專利名稱：大尺寸金屬鈑金件精密超塑氣脹成形自動控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于先進機械制造自動化裝備領域。具體是涉及一種大尺寸金屬鈑金 件精密超塑氣脹成形自動控制系統(tǒng)。
技術背景超塑氣脹成形技術在現(xiàn)代的航空、航天及交通車輛制造領域占據(jù)重要地位。 目前，金屬鈑金件超塑氣脹成形過程主要采用人工手動完成，氣壓調(diào)節(jié)的難度較 大，勞動強度高；人工操作具有較大的主觀性和局限性，且人工無法實現(xiàn)按材料 的理論P-T曲線進行調(diào)節(jié)，導致控制精度低，加劇了零件厚度變薄不均勻程度， 降低了零件的成形質(zhì)量和力學性能。尤其大尺寸零件的精確控制將顯著提髙產(chǎn)品 的性能。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決當前工業(yè)用超塑氣脹成形過程中控制系統(tǒng)的設計和應 用問題，提供一種可批量生產(chǎn)大尺寸金屬鈑金件精密超塑氣脹成形的自動控制系 統(tǒng)，以提髙超塑氣脹成形操作的自動化程度和精度，減輕工人的勞動強度。實現(xiàn)以上目的所采用的技術方案為包括氣源、總減壓閥、總電磁閥、氣壓 傳感器、下模減壓閥、上模進氣電磁閥、上模放氣電磁閥、下模進氣電磁閥、下 模放氣電磁閥、上位機、超塑氣脹成形裝置、溫度控制儀、執(zhí)行機構，其中氣源 的出口通過管道與總減壓閥同軸相連，總減壓閥的出口通過管道連于執(zhí)行機構的 入口。氣壓傳感器安裝在執(zhí)行機構的輸出端，總電磁閥的輸入端連于執(zhí)行機構的 輸入端，總電磁閥的輸出端連于執(zhí)行機構的輸出端，氣壓傳感器的輸出端分別連 于上模進氣電磁閥的輸入端和下模減壓閥的輸入端，上位機分別通過RS485總線 連于執(zhí)行機構和氣壓傳感器，下模減壓閥的輸出端通過管道連于下模進氣電磁閥 的輸入端，下模進氣電磁閥的輸出端通過管道連于下模放氣電磁閥的輸入端，下 模放氣電磁閥安裝在下模的放氣管道處，上模進氣電磁閥的輸出端通過管道連于 上模放氣電磁閥的輸入端，上模放氣電磁閥安裝在上模出氣管道處，超塑氣脹成 形裝置的上模端連于上模進氣電磁閥的輸出端和上模放氣電磁閥的輸入端連接 處，超塑氣脹成形裝置的下模端連于下模進氣電磁閥的輸出端和下模放氣電磁閥 輸入端的連接處，上模進氣電磁閥、上模放氣電磁閥、下模進氣電磁閥、下模放 氣電磁閥均分別通過隔離1/0接口連于上位機，與超塑氣脹成形裝置相連的溫度 控制儀通過RS485總線連于上位機。所述執(zhí)行機構包括控制減壓閥、步進電機、歩進電機控制器，其中，步進電機與控制減壓閥通過旋轉(zhuǎn)軸軸向連接，步進電機 控制器的三相交流輸出連于步進電機的輸入，控制步進電機的轉(zhuǎn)速和方向，步進 電機控制器的輸入端分別通過轉(zhuǎn)速1/0接口和方向I/O 口連于上位機。所述的超塑氣脹成形裝置包括加熱電阻絲和溫度傳感器，置于超塑氣脹成形裝置內(nèi)的加熱 電阻絲與溫度傳感器相連，溫度傳感器通過電纜連于與上位機相連的溫度控制 儀。本發(fā)明的優(yōu)點在于-(1) 執(zhí)行機構利用電磁閥和減壓閥的并聯(lián)安裝，可以靈活和可靠的實現(xiàn)"自動功能"和"手動功能"的切換；采用基于RS485總線的主從式控制，RS485 總線的使用可以使得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遠程傳輸更為可靠，主從控制方式可方便 的進行系統(tǒng)裝配、集成和維護；(2) 電磁閥陣列的使用和上位機的隔離1/0控制簡化了氣路設計，使得氣路的 控制更加高效、可靠和方便，同時也簡化了上位機的軟件設計；大功率步 進電機的使用能夠適應各種尺寸零件的成形操作，且避免了較大的控制累 計誤差。(3) 整體方案利用對系統(tǒng)建模的方法，實現(xiàn)了對超塑氣脹成形的自動化操作， 大大減少了人工干預的程度，提高了大尺寸鈑金件超塑氣脹成形的精密 度。4

圖l:大尺寸金屬鈑金件精密超塑氣脹成形自動控制系統(tǒng)圖2:執(zhí)行結構示意3:超塑氣脹成形裝置示意中1、氣源2、總減壓閥3、總電磁閥4、控制減壓閥5、步進電機6、氣 壓傳感器7、下模減壓閥8、上模進氣電磁閥9、上模放氣電磁閥10、下模進 氣電磁閥11、下模放氣電磁閥12、上位機13、超塑氣脹成形裝置14、溫度控 制儀15、步進電機控制器16、執(zhí)行結構17、加熱電阻絲18、溫度傳感器具體實施方式
現(xiàn)結合附圖1、附圖2和附圖3詳細說明本發(fā)明的具體實現(xiàn)方式。 一種大尺寸金屬鈑金件精密超塑氣脹成形自動控制系統(tǒng)，主要包括三個子系統(tǒng)自動功能/手動功能切換子系統(tǒng)、系統(tǒng)的校正子系統(tǒng)、金屬鈑金件的超塑氣脹成形子系統(tǒng)等。(1) 自動功能/手動功能切換子系統(tǒng)的設計主要考慮系統(tǒng)可靠性操作，當自 動功能出現(xiàn)問題時，則需要人工加以干預。該子系統(tǒng)的使用較為簡單，主要依靠 控制總電磁閥3實現(xiàn)。當"手動功能"有效時，總電磁闔3動作，使得控制減壓 閥4兩端的氣壓等同，即尸。=/)。此時，控制減壓閥4的兩端氣路等效于"短 路"，手動操作起作用，可以通過調(diào)節(jié)總減壓閥2實現(xiàn)對零件成形的人工操作。 該措施可以降低手動方式下由于自動方式誤操作帶來的危害性，提高了氣路系統(tǒng) 的工作可靠性。當切換至"自動功能"有效時，自動控制功能起作用。輸入的氣 源值《和控制減壓閥4輸出控制值尸。存在下列等式其中，^<1為控制減壓闊4的控制系數(shù)，與控制減壓閥4的閥門開度有關， 而閥門開度和步進電機5的軸向進距，即步進電機5的前進步長數(shù)目相關。(2) 系統(tǒng)校正子系統(tǒng)主要包括氣源1、總減壓閥2、下模減壓閥7、執(zhí)行 機構16、氣壓傳感器6、電磁閥陣列3、 8、 9、 10、 11和上位機12。自動系統(tǒng) 在使用前需要進行校正，校正的目的是為了提高零件超塑氣脹成形的精密度。氣 壓傳感器6是一個智能壓力在線檢測儀，裝配在減壓閥4的出氣管道處，氣壓傳 感器6的精度為0.2級，可以滿足系統(tǒng)的氣壓控制和檢測要求。執(zhí)行機構16采 用了大功率歩進電機5控制減壓閥4的方式，步進電機5和控制減壓閥4通過旋 轉(zhuǎn)軸軸向連接，固定在一個底座上。選用的步進電機采用了大功率三相驅(qū)動(力 矩高達15N.M)方式，采用了步距細分方式(標準步距為0.6度，可細分至0.15 度)，可以方便的、精確的驅(qū)動和控制減壓閥進行大尺寸鈑金件的成形操作。校正時，把氣路中的氣壓降為O，并切換至自動功能，打開氣源l，人工調(diào) 節(jié)好總減壓閥2的輸出值，系統(tǒng)自動關閉電磁閥陣列，開始調(diào)整執(zhí)行機構16中 步進電機5的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，上位機12通過隔離1/0接口控制步進電機控制 器15，利用步進電機控制器15的三相交流輸出U、 V、 W控制步進電機5的轉(zhuǎn)速 和方向；當步進電機5轉(zhuǎn)動時，上位機12需要檢測步進電機5的啟動零點并保 存該點的位置；通過檢測氣壓傳感器6傳來的數(shù)據(jù)計算步進電機5轉(zhuǎn)動步長和氣 壓之間的關系，把此關系的數(shù)據(jù)在上位機12的硬盤上妥善保存。 金屬鈑金件的超塑氣脹成形操作子系統(tǒng)主要包括氣源l、總減壓閥2、下模減 壓閥7、執(zhí)行機構16和氣壓傳感器6、電磁閥陣列3、 8、 9、 10、 11和上位機 12、溫度控制儀14、超塑氣脹成形裝置13。在超塑氣脹成形裝置13內(nèi)放置加熱 電阻絲17，溫度控制儀14利用PID控制方式對電阻絲17加熱升溫，溫度傳感器18放置在超塑氣脹成形裝置13內(nèi)，通過電纜把溫度的測量信號傳輸至溫度控 制儀14,溫度控制儀14通過RS485總線與上位機12相連。在進行成形操作之前，通過上模放氣電磁閥9和下模放氣電磁閥11動作預 先排除超塑氣脹成形裝置13內(nèi)的氣體，并采用溫度控制儀14對超塑氣脹成形裝 置13進行加熱和溫度PID控制，當裝置溫度處于一個合適的范圍時即可進行成 形的自動控制。人工打開鋼瓶氣源1并觀察氣源儀表，調(diào)節(jié)總減壓閥2和下模減 壓閥7至合適的氣壓并保持不變。利用上位機12選擇合適的操作方式，通過選擇使得系統(tǒng)處于"自動功能" 操作，假設成形模式為正吹。上位機12通過軟件發(fā)出指令，通過隔離I/0接口 控制總電磁閥8動作，其余的電磁閥3、 9、 10、 ll不動作。根據(jù)軟件預先設定 的P-T曲線、步進電機步長和氣壓之間的增量關系、系統(tǒng)模型，計算當前超塑氣 脹成形裝置13內(nèi)上模腔體內(nèi)的理論壓力，進而算出步進電機應該旋轉(zhuǎn)的步數(shù)和 旋轉(zhuǎn)方向，通過隔離I/0接口控制步進電機動作，此時，由于上模電磁閥8打開， 因此，上模腔內(nèi)氣壓應該等于控制減壓閥4的輸出氣壓。同時，氣壓傳感器6 把檢測的數(shù)據(jù)通過RS485總線實時傳輸至上位機12進行壓力顯示、計算和步進 電機的控制校正，以保持實際的P-T曲線和理論曲線盡量一致。在超塑氣脹成形 過程中，溫度控制儀自動控制成形裝置內(nèi)的溫度，使其基本保持在一個合理范圍 內(nèi)，同時，溫度值通過RS485總線傳輸至上位機進行處理和顯示。當一個P-T 曲線的周期完成之后，即一個零件的成形操作基本完成之后，上位機12通過 RS485總線命令溫度控制儀14停止工作，即斷開對超塑氣脹成形裝置13的加熱 操作，溫度開始下降，當下降至一定程度，上位機12通過隔離I/0接口控制步 進電機5逆轉(zhuǎn)，關閉減壓閥4，并通過隔離I/0接口打開上模放氣電磁閥9進行 上模腔內(nèi)的放氣操作，同時，上位機12利用氣壓傳感器6檢測腔內(nèi)氣壓大小， 判斷氣壓大小至放氣完畢。此時，基于正吹模式的一個鈑金件成形操作完整結束。假設成形模式為反正吹，分為反吹和正吹兩個階段。首先P-T曲線處于反吹 階段，上位機12通過軟件發(fā)出指令，通過隔離I/0接口控制下模進氣電磁閥10 動作，其余的電磁閥3、 8、 9、 ll不動作。根據(jù)軟件預先設定的P-T曲線、利用 校正子系統(tǒng)獲取的步進電機5步長和氣壓之間的增量關系、系統(tǒng)模型，計算當前 超塑氣脹成形裝置13內(nèi)下模的理論壓力，進而算出步進電機5應該旋轉(zhuǎn)的步數(shù) 和旋轉(zhuǎn)方向，通過隔離I/0接口控制步進電機5動作，此時，由于下模進氣電磁 閥10打開，因此，下模內(nèi)氣壓等于控制減壓閥4的輸出氣壓。同時，氣壓傳感器6把檢測的數(shù)據(jù)通過RS485總線實時傳輸至上位機12進行壓力顯示、計算和 步進電機的控制校正，以保持實際的P-T曲線和理論曲線盡量一致。當反吹階段 結束時，下模進氣電磁閥10關閉，下模放氣電磁閥ll打開放氣，放氣完畢即關 閉下模放氣電磁閥11，隨即轉(zhuǎn)入P-T曲線的正吹階段，正吹階段進行的操作模 式和系統(tǒng)工作在正吹操作模式是一致的。
權利要求
1、一種大尺寸金屬鈑金件精密超塑氣脹成形自動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括氣源(1)、總減壓閥(2)、總電磁閥(3)、氣壓傳感器(6)、下模減壓閥(7)、上模進氣電磁閥(8)、上模放氣電磁閥(9)、下模進氣電磁閥(10)、下模放氣電磁閥(11)、上位機(12)、超塑氣脹成形裝置(13)、溫度控制儀(14)、執(zhí)行機構(16)，其中氣源(1)的出口通過管道與總減壓閥(2)同軸相連，總減壓閥(2)的出口通過管道連于執(zhí)行機構(16)的入口，氣壓傳感器(6)安裝在執(zhí)行機構(16)的輸出端，總電磁閥(3)的輸入端連于執(zhí)行機構(16)的輸入端，總電磁閥(3)的輸出端連于執(zhí)行機構(16)的輸出端，氣壓傳感器(6)的輸出端分別連于上模進氣電磁閥(8)的輸入端和下模減壓閥(7)的輸入端，上位機(12)分別通過RS485總線連于執(zhí)行機構(16)和氣壓傳感器(6)，下模減壓閥(7)的輸出端通過管道連于下模進氣電磁閥(10)的輸入端，下模進氣電磁閥(10)的輸出端通過管道連于下模放氣電磁閥(11)的輸入端，下模放氣電磁閥(11)安裝在下模的放氣管道處，上模進氣電磁閥(8)的輸出端通過管道連于上模放氣電磁閥(9)的輸入端，上模放氣電磁閥(9)安裝在上模出氣管道處，超塑氣脹成形裝置(13)的上模端連于上模進氣電磁閥(8)的輸出端和上模放氣電磁閥(9)的輸入端連接處，超塑氣脹成形裝置(13)的下模端連于下模進氣電磁閥(10)的輸出端和下模放氣電磁閥(11)輸入端的連接處，上模進氣電磁閥(8)、上模放氣電磁閥(9)、下模進氣電磁閥(10)、下模放氣電磁閥(11)均分別通過隔離I/O接口連于上位機(12)，與超塑氣脹成形裝置(13)相連的溫度控制儀(14)通過RS485總線連于上位機(12)。
2、 根據(jù)權利1要求所述的大尺寸金屬鈑金件精密超塑氣脹成形自動控制系統(tǒng)， 其特征在于，所述執(zhí)行機構(16)包括控制減壓閥(4)、步進電機(5)、步進電機控 制器(15)，其中，步進電機(5)與控制減壓閥(4)通過旋轉(zhuǎn)軸軸向連接，步進電機 控制器(15)的三相交流輸出連于步進電機(5)的輸入，以控制步進電機(5)的轉(zhuǎn)速 和方向，步進電機控制器(15)的輸入端分別通過轉(zhuǎn)速1/0接口和方向I/O 口連于 上位機(12)。
3、 根據(jù)權利要求1或2要求所述的大尺寸金屬鈑金件精密超塑氣脹成形自動控 制系統(tǒng)，其特征在于，所述的超塑氣脹成形裝置(13)，包括加熱電阻絲(17)和溫 度傳感器(18)，置于超塑氣脹成形裝置內(nèi)的加熱電阻絲(17)與溫度傳感器(18) 相連，溫度傳感器(18)通過電纜連于與上位機(12)相連的溫度控制儀(14)。
全文摘要
一種用于大尺寸金屬鈑金件精密超塑氣脹成形的自動控制系統(tǒng)，屬于超塑氣脹成形技術。主要由氣源(1)、總減壓閥(2)、氣壓傳感器(6)、下模減壓閥(7)、執(zhí)行機構(16)、上位機(12)、超塑氣脹成形裝置(13)、溫度控制儀(14)和五個電磁閥陣列(3、8、9、10、11)組成的陣列。溫度控制儀(14)預先對超塑氣脹成形裝置(13)進行溫度控制，氣源通過氣路通道進入超塑氣脹成形裝置(13)，由電磁閥陣列控制氣路中氣體的走向；氣路壓力和超塑氣脹成形裝置(13)內(nèi)溫度通過傳感器檢測并傳送給上位機(12)，由上位機(12)控制執(zhí)行機構(16)動作，使生產(chǎn)過程按預先設定的P-T曲線進行。提高了自動化程度、生產(chǎn)精度和效率，降低了勞動強度。
文檔編號B21D26/02GK101224477SQ200810018978
公開日2008年7月23日 申請日期2008年2月2日 優(yōu)先權日2008年2月2日
發(fā)明者江 崔, 砦 張, 王友仁, 魯世紅 申請人:南京航空航天大學