杜汶徽，費(fèi)葉琦,2，楊 敏，潘知瑤，劉雨浩，閆業(yè)斌

（1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；3.上海普密德自動(dòng)化科技有限公司，上海 200000）

由于國內(nèi)行業(yè)的需求，矯形機(jī)的使用主要集中在機(jī)械制造業(yè)與醫(yī)療行業(yè)。雖然二者在功能與機(jī)構(gòu)上大相徑庭，但是在儀器工作精度方面卻有著同樣嚴(yán)格的要求。國內(nèi)現(xiàn)在各方面的矯形技術(shù)水平相比于國外整體偏低，因此，提高矯形機(jī)的技術(shù)水平以及產(chǎn)品精度顯得尤為重要。

1 矯形機(jī)工作原理簡述

矯形機(jī)的工作原理大致可以分為放件、檢測、定位、矯形四個(gè)階段。將工件放在下支承塊上，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，支承塊的幾何形狀通過自動(dòng)非精密定心實(shí)現(xiàn)位置確定，然后上動(dòng)壓力頭對(duì)工件進(jìn)行夾持，當(dāng)傳感器達(dá)到預(yù)定值時(shí)停止，精密測距探頭伸出，對(duì)工件進(jìn)行檢測。若檢測出環(huán)形零件的數(shù)據(jù)超出預(yù)期值，則設(shè)備開始進(jìn)行矯形。完成矯形后，系統(tǒng)重復(fù)對(duì)工件進(jìn)行上述檢測，若不在預(yù)期范圍內(nèi)則繼續(xù)進(jìn)行矯形，直到檢測得到的數(shù)據(jù)在預(yù)期值范圍內(nèi)。

2 矯形機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國的矯形技術(shù)起步較晚，并且由于一直缺乏成熟的理論支撐，導(dǎo)致在這一領(lǐng)域的發(fā)展與西方國家差距很大，其中包括矯形機(jī)的自動(dòng)化控制以及矯形產(chǎn)品的精準(zhǔn)度控制。由于我國矯形機(jī)難以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，以及我國基礎(chǔ)制造業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致該領(lǐng)域人力資源堆積。隨著科技的飛速發(fā)展，想要在矯形領(lǐng)域有突破性的成就，就必須根據(jù)成熟的矯形理論改變現(xiàn)在的局面?，F(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)對(duì)矯形技術(shù)進(jìn)行了不同程度上的改善，使得矯形技術(shù)的理論知識(shí)得以補(bǔ)充。

李本義[1]通過分析矯直機(jī)電氣控制功能和現(xiàn)存操作需求，確定使用PLC系統(tǒng)完成對(duì)矯直機(jī)自動(dòng)化的精準(zhǔn)控制。王云[2]通過理論與實(shí)際相結(jié)合，建立與實(shí)際相符的有限元模型，提高了矯直機(jī)的工作效率、降低能耗、減少磨損，從而降低了更換矯直輥的成本。楊達(dá)毅等[3]通過利用帶傳動(dòng)帶動(dòng)矯形機(jī)的夾持系統(tǒng)的方法，對(duì)經(jīng)過熱處理后的環(huán)類零件進(jìn)行矯圓，該方法可以提高矯形精度，減輕勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，增加環(huán)類零件的質(zhì)量。廖政文等[4]利用有限元拓?fù)鋬?yōu)化分析設(shè)計(jì)的康復(fù)矯形器，在透氣性和重量方面上優(yōu)于傳統(tǒng)的康復(fù)矯形器。孫磊[5]提到了矯形器具有復(fù)合型、多樣性、差異性、主導(dǎo)性和實(shí)用性等特點(diǎn)；由于這些特點(diǎn)的存在，假肢與矯形器可以更有效地幫助患者康復(fù)，減少患者的功能障礙。喬龍圖[6]通過自主設(shè)計(jì)的環(huán)形件專用成型機(jī)，有效解決了環(huán)形件在生產(chǎn)過程中成本高、金屬消耗大、金屬利用率低等問題。

常懷德等[7]設(shè)計(jì)了一種新型高精度鋁型材矯形機(jī)，該產(chǎn)品解決了鋁型材在矯形壓制過程中精度不準(zhǔn)確的問題，進(jìn)而提高了鋁型材產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，同時(shí)精簡設(shè)備組成，使設(shè)備更易搬運(yùn)。趙祥啟等[8]研發(fā)的新型四柱液壓矯形機(jī)，可有效降低工人的勞動(dòng)量，提高工作效率，且矯形速度快，合格率高，能有效降低人工操作產(chǎn)生的產(chǎn)品誤差。吳永鋒[9]設(shè)計(jì)了一種可以單人操作的鋼蓋板液壓矯形機(jī)，該矯形機(jī)可以對(duì)鋼蓋板快速矯形，保證出產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)提高了鋼蓋板的美觀性。馬凡波等[10]研發(fā)了一種鋼管桿的鋼管矯形機(jī)，操作員只需要控制電動(dòng)推桿就可以使鋼管進(jìn)行矯形處理，大大減少了人工勞動(dòng)量。賈鳳斌[11]通過矯形輥之間的靈活切換，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了矯形機(jī)工作效率的提高。

依據(jù)對(duì)上述資料的研究與總結(jié)，我國在矯形技術(shù)上已經(jīng)取得了重大的技術(shù)進(jìn)步：通過使用PLC進(jìn)行矯形技術(shù)的自動(dòng)化控制，但矯形技術(shù)依然處于需要人為控制的局面，使用自動(dòng)化控制能有效減少人力成本；通過建立有限元模型進(jìn)行設(shè)備測算，達(dá)到降低矯形機(jī)能量消耗的目的；現(xiàn)在的矯形技術(shù)也可以通過各種不同的處理方式來提高矯形產(chǎn)品的精度，這樣可以使矯形產(chǎn)品更加精確地達(dá)到不同要求的生產(chǎn)精度。

近年來，由于我國人才的大量涌現(xiàn)和科技的迅速發(fā)展，我國的矯形基礎(chǔ)理論得到補(bǔ)充和完善，并在矯形精度等方面達(dá)到了質(zhì)的飛躍。但我國的矯形技術(shù)與國外依然有著不小的差距。

2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

V.N.Shinkin[12]介紹了一種用七輥矯直機(jī)測定冷軋鋼彎曲度的解析方法。Shinkin還在文中提到當(dāng)使用大量滾軸時(shí)，可以使機(jī)器的工作效率與系統(tǒng)的響應(yīng)速度達(dá)到令人滿意的程度。E.Rabischong等[13]介紹了一種利用六自由度的電矯形器幫助訓(xùn)練截癱患者踏步并模擬不同環(huán)境下的行走。Petru?ka J等[14]設(shè)置了一種基于矯直過程模擬的快速算法的程序，該程序可對(duì)隨機(jī)選擇的許多嚙合參數(shù)組合進(jìn)行有效的過程分析，然后對(duì)得到的響應(yīng)變量進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化。A. V. Barabash等[15]在文中提到將板材矯直工程模型和波紋度矯正有限元建模得到的回歸方程的組合使用，可以提高工作輥對(duì)板材矯直的參數(shù)。

由于成熟的理論支撐，國外在矯形技術(shù)自動(dòng)化以及精準(zhǔn)度方面發(fā)展更為完善，這也使得外國進(jìn)行矯形的工人工作時(shí)也相對(duì)較輕松。而近年國內(nèi)優(yōu)秀產(chǎn)品的大量涌現(xiàn)，使得我國矯形技術(shù)與國外的差距越來越小，但仍未能完全實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。因此，如何實(shí)現(xiàn)矯形機(jī)的全自動(dòng)化，是未來矯形技術(shù)發(fā)展的重中之重。

3 矯形機(jī)發(fā)展存在的問題

通過國內(nèi)外現(xiàn)存矯形技術(shù)的對(duì)比，我國的矯形技術(shù)和矯形機(jī)與國外還存在著很大的差距，由于國內(nèi)矯形技術(shù)理論的不成熟，導(dǎo)致矯形的產(chǎn)品質(zhì)量差、精度低。我國現(xiàn)在的矯形機(jī)在工業(yè)方面存在的問題主要有以下幾點(diǎn)。

3.1 同步性不高

由于矯形機(jī)大多數(shù)使用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力來源，而設(shè)備常使用多個(gè)液壓缸來提高工作效率，這就導(dǎo)致在設(shè)備工作時(shí)，缸與缸之間存在相互影響，使得系統(tǒng)不能夠穩(wěn)定地運(yùn)作，以至于矯形機(jī)同步性存在缺陷。

3.2 人工成本高

由于我國矯形技術(shù)的不成熟，導(dǎo)致大多數(shù)時(shí)候的矯形都是靠人力去完成，這就使矯形的工作量非常大。且人工進(jìn)行矯形的產(chǎn)品，產(chǎn)品形變量的精度不能夠進(jìn)行精確的控制與調(diào)節(jié)，還易受工人情緒等方面的影響[16-17]。

3.3 噪聲大

矯形機(jī)中的液壓系統(tǒng)在運(yùn)作時(shí)，液壓缸會(huì)不可避免地發(fā)生振動(dòng)，而當(dāng)振動(dòng)傳到管路以及油箱中時(shí)會(huì)發(fā)生共振效應(yīng)，由此將會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲。

3.4 工作效率低

矯形機(jī)的液壓系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生不可避免的機(jī)械摩擦，這些機(jī)械摩擦必然會(huì)造成額外的機(jī)械能量的損失，因此會(huì)降低系統(tǒng)在運(yùn)作時(shí)的工作效率。而且管路與油箱中產(chǎn)生的共振作用，會(huì)使油箱發(fā)生漏油的現(xiàn)象。

3.5 設(shè)備大，不易搬運(yùn)

矯形機(jī)是一種集機(jī)械、液壓系統(tǒng)、電機(jī)控制于一體的加工設(shè)備，因此，一般矯形機(jī)設(shè)備的占地面積大，導(dǎo)致建造場地成本提高，也使得搬運(yùn)矯形機(jī)的工作十分困難。同時(shí)，由于矯形設(shè)備重復(fù)利用率低，產(chǎn)品價(jià)值降低，從而提高了生產(chǎn)成本[18-19]。

4 解決方案

依據(jù)我國可持續(xù)發(fā)展的要求，以及上述對(duì)矯形機(jī)現(xiàn)存的技術(shù)缺陷的總結(jié)，對(duì)矯形技術(shù)的未來發(fā)展提出如下大致要求：降低矯形機(jī)的工作量，提高矯形產(chǎn)品的精度與質(zhì)量，優(yōu)化工作環(huán)境，并解決噪聲大、能耗高的問題。

4.1 提高同步性

可以在每個(gè)矯形缸前添加減壓閥，通過減壓閥穩(wěn)定矯形缸工作時(shí)的壓力，防止各個(gè)矯形缸之間相互干擾。也可以通過電液伺服控制閥進(jìn)行控制，使矯形系統(tǒng)快速響應(yīng)，從而控制矯形產(chǎn)品處于一個(gè)更加準(zhǔn)確的精度，提高系統(tǒng)同步性。

4.2 減少工作量

在一個(gè)矯形機(jī)的液壓系統(tǒng)中使用多個(gè)矯形缸，這樣可以使系統(tǒng)在一次運(yùn)行的過程中對(duì)多個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行矯形，可簡單有效地降低工人的工作量；也可以使矯形過程由人工操作轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆詣?dòng)化操作，緩解之前由于操作系統(tǒng)不夠自動(dòng)化而導(dǎo)致的人力資源的堆積。

4.3 降低噪聲和能耗

采用液控單向閥保壓控制，在控制油路增加阻尼，不僅能夠起到保壓作用，還能避免卸載時(shí)由于產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)過大而發(fā)出的噪聲大的情況。在降低能耗方面，可以使用調(diào)節(jié)變量泵、控制壓力感應(yīng)或者調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)功率等方法，這些方法操作簡單、方便，節(jié)能的效果也很高。還可以通過減少系統(tǒng)工作時(shí)的各種負(fù)載、阻力和流量的損失來提高系統(tǒng)運(yùn)作的工作效率，盡量選擇匹配的動(dòng)力源作為液壓系統(tǒng)的能源裝置，以此達(dá)到減少能耗的效果。

4.4 模塊化設(shè)計(jì)

可以通過將矯形設(shè)備中的機(jī)械、液壓和電機(jī)控制部分集成，盡量地去精簡設(shè)備的大小，從而使得矯形設(shè)備方便搬運(yùn)；也可以通過盡量地精簡矯形設(shè)備的構(gòu)造，使得矯形設(shè)備方便拆卸，這樣也能使矯形設(shè)備方便搬運(yùn)。

現(xiàn)階段，我國的矯形技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)步，比如初步解決了矯形技術(shù)的自動(dòng)化和產(chǎn)品精準(zhǔn)度的問題。但由于進(jìn)行工件矯形時(shí)仍需要耗費(fèi)工人大量的時(shí)間以及消耗很多能源，所以，在未來的發(fā)展中，解決矯形技術(shù)的工人工作量大與能耗高的問題是重中之重。

5 結(jié)語

本研究首先對(duì)矯形機(jī)的工作原理進(jìn)行了簡單的介紹和描述。通過對(duì)國內(nèi)外文獻(xiàn)資料的思考以及對(duì)部分專利的研究，簡單總結(jié)了國內(nèi)外矯形機(jī)現(xiàn)在的技術(shù)情況：我國的矯形技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)解決了許多技術(shù)難題，例如將矯形機(jī)的機(jī)電液壓等部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使矯形設(shè)備便于搬運(yùn)，減少矯形設(shè)備的生產(chǎn)成本；同時(shí)也能夠解決矯形機(jī)在工作時(shí)噪聲較大以及工作效率低等問題。本研究也通過對(duì)比國內(nèi)外矯形技術(shù)的差距，對(duì)我國矯形技術(shù)現(xiàn)存的問題進(jìn)行了分析與總結(jié)，提出了對(duì)于現(xiàn)存問題的改進(jìn)方法以及未來的發(fā)展趨勢。