CN102193523A - 线材折弯成型控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种线材折弯成型控制器，整合可编程序逻辑控制器模块、输出输入模块、运动控制模块、人机界面模块、即时资料交换模块以及3D模拟模块，配合弯折线材成型机来进行通用型挠性工件的加工。在人机界面模块的对话式编辑界面设定由送线、倾转与工件折弯角度组成的线材折弯步骤；编辑完成后，依据模具几何关系转换出实际控制命令并且进行3D模拟与预览，确认成型结果无误且确保过程中不发生干涉后，再将控制命令实际输出到机器进行加工。本发明将控制器所需的软硬体元素整合在单一控制器内，藉以提升控制器的功能性、精简机台配线、降低维修费用及简化控制系统的升级程序。

Description

线材折弯成型控制器

技术领域：

本发明涉及的是一种应用在弯折线材成型机的线材折弯成型控制器，尤指一种透过人机界面模块来规划与输入加工程序并可同时执行3D模拟与预览的线材折弯成型控制器。

背景技术：

于市面上现有各种不同功效的折线机，就如中国专利公告为CN201231294的《数控弯线机》，其提供一种机头可旋转、适用于不同线径材料的弯线机，具备自动化程度高、加工精密度高的优点。

此弯线机设有机座、整线机构、送线机构以及可调节导线装置。根据所需的线材折弯角度、线材切断长度需求，由操作者事先输入指令程序，机器可根据控制指令进行自动工作，而当线材通过送线机构后在模具中折弯，折弯完成后由机头切断装置将线切断。

US Patent 6101860之「Shaping device of a wire bending machine 」则提供多方位刀具架设结构，在安装刀具、模具上有更高的自由度，透过送线、整线伺服机构，可以成型出更复杂的挠性材料结果，但因其复杂度与自由度增加，使用者也增加使用的困难度。

上述挠性成型机器在进行线材折弯成型加工，编辑完加工程序后，往往是透过机器实际运作，配合线材成型结果来确认是否符合加工需求，对从事该行业的经验丰富的操作员或许是外型比较简单的工件而言，尚可参考以往经验与直觉来编辑与预测出加工程式，但是如果由新手来编程，或是针对形状较复杂的折线形状时，会耗费许多时间调教加工程式，除了时间成本之外，耗费的材料成本也很可观。

更严重者，甚至加工测试过程中会造成机械干涉而导致设备毁损。再者，线材折弯角度与模具所需伺服马达命令为非线性关系，再加上挠性材料之弹性特性，使用者必须尝试多种模具转动角度，才可以成型出想要的折弯角度，此过程是耗费时间又耗费材料的程式编辑方式。

发明内容：

为克服现有技术上的不足，本发明目的是在于提供一种可随时进行修正加工内容，让使用者不必运作实际机台并且进料加工就可验证其结果，节省时间与节省测试材料的线材折弯成型控制器，降低维修费用及简化了控制系统。

为达上揭目的，本发明的技术方案是：线材折弯成型控制器为一配合弯折线材成型机的通用型加工辅助系统，用以将挠性线材进行加工成型。其主要是由一通用型工业电脑主机所构成，此主机内部包含：即时资料交换模块、可编程序逻辑控制器模块、输出输入(I/O)模块、运动控制模块、人机界面模块以及3D模拟模块。

即时资料交换模块负责处理各个模块之间资料存取与交换的工作，各模块间并不会直接进行资料交换，所有模块的资料仅对资料交换模块做存取，如此可维持模块界面设计的独立与完整性。

可编程序逻辑控制器模块定时地依据即时资料交换模块之间的资料，经逻辑转换后产生新的资料后，再传输至即时资料交换模块。

输出输入(I/O)模块负责弯折线材成型机台上的控制接点，其内含输出输入控制卡的硬体驱动，外部若有输入讯号被触发，例如近接开关感应器，则透过输出输入模块取得且将状态写至即时资料交换模块，人机界面同时就可以将这些状态显示到控制屏幕上，其中，输出输入点的状态逻辑程序亦由可编程序逻辑控制器模块规划。

运动控制模块依据即时资料交换模块的资料，经转换后规划各轴补间命令，此补间命令最后由运动控制板卡输出至实际马达伺服系统以完成控制器所规划的动作。

人机界面模块定时地将即时资料交换模块的部分资料显示于屏幕，且不定时地将使用者输入的资料传输至即时资料交换模块，人机界面模块具有机器控制界面以及表格对话式编辑界面。

机器控制界面供使用者操控输入控制指令，而上述表格对话式编辑界面提供送线、倾转与折弯命令工序编辑，并针对模具尺寸对线材弯折角度与伺服马达角度之间的关系进行转换。此外，表格对话式编辑界面另提供输入伺服命令补偿值来补偿挠性线材的回弹现象，并可同时显示出工件折弯角度与对应的伺服马达角度。

3D模拟模块电性连接于即时资料交换模块，接收控制指令资料并加以处理，提供3D模拟成型的预览资料；3D模拟模块具有选择单步、连续、暂停、继续或停止的其中一种模拟操作，并且同时具有改变3D模拟视角与透明化显示功能。

本发明针对线材折弯成型功能规划了表格对话式编辑界面、轮模折弯角度计算、3D模拟与成型预览。首先，在表格对话式编辑界面规划线材折弯成型步骤，线材折弯成型步骤系由送线、倾转与线材折弯角度组成；待编辑完成后，依据模具几何关系转换出实际伺服马达控制命令并且进行加工3D模拟，确认模拟成型结果无误且确保过程中不发生干涉后，再将控制命令实际输出到机器进行加工。

其中，送线命令使机台送线伺服马达送出目前工序所需线材长度；倾转命令带动整个多模具机构移动到设定角度，360度的旋转可以让线材作任意轴向角度的弯曲；折弯命令则依据所选择的模具进行旋转以对线材进行变形的动作。

而送线、倾转与折弯命令可规划各种顺序同动组合，例如送线→倾转→折弯等顺序性动作或是折弯完毕后，送线与倾转同时运动，这样运动组合方式，可以加工出各种折线外型，因此，本发明线材折弯成型控制器可操控弯折线材成型机进行一般弯折成型加工、等节距/等径弹簧加工、变节距/变径弹簧加工、卷圆加工、卷簧加工或其任意组合的其中一种等加工工序。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果如下：

本发明透过挠性材料折弯加工CAD/CAM的软体功能，先规划完成全部加工步骤并进行3D模拟，由模拟结果检视所规划的加工步骤是否正确，并随时进行修正加工内容，让使用者不必运作实际机台并且进料加工就可验证其结果，具备节省时间与节省测试材料的优点；折弯角度与伺服角度转换计算让使用者不必费心目前模具组态为何，仅需设定所需折弯角度即可；而加工档案成型预览更可以在加工前先行确认成型结果，以免造成误用档案导致机器因干涉而损毁或是耗费材料。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明线材折弯成型控制器的方块图；

图2为本发明通用型挠性线材的弯折线材成型机的加工示意图；

图3为图2通用型线材折弯模具的加工示意图；

图4为本发明线材折弯成型控制器的系统流程图；

图5为本发明表格对话式编辑界面的示意图；

图6为本发明折弯加工、模具与线材的几何关系的示意图；

图7为本发明另一折弯加工、模具与线材的几何关系的示意图；

图8为本发明卷圆加工-模具与线材的几何关系的示意图；

图9为本发明一较佳实施例表格对话式编辑界面的数据图。

图中：11---即时资料交换模块；12---可编程序逻辑控制模块；13---输出输入模块；14---运动控制模块；15-人机界面模块；16-3D模拟模块；17-机器控制界面；18-表格对话式编辑界面；181-工序栏位；20-弯折线材成型机；21-送线机构；22-倾转机构；23-通用型线材折弯模具；231-左弯模头；232-右弯模头；24-剪断机构；30-加工档案名称；31-插入行；32-删除行；33-新增行；34-教导模式；35-显示行号；36-输入送线长度；37-送线补偿值；38-送线速度；39-倾转角度；40-倾转补偿值；41-倾转速度；42-折弯角度；43-折弯伺服补偿值；44-折弯速度；45-指定加工之模具编号；46-决定送线、倾转与折弯命令之组合设定；50-折弯模具；51-模具底座；52-凸出顶心；53-线材；54-旋转顶心；60-偏心模具；61-模具底座；62-支撑顶心；63-线材；64-旋转顶心；70-线材；71-模具顶心；72-折弯顶心。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

请参阅第1图所示，本发明线材折弯成型控制器为一配合弯折线材成型机20的通用型加工辅助系统，用以将挠性线材进行加工成型。其主要是由通用型工业电脑主机所构成，此主机内部包含：即时资料交换模块11、可程式逻辑控制器模块12、输出输入(I/O)模块13、运动控制模块14、人机界面模块15以及3D模拟模块16。

即时资料交换模块11负责处理各个模块间之间资料存取与交换的工作，各模块间并不会直接进行资料交换，所有模块的资料仅对资料交换模块做存取，如此可维持模块界面设计的独立与完整性。

可编程序逻辑控制器模块12定时地依据即时资料交换模块11的资料，经由逻辑转换后产生新的资料后，再传输至即时资料交换模块11。

输出输入模块13负责弯折线材成型机20台上的控制接点，其内含输出输入控制卡的硬体驱动，外部若有输入讯号被触发，例如近接开关感应器，则透过输出输入模块13取得且将状态写至即时资料交换模块11，人机界面模块15同时就可以将这些状态显示到控制屏幕上，其中，输出输入模块13的状态逻辑程式亦由可编程序逻辑控制器模块12规划。

运动控制模块14依据即时资料交换模块11的资料，经转换后规划各轴补间命令，此补间命令最后由运动控制板卡输出至实际马达伺服系统以完成控制器所规划的动作。

人机界面模块15定时地将即时资料交换模块11的部分资料显示于屏幕，且不定时地将使用者输入的资料传输至即时资料交换模块11。

3D模拟模块16连接于即时资料交换模块11，接收控制指令资料并加以处理，提供3D模拟成型的预览资料；3D模拟模块16具有选择单步、连续、暂停、继续或停止的模拟操作，并且同时具有改变3D模拟视角与透明化显示功能。

于一较佳实施例中，上述人机界面模块15中包含了弯折线材成型机20的一般机器控制界面17及线材折弯成型的表格对话式编辑界面18，上述机器控制界面17供使用者操控输入控制指令，而上述表格对话式编辑界面18提供送线、倾转与折弯命令工序编辑，并针对模具尺寸对线材弯折角度与伺服马达角度之间的关系进行转换。此外，表格对话式编辑界面18另提供输入伺服命令补偿值来补偿挠性线材的回弹现象，并可同时显示出工件折弯角度与对应的伺服马达角度。

请参阅第2图及第3图所示，此图内容代表通用挠性线材的弯折线材成型机20示意图，图中标示出送线部分、倾转部分与折弯部分。

首先送线部份的送线机构21负责整线及持续送出加工材料的动作，而送线命令控制机台送线伺服马达送出目前工序所需线材长度；而倾转部份的倾转机构22带动整个多模具机构移动到设定角度，360度的旋转可以让线材作任意轴向角度的弯曲；最后弯折部份则是折弯命令依据所选择的模具进行旋转以对线材进行变形的动作。

此外，第3图显示了一种通用型线材折弯模具23，其具有一左弯模头231与一右弯模头232，不同方向的折弯模头提供不同的折弯方向，不同的折弯方向可以避免频繁的更换模具以提升加工时的产能，同时不同的折弯模头顶针尺寸亦可加工不同圆角的折弯结果。在此例中，上述弯折部分另具有一个剪断机构24，负责线材弯折成型完毕后的剪断线材功能。

请参阅第4图所示从规划程序到实际加工之流程图，先取得折弯成型尺寸，然后在表格对话式编辑界面18中编辑与修正加工动作，依据模具几何关系转换出实际伺服马达控制命令并且进行加工3D模拟与预览，确认模拟成型结果无误且确保过程中不发生干涉后，再将控制命令实际输出到弯折线材成型机20进行加工。

请参阅第5图所示，上述表格对话式编辑界面18的加工档案名称30显示在左上方，编辑器提供工序插入行31、删除行32及新增行33的功能显示在中央上方，教导模式34显示在右上方。而下方数据由左至右的栏位依序排列为：显示行号35、输入送线长度36、送线补偿值37、送线速度38、倾转角度39、倾转补偿值40，倾转速度41、折弯角度42、折弯伺服补偿值43、折弯速度44、指定加工之模具编号45以及决定送线、倾转与折弯命令之组合设定46。

在栏位的折弯角度42中输入角度后，此表格对话式编辑界面18会自动计算出伺服角度且显示在后续的折弯伺服补偿值43内；而使用者可以透过手摇轮在教导模式34中的输入送线、倾转与折弯命令。

本发明可由变更上述这些尺寸的输入界面以因应各种不同的模具设计及加工线径；而线材折弯成型控制器的表格对话式编辑界面18应用方式，是以新增一行工序栏位181，并在此行工序栏位181中填入送线、倾转与折弯轴之控制命令与其同动组合方式，而3D模拟过程或是实际加工时会将其转换成伺服马达命令，其中，折弯角度42与伺服角度依据模具及线径不同，彼此间存在特定之几何关系。

若在表格对话式编辑界面18规划「送线(Y)→倾转(C)→折弯(B)」，此即表示弯折线材成型机20先进行送线、再倾转、再折弯的顺序性动作，此方式可以进行一般折线加工。

若在表格对话式编辑界面18规划「折弯(B)→(送线，倾转)(YC)」，此即表示弯折线材成型机20在折弯完毕后，会同时进行送线与倾转运动，此方式可以进行等径弹簧加工。

若在表格对话式编辑界面18规划「(送线，折弯)(YB)」，此即表示弯折线材成型机20无倾转命令，但会同时进行送线与折弯运动，此方式可进行同一平面的卷圆加工，让线材呈类似同心圆状之成型结果。

若在表格对话式编辑界面18规划「(送线，倾转，折弯)(YCB)」，此即表示弯折线材成型机20会同时进行送线、倾转与折弯三种运动，此方式可以进行变径弹簧或锥型弹簧加工。

请参阅第6图所示一种特定的折弯模具50，此折弯模具50设有一模具底座51、一在折线时折弯支撑的凸出顶心52、一线材53以及一伺服带动的旋转顶心54，此一模具主要是由旋转顶心54压挤线材53达到成型动作，而线材53折弯角度与模具所需伺服马达命令为非线性关系，再加上挠性材料之弹性特性。

以往作法上，使用者必须尝试多种模具转动角度，才可以成型出想要的折弯角度，此过程不但耗费时间而且耗费材料的程式编辑方式。本发明的一个重点是使用者只要输入模具尺寸与加工线径后，即可进行折弯角度与伺服角度间之转换。

折弯角度与伺服角度间存在以下关系表示式：α＝f(θ，δ，d，r2，R2)

其中，其中，α为伺服角度，θ为线材折弯角度，δ为凸出顶心52中心到线材53中心的距离，d为线材53的宽度，r2，为旋转顶心54的半径，R2为凸出顶心52到旋转顶心54之距离。

总和而言，d、r1、r2与R2为机械尺寸的描述参数，表一为几何尺寸加工条件d＝8mm，r1＝3mm，r2＝7mm，R2＝15.284mm下之转换结果，一组线材折弯角度的输入可对应到一组伺服角度的计算结果。

表1为第6图之折弯角度vs命令角度对照表(单位：度)

折弯角度	命令角度	折弯角度	命令角度	折弯角度	命令角度	折弯角度	命令角度	折弯角度	命令角度
										1	24.65	37	60.65	73	96.65	109	132.65	145	168.65
2	25.65	38	61.65	74	97.65	110	133.65	146	169.65
										3	26.65	39	62.65	75	98.65	111	134.65	147	170.65
4	27.65	40	63.65	76	99.65	112	135.65	148	171.65
										5	28.65	41	64.65	77	100.65	113	136.65	149	172.65
6	29.65	42	65.65	78	101.65	114	137.65	150	173.65
										7	30.65	43	66.65	79	102.65	115	138.65	151	174.65
8	31.65	44	67.65	80	103.65	116	139.65	152	175.65
										9	32.65	45	68.65	81	104.65	117	140.65	153	176.65
10	33.65	46	69.65	82	105.65	118	141.65	154	177.65
										11	34.65	47	70.65	83	106.65	119	142.65	155	178.65
12	35.65	48	71.65	84	107.65	120	143.65	156	179.65
										13	36.65	49	72.65	85	108.65	121	144.65	157	180.65

14	37.65	50	73.65	86	109.65	122	145.65	158	181.65
										15	38.65	51	74.65	87	110.65	123	146.65	159	182.65
16	39.65	52	75.65	88	111.65	124	147.65	160	183.65
										17	40.65	53	76.65	89	112.65	125	148.65	161	184.65
18	41.65	54	77.65	90	113.65	126	149.65	162	185.65
										19	42.65	55	78.65	91	114.65	127	150.65	163	186.65
20	43.65	56	79.65	92	115.65	128	151.65	164	187.65
										21	44.65	57	80.65	93	116.65	129	152.65	165	188.65
22	45.65	58	81.65	94	117.65	130	153.65	166	189.65
										23	46.65	59	82.65	95	118.65	131	154.65	167	190.65
24	47.65	60	83.65	96	119.65	132	155.65	168	191.65
										25	48.65	61	84.65	97	120.65	133	156.65	169	192.65
26	49.65	62	85.65	98	121.65	134	157.65	170	193.65

27	50.65	63	86.65	99	122.65	135	158.65	171	194.65
										28	51.65	64	87.65	100	123.65	136	159.65	172	195.65
29	52.65	65	88.65	101	124.65	137	160.65	173	196.65
										30	53.65	66	89.65	102	125.65	138	161.65	174	197.65
31	54.65	67	90.65	103	126.65	139	162.65	175	198.65
										32	55.65	68	91.65	104	127.65	140	163.65	176	199.65
33	56.65	69	92.65	105	128.65	141	164.65	177	200.65
										34	57.65	70	93.65	106	129.65	142	165.65	178	201.65
35	58.65	71	94.65	107	130.65	143	166.65	179	202.65
										36	59.65	72	95.65	108	131.65	144	167.65	180	203.65

表1

请参阅第7图所示模具型态为顶心偏心类型，有别于第8图中顶心在模具中心处，此偏心模具60设有模具底座61、折线时折弯支撑的凸出支撑顶心62、线材63以及伺服带动的旋转顶心64。表2为当偏心顶心62模具的几何尺寸关系为d＝2mm，r1＝1.25mm，r2＝1mm，R2＝13.05mm时折弯角度与伺服角度之换算表。

表2为第7图折弯角度vs命令角度对照表(单位：度)

表2

除了折弯动作外，请参阅第8图所示卷圆动作(送线、折弯同时动作)时线材卷圆成型半径与伺服角度之间的几何关系，卷圆为同一平面上，线材呈类似同心圆状成型结果，其存在以下关系表示式：α＝f(ρ，d，r1，r2，R2)

其中，ρ为所需线材卷圆成型半径，α为伺服角度计算结果，d为线材70的宽度，r1为模具顶心71的半径，r2为折弯顶心72的半径，R2为模具顶心71到折弯顶心72之距离。

总和而言，d、r1、r2与R2为机械尺寸的描述参数。表三为几何尺寸加工条件d＝4mm，r1＝3mm，r2＝3mm，R2＝15.284mm的转换结果，一组线材卷圆成型半径的输入可对应到一组伺服角度的计算结果。

表3第8图线材卷圆成型半径(单位：公厘)vs.命令角度(单位：度)对照表

表3

请参阅图9所示，当本发明于工序编写过程中可随时以3D模拟方式检视加工结果并进行调整。上述模拟画面具有提供模拟视角的连续平移功能、提供模拟视角的连续翻转功能、缩小视角、放大视角、单一步骤模拟，按下后即可执行下一单节的工序步骤、连续步骤模拟，按下后连续执行全部工序步骤、停止模拟、暂停模拟、让3D显示透明化，避免因为机器旋转而阻挡到线材成型结果的模拟显示、四个提使用者观看的模拟视角、3D模拟的显示内容。

若上述显示内容完成模拟结果，同时也代表加工程式完成，此时可将命令送至挠性线材加工机进行成型加工。

在此实施例中，表格对话式编辑界面18规划了步骤1到步骤5：

步骤1进行送线50公厘(mm)后折弯66度(伺服转动90度)；

步骤2进行模具转动60度后送线120公厘(mm)，产生卷圆的成型结构；

步骤3进行送线300公厘(mm)、倾转90度、模具弯曲90度，送线、倾转、弯曲三者同动，产生变径弹簧的成型结果；步骤4进行弯曲轴回弯负90度到达0度角位置，产升无任何变化的成型结果；

步骤5进行送线100公厘(mm)后折弯60度(伺服转动84度)。

经由上述步骤1至步骤5，此弯折线材成型机20会产生如第7图所示的特殊形状线材。

综上所述，本发明线材折弯成型控制器可透过类似挠性材料折弯加工CAD/CAM的软体功能，先规划完成全部加工步骤并进行3D模拟，由模拟结果检视所规划的加工步骤是否正确，并随时进行修正加工内容，让使用者不必运作实际机台并且进料加工就可验证其结果，具备节省时间与节省测试材料的优点。

此外，整合可程式逻辑模块、人机界面、马达位置控制、3D模拟预览等功能于单一控制器中，可降低数据传输时间延迟、免除数据传输所需的接线、降低维修费用及简化控制系统之升级程序。

再者，即时作业系统上使用多执行绪及模块化技术，以强化软体的再用性。更能够提升线材折弯成型控制器的功能性、精简机台配线、降低维修费用、及简化控制统的升级程序。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种线材折弯成型控制器，配合一弯折线材成型机使用，包括：

一即时资料交换模块，负责处理各个模块之间的资料存取；

一可编程序逻辑控制器模块，电性连接于即时资料交换模块，处理上述弯折线材成型机输出装置与输入感应器的监控与逻辑关系；

一输出输入模块(I/O模块)，电性连接于上述即时资料交换模块与弯折线材成型机，处理上述弯折线材成型机的控制接点；

一运动控制模块，电性连接于上述即时资料交换模块与弯折线材成型机，处理上述弯折线材成型机各轴的伺服控制命令；

一人机界面模块，电性连接于上述即时资料交换模块，供使用者输入控制指令，并将控制指令的资料传输至上述即时资料交换模块，且定时地将上述即时资料交换模块的处理资料显示于屏幕；

以及3D模拟模块，电性连接于上述即时资料交换模块，接收控制指令资料并加以处理，提供3D模拟成型的预览资料。

2.根据权利要求1所述的线材折弯成型控制器，其特征在于，上述人机界面模块具有机器控制界面以及表格对话式编辑界面；上述机器控制界面供使用者操控输入控制指令，而上述表格对话式编辑界面提供送线、倾转与折弯命令工序编辑，并针对模具尺寸对线材弯折角度与伺服马达角度之间的关系进行转换。

3.根据权利要求2所述的线材折弯成型控制器，其特征在于，上述表格对话式编辑界面另提供输入伺服命令补偿值来补偿挠性线材的回弹现象。

4.根据权利要求2所述的线材折弯成型控制器，其特征在于，上述表格对话式编辑界面同时显示出工件折弯角度与对应的伺服马达角度。

5.根据权利要求1所述的线材折弯成型控制器，其特征在于，上述线材折弯成型控制器操控上述弯折线材成型机进行一般弯折成型加工、等节距加工、等径弹簧加工、变节距加工、变径弹簧加工、卷圆加工、卷簧加工或其任意组合的其中一种加工工序。

6.根据权利要求1所述的线材折弯成型控制器，其特征在于，上述3D模拟模块具有选择单步、连续、暂停、继续或停止的其中一种模拟操作，并且同时具有改变3D模拟视角与透明化显示功能。

Images