液壓數控折彎機控制系統的研發

王偉　張文軍

摘 要：本文首先對液壓數控折彎機的基本結構和工作原理作了一個簡單的介紹，然后分析了液壓數控折彎機的控制原理，最后分析了研發折彎機控制系統的主要過程，首先確定控制系統的硬件開發平臺是HCN8數控裝置，然后在此硬件平臺上開發WDM驅動程序，從而實現了控制系統的硬件和應用軟件能夠在windows操作環境中通訊。

關鍵詞：折彎機；控制系統；WDM驅動程序

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.010

0 引言

折彎機是用來將金屬毛坯折成某個預定角度、形狀和曲率的加工設備。折彎機是專門折彎金屬板料的設備，具有工藝互換性好、操作簡單的特點，是鈑金加工行業必不可少的專用設備。數控液壓折彎機相比傳統的由伺服電機直接驅動的折彎機有明顯的優勢，例如伺服電動機的功率很難滿足大噸位折彎機的功率要求，使得這種由伺服電機驅動的折彎機只能應用在功率需求較小的折彎工作中，所以目前在國內市場中液壓數控折彎（簡稱折彎機）機占據著主導地位。但我國在生產折彎機時，折彎機的控制系統需要從國外購買，例如由荷蘭DELEM公司生產的DA65W和DA66T控制系統、YBELEC公司生產的DNC控制系統等。 這些進口的控制系統產品雖功能齊、全性能穩定，但價格較貴，增加了設備的生產成本，并且技術含量高，不利于后續的調試維修。

1 折彎機的構成和工作原理

折彎機是由機架、滑塊、液壓缸、伺服電機、三相異步電機、后擋料傳動機構等構成的鍛壓設備，其基本的配置是由液壓缸控制的v軸，兩個液壓缸分別控制的Y1 軸 和 Y2 軸，以及由伺服電機驅動控制的x軸，這就是“3+1”軸標配的由來。折彎機的基本工作原理是通過滑塊做距離可控的下滑，使其作用在板料上，然后板料通過后檔料機構進行定位，并由撓度補償機構對板料在加工時的變形進行補償，確保最終能夠得到預定的產品。

2 控制原理分析

如何控制伺服電機和液壓系統是研發折彎機控制系統的核心工作。實現液壓系統的控制實際上就是實現系統中各種同步閥的控制。

閥組中的核心零件是半閉環控制的比例伺服閥，該閥是通過光柵尺的位置反饋和基于模擬量信號控制的pID控制器完成全閉環控制的。該閥組控制系統同步控制液壓雙缸的模式，是采用了交叉耦合調解模式和同等控制模式的組合模式，這種控制模式在控制軸運動的同時還可以對產生的誤差進行實時調整。

對于實現對伺服電機控制的方法，可以根據液壓系統的控制原理，采用伺服電機的速度環控制模式的方案，并在軟件中同時實現位置環控制模式，應用同一個位置規劃pID處理函數和其他的函數，使由伺服電機控制的輔助軸具有可拓展性。

3 折彎機控制系統的設計

3.1 控制系統的硬件平臺

該折彎機控制系統的研發工作是在武漢華中數控股份有限公司自主研發的HNC8全數字數控裝置這一硬件平臺上而進行的。HNC8總線式全數字數控裝置是一款高檔次的數控裝備，其體系結構具有開放式、模塊化的特征，且采用了具有自主知識產權的NCUC現場工業總線技術，支持數據交換功能和CF卡、以太網、USB等程序擴展，支持總線式遠程I/O單元。根據不同的控制系統的不同需求，可以選擇相應的裝置和HNC8數控裝置來搭建用于研發控制系統的硬件平臺，觸摸顯示屏、擴展I/O模塊HIO-1000總線單元、IPC單元是硬件平臺的基本的組成部分。

3.2 基于 WDM 驅動程序的軟件架構設計

因為操作該系統的應用軟件是在Win32平臺上開發的，所以在一般的操作系統中軟件不能直接運行，要實現軟件控制硬件設備的目的需先開發對應的驅動程序。基于WDM模式下進行驅動程序的開發是在windows操作環境下的通用方法。目前開發驅動程序的工具有很多，例如比較高效的有Driver Studio，可以快速的設計出相應的WDM驅動程序。依次安裝好VC6.0、DDK和 Driver Studio 后，數控裝置的pCI裝置驅動程序的框架可以通過對Driver Wizzard 的設置生成，在驅動程序的開發過程中，有幾個關鍵的技術環節如下：（1）KMemory Range 類，這類的功能是實現訪問內存映射芯片。即按照NCUC的總線協議，先確定數據結構，再將數據存入指定的內存緩沖區，使硬件產生控制系統所需的信號；（2）Device Io Control 函數，該函數是實現驅動程序和應用軟件通訊的關鍵環節。該函數和對內存緩存區的讀寫方式可以實現該控制系統開發過程中所有的數據讀取、指令發送、參數配置；（3）KIo Range 類，實現對I/O映射芯片的訪問是該類的功能，設置好HNC8數控裝置中有對應功能的寄存器，主要是設置中斷周期和數據的發送功能；（4）KInterrupt 類，產生硬件中斷是該類的主要功能，在開發該控制系統的過程中，通過硬件中斷處理所有的實時控制數據，這樣可以大大優化該控制系統的性能。

3.3 控制算法在驅動層的實現

在該控制系統的研發過程中，使用的核心算法是PID控制算法，因為該算法在應用程序中實現時和在驅動程序中實現時有一些差別，同時為了使控制算法有一個更高的運行效率，我們在系統的開發過程中對算法這一塊做了一些可以優化和調整算法的工作。

一般情況下浮點數運算不能在WDM驅動程序中進行，在控制算法的實現過程中，所有的數據都是以整數的形式被處理的。離散化的pID算法公式如下所示

Δuk=KP*Δek+K1*Δek+KD[Δek-Δe（k-1）]

在構建所需的PID控制函數時，是依據這一公式進行構建的，實際測試時，因為數據都是以整數的形式出現，所以在對增益參數尤其是比例增益參數進行調整時，經常因為對增益值有僅僅為1最小變動量的調整，導致系統產生較大的振蕩。

4 結語

本文研究了液壓數控折彎機的控制系統及其開發方法，并給出了控制折彎機所需的應用軟件的基本設計過程。本文選用華中數控生產的HNC8數控裝置作為研發的硬件平臺，設計了可以實現硬件設備和應用軟件通訊的驅動程序，研制出的控制系統有很好的可拓展性和可配置性，也具備較高水準的柔化性。

參考文獻：

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作者簡介： 王偉（1983-），男，河南南陽人，研究生，助教，研究方向：數控計算機軟件輔助制造設計液壓與氣動，生產管理。