基于板料成形過程的隨動閉環控制系統及方法與流程

本發明涉及板料漸進成形加工領域，尤其涉及一種基于板料成形過程的隨動閉環控制方法及系統。

背景技術：

隨著客戶個性需求的增加，制造業從傳統的規模化量產向以定制化為重點的多種類、小批量方向轉變。漸進成形是根據板料成形過程的要求，編制數控程序，利用數控設備的進給系統，使板料按照給定的路徑逐步成形，最終成形出所需的工件形狀的板材加工技術。漸進成形技術的數字化和信息化，大大降低了板料成形過程對專用成形工具的依賴度，使得板料零件的柔性制造成為可能，為小批量，多品種，復雜零件的生產奠定了基礎。因此，在制造業“個性化”發展的過程中，板材漸進成形引起了業界的關注。

柔性化的成形方式縮短了生產的準備周期，同時也增加了板料的成形難度，與整體成形相比，板料漸進成形過程中更易出現起皺和破裂等問題。為克服成形缺陷，漸進成形采用的加工頭數量從最初的單個增至多個，例如公開號為CN105268831A的專利提出將成形工具頭和輔助加工頭分別置于板料的兩側，通過輔助加工頭對板料的支撐來降低成形缺陷；公開號為CN103316981A專利提出采用上、下加工頭，其中下加工頭至少三個，通過獨立驅動的上、下加工頭間的運動配合，來提高成形精度和成形效率。

隨著輕質難變形材料的盛行，綜合溫成形和漸進成形的溫漸進成形的應用開始增多。成形過程中，塑性變形僅出現在加工頭與板料的接觸區域，因此溫漸進成形通常采用局部加熱方式，僅對變形區域材料進行加熱，例如日本廣島大學的Ryutaro Hino等提出采用兩套運動控制系統分別控制加工頭和激光輔助加熱工具，以此來實現對局部變形區的同步加熱；公開號為CN105033462A專利提出在板料兩側分別設置噴丸激光和加熱激光裝置，實現對噴丸的區域進行局部加熱，從而解決高強度高性能的板材的加工制造問題。

板料的成形是一個復雜的彈塑性變形過程，與整體變形相比，漸進成形中加工頭反復的加載和卸載，降低了成形的穩定性，使得加工頭實際的加載路徑與預設值存在較大差異，進而影響成形零件的形狀和尺寸精度。在漸進成形中，兩個以上單獨驅動加工頭的輔助成形或輔助加熱頭的局部加熱，在降低成形風險的同時，也對加工頭的運動控制提出了更高的要求，也是柔性化成形方式中的難點。

技術實現要素：

為了解決漸進成形中，加工頭反復加載和卸載，影響成形穩定性的問題，本發明提供了一種基于板料成形過程的隨動閉環控制系統及方法來解決上述技術問題。

一種基于板料成形過程的隨動閉環控制系統，包括線性結構光發生裝置、成像裝置、信號處理器、圖像處理器、運動控制單元、運動單元，所述的線性結構光發生裝置、成像裝置、信號處理器固定在工作平臺上，所述的信號處理器的輸出端與線性結構光發生裝置的輸入端電連接，所述的成像裝置的輸出端與信號處理器的輸入端電連接，所述的信號處理器的輸出端與圖像處理器的輸入端電連接，所述的圖像處理器的輸出端與運動控制單元的輸入端電連接，所述的運動控制單元的輸出端與運動單元電連接，所述的運動單元驅動工作平臺運動。

所述的線性結構光發生裝置包括激光發射器和位于所述激光發射器的光束發出端前方的第一透鏡，所述的激光發射器的輸入端與信號處理器的輸出端電連接，所述的激光發射器的光束經過第一透鏡匯聚到板料的變形區。

所述的成像裝置包括鏡片組和圖像傳感器，所述的鏡片組位于圖像傳感器和板料之間，所述的圖像傳感器的輸出端與信號處理器的輸入端電連接，所述的鏡片組包括用于過濾紅外光的濾鏡和第二透鏡。

實施例1：所述的運動控制單元包括平臺位移控制單元和隨動對象控制單元，所述的運動單元包括平臺位移裝置和隨動對象，所述的圖像處理器的輸出端分別與平臺位移控制單元和隨動對象控制單元的輸入端電連接，所述的平臺位移控制單元的輸出端電連接平臺位移裝置，所述的平臺位移裝置帶動工作平臺運動，所述的隨動對象控制單元電連接隨動對象驅動隨動對象運動。

所述的運動單元為隨動對象，所述的工作平臺與隨動對象固定連接，所述的運動控制單元電連接隨動對象驅動隨動對象。

實施例2：所述的隨動對象為主加工頭組件，所述主加工頭組件與成像裝置處于板料的同一側。

實施例3：所述的隨動對象為輔助加工頭組件，所述輔助加工頭組件與成像裝置處于板料的同一側，所述板料的另一側設有主動加工頭系統，所述的主動加工頭系統包括主動加工頭控制單元和主動加工頭組件，所述的主動加工頭控制單元的輸出端與主動加工頭組件電連接。

實施例1的控制方法：一種基于板料成形過程的隨動閉環控制系統的控制方法，步驟如下，

a、在隨動對象控制單元內預設隨動對象的加工路徑，在平臺位移控制單元內預設平臺位移裝置的檢測路徑，所述加工路徑和所述檢測路徑存在一一對應關系；

b、線性結構光發生裝置將線性結構光投射到板料表面的待分析成形區形成與板料變形過程相關的投影條紋，且固定在平臺位移裝置上的工作平臺帶動成像裝置、信號處理器、圖像處理器按照預設檢測路徑進行檢測；

c、從板料反射回的光經成像裝置，形成與投影條紋相關的電信號；

d、信號處理器將電信號轉化為二維圖像；

e、利用圖像處理器提取二維圖像的中心線，通過坐標變換復原待分析成形區的二維特征曲線；

f、利用信號處理器根據二維特征曲線計算出隨動對象的參考點的實時坐標值及法向矢量；

g、將計算結果發送至隨動對象控制單元，并與隨動對象控制單元的預設值相比較，且計算出隨動對象的修正值；

h、根據修正值，隨動對象控制單元控制隨動對象進行調整；

i、按照設置的頻率不斷重復步驟b-h,不斷對隨動對象進行調整。

實施例2的控制方法：一種基于板料成形過程的隨動閉環控制系統的控制方法，步驟如下，

a、在運動控制單元內預設主加工頭組件的運動路徑；

b、線性結構光發生裝置將線性結構光投射到板料表面的待分析成形區形成與板料變形過程相關的投影條紋，且固定在主加工頭組件上的工作平臺帶動成像裝置、信號處理器、圖像處理器按照主加工頭組件的預設運動路徑進行檢測；

c、從板料反射回的光經成像裝置，形成與投影條紋相關的電信號；

d、信號處理器將電信號轉化為二維圖像；

e、利用圖像處理器提取二維圖像的中心線，通過坐標變換復原待分析成形區的二維特征曲線；

f、利用信號處理器根據二維特征曲線計算出主加工頭組件的參考點的實時坐標值及法向矢量；

g、將計算結果發送至運動控制單元，并與運動控制單元的預設值相比較，且計算出主加工頭組件的修正值；

h、根據修正值，運動控制單元控制主加工頭組件進行調整；

i、按照設置的頻率不斷重復步驟b-h，不斷對主加工頭組件進行調整。

實施例3的控制方法：一種基于板料成形過程的隨動閉環控制系統的控制方法，步驟如下，

a、在運動控制單元內預設輔助加工頭組件的運動路徑；在主動加工頭控制單元內預設主動加工頭組件的加工路徑；

b、線性結構光發生裝置將線性結構光投射到板料表面的待分析成形區形成與板料變形過程相關的投影條紋，且固定在輔助加工頭組件上的工作平臺帶動成像裝置、信號處理器、圖像處理器按照輔助加工頭組件的預設運動路徑進行檢測，主動加工頭組件按照預設加工路徑進行加工。

c、從板料反射回的光經成像裝置，形成與投影條紋相關的電信號；

d、信號處理器將電信號轉化為二維圖像；

e、利用圖像處理器提取二維圖像的中心線，通過坐標變換復原待分析成形區的二維特征曲線；

f、利用信號處理器根據二維特征曲線計算出輔助加工頭組件的參考點的實時坐標值及法向矢量；

g、將計算結果發送至運動控制單元，并與運動控制單元的預設值相比較，且計算出輔助加工頭組件的修正值；

h、根據修正值，運動控制單元控制輔助加工頭組件進行調整；

i、按照設置的頻率不斷重復步驟b-h，不斷對輔助加工頭組件進行調整。

本發明提出的基于板料成形過程的隨動閉環控制系統及方法，有效益效果是：(1)采用基于結構光的圖像傳感器對待分析區域的變形狀況進行實時跟蹤，為漸進成形參數的自適應控制提供依據，具有靈敏度高、動作相應快等優點，大大提高了成形系統的適應能力；(2)解決傳統方法的漸進成形中，加工頭反復加載和卸載，影響成形穩定性的問題；大大提高了板料漸進成形的穩定性。(3)解決了傳統方法的漸進成形中，為了降低成形風險，采用兩個及以上單獨驅動加工頭的輔助成形或輔助加熱的情況而出現的加工頭運動控制要求較高的問題。(4)通過非接觸式測量的方式獲得板料的實時變形狀況，結合板料成形要求，對隨動對象的預設路徑進行修正，可有效地減小隨動對象預設路徑與實際加載路徑間存在的誤差。

附圖說明

圖1是基于板料成形過程的隨動閉環控制系統的實施例1的結構示意圖，

圖2是基于板料成形過程的隨動閉環控制系統的實施例2的結構示意圖，

圖3是基于板料成形過程的隨動閉環控制系統的實施例3的結構示意圖，

1、鏡片組，2、圖像傳感器；3、圖像處理器，4、信號處理器，5、激光發射器，6、第一透鏡；7、工作平臺，8、隨動對象控制單元；9、隨動對象；10、板料；11、平臺位移控制單元，12、平臺位移裝置，13、主動加工頭控制單元，14、主動加工頭組件，15、運動控制單元。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明基于板料成形過程的隨動閉環控制系統，包括線性結構光發生裝置、成像裝置、信號處理器4、圖像處理器3、運動控制單元15、運動單元，線性結構光發生裝置、成像裝置、信號處理器固定在工作平臺7上，信號處理器4的輸出端與線性結構光發生裝置的輸入端電連接，所述的成像裝置的輸出端與信號處理器4的輸入端電連接，信號處理器4的輸出端與圖像處理器3的輸入端電連接，圖像處理器3的輸出端與運動控制單元15的輸入端電連接，運動控制單元15的輸出端與運動單元電連接，運動單元驅動工作平臺7運動。線性結構光發生裝置包括激光發射器5和位于所述激光發射器5的光束發出端前方的第一透鏡6，激光發射器5的輸入端與信號處理器4的輸出端電連接，激光發射器5的光束經過第一透鏡6匯聚到板料10的變形區。成像裝置包括鏡片組1和圖像傳感器2，鏡片組1位于圖像傳感器2和板料10之間，圖像傳感器2的輸出端與信號處理器4的輸入端電連接，鏡片組1包括用于過濾紅外光的濾鏡和第二透鏡。

實施例1、實施例2和實施例3的區別在于：

實施例1：如圖1所示，運動控制單元15包括平臺位移控制單元11和隨動對象控制單元8，運動單元包括平臺位移裝置12和隨動對象9，圖像處理器3的輸出端分別與平臺位移控制單元11和隨動對象控制單元8的輸入端電連接，平臺位移控制單元11的輸出端電連接平臺位移裝置12，平臺位移裝置12帶動工作平臺7運動，隨動對象控制單元8電連接隨動對象9驅動隨動對象9運動。

基于實施例1的控制方法：步驟如下，

a、在隨動對象控制單元8內預設隨動對象9的加工路徑，在平臺位移控制單元11內預設平臺位移裝置12的檢測路徑，加工路徑和所述檢測路徑存在一一對應關系；

b、線性結構光發生裝置將線性結構光投射到板料10表面的待分析成形區形成與板料10變形過程相關的投影條紋，且固定在平臺位移裝置12上的工作平臺7帶動成像裝置、信號處理器4、圖像處理器3按照預設檢測路徑進行檢測；

c、從板料10反射回的光經成像裝置，形成與投影條紋相關的電信號；

d、信號處理器4將電信號轉化為二維圖像；

e、利用圖像處理器3提取二維圖像的中心線，通過坐標變換復原待分析成形區的二維特征曲線；

f、利用信號處理器4根據二維特征曲線計算出隨動對象9的參考點的實時坐標值及法向矢量；

g、將計算結果發送至隨動對象控制單元8，并與隨動對象控制單元8的預設值相比較，且計算出隨動對象9的修正值；

h、根據修正值，隨動對象控制單元8控制隨動對象9進行調整；

i、按照設置的頻率不斷重復步驟b-h,不斷對隨動對象9進行調整。

實施例2：如圖2所示，運動單元為隨動對象9，工作平臺7與隨動對象9固定連接，運動控制單元15電連接隨動對象9驅動隨動對象9。隨動對象9為主加工頭組件，主加工頭組件包括主加工頭運動單元和主加工頭，運動控制單元15驅動主加工頭運動單元帶動主加工頭運動，主加工頭組件與成像裝置處于板料10的同一側。

基于實施例2的控制方法：步驟如下，

a、在運動控制單元15內預設主加工頭組件的運動路徑；

b、線性結構光發生裝置將線性結構光投射到板料10表面的待分析成形區形成與板料10變形過程相關的投影條紋，且固定在主加工頭組件上的工作平臺7帶動成像裝置、信號處理器4、圖像處理器3按照主加工頭組件的預設運動路徑進行檢測；

c、從板料10反射回的光經成像裝置，形成與投影條紋相關的電信號；

d、信號處理器4將電信號轉化為二維圖像；

e、利用圖像處理器3提取二維圖像的中心線，通過坐標變換復原待分析成形區的二維特征曲線；

f、利用信號處理器4根據二維特征曲線計算出主加工頭組件的參考點的實時坐標值及法向矢量；

g、將計算結果發送至運動控制單元15，并與運動控制單元15的預設值相比較，且計算出主加工頭組件的修正值；

h、根據修正值，運動控制單元15控制主加工頭組件進行調整；

i、按照設置的頻率不斷重復步驟b-h，不斷對主加工頭組件進行調整。

實施例3：如圖3所示，運動單元為隨動對象9，工作平臺7與隨動對象9固定連接，運動控制單元15電連接隨動對象9驅動隨動對象9。隨動對象9為輔助加工頭組件，輔助加工頭組件包括輔助加工頭運動單元和輔助加工頭，運動控制單元15驅動輔助加工頭運動單元帶動輔助加工頭運動，輔助加工頭組件與成像裝置處于板料10的同一側，板料10的另一側設有主動加工頭系統，主動加工頭系統包括主動加工頭控制單元13和主動加工頭組件14，主動加工頭組件14包括主動加工頭運動單元和主動加工頭，主動加工頭控制單元13驅動主動加工頭運動單元帶動主動加工頭運動，主動加工頭控制單元13的輸出端與主動加工頭組件14電連接。

基于實施例3的控制方法：步驟如下，

a、在運動控制單元15內預設輔助加工頭組件的運動路徑；在主動加工頭控制單元13內預設主動加工頭組件14的加工路徑；

b、線性結構光發生裝置將線性結構光投射到板料10表面的待分析成形區形成與板料10變形過程相關的投影條紋，且固定在輔助加工頭組件上的工作平臺7帶動成像裝置、信號處理器4、圖像處理器3按照輔助加工頭的預設運動路徑進行檢測，主動加工頭組件14按照預設加工路徑進行加工。

c、從板料10反射回的光經成像裝置，形成與投影條紋相關的電信號；

d、信號處理器4將電信號轉化為二維圖像；

e、利用圖像處理器3提取二維圖像的中心線，通過坐標變換復原待分析成形區的二維特征曲線；

f、利用信號處理器4根據二維特征曲線計算出輔助加工頭組件的參考點的實時坐標值及法向矢量；

g、將計算結果發送至運動控制單元15，并與運動控制單元15的預設值相比較，且計算出輔助加工頭組件的修正值；

h、根據修正值，運動控制單元15控制輔助加工頭組件進行調整；

i、按照設置的頻率不斷重復步驟b-h，不斷對輔助加工頭組件進行調整

以上，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。