基于PLC與步進電動機的全自動數控彎管機設計

王 鵬 李東濱 劉朝陽 劉 杰

（哈爾濱理工大學，哈爾濱 150080）

1 引言

彎管技術廣泛應用于鍋爐及壓力容器、空調制造、汽車、航空航天等多種行業。彎管質量的好壞，將直接影響最終產品的質量[1]。隨著制造業的發展，自動彎管機在汽車配件、造船、家用電器等領域獲得了廣泛的應用。各類彎管機應運而生，如大型立體彎管機、CNC彎管機、液壓彎管機等[2]。數控彎管機彎管效率高，管件質量穩定，可迅速提高機加車間的生產效率。特別適合大批量多種類管件生產[3,4]。目前國內的鍋爐制造廠家大部分仍采用手動彎管。部分有實力的公司引進了國外的自動彎管機，但價格十分昂貴。為了提高產品的質量和生產效率，業內迫切需要能滿足大批量、多規格，且價格低廉的自動彎管機。本文設計了一種適合鍋爐生產過程中彎管需要的全自動數控彎管機，在操作員的配合下，可自動完成送管、置位、彎管、復位、翻身等操作。控制系統以PLC為核心，穩定可靠；步進電動機保證了送管的精度；觸摸屏提供了更直觀的人機界面。

2 生產工藝和系統組成

2.1 工藝流程

彎管過程可分為5部分：送管、置位、彎管、復位、翻身。

（1）送管：工人上料后，送管夾緊裝置將管子夾緊，在送管電動機的帶動下將管子送到小車下。小車將送到位的管子夾緊，在步進電動機的驅動下，按照預先設定的距離前進到指定位置。

（2）置位：置位是彎管前的準備過程，保證彎管機各部分都在彎管初始位，否則，將相應部分回歸初始位。彎管初始位包括：壓輪后位、管子夾緊松開、模左（或右）位、模下位、模移零位、左（或右）彎初始位。

（3）彎管：即完成管子的彎曲，是彎管過程的最主要的動作。包括夾塊夾緊、壓輪壓緊、全速彎管、減速彎管、彎管到位等步驟。

（4）復位：彎管結束后，要將彎管機各部分置位到下一個動作的彎管初始位。與步驟（2）類似，但如下一次彎管與上一次彎管方向不同（左彎或右彎），會根據彎管前的設定來動作。

（5）翻身：彎管時，有時需要將被彎曲的管子翻轉。由左（右）翻升及左（右）翻落兩個步驟組成，為了保證操作過程中的安全，各步驟間應有合適的時延。

2.2 系統組成

整個系統可分為三大部分：機械部分、液壓部分、電氣控制部分。如果把彎管機比喻成一個人，電氣控制部分就是彎管機的大腦，它按照事先編制的程序及彎管前的設定，指揮液壓及機械部分，完成彎管過程。液壓部分可看成是彎管機的血液循環系統和神經網絡，它在電氣控制部分的控制下，驅動機械部分動作；而機械部分就是彎管機的軀體和手臂，來完成具體的彎管動作。

3 自動控制系統

3.1 硬件設計

本文所設計的彎管機控制系統以PLC為控制核心，有手動及自動兩種操作模式。手動操作模式時，操作員可以通過操作面板上的開關、旋鈕或者觸摸屏上的按鈕實現對彎管過程的操控；自動操作模式時，在彎管前需先通過觸摸屏設定彎管角度、彎管方向等參數，設定完畢后可按自動送管、自動置位、自動彎管、自動復位、自動翻身等按鈕來完成。彎管角度及模移位置的控制通過高精度的脈沖編碼器采樣實現。送管的精確定位由PLC控制伺服電動機完成。控制系統的組成如圖1所示。

3.2 彎管精度控制

從彎管的原理可以得知，送管的精度、初始位及圓弧運動的角位移等參數是控制彎管精度的關鍵所在。

（1）送管精度的控制

圖1 控制系統組成

當彎管機完成一次彎管后，系統需要把管子前送規定的長度。每次前送的長度由HM I在彎管前設定。本系統選用了歐姆龍公司的高精度步進電動機驅動送管小車來完成物料的輸送，送管精度可達1mm。步進電動機是一種將電脈沖轉化為角位移或線位移的開環控制元件，具有很高的控制精度。由步進電動機的工作原理可知，其總轉角正比于所輸入的脈沖個數，所以可以根據伺服機構的位移量換算出PLC輸出地脈沖數：

其中，n為PLC輸出的脈沖數；S為伺服機構的位移；d為伺服機構的脈沖當量，即送管小車移動單位距離對應的PLC輸出給步進電動機的脈沖數，由電子齒數比等參數確定。

伺服機構的進給速度取決于步進電動機的轉速，而步進電動機的轉速取決于輸入的脈沖數，因此可以根據送管的進給速度，確定PLC輸出地脈沖頻率：

其中，F為PLC輸出脈沖的頻率，V為送管小車的前進速度。

（2）彎管精度的控制

本系統采用光電脈沖編碼器作為系統初始位的定位點，初始位包括模移零位及左彎初始位及右彎初始位。每次彎管后模子都要返回模移零位及左彎或右彎初始位，以便消除累計誤差。脈沖編碼器與機械齒輪同軸安裝，輸出信號與齒輪轉速成正比，反應彎管機的實際運行位置。由機械傳動比可以換算出旋轉編碼器轉過一個脈沖時機械裝置實際發生的位移,稱之為脈沖當量位移。將高速計數器的實際計數值乘以這個脈沖當量位移就是機械裝置的實際位移。此處采用增計數策略，等計數器計到預設值，即接近精整減速量設定值時，PLC控制變頻器讓電動機以提前減速量減速；當長度達到規定值時，PLC控制液壓系統讓彎管機制動停止。彎管過程的控制與旋轉臂的旋轉相同，不同之處在于，旋轉臂旋轉時按照恒定的速度旋轉，而彎管時采用前90%的圓弧快速旋轉，而后10%的圓弧，慢速旋轉，防止由于彎管速度過快，在彎管結束時的過沖。

3.3 軟件設計

（1）PLC程序設計

PLC程序采用梯形圖編寫，在OMRON公司的CX-Programmer軟件平臺下完成。本系統采用模塊化程序設計，將系統中相對獨立的功能編程成模塊，這樣既增加了程序的可讀性，又減少了編程重復部分的工作量。主要包括按鈕處理、電磁閥控制、自動控制、脈沖編碼器等4個模塊，其中自動處理模塊中的自動彎管部分的程序流程圖如圖2所示。

圖2 自動彎管流程圖

（2）觸摸屏程序設計

觸摸顯示屏設有四幅畫面：主畫面、設備手動操作畫面-1、設備手動操作畫面-2、自動彎管參數設定畫面。觸摸屏啟動時首先進入主畫面，操作者可單擊主畫面上的三個按鈕進入相應的操作畫面。設備手動操作畫面-1及設備手動操作畫面-2為操作者提供手動操作模式下彎管過程中各步驟的操作按鈕及各設備運行狀態指示。自動彎管參數設定畫面為操作者在彎管前設定各參數提供接口，并提供自動彎管過程的控制，如圖3所示。

圖3 自動彎管參數設定畫面

4 結論

本文所設計的全自動彎管機充分發揮了PLC、步進電動機、觸摸屏等現代控制技術的優點，自動化程度高、故障率低、易維護、操作簡單、彎管精度高。可以根據需要彎制出各種角度的管件，質量穩定可靠，提高了生產效率，減輕了工人的勞動強度，滿足了客戶的要求。

[1] 尹霞.數控彎管機彎管技術及其應用[J].新技術新工藝,2007(4):27-29.

[2] 駱經備.基于PLC與步進電動機的自動彎管機設計[J].機電工程,2006,23(8):39-41.

[3] 宮文斌,劉昕暉,陳學海,紀永飛.自動液壓數控彎管機設計與實驗[J].農業機械學報,2007,38(9):175-178.

[4] 羅勇.彎管技術分析[J].中國修船,2007,20(6):56-57.