開放式數控彎管機控制系統的設計與開發*

熊建橋 熊曉松 李 雪 蔣 榮 閆 華

(①南京工程學院機械工程學院，江蘇南京 211167;②武漢科技大學城市學院，湖北武漢 430083)

現在，在汽車、家電、農業機械、工程機械、金屬結構、石油化工、航天航空、家具等行業，將金屬管材直接彎曲加工成適用零件的應用越來越普遍，傳統加工方法是用手動加機械模具的方法來加工，管材彎曲成形性能主要與材料的特性參數、截面參數、加工潤滑條件有關［1］，還與彎曲加工方法有關。有些行業如家具行業對管材型號、彎曲形狀等變化頻繁，航天航空對管材彎曲精度要求高［2］，汽車、家電等行業對管材彎曲零件批量又較大，這卻大大增加了工人勞動強度。所以，傳統方法不能適應這種加工需要。

目前比較常用的國外數控彎管機有:意大利CML的“Ercolina”系列、德國 TRACTO－TECHNIK，美國Pines Technology、Winton Machine Company，Cambridge Machinery，英國ADDISON機床有限公司等公司的數控彎管機，這些國外數控彎管機數控系統除了具有一般金切機床相同的共性外，都有自己的獨有的特性:如控制對象具有多樣性、成形工藝具有復雜性、生產過程具有非線性等，功能齊全性能穩定。不足之處為，這些系統均是專用系統，成本價格昂貴，結構復雜而不易維修，給系統的維護和升級帶來很大困難。國內開發生產的數控彎管機或模仿或與國外公司合作開發，品種單一，且大多是專機，通用性差。

1 數控彎管機工作原理

設計的全自動數控彎管機結構原理圖如圖1所示，它適用于各類車型管件的生產，可進行多品種、多系列各種材料的彎曲加工，彎曲頭小，減少了對彎曲件的干涉。機床空間三坐標(Y軸、B軸、C軸)都在數控系統的完全控制之下，每軸的速度加速度均可選擇使用。其中:Y軸傳動裝置由數字交流伺服電動機、定位法蘭、齒輪、直線導軌等組成，實現直線送料運動;B軸傳動裝置由數字交流伺服電動機、定位法蘭、齒輪、球軸承等組成，實現管料的旋轉運動;C軸傳動裝置由數字交流伺服驅動系統及交流伺服電動機、脹緊套模片彈性聯軸器、擺線針輪減速器、鏈條、鏈輪、定位套、定位連接彎板裝置等組成，實現管料的彎曲運動。

這種由純機械傳動及先進的三軸數控系統共同組合的數控彎管機能完成各類管件的彎曲加工任務，其控制系統應包含普通數控系統都具有的功能:基本的調度管理功能;人機交互功能;伺服控制功能;邏輯控制及監控功能;DNC功能及可集成功能等。此外，還應滿足以下特殊要求:

(1)可實現對力、速度、位移等多變量混合控制。能夠實現對位移以及速度進行半閉環控制;

(2)能夠對彎管機的3個主要運動軸進行位置和速度控制，建立NC指令系統，這是實現數控彎管機控制系統功能在軟件上的關鍵技術;

(3)控制系統的軟硬件系統都應具有開放性，應設計具有開放性、模塊化的彎管機硬件系統體系結構;

(4)可支持多種控制方式，滿足控制系統的模塊化、動態配置、可移植性、可擴展性的需要，則設計并實現滿足彎管機控制系統要求的軟件系統就成為關鍵。

“世紀星”數控系統以工業PC機為基本硬件支持環境，以DOS操作系統+實時擴展為軟件平臺，實現了一個開放式的數控平臺。彎管機專用數控系統正是基于這種開放式平臺所開發的專用數控系統［3－6］。

2 硬件總體設計

開放式彎管機數控系統硬件結構圖如圖2所示。采用高性能PC104總線的嵌入式主板WAFER－4823，集成 MCP、MDI鍵盤接口電路，進給軸接口電路，主軸接口電路。其核心器件是ACTEL公司的FPGA芯片A42MX09和A42MX16，可構成復雜的邏輯電路，適合實現多級邏輯功能。

這種雙FPGA芯片的靈活設計，可在不改變基本硬件電路的情況下，通過兩個FPGA芯片靈活搭配，構造出不同功能的數控系統，可最大限度地降低成本，提高性能。其中FPGA1芯片負責控制開關量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，主軸接口電路，串行口伺服驅動裝置接口電路。另一個FPGA2芯片負責控制脈沖量伺服驅動裝置或步進電動機驅動裝置接口電路，模擬量伺服驅動裝置接口電路。

工業PC機通過PC104總線控制兩個FPGA芯片。主板與工業PC機采用層疊結構，有效地減小了數控系統的體積。采用PC104總線可解決硬件的公用問題［7］，采用開放化、模塊化、標準化的結構設計可解決硬件的標準化問題。

3 軟件設計

基于開放式數控系統的數控彎管機系統平臺采用模塊化、層次化的結構，可以多種形式向外部提供統一的應用程序接口，具有可擴展性、可移植性、可縮放性和互操作性等特點，即系統組成的內部開放化和系統組成各部件之間的開放化。具體用戶的可根據要求進行靈活定制的，系統擴展有的2個應用接口:人機界面交互層應用接口、事務處理層應用接口。系統結構如圖3所示。

(1)界面交互層

在界面交互層提供的參數輸入界面的基礎上，輸入XYZ、YBC坐標和彎管參數自動生成G代碼文件，完成G代碼文件編輯、管理，加工中有關工藝參數的菜單化編輯。

(2)事務處理層

這里所涉及的主要問題就是數控系統里各種控制任務的調度，例如運動控制、插補器、解釋器、PLC邏輯控制等都屬于數控系統里面的事務性處理方面的任務。

數控彎管機控制系統的數據處理流程如圖4所示。

采用面向對象的開發語言C++設計控制軟件，經編譯調試后，在“世紀星”數控系統上運行，數控彎管機控制系統軟件運行界面如圖5所示，人機界面與其他通用數控系統相似，降低了使用難度，節約了培訓時間。

4 結語

本文設計的開放式數控彎管機控制系統硬件上使用通用工業PC，可靠性好、性價比高、易于升級;軟件上基于DOS/WINDOWS NT的開放數控系統軟件平臺，實現NC功能，簡化了硬件，降低了電路復雜度。

我們在與某泵業公司合作開發的“數控彎管機控制系統”中采用了本文這種設計，經嚴格測試和摸擬調試，彎曲具有代表性的管件試件，檢驗輸出扭矩和實際彎曲精度等各項性能指標，達到或超過設計要求。投入使用經大半年運行，安全可靠，經濟效益十分顯著。

實踐證明，這種數控彎管機能滿足管件多品種、多系列的柔性化生產要求，對不同管件無須專用模具，彎曲模塊通用性強，生產效率大大提高。經實際使用，系統性能穩定，故障率低，維修簡單，可靠性強，強度剛性好，對使用環境要求不高，對環境無污染，與國內外同種系統相比價格低廉，具有一定的應用和推廣價值。

［1］John GayLord.Factory information system［Z］.Siemens Research and Technology lab.1987.

［2］孫宗禹，李琨，等.工藝設計與數控編程集成化的一種途徑［J］.湖南大學學報，1991(增刊):24 －29.

［3］熊建橋，熊曉松，李雪，等.開放式數控沖壓機控制系統的設計與開發［J］.鍛壓技術，2010，35(4):77 －80.

［4］Stephen J R，Yung C S.Modeling and control of CNC machines using a PC － based open architecture controller［J］.Mechatronics，1995，13(4):401－420.

［5］Frederick M，James S A.Open － architecture controllers［J］.IEEE Spectrum，1997，34(6):60 －64.

［6］葉伯生，楊叔子，彭炎午.基于IPC的開放體系結構的CNC系統［J］.華中理工大學學報，1996，24(5):47 －49.

［7］王倩，張愛民，戚紅利，等.開放式折彎機數控系統設計［J］.鍛壓技術，2007，32(4):73 －75.