ANSYS Workbench的100 t折弯机机械补偿装置的优化.pdf

第2 6 卷第4期2023年8 月扬州大学学报（自然科学版）Journal of Yangzhou University(Natural Science Edition)Vol.26No.4Aug.2023基于 ANSYS Workbench 的 10 0 t 折弯机机械补偿装置的优化占少伟，龚俊杰*，韦源源（扬州大学机械工程学院，江苏扬州2 2 512 7）摘要：为提高折弯机的加工精度，以某10 0 t型折弯机及其配套机械补偿装置为研究对象，利用ANSYSWorkbench有限元软件计算折弯机满载时的总挠度变形和机械补偿装置的挠度补偿，并根据总挠度补偿曲线对机械补偿装置的楔块进行优化设计，实现折弯机全长挠度补偿.结果表明，优化后折弯机的加工精度明显提高，试件角度平均误差减少了30，直线度平均误差减少了0.2 7 mm.关键词：折弯机；机械补偿装置；有限元分析中图分类号：TH161D0I:10.19411/j.1007-824x.2023.04.003文献标志码：A文章编号：10 0 7-8 2 4X（2 0 2 3)0 4-0 0 13-0 6随着折弯成型技术的快速发展，对折弯件的成型精度要求也越来越来高.目前，使用较多的钣金成型设备为数控折弯机，其具有高通用性和高灵活性等特点，被广泛应用于汽车、家电、航空等领域1-2 .由于折弯机的自身结构特点，工作时滑块和工作台会分别出现上凸和下凹的挠曲变形，导致工件中间的折弯角度大于两端，严重影响折弯机加工精度.通过加装液压补偿或机械补偿装置，可有效补偿长度方向的挠度变形3-5 多组斜楔块组成的机械补偿一般具有较多补偿点，所折工件精度更高.由于不同折弯机的结构参数不同，故其工作时滑块和工作台的挠度变形程度也存在差异.本文以某10 0 t折弯机为例，拟采用ANSYSWorkbench有限元软件对折弯机配套机械补偿装置进行优化设计，以期实现折弯机全长挠度匹配，提高加工精度.1机械补偿原理折弯机机械补偿装置主要由凹槽基座、上楔块、下楔块和补偿底板等构成，其结构如图1所示装置中上楔块和下楔块安装在凹槽基座内，通过螺栓及盘形弹簧将凹槽基座和补偿底板连接形成整体.图2 为两组上下楔块的机械补偿原理图.由图2 可知，补偿前，上下楔块完全贴合在一起；补偿后，驱动电机带动下楔块向左位移，使得上下楔块左端贴合，右端分离.由于每组楔块的斜面角度不同，上楔块向上的位移也不同，进而实现机械补偿装置的“预凸起”.通过合理设置每组楔块的斜面角度，可直接有效补偿滑块与工作台产生的挠曲变形，避免二次手动调整，使得折弯时上下刀具间隙一致，提高折弯工件精度6 ，为确定机械补偿装置所需的补偿量，须先对折弯机进行有限元分析，获取滑块与工作台产生的挠曲变形.2#折弯机机身有限元分析2.1有限元模型折弯机主要是由油缸、左右侧板、滑块、工作台、加强肋和油箱等构成.由于折弯机结构复杂，故收稿日期：2 0 2 2-12-0 5.*联系人，E-mail：g j u n j 12 6.c o m.基金项目：江苏省自然科学青年基金资助项目（BK20190869)。引文格式：占少伟，龚俊杰，韦源源.基于ANSYSWorkbench的10 ot折弯机机械补偿装置的优化J.扬州大学学报（自然科学版），2 0 2 3，2 6（4)：13-18，36.14为方便有限元分析7-8 ，对原折弯机模型作以下简化：1）忽略折弯机中不受力零件，如油箱内部零件等；2）填充折弯机机身表面的一些细小孔，以便网格划分；3）忽略折弯机机身中的一些倒角和倒圆角.简化后的折弯机三维模型如图3所示.2.2材料属性及网格划分折弯机机身材料为碳钢Q235，弹性模量为2 0 6 GPa，泊松比为0.3，密度为7 8 0 0 kgm-3.图4为折弯机有限元网格模型.折弯机整体采用实体单元划分网格，划分后模型总单元数为17 2 96 6 个，总节点数为36 7 2 13个.2.3边界条件和载荷施加以某10 0 t折弯机为研究对象，该折弯机最大折弯力为98 0 kN，机身长度为310 0 mm.图5显示了折弯机的边界条件和载荷施加情况.通过螺栓固定折弯机两侧板位置处的4个调整垫块，同时限制调整垫块底面6 个自由度以施加固定约束.当油缸推力为最大折弯力时，滑块和工作台的挠度变形最大.为研究滑块和工作台的最大挠度变形，在油缸杆与滑块连接的两个表面施加98 0 kN竖直向下的载荷C，油缸表面施加大小相等、方向相反的载荷A，工作台上表面施加98 0 kN竖直向下的载荷D，滑块下表面施加9 8 0 kN竖直向上的载荷B.同时开启弱弹簧，避免因网格划分导致受力不平衡.扬州大学学报（自然科学版）凹槽基座上楔块下楔块一补偿底板图1机械补偿装置示意图Fig.1Schematic diagram of mechanicalcompensation device第2 6 卷(a)补偿前(b)补偿后图2 楔块组机械补偿示意图Fig.2Schematic diagram of mechanicalcompensation of the wedge group仁驱动电机油箱油缸B滑块侧板工作台图3折弯机三维模型Fig.3 Three dimensional model ofbending machine2.4仿真结果分析采用ANSYSWorkbench静力学分析得到折弯机机身的位移云图，如图6 所示.由图6 可知，油缸和滑块上方的总位移较大，最大位移为1.6 47 mm.图7 为滑块和工作台y方向位移云图.由图7可知，滑块y方向最大位移为0.96 3mm，工作台y方向最大位移为0.442 mm.滑块连接在侧板上，由于侧板向上位移，导致滑块整体向上位移。图4折弯机网格模型Fig.4Mesh model ofbending machine图5#折弯机边界条件与载荷Fig.5Boundary conditions andloads of bending machine第4期忽略滑块和工作台的刚体位移，得到滑块下表面和工作台上表面的方向相对挠度变形曲线，如图8 所示.由图8 可知，滑块下表面1550 mm处变形最大，变形绝对值为0.344mm；工作台1550 mm处变形最大，变形绝对值为0.38 4mm.根据滑块挠度变形与工作台挠度变形的差值确定折弯机总挠度变形9-10 ，结果如图9所示.由图9可知，10 0 t折弯机满载工作时，所需最大补偿量为0.7 2 8 mm.当机械补偿装置的补偿曲线与折弯机总挠度变形曲线一致时，可获得长度、方向及角度一致的理想折弯工件.位移/mm0.9630.9080.8530.7990.7440.6890.6350.5800.525(a)滑块图7 滑块和工作台的y方向位移云图Fig.7 The y-direction displacement cloud diagram of slider and table0.4滑块挠度工作台挠度0.2wu/鲁纽亚0.0-0.2-0.40图8 滑块和工作台的挠度变形曲线Fig.8 Deflection deformation curve of slider and table3机械补偿装置有限元分析3.1有限元模型建立向折弯机机械补偿装置的凹槽基座中部安装15组楔块，每组楔块长2 0 0 mm，宽31mm，厚6 0 mm，由上、下两个斜面角度相同的楔块构成，其中楔块组8 两侧的楔块组17 与楔块组915的斜面角度相同.根据图10 所示的补偿前后楔块变化情况及表1给出的楔块组斜面角度，计算理论补偿值y=tan，其中为下楔块水平方向位移，为楔块斜面角度.已知折弯机的最大挠度变形为0.7 2 8 mm，楔块最大斜面角为占少伟等：基于ANSYSWorkbench的10 0 t折弯机机械补偿装置的优化7751550边长/mm15位移/mm1.6471.4401.2331.0270.8200.6130.4070.2000.000图6 折弯机位移云图Fig.6Displacement cloud diagram of bending machine0.0360.024-0.084-0.143-0.203-0.263-0.323-0.382-0.442(b)工作台0.80.60.40.20.023253100位移/mm0775图9折弯机总挠度变形曲线Fig.9Total deflection deformation curve ofbending machine一补偿前一补偿后图10 补偿前后楔块变化示意图Fig.10Schematic diagram of wedge changesbefore and after compensation1550边长/mm23253100163.55，计算得出驱动电机应推动下楔块向左位移11.7 35mm.确定c=11.735mm，结合每组楔块的斜面角度计算各楔块的理论补偿值，结果如表1所示.运用Solidworks软件装配补偿后的机械补偿装置，再将其导入ANSYSWorkbench，对折弯机机械补偿装置进行有限元分析.Tab.1 Slope angle of wedge set and its theoretical compensation value楔块组编号斜面角度/（）块组10.01楔块组20.79楔块组31.44楔块组42.053.2边界条件和载荷施加机械补偿装置的边界条件和载荷施加如图11所示.折弯过程中将补偿底板固定于工作台，折弯力通过下模传递到凹槽基座上表面，故在凹槽基座上表面施加98 0 kN的分布力E.由于机械补偿装置各组件之间的接触作用，上楔块侧面约束方向的位移.有限元分析时不考虑补偿底板，假设下楔块底面为理想刚性约束，因此在下楔块底面施加固定约束.3.3仿真结果分析采用ANSYSWorkbench静力学求解得到楔块组和凹槽基座的方向位移云图，如图12 13所示.由图12 13可知，楔块组方向位移较小，最大位移为0.0 2 4mm；凹槽基座两侧方向位移基本对称，最大位移为0.7 92 mm.提取凹槽基座上表面的挠度变形曲线（取50 30 50 mm有楔块组处）作为机械挠度补偿曲线，与理论机械挠度补偿曲线及折弯机总挠度变形曲线对比，结果如图14所示.由图14可知，机械度补偿曲线和理论机械挠度补偿曲线整体相近，但仍有一定误差，其中1550 mm处3条曲线的变形值均为0.7 2 8 mm，其他区域机械挠度补偿量和理论机械补偿量均明显小于折弯机总挠度变形量.故楔块斜面角度设计不合理，应进一步增大楔块斜面角度，增加机械挠度补偿量，以实现机械度补偿曲线与总挠度变形曲线的全长匹配.扬州大学学报（自然科学版）表1楔块组的斜面角度及其理论补偿值理论补偿值/mm块组编号斜面角度/()0.002楔块组50.162楔块组60.295楔块组70.420楔块组8E图11机械补偿装置的边界条件和载荷Fig.11Boundary conditions and loads ofthe mechanical compensation device第2 6 卷理论补偿值/mm2.550.5232.980.6113.320.6813.550.728位移/mm0.0080.0050.0010.004-0.009-0.014-0.019-0.024图12 楔块组y方向位移云图Fig.12The y-direction displacement clouddiagram of the wedge set4楔块斜度优化设计由于变形具有对称性，且1550 mm处楔块组8 挠度变形已匹配，因此仅对楔块组17 进行优位移/mm0.000-0.100-0.198-0.297-0.396-0.495-0.594-0.693-0.792图13凹槽基座y方向位移云图Fig.13The y-direction displacement clouddiagram of groove base第4期化设计.凹槽基座受压时，楔块组17 的上楔块左上角会优先与凹槽基座接触，故取楔块组17 的上楔块左上角作为测点，具体分布情况如图15所示.通过计算优化前各测点的理论机械挠度补偿值与实测机械挠度补偿值的差值得到机械挠度补偿误差，误差值加上折弯机总挠度变形量得到真实挠度匹配的补偿量，结果如表2 所示.根据楔块斜面会，计算出每组楔块的斜角度计算公式=arctan.面角度，确定优化设计后的楔块斜度，结果如表3所示.A150测点A1A2A3A4A5A6A7将优化后的楔块在Solidworks中完成装配后，导人ANSYSWorkbench中进行有限元分析.图16 为优化后凹槽基座方向位移云图.由图16 可知，凹槽基座两侧y方向位移基本对称，最大位移为0.7 46 mm.对比优化后机械挠度补偿曲线与折弯机总挠度变形曲线，如图17所示.由图17 可知，楔块斜度的优化实现了机械挠度补偿曲线与折弯机总挠度变形曲线的全长匹配.5#折弯精度测试将优化前后的机械补偿装置分别安装于两台同型号的数控折弯机上进行折弯测试.测试过程中采用10 件由Q235A冷轧钢板制成的工件，厚度为2 mm，长度为30 0 0 mm，宽度为2 0 0 mm，折弯角度为90，分别在每台折弯机上进行5次折弯实验.测试现场如图18 所示.为评估试件折弯精度，采用万能角度尺和塞尺检验平尺分别测量试件的折弯角度误差和直线度误差11，并计算角度平均误差和直线度平均误差，得到优化前后的折弯精度及平均误差，结果如表45所示.由表5可知，机械补偿装置优化后的试件折弯角度平均误差减少了30 ，直线度平均误差减少了0.2 7 mm，折弯机加工精度明显提高，工件折弯精度优于国家I级精度标准12 .占少伟等：基于ANSYSWorkbench的10 0 t折弯机机械补偿装置的优化机械挠度补偿总挠度0.010775图14优化前机械挠度补偿曲线Fig.14Mechanical deflection compensationcurve beforeoptimizationA2A3图15机械补偿装置测点分布(mm)Fig.15 Distribution of measuring points for mechanical compensation devices表2 测点误差值及其真实挠度补偿Tab.2Measuring point error values and true deflection compensation理论机械挠度补偿优化前机械挠度补偿0.002-0.0100.1620.1460.2950.2810.4200.4060.5230.5100.6110.5990.6810.671170.80.6F0.40.2FA4A51550机械挠度补偿误差0.0120.0160.0140.0140.0130.0120.010表3优化后的楔块组斜面角度Tab.3Optimized bevel angle of wedge set楔块组编号楔块组1楔块组2楔块组3楔块组4楔块组5楔块组6楔块组7理论机械挠度补偿15502325边长/mmA6A73100mm真实挠度补偿0.0380.2090.3720.4930.5860.6550.701斜面角度/）0.251.101.882.482.923.253.4718图16 优化后凹槽基座y方向位移云图Fig.16The y-direction displacement cloud diagramof the optimized groove base表4优化前后的折弯精度Tab.4Bending accuracy comparison before andafter optimization状态角度误差/()）优化前58,52,62,50,48优化后16,28,26,30,206结论本文利用ANSYSWorkbench有限元软件对10 0 t折弯机满载工况下的总挠度变形进行仿真分析，并根据总挠度变形曲线优化机械补偿装置，实现了全长挠度匹配.实际折弯精度测试表明，采用优化后的机械补偿装置可明显提高折弯机加工精度，工件折弯精度优于国家I级精度标准。参考文献：1ABLAT M A,QATTAWI A.Numerical simulation of sheetmetal forming:a review JJ.Int JAdv Manuf Tech,2017,89(1):1235-1250.2GRONOSTAJSKI Z,PATER Z,MADEJ L,et al.Recent development trends in metal forming JJ.Arch CivMechEng，2 0 19,19(3):8 9 8-9 41.3宋占杰，管殿柱，林冠屹基于ANSYSWorkbench的龙门式折弯机机架模态分析及工作台拓扑优化J.锻压技术，2 0 2 0，45（4）：154-158，16 9.4薄家曜。数控电液折弯机床与机械补偿应用研究D武汉：湖北工业大学，2 0 17.5SZIPKA K,LASPAS T,ARCHENTI A.Measurement and analysis of machine tool errors under quasi-staticand loaded conditions J.Precis Eng,2018,51:59-67.6李亨，刘全坤，陈晨，等挠度加凸补偿提高折弯件精度的研究.中国机械工程，2 0 12，2 3（2 0）：2 50 4-2 50 8.7WU Kai,SUN Yu,CAO Chunping,et al.On simulation analysis of plate forming and deformation compensationtechnology of the side roll for four-roll plate bending machine JJ.Proced Eng,2017,207:1617-1622.8CHEN Xiaolin,LIU Yijun.Finite element modeling and simulation with ANSYS Workbench MJ.NW BocaRaton:CRC press,2018.9CHOI C H,KULINSKY L,JUN J S,et al.A numerical study of the spring-back phenomenon in bending witha rebar bending machine JJ.Adv Mech Eng,2014,6:959207.10尹彬沣，陈剑基于ABAQUS有限元的110 t折弯机结构优化J.扬州大学学报（自然科学版），2 0 2 1，24(6):31-38.扬州大学学报（自然科学版）0.8位移/mm0.60.000-0.094-0.187-0.280-0.373-0.466-0.560-0.653-0.746直线度误差/mm0.51,0.53,0.58,0.49,0.640.28,0.32,0.21,0.25,0.34第2 6 卷0.4优化后机械挠度补偿0.2一总挠度0.00图17优化后机械挠度补偿曲线Fig.17Optimized mechanical deflectioncompensation curve表5优化前后的折弯精度平均误差Tab.5 Bending accuracy comparison of averageerror before and after optimization状态角度平均误差/(）优化前54优化后24I级精度30图18 测试现场图Fig.18 Test site diagram(下转第36 页）7751550边长/mm直线度平均误差/mm0.550.280.302325310036扬州大学学报（自然科学版）第2 6 卷Unsupervised domain adaptation feature learning methodbased on serial autoencoderCHEN Jiahe,ZHU Yi*,SHEN Hui,WANG Zhi,LI Yun(School of Information Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225127,China)Abstract:Traditional unsupervised domain adaptation methods based on autoencoders mostly relyon a single autoencoder model,so it is impossible to capture the global feature representation acrossdomains.To address this problem,this paper proposes an unsupervised domain adaptation methodbased on serial autoencoder unsupervised domain adaptation(SAUDA),which connects two typesof autoencoders serially to learn a richer global feature representation.Specifically,stacked autoen-coder(SAE)is initially employed to learn features from the source and target domains.Subsequent-ly,stacked sparse autoencoder（SSA E)is u t iliz e d t o p e r fo r m fe a t u r e le a r n in g o n t h e r e s u lt sobtained from the SAE,aiming to improve the global feature representation across domains.Exper-imental results demonstrate that the proposed method has better cross-domain classification per-formance than traditional neural network method on experimental data sets.Keywords:unsupervised domain adaption;serial autoencoder;feature learning（责任编辑林子）(上接第18 页）machine based on ANSYS Workbench11周欢，龚俊杰，王金荣.数控板料折弯机加工精度分析与优化J.机床与液压，2 0 2 0，48（1：10 9-112.12中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T143492011板料折弯机精度S.北京：中国标准出版社，2 0 11.Optimization of mechanical compensation device for 100 t bendingZHAN Shaowei,GONG Junjie*,WEI Yuanyuan(School of Mechanical Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225127,China)Abstract:In order to improve the machining accuracy of the bending machine,this paper takes a 1oo ttype bending machine and its supporting mechanical compensation device as the research object,calculates the total deflection deformation of the bending machine at full load and the deflectioncompensation of the mechanical compensation device by using the ANSYS Workbench finite elementsoftware.According to the total deflection compensation curve,the wedge of the mechanical com-pensation device is optimally designed to realize the full-length deflection compensation of the ben-ding machine.The results show that the machining accuracy of the optimized bending machine isobviously improved,the average angle error of the specimen is reduced by 30,and the averagestraightness error is reduced by 0.27 mm.Keywords:bending machine;mechanical compensation device;finite element analysis(责任编辑符娜)