基于COPRA 的高強(qiáng)度管材彎曲成形誤差自動(dòng)化檢測系統(tǒng)

唐建林，雷呈喜

（1.南昌職業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330500；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；3.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410082）

在如今的管材制造中，高頻焊接制管方法是一種快速而高效的方法，高強(qiáng)度管材生產(chǎn)過程中需要將型材通過成形機(jī)彎成筒狀管坯，然后進(jìn)行焊接[1]。但是由于成形工藝的不足，易出現(xiàn)鼓包、變形、起拱等問題，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量。因此焊接管進(jìn)行成型分析是十分必要的[2]。而冷彎成形工藝因其節(jié)材、節(jié)能、高效的特點(diǎn)，所以在進(jìn)行高頻焊接管設(shè)計(jì)仿真時(shí)往往采用冷彎成形方法以節(jié)約成本。以往使用頻域反射法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，將掃描到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，通過傅里葉變換檢測了反射信號峰值[3]。使用該系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了誤差快速檢測，但只能離線檢測，十分不方便；使用非線性時(shí)間序列定位算法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以快速提取高強(qiáng)度管材彎曲成形誤差特征，但是受到外界噪聲影響，導(dǎo)致檢測精準(zhǔn)度較低。面對該情況，提出了基于COPRA 的高強(qiáng)度管材彎曲成形誤差自動(dòng)化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；贑OPRA 軟件，采用數(shù)值仿真手段對高強(qiáng)度管材彎曲成形進(jìn)行分析，為了避免潛在的焊接缺陷，針對管材仔細(xì)查看是否有鼓包、變形等成型缺陷。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

誤差自動(dòng)檢測系統(tǒng)主要由NS-WY02 型位移傳感器、信號調(diào)理電路、PCI2006 型接線端子板和阿爾泰式PCI2006 型數(shù)據(jù)采集卡等組成[4-6]。機(jī)械部分是以寬測頭測徑儀為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，測量系統(tǒng)采用檢測主件、定位主件、組合檢頭、組合檢桿和組合檢具，對主件進(jìn)行定位[7-9]。在結(jié)構(gòu)上，采用了垂直于測量主件的方式，實(shí)現(xiàn)了自主定位，保證了測量精度。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，該系統(tǒng)主要分為3 個(gè)部分，即誤差分析處理部分、誤差采集部分和誤差結(jié)果可視化顯示部分[10]。其中誤差分析處理部分是通過位移傳感器傳輸高強(qiáng)度管材彎曲成形誤差數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號調(diào)理電路將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信號形式，再由接線端子板進(jìn)行傳輸；誤差采集部分是通過數(shù)據(jù)采集卡采集由接線端子板傳輸?shù)恼`差數(shù)據(jù)；誤差結(jié)果可視化顯示部分將誤差數(shù)據(jù)通過顯示屏幕進(jìn)行顯示[11]。

1.1 位移傳感器

NS-WY02 位移傳感器通過內(nèi)部非接觸式的控制技術(shù)，精確檢測管材成形彎曲絕對位置來測量高強(qiáng)度管材彎曲成形的實(shí)際成形位移值。

通過電位元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成線性或任意函數(shù)的電阻或電壓后輸出，為實(shí)現(xiàn)電位器位移測量的目的，需要在位移變化和電阻變化之間建立一定的關(guān)系[12]。電壓計(jì)位移傳感器的活動(dòng)刷連接著被測物體。在電位計(jì)移動(dòng)端，物體的位移引起電阻的變化。電阻變化量代表位移的值，電阻的變化量的增減代表位移的方向。感應(yīng)器輸出信號為絕對位移值[13]。即使電源中斷或重新連接，數(shù)據(jù)并沒有丟失，更不會(huì)重新歸零。由于感光元件是非接觸型的，即使反復(fù)測試也不會(huì)對感光元件產(chǎn)生磨損。NS-WY02 位移傳感器內(nèi)置彈簧，可自動(dòng)復(fù)位，具有分辨率高、誤差小的優(yōu)點(diǎn)，移動(dòng)平滑，防護(hù)等級為IP40[14]。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集卡

由圖2 可知，數(shù)據(jù)采集卡能夠?qū)崿F(xiàn)FPGA 與CAN的接口控制，因?yàn)镃AN 總線是根據(jù)CAN 總線協(xié)議開發(fā)的，所以它能接收CAN 總線上的所有信號，并能保持CAN 總線在自動(dòng)檢索時(shí)的信息采集特性[15]。該文利用CAN 總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的輸入、輸出端口與存儲(chǔ)器的通信功能。FPGA 負(fù)責(zé)PCI9054 與本機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)CAN 局部定時(shí)控制。在CAN 總線上控制和管理觸發(fā)信號、參考時(shí)鐘和其他擴(kuò)展信號，以及其他定時(shí)操作和控制[16]。

1.3 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式進(jìn)行采集與顯示，如圖3 所示。

圖3 信號調(diào)理電路

由圖3 可知，該電路通過使用光或電容性耦合技術(shù)，將信號從信號源傳輸?shù)綑z測系統(tǒng)中，除了切斷回路之外，也阻礙了高電壓浪涌，進(jìn)而保護(hù)了相應(yīng)設(shè)備。

1.4 系統(tǒng)防振動(dòng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的防振動(dòng)措施是在夾持器探頭密封圓柱的后半部分加入特殊的防振彈簧，該彈簧正好擠壓在超聲波探頭的背面，避免外界因素影響檢測結(jié)果。在對輸油管道外表面進(jìn)行腐蝕監(jiān)測時(shí)，如發(fā)現(xiàn)管道有周期振動(dòng)或瞬時(shí)振動(dòng)，則將超聲探頭直接送至輸油管道的振動(dòng)位置，而在探頭背面擠壓防振彈簧，可產(chǎn)生壓縮和恢復(fù)力，在兩種力相互緩沖的情況下，能較大程度地消除管道對超聲探頭的振動(dòng)干擾，保證超聲探頭采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)防振動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)防振動(dòng)結(jié)構(gòu)

2 軟件設(shè)計(jì)

COPRA 為一款成熟的CAD/CAE 系統(tǒng)軟件，其主要功能是繪制工程圖，對工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化，并連接機(jī)床。COPRA 軟件采用有限元法對模型進(jìn)行仿真分析，可以更加準(zhǔn)確地計(jì)算出其變形結(jié)果。通過構(gòu)建線性回歸溫度聲速誤差補(bǔ)償模型，設(shè)計(jì)誤差自動(dòng)化檢測流程，完成軟件部分的設(shè)計(jì)。

2.1 線性回歸溫度聲速誤差補(bǔ)償模型

利用統(tǒng)計(jì)的方式對兩種及以上變量進(jìn)行分析是線性回歸的定義。文中只有溫度自變量和聲速因變量，剛好可以進(jìn)行線性回歸分析、建立補(bǔ)償模型。

溫度值和聲速值包括n個(gè)值(yi,xi1,…,xip),i=1,…,n，在這些值中存在p+1 個(gè)參數(shù)β0,…,βp，由此構(gòu)建的線性回歸溫度聲速誤差補(bǔ)償模型如式（1）所示：

式（1）中，Y表示聲速值的列向量，X表示溫度值的橫向量，ε表示誤差項(xiàng)。

式（2）中，包括一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，如果橫向量存在線性相關(guān)，則說明不能以最小二乘法估計(jì)參數(shù)向量β。

誤差項(xiàng)ε計(jì)算公式為：

式（3）中，S表示誤差平方和，n-p表示自由度，(XT X)-1表示線性組合。

2.2 誤差自動(dòng)化檢測流程設(shè)計(jì)

在構(gòu)建線性回歸溫度聲速誤差補(bǔ)償模型后，設(shè)計(jì)誤差自動(dòng)化檢測流程。當(dāng)采集到誤差數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)可靠性來判斷誤差，如圖5 所示。

由圖5 可知，系統(tǒng)初始化后，開始任務(wù)調(diào)度，若高強(qiáng)度管材彎曲成形位移影響了其彎曲成形程度，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，并重新初始化；如果位移正常，報(bào)警次數(shù)加一，由此完成誤差自動(dòng)化檢測流程設(shè)計(jì)。

圖5 誤差自動(dòng)化檢測流程

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺

針對高強(qiáng)度管材彎曲成形階段使用了28 道次，前15 道次用于圓管材成型，第16 道次用于高頻焊接，后12 道次用于定徑。整個(gè)布置前25 道次的機(jī)架間距為190 mm，后面道次的機(jī)架間距為400 mm，原材料進(jìn)入長度為1 200 mm。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在監(jiān)測及測量過程中，超聲波探頭與高強(qiáng)度管材的外表面直接接觸，當(dāng)超聲波探頭采集到的信號彎曲成形時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，使其產(chǎn)生一定的干擾噪聲。管材彎曲成形受到噪聲影響，在振動(dòng)條件下與靜止?fàn)顟B(tài)下的聲速變化情況如圖6（a）、（b）所示。

圖6 聲速變化情況

從圖6 中可以看出，振蕩時(shí)的噪聲水平與靜止時(shí)的噪聲水平相當(dāng)，且超聲回波的底波幅值一致。

基于此，分別使用頻域反射法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)、非線性時(shí)間序列定位算法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和基于COPRA 自動(dòng)化檢測系統(tǒng)對兩種情況下的誤差檢測精準(zhǔn)度進(jìn)行對比分析，如表1、2 所示。

表1 振動(dòng)條件下不同方法誤差檢測精準(zhǔn)度對比分析

由表1 可知，振動(dòng)條件下的頻域反射法最高檢測精準(zhǔn)度為0.42，最低為0.30；非線性時(shí)間序列定位算法最高檢測精準(zhǔn)度為0.82，最低為0.75；基于COPRA 自動(dòng)化檢測系統(tǒng)最高檢測精準(zhǔn)度為0.93，最低為0.91。由此可知，使用該系統(tǒng)在振動(dòng)條件下基于COPRA 自動(dòng)化檢測系統(tǒng)誤差檢測精準(zhǔn)度較高。

由表2 可知，靜止?fàn)顟B(tài)下的頻域反射法最高檢測精準(zhǔn)度為0.62，最低為0.53；非線性時(shí)間序列定位算法最高檢測精準(zhǔn)度為0.89，最低為0.82；基于COPRA 自動(dòng)化檢測系統(tǒng)最高檢測精準(zhǔn)度為0.99，最低為0.98。由此可知，使用該系統(tǒng)在靜止?fàn)顟B(tài)下基于COPRA 自動(dòng)化檢測系統(tǒng)誤差檢測精準(zhǔn)度較高。

表2 靜止?fàn)顟B(tài)下不同方法誤差檢測精準(zhǔn)度對比分析

通過上述分析可知，在COPRA 系統(tǒng)中加入防振動(dòng)機(jī)械的措施，可以解決一定范圍內(nèi)的振動(dòng)影響問題，使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，采集數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。為真實(shí)環(huán)境下的高強(qiáng)度管材彎曲成形提供了依據(jù)。

4 結(jié)束語

采用COPRA 軟件對高強(qiáng)度管材彎曲成形進(jìn)行模擬分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝的潛在問題，并在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行修正，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)提高了工藝質(zhì)量、節(jié)約了成本、避免了殘次品的出現(xiàn)，達(dá)到工藝優(yōu)化的目的，提高了生產(chǎn)效率。防振動(dòng)設(shè)計(jì)也在一定程度上保證了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，可以減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)成本。