全自动棒料校直机的工艺系统.pdf

第4 2卷第8期V o i. 4 2 N o . 8F O R G IN G 2 .兰州兰石能源装备工程研究院有限公司,甘肃兰州7 3 0 3 1 4 )摘要G21传统的由自由锻造液压机生产的棒料在三点反弯校直过程中不仅费时~费力,而且校直精度低O针对此问题,基于非接触测量方式,提出一种2 0 M N C型全自动校直机O通过安装在校直机主机内的二维激光位移传感器,对棒料进行自动测量O根据测量数据计算棒料弯曲参数,确定弯曲形状O最后,基于弹塑性变形理论,建立校直过程中的载荷-挠度( F - )关系,并计算校直工艺参数,从而实现棒料的连续检测和自动校直O关键词G21全自动校直机;棒料校直机;位移传感器;弯曲形状;非接触测量;载荷-挠度关系D O I : 1 0 . 1 3 3 3 0 / j. is s n . 1 0 0 0 -3 9 4 0 . 2 0 1 7 . 0 8 . 0 2 0中图分类号G21 T H 1 6 2 文献标识码G21 A 文章编号G21 1 0 0 0 -3 9 4 0 G22 2 0 1 7 G23 0 8 -0 0 9 7 -0 5P r o c e s s s y s te m o f fu ll a u to m a tic s tr a ig h te n in g m a c h in e fo r b a rP a n Y u jin g1, C h e n B a ijin1, L u G u a n g ro n g2( 1 . s ta te k e y L a b o ra to ry o f M a te ria is P ro c e s s in g a n d D ie 2 . L a n z h o u L a n s h i e n e rg y e g u ip m e n t e n g in e e rin g r e s e a rc h In s titu te C o . , L td . , L a n z h o u 7 3 0 3 1 4 , C h in a )A b s tr a c t : B a rs p ro d u c e d b y th e tra d itio n a i fre e fo rg in g h y d ra u ic p re s s h a v e d e fic ie n c ie s o f tim e - c o n s u m in g , ia b o rio u s a n d io w a iig n m e n ta c c u ra c y in th re e -p o in t re v e rs e b e n d in g a iig n m e n t p ro c e s s . F o r th e a b o v e p ro b ie m s , a k in d o f 2 0 M N C ty p e a u to m a tic s tra ig h te n in g m a -c h in e w a s p u t fo rw a rd b a s e d o n th e n o n -c o n ta c t m e a s u re m e n t , a n d th e b a rs c o u id b e m e a s u re d a u to m a tic a iiy b y th e tw o -d im e n s io n a i ia s e rd is p ia c e m e n t s e n s o r in s ta iie d in th e s tra ig h te n in g m a c h in e . T h e n , th e b a rs b e n d in g p a ra m e te rs w e re c a ic u ia te d a c c o rd in g to th e m e a s u rin gd a ta , a n d th e b e n d in g s h a p e w a s c o n firm e d . F in a iiy , th e F - re ia tio n s h ip w a s e s ta b iis h e d in th e a iig n m e n t p ro c e s s , a n d th e s tra ig h te n in gp ro c e s s p a ra m e te rs w e re c a ic u ia te d to a c h ie v e a c o n tin u o u s d e te c tio n a n d a u to m a tic s tra ig h te n in g o f th e b a r b a s e d o n th e e ia s tic - p ia s ticd e fo rm a tio n th e o ry .K e y w o r d s : fu ii a u to m a tic s tra ig h te n in g m a c h in e ; s tra ig h te n in g m a c h in e fo r b a r ; d is p ia c e m e n t s e n s o r ; c u rv e d s h a p e ; n o n -c o n ta c t m e a s -u re m e n t ; io a d -d e fie c tio n re ia tio n s h ip收稿日期G21 2 0 1 7 - 0 3 - 1 3 ;修订日期G21 2 0 1 7 - 0 5 - 2 3基金项目G21湖北省重大科技创业基金项目( 2 0 1 3 A e A 0 0 3 )作者简介G21潘玉晶( 1 9 9 1 - ) ,女,硕士研究生E -m a il : 1 5 0 8 1 6 2 5 5 3 @ g g . c o m通讯作者G21陈柏金( 1 9 6 5 - ) ,男,博士,教授E -m a il : c h e n b a ijin @ s in a . c o m在锻造生产过程中,棒料常因加工精度~外力作用~温度变化等影响发生弯曲或扭曲变形O据不完全统计,我国制造业每年生产数万根棒料零件,其中约有7 0 %以上存在不同程度的弯曲或扭曲1 ],这些棒料若未得到有效校直,会导致后续加工过程中产生不均匀的切削量,直接影响成品率,提高加工成本O故对棒料零件进行弯曲度检测,对弯曲变形部位进行准确校直,提高棒料的直线度具有十分重要的意义O目前国内市场上绝大多数校直机为半自动和手动控制2 ],工作压力多数在1 0 M N以下,工人采用卡钳接触测量或肉眼估测的~量杆 方式3 ]判断棒料弯曲形态,依据经验确定校直量,并进行反复校直O整个过程不仅测量误差大,校直精度低,且工作效率低下,环境条件恶劣O国外校直设备虽然在性能上比较优良,但设备昂贵,引进成本高O本文结合企业生产实际情况,借鉴国内外校直设备优点,基于非接触测量方式,提出了2 0 M N C型全自动棒料校直机O校直前通过二维激光位移传感器,连续扫描棒料轮廓,获取棒料弯曲参数,划分弯曲段,然后依据弹塑性力学理论,计算各弯曲段校直工艺参数,为实现棒料的全自动校直奠定基础O万方数据1 全自动棒料校直机1 . 1 校直机结构2 0 M N C型校直机的主机承载机架为C型结构,与校直工作台采用一体化设计,保证所有的校直力均保存在校直机主机内,不会作用在机床框架上 校直压头通过液压缸产生所需的校直力,驱动装置位于C型结构内部,无需管线和制冷装置 两个校直锤砧安装在校直机主机的工作台上,移砧装置采用F e s T O齿形带电缸驱动,砧座位置可通过交流伺服电机和滚珠丝杠进行自动调整 检测过程中棒料由左右托辊架锁紧,传感器固定安装在主机C型架上,如图1所示 主机由伺服电机控制,依赖底部直线导轨沿棒料轴向连续移动实现棒料弯曲度测量,主机移动精度达到0 . 0 1 m m 托辊架内部设有蜗轮蜗杆,通过控制蜗杆的旋转控制辊轮的旋转,从而控制棒料旋转,使棒料实现3 6 0 全方位检测校直 校直机主要技术参数如表1所示 图1 2 0 M N C型校直机1 .托辊架 2 . C型机架 3 .校直工作台 4 .锤砧 5 .棒料 6 .移动导轨F ig . 1 2 0 M N C ty p e s tra ig h te n in g m a c h in e表1 校直机主要参数T a b le 1 a in P a r a m e te r s o f s tr a ig h te n in g m a c h in e主机结构型式校直工件直径范围/ m m工件长度范围/ m m校直最大重量/ k g最大校直压力/ k NC型框架O 2 0 0 ~ O 5 0 0 3 0 0 0 ~ 1 0 0 0 0 1 6 0 0 0 2 0 0 0 0工作压力形式主机行走速度/( m m ~ s- 1)压头工作行程/ m m2 0 M N加压速度/( m m ~ s- 1)压头快下和回程速度/ ( m m ~ s- 1)连续加压1 2 0 1 3 0 0 4 ~ 1 4 1 1 01 . 2 工作原理校直机基于三点反弯压力校直方式,校直时将弯曲变形的棒料支撑在工作台两个活动校直锤砧之间,将压头对准最弯部位进行反向压弯,使得棒料发生不可恢复的弹塑性变形,最终实现弯曲部位局部校直 校直流程如图2所示,步骤如下= ( 1 )棒料通过车间吊装设备上料后,由左右托辊架夹紧固定,左右托辊架可沿棒料轴向(长度方向)自由移动,以适应不同长度的棒料; ( 2 )主机沿校直工作台导轨连续移动,带动传感器对整个棒料表面轮廓进行扫描,同时将轮廓特征数据发送到控制程序;( 3 )对检测数据进行处理,获取棒料弯曲参数,并根据弯曲形状制定校直工艺方案,计算校直所需工艺参数- - -压点和支点位置~校直行程量(压头下压量) ; ( 4 )系统根据校直工艺参数,通过左右托辊架将棒料最弯曲部位旋转至压头正下方,调整校直机压头~锤砧位置; ( 5 )调整左右托辊架高度,使之与砧座等高,将棒料置于支撑锤砧上,然后精确控制压头下压行程,依次对各个弯曲部位进行校直; ( 6 )再次扫描整个棒料,检测校直精度,判断是否需要再次校直 2 棒料弯曲形状检测采用G o c a to r 2 3 3 0二维激光位移传感器对棒料轮廓进行扫描测量,拟合截面中心~棒料轴线,计算棒料弯曲参数,然后划分校直的弯曲段,明确棒料弯曲形状,为后续校直工艺参数的确定提供理论依据 2 . 1 棒料轮廓扫描测量时,传感器通过内部激光器发射一束可见89锻 压 技 术 第4 2卷万方数据图2 校直操作流程F ig . 2 F io w c h a rt o f s tra ig h te n in g o p e ra tio n激光a在棒料表面形成一条激光线a传感器内部面阵扫描相机从另一角度感知棒料表面反射激光a通过检测反射角度确定目标表面轮廓位置a经内部数据处理单元获得棒料表面轮廓点集的位置信息[ 4 ]O扫描示意图如图3所示O G o c a to r 2 3 3 0传感器扫描的每条剖面轮廓包含的数据点数为1 2 8 0个a竖直方向分辨率为0 . 0 0 6 ~ 0 . 0 1 4 m m a水平方向分辨率为0 . 0 4 4 ~ 0 . 0 7 5 m m a传感器尺寸大小为4 9 m m X7 5 m m X 1 4 2 m m O图3 扫描测量示意图F ig . 3 s c h e m a tic d ia g ra m o f s c a n n in g m e a s u re m e n t2 . 2 棒料轴线确定棒料锻造后a其毛坯截面近似为圆O受棒料轮廓形状\传感器结构以及现场测量环境等因素的影响a扫描截面所获取的点十分密集a但占整个圆周的比例不足1 /2 a且可能存在周围物体干扰a故应先剔除截面轮廓点集中的干扰点a再进行截面圆拟合O根据获取棒料点集特征a本文选用最小二乘法a不仅拟合精度高a且快速高效a符合在线检测的实时性要求O如图3所示a针对某个截面样本点集( Xia Yi)( i = 1 a ~ a l ) a进行如下计算: ( 1 )确定初始参考圆心\半径a截面点集中距离传感器最近点M( Xa Ym in)必为棒料轮廓点a在M点前后取一定数量的测量点a确保P - O之间的点均为棒料轮廓点a然后对P - O间的点集利用最小二乘圆拟合算法[ 5 ]a确定初始圆心C0( X0a Y0) a初始半径R0; ( 2 )剔除干扰点a遍历截面所有样本点a如果样本点到初始圆心C0的距离i与初始半径R0的差值大于5 m m(阈值根据实际情况确定) a则将其剔出截面点集;( 3 )拟合截面圆心和半径a对剔除干扰点后的样本点集进行最小二乘拟合a得到截面圆心( Xra Yr)以及半径R O对被测棒料的l个截面分别进行截面中心拟合后a获得l个圆心坐标O由于各截面扫描间距很小a依次连接各采样截面的拟合圆心所形成的空间折线a可近似看作是被测棒料的实际轴线O实际生产操作中a对于端部存在翘曲变形的棒料a直接将其作为短材出厂或废品处理O因此a可直接用棒料端部截面中心确定基准轴线a即棒料中心线O2 . 3 弯曲参数计算如图4所示a棒料各截面中心与中心线存在一定的偏移a偏移量为一个矢量a具有大小和方向O图5中a假设点P为某截面的拟合圆心a A B为棒料中心线a过P ( Xpa Ypa Zp)作A B的垂线a垂足为O ( Xga Yga Zg) O P O长度即为该截面的偏移量大小Dp:Dp= \ P O \ =( Xp- Xg)2+ ( Yp- Yg)2+ ( Zp- Zg)槡2( 1 )截面偏移方向用P O与竖直面F的夹角O表示a下文简称偏移角度O校直时按照偏移角度将弯曲截面中心旋转至y轴正上方a根据旋转方向a逆时针记为正a顺时针记为负a旋转角度范围为- 1 8 0 ~1 8 0 O具体求解算法流程如下: ( 1 )求解棒料中心线A B的方向向量a任取A B上两点a可得其方向向量- A B ( x1a y1a z1) ; ( 2 )在竖直面F内作与- A B垂直且沿Y轴正向的向量m ( xma yma zm) a两个向量之间满足等式xmx1+ ymy1+ zmz1= 0 ; ( 3 )计算截面偏移角度a即m与- O P夹角: c o s O =m - O Pm- O P; ( 4 )确定旋转方向a由于向量之间的夹角为0 ~ 1 8 0 a故需进一步计算- O P与z轴的夹角B a从而判定O的99第8期潘玉晶等:全自动棒料校直机的工艺系统 万方数据正负a若B E ( 0 a 9 0 ) a则O为正a逆时针旋转a若B E ( 9 0 a 1 8 0 ) a则O为负a顺时针旋转O对所有截面重复上述步骤a即可得Di和Oia其中Z i = 1 a ~ a l 9 Di为第i个截面的偏移量大小9Oi为第i个截面的偏移角度O图4 棒料轴线示意图F ig . 4 s c h e m a tic d ia g ra m o f b a r a X is图5 偏移角度计算示意图F ig . 5 s c h e m a tic d ia g ra m o f o ffs e t a n g ie c a ic u ia tio n2 . 4 校直段划分棒料本身是一个刚体a其轴线在空间上是一条连续的曲线O采样截面间距很小时a可直接遍历各截面偏移量Di( i = 1 a ~ a i a ~ a a ~ a l )来划分棒料校直段O校直段划分算法流程如图6所示O若截面弯曲量从第i个截面开始呈递增趋势a然后在某截面开始递减a直到第 个截面接近于零a且i - 截面之间的最大偏移量在需校直范围内a则i - 即为一个校直弯曲段a否则认为是正常波动a无需处理O3 校直工艺参数计算三点反弯校直原理如图7所示O初始变形量为0的棒料a校直时两端按简支梁约束a在中间施加集中载荷F a使得棒料发生弹塑性变形a并产生反弯变形量 w9卸载载荷后a若弹复量刚好等于反弯变形量 wa则棒料刚好被校直O此时a总压下量即校直行程 2= 0+ wO因此a反弯校直的关键参数即为压点位置~支点位置和校直下压量O3 . 1 压点G25支点位置由材料力学和弹塑性理论可知a校直压点位置应选在各个弯曲段挠度最大处a即弯曲轴线曲率最大点的位置O因此a对需校直的弯曲段内各截面中图6 校直段划分流程图F ig . 6 F io w c h a rt o f s tra ig h te n in g s e c tio n p a rtitio n图7 三点反弯校直原理F ig . 7 P rin c ip ie o f th re e -p o in t b e n d in g s tra ig h te n in g心进行局部曲线拟合a曲率最大处即为校直压点位置O在平面弯曲中对于两支点位置的确定a应使其尽量对称分布于压点两侧a且最好位于棒料的零曲率点处a使得校直时弯矩变化梯度和零件的初始曲率变化梯度尽可能一致a从而取得较好的校直效果6 ]O3 . 2 校直下压量基于弹塑性理论a对于校直下压量的计算主要有基于曲率方程的校直数学模型和基于载荷-挠度关系的校直过程模型两个方向O基于曲率方程的数学模型需要拟合棒料轴线a根据拟合曲线曲率进行后续计算a人为拟合误差大a误差环节多O采用基于载荷-挠度关系的校直过程模型a建立初始弯曲变形量与校直载荷的关系进行求解O如图8所示O校直过程中棒料主要经历3个阶段a纯弹性变形阶段 A a弹塑性变形阶段A C和卸载后弹性回弹阶段C D O已知棒料初始弯曲量 0a即可确定D点坐标( 0a 0 ) a过D点作出回弹曲线交A B于C点O校直时加载载荷至C点后卸载a其弹复量则刚001锻 压 技 术 第4 2卷万方数据书书书图8 载荷-挠度曲线F ig . 8 F - 8 c u rv e s好等于反弯量8w,故C点横坐标8c即为最终所求校直行程量O该过程数学模型[ 7 ]为:F =k 8 ( 0 3( l - 2)2+a r c s in 2[ ]( 5 )式中: Mt为弹性极限弯矩; 为弹曲比; lt为弹性变形区域长度; 8E为总的校直行程; CE为总的弯曲曲率O这种直接根据截面初始弯曲量计算校直行程的方法,既简便又准确O对于棒料零件的多弧段弯曲和空间复杂弯曲,计算校直工艺参数时直接将多弧度弯曲拆分成多个单弧度弯曲,空间扭曲则根据扭曲程度确定修正系数,将其近似为平面弯曲进行求解O4 结语本文提出的2 0 m N C型全自动棒料校直工艺系统,其所有机械动作均采用伺服控制技术,具有定位精准~动作稳定~噪声低等优点O系统基于非接触测量方式,能够准确识别弯曲形态,计算校直工艺参数,实现了自动在线连续检测~校直,校直后自动检查棒料直线度,为自动校直机的研制与应用提供了一定的理论和实践基础O参考文献G21[ l ] 翟华.轴类零件校直工艺理论研究[ D ] .合肥:合肥工业大学, 2 0 0 3 .Z h a i H . r e s e a rc h o n th e s h a ft s tra ig h te n in g t e c h n o Io g y t h e o ry[ D ] . H e fe i : H e fe i u n iv e rs ity o f t e c h n o Io g y , 2 0 0 3 .[ 2 ] 刘子涛.轴类自动校直机控制系统研究[ D ] .重庆:重庆理工大学, 2 0 l 3 .L iu Z t . r e s e a rc h o n C o n tro I s y s te m o f th e m a c h in e o f a u to m a tics tra ig h te n in g s h a ft [ D ] . C h o n g g in g : C h o n g g in g u n iv e rs ity o fs c ie n c e a n d t e c h n o Io g y , 2 0 l 3 .[ 3 ] 李建丽,辛倩倩,田丽.大型锻件在线尺寸测量方法综述[ J ] .新型工业化, 2 0 l 4 , 2 4 ( l ) : 5 9 - 6 4 .L i J L , X in , t ia n L . a re v ie w o f o n Iin e m e a s u re m e n t m e th o dfo r Ia rg e fo rg in g s [ J ] . N e w in d u s tria Iiz a tio n s tra re g y , 2 0 l 4 , 2 4( l ) : 5 9 - 6 4 .[ 4 ] 杨延竹,陈能洁,朱炜,等.大锻件尺寸在线测量技术的研究[ J ] .锻压技术, 2 0 l 5 , 4 0 ( l ) : 7 - l 3 .Y a n g Y Z , C h e n N J , Z h u W , e t a I. r e s e a rc h o n o n - Iin e d im e n -s io n m e a s u re m e n t o f h e a v y fo rg in g [ J ] . 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N a n c h a n g : E a s t C h in a J ia o to n g u n iv e rs ity , 2 0 0 6 .l0l第8期潘玉晶等:全自动棒料校直机的工艺系统 万方数据