1.本发明涉及一种加热管设计领域内的自动弯管设备的设计方法。
背景技术：
2.弯管机的结构型式很多，按弯管时加热与否可分为冷弯管机和热弯管机两类，按传动方式可分为手动、气动、机械传动和液压传动四种，按控制方式又可分为手控、半自动、自动和数控四种。随着自动化技术的发展，手动弯管技术不再满足生产需求，已逐步被自动弯管技术取代。自动弯管机又可按照自动化程度分为半自动、自动和数控。对于中小型企业来说，半自动弯管机成本较低、制造方便、占地面积小，适合中、小批量生产。目前，国内外常用的弯管机有机械传动式弯管机、多功能弯管机、数控弯管机、中频感应弯管机等。综上所述，目前全自动数控弯管机的技术已经趋于成熟，但其针对性强、通用性差、可维护性差，不适用于中小规模的厂家。因此缺乏对能够适用中小规模的厂家的挤压与折弯集合为一体的弯管机的系统性的设计方法作为制作上述弯管机的基础。
技术实现要素：
3.本发明的目的是提供一种加热管自动弯管设备的设计方法，设计灵巧的、创新的、可靠的机械结构、节能的液压控制系统和高精度的电气控制系统，将管件加工的挤压工序与折弯工序集成在一起，实现对多种规格的中小直径电热弯管的加工，既提高了电热管加工效率又改善了电热管的加工质量。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种伺服自动化多机同步冲压生产线控制系统，包括以下步骤，步骤1，折弯、挤压同步一体的机械结构设计；步骤2，高强度高硬度的挤压结构设计；步骤3，适用于中小半径蛇行管的夹紧结构的设计；步骤4，有芯弯管的力能参数与变形量计算；步骤5，节能、稳定、易调节的液压系统设计；步骤6，基于plc和hmi的控制系统设计。
5.与现有技术相比，本发明的有益效果在于，在明确加工对象的基础上，以提高管件加工的质量和效率为目标，设计将挤压工序与折弯工序集合为一道工序的机械结构、建立有芯弯管的变形量计算模型、节能减排的高精度的控制系统、推导有芯管受挤压与纯弯曲时的力能参数计算公式与变形量计算公式，从而精确地补偿有芯弯管在折弯过程中的变形量、实现弯管质量质的飞跃。
6.作为本发明的进一步改进，步骤1具体内容如下，步骤1.1，分析现有弯管机以及常用的弯管机的工作原理，总结异同点，选择适合中小直径的管胚和中小规模厂家使用的方法；步骤1.2，根据要加工的弯管的规格，设计挤压与折弯一体的机械结构，利用solidworks软件进行三维建模，进行整体结构的设计，包括各零件的形状和尺寸、零件之间如何连接，并且要结合加工工艺考虑零件形状，保证零件不会与加工过程中的弯管发生干涉；
步骤1.3，确定新型弯管机的驱动方式和控制方式。
7.可以设计出一种足够稳定的高强度高硬度挤压结构，用以使管坯产生准确的挤压变形，从而精确补偿管坯弯曲产生的体积变形。
8.作为本发明的进一步改进，步骤1.2具体内容如下，机械结构主要包括压轮、压轮安装件、连接件。压轮为执行元件，与弯管直接接触，其规格应与弯管的规格一一对应；压轮安装件可采用斜面结构，更加稳定；压轮要求在压轮安装件中可绕其自身轴线转动，从而减小弯曲过程中的摩擦，弯管质量更好；压轮安装件通过螺钉与连接件连接，连接件受推力液压缸驱动，从而带动压轮运动。挤压结构要求在最大挤压力状态下仍能保持稳态，只产生极小的变形。
9.这样挤压与折弯集成，在折弯的同时进行挤压，且可精准控制变形量，既减少了工人的工作强度、提高了加工效率，又能保证弯管的高质量、高精度。
10.作为本发明的进一步改进，步骤2的具体内容如下，步骤2.1，在整体机械结构设计完毕之后，使用ansys有限元分析软件对挤压结构部分进行静力学仿真，分析其在加工过程中的受力情况和变形情况；步骤2.2，根据受力分析结果，对挤压结构进行优化，将应变和应力控制在合理的范围内；步骤2.3，挤压结构优化完善后，对其他部分进行静力学仿真和结构优化，直至满足加工要求为止。
11.这样可以通过分析有限元仿真的结果，不断对结构进行优化，直至达到设计目标。
12.作为本发明的进一步改进，步骤3的具体内容如下，对整体结构进行分析，设计一款不会与加工中的弯管发生干涉的、操作方便、稳定可靠的夹紧机构。
13.这样可以实现对小半径蛇行管的可靠夹紧。
14.作为本发明的进一步改进，步骤4的具体内容如下，步骤4.1，掌握弯管变形的过程、力能参数计算方法与变形量的计算方法；步骤4.2，根据弯曲原理、弯曲方法、加工工艺、弯曲尺寸、材料力学、理论力学知识，结合加工对象特点和参数，推导要加工的弯管受挤压和纯弯曲时力能参数和变形量计算公式；步骤4.3，利用实验数据对计算公式进行校正。
15.这样可以精确的补偿有芯弯管的变形量。
16.作为本发明的进一步改进，步骤4.2的具体内容如下，结合无芯弯管的力能参数和变形量计算方法、板材过程的受力分析与变形过程，推导有芯弯管受挤压与纯弯曲时所需要的最小力能参数与发生的变形，推导其计算公式；力能参数包括：有芯管纯弯曲时需要的弯曲力矩、受挤压时需要的挤压力、同步加工时弯管机需要的驱动力矩与夹紧力，变形量包括受挤压时挤压深度的回弹量、纯弯曲时的角度回弹与半径回弹。
17.这样可以结合弯曲原理、弯曲方法、加工工艺、弯曲尺寸、材料力学、理论力学和板材冲压等知识推导出适用于采用304不锈钢为原材料的、内部充满氧化镁粉的弯管力能参数和变形量计算公式。
18.作为本发明的进一步改进，步骤5的具体内容如下，基于设计的机械结构、需要的力能参数、电液伺服阀的基本控制原理，以低功耗、稳定运行、便于调节为设计目标，设计满足精准定位、精确控制弯曲角度要求的液压控制方案。
19.这样获得能够长时间稳定的工作在高挤压力、大弯矩的状态下不发生断裂和大的塑性变形的效果。
20.作为本发明的进一步改进，步骤6的具体内容如下，步骤6.1，基于电液伺服阀的基本控制原理，研究plc对电液伺服阀的控制方法。步骤6.2，设计能满足所有加工需求的plc定程控制系统和便于工作人员操作的hmi界面，编写控制梯形图和设计hmi程序。
21.这样保证弯管的高质量、高精度，减少了工人的工作强度、提高了加工效率。
附图说明
22.图1为本发明技术路线图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明进一步说明：如图1所示的一种加热管自动弯管设备的设计方法，包括以下步骤，步骤1，折弯、挤压同步一体的机械结构设计；步骤1.1，分析现有弯管机以及常用的弯管机的工作原理，总结异同点，选择适合中小直径的管胚和中小规模厂家使用的方法；步骤1.2，根据要加工的弯管的规格，设计挤压与折弯一体的机械结构，利用solidworks软件进行三维建模，进行整体结构的设计，包括各零件的形状和尺寸、零件之间如何连接，并且要结合加工工艺考虑零件形状，保证零件不会与加工过程中的弯管发生干涉；机械结构主要包括压轮、压轮安装件、连接件。压轮为执行元件，与弯管直接接触，其规格应与弯管的规格一一对应；压轮安装件可采用斜面结构，更加稳定；压轮要求在压轮安装件中可绕其自身轴线转动，从而减小弯曲过程中的摩擦，弯管质量更好；压轮安装件通过螺钉与连接件连接，连接件受推力液压缸驱动，从而带动压轮运动。挤压结构要求在最大挤压力状态下仍能保持稳态，只产生极小的变形；步骤1.3，确定新型弯管机的驱动方式和控制方式。
24.步骤2，高强度高硬度的挤压结构设计；步骤2.1，在整体机械结构设计完毕之后，使用ansys有限元分析软件对挤压结构部分进行静力学仿真，分析其在加工过程中的受力情况和变形情况；步骤2.2，根据受力分析结果，对挤压结构进行优化，将应变和应力控制在合理的范围内；步骤2.3，挤压结构优化完善后，对其他部分进行静力学仿真和结构优化，直至满足加工要求为止。
25.步骤3，适用于中小半径蛇行管的夹紧结构的设计；对整体结构进行分析，设计一款不会与加工中的弯管发生干涉的、操作方便、稳定可靠的夹紧机构。
26.步骤4，有芯弯管的力能参数与变形量计算；步骤4.1，掌握弯管变形的过程、力能参数计算方法与变形量的计算方法；步骤4.2，根据弯曲原理、弯曲方法、加工工艺、弯曲尺寸、材料力学、理论力学知识，结合加工对象特点和参数，推导要加工的弯管受挤压和纯弯曲时力能参数和变形量计算公式；
结合无芯弯管的力能参数和变形量计算方法、板材过程的受力分析与变形过程，推导有芯弯管受挤压与纯弯曲时所需要的最小力能参数与发生的变形，推导其计算公式；力能参数包括：有芯管纯弯曲时需要的弯曲力矩、受挤压时需要的挤压力、同步加工时弯管机需要的驱动力矩与夹紧力，变形量包括受挤压时挤压深度的回弹量、纯弯曲时的角度回弹与半径回弹。
27.步骤4.3，利用实验数据对计算公式进行校正。
28.步骤5，节能、稳定、易调节的液压系统设计；基于设计的机械结构、需要的力能参数、电液伺服阀的基本控制原理，以低功耗、稳定运行、便于调节为设计目标，设计满足精准定位、精确控制弯曲角度要求的液压控制方案。
29.步骤6，基于plc和hmi的控制系统设计。
30.步骤6.1，基于电液伺服阀的基本控制原理，研究plc对电液伺服阀的控制方法。
31.步骤6.2，设计能满足所有加工需求的plc定程控制系统和便于工作人员操作的hmi界面，编写控制梯形图和设计hmi程序。
32.本发明的目标产品为中小直径的有芯不锈钢电热管。电热管内填充有具有良好绝缘导热性能的介质，通常采用氧化镁粉作为介质。管胚经过折弯后需要再对弯头进行挤压，因为折弯后的弯头较折弯前体积增大，芯料密度变小，热效率降低，电气性能达不到要求。因此，需要通过挤压变形控制补偿弯头体积。但现有的弯管机只能进行折弯，挤压成型需要在其他设备上进行，工作效率低，体积控制效果差。故将挤压与折弯集成为一体是很必要的。
33.设计挤压、折弯同步一体的新型弯管机，提高现有工艺的加工效率，更精确地补偿弯管折弯过程中发生的体积变化，从而保证弯管的加工质量和使用寿命。研发过程涉及的问题主要有：高强度、高硬度的机械结构设计、机械结构的优化、低功耗的液压控制系统的设计、基于plc和hmi的控制系统设计、有芯管受挤压与纯弯曲时的力能参数计算和变形量的计算。
34.设计灵巧的、创新的、可靠的机械结构、节能的液压控制系统和高精度的电气控制系统，将管件加工的挤压工序与折弯工序集成在一起，实现对多种规格的中小直径电热弯管的加工，既提高了电热管加工效率又改善了电热管的加工质量。该设计具有重要的经济价值和广阔的应用前景。
35.本发明在明确加工对象的基础上，以提高管件加工的质量和效率为目标，设计将挤压工序与折弯工序集合为一道工序的机械结构、建立有芯弯管的变形量计算模型、节能减排的高精度的控制系统、推导有芯管受挤压与纯弯曲时的力能参数计算公式与变形量计算公式，从而精确地补偿有芯弯管在折弯过程中的变形量、实现弯管质量质的飞跃。
36.本发明用于研发一种足够稳定的高强度高硬度挤压结构，用以使管坯产生准确的挤压变形，从而精确补偿管坯弯曲产生的体积变形。一方面，结合理论力学、材料力学的知识设计稳定的结构；另一方面，通过分析有限元仿真的结果，不断对结构进行优化，直至达到设计目标。
37.精确补偿管胚弯曲产生的体积变形量的前提为能够正确计算出有芯弯管的变形量，采用的方案是结合塑性力学等相关知识进行分析，建立计算公式，结合实验，对推导的
公式进行校正。这一问题的研究，对于提高有芯弯管的加工质量具有重要意义。
38.本发明的具体研究试验方法如下：1.1 折弯、挤压同步一体化方案的研究根据现有弯管机的工作原理与工艺流程，设计总体研究方案。折弯、挤压同步一体弯管机可以分为机械系统、液压系统、控制系统三个部分。其中，机械系统主要需要可靠的夹紧机构、高强度、高硬度的挤压结构。现有的弯管均通过使用压力机挤压变形来补偿变形量，一方面加工效率低下，另一方面对变形量的补偿并不精确。因此，本发明设计一种高强度高刚度挤压结构，用于对弯管挤压加工。该结构主要包括压轮、压轮安装件、连接件等。压轮为执行元件，与弯管直接接触，其规格应与弯管的规格一一对应。压轮安装件可采用斜面结构，更加稳定。压轮要求在压轮安装件中可绕其自身轴线转动，从而减小弯曲过程中的摩擦，弯管质量更好。压轮安装件通过螺钉与连接件连接，连接件受推力液压缸驱动，从而带动压轮运动。挤压结构要求在最大挤压力状态下仍能保持稳态，只产生极小的变形。基于ansys有限元仿真软件对挤压结构进行有限元仿真，分析仿真结果，优化结构，直至满足加工要求为止。可靠的夹紧结构是弯管质量的保证。目前常见的管子夹紧方式有直顶式夹紧机构和增力夹紧机构，但这些方式已不能适应小半径弯管机的结构配置。 因此，需要在完成总体机械结构设计和挤压结构设计后，根据各零件的相互位置和加工对象的规格，以最小规格的弯管为参考，设计夹紧机构的具体形式和尺寸。
39.1.2 有芯管弯管力能参数和变形量计算结合无芯弯管的力能参数和变形量计算方法、板材过程的受力分析与变形过程，推导有芯弯管受挤压与纯弯曲时所需要的最小力能参数与发生的变形，推导其计算公式。力能参数包括：有芯管纯弯曲时需要的弯曲力矩、受挤压时需要的挤压力、同步加工时弯管机需要的驱动力矩与夹紧力，变形量包括受挤压时挤压深度的回弹量、纯弯曲时的角度回弹与半径回弹。待物理样机搭建完成后，开展力能参数的验证实验、纯挤压实验、纯弯曲实验和同步加工实验，根据实验结果校正推导的理论计算公式。校正后的计算公式，对精确补偿弯头体积具有重要的参考价值。
40.1.3 弯管机的弯曲装置、夹紧装置和挤压装置的参数的确定明确加工对象的规格、材质和形状，包括弯管直径、弯曲半径、壁厚和弯管长度；根据推导得到的力能参数计算公式，确定弯曲管材所需的最大弯曲力矩、弯管机需要的驱动力矩、挤压指定深度需要的最小挤压力和夹紧管材所需的最小夹紧力。
41.1.4 明确各装置的运动速度根据现有弯管机的速度以及结合目标，设定各装置预期达到的速度；根据预设的速度，计算各装置所需的流量与压力，进行各装置驱动元件等的选型；样机建设完成后，对每一步工艺进行单独的测试，获取各装置的实际速度，计算加工速度的提升率。
42.本发明的具备如下创新：（1）创新型折弯、挤压弯同步一体的机械结构设计设计折弯与挤压一体弯管机，将挤压与折弯集成，在折弯的同时进行挤压，且可精准控制变形量。既减少了工人的工作强度、提高了加工效率，又能保证弯管的高质量、高精度。
43.挤压与折弯集成的核心在于能使弯管产生变形的高强度高硬度挤压结构。基于现
有挤压设备的参数和挤压实验所得数据，要使φ14mm的填充有氧化镁芯料的不锈钢电热管产生变形，至少需要2t的压力。若需要产生5mm的变形，则需要5t以上的压力。因此，本发明设计一款由液压驱动、高强度高硬度挤压结构，要求其在满足工艺要求下，能够长时间稳定的工作在高挤压力、大弯矩的状态下不发生断裂和大的塑性变形。其中在折弯的过程中，压轮要能绕其自身轴转动，用于减小摩擦。
44.由于本发明的目标加工产品为中小半径蛇行管，最小折弯半径为15mm。普通的直顶式夹紧机构、增力夹紧机构和四连杆夹紧机构由于其夹块本身的高度和运动方式的限制，在多弯头连续弯曲需要转臂返回时，极易与管子干涉。为此，本发明拟设计一种能够实现对小半径蛇行管夹紧的结构，实现对小半径蛇行管的可靠夹紧。
45.（2）有芯弯管力能参数与变形量计算现有的弯管变形量计算均为以无芯弯管为研究对象，而弯管弯曲时，截面会收缩，弯头会伸长。由于具有弹性，挤压变形后会有回弹量，折弯后会有回弹角度。为了精确的补偿有芯弯管的变形量，本发明结合弯曲原理、弯曲方法、加工工艺、弯曲尺寸、材料力学、理论力学和板材冲压等知识推导出适用于采用304不锈钢为原材料的、内部充满氧化镁粉的弯管力能参数和变形量计算公式。
46.采用本发明，可以使得自动弯管机达到如下主要技术指标：有芯管可折弯90
°
或180
°
；弯管速度《=0.52rad/s；一体机装置液压系统最大压力《=10mpa；一体机装置可折弯有芯管管径为8mm；折弯后有芯管耐压≥1500v，稳定范围为
±
200v。
47.采用本发明可设计一种智能化的、高精度的、可适用于多种产品的半自动弯管机设备的，用于将电热管的挤压与折弯集成为一道工序，并创新性地提出有芯弯管受挤压与纯弯曲时的力能参数和变形量计算方法，从而提高电热管的质量、提高加工效率，具有广泛的产业化前景。
48.本发明不局限于上述实施例，在本公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。