圆管数控液压成形机测控系统研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 12 4 2.48MB 62 页 15积分
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摘 要
管材液压成形作为一种先进的成形加工工艺，近年来被广泛应用于厨卫用具、
汽车、航空航天等制造领域，并得到了长足的发展。相比较于传统工艺而言，液
压成形后的零件表面质量好、精度高，适用于成形难度大、形状复杂、精度要求
高的圆管零件的液压胀形。模具制造周期短、模具成本低、成形极限高是该加工
工艺的特点。
本文分析了液压成形机测控系统在当前工业生产过程中应用现状，针对液压
成形工艺设计了基于 PLC 的二级集散控制系统结构，即采用工控机（工业控制计
算机）作上位机和 PLC 作下位机的上、下位机系统。该方案是目前被工业控制系
统所广泛应用的典型结构，它具有“分散控制，集中管理”的优点。可以大大提
高系统的可靠性及管理水平，提高生产效率。
首先，分别从硬件以及软件方面分析了液压成形机测控系统的测试平台，接
着在此基础上通过对下位机 PLC 的程序编辑实现对液压成形过程的逻辑控制，并
使加工过程中的有用数据能实时准确地反映到上位机工控机。其次，利用 LabVIEW
开发完成了上位工控机检测、控制、数据管理等各模块。最后，实现了人机界面
的可视化操作。
开发完成的圆管数控液压成形机测控系统具有液压机逻辑动作控制、工艺过
程监控、实验数据采集和管理等功能，在工控机上可以方便选择或建立要加载的
材料参数、过程参数等。同时，可动态显示加工过程中的现场压力变化位移等曲
线。
总之，圆管数控液压成形机测控系统的研究是对液压成形技术研究手段的改
善和促进，实现了液压成形过程中的智能化、自动化和信息化。
关键词：圆管数控液压成形机 测控系统 PLC 数据采集 LabVIEW
ABSTRACT
Tube hydroforming is an advanced forming technology. It is developed vigorously
and applied widely in automobile, aerospace and kitchen health equipment
manufacturing fields and so on in recent years. It has characteristics such as low die cost,
short manufacturing cycle and high forming limit. CoMPared with traditional
technologies, the parts manufactured in hydroforming have high precision and good
surface quality, so it is suitable to precess tube parts with complex shape and high
precision.
This thesis analyzes the used condition of Hydraulic machine measurement and
control system in the current industrial production. According to the distributed control
system design and aiming at hydroforming, proposes two levels of DCS design thought
based on the PLC, which uses IPC(Industrial Control Computer) taking on upper
computer and PLC taking on lower computer to compose an upper-lower control system.
This plan is modular design widely applied in the industry control system that has "the
decentralized control, the centralized management" merit so as to greatly enhance the
reliability and the management level of this kind of system, to improve the production
efficiency.
Firstly, serial communication between computer and PLC through the PLC
programming port is solved, so the useful data can be promptly and accurately reflected
to PC in process, that is the foundation of man-machine interactive. Secondly, the upper
computer monitor, control and data management modules are developed by LabVIEW.
Finally, PLC program is redesigned to enable it to accept the upper computer's control
and order, and to carry out tasks that the upper computer issues.
The measurement and control system of numerical control tube hydraulic machine
has movement control, process selection, process monitoring, empirical datum
management function etc. Forming force and pressure-pad force curve can be
conveniently selected or established in upper computer then loop-locked controlling
those periphery hydraulic systems will be realized by PLC. In forming process, scene
pressure variation is dynamically displayed on the upper computer's screen and can be
coMPared with prearranged curve.
In conclusion the research and development of measurement and control system of
numerical control tube hydraulic machine improves and promotes the research method
of hydroforming and realizes intellectualization, automation, information and flexibility
in the hydroforming process.
Key Words: tube CNC hydraulic machine，measurement and control
system，PLC，Virtual instruments，LabVIEW
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论............................................................................................................1
§1.1 课题来源及意义...........................................................................................1
§1.2 课题背景.......................................................................................................1
§1.2.1 液压成形技术概述 ..............................................................................1
§1.2.2 国内外液压成形技术研究现状及应用情况 ......................................2
§1.2.3 测控技术的研究和发展现状................................................................5
§1.3 课题主要研究内容.......................................................................................6
§1.4 本章小结.......................................................................................................7
第二章 液压测控系统测试平台的搭建..................................................................8
§2.1 计算机控制系统概述 .................................................................................8
§2.1.1 计算机控制系统概念及发展 ..............................................................8
§2.1.2 计算机控制系统组成 ..........................................................................9
§2.1.3 计算机控制系统与传统控制系统的比较 ..........................................9
§2.2 分散控制系统 ...........................................................................................10
§2.3 测控系统方案的设计 ...............................................................................11
§2.4 测控系统的构成 .......................................................................................13
§2.4.1 液压成形设备 ....................................................................................13
§2.4.2 液压测控系统 ....................................................................................14
§2.5 测控平台的功能分析 ...............................................................................15
§2.6 本章小结 ...................................................................................................17
第三章 测控系统硬件的选型 ..............................................................................17
§3.1 测控系统硬件组成 ...................................................................................18
§3.2 上位机工控机 ...........................................................................................19
§3.2.1 工控机的概述及发展 ........................................................................19
§3.2.2 工控机的选型 ....................................................................................19
§3.3 下位机 PLC .............................................................................................. 20
§3.3.1 PLC 的概述及发展 ............................................................................ 20
§3.3.2 PLC 产品对比 .................................................................................... 21
§3.3.3 PLC 选型 ............................................................................................ 21
§3.4 液压系统元件的选择 ...............................................................................22
§3.5 本章小结 ...................................................................................................23
第四章 测控系统软件开发....................................................................................24
§4.1 测控系统操作模式及程序流程图 ...........................................................24
§4.2 下位机 PLC 软件设计 ............................................................................. 26
§4.2.1 PLC 逻辑动作流程 ............................................................................ 26
§4.2.2 PLC 的程序编辑 ................................................................................ 28
§4.3 基于 LabVIEW 的上位机软件设计 ........................................................30
§4.3.1 LabVIEW 概述 ...................................................................................30
§4.3.2 数据采集程序编制 ............................................................................32
§4.3.3 模拟信号输入程序编制 ....................................................................33
§4.3.4 图像存储程序编制 ............................................................................34
§4.3.5 数据显示与存储程序编制 ................................................................34
§4.3.6 图标显示程序编制 ............................................................................35
§4.3.7 前面板设计..........................................................................................36
§4.4 本章小结 ...................................................................................................41
第五章 实验验证液压测控系统性能 ..................................................................42
§5.1 实验内容 ...................................................................................................42
§5.1.1 液压成形仿真 ....................................................................................43
§5.1.2 变直径圆管液压成形过程加载路径设计 ........................................44
§5.2 实验 ...........................................................................................................47
§5.2.1 实验准备阶段 ....................................................................................47
§5.2.2 实验阶段 ............................................................................................49
§5.3 20 钢液压成形实验及数据采集 ...............................................................51
§5.4 本章小结 ...................................................................................................52
第六章 结论与展望................................................................................................53
§6.1 结论 ...........................................................................................................53
§6.2 展望 ...........................................................................................................54
参考文献..................................................................................................................55
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果......................................58
致谢..........................................................................................................................59
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源及意义
本课题是来源于上海市教育委员会科研创新项目：圆管数控液压成形机测控
系统研究。
目前，液压成形技术仍然处于探索阶段，并且在未来具有相当可观的发展前
景。虽然越来越多的学者专家在成形理论方面有了研究和著述，但是实践的验证
和支持会将液压成形技术带入更广阔的发展空间，因此国内外的该领域专家学者
仍在加强对液压成形工艺的实验条件和生产条件的认识。本课题中基于 LabVIEW
液压成形机测控平台的开发就是对液压成形技术研究手段的改善和促进可以进一
步提高对液压成形技术的认识水平。将基于 LabVIEW 的测控系统应用于管材液压
成形，能够使液压机按照预先设定的液压成形技术的要求去动作；能够监测和控
制成形过程；能够实现液压力和位移按照预先设定的数值进行加载；能够自动采
集和记录试验过程中产生的大量数据并生成图表和曲线，为实验之后的研究提供
了直接的数据保证。总之，液压成形机测控系统实现了液压成形过程的自动化和
信息化。
本课题将先进的虚拟仪器技术引入液压成形机的测量与控制系统中，将机—
电—液融为一体，结合上位机下位机的控制思想，以 LabVIEW 软件作为开发工具，
开发出基于虚拟仪器的液压成形机测试与控制平台，实现液压元件的性能参数测
试、液压回路控制、数据采集等方面的自动化、智能化。对于进一步认识液压成
形技术、掌握液压成形规律具有很大的帮助，并且能够拓宽对液压成形测试与控
制方面应用的认识。
接下来，本章将首先对目前国内外液压成形技术以及测控技术在液压成形过
程中应用作一个简单的描述。
§1.2 课题背景
§1.2.1 液压成形技术概述
传统的成形使用的是冲压方式在模具的设计制造以及调试的过程中需要消耗
圆管数控液压成形机测控系统研究
2
大量的时间以及人力、物力。因此迫切的需要一种新的成形方式来减少生产周期
又降低生产成本[1]。由于液压成形技术是采用油、水或其他的液体介质来传递压
力，能使材料在其压力的作用下紧贴在模具上从而达到成形的效果，因此以液体
为传力介质的液压成形技术在国际上流行起来，而随着液压成形相关控制技术以
及相关成形设备的日趋完善，这种新型的成形技术得到了迅速的发展。
液压成形是一种特殊成形工艺，与传统的材料成形加工工艺相比具有如下特
点以及优势：
（1）液压成形能够相当可观的减少模具费用，甚至能够达到降低成本 30%以
上。这是因为液压成形的模具中有一部分由液体介质取代。
（2）液压成形降低了对模具材料的要求，一些相对较便宜的材料就可以完成
模具的加工并且模具的使用寿命也有所提升，不易损坏，大大减少了生产成本。
同时，液压成形对加工零件、坯料的要求也有所降低，不同材料不同壁厚的零件
可以用同一个模具进行生产。
（3）液压成形相对于传统的冲压成形可以大大减少成形的工序，同样的成形
在传统的冲压成形过程中可能需要焊接，而液压成形可以一步完成。而且，液压
成形可以完成一些形状非常复杂的零件加工，这是传统的冲压成形远远达不到的。
（4）液压成形能够加工多种材料如镁合金、钛合金、不锈钢、铝合金以及复
合材料等而且特别适合于高强度和成形性能差的材料成形。
（5）液压成形的零件冻结性好，与模具贴合程度好，具有好的表面质量且尺
寸精度高，而且能够显著降低回弹和残余应力，通过高压塑性变形甚至能完全消
除残余应力。这说明液压成形大大改善了产品的性能和质量[2]。
液压成形可以分为管材液压成形、液压胀球和板材液压成形，这是按照其加
工对象的不同来划分的。本课题主要研究的是金属圆管液压成形，管材液压成形
是通过对管材两端施加负载及轴向推力，同时在管内通内高压，使管材在模具内
发生塑性形变使其达到加工所需要求。
§1.2.2 国内外液压成形技术研究现状及应用情况
（1）早期的管材液压成形技术
早在上世纪六十、七十年代，日本的一些学者就开始涉及管材液压成形技术
的领域，研究了成形过程中内高压与轴向负荷的合理配比，并取得了一些成果。
之后，国际上开始陆续对管材液压成形进行了材料参数以及工艺参数上的研究，
不过这一时期的研究普遍的特点是成形所用的内压不够高而且研究内容偏向于理
摘要：

摘要管材液压成形作为一种先进的成形加工工艺，近年来被广泛应用于厨卫用具、汽车、航空航天等制造领域，并得到了长足的发展。相比较于传统工艺而言，液压成形后的零件表面质量好、精度高，适用于成形难度大、形状复杂、精度要求高的圆管零件的液压胀形。模具制造周期短、模具成本低、成形极限高是该加工工艺的特点。本文分析了液压成形机测控系统在当前工业生产过程中应用现状，针对液压成形工艺设计了基于PLC的二级集散控制系统结构，即采用工控机（工业控制计算机）作上位机和PLC作下位机的上、下位机系统。该方案是目前被工业控制系统所广泛应用的典型结构，它具有“分散控制，集中管理”的优点。可以大大提高系统的可靠性及管理水平，...

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