吳杰偉

（欽州市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，廣西 欽州535008）

一種天線放射罩旋壓機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳杰偉

（欽州市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，廣西 欽州535008）

提出一種基于單片機(jī)的天線放射罩旋壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。首先，對(duì)天線放射罩旋壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)功能和需求進(jìn)行分析。然后，依照模塊化設(shè)計(jì)的思想，介紹了天線放射罩旋壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成并著重研究天線放射罩旋壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括主程序、顯示子程序和主軸控制子程序的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

天線放射罩；單片機(jī)；旋壓機(jī)

旋壓技術(shù)是一種對(duì)薄壁金屬板料通過(guò)塑性旋壓成型的技術(shù)，具有節(jié)約材料，變形力小，設(shè)備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1，5]。旋壓加工的產(chǎn)品一般都屬于薄壁型，其重量相對(duì)較輕，且經(jīng)旋壓成型后，工件的表面光滑度也較高，同時(shí)工件的組織結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變，使得其表面強(qiáng)度、硬度、抗壓性、抗疲勞性等屬性都變強(qiáng)。旋壓技術(shù)與數(shù)控車(chē)削技術(shù)相比更節(jié)約原材料，降低制造成本[2-3]。旋壓技術(shù)對(duì)促進(jìn)我國(guó)航空、航天、兵器、化工、機(jī)械制造、電子及輕工業(yè)等領(lǐng)域的尖端技術(shù)發(fā)展有著積極的推動(dòng)作用，且作為一項(xiàng)新技術(shù)伴隨著傳統(tǒng)工藝方法在冶金、化工、石油、輕工民用等行業(yè)一同發(fā)展，已經(jīng)成為現(xiàn)代金屬壓力加工的新興領(lǐng)域[4-5]。國(guó)內(nèi)旋壓技術(shù)發(fā)展比較緩慢，技術(shù)和設(shè)備相對(duì)比較落后，特別是數(shù)控旋壓設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)和部件長(zhǎng)期依賴外國(guó)進(jìn)口[6-8]。為提高國(guó)內(nèi)先進(jìn)數(shù)控旋壓技術(shù)，更好地滿足我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對(duì)旋壓技術(shù)的要求，本文以一種天線發(fā)射罩旋壓機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為探討對(duì)象，并為其開(kāi)發(fā)一套硬件和軟件的控制系統(tǒng)。

1 旋壓機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

天線放射罩旋壓機(jī)系統(tǒng)主要分為主軸動(dòng)力系統(tǒng)、縱向橫向進(jìn)給系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)等。旋壓機(jī)把板料固定在模架上，讓主軸系統(tǒng)帶動(dòng)模架及板料同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)給系統(tǒng)帶動(dòng)壓輪以圓弧插補(bǔ)的形式進(jìn)給并對(duì)板料加壓，從而使得板料沿著模架的邊緣逐漸變形，待變形完成后，系統(tǒng)控制壓輪回到初始位置，至此完成一次加工過(guò)程。

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)思想，控制系統(tǒng)可劃分為：電源模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊、顯示模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、直流電機(jī)調(diào)速模塊、直流無(wú)刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、漏電保護(hù)模塊等，控制系統(tǒng)的總框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 功能需求分析

天線放射罩旋壓機(jī)要求控制系統(tǒng)控制旋壓機(jī)按照指定動(dòng)作順序工作：?jiǎn)?dòng)主軸，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定的速度后，按下步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)按鈕，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，行程結(jié)束后，壓桿返回初始位置。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)壓輪對(duì)工件進(jìn)行圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，并對(duì)主軸加工速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，反饋后在LED顯示。擬采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制單元，另外擬采用增量式PID控制算法作為主軸的位置閉環(huán)控制算法，其原理圖如圖2所示。

圖2 主軸閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

1.3 硬件平臺(tái)

鑒于單片機(jī)具備集成度高、可靠性高、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)，本文采用單片機(jī)最小系統(tǒng)板構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。其中AT89C52芯片作為主控單元，外圍組成部分主要包括由直流無(wú)刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路組成的主軸電路，以及由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路組成的進(jìn)給電路。

2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和功能劃分為不同的模塊。利用單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各子程序功能。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含了幾個(gè)要點(diǎn)，主要是系統(tǒng)整體框架、數(shù)據(jù)的定義及管理、接口的處理以及軟件過(guò)程等。整體的布局是定義軟件各模塊相互的關(guān)系。數(shù)據(jù)的管理就是將模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)的形式來(lái)管理。接口的處理是在內(nèi)部的軟件系統(tǒng)與人之間怎樣通信；軟件過(guò)程是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為軟件過(guò)程的描述。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，它會(huì)直接影響到系統(tǒng)固定功能以及系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)本次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，如圖3所示為主程序流程圖。系統(tǒng)接通電源之后單片機(jī)就會(huì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)定；初始化過(guò)后就進(jìn)入主程序進(jìn)行工作，進(jìn)入主程序之后在通過(guò)中斷系統(tǒng)進(jìn)入到各個(gè)子程序，在各個(gè)子程序當(dāng)中完成各自的工作之后再返回主程序，從而完成整個(gè)控制系統(tǒng)的工作，在主程序當(dāng)中包含了頭文件、宏定義、函數(shù)聲明、系統(tǒng)初始化、中斷程序等。

圖3 主程序流程圖

2.2 顯示程序設(shè)計(jì)

顯示模塊主要功能是為了顯示主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速和壓輪的進(jìn)給量。在軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中LED顯示起著重要的作用，觀測(cè)者可以通過(guò)LED顯示模塊知道內(nèi)部系統(tǒng)是否按照原設(shè)定進(jìn)行，顯示模塊實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 顯示模塊流程圖

2.3 主軸控制軟件設(shè)計(jì)

主軸的電氣控制部分主要是無(wú)刷直流電機(jī)以及其直流調(diào)速器組成，在軟件控制設(shè)計(jì)當(dāng)中主要是設(shè)計(jì)程序控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)啟動(dòng)直流電機(jī)，直流無(wú)刷電機(jī)啟動(dòng)流程圖如圖5所示。由于主軸需要精確的位置控制，主軸控制模塊使用增量式PID控制的算法對(duì)其位置進(jìn)行誤差控制，增量式PID控制流程如圖6所示。

圖5 直流無(wú)刷電機(jī)啟動(dòng)流程圖

圖6 增量式PID控制流程

如圖6所示，增量式PID控制是通過(guò)輸出控制量的增量來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制方式。增量式的PID控制方式必須是在具有累加器的環(huán)境下使用。增量式PID 控制的算式：u（k）=u（k-1）+ Δu（k）.在最近 3次直流電動(dòng)機(jī)速度的采樣比較，輸出它們的差值，反饋到輸入量，使得直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速得到控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

如圖7所示為本次設(shè)計(jì)的旋壓機(jī)控制系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)試實(shí)物圖。在樣機(jī)和軟件程序設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試和局部調(diào)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠滿足天線放射罩旋壓機(jī)控制裝置的基本功能。

圖7 樣機(jī)顯示

旋壓機(jī)未來(lái)將向著大型化、系列化、多功能、柔性化、專業(yè)化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，本文開(kāi)發(fā)一套基于單片機(jī)最小系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型天線反射罩旋壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，具有成本低、可靠性高的特點(diǎn)，為我國(guó)旋壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供參考價(jià)值。

[1]C.C Wong，T.A Dean，J Lin.A.Review of Spinning，Shear Forming And Flow Forming Process[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2003，43（14）：1419-1435.

[2]歐長(zhǎng)勁，彭寬棟，洪尉尉.數(shù)控旋壓機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].機(jī)電工程，2012，29（11）：1239-1242，1258

[3]程秀全，楊紹忠，夏琴香.基于PC平臺(tái)的旋壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研制[J].機(jī)床與液壓，2007，35（8）：17-20

[4]王玉輝，夏琴香，楊明輝.數(shù)控旋壓機(jī)床的發(fā)展歷程及其研究現(xiàn)狀[J].鍛壓技術(shù)，2005（4）：97-100

[5]趙云豪.旋壓技術(shù)現(xiàn)狀[J].鍛壓技術(shù)，2005（5）：95-97，100.

[6]李亦楠，張大舜，侯豐巖，等.帶有上、下料機(jī)構(gòu)的旋壓機(jī)控制方法的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012（04）：91-92.

[7]錢(qián)志平.旋壓機(jī)控制原理的分析與應(yīng)用[J].機(jī)械傳動(dòng)，2004，28（06）：54-55.

[8]錢(qián)志平.旋壓輥運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)與旋壓力計(jì)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2004，21（12）：28-29.

The Control System Design of an Antenna Radiation Shield Spinning Machine

WU Jie-wei
（Special Equipmeni Inspection Qinzhou City，Qinzhou Guangxi 535008，China）

The design and implementation of a numerical control system based on single chip microcomputer for an antenna radiation shield spinning machine was proposed in this paper.First of all，the functions and requirements of the numerical control system of antenna radiation shield spinning machine are analyzed in detail，and then in accordance with the modular design ideas，the hardware structure of the CNC system of the antenna radiation shield spinning machine was briefly introduced，and the research was mainly focused on software design process of the numerical control system of the antenna radiation shield spinning machine，which contained the implementation process of the main program，display subroutines，and spindle control subroutine.

antenna radiation shield；SCM；spinning machine

TP273

A

1672-545X（2017）09-0160-03

2017-06-20

吳杰偉（1989-），男，廣西貴港人，助理工程師，本科，從事機(jī)電類特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。