自動化彎管機(jī)多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

姚必根

（貴州永麗機(jī)械技術(shù)有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

數(shù)控自動化彎管機(jī)的智能加工正加速走向未來的市場。未來的市場趨勢是智能機(jī)床的時代。在管道加工業(yè)領(lǐng)域，如何提高加工能力，降低人工成本是彎管機(jī)企業(yè)的發(fā)展思路。中國正處于從制造業(yè)大國向高端產(chǎn)業(yè)過渡的重要階段。隨著中國實(shí)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和工業(yè)自動化程度的不斷提高，各制造行業(yè)對彎管管件的需求量急速增長，對管件成形精度、效率提出更高的要求標(biāo)準(zhǔn)。且對多軸伺服同步協(xié)調(diào)的控制研究在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中扮演著重要角色，它具有高精度、高效率和高靈活性等優(yōu)點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域。同時，彎管機(jī)作為管件加工的主要設(shè)備，其控制系統(tǒng)是彎管機(jī)的核心，這將直接影響到彎管管件的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。基于此，為實(shí)現(xiàn)高精度的多軸多軸伺服同步控制，有效協(xié)調(diào)各軸運(yùn)動過程，對現(xiàn)有彎管機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造以實(shí)現(xiàn)高精度的多軸控制、有效協(xié)調(diào)各軸運(yùn)動過程已迫在眉睫。文章以自動化彎管機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、多軸伺服同步協(xié)調(diào)控制為核心對自動化彎管機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，通過對自動化彎管機(jī)控制系統(tǒng)的升級改造，有助于為自動化彎管機(jī)行業(yè)注入新的動力，并提高其生產(chǎn)性能和競爭力，進(jìn)而滿足市場對高精度、高效率彎管管件的需求，從而帶動相關(guān)彎管制造行業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)中國實(shí)體產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 自動化彎管機(jī)工作原理及控制要求

自動化彎管機(jī)的組成主要包括機(jī)床、彎管部件、壓緊夾具。其工作原理是在機(jī)床工作中，通過馬達(dá)的轉(zhuǎn)動來帶動彎管部件以及壓緊夾具隨著加工件的轉(zhuǎn)動以此完成彎管加工，其中彎管部件通常分為彎管導(dǎo)向器和彎管模具兩部分，彎管導(dǎo)向器將自動夾緊裝置固定到指定位置，以保障加工件的彎曲軌跡正常，不產(chǎn)生偏差。彎管模具通過分解彎曲力、切割力，重組所需的新彎曲角度及半徑，最終達(dá)到對管材的彎曲。

全自動彎管機(jī)的控制要求是：三軸伺服軸即送料Y 軸，轉(zhuǎn)角B 軸，彎管C 軸，分別對速度和位置進(jìn)行精確控制；在彎管時，實(shí)現(xiàn)對彎管C 軸和送料Y 軸的同步控制；主模、導(dǎo)模、隨動模、芯棒和管夾等輔助動作與各運(yùn)動軸之間合理的邏輯控制；可彎制成不同彎曲半徑的復(fù)雜管件；操作方式為手動和自動兩種工作模式；具有較強(qiáng)的人機(jī)交互能力及系統(tǒng)監(jiān)測能力，同時，應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)性。

2 自動化彎管機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)兩部分組成，硬件設(shè)計(jì)流程如下：位機(jī)采用觸摸屏，內(nèi)置MCGS 組態(tài)軟件，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及監(jiān)控功能；下位機(jī)采用埃斯頓ESMotion-NGEV-211-B0 型運(yùn)動控制器，通過MODBUS總線與上位機(jī)進(jìn)行通訊；多軸交流伺服系統(tǒng)由2 個伺服電機(jī)和3 個伺服電機(jī)組成，各伺服電機(jī)之間均通過CANopen 總線與運(yùn)動控制器進(jìn)行通訊[1]。ETS-1010APC-CAN 型號伺服驅(qū)動器可同時驅(qū)動雙軸伺服馬達(dá)，分別驅(qū)動送料Y 軸和轉(zhuǎn)角B 軸。相較于一對一的單軸伺服驅(qū)動器，這種一對多的雙軸伺服驅(qū)動器既節(jié)省安裝空間，又使芯片資源得到合理利用，具有較高的性價(jià)比。采用ProNet-E-30D 型伺服驅(qū)動器驅(qū)動彎管C 軸的運(yùn)動。外部數(shù)字量輸入或輸出信號經(jīng)J1、J2 端子及HSF16P，HSF04P 接口板直接連接到運(yùn)動控制器和NGMIO 組件上。具體設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)流程

2.2 伺服系統(tǒng)硬件選型

該系統(tǒng)選用南京埃斯頓公司的ETS 和ProNet-E兩種系列的伺服驅(qū)動器及相應(yīng)的三臺伺服電機(jī)，分別用于控制彎管機(jī)送料Y 軸、轉(zhuǎn)角B 軸以及彎管C 軸的運(yùn)動。

3 自動化彎管機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動化彎管機(jī)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件和下位機(jī)控制軟件兩部分組成。其中，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用MCGS 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，下位機(jī)控制軟件采用ESTUNESMotion 平臺的VTB 可視化集成開發(fā)環(huán)境作為編程環(huán)境，充分利用VTB 強(qiáng)大的庫函數(shù)及便捷的CANopen 總線配置功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)控制軟件[2]。技術(shù)人員根據(jù)軟件系統(tǒng)的功能需求，將其劃分為四個主要的功能模塊：參數(shù)設(shè)定、加工控制、管件編程以及系統(tǒng)監(jiān)測。具體如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)簡圖

（1）參數(shù)設(shè)定。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括參數(shù)設(shè)定及機(jī)床參數(shù)設(shè)定，其中系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定主要是對導(dǎo)模、隨動模、芯棒、管夾等輔助動作執(zhí)行條件的設(shè)定；機(jī)床參數(shù)的設(shè)定主要包括：置管位置，首次彎曲位置，料架/導(dǎo)向模/主模（輪模）干涉位置，主模（輪模）直徑，總送料長度，是否引入加料架/推桿/芯棒動作等彎管基本參數(shù)設(shè)定。

（2）文件管理。主要實(shí)現(xiàn)對已編程的管件或已加工管件工藝參數(shù)進(jìn)行存儲與調(diào)用的功能。

（3）彎管加工。包括三個部分：手動模式、自動模式、管件程序編程。手動模式主要用于對全部執(zhí)行對象進(jìn)行手動控制，可用來驗(yàn)證硬件連接是否正確、系統(tǒng)調(diào)試，操作者更換模具等情況下使用；自動模式是在己調(diào)試好的彎管機(jī)系統(tǒng)上批量彎制管件時使用；管件編程是在YBC 坐標(biāo)系下完成管件每道彎送料長度Y、轉(zhuǎn)角B 和彎管半徑C 的設(shè)定以及彎管流程的選擇設(shè)定。

（4）系統(tǒng)監(jiān)控。主要進(jìn)行系統(tǒng)過程狀態(tài)監(jiān)控及報(bào)警。主要包括伺服運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)字量輸入輸出接口信號狀態(tài)、功能實(shí)現(xiàn)等監(jiān)控，在有故障發(fā)生及時推送報(bào)警信息并啟動系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動作。

3.2 VTB 配置

首先，系統(tǒng)配置。根據(jù)硬件系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動控制器、總線通信協(xié)議設(shè)置。其次，Objects 對象配置，設(shè)置對象的主要參數(shù)。該控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，需配置的對象包括：驅(qū)動送料Y 軸與轉(zhuǎn)角B 軸ETS-1010APCCAN 伺服驅(qū)動器，類對象為Estun_ETS.vco；驅(qū)動彎管C 軸的ProNet-E-30D 伺服驅(qū)動器，類對象為CiADS402；用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制器與上位機(jī)觸摸屏之間通信的MODBUS 總線，類對象為ModbusRTU。在VTB 中，通過瀏覽器的方式配置對象，會同時將包含對象參數(shù)名和參數(shù)值的參數(shù)表格自動地加載到系統(tǒng)內(nèi)部的閃存。

最后，CANopen 網(wǎng)絡(luò)配置，用以明確從站節(jié)點(diǎn)數(shù)量和擬通過PDO 交換的數(shù)據(jù)內(nèi)容。VTB 中內(nèi)含一個CANopen 配置軟件，可以方便快捷地完成系統(tǒng)CANopen 網(wǎng)絡(luò)配置。需注意的是，從站設(shè)備所允許配置的PDO 由設(shè)備硬件決定，即由設(shè)備EDS 文件描述決定，與VTB 中的CANopen 配置軟件無關(guān)。因此，CANopen 網(wǎng)絡(luò)配置前，必須保證用于描述或定義從站設(shè)備屬性的標(biāo)準(zhǔn)EDS 文件已被正確安裝。該系統(tǒng)運(yùn)動控制器為主站，用于配置從站節(jié)點(diǎn)、管理網(wǎng)絡(luò)、控制從站節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移以及監(jiān)控從站節(jié)點(diǎn)心跳報(bào)文。從站節(jié)點(diǎn)有2 個，ProNet 伺服驅(qū)動器用于驅(qū)動彎管C 軸，節(jié)點(diǎn)地址為1；ETS 伺服驅(qū)動器用于驅(qū)動送料Y 軸和轉(zhuǎn)角B 軸，節(jié)點(diǎn)地址為2。CANopen 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3 所示。

圖3 CANopen 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

CANopen 網(wǎng)絡(luò)配置內(nèi)容包括：從站節(jié)點(diǎn)，每一節(jié)點(diǎn)下TIMEOUT 參數(shù)、PDO（RPDO、TPDO）參數(shù)、Parameters 參數(shù)等。其中，TIMEOUT 參數(shù)用于規(guī)定主站進(jìn)行從站初始化的次數(shù)和每次初始化的用時，主站通過多次規(guī)定時間內(nèi)的初始化工作，可以避免從站設(shè)備未來得及被配置的情況發(fā)生；PDO 配置是CANopen網(wǎng)絡(luò)配置的重要內(nèi)容，影響整個網(wǎng)絡(luò)的使用效果。PDO 所需設(shè)置的參數(shù)有Modo（PDO 工作模式）、COBID（通信參數(shù)索引）以及映射對象[3]。

具體運(yùn)行控制算法如下：

4 多軸伺服同步協(xié)調(diào)控制

由上述彎管機(jī)控制要求可知，彎管時，隨著彎管C 軸的旋轉(zhuǎn)，Y 軸送料小車需同步前行。即彎曲模旋轉(zhuǎn)的線速度與Y 軸前行的線速度須一致，保持同步性[4]。解決Y 軸與C 軸同步性的一般方法是：彎管之前，撤消Y 軸使能;彎管過程中，由被主模與彎曲模夾緊的管材拖動Y 軸送料小車前行;彎管結(jié)束后，在主模與彎曲模夾緊解除后，再對Y 軸上使能，Y 軸主動前行完成下一彎的送料。在這種方式下，彎管時，管件承受一定的軸向拉力，對管件質(zhì)量尤其是薄壁管件質(zhì)量產(chǎn)生隱患。

基于此，技術(shù)人員對彎管時C 軸與Y 軸線速度同步采用“雙軸速度主從同步控制+驅(qū)動器轉(zhuǎn)矩限制”相結(jié)合的控制實(shí)現(xiàn)方式，彎管C 軸為主動軸，送料Y軸為從動軸。速度主從同步控制策略速度主從式同步控制是一種串行同步控制策略，將運(yùn)動軸分為主動軸和從動軸，主動軸的速度輸出作為從動軸的速度輸入指令。在這種方式下，Y 軸電機(jī)速度給定值來自于C軸電機(jī)的速度反饋值，C 軸電機(jī)受到負(fù)載擾動或出現(xiàn)速度突變時，Y 軸電機(jī)可以隨時跟蹤變化，滿足電機(jī)同步跟隨需要，具有良好的跟隨性，同步精度得以保證。同時，通過設(shè)置驅(qū)動器參數(shù)Pn403=30，Pn404=30，將從動Y 軸伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)扭矩外部限制設(shè)定為額定轉(zhuǎn)矩的30%。這樣，當(dāng)兩軸同步情況良好時，Y軸送料小車以主動跟隨方式送料；當(dāng)C 軸速度高于Y軸時，Y 軸送料小車以主動跟隨+被動拖動相結(jié)合的方式送料；當(dāng)C 軸速度低于Y 軸速度時，Y 軸由于有輸出轉(zhuǎn)矩限制，電機(jī)輸出功率不會持續(xù)上升，從而避免系統(tǒng)頻繁報(bào)警停機(jī)，使系統(tǒng)可以連續(xù)可靠運(yùn)行。

5 系統(tǒng)驗(yàn)證

系統(tǒng)通信正常后按照座椅骨架三維設(shè)計(jì)圖（圖4），在人機(jī)交互界面下，按照管路Y（送料長度）、B（空間轉(zhuǎn)角）、C（彎管角度）各參數(shù)進(jìn)行參數(shù)值輸入，同時應(yīng)指定彎管時各彎對應(yīng)彎曲模號。

圖4 座椅骨架三維設(shè)計(jì)圖

基于上述設(shè)計(jì)開發(fā)的自動化彎管機(jī)多軸控制系統(tǒng)，由圖可知該系統(tǒng)可對家具座椅支架按照座椅骨架三維設(shè)計(jì)圖進(jìn)行制造，具體如圖5 所示，即該系統(tǒng)有效。

圖5 實(shí)物

6 結(jié)語

根據(jù)全自動彎管機(jī)的控制要求，分別對其進(jìn)行硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，提出ESTUN 運(yùn)動控制器+MCGS 觸摸屏+交流伺服系統(tǒng)的硬件配置，基于CANopen 現(xiàn)場總線，完成自動化彎管機(jī)多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。同時，通過對家具座椅骨架的實(shí)際彎制制造，驗(yàn)證本彎管機(jī)控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)性和工作可靠性，實(shí)現(xiàn)高效率的彎管管件的自動化精準(zhǔn)制造，進(jìn)而有助于帶動國家在智能制造、兩化融合和高端數(shù)據(jù)裝備技術(shù)方面的發(fā)展進(jìn)步，從而實(shí)現(xiàn)我國工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的整體目標(biāo)。