三辊弯板机整机结构及自动控制系统设计_刘文学.pdf

年第 期檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶殞殞殞殞装备技术三辊弯板机整机结构及自动控制系统设计刘文学，方秋林，范兴杰，（河北科技大学，河北 石家庄 ；北京工业大学，北京 ；山东莱钢永锋钢铁有限公司，山东 德州 ）摘要：随着船舶、航天、汽车、机车车辆等行业的发展，对三辊弯板机的自动化和高精度化提出了较高的要求，尤其是汽车排气管在卷板工序方面的要求非常高。在本文中研发了一种具有新型控制方式的对称式三辊弯板机来卷制 厚板材，该弯板机能够通过上位机根据板材的目标曲率计算出上辊的下压量并能发送给电机驱动器，上位机同时能够实时采集上辊的实时位置进行波形显示，本文中详细介绍了三辊弯板机的设计过程。关键词：三辊弯板机；汽车制造；上位机；下压量；自动控制系统中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；作者简介：刘文学（），男，湖北省天门市，汉族，教授，硕士，主要从事机电一体化产品设计、计算机辅助设计等方面的研究工作。引言弯板机也叫卷板机是一种常用的板材成形加工设备，通过下辊驱动上辊进给的方式实现板材的连续塑性变形，以达到板材成型的目的。弯板机是属于锻压机械八大类产品中的弯曲校正机类，在工业生产中占有重要的地位。因为其操作简单，而且加工精度高，所以应用十分广泛，现在已经广泛应用于汽车和车辆制造领域。汽车中挡泥板不仅能够起到美观的作用，还能阻挡污渍、泥土进入车身内部零件以及防止汽车在行驶过程中带动小石子对车身撞击，由于汽车都是成批量进行生产的，并且挡泥板的形状一般都较为简单，所以挡泥板的制造方法之一就是使用弯板机对板材进行折弯制造。除了挡泥板之外，汽车中的重要零件 汽车排气管的制造也广泛的应用了弯板机，年，宝钢成功抓住国内车市火爆的机遇，汽车排气系统用不锈钢排气管产销两旺。产销量同比增长近，增长率已连续年超过；独有领先品种同比增长近三倍，该种类的排气管的制造一个重要工序就是使用弯板机对板材进行卷制。弯板机之所以会在汽车领域广泛应用的原因之一就是加工灵活、精度高，不需要专门的模具，可以适应不用尺寸的零件的加工，可以实现同一个弯板机设备对不同型号的汽车零件的加工。现在国外弯板机生产水平最高的国家主要有德国、瑞典、日本和美国。目前，世界先进的弯板机生产厂家主要有 瑞 士 、德 国 、意 大 利 、瑞 典 、日 本 、英 国 ，瑞士 四辊弯板机最为著名，中国卷板机专业化生产始于上世纪 年代初期，最早为机械传动的对称式三辊卷板机，这种卷板机结构简单，但是由于是人工操作所以难免存在一些制造精度问题。产品卷制由人工操作，工人劳动强度大，费时、费力，能耗高，工作效率低。从上世纪 年代末开始，中国就开始出现一些由 、DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.035内燃机与配件 控制的三辊弯板机。直到二十世纪末，国内才陆续出现了数控弯板机。近几年来，随着中国液压技术和自动化控制技术不断发展，已经取得了长足的进步，无论是在结构、传动还是控制上都有了很大的提高。目前控制系统中主要采用 控制器为主平台。随着各种高新技术的发展以及人们对三辊弯板机的要求不断提高推动了三辊弯板机逐渐朝着精致化、多元化、自动化方面发展。虽然国内外弯板机的技术已经非常成熟，能够满足工厂加工的需要，但是就现在而言，自动化和高精度化仍然是三辊弯板机的发展的主要方向，也是主要难题。三辊弯板机的工作原理弯板机的运动形式可以分为主运动和辅运动两种形式的运动。弯板机两下辊为主动辊固定不动，可绕图中圆心、同时做顺时针或逆时针运动属于主运动。弯上辊在机械系统的作用下做上下升降运动，并在摩擦力作用下绕圆心做被动的旋转运动。弯板机的辅运动包括上辊的升降、上料、下料等。对称式三辊弯板机如图所示。图对称上调式三辊弯板机弯板机工作应用的原理是“三点成圆”，辊与板材接触的三个点可构成一段弧线，随着上辊、下辊位置的变化弧线的曲率也随之变化，最后达到想要的工作效果。以三辊弯板机为例，对称式弯板机上辊在两下辊中央进行垂直升降运动，下辊则进行同向的旋转运动，通过摩擦力为卷制板材提供扭矩。将需要卷制的板材放到弯板机的三根工作辊之间，借助上辊的下压及下辊的旋转运动，使板材经过多次的弯曲变形（内层压缩变形，中层不变，外层拉伸变形）从而产生永久性的塑性变形，经过这样的操作就可以将板材卷成圆筒形状。三 辊弯板 机的 整 机 结构 设 计 与 硬件 系 统构建 三辊弯板机的整机结构设计已知电动机于两下辊转动速度相差较大，应采用由多种传动形式组成的多级传动。方案以电机直接连减速器很难达到想要的传动比，而且三辊弯板机传递的功率较大，当发生过载时带传动有过载保护，可以保护重要零件不被损坏。所以说采用带传动方案既可以减小噪声、工作平稳，还有过载保护功能。因此主传动方案采取电动机通过皮带带动减速器，在带动开式齿轮副，最后带动下辊旋转，如图所示。上辊位移属于直线运动，电动机的回转运动需要转化为直线运动，对于这种形式的运动机械式和液压式都有广泛的应用。机械式是通过电机连减速器，减速器连接丝杠主电动机；带传动；减速器；末级输出齿轮传动；下辊图带轮传动系统螺母副从而将电机的回转运动转为上辊升降运动。而液压式则是通过液压缸来连接上辊，两个液压缸带动上辊两侧同时进行上什和下降来达到目的。由于本文中的三辊弯板机用于卷制 厚板材，所需要用的压力并不大，所以选用的是机械式来实现弯板机上辊的直线运动。其整机结构如图所示：图整机结构图 三辊弯板机的硬件系统构建为了配合设备使用，以及满足生产环境需求，在本文中选用伺服驱动器（，高创伺服驱动器，中国）、伺服交流电机（，北京卓誉科技有限公司，中国）、分析仪、急停开关作为主要控制元器件，以 为核心，为开发平台，以 为开发语言，以 （通信协议）作为 与驱动器的通信协议进行开发。其中 作为上位机，通过调用 分析仪配套的软件给伺服驱动器发送各种运动指令，伺服驱动器负责接收上位机发送的各种运动指令并驱动伺服交流电机进行转动，为了确保在工作过程中的安全，使用了两个急停开关，一个安装在设备上，一个安装在 处。其控制框图如图所示。图系统硬件连接图三辊弯板机的自动控制系统构建 三辊弯板机的软件功能介绍 年第 期三辊弯板机的上位机人机交互界面是进行人机交互的唯一界面，本系统中的上位机软件采用 中的 平台进行搭建，功能包括用户登录、上位机和驱动器之间的通信、数据采集、数据显示功能，系统软件的总体功能图如图所示。图上位机总体功能图加工界面主要实时显示上辊所在的位置以及加工状态是否正常。历史记录界面主要记录的是加工的历史记录，其中包括必要的加工参数、加工时间等内容。用户管理功能可以进行用户信息注册以及系统登录，增加系统的安全性能。参数设置界面可以设置一些加工的必要参数，如：卷筒直径、材料的屈服极限、弹性模量、弯板厚度、宽度等。在确定完必要参数之后软件能够自动计算该设备是否能够进行该板材的加工，如果不能够加工，系统会弹出警报框进行提示。设备间的主要通信协议表电机上电使能的报文序号 报文 表位置模式报文 报文注释 设置电机为位置模式 设置电机的位置为 脉冲 走到绝对位置 个脉冲 走相对位置 个脉冲 使驱动器处于上电状态上位机与驱动器的通信采用 通信的方式，交流驱动器与交流电机之间的通信使用的是 通信协议。通信协议是控制系统常用的一种 总线协议。本次课题中上位机通过 分析仪将 协议发送给交流伺服驱动器，然后交流伺服驱动器根据接收到的 信息控制交流电机做出相应的动作，但是因为 分析仪与可重组肌力训练机器人操作系统都无法像 一样直接载入 对象字典，所以需要对 通信协议进行深刻理解，最终通过 分析仪的 总线实现对驱动器的控制。以下是本设备中所使用到的 通信协议的一些关键报文。表速度模式报文 报文注释 设置电机为速度模式 设置电机的位置为 脉冲秒 使驱动器处于上电状态三 辊弯板 机的 加 工分析与 上 辊 下压 量的计算 三辊弯板机的加工分析主电机为两个下辊提供驱动力矩，所以对两下辊进行分析从而得出电机功率。三辊弯板机卷制板材时并不是一次成型的，而是需要多次滚弯。因此在因此在确定最大弯曲力矩时，应按照纯塑性变形来考虑，即板材所受的应力已 全 部 达 到 屈 服 极 限，获 得 了 沿 全 长 的 塑 性 变形。板材截面上弯曲受力情况和弯曲应力分布如图所示。图板材的受力情况和弯曲应力分布则截面上最大弯曲应力为：（）（）其中，为形状系数，为材料相对强化系数，为进行弯曲时板件的相对曲率半径，其中为目标卷制半径，为材料的屈服强度，为板材的抗弯截面模量，计算公式为：（）其中的为板材宽度，为板材厚度，单位为。卷制时，钢板受力情况如图，通过受力分析，得到下辊作用于卷板上的支持力：图板材受力分析内燃机与配件 （）（）计算出之后，我们根据力的平行四边形法则即可计算出来上辊的受力，当伺服电机所受到的扭矩大于其最大扭矩时，不能够完成板材的加工。（）通过将带入公式（）之后，得到（）（）其中的计算公式为：（）（）其中为 两 个 下 辊 的 中 心 线 间 距，在 本 文 中 为 ，为下辊直径，在本文中为 。除了对上辊进行校验之外，还要对驱动下辊的电机进行校验。作用在下辊上的驱动力矩包括克服卷板变形扭矩和摩擦扭矩。板材在卷制过程中，存贮于钢板的变形能为 ，变形时间为（为卷板速度，这个需要在上位机中进行设置）两者的比值为变形扭矩的功率。即：（）（）所以：（）摩擦扭矩包括上下辊对板材的滚动摩擦和下辊轴颈与轴套间的滑动摩擦，可用下式计算：（）（）（）其中为滚动摩擦系数，取 ，为滑动摩擦系数，取 ，为上辊直径，在本文中为 ，为上辊轴直径，在本文中为 ，为下辊轴直径本文中为 。所以下辊的驱动力矩为：（）主传动系统的传动效率其中其中、分别为带传动、减速器传动、齿轮传动和轴承的传动效率。查表得 、，则 。则下辊的驱动功率，即需要主电机的功率为：（）其中为下辊转速，可通过上位机进行设置。如果所需要的主电机的功率小于主电机的真实功率，则不能完成板材的加工。三辊弯板机上辊的下压量计算在本装置中，需要加工的板材的厚度为 ，上辊直径为 ，下辊直径为 。为了让板材能够顺利的放入上下辊之间进行加工，上辊与下辊的距离为 。如图所示，两个下辊中心（、）的中点为点，与的距离为（为目标半径，为板材厚度，为下辊半径），由公式（）已知，我们已经求出夹角，所以 的距离为：（）由图已知，当板材未进行卷制时，板材的圆心位于处，位于的正上方，的长度与 相等，所以最大下压量 为：（）（）同理，也可以根据上辊下压量来实时计算板材的半径，为已知量，其计算公式如下：（）（）其中为板材的实时卷制半径，由此可得 的长度为：（）由三角函数的关系式可得：（）（）其中，将公式（）带入得：（）（）结语通过对新的三辊弯板机的控制系统理论研究以及具体的实施方案的探讨，充分的证明了本方法的可行。该方法为了能够满足汽车排气管在卷板工序的高要求，在加工过程中考虑到了板材屈服度、直径、厚度、长度、材料、形状等参数，对于精度要求较低的汽车挡泥板的加工更加有效。该方法操作的实时过程简单有效，使用方便，达到了使用较少元器件实现更多应用功能的目的。加上上位机的使用，在保证板材加工精度的同时增强了人机交互功能，使加工效果更加直观。参考文献：邢伟荣卷板机的现状与发展锻压装备与制造技术，（）：徐刚，鲁洁从 看锻压机床的现状与发展 锻压装备与制造技术，（）：，（）李强，高耀东，尚珂对称式三辊卷板机的受力及驱动功率计算分析锻压技术，（）：纪卓尚 船舶制造工艺力学 北京：国防工业出版社，莫施宁卷板机机械工业出版社，