（航空宇航制造工程专业论文）盒形件变压边力成形控制系统研究.pdf

摘要 本论文以 拉深成形实验装置在拉深过程中的压边力控制为研究对象，以 盒 形件拉深为例，对多点控制压边力的 成形规律 进行了 研究。 对分区变压边力成 形 控 制 的 控制 参数 与 控制 规 律 之间 的 关 系 进 行了 分 析 ， 建 立 了 基 于 神经 网 络的 自 整定p m 同步控制算法的 数学 模型。 通过建立误差指标函 数， 采用加权最小 二 乘 算 法， 实 现了 对 分区 变 压 边 力 的 控 制 参 数 在 线实 时 调 整， 并 且 用b p 神 经 网 络理论对多点p m 同步控制进行了 探索性的 研究。 通 过分 析压 边 力 的 控 制 策略 ， 采 用了 背压 系 统 的 液 压 控 制 方 法。 在 满 足系 统控制要求的条件下，保证了系统稳定性，降低了系统的研制成本。 另外，本论文还对分区变压边力控制装置进行了分析，初步设计了系统工 装结构、系统的总体结构、液压控制系统、电气控制系统，并且完成了系统控 制软件、 p l c 控制软 件以及监控软件的设 计与调试。 关键词:变 压边 力 : 神 经网 络: 分 区 压 边 力 控制 abs t ract t h i s p a p e r re s e a r c h e s t h e r u l e o f d r a w in g b o x w i t h t h e m u l t i p o i n t b l a c k - h o l d e r f o r c e c o n t r o l t o d e s c r i b e t h e m e t h o d o f b l a c k - h o l d e r f o r c e c o n t r o l i n t h e e x p e r i m e n t o f d r a w i n g b o x . i n o r d e r t o p ro p o s e a n a l g o r i t h m o f s y n c h r o n o u s a n d in t e l l i g e n c e p i d c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n b p n e u r a l n e t w o r k s , th e p a p e r a n a l y s e s t h e r e la t i o n s h i p b e t w e e n t h e c o n t r o l l a b l e p a r a m e t e r s a n d c o n t r o l l a b l e r u l e i n t h e p l o t t i n g fl a n g e c h a n g in g - b l a n k h o l d e r . a m e t h o d t o a d j u s t c o n t r o l l a b l e p a r a m e t e r i s i n t e g r a t e d t o a c c o m p l i s h t h e r e a l - t i m e s y s t e m o f p l o t t i n g fl a n g e c h a n g i n g - b l a n k h o l d e r . i n t h e m e t h o d , t h e l e a s t s q u a r e s m e t h o d w i t h we i g h t i s a p p l i e d . t h e p a p e r r e s e a r c h e s t h e s y n c h ro n i z a t i o n c o n t r o l t e c h n o l o g y i n t h e m u l t i p o i n t p i d c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n t h e bp n e u r a l n e t wo r ks . d u r i n g t h e d e s i g n o f c o n t r o l s y s t e m o f t h e h y d r a u l i c p r e s s d r i v e r , t o f u l fi l l t h e r e q u e s t o f s y s t e m c o n t r o l , g u a r a n t e e t h e s y s t e m d y n a m i c s t a b i l i t y a n d d e c r e a s e t h e f e e s , t h e b a c k - p r e s s c o n t ro l i s a d o p t e d t o a d j u s t t h e b h f i n t h e h y d r a u l i c p r e s s d r i v e r b y r e s e a r c h i n g t h e r u l e o f b l a c k - h o l d e r f o r c e c o n t r o l . i n a d d i t i o n , w e d e s i g n t h e s t r u c t u r e o f s y s t e m , o v e r a l l h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m , e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m a n d mo n i t o r s o ft e r w a r e . s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e a l g o r i t h m c a n b e u s e d e f f e c t iv e l y f o r t h e b l a c k - h o l d e r f o r c e c o n t r o l s y s t e m o f e x p e r i m e n t o f d r a w i n g b o x k e y wo r d s : b l a n k h o l d e r f o r c e ; b p n e u r a l n e t w o r k s ; p i d c o n t r o l 1 1 第1 章 前 言 拉深成形工艺是饭金成形的传统制造工艺技术。随着现代产品设计技术和 数字化技术的广泛应用，产品零件形状越来越复杂，对制造工艺技术要求越来 越高。特别是各种尺寸的复杂成形零件， 传统的刚性压边拉深工艺已 不能满足 零件成形的要求。国内外研究者在对成形过程理论研究的 基础上，借助成形过 程的计算机仿真与模拟技术， 对复杂零件成形过 程的控制技术开展了较为深入 的研究。 近年来，在板料拉深成形工艺 研究过程中，随着成形理论研究的深入和现 代先进制造技术的飞速发展，很多研究工作者都将目 光汇聚到了 压边力控制 上。 因为压边力的控制是影响成形工艺的成功与否的关键所在。 控制压边力实 际上是控制金属板料的流动性，是通过合理控制薄板材料与模具之间的正向压 力，达到控制金属材料和模具表面的摩擦力。使得在拉深过程中对拉深毛坯法 兰区域提供大小合适的切向拉应力。在拉深成形中，为了 避免板材起皱或破 裂， 控制变形材料在压边圈和模具之n j 的 流动是非常重要的，即需要控制拉深 变形时材料的压边力。 在拉深过程中，为了使压边力在受控状态下变化， 就需 要研究使得传统压力机具有可变压边力的能力。即配置与之相适应的可控压边 力系统。系统要具有良 好的动态响 应能力，以 便在拉深过程中对压边力进行实 时控制。 对于复杂零件拉深成形中，由 于传统的拉深方式往往通过单动压力机的弹 性压边圈和双动压力机的固定压边圈来产生拉深时所需的 压边力，而在大型复 杂拉深件 ( 以覆盖件为例)成形过程中金属材料的流动在各个位置是不一致 的，如果在板料周围都施加相同的压边力，容易导致有些部位起皱，有些部位 撕裂。同时， 对于大型覆盖件，拉深成形中的压边力设置就只能凭经验设计。 增加了控制难度，浪费了人力物力，严重时甚至导致零件报废 ，鉴于此，迫切 需要对分区可变压边力控制进行研究。 1 . 1压边力控制系统概述 复杂零件成形系统中，技术难点是拉深成形中压边力控制的问题。在压边 力控制的研究中，国内外主要研究的对象是单动液压机，对于双动液压 机的研 究较少。单动压力机只有一个滑块，适用于中小零件拉深:双动压力机有 内外 两个滑块，外滑块压料，内滑块拉深，适用于大型零件的拉深。 在现有的设计资 料中， 可供设计人员使用的压边力的 计算方法多 来自 实验 法和半理论方法，且基本局限于圆形或盒形件的成形，而大型覆盖件、复杂冲 压件模具中的压边力的设置就只能凭经验。 对于拉深过程中失稳问题的解决，国内外压边力控制传统上是在模具上安 装压边装置，单动压力机的拉深模采用的压边装置可分为弹性压边、气动压边 和液压压边三种。弹性压边所用的弹簧或橡胶装置， 其压边力是随着压边行程 变化的。一般随着拉深行程的增加，压边力增加，与所需的压边力变化相反， 一般用于形状简单的浅拉深件的拉深成形。气动压边和液压压边装置，因为提 供的压边力的大小与压力机的吨位有关，因此提供的压边力较稳定，大小基本 不变，可以 拉深形状复杂、深度范围 较大的 成形零件。_ 国内多数厂家采用纯气垫压边装置， 有的 通过拉深件角部增加了 斜拉延 筋，来防止角部起皱。有的将工厂中用作顶出机构的顶出缸用作压边，根据拉 深件的变形情况，通过机构中的溢流阀作简单的调节，控制压边力的大小，实 际上是成形过程中压边力恒定的一种情况 。改进后的单动压力机实验结果表 明，一些较深拉深件的拉深可较好的成形。 相对国内在压边力调整技术研究较少，国外的研究较为深入。为了确定压 边力的优化控制曲线国外学者对压边力进行 了预测性研究。目前国内外压边力 ( b h f )控制预测研究主要有两种思路:试验法研究 b h f和 b h f的理论计算 方法研究 5 0 根据h a v r a n e k 1 3 的关于起皱及f l d安全区的理论， h a r d e t 和l e e 较早地 提出了两套闭环控制方案为每一个冲压样品提供足够的偏压以及避免由于成形 中出现的非正常偏斜变形而引起的起皱失稳，但这一方法不能避免破裂失稳。 西北工业大学 硕士论文第 1 章前 言 h a r d e t 等人 1 4 1 3 1 设计了 控制设备得到恒定的 b h f . b h f始终被保持在 不 起皱的最小值上以 防止破裂。 h a r d e t 通过 p i 控制器来控制伺服阀 给压边圈施 加压边力， 完成冷轧钢板的 杯形件的 成形。 y o s s i f o n等人t 1 6 通过对 a l i 1 0 0 - 0坯料的系列实验的出结论:优化 b h f 曲线是与不失稳的最小值边界 相对应，即 b h f刚 好保证了成形不起皱， k e r g e n 和 7 o d o g r e t i 刀 用基于测量模具和压边圈之间的间隙的起皱试验，得到了 最有 b h f 曲 线和最小b h f 值。 t h i r u v d c h e l v a n 和 l e w i s 1 8 等人用合适尺寸和材料做 了一个套筒置于冲头和压边圈之间，于是粗略得到了一个无凸缘杯形件拉深 b h f 与拉深力成正比的 关系图。 1 9 8 5 年 a s a ie t a l 2 0 发 明了 压 边力 控 制系 统， 其原 理 就是 分别 独 立 控 制外 滑块四个液压缸的液体压力，让四 个外滑块四个角部压力在压延过程可以变 化。 9 0年代以来，因为模具在压边力调控研究中影响的重要性，以德国 s tu tt g o rt 大学 的s i e g e rt 2 1 教 授 为 代 表 的 研 究 者 在 压边 圈 为 主 要 对象 开 展 研 究 工 作并取得了一些突破性进展。 m u s t a f a a li a h m e t o g lu 2 2 提 出了 多点 控 制 压 边 力， 使 之 成 为时 间 ( 拉 深 机 构行程) 和位置的函数， 来提高非对称零件拉深性能。日本尼桑汽车和美国俄 亥俄州 大学合作， 用相似的 方法进行了 汽车挡泥板成形中压边力的 控制研究。 国外的生产厂家采用的压边装置方式较多， 9 0 年代中期德国 压力机制造 商 c s c h u l e r )公司开发了 研制了 一种带有四个液压缸可调压 边力的压边装置， 单 动压力机和三维大型多工位压力机系统的拉深工艺中采用一种新型的拉深模 具。 实际上，目前的研究表明要通过数学公式得到复杂形状板料成形时所需要 的准确的压边力公式是不现实的，影 响压边力的因素很多，为了考虑这些影响 因素，在理论分析时，为了简化推导 通常要 做很多假设，因 而当前的计算公式 推导还局限于圆形典型零件， 连方盒 零件的压边力理论计算公式还很不完善。 但是从分析过程和数学模型中我们可以清楚 地看到影响压边力的几个最重要的 物理量， 这有助于对压边力研究产生进一步的认识，避免复杂形状板料拉深工 艺中的压边力控制的盲目性。 1 .2课题概述 1 .2 . 1课题来源 本文的 研究内 容来源于西北工业大学国防重点专业建设项目 ，以 盒形件为 研究对象，建立复杂零件成形实验研究系统。 依托 1 0 0 吨双动液压机， 设计制 造一套可控制的分区可变压边力控制装置。由 此建立针对该装置和复杂零件拉 深成形工艺要求的 数字 化控制系统， 控制成形过程中的 压边力和成形力。 1 .2 .2课题目的及意义 在我国， 拉深成形技术己 经在航空 航天、电器仪表等领域有所应用， 近年 来随着成型设备和相关控制技术的 发展，又在汽车工业中得到迅速发展。 但与 国外相比，我国的拉深成形技术还相对落后，尤其表现在新产品开发和专用设 备的研制方面。 由于拉深成形过程中失稳形式的复杂性以及工艺技术的限制，在实际工业 生产过程中，存在着控制的复杂性等问题，越来越多的学者对拉深工艺过程进 行深入的研究。复杂零件拉深成形过程，具有与一般筒形件拉深变形不同的 特 点，即变形沿整个周边分 布不均匀;变形过程中直边部分产生的横向收缩对角 部部分有一定的带动作用，因此带来了复杂零件拉深成形压边力控制的许多困 难。特别是分区域多点压边力的控制技术国内研究还处于起步阶段，在国内相 关设备的研制几乎空白，此类设备主要依靠进 口。 另外由于对于复杂成形零件的准确度与表面质量的要求的提高，零件的变 形量及其分布以及表面的完整性也引起人们的关注。而传统的工艺操作技术主 要凭借操作者的经验己无法满足这些要求，因此成形的难度和变形量的控制形 成了巨大的压力。在随着计算机技术的广泛应用，为了解决这些矛盾，成型设 备的数控成为了可能和必然。 因此分区变压边力控制系统的研究目的是通过研究复杂零件拉深过程中的 分区域可变压边力控制系统的数字化设计以及成形控制技术以推动复杂成形零 件数字化制造的发展。 1 . 3本论文主要研究内容 由于分区可控压边力成形装置国内极少研制，大部分是依靠进口，所以控 制系统自 行研制的困难较大， 研制该控制系统需要涉及液压、 机械、电气等专 业，涉及面广。本人在课题中主要承担了该装置的总体设计和控制系统的研制 工作，模具的加工与液压系统的安装与系 统编程实现由 其他成员完成。本课题 研究内容包括了一 套柔性分区变压边力拉 深模具设计以 及该装置中控制系统的 液压系统、电气系统、控制算法 与监控软件的设计与安装调试任务。目前本论 文涉及的研制工作是在 t o o吨 j f 3 c e f - 1 0 0四柱双动液压机的工作平台上完成 的，包括研制一套拉深模具以及控制系统的设计与实现。本论文所涉及的系统 已完成安装调试工作。 研究工作的思路是从模具结构入手， 在模具结构设计的 基础上分析设计控制系统的液压系统，然后建立起以 p l c与上位机为中心的电 气控制系统，其次在系统分析的基础建立实时同 步控制算法，最后根据硬件环 境以及相应的功能需求完成系统监控软件的结构设计。最终通过设备的子系统 测试与系统间的联调验证和评测控制系统的性能。 本论文理论与实践研究主要 内容集中在系统总体结构设计与控制系 统实现的关键技术等几个方面: 复杂零件拉深柔性模具结构设计。 与其他成员合作完成模具系统的总体 结构设计，在模具的结构设计上保证了复杂零件拉深工艺的在分区域实现可变 压边力控制特征。 分区变压边力成形控制系统体 系结构 研究。 根据 1 0 0吨双动液压机的工 作原理和特性，分析分区压边力控制系统的系统设计要求，合理的设计各个子 系统的结构与功能，建立基于液压控制以 p l c与上位机协调工作的数控体系结 构。由于在复杂零件拉深成形中 分区变压边力控制过程中， 各分区 控制压边力 大小与相互之间的关系是成形控制的关键，其控制要求的体系结构比较复杂， 不但要考虑 r 00 吨液压机的 动力机构的能力， 还要考虑到拉深模具上的 分区压 边力控制机构的连接刚度，因此需要把该系统看作多自由 度模型。首先建立液 压控制系统模型，进行分析 。考虑到比例阀的流量非线性 、系统的饱和特性以 及系统液压缸的时变 特性，详 细研究各参数对系统动态性能的影响，为研究控 制算法打下 良好的基础。 西北1 - 业大学硕士论文第 i 章前 言 拉深成形系统控制算法研究。控制系统是建立在基于 b p神经网络的 p h )自 整定控制算法上。控制系统控制算法的设计考虑了控制、测量部件的特 性及控制回路的复杂性， 结合了传统工业控制技术与新兴的智能控制技术。由 于系统结构中存在多个控制点，每个控制点上的执行部件之间的协调性是确保 成形质量的重要保证，因此如何实现这些同步控制是整个控制系统设计的关 键。因 此拉深成形系统在分块实 施压边力 控制具有一定的复杂性，既要考虑单 点实时独立控制，又 要考虑多点同步协调控制，此外在设计系统体系结构时还 须考虑到系统的实时性的要求。 盒形 件拉深成形装置总 体调试。通过对盒形 件的拉深装置安装调试，验 证本文提出的设计与实现的分区 变压边力控制系统的可行性与有效性。盒形件 拉深成形安装调试的目 的是研究 拉深成形控制系统的 控制参数与压边力控制规 律的关系。通过调整压边力控制规律和控制参数， 研究同步控制规律对控制系 统控制过程的影响以 及控制系 统对控制规律的适应性，并针对不同 控制规律下 分析研究系统各区域压边力可调整的范围。 这儿个方面既要符合控制系统功能要求，又要考虑复杂零件成形工艺过程 的有效性。为 此本论文得结构上主要按照如下的几个部分安排章节: 第一章:前言 简要介绍了本文的研究内 容、研究背景 及作者的主要工作。 第二章:分区变压边力拉深装置总体设计; 简要介绍了 分区变压边力拉深工艺过 程及实现盒形件变压边力拉 深模具结构设计方案，对控制系统方案也做了简单的叙述。 第三章:采用背压控制技术的 液压系 统的 设计; 主要介绍了采用背压控制技术以实现分区变压边力的调 压控制的 液压系统设计方案， 第四章:基于p l c的控制系统设计; 主要介绍了 上下位机的 控制系统设计， 设计基于p l c 控制的电气 控制系统。 第五章:基于b p 神经网络的 p m 自罄li - 种制趁*i 主要介绍了如何采用神经网络对系统机理分析的方法来建立系统 的数学模型，在此基础上，设计了系统的控制算法并进行了仿真 研究。 第六章:系统实现与系统软件开发。 主要介绍了控制系统的实现方案、以及系统软件设计与开发。 第2 章 分区变压边力拉深装置总体设计 压边力控制系统是在 1 0 0吨四 柱液压 机为工作平台上建立起来的一套可以 灵活控制复杂零件拉深成形时所需的分区域的压边力大小的数控装置。压边力 控制点的 位置可以根据工艺要求针对不同的拉深模具进行调整;各个控制点 上 的压边力控制规律可以根据工艺要求灵活的更改以适应复杂零件的拉深成形工 艺要求。在控制形式上采用数控装置，以拉深位移为控制步长，来量化压边力 控制规律曲线，取得压边力控制量。 2 , i 盒形件拉深成形压边力控制原理 首先拉深是指将平板毛坯或 杯形毛 坯在凸模作 用下拉入凹 模型腔形成开口 空心零件的成形工艺方 法。拉深是 饭金成形的 基础性工艺。其应用很广，用拉 深工艺可以 制成筒形、 阶梯形、 球形、锥形、 抛物线形、 盒形和其他不规则形 状的薄壁零件，如果与其他冲压工艺进行配合，还可制造形状更为复杂的零 件。 在盒形件拉深成形过程中，由 于拉 深成形过程中 变形主要在法兰区进行， 而冲头的底部材料基本不变形或有少量的胀形部分。 研究表明:法兰区 平面内 圆周区和直边区的变形程度是不同的，圆周区的变形程度大于直边区。因此压 边力的控制是至关重要的。压边力控制实际上是控制金属板料的流动性，是通 过合理控制薄板材料与模具之间的正向压力，达到控制金属材料和模具表面的 摩擦力 ( 如图 2 . 1 ,图2 .2 所示)。使得 在拉深过程中对拉深毛坯法兰区 域提 供 大小合适的切向拉应力，减小毛坯的切向 应变，从而为保证成形过程中不会出 现因切向拉应力过小而出现起皱，又不会ra 为 拉应力过大，而使得金属流动性 变差以至于出现破裂这两种失稳现象。 第2 章 分区变压边力拉深装置总体设计 压边力控制系统是在 1 0 0吨四 柱液压 机为工作平台上建立起来的一套可以 灵活控制复杂零件拉深成形时所需的分区域的压边力大小的数控装置。压边力 控制点的 位置可以根据工艺要求针对不同的拉深模具进行调整;各个控制点 上 的压边力控制规律可以根据工艺要求灵活的更改以适应复杂零件的拉深成形工 艺要求。在控制形式上采用数控装置，以拉深位移为控制步长，来量化压边力 控制规律曲线，取得压边力控制量。 2 , i 盒形件拉深成形压边力控制原理 首先拉深是指将平板毛坯或 杯形毛 坯在凸模作 用下拉入凹 模型腔形成开口 空心零件的成形工艺方 法。拉深是 饭金成形的 基础性工艺。其应用很广，用拉 深工艺可以 制成筒形、 阶梯形、 球形、锥形、 抛物线形、 盒形和其他不规则形 状的薄壁零件，如果与其他冲压工艺进行配合，还可制造形状更为复杂的零 件。 在盒形件拉深成形过程中，由 于拉 深成形过程中 变形主要在法兰区进行， 而冲头的底部材料基本不变形或有少量的胀形部分。 研究表明:法兰区 平面内 圆周区和直边区的变形程度是不同的，圆周区的变形程度大于直边区。因此压 边力的控制是至关重要的。压边力控制实际上是控制金属板料的流动性，是通 过合理控制薄板材料与模具之间的正向压力，达到控制金属材料和模具表面的 摩擦力 ( 如图 2 . 1 ,图2 .2 所示)。使得 在拉深过程中对拉深毛坯法兰区 域提 供 大小合适的切向拉应力，减小毛坯的切向 应变，从而为保证成形过程中不会出 现因切向拉应力过小而出现起皱，又不会ra 为 拉应力过大，而使得金属流动性 变差以至于出现破裂这两种失稳现象。 图2 . 1机械 液压拉深过程几何图图2 2法兰区受力分析 所谓的 起皱失稳一 般是指在法兰区、 壁部、过度区以及凸模头部部分产生 皱摺。法兰区的皱褶是其它部位产生皱褶的主要原因。法兰区的皱褶是由于板 料在成形过程中受到由 压边力产生的切向压应力 和径向拉应力的作用，板料顺 着凹模 口的法线方向向模腔延伸，法兰随着收缩变小，应力发生变化，多余的 板料则相互挤压。当 切应力过大， 就会引 起法兰失稳， 产生 皱褶。 而破裂失稳则一般发生在壁部的圆周和直边区。也与压边力有着较为紧密 的关系。壁裂是一种比较常见的破裂形式。多发生在直壁圆角靠近凹模肩部的 地 方， 一般 认为 是 法 兰 变形 区 金 属流 动 不 均匀， 圆 周部 分 变形 程度大 ， 硬 化严 重;圆周部分材料增厚，压边力集中于此，形成直壁承载时的应力集中;凹模 圆角处金属材料经历了强烈的纵向弯曲反弯曲和横向弯曲，金属严重变薄，致 使破裂。因此为了避免出 现这两种失稳现象，保证拉深成形质量， 对于不同区 域压边力状态不应该采用相同的控制策略，而应该区别对待，即应采取分区域 的压边力控制方法。 因此根据盒形件的法兰区域在拉深过程中，金属流动性呈现出的区域性变 化特 点，即不同区域金属流动的方 向和大小不一致。在法兰变形区，圆周部分 的正应力沿切向和径向的分布、直边部分正应力沿横向和纵向的分布都是不均 匀的。在 己变形的直壁部分，直边区和圆周区所承受的单位载荷也是不同的。 法兰角部的材料是由周边向角部流动，而法兰直边区域的流动方向则是中心向 周围流动。简单的说传统的压边力控制方式采用的控制方法是按照零件拉深特 点，以不会产生破裂时最大压边力大小为上限，以不产生起皱为压边力的大小 的下限，根据拉深过程的取满足角部 与直边都不失稳所需压边力的一个中间值 提供恒定的或者统一的变化规律的控制过程。虽然这种控制方法可以保证 一定 的不起皱和不破裂的成形。但是由于毛坯相对厚度较小，各区域如果压边力可 用范围 相差加大的时候，对于同时保证各区域成形不失稳难 度较大和可操作性 较差， 并且由于轻微的起皱现象会使得零件的侧壁留下起皱的痕迹，从而影响 零件的质量。 图 2 .3盒型件一次成形时的变形特点 在盒形件成形中，由于金属流动的不一致会导致起皱、 撕裂、扭曲、回弹 等诸多缺陷的产生，引起这些缺陷 的主要因素有材料的 物性参数、模具的结构 参数、摩擦与润滑状况、压边圈形式及压边力分布、 压延筋的设置以及冲压设 备的选择等。在所有这些影响因素中由于压边圈的调节控制对材料、设备以及 工艺条件影响不大，便于实时控制，并能获得较大的 成形极限。 拉深成形的 主 要变形区直边法兰区和圆周法兰区，在传统压边 力作用下，由于这两个变形区 在 : 变形过程中 位移速度不同，但又必须符合连续性条件，因此变形时两部分互 相影响、互相制约，从而导致变形区的应力应变分布复杂化。与旋转体零件拉 深相比，最明显的变化是在直边区和圆周区都有剪应力及剪切变形存在。故而 不能简单认为直边变形区只产生简单的弯曲变形，而圆周区也只发生单纯的拉 深变形。但在变压边力作用下剪应力的影响被削弱，因而变压边力控制成为提 高板料拉深成形质量的主要调节手段之 一。 成形控制具有复杂的特征 ( 如图 2 .3所示):径向 拉应力控制上如果最大 径向 拉应力大于临界应力， 则发生颈缩，导致破裂;若压边力过小，导致径向 拉应 力也相应过小甲则会起皱。另外有研究表明在盒形件拉深成形过程中分析 1 0 厚向应变与最小压边 力控制关系，起皱皇现出非线性、变化快的现象。同样在 深拉深的过程拉深控制技术要比筒形件获得等打得拉深极限更加的困难，也就 越发的突出变压边力控制的重要性。 正是基于以上盒形件成形中问题分析，盒形件在周边变形不均匀性，并月. 在生产实践中，传统的拉深工艺操作方式往往通过单动压力机的弹性压边圈或 双动压力机的固定压边圈来产生拉深过程中所需要的压边力，由于复杂零件的 拉深成形工艺的复杂性，金属材料的流动在各个位置的不一致性 ，如果毛料周 围都施加相同的压边力，容易产生材料的失稳。 因此实施分区域可变压边力控制，可以更好的符合材料成形过程中所需要 的变形控制。更好的减小盒形件极限拉深系数，提高零件的拉深极限。 2 .2 分区变压边力控制系统总体设计 首先分析研究 x p 3 c e f - 1 0 0四 柱双动液压机工作参 数、工作原理与工 作过 程，确定复杂零件成形的具体要求。在此基础上根据压边力控制原理设计控制 系统的体系结构。 2 .2 . 1 x p 3 c e f - 1 0 0 四 柱双动液压机概述 x p 3 c e f - 1 0 0四柱双动液压机适用于塑性材料压制工艺，如冲压、 弯曲、 翻边 、薄板浅拉深等。也可以从事校正、压装、冷挤、塑料制品的压制成形工 艺。 该机床具有独立的动力机构和电气系统，采用按钮集 中控制 ，可实现调 整、手动、半 自 动三种操作方式。机器的工作压力、速度及滑块的行程在规定 的范围之内，均可根据工艺需要进行调整，并能完成定压和定程两种工艺方 式，具有保压延时功能。 主要技术规格: 厚向应变与最小压边 力控制关系，起皱皇现出非线性、变化快的现象。同样在 深拉深的过程拉深控制技术要比筒形件获得等打得拉深极限更加的困难，也就 越发的突出变压边力控制的重要性。 正是基于以上盒形件成形中问题分析，盒形件在周边变形不均匀性，并月. 在生产实践中，传统的拉深工艺操作方式往往通过单动压力机的弹性压边圈或 双动压力机的固定压边圈来产生拉深过程中所需要的压边力，由于复杂零件的 拉深成形工艺的复杂性，金属材料的流动在各个位置的不一致性 ，如果毛料周 围都施加相同的压边力，容易产生材料的失稳。 因此实施分区域可变压边力控制，可以更好的符合材料成形过程中所需要 的变形控制。更好的减小盒形件极限拉深系数，提高零件的拉深极限。 2 .2 分区变压边力控制系统总体设计 首先分析研究 x p 3 c e f - 1 0 0四 柱双动液压机工作参 数、工作原理与工 作过 程，确定复杂零件成形的具体要求。在此基础上根据压边力控制原理设计控制 系统的体系结构。 2 .2 . 1 x p 3 c e f - 1 0 0 四 柱双动液压机概述 x p 3 c e f - 1 0 0四柱双动液压机适用于塑性材料压制工艺，如冲压、 弯曲、 翻边 、薄板浅拉深等。也可以从事校正、压装、冷挤、塑料制品的压制成形工 艺。 该机床具有独立的动力机构和电气系统，采用按钮集 中控制 ，可实现调 整、手动、半 自 动三种操作方式。机器的工作压力、速度及滑块的行程在规定 的范围之内，均可根据工艺需要进行调整，并能完成定压和定程两种工艺方 式，具有保压延时功能。 主要技术规格: 厚向应变与最小压边 力控制关系，起皱皇现出非线性、变化快的现象。同样在 深拉深的过程拉深控制技术要比筒形件获得等打得拉深极限更加的困难，也就 越发的突出变压边力控制的重要性。 正是基于以上盒形件成形中问题分析，盒形件在周边变形不均匀性，并月. 在生产实践中，传统的拉深工艺操作方式往往通过单动压力机的弹性压边圈或 双动压力机的固定压边圈来产生拉深过程中所需要的压边力，由于复杂零件的 拉深成形工艺的复杂性，金属材料的流动在各个位置的不一致性 ，如果毛料周 围都施加相同的压边力，容易产生材料的失稳。 因此实施分区域可变压边力控制，可以更好的符合材料成形过程中所需要 的变形控制。更好的减小盒形件极限拉深系数，提高零件的拉深极限。 2 .2 分区变压边力控制系统总体设计 首先分析研究 x p 3 c e f - 1 0 0四 柱双动液压机工作参 数、工作原理与工 作过 程，确定复杂零件成形的具体要求。在此基础上根据压边力控制原理设计控制 系统的体系结构。 2 .2 . 1 x p 3 c e f - 1 0 0 四 柱双动液压机概述 x p 3 c e f - 1 0 0四柱双动液压机适用于塑性材料压制工艺，如冲压、 弯曲、 翻边 、薄板浅拉深等。也可以从事校正、压装、冷挤、塑料制品的压制成形工 艺。 该机床具有独立的动力机构和电气系统，采用按钮集 中控制 ，可实现调 整、手动、半 自 动三种操作方式。机器的工作压力、速度及滑块的行程在规定 的范围之内，均可根据工艺需要进行调整，并能完成定压和定程两种工艺方 式，具有保压延时功能。 主要技术规格: 表 2 - 1 成形设备的技术规格 序号项目单位规格 1 公称力 kn1 2 5 4 2 拉深力 kn1 0 0 0 3 压边力 kn25 0 4 拉深滑块开口高度 m 们11 0 0 0 5 压边滑块开口高度 mm3 oo 5 拉深滑块行程 和 n，5 0 0 7 拉深滑块空程下行速度 mm/ s2 0 0 8 拉深滑块工作速度 mm/ s8 - 3 0 9 拉深滑块回程速度 mint s 1 5 0 结构概述: 由主机及控制机构两大部分组成， 通过液压管 路及电 器装置 联系起来组 成 一个整体，主机部分由 机身、主缸、液压装置 和顶出缸组成;控制机构由 动力 机构、限程装置和电气箱组成。 机身由上横梁、拉深滑块、压边滑块、工作台、立柱、调节螺母和 锁紧螺母等组成，机器的 精度由上横梁下面的调节螺母来调节，两 滑块以四柱为 导向作上下运动，滑块和工作台 均有 “ r , 形 槽，供安 装模具使用。 主缸为活塞式增速油缸。由缸体、 活塞、活塞杆、导向套及增速机 构等组成。 运动时分别用 y x 形和0形密封圈密封。 缸体 靠缸口 台 肩与大锁母紧固于上横梁中心孔内，活塞杆下端通过连接法兰及螺 钉与滑块连接。 压边缸安装于: 1 作台上板的下面，活塞杆通过锁母与 压边滑块联 接。 工作过程概述: . 液压系统由能源转换装置 ( 油泵和油缸)，能量调节装置 ( 各种阀 门)以及能量输送装置 ( 管路)等组成，在电气系统的控制驱动滑 块等运动来完成各种工艺要求的 动作; . 具有调 整、手动、半自 动三种工艺规范， 可按具体制件的工艺要求 进行选择 按压按钮，分别在三种工艺规范下完成一个动作的点动、一个动 作、一个工艺连续动作 。 半 自动规范下动作固定:电机启动、压边滑块压边、拉深滑块快 速、慢速下行、加压、回程等动作 该机床具有如下功能 和特点: . 主缸为活塞式增速油缸; 拉深滑块、压边滑块可以 独立控制; . 压边滑块为一整体，压边系统可以作为工作平台; . 电气控制较为集中; 液压控制回路采用插装阀且较为复杂不易改造; 具有多种成形机床的组合特点。 为了有效的在该机床上实现分区变压边力拉深成形系 统，利用其拉深滑块 提供主拉深力，由于经费等其它原因而放弃该机床的 压边系统。因为如果改造 该压边系统将会影响其机床的其它功能，另外其压边系统不能满足分区可变压 边力的工艺要求。该机床的外形尺寸上可以满足设计安装带有分区可控变压边 力控制系统的拉深模具。 2 . 2 . 2 盒形件拉深成形特点 山于盒形件形状的非旋转性和自 身结构的复杂性，决定了盒形件成形时不 同于筒形件的最大特点就是不均匀性，因 而其成形过 程比 较复杂。 这种不均匀 性主要体现在 以下几个方面: 受力分布不均匀 . 液压系统由能源转换装置 ( 油泵和油缸)，能量调节装置 ( 各种阀 门)以及能量输送装置 ( 管路)等组成，在电气系统的控制驱动滑 块等运动来完成各种工艺要求的 动作; . 具有调 整、手动、半自 动三种工艺规范， 可按具体制件的工艺要求 进行选择 按压按钮，分别在三种工艺规范下完成一个动作的点动、一个动 作、一个工艺连续动作 。 半 自动规范下动作固定:电机启动、压边滑块压边、拉深滑块快 速、慢速下行、加压、回程等动作 该机床具有如下功能 和特点: . 主缸为活塞式增速油缸; 拉深滑块、压边滑块可以 独立控制; . 压边滑块为一整体，压边系统可以作为工作平台; . 电气控制较为集中; 液压控制回路采用插装阀且较为复杂不易改造; 具有多种成形机床的组合特点。 为了有效的在该机床上实现分区变压边力拉深成形系 统，利用其拉深滑块 提供主拉深力，由于经费等其它原因而放弃该机床的 压边系统。因为如果改造 该压边系统将会影响其机床的其它功能，另外其压边系统不能满足分区可变压 边力的工艺要求。该机床的外形尺寸上可以满足设计安装带有分区可控变压边 力控制系统的拉深模具。 2 . 2 . 2 盒形件拉深成形特点 山于盒形件形状的非旋转性和自 身结构的复杂性，决定了盒形件成形时不 同于筒形件的最大特点就是不均匀性，因 而其成形过 程比 较复杂。 这种不均匀 性主要体现在 以下几个方面: 受力分布不均匀 . 盒形 件拉深成形过程中，在法兰变形区圆 周部分的正应力沿切向和径向的 分布、直边部分正应力沿横向和纵向的分布都是不均匀的。 在已变形的直壁部 分， 直边区和圆 周区所承受的单位载荷也是不同的。 .变形分布不均匀 盒形件成形过程中，变形主要在法兰区进行，而冲头的底部材料基本不变 形或有少量的胀形部分。研究表明:法兰区平面内直边区和圆周区的变形程度 是不同的，圆周区的变形程度大于直边区。 . 变形速度不均匀 一 般认为:盒形件拉深成形时，直边部分的流动速度大于圆周部分的流动 速度。但是，直边区和圆周区是一连续的整体，因而其位移场的分布也是连续 的，不存在断点。两区之间也不存在明确的分界线。 因此， 控制系统应该考虑到同 步性问题，即在同一时刻对应的拉深位移相 同的条件下 ，各区域同步提供符合各区域所需的压边力控制规律，是本系统的 一个需要解决的问题。 2 . 2 . 3 系统总体体系结构 分区变压边力 控制系统 液压执行部件 液压机控制系统 i / qm 口 带有分区可控压边 的拉深模具 1 0 0 吨四 柱液压机 m2 .4系统总体框图 根据盒形件成形特点的要求，为了实现分区变压边力控制， 在拉深模具上 设置与各控制区域对应的 压力控制单元。 每个单元独立控制压边力，并随着测 量的拉深位移有控制算法提供控制量，通过 控制系统操作相应的阀门以及比 例 放大部件通过液压部件完成工艺动作以及压边力调整。同时控制系统通过对液 压机控制系统的操作，控制 1 0 4吨四柱液压机配合拉深模具完成拉深成形。系 统的总体框图如图2 . 4 所示。下面简要的 介绍一下系统总体结构。 系统结构上分为拉深模具、分区变压边力控制系统以及相应的控制算法。 分区变压边力控制系统包括液压系统与控制系统。 液压系统主要完成将控制算法提供的控制指令和控制量转化成相应的机械 动作与压力的调整。通过液压阀门的动作，完成拉深准备、启动拉深、压边力 调整以及拉深结束几个工艺阶段的机械动作的动力。 控制系统主要完成将控制算法通过计算机与 p l c将计算机指令和数据变换 成相应的电控制信号， 控制液压系统中相应的液压执行部件，另一方面采集系 1 5 统反馈信号，从而形成系统的闭环控制。 它包括了 控制算法的实现、 上下位机 的数据通信和电气控制系统。控制算法中考虑到分区之间的相对独立性与控制 同步性的 要求， 采用基于神经网 络的 p m 控制算法， 通过神经网 络针对各个区 域在同一拉深位移处，同步的实时提供各 自 相对独立的压边力控制量。电气控 制系统为了保证安全性和可靠性，设计了手动调整与计算机自 动控制两种工作 模式。两种模式紧密结合，手动调整优先级较高，可是随时根据现场工况打断 计算机自 动控制模式。 系统的拉深位移、拉深力以及 压边力、压边位移等信息 通过相应的敏感器通过a / d转换反馈到控制算法中，以闭环控制各控制量。 2 .2 . 4 分区变压边力拉深装置工作原理 图 2 . 5是拉深装置的结构原理图。在整个拉深成形过程中，通过监控软件 或者控制按钮的操作，完成全部的操作。在开始成形之前的准备阶段中，通过 操作由控制系统的液压子系统将压边油缸的油缸的活 塞杆顶出，带动压边圈上 行就位后， 将成形板料放置到压边圈与凹 模之间。 此时压边圈的位置由 相应的 位移传感器将位移信息反馈到控制系统中，以 确定拉深控制过程的零位。拉深 滑块通过监控设备控制液压机下行，直至开始拉深成形。控制系统中的 上位机 将由 控制模型实时计算出压边力控制量， 通过电气控制电路将控制量传递给液 压控制环路中的执行部件。控制各个区域的压边油缸给出可变的压边力，完成 拉深成形。 控制过程中的压边力是将液压压力通过压边活塞杆经由压力传感器传递到 压边块， 经过压边块的均匀化， 在各个区 域对应的压边块与凹模之间的 板材毛 料上形成相对独立控制的压边力。 统反馈信号，从而形成系统的闭环控制。 它包括了 控制算法的实现、 上下位机 的数据通信和电气控制系统。控制算法中考虑到分区之间的相对独立性与控制 同步性的 要求， 采用基于神经网 络的 p m 控制算法， 通过神经网 络针对各个区 域在同一拉深位移处，同步的实时提供各 自 相对独立的压边力控制量。电气控 制系统为了保证安全性和可靠性，设计了手动调整与计算机自 动控制两种工作 模式。两种模式紧密结合，手动调整优先级较高，可是随时根据现场工况打断 计算机自 动控制模式。 系统的拉深位移、拉深力以及 压边力、压边位移等信息 通过相应的敏感器通过a / d转换反馈到控制算法中，以闭环控制各控制量。 2 .2 . 4 分区变压边力拉深装置工作原理 图 2 . 5是拉深装置的结构原理图。在整个拉深成形过程中，通过监控软件 或者控制按钮的操作，完成全部的操作。在开始成形之前的准备阶段中，通过 操作由控制系统的液压子系统将压边油缸的油缸的活 塞杆顶出，带动压边圈上 行就位后， 将成形板料放置到压边圈与凹 模之间。 此时压边圈的位置由 相应的 位移传感器将位移信息反馈到控制系统中，以 确定拉深控制过程的零位。拉深 滑块通过监控设备控制液压机下行，直至开始拉深成形。控制系统中的 上位机 将由 控制模型实时计算出压边力控制量， 通过电气控制电路将控制量传递给液 压控制环路中的执行部件。控制各个区域的压边油缸给出可变的压边力，完成 拉深成形。 控制过程中的压边力是将液压压力通过压边活塞杆经由压力传感器传递到 压边块， 经过压边块的均匀化， 在各个