母线弯曲机理研究及母线折弯机控制系统开发

论文摘要

随着高压开关电器柜行业的迅猛发展,对母线成形加工设备的精度与效率提出了较高的要求,而目前国内市场上的传统母线折弯设备大都为手动或半自动控制,其折弯角度控制精度及加工效率都较低,很难满足母线大批量加工生产的要求。因此,设计、开发出一种价格较低、精度较高的全自动母线折弯设备具有十分良好的市场前景。本文以昆明昆开专用数控设备有限公司生产的KJW303S半自动数控液压母线折弯机为试验样机,以铜、铝母线板材为研究对象,通过对母线板材在样机上的加载弯曲及卸载成形的数据进行分析并通过有限元数值计算方法对母线弯曲成形的全过程进行模拟,分析并得到了母线在折弯加工时的弯曲、回弹及成形的规律。总结出了在母线进行折弯加工过程中必然经历不稳定回弹、稳定回弹及失效这三个阶段,同时利用得出的这一母线弯曲、回弹及成形规律设计出了一套高精度的母线折弯成形控制方案。本文根据新提出的母线折弯成形控制方案设计了一种全新的带有实时角度测量的折弯机机头,该机头通过安装在跟随母线弯曲而产生旋转的两支测量半轴上的高精度光电式旋转编码器能实时的将母线的弯曲角度传送至控制系统,其角度测量精度达到了0.1°,在国内外的母线折弯机中处于较高水平。在本文所设计的母线折弯机控制系统中采用了PLC作为控制核心及触摸屏作为人机交互界面。与传统的PLC控制程序开发不同,本文的控制系统设计是通过数控代码的思想并采用了编码与解码的方式,在PLC中构建了一套数控加工代码的核心解码程序。同时,还利用了触摸屏中的宏程序功能使触摸屏不仅能完成参数的输入工作,而且还能直接将用户所输入的折弯控制参数转换为加工控制代码并将其传送至PLC的特定存储区中。该设计不仅更易于程序的扩展与维护,而且还大大降低了系统对PLC存储器容量的要求。本文通过对母线的弯曲、回弹及成形的研究所提出的母线折弯成形控制方案及根据该方案所设计的折弯机控制系统经装机调试运行,结果表明本系统功能完善,性能优良,使母线单次折弯的成形精度到达了0.3°,能完全满足高压电器柜行业母线加工制造的要求,提高了母线的加工精度与生产效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 有关国内外研究历史和现状
• 1.3 课题的来源及意义
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第二章 铜、铝母线折弯弯曲机理研究
• 2.1 弯曲的一般工程理论模型
• 2.1.1 一般等截面直梁的纯弯曲及回弹
• 2.1.2 板料的塑性弯曲机理
• 2.2 铜、铝母线在实验样机上弯曲的实际情况
• 2.2.1 实验样机和试件
• 2.2.2 实验描述
• 2.3 铜、铝母线角度成形试验数据采集
• 2.3.1 数据采集方法描述
• 2.3.2 实验数据
• 2.4 试验数据与传统公式计算结果比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 ANSYS有限元弯曲回弹模拟分析
• 3.1 ANSYS/LS-DYNA板料弯曲及回弹分析方法简介
• 3.2 母线材料属性的定义
• 3.2.1 铜母线材料简介
• 3.2.2 双线性随动材料模型（BKIN）属性
• 3.3 几何模型的建立
• 3.3.1 原型机模型
• 3.3.2 简化后的模型
• 3.4 加载及弯曲过程的显式分析部分
• 3.4.1 网格的划分
• 3.4.2 接触面的定义
• 3.4.3 约束的定义
• 3.4.4 施加位移载荷
• 3.4.5 求解及观察显式分析结果
• 3.5 卸载及回弹过程的隐式分析部分
• 3.5.1 单元类型的转换
• 3.5.2 隐式单元几何形状的修改
• 3.5.3 引入新的边界条件
• 3.5.4 应力的导入及求解
• 3.6 弯曲及回弹分析结果
• 3.6.1 母线板料弯曲成形后的外观变化
• 3.6.2 母线板料各层纤维的应力变化
• 3.6.3 母线板料回弹角随弯曲变形的变化
• 3.7 本章小结
• 第四章 母线折弯角度控制方案设计
• 4.1 基于ANSYS分析结果的理想控制方案
• 4.1.1 理想控制方案的提出
• 4.1.2 理想控制方案的实现
• 4.1.3 理想控制方案的局限性
• 4.2 折弯机样机的控制元件及其特性
• 4.2.1 折弯机样机的控制元件
• 4.2.2 控制元件的特性
• 4.3 基于ANSYS分析结果与折弯机样机特性的控制方案
• 4.3.1 新控制方案的提出
• 4.3.2 新控制方案的实现
• 4.4 基于新控制方案的折弯机机头设计
• 4.4.1 折弯机机头结构设计
• 4.4.2 折弯机机头的特性
• 4.5 短母线的折弯控制
• 4.6 本章小结
• 第五章 母线折弯机控制系统硬件设计
• 5.1 母线折弯机控制系统总体方案
• 5.2 母线折弯机控制系统的配置
• 5.2.1 PLC的容量分析原则
• 5.2.2 PLC处理器与I/O模块的选型
• 5.2.3 位置传感器的选型
• 5.2.4 定长控制伺服电机及伺服控制系统的选型
• 5.2.5 人机界面的选型
• 5.3 母线折弯机控制系统硬件接口设计
• 5.3.1 伺服控制器接口设计
• 5.3.2 控制系统总体硬件接口设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 母线折弯机控制系统软件设计
• 6.1 控制系统的软件设计思路及软件开发环境介绍
• 6.1.1 控制系统功的软件设计思路与方案
• 6.1.2 控制系统软件开发环境介绍
• 6.2 控制系统各模块的功能及结构规划设计
• 6.2.1 PLC功能及结构规划设计
• 6.2.2 触摸屏功能及结构规划设计
• 6.3 PLC程序设计
• 6.3.1 PLC总体程序结构设计
• 6.3.2 PLC程序中的解码思想及PLC解码核心程序设计
• 6.3.3 PLC程序中仿步进指令程序的开发
• 6.4 人机界面设计
• 6.4.1 人机界面的总体结构设计
• 6.4.2 生成数控加工代码的宏程序设计
• 6.5 本章小结
• 第七章 系统装机调试结果
• 7.1 调试结果
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表论文目录
• 附录B 控制系统设备及电路图