（机械电子工程专业论文）弧形下调式三辊卷板机数控系统研究及应用.pdf

摘要 卷板机是将钢或其它金属、非金属板弯曲成相应曲率制件的设备，是海上采 油平台建造、压力容器制造等行业的重要设备。本文针对手动操作卷板机的生产 模式效率较低，加工精度一致性较差等问题，以实现大型卷板设备的数字化控制、 自动化操作为目的，提出了以p m a c ( n - - i 编程多轴控制器) 为控制核心，工控机 为系统支撑单元的双c p u 开放式数控系统的总体方案。 论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 以板材滚弯成形时的理论分析为基础，结合弧形下调式三辊卷板设备 的结构特点以及对自动卷板工艺过程的研究，建立了三辊不对称卷板的数学模 型，为实现数控卷板加工的自动卷制参数确定和自动卷制程序的编制奠定了基 础。 ( 2 ) 通过对典型控制系统方案的分析比较，提出了工业控制计算机( i p c ) + p m a c 运动控制卡的控制系统方案，从系统硬件选择、系统核心组成部件p m a c ( 可编程多轴运动控制器) 的特点以及系统硬件接口技术三个方面介绍了整个系 统的硬件结构，建立了主从式的具有双微处理器结构的机电一体化装置。 ( 3 ) 以w i n d o w s 操作系统为平台，利用面向对象的新理论、新技术，采用 一种开放式、模块化设计方法、前后台型的结构形式( 前台程序即i p c 的人机界 面程序，后台程序即p m a c 中的p l c 程序) 的系统软件，伎系统的通用性和可 移植性大大增强，也有利于日后系统的功能扩展。 实践表明，这种基于p m a c 的开放式系统可以缩短开发周期，提高运行速 度，保证系统加工精度的稳定性，对于促进数控技术的工程化研究及产品开发有 重要推动作用。 关键词：开放式数控系统；p m a c ；工控机 a bs t r a c t r o l l i n gm a c h i n e ，w h i c hc a nb e n ds t e e lo ro t h e rm e t a l ，n o n m e t a lm a t e r i a lt o w o r k p i e c e st h a th a v ec o r r e s p o n d i n gc u r v a t u r e ，i sc r u t i a le q u i p m e n tu s e di nc o n s t r u c t i o no fo f f s h o r eo i lp l a t f o r m ，m a n u f a c t u r i n go fp r e s s u r ec o n t a i n e ra n ds oo n t os o l v e t h ep r o b l e m so fl o wm a n u f a c t u r i n gp r o d u c t i v i t ya n dp o o ru n i f o r m i t yp r o c e s sp r e c i - s i o no ft h em a n u a lr o l l i n gm a c h i n e ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sag e n e r a lp l a n n i n go f d o u b l e - c p uo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sb a s e do ni p ca n dw i t ht h e p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x i sc o n t r o l l e r ) a st h ec o n t r o lc o r e ，f o rt h ep u r p o s eo f a c h i e v i n gd i g i t a lc o n t r o la n da u t o m a t i cm a n i p u l a t i o no ft h el a r g e - s c a l er o l l i n gm a c h - i n ee q u i p m e n t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e d o nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f s h e e t f o r m i n g ，c o n s i d e r i n g c o n s t r u c t i o nf e a t u r e so ft h ea r ca d j u s tb e l o wt h r e er o l l e rr o l l i n gm a c h i n ea n dr e s e a r c h o nt h ep r o c e s so fa u t or o l l i n g ，am a t h e m a t i cm o d e li sb u i l t , w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o n o fa u t or o l l i n gp a r a m e t e rd e t e r m i n a t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o lr o l l i n ga n dt h ep r o g r a m a u t o m a t i o n ( 2 ) t h ei p c + p m a cc o n t r o ls y s t e ms c h e m ei si n t r o d u c e db yc o m p a r i n gw i t h o t h e rt y p i c a lc o n t r o ls y s t e m a n dt h ew h o l eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ei sd e s c r i b e di n t h r e ea s p e c t s ：s y s t e mh a r d w a r es e l e c t i o n ，t h ef e a t u r e so fc o r ec o m p o n e n tp m a ca n d t h ei n t e r f a c eo fs y s t e mh a r d w a r e am a s t e r - s l a v em e c h a t r o n i c sd e v i c e ，w h i c hh a s d o u b l e c p ua r c h i t e c t u r e ，i sb u i l t ( 3 ) t h ec o n t r o ls y s t e mw o r k e do nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m ，u s e d t h en e wt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fo b j e c to r i e n t a t i o n ，a n da d o p t e da no p e na n d m o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o da n df o r e - b a c kg r o u n ds t r u c t u r e ( t h ef o r e g r o u n d p r o g r a mi s t h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ep r o g r a mo ni p ca n dt h eb a c k g r o u n d p r o g r a mi st h ep l cp r o g r a mi np m a c ) ，w h i c hi m p r o v e st h ev e r s a t i l i t ya n dt h e p o r t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h i si sa l s op r o p i t i o u st oe x t e n ds y s t e mf u n c t i o n t h ep r a c t i c ei n d i c a t e st h a tt h i sk i n do fp m a c b a s e do p e na r c h i t e c t u r es y s t e m c a ns h o r tt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，i m p r o v et h ew o r k i n gs p e e d ，a n de n s u r eh i g hs t a b i l i t y o fw o r k i n gp r e c i s i o ni nt h es y s t e m ，w h i c hh a si m p o r t a n ti m p u l s ei nt h ee n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n dp r o d u c td e v e l o p m e n to fn ct e c h n o l o g y k e yw o r d s ：o p e nc n cs y s t e m ，p m a c ，i p c l 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞盗盘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了谢意。 学位论文作者签名：七糊 签字日期： 础c 年f 月 re t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签芦：毛靶硷 签字日期：卅7 年6 月皇e l 导师签名： 签字日期：d 哆年f 月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外卷板设备技术现状 卷板机是一种把平板卷制成各种弧形和圆筒状物体的板材加工设备，各种规 格的圆筒的制作，锅炉设备的加工以及造船等许多行业都离不开卷板机。卷板机 的规格型号很多，按卷板机的机械结构和卷板机辊的数量划分，有三辊卷板机和 四辊卷板机之分，按辊的驱动方式有机械式卷板机与液压式卷板机之分。三辊卷 板机结构相对简单，三辊当中有一对侧辊和一根上辊，其中两下辊能够上下移动。 四辊卷板机结构相对复杂，有一对侧辊和一根上辊和下辊，这种卷板机成本较高， 但性能较好，卷制成品质量较好。一般来说，小型薄板卷板设备多采用三辊式机 械传动，并常见于对称式，近年来多采用不对称式。中厚板多采用全液压式传动， 或采用主传动为机械式，辅助传动为液压式。各种卷板机，工作原理基本相同， 都是通过调整上辊与侧辊的相对位置，使板料在辊间逐渐弯曲变形，用主轴的正 反转使板料在辊间来回运动，直至板料产生塑性变形。随着辊的相对位置的不断 调整，主轴不断的往复正反转运动，板料的塑性变形量逐渐加大，直至加工成符 合要求的圆弧或圆筒形成品。 1 1 1 国内卷板设备技术现状 近年来，随着石油化工、原子能、造船、宇航、水电、汽车制造、铁路运输 及建筑等行业的迅速发展，对于各种形状、规格以及高精度要求的板材制件的需 求量也随之急速增加。卷板机的数控化在国内起步较早。目前卷板机在我国已形 成一定的规模，其制造水平也在不断的提高，但目前国内生产的数控卷板机大都 使用简单n c 控制，加工效率低，功能相对单一，一个型号的卷板机只能加工一 个规格的产品，例如，加工圆筒的卷板机只能加工圆筒，而不能加工锥筒，缺乏 灵活性，本文结合弧形下调式三辊卷板机的改造提出了卷板机数控系统 i p c + p m a c 的设计方案，并对驱动系统进行了全液压伺服设计，用数控系统直 接控制液压系统，因此该系统可以加工不同型号高精度的圆筒和锥筒，具有一定 的柔性。 目前国内生产大型卷板设备( 板厚大于或等于3 0 r a m ) 的厂家还有第一重型 机械厂、第二重型机械厂、沈阳重型机械厂、长治锻压机床厂、太原重型机械厂、 北京重型机械厂、江苏南通重型机械厂、浙江苍南重型机械厂、福建三明重型机 第一章绪论 械厂及湖北重型机械集团有限公司等。尽管生产厂家众多，在这些厂家中，有的 引进国外先进技术生产，有的自主开发。其中，湖北重型机械集团有限公司在卷 板机的开发和制造方面取得了较大进展。但是产品与国外产品相比精度偏低，数 控程度也偏低，还不能根据坯料的材质，尺寸等，自动计算加工全过程的各种参 数，而是需要较多的人工干预。 1 1 2 国外卷板设备技术现状 目前英国、瑞士、意大利、德国等国家将板厚小于3 8 毫米的卷板设备以机 械传动不对称式产品为主，板厚4 0 毫米以上则采用全液压式传动的三辊或四辊 产品为主。由于四辊结构上较三辊结构复杂，且价格高、体积大、耗电多，因此 不少国家生产三辊全液压式不对称卷板设备，这种机型，既具有四辊机压头作用， 又较容易调节成左右不对称式。尤其采用全液压传动后，扭矩大，运行可靠，钢 板卷圆后剩余直边较小，卷圆后两端基本没有错口。近年来采用计算机控制后， 加工精度大大提高，适于批量生产，效率高、成本低。当今世界上生产卷板设备 水平最高的国家有瑞士、意大利、德国等，它们基本上设计制造全液压计算机控 制的三辊或四辊卷板设备。 国外著名厂家的产品如下： 瑞士c h r h a e u s l e r 生产世界上最大型四辊卷板设备v r m h y4 0 0 0 1 5 0 m m 。 工作能力为：冷卷钢板最大宽度最大厚度4 0 0 0 1 5 0 m m ，热卷为4 0 0 0 2 6 0 m m ，主要应用于核工业方面。 意大利“p r o m a u 公司生产全液压式“d a v i ”系列四辊卷板设备。“d a v i ” 加工工艺专刊，它具有a b s 一自动平衡系统；p s g 一行星摆式回转导轨；a l s 一自动润滑系统；e s s 一节能系统。“d a v i m c b 型四辊卷板机的主要特点： ( 1 ) 全液压传动，多部独立的液压马达，保证对任何厚度的材料有良好 的送进功能； ( 2 ) 高效节能液压马达驱动卷板( 行星齿轮直接耦合驱动) ； ( 3 )卷板两端预弯，使卷板机在中等卷板能力条件下，一次通过卷板成 型； ( 4 )夹紧辊成拱形以校正偏差，增加驱动和夹持能力； ( 5 )直边比其它任何种卷板机卷制得都要短( 预弯好) ； 国外生产卷板设备的著名厂商还有西德瑟尔夫公司、西德汉堡保隆福斯造 船及机械公司、英国布朗克公司、日本富士车辆公司和日本栗木铁工所等。 2 第章绪论 1 2 数控系统的发展概况 1 2 1 数控系统发展的回顾 1 9 4 6 年在美国诞生了世界上第一台电子计算机，1 9 5 2 年计算机技术应用到 了机床上，在麻省理工学院( m i t ) 诞生了第一台试验性数控系统，从此，数控 系统的发展日新月异，到今天已经历经了两个阶段共六代：1 9 5 2 1 9 7 0 年为数控 ( n c ) 阶段，这一阶段划分为三代，即第一代电子管( 1 9 5 2 年) ；第二代晶体 管( 1 9 5 9 年) ；第三代小规模集成电路( 1 9 6 5 年) ，自1 9 7 0 年起，小型计算机用 于数控，数控技术进入计算机数控( c n c ) 阶段，这是第四代数控；1 9 7 4 年进 入第五代数控，其特征为微处理器用于数控；2 0 世纪9 0 年代开始后，基于p c 的数控( p c n c ) 开始得到迅速发展1 1 1 。 9 0 年代前的c n c 系统，主要是标准的数控装置，从控制软件开发发展上看， 标准的数控系统没有一个强有力的体系结构予以支撑，因而软件缺乏持久开发的 能力，不能进行高可靠性的软件扩展。 随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和通 用性提出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求，迅速高效、低成本地构 筑，面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求新一 代数控系统具有方便的网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和 管理模式。而对于传统数控系统，如f a n u c0 系统、m i t s u b i s h l m 5 0 系统、 s i e m e n s 8 1 0 系统等是一种专用的封闭体系结构的数控系统，他们自成一体互不 兼容，不能适应当前制造业迫切需求和配置灵活、功能扩展简便、基于统一的规 范和易于实现统一管理的发展需要。而且，进入9 0 年代以来，由于计算机技术 的飞速发展，推动了数控机床技术更快的更新换代，各种不同层次的开放式数控 系统应运而生。 目前，国际及国内使用和研究中的数控系统可以分为3 类：专用式、通用式 和开放式。专用式数控系统是控制器制造商针对专用的机床而开发的，它是封闭、 不可兼容和不可扩展的，很难二次开发和更新换代，但由于这些产品是在专用 c n c 系统上发展的，为用户所熟悉，并且还批量生产，降低了成本，因此还有 一定的市场；通用式数控系统对许多机床的特性不能完全支持，不具备某些机床 或工艺特征所期望的特性，因而也有一定的局限性；开放式控制系统是以通用计 算机( p c ) 的硬件和软件作为基础的，具有可扩展性、可移植性、可互换性、 可操作性和可配置性，是当今最为流行的一种控制系统，而且基于p c 的第六代 开放式数控系统已成为国内外研究与开发的热点。 第一章绪论 1 2 2 国内外数控系统的发展概况 开放式数控系统的概念在8 0 年代就已出现，较有代表性的有以下几种： 1 美国的o m a c 美国把开放式数控系统定义为“开放式模块化体系结构控制器 o m a c ( o p e nm o d u l a ra x e h i t e e t u r ec o n t r o l l e r ) 。由克莱斯勒、通用和福特三大汽车公司 于1 9 9 4 年提出。其目标要求： ( 1 ) 开放化一般可利用软硬件在标准环境下集成； ( 2 ) 模块化提供软硬件模块的“即插即用和高效的控制器重构机制； ( 3 ) 可调整根据用户需要可简单有效地构成； ( 4 ) 可靠性要求软硬件高可靠性，容易维护。 使用这种结构，可以使制造者减少最初投资，缩短开发时间，把使用者的专 业技术集成在系统上，提供软硬件模块的“即插即用”。 2 欧盟的“自动化系统中的开放式控制系统体系结构”o s a c a ( o p e n s y s t e ma r e h i t e e t u r ef o rc o n t r o l e rw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 它是由欧盟2 2 家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商和科研机构 联合发起的，前后经历了三个阶段。提出了新型控制器的原则是：可组配、模块 化和开放式，其核心技术是数字接口通讯技术和通讯协议。o s a c a 的目标之一， 是使自己成为自动化领域的通用国际标准1 4 1 。 3 日本的“控制器开发系统环境 o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r c o n t r o l l e r ) 它由东芝机器公司、丰田机器厂和m a z a k 三家机器制造商和日本m m 、 三菱电子及s m l 信息系统公司共同组建。其目的是建立一个国际性的工厂自动 化控制设备标准1 5 1 0 4 目前国内已有的开放式数控系统有四种：华中l 型、中华i 型、航天i 型 和蓝天i 型。国内的开放控制系统各有优点，且经过近几年的攻关，有了较大的 提高。但从数控系统的发展趋势看，它们与国外的相比仍有一定的差距，仍有许 多需要完善之处 6 1 0 i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 总结了对开放式数控系统的定义：开 放式系统应能使应用程序在不同厂商的各种平台上运行，能够与其它系统的应用 程序相互操作，并具有用户界面的一贯形式。由此可见，开放式系统必须提供接 口能力、相互操作能力和界面的一致性。系统明确定义了这些模块之间的接口以 及这些模块和实现平台之间的接e l ，以便在构成一个完整、正确的功能化控制时， 不同厂家的模块能相互合作，进行有意义的组合，并能在各种平台上运行。 4 第一章绪论 就工业p c 机与数控系统结构形式而言当今世界上的开放式数控系统大致可 分为三种类型2 1 1 9 11 1 0 11 3 2 1 “p c 嵌人n c 结构的开放式数控系统 如f a n l t c l 8 1 、1 6 l 系统、s i m e n s 8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b g 3 6 0 等 数控系统。这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术， 而又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。然而，尽管它也具有一定的开 放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的， 因此，用户无法介入数控系统的核心。 2 “n c 嵌人p c 结构的开放式数控系统 它由开放体系结构运动控制卡+ p c 构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系统， 可以单独使用。它开放的数控函数库供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造 所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛地应用于制造、自动化各 个领域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控 系统、日本m a z a k 公司用三菱m e l d a s m a g i c 6 4 构造的m a z a t r o l 6 4 0 c n c 等。 3 s o f t 型开放式数控系统 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活 性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外 部i o 之间的标准化通用接口。用户可以在微机的软硬件平台上，利用开放的 c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统。与前期数 控系统相比，s o f t 型开放数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。 其典型产品有美国m d s i 公司的o p e n c n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的 p a 8 0 0 0 n t 等。这种开放式数控具有可移植性、互操作性、缩放性、可配置性以 及对供应商的独立性，进而使得控制器能够重新配置、修改、扩充和改装，而其 中的模块化和配置功能则是其中的一个重要部分。 传统的数控( n c ) 系统是一种专用的封闭体系结构的数控系统，即系统硬 件是专用的，各厂家的主板、伺服电路板专门设计，厂家之间产品无互换性；系 统软件结构是专用的，无可移植性，也无伸缩性。数控系统尽管也可以由用户做 人机界面，但数控系统的开发始终属于数控系统生产厂商独立的商业行为，在很 大程度上严格保密。这种独立的设计模式导致不同厂商的数控系统在内部结构、 实现方法和表现风格上迥然不同，形成了各自独立的标准和规范体系；数控加工 系统功能非常单一，结构固定，不能满足产品快速转型和短期、小批量加工的要 求；系统升级和维护困难，市场上难以找到可替换的配件，致使部件损坏不能及 第一章绪论 时修复而导致整个设备不能正常运行。而且这种封闭的体系结构使数控系统无法 应用最新的计算机软、硬件技术，从而严重影响数控技术的发展、进步和普及。 随着现代数控系统朝着高速化、高精度化、智能化、开放化、网络化、功能复合 化和高可靠性等方面发展，开放式数控系统和高速加工成为目前的研究热点。研 究开放式n c 系统的主要目的之一就是要解决变换频繁的需求与封闭控制系统 之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性，降 低再次开发的难度。或者说，开放的目的就是使数控控制器与当今的p c 机类似， 使系统构筑于一个统一的开放的平台上，具有模块化组织结构，允许用户根据需 要进行选配和集成、更改或扩展系统的功能，以便迅速适应不同的应用需求。 开放式数控系统普及应用仍需一段时间，因为 4 1 1 ( 1 ) 缺乏统一的标准和认识。 虽然包括非实时性的t c p i p 协议在内的各种网络协议已比较成熟，但诸如 开放的现场总线标准规范的制订还很不成熟，仍需要一段时间；并且，缺乏实时 性的传输控制协议( t c p i p ) ，这给开放式数控系统的开发应用及推广带来一定 困难。同时，关于“开放的概念，学术界和工业界都各执一词，还没有形成统 一的认识。因此，各厂商为顺应“开放数控”的潮流纷纷推出“形开放”的产品。 ( 2 ) 经济利益的原因。 开放式控制系统体系结构的推出，将迫使各大机床和控制器厂商投入大量资 金进行售后服务和人员再培训。另外，这种体系结构的推出，将会有更多的公司 参与市场竞争，会导致传统数控供应商的市场份额下降。所以这就是开放式控制 系统概念已提出十几年，但各厂商却迟迟不推出完全开放型的产品的原因。 ( 3 ) 技术原因。 由于开放式控制系统出现的时间较晚，许多n c 的控制算法和功能的开发还 有待发展。如基于复杂曲面加工的特殊要求，还依赖于传统数控技术，用户还难 放弃技术成熟的传统c n c 。并且到目前为止，还没有真正解决w i n d o w s 操作系 统的实时控制问题。 ( 4 ) 开放式控制系统平台的获益者将是控制系统集成商。 对于最终用户，如对数控功能的变动有新的要求，出于安全和专业分工的特 点，不会自己改变系统，仍会依赖于系统集成商进行设备改造。 1 3 课题研究的意义及背景 弧线下调式三辊卷板机是9 0 年代发展起来的新型设备。由于结构新颖、受 力合理和功能多而得到推广。长治锻压机床( 集团) 有限公司于1 9 9 2 年率先从瑞 6 第一章绪论 典引进该技术，并举试制成功，填补了国内空白。通过消化、吸收、创新设计， 该产品在该公司已系列生产，并独占国内市场，还远销尼泊尔、新加坡、香港等 国家和地区。该产品具有广泛的市场和发展前景，被越来越多的用户所接受。但 也有一些用户，对机器性能了解不够，卷筒方法不得要领，未能使机器功能得到 充分发挥，有的还造成不应有的经济损失。 卷板设备由于其消耗功率大，工作条件恶劣，因此国内普遍采用手动操作的 方式进行生产。此生产模式效率较低，难以保证加工精度的一致性，已远远不能 满足市场对数量与质量的要求。与此同时，近年来数控技术飞速发展，特别是工 业控制机的广泛应用和开放体系结构的提出，使得大型卷板设备数控化成为可 能。目前，国外已有商品化数控卷板机上市，国内也开始生产数字控制的卷板机， 无论是国外产品还是国内产品，从数控技术的实现上看，还没有达到令人满意的 效果，还不能根据坯料的材质，尺寸等，自动计算加工全过程的各种参数，而是 需要较多的人工干预。针对上述缺陷，海洋石油工程股份有限公司提出了“弧形 下调式三辊卷板机数控系统研究与应用”的课题。 综上所述，尽快熟悉弧线下调式三辊卷板机功能及操作方法，使该设备在弯 曲校正等行业发挥其重要作用，为企业创造效益，已势在必行。 1 4 本文研究的主要内容 近年来，随着计算机技术、微电子技术和数控技术的发展，基于i p c 机的开 放式数系统已经成为当前数控技术发展的一个重要方向。本研究旨在实现大型卷 板设备的数字化控制、自动化操作，以取代手工操作，提高生产率，并将检验质 量转化为控制质量。 本文构建了一种以i p c 机为平台、以p m a c 运动控制卡为核心的开放式数 控系统，并对其硬件结构和软件体系进行了研究。 全文内容如下： 第一章本章阐述课题的研究背景和意义，综述卷板设备和开放式数控系统 的国内外的研究成果及存在问题。 第二章本章在板材滚弯成形过程及成形时的应力应变分析的基础上，对板 材的厚度减薄及长度增加进行了分析计算，分析了板材弯曲回弹的影响及控制回 弹的方法，这是建立数学模型和参数计算的基础。 第三章本章介绍了三辊不对称卷板设备的结构特点，通过对弧形下调式三 辊数控卷板机的一次进给不对称卷板工艺的分析，建立了卷板加工时有关参数之 间的数学关系式，确立了不同卷制阶段各个工作辊的加工位移量，为实现数控卷 第一章绪论 板加工的自动参数计算和自动卷制程序的编制奠定了基础。 第四章本章提出了卷板设备数控系统的总体方案，以p m a c ( 可编程多轴 控制器) 为控制核心，工控机为系统支撑单元的双c p u 开放式数控系统，详细 介绍了数控系统硬件的搭建及接口技术的实现。 第五章本章基于i p c + p m a c 结构的双c p u 开放式数控系统，从软件方面 研究了基于p m a c 开放式数控系统的构建。此章详细介绍了软件系统的开发重 点，主要是上下位机的通讯、系统实时性的控制、用户操作界面的实现和p l c 逻辑控制程序的编制。 第六章汇总全文主要结论，并提出今后工作展望。 第二章板材滚弯成形时的理论分析 2 1 引言 第二章板材滚弯成形时的理论分析 板材的滚弯成形可以看成是三辊卷板机对板材作连续的三点弯曲的过程，其 变形过程是这样的：进入时的曲率半径为无穷大，然后逐渐进行弹性弯曲；到外 层纤维进入塑性时开始塑性弯曲；曲率半径逐渐减小，直到最大弯矩到达，这时 曲率半径为成形前曲率半径；此后逐渐产生回弹，当板材逸出滚轴，卸载回弹后， 曲率为回弹后的残余曲率半径。 2 2 板材滚弯成形过程 在造船厂和压力容器加工厂中三辊卷板机是最为普遍的成形加工设备。加工 时将被加工板材的一端送入三辊卷板机的上、下轴辊之间，然后对两下辊施加一 向上的位移，使位于下方的板材部分因受压而产生一定的塑性弯曲变形。当上辊 被驱动作回转运动时，由板材与轴辊之间的摩擦力使板材实现进给；当板材依次 通过上辊的下方即变形区时，板材也就获得了沿其全长的塑性弯曲变形；卸载回 弹后，工作弯曲部分最终就取得了等曲率的残余变形，其全过程参见图2 1 ： 图2 - 1 板材滚弯成形示意图 这里选用弧形下调式三辊卷板机，并以滚弯加工定曲率的工件作为分析对 象。对于图2 1 所示的加工状态，假定板材从左侧进料，右侧输出，设a ，c ， b 分别为板材与下辊和上辊的接触点与辊子中心的连线与挠曲线的交点。在滚弯 过程中，板材从a 端送入，经过a b 段的弹塑性加载，到b 点取得最大的弹塑 性变形；而后经b c 段的卸载，工件就取得了最终的残余变形。 在板材滚弯成形的加工过程中，板材与卷板机组成的力学系统可抽象为一简 支梁承受一集中载荷作用的力学模型。在这个模型中，载荷的大小与对两下辊施 9 第二章板材滚弯成形时的理论分析 加的位移量有关，而板材所承受的载荷又决定了板材将要产生的变形量的多少。 在实际生产加工过程中，操作者通过不断调整和控制两下辊的位置来实现加工所 要求的工件形状，也就是对两下辊施加一位移量，通过上辊的正反转，使工件逐 渐变形，最终获得相应的形状。为此，要对板材滚弯成形实现自动控制，则研究 板材滚弯过程中下辊的位移量与板材成形后的曲率半径之间的变化规律是一个 最基本、最重要的闯题。 2 3 板材滚弯成形时的弹塑性变形分析 板材弯曲过程变形区切向应力的变化如图2 2 所示。变形区集中在曲率发生 变化的部分，外侧受拉，内侧受压。受拉区和受压区以中性层为界。初始阶段变 形区内外表层的应力小于材料的屈服强度口；，这一阶段称为弹性弯曲阶段，如 图2 2 a 所示。弯曲继续进行时，变形区曲率半径逐渐变小，内、外表层首先由 弹性变形状态过渡到塑性变形状态，随后塑性变形由内、外两侧继续向中心扩展， 最后达到塑性弯曲过程，切向应力的变化如图2 2b , c 所示。 a ) 弹性弯曲b ) 弹塑性弯曲c ) 塑性弯曲 图2 2 弯曲过程变形区切向应力分布发生的变化 弹性弯曲时，中性层位于料厚的中心，塑性弯曲时，中性层的位置随变形程 度增加而内移。图2 3 ，2 4 很好地解释了塑性弯曲时总是伴有弹性弯曲的现象。 外部 内部 中性层 1， l 虫一 玉习 1 1 一 ， i 么驴 abc 图2 ，3 纯塑性弯瞳卸载过程中断面内切向应力变化 第二章板材滚弯成形时的理论分析 外部 中性层 内部 可 j 阻 i 一 l 一 、 i 么寥 abc 图2 - 4 弹性弯曲卸载过程中断面内切向应力变化 图2 3 a 所示为纯塑性弯曲应力状态，图2 3 b 为其卸载时的应力，图2 3 c 为卸载 后弯曲件在自由状态下断面内的残余应力；图2 4 弹塑性弯曲卸载过程中板料 断面内的切向应力变化情况。图2 4 a 为外力矩产生的弹塑性应力状态，图2 - 4 b 为卸载时应力，图2 4 c 为卸载后弯曲件在自由状态下的断面内的残余应力。由 此可见，塑性弯曲卸载后回弹也是不可避免的。 2 4 板材滚弯成形时的弯曲伸长 板材在塑性弯曲时，由于中性层会发生内移，使得板材受拉伸的区域扩大， 受压缩的区域减少，从而使板材的平均长度增加，即板材由于弯曲发生了伸长。 从上面的分析可知，板材在弯曲时，厚度会减薄，而长度则会增加，由于宽 板弯曲时在横向没有变形，所以根据变形前后物体的体积不变这一条件，板材弯 曲后长度的增加应与其厚度的缩减成反比，亦即1 1 3 1 ： ， 1 ， 仁i 0 0 ( 2 - 1 ) 式中：，为板材弯曲后的长度； 幻为板材弯曲前的长度； ，7 为厚度缩减系数； 其中7 7 = r 打一r 。= t t o t 板料弯曲后的厚度； “板料弯曲前的厚度； 板材弯曲成形的程度除了可以用弯曲半径尺表示外，还常常用相对弯曲半径 厂( ，= r t ) 表示。 设板材外缘的弯曲半径为勋，外缘的相对弯曲半径为r = t ； 板材内缘的弯曲半径为r b ，内缘的相对弯曲半径为r = t ； 第二章扳材壤弯成彤时的理论分析 当相对弯曲半径r l o 以后，扳材的厚度基本上没有缩减，郎长度也基本 上没有增加，因此在下料时都不考虑伸长问题。最终计算进给量或上辊旋转量z 时不考虑扳材伸长问题。 2 5 板材弯曲回弹的影响 塑性弯曲和任何一种塑性变形，外载卸除以后，都伴随有弹性变形，使最 终工件尺寸与三辊卷制的工件尺寸不一致，这种现象称为回弹。回弹的表现形式 有两种，如图2 - 5 所示； 、裂 、7 j j o 、一孑? 一 图2 - 5 弯曲回弹的表现形式 ( 1 ) 曲率减小眙率由卸载前的上减小至卸载后的三回弹量为 pp k-土一了1=12m面(1r-v2一)(2-2p ) db f 。 式中叶曲率变化量； p回弹前平均曲率： j 回弹后平均曲率； e 弹性模量： r 泊橙比； t 板料厚度； | l f 回弹前板内弯矩。 ( 2 ) 弯角减小。弯角由卸载前的a 减小至卸载后的口。回弹角口= 口一口+ 。 在卷扳机卷制筒体的过程中，影响回弹的因素是多种的，主要有以下几种 ( 1 ) 板料的力学性能。板料的屈服强度正越大，硬化指数r i 越大，弹性模 第二章板材滚弯成形时的理论分析 数e 越小，回弹量越大。 ( 2 ) 变形程度r t 。在其相同的条件下，角度回弹量随r t 值增大而增大； 曲率回弹量随r t 值增大而减小。 ( 3 ) 弯曲角a 【。a 越大，变形区长度越大，a a 越大，对曲率的回弹无影响。 ( 4 ) 卷板的工艺。冷卷回弹量最大，温卷次之，热卷无回弹量。 在弯曲成形中传统的弯曲回弹控制方法有：拉弯法、加压校正法、过弯曲法 和二次弯曲法等。针对在卷板机上卷制简体，需要具体问题具体对待，利用回弹 的规律，适当地调整各种影响因素来抵消回弹，般采用过弯曲法等。 板料的弯曲回弹是客观存在的，无法改变的，只能因势利导，掌握好板料的 回弹规律。在卷板机上卷制圆筒时或采取相应的工艺措施，或尽可能准确的计算 好回弹值的大小，才能有效的减少和控制好板料的弯曲回弹。 2 6 小结 本章在板材滚弯成形过程及成形时的应力应变分析的基础上，对板材的厚度 减薄及长度增加进行了分析计算，分析了板材弯曲回弹的影响及控制回弹的方 法，这为建立数学模型和参数计算打下了基础。 第三章自动卷扳工艺过程研究和数学模型的建立 第三章自动卷扳工艺过程研究和数学模型的建立 3 1 引言 卷板加工的自动化就是先由操作员输入卷制圆筒工件的直径、板宽、板厚、 材料机械性能等参数，然后由数控程序自动计算出各个辊在各卷板工艺阶段的位 移量及旋转时间，并控制三个辊的相互协调运动，自动完成加工。 要想使三辊不对称卷板工艺过程自动亿，需要根据被卷板材的几何参数，如 板厚、板宽、卷制曲率；力学参数，如板材屈服极限、强度极限等来确定卷制工 艺参数，建立数学模型，最终由计算机来完成参数的计算。计算机得出的工艺参 数和演算结果，通过人机对话予以确认最终依此参数和预先按自动卷板工艺编 制的运动程序，实现扳材自动化卷制。 3 2 弧形下调式三辊卷扳机的结构特点 弧形下调式三辊卷板机的结构如图3 - 1 所示 图3 - l 弧形f 调式三辊卷扳机 a 上压辊 在工作阶段，它是水平固定的，靠液压马达的动力，通过直接装在辊轴上的 高效行星传动机构推动。( 在有些情况下，如可互换的减压上压辊。它应极少空 转；它装在几乎无摩擦的s k f 型自对准高效压辊轴承上，因此简单的与板接触 即可轻易地将上压辊驱动) 。在某些尺寸上，在滚压的后阶段，它可以液压倾斜， 让卷筒移开。 第三章自动卷板工艺过程研究和数学模型的建立 b c 两个侧压辊 它们可以靠液压动力垂直移动。让它升起，它可将板材按要求的直径弯曲。 它们是空转的，装在s k f 型自对准高效辊轴承上，它们是无摩擦的，靠简单地 与板材接触而驱动。为了精确地与上压辊平行，可以手动操作将它们倾斜。在选 用锥形件的机器上，它们可以方便快捷地靠液压倾斜，容易导向和确定锥体形状 的直径。 弧形下调式三辊卷板机采用液压传动实现两下辊的升降，下辊的两个液压缸 既可同步动作，亦可单独动作，可以方便地将下辊调之水平或倾斜( 用于卷制锥 筒) 。对于有些种类的弧形下调式三辊卷板机下辊的升降还可以分别用快慢两种 速度，以提高生产率。翻倒架的翻倒和复位是由液压缸驱动的，在卷制的过程中， 液压缸保持一定的压力，这样可以避免翻倒架由于卷制时间过长而发生倾斜。 功能多是弧线下调式三辊卷板机的突出特点，主要表现在以下几方面： ( 1 ) 具有对称三辊卷板机功能。 弧线下调式三辊卷板机上辊固定旋转，两个下辊分别绕固定中心弧线升降。 通过操作台方便地调节两个下辊，使三个工作辊成“品 字型，即构成对称三辊 卷板机型式，具有对称三辊卷板机功能。 ( 2 ) 一次上料无需调头完成板料两端预弯和卷圆成形。 弧线下调式三辊卷板机的两个下辊可以单独弧线升降。操作时将一个下辊升 至夹紧板料，另一个下辊处于下部起托扶作用，即构成非对称式三辊卷板机，实 现板料一端的预弯。将预弯板料成形的一侧下辊降，另一侧的下辊升，就构成了 预弯板料另一端的非对称式三辊卷板机。因此，弧线下调式三辊卷板机是两台非 对称式三辊卷板机的组合，具有一次上料无需调头完成板料两端预弯和卷圆成形 的功能。 ( 3 ) 具有板料对中功能。 普通三辊卷板机的板料对中，主要靠操作者的经验来实现，工作效率低，容 易出废品。在弧线下调式三辊卷板机的一侧，装有液压操纵的翻转对中机构，对 中板料时立起，对中后放平。准确实现板料的母线与工作辊轴线平行，避免板料 产生扭斜。、 ( 4 ) 卷板范围宽。 标准规定，卷板厚度不能小于参数规定最大卷板厚度的1 3 ，最小卷简直径 为上辊直径的2 5 倍。允许卷制最小厚度为参数规定最大卷板厚度的1 5 的板 料，最小卷简直径可以达到上辊直径的1 2 5 倍。还可以配备内托架和外托架， 以满足薄板大筒径工件的卷制。 第三章自动卷板工艺过程研究和数学模型的建立 3 3 自动卷板工艺过程研究 卷板是利用三点成圆理论，是卷板机三辊对板材进行连续三点弯曲的过程。 按卷制曲面形状分为：单曲率卷制和双曲率卷制两大类。单曲率卷制包括卷制圆 柱面、圆锥面、任意曲面等；双曲率卷制包括卷制球面、双曲率面等。按卷制温 度不同，可分为冷卷、温卷、热卷。冷卷精度高，操作工艺简单，成本低廉，但 对钢板的质量要求较高；当卷制板厚较大或弯曲半径较小并超过设备工作能力 时，在设备允许的条件下，可采用热卷( 8 0 0 - - - 8 5 0 ) ；对不允许冷卷的薄板， 热卷刚度差，则采用温卷( 保证在一定金相组织的温度下) 。 3 3 1 卷板工艺过程分析 卷板过程基本分为三个阶段：第一是上料找正阶段，这个阶段采用半自动方 式；第二是卷制阶段，需要实现自动和手动双重功能，并且二者可适时切换；第 三是点焊落料阶段，这一阶段也采用半自动方式。 一般卷板的工艺过程为1 2 0 1 1 预弯 il 平板两端各有一段长 度由于没有接触上辊不发 生弯曲，称为剩余直边。 工艺上把平板开始弯曲的 最小力臂叫理论剩余直 边，其大小与设备及其弯 曲形式( 对称弯曲，不对 称弯曲) 有关，见图3 - 2 及表3 1 。 a ) 对称弯曲1 1 = 1 2b ) 不对称弯曲1 1 1 2 图3 2 不同弯曲形式的理论剩余直边 为了避免板料从工作辊间脱落，实际剩余直边常比理论值大。对称弯曲时为( 6 2 0 ) t ，不对称弯曲时为对称弯曲的l 6 1 1 0 。由于剩余直边在矫圆时难以消除， 并造成较大的焊缝应力及设备负荷，容易