基于规则的张臂式拉弯机三维拉弯过程控制研究

基于规则的张臂式拉弯机三维拉弯过程控制研究

杨光 许强 杨庆宇

南京工程学院 211167

作者简介：杨光（1994-），男，江苏南通人，南京工程学院硕士研究生，主要研究方向为智能制造装备。

摘要：拉弯技术指的是型材和板材的拉伸弯曲技术，是一种金属的成型加工技术，也是钢材制造业中的重要生产技术，张臂式拉弯机主要应用于高铁头部和车身型材制作。本文通过对张臂式拉弯机控制系统的原理分析，进一步对基于规则的张臂式拉弯机三维拉弯过程控制进行了研究。

关键词：张臂式拉弯机；拉弯控制系统；拉弯技术

前言：从2010年开始，我国钢材市场的规模不断扩大，从东北、华北以及华东等地区开始扩展到西北、西南以及华中地区。近十年来我国经济飞速发展，钢材行业的拉弯机技术也在不断发展，由于高铁行业的快速崛起，使得一种张臂式拉弯机的三维拉弯技术不断提高，拉弯机技术的发展也促进着制造行业的发展。

1. 我国拉弯机的发展现状

从上世纪90年代开始，我国就开始研究拉弯成形技术，到90年代末，拉弯机拉弯工艺技术停留在理论基础与实验研究方法阶段。到了21世纪，科技的不断发展使得我国拉弯机工艺技术呈现出高速发展的趋势，拉弯机的产量和销量不断上升。随着数控技术的不断发展，拉弯机发展也成为中国机配床业发展的重要部分，拉弯机市场规模不断扩大，程序控制全自动式拉弯机取得了巨大的进步。发电设备、军机、船舶、飞机以及车辆等高科技设备的快速发展，也刺激着拉弯机技术的发展，近几年，我国的高铁行业开始飞速发展，高铁车辆车头以及车身很多部位的制造都要用到一种新型拉弯机，即张臂式拉弯机，这使得拉弯机行业开始重视张臂式拉弯机的技术控制研究，其工艺技术也在不断优化。

2. 基于规则的张臂式拉弯机拉弯过程控制系统分析

2.1张臂式拉弯机的工艺原理

张臂式拉弯机的基本构造为：固定在地面位置的拉弯机底座，拉弯机上部固定着平台，平台上固定着拉弯机的模具，模具位于整个拉弯机的中心位置，拉弯机的左右两侧具有张臂，张臂与平台位于一个水平位置上，平台与张臂由回转液压缸连接，当有材料需要拉弯时，用模具上的夹具将材料固定在拉弯机平台的模具上，就可以进行拉弯成形工作。

拉弯机工作的作用力主要来源于两侧拉伸缸伸展的牵引力，在拉伸的过程中，两侧张臂开始向中心位置移动，最后形成三维拉弯的过程，最后为了使材料的弯曲定型，还要加上一个横向的拉力，拉弯机具体作用力的完成是需要拉伸缸、升降缸、回转缸以及旋转缸共同完成。

2.2拉弯过程控制目标

通常情况下，拉弯机要保证相同材料的拉伸加载轨迹以及位移加载轨迹相同，但在实际拉弯操作的过程中，往往存在着很多不确定因素，导致两种加载轨迹存在较大差异波动。为了使拉伸加载轨迹和位移加载轨迹的波动误差较小，使其轨迹更加精确，可以采用拉伸加载轨迹和位移加载轨迹互相约束的模型来控制，张臂式拉弯机拉弯过程控制目标为精确的实现工艺技术控制，提高材料的成型质量。

2.3拉弯过程控制系统的任务分工

拉弯机系统的控制平台主要包括三种模式，分别为集中式、嵌入式以及分布式，其中集中式模式的开发方式较为落后，而嵌入式模式对于精度要求较高 的产品来说不太适用，因此多采用分布式模式控制系统。分布式系统的基本配置包括工程师站、WCC站以及西门子S7-400，其中工程师站主要负责拉弯系统的信息管理工作，保证拉弯系统拉弯工作的精准度，提高型材的成形率；WCC站的主要控制工作有两种，即为操作人员提供系统画面以及进行拉弯过程的控制规划；西门子S7-400的主要控制任务为对机械设备的动作进行逻辑控制。

3. 张臂式拉弯机拉弯过程加载轨迹建模

3.1自动加载轨迹建模

张臂式拉弯机拉弯过程的自动加载轨迹建模指的是，通过数学模型的计算，将拉弯过程中所使用拉伸力的包覆角度计算出来，然后在模具的数据基础上设计出拉伸成形轮廓线，然后结合拉伸过程拉伸力的系数将轮廓线转换为液压的运行轨迹，最后确定各个液压缸的具体运行轨迹，建立轨迹模型^[1]。

3.2人机交互式加载轨迹建模

人机交互式加载轨迹建模是在人机交互的方式基础上，运用知识规则控制法进行编辑。利用已经生产成功的产品数据，在实际拉弯过程加载轨迹的基础上，运用专家系统进行编辑，构建每个液压缸的预期加载轨迹模型，从而生产出拉弯规则知识库，在这一过程中，编辑所需要编辑器的设计十分复杂，需要进行科学合理化的设计，才能够实现人机交互式加载轨迹的建模。

4. 基于规则的张臂式拉弯机拉弯过程控制系统的实现

4.1系统硬件选择

对于拉弯机控制系统的硬件选择，要保证硬件能够满足五个条件，一是要满足加工的精度要求；二是其工控要具有实时性；三是能够长时间工作，具有稳定性；四是硬件要具有抗干扰能力，适应环境能力较强；五是硬件的兼用性和维护性要好。拉弯机控制系统的硬件主要包括工控机、传感器以及执行部件，其中工控机主要负责生产过程中流程的监控工作；传感器负责保证各部件运行的精确，将检测信息进行传输；执行部件负责主要控制工作

^[2]。

4.2控制系统的应用软件设计

拉弯机控制系统主要包括三部分，即工控应用软件、系统软件以及应用软件开发环境。工控应用软件应当具有开放性、实时性以及网络集成性，同时还要保证人机界面更加友好的特性以及多线程性，系统软件是最核心的部分，也是拉弯机控制系统最主要的部分。拉弯机三维拉弯系统一般采用C++语言编程进行软件开发，使得整个系统的程序更加便捷简单。

4.3拉弯机三维拉弯过程控制系统服务器

三维拉弯过程的主要系统信息包括液压缸信息、拉伸力度信息以及拉伸臂信息。这些信息通过控制系统服务器的读取，然后将信息发送到一级计算机系统对拉伸力的大小、拉伸臂的位移、升降缸以及回转缸的设定数值进行控制，最后将三维拉弯的具体信息保存到拉弯系统的数据库中。

结论：综上所述，张臂式拉弯机技术在高铁领域被广泛应用，该技术的控制研究也得到关注。由本文分析可知，基于规则的张臂式拉弯机拉弯过程控制系统的实现包括，系统硬件选择、制系统的应用软件设计以及拉弯机三维拉弯过程控制系统服务器的构建。

参考文献：

[1]于义东. 基于知识规则的张臂式拉弯机三维拉弯过程控制[D].辽宁科技大学,2017.

[2]滕菲,刘博,张万喜.柔性三维拉弯成形工艺稳健设计[J].吉林大学学报(工学版),2017,45(05):1481-1487.