矯形機技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢**

杜汶徽，費葉琦,2，楊 敏，潘知瑤，劉雨浩，閆業(yè)斌

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

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

1 矯形機工作原理簡述

矯形機的工作原理大致可以分為放件、檢測、定位、矯形四個階段。將工件放在下支承塊上，當系統(tǒng)運行時，支承塊的幾何形狀通過自動非精密定心實現(xiàn)位置確定，然后上動壓力頭對工件進行夾持，當傳感器達到預定值時停止，精密測距探頭伸出，對工件進行檢測。若檢測出環(huán)形零件的數據超出預期值，則設備開始進行矯形。完成矯形后，系統(tǒng)重復對工件進行上述檢測，若不在預期范圍內則繼續(xù)進行矯形，直到檢測得到的數據在預期值范圍內。

2 矯形機國內外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國內發(fā)展現(xiàn)狀

我國的矯形技術起步較晚，并且由于一直缺乏成熟的理論支撐，導致在這一領域的發(fā)展與西方國家差距很大，其中包括矯形機的自動化控制以及矯形產品的精準度控制。由于我國矯形機難以實現(xiàn)全自動控制，以及我國基礎制造業(yè)的快速發(fā)展，導致該領域人力資源堆積。隨著科技的飛速發(fā)展，想要在矯形領域有突破性的成就，就必須根據成熟的矯形理論改變現(xiàn)在的局面?，F(xiàn)在國內已經對矯形技術進行了不同程度上的改善，使得矯形技術的理論知識得以補充。

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

常懷德等[7]設計了一種新型高精度鋁型材矯形機，該產品解決了鋁型材在矯形壓制過程中精度不準確的問題，進而提高了鋁型材產品的生產效率，同時精簡設備組成，使設備更易搬運。趙祥啟等[8]研發(fā)的新型四柱液壓矯形機，可有效降低工人的勞動量，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生的產品誤差。吳永鋒[9]設計了一種可以單人操作的鋼蓋板液壓矯形機，該矯形機可以對鋼蓋板快速矯形，保證出產質量的同時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，操作員只需要控制電動推桿就可以使鋼管進行矯形處理，大大減少了人工勞動量。賈鳳斌[11]通過矯形輥之間的靈活切換，設計實現(xiàn)了矯形機工作效率的提高。

依據對上述資料的研究與總結，我國在矯形技術上已經取得了重大的技術進步：通過使用PLC進行矯形技術的自動化控制，但矯形技術依然處于需要人為控制的局面，使用自動化控制能有效減少人力成本；通過建立有限元模型進行設備測算，達到降低矯形機能量消耗的目的；現(xiàn)在的矯形技術也可以通過各種不同的處理方式來提高矯形產品的精度，這樣可以使矯形產品更加精確地達到不同要求的生產精度。

近年來，由于我國人才的大量涌現(xiàn)和科技的迅速發(fā)展，我國的矯形基礎理論得到補充和完善，并在矯形精度等方面達到了質的飛躍。但我國的矯形技術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測定冷軋鋼彎曲度的解析方法。Shinkin還在文中提到當使用大量滾軸時，可以使機器的工作效率與系統(tǒng)的響應速度達到令人滿意的程度。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，該程序可對隨機選擇的許多嚙合參數組合進行有效的過程分析，然后對得到的響應變量進行多目標的優(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，可以提高工作輥對板材矯直的參數。

由于成熟的理論支撐，國外在矯形技術自動化以及精準度方面發(fā)展更為完善，這也使得外國進行矯形的工人工作時也相對較輕松。而近年國內優(yōu)秀產品的大量涌現(xiàn)，使得我國矯形技術與國外的差距越來越小，但仍未能完全實現(xiàn)全自動化。因此，如何實現(xiàn)矯形機的全自動化，是未來矯形技術發(fā)展的重中之重。

3 矯形機發(fā)展存在的問題

通過國內外現(xiàn)存矯形技術的對比，我國的矯形技術和矯形機與國外還存在著很大的差距，由于國內矯形技術理論的不成熟，導致矯形的產品質量差、精度低。我國現(xiàn)在的矯形機在工業(yè)方面存在的問題主要有以下幾點。

3.1 同步性不高

由于矯形機大多數使用液壓系統(tǒng)作為動力來源，而設備常使用多個液壓缸來提高工作效率，這就導致在設備工作時，缸與缸之間存在相互影響，使得系統(tǒng)不能夠穩(wěn)定地運作，以至于矯形機同步性存在缺陷。

3.2 人工成本高

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

3.3 噪聲大

矯形機中的液壓系統(tǒng)在運作時，液壓缸會不可避免地發(fā)生振動，而當振動傳到管路以及油箱中時會發(fā)生共振效應，由此將會產生巨大的噪聲。

3.4 工作效率低

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

3.5 設備大，不易搬運

矯形機是一種集機械、液壓系統(tǒng)、電機控制于一體的加工設備，因此，一般矯形機設備的占地面積大，導致建造場地成本提高，也使得搬運矯形機的工作十分困難。同時，由于矯形設備重復利用率低，產品價值降低，從而提高了生產成本[18-19]。

4 解決方案

依據我國可持續(xù)發(fā)展的要求，以及上述對矯形機現(xiàn)存的技術缺陷的總結，對矯形技術的未來發(fā)展提出如下大致要求：降低矯形機的工作量，提高矯形產品的精度與質量，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

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

4.2 減少工作量

在一個矯形機的液壓系統(tǒng)中使用多個矯形缸，這樣可以使系統(tǒng)在一次運行的過程中對多個產品進行矯形，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變?yōu)橥耆詣踊僮?，緩解之前由于操作系統(tǒng)不夠自動化而導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，還能避免卸載時由于產生的沖擊、振動過大而發(fā)出的噪聲大的情況。在降低能耗方面，可以使用調節(jié)變量泵、控制壓力感應或者調節(jié)發(fā)動機功率等方法，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)工作時的各種負載、阻力和流量的損失來提高系統(tǒng)運作的工作效率，盡量選擇匹配的動力源作為液壓系統(tǒng)的能源裝置，以此達到減少能耗的效果。

4.4 模塊化設計

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

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

5 結語

本研究首先對矯形機的工作原理進行了簡單的介紹和描述。通過對國內外文獻資料的思考以及對部分專利的研究，簡單總結了國內外矯形機現(xiàn)在的技術情況：我國的矯形技術發(fā)展至今已經解決了許多技術難題，例如將矯形機的機電液壓等部分進行模塊化設計，使矯形設備便于搬運，減少矯形設備的生產成本；同時也能夠解決矯形機在工作時噪聲較大以及工作效率低等問題。本研究也通過對比國內外矯形技術的差距，對我國矯形技術現(xiàn)存的問題進行了分析與總結，提出了對于現(xiàn)存問題的改進方法以及未來的發(fā)展趨勢。