摘要：將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于沖壓件的卷邊成形、研究了數(shù)控卷邊的加工原理，分析了數(shù)控卷邊與傳統(tǒng)旋壓卷邊的差別，并介紹了己開發(fā)的數(shù)控卷邊系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：數(shù)控；卷邊成形；步進(jìn)電機(jī)；開環(huán)控制 目前，沖壓件的卷邊成形基本上都依靠模具來完成：如拉深或擠壓模隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代，品種多樣化已成為一個(gè)企業(yè)能香立足于市場的關(guān)鍵因素，用戶對產(chǎn)品提出了更高的要求，企業(yè)只有更多地適應(yīng)市場需求才能得以生存，這就需要企業(yè)擴(kuò)大產(chǎn)品的種類，提高產(chǎn)品質(zhì)量及縮短產(chǎn)品的開發(fā)和交貨時(shí)間，實(shí)現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)。要滿足不同用戶的需求，利用模具加工很難從根本上解決問題這主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面： （1）模具加工周期長，適告于大批量定型產(chǎn)品的生產(chǎn)小批量生產(chǎn)的投資回收率不高； （2）利用模具加工適應(yīng)性差，一套模具一般只能用于加工一種產(chǎn)品，產(chǎn)品的尺寸一改變，模具必須重赫設(shè)計(jì)加工，這無疑會(huì)增加生產(chǎn)的成本； （3）模具加工維護(hù)過程復(fù)雜。需要經(jīng)常修模以保證加工精度?？烧{(diào)整性差。 數(shù)控加工技術(shù)是目前制造業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，利用這一技術(shù)，對硬件無須作出太大的改變。只需針對不同類型的產(chǎn)品適當(dāng)調(diào)整軟件參數(shù)，即可得到滿意的結(jié)果。大大提高了生產(chǎn)的靈活性。因此將數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用于沖匪件的卷邊成形中，將能克服模具加工的不足，滿足未來單件、的難度。 1加工原理 圖1所示是一形狀任意的工件外形曲線，其曲線方程y=f（x），為適合系統(tǒng)的加工控鉗計(jì)算，需將其轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)方程。取坐標(biāo)原點(diǎn)在工件的凰轉(zhuǎn)中心，以距回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的點(diǎn)（圖中1點(diǎn)）為起始點(diǎn)變換方程為 用式（1）求得曲線上各點(diǎn)的極坐標(biāo)θ、ρ（θ），得到工件的外形展開曲線如圖2所示。圖中ρmax一為工件外形曲線上距回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)點(diǎn)的極半徑，ρmin為最近點(diǎn)的扳半徑。為了能完成上述曲線工件的卷邊，從（點(diǎn)I）出發(fā)的旋輪進(jìn)給量D（θ）應(yīng)滿足如下方程 式中：ρ（θ）為工件外形曲線上點(diǎn)的極半徑。 一般來說，這種工件的外形曲線很難用理論公式準(zhǔn)確表示，文中采用三次樣條函數(shù)擬合得到。邊界條件按周期函數(shù)（封閉曲線）來定。即 進(jìn)一步得到的旋輪進(jìn)路量曲線如圖3所示利用旋輪進(jìn)給量曲線求解旋輪回轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的過程如圖4所示。任意選取置工件外形曲線，O點(diǎn)為工件回轉(zhuǎn)中心，旋輪半徑為R。過成形點(diǎn)A，沿外法線方向距A點(diǎn)R處取點(diǎn)O[sub]1[/sub]連接O[sub]1[/sub]，O，OO[sub]1[/sub]與外形曲線的交點(diǎn)為B、即為進(jìn)給點(diǎn)。也就是說，當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)β角至B點(diǎn)時(shí)，旋輪進(jìn)給，成形點(diǎn)將在A點(diǎn)，B點(diǎn)的求解過程為 求得點(diǎn)A至點(diǎn)O[sub]1[/sub]的坐標(biāo)之差△x、△y。式中：ρ（）為外形曲線上A點(diǎn)的切線斜率。B點(diǎn)的極角為 ρ（b）可由外形曲線方程求得。OO[sub]1[/sub]的長度。由下式求得 式中：IOO1max是距O點(diǎn)最遠(yuǎn)的O[sub]1[/sub]點(diǎn)到的距離，此時(shí)B點(diǎn)與A點(diǎn)重合；ρmax是最遠(yuǎn)的O[sub]1[/sub]點(diǎn)對應(yīng)的B點(diǎn)極半徑。旋輪回轉(zhuǎn)中心運(yùn)動(dòng)軌跡曲線表達(dá)式為 此即所求的旋輪進(jìn)給曲線方程。 利用F（t）進(jìn)而可求得f（θ）和f（θ）。步進(jìn)電機(jī)的速度控樹曲線F（t）可由式（9）求得 式中：PL為步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量；ω是工件的旋轉(zhuǎn)速度。 利用曲線F（t）就可以編制相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)控制脈沖指令，通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，而控制旋輪按照上述連給曲線f（θ）完成成形進(jìn)給。用三次樣條插值求解f（θ），f（θ）曲線，進(jìn)而獲得F（t）曲線，其中必然存在數(shù)值計(jì)算的誤差本文以橢圓為倒，用理論曲線計(jì)算的結(jié)果與本算法所得的結(jié)果進(jìn)行比較，其誤差很小。這說明采用本算法是可行的。為簡便起見，選用0～5 。的6組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果見表1和表2。（橢圓長半軸為90mm，短半軸為70mm）。 2數(shù)控卷邊工藝與傳統(tǒng)旋壓卷邊工藝的比較 數(shù)控卷邊工藝與傳統(tǒng)的旋壓卷邊工藝相比較，如圖5所示。 由圖5可以看出兩種加工工藝的成形機(jī)理是一致的、都采用連續(xù)局部塑性成形技術(shù)成形過程中板厚基本保持不變。工作時(shí)，旋輪進(jìn)給與坯料近似點(diǎn)接觸。當(dāng)坯料與旋輪接觸局部所受應(yīng)力超過其變形抗力時(shí)、就產(chǎn)生局部塑性變形，隨著旋輪的連續(xù)進(jìn)給和與工件的相對旋轉(zhuǎn)，變形區(qū)由點(diǎn)到線，由線到面不斷擴(kuò)展，晟后實(shí)現(xiàn)成形。這種連續(xù)局部塑性成形的變形區(qū)很小、所以。相對于普通成形工藝來講。成形工藝力很小。僅為整體沖壓成形力的幾十分之一、甚至百分之一。 兩種工藝之間也有很大的區(qū)別：傳統(tǒng)旋壓卷邊過程中旋輪僅作單向連續(xù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而數(shù)控卷邊過程中，旋輪要配合工件的旋轉(zhuǎn)作快速的往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)因此，傳統(tǒng)的旋壓工藝只適合于加工軸對稱的回轉(zhuǎn)體零件。對于如橢圓、梅花、帶圓角過渡的方形件無法加工。數(shù)控卷邊則不僅適用于上述形狀的零件的卷邊成形。而且適合許多外形更為復(fù)雜的沖壓件的卷邊成形。 3數(shù)控卷邊系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 已開發(fā)的數(shù)控卷邊成形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖6所示主要由三部分組戚： （1）卷邊成形機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)通過單根滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，由交流電機(jī)通過蝸輪蝸桿帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)； （2）PC486微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，采用通用微機(jī)接口電路； （3）在線位置檢測部件、壓力傳感器及其信號處理電路。 系統(tǒng)采用單軸開環(huán)控制方式。在成形加工過程中，首先進(jìn)行工藝參數(shù)的計(jì)算：根據(jù)成形件的形狀要求和卷邊量大小決定毛坯的外形尺寸，然后用磁盤文件或手工將毛坯的形狀、尺寸、卷邊量、卷邊單改進(jìn)給量等工藝參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過接口電路向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照工藝要求的轉(zhuǎn)向和速度旋轉(zhuǎn)，連接在步進(jìn)電機(jī)上的豫珠絲杠帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給同時(shí)。裝在減速器輸出軸上的工件恒速旋轉(zhuǎn)；減速器輸出軸上的光電斷路器檢測每一次進(jìn)給的啟動(dòng)信號。將其反饋到微機(jī)中，以確定旋輪的初始進(jìn)給并補(bǔ)償累積誤差。這樣，通過控制步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)定的速度曲線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)成形機(jī)構(gòu)（旋輪）進(jìn)給，配臺工件旋轉(zhuǎn)完成卷邊成形加工。 4控制軟件的界面 為了在實(shí)際應(yīng)用中簡化整個(gè)數(shù)控卷邊成形過程的控制操作，作者在DOS環(huán)境下用C++開發(fā)了類Windows界面控制軟件，使用彩色圖形漢字下拉式菜單驅(qū)動(dòng)，提供鼠標(biāo)和鍵盤兩種工作方式。其主界面如圖7所示，功能框圖如圖8。 除了主要控制模塊外+本軟件還提供了許多輔助功能模塊：幫助，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)棱查，成形模擬等。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備提供三種交互方式實(shí)現(xiàn)加工曲線的輸入數(shù)據(jù)棱查可在屏幕或打印機(jī)上輸出加工工件外形曲線及對應(yīng)的旋輪進(jìn)給速度、加速度曲線+以方便對數(shù)據(jù)準(zhǔn)備部分運(yùn)行結(jié)果的核查。成形模擬提供靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種方式，靜態(tài)模擬是理論進(jìn)給速度曲線與實(shí)際實(shí)現(xiàn)曲線直觀的對比。動(dòng)態(tài)模擬形象地顯示旋輪與工件的配臺運(yùn)動(dòng)情況。幫助項(xiàng)實(shí)際上是奉軟件的使用說明。和用它可以在線查找遇到問題的解決辦法。 整個(gè)控制軟件簡單、易學(xué)、易操作，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，人機(jī)界面友好，容錯(cuò)性強(qiáng)，在實(shí)際運(yùn)用中效果良好。 5數(shù)控卷邊系統(tǒng)的應(yīng)用范圍 本系統(tǒng)不僅可以加工外形曲線具有理論表達(dá)式的工件+對于其它無法用理論公式準(zhǔn)確表示的工件-利用上述方法，也可以進(jìn)行加工。并且，改變的過程非常方便，只需在最初數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段將這種工件外形的一些特征參數(shù)輸︿即可。這種可通過微機(jī)控制而改變所加工不同外形工件的功能。大大拓寬了本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，使系統(tǒng)具有很大的柔性另外，只要將旋輪的結(jié)構(gòu)做一適當(dāng)?shù)恼{(diào)整+也可以完成其它類似翻邊、縮口、擴(kuò)口、膿形等工藝所能完成的沖壓件的成形加工。 圖9所示為系統(tǒng)設(shè)計(jì)加工的幾種典型工件曲線：（a）標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，（b）仿橢圓形，（c）仿梅花形，（d）帶圓角過渡多邊形。這幾種曲線已做成標(biāo)準(zhǔn)圖庫存于系統(tǒng)中，加工時(shí)只需輸人它們的特征值即可。 6結(jié)束語 數(shù)控卷邊成形系統(tǒng)用低精度的成形旋輪即可進(jìn)行任意曲線的平板沖壓件的卷邊，若旋輪磨損，經(jīng)過對工件直接的在線檢測可自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償該技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是加工設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、投資少、加工成本低，柔性好。 基于數(shù)控卷邊成形技術(shù)，進(jìn)一步完善本文開發(fā)的系統(tǒng)、提高系統(tǒng)的精度、可靠性、自適應(yīng)性，努力將之應(yīng)用與生產(chǎn)實(shí)踐，開發(fā)出具有商業(yè)價(jià)值的數(shù)拉卷邊機(jī)，將是下一步工作的重點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) [1] 劉亞東．微機(jī)數(shù)控卷邊成形設(shè)備的開發(fā)及精度分析[D]．西安：西安 交通大學(xué)．1999 [2] 馬澤恩．計(jì)算機(jī)輔助塑性成形．[M]西安：西北工業(yè)大學(xué)出版版，1995 [3] 張建民．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1996 [4] Takadhi．Stepping Motors and their Microprocess or Controis[M]．Oxford：CLeardoon Press