1、吉林大学本科生毕业论文- 1 -摘要随着客车制造业的飞速发展，不但带动了相关产业的发展，而且对于客车所需管子的弯曲制造的需求也大大超出了人们的预料，市场对管子弯曲成型的工艺要求也日益提高，要求其首先能满足客车的不断升级，其次还要有亮丽的外观和优美的弧度，本文本着创新的态度对弯管机的设计做一次尝试，希望能对本行业的发展作出贡献，其中考虑不周之处敬请谅解。论文第一章首先对管材弯曲的加工方法及特点以及弯管加工工艺的发展动态做简要的介绍，之后重点解释了弯管机的工作原理以及其加工方法。第二章分析了液压系统的负载，控制方案，伺服系统主参数以及液压油缸的设计计算。第三章简介了弯管机的控制部分。第四章介绍了液
2、压缸在使用过程中可能遇到的问题和可能在检修，安装过程中可能遇到的困难。第五章是关于机架的设计。第六章是关于直线导轨的性能和选用，对直线导轨的特性也做了简要分析。放在最后的是总结和参考文献。目前弯管机的研发应向节约成本方向发展，重中之重是掌握自主的知识产权，只有这样才能在激烈的国际竞争中占得先机。吉林大学本科生毕业论文- 2 -ABSTRACTAlong with the passenger car manufacturing industry to develop soon, not only aroused the development of the related industry, b
3、ut also outran the people to anticipate consumedly to the need of the bent manufacturing of the pipe that passenger car need, the market requests to the craft that the pipe bending model also raise increasingly, request it first can satisfy the passenger car continuously upgrade, the next in order s
4、till need to have bright external appearance and the radian of the graceful, this text is in the light of the design of creative attitude to curved tube machine to do to try once, hope to the profession industry of development make a contribution, among them consider not the place of the week please
5、 understanding.First the thesis chapter 1 is bent to the tube material of process the method and characteristic and curved tubes to process the introduction that 吉林大学本科生毕业论文- 3 -the development dynamic state of the craft is the synopsis, after the point explained the work principle of the curved tub
6、e machine and it processes the method. And the thesis chapter 2 is about that analyzes the liquid to press the system, the control project, the servo system main parameter and liquids press the design calculation of the oil urn. The chapter 3 is a brief introduction the control part of the curved tu
7、be machine. The chapter 4 is about the problem and possibilities that introduced the liquid and press the urn and may meet in use process are checking to fix, installing the process in the difficulty that may meet. Chapter 5 is a design concerning the pedestal. Chapter 6 is a concerning function tha
8、t leads the track straightly and choose to use, to led the characteristic of the track to also do the synopsis analysis straightly. Put in the end of is summary and references.At the present time the development of the curved tube machine should develop toward the economy direction, heavy medium of
9、heavy is to 吉林大学本科生毕业论文- 4 -control the independent intelligent property right, only then can have in vehemence of international competition thus first timing.目录第一章:液压仿行弯管机的应用1.1 管材弯曲加工方法及特点61.2 弯曲加工工艺的研究动态71.3 板材及型材弯曲加工研究的方法及现状81.4 管材弯曲变形程度及弯曲力矩81.5 工作过程及原理101.6 轨迹形成过程分析111.7 靠轮及模块的选取131.8 辅助设备的应用1
10、41.9 阶段总结及论文研究的目的，意义14第二章：液压系统的设计2.1 明确设计任务152.2 分析系统负载152.3 确定控制方案162.4 确定伺服系统总参数，选择元件172.5 液压油缸的设计和计算182.6 阶段总结19第三章：弯管机控制部分简介吉林大学本科生毕业论文- 5 -3.1 PLC 在弯管机控制中的应用203.2 PLC 控制原理 203.3 系统工作过程213.4 阶段总结21第四章：液压缸的正确使用及检修4.1 液压缸在正确使用中应该注意的问题214.2 液压缸的常见故障224.3 液压缸的拆卸检修及安装22第五章：机架设计5.1 机架的设计准则235.2 机架设计的一
11、般要求24第六章：导轨的原理及其应用6.1 直线导轨的工作原理246.2 直线导轨的刚性266.3 单轨的精度286.4 直线导轨的选用286.5 阶段总结29第七章：总结 29第八章：参考文献 31吉林大学本科生毕业论文- 6 -第一章：液压仿行弯管机的应用1.1 管材弯曲加工方法及其特点 管材弯曲方法颇多，按弯曲方式可分为绕弯、推弯、压弯和滚弯；按弯曲时有无填充物可分为有芯（填料）弯管和无芯（填料）弯管；按弯曲时是否加热可分为冷弯和热弯。冷弯法发展历史较长，种类也较多，而热弯法是近二十年才发展起来的弯曲加工方法。主要的管材冷弯加工方法有：1 ）压弯；2 ）缠弯；3 ）旋转模弯；4 ）拉弯：
12、5 ）滚弯；6 ）推弯等几种成形方式。此外，还有扩管弯曲、振动冲击弯曲、起皱弯曲、MOS 弯曲等弯曲加工方法，但一般不常用。在实际管材冷弯加工过程中，旋转模弯（或称旋转拉弯radial-draw bending ）是最为常见的弯曲加工方法，也是数控弯管机使用的弯管加工方式。本文讨论的管子成形工艺就是在此弯曲加工方法下进行研究的。与实心的板材弯曲相比，由于管材是空心薄壁结构的断面形状，由应力应变状态分析可知，管子在弯曲过程中，中性层外侧受拉应力作用而使管壁减薄，中性层内侧受压应力作用而使管壁增厚，同时使管截面发生畸变，即扁平化因此，无论采取哪种弯曲方法，在管材弯曲过程中，易产生以下几种不良现象：
13、1 ）管材弯曲外侧变薄，甚至开裂；2 ）管材弯曲内侧变厚，甚至失稳起皱；3 ）管材截面产生畸变（扁平化） ，甚至压瘪。此外，由于管材弯曲是弹塑性变形，当载荷卸除后，管材的弯曲角度和弯曲半径会发生弹性回复，即回弹现象；同时，在弯曲过程中， ，管材受拉应力作用而产生伸长，即伸长现象。吉林大学本科生毕业论文- 7 -所有这些现象，不仅影响了管材弯曲成形精度，而且决定了管材弯曲加工性（即管材弯曲加工极限） 。影响管材弯曲加工性的因素很多，归纳起来主要有：a ）管材弯曲件的形状参数，包括直径、壁厚、弯曲半径、横截面形状等；b ）管材的特性参数，包括屈服应力、极限应力、弹性模量、硬度、贫工硬化指数、各向异
14、性参数等；c ）管子本身的精度，如圆度、壁厚不均匀度等；d ）加工设备、加工方法：e ）弯模、芯轴的形状、尺寸等；f ）润滑条件：g ）加工温度。其中，a 、 、 b ） 、c ）为材料参数， d ） 、e ） 、f ） 、g ）为加工条件。1.2 弯管加工工艺的研究动态由于管子弯曲成形比板材弯曲成形相对要复杂一些， （特别是弯管机冷弯管子工况复杂） ，所以对管材弯曲加工过程，各国学者一直探索使用理论方法进行描述，理论研究只局限于一般简化了的弹塑性分析，主要集中在管材弯曲过程的数学模型、弯曲成形力、管材的扁平化、壁厚变化、起皱、开裂、管截面塑性失稳等方面大多数研究工作是实验研究与分析。Von
15、Karman 早在 1911 年研究了平面弯曲下管子的弹性变形；Brazier 在研究弹性圆管的弯曲变形时发现，管截面在弯曲过程中不断变扁(即扁平化现象，或Brazier 现象）; E.Reissner，对管子纯弯进行了理论分析，对扁平化现象进行了弹塑性板壳理论分析；shaw 提出了纯弯曲状态下描述管截面扁平化的非线性硬化数学模型；Zhang 发现，由于截面的扁化效应，圆管被弯曲到一定程度后抗弯能力将明显下降；K .Inode 和 P.B.Mellor 探讨了芯棒与无缝钢管内壁之间的润滑状况对弯曲加工性能的影响;B.D. Reddy 对纯弯曲状态下圆管的起皱进行了弹塑性理论分析与实验研究；se
16、ddeik 和 Kennedy,研究矩形截面管辊弯时发现了弯曲半径与变形最之间的关系。D.Kecman 采用极限分析法对管材的管壁变薄进行了理论分析。日本学者对冷弯钢管也进行了广泛的研究。例如，远藤顺一、室田忠雄对圆管均匀弯曲的成形力、管截面扁平化、壁厚减薄、起皱等方面进行了较深入的理论和实验研究；浅尾 宏等探讨了弯曲加工过程中施加轴力、使用弯曲棋等来改替弯曲加工性，同时研究了弯曲加工温度对弯曲加工性的影响：村田真对弯曲时的内侧起皱、破裂、失稳等进行了实验研究。近年来，许多学者采用有限元法来分析管材的弯曲变形过程，其中富田佳宏，北川 浩等在这方面进行了较为深入的研究。吉林大学本科生毕业论文-
17、8 -应当指出，随着旋转拉弯式弯管机的使用，以及弯管过程中使用芯棒，使弯管的椭圆度较小，管壁减薄率也较小，外形己能符合要求，因此弯管的扁平化及减薄率己不再是研究的重点。众所周知，现代管子加工技术主要是向生产流水线发展，而流水线生产必须采用无余量弯管和先焊法兰后弯曲加工的新工艺。该工艺能节约材料，提高上产效率，能缩短造船周期，具有显著的经济效益。管子弯曲加工是弹塑性弯曲，弯曲加工后管子会发生回弹和伸长，所以在采用上述新工艺时，为能获得正确的管形，必须解决管子的回弹、伸长、回弹后半径以及起弯点确定等主要问题。1.3 板材及型材弯曲加工研究的方法及现状弯管是指将经过焊接的长管按照工艺图纸的要求弯制成
18、各种各样的蛇形管，由送料、夹紧和弯管三部分完成。送料是将管料从料架上翻入料槽中，由送料电机将管料送到挡管器处，再由直流伺服电机定长送料。在由液压辅助控制部分控制的顶墩夹夹紧、收紧夹收紧、弯管模闭合后，由弯曲缸带动弯模旋转弯管；顶墩缸推动顶徽夹使其给管料施加轴向推力，以满足弯管和顶墩的匹配要求。当一个弯头弯完后，再由直流伺服电机定长送料，同时转筒旋转一定角度（通常为 180 度） ，进行再一次弯管，直到整根管子弯完为止。 在现代工业生产中，板材和型材的弹塑性弯曲成形工艺被广泛地应用于制造压力容器、汽车、船舶和飞行器的外壳等大型金属壳体结构。尽管弯曲成形的工艺过程多种多样，但从力学角度来考察，主要
19、应研究解决以下几个问题。1 )材料的可弯曲性的评估；2 )成形力的计算，这是选择压力机和进行模具强度设计的基础；3 )回弹量的计算，这是保证产品几何精度和进行模具几何设计都具有重要意义4 )对可能发生的皱曲的预报和控制。目前对弯曲问题的研究主要采用以下方法：理论研究有限元模拟分析试验研究1.4 管材弯曲变形程度及弯曲力矩弯曲变形程度最小弯曲半径管材的弯曲变形程度（即最小弯曲半径） ，取决于相对弯曲半径 R/D 和相对厚度 t/D 的数值大小。R /D 和 t/D 越小，表示弯曲变形程度越大。当变形程度过大（即 R/D 和 t/D 过小）时，弯曲中性层的最外侧管壁会产生过度变薄，甚至吉林大学本科
20、生毕业论文- 9 -导致破裂：最内侧管壁将明显增厚，甚至失稳起皱；同时，随着变形程度的增加，断面形状的畸变也愈加严重。因此，为保证管件的成形质量。必须控制其变形程度在许可的范围内。管材弯曲时的允许变形程度，称为弯曲成形极限。管材的弯曲成形极限与板材弯曲时不同，板材的弯曲成形极限，主要取决于材料的力学性能，通常以弯曲时未产生裂纹前的内侧最小弯曲半径 r 表示。r 值越小，说明成形极限越大。由于管材薄壁结构的断面形状能够引起诸如断面形状畸变、壁厚不均及失稳起破等新问题，因此考察其成形极限时，必须充分考虑这些问题对管件使用性能的影响。这就是说，按照管件用途的不同，其成形极限就各不相同。换言之，管材的
21、弯曲成形极限不仅取决于材料力学性能及弯曲方法，而且还应考虑管件的使用要求。综上所述，管材的弯曲成形极限应包含以下几个内容：1 ）中性层外侧拉伸变形区内最大的伸长变形，不致超过材料塑性允许值而产生破裂的成形极限；2 ）中性层内侧压缩变形区内，受切向压应力作用的薄壁结构部分不致超过失稳起皱的成形极限；3 ）如果管件有椭圆度要求时，控制其断面形状畸变的成形极限；4 ）如果管件有承受内压的强度要求时，控制其壁厚减薄率的成形极限。由此可见，确定管材的弯曲成形极限是一个较为复杂的问题尤其对成形质量有较高要求的弯曲件，在制定弯曲工艺、确定工艺参数时，上述四种成形极限的条件，都要得到保证。同时也应说明，对于一
22、般用途的弯曲件，当采用通常的弯曲方法加工时，大都是已对管子的强度、外观不发生质量缺陷，作为决定成形极限的依据，无需过于苛求，只要管件能满足使用要求即可。弯曲力矩管材弯曲力矩的计算是决定弯管机力能参数的基础。下面根据塑性力学理论，分析导出管材均匀弯曲时所需弯矩的理论表达式。尽管它是近似的，不可能把诸多影响因素都准确地反映到计算公式中，但仍不失为有一定的参考价值。管材在均匀弯曲变形中，变形区横剖面上的应力分布如图 1 所示。吉林大学本科生毕业论文- 10 -图 1：变形区横剖面上的应力分布图按弹塑性工程弯曲于理论，假定：1 ）弯曲后，变形区的横剖面仍保持平剖面；2 ）管材圆周方向的变形忽略不计，即
23、假定弯曲时管径不变，变形区视为平面应变状态； 3 ）应力中性层位置不变，在此视为仍在管材横剖面中心。通过以上假设，其弯矩为 M，之后利用塑性变形应力与应变的关系求 M 的值。得到的结论是，在实际弯管过程中，管材弯曲时的弯矩，不仅取决于管材的材料性能、断面形状与尺寸以及弯曲半径等基本参数，同时也与弯曲方法、使用的模具结构等有很大关系。因此，目前还不可能把所有因素都准确地用计算公式表示出来，在生产中只能估算。1.5 工作过程及原理弧度渐变的弧度管，因其曲率半径不统一，而且其材料为强度较大的矩形管，同时其弯制的质量合格与否，直接关系到后续工序，如玻璃及外饰件的装配等方面，所以弯制技术要求较高。以往客
24、车制造中，一般是以技术较好的工人用氧一乙炔焊枪辅以其它工具手工完成，虽然能制出，但问题显而易见：a . 工人劳动强度大；b效率低，难以形成批量；c 弧度管弯制好坏，受其技术及经验影响程度大。此种方法只适合于试制或小批量生产的要求，对于批量较大的客车生产是不适合的。因此，企业必须有与产量相适应的弯管设备。液压仿形弯管机正是以其操作简单、弯制质量好、适合批量生产等优点很快得到客车企业的青睐。图 2 为相关液压伺服控制弯管机实物照片，本设计依照创新，变革为原则，与图中机构在外型和执行方案上并不一致，但可以完整实现其功能，虽不能称为成熟的商业产品，也不失为在同行业中的一次大胆尝试，唯希望能够启发相关设
25、计人员，经过千锤百炼研制出更为先进的机电设备，节约制造成本，提高同类产品在国际市场的竞争力。吉林大学本科生毕业论文- 11 -图 2：液压伺服控制弯管机实物图图 3 为弯管机外型示意图。图 3：弯管机外型示意图1-靠轮； 2-动滚轮； 3-定滚轮 a；4-可拆换模块； 5-上料支架；6-定滚轮 b; 7-矩形管；8- 机体；9- 芯轴；10-顶料支架；11- 操纵控制板其工作原理为：首先，在准备程序结束后（包括安装模块、靠轮、动定轮等），按动操纵控制板上的启动开关，使矩形管在上料支架的顶力（液压系统作用力）下沿液压系统滑轨由 A 端逐渐推至 B 端与顶料支架接触，同时模块组也随液压系统滑轨推至
26、 B 端，系统在限位开关作用下停止运动，上料结束（此过程靠轮 l 不与模块 4 接触）。如果系统一切正常，则进行弯制程序：按动弯制开关，靠轮 l 升起与模块 4 接触，在顶料支架 l ( ）作用下矩形管 7 与模块组 4 一同沿液压系统滑轨及芯轴按图示箭头所指方向运动，随着模块组 4 厚度的变化，靠轮 l 绕着以定滚轮 a 的圆心为圆心转动，同时动滚轮 2 也绕着以定滚轮 a 的圆心为圆心转动（靠轮 l 、动滚轮 2 、定滚轮 a3 组成相对不动的组合体），因动滚轮 2 在整个弯制过程中始终与矩形管 7 接触，从而改变矩形管 7 的输出轨迹，随着动滚轮 2 转动不同的角度，矩形管 7 以不同曲
27、率半径输出。 1.6 轨迹形成过程分析吉林大学本科生毕业论文- 12 -客车制造企业为了适应市场的需求，不断地推出新产品、新面孔；一般前后围弧度变化得较多，这就需要对靠模、模块尺寸进行选取。如何选取？要解决这个问题，就必须了解其轨迹的形成过程。从上面分析其工作原理可知，其主要部分在于靠轮、动滚轮、定滚轮组成的组合体随模块移动，导致矩形管输出轨迹变化才形成客车车身所需要的样件。样件形成过程如图 4 ，图 5，图6，图 7 所示。图 4图 5图 6吉林大学本科生毕业论文- 13 -图 7在分析各段之前，先对图 7 进行探讨。图 8 演示了靠轮 l 、动滚轮 2 以定滚轮 a3 的圆心为圆心分别转。
28、a 角、y 角时曲率半径的变化。首先当动滚轮 2 和定滚轮 a3 的圆心连线与矩形管平行时，也就是说，对矩形管不施外力。图 8在此种情况下，把矩形管推出来，仍是直的，可以认为其为半径无穷大的圆，即图 8 所示半径 Rl 的值即为无穷大；当逐渐顺时针转动，则半径会交于过定滚轮 b6 圆心与矩形管垂直的垂线上（因动滚轮 2 圆心与定滚轮 h6 圆心水平距离很小，可近似认为垂线为弯制圆的圆心会合点）；可知转 a 角对应的是与切线 h 垂直的半径 R2，转 y 角对应的是与切线 g 垂直的半径 R3 。不难看出，随转角增大，半径却逐渐减小，直至其极限位置的最小半径；最小半径对应值如何取？如图 5 所示
29、，当动滚轮 2 与定滚轮场外圆相切时，极限值为最小半径的值，如图 5 中半径为 R4；如果矩形管的宽度等于图 3 中滚轮主视图尺寸 2W 时（此处假设定滚轮 b6 也取 W ) ，则最小半径的值等于定滚轮防的中间轴半径。中间轴半径的最小半径设置依矩形管壁厚及壁高而定（参见锻压手册）。以上分析虽然只是探讨轨迹变化的过程，但由上述轨迹变化分析也不难理解靠轮、模块组等尺寸的改变同样决定弧度管弯制输出的曲率半径；同时上述分吉林大学本科生毕业论文- 14 -析便于分析各段轨迹的变化过程。AB 段：从图 4 到图 5 ，随着模块组 4 沿箭头方向推进，靠轮由于受到向外的力而导致其以定滚轮 a3 的圆心为圆
30、心向外转动，动滚轮 2 亦随之向外转动，半径逐渐减小，形成类似如图 8 的两侧 X 弧度部分；BC 段：从图 5 到图 6 ，其过程正好与 AB 段相反，半径逐渐增大，形成类似如图 8 的 Y 弧度部分；CD 段：水平直线段，半径值确定不变；形成类似如图 8 的中间 Z 弧度部分。1.7 靠轮及模块的选取弧度管的弯制除受靠轮，模块组等尺寸变化影响外，还要受其自身材质差异的左右；对于相同材质的矩形管，只要靠轮、模块组的尺寸形状不变，在同等推力下，其形成的弧度管的曲率半径应是相近似的；但在实际生产中不同时期、不同批次或从不同厂家进来的矩形管，其材质都有不同程度的变化，有的材质相差较大，这就给弯制带
31、来问题。由金属工艺学方面的知识可知，不同材质的矩形管，其强度、硬度等性能不同，导致其受弯力后弹性变形亦不同，当矩形管被弯制的部位离开滚轮后（外力去处），由于弹性变形的存在，弧度管会略微回弹（回弹角依材质不同一般为 0 一 10 度 范围内），即向外展，如图 2 ( e ）所示；对弧度管来说，其回弹力（导致弧度管向外展的力）不同，弯制的结果弧度大小亦不同。怎样解决这个问题呢？由上面轨迹形成分析可知：a 当模块组尺寸形状不变时，在模块组上任选一点来改变靠轮半径，当靠轮半径逐渐增大，此时对应点弯制的弧度管半径逐渐变小，出现如图 2 ( e ）所示的内敛；反之，则外展；卜当靠轮半径不变时，改变模块组尺
32、寸，在模块组上任选一点，如加厚此点，则此时对应点弯制的弧度管半径变小，出现如图 2 ( e ）所示的内敛；反之，则外展。因此，改变靠轮半径或改变模块组尺寸都可解决由材质不同导致弧度管变化问题，同时选取靠轮、模块组也要把不同材质矩形管的回弹角度考虑进去，以便得到相对准确的弯制弧度。实践中笔者总结的经验为：a 弯制输出的弧度管的弧度要适当内敛，既可抵消回弹，又便于校形；b 靠轮半径的变化比较适合改变弧度管的整体弧度大小；C 如改变弧度管的某一段局部弧度大小，则改变相对模块组尺寸可能较好些。1.8 辅助设备的应用辅助设备的应用是对液压仿形弯管机应用的补充。由于上述诸多因素的不确定性，对弧度管弧度的控
33、制过程是很复杂的，如频繁地更改靠轮半径或模块组尺寸势必增加工作量，同时也是不现实的。对于一些弧度相差不大，但又不符合技术要求的尺寸，选用液压设备配以相应的工装进行校形，也能较好地解决一些弧度不合格的问题。另外，校形样板（以标准弧度管为母体制作的样板）也是不可少的辅助工具，既作为校形用工具，又是检验的标准。1.9 阶段总结及论文研究的目的，意义客车弧度管的弯制必须有与之适合的设备及合理的控制，这样才能减少校形的工作量，以及后续工序中与之对应装配的质量控制难度。通过上述分析探讨，一方面，尽可能减少实际操作中的不足之处；另一方面，也希望同行能够提出更好的见解，便于交流改进。吉林大学本科生毕业论文-
34、15 -管子弯曲加工是客车制造过程中非常重要的环节和必不可少的工艺过程。进入八十年代后，随着汽车制造业的飞速发展，管子弯曲加工的进度和质量直接影响生产周期和交付使用。为了满足生产的需要，我国客车制造企业纷纷加大投资，购买国外国内先进的数控弯管机例如：上海客车厂、大连客车厂、大连客车新厂先后购买了美国 WALLACE COAST ( Jesse Engineering Co . ）公司的数控弯管机，豪无疑问，这些硬件投资是值得的。随着数控弯管机的推广使用，与之相应的软件建设（即弯管的精确加工成形理论与实验研究）提上议程，只有软硬件相结合，才能使数控弯管机真正发挥作用。现代客车管子加工技术的发展方
35、向是生产流水线，而流水线生产必须采用“无余量弯管”和“先焊法兰后弯曲加工”的新工艺该工艺能节约材料，提高生产效率，能缩客车生产周期，具有显著的经济效益。管子弯曲加工是弹塑性弯曲，弯曲加工后管子会发生回弹和伸长，所以在采用上述新工艺时为能获得正确的管形，必须解决管子的回弹、伸长、回弹后半径以及起弯点确定等成形工艺问题。第二章：液压系统的设计通常，设计液压伺服系统的方针是在保证系统各项静动态特性都满足预定要求的前提下，寻找出尽可能简单、可靠、经济、耐用的具体结构方案 。鉴于本系统功率和负载都比较大，其主参数的确定及元件的选择主要是为了满足拖动负载要求，同时考虑其对系统静动态特性的影响。至于系统各项
36、特性的实际数值，它们不仅与机械部分和电器部分设计有关，而且只有在各部分设计方案付诸实施后，在工作现场，通过具体调整才能确定。2.1 明确设计任务设计任务书规定：弯曲管料的最大直径 D =63.5 毫米，管材12Cr2MOWVTIB(钢研 102)，343N 牛每平方毫米（常弯曲的钢管），弯曲管料的最小直径 D= 38 毫米,管子最大弯曲半径 R= 120 毫米为（常弯曲半径）；管子最小弯曲半径 R=45 毫米，弯管模弯管角速度为 0-2 转每分（常弯管角速度为 2 转每分) ，最大回转角度为 190 度，回转重复定位误差小于等于正负 0.1度。管子弯曲角度为 0 一 180 度，误差小于等于正
37、负 0.5 度。要求所设计的电液伺服系统工作稳定、可靠，在 CNC 中能进行连续弯管轨迹控制。2.2 分析系统负载按 JB2671-82 标准，弯管机的旋转力矩 Mt 为：Mt=Mw+Mym+Mxm式中，Mw式件弯曲力矩，按下式计算。Mw=K1+K0/(4Rx)Ws吉林大学本科生毕业论文- 16 -其中，K1截面形状系数，K1=1.275（D-2S）/（D-3S）,D,S 分别为管材公称外径，壁厚，单位均为毫米。K0为材料相对强化系数。W管材截面系数，W=(D-d)/(32D),d 为公称内径，单位为毫米。s为材料屈服极限。Rx相对弯曲半径，Rx=R/D,R为弯曲半径。Mym材料摩擦力矩，用移
38、动式滑槽时，Mym=（0.1-0.15）Mw。Mxm心轴摩擦力矩，本机无此力矩。当弯曲的材料为 12Cr2MOWVTIB，D=63.5mm,S=12s,d=D-2S=39.5mm, 343N 牛每平方毫米,取 K0=11.6,Mym=0.15Mw,由上式算出，当弯曲半径为 R=120mm 时，Mw=24.677kN.m,Mt=28.387kN.m。当弯曲半径为 R=1.18D 时, Mw=31.445kN.m,Mt=36.16kN.m。通过对钢管变形机理的研究，在弯管过程中，主油缸最大推力为 F=0.55Mw/R。2.3 确定控制方案从设计任务书规定的弯曲角度、控制精度和估算的负载力，以及使系
39、统结构尽可能简单起见，本系统宜采用阀控缸式结构，如图 9 所示。图 10 和图 11 分别表示完成弯曲旋转和主油缸工作的数字式液压位置伺服系统方块图。吉林大学本科生毕业论文- 17 -图 9：液压系统图图 10：弯曲缸液压位置伺服系统方框图图 11：主油缸液压位置伺服系统方框图2.4 确定伺服系统主参数，选择元件供油压力的确定：在一定的输出功率情况选较高的供油压力对系统精度、灵敏度利；选用较低的供油压力可以降低成本减少功率损失、延长设备使用寿命等。吉林大学本科生毕业论文- 18 -在情况允许的条件下，总希望选用较低的供油压力。当然，供油压力的确定还必须与伺服缸尺寸相配合，并与系统组成元件的额定
40、压力相适应。根据上述理由，参考有关弯管机的供油压力，考虑到各方面因素，确定系统供油压力 Ps=18MPa。元件主要规格尺寸的确定及型号的选择。根据机械设计部分从强度角度考虑，选齿条齿轮机构中齿轮分度圆直径 Dr = 256 mm,这样，力臂 Rr=128mm, 故弯曲缸负载（推力）为 Mt/Rr。现要求弯管角速度 =0-2 转每分，即弯管模最大角速度为 0.02094 转每秒，则弯曲缸最大速度等于 26.81 毫米每秒。当弯曲半径 R=120mm 时：弯曲缸推力 F1=Mt/Rr=28.378/0.128=221.7kN,考虑摩擦等因素影响，取 F1=225kN。主油缸推力 F2=Mt/Rr=
41、0.55*24.677/0.12=113.1kN,取 F2=120kN。因主油缸速度稍大于弯曲缸线速度，取 V2=25mm/s。图 12图 13吉林大学本科生毕业论文- 19 -根据以上计算值，可以概览画出系统负载图。如图 12 和图 13 所示。对于功率和负载较大的本系统，以常用的负载力（R=120mm）及PL=（2/3）PS 来确定缸径。并确保最大负载时压力低于 PS。且此时伺服伐应能提供所需速度的负载流量。据一般的教科书及文献，计算液压缸缸径方法及选择伺服阀原则，在得到缸径尺寸后，经标准化处理，并考虑机械部分设计要求，最终确定：弯曲缸缸径 D = 200mm( d = 150mm) ，最
42、大行程 L = 3100mm（根据弯管模最大回转角度确定）；主油缸缸径 D=60mm,d 40mm（主要从强度方面考虑），最大行程L=700mm 。为减少规格，两电液伺服阀均选用 QDY-10 型，并留有一定的负载和流量余量。相应的伺服放大器为 SVA 一 l 型，数字检测器为 LF 型增量光电编码器，它们主要根据系统在增益、精度和频宽上的要求而从有关样本中挑选出来的。根据系统压力 PS、及所需最大流量，恒压变量泵选用 TBP-50 型。2.5 液压油缸的设计和计算通常，液压油缸的选择是在保证系统各项静动态特性都满足预定要求的前提下，寻找出尽可能可靠、经济、耐用的液压油缸。鉴于待加工的管材由于
43、直径和材料的不同，所需的液压油缸的最大推力也不尽相同。为了选择最合适的液压油缸，我们对最常用的儿种铜管所需的推力进行了计算。管材的弯曲力矩估算公式为：M=Wb /D式中M弯曲力矩因摩擦而增大的系数W抗弯断面系数，管材的 W=/32（DDD-ddd）b材料抗拉强度D管材外径中性层曲率半径弯曲所需的推力 F=4M/l吉林大学本科生毕业论文- 20 -式中 l 为弯曲件宽度。推杆直径 D=2 C其中 P=6.3MPa根据以上计算公式，可以计算弯曲各种材料所需的推力，如表 l 所示。根据以上分析可以得知，管材弯曲力矩随着外径的增大而增大，随着中型层半径的减少而增大。当取外径 D =24 , =32 ，
44、则所计算弯曲力矩最大。同时不锈钢无缝钢管所需弯曲力矩最大，相应的所需推力及推杆直径也最大。挤制铝青铜管、黄铜管、拉制铜管则依次减少。根据以上的计算，本着安全、经济的原则制作了相应的油缸作为执行件。达到了经济实用的目的。2.6 阶段总结本伺服系统属于数字电液伺服控制系统类型，它由两个并联的连续位置控制系统组成；两伺服缸运动相互关联；指令脉冲输入由计算机两个坐标给出。增量光电编码器不仅能检测液压缸运动位移，而且还可以通过脉冲发生的频率测量其运动速度。因此，系统可以实现对伺服缸运动速度、位置双重控制。本机具有调整机构和各种模具，具有一定的通用性，适应了各种加工的要求。各液压缸的外形结构及安装形式均根
45、据其结构特点及工作需要自行专门设计，油缸的活塞杆外伸部分加工外螺纹，以便固定连接块和油缸的安装。液压系统的液压元件分别固定在几块集成块上，再把各集成块叠加组成液压集成回路。其中自动控制电路均为现有技术，具有安全可靠的特点。研制成的基于液压控制系统的自动 U 型弯管机综合性能良好，具有结构紧凑、体积小、搬运和使用方便等优点，解决了一些厂家生产 U 型管的技术难题。该机采用普通金属材料，结合液压传动和自动控制原理，技术上易于实现，具有工作效率高和易于控制等功能。同时制作方便、价格便宜，能产生较好的社会效益。在结合其他弯管机优点的同时，充分考虑了利用液压油缸来进行弯曲半径的自动选择和自动工作，大大提
46、高了生产效率计整体结构简单，避免了控制系统的复杂化。 吉林大学本科生毕业论文- 21 -第三章：弯管机控制部分简介3.1 PLC 在弯管机控制中的应用弯管机主要用来将管材弯成一定的弧度、成型。传统的弯管机控制通常是由继电器控制盘完成。首先，由于继电器控制盘工作可靠性不够高，只要其中一个触点出现问题，就会导致整个电控部分出现故障。其次，有部分非标配件市面难整需要花费较长的时间。因此，考虑到用 PLC 对弯管机的控制系统进行改造。文中介绍将弯管机的控制部分采用施耐德公司的 PLC 及人机界面进行改造。3.2 PLC 控制原理可编程控制器简称为 PLC ( Programmable logical
47、controller ) ，是一种数字运算操作的电子系统，是工业控制专用计算机，是生产过程控制的通用自动控制部件，能完成算术逻辑运算、定时计数控制等操作。20 世纪中叶，由于市场的需要，工业生产开始从大批量、少品种的方式转变为小批量、多品种的生产方式。这种方式在汽车生产中得到充分的体现，当时汽车组装生产线的控制采用继电器控制系统。这种控制系统体积大，耗电多，特别是改变生产程序很困难。因此，一种新型的控制设备呼之欲出。为了改变这种状况，1968 年美国通用汽车公司提出了十项招标指标公开对外招标，要求用新的电气控制装置取代继电器控制系统，以适应迅速改变当产程序的需要。1969 年，美国 DEC 公
48、司研制出第一台可编程控制器 PDP 一 14 , 用在 GM 公司生产线上，大获成功川。PLC 的控制特点可以简单概括为：用软件代替硬件，PLC 内部的软接点代替了继电器的硬接点。它具有编程方便、稳定可靠、控制功能强、使用和维护方便、环境要求低以及性能价格比好等特点因此，改变生产控制要求时，只要对控制系统的软件进行修改即可，大大缩短了生产周期，提高生产效率。而PLC 的 MTBF （平均无故障工作时间）更是高达（4 一 6 )万小时。PLC 的出现被誉为 20 世纪 70 年代的一场工业革命，自 1969 年问世以来，发展迅猛。现在，与机器人、CAD / CAM 并称为自动化三大技术支柱之一的PLC ，
