一种旋压成型中旋压力的控制方法及其应用的控制系统与流程

本发明属于旋压成型工艺领域，具体涉及一种旋压成型中旋压力的控制方法，本发明还涉及了该控制方法应用的控制系统。

背景技术：

旋压成型技术是无屑加工的典型代表工艺，在军工、航空航天、风电、石油化工等领域都有广泛应用，当前尤其在军工方面导弹弹体、炮弹弹体、弹头、弹壳等成型、航空方面发动机蒙皮、桨帽、喷口、医药化工等的大型罐体、医药料筒类零件成型方面都具有很广阔的应用前景。然而国内关于旋压成型工艺方面的研究在近几年才有一些初步发展。

目前传统的数控旋压成型设备通常采用电气和液压成型两种方法，控制方式均为位置控制，即旋压轮压着材料在旋转中根据预设轨迹进行运行，来使材料完成旋压成型。但是面对众多形状变化复杂、或者成型道次多的旋压工艺中，由于材料厚度变化很难预计而且各处壁厚均有不同，从而产生的预设轨迹与实际轨迹有区别，如果旋压轮仅以预设轨迹作位置控制运行，间隙大于零件壁厚会行成产品表面不光滑、间隙小于零件壁厚则容易造成机床振动同样表面质量不良甚至材料拉断。

具体进一步举例来说，参见图1示出的某型号发动机喷口的剪切旋压成型结构示意图，材料为不锈钢，厚度12mm，每处的产品厚度为材料厚度*该处切线方形的sin值：a=c*sin(b)；a为产品厚度，c为原料厚度，b为o点切线单边夹角；由于弧线每处的切线角度一直在连续变化，因此，预设估计需要在弧面上取相当数量的点来预设每处间隙，工作量大，且很难控制。参见图2示出多道次旋压成型结构，由于材料旋压道次比较多，成型后材料从d点到e点旋压次数不同，材料厚度也不同，一般当旋压成型后需要从d到e点还需要一次连续轨迹整形以获得良好的产品表面，同样由于各处厚度不同，预设间隙也很难预计。进一步参见图3所示，对于已成型产品，如果再次进行整形时间隙控制过大，由于旋压轮无法对产品壁厚进行有效的施压压力而无法起到整形目的，如果间隙控制过小，则容易使得产品壁厚减薄造成面积过大而形成鼓包f。

为此，本申请人希望寻求技术方案来解决当前旋压成型工艺存在的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种旋压成型中旋压力的控制方法及其应用的控制系统，通过设置特定的控制方法和控制系统有效提高了旋压成型的技术水平和成型效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种旋压成型中旋压力的控制方法，通过旋压设备对材料进行旋压成型，所述旋压设备包括用于安装材料的驱动旋转模具，所述驱动旋转模具两侧分别设有旋压轮，各旋压轮以预设轨迹作为驱动目标，对所述材料进行多个道次的旋压成型，各旋压轮分别通过x轴伺服驱动单元和y轴伺服驱动单元的联动驱动控制进行曲线插补实现位置控制；在至少最后一个道次的旋压中，以旋压轮与驱动旋转模具之间的间距为0作为驱动目标，对所述旋压轮执行压力控制和位置控制的双重模式，其中，当所述旋压轮受到的推力达到预设目标压力时，对所述旋压轮进行压力控制，确保旋压轮与驱动旋转模具之间的间距为0。

优选地，所述y轴伺服驱动单元安装在x轴伺服驱动单元上，且y轴伺服驱动单元与所述旋压轮之间安装有伺服油缸，其中，当所需的预设目标压力大于10kn时，通过y轴伺服驱动单元对所述旋压轮进行电流开环控制，用于调节旋压轮受到的推力，当所需的预设目标压力为0.5-10kn时，通过伺服油缸对所述旋压轮进行液压闭环控制，用于调节旋压轮受到的推力。在实际应用时，

优选地，在所述电流开环控制中，对所述y轴伺服驱动单元通过通用g代码来控制所述旋压轮按预设轨迹运行时的电机电流大小。

优选地，所述y轴伺服驱动单元包括y轴伺服电机，所述y轴伺服电机的输出端安装y轴滚珠丝杆丝母副；在所述y轴滚珠丝杆丝母副上安装所述伺服油缸，且所述伺服油缸的输出端固定安装所述旋压轮。

优选地，在所述液压闭环控制中，在所述伺服油缸的缸体上安装压力传感器，所述压力传感器将缸体的实时压力信号反馈给伺服压力阀，所述伺服压力阀根据预设目标压力需求调节缸体压力，用于调节旋压轮受到的推力。

优选地，所述压力传感器采用应变片。

优选地，所述压力传感器通过a/d转换器将模拟信号转变为数字信号，将该数字信号和预设信号值分别输入比较器，所述比较器的输出通过pid调节器进行pid调节后，将调节信号经过d/a转换器处理后输出用于控制模拟缸体压力的压力调节信号。

优选地，所述缸体采用单作用缸，所述d/a转换器与所述单作用缸之间设有压力比例调节阀（作为伺服调节阀），通过压力比例调节阀对d/a转换器的输出信号进行比例调节后再向所述单作用缸输入压力调节信号。

优选地，所述材料成型区包括位于内侧的第一成型区域和位于外侧的第二成型区域，所述第一成型区域采用压力控制，所述第二成型区域采用位置控制；进一步优选地，第一成型区域的长度通常不大于20mm，当然也可以根据实际需要来设置第一成型区域的长度，本申请对此不做特别限定。

优选地，所述x轴伺服驱动单元包括x轴伺服电机，所述x轴伺服电机的输出端安装x轴滚珠丝杆丝母副，同时所述y轴伺服驱动单元安装在所述x轴滚珠丝杆丝母副上。

优选地，一种旋压成型中旋压力的控制系统，包括x轴伺服驱动单元和y轴伺服驱动单元，所述x轴伺服驱动单元和y轴伺服驱动单元通过联动驱动控制进行曲线插补实现位置控制，所述y轴伺服驱动单元与所述旋压轮之间安装有伺服油缸，在所述伺服油缸的缸体上安装压力传感器，所述压力传感器将缸体的实时压力信号反馈给伺服压力阀，所述伺服压力阀根据预设目标压力需求调节缸体压力，用于调节旋压轮受到的推力；其中，所述压力传感器通过a/d转换器将模拟信号转变为数字信号，将该数字信号和预设信号值分别输入比较器，所述比较器的输出通过pid调节器进行pid调节后，将调节信号经过d/a转换器处理后输出用于控制模拟缸体压力的压力调节信号。

本发明通过设置特定的控制方法实现在旋压过程中对旋压力的控制，具体包括：首先在x轴伺服驱动单元和y轴伺服驱动单元的联动驱动控制进行曲线插补实现位置控制在至少最后一个道次的旋压中，以旋压轮与驱动旋转模具之间的间距为0作为驱动目标，对旋压轮执行压力控制和位置控制的双重模式，当旋压轮受到的推力达到预设目标压力时，对旋压轮进行压力控制，确保旋压轮与驱动旋转模具之间的间距为0；通过该控制可以确保在剪切旋压时使得加工材料在达到理论厚度、普旋整形的基础上可靠确保了加工材料能在厚度减薄的情况下始终紧贴模具，明显扩大了旋压力的范围区间，控制过程远简单于现有技术采用的间隙控制，最终提高了旋压成型的技术水平和成型效率。

附图说明

图1是现有技术中某型号发动机喷口在剪切旋压成型时的局部结构示意图；

图2是现有技术中多道次旋压成型的局部结构示意图；

图3是现有技术中已成型产品在整形时的局部结构示意图；

图4是本发明具体实施方式下旋压设备的结构示意图；

图5是图4在一侧方向上的结构示意图；

图6是图5的局部结构示意图；

图7是本发明具体实施方式下旋压成型中旋压力的控制系统结构示意图；

图8是图7的控制系统电连接结构示意图；

图9是实施例1中10个道次成型工艺示意图；

图10是实施例1的成型道次-旋压力曲线表；

图11是实施例2的成型道次-旋压力曲线表；

图12是实施例3的成型道次-旋压力曲线表。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种旋压成型中旋压力的控制方法，通过旋压设备对材料进行旋压成型，旋压设备包括用于安装材料的驱动旋转模具，驱动旋转模具两侧分别设有旋压轮，各旋压轮以预设轨迹作为驱动目标，对材料进行多个道次的旋压成型，各旋压轮分别通过x轴伺服驱动单元和y轴伺服驱动单元的联动驱动控制进行曲线插补实现位置控制；在至少最后一个道次的旋压中，以旋压轮与驱动旋转模具之间的间距为0作为驱动目标，对旋压轮执行压力控制和位置控制的双重模式，其中，当旋压轮受到的推力达到预设目标压力时，对旋压轮进行压力控制，确保旋压轮与驱动旋转模具之间的间距为0。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参见图4和图5所示，一种旋压成型中旋压力的控制方法，通过旋压设备1对材料2进行旋压成型，旋压设备1包括用于安装材料的驱动旋转模具10，驱动旋转模具10两侧分别设有旋压轮20，各旋压轮20以预设轨迹作为驱动目标，对材料进行多个道次的旋压成型，各旋压轮20分别通过x轴伺服驱动单元30和y轴伺服驱动单元40的联动驱动控制进行曲线插补实现位置控制；在至少最后一个道次的旋压中，以旋压轮20与驱动旋转模具10之间的间距为0作为驱动目标，对旋压轮20执行压力控制和位置控制的双重模式，其中，当旋压轮20受到的推力达到预设目标压力时，对旋压轮20进行压力控制，确保旋压轮20与驱动旋转模具10之间的间距为0；

优选地，在本实施方式中，y轴伺服驱动单元40包括y轴伺服电机41，y轴伺服电机41的输出端安装y轴滚珠丝杆丝母副42；在y轴滚珠丝杆丝母副42上安装伺服油缸50，且伺服油缸50的输出端固定安装旋压轮20；x轴伺服驱动单元30包括x轴伺服电机31，x轴伺服电机31的输出端安装x轴滚珠丝杆丝母副32，同时y轴伺服驱动单元40安装在x轴滚珠丝杆丝母副32上;需要说明的是，本实施例涉及的滚珠丝杆丝母副、伺服电机等结构均属于本领域的公知结构，本实施例不再具体展开说明；

在本实施方式中，当所需的预设目标压力大于10kn时，通过y轴伺服驱动单元40对旋压轮进行电流开环控制，用于调节旋压轮20受到的推力，当所需的预设目标压力为0.5-10kn时，通过伺服油缸50对旋压轮20进行液压闭环控制，用于调节旋压轮20受到的推力；

优选地，请进一步参见图6和图7所示的一种旋压成型中旋压力的控制系统，包括x轴伺服驱动单元30和y轴伺服驱动单元40，x轴伺服驱动单元30和y轴伺服驱动单元40通过联动驱动控制进行曲线插补实现位置控制，在伺服油缸50的缸体51上安装压力传感器52，压力传感器52将缸体51的实时压力信号反馈给伺服压力阀53，伺服压力阀53根据预设目标压力需求调节缸体压力，用于调节旋压轮20受到的推力；其中，压力传感器52通过a/d转换器54（即为模数转换器）将模拟信号转变为数字信号，将该数字信号和预设信号值分别输入比较器55，比较器55的输出通过pid调节器56进行pid调节后，将调节信号经过d/a转换器57（即为数模转换器）处理后输出用于控制模拟缸体51压力的压力调节信号；

优选地，在本实施方式中，在电流开环控制中，对y轴伺服驱动单元40通过通用g代码来控制旋压轮20按预设轨迹运行时的电机电流大小；在液压闭环控制中，压力传感器52将缸体51的实时压力信号反馈给伺服压力阀53，伺服压力阀53根据预设目标压力需求（同样采用通用g代码进行输入）调节缸体51压力，用于调节旋压轮20受到的推力；具体优选地，压力传感器52采用应变片；本申请涉及的g代码是指控制系统的加工程序g代码，通过设置r参数变化来实现设置，然后通过plc读取识别，这些属于旋压设备控制领域的公知常识；

具体优选地，在本实施方式中，缸体51采用单作用缸，d/a转换器57与单作用缸之间设有压力比例调节阀，作为伺服调节阀53，通过压力比例调节阀对d/a转换器57的输出信号进行比例调节后再向单作用缸输入压力调节信号；在实际实施时，由于压力比例调节阀控制的是单作用缸的压力，而实际的旋压力（即旋压轮受到的推力）是与单作用缸缸径成正比的，因此选用压力传感器52时需要与单作用缸的缸径进行配套匹配，这些都是本领域技术人员的常规技术手段，本实施例不再具体展开说明；具体地，在本实施方式中，压力传感器52的输入电压信号为10v，a/d转换器54输出的信号电压范围一般在0-10v，比较器、pid调节器56的型号选用pp7248，预设信号值由y轴伺服电机41向机床操作控制系统60输入，并传送至pp7248的接口，y轴伺服电机41由slm电源模块70供电，其中，slm电源模块连接有电抗器71；

优选地，本实施方式中，材料成型区包括位于内侧的第一成型区域2a和位于外侧的第二成型区域2b，第一成型区域2a采用压力控制，第二成型区域2b采用位置控制；进一步优选地，第一成型区域2a的长度通常不大于20mm，当然也可以根据实际需要来设置第一成型区域的长度，本申请对此不做特别限定。

本实施例通过设置特定的控制方法实现在旋压过程中对旋压力的控制，具体包括：首先在x轴伺服驱动单元和y轴伺服驱动单元的联动驱动控制进行曲线插补实现位置控制在至少最后一个道次的旋压中，以旋压轮与驱动旋转模具之间的间距为0作为驱动目标，对旋压轮执行压力控制和位置控制的双重模式，当旋压轮受到的推力达到预设目标压力时，对旋压轮进行压力控制，确保旋压轮与驱动旋转模具之间的间距为0；通过该控制可以确保在剪切旋压时使得加工材料在达到理论厚度、普旋整形的基础上可靠确保了加工材料能在厚度减薄的情况下始终紧贴模具，明显扩大了旋压力的范围区间，控制过程远简单于现有技术采用的间隙控制，最终提高了旋压成型的技术水平和成型效率。

本实施例除了可以对不同材料的旋压力进行控制，以获得良好的产品表面和理想形状；在不控制力的情况下，本实施例也可以借助旋压轮的压力传感器来初步测定各种不同材料所需要的旋压力，为后续对这些材料进行旋压时直接提供了优选的预设目标压力数据参考：

本实施例选择不同材料分别进行了旋压压力测试：

实施例1：选取的材料规格如下：

牌号：3a21铝板；

厚度：2mm；

形状：锥形体，单边角度20度；

状态：o态；

抗拉强度σb(mpa)：120-160；

旋压轮直径：r8mm；

通过本实施例提出的旋压力控制方法进行按图9所述的10个道次成型工艺进行旋压成型，得到图10所示的成型道次-旋压力曲线表，通过图10可看出：当在130kg的旋压力时，材料具有良好的形状变化，厚度变化可忽略。

需要特别说明的是，本申请的成型道次-旋压力曲线表中，横坐标为各道次对应的时间，纵坐标为通过应变片测量得到旋压力值，由于旋压轮在不同时间段会体现为拉力和推力，图表中正值为推力，负值为拉力；通过对各道次进行压力数据采集并制作后最终得到成型道次-旋压力曲线表。

实施例2：选取的材料规格如下：

牌号：3a21铝合金；

厚度：5mm

状态：h1态；

硬度：hl；

旋压轮直径：r8mm；

通过图11可看出：当在500kg的旋压力时，材料具有良好的形状变化，厚度变化可忽略。

实施例3：选取的材料规格如下：

牌号：sphe碳板；

厚度：6mm；

状态：退火

抗拉强度（σb/mpa）：≥270

旋压轮直径：r5mm；

通过图12可看出：当在1200kg压力时，材料具有良好的形状变化，厚度变化可忽略。

这些数据为后续对这些材料进行旋压时直接提供了优选的预设目标压力数据参考。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。