一種天線放射罩旋壓機控制系統的設計

吳杰偉

（欽州市特種設備檢驗所，廣西 欽州535008）

一種天線放射罩旋壓機控制系統的設計

吳杰偉

（欽州市特種設備檢驗所，廣西 欽州535008）

提出一種基于單片機的天線放射罩旋壓機數控系統設計和實現方法。首先，對天線放射罩旋壓機數控系統功能和需求進行分析。然后，依照模塊化設計的思想，介紹了天線放射罩旋壓機數控系統的硬件構成并著重研究天線放射罩旋壓機數控系統的軟件設計，包括主程序、顯示子程序和主軸控制子程序的設計及實現過程。

天線放射罩；單片機；旋壓機

旋壓技術是一種對薄壁金屬板料通過塑性旋壓成型的技術，具有節約材料，變形力小，設備工藝簡單等優點[1，5]。旋壓加工的產品一般都屬于薄壁型，其重量相對較輕，且經旋壓成型后，工件的表面光滑度也較高，同時工件的組織結構也發生了改變，使得其表面強度、硬度、抗壓性、抗疲勞性等屬性都變強。旋壓技術與數控車削技術相比更節約原材料，降低制造成本[2-3]。旋壓技術對促進我國航空、航天、兵器、化工、機械制造、電子及輕工業等領域的尖端技術發展有著積極的推動作用，且作為一項新技術伴隨著傳統工藝方法在冶金、化工、石油、輕工民用等行業一同發展，已經成為現代金屬壓力加工的新興領域[4-5]。國內旋壓技術發展比較緩慢，技術和設備相對比較落后，特別是數控旋壓設備的關鍵技術和部件長期依賴外國進口[6-8]。為提高國內先進數控旋壓技術，更好地滿足我國現代工業生產對旋壓技術的要求，本文以一種天線發射罩旋壓機的數控系統開發為探討對象，并為其開發一套硬件和軟件的控制系統。

1 旋壓機系統構成

天線放射罩旋壓機系統主要分為主軸動力系統、縱向橫向進給系統和檢測系統等。旋壓機把板料固定在模架上，讓主軸系統帶動模架及板料同時轉動，同時進給系統帶動壓輪以圓弧插補的形式進給并對板料加壓，從而使得板料沿著模架的邊緣逐漸變形，待變形完成后，系統控制壓輪回到初始位置，至此完成一次加工過程。

1.1 系統整體結構

根據模塊化的設計思想，控制系統可劃分為：電源模塊、信號檢測模塊、顯示模塊、D/A轉換模塊、直流電機調速模塊、直流無刷電機、步進電機驅動器、步進電機、漏電保護模塊等，控制系統的總框圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構圖

1.2 功能需求分析

天線放射罩旋壓機要求控制系統控制旋壓機按照指定動作順序工作：啟動主軸，主軸轉速達到規定的速度后，按下步進電機的啟動按鈕，步進電動機開始運動，行程結束后，壓桿返回初始位置。步進電機帶動壓輪對工件進行圓弧插補運動，并對主軸加工速度進行實時監控，反饋后在LED顯示。擬采用單片機作為系統的控制單元，另外擬采用增量式PID控制算法作為主軸的位置閉環控制算法，其原理圖如圖2所示。

圖2 主軸閉環控制系統原理圖

1.3 硬件平臺

鑒于單片機具備集成度高、可靠性高、低功耗和低成本等優點，本文采用單片機最小系統板構成整個控制系統的硬件平臺。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刷電機及其驅動電路組成的主軸電路，以及由步進電機及其驅動電路組成的進給電路。

2 軟件系統的設計

軟件系統的設計根據設計任務和功能劃分為不同的模塊。利用單片機C語言程序設計實現各子程序功能。軟件系統的設計包含了幾個要點，主要是系統整體框架、數據的定義及管理、接口的處理以及軟件過程等。整體的布局是定義軟件各模塊相互的關系。數據的管理就是將模塊轉化為數據的形式來管理。接口的處理是在內部的軟件系統與人之間怎樣通信；軟件過程是系統結構轉化為軟件過程的描述。系統軟件設計是整個系統的關鍵，它會直接影響到系統固定功能以及系統的性能指標。

2.1 主程序設計

根據本次控制系統設計的功能要求，如圖3所示為主程序流程圖。系統接通電源之后單片機就會對整個控制系統進行初始化設定；初始化過后就進入主程序進行工作，進入主程序之后在通過中斷系統進入到各個子程序，在各個子程序當中完成各自的工作之后再返回主程序，從而完成整個控制系統的工作，在主程序當中包含了頭文件、宏定義、函數聲明、系統初始化、中斷程序等。

圖3 主程序流程圖

2.2 顯示程序設計

顯示模塊主要功能是為了顯示主軸電機的轉速和壓輪的進給量。在軟件設計當中LED顯示起著重要的作用，觀測者可以通過LED顯示模塊知道內部系統是否按照原設定進行，顯示模塊實現流程如圖4所示。

圖4 顯示模塊流程圖

2.3 主軸控制軟件設計

主軸的電氣控制部分主要是無刷直流電機以及其直流調速器組成，在軟件控制設計當中主要是設計程序控制直流電機的轉速以及直流電機的正轉與反轉。通過按鍵開關啟動直流電機，直流無刷電機啟動流程圖如圖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控制的算法對其位置進行誤差控制，增量式PID控制流程如圖6所示。

圖5 直流無刷電機啟動流程圖

圖6 增量式PID控制流程

如圖6所示，增量式PID控制是通過輸出控制量的增量來控制電機的轉速的控制方式。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次直流電動機速度的采樣比較，輸出它們的差值，反饋到輸入量，使得直流電機的轉速得到控制。

3 結束語

如圖7所示為本次設計的旋壓機控制系統樣機測試實物圖。在樣機和軟件程序設計完成后，對系統進行整體調試和局部調試。通過實驗測試證明了本文設計的控制系統能夠滿足天線放射罩旋壓機控制裝置的基本功能。

圖7 樣機顯示

旋壓機未來將向著大型化、系列化、多功能、柔性化、專業化、自動化的方向發展，本文開發一套基于單片機最小系統的經濟型天線反射罩旋壓機數控系統，具有成本低、可靠性高的特點，為我國旋壓機數控系統開發提供參考價值。

[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.

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[4]王玉輝，夏琴香，楊明輝.數控旋壓機床的發展歷程及其研究現狀[J].鍛壓技術，2005（4）：97-100

[5]趙云豪.旋壓技術現狀[J].鍛壓技術，2005（5）：95-97，100.

[6]李亦楠，張大舜，侯豐巖，等.帶有上、下料機構的旋壓機控制方法的研究[J].制造技術與機床，2012（04）：91-92.

[7]錢志平.旋壓機控制原理的分析與應用[J].機械傳動，2004，28（06）：54-55.

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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，從事機電類特種設備檢驗工作。