CN110814184A - 金属管材无模热成形智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属管材无模热成形智能控制系统，包括：机械驱动模块，用于夹持金属管材，驱动金属管材运动和变形；加热冷却模块，用于对金属管材的局部进行快速软化和冷却定形；数据监测模块，用于实时采集金属管材的状态参数，并对状态参数进行分析处理，生成相应的调节指令，并将调节指令发送给系统控制模块；系统控制模块，用于根据调节指令对机械驱动模块和加热冷却模块进行调控。本发明实现对金属管材热成形工艺中的运动和温度场的闭环反馈调节，当实时捕捉到的成形参数与预设工艺参数有偏差时，实时的智能反馈调节，具有响应时间短，稳定性好和精确性高等优点。

Description

金属管材无模热成形智能控制系统

技术领域

本发明涉及无模热成形技术领域，具体涉及一种通过闭环反馈调节，实现金属管材无模热成形智能控制的系统。

背景技术

模具是金属材料高温塑性加工中应用极为普遍的成形工具，金属材料在成形压力作用下与特定形状的模具发生接触，改变了材料的流动方向，使其仅在模具型腔中堆积填充，从而成形出于模具形状一致的零件。

在传统的金属管件高温成形(如拉伸、压缩、弯曲等)工艺中，模具更是必不可少，如金属波纹管是金属管件中应用非常广泛的管材，目前在金属波纹管的热成形工艺中模具是必不可少的工具。金属波纹管的热成形多采用液压/气压成形工艺，具体成形前先将金属管材整体加热至目标温度，然后在金属管材周围紧固多个模片，通入高压液体或气体执行“胀出初波-模具闭合-保压成形”的工艺步骤，实现与模片内轮廓相同的金属波纹管加工。该种成形工艺针对不同直径的金属管材需要安装不同规格的模片，而且通常还需要配备大吨位的压力设备和完备的密封系统，因此实验设备复杂，投入成本较高，且在加热时是将金属管材放入加热炉中进行整体加热的，因此该过程的能源消耗也较大。

为了解决上述问题，国内外学者提出了无模热成形金属波纹管的方法，如公开号为CN104858278A的一种金属波纹管的无模成形工艺方法，通过对金属圆管的局部位置进行环向加热，当加热温度达到设定值时后对圆管两端进行轴向压缩，加热软化的环形区域会逐渐形成波纹，而后对形成波纹的位置进行冷却定形。该种无模成形方法无需任何模具和密封系统辅助即可成形出金属波纹管，极大的降低了加工成本，而且由于采用局部快速加热和轴压屈曲的成形原理，因此能耗和成形力都比较小。但该种无模热成形方法的金属波纹管无模成形的尺寸精度和可靠性无法得到保障，且该成形过程中很可能因为压力设备持续给力过大或温度过高等原因导致金属管材严重变形损坏，导致工件损坏率较高。

因此，亟需一种灵活可靠、稳定精确的金属管材无模热成形智能控制系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以对金属管材无模热成形过程中的形状和尺寸进行精确控制的智能控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种金属管材无模热成形智能控制系统，包括：

机械驱动模块，用于夹持金属管材，驱动所述金属管材运动和变形；

加热冷却模块，用于对所述金属管材的局部进行快速软化和冷却定形；

数据监测模块，用于实时采集所述金属管材的状态参数，并对所述状态参数进行分析处理，生成相应的调节指令，并将调节指令发送给系统控制模块；

系统控制模块，用于根据所述调节指令对所述机械驱动模块和所述加热冷却模块进行调控。

优选地，所述机械驱动模块包括驱动装置、夹持组件，以及连接在所述驱动装置与夹持组件之间的传动组件。

优选地，所述驱动装置为液压缸或伺服电机。

优选地，所述夹持组件包括一端为三爪卡盘，另一端为顶针的夹具和两端均为三爪卡盘的夹具。

优选地，所述加热冷却模块包括加热组件和冷却组件，所述加热组件用于对所述金属管材处于成形区的局部位置进行加热，所述冷却组件用于对所述金属管材加热成形后的局部位置进行冷却。

优选地，所述加热组件包括相连接的感应加热设备和感应线圈，所述感应线圈环绕所述金属管材设置。

优选地，所述冷却组件包括水泵和两个与所述水泵分别连接的环形喷射器，所述环形喷射器环绕所述金属管材设置，两个所述环形喷射器设置于所述感应线圈两侧。

优选地，所述数据监测模块包括数据处理单元，以及分别与所述数据处理单元连接的温度监测组件、视觉摄像组件和压力监测组件，

所述温度监测组件用于监测所述金属管材成形区的温度场参数，并将所述温度场参数发送给所述数据处理单元；

所述视觉摄像组件用于获取所述金属管材成形区的轮廓图像，并将所述轮廓图像发送给所述数据处理单元；

所述压力监测组件用于监测所述金属管材所受的成形力参数，并将所述成形力参数发送给所述数据处理单元；

所述数据处理单元对所述温度场参数、轮廓图像和成形力参数进行分析处理，并生成对应的调节指令。

优选地，所述温度监测组件包括红外热像仪，所述视觉摄像组件包括CMOS机器视觉摄像机，所述压力监测组件包括拉压力传感器。

优选地，所述系统控制模块包括分别与所述数据处理单元连接的加热控制器、运动控制器和冷却控制器；

所述加热控制器还与所述加热组件连接，用于基于所述调节指令对所述加热组件的工作状态进行调控；

所述冷却控制器还与所述冷却组件连接，用于基于所述调节指令对所述冷却组件的工作状态进行调控；

所述运动控制器还与所述驱动装置连接，用于基于所述调节指令对所述驱动装置的工作状态进行调控。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

应用本发明实施例提供的金属管材无模热成形智能控制系统，通过设置数据监测模块和系统控制模块，实现在金属管材热成形过程中实时监测金属管材的温度场、变形轮廓以及成形力，实现系统全面的数据监测，为后续缺陷分析和工艺优化提供数据支持；并基于上述状态参数对机械驱动模块中的驱动装置和加热冷却模块中的加热组件和冷却组件进行实时调控，实现运动和温度场的闭环反馈调节，使温度、成形力和工件轮廓图像等逐步逼近预设工艺参数，以此实现无模热成形的智能控制。即本发明实现对金属管材热成形工艺中的运动和温度场的闭环反馈调节，当实时捕捉到的成形参数与预设工艺参数有偏差时，实时的智能反馈调节，具有响应时间短，稳定性好和精确性高等优点。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明实施例一金属管材无模热成形智能控制系统的模块示意图；

图2示出了本发明实施例一金属管材无模热成形智能控制系统的结构示意图；

其中，1为感应加热设备，2为加热控制器，3为运动控制器，4为工业控制计算机，5为拉压力传感器，6为红外热像仪，7为CMOS机器视觉摄像机，8为水泵，9为冷却控制器，10为环形喷射器，11为机械驱动模块，12为感应线圈。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

传统金属管材的热成形工艺中模具是必不可少的实施部分，但对不同型号的管材需设置不同的模具配套使用，该种方式具有一定的局限性，且使用的设备偏复杂，投入成本较高，能源消耗也较大。为了解决上述问题，国内学者提出了无模热成形金属波纹管的方法，无模热成形方法无需任何模具和密封系统辅助即可成形出金属波纹管，极大地降低了加工成本，并且由于采用了局部快速加热和轴压屈曲的成形原理，因此能耗和成形力都比较小。但使用无模热成形方法的金属波纹管尺寸精度和可靠性均无法得到保障，同时无模热成形过程还可能存在压力过大或温度过高等造成金属管材严重变形损坏的情况。

实施例一

为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种金属管材无模热成形智能控制系统。

图1示出了本发明实施例一金属管材无模热成形智能控制系统的模块示意图；图2示出了本发明实施例一金属管材无模热成形智能控制系统的结构示意图；参考图1和图2所示，本发明金属管材无模热成形智能控制系统包括机械驱动模块11、加热冷却模块、数据监测模块和系统控制模块。

机械驱动模块11主要用于夹持金属管材，驱动金属管材运动和变形，以为金属管材的运动和变形提供足够的动力，控制推头的进给模式。具体机械驱动模块11包括驱动装置、传动组件和夹持组件。驱动组件与传动组件联动连接，驱动组件与传动组件可根据成形力大小和成形路径等进行选定；优选地，驱动装置为液压机或伺服电机，传动组件为配套的齿轮传动组件。夹持组件设置于传动组件上，主要在热成形中对金属管材进行固定夹持；夹持组件中可包括多种类型的夹具，具体夹具可根据金属管材的尺寸和受力形式进行选择替换。例如无模热压缩工艺中可选用一端为三爪卡盘，另一端为顶针的夹具；而无模热拉伸工艺中则可选用两端均为三爪卡盘的夹具；对无模热弯曲工艺，夹持组件可选用一端为三爪卡盘，另一端为转臂的夹具，这些夹持组件均为现有技术。需要说明的是，驱动组件、传动组件以及夹持组件中的夹具还可为其他结构，在此不再对其进行赘述。

加热冷却模块主要用于对金属管材的局部进行快速软化和冷却定形。具体包括加热组件和冷却组件，加热组件用于对金属管材处于成形区的局部位置进行加热，冷却组件则用于对金属管材处于成形区的局部位置进行冷却。需要说明的是，金属管材需要进行热处理的局部位置可能为多个。将传动机构传动金属管材移动路径上的某一位置设置为成形区，将成形区的中间位置设置为加热变形工位，将成形区内距加热变形工位两端预设距离处设置为冷却工位，安装在传动组件上的金属管材可随传动组件的移动穿过加热变形工位和冷却工位。更进一步地，加热组件包括感应加热设备1和感应线圈12，感应线圈12与感应加热设备1连接，感应线圈12环绕金属管材设置于加热变形工位处，以用于在感应加热设备1的控制下对金属管材对应加热变形工位局部进行快速加热，使金属管材迅速软化，诱导变形发生。需要说明的是，感应线圈12的尺寸规格可根据加热宽度和管材直径来选择；同时加热组件还可设置为其他合理加热形式的局部加热装置，本发明实施例发明不在于此，因此不对其进行详细赘述。冷却组件包括水泵8和两个环形喷射器10，两个环形喷射器10分别与水泵8连接，两个环形喷射器10分别设置于加热变形工位两端的冷却工位处。环形喷射器10和水泵8用于实现已变形区管材的冷却定形，防止已成形好的管材再次发生变形。合理控制加热变形工位和冷却工位分布以及作用时间可以进行有效的热处理，提高成形工件的力学性能。

数据监测模块主要用于实时采集所述金属管材的状态参数，并对所述状态参数进行分析处理，生成相应的调节指令，并将调节指令发送给系统控制模块。数据监测模块包括数据处理单元、温度监测组件、视觉摄像组件和压力监测组件。温度监测组件、视觉摄像组件和压力监测组件分别与数据处理单元连接。具体温度监测组件主要是用于监测金属管材成形区的温度场参数，并将温度场参数发送给所述数据处理单元；视觉摄像组件主要是用于获取金属管材成形区的轮廓图像，并将轮廓图像发送给数据处理单元；为了实时对热成形工艺过程中的金属管材进行温度监测和轮廓监测，将温度监测组件和视觉摄像组件对应于加热变形工位进行设置。进一步优选地，温度监测组件可选取红外热像仪6，视觉摄像组件可选取CMOS机器视觉摄像机7。红外热像仪6监测成形时管材表面的温度场变化，CMOS机器视觉摄像机7拍摄金属管材变形时的轮廓图片，用于生成每一时刻的轮廓图像，包括金属管材变形区的实时形状和尺寸。压力监测组件主要是用于监测金属管材所受的成形力参数，并将成形力参数发送给数据处理单元；压力监测组件可安装于金属管材与夹具之间，实时监测热成形过程中成形力的变化。进一步优选地，压力监测组件包括拉压力传感器5。拉压力传感器5监测加工过程中成形力的变化。数据处理单元主要用于对温度场参数、轮廓图像和成形力参数进行分析处理，并生成对应的调节指令。进一步优选地，数据处理单元为工业控制计算机4，工业控制计算机4接收红外热像仪6、拉压力传感器5和CMOS机器视觉摄像机7对应传输的数据，并对其进行分析处理生成对应的调节指令作为调节指令，具体工业控制计算机4识别捕捉温度场参数、轮廓图像和成形力参数分别与对应的预设对比工艺参数的偏差值，并基于各偏差值调节指令，用于后续进行实时的反馈调节。

系统控制模块主要用于根据调节指令对机械驱动模块11和加热冷却模块进行调控。系统控制模块具体包括加热控制器2、运动控制器3和冷却控制器9，加热控制器2、运动控制器3和冷却控制器9分别与数据处理单元连接，以接收数据处理单元对应发送的调节指令。进一步地，加热控制器2还与加热组件连接，用于基于数据处理单元对应发送的调节指令对加热组件的工作状态进行调控；冷却控制器9还与冷却组件连接，用于基于数据处理单元对应发送的调节指令对冷却组件的工作状态进行调控；运动控制器3还与驱动装置连接，用于基于数据处理单元对应发送的调节指令对驱动装置的工作状态进行调控。

为了进一步地对本发明实施例金属管材无模热成形智能控制系统的工作方式进行说明，本实施例描述了一种无模热压缩工艺的具体实施整体过程如下。

设定金属管材的原始直径为20mm，壁厚1mm。根据金属管材的尺寸、受力形式、成形力大小和成形路径选取驱动装置和传动组件，并选取一端为三爪卡盘，另一端为圆锥顶针的夹具；选择内径为40mm，宽度为5mm的感应线圈12；移动调节感应线圈12与两个环形喷射器10之间的距离为10mm。

根据工艺需求，在工业控制计算机4上输入机械驱动模块11、感应加热设备1和水泵8的初始工作参数；具体设定感应加热设备1的初始工作功率为18KW；金属管材压缩比为1.7(压缩比等于卡盘夹持端的运动速度V1与顶针夹持端初始运动速度V2的比值，V1和V2方向相同)；金属管材成形区即线圈和喷射器之间的温度场范围为200～1100℃；设置需成形波纹的高度为5mm。调整红外热像仪6和CMOS机器视觉摄像机7的照射角度和位置，确保能够捕捉到成形区的温度场和工件轮廓。

启动机械驱动模块11和加热冷却模块，机械驱动模块11驱动金属管材沿预设方向运动，并在第一局部位置移动到成形区停止。红外热像仪6实时监测成形区的温度分布，当成形区温度场接近于200～1100℃时，工业控制计算机4开始根据监测数据进行智能反馈调节，通过调节加热控制器2和冷却控制器9来改变感应加热设备1和水泵8的工作功率。当温度场刚好达到200～1100℃时，启动机械驱动模块11。金属管材两端推头按照预设速度进给，由于V1>V2，金属管材加热软化的局部区域受到轴向压力，向外发生屈曲变形，生成波纹。CMOS机器视觉摄像机7持续拍摄成形区工件的轮廓照片，并发送至工业控制计算机4中进行分析，提取出工件的波纹高度，并将实时捕捉的波纹高度值与预设值的5mm对比，在保证两侧推头进给速度比值不变以及成形区温度场稳定的情况下，控制当波纹高度刚好达到5mm时，波纹在环形喷射器10工作区内发生冷却定形，不再发生变形。第一个波纹生成之后，高温区转移到金属管材的下一个局部位置，由此循环“加热-变形-冷却”的智能控制，成形出连续的金属波纹管。

在整个成形过程中，拉压力传感器5持续记录成形力大小，当实时监测的成形力大于预设值(即装置承载极限值)时，工业控制计算机4会立即停止所有处于工作中的模块组件，防止装置过载，发生危险。

应用本发明实施例提供的金属管材无模热成形智能控制系统，通过设置数据监测模块和系统控制模块，实现在金属管材热成形过程中实时监测金属管材的温度场、变形轮廓以及成形力，实现系统全面的数据监测，为后续缺陷分析和工艺优化提供数据支持；并基于上述状态参数对机械驱动模块中的驱动装置和加热冷却模块中的加热组件和冷却组件进行实时调控，实现运动和温度场的闭环反馈调节，使温度、成形力和工件轮廓图像等逐步逼近预设工艺参数，以此实现无模热成形的智能控制。即本发明实现对金属管材热成形工艺中的运动和温度场的闭环反馈调节，当实时捕捉到的成形参数与预设工艺参数有偏差时，实时的智能反馈调节，具有响应时间短，稳定性好和精确性高等优点。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种金属管材无模热成形智能控制系统，其特征在于，包括：

机械驱动模块，用于夹持金属管材，驱动所述金属管材运动和变形；

加热冷却模块，用于对所述金属管材的局部进行快速软化和冷却定形；

数据监测模块，用于实时采集所述金属管材的状态参数，并对所述状态参数进行分析处理，生成相应的调节指令，并将调节指令发送给系统控制模块；

系统控制模块，用于根据所述调节指令对所述机械驱动模块和所述加热冷却模块进行调控。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械驱动模块包括驱动装置、夹持组件，以及连接在所述驱动装置与夹持组件之间的传动组件。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述驱动装置为液压缸或伺服电机。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述夹持组件包括一端为三爪卡盘，另一端为顶针的夹具和两端均为三爪卡盘的夹具。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述加热冷却模块包括加热组件和冷却组件，所述加热组件用于对所述金属管材处于成形区的局部位置进行加热，所述冷却组件用于对所述金属管材加热成形后的局部位置进行冷却。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述加热组件包括相连接的感应加热设备和感应线圈，所述感应线圈环绕所述金属管材设置。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述冷却组件包括水泵和两个与所述水泵分别连接的环形喷射器，所述环形喷射器环绕所述金属管材设置，两个所述环形喷射器设置于所述感应线圈两侧。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据监测模块包括数据处理单元，以及分别与所述数据处理单元连接的温度监测组件、视觉摄像组件和压力监测组件，

所述温度监测组件用于监测所述金属管材成形区的温度场参数，并将所述温度场参数发送给所述数据处理单元；

所述视觉摄像组件用于获取所述金属管材成形区的轮廓图像，并将所述轮廓图像发送给所述数据处理单元；

所述压力监测组件用于监测所述金属管材所受的成形力参数，并将所述成形力参数发送给所述数据处理单元；

所述数据处理单元对所述温度场参数、轮廓图像和成形力参数进行分析处理，并生成对应的调节指令。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述温度监测组件包括红外热像仪，所述视觉摄像组件包括CMOS机器视觉摄像机，所述压力监测组件包括拉压力传感器。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统控制模块包括分别与所述数据处理单元连接的加热控制器、运动控制器和冷却控制器；

所述加热控制器还与所述加热组件连接，用于基于所述调节指令对所述加热组件的工作状态进行调控；

所述冷却控制器还与所述冷却组件连接，用于基于所述调节指令对所述冷却组件的工作状态进行调控；

所述运动控制器还与所述驱动装置连接，用于基于所述调节指令对所述驱动装置的工作状态进行调控。

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