用于板料成形回弹的小型液压机控制系统

1、用于板料成形回弹的小型液压机控制系统 P. Sun, J.J. Gracio, J.A. Ferreira葡萄牙阿威罗3810-193，阿威罗大学，机械工程系，机械技术和自动化中心2005年4月13日收稿; 2006年2月8日收到修改稿; 2006年2月8日录用摘要：本文提出一种估测回弹的方法，回弹是在控制系统中零件卸压后引发的一种现象。由零件回弹产生的线性位移作为参考值来估测实际的回弹，并在控制界面即时显示。该方法是基于闭环控制下的冲压测量值来实现的。为了对压机实现闭环控制，需要在在汽缸内安装两个压力传感器，并在冲头滑动杆上安装位置传感器（光学测量精度为1m）。控制和监控软件都运行在一个实时

2、的硬件主板上，主板是在Matlab/ Simulink环境下运行的。冲压过程中，压力、穿孔位置以及回弹效应的数据都可以实时显示在控制面板上。为此，在小型液压机上进行实验，测试这些控制系统，并采用一个线性模型来检验对冲压位置或力的控制。实验中也采用了硬件回路仿真技术，来实现对整个系统控制的验正。系统模型具有计算量小、调整参数简单的特点。冲压机在200毫米移动行程内，其位置控制可以达到很高精度。本文的目的是为板料成形的过程中对回弹实时评估提供一个有效的方法。关键词：回弹，金属板材成形，评估，控制系统1 简介回弹是板料成形中一种普遍现象，其形成原因是卸载时板料内部存在残余应力。虽然基本理论分析已经发

3、展到用数值量化回弹的程度，但是自从发现了理论预测与实际数据比较的差异后，这些数值对于控制板料成形中的回弹的作用就受限制了。这就导致各种经验公式的产生，他们适用于特定的成形过程的检测。理论和实际数据之间的不统一主要由于材料性能的变化，个体成形的复杂性和特殊性，而导致的成形参数的不确定性（比如压模和成形时的张紧力）1。现今，在评估和减小板料成形上有很多的成就。诸如Wang, Budian-sky2，Morestin3等应用有限元法来分析板料冲压过程，并考虑材料的非线性运动中的硬化来预测拉伸过程中的回弹。随着数学领域环境的快速发展，近年来采用数值方法对板料成形过程中回弹预测得到了很大的发展4。大多数

4、的有限元模拟采用二维模型5,6，预测成形零件在板料成形过程中回弹。然而，很少有文献对实时冲压过程中的回弹做出准确评估。因此，现今很有必要对实时冲压过程中回弹的评估进行研究。在目前的研究中，提出一种实时控制方法，对金属板料成形过程中卸载后产生的回弹进行评估。成形工件回弹产生的线性位移被用来作为回弹参考值，以评估实际的回弹。通过工件厚度和冲压位置的变化() 来计算回弹参考值，并在控制界面上实时显示。检测工具所反馈的力或速度/位置的结果将作用于液压机上。这是一个实用的评估冲压成形过程回弹的方法。为了对液压机实现闭环控制，在液压缸内安装了两个压力传感器，并在液压机的活塞杆上安装了位置传感器（光学测量精

5、度为1m）。控制和监控软件都运行在一个实时的硬件主板上，实时卡是通过Matlab / Simulink的环境来快速反应的。压力和穿孔位置、甚至回弹效应的数据，都可以在冲压的过程中实时显示在控制面板上。为此，有一个实验例子是在小型压力机（）上构建和测试这些控制系统，和一个线性模型用于检验控制冲压机位置和力。这种功能的液压缸和控制阀门以及回弹机制的装置已经研制出来。该硬件回路模拟技术是基于在Matlab / Simulink环境下的仿真实验用以检验整体系统的控制过程。系统模型具有计算量小、功率、调整参数的特点。该冲压机在200毫米的行程内具有很高的可控制精度。该实验目的在于为板料成形的过程中实时评

6、估回弹提供一个有效的方法。2 回弹行为工业应用比如拉伸下料和弯曲加工，都是以局部塑性变形为特点的。发生在工件卸荷后的弹性恢复，总是存在于冲压加工过程中。回弹发生于各种类型的弯曲加工，包括折弯、折叠、滚压成形、辊弯曲。由于回弹的存在，弯曲模的角度1与工件所需的角度2并不完全一致时（如图2-1）。这两个角度的比值，又称回弹系数，取决于材料特性、弯曲半径之比以及板料厚度： （2.1）其中为模型的角度（需要弯曲的角度），为工件的期望角度（回弹后的实际弯曲角）。r1为冲模的内径，r2为工件的内径，t为板料的厚度7。t，金属板料厚度；加工的弯曲角；实际的弯曲角；，模具内径；工件内径。图2-1 弯曲后的弹性

7、回复影响回弹的因素包括材料及加工参数，比如材料的特性、板厚、摩擦条件、约束力、刀具集合参数、润滑条件等8。此外，有限元建模中网格类型、网格密度、材料模型的模拟对回弹的预测可能会有重大的影响。图2-2为实际生产中的回弹现象。分析表明，薄板成形中回弹可以通过改变夹具类型和材料属性而减小，但由于成形时的残余应力存在不能完全消除。那么，如何准确地计算、控制、显示工件成形过程中的回弹，已成为设计者和制造商在板料成形领域的焦点问题之一。图2-2 成品的回弹现象3 评估回弹的方法3.1. 控制方法说明这个方法是一种实用的评估冲压成形过程中回弹的方法，通过测量工具的反馈对液压机的压力大小和速度,位置进行控制。

8、闭环控制执行依靠了安装在汽缸内的两个压力传感器和一个位置传感器（光学测量精度为1m）安装在液压机的活塞杆上。控制和监控软件都运行在一个实时的硬件主板上，主板是通过Matlab / Simulink环境来快速反应的。压力、位置甚至回弹效应的数据，都可以在冲压的过程中实时显示在控制面板上。工件成形的回弹所产生的一个线性位移被作为参考值用以评价实际的回弹（）（图3-1）。回弹的参考值用以计算工件厚度的了解和位置的变化()，并立即显示在控制端口。图3-1 冲压工艺的示意图图3显示的是冲压工艺原理图，是一个回弹发生后的线性位移被定义为回弹的数值，t为工件的厚度，液压机的控制面板上表现液压机的位置变化。冲

9、压机加工完零件后，调整内缸压力（和）使液压机缓慢上行直到成形的工件弹性回复。在这种情况下，成形的工件将产生位移，和相对于液压机位置的变化，可视为一种仅仅回弹力（）（图3-4和3-5）作用下的变化。可以通过控制系统的面板准确的测量（图3-2）。回弹的数值可以估计在控制界面的关系。回弹的实时测量会通过以适应控制器参数,优化对液压机参考轨迹和力量，从而导致提高控制能力。这些数据(控制器参数、优化)可以作为数据库以充分调整压力的大小。3.2. 原理分析冲压的过程就是工件从受力开始到力完全卸载的过程（图3-3）。工件成形中的回弹会导致一个沿着受力方向的尺寸误差（线性位移）。因此，尺寸误差的大小也能反映出

10、回弹尺寸的变化。图3-2 （a和b）冲头位置在两种控制界面的显示图3-3 板料成形的过程液压机将配备一套传感器测量系统用以测量压力和活塞的位置。这个压力马上可以通过液压缸内壁两个压力传感器测量得到。活塞杆的运动需要一个1m光学测量精度的支持。速度的获得是取决一个位置信号的变化。所有传感器的输入信号和电器控制都传输到一个低成本的基于实时卡（DS1102）的信号处理器上，在这个方法下实时控制才得以实行。在冲压过程中，液压机的压力和位置就被实时反应在控制面板上。过程可分为三个步骤，第一步（图3-4）：拉伸阶段，冲头高度相当于板料厚度。第二步：调节液压缸内压力和使压头缓慢上升，直至工件完成了回弹。在这

11、种情况下，成形的工件将产生位置和位移的变化，可以视为仅有回弹力作用下产生的变形（图3-5）。同时冲头的位置可以被实时反映在控制面板上。根据这些测量值（包括缸室压力数据），回弹力可以被估测，液压缸和液压阀的受力就可以得知了。图3-4 冲压加工中冲头的位置和的关系为： （）当 （3.2.2）液压机的位置为： （）表示回弹 （）,为汽缸内壁的压力；,为缸内面积;T为板料厚度；为液压机的高度位置。为液压机的重力和封闭汽缸的摩擦力（可以通过液压机总重和封闭面的摩擦系数计算得出）。压力的数值也可轻松的反应到控制面板上。图3-5 回弹时的冲头位置图3-6 加工后的冲头位置第三步：卸载过程：（图3-6），液压

12、机远离工件升高到h的高度。该过程与回弹没有关系。在实际操作中设置允许的回弹值()于实际的回弹值相比较()。当 （）工件的回弹满足对成形零件的尺寸需求。当 （）回弹超出了尺寸限定，模具尺寸需要调整。因此,该方法可以在加工中立即检查回弹的情况。需要注意的是装卸压边圈时（力)是需要手动调整的。4 实验与实验设备4.1. 实验设备首先需要一个工作行程为200mm的小型压力机（）（图4-1）。建立一个准确方便的控制系统，以测试液压机在工作时的位置。小型液压机1的驱动由高性能的伺服驱动系统控制的伺服液压缸（图4-2）。压力通过2个装在缸内的压力传感器间接测量。活塞位置的测量通过一个1m精度的光栅尺，速度用

13、一个加速度测量计测量。该小型液压机允许压缩和拉伸的操作。压缩能力是用模拟接近实际的工作，拉伸能力则是模拟反运动（表4-1）。为了检测控制系统性能，回弹行为在试验中被一个减震器替代，装置用来替代在工作成形时的回弹行为。在典型的加工中这是一个最原始的方法，代表材料弹性恢复。液压回路及控制系统的实验模型（图4-3）。一个变量调节的轴向柱塞泵压力与蓄能器连接提供恒定的流量。为了减少实验时间，半闭环实验和线性模型减少了开发的时间，并提出了一种新液压机位置和压力测试和优化控制算法。图4-1 试验中的小型压力机（）图4-2 小型压力机（）原理图4.2. 模拟实验 模型为了检测力和位置控制，建立了液压伺服系统

14、(比例阀、线性驱动器)。图4-4是运用于实验中的控制阀门和液压缸以及回弹机构。线性模型运用实验中以执行闭环系统仿真试验，测试这种不同于平常的控制方式。在试验平台上线性模型表现出的整体性能是令人满意的。线性模型在平台上表现的动态性能，需要通过一些非线性参数改善，像液压缸密闭的摩擦力或者阀门的非线性控制，都被运用于评价这个不同的控制方法。液压缸的模型是由实际液压缸和液压阀工程分析而建立的。活塞的速度为，液压缸的动力学如下： （.1）表4-1小型压力机（）组件名字 型号伺服气缸 伺服操纵阀 KBSDG4V-3压力传感器 P15RVA1光栅 分辨率1m实时卡 DS1102加速度传感器 FA201计算机

15、图4-3 实验模型的液压回路和控制系统活塞加速度和M总质量与运动(负载、活塞、杆)。由公式4-2中推导出的吸收特性为： 另外一些用于实验的数据为： , , ，, , 图4-4 小型压力机（）工作状态图和回弹机构的动态模型图4-5 半实物仿真实验图解决阀门和缸的线性化方程为： （.2）阀门的工作压力为,4.2.2. 实验结果实验的控制和仿真平台是基于两个实时的数据处理芯片(模型DS1102)。数据信号处理器是在Simulink和Matlab软件平台下进行编程。其中一个芯片负责位移于力的混合控制，所获得的力与位移的信号将控制流量阀的流量分配。一个控制器对位置、速度和力量进行控制。平台的模拟实验室由

16、一个小型的半实物仿真液压机完成的(图4-5)。半实物仿真11指的是一种技术,有些地方的部件的纯粹的以模拟的方式取代真实硬件。图4-6 实际和仿真结果的比较图4-7 实际和仿真的PD控制器中活塞位置一个控制台的应用以开发改变参数的控制。控制台的软件工具都由DSPACE公司提供以建立实验平台。它很适合数据采集,并且它的图形界面(GUI)简单又直观。它也有可以随时改变基准信号。实验数据可以在Matlab的框架下存储以待处理。进行一系列试验用不同的参考信号(形状、振幅、频率)来估测线性模型的性能。图4-6和4-7表现的是小型压力机（）实时模拟出来的结果12。位置信号是一个方波,两种系统都由一个比例微分

17、控制器，统一的比例常数和信号增益。图4-8 （a和b）实验装置（）和模具小型压力机（）的实验结果与实际非常吻合。小型液压机（）,第二次的实验装置已经设计完成（图4-8(a和b)）。它和实际液压机非常接近、并将被用来执行成形试验，检测和分析回弹的参考值。5 结论在液压机领域估测板料成形中回弹的方法提上了日程表。工件成形后释放应力导致的回弹已经被详细论述。这种小型压力机（）的一个原型和一个线性模型的也被开发出来。这个模型被用来做半闭环(HILS)实验,以测试不同控制方案，没有直接做实物实验的相关危险。该方法将成为一个行之有效的方法，通过技术的改进以提高效率和质量。新型的液压系统将被运用并进行最后的

18、实验。感谢衷心感谢葡萄牙科学和技术基金会(FCT)对该研究给予盛大的支持。参考文献1 W.Y.D. Yuen, Springback in the stretch-bending of sheet metal with non-unifom deformation, J. Mater. Proc. Technol. 22 (1990) 120.2 S.W. Key, R.D. Kring, K.J. Bathe, On the application of finite element method to metal forming processes, Comp. Mech. Appl. M

19、ech. Eng. 17/18 (1979) 579608.3 F. Morestin, M. Boivin, C. Silva, Elasto plastic formulation using a kinematic hardening model for springback analysis in sheet matal forming, J. Mater. Proc. Technol. 56 (1996) 619630.4 Makinouchi, Sheet metal forming simulation in industry, J. Mater. Proc. Technol.

20、60 (1996) 1926.5 A. Makinouchi, E. Nakamichi, E. Onate, R.H. Wagoner, Prediction of spring-back and side-wall curl in 2-D draw bending, J. Mater. Proc. Technol. 20 (1995) 361374.6 W. Klingberg, U.P. Singh, W. Urquhart, A finite element simulation of free bending, in: Proceedings of International Con

21、ference on Sheet Metal, University of Ulster, 1994, pp. 201211.7 Taylan Alten, Metal Forming Handbook, Press, Goppingen, Germany, 1998.8 Y. Hu, G.N. Walters, A Few Issues on Accuracy of Springback Simulation of Automobile Parts, SAE Paper No. 1999-01-1000, SAE SP-1435.9 P. Talaia, A. Rocha, J.A. Ferreira, Suspension Analysing Equipment Based on a Hydraulic Servo-Cylinder, in: Proceedings of CONTROLO 2002Fifth Portuguese Conf