KMCNC38D2R4AM型电动式弯管机计算机数控系统设计1

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1、 本科毕业设计论文题目：KM-CNC38D2R4AM型电动式弯管机计算机数控系统设计学 院： 机 械 工 程 学 院 专 业： 机械工程及自动化 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导老师： 提交日期： IKM-CNC38D2R4AM型电动式弯管机计算机数控系统设计摘 要随着现代制造工业的发展, 对弯管机使用性能的要求也越来越高, 要求在适应性、效率和精度上有更大的突破, 特别是船舶、汽车、交通能源、航天航空、军工等行业, 需要高精度的自动化弯管机。本文介绍了一种基于PC的CNC型弯管机数控系统，以工业控制计算机、运动控制卡等为平台，结合交流伺服控制、传感检测、软件仿真等多项技术，实现了机械、电

2、子、软件的一体化，提高了管件弯曲加工精度和生产效率。本课题所研究的KM-CNC38D2R4AM型电动式弯管机完成了4轴（全伺服）、双层模的基于PC的弯管机数控系统的设计。同时，操控界面上还应用了触摸显示器，方便人机交互。关键词：数控弯管机，工业PC，运动控制卡，双模KM - CNC38D2R4AM over-bed type bender, the computer numerical control system designStudent: Tu ChenHang Advisor: Zhao ZhangFengCollege of Mechanical Engineering Zhejia

3、ng University of TechnologyAbstractAlong with the development of modern manufacturing industry to pipe bender, the use of performance requirements, demanding more and more is also high accuracy and efficiency in adaptability, more big breakthrough, especially the ship, automobile, transportation ene

4、rgy, aerospace, military, etc, need precision automation pipe bender.This paper introduces a kind of type based on PC CNC pipe bender, nc system in industrial control computer, movement control CARDS as platform, combined with ac servo control, sensor, software simulation and so on many technology t

5、o realize the machine, electronics, software integration, improve the pipe bending machining accuracy and efficiency. This topic research CNC38D2R4AM techno-centric KM - bender, completed the over-bed type four shaft (whole servo), double mode based on PCs bender, nc system design. Meanwhile, contro

6、l interface still applied a touch display, convenient human-computer interaction.Keywords: CNC pipe bender, industrial PC, movement control CARDS, Double module目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题背景及目的11.2 数控弯管机的特点11.3 数控弯管机的发展概况21.3.1 国外数控弯管机的研究现状及发展趋势21.3.2 国内数控弯管机的研究现状及发展趋势21.4 本课题的研究任务2第二章 数控系统整体设计方案4

7、2.1 数控弯管机的工作原理42.2 弯管机生产工艺流程42.3 弯管机的系统结构52.3.1 机械部分62.3.1 液压部分62.4 弯管机自动控制系统结构62.4.1 常用的自动控制系统62.4.2 本课题数控弯管机的控制系统7第三章 数控系统硬件部分设计93.1 数控弯管机控制系统的硬件结构93.2 工业PC，运动控制卡，伺服电机的选型93.2.1 工业PC的选择93.2.2 运动控制卡的选择103.2.3 伺服电机的选择113.3 硬件电路设计143.3.1 主控电路设计143.3.2 输入输出电路的介绍和设计183.3.3 编码器电路的设计213.3.4 伺服驱动机构电路的设计223

8、.3.5 溢流阀电路的设计25第四章 数控系统软件部分设计264.1 数控系统软件设计要求264.2 编程语言274.3 系统子程序设计27第五章 总结与展望325.1 全文小结325.2 展望32参考文献34更多资料尽在： 大学生部落-大学生第一门户社区第一章 绪论1.1 课题背景及目的弯管机是实现管材弯曲成形的主要设备, 广泛应用于汽车、摩托车、化工、家具、航空航天和军工等行业, 而且随着现代制造工业的发展, 对弯管机使用性能的要求也越来越高, 要求在适应性、效率和精度上有更大的突破, 特别是船舶、汽车、交通能源、航天航空、军工等行业, 需要高精度的自动化弯管机。1目前, 常用的管材弯曲成

9、形方法有绕弯、推弯、滚弯和压弯等, 其中绕弯容易实现自动化, 因此目前弯管机多以绕弯为主。2但是, 由于绕弯需要将钢管缠绕在轮模上加工成形, 而轮模的半径是受到限制的, 因此, 在加工大曲率的管件时绕弯显得无能为力, 而需要使用滚弯的方式。为了增加弯管机的柔性, 必须将绕弯和滚弯集成到弯管机上, 以实现从小曲率和大曲率管件的加工。随着数控技术和计算机技术的发展, 管件成形也从手工、半自动方式发展到数控全自动加工方式, 并且, 基于PC的开放式的数控系统也逐步替代了传统的专用的PLC数控系统。从实现结构上来看, 基于PC的开放式数控系统大致分为4种结构形式: PC连接NC型, PC嵌入NC型,

10、NC嵌入PC型和全软件型。3其中, 在工业PC内嵌入工业运动控制卡和工业I/O(输入/输出)卡, 构成NC嵌入PC型数控系统, 可以充分利用PC机的软件资源, 同时, 运动控制卡采用硬件实现插补等运算, 不占用PC机硬件资料, 可实现多轴(多坐标)、高精度和高速度的机械加工,具有模块化、开放和编程灵活等优点, 是基于PC的数控系统主流方式。4数控弯管机弯管效率高，管件质量稳定，可迅速提高车间的生产效率。特别适合大批量多种类管件生产。5,61.2 数控弯管机的特点传统弯管过程:导管的传统弯曲是依据二维产品图样，采用装砂填料热弯、装砂填料手工冷弯、普通机弯以及钢管充液压弯等方法进行的。传统弯管完全

11、凭借操作者的经验和技术熟练程度来控制产品质量。因此，管形差异较大，校正量大，大管径导管弯曲质量尤其难以保证，往往产生圆度超差、内半径处起皱、管腔内的填充物清除不干净等问题。数控弯管过程:数控弯管过程是先向机床内置计算机输入导管的成形数据，然后放置管坯，由机床自动控制弯曲成形。为此，首先需制出导管实样，通过对实样测量得出原始管形数据，再把数据传输到数控弯管机的PC机中，然后修正管形数据，使弯制的导管与实样一致。7数控弯管机是基于矢量弯管原理，按程序通过数字控制系统来弯曲任意空间立体管件的现代重要的先进弯曲加工设备，目前市场上主要是基于专用数控、PLC+触摸屏的弯管机数控系统。基于PC的CNC型弯

12、管机数控系统，以工业控制计算机、运动控制卡等为平台，结合交流伺服控制、传感检测、软件仿真等多项技术，实现了机械、电子、软件的一体化，提高了管件弯曲加工精度和生产效率。电动弯管机比其他的( 如: 机械式、液压式) 弯管技术, 灵活方便, 便于自动化控制, 弯管效果好。在许多现场施工与抢修( 如: 石油化工、矿山、船舶、建筑施工、电力施工等) 以及标准件制造, 都有广泛应用。81.3 数控弯管机的发展概况1.3.1 国外数控弯管机的研究现状及发展趋势三维数控弯管（即空间弯曲管件）的发展与计算机技术的发展息息相关，早在20世纪70年代，时值世界各国矢量弯管技术刚刚起步，美国伊顿-列昂纳德（EATON

13、-LEONARD）公司就已研制生产了计算机数控（CNC）弯管设备，这套设备包含一台管型测量机和一台弯管机，这套设备集数据测量、管型数据计算和数控弯管多项新技术于一身，首创计算机编程弯管之先河，大大提高了当时的弯管水平。20世纪80年代，日本千代田工业株式会社在美国伊顿-列昂纳德（EATON-LEONARD）公司的研究成果上，成功研制了新型管型测量机和两种系列十多种型号的数控弯管机，其功能更强大，数据精度更高，很快便以崭新的技术面貌计入国际市场。目前国外弯管机主要生产厂家：英国ADDSION公司、意大利BLM集团、日本大洋株式会社、瑞典HERBER公司和美国伊顿公司等，主要生产数控弯管机，且数控

14、系统均是自己公司开发配套产品，价格均在200万左右。91.3.2 国内数控弯管机的研究现状及发展趋势我国的矢量弯管技术研究起步较晚，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，这是国内自主研制成功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。此后上海造船工艺研究所泰州海光机械厂等多家国内企业也陆续研制推出了数控弯管机。在80年代中期中国航空精密机械研究所研制成功了DGC-1型五坐标导管测量机，其测量精度技术指标已达到美国伊顿-列昂纳德（EATON-LEONARD）公司所产的管型测量机的水平，它的研制成功是国内数控弯管技术的一个突破，填补了国内导

15、管测量技术的空白。1993年由长治锻压机厂和英国ADDISON机床有限公司合作生产的DB275CNC弯管机，通过了机电部组织的技术鉴定。这种新型弯管机是世界上最大、自动化程度最高的一种冷变三维全功能数控弯管机。目前在国内主要的弯管机厂家：长治锻压机厂、江阴机械厂、上海常青机械厂、上海嘉定弯管机厂、中山市科力高自动仪器设备有限公司等，大多为液压半自动弯管机，数控弯管机的品种批量较少，很多产品数控均是在工业PC基础上自主开发或者主要是国外非主流品牌数控系统，针对性强，通用性差，价格约在80100万之间。9目前市场上主要是基于专用数控、PLC+触摸屏的弯管机数控系统。本文基于PC的CNC型弯管机数控

16、系统，以工业控制计算机、运动控制卡等为平台，结合交流伺服控制、传感检测、软件仿真等多项技术。1.4 本课题的研究任务要求在熟悉弯管工艺、弯管设备的基础上，设计完成4轴（全伺服）、双层模的基于PC的弯管机数控系统，实现弯管工艺中的多种运动控制。1.控制系统的组成:有4个控制轴组成，分别是管材送进（运送轴Y轴），弯曲平面回转（旋转轴B轴），管材弯曲（弯曲轴C轴）和换模控制(调整轴X轴)。每个轴各由一台伺服电机控制。2数控双模弯管机：常规的拉拔式弯管机，即只要被弯曲管件所有的弯曲半径一样，不管弯曲角度多少（一般不大于180)，无论几个弯，就能弯多弯头管，但其弯曲半径只能是一个。也即常规的一管一模弯管

17、机的特点是管子在弯管过程不能更换模具。然而随着科学技术的发展，现在在同一根管件上具有不同半径的多弯头管越来越多。对一根管子来讲，为适应一根管子上有多个弯曲半径的生产现状，有一种方法是在弯管机上带有换模机构，从而达到在一根管子上允许弯不同的弯曲半径的目的。要完全弯好一根管件，从常规拉拔式弯管工艺讲，可分为3个主要基本动作，即直线送进、空间转角、弯曲，以及一些其他弯管辅助动作，如夹紧，压料和松开等。双模弯管机和常规的一管一模弯管机相比，由于弯曲半径发生了变化，则使新的管模槽与工件中心线不在一条直线上，则需要重新进行调整中心，并且还必须考虑到弯曲半径变换时的机械干涉问题，也即多弯头弯管机中控制系统比

18、其他弯管机增多了一些功能。所以它和常规拉拨式弯管机相比难度和复杂度更大。103.基于PC的控制系统：基于PC的控制系统由工业控制计算机（也可以是普通计算机）和工业过程接口两大部分组成，包括硬件和软件。基于PC的控制系统在机电一体化系统中的使用较为广泛。它是一种开放式、通用性较强的控制系统，通常应用于规模复杂、计算量大且较困难、实时性要求高的环境中。第二章 数控系统整体设计方案2.1 数控弯管机的工作原理数控弯管机是基于矢量弯管原理，按程序通过数字控制系统来弯曲任意空间立体管件的现代重要的先进弯曲加工设备。所谓矢量弯管原理就是：无论多么复杂的管型，都是由直线段和圆弧组成。如果将管子放在坐标系中，

19、并将管子直线段中心线一系列的空间矢量来表示，求出它们的交点坐标，进而得到管型数据，用户将管型数据通过测量机或其他方式输入给计算机内存，机床在计算机程序的控制下，即可完成用户所需管型。弯管机的工作原理描述如下：弯曲模固定在机床主轴上并随主轴一起旋转，导管的一端由主夹夹紧在弯曲模上，主夹保持一定的夹紧力，使导管、弯曲模和主夹三位一体转动。在导管与弯曲模的切点附近，导管外侧装有副夹，用于将导管压在模具的凹槽中，并支撑导管的外半部。管坯内部塞有芯棒，可以支撑管壁，防止管材截面畸变和管壁褶皱。芯棒下装有托辊，起支撑作用。当弯曲模转动时，管坯即绕弯曲模逐渐弯曲成形。2.2 弯管机生产工艺流程设计弯管机生产

20、过程自动控制程序的前提是清楚地了解管件加工的工艺流程，理解了数控弯管机的工作原理后，经过多方资料查询和理论分析论证，现将本课题所研究的弯管机生产工艺流程设计结合图2-1说明如下：（1）数控弯管机弯管过程一般都可分为进给、旋转和弯曲三种运动过程。另外还需要弯管辅助工作，如主夹或副夹的夹紧、松开和换模等。（2）主轴上有两台伺服电机，一台用来推动小车到达加工位置，完成直线送进（Y轴），另一台控制管件旋转（B轴）；C轴上有一台大功率伺服电机，用来弯曲管件；X轴上有一台伺服电机，当换模的时候校正位置。（3）加工管件为单一弯曲半径时的弯管工艺流程：芯棒进到位料夹松装夹管件料夹紧小车运送到位空间旋转副夹紧主

21、夹紧弯曲轴弯管小车随动副夹随动弯管角度到位主夹回到位副夹回到位弯曲轴回零小车运送到位空间旋转.如上述重复循环进行到管件加工成形，所有加工动作回到初始位置，进入下次加工。（4）加工管件有多个弯曲半径时的弯管工艺流程：芯棒进到位料夹松装夹管件料夹紧小车运送到位空间旋转副夹紧主夹紧弯曲轴弯管小车随动副夹随动弯管角度到位主夹回到位副夹回到位弯曲轴回零换模小车运送到位空间旋转.如上述重复循环进行到管件加工成形，所有加工动作回到初始位置，进入下次加工。初始化芯棒进到位料夹松装夹管件料夹紧小车运送到位(送料轴)空间旋转（旋转轴）副夹紧主夹紧弯管（弯曲轴）小车随动副夹随动弯管角度到位主夹回到位副夹回到位弯曲轴

22、回零换模（调整轴）图2-1 弯管工艺流程2.3 弯管机的系统结构KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机由机械部分、电气系统、液压系统、气动系统、冷却系统和润滑系统组成。在本节中只讨论其机械部分和液压系统，其他部分在本文中不再赘述。图2-2是弯管机的整体结构图。图2-2 整体机构图2.3.1 机械部分KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机的机械部分包括机身、小车、调整机构、机头、主夹、芯棒进退装置和辅助部分。1.机身：机身是由板材、型材焊接和铸造而成的床身。床身上装有导轨、齿条、弯曲模和芯棒机构等。在导轨上装有小车，床身上有行程开关。2.小车：数控弯管机的小车上装有两个传动轴，即运送轴（Y轴

23、）和旋转轴（B轴），它们是由交流伺服电机驱动以完成“直线运送管件”和“空间旋转管件”的运动。3.调整轴（X轴）：KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机是双模数控弯管机，可以弯制不同弯曲半径的管件，这就要求机头Z1和机头Z2上下切换弯管。由于机头Z1和机头Z2上的弯曲模半径不同，模具切换后需重新将模具和芯棒中心对中。调整轴（X轴）的功能就是在加工不同弯曲半径的管件时，通过丝杠做横向运动，来调整弯曲模对准中心线。对于单模数控弯管机，不需要调整轴。4主夹：主夹在数控弯管机中起着重要作用，它不只影响加工管件的质量，更重要的是它直接导致生产废品。主夹不能夹紧管件，弯曲轴在弯管过程中就会出现打滑、压瘪、

24、拉裂拉断管件等严重问题。主夹主要是由液压驱动。5芯棒机构：芯棒机构装在机身的尾部，和小车相连，在弯管过程中，芯棒的快进、快退、慢进和慢退都遵从计算机的指令，由液压驱动。2.3.1 液压部分液压传动是以液体（油、高水基液压油、合成液体）作为介质来实现各种机械量（力、位移或速度等）的传递。液压传动与单纯的机械传动、电气传动和气压传动相比，具有传递功率大、结构紧凑、体积小、重量轻等优点，因而被广泛运用于各种机械设备及精密自动控制系统中。2本课题所研究的数控弯管机液压系统就是由液压随动系统、芯棒控制系统、机头控制系统、液压夹紧系统等组成。2.4 弯管机自动控制系统结构2.4.1 常用的自动控制系统（1

25、） 基于PC的控制系统基于PC的控制系统由工业控制计算机（也可以是普通计算机）和工业过程接口两大部分组成，包括硬件和软件。基于PC的数控系统具有以下特点：（1）具有完善的输入/输出通道、数字或开关量输入/输出通道，这是计算机有效发挥其控制功能的重要特性。（2）可靠性高，对环境适应性强，以满足工业生产现场的要求。（3）人机交互方便，画面丰富，可实时在线检测与控制。（4）运算速度快，运算能力强，能实现复杂的控制算法。这是计算机控制系统的优势之一，现有的多种智能控制算法大多可以在计算机控制系统中实现。（5）与普通PC的软、硬件的兼容性好，可充分利用普通PC系统的软，硬件资源，支持各种操作系统、多种编

26、程语言、多任务操作系统。软件资源丰富，控制系统的软件部分不仅能自行开发，更有功能强大的工业控制软件包（工业组态软件）可供使用，从而减少了开发周期，提高了可靠性。这也是计算机控制系统的优势之一。基于PC的控制系统在机电一体化系统中的使用较为广泛。它是一种开放式、通用性较强的控制系统，通常应用于规模复杂、计算量大且较困难、实时性要求高的环境中。（2） 基于微处理器的控制系统微处理器（Microprocessor）简称MP，是指一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理器部件。微处理器不能单独构成控制器或控制系统只有配以存储器、输入/输出接口、系统总线等外围器件，构成微型计算机系

27、统（Microcomputer System），才能实现控制系统的功能。基于微处理器的控制系统具有以下特点：（1）成本低，性价比高。基于微处理器的控制系统可以量身定做，成本低，性价比较高。这是基于微处理器的控制系统的优势之一。（2）实时性好。（3）体积小，功耗低，可嵌入系统中。（4）通用性和适应性好。基于微处理器的控制系统具有性价比高和易于嵌入的优势，但其交互性较差、运算能力不强，通常应用于功能要求不太复杂、成本要求较高或要去嵌入的场合。它也可以与计算机控制系统一起构成更加复杂的控制系统，作为计算机控制系统的下级或前端处理部分。随着微处理器的快速发展，除了传统的单片机（例如MCS-51系列）外

28、，陆续出现了嵌入式微处理器系统（例如ARM系列微处理器）和数字信号处理系统（例如TI系列DSP微处理器）。（3） 基于PLC的控制系统可编程序控制器（Programmable Logical Controller）简称PLC，是一种基于计算机技术模仿继电器逻辑控制原理而发展起来的工业环境下的数字运算电子控制系统。基于PLC的控制系统具有以下特点：（1） 成本低，性价比高。（2） 稳定可靠，抗干扰能力强，适用于恶劣的工作环境。（3） 模块化结构，功能完善，适应性强。（4） 简单易用，使用、维护方便，编程简单，对使用、维护人员要求较低。基于PLC的控制系统具有简单易用、可靠性高、特别适合于工作环境

29、恶劣的场合和逻辑控制的优点，广泛应用于功能要求不高，工作环境恶劣的场合，特别是顺序过程控制，将它与触摸屏配合使用，可克服其交互性差的缺点。目前，在计算机技术、信号处理技术、控制技术和网络技术的推动下，PLC的功能不断得以完善，它已不再局限于逻辑控制，在连续闭环控制和复杂的分布式控制领域也得到了很好的应用，在机电一体化系统中发挥着重要的作用。（4） 其他控制系统除了上述几类控制系统之外，还有诸如NCS（Numerical Control System，数控系统）、DCS（Distributed Control System，集散控制系统）、FCS（Field bus Control System

30、，现场总线控制）等多种控制系统在机电一体化系统中的使用也极为广泛。112.4.2 本课题数控弯管机的控制系统KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机是采用基于PC的CNC型弯管机数控系统，以工业控制计算机作为CNC平台，通过在主板上PCI槽插入实现各功能的各种模块，如运动控制卡、D/A板、I/O板等，构成具有高度灵活性的数控控制系统，结合交流伺服控制、传感检测、软件仿真等多项技术，实现了机械、电子、软件的一体化，提高了管件弯曲加工精度和生产效率。第三章 数控系统硬件部分设计3.1 数控弯管机控制系统的硬件结构本课题所研究的KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机控制系统以PC机和运动控制卡为基

31、础构建开放式数控系统的硬件平台。此系统的硬件平台经济、方便、快捷，因为PC机批量生产，价格便宜，速度性能好，而且升级换代快，可以满足作为数控系统核心部件的要求，选择PC机可以获得高标准的硬件结构配置和优异的性价比；而运动控制卡也是标准化模块化产品，我们只需要根据具体的需求，选配合适的PC机、运动控制卡、执行部件和辅助单元，然后进行相应的连接，即可建立开放式数控系统的硬件平台。12由于KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机是全自动电动数控弯管机，所以其执行部件选择伺服电机，即其弯曲轴（C轴）、运送轴（X轴）、旋转轴（B轴）和调整轴（X轴）都是用伺服驱动器加伺服电机驱动控制。控制系统的硬件结构（

32、图3-1）由工业PC机、运动控制模块和执行机构等组成。该型号数控弯管机采用四套伺服电机实现管件的运送、空间旋转和弯管以及换模。IPC机（主CPU）触摸显示器运动控制卡PCI伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器伺服电机Y伺服电机C伺服电机B伺服电机X输入输出模块开关信号图3-1 弯管机硬件结构图3.2 工业PC，运动控制卡，伺服电机的选型3.2.1 工业PC的选择工控机应用于工业现场，而工业现场环境恶劣，具有强振、多尘、高电磁干扰等特点，且须连续作业。因此，工控机必须满足一下要求:（1） 采用全钢结构专用机箱，辅助以CPU卡压条、过滤网、双正压风扇、EMI单片等，解决工业现场存在的重压、振动

33、、灰尘、散热、温度、电磁干扰等问题，具有较高的防磁、防尘和防冲击的能力。（2） 采用多插槽无源地板机构，可插入各种功能模块，以总线结构形式实现部件连接，系统扩充性好，具有很强的输入/输出功能，可扩充多种板卡，能与工业现场的公众外设相连，以完成各种任务。（3） 采用抗干扰电源，具有防浪涌、过压过流保护功能和良好的电磁兼容性。（4） 具有实时处理能力，以满足工业生产过程实时控制要求。（5） 具有开发性结构，系统易于扩展。本系统选用研华公司生产的通用工业PC系列，它具有高可靠性电源装置、带防尘滤网风扇制冷系统、全钢标准机箱、减震加固压条装置、多PCI插槽以供I/O扩展，满足本系统的各项要求。3.2.

34、2 运动控制卡的选择运动控制卡是插在PC机扩展槽上，卡上的CPU通过总线和主机的CPU并行通讯，并与其构成双CPU控制模式的运动控制单元。PC机主要负责人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工作，运动控制卡上专用的CPU负责处理运动控制的细节，例入升降速计算、行程控制、多轴插补等，而且不占用PC机资源，便于让用户专注精力解决复杂的运动控制问题。KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机控制系统采用“PC机+运动控制卡+伺服驱动器+伺服电机”控制结构来实现对运送轴（Y轴）、空间旋转轴（B轴）、弯曲轴（C轴）和调整轴（X轴）四个轴的控制，为了满足弯管机对坐标运动控制的要求，选择研华的PCI-1240

35、U运动控制卡，该卡为PCI总线用高速4轴运动控制卡，可简化步进式及脉冲式伺服电机控制，并充分发挥电机的潜能。该卡使用NOVAMCX314动作ASIC芯片，卡内建了多种动作控制函数，如2/3轴线性内插、2轴圆周内插、T/S曲线加速率/减速率等等。13研华的PCI-1240U运动控制卡的主要功能如下：1 4轴个别控制：每一轴都有同样的功能和能力，接受相同的等速、四边形或S曲线驱动控制。2 线性及圆周内插：可选择任意2或3轴执行线性内插驱动，可选择任意2轴执行圆周弧线内插控制。内插速度范围从1PPS 到4MPPS。3 功能强大的位置管理：每一轴配备一个32位逻辑位置计数器和一个32位真实位置计数器。

36、逻辑位置计数器累计各轴的脉冲输出数。而真实位置计数器，则记录来自外部编码器或线性量尺的回授脉冲。4 速度控制：定速四边形或S曲线加速/减速的脉冲输出速度范围是1PPS 到4MPPS。5 连续内插：不同内插方式可连续使用，例如：线性内插圆周内插线性内插。执行连续内插的最高速度为2MPPS。.6 位置控制：每一轴配备一个32位逻辑位置计数器和一个32位真实位置计数器。逻辑位置计数器累计输出脉冲数。真实位置计数器则累计来自外部编码器或线性量尺的回授脉冲数。7 输入/输出信号：驱动时，每轴有4个位置的输入信号以执行减速和停止。这些输入信号用作回归原位的高速接近原点搜寻、原点搜寻、以及Z相搜寻。每轴有8

37、 个输出点作为一般输出。8 中断信号：中断信号产生于：四边形等速驱动的起/迄；驱动结束；比对结果一旦高于/低于位置计数器的上下限时。内插驱动中，也可以产生中断信号。9 实时监控：驱动中，可以读取：逻辑位置、真实位置、驱动速度、加速/减速、加/减速及定速驱动状态等的实时状态。13表3-1简单介绍了运动控制卡PCI-1240U针脚的功能，为下一步接口连接设计提供理论依据。表3-1 PCI-1240U针脚说明表针脚名称输入/输出说明VEX输入外部电源输入（12-24V）GND*接地脚P+P输出所控制轴CW/Pulse+输出P+N输出所控制轴CW/Pulse-输出P-P输出所控制轴CCW/DIR+输出

38、P-N输出所控制轴CCW/DIR-输出ECAP输入所控制轴编码器A相+输入ECAN输入所控制轴编码器A相-输入ECBP输入所控制轴编码器B相+输入ECBN输入所控制轴编码器B相-输入INOP输入所控制轴编码器Z相+输入INON输入所控制轴编码器Z相-输入IN1输入所控制轴减速/立即停止信号OUT4输出所控制轴通用输出脚OUT5输出所控制轴通用输出脚OUT6输出所控制轴通用输出脚OUT7输出所控制轴通用输出脚INPOS输入所控制轴到位输入信号ALARM输入所控制轴伺服驱动报警信号LMT+输入所控制轴+方向限位控制信号输入LMT输入所控制轴方向限位控制信号输入IN3输入所控制轴减速/停止信号3.2

39、.3 伺服电机的选择KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机的运送轴（Y轴）、旋转轴（B轴）、弯曲轴（C轴）和调整轴（X轴）都是选用伺服电机的。其采用的是三菱公司的HF-SP系列。根据各轴要求的功率、转速和转矩不同，具体选型如下：运送轴（Y轴）和旋转轴（B轴）选用HF-SP102伺服电机，MR-J3-100A伺服驱动器；弯曲轴（C轴）选用HF-SP502伺服电机，MR-J3-500A伺服驱动器；调整轴（X轴）选用HF-KP73伺服电机，MR-J3-70A伺服驱动器，下面简单介绍下它们的结构和功能。1.HF-SP系列伺服电机和HF-KP73伺服电机结合图3-2、图3-3和图3-4来说明，如图所示

40、，HF-SP系列伺服电机的特点是中惯量，中容量，HF-KP73伺服电机的特点则是低惯量，小容量。其中HF-SP102伺服电机的额定输出功率是1.0KW，HF-SP502伺服电机的额定输出功率是5.0KW，HF-KP73伺服电机的额定输出功率是0.75KW。14图3-2 伺服电机简图图3-3 伺服电机的特点图3-4 伺服电机的特点2MR-J3-A系列伺服驱动器 三菱通用MR-J3-A系列伺服驱动器是在MR-J2-A系列伺服驱动器基础上开发的性能更高、功能更丰富的交流伺服驱动。其控制模式有位置控制、速度控制和转矩/位置切换控制三种。此外，还可以选择位置/速度切换控制，速度/转矩切换控制和转矩/位置

41、切换控制。所以MR-J3-A系列伺服驱动器不但可以用于数控机床和普通工业机械的高精度定位和平滑的速度控制，还可以用于线控制和张力控制等，应用范围十分广泛。(1) 位置控制模式：可以使用最大1Mpps的高速脉冲串对电机的转动速度和方向进行控制，执行分辨率为262144脉冲/转的高精度定位。另外还提供了位置平滑功能，可以根据机械情况从两种模式中进行选择。位置指令脉冲急剧变化时，可以实现更平稳的启动和停止。由于急剧加减速或过载产生的主电路过流会影响功率晶体管，所以伺服放大器采用嵌位电路来限制转矩。转矩的限制可用通过外部模拟量输入或参数设置的方式调整。(2) 速度控制模式：通过外部模拟速度指令(DC0

42、10V)或参数设置的内部速度指令 (最大7速 )，可对伺服电机的速度和方向进行高精度的平稳控制。另外，还具有用于速度指令的加减速时间常数设定功能、停止时的伺服锁定功能和用于外部模拟量指令的偏置自动调整功能。(3) 转矩控制模式：通过外部模拟量转矩输入指令 (DC08V)或参数设置的内部转矩指令可以控制伺服电机的输出转矩。具有速度限制功能（外部或内部设定），可以防止无负载时电机速度过高，本功能可用于张力控制等场合。15MR-J3-A系列伺服驱动器的型号构成如图3-5所示。图3-5 伺服电机型号结构3.3 硬件电路设计根据KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机弯管的流程和特点，作者在AUTOCA

43、D中绘制了电路图，电路图主要是关于各轴运动方式的控制和PC与运动控制卡，伺服电机的连接。3.3.1 主控电路设计图3-6主要介绍了KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机弯管的电源连接图。如图3-6，根据KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机弯管的各个部件，需要提供电源的有工控机、液压泵、I/O板卡、电磁阀、编码器和各轴伺服驱动器和电机。图3-6 主电路图3-7 工控机和液压泵电机电源分配电路如图3-7 ，从供电系统中出来的三相线拉出两根连接到工控机，然后通过变压器T2转换成我们需要的电压。其中三相线起始的位置安装了总空开Q0，用于控制整个电路的供电与否。液压泵电机通过热继电器FR1、接触器

44、KM1和空开Q1连接到三相线上，空开Q1用于控制液压泵电机的通电，接触器KM1则是当相应线圈通电时其常开触点才闭合通电，热继电器FR1则其过载保护作用，当过载时，接触器失电，电路断开，实现电机过载保护。因此只有当空开Q1闭合，接触器KM1闭合时液压泵电机工作。I/O板卡、电磁阀、编码器都是在三相线经过变压器T1电压变换后连接到三相线上，其中连接了交流-直流转换器和熔断器。以图3-8 I/O板卡的电源连接图为例：经变压器T1转换成的电压通过交流-直流转换器转变为直流供电，熔断器则起保护作用。图3-8 I/O板卡和伺服电机电源连接图伺服电机Y、伺服电机B、伺服电机C和伺服电机X也是三相线经变压器T

45、1电压变换后连接到三相线上的，以伺服电机Y为例，如图3-8，总空开Q3控制整条电路的供电，接触器KM3是当相应线圈通电时其常开触点才闭合通电，伺服驱动器Y控制伺服电机。图3-9主要描述了急停、总电源、液压泵和各轴伺服电机的控制方式。图3-9 控制电路1 急停部分：结合图3-10控制面板来说明。急停开关S0安装在主控端上，急停开关S3安装在移动控制台上，图3-10 控制面板机械式限位开关S10用于保证转臂回位安全。急停开关S0，急停开关S3和机械式限位开关S10串联在电路中，都是常闭触点，其中一个断开，电路就断开。2 总电源部分：如图3-9和图3-10，电源开关S1是带钥匙型选择开关，安装在主控

46、端上。接触器KM0通电时，图3-6主电路上的接触器开关闭合，主电路通电。此外，还连接了主控端和移动控制端的电源指示灯H1和H2，用于指示主控端和移动控制端是否工作。3 液压泵部分：如图3-9和图3-11液压泵启动按钮S2和液压泵停止按钮S17串联，其中S2是常图3-11 液压泵控制电路开触点，S17是常闭触点，热继电器FR1起过载保护作用，是常闭触点。当S2打开，S17闭合时，液压泵不工作，此时，指示灯H3绿灯不亮，指示灯H10红灯亮；当按下S2时，液压泵工作，此时图3-11中接触器KM1线圈通电，且指示灯H3绿灯亮，而接触器KM1的常闭触点打开，常开触点闭合，所以指示灯H10红灯灭；当按下S

47、17时，回到初始状态，液压泵不工作。4 伺服电机部分：以伺服电机Y为例，如图3-12，当要使电机工作时，继电器KA51和继电器线圈KA1由于相应线圈通电，使之都闭合，当报警是，KA51断开，电机停止工作。图3-12 伺服电机Y控制电路3.3.2 输入输出电路的介绍和设计本课题所研究的KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机采用的PCI-1240U运动控制卡自带ADAM-3951端子排。ADAM-3951端子排一款带有50脚SCSI-II的接线柱模块,并为DIN导轨安装带有LED指示器。这个终端模块很容易的连接到研华的PC-Lab板卡上并且允许单个管脚方便可靠的连接到PCI-1752/1754/

48、1756板卡。KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机输入输出电路采用的板卡有PCI-1752和PCI-1754。（1） 研华的PCI-1752实用工业I/O卡是64路隔离数字量输出卡，输出通道高电压隔离，(2500VDC)，2000VDC ESD保护，宽输入范围(540VDC)，隔离输出通道上的高汇点电流(最大200 mA/每通道)，输出状态回读，热重启动系统时保持数字量输出值，通道冻结功能。弯管机的输出电路采用的就是PCI-1752工业I/O卡。图3-13 输出电路1I/O卡PCI-1752是输出控制卡。如图3-13和图3-14所示，端口1-4连接的是4轴伺服电机的带续图3-14 PCI-

49、1752局部连接图流二极管的中间继电器线圈，带续流二极管的作用是保护电路其他元件的安全，中间继电器线圈的作用是当电路通电时，相应的常闭触点打开，常开触点闭合。端口6-16,26-40分别连接的是机头Z1升降，机头Z2升降，主夹松紧，副夹松紧，辅推进退，小车料夹松紧，托辊升降，快轴进退，慢轴进退，喷油润滑，整机润滑，三色报警灯和启动、暂停、停止指示灯的控制电路。以机头Z1升控制电路为例说明，如图3-15，端口6连接带续流二极管的中间继电器线圈KA6，当通电时，KA6常开触点闭合，点图通电，电磁阀线圈KA06工作，此时，机头Z1升。端口17-20,42-45外接24V电源，端口21-24,46-4

50、9接地。 图3-15 机头Z1控制电路此外，I/O卡PCI-1752还通过伺服驱动器Y来控制伺服电机Y，如图3-16，端口1-4的作用分别图3-16 输出电路2是控制清除/速度选择1，速度选择2，正转选择和反转选择。（2） 研华的PCI-1754实用工业I/O卡是64路隔离数字量输入卡，每组DI+/-电压输入、输出通道高电压隔离(2500VDC)、高过栽电压保护(70VDC)、宽输入范围(10-50 VDC)、中断处理能力。弯管机的输入电路采用的就是PCI-1754工业I/O卡。图3-17 输人电路1如图3-17，I/O卡PCI-1754的端口1-5连接的是液压泵电机和4轴伺服电机的接触器。端

51、口6-15分别连接主控端急停开关S0，移动控制端急停开关S3，机械式限位开关S10，压力开关S11，热继电器FR1，启动按钮S12，料夹按钮S13，暂停/继续按钮S14和复位按钮S15。其中移动控制端急停开关S3，启动按钮S12，料夹按钮S13，暂停/继续按钮S14和复位按钮S15都安装在移动控制端，功能就是急停、启动、料夹紧/松、暂停/继续和复位；压力开关S11用于对压力信号的检测、显示和控制信号输出；机械式限位开关S10，主控端急停开关S0，热继电器FR1在前文图3-9，图3-10和图3-11中介绍过，这里就不多做说明。端口26-41连接的是霍尔式接近开关，用于第一层模位置，第二层模位置，

52、芯轴慢退，料夹松紧，主夹松紧，副夹松紧，辅推进退到位，托辊升起降下，小车和托辊干涉，芯轴进退等功能的开关，以主夹松为例，当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。端口17-20，42-45外接24V电源。3.3.3 编码器电路的设计KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机的编码计数器采用的研华的PCI-1784编码器，此外三菱的伺服电机也自带编码器。PCI-1784是一款PCI总线的4轴正交编码器和计数器。该卡带有四个32位四元AB相位编码计数器，多时间范围

53、选择的8位定时器，4路隔离数字量输入和4路隔离数字量输出。它灵活的中断元非常适合用于运动控制和位置监控。首先介绍伺服电机自带的编码器，以伺服电机C为例，结合图3-18来说明，图左边是伺服驱动器C的编码器连接部分，右边是伺服电机C的自带的编码器端口。其中MR，MRR，MD，MDR的功能图3-18 伺服电机C的编码器端口是对伺服电机C的转速、位置和转矩进行测量与反馈，以便更好的控制伺服电机C。因此伺服电机C与伺服驱动器C构成闭环伺服控制系统。 除此之外，如图3-19，C轴上的PCI-1784编码器对C轴的弯曲角度和间隙进行测量和反馈，构成了闭环伺服控制系统，所以伺服电机C自带的编码器与PCI-17

54、84编码器构成了双闭环伺服控制系统。图3-19 PCI-1784编码器电路3.3.4 伺服驱动机构电路的设计由于KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机是4轴伺服电机驱动，因此以伺服电机Y为例来介绍伺服驱动机构与电源、运动控制卡等的连接。1 电源部分：如图3-20，CNP1部分是伺服驱动器Y的主电源接头，连接的是经变压器变压的三相线。中间还连接了接触器KM3，若相应的线圈通电，则接触器KM3常开触点闭合，伺服驱动器Y工作。CNP2部分是控制电路接头，用于连接控制电路电源、再生选件。如图3-21是伺服驱动器电源部分，伺服电机Y由伺服驱动器Y供电，接地。如图3-22，运动控制卡电源部分，端口VEX

55、接外部电源，端口GND接地。图3-20 伺服驱动器Y电源连接部分图3-21 伺服电机Y供电图3-22 运动控制卡供电2 限位部分：如图3-23，Y轴+方向限位控制信号输入端LMT+和Y轴-方向限位控制信号输入端LMT-分别接有机械式限位开关S4和S5，Y轴减速/停止信号端IN3连接了霍尔式接近开关B1，关于霍尔式接近开关的功能上文已提，这里就不再描述。当Y轴前限位时，凸轮开关S4闭合，Y轴+方向限位控制信号输入到运动控制卡PCI-1240U中，运动控制卡反馈出Y轴停止运送的信号；Y轴后限位时同理。图3-23 Y轴限位电路3 急停部分：如图3-24，伺服驱动器Y的EMG紧急停止端口连接了S0常闭

56、急停开关，并分别于LSP正转行程末端，LSN反转行程末端，DOCOM数字接口用公共端相连接。按下S0急停开关是，其常闭触点打开，电路断路。图3-24 急停部分4 报警部分：如图3-25，运动控制卡的INPOS Y轴到位输入信号端和ALARM Y轴伺服驱动报警信图3-25 报警部分号端分别与伺服驱动器Y的INP定位完毕端和ALM故障端相连接，此外，在运动控制卡的报警端与伺服驱动器Y的数字输入端还连接了继电器线圈KA51。当机器故障时，线圈通电，相应的常闭开关闭合，常开触点打开，电路断路。5 复位电路：如图3-26，运动控制卡的通用控制脚分别连接了伺服驱动器Y的LOP控制切换端，SON伺服开启端和

57、RES复位端。图3-26 复位电路6 脉冲编码电路：伺服电机自带的编码器电路上文已说明过，这里就不再说明。如图3-27，介绍了运动控制卡和伺服驱动器Y之间的脉冲电路。其中伺服驱动器Y的LZ，LZR，LA，LAR，LB，LBR6个A，B，Z相脉冲端分别与运动控制卡的A，B，Z相脉冲端相连接，且PP，PG，NP，NG4个正转/反转脉冲端也对应相连。图3-27 脉冲电路3.3.5 溢流阀电路的设计图3-28是溢流阀局部电路的设计，其中辅推进，辅推退，小车料夹紧等继电器接触器常开开关并联，当任意一个常开开关闭合时，电磁阀线圈通电，从而此开关对应的运动执行。图3-28 溢流阀电路第四章 数控系统软件部分设计KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机弯管过程的控制软件部分设计是控制系统设计的一个重要部分，这包括在深刻了解弯管的工作流程的基础上的控制程序结构的设计，程序各模块的代码编写等。图4-1是KM-CNC38D2R4AM型数控弯管机的软件结构图。 主框架程序参数设置状态显示状态控制系统管理速度/加速度设置运行模式设置控制模块设置速度显示I/O状态显示运动状态显示速度控制I/O控制帮助文档程序编译文件管理图4-1 系统软件结构图