熊建橋 熊曉松 李 雪 蔣 榮 閆 華

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

現(xiàn)在，在汽車、家電、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)、石油化工、航天航空、家具等行業(yè)，將金屬管材直接彎曲加工成適用零件的應(yīng)用越來越普遍，傳統(tǒng)加工方法是用手動加機(jī)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(shù)、截面參數(shù)、加工潤滑條件有關(guān)［1］，還與彎曲加工方法有關(guān)。有些行業(yè)如家具行業(yè)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(yè)對管材彎曲零件批量又較大，這卻大大增加了工人勞動強(qiáng)度。所以，傳統(tǒng)方法不能適應(yīng)這種加工需要。

目前比較常用的國外數(shù)控彎管機(jī)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(jī)床有限公司等公司的數(shù)控彎管機(jī)，這些國外數(shù)控彎管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)除了具有一般金切機(jī)床相同的共性外，都有自己的獨(dú)有的特性:如控制對象具有多樣性、成形工藝具有復(fù)雜性、生產(chǎn)過程具有非線性等，功能齊全性能穩(wěn)定。不足之處為，這些系統(tǒng)均是專用系統(tǒng)，成本價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不易維修，給系統(tǒng)的維護(hù)和升級帶來很大困難。國內(nèi)開發(fā)生產(chǎn)的數(shù)控彎管機(jī)或模仿或與國外公司合作開發(fā)，品種單一，且大多是專機(jī)，通用性差。

1 數(shù)控彎管機(jī)工作原理

設(shè)計(jì)的全自動數(shù)控彎管機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，它適用于各類車型管件的生產(chǎn)，可進(jìn)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(jī)床空間三坐標(biāo)(Y軸、B軸、C軸)都在數(shù)控系統(tǒng)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(shù)字交流伺服電動機(jī)、定位法蘭、齒輪、直線導(dǎo)軌等組成，實(shí)現(xiàn)直線送料運(yùn)動;B軸傳動裝置由數(shù)字交流伺服電動機(jī)、定位法蘭、齒輪、球軸承等組成，實(shí)現(xiàn)管料的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;C軸傳動裝置由數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)及交流伺服電動機(jī)、脹緊套模片彈性聯(lián)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(shí)現(xiàn)管料的彎曲運(yùn)動。

這種由純機(jī)械傳動及先進(jìn)的三軸數(shù)控系統(tǒng)共同組合的數(shù)控彎管機(jī)能完成各類管件的彎曲加工任務(wù)，其控制系統(tǒng)應(yīng)包含普通數(shù)控系統(tǒng)都具有的功能:基本的調(diào)度管理功能;人機(jī)交互功能;伺服控制功能;邏輯控制及監(jiān)控功能;DNC功能及可集成功能等。此外，還應(yīng)滿足以下特殊要求:

(1)可實(shí)現(xiàn)對力、速度、位移等多變量混合控制。能夠?qū)崿F(xiàn)對位移以及速度進(jìn)行半閉環(huán)控制;

(2)能夠?qū)澒軝C(jī)的3個(gè)主要運(yùn)動軸進(jìn)行位置和速度控制，建立NC指令系統(tǒng)，這是實(shí)現(xiàn)數(shù)控彎管機(jī)控制系統(tǒng)功能在軟件上的關(guān)鍵技術(shù);

(3)控制系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)都應(yīng)具有開放性，應(yīng)設(shè)計(jì)具有開放性、模塊化的彎管機(jī)硬件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu);

(4)可支持多種控制方式，滿足控制系統(tǒng)的模塊化、動態(tài)配置、可移植性、可擴(kuò)展性的需要，則設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)滿足彎管機(jī)控制系統(tǒng)要求的軟件系統(tǒng)就成為關(guān)鍵。

“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)以工業(yè)PC機(jī)為基本硬件支持環(huán)境，以DOS操作系統(tǒng)+實(shí)時(shí)擴(kuò)展為軟件平臺，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)開放式的數(shù)控平臺。彎管機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)正是基于這種開放式平臺所開發(fā)的專用數(shù)控系統(tǒng)［3－6］。

2 硬件總體設(shè)計(jì)

開放式彎管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(jìn)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(gòu)成復(fù)雜的邏輯電路，適合實(shí)現(xiàn)多級邏輯功能。

這種雙FPGA芯片的靈活設(shè)計(jì)，可在不改變基本硬件電路的情況下，通過兩個(gè)FPGA芯片靈活搭配，構(gòu)造出不同功能的數(shù)控系統(tǒng)，可最大限度地降低成本，提高性能。其中FPGA1芯片負(fù)責(zé)控制開關(guān)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(qū)動裝置接口電路。另一個(gè)FPGA2芯片負(fù)責(zé)控制脈沖量伺服驅(qū)動裝置或步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動裝置接口電路，模擬量伺服驅(qū)動裝置接口電路。

工業(yè)PC機(jī)通過PC104總線控制兩個(gè)FPGA芯片。主板與工業(yè)PC機(jī)采用層疊結(jié)構(gòu)，有效地減小了數(shù)控系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可解決硬件的標(biāo)準(zhǔn)化問題。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控彎管機(jī)系統(tǒng)平臺采用模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)，可以多種形式向外部提供統(tǒng)一的應(yīng)用程序接口，具有可擴(kuò)展性、可移植性、可縮放性和互操作性等特點(diǎn)，即系統(tǒng)組成的內(nèi)部開放化和系統(tǒng)組成各部件之間的開放化。具體用戶的可根據(jù)要求進(jìn)行靈活定制的，系統(tǒng)擴(kuò)展有的2個(gè)應(yīng)用接口:人機(jī)界面交互層應(yīng)用接口、事務(wù)處理層應(yīng)用接口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)界面交互層

在界面交互層提供的參數(shù)輸入界面的基礎(chǔ)上，輸入XYZ、YBC坐標(biāo)和彎管參數(shù)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(guān)工藝參數(shù)的菜單化編輯。

(2)事務(wù)處理層

這里所涉及的主要問題就是數(shù)控系統(tǒng)里各種控制任務(wù)的調(diào)度，例如運(yùn)動控制、插補(bǔ)器、解釋器、PLC邏輯控制等都屬于數(shù)控系統(tǒng)里面的事務(wù)性處理方面的任務(wù)。

數(shù)控彎管機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)語言C++設(shè)計(jì)控制軟件，經(jīng)編譯調(diào)試后，在“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)上運(yùn)行，數(shù)控彎管機(jī)控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行界面如圖5所示，人機(jī)界面與其他通用數(shù)控系統(tǒng)相似，降低了使用難度，節(jié)約了培訓(xùn)時(shí)間。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的開放式數(shù)控彎管機(jī)控制系統(tǒng)硬件上使用通用工業(yè)PC，可靠性好、性價(jià)比高、易于升級;軟件上基于DOS/WINDOWS NT的開放數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺，實(shí)現(xiàn)NC功能，簡化了硬件，降低了電路復(fù)雜度。

我們在與某泵業(yè)公司合作開發(fā)的“數(shù)控彎管機(jī)控制系統(tǒng)”中采用了本文這種設(shè)計(jì)，經(jīng)嚴(yán)格測試和摸擬調(diào)試，彎曲具有代表性的管件試件，檢驗(yàn)輸出扭矩和實(shí)際彎曲精度等各項(xiàng)性能指標(biāo)，達(dá)到或超過設(shè)計(jì)要求。投入使用經(jīng)大半年運(yùn)行，安全可靠，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

實(shí)踐證明，這種數(shù)控彎管機(jī)能滿足管件多品種、多系列的柔性化生產(chǎn)要求，對不同管件無須專用模具，彎曲模塊通用性強(qiáng)，生產(chǎn)效率大大提高。經(jīng)實(shí)際使用，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，故障率低，維修簡單，可靠性強(qiáng)，強(qiáng)度剛性好，對使用環(huán)境要求不高，對環(huán)境無污染，與國內(nèi)外同種系統(tǒng)相比價(jià)格低廉，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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

［2］孫宗禹，李琨，等.工藝設(shè)計(jì)與數(shù)控編程集成化的一種途徑［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，1991(增刊):24 －29.

［3］熊建橋，熊曉松，李雪，等.開放式數(shù)控沖壓機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.鍛壓技術(shù)，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(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，24(5):47 －49.

［7］王倩，張愛民，戚紅利，等.開放式折彎機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.鍛壓技術(shù)，2007，32(4):73 －75.