（机械制造及其自动化专业论文）基于pmac的五轴数控弯丝机系统的研发.pdf

摘要 在五金制造行业中，金属线材成形的传统加工一般是靠人力操作专门的模 具，这种生产方式劳动强度大、自动化程度低、效率低而且工件加工精度不高。 另外，如果产品的品种较多，这种方式要经常更换模具，难以满足即时制造的要 求。数控弯丝机正是为了满足多品种高精度的加工，利用数控技术和可换位模 具，高效高质量地实现线材制品的自动加工装备。 本文的研究工作主要包含以下三方面的内容： 第一、在机械方面，根据金属线材的成形特点，给出了整台机器的机械结构 模块和运动过程，并进行了线材成形施力点分析；针对施力点的变化确定了机床 轴数和联动轴数，并确定了每个轴所需要的电机及相应的减速机型号。 第二、在系统软件方面，首先在下位机编写了零件加工的运动程序和用于逻 辑控制的p l c 程序。在上位机编写了人机交互程序，包括参数设置、参数显示、 数控指令格式、加工文件读取和误差补偿模块。 第三、在系统硬件方面，采用高性能伺服控制器p m a c 作为控制核心，结 合工控机和伺服电机，构建了系统的硬件控制平台。 本课题的意义和创新之处在于其提出了一种完全不同于传统的线材加工方 法，这种方法大大提高了线材加工的效率和精度。而本文所开发的应用软件人机 交互界面友好、操作简单、功能齐全，大大提高了线材加工工艺效率，缩短了产 品的上市时间，增强了制造柔性。 关键词：金属线材，折弯，p m a c ，数控系统 a b s t r a c t i nt h em e t a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , t h et r a d i t i o n a lw i r ef o r m i n gi so p e r a t e dm a n u a l l y w i t hs p e c i a ld i e t h i sm o d eo fp r o d u c t i o ni sl a b o r - i n t e n s i v e ，i n e f f i c i e n ta n di n a c c u r a t e i na d d i t i o n ，f r e q u e n c yo fv a r y i n gt h em o l d sf o rd i f f e r e n tt y p e so fw o r k p i e c e sm a k e s t h i sm e t h o db e c o m eg r a d u a t e l l yd i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h er e a l t i m e m a n u f a c t u r i n g i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hi s t oa d a p tv a r i e t yo fh i g h - p r e c i s i o n p r o c e s s i n g ，t a k i n ga d v a n t a g eo fc n ct e c h n o l o g ya n da l t e r a b l em o l d st om a k et h e w i r ef o r m i n ge f f i c i e n ta n dh i g h q u a l i t y t h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t sa r ec o n t a i n e di n t h i sp a p e r - f i r s t l y , o nt h em e c h a n i c a lp a r t ，t h ew h o l em e c h a n i c a ls t r u c t u r ei sd e s i g n e da c c o r d i n g t h ef e a t u r e so ft h ew i r ea n dt h ef o r c i n gp o i n to nt h ew i r ei sa n y l i s e d b a s e do ni t ，t h e n u m b e ro ft o t a la x i sa n dt h ec o u p l i n ga x i si sa c c e r t a i n e d m o r e o v e r , a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i so ft h ef o r c e s ，t h em o d e lo ft h es e r v om o t o r sa n dt h er e d u c e r sa r ea c c e r t a i n e d s e c o n d l y , o nt h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，o no n eh a n d ，t h em o t i o np r o g r a m s a n dt h ep l cp r o g r a m sa r ew r i t t e nt ot h es u b o r d i n a t ec o m p u t e rp m a c ，o nt h eo t h e r h a n d ，t h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o np r o g r a m ，i n c l u d i n gt h em o d u l e so fp a r a m e t e r s e t t i n g s ，p a r a m e t e r sd i s p l a y , n u m e r i c a lc o n t r o lc o m m a n df o r m a t ，d o c u m e n tr e a da n d e r r o rc o m p e n s a t i o na r ed e v e l o p e di nt h es u p e r v i s o r yc o m p u t e r t h i r d l y , h i 曲一p e r f o r m a n c es e r v oc o n t r o l l e rp m a ci su s e d c o m b i n e dw i t hi n d u s t r i a lc o m p u t e ra n ds e r v om o t o rw h i c h c o n t r o lm o d e ，t ob u i l dac o n t r o lp l a t f o r mh a r d w a r e a s t h em a i nc o n t r o l l e r , w o r k su n d e rt h et o r q u e t h es i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c ta n di n n o v a t i o nl i ei ni t sc o m p l e t ed i f f e r e n c ef r o ma t r a d i t i o n a lw i r ep r o c e s s i n gm e t h o d ，w h i c hg r e a t l ye n h a n c e st h ee f f i c i e n c yo fw i r e p r o c e s s i n ga n da c c u r a c y t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p e di nt h i sp a p e ra r e u s e r - f r i e n d l yw i t hc o m p l e t ef u n c t i o n s ，g r e a t l yi m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fw i r e b e n d i n gp r o c e s s ，s h o r t e n i n gt h ep r o d u c tt i m et om a r k e ta n di n c r e a s i n gm a n u f a c t u r i n g f l e x i b i l i t y k e y w o r d s ：m e t a lw i r e ，b e n d ，p m a c ，c n cs y s t e m 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：k 弋声、哆 _ “月7 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦f - j ：x ：学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦f - j ：x 学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于 年月 日解密，解密后适用上述授权。 | ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) l 。f 层唔 第1 章绪论 计算机数控( c n c ) 技术是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术、自动 检测技术、自动控制等技术于一体的现代制造技术，是c a d c a m ，f m s ，c i m s ， f a 等先进制造技术的基础，它的产生和发展进一步地推动了机械制造业向自动 化、柔性化、集成化方向发展。随着科学技术、产品市场、生产结构等方面的快 速变化，数控系统应具有更强的模块化特征和软硬件重构的能力，以满足不同的 应用需求，即要求系统具有开放性，从根本上解决当今复杂多变的市场需求与现 有数控系统专一固定的封闭式结构之间的矛盾。 1 1 数控技术发展的历史及趋势 数控技术是现代制造技术的基础，它集合了计算机，自动控制，机械，电子， 测量技术等多个领域的知识，是- - fj 综合技术【1 埘。 数字控制是相对模拟控制而言的，数字控制中的信息量是数字量，而模拟控 制中的信息量是模拟量。它经历了以下四个发展阶段： 1 ) 硬件数控阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 ) ：特点是利用逻辑电路来实现其控制功能； 2 ) 计算机数控系统的发展和完善阶段( 1 9 7 0 1 9 8 5 ) ：特点是以计算机为主体， 原来由硬件实现的功能逐渐改为由软件实现； 3 ) 高速高精度c n c 数控系统的开发与应用阶段( 1 9 8 5 今) ：特点是高速处理 数据能力确保了插补、加减速控制等的连续处理；在这个阶段，传统的g 代码 虽然得到普遍应用，但是g 代码本身信息量无法满足工艺要求等问题越来越突 出，因此欧共体于1 9 9 7 年提出s t e p 】标准，实现了计算机辅助设计c a d 、 计算机辅助制造c a m 、计算机辅助工艺规划c a p p 与c n c 之间的无缝连接， 大大提高数控机床的加工效率： 4 ) 开放式c n c 的开发与应用阶段( 1 9 9 4 今) ：特点是系统具有开放式体系结 构，使得数控系统具有更好的通用性、柔性、扩展性，并向智能化，网络化方 向大力发展。 5 厦门人学硕l ：论义甚于p m a c 数摔线材折弯机的研究 1 2 开放式数控系统的概念 i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的对开放式数控系统的定义是【5 】：“开放式 系统具有这样的功能，它们完全能使应用程序在不同厂商的各种平台上运行，能 支持与其它应用程序的交互操作。”根据此定义，开放式数控系统应具有以下的 特点【l 】： 1 ) 开放性：提供标准化基础平台和接口，允许集成不同功能的软硬件模块； 2 ) 可移植性：不同应用程序模块可在不同供应商提供的系统平台上运行， 系统平台也可在不同类型、不同性能的硬件平台上运行； 3 ) 扩展性：系统功能的扩充仅表现为特定功能模块的装载与卸载； 4 ) 相互操作性：提供标准化的接口、通讯和交互模型。不同应用程序模块 通过初始化应用程序接口进行交互，保持平等的相互操作能力，能协调地工作； 5 ) 控制系统采用开放式体系结构将导致新一代控制器的产生，并成为未来 制造业一大支柱。因此，欧美及同本等发达国家都相继进行了大量投入和研究。 1 3 国内外开放式数控系统的研究现状 现今市场上的数控系统如f a n u c ，s i e m e n s 等，都是采用一种封闭式的体 系结构，即组成系统的硬件模块软件模块由各个厂家自行设计，系统模块之间的 交互方式和通讯方式各不相同，系统之间互不兼容。这种系统技术成熟，稳定性 好，但随着技术的进步，其缺陷也越来越暴露出来【7 - 9 ： 1 ) 各控制系统互连能力差，影响了系统相互集成； 2 ) 不同风格的操作方式使用户培训费用和周期变长； 3 ) 专用件的大量使用，给数控设备的维护带来许多不变； 4 ) 专用的软硬件使得系统换代升级不可行。 系统的封闭性使得其开发和升级难度很大，造成数控设备制造商对系统供应 商的依赖，难以将自己的工艺经验，专门技术集成到系统中，不利于提高主机产 品的竞争力。 总之，数控系统的这一现状已难以适应当今制造业的市场变化与竞争，也不 能满足现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的要求。为解决封闭式体系结构 数控系统存在的问题，近年来，西方各工业发达国家相继提出了向规范化、标准 6 第1 章绪论 化的方向发展，设计开放式体系结构数控系统的问题，如美国的n g c 计划，日 本和欧洲提出的o s e c 及o s a c a 计划等。 我国在开放式数控系统的构建方面也进行了积极的探索和研发。国内己有开 放式控制系统四种：华中i 型，中华l 型，航天i 型和蓝天i 型。国内的开放式数 控系统各有特点，但从数控系统的发展趋势来看，它们还不具备开放式控制系统 的本质特性，仍有许多改进之处。 1 4 开放式数控系统的实现途径 综上所述，随着计算机技术的飞速发展，采用p c 微机开发开放式数控系统 已成为数控系统技术发展的潮流，也是国内外开放式数控系统研究的一个热点， p c 微机化的开放式数控系统有3 种实现途径f l o 1 1 】： 1 ) p c 机+ 数控专用模板 即在p c 机上嵌入数控专用模板，该模板具有位置控制功能、实时信息采集 功能、输入输出接口功能和内装式p l c 单元等。这种结构形式使整个系统可以 共享p c 机的硬件资源，利用其丰富的支撑软件直接与网络c a d c a m 系统连 接，与传统的c n c 系统相比，具有软硬件资源的丰富性、透明性和通享性，便 于新技术升级换代。但这种数控系统的开放性只限于p c 微机部分，只能说是有 限的开放，其专业的数控部分仍处于封闭状态。 2 ) p c 机+ 可编程多轴运动控制器 这种基于开放式可编程运动控制器的系统结构以通用微机为平台，以p c 机 标准插件形式的开放式可编程运动控制器为控制核心。通用p c 机负责如数控程 序编辑、人机界面管理等功能，运动控制器负责设备的运动控制和逻辑控制。这 种运动控制器以运动子程序的方式解释执行数控程序，以p l c 子程序方式实现 设备逻辑控制，支持用户的开发和扩展，具有上、下两级的开放性。关国d e l t a t a u 公司的p m a c 即p r o g r a m m a b l em u l t i f i x e sc o n t r o l l e r ) 是这种运动控制器的典型代 表。其拥有自身c p u ，同时开放包括通信端口、存储结构在内的大部分地址空 间，具有灵活性好、功能稳定、可共享计算机所有资源等特点。 3 ) 纯p c 型即完全采用p c 的全软件形式的数控系统 由于存在着操作系统的实时性、标准统一性及系统稳定性等问题，这种系统 目前正处于探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中。 7 厦门人学硕i ：论文慕于p m a c 数控线材折弯机的研究 总体而言，基于p c 和多轴运动控制器的开放式数控系统，是当前最为理想 的开放式数控系统。p c 机处理非实时部分，实时控制由插入p c 的多轴运动控 制器来承担。本课题采用p c 机+ 可编程运动控制器方式来设计丌发，采用d e l t a t a u 公司生产的多轴运动控制器p m a c 为核心开发开放式数控弯丝机，构造了系 统的硬件结构及软件体系。 1 5 课题的来源及意义 本课题为厦门市科技局创新项目( 项目号：3 5 0 2 2 2 0 0 7 1 0 9 9 ) ，与厦门锻压机 床有限公司合作开发。 在五金制造行业中，线材弯形制品的市场空间越来越大，比如汽车的座椅骨 架、排气管挂钩，铁艺家具、卫浴及装饰，超市的手推车等等。但是我国在此方 面的的生产技术仍然比较落后，设备和工艺普遍陈旧，主要以人工手动操作为主， 且自动化水平不高，导致生产效率低下，精度不高。而且传统的加工工艺在特定 的线材成形时都需要专门的模具设备来实现，不利于多品种的生产方式，越来越 难以满足即时制造的要求。本论文的研究内容正是为了适应多品种、高效率、高 精度少批量的自动化生产方式丌展的，利用数控技术和可换多位模具，在短时间 内实现多品种线材制品的加工，真正实现柔性制造。 1 6 本文的工作 本文最终要实现的目标是构建一套用于完成线材折弯的开放式数控系统，解 决传统线材折弯加工效率低，工件精度不高的缺陷。由于采用了i p c + 可编程运 动控制器方式的控制策略，因此本文的工作办围绕这种策略进行展丌，主要包括 以下几个方面： 1 ) 确定设备的机械模块 根据设备的加工对象，提出了设备的机械模块及工作原理，并对其中主要 模块的结构进行了深入的分析。 2 ) 编写运动控制程序模块 首先将加工零件分为两大类：普通折弯类和弹簧类零件，并通过对以上两大 类零件的分析编写相应的运动程序模块。 第1 章绪论 3 ) 编写p l c 程序模块 针对本设备，设置相应的逻辑控制功能，实现折弯头的上升下降限位，换模 装置的两端限位及原点开关等功能，利用内装的软p l c 模块编写相关程序。 4 ) 编写人机交互界面模块 该部分主要包括系统运行参数设置，运动参数实时显示，加工文件的数据格 式定义与读取，误差补偿的设置等。 5 _ ) 搭建数控系统的开发平台 这部分工作主要涵盖了运动控制器p m a c 的选用，伺服电机的选用，信号 线的定义，滑环的选型及逻辑控制i o 口输入输出电路的连接。 9 2 1 设备的功能 第2 章线材折弯机的机械结构组成 本设备的开发是为了实现对巾1 2 2 5 m m 的不锈钢线材进行各种形状的折弯， 以满足快速变化的线材加工市场，缩短线材的加工时间。本设备能加工的工件形 状种类分为普通折弯类和弹簧类两种零件，如图2 1 所示： 1 1 孚通折弯类零件2 弹簧类零件 图2 - 1 设备的加工对象 所谓普通折弯类零件指的是构成零件的曲线只有直线和圆弧，而构成弹簧类 零件的曲线是各种满足相应数学关系的螺旋线。 这两类零件的外形和尺寸不是一成不变的，用户可以通过在控制界面中输入 不同的加工参数改变每类零件的形状和具体尺寸，比如：线材折弯的长度、折弯 半径，弹簧的螺距、半径和长度等都是可以改变的。 2 2 设备模块组成 根据设备要加工的对象和加工过程，将设备机械部分分为图2 2 所示的模块： 机械 部分 l i _i 剪切折弯换模送料校直盘料 模块 模块模块模块模块模块 lj 图2 - 2 设备机械模块组成 第2 章线材折弯机的机械结构组成 以上各个模块对应于如图2 3 所示的设备结构： 折弯 图2 3 设备整体结构 2 3 折弯和转臂模块的结构 折弯和转臂模块是整个弯折成形的核心，线材的成形过程主要都由该模块上 完成。该模块包括折弯头折弯装置和折弯臂旋转装置，以实现线材二维和三维制 品的成形。以下主要说明其结构组成和工作原理。 a 蛮斗 。了、 转轴 图2 4 折弯装置模块 1 ) 折弯模块 该装置用于对线材的折弯。如图2 4 所示，该装置主要由气缸，折弯头，转 轴，心轴组成。其中，转轴和心轴固定在折弯头上。当线材按照要求送至折弯头 上方时，气缸推动折弯头伸出，后启动电机带动折弯头旋转，转轴绕心轴转动， 对线材施加径向力，从而对线材进行折弯。此时线材的弯曲半径由心轴的半径决 定。由于工件一般有2 3 个不同弯曲半径，所以该设备上2 3 个折弯装置，每个 厦门人学硕i ：论文基于p m a c 数摔线材折弯机的研究 装置上的折弯头配以不同半径的心轴，从而就可以加工出不同弯曲半径的工件。 2 ) 折弯臂模块 当工件需要三维成形时，就需要对工件进行旋转或者将整个折弯装置进行旋 转，以便改变转轴对线材的施力方向。由于线材毛坯呈盘圆状安装在料盘之上， 送料是通过送料模块实现的，因此要令其旋转是不可能的，所以实现三维折弯的 最好方法是采用转盘旋转，从而径向施力方向。如图2 5 所示： 折 图2 - 5 折弯臂模块 整个折弯装置固定在上下两个折弯臂之间，而折弯臂固定在转盘上，由电机 带动其绕线材轴线旋转。通过这种方式就能改变对线材的施加力方向，实现不同 平面上的弯曲。如果送料模块，折弯模块和折弯臂模块的两个电机同时联动，则 能加工出各种形状的弹簧，包括圆柱弹簧，锥弹簧等。 2 4 零件的加工过程及原理 线材载料机将线材展开，经由水平和竖直两个方向的校直模块后进入数控送 料模块、再进入机身，从机身出来的线材在数控折弯机构中，通过折弯模块，将 其加工成用户所需要的各种形状的产品，加工完毕后通过剪切模块将其剪切。以 上各个模块都是由伺服电机驱动。以下阐述两类零件的加工过程。 1 2 第2 章线材折弯机的机械结构组成 2 4 1 普通折弯类零件 对于普通折弯类零件，根据折弯半径的不同，可分为心轴式和推弯式折弯。 1 ) 心轴式 所谓心轴式是指工件半径全部由折弯模具心轴尺寸决定。如图2 - 6 所示： 图2 6 心轴式折弯 由图2 6 可以看出，这种零件在加工的时候会满足以下关系： r = n + 0 5 d( 2 1 ) 式中，为工件弯曲半径( m m ) ；r 为心轴半径( m m ) ；d 为线材直径( m m ) 。 = 1 8 0 0 一口 ( 2 2 ) 式中，工件成形角度；q 为转轴转角。 2 ) 推弯式 当工件需要更大的弯曲半径时，如果仍然采用心轴式折弯则需要增大心轴的 规格尺寸，在本设备中，最大的心轴尺寸为2 5 m m ，如果工件的弯曲半径超过 2 5 m m ，那么必须采用推弯式的加工方法来生成。如图2 7 所示： 1 3 厦门人学硕? i ：论义皋于p m a c 数控线材折? ，机的研究 图2 7 推弯式折弯 推弯的过程是先将工件折弯一个角度，然后保持折弯头不动并持续送线，送 线过程中，转轴相对心轴对线材施力的方向是不变的，线材外圆弧和内圆弧始终 保持与转轴和心轴相切，由此确定生成圆弧的圆0 3 的位置。在a o i0 2 0 3 中： 0 1 0 3 = r o 5 d 一，i ( 2 3 ) 0 2 0 3 = r + o 5 d + 吃 ( 2 4 ) z 0 2 o i 0 3 2 1 8 0 。一q ( 2 5 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，r 为工件弯曲半径( m m ) ；以为心轴半径( m m ) ；d 为线材 直径( m m ) ；( 2 1 为转轴转角。 利用余弦定理，即可得： q 孑= q 哿+ q 呸2 一加q q 呸0 0 s 幺q q 将各个数值代入上式即可得推弯半径跟转轴转角的半径之间的关系： c o s 口：! 墨垒型垒二垒兰墨上垡 ( 2 r d 一2 f i ) d 所以转轴偏转的角度： 口= 厂( 月) ：a m c o s g 垒垡丛垒二垒三型二垡其中q 曰 j 一l 占一掭 件 图2 - 9 折弯力计算示意图 计算步骤如下： 1 ) 工件的机械性能： 仃6 = 6 0 0mp a ，仃，= 35 5m 尸a ，f = 284m p a ； 式中，吒为抗拉强度，q 为屈服强度，r 为抗剪强度。 2 ) 前提条件： s = 1 4 ，万= 3mm ，n = 200 ，mi n 一1 ，d = 3 5 12mm ； 式中，s 为安全系数，万为转轴与工件外径的距离，以为转轴转速，d 为工 件直径。 3 ) 计算过程： 厂一 l 循= 心o 、o ：2 一e ， 其中q d 2 = d + 万+ ( + 眨) ，l = d + ( 1 + 眨) ，( + r 2 ) = 1 4 r a m ， 带入上式得乙占圭9 o m m 1 6 第2 章线材折蛮机的机械结构组成 m 旷吒n = 3 5 5 x 等= 6 1 0 9 x 1 0 4 r 查：坐鱼：6 1 0 9 x l o 4 n m m ：6 6 8 8 1 0 3 1 折弯口 9 m m u u 。“1u 。 m 实际= m 理论s = 6 6 8 8 x 1 0 3 n x l 4 = 8 4 2 7 x 1 0 4 n m m 则由公式p = 歹孬m 而n ，得： k套：2生竺：一8427 x1 0 4x 2 0 0 r m i n 圭1 7 6 5 k w 1 折弯一石j 亏而一j i 秀丐五鬲f 一一。) 2 6 剪切功率计算 2 3 4 5 1 、折弯头2 、定刀片3 、线材4 、动刀片5 、转动轴6 、偏心凸轮 图2 - 1 0 线材剪切结构 如图2 1 0 所示，整个机构主要由定刀片和动刀片组成，折弯完成之后， 定刀片保持不动，动刀片在一偏心凸轮机构带动下绕着转动轴旋转从而实现对工 件的剪切，剪切完成之后动刀片回到原来的位置。 同样剪切轴所需功率关系到剪切电机的容量选择，以图2 1l 所示的机构图 来说明其计算过程【1 4 1 。 1 7 厦门人学硕j j 论文甚于p m a c 数控线村折弯机的7 j ) 究 2 1 剪切臂2 凸轮 图2 1 1 剪切力示意图 1 ) 前提条件：( 图示位置为剪切力最大位置) z l = 3 4 0 m m ，2 = 4 8 0 m m ，1 3 = 6 8 0 m m ； 其中：为转动轴中心到动刀片重心的距离，7 凸轮的作用点 到转动轴中心距离，厶为有效折弯臂长度。 s = 1 4 ，n = 5 0 r m i n ，d = 1 2 r a m ；g = 2 7 0 n ： 其中：s 为安全系数，n 为折弯臂转速( 动刀片自重) ； m a x = 4 2 m m ，m i n = 3 2 m m ，e = 5 m m ： 其中：m a x 为凸轮行程终点，m i n 为凸轮行程起点，e 为偏心距。 2 ) 计算过程： c = 【f 孚圭4 1 8 2 1 0 4 n ，式中：c 为线材所需剪切力 m f 1 2 = g i i + c f 3 得， f，：gi,+frl3：0027x104x340+4182x104x680：5944x104nx： ， = 一= 一： ： 乞480 式中，f 为实际凸轮的作用力 m 。= f e = 5 9 4 4 x 1 0 4 n x 5 r a m = 2 9 7 2 x 1 0 5 n m m & 切= 煮盎= 1 5 5 6 k w 式中，m 。为凸轮转矩，4 切为最终剪切功率。 2 7 本章小结 本章首先对设备的加工对象进行归类，主要分为普通折弯和弹簧折弯两大类 零件。然后提出整个设备模块的组成，主要包括载料模块、校直模块、折弯模块、 1 8 第2 章线材折弯机的机械结构组成 折弯臂模块和剪切模块，并对折弯模块和折弯臂模块结构进行了仔细分析。然后 基于这种结构进行折弯和剪切的施力分析，确定了这两个轴工作时所需的功率。 在介绍完主要的模块之后，着重论述了零件的加工过程，并建立了心轴式折 弯，推弯式折弯和弹簧折弯的数学模型。接着对折弯和剪切线材所需的功率进行 了计算。这些工作为后面的编程和电机的选型做好了准备。 1 9 第3 章数控系统软件开发 数控系统软件是设备实现自动加工的核心，也是本课题的核心。数控系统软 件是一个集成了文件编辑、数值计算、运动控制、状态显示等功能的专用软件。 同时，数控系统软件的好坏直接影响数控设备操作的复杂程度，加工的可靠性以 及加工精度等各个方面，是决定数控设备整体性能好坏的重要环节【15 1 。 3 1 软件模块组成 模块化设计是丌放式数控系统的基本特征之一。通过模块化的系统结构，可 以使数控系统的建造过程象搭建积木一样简单，并使数控系统具备互换性、可伸 缩性、可移植性、互操作性和可扩展性等丌放特性，因此建造模块化的功能单元 和标准化的接口协议是建造放式数控系统的基础。按照软件工程思想中模块“功 能独立、高内聚、低耦合 0 6 原则，采用功能与数据流相结合的分析方法。将 系统大致划分为图3 1 基本模块： 图3 - 1 系统软件模块框图 在系统丌发的开始阶段，以上各模块可以单独丌发、编译、调试和测试，当 所有模块丌发完成后，将它们集成在一起就得到完整的数控系统。当数控系统的 需求有所更改时，并不需要对所有的模块进行修改，只需修改或增减相应的功能 模块，然后重新组合就可得到新的数控系统。数控系统的模块化使得其复用与重 构成为可能，从而降低了其开发的难度。下一节将对各个模块详细阐述。 第3 章数控系统软件开发 3 2 运动控制器与实时控制模块 3 2 1 运动控制器选用 运动控制器，就是利用高性能微处理器( 如d s p ) 及大规模可编程器件技术分 析实现多个伺服电机的多轴协调控制，具体就是将实现运动控制的底层软件和硬 件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功 能能通过计算机方便地调用。 目前，开放式运动控制器主要有长沙力鼎科技有限公司的m c 系列运动控 制器、固高公司的g o o g o l 运动控制器、美国d e l t at a u 公司生产的p m a c 系列运动控制器、美国g a l i l 公司的d m c 系列运动控制器、英国b a l d o r 系 列运动控制器等。 与同类控制器相比，p m a c 运动控制器具有如下优点【1 7 】： 1 ) 伺服控制精度高，并且其独特的大带宽输入特性也通常是大多数控制器 的1 0 到1 5 倍。 2 ) p m a c 的c p u 通过特定设计的门电路阵列i c ( 集成电路) 与轴进行通 讯，实时性、可靠性高。 3 ) 内置插补程序模块及p l c 程序模块通过硬件设置( 包括附件和备件) 、 参数设置、运动程序和p l c 程序的编程，p m a c 可以实现对某一特定应用场 合的特定构型。 基于以上分析，选用p m a c 多轴运动控制器作为控制系统的运动控制器。 3 2 2p m a c 卡介绍 p m a c 的全称是p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o l l e r ，即多轴运动控制器。它是 由美国d e l t at a od a t as y s t e m 公司出产的一种系列广泛，兼容性强的可编程多轴 运动控制器。 p m a c 作为一个高性能伺服运动控制器，通过m o t o r o l a 公司提供的d s p 5 6 系列数字信号处理器，以及灵活的高级语言控制多轴同时运动。 p m a c 主要有两大类七种类型的板卡【2 5 。2 7 】： p m a c i 型卡：p m a c1 p c i ，p m a c1 l i t e p c i ，p m a c1 m i n i p c i ， p m a c v m e ； 2 l 厦门人学硕l ：论文基于p m a c 数控线材折剪机的研究 p m a c i i 型卡：p m a c 2 p c i ，p m a c 2 一l i t e - p c i ，p m a c 2 - p c 10 4 ； 其中i 型卡和i i 型卡又分为t u r b o 和n o n t u r b o 系列。t u r b o 系列卡 的性能优于n o n t u r b o 系列。 因为本设备共有5 个控制轴，从满足功能使用和成本，选用t u r b op m a c c l i p p e r ( t u r b o p m a c 2 e t h l i t e ) 运动控制器并外配a c c - i p 轴扩展板以控制五 轴。t u r b op m a cc l i p p e r ( t u r b op m a c 2 - e t h l i t e ) 是一款具备全部t u r b op m a c 特征，设计用于对成本极端敏感的应用控制器。这是选择这张卡的主要原因。这 种功能强大的，但是又同时具备结构紧凑和超高性价比优点的多轴控制器，标准 版本即带有e t h e m e t ，u s b 和r s 2 3 2 通讯接口及内置i o 。c l i p p e r 控制器采用 了一颗完整的t u r b op m a c 2 系列的c p u 。该卡的硬件性能及配置如下【3 0 】： 1 ) 8 0 m h zd s p 5 6 3 0 3t u r b op m a cc p u ； 2 ) 2 5 6 k 2 4 s r a m ； 3 ) 1 m 8f l a s hm e m o r y 用于固件和用户备份； 4 ) r s 2 3 2 串口和1 0 0 m b p s e t h e r n e t 接口两种通讯方式； 5 ) 4 轴通道接口电路，每一个包括： 在板模拟量( 1 2 位) 输出； 在板脉冲加方向输出； 3 路标准编码器输入； 5 个标识号输入( 限位，回零，报警等) ，2 个标志号输出( 使能等) ； u v w t t l 1 e v e l “霍尔”输入； p i d 陷波、前馈伺服算法。 3 2 3p m a c 卡的开放性表现 一、硬件结构的丌放性【3 7 j ： 1 ) 与各种伺服系统的匹配 通过适当的参数设置和使用不同的接口卡，便可以与各种模拟或数字量的 交、直流有刷、直流无刷伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动相连，构成数控系 统的驱动部分。可与各个伺服运动控制商的伺服驱动系统相匹配。 2 ) 与各种检测原件的匹配 p m a c 可以和各种市面上流行的设备检测元件进行匹配，包括测速发电机、 第3 章数控系统软件开发 光电编码器、光栅、旋转变压器等。 3 ) 与p c 机的通讯方式 多样的通讯方式，包括总线、串口、u s b 接口和光缆接口等通讯方式。 4 ) 不同的硬件平台 同一控制软件可在不同的p m a c 系统上运行。 二、软件结构的开放性【3 8 1 1 ) 人机界面的开放性 提供了极其有效的开放软件包p e o m m 3 2 和a c t i v e x 通信控件p t a l k d t ，与 p m a c 通信交换信息只需在w i n d o w s 平台下，利用高级编程语言如v c + + ，v b ， d e l p h i 等编程环境，编程调用p c o m m 3 2 提供的函数库里的相应功能函数或使用 p t a l k d t 提供的各种事件和方法，实现p c 机与p m a c 的数据通信。编程实现 w i n d o w s 环境下的人机界面具有极大的灵活开放性。简单的说就是用户可以定制 自己的操作界面。 2 ) 数控功能的对外开放性 p m a c 提供了一套基本功能指令集合，如直线插补、圆弧插补、样条曲线插 补、增量或绝对方式运行等，可在这些基本指令基础上定制用户自己的g 代码、 m 代码数控功能。 3 ) 控制系统定制的对外开放性 p m a c 可以通过各种方式如i 变量和e n c o d e rc o n v e r s i o nt a b l e 来实现对整个 控制系统的定制，使其方便的与实际设备进行匹配。 3 2 4p m a c 卡所执行的功能 1 ) 执行运动程序 当被告知执行一个运动程序时，p m a c 一次执行程序的一个指令，进行该移 动命令( 包括非移动的任务) 的所有计算，从而为该运动的实际执行做好准备。 p m a c 总是工作在实际移动之前，它总能正确地与即将执行的动作相调和【3 9 1 。 2 ) 执行p l c 程序 运动程序的顺序特性使得它z 月匕r - 1 4 k e l 好地适应一系列的运动并相互协调其它坐 标系的动作。然而，当在执行那些不是用运动的顺序来直接协调的动作时，这些 程序就不适于做坐标系的运动。对于这些类型的任务，p m a c 提供给用户编写 厦门人学倾l ：论文基于p m a c 数控线村折弯机的研究 p l c 程序的能力。这些程序对于在运动顺序上不同步的任务是非常有用的。 3 ) 伺服环更新 对于每一个电机，p m a c 都以一个固定频率( 通常为2 k h z 左右) 对其进行伺 服更新。伺服更新工作进程是：先根据运动程序或别的运动命令得到的等式求得 要求的位置增量，然后将此与由反馈传感器读回的实际位置相比较，最后在两者 之差的基础上，发出一个输出命令使此差值变小，如此反复，直到此差值在允许 的范围内为止。 4 ) 换相更新 对于一台多相电机，p m a c 自动地以一个固定的频率( 通常9 k h z 左右) 进行 换相更新。换相更新，就是测量并估算转子磁场方向，然后再分配通过分布在电 机的不同相位的伺服更新算出的命令。 5 ) 资源管理 p m a c 会定期自动地执行资源管理的功能，以确定整个系统是否处于j 下常工 作状况。这些功能包括安全检查，看门狗计时器的更新等。如果任何的硬件或软 件的问题使这些功能不能得到执行，则看门狗计时器将会触发，从而使卡关闭。 6 ) 与主机通信 p m a c 可以在任何时间与主机通信，甚至在一个运动序列中间。p m a c 接 受一个命令，然后采取相应的动作，将命令放入一个程序缓冲区以便以后执行， 提供数据以响应主机，开始电机的移动等。如果命令是非法的，它将会向主机报 错。 7 ) 任务优先级 任务是按照优先级电路组织起来的，这样可以使它们能够得以最优化，从而 让程序能有效、安全地运行。当优先级确定以后，不同任务的执行频率可由程序 员自己控制。 3 2 5p m a c 卡的基本设置与安装 本设备选用的p m a c 与上位机的通讯方式分为两种：以太网通讯和r s 2 3 2 串口通讯。在本设备中采用以太网进行上下位机的通讯，其设置步骤如下【4 0 】： 1 ) 设置p m a c 的i p 地址，如图3 2 所示： 2 4 筇3 章敛拄系统软件* 发 c “h 二一l l 竺：等= = j i 。竞受。 ! ! = ! 望i2 ：1 ；：麟霉猫：。：盐 口 t t e ：5 s t ”e pj 啪 65 图3 2 设置p m a c 的咿地址 2 ) 设置上位机的i p 地址，如图3 - 3 所示； 常规 臻g 女靛镕2 嬲# 勰2 自警豁：“。“ 0 自& * i pm n m ) 雹凄取强碱耩。獬砸j i p 址q ) 1 b9 4 1 子雕日 2 5 52 2 5 50 呲阿若m ) 图3 - 3 上位机i p 设置 3 1 上下位机的通讯 正确设簧上下位机的i p 之后，它们的通讯由p m a c 自带的二次开发软件 p e w i n 3 2 p r o 完成。如图3 - 4 所示： 露甲臀曩燕盔隧- _ | ；= ：l ；：器 图3 - 4 p m a c 设备选择 卑= 型 厦门人学聊l 论i 摹于p m a c 数掩线利折巧帆的 宄 固3 - 5 通讯成功 当出现如罔3 - 5 所示提示框的时候，表示p m a c 与上位机之问的通讯设置已 经完成，p m a c 可以接受来自上位机的指令。 3 2 6p m a c 的软件资源 在丌始实现各个模块之前。有必要对p m a c 的软件资源做一个整体的了解， 这是各个系统实时控制模块实现的基础 引。 1 ) 内存地址表 p m a c 的内存地址衷如图3 - 6 所示： 图3 6p m a c 内存示意罔 每个总线存取1 6 位的地址空间，从0 0 0 0 h f f f f h 共有6 5 5 3 6 个2 4 位字。 条总线及地址空间被叫做“x ”，另一条被叫做”y ”。所以要指定一个单字的内 第3 章数控系统软件开发 存