基于運動控制器的智能彎管機數控系統

（沙洲職業工學院 電子信息工程系，蘇州 215000）

0 引言

材料塑性成形是材料加工中的一種重要形式，使用管材作為毛坯進行的塑性成形稱為管材塑性加工。管材的力學性能較好，還具有美學效果，在越來越多的行業中都有著非常廣泛的應用[1]。管材彎曲成型是管材塑性成形中的一種，管材彎曲成型可以使用各種金屬管件作為毛坯進行加工，可以加工出各類平面彎曲件和空間彎曲件，這類零件在輸送管路和空間結構中有應用廣泛[2]。目前管材彎曲成型的兩種主要方式分別是人工和彎管機兩種，其中人工彎管的制造成本低，設備簡單，但生產效率低，勞動強度大，還存在安全隱患，不適用于大批量生產，很難滿足施工現場的實時需求[3]。為了在施工現場實現液壓彎管機的目標，R.Sanjay[4]提出利用半自動液壓彎管機對管道進行彎管作業以降低成本和提高管材的生產率，但這套系統結構復雜，而且仍然需要人為的操作和控制。

隨著社會的不斷發展，彎管的應用也越來越廣泛，彎管的彎曲半徑也變得更加多樣化和個性化，但社會上現在很多彎管機仍只能將特定直徑的管道彎曲成特定的彎曲半徑，在改變彎曲半徑時需要更換不同的模具，嚴重降低了工作效率，即使有研究優化了模具的夾裝方式，實現了模具的快速拆裝與調試[5]，但仍難以滿足市場對彎曲半徑多樣化的需求，因此Chandran M[6]設計并實現了一種低成本、易制造的多半徑彎管機，其可以將給定直徑的管材彎成所需的不同彎曲半徑，這雖然滿足了彎管市場多樣化的需求，但仍未滿足如今市場對彎管機自動化、智能化的需求。

隨著數控技術的發展，全自動彎管機的發明和普及大大提高了生產效率。單片機和PLC是數控彎管機控制系統的主要核心，單片機控制系統要實現復雜的控制，會出現系統響應速度慢，精度差的缺點。由于單片機自身限制，交互性較差，系統開放性差[7]。PLC控制系統雖然可以提高機械電氣控制和生產系統的穩定性，彌補單片機控制系統的部分缺陷，同時具有結構簡單的優點[8]，但其實時性、控制管理水平和自動化水平仍然難以滿足現代工業的需求，盡管有研究指出結合使用PLC和工控機可以很好的提高彎管過程的實時性和自動化水平[9]，但其增加了生產成本的同時并沒有解決生產精度不高的問題，而且還存在開放性和可擴展性較差的缺點[10]。

如今，國內主流的彎管機是液壓半自動和全自動兩種彎管機，并且所存在的一些全數控的彎管機都是一些低檔數控彎管機，此外大量的高檔全數控彎管機都是從國外進口，導致這些進口的全數控彎管機不完全適應和兼容國內生成需要，而且具有系統穩定性差，價格昂貴等一系列缺點。因此我國急需要一個能夠滿足和適應自身生產條件需求的全數控彎管機。運動控制器剛好具有開放性良好，控制系統精度較高且系統功能比較強大等一系列的優點，使其的工業實用性逐漸增強[11]。本文就是將運動控制器用于彎管機的數控系統，設計并實現了一種新型的彎管機數控系統。此系統將控制精度從傳統的±0.1°提升到了±0.05°，指令最小移動單位為0.001mm，同時彎管半徑不局限于傳統的固定半徑，而是能夠滿足于20mm～1000mm范圍的彎管需求，在具有較高的精度和準確性的同時具有較廣的使用范圍，而且便于生產和維護，擁有良好的市場前景。

1 彎管機工作原理及控制要求

1.1 彎管機工作原理

彎管機主要是由彎曲軸裝置、送料小車、調整裝置以及芯棒給進裝置四部分組成。整個彎管機系統是由機械系統，液壓系統以及控制系統等系統組成，彎管機工作時，通過這四個系統的各個聯動，實現了彎管機的空間加工方式，也就是完成運小料，旋轉，彎曲管件等關鍵步驟。

數控彎管機在工作時，彎曲模在彎曲軸上轉動，管材壓緊在彎曲模上，隨著彎曲軸的轉動，管材被拉伸而發生形變。其工作原理圖如圖1所示，具體過程可以劃分為：1）調整芯棒位置，使芯棒給進到合適位置，再手工上管件；2）進料小車夾緊夾料筒，小車繼續向前運送管材；3）待管材到達指定位置后，導向模壓緊管材，同時鉗壓口將管材壓緊在彎曲模上；4）在彎曲模、隨動模、導向模和鉗口的共同作用下，管材隨著彎曲模轉動形成與彎曲模半徑相同的彎曲工件；5）彎曲到指定的角度后，鉗口松開管材，隨動模在導向模的作用下回到原位；6）上料小車帶動管材在空間旋轉一定的角度后運動到彎曲位置，進行下一次彎管動作。

各個部件的作用：彎曲模在主軸上裝著；夾緊模就是夾緊管材防止管材發生移動；導向模和隨動模共同組成了壓力模，在工作時，導向模會給予管材適當的壓力，將其壓緊在防皺模上，彎曲時隨動模會跟著管件一起移動；芯棒置于管材內腔，防止彎管時出現變薄、起皺、扁平等問題；尾座帶動芯棒以實現進芯和退芯的工作。

工作時，管材被繞在彎曲模上隨著彎曲軸旋轉而成型。再將管材進行推進，再進行下一個彎曲。管材的彎曲半徑是由彎曲模的半徑決定的，工作時只需更換不同半徑的彎曲模即可彎曲不同半徑的管材。

圖1 彎管機工作原理

1.2 彎管機控制要求

根據彎管機的彎管工藝原理，彎管機控制系統主要有彎管運動控制部分和輔助運動控制部分。彎管機的主要運動分為三個動作，分別為：彎曲模旋轉軸C軸；進料小車帶動管材作直線運動的Y軸；進料小車帶動管材做旋轉運動的B軸，配三套交流伺服驅動系統和伺服電機以驅動控制Y、B、C三個軸實現對送料、旋轉和彎曲的精確控制，此外還有由編碼器或者光柵尺形成的全控制以提高控制精度。輔助運動部分主要包括：夾緊鉗以及導向模的夾緊與防松；隨動模的運動及尾座的運動，輔助運動的控制部分是通過液壓系統來完成的，而且傳感器是用于管材位置檢測，限位報警等問題的發現與解決。為了提高保證加工質量和工作效率，彎管機的控制要求為：彎管運動的三個軸能夠快速、準確的控制彎管角度，其中伺服彎曲C軸控制精度為±0.05°，伺服送料Y軸的控制精度為0.05mm，伺服電機旋轉C軸的控制精度為±0.05°，相對于現代彎管產品±0.1°的精度需求提高了一倍；同時對各個動作進行邏輯控制；能夠實現合理的人機交互，進行狀態顯示與參數設置；能夠實現自動運行和手動運行；系統具有一定的開放性，方便系統升級與維護，該彎管機系統的具體性能參數如表1所示，其響應速度、控制精度、適用范圍和產品質量等各項指標均遠高于當前工業標準需求，實現了對彎管工作的快速、高精度控制，而且其體積和重量也比較合適，便于隨工作地點變更而運輸，對比現有的彎管機，其不僅可以實現彎管的單次批量生產，而且具有較高控制精度和響應速度，同時也大大提高了彎管機不同半徑的適用范圍，降低了傳統彎管機質量和體積，提高了其靈活性和應用性。

表1 彎管機系統技術參數

2 彎管機控制系統總體方案

傳統的單片機控制系統雖然能夠滿足一般的工業彎管需求且成本低，但是其缺點也十分明顯，包括但不限于精度低、穩定性差、速度慢、交互不友好等；同樣，以PLC為控制核心的系統即使在穩定性和交互性上有所提高，但還是不能滿足現代工業生成對效率、質量和開放性上的需求。楊虎[12]的彎管機數控系統是以用華中世紀星數控系為基礎開發的，其不僅提高了生成成本，還降低了系統的開放性，因此并不適用推廣普及。黃小剛[13]和李克彬[14]提出的“運動控制卡+PC”的控制系統雖然滿足了現代生產的需求，但是缺嚴重浪費了PC的資源，而且成本高不應用于工業生成。

綜上，為解決以上問題并滿足現代彎管市場的對精度、穩定性、開放性、實時性和成本等的需求，本文設計并實現了以運動控制器為核心的多口徑自動化彎管機控制系統，并針對性的開發有關數控軟件，并以實踐驗證了其可以滿足現代彎管加工的各項要求。如圖2所示，本彎管機的數控系統包括硬件和軟件兩部分。其中硬件包括運動控制系統、伺服系統和輔助系統三部分。運動控制器是用來協調整個控制系統的工作，是整個系統的核心，其發出指令，其它相關組件完成指令動作；觸摸屏是來實現人機交互，用戶通過觸摸屏可以進行按鈕互動，文本輸入輸出，圖標信息反饋等；伺服系統用來準確的驅動和控制三個運動軸，即送料，轉角，彎管和模座移動這四個部位動作，實現準確控制，這個系統是由伺服驅動器以及電機組成的；輔助系統主要是包括檢測裝置、開關信號和夾緊裝置等。相對于傳統彎管機軟件的集中設計開發的模式，本系統的所有軟件是采取模塊化設計的思想進行設計開發的，這樣不僅提高了系統的響應速度和穩定性，同時便于后期的維護和升級。軟件模塊包括管理模塊、控制模塊、參數模塊和I/O模塊。且彎管機數控系統的軟件設計與硬件還有一定的關系，不同廠家硬件提供的方式均不大相同，但其整體思路是一致的。

圖2 系統總體設計

3 彎管機控制系統硬件設計

按照全自動彎管控制的需求，本文設計的控制系統硬件如圖3所示。其中控制系統的核心硬件是運動控制器，運動控制器在系統中扮演“大腦”的角色，負責向伺服系統和輔助系統發出指令并協調整個系統；伺服系統控制執行機構完成相應的動作，滿足對彎曲、旋轉和送料三個行為的準確控制，該伺服系統包含有三套交流伺服電機和對應的驅動器，此外還有光柵尺和編碼器等模塊；輔助系統負責配合伺服系統實現彎管需求。

圖3 系統硬件設計

3.1 運動控制器

運動控制器是整個系統的核心，整個系統的指令都是由運動控制器發出的，其負責協調整個系統的動作，所以必須響應快、精度高；由于彎管機的工作環境一般比較惡劣，如常見的震動、沖擊、電氣干擾，所以運動控制器要求可靠性好、抗干擾能力強；而且為了便于擴展，運動控制器必須具有開放性結構和較強的實時處理能力，支持標準接口。此外，還必須綜合考慮彎管系統功能的需求針對性的選擇合適的運動控制器。

本彎管機系統所選用的英國Trio運動控制器是Trio公司針對工控領域專門開發的基于微處理技術的高精密高功能的數字運動控制器，其采用32-bit的120-150MHz的DSP的最新的微處理器技術，融合了最新的控制理論及其網絡技術控制，在基于滿足普通PC機所有基本功能的基礎上還實現了高性能多軸協調和高速點位運動的控制效果，即其能夠在線的改變控制參數和修改加速、減速曲線。Trio運動控制器可以對電機軸、氣動/液動伺服軸進行單獨控制或綜合控制，最多可以控制24個軸；在通用性和擴展性方面，Trio運動控制器提供了RS232C、RS485、USB、Ethernet等多種標準接口，還提供了擴展接口，用戶可以根據自身需求進行功能擴展；Trio運動控制器提供了一種簡易的編程語言Trio Basic，該語言通俗易懂，便于學習；為方便用戶使用，Trio還提供了ActiveX控件用于二次開發，具有較好的可擴展性能。該運動控制器系統如圖4所示。

圖4 Tori運動控制器

3.2 觸摸屏

觸摸屏是人機交互的窗口，用于機床控制、參數設置與狀態顯示。本系統采用的屏通PT104是一個高彩、高亮度的10.4寸的數字式液晶屏，它靈敏度高、可靠性好。可以通過RS485標準接口與運動控制器通訊。屏通公司的觸控大師（PM Designer）編程軟件為觸摸屏界面的編寫提供了方便，內置標準件庫，功能豐富，大大提高了設計效率。觸摸屏可以實現良好的人機交互，用戶可以通過觸摸屏加工數據和程序段并載入CPU，同時利用觸摸屏實現監控彎管系統的運行狀態，并在運行過程中進一步對系統進行一定的控制和調整。

本彎管系統的觸摸屏人機界面中包含的狀態顯示主要有自動模式、手動模式、編寫程序、設置系統等選項，其中自動模式的主要功能是實現自動化彎管之前的程序選擇、參數調整、異常報警、信息采集和顯示、開始和強制結束等功能，用戶可以在程序選擇界面選擇已有的程序或者通過自定義模式進行調整或編寫與當前工作相適應的新程序。用戶還可以在系統設置界面對產品數據、加工信息、操作模式、手動調試、自動調試、單步測試、連續測試、設定操作、報警日志等選項界面，其中報警日志用于記錄和顯示運行過程中的故障相關信息，以便于參數調整和系統的維修與維護。在手動模式下用戶還可以選擇是單步調試或者連續調試模式并選擇和調整與之相適應的相關按鈕。該彎管機的數控系統各個界面之間切換便捷、快速，而且具有較高的可讀性、可理解性和可操作性，使得操作人員可以在短時間內熟練的掌握本系統進行工業生產。

3.3 伺服系統

伺服系統在彎管機控制系統中具有重要的地位，常見的伺服系統的控制方式可以分為開環、半閉環和全閉環三種，其中開環伺服系統是不帶有檢測和反饋機制的，因為其控制簡單、價格低廉而被廣泛應用于低端的數控系統，但是因為具有位置比較和位移測量功能的半閉環、閉環系統具有更快的運行速度和更高的精度。目前國內使用的彎管機的通用問題是送料的長度和彎曲的角度的精確度較低，其主要原因是現有的彎管機其彎曲軸動力使用的是容易受到溫度影響且慣性較大的液壓，即使有研究針對液壓系統的缺陷優化相關參數以提高不同彎管口徑和角度的精度和穩定性，但并沒有從根本上解決誤差[15]；另一方面，送料軸使用的是半閉環控制的齒輪齒條帶動的，所以送料長度的準確度不高。基于上述問題，本彎管機控制系統通過把彎曲軸替換為伺服電機驅動并且在送料軸增加了光柵尺實現了全閉環控制，提高了彎曲角精度和送料長度的控制精度，其Y軸和B軸的全閉環控制回路如圖5和圖6所示，該系統具有較高的系統控制準確度，其中在響應速度方面可實現彎曲、旋轉速度≥180°/s、送料速度≥1m/s，而在控制精度方面可達到彎曲、轉重復精度≤±0.05°、送料重復精度≤±0.05mm，能夠滿足控制系統對精度的需求。

圖5 全閉環控制回路—C軸

圖6 全閉環控制回路—Y軸

性能越高的伺服系統通常具有越高的靈活性、準確度、便捷性和反應速度。相對比于傳統的液壓式、直流式和變頻式伺服驅動，本系統使用的交流伺服驅動能夠使系統的性能得到顯著的提升，如周期更短、生產率更高、使用壽命更長和穩定性更高。本彎管機控制系統采用的是松下MINAS A4系列伺服系統以實現對彎曲軸、送料軸和轉角軸運動的控制，其中三個軸中均有速比為5的減速機以保證Y軸、B軸和C軸三者的波動幅度小于0.05°，包括伺服驅動器及電機，其詳細型號參數如表2所示。在伺服驅動器和伺服電機之間通過動力線和編碼器線連接，在其內部采用的是32位DSP和IGBT PWM的控制方式。

表2 三軸驅動器和伺服電機參數

該系列伺服系統具有體積小、速度快、響應快、振動低、抗干擾性好的特點，例如其最高速度響應頻率可達1000HZ，其采用先進的抑制震動技術和實時的高性能自動增益調整技術，而且其體積比同類其他產品降低高達75%。本伺服系統還實現了全閉環控制，實現了速度控制、位置控制、轉矩控制和綜合控制等多種控制情況，能夠適用于不同使用要求。此外，該伺服系統還實現了參數調整，能夠通過觸摸屏調整各個參數以達到最高的工作效率。按照控制器和伺服驅動器的使用說明書，該系統的的伺服驅動器和運動控制器的接線圖如圖7所示，其中虛線部分是控制速度接線。

圖7 松下MINAS A4驅動器與運動控制器的接線圖

4 數控系統軟件設計

再好的彎管機硬件結構設計都需要合理的軟件與之配合使用才能實現彎管機工作效率的最大化。軟件體系是控制系統的靈魂所在，其設計必須滿足高可靠性、易操作性、可拓展性和可移植性等，其在一定程度上影響實現彎管機的各項功能和控制系統的效率。本套數控系統軟件是以Windows操作系統為基礎，使用Visual Basic語言開發的彎管機數控軟件體系，本套數控軟件充分考慮和結合了Visual Basic語言的特點，其不僅具有對用戶友好的可視化界面，便于用戶進行人機交互，還有著強大的數據庫功能，便于用戶對報警日志信息的存儲和管理。此外，本套數控系統的軟件設計是采用模塊化結構，這其不僅擁有良好的擴展性和移植性，而且便于后續的完善與升級，該系統各個模塊一旦開發完成便可以直接移植到相應的控制器系統投入使用，其中包括管理模塊、智能控制模塊、參數模塊、故障診斷模塊和動態仿真模塊等，其分別對應上位機程序、運動控制程序、觸摸屏程序、故障診斷程序和模擬仿真程序。

4.1 管理模塊設計

運動控制器本身不具備系統開發環境，需與上位機配合使用進行控制，形成上下位機的控制體系。所以系統管理模塊在上位機上開發。運動控制器為系統開發會提供接口，本系統采用的Trio運動控制器具備的Active X控件可用于開發上位機程序。管理模塊通過Trio提供的Active X控件，使用Visual Basic進行程序編寫，便捷的實現了與操作人員之間的人機交互，用戶只需要以上位機為基礎操作觸摸屏就可以實現輸入輸出文本、按鈕響應等多樣化功能，此外用戶還可以自定義開發個性化程序滿足自身單獨的需求，在程序編寫時用戶直接將Active X控件添加到工程中，調用相關函數即可。

該運動控制器還可以結合邏輯算法實現多種運動方式，提供強大的運算能力和多樣化的功能模塊，根據實際生成需要結合使用。此外，還可以實現多任務執行模式，即將復雜的任務拆分成多個簡單的任務并非獨立的執行，提高工作效率。在狀態窗口和軸參數界面，用戶可以實時的查看各個軸的運行狀態，在線調整每個軸的參數。在開關量I/O界面，用戶可以實時的查看和強制修改開關量的輸入輸出信號。用戶還可以通過示波器功能實時的查看各個軸的位置、速度及其他相關變量曲線。該管理模塊不僅可以精確的控制與查看彎管過程的系統各個部件的工作狀態，還提高了與用戶的交互性。

4.2 運動控制模塊設計

運動控制模塊分為自動加工和手動調整兩個模塊，其中手動調整模塊是考慮到自動模式出錯的情況，手動調整模式主要是用于調整系統和對設備進行故障的排查及維修，而自動模式即是主要的工作模式。其中彎管機控制流程如圖8所示。

圖8 彎管機控制流程

在自動加工模式下，該系統可以執行用戶程序自動彎管，不需要人為干預。用戶只需要在該系統自動工作之前通過觸摸屏設定好各個模塊的參數，選擇適應的彎管加工程序，并將程序傳輸到運動控制器中，運動控制器會自動譯碼用戶所編寫的程序，然后控制彎管機完成相應的彎管操作。在自動模式開始之前，用戶也可以通過手動調整模式來對各個軸進行精準控制，完成調試與維修等操作。

在手動模式下，操作人員可以通過觸摸屏選擇和控制各個按鈕以實現各個工序的單獨逐步進行。而且本系統的手動模式有單步和連續兩種運動方式，單步控制時，用戶點擊按鈕，相應坐標軸即可按照設定的速度運動到指定的位置；連續控制時，用戶按住按鈕，相應的坐標軸開始運動，松開按鈕后即停止運動。

4.3 參數模塊設計

參數模塊主要包括參數的設置與參數的顯示，參數的設置與顯示都是通過觸摸屏實現的，觸摸屏是人機交互的窗口，通過觸摸屏，用戶可以直觀的看到系統的運行狀態，并可以通過觸摸屏對系統進行控制。參數的設置和顯示主要包括機床參數和系統參數，其中機床參數包括機床坐標、工件坐標、偏移量、回零速度和方式等與機床自身有關的參數，其中部分參數會在交互界面顯示，如當前工作坐標、機床坐標等。有些參數諸如機床坐標原點會自動默認設置，不需要設置和顯示。

系統參數主要是與彎管工藝相關的參數，主要包括速度、加速度、PID參數、時間參數、管型參數、加工工業參數和輔助參數等。參數的顯示和設置都是通過變量實現的，在觸摸屏程序中定義好相關參數，在運動控制模塊中建立運動控制參數和觸摸屏參數之間的關系，即可通過觸摸屏對參數進行顯示與設置。比如軸參數設置如圖9所示。

圖9 參數設置界面

此外，相對于傳統參數設計模塊僅考慮參數是否輸入，本系統在參數輸入過程中還會自動檢測用戶輸入的參數的有效性和數據類型，并在用戶輸入錯誤時進行警告和提醒。用戶還可以在坐標軸輸入參數模擬檢測當前的棺材形狀，其中坐標軸的參數輸入包含有絕對坐標和相對坐標兩種方式，該兩種方式之間可以相互轉換和獨立保存為單獨的數據文件，以進行后續的修改、編輯和管理。一旦用戶在觸摸屏上輸入相應的坐標參數，觸摸屏就會顯示出當前參數輸入下管材的三維可旋轉立體圖像，以方便用戶對管材進行具體細節的查看和檢測，判斷彎曲過程中相應參數的合理性和正確性。

4.4 I/O模塊設計

彎管機控制系統中的各項I/O（輸入/輸出）信號都是通過與I/O接口通訊實現的，如果運動控制器自身的I/O接口不夠用，可以通過擴展模塊對Trio運動控制器的I/O接口進行自由擴展，用戶可根據自身需求選擇擴展模塊。彎管機控制系統I/O設計如表2所示。

表2 系統I/O設計

5 結語

當今世界正聚焦于自動化，但是很少有像建筑這樣的領域不使用機器來彎曲用于各種目的的管道，這是因為機器的成本很高,需要熟練的工人來操作。然而隨著現代汽車制造、航空航天等工業的不斷發展，彎管件不僅應用越來越廣泛，其精度和多樣化要求也越來越高，傳統的手工彎管已無法滿足行業的需求，而且自動化彎管已成為必然趨勢，因此研究制造先進的數控彎管機有著深遠的現實意義。本文首先對常用的彎管機控制系統進行分析，針對當前市場已有控制系統存在的不足，提出設計并實現了一套基于運動控制器為核心的多口徑自動彎管機控制系統，并基于彎管機的工作原理和市場需求進行了硬件與軟件設計，其硬件系統在設計過程中綜合考慮了不同口徑彎管加工的特點和控制系統的需求，具有穩定性和抗干擾性，其軟件系統是利用Visual Basic實現系統操作，具有管理文件，參數調整及譯碼自動加工等功能的。該彎管機控制系統能夠快速準確控制彎管進程，其±0.05°的控制精度遠高于彎管產品的精度需求，同時其可彎管半徑范圍也遠大于市場現有的彎管機，同時其體積和質量也遠遠小于傳統的彎管機，除了具有較高的控制精度、響應速度和適用范圍以外，其還具有高開放性、高精度、響應快、體積小、操作簡單和系統穩定的優點，是基于傳統的控制器和彎管機的重要創新，對我國自動彎管機的發展具有一定的意義。