矫形机技术现状与发展趋势**

杜汶徽，费叶琦,2，杨 敏，潘知瑶，刘雨浩，闫业斌

（1.南京理工大学紫金学院智能制造学院，江苏 南京 210046；2.南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037；3.上海普密德自动化科技有限公司，上海 200000）

由于国内行业的需求，矫形机的使用主要集中在机械制造业与医疗行业。虽然二者在功能与机构上大相径庭，但是在仪器工作精度方面却有着同样严格的要求。国内现在各方面的矫形技术水平相比于国外整体偏低，因此，提高矫形机的技术水平以及产品精度显得尤为重要。

1 矫形机工作原理简述

矫形机的工作原理大致可以分为放件、检测、定位、矫形四个阶段。将工件放在下支承块上，当系统运行时，支承块的几何形状通过自动非精密定心实现位置确定，然后上动压力头对工件进行夹持，当传感器达到预定值时停止，精密测距探头伸出，对工件进行检测。若检测出环形零件的数据超出预期值，则设备开始进行矫形。完成矫形后，系统重复对工件进行上述检测，若不在预期范围内则继续进行矫形，直到检测得到的数据在预期值范围内。

2 矫形机国内外发展现状

2.1 国内发展现状

我国的矫形技术起步较晚，并且由于一直缺乏成熟的理论支撑，导致在这一领域的发展与西方国家差距很大，其中包括矫形机的自动化控制以及矫形产品的精准度控制。由于我国矫形机难以实现全自动控制，以及我国基础制造业的快速发展，导致该领域人力资源堆积。随着科技的飞速发展，想要在矫形领域有突破性的成就，就必须根据成熟的矫形理论改变现在的局面。现在国内已经对矫形技术进行了不同程度上的改善，使得矫形技术的理论知识得以补充。

李本义[1]通过分析矫直机电气控制功能和现存操作需求，确定使用PLC系统完成对矫直机自动化的精准控制。王云[2]通过理论与实际相结合，建立与实际相符的有限元模型，提高了矫直机的工作效率、降低能耗、减少磨损，从而降低了更换矫直辊的成本。杨达毅等[3]通过利用带传动带动矫形机的夹持系统的方法，对经过热处理后的环类零件进行矫圆，该方法可以提高矫形精度，减轻劳动负担，增加环类零件的质量。廖政文等[4]利用有限元拓扑优化分析设计的康复矫形器，在透气性和重量方面上优于传统的康复矫形器。孙磊[5]提到了矫形器具有复合型、多样性、差异性、主导性和实用性等特点；由于这些特点的存在，假肢与矫形器可以更有效地帮助患者康复，减少患者的功能障碍。乔龙图[6]通过自主设计的环形件专用成型机，有效解决了环形件在生产过程中成本高、金属消耗大、金属利用率低等问题。

常怀德等[7]设计了一种新型高精度铝型材矫形机，该产品解决了铝型材在矫形压制过程中精度不准确的问题，进而提高了铝型材产品的生产效率，同时精简设备组成，使设备更易搬运。赵祥启等[8]研发的新型四柱液压矫形机，可有效降低工人的劳动量，提高工作效率，且矫形速度快，合格率高，能有效降低人工操作产生的产品误差。吴永锋[9]设计了一种可以单人操作的钢盖板液压矫形机，该矫形机可以对钢盖板快速矫形，保证出产质量的同时提高了钢盖板的美观性。马凡波等[10]研发了一种钢管杆的钢管矫形机，操作员只需要控制电动推杆就可以使钢管进行矫形处理，大大减少了人工劳动量。贾凤斌[11]通过矫形辊之间的灵活切换，设计实现了矫形机工作效率的提高。

依据对上述资料的研究与总结，我国在矫形技术上已经取得了重大的技术进步：通过使用PLC进行矫形技术的自动化控制，但矫形技术依然处于需要人为控制的局面，使用自动化控制能有效减少人力成本；通过建立有限元模型进行设备测算，达到降低矫形机能量消耗的目的；现在的矫形技术也可以通过各种不同的处理方式来提高矫形产品的精度，这样可以使矫形产品更加精确地达到不同要求的生产精度。

近年来，由于我国人才的大量涌现和科技的迅速发展，我国的矫形基础理论得到补充和完善，并在矫形精度等方面达到了质的飞跃。但我国的矫形技术与国外依然有着不小的差距。

2.2 国外发展现状

V.N.Shinkin[12]介绍了一种用七辊矫直机测定冷轧钢弯曲度的解析方法。Shinkin还在文中提到当使用大量滚轴时，可以使机器的工作效率与系统的响应速度达到令人满意的程度。E.Rabischong等[13]介绍了一种利用六自由度的电矫形器帮助训练截瘫患者踏步并模拟不同环境下的行走。Petruška J等[14]设置了一种基于矫直过程模拟的快速算法的程序，该程序可对随机选择的许多啮合参数组合进行有效的过程分析，然后对得到的响应变量进行多目标的优化。A. V. Barabash等[15]在文中提到将板材矫直工程模型和波纹度矫正有限元建模得到的回归方程的组合使用，可以提高工作辊对板材矫直的参数。

由于成熟的理论支撑，国外在矫形技术自动化以及精准度方面发展更为完善，这也使得外国进行矫形的工人工作时也相对较轻松。而近年国内优秀产品的大量涌现，使得我国矫形技术与国外的差距越来越小，但仍未能完全实现全自动化。因此，如何实现矫形机的全自动化，是未来矫形技术发展的重中之重。

3 矫形机发展存在的问题

通过国内外现存矫形技术的对比，我国的矫形技术和矫形机与国外还存在着很大的差距，由于国内矫形技术理论的不成熟，导致矫形的产品质量差、精度低。我国现在的矫形机在工业方面存在的问题主要有以下几点。

3.1 同步性不高

由于矫形机大多数使用液压系统作为动力来源，而设备常使用多个液压缸来提高工作效率，这就导致在设备工作时，缸与缸之间存在相互影响，使得系统不能够稳定地运作，以至于矫形机同步性存在缺陷。

3.2 人工成本高

由于我国矫形技术的不成熟，导致大多数时候的矫形都是靠人力去完成，这就使矫形的工作量非常大。且人工进行矫形的产品，产品形变量的精度不能够进行精确的控制与调节，还易受工人情绪等方面的影响[16-17]。

3.3 噪声大

矫形机中的液压系统在运作时，液压缸会不可避免地发生振动，而当振动传到管路以及油箱中时会发生共振效应，由此将会产生巨大的噪声。

3.4 工作效率低

矫形机的液压系统在运行过程中会产生不可避免的机械摩擦，这些机械摩擦必然会造成额外的机械能量的损失，因此会降低系统在运作时的工作效率。而且管路与油箱中产生的共振作用，会使油箱发生漏油的现象。

3.5 设备大，不易搬运

矫形机是一种集机械、液压系统、电机控制于一体的加工设备，因此，一般矫形机设备的占地面积大，导致建造场地成本提高，也使得搬运矫形机的工作十分困难。同时，由于矫形设备重复利用率低，产品价值降低，从而提高了生产成本[18-19]。

4 解决方案

依据我国可持续发展的要求，以及上述对矫形机现存的技术缺陷的总结，对矫形技术的未来发展提出如下大致要求：降低矫形机的工作量，提高矫形产品的精度与质量，优化工作环境，并解决噪声大、能耗高的问题。

4.1 提高同步性

可以在每个矫形缸前添加减压阀，通过减压阀稳定矫形缸工作时的压力，防止各个矫形缸之间相互干扰。也可以通过电液伺服控制阀进行控制，使矫形系统快速响应，从而控制矫形产品处于一个更加准确的精度，提高系统同步性。

4.2 减少工作量

在一个矫形机的液压系统中使用多个矫形缸，这样可以使系统在一次运行的过程中对多个产品进行矫形，可简单有效地降低工人的工作量；也可以使矫形过程由人工操作转变为完全自动化操作，缓解之前由于操作系统不够自动化而导致的人力资源的堆积。

4.3 降低噪声和能耗

采用液控单向阀保压控制，在控制油路增加阻尼，不仅能够起到保压作用，还能避免卸载时由于产生的冲击、振动过大而发出的噪声大的情况。在降低能耗方面，可以使用调节变量泵、控制压力感应或者调节发动机功率等方法，这些方法操作简单、方便，节能的效果也很高。还可以通过减少系统工作时的各种负载、阻力和流量的损失来提高系统运作的工作效率，尽量选择匹配的动力源作为液压系统的能源装置，以此达到减少能耗的效果。

4.4 模块化设计

可以通过将矫形设备中的机械、液压和电机控制部分集成，尽量地去精简设备的大小，从而使得矫形设备方便搬运；也可以通过尽量地精简矫形设备的构造，使得矫形设备方便拆卸，这样也能使矫形设备方便搬运。

现阶段，我国的矫形技术已经取得了重大的进步，比如初步解决了矫形技术的自动化和产品精准度的问题。但由于进行工件矫形时仍需要耗费工人大量的时间以及消耗很多能源，所以，在未来的发展中，解决矫形技术的工人工作量大与能耗高的问题是重中之重。

5 结语

本研究首先对矫形机的工作原理进行了简单的介绍和描述。通过对国内外文献资料的思考以及对部分专利的研究，简单总结了国内外矫形机现在的技术情况：我国的矫形技术发展至今已经解决了许多技术难题，例如将矫形机的机电液压等部分进行模块化设计，使矫形设备便于搬运，减少矫形设备的生产成本；同时也能够解决矫形机在工作时噪声较大以及工作效率低等问题。本研究也通过对比国内外矫形技术的差距，对我国矫形技术现存的问题进行了分析与总结，提出了对于现存问题的改进方法以及未来的发展趋势。