数控弯管机嵌入式硬件系统总体设计方案

尚玉廷

（身份证号码：37142819790721XXXX）

摘要：数控弯管机是基于矢量弯管原理，运用微机控制，完成用户所需的任意空间立体管形，是现代弯曲整形的重要加工设备。本文主要针对弯管机这一数控装备进行嵌入式测控系统的硬件系统研究开发，以嵌入式微处理器为硬件平台，代替传统的通用计算机和工控机，对机床的加工过程进行有效控制。在此基础上加装运动控制卡PCI-1240U，通过运动控制卡实现对伺服电机驱动器的控制，从而控制伺服电机带动各轴进行准确的旋转走位操作。本文所设计的嵌入式测控系统用于控制数控弯管机的工业现场实际运行，主要实现弯管机的送料、旋转、弯曲等功能的控制。所设计的电路及选取的硬件在工业现场调试中能够达到预期的效果。

关键词：数控弯管机；嵌入式；运动控制卡；伺服驱动器

随着社会的发展，各行各业对各种型号弯管的需求会迅速增长，对管材弯曲成形精度要求也会越来越高，这一切促使人们对管材弯曲加工工艺及加工设备进行深入的研究。目前国内使用的数控弯管机设备通常是在通用计算机或工控机的基础上加装运动控制卡，使用Windows操作系统，并安装昂贵的数控软件构成的。这样的系统软件成本高、硬件资源浪费、功耗大[1]。为了提高弯管生产的效率，节约生产成本，改进系统结构，提高产品的精度，以嵌入式微处理器代替传统的工控机来控制弯管机的工作是本设计的主要任务。

本文提出了一种基于ARM9微处理器与运动控制卡PCI-1240U构建的数控系统硬件平台方案。该数控系统具有成本低、实时性好、精度高等优点，对开放式经济性数控的研究具有很好的推动作用。

1、弯管机嵌入式硬件系统设计总体方案

1.1数控弯管机工作原理概述

数控弯管机是用来生产空间多弯、外形尺寸要求较高、相对弯曲半径大的空心管件，尤其是汽车上的排气管、发动机上的油管。图2-1为数控弯管机工作原理图，主要由弯曲旋转C轴、送料Y轴、转料B轴以及机头左右控制X轴组成，四轴由伺服电机带动，实现对运送、翻转、弯曲三轴的空间控制，完成具有复杂空间形状的空心管加工。伺服电机通过系统窗口接受来自PC工控机或者嵌入式微处理器的命令和数据，完成参数的设定和修改、运动轴的点位控制等，同时反馈各轴的位移值或转角[6]。

图1-1数控弯管机工作原理图

如图2-1所示，弯曲旋转装置绕旋转中心O转动，其转动角位移θ、角速度ω和转动力矩M是主要控制对象；钳口将管件压紧到旋转台上的弯曲模具中，随着弯曲旋转台一起转动，从而将管件弯曲成形；弯曲轴的转速、转角以及转矩的控制是通过弯曲轴上蜗轮蜗杆的伺服电机来实现的。数控弯管机总体实物图如下图1-2所示：

图1-2数控弯管机总体实物图

1.2嵌入式测控系统总体硬件结构设计

如下图1-3系统硬件结构图所示，整个硬件系统以嵌入式微处理器为核心，通过人机界面向机床系统输送指令。运动控制卡配有模糊控制和参数优化等智能控制软件，配以相应的通讯程序，可与上位机一起组成各种闭环控制系统[7]。系统通过运动控制卡驱动伺服电机驱动器，带动各个控制轴电机工作，以实现送料，转料，角度加工等动作。另一方面，对管件的主夹紧／松、辅夹紧／松、辅助推进、推／抽芯等动作通过I／O卡进行控制。I／O控制卡控制各个辅助动作的控制器和机床各种状态传感器，通过系统窗口接受来自嵌入式微处理器的命令和数据，完成参数的设定、修改和辅助动作的开关量控制等，同时反馈机床各种工作状况和机床状态值，以及各种报警信息。微处理器与I／O控制卡之间的信息交换通过周边元件扩展接口（PCI）总线完成，该卡板插在处理器PCI总线插槽中。

图1-3嵌入式测控系统硬件设计结构图

2.测控系统硬件电路设计

本次设计主要任务是完成针对数控弯管机嵌入式测控系统硬件电路的研究，由于在整个电路设计过程中，涉及到很多机械控制理论线路，因此整个机床的硬件控制电路会比较繁琐，由于篇幅限制，本人仅对弯曲电路C轴的典型电路进行绘制描述，其余各轴电路及输入输出卡电路详见附图。电路图利用电路原理图绘制软件PROTEL绘制而成，典型电路主要包括系统总体电路分布，运动控制卡与伺服驱动器连接线路图，伺服驱动器与伺服电机连接线路图等。

2.1系统总体电路设计

图2-1系统总体电路

根据对实际机床电路分析及生产安全性考虑，设计如下图2-1所示总体电路分布图，

电路主要由各类开关，接触器，指示灯，继电器，报警装置组成，分别用以控制液压泵的工作，伺服电机的工作等等，总体电路可以分为总电源模块，液压泵控制模块，伺服电机Y、B、C、X控制模块，由于各个轴的控制电路基本类似，故以下仅对弯曲主轴C轴电路进行详细描述。

2.2弯曲主轴C轴电路设计

2.2.1弯曲主轴C闭环控制回路

主轴弯曲C轴主要实现对管材弯曲的加工，通过接受微处理器指令，完成对管材弯曲任意角度的工作，为了能够控制C轴弯曲精度在±0.1°以内，系统对C轴采用全反馈设计，通过编码器构成全闭环控制回路，实现系统精度要求，C轴闭环控制回路如下图2-2所示：

图2-2弯曲主轴C电机的全闭环控制回路

2.2.2运动控制卡与伺服驱动器C的连接线路

通过参考三菱伺服驱动器和PCI-1240运动控制卡的技术资料，绘得运动控制卡与伺服驱动器C在位置模式下的信号连接线路如下图2-3所示：

图2-3伺服驱动器与运动控制卡连接线路

为输入输出信号用接头，主要有开启端SON，复位端RES，清除端CR，编码器A、B、Z三相脉冲信号接头，紧急情况急停控制接线端和电机报警接线端[8]。运动控制卡引脚信号含义见下文硬件分析。

2.2.3伺服电机C与伺服电机驱动器的连接线路

伺服电机C与伺服电机驱动器的连接线路主要部分为电机内部编码器信号与运动控制卡CN2编码器用接头连接和彼此电源信号的连接，电源信号的连接如下图2-4所示：

图2-4伺服电机C与伺服驱动器电源信号连接

伺服放大器的伺服电机动力端子（U，V，W）和伺服电机的电源输入端子（U，V，W）相位必须一致。伺服电机的接地端子要先连接到伺服放大器的PE端子。

伺服电机编码器与运动控制卡CN2接头连线图如下图2-5所示：

图2-5运动控制卡CN2编码器接头连线

2.2.4弯曲主轴C整体电路图

图2-6弯曲主轴C整体电路图

嵌入式系统作为一种新兴的控制系统，其在工业现场的控制优越性是显而易见的，作为一种低功耗，高性价比，高灵活性的控制核心，嵌入式系统必将代替传统的工控机，在设备控制中占据不可或缺的重要作用。嵌入式测控系统用于工业现场，尤其是在数控系统领域的应用，必将为数控系统的发展带来新一轮的变革！