首页 -> 2008年第3期
弯曲智能化控制系统在实验教学中的应用
作者：马 瑞 官英平 曹宏强 殷艳树
[关键词]科研成果，实验教学，实验控制系统，LabVIEW。
[中图分类号]TG386.3[文献标识码]A[文章编号]1005-4634(2008)02-0258-03
0引言
板料在弯曲卸载后将产生回弹，使弯曲件的尺寸和形状发生变化，精度降低，因此研究影响弯曲回弹的因素对保证弯曲件质量有着重要意义。在生产中弯曲件的形状很多，如V形件、U形件等。产生弯曲回弹的原理是：板料的变形过程由弹性变形和塑性变形过程构成，当外力去除后，弹性变形部分会立即消失，产生弹性回复，即回弹。可见，板料弯曲后回弹总是存在的，如何减小和控制板料弯曲的回弹，使弯曲件的弯曲半径、弯曲角等几何形状参数在许可的范围内变化，是研究和拟定弯曲工艺的主要内容。
近年来燕山大学课题组开展了旨在控制V形件弯曲回弹的研究，该项目同时获得了省自然科学基金的资助，通过该项目的研究对V形件弯曲回弹的机理有了更深入的认识，找到了控制V形件回弹的方法，进而开发了一套V形件弯曲智能化控制系统。为了充分发挥这一成果的作用，能够让学生对弯曲回弹有更深刻的认识，实验教师把这一内容与原有的传统弯曲回弹实验相结合开设了一门综合性、设计性实验。
1实验原理
影响V形弯曲过程的因素除了弯曲力、弯曲行程外，还有材料性能参数和毛坯及模具几何参数，而目标弯曲角（回弹后的角度）与弯曲行程成线性关系，因此可以通过控制弯曲行程来达到控制目标弯曲角的目的[1]。根据此原理建立了如图1所示的实验系统，由模具部分、液压系统、智能控制系统等组成，工作原理如图2所示。
系统按照工作原理分成四部分：
1）过程监测部分：主要由传感器、A/D卡、工控机及采集、记录和显示程序组成。能够反映弯曲过程特征的两个物理量，弯曲行程、弯曲力，被位移传感器和压力传感器经调理模块（Scx1-1180和Scx2-1520）转换成两个电压信号。两个电压信号经A/D卡（6062E1）将模拟量转换为数字量输入计算机。计算机内设置的记录显示程序将上述两个物理量以数据文件的形式自动保存在计算机内，并随着弯曲过程的进行在显示器上实时显示出变化曲线；
2）工艺参数输入部分：主要由计算机和相应的软件组成，根据目标弯曲角计算出弯曲行程，然后输入行程控制量；
3）系统控制部分：由计算机、控制程序、D/A卡（6062E2）、三位四通电磁换向阀、控制器及相关模块等组成。控制系统以弯曲行程作为输入信号，发出控制指令，D/A卡将控制电压信号的数字量转换成模拟量后进入三位四通电磁换向阀，使换向阀动作，达到控制弯曲行程的目的；
3）系统控制部分：由计算机、控制程序、D/A卡（6062E2）、三位四通电磁换向阀、控制器及相关模块等组成。控制系统以弯曲行程作为输入信号，发出控制指令，D/A卡将控制电压信号的数字量转换成模拟量后进入三位四通电磁换向阀，使换向阀动作，达到控制弯曲行程的目的；
2实验内容介绍
板材弯曲回弹的测量与控制实验教学重点体现冲压工艺的基础理论知识在实验中的应用，同时向学生有选择的渗透系统工作的控制原理，激发、启迪学生对于科研工作的热爱。
本实验课主要讲授如下内容：①V形弯曲产生回弹的原理及影响因素；②回弹的基本控制方法；③实验系统工作原理；④传感器的原理及标定。本实验使用了磁致伸缩位移传感器、应变片式压力传感器。
根据实验指导书，学生自行确定实验方案。同时完成以下主要内容：①选择实验材料、排样、下料，实验室提供多种板材，主要包括钢板、铝板和铜板；②选择合适的弯曲条件，主要是材料、弯曲角度、试件尺寸；③通过数据采集系统采集、处理数据，测量回弹角度得出行程影响目标弯曲角的规律；④在老师的指导下把行程－目标弯曲角的变化规律植入控制程序；⑤运行系统，实现弯曲回弹的自动控制。
现场给出了实验标准做法的步骤、图片和实物参考，实验完毕要求写出实验报告。
在弯曲回弹实验中加入控制手段，改进、丰富了原有的实验内容，同时也展示了本学科的前沿科研成果，该控制系统是多学科交叉的产物，不仅能引起学生极大的好奇心和科研兴趣，而且对培养学生的动手能力和独立思考能力，培养交叉学科的复合型人才很有益处。
3实验软件系统的开发
以该项成果的理论为指导依据，针对学生实验的实际条件笔者所在实验室人员开发了相关的数据采集系统和控制系统。
3.1基于LabVIEW的数据采集系统
基于G语言的图形化编程软件LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）的创新软件产品[2~6]，即对称之为虚拟仪器的软件对象进行图形化组合操作，提供了直觉式的环境，在自动测试、数据采集与控制、过程监控和工业自动化等领域得到广泛应用。
广义的数据采集包括模拟输入和模拟输出两部分，就是将电压、电流、温度、压力等物理信号转化为数字量并传递到计算机中的过程。LabVIEW的数据采集程序库包括许多数据采集卡的驱动控制程序。通常，一块卡可以完成多种功能。用户在使用之前必须设置好采集卡的硬件配置。基于LabVIEW的数据采集系统一般如图3所示[5]。
数据采集硬件有多种形式，硬件的选择要根据具体的应用场合并考虑到自己现有的技术资源。本系统采用的是由6062笔记本数据采集卡（Card-6062E）、IBM笔记本电脑T60、信号调理4槽机箱（SCXI-1180）、8通道应变测试调理模块（SCXI-1520）及其接线端子（SCXI1314）、6通道模拟输出调理模块（SCXI-1124）及其接线端子（SCXI-1125）组成的数据采集系统。
3.2基于LabVIEW数据采集系统上的程序开发和测试
在弯曲实验控制系统中，过程变量弯曲力和弯曲行程的样本数据的采集是利用基于LabVIEW[2~4]的数据采集系统完成的。
图4和图5分别为在LabVIEW上开发的V形弯曲控制过程中变量采集程序的前面板图及主框图。图形和数据的显示控件都安放在前面板上，数据间具体的输入输出、运算关系和文件的读写等操作则是在框图程序里进行定义。
4结束语
本实验的开设集中体现了多学科知识的融合，整个实验过程浓缩了冲压工艺中弯曲回弹的基本理论、控制回弹的基本方法和新近的科研成果，对本学科的大学生来说既是一次内容充实的实验课，又是一堂理论联系实际的工艺理论课。将该系统引入实验教学中，经过两年的实践，收到了良好的效果：
1）相比原有传统的实验，实验内容更加丰富了，更能提高学生学习兴趣；
2）通过改装原来的实验设备、开发实验数据采集、控制系统既节省了实验经费又改善了实验条件；
3）将科研成果引入实验教学是一个高效可行之路，实验室教师通过开发高新技术实验，不但提高教学水平，同时促进了科研。
参考文献
1官英平,苏春建,赵军.宽板V形自由弯曲智能化控制实验系统[J].塑性工程学报,2006,13(5).
2 欧阳黎明.MATLAB控制系统设计[M].北京:国防工业出版社,2001.
3 刘君华,贾惠芹,丁昕,等.虚拟仪器图形化编程语言[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.
4 汪敏生.LabVIEW基础教程[M].北京:电子工业出版社,2002.
5G W Johnson著.LabVIEW图形编程.武嘉澍译.北京:北京大学出版社.2002.
6 张立明.人工神经网络的模型及其应用[M].南京:复旦大学出版社,1994.