一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法
阅读说明：本技术 一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法 (Force balance control method of three-spinning-wheel numerical control spinning machine ) 是由 汪宇羿 张月倩 马世成 王东坡 赵文龙 孙昂 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法。一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法包括设置旋轮的压下量总和、初始压下位置和旋轮之间的错距量；根据所采集的第一旋轮、第二旋轮和第三旋轮的压力数据与标准压力值,对第一旋轮或第二旋轮或第三旋轮的压下量进行第一次校正,校正过程中,第一旋轮、第二旋轮和第三旋轮的压下量总和不变。本发明能够解决在错距旋压加工过程中控制三个旋轮横向力平衡的方法,本发明通过主动调节第一旋轮或第二旋轮或第三旋轮的压下量大小,经数控系统计算并自动调整三个旋轮的径向位移变量,逐步达到三个旋轮的横向力平衡控制的目的。(The invention provides a force balance control method of a three-spinning-wheel numerical control spinning machine. A force balance control method of a three-spinning-wheel numerical control spinning machine comprises the steps of setting the total pressing amount of spinning wheels, the initial pressing position and the offset distance between the spinning wheels; and correcting the pressing amount of the first spinning wheel, the second spinning wheel or the third spinning wheel for the first time according to the acquired pressure data and standard pressure values of the first spinning wheel, the second spinning wheel and the third spinning wheel, wherein the sum of the pressing amounts of the first spinning wheel, the second spinning wheel and the third spinning wheel is unchanged in the correction process. The invention can solve the problem of controlling the balance of the transverse force of the three spinning wheels in the staggered spinning process, and the invention achieves the aim of controlling the balance of the transverse force of the three spinning wheels step by actively adjusting the rolling reduction of the first spinning wheel, the second spinning wheel or the third spinning wheel, calculating by a numerical control system and automatically adjusting the radial displacement variable of the three spinning wheels.)
技术领域
本发明涉及金属管材压力加工技术领域，具体涉及一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法。
背景技术
旋压成形技术是利用旋轮和工件的近似点接触、单位高压力，使加工材料局部发生塑性变形的一种压力加工技术，此成形技术有着材料利用率高、加工性能显著提高，适用于高强度难变形材料加工、无缝回转体空心件的整体加工等特点。其中，三旋轮强力旋压是旋压成形的主要技术之一，有着旋压吨位大、三旋轮可自动对心、旋压精度高等特点，被广泛应用于薄壁筒形零件、带外环向加强筋和小锥角零件的旋压成形。
横向三旋轮力平衡技术一直是旋压成形技术追求的目标，如果能实现旋压力自动检测和反馈功能，将给旋压成形技术带来创新，会大大提高旋压工件的精度以及旋压设备的使用寿命等。目前，现有的三旋轮强力旋压成形技术还无法实现上述旋压力的自动检测和反馈功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三旋轮数控旋压机的横向旋压力自动检测及平衡控制方法，能够解决在旋压加工过程中控制三个旋轮横向力平衡的方法，本发明适用于三旋轮数控旋压机的旋压加工工艺，通过同时主动调节第一旋轮、第二旋轮和第三旋轮的压下量大小，经数控系统计算并自动调整三个旋轮的径向位移变量，逐步达到三个旋轮的横向力平衡控制的目的。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
1.本发明能够实现三轮旋压机的横向三旋轮旋压力自动检测和反馈功能控制，大幅度提高旋压工件精度，特别是直线度、圆度精度；
2.本发明能够实现三轮旋压机在旋压加工过程中主轴和旋轮的受力均衡，大幅度提高旋压机的使用寿命；
3.本发明能够自动采集工艺数据，形成包含材料及工艺的数据库，有助于旋压工艺在智能制造领域的应用。
4.本发明能够实现三轮旋压机在旋压加工过程中的过程控制，特别是针对复杂结构的异形筒形件，成形质量可靠，技术效益、经济效益显著。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明实施例所提供的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法旋压工件加工过程示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法第一旋轮、第二旋轮和第三旋轮校正时间周期示意图；
图3为本发明实施例所提供的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法调整第一旋轮、第二旋轮和第三旋轮压下量情况下的流程示意图；
图4为本发明实施例所提供的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法横向三旋轮的截面示意图；
图5为本发明实施例所提供的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法工件成形角、旋轮成形角以及旋轮间的成形角叫示意图；
图6为旋轮校正周期组成示意图。
附图标记说明：
1-第一旋轮；2-第二旋轮；3-第三旋轮；4-旋压工件。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图4所示，旋压机的横向三旋轮的位置分别位于旋压工件4周边呈等边三角形状态分布。
如图5所示，本发明针对的是错距旋压法，即三个旋轮沿着旋压工件4方向彼此间隔一定距离，称之为轴向错距S1和S2，同时又沿着直径方向彼此间隔一定距离，称之为径向(横向)错距Δh1和Δh2。其中，旋压工件4成形角为r，三个旋轮成形角均为α，第一旋轮1与第二旋轮2间的成形角为β1，第二旋轮2与第三旋轮3间的成形角为β2，分别满足tanβ1＝Δh1/S1，tanβ2＝Δh2/S2。上述成形角满足r＜α＜β1\β2是错距旋压法的前提条件。
如图6所示，图6为旋轮校正周期组成示意图。图6中t为第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3校正持续时间，Δt为第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3某次校正与前一次校正的间隔时间，Δt从第一次校正之后开始出现；ΔT为校正周期。
如图1至图6所示，根据本发明的实施例，提供了一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、设置第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压下量总和，分别设置第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的初始压下位置，分别设置第一旋轮1与第二旋轮2之间、第二旋轮2与第三旋轮3之间的错距量。
步骤S2、分别确定第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的初始压下量校正时刻，以及压下量校正采样周期。
步骤S3、旋轮就位后，分别采集第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压力数据。
步骤S4、确定第三旋轮3的轨迹，并确定旋轮标准压力值。
步骤S5、在第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的初始压下量校正时刻，根据所采集的第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压力数据与标准压力值，对第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压下量同时进行第一次校正，之后每个压下量校正采样周期对第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压下量同时进行校正。
在上述的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法中，作为优选方案，步骤S1具体包括：
根据旋压工件4毛坯的壁厚要求、旋压工件4产品的壁厚要求以及材料的极限减薄率、旋压道次安排计算三个旋轮的压下量总和、初始压下位置、旋轮之间的错距量以及纵向进给速度；
其中，将第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压下量总和记为ΔH0，初始压下位置分别记为H1、H2和H3，第一旋轮1和第二旋轮2之间、第二旋轮2与第三旋轮3之间的轴向错距量分别记为S1、S2，纵向进给速度记为V。
在上述的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法中，作为优选方案，步骤S2具体包括：
第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3均到达初始压下位置后，选择任意时刻作为第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的初始压下量校正时刻，记为T1；
第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的初始压下量校正时刻后，先经历校正持续时间t，再经历校正间隔时间Δt，确定第二次的第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的初始压下量校正时刻，记为T2；
压下量校正采样周期记为ΔT，ΔT＝t+Δt；
其中，Δt＞S/V，S∈max(S1，S2)；
ΔT＞(S1+S2)/V。
整个旋压过程，主轴带动模具转动，旋压工件4安装在模具上，模具带动旋压工件4转动，旋轮与旋压工件4接触后，旋压工件4主动旋转，旋轮被动旋转。各个旋轮的运动轨迹如下：第一旋轮1首先绕旋压工件4运动一圈，形成螺纹轨迹，第二旋轮2碾压第一旋轮1轨迹，第三旋轮3又碾压第二旋轮2残留下的螺纹轨迹，这样有规律的减薄旋压工件4，从而达到成形的目的。
在上述的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法中，作为优选方案，所述选择任意时刻作为第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的初始压下量校正时刻，包括：
第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3同时与旋压工件4起旋端的斜坡接触，各自到达的初始位置如图5所示，三个旋轮同时开始旋转，并沿着旋压工件4方向轴向进给，前进一个行程L后，三个旋轮均进入稳定工作状态，开始同时采集三个旋轮横向旋压力数据，第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3开始第一次(时刻T1-1)压下量校正。
在上述的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法中，作为优选方案，步骤S3具体包括：
第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3均到达初始压下位置后，根据所采集的压力数据，对第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的实际压下位置进行旋轮就位判定；
若任一旋轮未到达初始压下位置，则重新进行旋轮就位判定；
若第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3均到达初始压下位置，沿着旋压工件4轴向行驶一个行程L后，三个旋轮均进入稳定工作状态，同时采集第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压力数据。
在上述的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法中，作为优选方案，步骤S4中，确定第三旋轮3的轨迹，具体包括以下步骤：
根据旋压工件4产品的壁厚，通过系统预设第三旋轮3的轨迹。
在上述的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法中，作为优选方案，步骤S5中，确定旋轮标准压力值，具体包括以下步骤：
选择第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的平均压力值作为旋轮标准压力值，即p0＝(p1+p2+p3)/3，其中，p0为旋轮标准压力值，p1为所采集的第一旋轮1的压力数据，p2为所采集的第二旋轮2的压力数据，p3为所采集的第三旋轮3的压力数据。
在上述的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法中，作为优选方案，步骤S5中，所述对第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压下量同时进行第一次校正，包括：
步骤S51、同时对第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压下状态进行第一次判定；
步骤S52、根据第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压下状态分别对第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3进行第一次校正。
其中，步骤S51具体包括：
步骤S511、对第一旋轮1的压下状态进行第一次判定；
步骤S512、对第二旋轮2的压下状态进行第一次判定；
步骤S513、对第三旋轮3的压下状态进行第一次判定。
其中，步骤S511具体包括：
计算第一旋轮1的压力值与旋轮标准压力值之间的差值Δp1，其中Δp1＝p1-p0；
若Δp1＜0，判定第一旋轮1处于欠压状态；
若Δp1＞0，判定第一旋轮1处于过压状态；
若Δp1＝0，判定第一旋轮1处于正压状态。
其中，步骤S512具体包括：
计算第二旋轮2的压力值与旋轮标准压力值之间的差值Δp2，其中Δp2＝p2-p0；
若Δp2＜0，判定第二旋轮2处于欠压状态；
若Δp2＞0，判定第二旋轮2处于过压状态；
若Δp2＝0，判定第二旋轮2处于正压状态。
其中，步骤S513具体包括：
计算第三旋轮3的压力值与旋轮标准压力值之间的差值Δp3，其中Δp3＝p3-p0；
若Δp3＜0，判定第三旋轮3处于欠压状态；
若Δp3＞0，判定第三旋轮3处于过压状态；
若Δp3＝0，判定第三旋轮3处于正压状态。
在上述的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法中，作为优选方案，步骤S52具体包括：：
步骤S521、根据第一旋轮1的压下状态对第一旋轮1进行第一次校正；
步骤S522、根据第二旋轮2的压下状态对第二旋轮2进行第一次校正；
步骤S523、根据第三旋轮3的压下状态对第三旋轮3进行第一次校正。
其中，步骤S521具体包括：
根据第一旋轮1的压下状态，改变第一旋轮1的压下位置，即第一旋轮1的压下位置由初始压下位置H1改变为H1’，令ΔH1＝H1’-H1；
第一旋轮1处于欠压状态时，ΔH1＞0，对第一旋轮的压下量进行增大调整，
第一旋轮1处于过压状态时，ΔH1＜0，对第一旋轮的压下量进行减小调整，
第一旋轮1处于正压状态时，ΔH1＝0，对第一旋轮的压下量不调整。
其中，步骤S522具体包括：
根据第二旋轮2的压下状态，改变第二旋轮2的压下位置，即第二旋轮2的压下位置由H2’改变为H2”，令ΔH2＝H2”-H2’；
第二旋轮2处于欠压状态时，ΔH2＞0，对第二旋轮2的压下量进行增加调整，
第二旋轮2处于过压状态时，ΔH2＜0，对第二旋轮2的压下量进行减小调整，
第二旋轮2处于正压状态时，ΔH2＝0，对第二旋轮2的压下量不调整。
其中，步骤S523具体包括：
根据第三旋轮3的压下状态，改变第三旋轮3的压下位置，即第三旋轮3的压下位置由H3改变为H3’，令ΔH3＝H3’-H3；
第三旋轮3处于欠压状态时，ΔH3＞0，对第三旋轮3的压下量进行增加调整，
第三旋轮3处于过压状态时，ΔH3＜0，对第三旋轮3的压下量进行减小调整，
第三旋轮3处于正压状态时，ΔH3＝0，对第三旋轮3的压下量不调整。
在上述的一种三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法中，作为优选方案，还包括步骤S6，步骤S6具体为：
第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3同时进行第一次校正后，每间隔ΔT，重新采集第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压力数据，判断第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压下状态，对第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3同时进行校正。其中，第一旋轮、第二旋轮和第三旋轮每次校正后的压下量满足ΔH1+ΔH2+ΔH3＝ΔH0。
需要注意的是，在实施上述三旋轮数控旋压机的力平衡控制方法时，需满足产品壁厚精度要求高的非最后道次旋压或者产品壁厚精度要求低的所有道次旋压的条件。
在具体实施本发明方法时，按照以下的操作过程：
第一步：输入初始参数：
(1)确定三个旋轮的压下量总和ΔH0，初始压下位置H1、H2和H3，第一旋轮1与第二旋轮2之间的错距量S1、第二旋轮2与第三旋轮3之间的错距量S2，旋轮沿着旋压工件4轴向前进的纵向进给速度V；
依据旋压毛坯的壁厚要求、旋压产品的壁厚要求以及材料的极限减薄率、旋压道次等安排计算三个旋轮的初始压下位置、旋轮之间的错距量以及纵向进给速度。
(2)确定第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的初始压下量校正时刻T1、第二次压下量校正时刻T2、校正持续时间t、校正间隔时间Δt及压下量校正采样周期ΔT。第二次压下量校正时刻T2需满足的条件：ΔT＝t+Δt，T2＝T1+ΔT。
压下量校正周期与旋轮间错距和纵向进给速度有关。整个旋压过程，主轴带动模具转动，模具带动旋压工件4转动，旋轮与旋压工件4接触后，旋压工件4主动旋转，旋轮被动旋转。各个旋轮的运动轨迹如下：第一旋轮1首先绕旋压工件4运动一圈，形成螺纹轨迹，第二旋轮2碾压第一旋轮1轨迹，第三旋轮3又碾压第二旋轮2残留下的螺纹轨迹，这样有规律的减薄旋压工件4，从而达到成形的目的。
第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3同时与旋压工件4起旋端的斜坡处接触，各自到达的初始位置如图4所示，三个旋轮同时开始旋转，并沿着旋压工件4方向轴向进给，前进一个行程L后，三个旋轮均进入稳定工作状态，开始同时采集三个旋轮横向旋压力数据，第一旋轮1和第二旋轮2开始第一次(时刻T1)压下量校正。随后按ΔT周期采样校正。
第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3开始第一次压下量校正后，先经历压下量校正持续时间t，再经历压下量校正间隔时间Δt，采集处理三个横向油缸压力传感器数据，第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3开始第二次(时刻T2)压下量校正，随后亦按ΔT周期采样校正。其中，第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的第一次压下量校正时间间隔应满足△t＞S/V，S∈max(S1，S2)；ΔT＞(S1+S2)/V。
第二步：旋轮就位，采集三个旋轮的横向压力数据：
A2.1、三个旋轮按照预设程序到达指定压下位置H1、H2和H3；
A2.2、系统根据采集的压力信号对三个旋轮的实际压下位置进行旋轮就位判定；该过程电动自动调节，属于观察过程，系统100％调节到位，判定调节时间根据旋轮距旋压工件4表面距离与旋轮横向进给速度有关；
A2.3、若显示三个旋轮均已到达指定位置，系统判定旋轮已就位，继续采集三个旋轮压力数据。
第三步：判定第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压下状态：
A3.1、确定判定标准值p0，判定标准值p0选用三个旋轮的平均压力值。
A3.2、计算三个旋轮的平均压力值p0，
p0＝(p1+p2+p3)/3，
其中，p1为系统采集的第一旋轮1的压力数据，
p2为系统采集的第二旋轮2的压力数据，
p3为系统采集的第三旋轮3的压力数据。
A3.3、计算第一旋轮1与标准值的差值Δp1，Δp1＝p1-p0；计算第二旋轮2与标准值的差值Δp2，Δp2＝p2-p0；计算第三旋轮3与标准值的差值Δp3，Δp3＝p3-p0。
A3.4、根据压力差值Δp1对第一旋轮1的压下状态进行判定，判定依据如下，
若Δp1＜0，判定第一旋轮1处于欠压状态；
若Δp1＞0，判定第一旋轮1处于过压状态；
若Δp1＝0，判定第一旋轮1处于正压状态。
A3.5、根据压力差值Δp2对第二旋轮2的压下状态进行判定，判定依据如下，
若Δp2＜0，判定第二旋轮2处于欠压状态；
若Δp2＞0，判定第二旋轮2处于过压状态；
若Δp2＝0，判定第二旋轮2处于正压状态。
A3.6、根据压力差值Δp3对第三旋轮3的压下状态进行判定，判定依据如下，
若Δp3＜0，判定第三旋轮3处于欠压状态；
若Δp3＞0，判定第三旋轮3处于过压状态；
若Δp3＝0，判定第三旋轮3处于正压状态。
第四步：预设第三旋轮3的轨迹：
第三旋轮3一般为定形轮，压下位置根据产品的壁厚变化及精度要求而定，由系统程序预设轨迹。
第五步：同时调整第一旋轮1或第二旋轮2或第三旋轮3：
A5.1、在第三旋轮3轨迹确定的基础上，系统根据第一旋轮1和第二旋轮2所处的压下状态，在时刻T1开始对第一旋轮1或第二旋轮2或第三旋轮3的第一次压下量校正，校正持续时间t和校正压力F可调，校正持续时间t一般取10～50ms，校正压力F一般取2～10kN；
A5.2、经第一次压下量校正后，第一旋轮1从位置H1改变到位置H1’，压下量为ΔH1＝H1＇-H1，
其中，H1为调整前第一旋轮1压下的位置，
H1＇为调整后第一旋轮1压下的位置，
第一旋轮1处于欠压状态时，ΔH1＞0，对第一旋轮的压下量进行增大调整，
第一旋轮1处于过压状态时，ΔH1＜0，对第一旋轮的压下量进行减小调整，
第一旋轮1处于正压状态时，ΔH1＝0，对第一旋轮的压下量不调整；
经第一次压下量校正后，第二旋轮2从位置H2改变到位置H2’，压下量为ΔH2＝H2＇-H2，
其中，H2为调整前第二旋轮2压下的位置，
H2＇为调整后第二旋轮2压下的位置。
第二旋轮2处于欠压状态时，ΔH2＞0，对第二旋轮2的压下量进行增加调整，
第二旋轮2处于过压状态时，ΔH2＜0，对第二旋轮2的压下量进行减小调整，
第二旋轮2处于正压状态时，ΔH2＝0，对第二旋轮2的压下量不调整；
经第一次压下量校正后，第三旋轮3从位置H3改变到位置H3’，压下量为ΔH3＝H3＇-H23，
其中，H3为调整前第三旋轮3压下的位置，
H3＇为调整后第三旋轮3压下的位置。
第三旋轮3处于欠压状态时，ΔH3＞0，对第三旋轮3的压下量进行增加调整，
第三旋轮3处于过压状态时，ΔH3＜0，对第三旋轮3的压下量进行减小调整，
第三旋轮3处于正压状态时，ΔH3＝0，对第三旋轮3的压下量不调整；
A5.3、第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3压下位置更新为H1＇、H2＇和H3＇，第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3第一次调节结束，随后按周期ΔT采样校正。
第六步：确定第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的轨迹：
重复步骤第三步至第五步，在Tn时刻同时对第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3进行压下量校正，其中，第一旋轮、第二旋轮和第三旋轮每次校正后的压下量满足ΔH1+ΔH2+ΔH3＝ΔH0；判定Tn时刻第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的压下状态，最终确定第一旋轮1、第二旋轮2和第三旋轮3的轨迹。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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