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- 缩管机
- 管端成型机
- 磨齿机
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商品详细描述
3.1引言
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用户所需的任意空间立体管件的现代重要的先进弯曲加工设备，其执行机构主要包括夹紧弯曲机构和管材送进旋转机构.随着微机技术的迅速发展，现在的数控弯管机一般都采用微机控制，故也称为CNC(Computer Numerical Control)系列的弯管机。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性”，使数控系统的性能大大提高。
3.2 弯管机常用控制系统的分类
3.2.1液压伺服控制系统
液压伺服控制系统是一种自动控制系统。这种系统输出的信号(位移、速度、加速度或力)能自动地、快速准确地复现输入信号的变化规律，所以也称这种系统为随动系统。与此同时，它还能起到信号放大和能量转换的作用，因此也是一种功率的放大装置。液压伺服系统不管多么复杂，都是由以下基本元件组成。
(1) 输入(指令)元件给出输入指令信号，加于系统的输入端；
(2) 反馈测量元件检测系统输出量，给出与输入指令信号相同量纲形式的反馈信号；
(3) 比较元件把输入的控制信号和反馈信号作代数比较，给出偏差信号，有时比较元件并不单独存在，而与指令元件，反馈测量元件或放大元件在一起由同一结构元件来完成。也有由几个结构元件完成一种功能，如由齿条、齿轮、侧速发电机，伺服放大器几种结构元件构成反馈测量功能元件；
(4) 放大、转换、控制元件把偏差信号放大、转换成液压信号(压力、流量)，并控制执行元件的动作；
(5) 执行元件产生对控制对象的控制作用，在液压伺服系统中，执行元件有液压缸、液压马达和摆动液压缸等。
控制元件、执行元件和控制对象(负载)三者是密切相关的，三者组合起来称为液压动力元件或液压动力机构。此外，在液压伺服控制系统中，还有各种校正装置，以及不包含在控制回路之内的液压能源装置和辅助元件。
3.2.2 电液伺服控制系统
控制元件、执行元件和控制对象称为液压动力元件或液压动力机构。凡包含有液压动力机构的反馈控制系统称为液压控制系统。伺服系统是指:输入量总在频繁的变化，系统的输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化而变化。电液控制系统主要由电器元件、电液伺服阀及液压执行元件组成，其中电器元件是系统的信号比较、校正、放大和检测装置，作为电液控制系统的核心元件--电液伺服阀，它起到了将输入的小功率电信号转换成液压信号的作用。电液伺服控制系统的功能方框如图3-1所示。
图 3.1 电液伺服控制系统的功能方框图
随着计算机的发展，数字控制在液压系统中应用广泛，在伺服系统中采用计算机控制一般都是直接数字控制，即DDC (Direct Digital Control)，计算机在给定值的情况下，每隔一定时间和一定的控制算法计算出控制量的大小和方向，再通过输出通道和执行机构对调节对象进行控制。目前这种控制方式己基本取代了原有的模拟电液伺服控制。数字式电液伺服系统的控制形式多样，根据计算机的数字量(脉冲量)到与输出流体的流量或压力之间的转换方式不同，有如下三种:
1. 步进电机式
由计算机输出的数字信号以脉冲方式输入到步进电机控制器，步进电机的转角取决于输入脉冲数，转速取决于输入脉冲的频率。步进电机的转角通过一套传动装置转换成阀的开口，即流量的变化，这就组成数字流量阀，如果通过控制机构使阀的出口压力和其成比例就组成数字压力阀。
2. 数模转换式
通过伺服阀或比例阀实现电液转换。计算机产生的数字量通过数模转换器转换成模拟量控制电流作用于伺服阀或比例阀的输入端，反馈信号经过模数转换器转换成数字量进入计算机。这种系统利用伺服阀的高频相应、高精度等待点，易于实现搞精度的伺服控制。
3.高速开关阀方式
用高速响应的力矩马达直接或间接的驱动开口固定的开关阀，利用计算机输出的数字信号经放大后去控制前面的开关阀。阀始终交替工作于开和关两种状态，反馈信号经过采样器再以数字量的形式传递回计算机。
电液伺服控制的特点如下：
电液伺服系统是电气元件和液压元件的结合，此系统可发挥两者的优点。它既具有电气元件的信号传递速度快，线路连接方便，易于测量、比较和校正的特点，又具有液压元件的输出功率大，结构紧凑，重量轻，惯性小，反应快，适合作动力元件等优点。所以结合起来的电液伺服控制系统具有控制精度高，响应速度快，信号处理灵活，输出功率大，结构紧凑，质量轻等特点。因此.这种电液结合的系统被各个技术领域里的各个部门广泛采用。
由于电液压伺服控制的液压元件，特别是精密液压控制元件(如电液伺服阀)抗污染能力差、制造难度高且对工作油液的清洁度要求高，所以液压伺服系统必须采用精细过滤，这使得其应用部门获得液压能源不如电气系统方便。
3.3 数控弯管机常用的控制系统
随着电子技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，数控机床的数控系统也在不断更新，从第一代采用电子管构成的数控系统发展到今天基于工业PC机的CNC系统。到目前为止已出现了以下几种弯管机数控系统。
（1）基于单片机的CNC系统 采用单片机开发的数控弯管机成本低，其操作简单、实时性好、现场的适应力强。并且机床操作方便、人机界面友好，因此，一般都用来开发简易的经济型数控机床。
（2）基于可编程控制器(PLC)的CNC系统 目前在半自动加工的弯管机控制系统中应用广泛。为了使人机交互友好和满足复杂的弯管工艺要，在数控弯管机上，采用PLC作为下位机直接与硬件交互和采用触摸屏实现显示，从而开发出了基于PLC的弯管机CNC系统。但是PLC的缺点是：体积大，价格也比较贵。
（3）基于工业PC的CNC系统 随着PC机功能的逐渐强大和完善。工业界己将PC机应用于自动化领域，为了经受高低温冲击、潮湿、振动、电磁干扰、粉尘等恶劣工作环境的考验，生产商通过增加密封保护、过滤器、板压条和额外风扇等措施，形成了工业PC.在弯管机数控系统中，采用PC或工业PC主板作为CNC平台，通过在主板(或母板)上的PCI/ISA槽插入实现NC功能的各种模块，如运动控制卡、DA板、工/0板等等，构成具有高度灵活性的弯管机数控系统。充分利用Windows操作系统的资源和用高级语言编程，能够使数控软件系统的功能更强大。
3.4 弯管机控制系统总体方案的确定
综上所述，伺服驱动控制系统的电气元件的信号传递速度快，线路连接方便，易于测量、比较和校正，而且液压元件的输出功率大，结构紧凑，重量轻，惯性小，反应快。而由于单片机有容易开发，功能比较完善，而且价格便宜，体积小等一系列优点，根据本课题的设计要求，选择伺服控制系统和单片机进行弯管机的数控设计。
3.4.1采用伺服驱动控制系统组成都
伺服驱动系统是CNC系统中一个重要分，它的性能直接决定与影响CNC系统的快速性、稳定性和精确性。弯管机伺服驱动系统是以位置为控制对象的自动控制系统，对位置的控制是以对速度控制为前提的。对于位置闭环控制的进给系统，速度控制单元是位置环的内环，它接收来自控制器的输出，并将这个输出作为速度环路的输人命令，去实现对速度的控制。就位置控制而言，若位置比较及位置控制器都由微机完成，即是位置数字伺服系统。目前，在高性能的CNC系统中.位置、速度和加速度是数字伺服。本课题研制的数控弯管机的伺服控制系统如图3.2所示：当弯管机进行弯曲加工时，角度传感器实时给微机传来工件的弯曲角度信号，信号经过微机处理后驱动电液压伺服阀进行控制液压执行元件—---是否继续推进或者停止。
图3.2弯管机伺服驱动控制系统框图
3.4.2 采用MCS-51单片机控制
MCS-51 系列单片机是INTEL公司在MCS-48系列的基础上，在80年代初又推出的高性能的8位单片机。它与48 系列相比，在片内存储器容量、I/0口的功能以及指令系统功能等方面，都大大地得到加强。就MCS-51系列单片机特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统等领域，是工业检测、控制领域中最理想的8位单片机。从应用的角度看，MCS-51单片机具有如下的一些特点:
（1）系统结构简单。MCS-51芯片内部采用模块式结构，增加或更换一个模块，就能得到指令系统和引脚兼容的新产品。
（2）系统扩展方便。MCS-51具有外扩至64K字节程序存储器和64K字节的外部RAM和I/0口的能力。当MCS-51芯片内部RAM和芯片本身的I/0口线不够用时，即可进行系统的扩展。许多公司生产的I/0接口芯片和各大公司生产的通用存储器芯片都可以直接与袱MCS-51相连接，从而很方便地扩展系统功能。
（3）可靠性高。MCS-51单片机的总线大多在芯片内部不易受干扰，而且MCS-51应用系统体积小，容易采取屏蔽等措施，适应范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作。用户可以根据MCS-51单片机系统的应用环境，来选择合适档次的MCS-51单片机。
（4）处理功能强、速度高。MCS-51单片机指令系统中有加减乘除及各种逻辑运算和转移指令，还具有位操作功能，这在检测、控制中特别有用。CPU时钟频率高达12MHZ。指令系统中近50%的指令为单字节指令，指令执行速度快。完成单字节乘法和单字节除法仅需4μs (时钟频率为12MHz)。
（5）容易产品化。MCS-51由于单片机具有体积小、可靠性高、功能强、价格低等特点，因此很容易形成产品，可以把它装入各种仪器、仪表、其控制装置中。MCS-51系列单片机的三个基本产品为8031、8751、8051。它们的指令系统完全兼容，但在内部结构及应用特性方面存在一些差异。MCS-51内部包括一个8位的CPU 128个字节的RAM、21个特殊功能寄存器(SFR)、4个8位并行I/0口、1个全双工的串行口、2个16位的定时器/计数器，但程序存储器需外扩EPROM芯片。
根据控制系统所要求的控制精度、响应速度、开发环境、I/O点数、输入\输出通道数等情况, 本课题选择了MCS-51系列的8位单片机8051，对弯管机进行数控系统的设计，使生产达到自动化的要求。
3.4.3控制系统的功能
弯管机作为一种专用机床设备，与切削机床不同，它应实现管件的成形加工。为此，数控弯管机的控制系统具有如下的功能:
（1） 控制系统能够使工人操作机床更灵活、方便；
（2） 控制系统具有故障诊断功能，当机器出现故障时，可以帮助操作人员和维修人员确定故障原因，排除故障恢复正常的工作；
（3） 在弯管过程中，工作参数具有可选性和可调性，以使系统能够适应不同弯管产品的生产，对不同的弯管产品，只需做一些过程选择和参数调整，而不用改变程序；
（4） 控制系统具有检测并显示弯管机工作过程中弯曲角度功能；
（5） 控制系统能将图纸信息转换为坐标运动信息功能，从而生成工艺文件且将其保存到PC机中，加工时打开相应的文件即可，操作方便、简单。
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用户所需的任意空间立体管件的现代重要的先进弯曲加工设备，其执行机构主要包括夹紧弯曲机构和管材送进旋转机构.随着微机技术的迅速发展，现在的数控弯管机一般都采用微机控制，故也称为CNC(Computer Numerical Control)系列的弯管机。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性”，使数控系统的性能大大提高。
3.2 弯管机常用控制系统的分类
3.2.1液压伺服控制系统
液压伺服控制系统是一种自动控制系统。这种系统输出的信号(位移、速度、加速度或力)能自动地、快速准确地复现输入信号的变化规律，所以也称这种系统为随动系统。与此同时，它还能起到信号放大和能量转换的作用，因此也是一种功率的放大装置。液压伺服系统不管多么复杂，都是由以下基本元件组成。
(1) 输入(指令)元件给出输入指令信号，加于系统的输入端；
(2) 反馈测量元件检测系统输出量，给出与输入指令信号相同量纲形式的反馈信号；
(3) 比较元件把输入的控制信号和反馈信号作代数比较，给出偏差信号，有时比较元件并不单独存在，而与指令元件，反馈测量元件或放大元件在一起由同一结构元件来完成。也有由几个结构元件完成一种功能，如由齿条、齿轮、侧速发电机，伺服放大器几种结构元件构成反馈测量功能元件；
(4) 放大、转换、控制元件把偏差信号放大、转换成液压信号(压力、流量)，并控制执行元件的动作；
(5) 执行元件产生对控制对象的控制作用，在液压伺服系统中，执行元件有液压缸、液压马达和摆动液压缸等。
控制元件、执行元件和控制对象(负载)三者是密切相关的，三者组合起来称为液压动力元件或液压动力机构。此外，在液压伺服控制系统中，还有各种校正装置，以及不包含在控制回路之内的液压能源装置和辅助元件。
3.2.2 电液伺服控制系统
控制元件、执行元件和控制对象称为液压动力元件或液压动力机构。凡包含有液压动力机构的反馈控制系统称为液压控制系统。伺服系统是指:输入量总在频繁的变化，系统的输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化而变化。电液控制系统主要由电器元件、电液伺服阀及液压执行元件组成，其中电器元件是系统的信号比较、校正、放大和检测装置，作为电液控制系统的核心元件--电液伺服阀，它起到了将输入的小功率电信号转换成液压信号的作用。电液伺服控制系统的功能方框如图3-1所示。
图 3.1 电液伺服控制系统的功能方框图
随着计算机的发展，数字控制在液压系统中应用广泛，在伺服系统中采用计算机控制一般都是直接数字控制，即DDC (Direct Digital Control)，计算机在给定值的情况下，每隔一定时间和一定的控制算法计算出控制量的大小和方向，再通过输出通道和执行机构对调节对象进行控制。目前这种控制方式己基本取代了原有的模拟电液伺服控制。数字式电液伺服系统的控制形式多样，根据计算机的数字量(脉冲量)到与输出流体的流量或压力之间的转换方式不同，有如下三种:
1. 步进电机式
由计算机输出的数字信号以脉冲方式输入到步进电机控制器，步进电机的转角取决于输入脉冲数，转速取决于输入脉冲的频率。步进电机的转角通过一套传动装置转换成阀的开口，即流量的变化，这就组成数字流量阀，如果通过控制机构使阀的出口压力和其成比例就组成数字压力阀。
2. 数模转换式
通过伺服阀或比例阀实现电液转换。计算机产生的数字量通过数模转换器转换成模拟量控制电流作用于伺服阀或比例阀的输入端，反馈信号经过模数转换器转换成数字量进入计算机。这种系统利用伺服阀的高频相应、高精度等待点，易于实现搞精度的伺服控制。
3.高速开关阀方式
用高速响应的力矩马达直接或间接的驱动开口固定的开关阀，利用计算机输出的数字信号经放大后去控制前面的开关阀。阀始终交替工作于开和关两种状态，反馈信号经过采样器再以数字量的形式传递回计算机。
电液伺服控制的特点如下：
电液伺服系统是电气元件和液压元件的结合，此系统可发挥两者的优点。它既具有电气元件的信号传递速度快，线路连接方便，易于测量、比较和校正的特点，又具有液压元件的输出功率大，结构紧凑，重量轻，惯性小，反应快，适合作动力元件等优点。所以结合起来的电液伺服控制系统具有控制精度高，响应速度快，信号处理灵活，输出功率大，结构紧凑，质量轻等特点。因此.这种电液结合的系统被各个技术领域里的各个部门广泛采用。
由于电液压伺服控制的液压元件，特别是精密液压控制元件(如电液伺服阀)抗污染能力差、制造难度高且对工作油液的清洁度要求高，所以液压伺服系统必须采用精细过滤，这使得其应用部门获得液压能源不如电气系统方便。
3.3 数控弯管机常用的控制系统
随着电子技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，数控机床的数控系统也在不断更新，从第一代采用电子管构成的数控系统发展到今天基于工业PC机的CNC系统。到目前为止已出现了以下几种弯管机数控系统。
（1）基于单片机的CNC系统 采用单片机开发的数控弯管机成本低，其操作简单、实时性好、现场的适应力强。并且机床操作方便、人机界面友好，因此，一般都用来开发简易的经济型数控机床。
（2）基于可编程控制器(PLC)的CNC系统 目前在半自动加工的弯管机控制系统中应用广泛。为了使人机交互友好和满足复杂的弯管工艺要，在数控弯管机上，采用PLC作为下位机直接与硬件交互和采用触摸屏实现显示，从而开发出了基于PLC的弯管机CNC系统。但是PLC的缺点是：体积大，价格也比较贵。
（3）基于工业PC的CNC系统 随着PC机功能的逐渐强大和完善。工业界己将PC机应用于自动化领域，为了经受高低温冲击、潮湿、振动、电磁干扰、粉尘等恶劣工作环境的考验，生产商通过增加密封保护、过滤器、板压条和额外风扇等措施，形成了工业PC.在弯管机数控系统中，采用PC或工业PC主板作为CNC平台，通过在主板(或母板)上的PCI/ISA槽插入实现NC功能的各种模块，如运动控制卡、DA板、工/0板等等，构成具有高度灵活性的弯管机数控系统。充分利用Windows操作系统的资源和用高级语言编程，能够使数控软件系统的功能更强大。
3.4 弯管机控制系统总体方案的确定
综上所述，伺服驱动控制系统的电气元件的信号传递速度快，线路连接方便，易于测量、比较和校正，而且液压元件的输出功率大，结构紧凑，重量轻，惯性小，反应快。而由于单片机有容易开发，功能比较完善，而且价格便宜，体积小等一系列优点，根据本课题的设计要求，选择伺服控制系统和单片机进行弯管机的数控设计。
3.4.1采用伺服驱动控制系统组成都
伺服驱动系统是CNC系统中一个重要分，它的性能直接决定与影响CNC系统的快速性、稳定性和精确性。弯管机伺服驱动系统是以位置为控制对象的自动控制系统，对位置的控制是以对速度控制为前提的。对于位置闭环控制的进给系统，速度控制单元是位置环的内环，它接收来自控制器的输出，并将这个输出作为速度环路的输人命令，去实现对速度的控制。就位置控制而言，若位置比较及位置控制器都由微机完成，即是位置数字伺服系统。目前，在高性能的CNC系统中.位置、速度和加速度是数字伺服。本课题研制的数控弯管机的伺服控制系统如图3.2所示：当弯管机进行弯曲加工时，角度传感器实时给微机传来工件的弯曲角度信号，信号经过微机处理后驱动电液压伺服阀进行控制液压执行元件—---是否继续推进或者停止。
图3.2弯管机伺服驱动控制系统框图
3.4.2 采用MCS-51单片机控制
MCS-51 系列单片机是INTEL公司在MCS-48系列的基础上，在80年代初又推出的高性能的8位单片机。它与48 系列相比，在片内存储器容量、I/0口的功能以及指令系统功能等方面，都大大地得到加强。就MCS-51系列单片机特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统等领域，是工业检测、控制领域中最理想的8位单片机。从应用的角度看，MCS-51单片机具有如下的一些特点:
（1）系统结构简单。MCS-51芯片内部采用模块式结构，增加或更换一个模块，就能得到指令系统和引脚兼容的新产品。
（2）系统扩展方便。MCS-51具有外扩至64K字节程序存储器和64K字节的外部RAM和I/0口的能力。当MCS-51芯片内部RAM和芯片本身的I/0口线不够用时，即可进行系统的扩展。许多公司生产的I/0接口芯片和各大公司生产的通用存储器芯片都可以直接与袱MCS-51相连接，从而很方便地扩展系统功能。
（3）可靠性高。MCS-51单片机的总线大多在芯片内部不易受干扰，而且MCS-51应用系统体积小，容易采取屏蔽等措施，适应范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作。用户可以根据MCS-51单片机系统的应用环境，来选择合适档次的MCS-51单片机。
（4）处理功能强、速度高。MCS-51单片机指令系统中有加减乘除及各种逻辑运算和转移指令，还具有位操作功能，这在检测、控制中特别有用。CPU时钟频率高达12MHZ。指令系统中近50%的指令为单字节指令，指令执行速度快。完成单字节乘法和单字节除法仅需4μs (时钟频率为12MHz)。
（5）容易产品化。MCS-51由于单片机具有体积小、可靠性高、功能强、价格低等特点，因此很容易形成产品，可以把它装入各种仪器、仪表、其控制装置中。MCS-51系列单片机的三个基本产品为8031、8751、8051。它们的指令系统完全兼容，但在内部结构及应用特性方面存在一些差异。MCS-51内部包括一个8位的CPU 128个字节的RAM、21个特殊功能寄存器(SFR)、4个8位并行I/0口、1个全双工的串行口、2个16位的定时器/计数器，但程序存储器需外扩EPROM芯片。
根据控制系统所要求的控制精度、响应速度、开发环境、I/O点数、输入\输出通道数等情况, 本课题选择了MCS-51系列的8位单片机8051，对弯管机进行数控系统的设计，使生产达到自动化的要求。
3.4.3控制系统的功能
弯管机作为一种专用机床设备，与切削机床不同，它应实现管件的成形加工。为此，数控弯管机的控制系统具有如下的功能:
（1） 控制系统能够使工人操作机床更灵活、方便；
（2） 控制系统具有故障诊断功能，当机器出现故障时，可以帮助操作人员和维修人员确定故障原因，排除故障恢复正常的工作；
（3） 在弯管过程中，工作参数具有可选性和可调性，以使系统能够适应不同弯管产品的生产，对不同的弯管产品，只需做一些过程选择和参数调整，而不用改变程序；
（4） 控制系统具有检测并显示弯管机工作过程中弯曲角度功能；
（5） 控制系统能将图纸信息转换为坐标运动信息功能，从而生成工艺文件且将其保存到PC机中，加工时打开相应的文件即可，操作方便、简单。
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