CN101819424A - 锻压机床滑块位置、压力测量及安全控制的方法及控制器 - Google Patents

Abstract

锻压机床滑块位置、压力测量及安全控制的方法及控制器，将滑块的位置检测和滑块的压力监控集成到一起，同时采集滑块的位置和滑块的压力，按照时间将位置和压力对应得到位置-压力曲线，通过多次采集正常加工时的位置和压力的数据，得到的位置-压力曲线设定为标准曲线，用所述曲线控制产品质量，提示生产人员查找故障原因；控制器对机床离合器的控制输出采用双回路输出，双回路之间采用串行方式的连接；所述控制器向数控机床的电机发送控制信号，并根据预设值自动调节电机速度。本发明将滑块位置监控和机床压力监控集成到一个控制器内，并结合自动调速、报警等实现多功能控制，同时实现产品质量控制、机床安全精确控制。

Description

锻压机床滑块位置、压力测量及安全控制的方法及控制器

技术领域

本发明属于数控技术领域，涉及控制器，具体为一种锻压机床滑块位置、压力测量及安全控制的方法及控制器。

背景技术

控制器是数控系统的核心控制部件，它的性能直接影响整机的使用性、安全性、可靠性以及设备的开动率和维修量。同时，对机床的控制也越来越多的强调安全、可靠与高效，因为这不仅关系到生产效率，也关系到生命和财产安全。因此，控制系统的安全性得到了广泛的重视，集成安全功能的数控系统在未来应用中将成为主要趋势。

如图1所示，传统的数控机床的压力监控功能是通过压力传感器、吨位仪PTM(PressTonnage Monitor)外接A/D模块后连接到PLC上，再通过外接主机，触摸屏，由于位置的测量和压力的测量不在同一个单元，滑块的位置和压力的对应关系不能严格的时间对应关系，不同的位置压力不同，因此这种方式可以实现一个凸轮区间内的最大压力监控的功能，不能实现滑块任意位置的压力监控。而且，PLC加A/D和摸屏系统模块，成本较高不利于推广。

传统的主电机调速控制，一般通过手动调节面板上的电位器来控制主电机，这种调速方式误差大，微调精度不高，调速也不方便。

现有的控制器控制离合器部分的是单输出，未考虑单点失效导致的安全功能失效，如果在机床运行过程中，出现凸轮输出电路故障，有可能导致机床失控，危害人身安全。

发明内容

本发明的目的是针对现有控制器存在的上述不足，实现一种可监控滑块任意位置压力、可避免单输出点失效的控制方法以及基于该方法实现的控制器，提高控制器的安全控制。

本发明的技术方案为：锻压机床滑块位置、压力测量及安全控制的方法，设有控制器，将滑块的位置检测和滑块的压力监控集成到一起，同时采集滑块的位置和滑块的压力，按照时间将位置和压力对应得到位置-压力曲线，通过多次采集正常加工时的位置和压力的数据，得到的位置-压力曲线设定为标准曲线，后面的加工过程中实时采集位置和压力，同一时间的位置-压力数值和标准曲线做比较，如果在设定的误差范围内，表示生产的工件合格，如果超出误差范围，表示生产出来的是废品，提示生产人员查找故障原因；控制器对机床离合器的控制输出采用双回路输出，双回路之间采用串行方式的连接；所述控制器向数控机床的电机发送控制信号，并根据预设值自动调节电机速度。

滑块的位置检测同时采用两路传感器，两路采用相同类型的传感器或不同类型的传感器，两路传感器定期比较，如果采集的位置相差在设定误差范围内，表示正常，如果超过误差，则表示存在问题。

进一步的，至少一路传感器采用旋转变压器，通过检测曲轴角度间接的检测滑块的位置，控制器内设置位置范围，所述位置范围对应机床的动作控制信号，根据设置的位置范围来输出控制信号，滑块的实际位置到达设置的位置范围，则开启对应的动作控制输出电路，否则，关闭输出电路。

控制器内含控制软件，通过采集的滑块的位置和控制器输入端口的状态，和预先设置存储的正常工作情况下滑块的位置和控制器输入端口的状态做比较判断是否存在安全问题；如果存在安全问题则报警或输出信号控制离合器分开从而停止滑块的动作。

根据上述方法设计的控制器，包括键盘及显示电路、ARM主控芯片、I/O接口电路、通信电路、A/D输入电路、旋变接口电路、SPI接口电路、I²C扩展电路以及电源电路，键盘及显示电路、I/O接口电路、通信电路、A/D输入电路、旋变接口电路、SPI接口电路、I²C扩展电路以及电源电路分别与ARM主控芯片连接，ARM主控芯片含有对应各连接电路的信息处理控制程序；机床信号由I/O接口电路输入ARM主控芯片，ARM主控芯片通过I/O接口电路输出控制信号到机床；ARM主控芯片通过通信电路与一变频器双向连接，所述变频器连接机床的电机，ARM主控芯片设置变频器的频率，由变频器调节电机的速度；ARM主控芯片通过A/D输入电路连接吨位仪PTM的输出，获取压力信号，滑块的位置信号通过旋变接口电路输入ARM主控芯片，ARM主控芯片获得的参数即处理得到的参数通过SPI接口电路输出进行存储，电源电路为整个系统供电。

ARM主控芯片含有的对应各连接电路的信息处理控制程序包括：

1)初始化程序模块：含硬件初始化、变量初始化、中断初始化以及系统初始化；

2)主程序模块：含存储读写模块、人机界面模块、报警处理、按键处理；

3)500us定时中断模块：电子凸轮、生产计数、上死点停机处理、测速、输入输出处理、第二角度处理模块、扫描角度指示灯、数码管及按键；

4)掉电中断模块：用于备份掉电时需要保存的参数；

5)串口中断模块：用于通信数据的传输。

对电机调速时，控制器定时发送信号改变变频器的频率，实现电机的缓慢加速和减速，取代手工调节电位器。

I/O接口电路包括输入和输出，输入点包括自定义外部报警信息和输入信号类型的输入点，输出点中分配2个输出点作为停机输出。

本发明的控制器在ARM主控芯片中实现滑块位置计算，速度计算，逻辑处理以及人机交互，实现不同滑块位置的压力监控、电子凸轮输出，报警检测、报警处理以及参数设置、保存。通过控制器的键盘及显示电路输入设置电机速度、冲程次数和吨位，500us定时中断模块将设置的电机速度转化成变频器的频率控制信号，通过通信电路输出至变频器，通过变频器控制机床的电机来达到自动调速功能；旋变接口电路实时采集滑块的位置信号，实时采集旋变信号转换成滑块位置，旋变接口电路具有检测旋变电缆断线的功能，一旦发现断线等故障立即停止机床的运行，采集的滑块的位置信号经过处理测算出当前滑块的冲程次数，一旦发现冲程次数超过最大设定值或低于最低设定值，立即停止机床的运行并报警；旋变接口电路采集滑块的位置信号，ARM主控芯片通过A/D输入电路实时监控吨位仪PTM的输出，即监控压力信号，一旦位置、压力超出设置的报警容限值，则进行报警；滑块的位置信号处理后同时用于电子凸轮的控制。

本发明将滑块位置监控和机床压力监控集成到一个控制器内，并结合自动调速、报警等实现多功能控制，同时实现产品质量控制、机床安全精确控制，其优点为：

1)以往的滑块位置监控与压力监控为独立的监控系统，分别检测滑块的位置和压力信号，监控系统成本高，结构复杂，而且只能实现一个凸轮区间内的最大压力监控的功能，不能实现滑块任意位置的压力监控，监控效果不够理想，本发明将滑块位置检测和压力监控功能集成，并且不是简单的将位置检测和压力监控叠加，而是将滑块位置与压力两个参量有机结合起来，做为一个监控对象，设计了一种新的监控方法，由位置-压力曲线进行监控，由于这种结合，实现了滑块在不同位置的压力实时监测，实现了PLC+A/D模块不具备的功能，并且精简了监控系统结构，大大降低了成本；

2)本发明通过变频器实现电机自动调速，与原来的手动旋钮调节电位器相比，提高了调速精度，实现了电机的自动调速；

3)本发明的I/O接口电路提供自定义外部报警信息和输入信号的类型的功能，为外部报警的处理增加了灵活性，扩大了系统的使用范围；

4)本发明设置了两个输出点作为停机输出，具有双输出点控制停机，增强了系统的安全性；

5)本发明的位置检测采用两套传感器，相互比较检测结果，防止单路失效造成失控的隐患；

6)旋变接口电路实时采集滑块的位置信号，实时采集旋变信号转换成滑块位置，旋变接口电路具有检测旋变电缆断线的功能，一旦发现断线等故障立即停止机床的运行，采集的滑块的位置信号经过处理测算出当前滑块的冲程次数，一旦发现冲程次数超过最大设定值或低于最低设定值，立即停止机床的运行并报警，提高了系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1为现在控制器压力系统图。

图2(a)为双回路图，图2(b)为双回路图B开关发生故障时示意图。

图3为本发明控制系统的结构示意图。

图4为本发明软件系统图。

图5为本发明初始化模块、主程序模块、定时中断模块流程图。

图6为本发明压力系统图。

图7为本发明压力处理软件流程图。

图8为本发明RS485通信系统图。

图9为本发明外部报警处理软件流程图。

图10为本发明冲程处理软件流程图。

具体实施方式

本发明的控制方法将滑块的位置检测和滑块的压力监控集成到一个控制器内，同时采集滑块的位置和滑块的压力，按照时间将位置和压力对应得到位置-压力曲线，首先通过多次采集正常加工时的位置和压力的数据，得到的位置-压力曲线设定为标准曲线，后面的加工过程中实时采集位置和压力，和标准曲线做比较，如果在设定的误差范围内，表示生产的工件合格，如果超出误差范围，表示生产出来的是废品；

避免单输出点失效的方法是：采用双回路输出，双回路之间采用串行方式的连接，如图2(a)；如果一个回路发生故障，第二个回路仍然可以关断输出，如图2(b)，假如B发生故障不能打开，可以通过打开A来切断回路，而普通的单回路，有一个发生故障，将会导致失控，从而可能引发安全问题；所述控制器向数控机床的电机发送控制信号，并根据预设值自动调节电机速度。

滑块的位置检测同时采用两路传感器，两路采用相同类型的传感器或不同类型的传感器，两路传感器定期比较，如果采集的位置相差在设定误差范围内，表示正常，如果超过误差，则表示可能存在问题。其中至少一路传感器采用旋转变压器，检测的滑块位置转换成对应的角度，设置输出电路的输出有效角度范围，滑块的实际位置到达设置的角度范围，则开启输出电路，否则，关闭输出电路。

控制器通过控制软件处理采集的滑块的位置和输入口的状态，和预先设置的滑块在特定位置，输入口应该处于什么状态的情况做比较，相同则表示正常，如果不同则可能机床出现了故障，需要操作者去处理。例如：预设在10度～50度之间，送料开始，输入口应该是高电平，而实际检测到在1010度～50度之间输入口为低电平，则表明送料出现了故障。

如图3所示，本发明的控制器包括键盘和LCD+LED显示电路，ARM主控芯片，I/O接口电路，RS485通信电路，A/D输入电路，旋变接口电路，SPI接口电路，I²C扩展电路以及电源电路组成，键盘及显示电路、I/O接口电路、通信电路、A/D输入电路、旋变接口电路、SPI接口电路、I²C扩展电路以及电源电路分别与ARM主控芯片连接，ARM主控芯片含有对应各连接电路的信息处理控制程序；ARM主控芯片通过通信电路与一变频器双向连接，所述变频器连接机床的电机，ARM主控芯片设置变频器的频率，由变频器调节电机的速度；LED显示电路用来显示滑块的位置和行程，按键和LCD显示电路用来实现人机交互，I/O接口电路将采集的机床的信号送到ARM主控芯片，经过ARM主控芯片内部的专用控制程序处理后发出控制信号经I/O接口电路控制机床的动作，RS485电路用来与变频器通信，A/D输入电路用来采集吨位仪PTM(一种压力测量装置)模拟信号的输出，获取压力信号，滑块的位置信号通过旋变接口电路输入ARM主控芯片，ARM主控芯片获得的参数即处理得到的参数通过SPI接口电路输出进行存储，采用FRAM存储器，I²C扩展电路用来扩展I/O接口，电源电路为系统提供电压。

I/O接口电路包括输入和输出，输入点包括自定义外部报警信息和输入信号类型的输入点，输出点中分配2个输出点作为停机输出。对电机调速时，ARM主控芯片定时发送信号改变变频器的频率，实现电机的缓慢加速和减速，取代手工调节电位器。

ARM主控芯片含有的对应各连接电路的信息处理控制程序包括：

1)初始化程序模块：含硬件初始化、变量初始化、中断初始化以及系统初始化；

2)主程序模块：含存储读写模块、人机界面模块、报警处理、按键处理；

3)500us定时中断模块：电子凸轮、生产计数、上死点停机处理、测速、输入输出处理、第二角度处理模块、扫描角度指示灯、数码管及按键；

4)掉电中断模块：用于备份掉电时需要保存的参数；

5)串口中断模块：用于通信数据的传输。

如图4和图5所示，本发明的信息处理控制程序由初始化程序模块、主程序模块、500us定时中断模块、掉电中断模块和串口中断模块组成。初始化程序模块主要用来系统初始化、硬件初始化、变量初始化和中断初始化；主程序模块主要是写FRAM存储器、按键处理程序、报警处理程序以及界面处理程序等；500us定时中断模块主要处理电子凸轮、生产计数、上死点停机处理、滑块测速、输入输出处理、第二角度处理模块、扫描角度指示灯、数码管和按键；掉电中断模块用于备份掉电时需要保存的参数；串口中断模块用于通信数据的传输。500us定时中断模块中，电子凸轮的功能通过旋变检测滑块位置，在滑块的整个行程中取一段区间作为需要输出信号有效区，一旦滑块运行到该区间，则打开输出，否则关闭输出；生产计数指计算滑块打击次数，滑块每运行一个行程，计数增一；测速指通过检测位置，计算在一段时间内走过位置来计算即时速度；第二角度即通过滑块特定的位置安装一个检测开关，每当滑块运行到该位置即触发开关动作，通过检测开关的状态判断滑块的位置，旋变同时反馈滑块位置给控制器，每次在开关动作时会有两个信号送给控制器，因此实现双路传感器检测位置的目的，如果位置检测开关动作时从旋变得到的位置和设置的不同，则停机报警。这里是采用不同的位置检测方式来检测，也可以采用两个旋变同时检测位置。第二角度指滑块除了第一路旋变外的第二路位置检测传感器。

如图6和图7所示，吨位仪PTM的模拟量输出信号经过前端A/D电路的采样、量化和编码输入到ARM内部后经过算术平均滤波算法输出转化的结果。根据A/D采样的结果和系统设置的压力值计算出曲线斜率。最终根据计算出来的斜率把模拟信号转换成吨位值，系统取每次压力值并保持，与用户设定的位置一压力标准曲线相比较，如果超过报警容限便报警。

如图8所示，系统通过RS485接口与变频器通信，通讯协议采用MODEBUS协议。并根据齿轮比把设置每分钟的冲程次数SPM转化成变频器的频率发送给变频器，通过变频器来控制电机的转速。同时通过旋变接口读取滑块的位置，经过计算得到电机的转速，电机和滑块之间通过齿轮或皮带连接，中间有齿轮比，根据齿轮比换算成曲轴的转速用于显示。

如图9所示，ARM主控芯片根据I/O接口得到的外部信号的电平，同时采集的滑块的位置和用户预先设置存储的正常工作情况下滑块的位置和输入端口的状态做比较判断是否存在安全问题，例如，定义：滑块在某个位置范围，采集到的输入口状态为高电平作为正常状态，如果采集到滑块到达该范围时，输入口信号是低电平则表示出现了异常，输出离合器信号控制离合器分开。

如图10所示，ARM主控芯片通过旋变接口电路读取滑块的位置，经过内部算法计算出当前SPM，与用户设置的最大设定值和最小设置值进行比较，如果大于最大设定值或小于最小设置值，立即停止运行并报警。

Claims (8)

1.锻压机床滑块位置、压力测量及安全控制的方法，设有控制器，其特征是将滑块的位置检测和滑块的压力监控集成到一起，同时采集滑块的位置和滑块的压力，按照时间将位置和压力对应得到位置-压力曲线，通过多次采集正常加工时的位置和压力的数据，得到的位置-压力曲线设定为标准曲线，后面的加工过程中实时采集位置和压力，同一时间的位置-压力数值和标准曲线做比较，如果在设定的误差范围内，表示生产的工件合格，如果超出误差范围，表示生产出来的是废品，提示生产人员查找故障原因；控制器对机床离合器的控制输出采用双回路输出，双回路之间采用串行方式的连接，；所述控制器向数控机床的电机发送控制信号，并根据预设值自动调节电机速度。

2.根据权利要求1所述的锻压机床滑块位置、压力测量及安全控制的方法，其特征是滑块的位置检测同时采用两路传感器，两路采用相同类型的传感器或不同类型的传感器，两路传感器定期比较，如果采集的位置相差在设定误差范围内，表示正常，如果超过误差，则表示存在问题。

3.根据权利要求2所述的锻压机床滑块位置、压力测量及安全控制的方法，其特征是至少一路传感器采用旋转变压器，通过检测曲轴角度间接的检测滑块的位置，控制器内设置位置范围，所述位置范围对应机床的动作控制信号，根据设置的位置范围来输出控制信号，滑块的实际位置到达设置的位置范围，则开启对应的动作控制输出电路，否则，关闭输出电路。

4.根据权利要求1-3任一项所述的锻压机床滑块位置、压力测量及安全控制的方法，其特征是控制器内含控制软件，通过采集的滑块的位置和控制器输入端口的状态，和预先设置存储的正常工作情况下滑块的位置和控制器输入端口的状态做比较判断是否存在安全问题；如果存在安全问题则报警或输出信号控制离合器分开从而停止滑块的动作。

5.权利要求1-4任一项所述的方法设计的控制器，其特征是包括键盘及显示电路、ARM主控芯片、I/O接口电路、通信电路、A/D输入电路、旋变接口电路、SPI接口电路、I²C扩展电路以及电源电路，键盘及显示电路、I/O接口电路、通信电路、A/D输入电路、旋变接口电路、SPI接口电路、I²C扩展电路以及电源电路分别与ARM主控芯片连接，ARM主控芯片含有对应各连接电路的信息处理控制程序；机床信号由I/O接口电路输入ARM主控芯片，ARM主控芯片通过I/O接口电路输出控制信号到机床；ARM主控芯片通过通信电路与一变频器双向连接，所述变频器连接机床的电机，ARM主控芯片设置变频器的频率，由变频器调节电机的速度；ARM主控芯片通过A/D输入电路连接吨位仪PTM的输出，获取压力信号，滑块的位置信号通过旋变接口电路输入ARM主控芯片，ARM主控芯片获得的参数即处理得到的参数通过SPI接口电路输出进行存储，电源电路为整个系统提供电源电压。

6.根据权利要求5所述的控制器，其特征是ARM主控芯片含有的对应各连接电路的信息处理控制程序包括：

1)初始化程序模块：含硬件初始化、变量初始化、中断初始化以及系统初始化；

2)主程序模块：含存储读写模块、人机界面模块、报警处理、按键处理；

3)500us定时中断模块：电子凸轮、生产计数、上死点停机处理、测速、输入输出处理、第二角度处理模块、扫描角度指示灯、数码管及按键；

4)掉电中断模块：用于备份掉电时需要保存的参数；

5)串口中断模块：用于通信数据的传输。

7.根据权利要求5或6所述的控制器，其特征是对电机调速时，控制器定时发送信号改变变频器的频率，实现电机的缓慢加速和减速。

8.根据权利要求5或6所述的控制器，其特征是I/O接口电路包括输入和输出，输入点包括自定义外部报警信息和输入信号类型的输入点，输出点中分配2个输出点作为停机输出。

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