（沙洲職業(yè)工學(xué)院 電子信息工程系，蘇州 215000）

0 引言

材料塑性成形是材料加工中的一種重要形式，使用管材作為毛坯進(jìn)行的塑性成形稱(chēng)為管材塑性加工。管材的力學(xué)性能較好，還具有美學(xué)效果，在越來(lái)越多的行業(yè)中都有著非常廣泛的應(yīng)用[1]。管材彎曲成型是管材塑性成形中的一種，管材彎曲成型可以使用各種金屬管件作為毛坯進(jìn)行加工，可以加工出各類(lèi)平面彎曲件和空間彎曲件，這類(lèi)零件在輸送管路和空間結(jié)構(gòu)中有應(yīng)用廣泛[2]。目前管材彎曲成型的兩種主要方式分別是人工和彎管機(jī)兩種，其中人工彎管的制造成本低，設(shè)備簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，還存在安全隱患，不適用于大批量生產(chǎn)，很難滿足施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)需求[3]。為了在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)液壓彎管機(jī)的目標(biāo)，R.Sanjay[4]提出利用半自動(dòng)液壓彎管機(jī)對(duì)管道進(jìn)行彎管作業(yè)以降低成本和提高管材的生產(chǎn)率，但這套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且仍然需要人為的操作和控制。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，彎管的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，彎管的彎曲半徑也變得更加多樣化和個(gè)性化，但社會(huì)上現(xiàn)在很多彎管機(jī)仍只能將特定直徑的管道彎曲成特定的彎曲半徑，在改變彎曲半徑時(shí)需要更換不同的模具，嚴(yán)重降低了工作效率，即使有研究?jī)?yōu)化了模具的夾裝方式，實(shí)現(xiàn)了模具的快速拆裝與調(diào)試[5]，但仍難以滿足市場(chǎng)對(duì)彎曲半徑多樣化的需求，因此Chandran M[6]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種低成本、易制造的多半徑彎管機(jī)，其可以將給定直徑的管材彎成所需的不同彎曲半徑，這雖然滿足了彎管市場(chǎng)多樣化的需求，但仍未滿足如今市場(chǎng)對(duì)彎管機(jī)自動(dòng)化、智能化的需求。

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，全自動(dòng)彎管機(jī)的發(fā)明和普及大大提高了生產(chǎn)效率。單片機(jī)和PLC是數(shù)控彎管機(jī)控制系統(tǒng)的主要核心，單片機(jī)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，精度差的缺點(diǎn)。由于單片機(jī)自身限制，交互性較差，系統(tǒng)開(kāi)放性差[7]。PLC控制系統(tǒng)雖然可以提高機(jī)械電氣控制和生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，彌補(bǔ)單片機(jī)控制系統(tǒng)的部分缺陷，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[8]，但其實(shí)時(shí)性、控制管理水平和自動(dòng)化水平仍然難以滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求，盡管有研究指出結(jié)合使用PLC和工控機(jī)可以很好的提高彎管過(guò)程的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化水平[9]，但其增加了生產(chǎn)成本的同時(shí)并沒(méi)有解決生產(chǎn)精度不高的問(wèn)題，而且還存在開(kāi)放性和可擴(kuò)展性較差的缺點(diǎn)[10]。

如今，國(guó)內(nèi)主流的彎管機(jī)是液壓半自動(dòng)和全自動(dòng)兩種彎管機(jī)，并且所存在的一些全數(shù)控的彎管機(jī)都是一些低檔數(shù)控彎管機(jī)，此外大量的高檔全數(shù)控彎管機(jī)都是從國(guó)外進(jìn)口，導(dǎo)致這些進(jìn)口的全數(shù)控彎管機(jī)不完全適應(yīng)和兼容國(guó)內(nèi)生成需要，而且具有系統(tǒng)穩(wěn)定性差，價(jià)格昂貴等一系列缺點(diǎn)。因此我國(guó)急需要一個(gè)能夠滿足和適應(yīng)自身生產(chǎn)條件需求的全數(shù)控彎管機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制器剛好具有開(kāi)放性良好，控制系統(tǒng)精度較高且系統(tǒng)功能比較強(qiáng)大等一系列的優(yōu)點(diǎn)，使其的工業(yè)實(shí)用性逐漸增強(qiáng)[11]。本文就是將運(yùn)動(dòng)控制器用于彎管機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的彎管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)將控制精度從傳統(tǒng)的±0.1°提升到了±0.05°，指令最小移動(dòng)單位為0.001mm，同時(shí)彎管半徑不局限于傳統(tǒng)的固定半徑，而是能夠滿足于20mm～1000mm范圍的彎管需求，在具有較高的精度和準(zhǔn)確性的同時(shí)具有較廣的使用范圍，而且便于生產(chǎn)和維護(hù)，擁有良好的市場(chǎng)前景。

1 彎管機(jī)工作原理及控制要求

1.1 彎管機(jī)工作原理

彎管機(jī)主要是由彎曲軸裝置、送料小車(chē)、調(diào)整裝置以及芯棒給進(jìn)裝置四部分組成。整個(gè)彎管機(jī)系統(tǒng)是由機(jī)械系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等系統(tǒng)組成，彎管機(jī)工作時(shí)，通過(guò)這四個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了彎管機(jī)的空間加工方式，也就是完成運(yùn)小料，旋轉(zhuǎn)，彎曲管件等關(guān)鍵步驟。

數(shù)控彎管機(jī)在工作時(shí)，彎曲模在彎曲軸上轉(zhuǎn)動(dòng)，管材壓緊在彎曲模上，隨著彎曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，管材被拉伸而發(fā)生形變。其工作原理圖如圖1所示，具體過(guò)程可以劃分為：1）調(diào)整芯棒位置，使芯棒給進(jìn)到合適位置，再手工上管件；2）進(jìn)料小車(chē)夾緊夾料筒，小車(chē)?yán)^續(xù)向前運(yùn)送管材；3）待管材到達(dá)指定位置后，導(dǎo)向模壓緊管材，同時(shí)鉗壓口將管材壓緊在彎曲模上；4）在彎曲模、隨動(dòng)模、導(dǎo)向模和鉗口的共同作用下，管材隨著彎曲模轉(zhuǎn)動(dòng)形成與彎曲模半徑相同的彎曲工件；5）彎曲到指定的角度后，鉗口松開(kāi)管材，隨動(dòng)模在導(dǎo)向模的作用下回到原位；6）上料小車(chē)帶動(dòng)管材在空間旋轉(zhuǎn)一定的角度后運(yùn)動(dòng)到彎曲位置，進(jìn)行下一次彎管動(dòng)作。

各個(gè)部件的作用：彎曲模在主軸上裝著；夾緊模就是夾緊管材防止管材發(fā)生移動(dòng)；導(dǎo)向模和隨動(dòng)模共同組成了壓力模，在工作時(shí)，導(dǎo)向模會(huì)給予管材適當(dāng)?shù)膲毫?，將其壓緊在防皺模上，彎曲時(shí)隨動(dòng)模會(huì)跟著管件一起移動(dòng)；芯棒置于管材內(nèi)腔，防止彎管時(shí)出現(xiàn)變薄、起皺、扁平等問(wèn)題；尾座帶動(dòng)芯棒以實(shí)現(xiàn)進(jìn)芯和退芯的工作。

工作時(shí)，管材被繞在彎曲模上隨著彎曲軸旋轉(zhuǎn)而成型。再將管材進(jìn)行推進(jìn)，再進(jìn)行下一個(gè)彎曲。管材的彎曲半徑是由彎曲模的半徑?jīng)Q定的，工作時(shí)只需更換不同半徑的彎曲模即可彎曲不同半徑的管材。

圖1 彎管機(jī)工作原理

1.2 彎管機(jī)控制要求

根據(jù)彎管機(jī)的彎管工藝原理，彎管機(jī)控制系統(tǒng)主要有彎管運(yùn)動(dòng)控制部分和輔助運(yùn)動(dòng)控制部分。彎管機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)動(dòng)作，分別為：彎曲模旋轉(zhuǎn)軸C軸；進(jìn)料小車(chē)帶動(dòng)管材作直線運(yùn)動(dòng)的Y軸；進(jìn)料小車(chē)帶動(dòng)管材做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的B軸，配三套交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和伺服電機(jī)以驅(qū)動(dòng)控制Y、B、C三個(gè)軸實(shí)現(xiàn)對(duì)送料、旋轉(zhuǎn)和彎曲的精確控制，此外還有由編碼器或者光柵尺形成的全控制以提高控制精度。輔助運(yùn)動(dòng)部分主要包括：夾緊鉗以及導(dǎo)向模的夾緊與防松；隨動(dòng)模的運(yùn)動(dòng)及尾座的運(yùn)動(dòng)，輔助運(yùn)動(dòng)的控制部分是通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)完成的，而且傳感器是用于管材位置檢測(cè)，限位報(bào)警等問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)與解決。為了提高保證加工質(zhì)量和工作效率，彎管機(jī)的控制要求為：彎管運(yùn)動(dòng)的三個(gè)軸能夠快速、準(zhǔn)確的控制彎管角度，其中伺服彎曲C軸控制精度為±0.05°，伺服送料Y軸的控制精度為0.05mm，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)C軸的控制精度為±0.05°，相對(duì)于現(xiàn)代彎管產(chǎn)品±0.1°的精度需求提高了一倍；同時(shí)對(duì)各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行邏輯控制；能夠?qū)崿F(xiàn)合理的人機(jī)交互，進(jìn)行狀態(tài)顯示與參數(shù)設(shè)置；能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行；系統(tǒng)具有一定的開(kāi)放性，方便系統(tǒng)升級(jí)與維護(hù)，該彎管機(jī)系統(tǒng)的具體性能參數(shù)如表1所示，其響應(yīng)速度、控制精度、適用范圍和產(chǎn)品質(zhì)量等各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)高于當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)彎管工作的快速、高精度控制，而且其體積和重量也比較合適，便于隨工作地點(diǎn)變更而運(yùn)輸，對(duì)比現(xiàn)有的彎管機(jī)，其不僅可以實(shí)現(xiàn)彎管的單次批量生產(chǎn)，而且具有較高控制精度和響應(yīng)速度，同時(shí)也大大提高了彎管機(jī)不同半徑的適用范圍，降低了傳統(tǒng)彎管機(jī)質(zhì)量和體積，提高了其靈活性和應(yīng)用性。

表1 彎管機(jī)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2 彎管機(jī)控制系統(tǒng)總體方案

傳統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)雖然能夠滿足一般的工業(yè)彎管需求且成本低，但是其缺點(diǎn)也十分明顯，包括但不限于精度低、穩(wěn)定性差、速度慢、交互不友好等；同樣，以PLC為控制核心的系統(tǒng)即使在穩(wěn)定性和交互性上有所提高，但還是不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生成對(duì)效率、質(zhì)量和開(kāi)放性上的需求。楊虎[12]的彎管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是以用華中世紀(jì)星數(shù)控系為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的，其不僅提高了生成成本，還降低了系統(tǒng)的開(kāi)放性，因此并不適用推廣普及。黃小剛[13]和李克彬[14]提出的“運(yùn)動(dòng)控制卡+PC”的控制系統(tǒng)雖然滿足了現(xiàn)代生產(chǎn)的需求，但是缺嚴(yán)重浪費(fèi)了PC的資源，而且成本高不應(yīng)用于工業(yè)生成。

綜上，為解決以上問(wèn)題并滿足現(xiàn)代彎管市場(chǎng)的對(duì)精度、穩(wěn)定性、開(kāi)放性、實(shí)時(shí)性和成本等的需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以運(yùn)動(dòng)控制器為核心的多口徑自動(dòng)化彎管機(jī)控制系統(tǒng)，并針對(duì)性的開(kāi)發(fā)有關(guān)數(shù)控軟件，并以實(shí)踐驗(yàn)證了其可以滿足現(xiàn)代彎管加工的各項(xiàng)要求。如圖2所示，本彎管機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。其中硬件包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)三部分。運(yùn)動(dòng)控制器是用來(lái)協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)的工作，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其發(fā)出指令，其它相關(guān)組件完成指令動(dòng)作；觸摸屏是來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，用戶通過(guò)觸摸屏可以進(jìn)行按鈕互動(dòng)，文本輸入輸出，圖標(biāo)信息反饋等；伺服系統(tǒng)用來(lái)準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)和控制三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，即送料，轉(zhuǎn)角，彎管和模座移動(dòng)這四個(gè)部位動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制，這個(gè)系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動(dòng)器以及電機(jī)組成的；輔助系統(tǒng)主要是包括檢測(cè)裝置、開(kāi)關(guān)信號(hào)和夾緊裝置等。相對(duì)于傳統(tǒng)彎管機(jī)軟件的集中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的模式，本系統(tǒng)的所有軟件是采取模塊化設(shè)計(jì)的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，這樣不僅提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，同時(shí)便于后期的維護(hù)和升級(jí)。軟件模塊包括管理模塊、控制模塊、參數(shù)模塊和I/O模塊。且彎管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與硬件還有一定的關(guān)系，不同廠家硬件提供的方式均不大相同，但其整體思路是一致的。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3 彎管機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

按照全自動(dòng)彎管控制的需求，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件如圖3所示。其中控制系統(tǒng)的核心硬件是運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器在系統(tǒng)中扮演“大腦”的角色，負(fù)責(zé)向伺服系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)發(fā)出指令并協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)；伺服系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，滿足對(duì)彎曲、旋轉(zhuǎn)和送料三個(gè)行為的準(zhǔn)確控制，該伺服系統(tǒng)包含有三套交流伺服電機(jī)和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，此外還有光柵尺和編碼器等模塊；輔助系統(tǒng)負(fù)責(zé)配合伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)彎管需求。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)控制器

運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，整個(gè)系統(tǒng)的指令都是由運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出的，其負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作，所以必須響應(yīng)快、精度高；由于彎管機(jī)的工作環(huán)境一般比較惡劣，如常見(jiàn)的震動(dòng)、沖擊、電氣干擾，所以運(yùn)動(dòng)控制器要求可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)；而且為了便于擴(kuò)展，運(yùn)動(dòng)控制器必須具有開(kāi)放性結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力，支持標(biāo)準(zhǔn)接口。此外，還必須綜合考慮彎管系統(tǒng)功能的需求針對(duì)性的選擇合適的運(yùn)動(dòng)控制器。

本彎管機(jī)系統(tǒng)所選用的英國(guó)Trio運(yùn)動(dòng)控制器是Trio公司針對(duì)工控領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)開(kāi)發(fā)的基于微處理技術(shù)的高精密高功能的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器，其采用32-bit的120-150MHz的DSP的最新的微處理器技術(shù)，融合了最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制，在基于滿足普通PC機(jī)所有基本功能的基礎(chǔ)上還實(shí)現(xiàn)了高性能多軸協(xié)調(diào)和高速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)的控制效果，即其能夠在線的改變控制參數(shù)和修改加速、減速曲線。Trio運(yùn)動(dòng)控制器可以對(duì)電機(jī)軸、氣動(dòng)/液動(dòng)伺服軸進(jìn)行單獨(dú)控制或綜合控制，最多可以控制24個(gè)軸；在通用性和擴(kuò)展性方面，Trio運(yùn)動(dòng)控制器提供了RS232C、RS485、USB、Ethernet等多種標(biāo)準(zhǔn)接口，還提供了擴(kuò)展接口，用戶可以根據(jù)自身需求進(jìn)行功能擴(kuò)展；Trio運(yùn)動(dòng)控制器提供了一種簡(jiǎn)易的編程語(yǔ)言Trio Basic，該語(yǔ)言通俗易懂，便于學(xué)習(xí)；為方便用戶使用，Trio還提供了ActiveX控件用于二次開(kāi)發(fā)，具有較好的可擴(kuò)展性能。該運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 Tori運(yùn)動(dòng)控制器

3.2 觸摸屏

觸摸屏是人機(jī)交互的窗口，用于機(jī)床控制、參數(shù)設(shè)置與狀態(tài)顯示。本系統(tǒng)采用的屏通PT104是一個(gè)高彩、高亮度的10.4寸的數(shù)字式液晶屏，它靈敏度高、可靠性好?？梢酝ㄟ^(guò)RS485標(biāo)準(zhǔn)接口與運(yùn)動(dòng)控制器通訊。屏通公司的觸控大師（PM Designer）編程軟件為觸摸屏界面的編寫(xiě)提供了方便，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，功能豐富，大大提高了設(shè)計(jì)效率。觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，用戶可以通過(guò)觸摸屏加工數(shù)據(jù)和程序段并載入CPU，同時(shí)利用觸摸屏實(shí)現(xiàn)監(jiān)控彎管系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一定的控制和調(diào)整。

本彎管系統(tǒng)的觸摸屏人機(jī)界面中包含的狀態(tài)顯示主要有自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、編寫(xiě)程序、設(shè)置系統(tǒng)等選項(xiàng)，其中自動(dòng)模式的主要功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化彎管之前的程序選擇、參數(shù)調(diào)整、異常報(bào)警、信息采集和顯示、開(kāi)始和強(qiáng)制結(jié)束等功能，用戶可以在程序選擇界面選擇已有的程序或者通過(guò)自定義模式進(jìn)行調(diào)整或編寫(xiě)與當(dāng)前工作相適應(yīng)的新程序。用戶還可以在系統(tǒng)設(shè)置界面對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、加工信息、操作模式、手動(dòng)調(diào)試、自動(dòng)調(diào)試、單步測(cè)試、連續(xù)測(cè)試、設(shè)定操作、報(bào)警日志等選項(xiàng)界面，其中報(bào)警日志用于記錄和顯示運(yùn)行過(guò)程中的故障相關(guān)信息，以便于參數(shù)調(diào)整和系統(tǒng)的維修與維護(hù)。在手動(dòng)模式下用戶還可以選擇是單步調(diào)試或者連續(xù)調(diào)試模式并選擇和調(diào)整與之相適應(yīng)的相關(guān)按鈕。該彎管機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)各個(gè)界面之間切換便捷、快速，而且具有較高的可讀性、可理解性和可操作性，使得操作人員可以在短時(shí)間內(nèi)熟練的掌握本系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。

3.3 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)在彎管機(jī)控制系統(tǒng)中具有重要的地位，常見(jiàn)的伺服系統(tǒng)的控制方式可以分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)三種，其中開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)是不帶有檢測(cè)和反饋機(jī)制的，因?yàn)槠淇刂坪?jiǎn)單、價(jià)格低廉而被廣泛應(yīng)用于低端的數(shù)控系統(tǒng)，但是因?yàn)榫哂形恢帽容^和位移測(cè)量功能的半閉環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)具有更快的運(yùn)行速度和更高的精度。目前國(guó)內(nèi)使用的彎管機(jī)的通用問(wèn)題是送料的長(zhǎng)度和彎曲的角度的精確度較低，其主要原因是現(xiàn)有的彎管機(jī)其彎曲軸動(dòng)力使用的是容易受到溫度影響且慣性較大的液壓，即使有研究針對(duì)液壓系統(tǒng)的缺陷優(yōu)化相關(guān)參數(shù)以提高不同彎管口徑和角度的精度和穩(wěn)定性，但并沒(méi)有從根本上解決誤差[15]；另一方面，送料軸使用的是半閉環(huán)控制的齒輪齒條帶動(dòng)的，所以送料長(zhǎng)度的準(zhǔn)確度不高?；谏鲜鰡?wèn)題，本彎管機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)把彎曲軸替換為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)并且在送料軸增加了光柵尺實(shí)現(xiàn)了全閉環(huán)控制，提高了彎曲角精度和送料長(zhǎng)度的控制精度，其Y軸和B軸的全閉環(huán)控制回路如圖5和圖6所示，該系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度，其中在響應(yīng)速度方面可實(shí)現(xiàn)彎曲、旋轉(zhuǎn)速度≥180°/s、送料速度≥1m/s，而在控制精度方面可達(dá)到彎曲、轉(zhuǎn)重復(fù)精度≤±0.05°、送料重復(fù)精度≤±0.05mm，能夠滿足控制系統(tǒng)對(duì)精度的需求。

圖5 全閉環(huán)控制回路—C軸

圖6 全閉環(huán)控制回路—Y軸

性能越高的伺服系統(tǒng)通常具有越高的靈活性、準(zhǔn)確度、便捷性和反應(yīng)速度。相對(duì)比于傳統(tǒng)的液壓式、直流式和變頻式伺服驅(qū)動(dòng)，本系統(tǒng)使用的交流伺服驅(qū)動(dòng)能夠使系統(tǒng)的性能得到顯著的提升，如周期更短、生產(chǎn)率更高、使用壽命更長(zhǎng)和穩(wěn)定性更高。本彎管機(jī)控制系統(tǒng)采用的是松下MINAS A4系列伺服系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)彎曲軸、送料軸和轉(zhuǎn)角軸運(yùn)動(dòng)的控制，其中三個(gè)軸中均有速比為5的減速機(jī)以保證Y軸、B軸和C軸三者的波動(dòng)幅度小于0.05°，包括伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)，其詳細(xì)型號(hào)參數(shù)如表2所示。在伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)之間通過(guò)動(dòng)力線和編碼器線連接，在其內(nèi)部采用的是32位DSP和IGBT PWM的控制方式。

表2 三軸驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)參數(shù)

該系列伺服系統(tǒng)具有體積小、速度快、響應(yīng)快、振動(dòng)低、抗干擾性好的特點(diǎn)，例如其最高速度響應(yīng)頻率可達(dá)1000HZ，其采用先進(jìn)的抑制震動(dòng)技術(shù)和實(shí)時(shí)的高性能自動(dòng)增益調(diào)整技術(shù)，而且其體積比同類(lèi)其他產(chǎn)品降低高達(dá)75%。本伺服系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了全閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了速度控制、位置控制、轉(zhuǎn)矩控制和綜合控制等多種控制情況，能夠適用于不同使用要求。此外，該伺服系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了參數(shù)調(diào)整，能夠通過(guò)觸摸屏調(diào)整各個(gè)參數(shù)以達(dá)到最高的工作效率。按照控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器的使用說(shuō)明書(shū)，該系統(tǒng)的的伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器的接線圖如圖7所示，其中虛線部分是控制速度接線。

圖7 松下MINAS A4驅(qū)動(dòng)器與運(yùn)動(dòng)控制器的接線圖

4 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

再好的彎管機(jī)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都需要合理的軟件與之配合使用才能實(shí)現(xiàn)彎管機(jī)工作效率的最大化。軟件體系是控制系統(tǒng)的靈魂所在，其設(shè)計(jì)必須滿足高可靠性、易操作性、可拓展性和可移植性等，其在一定程度上影響實(shí)現(xiàn)彎管機(jī)的各項(xiàng)功能和控制系統(tǒng)的效率。本套數(shù)控系統(tǒng)軟件是以Windows操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，使用Visual Basic語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的彎管機(jī)數(shù)控軟件體系，本套數(shù)控軟件充分考慮和結(jié)合了Visual Basic語(yǔ)言的特點(diǎn)，其不僅具有對(duì)用戶友好的可視化界面，便于用戶進(jìn)行人機(jī)交互，還有著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)功能，便于用戶對(duì)報(bào)警日志信息的存儲(chǔ)和管理。此外，本套數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是采用模塊化結(jié)構(gòu)，這其不僅擁有良好的擴(kuò)展性和移植性，而且便于后續(xù)的完善與升級(jí)，該系統(tǒng)各個(gè)模塊一旦開(kāi)發(fā)完成便可以直接移植到相應(yīng)的控制器系統(tǒng)投入使用，其中包括管理模塊、智能控制模塊、參數(shù)模塊、故障診斷模塊和動(dòng)態(tài)仿真模塊等，其分別對(duì)應(yīng)上位機(jī)程序、運(yùn)動(dòng)控制程序、觸摸屏程序、故障診斷程序和模擬仿真程序。

4.1 管理模塊設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制器本身不具備系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，需與上位機(jī)配合使用進(jìn)行控制，形成上下位機(jī)的控制體系。所以系統(tǒng)管理模塊在上位機(jī)上開(kāi)發(fā)。運(yùn)動(dòng)控制器為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)會(huì)提供接口，本系統(tǒng)采用的Trio運(yùn)動(dòng)控制器具備的Active X控件可用于開(kāi)發(fā)上位機(jī)程序。管理模塊通過(guò)Trio提供的Active X控件，使用Visual Basic進(jìn)行程序編寫(xiě)，便捷的實(shí)現(xiàn)了與操作人員之間的人機(jī)交互，用戶只需要以上位機(jī)為基礎(chǔ)操作觸摸屏就可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出文本、按鈕響應(yīng)等多樣化功能，此外用戶還可以自定義開(kāi)發(fā)個(gè)性化程序滿足自身單獨(dú)的需求，在程序編寫(xiě)時(shí)用戶直接將Active X控件添加到工程中，調(diào)用相關(guān)函數(shù)即可。

該運(yùn)動(dòng)控制器還可以結(jié)合邏輯算法實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)方式，提供強(qiáng)大的運(yùn)算能力和多樣化的功能模塊，根據(jù)實(shí)際生成需要結(jié)合使用。此外，還可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)執(zhí)行模式，即將復(fù)雜的任務(wù)拆分成多個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)并非獨(dú)立的執(zhí)行，提高工作效率。在狀態(tài)窗口和軸參數(shù)界面，用戶可以實(shí)時(shí)的查看各個(gè)軸的運(yùn)行狀態(tài)，在線調(diào)整每個(gè)軸的參數(shù)。在開(kāi)關(guān)量I/O界面，用戶可以實(shí)時(shí)的查看和強(qiáng)制修改開(kāi)關(guān)量的輸入輸出信號(hào)。用戶還可以通過(guò)示波器功能實(shí)時(shí)的查看各個(gè)軸的位置、速度及其他相關(guān)變量曲線。該管理模塊不僅可以精確的控制與查看彎管過(guò)程的系統(tǒng)各個(gè)部件的工作狀態(tài)，還提高了與用戶的交互性。

4.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制模塊分為自動(dòng)加工和手動(dòng)調(diào)整兩個(gè)模塊，其中手動(dòng)調(diào)整模塊是考慮到自動(dòng)模式出錯(cuò)的情況，手動(dòng)調(diào)整模式主要是用于調(diào)整系統(tǒng)和對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障的排查及維修，而自動(dòng)模式即是主要的工作模式。其中彎管機(jī)控制流程如圖8所示。

圖8 彎管機(jī)控制流程

在自動(dòng)加工模式下，該系統(tǒng)可以執(zhí)行用戶程序自動(dòng)彎管，不需要人為干預(yù)。用戶只需要在該系統(tǒng)自動(dòng)工作之前通過(guò)觸摸屏設(shè)定好各個(gè)模塊的參數(shù)，選擇適應(yīng)的彎管加工程序，并將程序傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制器中，運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)自動(dòng)譯碼用戶所編寫(xiě)的程序，然后控制彎管機(jī)完成相應(yīng)的彎管操作。在自動(dòng)模式開(kāi)始之前，用戶也可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)整模式來(lái)對(duì)各個(gè)軸進(jìn)行精準(zhǔn)控制，完成調(diào)試與維修等操作。

在手動(dòng)模式下，操作人員可以通過(guò)觸摸屏選擇和控制各個(gè)按鈕以實(shí)現(xiàn)各個(gè)工序的單獨(dú)逐步進(jìn)行。而且本系統(tǒng)的手動(dòng)模式有單步和連續(xù)兩種運(yùn)動(dòng)方式，單步控制時(shí)，用戶點(diǎn)擊按鈕，相應(yīng)坐標(biāo)軸即可按照設(shè)定的速度運(yùn)動(dòng)到指定的位置；連續(xù)控制時(shí)，用戶按住按鈕，相應(yīng)的坐標(biāo)軸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)按鈕后即停止運(yùn)動(dòng)。

4.3 參數(shù)模塊設(shè)計(jì)

參數(shù)模塊主要包括參數(shù)的設(shè)置與參數(shù)的顯示，參數(shù)的設(shè)置與顯示都是通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)的，觸摸屏是人機(jī)交互的窗口，通過(guò)觸摸屏，用戶可以直觀的看到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并可以通過(guò)觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。參數(shù)的設(shè)置和顯示主要包括機(jī)床參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，其中機(jī)床參數(shù)包括機(jī)床坐標(biāo)、工件坐標(biāo)、偏移量、回零速度和方式等與機(jī)床自身有關(guān)的參數(shù)，其中部分參數(shù)會(huì)在交互界面顯示，如當(dāng)前工作坐標(biāo)、機(jī)床坐標(biāo)等。有些參數(shù)諸如機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)會(huì)自動(dòng)默認(rèn)設(shè)置，不需要設(shè)置和顯示。

系統(tǒng)參數(shù)主要是與彎管工藝相關(guān)的參數(shù)，主要包括速度、加速度、PID參數(shù)、時(shí)間參數(shù)、管型參數(shù)、加工工業(yè)參數(shù)和輔助參數(shù)等。參數(shù)的顯示和設(shè)置都是通過(guò)變量實(shí)現(xiàn)的，在觸摸屏程序中定義好相關(guān)參數(shù)，在運(yùn)動(dòng)控制模塊中建立運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)和觸摸屏參數(shù)之間的關(guān)系，即可通過(guò)觸摸屏對(duì)參數(shù)進(jìn)行顯示與設(shè)置。比如軸參數(shù)設(shè)置如圖9所示。

圖9 參數(shù)設(shè)置界面

此外，相對(duì)于傳統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)模塊僅考慮參數(shù)是否輸入，本系統(tǒng)在參數(shù)輸入過(guò)程中還會(huì)自動(dòng)檢測(cè)用戶輸入的參數(shù)的有效性和數(shù)據(jù)類(lèi)型，并在用戶輸入錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行警告和提醒。用戶還可以在坐標(biāo)軸輸入?yún)?shù)模擬檢測(cè)當(dāng)前的棺材形狀，其中坐標(biāo)軸的參數(shù)輸入包含有絕對(duì)坐標(biāo)和相對(duì)坐標(biāo)兩種方式，該兩種方式之間可以相互轉(zhuǎn)換和獨(dú)立保存為單獨(dú)的數(shù)據(jù)文件，以進(jìn)行后續(xù)的修改、編輯和管理。一旦用戶在觸摸屏上輸入相應(yīng)的坐標(biāo)參數(shù)，觸摸屏就會(huì)顯示出當(dāng)前參數(shù)輸入下管材的三維可旋轉(zhuǎn)立體圖像，以方便用戶對(duì)管材進(jìn)行具體細(xì)節(jié)的查看和檢測(cè)，判斷彎曲過(guò)程中相應(yīng)參數(shù)的合理性和正確性。

4.4 I/O模塊設(shè)計(jì)

彎管機(jī)控制系統(tǒng)中的各項(xiàng)I/O（輸入/輸出）信號(hào)都是通過(guò)與I/O接口通訊實(shí)現(xiàn)的，如果運(yùn)動(dòng)控制器自身的I/O接口不夠用，可以通過(guò)擴(kuò)展模塊對(duì)Trio運(yùn)動(dòng)控制器的I/O接口進(jìn)行自由擴(kuò)展，用戶可根據(jù)自身需求選擇擴(kuò)展模塊。彎管機(jī)控制系統(tǒng)I/O設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 系統(tǒng)I/O設(shè)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今世界正聚焦于自動(dòng)化，但是很少有像建筑這樣的領(lǐng)域不使用機(jī)器來(lái)彎曲用于各種目的的管道，這是因?yàn)闄C(jī)器的成本很高,需要熟練的工人來(lái)操作。然而隨著現(xiàn)代汽車(chē)制造、航空航天等工業(yè)的不斷發(fā)展，彎管件不僅應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其精度和多樣化要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的手工彎管已無(wú)法滿足行業(yè)的需求，而且自動(dòng)化彎管已成為必然趨勢(shì)，因此研究制造先進(jìn)的數(shù)控彎管機(jī)有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先對(duì)常用的彎管機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)已有控制系統(tǒng)存在的不足，提出設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于運(yùn)動(dòng)控制器為核心的多口徑自動(dòng)彎管機(jī)控制系統(tǒng)，并基于彎管機(jī)的工作原理和市場(chǎng)需求進(jìn)行了硬件與軟件設(shè)計(jì)，其硬件系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮了不同口徑彎管加工的特點(diǎn)和控制系統(tǒng)的需求，具有穩(wěn)定性和抗干擾性，其軟件系統(tǒng)是利用Visual Basic實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作，具有管理文件，參數(shù)調(diào)整及譯碼自動(dòng)加工等功能的。該彎管機(jī)控制系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確控制彎管進(jìn)程，其±0.05°的控制精度遠(yuǎn)高于彎管產(chǎn)品的精度需求，同時(shí)其可彎管半徑范圍也遠(yuǎn)大于市場(chǎng)現(xiàn)有的彎管機(jī)，同時(shí)其體積和質(zhì)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的彎管機(jī)，除了具有較高的控制精度、響應(yīng)速度和適用范圍以外，其還具有高開(kāi)放性、高精度、響應(yīng)快、體積小、操作簡(jiǎn)單和系統(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，是基于傳統(tǒng)的控制器和彎管機(jī)的重要?jiǎng)?chuàng)新，對(duì)我國(guó)自動(dòng)彎管機(jī)的發(fā)展具有一定的意義。