CN102139300A - 多轴弯管装备智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明为多轴弯管装备智能控制系统，解决已有系统功能单一，生产柔性差，升级改动困难，不能实现联网监控的问题。包括控制台，弯管装置，传感器、电磁阀、中间继电器和交流接触器，控制台为工控机(1)，弯管装置由电气执行机构和液压执行机构组成，电气执行机构由交流伺服电机及与其相连的交流接触器(11)和驱动器(18)组成伺服系统(20)，至少一个伺服系统(20)有位置传感器(16)、安全开关(5)、限位开关(15)和原点开点(19)，液压执行机构为液压泵、电磁阀(13)、液压缸组成的液压回路。输入接口卡(2)与安全开关(5)、到位检测开关(6)和辅助开关(7)连接，输出接口卡(3)与中间继电器(10)连接，运动控制卡(4)与伺服系统(20)的限位开关(15)，驱动器(18)和原点开关(19)连接。

Description

多轴弯管装备智能控制系统

技术领域：

本发明涉及一种弯管装备的控制系统有关。

背景技术：

弯管机是机械加工行业中的一种重要装备，广泛用于汽车、摩托车、船舶、石油、化工、供水、供气、钢家具等行业中各种管件的弯曲成形。目前国内的弯管机生产企业主要生产手动、半自动弯管设备，精度和效率都还较低，这些手动和半自动设备主要采用基于单片机或基于PLC的控制系统，液晶屏或触摸屏作为显示终端，功能比较简单，很难胜任复杂产品的加工要求，对于不同弯曲半径、弯曲角度和弯曲方向的管件，大都不能一次加工完成，对于管型参数的输入是否正确的判断一般也都靠用户的经验和空间想象能力，系统的升级改动比较困难，生产柔性较差，不容易实现联网的监控。工业技术的发展需要加工装备的升级，所开发的装备需要满足工业生产对弯管装备的提出的更高的要求，即需要具有更多的功能和更好的性能。具体来分析，即需要所开发的弯管装备具有复杂管件的加工能力，能够实现推弯和拉弯等多种加工方式，具有更高的加工速度和更好的加工精度，具有3D仿真功能，并且装备的控制系统软件具有一定的可移植性，具有良好的可拓展能力。

发明内容：

本发明的目的是提出一种采用通用工业计算机的全自动数字化的多轴弯管装备智能控制系统，能够控制弯管机的多个电机伺服轴的同步动作和顺序动作，能够控制液压机构的动作。

本发明是这样实现的：

本发明多轴弯管装备智能控制系统，包括控制台，弯管装置，传感器、电磁阀、中间继电器和交流接触器，控制台为工控机1，弯管装置由电气执行机构和液压执行机构组成，电气执行机构由交流伺服电机及与其相连的交流接触器11和驱动器18组成伺服轴系统20，至少一个伺服轴系统20有位置传感器16、安全开关5，限位开关15和原点开点19，液压执行机构由液压泵、电磁阀13和液压缸组成液压回路，交流接触器11与液压泵电机12连接，液压缸有到位检测开关6，交流接触器11有辅助开关7，工控机1通过输入接口卡2与安全开关5、到位检测开关6和辅助开关7连接，工控机通过输出接口卡3与中间继电器10连接，中间继电器10与交流接触器11或电磁阀13的线圈连接，工控机通过运动控制卡4与伺服轴系统20的限位开关15，驱动器18和原点开关19连接，位置传感器16位于交流伺服电机轴上，其输出端与运动控制卡4连接。

电气执行机构为弯料机构，转料机构，换模机构，机头轴向转动机构和机头水平转向机构的伺服轴系统，分别有交流伺服电机轴C，B，Z，Y和X，液压执行机构有主夹头液压回路，辅夹头液压回路，辅推液压回路，芯棒液压回路，小车夹头液压回路和托辊液压回路。

输出接口卡3有若干1/0输出端口，每个端口与一个中间继电器10的直流线圈连接，中间继电器与第一直流电源连接，每个中间继电器的常闭触点与一个执行器连接，执行器为电磁阀线圈或报警器或交流接触器，除了交流接触器接220交流电外，其它执行器与第二直流电源连接，输入接口卡2有若干1/0输入端口，一部分输入端口分别与轴助开关7、脚踏开关8、急停开关和增减按钮9连接，一部分输入端口与中间继电器10的常闭触点连接。

弯管装置有5个交流伺服电机，电机轴分别为C、B、Z、Y、X轴，C轴为弯料机构电机轴，B轴为转料机构电机轴，Z轴为换模机构电机轴，Y轴为机头轴向转动机构电机轴，X轴为机头水平转向机构电机轴，运动控制卡4的CN3端与外部直流电源连接，CN15端口与C、Z、Y、X轴的伺服轴系统的限位开关连接，CN17端口与上述伺服轴系统的原点开关连接，CN5、CN6、CN7、CN8、CN9端口分别连接C、B、Z、Y、X轴的伺服轴系统的驱动器18，CN2端口与位置传感器16连接。

工控机1有网卡与局域网连接。

输出接口卡3与报警器14连接。

本发明解决其技术问题所采用以下技术方案：采用一台工控机作为控制中心，在工控机内的ISA(工业标准结构)总线或者PCI(外部设备互联)总线插槽中插上I/O(输入/输出接口)卡、运动控制卡、网卡(或者工控机自带的板载网卡)。I/O卡通过电缆连接面板开关、脚踏开关、位置传感开关以及中间继电器、报警器、指示灯，I/O卡在计算机程序的控制下，读取面板开关、脚踏开关、位置传感开关以及中间继电器的状态，并且控制中间继电器、报警器、指示灯的动作。电机驱动器、原点开关、限位开关通过多芯电缆与运动控制卡相连，运动控制卡为具有DSP(数字信号处理)芯片或者其他控制器芯片，能够自动记录或者读取弯管机和液压泵各电机的位置、速度以及限位开关、原点开关的状态，并且能够以开环、全闭环护或者半闭环方式对各电机实施位置和速度的控制。电机驱动器与电机之间通过电缆连接，网卡可以通过双绞线连接到工厂或车间的局域网，局域网可以通过因特网连接到远程监控平台上。

运动控制卡完成弯管机多个电机轴的协调运动控制，电机可以包括弯料、机头左右位移、机头上下位移、送料和转料等交流伺服电机或者步进电机，通过ISA或者PCI总线接受来自PC工控机的命令和数据，完成运动参数的设定和修改、电机轴的点位及联动运动控制等，同时反馈各轴的位移值。一般情况下这些动作要求在工控机的控制下顺序执行，但在某些推弯工艺中，弯管和送料动作还必须在时间上严格进行同步控制(插补控制或者联动控制)，以避免管料的不当变形。控制运动控制卡提供有驱动程序和函数接口，可与工控机一起组成各种闭环或半闭环的电机轴运动控制系统。

I/O(输入/输出)卡负责与多个电机轴运动相关的和系统状态的采集及逻辑控制。输入部分主要负责读取各种液压动作的到位开关信号(位置传感开关)，比如主夹松开到位、辅夹松开到位、芯棒进位、芯棒退位等等，以判断是否液压动作到位，能否进行下一个工艺动作；另外，还要负责中间继电器、电磁阀、交流接触器工作状态的检测，以保障系统的可靠性，具体的方法是使用中间继电器、电磁阀、交流接触器闲置的辅助触点，作为开关量输入I/O接口，以判断中间继机电器、电磁阀、机接触器的动作状态是否正确。输出部分主要控制外部执行器的开关动作，通过直接驱动中间继电器和报警器来工作，中间继电器受控于输出控制卡，通过其触点的开合控制电磁阀、接触器的线圈电流通断，接触器的触点控制交流电机或其他交流设备的通断启停，而电磁阀则控制液压机构动作的执行：比如主夹的夹紧/松开、辅夹的夹紧/松开、芯棒的前进/快退、辅推的前进/后退、托辊的升起/下落、小车夹头的夹紧/松开等等。

工控机上运行整个系统软件，用户可以通过鼠标、键盘或者触摸屏进行人机交互操作和维护。

本发明的有益效果如下：

目前国内的弯管机控制系统还主要是基于PLC或者单片机的系统，实现的功能较简单，且管件加工工艺流程往往固定，只能加工有限几种形状的管件。本发明充分利用了Windows平台的丰富的资源及运动控制卡在实时控制方面的优良表现，实现了一个柔性的，可加工多种形状的管件，使系统的适用性更广泛。由于采用通的工控机和工业标准的接口硬件，本发明柔性较好，升降改动比较容易。

附图说明：

图1本发明系统框图

图2为输出接口卡连线示意图

图3为输入接口卡连线示意图

图4为运动控制卡连线示意图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图1所示，系统采用一台研华P4平台工控机(底板型号PCA-6114P7，有7个PCI槽，6个ISA槽，主板型号PCA-6187VE-00A2，CPU为P4-2.8G，DDR Kingston内存512MB，Maxtor 80G高速硬盘，CDROM光驱52X，独立64M PCI显卡，研华15时触摸屏上架显示器FPM-3150G-RB)工控机1作为控制中心，在工控机1的ISA插槽中，插有PCL-733输入接口卡2和PCL-734输出接口卡3以及GE800运动控制卡4。床身弯料机构附近安装的安全开关5、若干个液压机构的到位检测开关6、若干个中间继电器和交流接触器的辅助开关7、脚踏开关8、控制台面板9上的急停开关和增减按钮通过多芯电缆连接到输入接口卡2；多个中间继电器10、声光报警器14受控于输出接口卡3输出的数字信号：多个中间继电器10又分别控制交流接触器11和若干个电磁阀13，其中接触器11控制液压泵电机12的启停，而若干个电磁阀13则控制各个液压机构的动作，声光报警器14包含声音报警、黄光报警和红光报警功能。运动控制卡4控制五个伺服轴系统20在C、B、Z、Y、X方向的运动：C轴负责弯料，B轴负责转料，Z轴负责机头上下位移(换模)，Y轴负责机头水平轴向左右移动，X轴负责机头水平径向前后移动。每个轴的伺服轴系统20又包含：一个交流伺服驱动器18以及一个被驱动的交流伺服电机17，在交流伺服电机自身带有位置传感器16(与电机轴同轴安装的旋转编码器)，相关伺服系统上还应安装与该轴有关的限位开关15(正、负两个方向)和表示初始位置的原点开关19。

实施例的I/O输出部分如图2所示，图中1表示PCL-734输出接口卡3的接线端子板，IDO 0～IDO 16表示I/O输出端口的口线，可以根据程序输出的“0”和“1”，输出0V或者24V的直流信号，以便控制中间继电器J1～J17的直流线圈(J1-c～J17-c)得电或者失电，PCOM1-3为每个输出端口的公共正极端。图2中的2和3为两个独立的24V直流源，前者给输出接口板提供的外部直流供电以便驱动中间继电器(J1～J17)的线圈，后者主要给各种执行器(电磁阀线圈C1～C13、报警器B1、B2、B3，交流接触器K1)的启停提供直流供电。本实施例的I/O输入部分如图3所示，图3中的1为PCL-733输入接口卡的端子板，2为24v直流电源专为输入接口提供外部电源。IDI0～IDI29表示I/O输入端口的口线，接口可以根据其外部0V或者24V的直流电压信号转化为内部寄存器的逻辑“0”和逻辑“1”，从而被程序读取，判断外部开关的状态。KG1～KG13为各种到位检测开关、面板按钮、脚踏开关，J1-2～J17-2为前述的中间继电器J1～J17的常闭触点，用于输入检测，确认中间继电器的动作。

图2中的弯管芯棒(一般以弹性材料制作，弯薄壁管时伸入管料内部填充弯曲部位，以防止管壁内陷)的进退、主夹的夹紧松开、辅夹的夹紧和松开、辅推的进退、小车夹头的夹紧松开、托辊的抬起和收回全部由直流电磁阀控制液压机构动作来完成，实质就是控制电磁阀的线圈C1～C13的通电和断电。因为每一路I/O控制的原理都一样，结合图2和图3，选择“主夹的松开”动作为例进行说明：当工艺要求主夹松开，程序向输出接口卡对应的口地址的对应位写入逻辑“1”，经过输出接口卡3上电路进行光电耦合、功率放大等处理之后，PCL-734的IDO4上接通外部直流电源的GND，中间继电器J5内部的线圈J5-c通电，使得J5的常开触点J5-1闭合，图3中的常开触点J5-2也同时闭合，程序在IDI17对应端口的对应位上读到逻辑“0”，因此可以确认此时中间继电器J5已经动作，进而电磁阀线圈C5得电，电磁阀动作，液压机构随后开始运动，最终导致启动了主夹松开动作。当主夹松开到位后，其到位检测开关KG1闭合，输入接口卡2PCL-733的端口线IDI0就接通外部直流的+24V，经过输入接口卡3上的光电耦合之后，程序可以从对应端口的对应位上读到逻辑“0”，一旦程序读到这个逻辑“0”，即可判断主夹松开到位，这时需要停止主夹松开，程序只需向输出接口卡对应的口地址及对应位写入逻辑“0”，经过输出接口卡3上电路进行光电耦合、功率放大等处理之后，PCL-734的IDO4上接通外部直流电源的+24V，中间继电器J5内部的线圈J5-c失电，使得J5的常开触点J5-1断开(图3中的常开触点J5-2也同时断开)，使得电磁阀线圈C5失电，液压机构随后停止运动，至此主夹松开动作全部完成。

图2中的报警器由B1(声音)、B2(红光)、B3(黄光)构成(当程序检测到一般错误或者故障时，点亮黄灯B1且同时B1发出报警声，若检测到严重故障时，点亮红灯B2且同时B1发出报警声)，它们由继电器J14、J15、J16直接驱动，方法与前述一致。4为液压泵三相异步电机，当程序向输出接口卡对应的口地址及对应位写入逻辑“1”，经过输出接口卡上电路进行光电耦合、功率放大等处理之后，PCL-734的IDO 16上接通外部直流电源的GND，中间继电器J17内部的线圈J17-c通电，使得J17的常开触点J17-1闭合(图3中的常开触点J17-2也同时闭合)，进而使得接触器K1交流线圈K1-c得电，交流接触器K1的3个主触点K1-1、K1-2、K1-3同时闭合使得液压泵电机启动，相反程序若对应位写入逻辑“0”，J17-c失电，交流接触器K1的触点断开，则液压泵电机停转。

图4显示了实施例中运动控制部分的连接关系，图4中1为运动控制卡4GE800的端子板，其中的CN3引入外部直流电源，CN15输入各轴的限位开关，CN17输入各轴的原点开关，7为外部给运动控制器GE800提供的24V直流电源，CN5、CN6、CN7、CN8、CN9分别连接C、Y、B、X、Z五个轴的驱动控制接头。2、3、4、5、6则分别表示C、Y、B、X、Z五个自由度的交流伺服驱动器(其中3、4、5、6因为和2的接线完全一样，故而简化了图形)，驱动器型号分别为MR-J3-700A、MR-J3-500A、MR-J3-70A、MR-J3-70A和MR-J3-100A，它们驱动C、Y、B、X、Z五个自由度的交流伺服电机，型号分别为HF-SP702、HF-SP502、HF-KP73、HF-KP73和HF-SP502，每个伺服电机自身都包含一个旋转编码器作为位置反馈回送给驱动器，电机带动相关机构完成各种弯管动作。8、9、10、11为C、Y、X、Z轴的原点开关(常开)，标识各轴的起始位置，12、13、14、15、16、17、18、19为C、Y、X、Z轴的限位开关(常闭)，分为正负两个方向，标识各轴的极限位置。因为B轴负责管料转动且电机与小车夹头同轴安装，没有中间传动的机构，因此没有安装原点开关和限位开关。

图4中C轴驱动器18的CN2接头专门连接电机编码器信号(信号名称一样引脚的直接连通)，U、V、W作为主动力线从驱动器输出到电机，电机的机壳和驱动器的机壳相连后接入到大地。C轴驱动器2的CN1接头是主要的控制接头，包含开关信号也有控制信号，因为C轴的限位开关都接入到了运动控制卡4的CN15中，因此将驱动器的限位输入LSP和LSN直接对地短接(不使用)，另外因为本例中没有直接使用驱动器的急停输入，所以将EMG也短接掉。驱动器18的CN1中DICOM和DOCOM与运动控制器1的OVCC和OGND直连，表示二者公用同一个外部的24v直流源，电平逻辑一致。驱动器2的CN1中SON和RES为输入信号，它们受运动控制卡上ENABLE和RESET输出信号控制，作用是使能伺服和伺服复位。当驱动器18发生故障时，驱动器内部的控制器就会使得电机急停并且发出报警信号ALM，该信号经过运动控制器的ALM输入运动控制处理器，也会使得内部的输出控制停止。驱动器18采用位置模式，使用脉冲控制信号，运动控制器发出差分形式的脉冲和方向信号(PULSE+-/DIR+-)输入到驱动器18的PP、PG、NP、NG引脚，控制电机正向或者反向旋转一定的角度，而电机编码器的返回值也可以从驱动器18的LZ、LZR、LA、LAR、LB、LBR输出到运动控制卡4的C+、C-、A+、A-、B+、B-上，在运动控制卡内部计数器进行计数，从而使程序可以读到电机的实际旋转角度和速度。

用户在加工前根据机床配置好的系统必需的管型参数和工艺参数，软件可以自动对参数进行有效性检查，然后根据软件设定好的算法，自动生成最优的加工工艺。接着，用户可以选择全自动或者单步方式进行加工：全自动加工方式一般不用人工干预加工过程即可完成弯管全部过程，特殊情况也可以踩脚踏开关或者触碰工控机1的屏幕来暂停，处理好特殊情况后可以踩脚踏开关恢复加工；单步方式则是每执行一个工艺步骤就自动暂停，需要人工踩脚踏开关才能继续，一般用于调试或者试弯。在实际加工之前，还可以启动仿真功能，对管形和弯管过程进行计算机三维仿真，观察验证管形是否正确以及运动是否干涉等情况。

Claims (6)

1.多轴弯管装备智能控制系统，包括控制台，弯管装置，传感器、电磁阀、中间继电器和交流接触器，其特征在于控制台为工控机(1)，弯管装置由电气执行机构和液压执行机构组成，电气执行机构由交流伺服电机及与其相连的交流接触器(11)和驱动器(18)组成伺服轴系统(20)，至少一个伺服轴系统(20)有位置传感器(16)、安全开关(5)，限位开关(15)和原点开点(19)，液压执行机构由液压泵、电磁阀(13)和液压缸组成的液压回路，交流接触器(11)与液压泵电机(12)连接，液压缸有到位检测开关(6)，交流接触器(11)有辅助开关(7)，工控机(1)通过输入接口卡(2)与安全开关(5)、到位检测开关(6)和辅助开关(7)连接，工控机通过输出接口卡(3)与中间继电器(10)连接，中间继电器(10)与交流接触器(11)或电磁阀(13)的线圈连接，工控机通过运动控制卡(4)与伺服轴系统(20)的限位开关(15)，驱动器(18)和原点开关(19)连接，位置传感器(16)位于交流伺服电机轴上，其输出端与运动控制卡(4)连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于电气执行机构为弯料机构，转料机构，换模机构，机头轴向转动机构和机头水平转向机构的伺服轴系统，分别与交流伺服电机轴C，B，Z，Y和X传动连接，液压执行机构有主夹头液压回路，辅夹头液压回路，辅推液压回路，芯棒液压回路，小车夹头液压回路和托辊液压回路。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于输出接口卡(3)有若干1/0输出端口，每个端口与一个中间继电器(10)的直流线圈连接，中间继电器与第一直流电源连接，每个中间继电器的常开触点与一个执行器连接，执行器为电磁阀线圈或报警器或交流接触器，除了交流接触器接220交流电外，其它执行器与第二直流电源连接，输入接口卡(2)有若干1/0输入端口，一部分输入端口分别与轴助开关(7)、脚踏开关(8)、急停开关和增减按钮(9)连接，一部分输入端口与中间继电器(10)的常闭触点连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于弯管装置有5个交流伺服电机，电机轴分别为C、B、Z、Y、X轴，C轴为弯料机构电机轴，B轴为转料机构电机轴，Z轴为换模机构电机轴，Y轴为机头轴向转动机构电机轴，X轴为机头水平转向机构电机轴，运动控制卡(4)的CN3端与外部直流电源连接，CN15端口与C、Z、Y、X轴所在的伺服轴系统的限位开关连接，CN17端口与上述伺服轴系统的原点开关连接，CN5、CN6、CN7、CN8、CN9端口分别连接C、B、Z、Y、X轴所在的伺服轴系统的驱动器(18)，CN2端口与位置传感器(16)连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于工控机(1)有网卡与局域网连接。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于输出接口卡(3)与报警器(14)连接。

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