易，而四支点是纯弯曲，设备复杂，控制繁琐，效率低。综 上所述，现在的型材成形方法主要是在三支点结构下逐段进给，液压冷弯成形。 1 1 3 课题研究的目的和意义 1 研究的目的： 在三支点结构下，提出一种非端点成形控制理论弦角检测控制法，摒弃了先 前庞大的控制与检测机构，使自身体积减小，结构紧凑，控制更加准确，更加适合大 中小船厂的使用，并在新的控制理论要求下，改进送料机构，使送料迅速、可靠，且 使支点距离准确可调，减小送料误差和积累误差，加工出质量更好的型材。 2 研究的意义： 随着我国船舶工业快速发展，冷弯成形的型材需求量不断骤增，相应的型材冷弯 设备需求也会增加，改进的型材冷弯机与社会发展紧密相关，符合国家产业政策，提 高船厂型材压弯的生产效率，彻底改变了传统手工生产的现状，最大限度地降低了工 人的劳动强度，大幅度提升了我国船舶制造业水平和市场竞争力，为我国和广东船舶 产业提供有力的技术支撑和平台。为增加社会的就业率，促进我国的船舶产业的发展， 振兴船舶制造工业，必将产生巨大社会效益和经济效益。型材冷弯设备具有广阔的应 用前景，它可广泛应用于船舶工业、建筑、桥梁、压力容器及其它钢结构工程技术领 域。特别是在经济效益方面，型材冷弯机每台售价7 0 万8 0 万，预计每年销售2 0 台 左右，销售产值达1 4 0 0 万 - 1 6 0 0 万，同时，将为整个船舶工业带来上亿元的利润。在 社会效益方面：本系列型产品的应用和推广，彻底改变了传统手工热弯生产的现状， 最大限度地降低了工人的劳动强度，大幅度提升了我国船舶制造业水平和市场竞争力， 为我国和广东船舶产业提供有力的技术支撑和平台。 3 广东工业大学硕士学位论文 1 2 型材冷弯机国内外研究现状 1 2 1 型材冷弯机国内外发展状况 从上世纪6 0 年代开始，国内外大型船厂开始研制船用型材冷弯机，但采用的方法 不尽相同，目前比较典型的船用型材冷弯机主要有如下几种佑。旧： 英国休密斯公司生产的数控肋骨冷弯机研制于六十年代，能弯曲欧洲通常采用 的球扁钢、型钢等，采用端点测量控制法，存在偏转角误差，此法已经被淘汰。 日本富士株式会社生产的肋骨冷弯机采用逆直线法检测成形效果，操作简单方便， 但是比较依赖工人自身的经验，准确率不够高，加工效率低。 美国巴斯公司生产的数控肋骨拉弯成形机采用多模头一次成形原理，数控肋骨拉 弯成形机将各个模头调整成所需要的肋骨曲线形状，由拉伸油缸施加拉力，使型钢稍 稍超过材料的屈服极限值，然后操纵模头，即可以顶压方式对型钢进行拉弯加工。此 种加工方法设备庞大，投资多，操作效率低。 德国i m g 公司研制的肋骨冷弯机采用激光来进行肋骨的成形检测，但激光容易受工 作环境中温度、湿度等因素影响，致使误差较大，型材质量差。 武汉理工大学研制生产的程控、数控肋骨冷弯机采用弦线测量控制法，成型精度 比较理想，但是智能化程度不高，存在使用小车的检测装置，影响操作，进料装置不 足等问题。 上海船舶工艺研究所研制生产的肋骨冷弯机于九十年代初期引进武汉理工大学的 科研成果，也采用弦线测量控制法，生产的机型已在广州文冲船厂等有使用。 目前，国内外型材冷弯机的研制主要是朝着体积小、价格低、精度高以及数控等 方向发展，但由于技术不够成熟等因素的影响，此类型材冷弯机仍处于实验研究阶段， 尚未在各大船厂普遍推广使用。 1 2 2 型材冷弯机国1 为9 1 研究状况 从当前的研究成果看，目前使用的型材冷弯成形理论及数控冷弯机仍然存有诸多 值得深入研究的问题： ( 1 ) 型材成形方法主要是弦线测量控制法，必然会导致庞大的端点跟踪测量系统， 4 第一章绪论 占地面积大，成本高，操作复杂，需要在型材成形方法上有突破性的创新； ( 2 ) 型材冷弯机送料装置与机器本身相互独立，型材的受力支点间距不能调整， 影响到冷弯型材的加工范围和进料距离，不能加工大尺寸、高强度型材；而且送料机 构的液压执行系统没有采用液压伺服缸和同步系统，在进料精度和定位精度方面有待 提高； ( 3 ) 缺乏用于克服型材“旁弯”自动垂向预弯装置，需要操作人员凭经验预先手工 调整，影响生产效率和n t 精度； ( 4 ) 尚缺少几种生产设计软件的数据接口，影响其智能化和大规模推广。 本论文主要研究和解决前两个问题，首先介绍成型理论研究现状如下： 船体型材冷弯是一种难度较大的塑性加工，由于型材是非对称截面，在冷弯成形 时会出现“回弹”、“旁弯”、“倒边”及腹板“皱折”等现象，加上船体线型比较复杂，因而 船体肋骨加工的自动化是一项非常复杂的技术。由于型材加工成形的质量与效率，直 接影响到船舶的建造质量和周期，因此国内外造船界对型材加工技术和加工装备的研 究十分重视，国外从上世纪6 0 年代、国内从上世纪7 0 年代以来就开展关于数控型材冷 弯机的研究，目前已经取得一定的进展。 数控型材冷弯机通过计算机控制将型材自动加工至腹板边缘形状符合的肋骨型线。 由于型材加工过程中，回弹量与成形控制所需载荷等无法准确预测等原因+ ，肋骨冷弯 数控大多采用测量控制法，即在加工中实时测量腹板边缘形状的变化。目前国内外常 见的成形测量控制理论有：端点测量控制法，自适应控制法和弦线测量控制法等。 ( 1 ) 端点测量控制法7 1 ，嘲，咖 所谓端点测量控制方法，就是让其控制肋骨的端点，使其能按照肋骨曲线形状所 确定的运动轨迹而运动。蜘是某一肋骨曲线，按每次的进给长度，将曲线加以分割， 其分点设为l ，2 ，n ，过每个分点作曲线的切线，过端点作切线的垂线，即可得有向距 离巧，i = 1 ，2 ，n ，如图l - 2 所示的端点控制法示意图，则每次的进给长度，f 和对应的有 向距离巧为控制的基本要素。要控制端点的运动轨迹，只要保证每次的进给量和控制端 点到肋骨曲线的有向距离即可。如果对应的每点的加工都能达到辑，就一定会得所需 要的肋骨曲线形状。 5 广东工业大学硕士学位论文 图1 1 端点测量控制法不意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ee n d p o i n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lm e t h o d 英国休史密斯公司于六十年代后期研制的数控肋骨冷弯机，以及我国于七十年代 由南开大学和新港船厂合作研制了一台数控肋骨冷弯机都采用了这种端点控制法。这 种测量控制方法虽然简便，但也存在一个很大的问题，就是型材在逐段进给弯曲的过 程中，一边是弯过的，曲度较大，另一边基本上没有弯过，曲度较小，两边不对称。 在测量k 时，测量基准线与曲线的切线不完全重合，有一个小的偏离角误差。经过了数 学计算和实验验证，这个误差无法避免的，对肋骨成形精度影响大，随着技术和科技 的发展，端点测量控制法已经被淘汰。 ( 2 ) 适应控制法n 们 日本造船界为了避免事先计算回弹量就采用了一次控制加工成形，成功研制了数 控冷弯型材的适应控制法。这种控制方法以型材在受力弯盐过程中的载荷挠度曲线为 原理，采纳了载荷挠度曲线和卸载回弹两个物理量，舍去了通过理论计算去求回弹量 的做法。在弯制每小段型材时，不断测量载荷p 和挠度，而得到曲线，依此来决定加工 完成时所要求的加工量。从其控制原理可知，在加载过程中需要对( v b 只) 进行实时 采集和处理，并根据实时计算结果对加工进行控制。该控制方法由于型材材质和残余 应力分布不均匀等问题，测出的载荷一挠度曲线就可能存在很大的误差，同时还需要 比较精确的检测机构，目前也没有得到广泛的应用。 ( 3 ) 弦线测量控制法m 1 2 1 - 呲n 5 1 这种方法最早由武汉水运工程学院于上世纪八十年代初提出并加以完善，借鉴了 端点测量法的优点，也是通过控制肋骨的端点轨迹来加工型材。其加工控制量有两个， 一个是弯曲角度控制量岛，另一个是进料长度控制量工f ，具体求法如图1 3 弦线测量控 制法示意图。 6 第一章绪论 图l - 2 弦线测控制法示意图 f i g 1 - 2c h o r dd i a g r a mo f p r e d i c t i v ec o n 仃o ll a w 假设肋骨曲线是胸，首先从其两个端点中的任一点开始，用某一定长弦线等于岛 的弧线段将曲线分割成若干弦长，其分点分别为1 ，2 ，3 ，i ，并作出其弦线岛，再 由起点1 向相反方向作出该曲线的切线，在上面量取等于肋骨甩头( 即荒料) 的必要长 度o l 记为厶，然后过0 点分别向各分点i 作弦线，o 点到相应分点的弦线长记为l f ，该弦 线厶与相邻的定长弦线又形成了岛。厶反映了被弯曲加工段肋骨的位置情况，即进料长 度控制量，岛表示被加工段肋骨的曲率情况，即为弯曲角度控制量。加工肋骨时，只要 控制好各段的进料长度厶，保证达到相应的厶值，控制好各段的弯曲角度，保证达到相 应的岛，就能将型材弯制成所要求的曲线形状，因为厶和岛唯一地决定了各分点f 一定在 肋骨曲线艄上。 该控制模型与其它控制方法相比，具有检测简便准确，进料误差对成形精度影响 小，型材的整体和各段曲线成形精度高等优点。但是其加工过程的智能化程度不高， 送料机构与控制与检测装置有待改进。 。 其次介绍一下液压送料机构的研究现状如下： ( 1 ) 大多数型材冷弯机的进料，使用分设在型材冷弯机两边的一对具有夹持力的 辊轮完成的( 如文冲船厂所使用的数控型材冷弯机) 。进料机构进料时一段型材不能得 到充分利用，该段型材在生产中称为荒料。不同的进料机构其荒料是不同的，辊轮进 料机构的荒料一般在l 1 2 m ，假如某造船企业加工型材长度为1 0 m ，那么材料浪费 率在1 0 1 2 ，材料浪费非常严重n 6 l 1 7 o 而且采用辊轮进料时，对于较大较重的 型材，辊轮自己无法带动型材完成进料，有时还需要借助于人力或其它动力装置协助 完成进料。同时型材冷弯时两个侧料架位置需要可调，所以还需要一套调节侧机架位 广东工业大学硕士学住论丈 置的传动机构，使得机器的结构过于复杂，机器的制造成本也随之上升，送料也不准 确。 ( 2 ) 武汉理工大学研制的“机械手式”的进料装置，利用本身的两个侧机架铰接 在弯曲油缸座上，靠进料油缸带动，两个侧机架可以左右摆动，依靠侧机架上的夹头 对型材进行夹紧、夹松，与两侧机架的左右摆动组合，能连续的完成送料。但“机械 手式”送料机构，使用的是普通油缸，送料不准确，液压缸安装在底部，维修困难。 ( 3 ) 瑞典的某家公司生产的型材冷弯机的进料装置，是靠侧机架上夹头夹紧夹松 型材及一对具有反丝的螺杆传动达到与两个侧机架方向上的同向和反向平行移动来进 行送料，能够使型材得到充分利用。但是两侧机架与中机架只靠机座支持对肋骨施加 弯曲力，故型材加工时，导致机座受拉( 压) 和弯曲两种力的作用。因此，设计时要求 机座体积大，质量重，这样才能保证机座在型材弯曲时不发生变形。 可以看出传统的送料机构存在型材支点间距不能调整，进料机构与机器本身相互 独立，影响到冷弯型材的加工范围和进料距离，不能加工尺寸大、强度高的型材，液 压系统没有采用伺服液压缸和同步系统，在进料精度和定位精度方面有待提高，也存 在荒料多、机构复杂、体积大、效率低下、自动化程度不高等缺点，所以传统的型材 冷弯机送料机构需要重新改进。 1 3 本论文研究目标与方法 1 3 1 研究目标 1 在三支点结构下，提出一种基于非端点测量控制理论二弦角检测控制法，摒 弃以往端点控制法诸多缺点。如庞大的控制与检测机构，其不仅占地面积大，造价较 高，制造安装困难，操作不便，维修保养也比较麻烦，而且庞大的控制与检测机构也 极易造成其自身导轨的磨损和变形，从而导致加工设备检测精度的下降，使型材的加 工成形产生误差。 2 在弦角检测控制法的理论下，改进送料机构，使送料机构与支点调整机构合二 为一，使其体积小、结构简单。并用伺服液压缸代替了辊轮和普通液压缸，送料和支 点距离的调整更加准确，能充分利用原材料，降低了造船成本，提高了型材的成形质 量。左右两个伺服送料缸灵活实现左右方向单独送料、轮流送料，送料动作连续、稳 第一章绪论 定、高速，从而提高了加工效率，且使液压送料系统能够准确送料和支点间距调整， 避免了送料误差和积累误差。 1 3 2 研究方法 本文研究的方法如下： ( 1 ) 分析国内外型材冷弯机的技术资料，提出值得深入研究的问题； ( 2 ) 根据型材冷弯机的技术特点和控制要求，提出新的型材成形的控制理论； ( 3 ) 在该新的理论下，改进送料机构，避免了送料误差和积累误差； ( 4 ) 对于改进的送料机构，用计算机仿真的方式进行验证。 1 4 本论文研究内容和结构 本论文的主要研究内容有： ( 1 ) 弦角检测控制法的提出和验证； ( 2 ) 探讨送料长度和支点距离，改进送料机构； ( 3 ) 液压送料系统的建模与仿真。 针对上述研究内容，论文共分为四章来撰写，具体结构如下： 第一章介绍了课题研究的背景、目的和意义，型材冷弯机的研究和发展现状，提 出了本文的研究目的、研究方法和主要研究内容。 第二章提出了弦角检测控制法并用数学理论、几何作图以及实验的方式验证。 第三章主要是液压送料机构的改进，设计液压缸选择比例方向阀和位移传感器。 第四章主要是设计模糊滑模的控制算法，并利用m a t l a b 的s i m u l i n k 进行仿真， 验证送料机构的可行性。 9 第二章弦角检测控制法的提出与验证 第二章弦角检测控制法的提出与验证 2 1 问题的提出和目的 利用数控系统加工型材，必须依靠所建立的数学模型，而目前船厂所使用的数控 型材冷弯机的型材成形方法都是基于弦线测量法的，其建立的数学模型都离不开端点。 随着型材的不断进给加工，端点必然逐渐远离型材冷弯机，端点与型材冷弯机的距离 不断增大，检测型材是否合格所用的小车也会远离型材冷弯机。因此，数控冷弯机的 检测结构必然庞大，占地面积大，在中小型船厂中就更加难以应用，为了适应大中小 船厂车间的各种状况，必须对数控冷弯机的结构进行简化，去掉小车等庞大的检测机 构，就要实现非端点控制加工型材。在本章中将提出一种非端点控制法一弦角检测 控制法，并进行数学理论验证以及试验验证。 2 2 三支点冷弯与四支点冷弯的比较 现在的型材冷弯有三支点冷弯和四支点冷弯