CN111266452A - 一种基于电控永磁技术的分块压边装置及压边力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电控永磁技术的分块压边装置，包括上模座、凸模、悬挂螺栓组件、垫块、压边圈、凹模、沉头螺栓、吸盘、电流调节器、导线、下模座、压力变送器、控制器和数据线。本发明的基于电控永磁技术的分块压边装置及压边力控制方法只在调节压边力时需要通入电流，而在压边力不变时，不需要提供任何电流，因为具有安全、节能且发热量很小的优点。可以针对板坯的不同位置分别提供不同的压边力，以防压边力过小板坯起皱，或压边力过大，而导致拉深高度降低的问题发生。

Description

一种基于电控永磁技术的分块压边装置及压边力控制方法

技术领域

本发明涉及压边装置领域，具体地涉及一种基于电控永磁技术的分块压边装置及压边力控制方法。

背景技术

拉深成形是薄板成形的主要成形方式，在薄板件的成形过程中毛坯法兰区域会受到较大的切向压应力，容易产生塑性失稳，所以法兰区域的成形质量对薄板件的顺利成形有着重要影响。为消除薄板件的起皱，常用方法为在法兰区域施加压边力，但如果压边力过大会导致薄板件过度减薄。所以对于压边力的合理控制是板料顺利成形的关键因素。

传统的压边装置如橡胶垫、弹簧垫及氮气缸，往往只能提供上升压边力曲线，并伴随有较大的噪声，且控制不精确。液压式压边系统提供的压边力由液压回路控制，压边力可以较为灵活地改变，但液压力与压边力间的转化速度较慢，不利于薄板成形。电磁压边技术是近年来涌现的新技术，解决传统压边装置控制不灵活、响应速度慢等问题，其基本工作原理为用电磁力替代传统的液压力或机械压力对板料法兰区域进行压边。但电磁压边由于以电磁铁为驱动力，纯在发热及控制不精确的问题，很难应用于实际生产。

此外，由于板坯不同位置起皱趋势不一样，原理上讲不同位置需要大小不同的压边力。但由于技术限制，无法实现压边力的精确控制，影响板坯拉深成形质量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种采用电控永磁技术提供的压边力，可采用永磁体提供压边力，工作时不需要外部能用，且能实现压边力的分区加载和控制。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案实现：

具体地，本发明提供一种基于电控永磁技术的分块压边装置，其包括上模座、下模座、凸模、凹模、悬挂螺栓组件、吸盘、压边圈、压力变送器以及控制器；

所述凸模固定在所述上模座的中间位置，所述上模座两侧分别设置有一个悬挂螺栓组件，所述吸盘借助于所述悬挂螺栓组件固定在所述上模座上，所述吸盘的中间开设有供凸模通过的通孔，所述凹模设置在所述下模座的中间位置，所述压边圈与所述下模座之间设置有垫片，所述的垫块和压边圈通过沉头螺栓固定在下模座上，所述压边圈的中间开设有供凹模通过的通孔，所述上模座和下模座之间放置有板坯；

所述悬挂螺栓组件包括螺柱、弹簧和螺母，当吸盘与压边圈处于分离状态时，所述吸盘借助于悬挂螺栓组件吊挂在所述上模座上；

所述压边圈包括压边圈基体和压力传感器，所述压力传感器固定于压边圈基体的上侧；

所述吸盘整体呈圆盘型结构，所述吸盘包括吸盘本体、永磁体、线圈和环氧树脂，所述吸盘本体包括螺栓孔、壳体、凸模孔和磁极腔，所述螺栓孔用于供悬挂螺栓组件通过，所述凸模孔用于供凸模通过，所述磁极腔用于放置永磁体、线圈和环氧树脂；

所述压力传感器将测量得到的压力模拟信号通过数据线传递给压力变送器，所述压力变送器将信号转为为控制器能够识别的标准电信号，所述控制器中针对不同位置的压力传感器设置有不同的阈值，将压力变送器传递来的值与该位置的压力传感器的阈值做差得到偏差值，基于偏差值的大小，采用PID控制规则给出输出值，所述控制器将所述输出值传递给电流调节器，所述电流调节器根据控制器传来的控制命令来改变通入各个线圈中的电流强度，从而改变各个位置的压边力的值。

优选地，所述压边圈基体包括基材、第一通道孔、螺纹孔、凹槽和第二通道孔，第一通道孔用于供悬挂螺栓组件通过，所述第二通道孔用于放置凹模，所述螺纹孔用于与沉头螺栓啮合，所述凹槽用于放置所述压力传感器。

优选的，所述垫块为圆环式结构，所述垫块开设有供沉头螺栓穿透的通孔和用于悬挂螺栓组件通过的通孔，所述的沉头螺栓用于从下侧将凹模和垫块固定于下模座上。

优选的，所述永磁体采用软磁材料制作，所述线圈缠绕在永磁体上，通过调整线圈中的电流强度，能够调节永磁体的磁性和磁力作用方向。

优选的，所述环氧树脂用于将线圈和永磁体固定于吸盘本体中，并起到隔磁的作用。

优选的，所述的电流调节器的输入端连接于电源上，根据控制器的控制可在输出端输入不同强度等级的电流；所述导线将所有线圈与电流调节器连接，使得不同强度的电流流入到线圈中。

优选的，所述的各个缠绕在永磁体上的线圈与电流调节器单独连接，从而使多个线圈之间并联。

本发明还提供了一种应用基于电控永磁技术的分块压边装置进行压边力的控制方法，包括以下步骤：

S1、当压力机滑块带动上模座和凸模向下运动时，吸盘在重力和弹簧的作用下保持与上模座同步下行，当吸盘与板坯接触时，根据各个永磁体的位置不同，对各线圈通入设定好的初始值，即通入短时的脉冲电流使得各永磁体表现出不同的磁力，同时由于磁吸力的作用，板坯被吸盘紧紧地压在压料板上；

S2、随着凸模继续下行，开始对板坯进行拉深成形，根据需要对不同位置提供不同的压边力，之后随着拉深的进行，压边圈上的压力传感器实时测得各处板坯上压力值，压力传感器将测量来的压力值通过数据线传递给压力变送器，变送器转变为标准电信号后传递给控制器，控制器将测量值与设定阈值进行比较，并根据PID控制规律给出输出值，从而控制电流调节器通入各线圈中不同的电流强度；

S3、拉深成形结束后，压力机滑块带动凸模上行至一定位置，此时吸盘仍留在压边圈一侧，当成形制件逐渐从凸模上脱离后，将向线圈通入一定的瞬时电流，使其不对压边圈表现出磁性，进而与压边圈分离，直至复位，整个拉深工艺过程结束。

优选地，步骤S2中，根据电流强度的不同，线圈产生的瞬时磁场能够改变永磁体的磁性，使其表现不同的磁吸力进而改变压边力大小，在整个拉深过程中，控制过程持续进行，在需要对压边力进行调节时采用电流通入，压边力不变时，不需要持续通入电流。

与现有技术相比，本发明的效果如下：

1、本发明提供的基于电控永磁技术的分块压边装置及压边力控制方法，压边装置上采用电控永磁技术，只在调节压边力时需要通入电流，而在压边力不变时，不需要提供任何电流，因为具有安全、节能且发热量很小的优点。

2、本发明提供的基于电控永磁技术的分块压边装置及压边力控制方法，可以针对板坯的不同位置分别提供不同的压边力，以防压边力过小板坯起皱，或压边力过大，而导致拉深高度降低的问题发生。

3、本发明采用PID控制规律，实现了压边力的实施控制，可以提供板坯成形效果和成形极限，因此具有很大的推广前景和社会需求。

附图说明

图1是一种基于电控永磁技术的分块压边装置的结构示意图；

图2是一种基于电控永磁技术的分块压边装置拉深过程中的结构示意图；

图3是图2中I部分的放大图；

图4是图2中II部分的放大图；

图5是本发明的压边圈的结构示意图；

图6是本发明的吸盘的结构示意图；

图7是本发明的图6的仰视图；

图8是本发明的控制框图。

图中部分附图标记如下：

上模座11、凸模12、悬挂螺栓组件13、垫块14、压边圈15、凹模16、沉头螺栓17、吸盘18、电流调节器19、导线20、下模座21压力变送器91、控制器92、数据线93、螺柱131、弹簧132、螺母133、压边圈基体151、压力传感器152、吸盘本体181、永磁体182、线圈183、环氧树脂184、基材1511、第一通道孔1512、螺纹孔1513、凹槽1514和第二通道孔1514。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

如图1至图7所示，一种基于电控永磁技术的分块压边装置，包括上模座11、凸模12、悬挂螺栓组件13、垫块14、压边圈15、凹模16、沉头螺栓17、吸盘18、电流调节器19、导线20、下模座21压力变送器91、控制器92和数据线93。所述凸模和悬挂螺栓固定在压力机的上模座11上，可随上模座上下移动。所述的吸盘由悬挂螺栓吊于上部，所述的凸模需由吸盘中间的开孔区穿过。所述的垫块和压边圈通过沉头螺栓固定在下模座上，垫块位于压边圈和下模座之间，用于垫高三者的整体高度，以便安装凹模。所述的凹模固定于下模座上，位于压边圈的中间开孔区域。

如图3所示，悬挂螺栓组件由螺柱131、弹簧132和螺母133组成，当吸盘与压边圈处于分离状态时，由悬挂螺栓吊着进行固定。当吸盘与压边圈接触时，悬挂螺栓不提供任何压边力。其中，弹簧只起到缓冲作用，其刚性相对压边力和压力机的冲压力来说可忽略不计。

垫块14为圆环式结构，其上开设有让沉头螺栓穿透的通孔和用于悬挂螺栓组件13通过的通孔。

如图3所示，压边圈15包括压边圈基体151和压力传感器152，压力传感器固定于压边圈基体的上侧。如图5所示，压边圈基体151包括基材1511、第一通道孔1512、螺纹孔1513、凹槽1514和第二通道孔1514；第一通道孔1512用于悬挂螺栓通过，第二通道孔1514用于放置凹模，螺纹孔1513用于与沉头螺栓啮合，凹槽1514用于放置压力传感器。沉头螺栓用于在从下侧将凹模和垫块固定于下模座上。

如图6所示，吸盘17整体呈圆盘型结构，包括吸盘本体181、永磁体182、线圈183和环氧树脂184。永磁体182采用软磁材料制作，基于软磁材料容易磁化，也方便磁力的退化的特性，在基于不同的电流强度的情况下，可以旋转磁极的角度，因而体现出不同的磁性和磁力。

线圈183缠绕在永磁体上，通过调整线圈中的电流强度，可以调节永磁体的磁性和磁力作用方向。环氧树脂184用于将线圈和永磁体固定于吸盘本体中，并起到隔磁的作用。

如图7所示，吸盘本体181包括螺栓孔1811、壳体1812、凸模孔1813和磁极腔1814，螺栓孔用于悬挂螺栓的通过，凸模孔1813用于凸模的通过，磁极腔1814用于放置永磁体、线圈和环氧树脂。

如图4所示，电流调节器19的输入端连接于电源上，根据控制器的控制可在输出端输入不同强度等级的电流。导线20将所有线圈与电流调节器连接，使得不同强度的电流流入到线圈中。各个缠绕在永磁体上的线圈与电流调节器单独连接，即各线圈之间是并联而非串联的关系。

如图4和图8所示，压力传感器152将测量来的压力模拟信号通过数据线93传递给压力变送器92，压力变送器将信号转为为控制器可识别的标准电信号，控制器中针对不同位置的传感器设有不同的设定阈值，并与压力变送器传递来的值做差得到偏差值，然后基于偏差大小，采用PID控制规则给出输出值，输出值被传递给电流调节器，电流调节器根据控制器传来的控制命令来改变通入各个线圈中的电流强度，从而改变各个位置压边力的值。

压边力的计算与板坯材料、直径、厚度、位置(径向)等都有关系。因为径向位置不同，所需抑制起皱的压边力也不同，因此控制器中针对不同位置的传感器设有不同的设定压边力阈值，当压边力超过某阈值时，板坯不起皱，当压边力小于阈值时，板坯则会起皱，此时，控制器给出命令，改变该位置的压边力。

压边力是由永磁体的磁吸力通过力的传递而来，而不是磁吸力作为压边力；所述吸盘与压边圈在磁吸力的作用下被紧紧吸在一起，从而夹紧板坯100，对其施加压边力，因此板坯是铁磁性的还是非铁磁性的，都可以被夹紧。

磁吸力是由永磁体提供的而不是电磁体，线圈中通过瞬间的电流就可以改变永磁体的对外磁性而改变磁吸力，当磁吸力不需要变化时，不需要持续通入电流，因此不存在断电失磁的问题，安全可靠，且不会持续产生热量。

控制器中的控制规律采用PID规律，PID控制方法，包括比例控制P，积分控制I和微分控制D，积分控制I和微分控制D不能单独使用，只能与比例控制相结合。比例调节规律P可以实现压边力的快速调节，积分调节规律I可以使得压边力无余差，调节的更精确，微分调节规律D能够克服滞后，使得压边力的调节能满足拉深的工艺进程。在具体使用过程中，可以根据需要选择合适的控制器控制方法，对压边力进行调节。

本发明还提供了一种应用基于电控永磁技术的分块压边装置进行压边力的控制方法，包括以下步骤：

S1、当压力机滑块带动上模座和凸模向下运动时，吸盘在重力和弹簧的作用下保持与上模座同步下行。当吸盘与板坯接触时，根据各个永磁体的位置不同，对各线圈通入设定好的初始值，即通入短时的脉冲电流使得各永磁体表现出不同的磁力。同时由于磁吸力的作用，板坯被吸盘紧紧地压在压料板上。

S2、随着凸模继续下行，开始对板坯进行拉深成形。由于板坯各个位置为了抑制起皱所需的压边力不同，因此理想上是根据需要提供不同的压边力。随着拉深的进行，板坯的各个位置起皱的趋势也不一样，起皱趋势大的位置，板坯厚度方向上起皱隆起的力就越大。因此，埋置在压边圈上的压力传感器可实时测得各处板坯上压力值，压力值越大表面起皱趋势越明显，需要越大的压边力。压力传感器将测量来的压力值通过数据线传递给压力变送器，变送器转变为标准电信号后传递给控制器，控制器将测量值与设定阈值进行比较，并根据PID控制规律给出输出值，从而控制电流调节器通入各线圈中不同的电流强度。根据电流强度的不同，线圈产生的瞬时磁场可以改变永磁体的磁性，使其表现不同的磁吸力，进而改变压边力大小，值得压边力可以抑制起皱。在整个拉深过程中，控制过程持续进行，但只要在需要对压边力进行调节时采用电流通入，在压边力不变时，不需要持续通入电流。

S3、成形结束后，压力机滑块带动凸模上行至一定位置，此时吸盘仍留在压边圈一侧，当成形制件逐渐从凸模上脱离后，将向线圈通入一定的瞬时电流，使其不对压边圈表现出磁性，进而与压边圈分离，直至复位，整个拉深工艺过程结束。

具体实施例

实施例1

将整个系统按图2所示连接，当拉深进行时，如某个位置的起皱趋势增加，压力传感器测得的压力值将增加，此测量值被通入控制器后，控制器根据PID控制规律给出输出值，此输出值控制电路调节器将对此区域输入某一较高的电流强度数值，使得缠绕在永磁体上的线圈产生瞬时的电磁场，以增加永磁体的对外磁力，在此更大的磁吸力作用下，此处压边力增加至足够抑制起皱的发生。

实施例2

当拉深进行时，如某个位置的起皱趋势减小，压力传感器测得的压力值将减小，此测量值被通入控制器后，控制器根据PID控制规律给出输出值，此输出值控制电路调节器将对此区域输入某一较低的电流强度数值，使得缠绕在永磁体上的线圈产生瞬时的电磁场，以减小永磁体的对外磁力，在此更小的磁吸力作用下，此处压边力降低，以便提高拉深成形的高度。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于电控永磁技术的分块压边装置，其特征在于：其包括上模座、下模座、凸模、凹模、悬挂螺栓组件、吸盘、压边圈、压力变送器以及控制器；

所述凸模固定在所述上模座的中间位置，所述上模座两侧分别设置有一个悬挂螺栓组件，所述吸盘借助于所述悬挂螺栓组件固定在所述上模座上，所述吸盘的中间开设有供凸模通过的通孔，所述凹模设置在所述下模座的中间位置，所述压边圈与所述下模座之间设置有垫片，所述的垫块和压边圈通过沉头螺栓固定在下模座上，所述压边圈的中间开设有供凹模通过的通孔，所述上模座和下模座之间放置有板坯；

所述悬挂螺栓组件包括螺柱、弹簧和螺母，当吸盘与压边圈处于分离状态时，所述吸盘借助于悬挂螺栓组件吊挂在所述上模座上；

所述压边圈包括压边圈基体和压力传感器，所述压力传感器固定于压边圈基体的上侧；

所述吸盘整体呈圆盘型结构，所述吸盘包括吸盘本体、永磁体、线圈和环氧树脂，所述吸盘本体包括螺栓孔、壳体、凸模孔和磁极腔，所述螺栓孔用于供悬挂螺栓组件通过，所述凸模孔用于供凸模通过，所述磁极腔用于放置永磁体、线圈和环氧树脂；

所述压力传感器将测量得到的压力模拟信号通过数据线传递给压力变送器，所述压力变送器将信号转为为控制器能够识别的标准电信号，所述控制器中针对不同位置的压力传感器设置有不同的阈值，将压力变送器传递来的值与该位置的压力传感器的阈值做差得到偏差值，基于偏差值的大小，采用PID控制规则给出输出值，所述控制器将所述输出值传递给电流调节器，所述电流调节器根据控制器传来的控制命令改变通入各个线圈中的电流强度，从而改变各个位置的压边力的值。

2.根据权利要求1所述的基于电控永磁技术的分块压边装置，其特征在于：所述垫块为圆环式结构，所述垫块开设有供沉头螺栓穿透的通孔和用于悬挂螺栓组件通过的通孔，所述沉头螺栓用于从下侧将凹模和垫块固定于下模座上。

3.根据权利要求1所述的基于电控永磁技术的分块压边装置，其特征在于：所述压边圈基体包括基材、第一通道孔、螺纹孔、凹槽和第二通道孔，第一通道孔用于供悬挂螺栓组件通过，所述第二通道孔用于放置凹模，所述螺纹孔用于与沉头螺栓啮合，所述凹槽用于放置所述压力传感器。

4.根据权利要求1所述的基于电控永磁技术的分块压边装置，其特征在于：所述永磁体采用软磁材料制作，所述线圈缠绕在永磁体上，通过调整线圈中的电流强度，能够调节永磁体的磁性和磁力作用方向。

5.根据权利要求4所述的基于电控永磁技术的分块压边装置，其特征在于：所述环氧树脂用于将线圈和永磁体固定于吸盘本体中，所述环氧树脂同时起到隔磁的作用。

6.根据权利要求1所述的基于电控永磁技术的分块压边装置，其特征在于：所述的电流调节器的输入端连接于电源上，根据控制器的控制在输出端输入不同强度等级的电流；所述导线将所有线圈与电流调节器连接，以使不同强度的电流流入到线圈中。

7.根据权利要求1所述的基于电控永磁技术的分块压边装置，其特征在于：所述的各个缠绕在永磁体上的线圈与电流调节器单独连接，从而使多个线圈之间并联。

8.一种应用权利要求1所述的基于电控永磁技术的分块压边装置进行压边的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、当压力机滑块带动上模座和凸模向下运动时，吸盘在重力和弹簧的作用下保持与上模座同步下行，当吸盘与板坯接触时，根据各个永磁体的位置不同，对各线圈通入设定好的初始值，即通入短时的脉冲电流使得各永磁体表现出不同的磁力，同时由于磁吸力的作用，板坯被吸盘紧紧地压在压料板上；

S2、随着凸模继续下行，开始对板坯进行拉深成形，根据需要对不同位置提供不同的压边力，之后随着拉深的进行，压边圈上的压力传感器实时测得各处板坯上压力值，压力传感器将测量来的压力值通过数据线传递给压力变送器，压力变送器转变为标准电信号后传递给控制器，控制器将测量值与设定阈值进行比较，并根据PID控制规律给出输出值，从而控制电流调节器通入各线圈中不同的电流强度；

S3、拉深成形结束后，压力机滑块带动凸模上行至一定位置，此时吸盘仍留在压边圈一侧，当成形制件逐渐从凸模上脱离后，将向线圈通入一定的瞬时电流，使其不对压边圈表现出磁性，进而与压边圈分离，直至复位，整个拉深工艺过程结束。

9.根据权利要求1所述的进行压边的方法，其特征在于：步骤S2中，根据电流强度的不同，线圈产生的瞬时磁场能够改变永磁体的磁性，使其表现不同的磁吸力进而改变压边力大小，在整个拉深过程中，控制过程持续进行，在需要对压边力进行调节时采用通入电流进行调节，压边力不变时，不需要持续通入电流。

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