數(shù)控彎板機系統(tǒng)設計含SW三維及9張CAD圖

數(shù)控彎板機系統(tǒng)設計含SW三維及9張CAD圖,數(shù)控,板機,系統(tǒng),設計,sw,三維,cad 摘要 數(shù)控彎板機是在工廠里面廣泛使用的金屬加工工藝機械設備，而金屬板材的角度彎折技術和板件加工成形技術存在一些諸如操作技術很復雜，金屬板材彎曲后質量較差，且需要經常更換整體模具導致費用高，經濟效益低，同時產生了環(huán)境污染等問題。本文通過對彎板機整體機械結構進行設計，包括頂模動力槽架、可替代頂模、可替代底模、彎板機頂蓋、底座、彎板機橫桿支架、橫梁、彎板機立柱等結構。利用活絡方形壓頭的可變性，頂模和底模的可替換性，以及上下模非對壓方式進行金屬板材的加工彎曲，可以較高質量的保證板材沖壓成形，同時節(jié)省了很多人力，物力，避免加工時由于板材和壓頭模具接觸面積小，不夠全面所產生的剪力，導致板材產生壓痕，褶皺等缺陷，對于環(huán)境更加友好，減少了樣板的制作，提高了加工效率。 關鍵詞：彎板機 機械結構 模具離散化 結構優(yōu)化 Abstract Numerical control bending machine is widely used in the metal processing machinery and equipment in the factory, but there are some problems in the angle bending technology and the sheet metal processing and forming technology, such as the complex operation technology, the poor quality of the sheet metal after bending, and the need to replace the whole mold frequently, which leads to high cost, low economic efficiency, and environmental pollution.In this article, I designed a bending machine structure, covering the top mold power trough frame,alternative top mold, alternative bottom mold, bending top cover, base, bending machine crossbar bracket, beam, bending machine column and other structures. By using the variability of the movable square indenter, the replaceability of the top mold and the bottom mold, as well as the processing and bending of the sheet metal by the upper and lower mold, the sheet metal stamping could be guaranteed with high quality, a large number of labor force and natural resources also could be saved, so as to avoid the shear force caused by the tiny touch with part between the metal plates and the indenter mold, which leads to the indentation and pleat of the sheet metal Wrinkle and other defects,which are more environmentally friendly, reduce the production of the model, inproved processing efficiency. Key Words : Bending machine;Mechanical structure;Die discretization；Structural optimization; II 目錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1引言 1 1.2數(shù)控彎板機系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 1 1.3 論文主要研究內容 2 第2章 彎板機力學簡圖與受力分析 3 2.1 彎板機類型 3 2.1.1 三輥式彎板機 3 2.1.2三維數(shù)控彎板機 3 2.2 彎板機力學模型 3 2.3 彎板機力學分析與力學簡圖 4 2.3.1 彎板機立柱強度計算 4 2.3.2 彎板機頂蓋的強度校核計算 4 2.3.3 彎板機底座強度校核計算 5 第3章 三維數(shù)控彎板機機械結構設計 7 3.1 彎板機主要零部件設計 7 3.1.1彎板機頂蓋 7 3.1.2彎板機底座 7 3.1.3彎板機立柱 8 3.1.4彎板機橫梁 8 3.1.5彎板機橫桿支架 9 3.1.6彎板機頂模動力槽架 9 3.2彎板機總裝三維圖 10 第4章 數(shù)控彎板機系統(tǒng)總體設計 12 4.1單元體壓頭設計 12 4.1.1單元體壓頭主要構成 12 4.1.2單元體壓頭受力分析 12 4.1.3單元體壓頭非對壓成形 12 4.2 彎板機單元體壓頭控制系統(tǒng) 13 4.3通訊總線 14 4.3.1現(xiàn)場總線技術特點 14 4.3.2 現(xiàn)場總線的選擇 14 4.4液壓控制系統(tǒng)設計 14 4.4.1 運動控制 14 4.4.2 保護功能 15 4.5 電機選擇 15 4.6 數(shù)控彎板機加工流程 15 第5章 彎曲成形實驗與數(shù)據(jù)分析 17 5.1實驗基本情況介紹 17 5.1.1實驗目的 17 5.1.2 實驗主體 17 5.1.3 實驗設備 17 5.2 實驗過程 18 5.2.1帆形件實驗過程 18 5.2.1鞍形件實驗過程 20 5.3實驗數(shù)據(jù)分析 21 5.3.1帆形件分析 21 5.3.2鞍形件分析 21 第6章 經濟分析與綠色工業(yè)發(fā)展 23 6.1經濟成本預算 23 6.2項目管理 24 6.2.1項目時間管理 24 6.2.2項目成本與質量管理 24 6.2.3項目風險分析 24 6.3環(huán)境影響與可持續(xù)發(fā)展 24 6.3.1數(shù)控彎板機系統(tǒng)設計制造的環(huán)境影響 24 6.3.2 工業(yè)三廢的處理 25 6.3.3 數(shù)控彎板機制造的可持續(xù)發(fā)展 25 第7章 研究展望與總結 26 7.1總結 26 7.2研究展望 26 參考文獻 27 致 謝 28 25 第1章 緒論 1.1引言 眾所周知，金屬板材在我們的日常生活當中起到十分重要的作用，它們擁有很高的使用價值和優(yōu)點，例如加工難度較低，質量小，重量輕，利用率高，價格便宜，生產效率高，在汽車、食品、化工等領域內應用十分廣泛。金屬板材的加工一直是金屬加工工藝研究的重要內容，而數(shù)控彎板機則是用于金屬板材彎曲的一種重要機械設備，不同類型的彎板機，進行加工彎曲的原理有所不同。對于生產數(shù)量多，加工規(guī)模大的金屬板材，我們可以利用彎板機的整體模具對板材進行沖壓成形，由于模具不變，不需要替換，所以這種加工方法的優(yōu)點是加工效率高，容易實現(xiàn)機械自動化，節(jié)省人工成本，但是當加工目標數(shù)量少甚至是單件生產時，我們需要經常更換模具，這使得加工成本大大提高，浪費人力、物力以及時間，因此采用固定的模具對板材進行沖壓成形只適用于低端和普遍加工的情況。為了提高加工精度和加工的效率，我們可以采用離散化模具來對金屬板材進行自動化沖壓成型加工，運用可重構模具的概念和多點成形技術可以使得模具任意變化，隨著各種類型的金屬板材以及加工要求的變化及時調整。將整體模具離散化，即將整塊模具分成許多塊微細的基本體，我們也可以稱其為單元體，每一塊微小的單元體都可以控制升降，調整高度，模具的離散性和可替換性使得金屬板材加工的工藝效率大大提高，精度也隨之改善。 1.2數(shù)控彎板機系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 有關于數(shù)控彎板機系統(tǒng)，國內外研究人員進行了非常深入的研究，對于本課題的開展具有較大借鑒意義。國外著名的大學麻省理工學院也成功研發(fā)出一種新型裝置，這種新型裝置可以進行金屬薄板拉壓成形原理的研究，研究產生的結論和成果繼續(xù)和多點成形技術相結合，并延伸出更多的新型多點成形裝置用于金屬板材的彎曲加工。 國內有關彎板機系統(tǒng)的研發(fā)也從未停止前進的步伐，吉林大學李明哲教授和其率領的優(yōu)秀科研團隊也取得了很大進展，利用多點成形技術進行深入全面的研究，創(chuàng)造出了一種運用空間上多個點，以點與點形成包絡面，以此進行金屬板材的加工彎曲，這種方法被命名為多點成形法。應用多點成形技術的可重構模具進行板材彎曲成型的效率很高，加工精度也更加細致，對于復雜彎曲面也能保證較高精度和成形質量。但是多點成形裝置也有缺陷和弊端，在金屬板材進行加工彎曲時，單元體的壓頭與被加工的材料所接觸的面積小，單元體壓頭并沒有全面覆蓋住被加工板材的所有面積，這使得板材未被覆蓋的部分產生了局部剪切力，因此彎曲成型后的板材很易產生局部褶皺、受壓痕跡大等缺陷。國內外的研究人員針對以上產生的問題進行了一些改進措施，為了使金屬板材所受壓力均衡，可以在單元體壓頭與板材相接觸的部位使用彈性墊或橡膠墊，以此減小受壓所產生的壓痕，同時也可以減小局部褶皺。以上的改進措施能夠有效保證金屬板材彎曲的質量，但是也增加了金屬板材成形的難度和加工成本。 我們通過對各種類型的彎板機機構進行分析，可以得出彎板機在對金屬板材彎曲加工過程中易產生的缺陷和制約因素，并在前人研究的基礎上加以改進。 1.3 論文主要研究內容 針對目前彎板機對金屬板材的加工成形技術，本文對彎板機的整體機械結構進行設計，包括頂模動力槽架、可替代頂模、可替代底模、彎板機頂蓋、底座、彎板機橫桿支架、橫梁、彎板機立柱等結構，通過對機械結構設計的優(yōu)化，提高加工精度，板材成形效率。目前國內多數(shù)利用離散化模具的彎板機單元體采用了半圓球形壓頭，這種半圓球形壓頭使得加工接觸方式為點接觸，由多個空間點組成的包絡面與真正的空間曲面區(qū)別較大，上下單元體的壓頭也采用了對壓方式，上下單元體的中心線都在一條直線上，以上問題使得單元體壓頭和被加工金屬板材不具備很大的接觸面積，單元體壓頭沒有覆蓋住全部的被加工金屬板材表面，導致金屬板材部分產生了剪切力，剪切力使得被加工板材出現(xiàn)較深的壓痕、板材局部產生褶皺現(xiàn)象。 針對上述問題，本文提出了一種利用模具離散化、可重構型模具的金屬板材彎曲成型技術，設計出了彎板機的一種機械結構，它的優(yōu)點是單元體壓頭與金屬板材相接觸的面積形狀為正方形，模具的上下壓頭進行錯位，每一個單元體上下不在同一軸線上的非對壓方式，從多個空間點組成的包絡面轉換為多個面組成的包絡面，強化了板材彎曲的精度，可以解決更加復雜，要求更加細致的板材彎曲問題。 第2章 彎板機力學簡圖與受力分析 2.1 彎板機類型 根據(jù)對板材的不同彎曲方式，簡要介紹以下兩種不同的彎板機類型，第一種是對板材進行滾彎成形的三輥彎板機，第二種則是模具離散化的三維數(shù)控彎板機。 2.1.1 三輥式彎板機 機械傳動的三輥式彎板機是利用上輥的垂直移動來實現(xiàn)板材彎曲的半徑大小，然后利用兩個下輥的轉動來達到板材彎曲的目的。若選擇三輥式彎板機就需要對整體機械結構的上下支撐輥、上下工作輥、上橫梁以及底座進行設計，選擇合適的金屬材料和加工方式來保證加工的精度和導向精確。 三輥式彎板機如圖2-1所示。 圖2-1 三輥式實體圖 2.1.2數(shù)控彎板機 數(shù)控彎板機則比較先進，針對離散化模具的數(shù)控彎板機設計的機械結構是四柱式壓力機的整體外觀，包括頂模動力槽架、可替代頂模、可替代底模、彎板機頂蓋、底座、彎板機橫桿支架、橫梁、彎板機立柱等機械結構，通過三維激光進行掃描調形。穩(wěn)定優(yōu)化的機械結構加上活絡方形壓頭保證了板材彎曲成形的加工精度和彎曲成形后的質量。 數(shù)控彎板機如圖2-2所示。 圖2-2 數(shù)控彎板機整體效果圖 2.2 彎板機力學模型 要進行彎板機整體機械結構的設計，首先要設計彎板機結構的力學模型，并對彎板機機械結構的幾個重要組成部分進行力學分析和彎曲變形計算。根據(jù)彎板機的機械結構我們可以假設：四根相互平行的立柱，立柱的橫截面積遠遠小于整體工作臺的面積，在計算其中心變形時，只考慮工作臺四周邊角設為彈性支點，所以立柱在工作過程產生的彎曲變形，拉伸剛度相同。 彎板機的力學模型如下圖2-3所示。 圖2-3 彎板機力學模型 2.3 彎板機力學分析與力學簡圖 2.3.1 彎板機立柱強度計算 彎板機整體工作臺中最易變形且受工作載荷最大的部件為彎板機立柱，在金屬沖壓成形過程中，由于立柱所受載荷大，可能會導致立柱發(fā)生拉長，彎曲等變形，進而影響整個彎板機工作臺的穩(wěn)定，所以針對彎板機立柱進行強度校核計算。 立柱的材質選用為45號鋼，所以取安全系數(shù)n=5，所以 σ=σbn=120MPa （2-1） 每根立柱受到的載荷為： F=150×10004=37500N，4FπD2≤σ （2-2） 最終得到立柱直徑D=65mm，考慮到在彎板機頂蓋與底座中間留有加工空間，最終確定立柱長度為1000mm。 2.3.2 彎板機頂蓋的強度校核計算 雖然彎板機頂蓋設計的形狀為箱體，由于對其進行強度校核計算，故對其進行簡化，力學簡圖為簡支梁。 參考實際彎板機工作臺的尺寸，設彎板機頂蓋的高度為H=100mm，彎板機頂蓋的力學簡圖如圖2-4所示。 圖2-4 彎板機頂蓋力學簡圖 首先最大彎矩的數(shù)學公式為： （2-3） 將數(shù)據(jù)代入公式（2-3）得到中心截面處的強度，也就是該簡支梁的最大彎矩處： （2-4） 其中是最大彎矩，h1是最外面的點到截面形心處的距離。 I是我們所要計算的截面處慣性矩， （2-5） 是材料的許用應力，由于彎板機頂蓋材料為Q345鋼， 將數(shù)據(jù)代入公式（2-4）得到： 立柱主要負載了彎板機頂蓋的剪切應力，設其截面為矩形，高度為L，厚度為T，則最大的剪切應力在形心軸： （2-6） ，代入公式（2-6）得到： 經校核完畢，彎板機頂蓋的許用應力與剪力符合，強度足夠。 2.3.3 彎板機底座強度校核計算 彎板機底座與彎板機頂蓋結構相似，根據(jù)實際彎板機工作臺尺寸，設其高度為h=150mm。彎板機底座的力學簡圖如圖2-5所示。 圖2-5 彎板機底座力學簡圖 由于均布載荷的數(shù)學公式為： （2-7) (2-8) 中心截面強度為： (2-9) 將數(shù)據(jù)代入（2-9）得： 因此形心處的剪切應力應符合： （2-10） 代入公式（2-10）得到： 經校核完畢，彎板機底座許用應力和剪切應力都符合，可以使用。 第3章 三維數(shù)控彎板機機械結構設計 在確定彎板機的方案選擇后，開始設計數(shù)控彎板機的機械結構，分別對彎板機的主要部件：頂模動力槽架、可替代頂模、可替代底模、彎板機頂蓋、底座、彎板機橫桿支架、橫梁、彎板機立柱等進行設計。 3.1 彎板機主要零部件設計 3.1.1彎板機頂蓋 鋼結構具備很多優(yōu)點，抗震性強、安裝方便、用于設計機械結構重量輕、強度大。而Q345材質鋼具備非常好的力學性能，鋼材韌性大，抗拉壓能力強，同時它的焊接性能良好，十分適合制作彎板機頂蓋與底座，所以彎板機頂蓋的制作材料采用Q345材質的鋼板，利用鑄造方式，鑄造過程要保證不得產生氣孔、砂眼、組織松散等情況。 彎板機頂蓋設計為正方形結構，在頂蓋周圍設計了四個R100mm的倒角，保證了安全性與美觀性。彎板機頂蓋位于立柱上部，四角處設置有四個立柱孔，立柱孔四角處的立柱孔可用彎板機立柱與彎板機底座進行連接，立柱孔與立柱的配合為H9/f9，剛好滿足機體的工作需要。依靠四個彎板機立柱組成一個剛性框架，增加機械結構的穩(wěn)定性，保證了結構的緊湊性。 彎板機頂蓋的設計圖如圖3-1所示。 圖3-1 彎板機頂蓋 3.1.2彎板機底座 彎板機底座的制作材料同樣選擇Q345材質鋼，底座設計也采用正方形結構，四角處通過四個彎板機立柱與彎板機頂蓋連接，整個結構焊接成一體，使彎板機底座承載面積大，受力分布更加均勻。彎板機底座底部四周設計有四個螺釘孔，用于安裝地腳螺釘，通過地腳螺釘使得彎板機底座穩(wěn)定的固定在地面。 彎板機底座的設計圖如圖3-2所示。 圖3-2 彎板機底座 3.1.3彎板機立柱 彎板機立柱連接了彎板機的頂蓋與底座，四根彎板機立柱形成了更加穩(wěn)定的剛性結構。同時，彎板機立柱為整個數(shù)控彎板機工作臺提供了較大的視覺空間和操作空間，彎板機頂蓋與彎板機底座中間很大的空余空間可以安裝單元體壓頭和可調形的上下模具，為多點成形加工提供了操作空間和方便。 四根彎板機立柱設計形狀為細長軸，材質選用優(yōu)質45號鋼，立柱高度設為1000mm，直徑為65mm。立柱表面采用中頻淬火處理，并進行鍍鉻和拋光，保證立柱的硬度，抗腐蝕性和耐磨性，延長了立柱的使用壽命。 彎板機立柱的設計圖如圖3-3所示。 圖3-3 彎板機立柱 3.1.4彎板機橫梁 彎板機橫梁承載了頂模的動力槽架，設計的形狀為長方形，加工方式采用鑄造，降低了加工成本。彎板機橫梁利用導向機構進行導向，使得彎板機立柱不再承擔導向作用，這樣的優(yōu)點為：對彎板機立柱的加工要求可適當降低，減少加工成本，同時在加工過程中立柱長時間工作所導致的變形不會影響到橫梁導向機構的精度，保證了加工的精準度。 彎板機橫梁的設計圖如圖3-4所示。 圖3-4 彎板機橫梁 3.1.5彎板機橫桿支架 彎板機橫桿支架固定在四根彎板機立柱上，承擔了承載彎板機移動橫梁的功能。 由于彎板機自身整體結構重量大，在金屬板材彎曲加工過程中，會造成整個工作臺的震動和偏轉，這可能會影響彎板機橫桿支架的緊固程度，導致彎板機橫桿支架出現(xiàn)松動狀況，以此會影響到支柱的受力不等，載荷過大，對整個工作臺造成巨大影響。為了預防上述現(xiàn)象，在彎板機橫桿支架上設計了多個螺母孔來加強固定作用，同時彎板機橫桿支架加工過程應盡量精確，保證其余立柱的配合精度。 彎板機橫桿支架的設計圖如圖3-5所示。 圖3-5 彎板機橫桿支架 3.1.6彎板機頂模動力槽架 彎板機頂模動力槽架的作用是安裝可調形上模，上面安裝有很多單元體方形壓頭，動力槽架受導向機構的控制，在彎板機橫梁上移動至被加工金屬板材上方，再進行下一步沖壓成形等過程。頂模動力槽架的制作材料選用Q345材質鋼。 彎板機頂模動力槽架的設計圖如圖3-6所示。 圖3-6 彎板機頂模動力槽架 3.2彎板機總裝三維圖 經過對三維數(shù)控彎板機機械結構進行設計后，將頂模動力槽架、可替代頂模、可替代底模、彎板機頂蓋、底座、彎板機橫桿支架、橫梁、彎板機立柱等零件進行組裝，得到彎板機結構總裝三維圖如圖3-7所示。 圖3-7 彎板機機械結構總裝三維圖 該數(shù)控彎板機實現(xiàn)了金屬板材彎曲加工全過程自動化，仿真運動過程主要為彎板機上頂模動力槽架從設備右端在彎板機橫梁上開始移動，到達被加工金屬板材上方，如圖3-8所示。 圖3-8 彎板機運動過程圖（1） 當可調形上模到達被加工金屬板材上方后，所有的單元體方形壓頭都安裝在彎板機上下可調形模具內的支撐板上。通過步進電機控制彎板機下模的單元體壓頭高度，以此來構成加工目標所需彎曲成形的曲面。彎板機上模的單元體方形壓頭利用液壓控制系統(tǒng)提供動力，開始下壓，采用非對壓技術，上下單元體壓頭錯位排列的方法可以形成完整細密的加工包絡面，使上下壓頭緊密接觸，被加工金屬板材受力情況改善，受壓痕跡小，與理想加工情況貼合。彎板機可調形上模下壓過程如圖3-9所示。 圖3-9 彎板機運動過程圖（2） 第4章 數(shù)控彎板機系統(tǒng)總體設計 4.1單元體壓頭設計 4.1.1單元體壓頭主要構成 單元體壓頭主要分為上下兩組，壓頭為方形且可以旋轉擺動，單元體壓頭方形面是與被加工板材的接觸面，中間的支撐體的結構為中空圓柱形，另一面是大半球面，大半球面是為了增加壓頭可旋轉角度和與中空圓柱形支撐體的接觸面積，大半球面與形狀為凹形的內端面相連接。單元體方形壓頭模型與尺寸如下圖4-1所示。 圖4-1 單元體方形壓頭結構 4.1.2單元體壓頭受力分析 分析單元體壓頭受力情況，首先上面壓頭的液壓缸會對其施與壓力，我們假設液壓缸的半徑為R=25mm，相連接的活塞桿的半徑為r=12.5mm，壓強設為P=15MPa左右。假定接觸面為平面，由于采用上下方形壓頭錯位方式，故設其交錯值為半徑大小，因此下面壓頭受到的正壓力Fn=1/4*[P*3.14(4R2-4r2）cosa]，摩擦力F=fFn,其中f我們取0.15, 摩擦力方向及受力分析如圖4-2所示。 圖4-2 單元體壓頭受力分析 4.1.3單元體壓頭非對壓成形 當單元體壓頭與被加工板材相接觸時，我們需要構造一個單元體壓頭與壓頭之間間隙小，接觸密集的加工曲面，這樣可以使得加工壓合面積達到最大，加工效果達到最好，所以采用非對壓成形即上下壓頭錯位排列可以形成一個連續(xù)的包絡面，這樣可以有效的減小未接觸面所產生的剪力導致的受壓痕跡大、被加工板材產生褶皺的影響。單元體方形壓頭錯位排列非對壓成形和多點對壓成形如下圖4-3，圖4-4所示。 圖4-3 錯位排列 圖4-4 對稱排列 4.2 彎板機單元體壓頭控制系統(tǒng) 三維數(shù)控彎板機系統(tǒng)采用活絡式多壓頭成形設備，所以控制每個壓頭的控制系統(tǒng)是整體設計中很關鍵的一部分，控制系統(tǒng)保證了加工的精度以及被加工板材的成形質量。控制系統(tǒng)主要分為兩大部分，分別為硬件部分與軟件部分，其中硬件的主要設備為工控機，工控機可以控制所有單元體壓頭以此來調形，也被稱為控制中心，在板材加工過程中，應用三維激光掃描儀來實時監(jiān)控和測量板材成形的形狀。軟件部分根據(jù)被加工的材料和工藝要求的不同來進行不同的加工計算，編程出現(xiàn)符合其加工工藝的數(shù)據(jù)和文件，將生成的數(shù)據(jù)文件傳送給上位機，最后通過壓力機對被加工板材進行多次彎曲成形，直至被加工板材達到要求的彎曲工藝目標。 控制系統(tǒng)的主要功能如下： 1. 數(shù)據(jù)通信功能，這可以使加工的數(shù)據(jù)文件在上位機和下位機之間實現(xiàn)傳輸與通信，以及被加工板材的加工狀態(tài)的反饋和板材加工指令的傳送。 2. 板材成形控制功能，控制壓力機其中的液壓動力系統(tǒng)為其提供動力，以此來實現(xiàn)加工過程的動作指令，例如可以進行送料，退料，模具的上升和下壓，調形等一系列動作指令。 3. 單元體調形功能，根據(jù)不同的加工要求產生出的數(shù)據(jù)文件可以實現(xiàn)自動化調節(jié)所有單元體的升降情況，形成密集的包絡面結構，保證加工的精確度和成形質量。 4. 智能化人機交互功能，可以與PC工作站進行智能的人機交互，實時顯示實際加工情況與理想加工情況的誤差，并將錯誤和誤差反饋，進行不斷的修正與改進。 控制系統(tǒng)的流程圖如下圖4-5所示。 圖4-5 控制系統(tǒng)流程圖 4.3通訊總線 通訊總線的功能為傳遞數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，CAD/CAM產生的數(shù)據(jù)文件會通過通訊總線傳遞到控制各單元體上下移動高度的電機控制器，使每個單元體壓頭形成密集的包絡面，最后壓力機向下移動對板材進行彎曲加工。 4.3.1現(xiàn)場總線技術特點 現(xiàn)場總線如今被廣泛應用在各種控制領域及制造業(yè)、建筑行業(yè)、交通工程內，是一種在自動控制裝置間傳遞數(shù)字通信信息的的數(shù)據(jù)總線。 現(xiàn)場總線的技術特點如下： 1. 總的通信協(xié)議相同，因此不同工廠生產的設備也不會相沖突。 2. 系統(tǒng)的開放性，用戶可以實現(xiàn)高自由度的自主設計。 3. 系統(tǒng)開放性，傳輸效率高，維修便宜，消耗費用低。 4.3.2 現(xiàn)場總線的選擇 現(xiàn)場總線的選擇主要從RS-485總線與CAN總線中選擇。RS-485總線具有的優(yōu)點是輸出驅動能力很強，抗干擾能力強，輸入范圍寬，可以實現(xiàn)多站分時通信，即使信號在很遠的距離依舊可以保證傳輸性,RS-485總線是半雙工的工作方式，所以它的網絡拓撲結構只允許接入32個智能節(jié)點。CAN總線分為物理層、應用層和數(shù)據(jù)鏈路層，CAN總線相對于RS-485總線的優(yōu)勢是它的網絡拓撲結構可以達到110個智能節(jié)點。雖然價格方面RS-485數(shù)據(jù)總線更為便宜，成本較低，但由于本身的缺點即總線節(jié)點過少，所以最終選擇CAN總線。 4.4液壓控制系統(tǒng)設計 4.4.1 運動控制 多壓頭成形設備其中液壓控制系統(tǒng)的工作原理涉及到能量轉換問題。首先液壓泵通過把動力機的機械能轉換為液壓泵中液體的壓力，最后利用液體壓力大小的變換進行能量的傳遞，而油缸又將液體的壓力轉換為活塞運動的機械能，以此來實現(xiàn)數(shù)控彎板機上模對被加工金屬板材的整個加工彎曲運動過程。上模沖壓過程如圖4-6所示。 圖4-6 沖壓流程圖 4.4.2 保護功能 在金屬板材彎曲加工過程中，會產生負載過高，電機故障等問題，因此控制系統(tǒng)中安裝了熱繼電器、溫度檢測器來檢查電機和加工過程中是否存在油溫過高等問題，及時反饋和報警警戒。 4.5 挑選電機 挑選電機，我們可以挑選伺服電機，另一種則可以挑選步進電機，伺服電動驅動控制對象比較精。其中直流伺服電動機具有的特點是調節(jié)優(yōu)秀，反應速度快，但是直流伺服電動機結構復雜，在低速運轉時不穩(wěn)定，轉速并不均勻。 而步進電機的維修比較方便，操作簡單，低速運轉時也很穩(wěn)定。同時考慮到多壓頭成形設備單元體壓頭數(shù)量大，每個單元體配合響應的電機，所以整體所需成本很高，綜合考慮最終選擇步進電機。 4.6 數(shù)控彎板機加工流程 三維數(shù)控彎板機的整個加工流程如下： 1. 選取被加工的零件種類、類型； 2. 將被加工板料送進彎板機加工位置內； 3. 多壓頭控制系統(tǒng)的軟件部分進行調形計算； 4. 彎板機可替換下模造型； 5. 多壓頭上模由液壓控制系統(tǒng)提供動力進行沖壓； 6. 被加工金屬板材回彈； 7. 測量被加工金屬板材的回彈曲面； 8. 將測量所得數(shù)據(jù)與目標理想曲面進行比較； 9. 衡量所加工板材的誤差是否在允許范圍內； 10. 符合誤差允許，則加工過程結束。 數(shù)控彎板機加工流程圖如圖4-7所示。 圖4-7 數(shù)控彎板機加工過程 第5章 彎曲成形實驗與數(shù)據(jù)分析 為了驗證金屬板材彎曲加工快速沖壓成形的技術和機械結構設計的合理性，對兩種十分常見的板材彎曲形狀：帆形板、馬鞍形板進行實驗驗證，考察板材彎曲成形的效果和方法可行性，實驗分析被加工金屬板材的彎曲成形情況，對相關實驗數(shù)據(jù)進行整理和分析。 5.1實驗基本情況介紹 5.1.1實驗目的 由于水火彎板成形技術對操作人員需要有高要求的專業(yè)能力，同時耗費資源多，需要制作樣板，不符合綠色工業(yè)標準，而三維數(shù)控彎板機的研制可以很好的解決水火彎板成形技術的缺陷，且高度自動化，生產效率高，具有非常好的發(fā)展前景。 因此本次實驗的目的是為了驗證設計的數(shù)控彎板機機械結構的可行性，以及多壓頭成形設備對金屬板材彎曲加工的效果。 5.1.2 實驗主體 本次實驗主體為具有活絡模具方形壓頭的數(shù)控彎板機設備，設備主體的主要機械結構為四柱式壓力機，包含頂模動力槽架、可替代頂模、可替代底模、彎板機頂蓋、底座、彎板機橫桿支架、橫梁、彎板機立柱等機械結構，以及方形壓頭可調活絡模具，并采用上下壓頭錯位非對壓成形原理，高效的保證板材彎曲成形質量。 所具有的主要功能包括：進料、退料、金屬板材沖壓成形、測量調形等。 5.1.3 實驗設備 實驗采用的設備為國產SKWB-2500曲面三維彎板機，該設備是一個高度智能化的曲面板材加工設備，突破了造船板材效率低下的難題，集成了光、機、電、控、液技術，是金屬板材加工領域的一項重大工藝變革。 該設備的系統(tǒng)構成包括進料裝置，數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，多壓頭成形裝置，三維激光測量系統(tǒng)等。 金屬板材加工方法采用活絡式可調模具，方形壓頭的形狀，采用非對壓成形技術，上壓頭群采用液壓系統(tǒng)提供動力，下模采用伺服電機進行驅動，加工過程中，細密的壓頭群形成對金屬板材完整的包絡面，解決了被加工板材受壓痕跡大，未加工接觸面容易產生褶皺的現(xiàn)象，滿足了多種復雜曲面加工成形的需求。 在數(shù)據(jù)接口方面，該設備可以與CATIA，TRIBON，SPD等軟件進行接口，數(shù)據(jù)無縫對接，高效的滿足了用戶的需求。 該設備的主要技術參數(shù)如表5-1所示。 表5-1 SKWB-2500三維數(shù)控彎板機技術規(guī)格表 5.2 實驗過程 5.2.1帆形件實驗過程 1. 由于帆形件的加工特點是被加工板料較薄，彎曲程度不大，所以利用活絡式可調方形壓頭加工容易得到目標形狀； 2. 計算數(shù)據(jù)，經過分析和計算，調節(jié)單元體壓頭高度和三維坐標，使其成為帆形曲面，上模進行下壓，對板材沖壓成形； 3. 分析被加工金屬板材成形后的質量和誤差，用激光掃描儀進行測量，根據(jù)結果再次調節(jié)單元體壓頭高度，對金屬板材回彈量進行補償后，再次加工成形，直至達到理想要求效果范圍內。 加工完畢后，取10mm厚帆形板件的Y軸與X軸上的各點數(shù)據(jù)，對加工成形的實際數(shù)值與理論數(shù)據(jù)進行考察，分析是否在誤差允許范圍內。10mm厚帆形板件測量結果與分析表格如下表5-2所示。 表5-2 10mm帆形板成形數(shù)據(jù)對比 X Y Z(理論值） 第一次成型數(shù)值 第二次成型數(shù)值 誤差 -360 0 38.54 47.15 37.25 -1.29 -300 0 26.66 37.60 25.60 -1.06 -240 0 17.00 31.00 17.80 0.80 -180 0 9.55 25.30 9.20 -0.35 -120 0 4.25 20.05 2.95 -1.30 -60 0 1.05 18.47 1.75 0.70 0 0 0 18.06 -0.10 -0.10 60 0 1.05 18.74 2.65 1.60 120 0 4.25 22.55 2.50 -1.75 180 0 9.55 27.13 8.35 -1.20 240 0 17.02 34.70 15.50 -1.52 300 0 26.69 43.88 28.15 1.46 360 0 38.55 56.55 45.56 7.01 0 -360 38.55 46.48 39.04 0.49 0 -300 26.69 36.93 26.68 -0.01 0 -240 17.02 30.01 16.75 -0.27 0 -180 9.55 23.74 8.30 -1.25 0 -120 4.25 19.02 3.55 -0.70 0 -60 1.05 17.96 1.86 0.81 0 60 1.05 19.35 1.30 0.25 0 120 4.25 21.88 3.26 -0.99 0 180 9.55 24.25 7.72 -1.83 0 240 17.02 31.55 15.73 -1.29 0 300 26.69 39.88 25.39 -1.30 0 360 38.55 49.70 39.67 1.10 平均誤差：-0.08 5.2.1鞍形件實驗過程 鞍形件的實驗過程與帆形件基本相同，加工過程完畢后，同樣對10mm厚的鞍形件測量結果進行分析，10mm厚鞍形板件測量結果與分析表格如下表5-3所示。 表5-3 10mm鞍形板成形數(shù)據(jù)對比 X Y Z(理想值） 第一次成形數(shù)值 第二次成形數(shù)值 誤差 -360 0 87.31 87.93 87.65 0.34 -300 0 74.11 74.73 73.83 -0.28 -240 0 63.31 64.28 63.56 0.25 -180 0 54.89 55.20 54.38 -0.51 -120 0 48.90 48.15 58.16 -0.74 -60 0 45.30 43.90 43.71 -1.59 0 0 44.10 43.53 42.86 -1.24 60 0 45.30 46.63 45.76 0.46 120 0 48.90 49.13 48.81 -0.09 180 0 54.90 55.68 56.64 1.76 240 0 63.31 64.25 65.71 2.40 300 0 74.11 74.30 76.71 2.60 360 0 87.30 87.21 90.13 2.83 0 -360 11.71 23.13 11.44 -0.25 0 -300 21.60 30.67 21.41 -0.19 0 -240 29.71 35.06 29.97 0.26 0 -180 36.00 38.82 35.84 -0.14 0 -120 40.49 43.36 39.83 -0.66 0 -60 43.20 42.76 41.77 -1.43 0 60 43.20 41.18 41.64 -1.56 0 120 40.49 39.87 39.65 -0.84 0 180 36.00 37.79 35.75 -0.25 0 240 29.71 32.57 28.89 -0.82 0 300 21.60 28.19 20.19 -1.41 0 360 11.71 21.03 10.33 -1.38 平均誤差：-0.09 5.3實驗數(shù)據(jù)分析 5.3.1 帆形件分析 根據(jù)10mm帆形件測量結果對比分析，畫出10mm帆形件X軸方向的成形數(shù)據(jù)對比散點圖，如圖5-4所示。 圖5-4 10mm厚帆形件X軸成形數(shù)據(jù)對比散點圖 畫出10mm帆形件Y軸方向的成形數(shù)據(jù)對比散點圖，如圖5-5所示。 圖5-5 10mm厚帆形件Y軸成形數(shù)據(jù)對比散點圖 根據(jù)10mm的帆形件X與Y軸成形數(shù)據(jù)曲線圖分析，帆形件實際加工結果與理想結果相差不大，兩者之間的整體誤差微小，情況基本相符，所以帆形件加工成形精度很高。 5.3.2 鞍形件分析 根據(jù)10mm鞍形件測量結果對比分析，畫出10mm鞍形件X軸方向的成形數(shù)據(jù)對比散點圖，如圖5-6所示。 圖5-6 10mm厚鞍形件X軸成形數(shù)據(jù)對比散點圖 畫出10mm鞍形件Y軸方向的成形數(shù)據(jù)對比散點圖，如圖5-7所示。 圖5-7 10mm厚鞍形件Y軸成形數(shù)據(jù)對比散點圖 根據(jù)10mm厚鞍形件X與Y軸成形數(shù)據(jù)對比曲線圖分析，鞍形件成形效果良好，實際加工值與理想結果誤差不大，對比結果比較吻合，加工成型效果良好，實際加工值與理想值都在允許誤差范圍內。 第6章 經濟分析與綠色工業(yè)發(fā)展 6.1經濟成本預算 設計完畢后，需要對三維數(shù)控彎板機機械零件的加工工藝進行合理的經濟成本預算與分析，力求獲得最優(yōu)質的工藝加工方案。 1. 材料方面 三維數(shù)控彎板機要加工的機械零件所用材料使用量包括兩部分，分別為實際機械制造過程中的使用量和加工過程的浪費量。如果特定規(guī)格低于此規(guī)格型號，則損失率為3％。 其中加工需求量小，用量很少的零散材料不計入使用材料名稱與使用量，統(tǒng)一稱為其他材料費用，用單位“元”來表示加入基價。 預算費用不包括外包件和協(xié)作件，其用量按照設計的圖紙進行計算，價格按照采購和協(xié)作合同上的擬定價格計算。 2. 機械方面 預算費用中對于基價影響不大的微小型機械，不單獨列出計算，統(tǒng)一歸納為其他機械費用，用單位“元”來表示加入基價。 3. 人工方面 人工加工和組裝費用按照預算人工總費用的10%計算，其中工人工資占比25%。 最終得出三維數(shù)控彎板機系統(tǒng)各組件預估價格如圖6-1所示。 圖6-1 各組件預估價格 序號 組件部分 數(shù)量/件 預估價格/元 1 頂模動力槽架 1 20 000 2 可代替底模 1 5 000 3 彎板機頂蓋 1 6 000 4 彎板機底座 1 8 000 5 彎板機橫梁 1 5 000 6 彎板機立柱 4 15 000 7 彎板機橫桿支架 4 8 000 8 單元體方形壓頭 16 160 000 9 激光測量裝置 1 50 000 10 步進電機 16 30 000 11 液壓泵 1 100 000 6.2項目管理 6.2.1項目時間管理 如何合理的安排制造數(shù)控彎板機的時間在整個項目管理過程中至關重要，在規(guī)定時間內保質保量的完成數(shù)控彎板機制造是我們要做的工作。 1. 項目啟動第一個月：進行數(shù)控彎板機結構分析和系統(tǒng)需求分析； 2. 項目啟動第二個月：數(shù)控彎板機制造初始方案鎖定； 3. 項目啟動第三個月：彎板機樣件制作與軟件架構設計； 4. 項目啟動第四個月：進行數(shù)控彎板機系統(tǒng)測試； 5. 項目啟動第五個月：數(shù)控彎板機系統(tǒng)調試和整機性能調試； 6. 項目啟動第六個月；進行數(shù)控彎板機鎖定狀態(tài)的零件性能驗證； 7. 項目啟動第七個月：數(shù)控彎板機設計出圖，選擇供應商定點； 8. 項目啟動第八個月；供應商樣件制作完畢，測試驗證完成； 9. 項目啟動第九個月：文件編制完畢，數(shù)控彎板機批量制造準備。 6.2.2項目成本與質量管理 要保證數(shù)控彎板機制造項目的質量，首先要保證數(shù)控彎板機系統(tǒng)的計劃完整，整個計劃實施的高效與規(guī)范，同時科學的安排項目管理和管控成本。 所以設計如下計劃保證項目質量優(yōu)秀： 1. 制定詳細的的數(shù)控彎板機設計計劃； 2. 高效的控制數(shù)控彎板機硬件與軟件設計接口工作； 3. 最后項目完成驗收與檢測時要求嚴格。 6.2.3項目風險分析 三維數(shù)控彎板機設計項目的風險包括技術風險、進度風險、需求風險、管理風險等、 1. 技術風險：數(shù)控彎板機軟件系統(tǒng)設計需要有高技術人員，人員缺席會導致技術風險。 2. 市場需求風險：三維數(shù)控彎板機目前多用于造船業(yè)船舶彎板加工，對其余領域內需要進行一些機械設計改造，以此來達到參與市場競爭的目的。 解決辦法：制作風險因素預測表，加強與技術人員溝通和制造商對接，管控技術風險的發(fā)生。了解不同制造業(yè)對彎板機的性能需求，爭取擴大市場需求量，控制市場風險。 6.3環(huán)境影響與可持續(xù)發(fā)展 6.3.1數(shù)控彎板機系統(tǒng)設計制造的環(huán)境影響 數(shù)控彎板機制造項目側重于綠色工業(yè)發(fā)展，走可持續(xù)發(fā)展道路，力求促進綠色工業(yè)區(qū)的建設，節(jié)約資源，改良工業(yè)用地的合理布局，電力多采用太陽能發(fā)電，改善工業(yè)用水的循環(huán)系統(tǒng)，促進用電，廢水等綠色基礎設施建設改造。 制造材料方面，盡量減少金屬材料浪費，保證廢舊金屬回收以及循環(huán)利用，工業(yè)金屬垃圾統(tǒng)一處理。 噪音污染方面，工廠選址在偏遠工業(yè)區(qū)，遠離城市區(qū)民區(qū)與住宅區(qū)，制造車間墻壁采用隔音材料，控制加工噪音，保證分貝達標。 6.3.2 工業(yè)三廢的處理 工業(yè)三廢對我們的環(huán)境產生很大的污染，所以我們要妥善處理工業(yè)三廢。首先工業(yè)區(qū)要遠離城市水源，其次在工業(yè)區(qū)和居民區(qū)設立隔離帶以減少工業(yè)三廢帶來的環(huán)境污染和影響。對于金屬廢渣統(tǒng)一回收處理，做到不亂扔。工業(yè)廢水做到清污分流、污污分流，減少工業(yè)廢水中的COD含量。廢氣處理采用專業(yè)的工業(yè)廢氣處理裝置，凈化廢氣。 6.3.3 數(shù)控彎板機制造的可持續(xù)發(fā)展 改數(shù)控彎板機的設計符合中國制造的綠色可持續(xù)發(fā)展理念，可以取代操作復雜的水火彎板技術，減少了樣板的制作，節(jié)約了資源，對環(huán)境友好，可以使金屬加工工藝的生產效率大大提高，也可以與現(xiàn)在主流的各項金屬彎曲加工系統(tǒng)對接，符合現(xiàn)代智能化、數(shù)字化的工業(yè)生產方式，可以更好的滿足現(xiàn)代綠色金屬加工行業(yè)的發(fā)展需求。 第7章 研究展望與總結 7.1總結 在我國汽車、造船業(yè)、飛機制造等工業(yè)領域內，金屬板材彎曲加工是非常重要的技術，特別是復雜曲面的加工一直是一項難題。三維數(shù)控彎板機結合了多壓頭成形技術與非對壓成形技術，通過調節(jié)各單元體方形壓頭的高度進而形成細密完成的加工包絡面，形成不同形狀的曲面，這種可重構形模具為多種高難度的曲面加工提供了可能。 總結全文，本文首先描述了彎板機國內外研究現(xiàn)狀，討論了目前最新的板材彎曲成形方法，成形原理等。其后針對三維數(shù)控彎板機的整體機械結構進行了設計，包括頂模動力槽架、可替代頂模、可替代底模、彎板機頂蓋、底座、彎板機橫桿支架、橫梁、彎板機立柱等主要部件，并進行受力分析，描述了單元體方形壓頭與非對壓成形技術，也對數(shù)控彎板機系統(tǒng)進行了初步設計，最后結合兩種普遍典型的板材曲面，帆形面與鞍形面的彎曲成形實驗，通過的得出的實驗數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)進行對比，得出了三維數(shù)控彎板機加工成形的效果良好。 7.2研究展望 數(shù)控彎板機系統(tǒng)未來有很大的進步空間，我認為可以從以下幾方面提出對未來研究的展望。 （1）對彎板機的機械結構進行優(yōu)化，應用更高性能的金屬材料，加強彎板機的結構穩(wěn)定，使得改進后的機構更加合理緊湊，保證彎板機結構變形小，受力情況更加均勻，承載負荷能力更大。 （2）對基本體的方形壓頭進行尺寸優(yōu)化，第一點是可以使壓頭基本體的尺寸更加精致細微，從理論上來說，基本體越小，方形壓頭面積越小，會使壓頭與金屬板材接觸面積越大，可以避免未接觸到的面積產生剪力，從而對板材彎曲成形的質量產生影響。同時對于基本體的壓頭，未來可以設計出更加合理的形狀，使得壓頭適應復雜多變的受力和載荷，能應對不同加工要求的金屬板材，這使得加工精度有很大進步空間。 （3）如果第二點中的方形壓頭在未來可以做到更加細致，可調模具上的壓頭數(shù)量必然增加，這會導致控制壓力機的步進電機負載增大，其中的驅動器和控制器的性能要求也越來越高，所以對于步進電機的硬件研發(fā)也是有很大遠景，可以解決控制精度的問題。 （4）在金屬板材彎曲加工的過程中，可能會產生各種復雜的情況，根據(jù)板材成形的變化，應該有三維激光掃描技術實時監(jiān)控和反饋金屬板材的加工狀況，實現(xiàn)智能化控制，根據(jù)進展不斷調形，能夠完美實現(xiàn)板材的彎曲和對加工出現(xiàn)的瑕疵進行修正。 參考文獻 [1] 李明哲,蘇世忠,李廣權等.金屬板材無模多點成形專用CAD/CAM與CAT軟件的開發(fā)[J]中國機械工程,1999, 10(3):26-31. 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