钣金材料成形控制过程的发展

中国材料加工技术127（2002）361±368钣金材料成形控制过程的发展TAC汽车集团福特汽车公司迪尔伯恩，MI48121，USA机械工程与应用力学系，美国密歇根大学安阿伯，MI48109，USA迪尔伯恩，研究实验室cFord，福特汽车公司，MI48121，USA于2012年5月8日收稿，2012年5月13日发表。摘要在钣金板材成形过程中，压边力控制材料的模腔是生产中的重要部分。过程控制中的跟踪参考轨迹冲力在提高零件的质量和一致性的基础上，可以用来调整压边力。在过程控制中的关键问题包括过程控制器和参考冲床力弹道设计。本文的目的是提出一个系统化的方法来设计和实施一个合适的过程控制器和一个最佳参考冲床力轨迹。该方法包括钣金板材成形过程的建模，设计的过程控制，并确定最优打孔力轨迹。通过实验验证，结果从U型槽成型演示，通过模拟和最佳参考冲床力的轨迹，可以设计一个合适的工艺控制器可以合成。计划发展是有用的，在设计和实施过程控制在钣金板材成形过程。#2002Elsevier科学BV保留所有权利。关键词：金属板材成形过程控制优化组合1.介绍说明钣金冲压的主要制造工艺，因为它的高速和低成本而大批量生产。例如，零件如车身板、液力变矩器叶轮叶片和油箱都用这种方法生产的。如图1是一个简单的冲压工艺。基本组成部分的冲头，也可能是一组压边，也可能不是，包括冲头吸引的颗粒。冲头控制空白形成的形状，坯料夹持器控制进入模腔的金属。冲压件的质量是至关重要的，避免在装配中出现产品性能的问题。两个主要的考虑因素的冲压件的质量的成形性（例如，起皱过度压缩造成的撕裂所造成的过大的张力）和尺寸精度（例如，回弹所造成的弹性恢复）。如图2所示是在金属板材成形的主要问题。此外，一致性（例如，尺寸变化引起的润滑或厚度变化）在冲压过程中明显地影响随后在大批量生产组装。新的挑战出现在新材料的使用上。例如，以减少汽车的重量（提高燃油经济性）制造企业必须使用更轻的材料（例如，铝）或高强度钢薄计代替低碳钢。然而，这种材料可形成为低碳钢，产生更多的回弹[1]。材料进入模腔的控制是重要的优良部分的质量和一致性，并且是用来控制材料的坯料夹持器。此前有研究表明，不同的压边力在成型过程中，可以提高零件质量精度范围为至[1±3]和一致性[1]。值得指出的是，机械压力机在ted液压多点缓冲系统中提供更多的控制形成的过程[4]。这样的技术的出现将有助于本文提出的过程控制思想的实现。通过应用变压边力控制金属板材成形工艺过程控制策略之一如图3所示。在这一实验中，可衡量过程控制变量（例如，打孔力）预定（如冲床力±位移）的参考轨迹通过操纵压边力[1]。这一实验可能会产生``最佳''高度，无论最初的压边力和摩擦力的条件[5]。其他衡量的过程变量（例如，拉伸和摩擦力）也有报道。系统设计一个合适的过程控制，如图3中的过程模型必须恒等。最受欢迎的钣金成形用的模型是基于有限元分析，这是非常复杂的，因此，不适合于控制器的设计[9]。分段线性模型控制器的设计已经得到发展[9]。然而，这种模式不能用于闭环仿真，因为它无法捕捉的特征钣金板材成形过程的非线性行为。因此，在金属板材成形模拟的控制还没有得到充分的解决问题，尤其是从控制的角度来看，系统识别阳离子的方法已经得到很好地开发[10]。过程控制器的最流行的结构是一个比例加积分控制器[5,6,8]。然而，控制器的参数通常是通过试验和误差确定的[11]。虽然过程控制器的设计得到了很好的发展[12]，其应用到金属板材成形仍然没有得到很好的研究。在过程控制中的参考轨迹是保证零件质量在金属板材成形的重要依据[13]。它已被确定实验数值[5,8]。然而，优化的参考轨迹。并没有得到很好的解决。钣金板材成形过程控制中的应用关键问题包括设计一个适当的过程控制和设计最佳参考轨迹。本文的目的是要解决这两个关键问题，即钣金板材成形的系统设计和实施过程控制。图1冲压过程中的示意性表示2．在钣金板材成形工艺控制2.1．实验装置双动液压成型模拟器配备一个PID数字控制器（参见图4）进行的过程控制实验。按承载力为680kN和700kN为粘结剂的冲头。数字控制器允许的压边力跟踪预定的轨迹，实现机床控制器”如图3所示。2.2．实施过程控制在这形成模拟器是在图5所示过程控制的实现[13]。附加组件是“数据采集”块，数据采集板。它获取的数据从数字控制器（图3中的外部反馈路径的实现），计算出的压边力命令到数字控制器（图3中的“过程控制”块的输出的实现）。“计划”与“数据采集”块体实现“过程控制”如图3所示。“WSCI”的是的原始工作站通信接口。2.3．金属板材成形过程控制的影响2.3.1．过程控制的一致性部分近日，U型槽成型机和过程控制的比较表明过程控制中机器控制的优越性[13]。如图6显示了相对干燥和润滑条件下的机器和过程控制跟踪误差。结果表明，过程控制，可以根据不同的润滑条件，但机械控制不能保持相同的冲力轨迹。表1显示了平均测量通道高度为图6所示的情况下的结果。测量结果表明，过程控制提高通道高度的一致性，尽管有润滑变动。因此，通道高度的一致性，可以在冲力轨迹的一致性问题的基础上。图2在金属板材成形中出现的问题。图3钣金板材成形过程控制。图4成形模拟器。图5实施过程控制。2.3.2．过程参考轨迹的重要性参考的冲裁力的重要性可以通过比较测量通道高度为不同的参考轨迹，[13]。如图7显示了两个实验参考冲床力轨迹。表2显示了这两种轨迹测量通道高度。轨迹（B）产生相对较好的部分，因为测量通道高度接近所需的通道高度（50毫米）。2.4．钣金板材成形过程控制设计在上述试验结果的基础上，出现了两个重要的考虑因素：表1平均测量通道高度（mm）的机器和过程在不同润滑控制控制型干的MP-404机器47.60046.211流程47.55747.659图6相对跟踪误差。图7实验参考冲床力轨迹。表2测量通道高度（mm）为参考的冲头的力的轨迹如图7轨道测试结果（a）(b)147.44749.251247.39649.327347.82849.276平均数47.55749.285过程控制器的跟踪性能评价和选择参考冲床力轨迹。这两个因素将在下面的章节叙述。3．钣金板材成形过程建模建模的板料成形过程涉及液压控制的过程控制器设计的单缸粘结剂，它是一个单输入单输出（SISO）系统，已经查证[14]。如图8展示了这个框图。过程模型是一个®阶非线性动态模型。干扰主要是由于不同的润滑造成，也同时显示，这一模式已成功地用一个U型通道成形过程建模。如图9显示了不同的连续可变的压边力的轨迹比较仿真和实验结果。图8钣金板材成形过程公式图9实验和预测冲力轨迹不同的变压边力的轨迹图10PIF控制系统框图4．过程控制器的设计由于实证过程模型，过程控制器设计的系统研究，可以进行解析和数值实施[13]。对于SISO系统，比例加积分控制器喂养病房行动（PIF）进行了研究，在模拟[13]形成成功实施。如图10所示的控制器的框图。一个®阶线性模型可以用来设计控制器的增益。该®阶线性模型可以与®阶非线性模型在如图8所示中被评估的闭环系统的跟踪性能使用所设计的控制器增益。图11显示仿真结果使用PIF过程控制器和®阶非线性模型。图11（a）显示了PIF过程控制器自动产生的压边力。图11（b）显示参考冲头力轨迹、平面显示、冲头力轨迹、FP。良好的跟踪性能是基于仿真结果的期望。使用相同的PIF过程控制器和相同的参考轨迹拳力实验结果如图12所示。虽然在压边力的轨迹的差异，冲头力的轨迹是相似的。这表明，过程控制工程。图11使用PIF过程控制器和一阶非线性模型的仿真结果图12使用相同的PIF过程控制器和参考冲头力轨迹的实验结果5．最佳冲力弹道设计为了获得最佳参考冲头力轨迹的一个方法就是使用设计优化方法[15,16]。一个理想的过程控制器，如图3所示可以简化。在这种情况下，冲压件的形状，S，将由参考冲头力的轨迹或等效的冲头的力的轨迹完全确定。一个数学表达式可以用来描述在图13的关系：SˆP…Fp†(1)Ã为期望的形状，SD最优冲头力轨迹FP可以通过求解以下方程：ÃFpˆargminE…P…Fp†;Sd†(2)FpPDÃ在FP冲头力的最优轨迹，DFP没有撕裂和起皱的安全域，和E的成本函数来表示的问题。Fp和SD之间的差异。Ã到®和FP通过优化仍然是®DIF邪教。面临的挑战：1．找到算子P，使冲裁力的轨迹，产生的部分的形状。2．查找域D定义安全的冲头的力的轨迹。由于现有的数学建模的钣金板料成形有限元方法使用®[17,18]有P或不简单的表达。求解方程的一个程序（2）通过参数和实验设计如下：1．参数化的FP和FPS参数的设计变量和参数的响应变量。2．识别和响应的设计变量之间的经验关系。3．发现基于经验关系优化的设计变量，最佳的冲头的力的轨迹对应的最优设计变量。中心复合设计可用于®T二阶模型[16]的实验设计。响应面法也可以用来®找到最佳的设计变量。在最佳冲力弹道影响的过程控制器的设计是其平整度。光滑的冲裁力的最优轨迹，更容易的过程控制器的设计。参数化的FP和S是由正交函数的级数展开实现（例如，切比雪夫多项式）。冲头力的最优轨迹所需的平整度可由正交函数的光滑性保证。上面的程序是一个连续的一个。结果从程序的第二应用U型通道的形成。在这种情况下，响应变量是信道的高度误差，这是®定义所需的通道高度减去测量。冲头力参数通过Fpˆa1f1À2:04f3‡5:03f5À1:69f7(3)其中A1是设计变量和FIi阶chebySHEV多项式。编码的设计变量通常被用在实验设计。编码的设计变量，X1是：x1ˆ=a1Àa10/la10(4)A10是在设计领域，我中心是一个比例因子。在这种情况下，A10ˆ51:69和Lˆ0:025。设计的冲裁力的轨迹对应于X1ˆ4，2，1，0，1ÀÀ，2，和4À实验如图14所示（一）。通道高度误差示于图14（b）。当撕裂时，通道高度被认为是失败的高度。图14中的最优FP（一）对应于最小（xÈÀ0:94）1的®拟合响应面图14（b）。从物理的角度来看，在这种情况下得到真正的最佳边界优化。因此，该®拟合响应面不能预测真正的最佳结果。然而，事实上，它是一个有很好的统计模型和具有最小的表明一个真实存在的最小附近。基于对成形过程中的安全性和可靠性工程判断，最佳冲裁力的轨迹被确定为一个相应的X1ˆ0。图13理想的过程控制机图14（一）设计的冲头的力的轨迹的实验和最佳的FP；（b）测量通道高度误差和拟合响应面6．总结和结论过程控制已被证明是提高零件的质量和一致性。如过程控制器和最优轨迹设计冲力已解决的关键问题。一个系统的方法来对过程控制中的应用，给出了U型通道的形成。具有良好的跟踪性能的过程控制和最优轨迹拳力了。未来的工作包括高压冲压速度对控制器的设计过程和系统方法应用于复杂零件在多缸液压控制¯柔性粘合剂可能涉及。鸣谢作者非常感谢福特汽车公司提供的金融和技术支持。7.参考文献[1]A.M.Adamson,A.G.Ulsoy,M.Y.Demeri,Dimensionalcontrolinsheetmetalformingviaactivebinderforceadjustment,SMETrans.24(1996)167±178.[2]M.Ahmetoglu,T.R.Broek,G.Kinzel,T.Altan,Controlofblankholderforcetoeliminatewrinklingandfractureindeep-drawingrectangularparts,Ann.CIRP44(1)(1995)247±250.[3]D.Schmoeckel,M.Beth,Springbackreductionindraw-bendingprocessofsheetmetals,Ann.CIRP42(1)(1993)339±342.[4]K.Siegert,J.Hohnhaus,S.Wagner,Combinationofhydraulicmultipointcushionsyste