自动二维弯管机控制系统设计

1、0000000大学毕业设计（论文）000000000 大 学毕业设计说明书 题 目 自动二维弯管机 学 院 机电工程学院 专业班级 学生姓名 指导教师 成 绩年 月 日Abstract This paper is divided into three chapters,the first is introduction part,elaborated the domestic status of pipe bending machine,mainly introduces China's bending machine development,and some foreign coun

2、tries and the gap in this respectIn China ;The second chapter mechanical system design part;Elaborated the working principle of bending machine, mechanism analysis, and the transmission system and the implementation of the system work quality check, and a bending process analysis;The third chapter e

3、xpounds the analysis of control system, hydraulic system and electrical system design and calculation, and the hydraulic system design and requirements, basic composition, characteristics of electrical system, sensor selection and design.Key word: Bending machine; Transmission system; Execution syst

4、em; Sensor摘 要本文分为三章，第一章绪论部分，阐述了弯管机的国内现状，主要介绍了我国的弯管机的发展情况，以及我国和国外一些国家在这方面的差距；第二章机械系统设计部分，阐述了弯管机的工作原理、机构分析、以及传动系统和执行系统工作时的质量校核，以及弯曲过程的分析；第三章控制系统的分析，阐述了液压系统和电气系统的设计计算，以及液压系统的设计思想及要求、基本组成、特点等，电气系统方面传感器的选择与设计。关键词：弯管机； 传动系统；执行系统；传感器 自动二维弯管机控制系统设计第1章 绪论 弯管机的发展与计算机技术的发展息息相关，早在20世纪70年代时，美国 EATONLEONARD公司就已经研

5、制生产了计算机数控弯管设备，首创计算机编程数控弯管之先河，大大提高了当时的数控弯管水平。从国际上来看，弯管机的发展已有一段历史，达到了一定的水平，其中处于高水平阶段的单位公司有：意大利的BLMGROUP、博利马机械设备有限公司、意图奇国际有限公司等等，其中意大利的BLMGROUP作为世界最大的管材加工设备的生产商之一，其产品遍布全球航天，汽车，空调，夹具等行业，其产品包括：数控弯管机。管端成型机，激光切割机，其中数控弯管机是在弯管机行业起着领头的地位，技术水品很高。为适应用户的对管加工机床功能、精度及效率的要求，意大利的博利马公司推出了当代代表弯管机最高水平的全电动数控弯管机，他们最大的加工管

6、径分别为76mm及90mm，可以实现最小弯管半径小于。20世纪 80年代，10mm。日本千代田工业株式会社在美国 EATONLEONARD公司的研究成果上，成功研制了 M-1型管型测量机和 EC、TC两种系列十多种型号的数控弯管机，功能非常强大，很快便以崭新的技术面貌挤入了国际市场。我国的数控弯管机研究起步较晚，但发展很快，早在 1970年武昌造船厂就研制成功一台数控弯管机，这是国内自主研制的第一台数控弯管机。1973年武昌造船厂又成功研制了 SKWG-2型数控弯管机。此后上海造船厂工艺研究所等多家国内企业也陆续研制出了数控弯管机。目前我国弯管加工的现状是既有自动化程度高的数控弯管机，也有半自

7、动的数控弯管机，甚至还有相当一部分中小企业还在使用传统的手工弯管，具有典型的“老、中、青”(即手工弯管设备、半自动弯管机床和全自动弯管机床)三者结合的中国特色。图一 机械式弯管机的外观图我国的液压管类加工机械行业液压弯管机还没有年产值达10亿元以上的企业，即使是年产值超过5亿元的企业也屈指可数，所以中国荟萃了很多中小弯管机企业，统一发展水平的起跑线上，产品线是竞争力的一个特征。液压管类加工机械主要出产产品：弯管机、液压弯管机、数控弯管机、全自动弯管机、切管机、圆钜机、全自动切管机、缩管机、管端成型机、滚圆机、磨齿机液压油缸等等。公司雄厚的技术实力，LCX罗茨泵一套完整的检修设备，是国家质量信得

8、过产品。大型冷弯管机的研制成功，使我国化工行业大口径高压管进行冷弯管加工成为可能。此外，公司自主研制的大口径弯管机价格、小弯曲半径推拉式冷弯弯管机为化工炼油渣油加氢装置及其他大口径、特种材质管道实施管道工厂化施工，提供了有力的装备保证。公司推广的管道工厂化技术、将管道按管线图在工厂制作完成，到实施安装，减少焊缝80左右，不仅降低了成本，还提高了施工质量，而且大大缩短了工期。第2章 机械部分设计设计题目：自动二维弯管机设计设计任务：完成二维弯管机的设计主要设计参数：30*30mm矩形管，壁厚1.7mm,弯曲最大管长3000mm,弯曲速度0.5m，弯曲最小半径200mm。课题内容：1、弯管机的方案

9、设计，设计两种以上的结构方案，比较后确定最终方案；2、传动零件设计和校核；3、执行零件的的设计和校核。2.1 轨迹形成过程分析钢管的弯曲角度不同，图2-1演示了靠轮、动滚轮以定滚轮的圆心为圆心 图2-1 弯制轨迹弧段产生过程分别转A角、C角时曲率半径的变化。首先当动滚轮和定滚轮的圆心连线与矩形管平行时, 也就是说, 对矩形管不施外力, 在此种情况下, 把矩形管推出来, 仍是直的, 可以认为其为半径无穷大的圆, 即弯曲半径R1的值即为无穷大; 当逐渐顺时针转动, 则半径会交于过定滚轮圆心与矩形管垂直的垂线上(因动滚轮圆心与定滚轮圆心水平距离很小, 可近似认为垂线为弯制圆的圆心会合点) ; 可知转

10、A角对应的是与切线垂直的半径。不难看出, 随转角增大, 半径却逐渐减小, 直至其极限位置的最小半径; 最小半径对应值如何取? 当动滚轮与定滚轮外圆相切时, 极限值为最小半径的值, 如图2中半径为R; 如果矩形管的宽度等于图1 中滚轮主视图尺寸2W 时(此处假设定滚轮也取W ) , 则最小半径的值等于定滚轮的中间轴半径。中间轴半径的最小半径设置依矩形管壁厚及壁高而定。同时上述分析便于分析各段轨迹的变化过程。靠轮由于受到向外的力而导致其以定滚轮 的圆心为圆心向外转动, 动滚轮亦随之向外转动, 半径逐渐减小;弧度管的弯制除受靠轮尺寸变化影响外, 还要受其自身材质差异的左右; 对于相同材质的矩形管,

11、只要靠轮尺寸形状不变, 在同等推力下, 其形成的弧度管的曲率半径应是相近似的; 但在实际生产中不同时期、不同批次或从不同厂家进来的矩形管, 其材质都有不同程度的变化, 有的材质相差较大, 这就给弯制带来问题。由金属工艺学方面的知识可知, 不同材质的矩形管, 其强度、硬度等性能不同, 导致其受弯力后弹性变形亦不同, 当矩形管被弯制的部位离开滚轮后(外力去处) , 由于弹性变形的存在, 弧度管会略微回弹(回弹角依材质不同一般为0 10°范围内) , 即向外展. 图2-2 管件的弯曲对弧度管来说, 其回弹力(导致弧度管向外展的力) 不同, 弯制的结果弧度大小亦不同。回弹主要是材料卸载后遵循

12、虎克定律产生弹性变形引起的，管材上应力、应变分布不均匀则是产生回复内应力的根本原因。客车骨架大多应用高强矩形管件，高强钢的弯曲回弹严重影响了弯曲精度的提高，很多研究人员在模拟复杂成型件的回弹过程方面作了大量工作，但对于回弹控制补偿的实施，还缺乏成熟的软件系统。怎样解决这个问题呢?由上面轨迹形成分析可知: 当靠轮半径逐渐增大,此时对应点弯制的弧度管半径逐渐变小。 反之, 则外展。 如加厚此点, 则此时对应点弯制的弧度管半径变小。反之,则外展。因此要把不同材质矩形管的回弹角度考虑进去, 以便得到相对准确的弯制弧度。弯制输出的弧度管的弧度要适当内敛, 既可抵消回弹, 又便于校形; 靠轮半径的变化比较

13、适合改变弧度管的整体弧度大小。在数控弯管机控制设计中，根据管材璧厚、材料硬度、弯曲件弯点半径等，采用简化算法并结合现场经验进行回弹补偿，在根据前几根实际弯曲管件与样板对比修改控制曲线，有效控制与样板的最大贴合误差，能够满足车生产需要。2.2 二维弯管机工作原理其工作原理为: 为了减少弯曲质量缺陷，如图2-1所示，该弯管机采取了以下措施：采用可移动的动静轮结构；采用组合式弯管轮；根据管料弯曲后形状设计型胎轮结构；采用可移式触头随机调节弯曲角度。通过上述措施，有效的降低了管料弯曲时的质量缺陷。机械式弯管机工作过程如图2-2所示，将管料放置在管料垫板16上，一端使用拉料销15固定一端从弯曲型胎轮7与

14、8中间穿过，管料用压板10、12、13将其固定。启动电源开关后通过带传动将电机扭矩传递到齿轮5上。齿轮5通过齿轮啮合带动齿轮9传动，弯曲型胎轮7、8与型胎轮支撑板6一起固定在齿轮9的轮轴上，在齿轮9的旋转带动下，型胎轮7与8拉动管料进行弯曲。可移式触头根据管料弯曲的角度进行调整，调整角度a。等于弯曲角度a：，为防止管料弯曲后回弹，Ot。可略大于a：。当触头2与限位开关4接触后，电机停转，弯管结束。按动电机反转按钮，齿轮9反转，当支撑板6转过管料弯曲中心后，按电机停止按钮，拔除拉15，打开压板10、12、13，可将管件取下。图2-3 弯管机机构简图1管料2可移式触头3导线4限位开关5齿轮6支撑板

15、7弯曲型胎轮8弯曲型胎轮9齿轮lO压板11挡块12压板13压板14挡块15拉料销16垫板2.3 二维弯管机设计及其机构分析根据工作原理及整体设计思想，该弯管机的尺寸为84009301500mm，采用单液压缸控制顶镦、双液压缸控制弯曲滚轮，电机功率7.5KW，液压泵额定压力10MPA，最大压力为12MPA，摆动轮架最大摆角13度，质量3.5吨.2.3.1 二维弯管机结构组成（1）机身由底座、滑块、上下压板以及滑块油缸组成，固定在前后上支座上，滑块在底座中的往复运动靠滑块油缸的推拉来实现，滑块左端装有上料支架和带有顶头的调节器，位置可前后调整并用插销定位；后端装有顶料支架，其前端孔中装有与弯曲管材

16、截面相同尺寸孔型的顶端，通过插入盘中的顶料杆推动管料向前运动。（2）滚弯机构由摆动滚轮架，弯曲动轮，固定轮，轮轴，顶杆以及弯曲动轮油缸组成，通过计算机控制弯曲动轮油缸伸缩，推动摆动滚轮架中的弯曲轮压向管件，在一个工件上实现不同曲率半径的弯曲，拔出轮轴，换上不同槽形的滚轮，可实现不同截面形状工件的弯曲。（3）尾架由芯轴和芯轴轴套组成，固定在机身上，调节芯头位置，位移量可有轴套上的标尺读出。（4）动力结构为液压站，由油箱电机，液压泵，电液伺服阀及换向阀等组成，它产生和分配工作液压，从而使机器实现各种动作的机构。2.3.2 二维弯管机弯管过程弯管形成过程如图2-4所示。图2-4 弯曲矩形钢管成型过程

17、1 动滚轮 2 靠滚轮 3 定滚轮 4 矩形管图2-4是弯制开始时的状态，此时，动滚轮1的位移为零，弧度管没有变形，可以认为半径为无穷大，如果在这种状态下将矩形管顶出则矩形管没有任何变形；表明弧度形成的过程。动滚轮1由起始位置A伸长达到位置B，对矩形管产生挤压使其发生变形。此时，若顶镦油缸不断运动，则矩形管会形成一个半径一定的圆弧。为了能够精确的弯制出预定弧度，必须知道弯曲油缸的伸长量与弧度管的曲率半径具体的对应关系。 由于动滚轮与靠滚轮是通过连杆铰接的，动滚轮1在弯曲油缸的推动下，以靠滚轮为圆心，动滚轮圆心到靠滚轮圆心的距离为半径形成圆周运动。A到B的直线距离近似弯曲油缸的伸长量，随着弯曲油

18、缸伸长量的变化，矩形管与动滚轮1和定滚轮2的相切线段的切点和斜率也都随之变化，切点由原始位置的E点、F点变化到G点、H点。在此过程中，弯曲油缸伸长量是已知量，并且是固定值，因此，在如图坐标系当中动滚轮圆心B点位置可以计算得出，而定滚轮圆心坐标、半径均已知，所以两圆的公切线段的方程式、点坐标、点坐标均可以求出，则对应的圆弧方程即可得出。至此，我们就可以得出对应于Y缸任意伸长量下的矩形管圆弧弧度、半径等信息。 弯曲油缸伸长曲线与弧度管曲线的对应关系可以看出，O-A段对应的是弧度管曲线的曲线弧度逐渐增大的过程，A-B段是弧度管曲线保持一定弧度不变的过程，在弯曲油缸伸长曲线当中对应着弯曲缸伸长量不变的

19、过程，B-C段曲线的弧度逐渐变小，最后在C点目标曲线为直线段即C-D段，而D-E-F-G段，又是弧度逐渐增大、保持、减小直至弯曲缸回到原位的过程。由以上分析可以清楚地看出，弧度管的各段曲率的变化完全可以由计算机通过控制弯曲油缸伸长曲线精确实现。我们通过在计算机上修改“靠模”曲线的方式就可以方便的实现多种曲率的弧度管的输出。计算机上进行曲线的输入和更改都很方便快捷，完全摆脱了那种以往的依靠模具进行加工的生产方式，极大的提高了生产效率，节省了生产成本。2.3.3 二维弯管机机械部分计算1.计算弯曲力矩的方法： 式中B为弯曲件周长（管料截面周长）；r为弯曲件内弯半径，t为壁厚，为材料抗弯强度；K为安

20、全系数 K=2.5 r=200mm t=1.7mm =450Mpa B=304=120mm F=1354.016 N设与工作轴相连的齿轮直径为200mm，所以弯曲管料所需扭矩为： M=FL=1354.0160.2=270.8 N.m2弯曲滚轮的设计设计如图所示：3. 连接弯曲轮的轴的设计(1）轴的分析简图（剪力、弯矩图）截面AB段分析： 则 ( )截面BC段分析同上 其中 则 所以： 则该轴的弯矩、剪力图如下：（2）轴的材料选取 选取45钢，硬度200HB，抗弯强度，屈服点，弯曲疲劳极限，许用疲劳应力。（3）校核轴的疲劳强度抗弯截面模量： 抗扭截面模量： 轴的弯曲应力幅： 由以上危险截面计算结

21、果表明，轴的疲劳强度足够。4.轴承材料的选择轴承的压强则查机械设计设计手册，滑动轴承的选择表11-33得：轴承的材料为轴承合金。5.固定顶料支架螺栓的校核 当管弯曲的最大角度达到60°时，设顶料支架受的力为(1)螺栓组受力分析每个螺栓所受的横向工作剪力为： 假设各螺栓所需要的预紧力均为，螺栓数目Z=4，则其平衡条件为f 由此得预紧力为 式中：f接合面的摩擦系数，则机械设计书表5-5 i接合面数 防滑系数，=1.11.3。则=(2)螺栓连接强度计算： 由公式式中： 螺栓的预紧力 危险截面直径则则查机械设计手册根据表(GB/T3098.1-2000)选用螺栓性能等级为3.6的即可。第3章

22、 电气及液压部分设计与计算一部完备的机器都是有原动机、传动装置和工作机三部分组成。原动机是机器的动力源；工作机是机器直接对外做功的部分；而传动装置则是设置在原动机和工作机之间的部分，用于实现动力的传递、转换与控制，以满足工作机对力、工作速度及位置要求。3.1 液压传动系统的设计计算3.1.1 液压系统工作原理及要求工作原理:图3-1所示为液压传动的简易挤压及其等效简化模型。如图所示，小液压缸10与排油单向阀3、吸油单向阀4一起构成手动液压泵，完成吸油与排油。当向上抬起杠杆时，手动液压泵的小活塞1向上运动，小活塞的下部容腔a的容积增大形成局部真空，致使排油单向阀3关闭，油箱8中的油液在大气压作用

23、下经吸油管道5顶开吸油单向阀4进入a腔。当大活塞2在力F1作用下向下运动时，a腔的容积减小，油液因受挤压，故压力升高，于是，被挤压出的液体将吸油单向阀4关闭，而将排油单向阀3顶开，经排油管道6进入大液压缸11的容腔b，推动大活塞2上移挤压工件（负载F2）。手摇泵的小活塞1不断上下往复运动，工件逐渐被压扁。当工件挤压到所需形状后，停止小活塞1的运动，则大液压缸11的b腔内油液压力将使排油单向阀3关闭，b腔内的液体被封死，大活塞2连同工件一起被闭锁不动。此时，截止阀9关闭。如果打开截止阀9，则大液压缸11的b腔内液体便经回油管道7排回油箱8，于是大活塞2将在自重作用下下移回复到原始位置。根据设计任

24、务书和钢管弯曲变形机理确定设计要求: 采用轴向带顶镦装置的机械冷弯方式来弯制小弯曲管件，使管子在弯曲变形过程中受到轴向的推力, 进入弯管机内的钢管由顶镦夹块夹紧。弯管模合模后, 由液压执行器带动弯管模旋转弯管。在弯管过程中, 钢管要始终与顶镦速度和弯管速度、顶镦力(顶镦施加钢管的轴向推力) 和弯管角度之间必须满足一定的关系, 以确保弯管的质量。要求所设计的液压系统工作稳定可靠、起动平稳; 能进行连续弯管轨迹控制; 油路简洁、便于集中操作和实现自动化。图3-1 液压传动工作原理3.1.2 液压系统的基本组成及其功能液压传动与控制的机械设备或装置中，其液压系统大部分使用具有连续流动性的液压油等工作

25、介质，通过液压泵将驱动泵的原动机的机械能转换成液体的压力能，经过压力、流量、方向等各种控制阀，送至执行器中，转换为机械能去驱动负载。这样的液压系统一般是由动力源、执行器、控制阀、液压辅助件及液压工作介质等几部分所组成，各部分的功能作用见表1-1.3.1.3 液压系统的特点（1）弯管轴和顶镦轴采用电液伺服控制, 控制精度高、响应快, 实现了弯管和顶镦之间的柔性匹配,保证了产品质量。（2） 在液压夹紧回路中, 广泛采用电液换向阀、单向减压阀、单向节流阀和液控单向阀, 确保了夹块对钢管的夹紧力, 使系统运动平稳、起动时无冲击、工作可靠。（3）采用恒压变量泵和先进的冷却装置, 使油温控制在15

26、6;C35°C 之间, 有利于机床性能的改善和控制精度的提高。（4）液压控制阀均采用集成块连接的方式, 缩小液压系统体积, 减少油管及管接头数目, 使结构紧凑、检修方便。（5）该系统有液压故障发信装置, 如油温、油压、油位过高或过低, 过滤器堵塞等, 系统均能发信, 以提醒操作者, 确保系统工作安全。（6）整个液压系统均采用国产元件, 与国外同类系统相比, 技术上有所创新和突破, 且性能造价比高（7）该液压系统，电器控制系统合理， 工作可靠，其主要因素之一在于，根据工作机构要求，将机电液三部分有机的结合起来，以取得良好设计制造效果，其中液压系统设计除了与电气控制结合在一起考虑外，应用

27、力学知识对机构工作过程中压力变化情况进行分析，对速度进行恰当计算，从而设计出可行而且性价比很高的液压系统，机构紧凑，属于一种高效节能的实用型机械。3.1.4 液压缸主要尺寸的计算1.上料液压缸的计算（1）液压缸工作压力的确定液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可用类比法来确定。在这个设计题目中，根据弯管机的主要性能参数，确定额定工作压力为10MPA。最大工作压力为12MPA。根据压力，在机械设计手册可以查出匹配的液压泵以及电动机。（2）活塞杆直径的确定题目中已经给出了顶镦液压缸的最大行程为3米，因此设定活塞杆的长

28、度为.5米。题中已知条件给出系统的最大压力是，因此对活塞杆进行校核，反求出活塞杆的最小直径。活塞杆的材料选择Q235钢。校核活塞杆的稳定性因为活塞杆受压力，存在稳定性问题，首先计算柔度。已知： 柔度：临界力：Q235钢：导出：校核强度 令，查表得。因此有：。由此导出：。根据GB，选取活塞杆直径为。（3）活塞尺寸确定因为该弯管机的设备压力，所以初算时候系统的背压可以忽略不计，按照液压缸的工作压力选择液压缸内径和活塞杆直径的比例，因此活塞的直径为，因此活塞直径确定为。活塞的厚度，取。（4）液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄出的厚度。从材料

29、力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力的分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径与其壁厚的比值的称为薄壁圆筒，起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。式中-液压缸壁厚；D-液压缸内径；-试验压力，一般取工作压力的倍;-缸筒材料的许用压力。其值为：锻钢：；铸钢：；无缝钢管：；高强度铸铁：灰铸铁：。该液压缸选择无缝钢管材料，取。；。将已知数据带入公式得：，因此取。因此，液压缸的外径为：。1） 缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可以用下面的公式进行近似计算。因此，取缸盖厚度为。2

30、） 最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到缸盖滑动支撑面中点的距离H称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时务必保证一个最小导向长度。对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求式中-液压缸的最大行程；-液压缸的内径。该液压缸取。2.弯曲液压缸的计算（1）活塞杆直径的确定取活塞杆长度为130mm已知： 柔度：临界力：Q235钢：导出：校核强度 令，查表得。因此有：。由此导出：。根据GB，选取活塞杆直径为。（2）活塞尺寸确定因为该弯管机的设备压力，所以初算时候系统的背压可以忽略不计，按照液压缸的工作压力选择液压缸内径和活塞杆直

31、径的比例，因此活塞的直径为，因此活塞直径确定为。活塞的厚度，取（3）液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄出的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力的分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径与其壁厚的比值的称为薄壁圆筒，起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。式中-液压缸壁厚；D-液压缸内径；-试验压力，一般取工作压力的倍;-缸筒材料的许用压力。其值为：锻钢：；铸钢：；无缝钢管：；高强度铸铁：灰铸铁：。该液压缸选择无缝钢管材料，取。

32、；。将已知数据带入公式得：，因此取。因此，液压缸的外径为：。3） 缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可以用下面的公式进行近似计算。因此，取缸盖厚度为。4） 最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到缸盖滑动支撑面中点的距离H称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时务必保证一个最小导向长度。对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求式中-液压缸的最大行程；-液压缸的内径。该液压缸取。3.2 电气方面的有关设计及应用通过以上的分析，可以得出，要想精确控制弯管的形状和质量，必须有精确的控制系统，该系统可以通

33、过控制电流的大小来改变伺服阀中油的流量大小，从而控制油缸的伸长量以及运动速度，来控制矩形管的形状，同时，必须有相应的传感器接入电气控制系统中，选取光电编码器安装在滑轨上，通过感应滑轨与滚弯机构的距离，可以控制顶镦油缸的速度和位置；在弯曲油缸的活塞杆中安装位移传感器，通过工控PC机来控制精确的弯曲位移，经过设计与查询有关资料，控制系统总图如图3-2所示。图3-2 弯管机控制系统总图首先由计算机生成控制目标曲线，通过对每一点的弯曲油缸的伸长量和顶镦油缸的伸出速度进行的精确计算处理，经过D/A转换成为模拟信号，在控制器经过电流放大、颤震信号、PWM处理后控制伺服阀（液压缸伸出的速度与伺服阀控制电流成

34、正比）由此控制液压缸动作。首先，对于顶镦油缸控制回路，顶镦油缸的位置和速度由光电脉冲传感器检测并转换为相应的数字脉冲信号反馈给计算机，由计算机进行顶镦油缸速度和位置的监测、控制。由于管件由多弧段组成，在小半径段，自动降低顶镦油缸推进速度；为提高效率，在大半径段自动提高顶镦油缸推进速度。其次对于弯曲油缸控制回路，弯曲油缸伸长量由位移传感器检测并转化为相应的电压信号。一方面，直接反馈到控制器实现对油缸位置的模拟PID的位置闭环控制。同时，将此信号经过A/D转换后传给计算机，实现对弯曲油缸的多环路串级伺服控制。计算机在采集弯曲、顶镦油缸信号进行控制的同时对传回的两路信号在显示器进行动态显示，直观显示

35、理想曲线与实际弯管曲线（不同颜色）差异，使操作者能够更加直观、更加方便的监视弯管机工作状态、弯管进程、理想曲线和实际曲线重合度等。3.2.1 电液伺服控制系统硬件结构组成控制系统对于不同的制管要求和需要的弯曲力矩不同, 有全伺服电机控制、全液压控制和液压2电机混合控制。由于电液控制系统具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大、结构紧凑及功率质量比大等优点 , 在大量的数控弯管机系统中, 主要采用电液比例阀或电液伺服阀来产生弯曲力矩, 从而准确地控制弯管的角度。电液伺服阀控制系统由以下部分组成: 基于工业PC 数控系统主模块、数模转换卡、计数器定时器卡、数据采集卡，伺服放大器、电液伺

36、服阀以及执行机构, 电液伺服阀控制系统硬件结构框图, 如图3-3所示。 图3-3 电液伺服阀控制系统硬件结构图（1）基于工业PC 数控系统主模块为加工二维弯管完成动作, 数控弯管机数控系统必须实现2个轴坐标运动控制。通过运动控制卡向伺服控制单元发送频率可变的脉冲, 从而准确地控制伺服电机的运动速度和移动位置, 通过输入输出卡来控制外设的开关信号, 运动控制卡和输入输出卡都插在IPC 的扩展插槽上。系统的核心在于弯曲动作的实现, 它是由电液伺服控制系统中的电液伺服阀来完成的。在对伺服阀的控制中, 采用了PID控制算法来实现电液伺服阀的精确控制, 控制算法中的大量计算由具有强大计算功能的工业PC机

37、来完成。（2）数模转换(D/A )PC-7484板是为了工业PC机或PC兼容机设计的一种多功能综合接口板。板上有12位单端16路/差分或8路A/D输入、4路12位独立D/A电压电流输出、16路开关量输入/输出、3路脉冲记数/定时中断等多项功能。本板适用于各种工业现场的数据测量及控制，集成度高，功能强大，可靠性好，数据采集稳定，且价格低廉，符合PC总线标准，以中断或查询方式工作，占有连续16个I/O口地址。A/D转换芯片采用高性能的AD1674芯片，D/A芯片采用DA7625，A/D、D/A芯片有多量程、单双极性输入输出，DC电源隔离模块给模拟器件供电，从而进一步提高了可靠性。PC-7484模拟

38、量输入输出及脉冲信号有孔头接入，通过改变跳线器就可以选择A/D、D/A不同的电压输入输出范围。16路开关量输入输出信号由IDC接头连接，输入输出为TTL电平，占用16个I/O端口地址，可采用查询或中断方式工作。D/A 转换器, 主要由参考源、电阻网络、开关电路和输出运算放大器组成。它是一种译码电路, 其输入是数字量, 输出是模拟量。电液伺服阀是利用电流信号来控制大功率的液压能工作, 从而驱动液压缸动作。为了控制弯管速度, 就要改变伺服阀的流量, 从而必须改变输入伺服阀的电压信号。选用PC-7484 数模转换(D/A ) 卡来实现数字量向电压信号的转换, 它是双通道、双极性、分辨率为12 位的D

39、/A卡, 插在工控机主板上的ISA 扩展槽上, 通过改变输入D/A 卡的12 位数字量来改变输出给伺服阀的电流信号。采用DAC7625，该芯片转换时间短，工作稳定，可靠性高。DAC7625内含4路独立D/A，芯片内部具有上电自动清零电路，可实现单/双极性清零。控制电路选中哪路D/A，该D/A即从数据线上读取数据并启动D/A开始转换，经过运放输出。主要参数性能如下：输出通道：独立4路输出信号范围：电压方式：0-5V；0-10V；V，V电流方式：4-20mA输出阻抗：2D/A转换器件：DAC7625D/A转换分辨率：12位D/A转换码制：二进制原码（单极性） 二进制偏移码（双极性） D/A转换时间

40、：1us D/A转换综合误差：电压方式：0.2%FSR 电流方式：1%FSR 电压输出方式负载能力：5mA/每路 电流输出方式负载电阻范围：400 I/O地址：304-30BH 图3-4 DA7625管脚图（3）计数器定时器为了能够完全满足数控弯管机的弯管工艺要求, 必须对弯曲角度进行实时的跟踪, 并对弯管速度和角度进行控制, 从而最大限度的克服弯管材料的反弹以及机械部分对弯曲角度的影响。为此,在弯曲轴上安装了一个位移编码器, 位移编码器是一种脉冲形式输出的传感器, 常用于位置和位移检测系统。为了能够在高精度的时间内获得对编码器输出的脉冲进行准确的计数, 从而获得当前的弯曲角度和速度, 采用计

41、数器定时器卡PC-7484 来定时采集编码器输出的脉冲数。板上使用一片8253提供3通道16位字长定时/计数器，由于有光电隔离器件，计数脉冲频率范围为0-25KHz，当用于脉冲计数时，三路脉冲信号由接口输入，经过限流电阻和光电隔离芯片后进入8253，由于有光电隔离器件，对干扰有效脉冲信号的早声可起消除作用，提高了可靠性，但降低了脉冲频率的计数范围，约为每秒0-25KHz。用于脉冲计数方式时，跳线都断开，当用于定时中断方式时，有内部1MHz晶振提供时钟。它们既可以单通道使用，也可以通过板上跳线器多通道级联使用。同时定时器输出也可通过跳线器接到总线的中断信号上，用于定时中断控制。当用于定时器时，脉

42、冲计数占用4个地址。（4）伺服放大器PCL7484 板将- 5V + 5 V 的双极性电压送给伺服放大器, 经放大后去驱动电液伺服阀。随着伺服放大器输入的电压的不同, 输出的电流也不同, 伺服阀阀口的开度随之发生变化, 从而控制进入弯曲油缸的流量。这样, 就可以对弯管速度和角度进行控制。伺服放大器与电液伺服阀及油缸一起, 组成性能优良的位置、速度、加速度、流量及力等闭环控制系统。同时,通过伺服放大器, 能够调整伺服阀的增溢、零漂及扰动。3.2.2 PID控制算法及在伺服系统的功能在连续- 时间的控制系统中, PID 算法因其结构灵活、参数整定方便、设计成熟等, 从而被成功地应用在工业过程控制中

43、。PID 调节的实质是根据输入的偏差值, 按比例、积分、微分的函数关系进行运算, 其运算结果用于输出控制。在一般的PID 控制系统中, 数字调节器的输入是执行机构所能达到的位置, 数字调节器的输出与过去的状态有关。在模拟系统中, PID 算法的表达式为式中P ( t) 调节器的输出信号K p 调节器的比例系数T i 调节器的积分时间T d 调节器的微分时间e (t) 调节器的偏差信号, 它等于测量值与给定值之差在工业过程控制中, 这种模拟PID调节器有电动、液动和气动等多种类型, 是用硬件来实现PID调节规律的。目前, 用计算机软件(包括PLC的指令) 来实现PID 调节算法不但成为了可能,而

44、且具有更大的灵活性。由于计算机控制是一种采样控制, 它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量, 因此,式中的积分和微分项无法直接准确计算, 只能用数值计算的方法逐步逼近。在采样时刻t= iT (T 为采样周期),式所示PID调节规律可通过下面数值公式近似计算。如果采样周期T 取得足够小, 这种逼近可相当准确, 被控过程与连续控制过程非常接近, 这种情况被称为“准连续控制”。在电液伺服阀的控制系统中, 伺服放大器被看着是一个比例环节; 在液压回路中, 由于油液体积会产生变化, 主油路中应有一个积分环节。比例调节器(简称P) 对于偏差能即时反应, 并立即产生控制作用, 从而减少误差, 控制作用的强弱由

45、比例系数K 来调节, 但比例控制不能消除稳态静差, 随着比例系数K 的加大, 会引起系统的不稳定。为此, 引入了积分调节器(简称I) 来消除比例调节中的静差, 只要有足够的时间, 积分控制将能完全消除误差, 积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡。微分控制可以克服振荡, 使系统的稳定性提高。在伺服阀控制过程中, PI调节减小了静差, 提高了系统的稳定性, 但降低了控制系统的响应速度。为了加快系统的响应速度、减小超调时间、改善系统的动态性能, 在伺服阀控制中加入了微分环节(简称D) , 克服系统的振荡,使系统更加稳定。增量式PID 算法采用增量式PID 算法来实现伺服阀的控制,增量式P

46、ID算法的表达式为：其中，；，K为比例放大系数。由式可见, 增量式算法只要保持当前时刻的前3 个时刻的偏差量即可，下面给出增量式PID 算法在伺服控制系统中的流程图, 如图11 所示。在初始化时, 先要调整好A、B 、C 3 个参数, 设定初值w , 实际值为y (i) 。增量式PID算法具有如下优点: 计算机输出增量, 所以误动作时的影响小, 必要时可以通过逻辑判断来消除; 手动和自动切换时冲击小,可实现无扰动切换; 算式中增量只与最近3次的采样值有关, 不需要累加, 能更好地用加权处理获得较好的控制效果。该电液伺服控制系统采用增量式PID算法后,能够准确地实现弯曲角度的控制。增量式PID

47、算法的实现。算法实现的基本思想是,在伺服阀控制系统中, 选用了编码器, 它输出的是+5V的脉冲信号, 可以直接和计算机接口相连, 由于选用了PC-7484 计数器定时器卡, 可以直接计算出脉冲数, 从而数控系统通过PC-7484卡的输入端口获得实际角度值后, 与系统设定值进行比较相减获得一个差值, 然后按一定的控制算法处理该差值, 得到系统控制信号的数字量, 此数字量经计算机后, 经D/A 转换为控制伺服阀的模拟信号。该模拟信号经放大器放大后, 控制伺服阀的开口度的大小, 来控制系统的流量, 从而控制弯曲油缸活塞的运动速度, 最终实现弯曲轴弯管角度的控制。为了能更准确的实现对阀的控制, 先将电

48、液伺服阀控制系统中的伺服阀和弯曲油缸建立数学模型, 由于伺服阀的频宽与执行部分液压固有频率相近, 则伺服阀的传递函数为：其中,为伺服阀的流量增溢，为伺服阀的周期; 为伺服阀的阻尼系数。弯曲油缸的传递函数为：其中,为液压缸面积；为液压固有频率; 为液压阻尼比。伺服阀控制系统的框图如图3-6所示。选择的电液伺服阀具有性能稳定、频率响应好、可靠性高以及调整维护简便等优点。框图中的伺服阀传递函数W sv (S ) 和弯曲油缸传递函数W (S ) 分别由下式确定：图3-6电液伺服阀控制系统传递函数框图通过计算, 获得了PID算法的3个参数 , 用计算机完成控制过程中后台的计算。通过实验分析和仿真, 采用

49、PID算法和无PID 算法系统对阶跃输入的响应曲线如图4所示。结果表明, 采用PID算法后, 系统的响应特性和动态性能有了明显的改善。电液伺服阀是数控弯管机控制系统的关键部件, 对它能否准确、高效实时控制, 直接影响到工件的加工质量和生产效率。通过采用增量式PID控制算法,经济、可靠地实现了在恒压力下对电液伺服阀的控制, 且在客车生产集团的实际生产中取得了较好的效果3.2.3 A/D转换电路的设计思想 对于弯曲油缸控制回路，弯曲油缸伸长量由位移传感器检测并转化为相应的电压信号。一方面，直接反馈到控制器实现对油缸位置的模拟PID的位置闭环控制。同时，将此信号经过A/D转换后传给计算机，实现对弯曲

50、油缸的多环路串级伺服控制，传感器检测到的连续模拟信号经过信号调理放大后必须转换成数字信号，才能输入到单片微机中进行数据处理。A/D转换器是数据采集系统的核心，常用的是积分型(Integrating),逐次逼近型(Successive Approximation)、并行型和计数比较型。积分型A/D转换器应用于低速的情况，逐次逼近型ADC应用于较高速数据采集以及要求高稍确度的场合。A/D转换器的转换速度和分辨率是数据采集速度和精度的决定性因素，我们在系统总体设计中提出单通道采样最高频率为10KHz，而且在低速采样时精度要求达到0.1%，目前，随着大规模集成电路工艺的发展，市场上己经出现了各种专用的

51、数据采集系统芯片。由于高性能A/D转换器一般的价格都比较昂贵，因此根据数据采集器设计的实际分辨率、转换速度、精度以及价格因素决定采用工业中常用的逐次逼近型A/D转换器。在本数据采集器的硬件设计中采用AD1674转换器，作为数据采集器。AD1647是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片集成电路，采用BIMOS工艺制成。该芯片内部自带宽频带采样保持器(SHA)。 10伏基准电压源、D/A转换器、SAR寄存器、比较器、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存了三态输出缓冲器,AD1674从功能上都与AD574/674完全兼容，可互相代用。只是AD1674内部增加了采样/保持电路，采样

52、频率为100KHz，大大高于AD574A,并且具有全控模式和单一工作模式，其精度达0.05%。与原有同系列的AD574A/674A相比，AD1674的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能(尤其是高低温稳定性)也更好，而且可以使系统板设计面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。研制的数据采集器采用AD1674芯片，能进行快速、稍确的数据转换并传给CPU进行处理。AD1674的基本特点和参数如下:a)带有内部采样保持的完全12位逐次通近(SAR)型模数转换器;b)采样频率为100KHZ,c)转换时间为10d)具有1/2LSB的积分非线性(INL)以及12位无漏码的差分非线性(DNL);e

53、)满量程校准误差为0.125%;f)内有+10V基准电源，也可使用外部基准源;g)四种单极性或双极性输入范围分别5V,1OV,0V-10V,0V-20V;h)数据可并行输出，采用8/12位可选微处理器总线接口;i)内部带有防静电保护装置(ESD)，放电耐压值可达4000V;j)采用双电源供电:模拟部分为12V/15V,数字部分为+5V;k)采用28脚密封陶瓷DIP或SOIC封装形式;l)功耗低，仅为385mV;3.2.4 AD1674内部结构及引脚说明 图3-7 引脚排列图图3-7所示为其引脚排列图。AD1674的引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数据输出端口、模拟信号输入端口和电源端口四种类

54、型。A/D输入通道：单端16路/差分8路转换时间：10/100KHZA/D转换分辨率：12位，AD1674(1)逻辑控制端口12/8: 数据输出位选择输入端。当该端输入为低时，数据输出为双8位字节;当该端输入为高时，数据输出为单12位字节。CS:片选信号输入端。R/C:读/转换状态输入端。在完全控制模式下，输入为高时，为读状态;输入为低时，为转换状态;在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换。CE:芯片使能端。输入为高时，芯片开始进行读/转换操作。A0:位寻址/短周期转换选择输入端。在转换开始时，若A0为低，则进行12位数据转换;若A0为高，则进行周期更短的8位数据转换。当R/C=1且12/8= 0 时，若A0为低，则在高8位(DB4-DB11)作数据输出;若AO