【正文】 礎(chǔ) 知 識(shí)本章介紹無(wú)模多點(diǎn)成形壓力機(jī)的有關(guān)知識(shí)、技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展概況、多點(diǎn)成形理論、實(shí)用技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用前景等基礎(chǔ)理論知識(shí)，這是學(xué)習(xí)本書后續(xù)內(nèi)容的必要準(zhǔn)備。 畢業(yè)設(shè)計(jì)—無(wú)模壓力成形機(jī)電機(jī) PLC 控制6 概述 基本概念無(wú)模多點(diǎn)成形壓力機(jī)是傳統(tǒng)模具成形生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新。其基本原理是利用一系列規(guī)則排列、高度可調(diào)的基本體（沖頭） ，通過對(duì)各基本體的實(shí)時(shí)控制，構(gòu)造出所需形狀的成形面，取代傳統(tǒng)的模具來(lái)實(shí)現(xiàn)板材的三維曲面快速無(wú)模成形。使用該項(xiàng)產(chǎn)品，不需要模具，可以省去模具的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試工序，節(jié)約制造模具的材料、工具、能源和時(shí)間等，將生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間縮短為模具成形時(shí)的幾十分之一。同時(shí)，可以改善板材成形時(shí)的變形條件，提高板材成形極限，擴(kuò)大加工范圍；可以減少成形過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)無(wú)回彈成形；可以在較小的設(shè)備上成形較大尺寸的板類件，使得加工件尺寸精度高，生產(chǎn)效率高，表面質(zhì)量好，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定。該機(jī)應(yīng)用范圍廣泛，可滿足各種行業(yè)板類件的加工需要，可用于高速列車流線型車頭、飛機(jī)、各種車輛、航天器、輪船艦艇和壓力容器等外殼的制造，還可用于葉片類、金屬雕塑類、裝飾類等零部件的曲面成形。該機(jī)已用于我國(guó)高速列車流線型車頭等產(chǎn)品的試生產(chǎn)之中無(wú)模多點(diǎn)成形就是將多點(diǎn)成形技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合為一體的先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)利用一系列規(guī)則排列的、高度可調(diào)的基本體，通過對(duì)各基本體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制，自由地構(gòu)造出成形面，實(shí)現(xiàn)板材的三維曲面成形。它是對(duì)三維曲面扳類件傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新。傳統(tǒng)成形和無(wú)模多點(diǎn)成形的區(qū)別如（圖 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)—無(wú)模壓力成形機(jī)電機(jī) PLC 控制71）所示：板材無(wú)模多點(diǎn)成形系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助制造技術(shù)為主要手段的柔性成形設(shè)備，其工作原理是把傳統(tǒng)的沖壓實(shí)體模具分解為很多離散的小模具單元（亦稱基本體），利用一系列規(guī)則排列的高度可調(diào)的基本體，通過對(duì)各個(gè)基本體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制，自由地構(gòu)造出成形曲面，代替模具實(shí)現(xiàn)板材三維曲面的快速無(wú)模成形。這種成形方式是對(duì)三維曲面板類件傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新。無(wú)模多點(diǎn)壓力成形的多點(diǎn)成形原理如（圖 12）所示：圖 11 傳統(tǒng)成形和無(wú)模多點(diǎn)成形的區(qū)別圖 12 多點(diǎn)成形原理 畢業(yè)設(shè)計(jì)—無(wú)模壓力成形機(jī)電機(jī) PLC 控制8 技術(shù)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)模成形：取代傳統(tǒng)的整體模具，節(jié)省模具設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和保存所需人力、物力和財(cái)力，顯著地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。與模具成形法相比，不但節(jié)省巨額加工、制造模具的費(fèi)用，而且節(jié)省大量的修模與調(diào)模時(shí)間：與手工成形方法相比，成形的產(chǎn)品精度高、質(zhì)量好，并且顯著提高生產(chǎn)效率。 優(yōu)化變形路徑：通過基本體調(diào)整，實(shí)時(shí)控制變形曲面，隨意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài)，提高材料成形極限，實(shí)現(xiàn)難加工材料的塑性變形，擴(kuò)大加工范圍。實(shí)現(xiàn)無(wú)回彈成形：可采用反復(fù)成形新技術(shù)，消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)少無(wú)回彈成形／保證工件的成形精度。 小設(shè)備成形大型件：采用分段成形新技術(shù)，連續(xù)逐次成形超過設(shè)備工作臺(tái)尺寸數(shù)倍的大型工件。易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化：曲面造型、工藝計(jì)算。壓力機(jī)控制、工件測(cè)試等整個(gè)過程全部采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn) CAD/CAM/CAT 一體化生產(chǎn)，工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，極大地改善勞動(dòng)者作業(yè)環(huán)境。 畢業(yè)設(shè)計(jì)—無(wú)模壓力成形機(jī)電機(jī) PLC 控制9 技術(shù)基礎(chǔ)與水平 由吉林工業(yè)大學(xué)承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“大型板材三維曲面的自動(dòng)無(wú)模成形設(shè)備” 已經(jīng)通過驗(yàn)收鑒定，驗(yàn)收鑒定專家組對(duì)該項(xiàng)成果的總的評(píng)價(jià)是“ 多點(diǎn)成形技術(shù)是傳統(tǒng)的板類件三維曲面成形生產(chǎn)方式的重大刨新，具有良好的市場(chǎng)前景。該項(xiàng)目在多點(diǎn)成形設(shè)備、多點(diǎn)成形理論與實(shí)用技術(shù)的研究成果已達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，已具備工業(yè)應(yīng)用條件。在多點(diǎn)成形設(shè)備方面： 吉林工業(yè)大學(xué)開發(fā)的集 CAD/CAE/CAM/CAT 于一體、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的板材無(wú)模多點(diǎn)成形設(shè)備總體構(gòu)成如圖：所示。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)主要進(jìn)行曲面幾何造型、工藝計(jì)算、成形過程有限元模擬等。自動(dòng)控制系統(tǒng)用于調(diào)整基本體群形狀，控制液壓加載系統(tǒng)成形出所需形狀的工件；三維曲面測(cè)量檢測(cè)成形后的工件形狀，并將測(cè)量結(jié)果反饋到計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 多點(diǎn)成形理論多點(diǎn)成形理論研究取得了一系列新進(jìn)展，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：1．多點(diǎn)成形基本理論，提出了四種成形原理不同的、具有代表性的多點(diǎn)成形基本方式，即多點(diǎn)模具成形、多點(diǎn)壓機(jī)成形、半多點(diǎn)模具成形及半多點(diǎn)壓機(jī)成形。 畢業(yè)設(shè)計(jì)—無(wú)模壓力成形機(jī)電機(jī) PLC 控制102．缺陷產(chǎn)生機(jī)理：研究了多點(diǎn)成形中典型不良現(xiàn)象（壓痕、皺紋、回彈、直邊效應(yīng)）的產(chǎn)生機(jī)理，并研制出這些缺陷的抑制方法。3．工藝設(shè)計(jì)理論：提出了抑制壓痕的工藝方法、消除直邊效應(yīng)的分段成形工藝方法、改變變形路徑的工藝方法和無(wú)回彈的反復(fù)成形工藝方法。4．設(shè)備設(shè)計(jì)理論：提出了基本體與基本體群設(shè)計(jì)方法。多點(diǎn)成形設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 技術(shù)的特點(diǎn)在當(dāng)今世界，隨著生產(chǎn)力水平的提高，制造業(yè)需要成千上萬(wàn)各類模具以生產(chǎn)出形狀各異的產(chǎn)品及零部件。尤其是在飛機(jī)、輪船、汽車等產(chǎn)品的覆蓋件制造上，更需要大量的模具，其制造和調(diào)試除要花費(fèi)巨額資金外，加工周期也往往需要幾個(gè)月甚至十幾個(gè)月。而且產(chǎn)品一旦換型，模具也必須隨之更換，從而嚴(yán)重制約了制造業(yè)的發(fā)展。而無(wú)模成形技術(shù)就是要造出萬(wàn)能板材成形機(jī)，不用模具就能生產(chǎn)出形狀各異的覆蓋件。實(shí)現(xiàn)無(wú)模成形：取代傳統(tǒng)的整體模具，節(jié)省模具設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和保存所需人力、物力和財(cái)力，顯著地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。與模具成形法相比，不但節(jié)省巨額加工、制造模具的費(fèi)用，而且節(jié)省大量的修模與調(diào)模時(shí)間：與手工成形方法相比，成形的產(chǎn)品精度高、質(zhì)量好，并且顯著提高生產(chǎn)效率。 畢業(yè)設(shè)計(jì)—無(wú)模壓力成形機(jī)電機(jī) PLC 控制11優(yōu)化變形路徑：通過基本體調(diào)整，實(shí)時(shí)控制變形曲面，隨意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài)，提高材料成形極限，實(shí)現(xiàn)難加工材料的塑性變形，擴(kuò)大加工范圍。實(shí)現(xiàn)無(wú)回彈成形：可采用反復(fù)成形新技術(shù)，消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)少無(wú)回彈成形／保證工件的成形精度。小設(shè)備成形大型件：采用分段成形新技術(shù)，連續(xù)逐次成形超過設(shè)備工作臺(tái)尺寸數(shù)倍的大型工件。易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化：曲面造型、工藝計(jì)算。壓力機(jī)控制、工件測(cè)試等整個(gè)過程全部采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn) CAD／CAM／CAT 一體化生產(chǎn)，工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，極大地改善勞動(dòng)者作業(yè)環(huán)境。 技術(shù)發(fā)展概況 多點(diǎn)成形的研究起源于日本。 70 年代日本造船協(xié)會(huì)西岡等人試制了多點(diǎn)壓力機(jī)，進(jìn)行船體外板自動(dòng)成形的研究，但因關(guān)鍵技術(shù)未能解決好，多點(diǎn)壓機(jī)的制造費(fèi)用太高，未能實(shí)用化。日本三菱重工業(yè)株式會(huì)社的熊本等人也研制了三列多點(diǎn)成形設(shè)備。由于其整體設(shè)計(jì)不周，該壓機(jī)只適用于變形量很小的船體外板的彎曲加工。另外，東京大學(xué)的野本及東京工業(yè)大學(xué)的井關(guān)等人也進(jìn)行了多點(diǎn)壓機(jī)及成形實(shí)驗(yàn)方面的研究工作，但未取得重大進(jìn)展。宮 80 年代以來(lái)，美國(guó)麻省理工學(xué)院 D。E。Hardt 的研究室對(duì)多點(diǎn)模具成形進(jìn)行了十多年的研究。最 畢業(yè)設(shè)計(jì)—無(wú)模壓力成形機(jī)電機(jī) PLC 控制12近麻省理工學(xué)院與美國(guó)航空航天技術(shù)研究部門合作，投入 1400 多萬(wàn)美元的巨額經(jīng)費(fèi)開發(fā)出多點(diǎn)張力拉伸成形機(jī)。吉林工業(yè)大學(xué)教授李明哲博士在日本日立公司從事博士后研究期間系統(tǒng)地研究了多點(diǎn)成形基本理論，深入地分析了成形機(jī)理與成形特點(diǎn)，并主持開發(fā)出多點(diǎn)成形實(shí)用機(jī)（主要技術(shù)參數(shù)見表（1）。 表 11 多點(diǎn)成形實(shí)用機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 該系統(tǒng)是世界上第一臺(tái)達(dá)到實(shí)用化程度的無(wú)模多點(diǎn)板材成形壓力機(jī)，己成功地用于三維曲面工件（如扭曲面、球面、馬鞍面等）的實(shí)際生產(chǎn)中，工作效率較傳統(tǒng)的線狀加熱法提高了數(shù)十倍，而且制品精度也得到很大的提高。李明哲教授回國(guó)后，在吉林工業(yè)大學(xué)組建了無(wú)模成形技術(shù)開發(fā)中心，繼續(xù)對(duì)多點(diǎn)成形技術(shù)進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究，逐步形成了板材多點(diǎn)成形理論。“該中心從學(xué)術(shù)與實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)方面建立了板材多點(diǎn)成形新理論與新方法，開發(fā)出多點(diǎn)成形實(shí)用化技術(shù)，并研制出集 CAD／CAM／CAT 于一體的無(wú)模多點(diǎn)成形樣機(jī)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)—無(wú)模壓力成形機(jī)電機(jī) PLC 控制13 實(shí)用技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用前景在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，解決了一系列實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)，主要有：無(wú)缺陷彈性墊技術(shù)：可以有效地抑制壓痕，起皺等成形缺陷，使成形件的表面質(zhì)量大大提高；無(wú)回彈反復(fù)成形技術(shù)：即利用多點(diǎn)成形柔性化的特點(diǎn)，采用反復(fù)成形工藝方法，減小工件的回彈及材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)板材小回彈或無(wú)回彈成形。 3．分段成形技術(shù)：即優(yōu)化過渡區(qū)成形模型，進(jìn)行大變形量、大尺寸零件的成形，實(shí)現(xiàn)小設(shè)備成形大工件，并使無(wú)模成形設(shè)備小型化。應(yīng)用該技術(shù)已成形出超過設(shè)備工作臺(tái)面積七倍的樣件，扭曲面總扭曲角超過 40g。4．多道成形技術(shù)：對(duì)于變形量很大的制品，選取最佳路徑多道成形，使成形過程中板材各部分變形盡量均勻，以消除起皺等成形缺陷，提高板材的成形能力。不同形狀、不同尺寸的大型三維曲面板制品在輪船、艦艇、飛機(jī)、航天器、陸地車輛、大型容器以及不銹鋼雕塑等軍工和民品上比比皆是。近年來(lái)，隨著航空、航天、海運(yùn)、高速鐵路、化工以及城市建筑等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)其需求也在不斷地增加，但落后的扳金彎形方法己不能適應(yīng)這種發(fā)展要求，三維曲面板制品生產(chǎn)迫切地需要先進(jìn)的制造技術(shù)。無(wú)模多點(diǎn)成形技術(shù)已經(jīng)成熟，可以直接用于實(shí)際生產(chǎn)。它特別適合于曲面板制品的多品種小批量生產(chǎn)及新產(chǎn)品的試制， 畢業(yè)設(shè)計(jì)—無(wú)模壓力成形機(jī)電機(jī) PLC 控制14所加工的零件尺寸越大、其優(yōu)越性越突出。無(wú)模多點(diǎn)成形技術(shù)將在輪船和艦艇的外扳、飛機(jī)和航天器的蒙皮、車輛、大型容器和城市雕塑的覆蓋件等三維曲面板制品加工中有著廣闊應(yīng)用前景，并將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。第二章 無(wú)模多點(diǎn)成形壓力機(jī) PLC控制系統(tǒng)硬件原理及選取 PLC 原理及選取 PLC 簡(jiǎn)介自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來(lái)， PLC 得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC 的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC 在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的 PLC 不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。 畢業(yè)設(shè)計(jì)—無(wú)模壓力成形機(jī)電機(jī) PLC 控制15作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC 在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的 PLC 年增長(zhǎng)率保持為 20%～30%。隨著工廠自動(dòng)化程度的不斷提高和 PLC 市場(chǎng)容量基數(shù)的不斷擴(kuò)大，近年來(lái) PLC 在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的增長(zhǎng)速度放緩。但是，在中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家 PLC 的增長(zhǎng)十分迅速。綜合相關(guān)資料，2022 年全球 PLC 的銷售收入為 100 億美元左右，在自動(dòng)化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。 PLC 是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來(lái)的，二十世紀(jì)七十年代的 PLC 只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來(lái)控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入 PLC 的用戶程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC 的 CPU 內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加 1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為 END 指令） ，然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。PLC 每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的 PLC，循環(huán)掃描周期在 1 微秒到幾十微秒之間。 PLC 用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算 1K 邏輯程序不到 1 毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來(lái)處理，16 位（也有 32 位的）為一個(gè)模擬量。大型 PLC 使用另外一個(gè) CPU 來(lái)完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給 PLC 的控制器。相同 I/O 點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些（大約能省 40%左右） 。PLC 沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS 要低很多。一個(gè) PLC 的控制器，可以接收幾千個(gè) I/O 點(diǎn)（最多可達(dá) 8000多個(gè) I/O） 。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用 PLC 較為合適。PLC 由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近 10 年來(lái)，隨