基于A6 控制器的三維數(shù)控彎管機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮德思

（中山市科力高自動(dòng)化設(shè)備有限公司，廣東中山 528400）

0 引言

彎管機(jī)是實(shí)現(xiàn)管材彎曲成形的主要設(shè)備［1］，它是把直銅管根據(jù)圖紙的技術(shù)要求彎制成各種三維形狀，以滿足生產(chǎn)裝配的需要。廣泛應(yīng)用于空調(diào)、汽車、家具、航空航天和軍工等各個(gè)行業(yè)的管路彎曲成型。從最早的手工彎管和用繼電器控制氣缸或油缸定角度的平面彎管，到使用PLC 控制的簡(jiǎn)單的三維彎管，到現(xiàn)在用工業(yè)PC或NC開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)數(shù)控彎管，管件彎曲成型成形也從手工彎管、半自動(dòng)彎管方式發(fā)展到用數(shù)控系統(tǒng)控制的全自動(dòng)彎管的加工方式，并且基于開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)也逐步替代了傳統(tǒng)的專用的PLC 數(shù)控系統(tǒng)［1］。但是它們大部分都是采用填表輸入?yún)?shù)然后轉(zhuǎn)換成G代碼或手動(dòng)編輯輸入G代碼方式編程，管子形狀越來(lái)越復(fù)雜，彎管加工動(dòng)作就更加復(fù)雜，對(duì)彎管加工編程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)能力要求也越來(lái)越高，編寫和修改程序很不方便也容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)彎管機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求也越來(lái)越高，不僅要求能彎曲各種復(fù)雜的管路、還要求方便編程、穩(wěn)定和高效率、高精度。本文通過(guò)利用開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的基于ECMAScript 的腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)軟件和插件，二次開(kāi)發(fā)了具有3D 圖紙導(dǎo)入、X、Y、Z三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入、Y、B、C直線點(diǎn)和彎曲角度的相對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入、三維圖形的管件形狀顯示、用宏程序根據(jù)圖紙或輸入的產(chǎn)品數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換編譯成G代碼加工程序等功能的控制系統(tǒng)。大幅降低了對(duì)編程及操作人員的技術(shù)能力要求，同時(shí)也提升了編程效率及操作的方便性，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于工業(yè)生產(chǎn)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)狀況、管理生產(chǎn)計(jì)劃［2］，大大提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度、實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化管理，將開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)和價(jià)值發(fā)揮充分。

1 三維數(shù)控彎管機(jī)的控制硬件規(guī)劃

1.1 A6 CNC控制器功能簡(jiǎn)介

A6 系列控制器是一款開(kāi)放式的運(yùn)動(dòng)控制器，本體帶有6 個(gè)硬件脈沖軸，用總線控制模式時(shí)最大可控制40 個(gè)伺服軸，可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)行、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)控制［3］。最多可支持256 點(diǎn)的輸入信號(hào)和256 點(diǎn)的輸出控制信號(hào)。A6 系列控制器是基于RT－Linux 嵌入式控制系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，它提供了全開(kāi)放式的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)［3］，開(kāi)放式畫面編輯、PLC 編輯和宏程序設(shè)計(jì)編輯－MACRO功能，用戶可以根據(jù)需求自行設(shè)計(jì)屏幕的人機(jī)交互畫面、PLC控制程序和宏程序；支持標(biāo)準(zhǔn)G代碼編程；支持CAD 圖形插件及CAM 插件功能［2］，可以導(dǎo)入CAD圖紙及三維圖紙，實(shí)現(xiàn)3D 矢量圖與笛卡爾直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，三維圖形轉(zhuǎn)換及顯示，根據(jù)不同的需求顯示空間圖形，更加形象、直觀；提供完善的CNC物聯(lián)網(wǎng)功能，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。

1.2 三維數(shù)控彎管機(jī)的控制要求

數(shù)控彎管機(jī)由機(jī)械部分、氣動(dòng)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)3 大部件組成［4］，它有定長(zhǎng)送料軸（Y 軸）、銅管旋轉(zhuǎn)軸（B軸）、彎曲軸（C 軸）3 個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)控制軸；有彎管夾模、靠模、送料夾爪、抽芯4 個(gè)動(dòng)作氣缸，彎管機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。三維數(shù)控彎管機(jī)要求控制精準(zhǔn)、穩(wěn)定可靠，編寫修改產(chǎn)品加工程序方便。

圖1 彎管機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖

三維數(shù)控彎管機(jī)的動(dòng)作流程如下：①送料夾爪夾住管子送料軸拉到定位位置→②夾模前進(jìn)夾住管子、靠模前進(jìn)靠住管子→③送料夾爪松開(kāi)→三彎曲軸旋轉(zhuǎn)彎管→彎夾爪夾緊、抽芯后退→夾夾模、靠模退回→夾完成就結(jié)束，沒(méi)完成則送料軸送出設(shè)定的管長(zhǎng)→完旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)＋彎曲軸回零→轉(zhuǎn)到②。

1.3 控制硬件規(guī)劃

根據(jù)上面的三維數(shù)控彎管機(jī)的控制要求，硬件規(guī)劃如圖2 所示。

圖2 硬件規(guī)劃

A6 控制器通過(guò)I／O控制板接收外部的輸入信號(hào)和輸出控制氣缸動(dòng)作信號(hào)，通過(guò)控制器內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)控制卡控制伺服系統(tǒng)的運(yùn)行。

2 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制程序規(guī)劃

根據(jù)控制功能要求，把相應(yīng)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)分配給相應(yīng)的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)。在控制程序上規(guī)劃有手動(dòng)操作、自動(dòng)操作、產(chǎn)品文件管理、I／O 輸入輸出信號(hào)監(jiān)控、機(jī)械參數(shù)管理、故障診斷信息處理等功能。

2.2 手動(dòng)操作設(shè)計(jì)

手動(dòng)操作有氣缸復(fù)位、伺服運(yùn)動(dòng)軸回零、氣缸的前進(jìn)、退回操作，伺服軸的點(diǎn)動(dòng)移動(dòng)、設(shè)定位置的定位移動(dòng)操作等。

2.3 自動(dòng)操作設(shè)計(jì)

A6 控制器自動(dòng)運(yùn)行時(shí)是執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)G代碼的。在自動(dòng)方式下只要有啟動(dòng)運(yùn)行信號(hào)它就按當(dāng)前的CNC程序執(zhí)行運(yùn)行，自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中按下暫停運(yùn)行按鈕時(shí)它會(huì)暫時(shí)停止運(yùn)行，再按啟動(dòng)運(yùn)行信號(hào)時(shí)它會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，G 代碼的完成就會(huì)停止。因此設(shè)計(jì)自動(dòng)控制操作只要處理啟動(dòng)運(yùn)行信號(hào)和暫停運(yùn)行信號(hào)就可以了。在觸摸屏畫面上設(shè)計(jì)有顯示當(dāng)前的生產(chǎn)狀態(tài)、各動(dòng)作機(jī)構(gòu)位置、狀態(tài)等待信息。

2.4 產(chǎn)品文件管理設(shè)計(jì)

產(chǎn)品文件管理設(shè)計(jì)包括新文件的建立、文件打開(kāi)、刪除、復(fù)制、查找、3D圖紙文件導(dǎo)入、編輯修改等。

2.4.1 文件建立、打開(kāi)、刪除、復(fù)制、查找

A6 控制器是基于RT－Linux 嵌入式控制系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，產(chǎn)品文件管理可按Windows 系統(tǒng)的界面操作方式進(jìn)行規(guī)劃，方便操作員容易上手操作。設(shè)計(jì)有建立新文件、打開(kāi)文件、刪除文件、復(fù)制粘貼文件、查找文件、文件重命名。

在工廠管理生產(chǎn)時(shí)所有的產(chǎn)品文件一般都是以產(chǎn)品圖紙的編號(hào)進(jìn)行命名管理的，方便用圖紙的編號(hào)直接查找到產(chǎn)品文件。為了方便物料產(chǎn)品管理，一般的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)都是用條碼或二維碼對(duì)物料進(jìn)行識(shí)別，每種物料產(chǎn)品的編碼對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的編號(hào)，在產(chǎn)品文件管理上開(kāi)發(fā)有掃碼功能，打開(kāi)掃碼器掃描物料產(chǎn)品的編碼后直接搜索找開(kāi)到相應(yīng)的產(chǎn)品文件。

2.4.2 3D圖紙文件導(dǎo)入、轉(zhuǎn)換及3D圖形顯示

A6 控制器支持CAD圖形插件及CAM插件功能，實(shí)現(xiàn)3D矢量圖與笛卡爾直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換［2］，可以開(kāi)發(fā)出能夠直接導(dǎo)入” STP”格式的3D圖紙文件和讀取文件中的圖形的X、Y、Z三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)的功能，也可以根據(jù)需求顯示銅管的3D空間圖形，更加形象、直觀，如圖3 所示。

圖3 3D空間圖形

2.4.3 編輯、修改

銅管的彎管加工過(guò)程需要各直線段長(zhǎng)度、折彎角度、旋轉(zhuǎn)角度、彎曲半徑和總長(zhǎng)度等參數(shù)。通過(guò)矢量的方向余弦，計(jì)算出彎管的折彎角；通過(guò)矢量長(zhǎng)度計(jì)算公式，計(jì)算出彎管直線段長(zhǎng)度；通過(guò)面與面的法向量，計(jì)算出彎管的旋轉(zhuǎn)角［5］。把讀入的銅管3D 圖紙文件或手動(dòng)輸入的X、Y、Z三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成相對(duì)坐標(biāo)送料軸Y、旋轉(zhuǎn)軸B和彎曲軸C 的直線點(diǎn)和彎曲角度數(shù)據(jù)，也可以把Y、B、C直線點(diǎn)和彎曲角度數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成X、Y、Z三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

銅管有一條中心線，該中心線的位置代表了銅管的位置，用銅管中心線代表銅管本身。銅管以一定的彎管半徑（R）彎曲形成圓弧，該圓弧兩端直線的延長(zhǎng)線必有一個(gè)交點(diǎn)，這個(gè)交點(diǎn)就稱之為彎管尖點(diǎn)P［6］，由此得出一個(gè)角度有3 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，如圖4 所示，分別為A、B、C或B、C、D，當(dāng)彎管角α ＝180°時(shí)，其彎管尖點(diǎn)為兩個(gè)直角彎的彎管尖點(diǎn)。通過(guò)讀入的X、Y、Z三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)A點(diǎn)的坐標(biāo)為（Xa，Ya，Za），B 點(diǎn)的坐標(biāo)為（Xb，Yb，Zb），C點(diǎn)的坐標(biāo)為（Xc，Yc，Zc），D 點(diǎn)的坐標(biāo)為（Xd，Yd，Zd），3 個(gè)點(diǎn)形成一個(gè)平面，兩個(gè)彎曲角度時(shí)就有4 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，會(huì)形成兩個(gè)平面。

圖4 銅管中心線示意圖

有了坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)后就可以根據(jù)兩點(diǎn)間距離公式計(jì)算出各段直線的長(zhǎng)度，則有：

各段矢量計(jì)算式如下：

根據(jù)角度計(jì)算公式有：

通過(guò)弧長(zhǎng)公式弧長(zhǎng)L ＝a·π·R／180計(jì)算出彎管各段圓弧長(zhǎng)。

銅管的直線段長(zhǎng)度為相鄰兩點(diǎn)之間的距離減去切點(diǎn)到交點(diǎn)之間的距離［7－11］，各段直線分別為Y1、Y2、Y3，設(shè)管路對(duì)應(yīng)的折彎半徑為R，具體計(jì)算式如下［12－16］：

彎曲旋轉(zhuǎn)角B的計(jì)算如下［17－20］。

彎曲的旋轉(zhuǎn)角B 可以看作是相鄰2 個(gè)平面的夾角，從而轉(zhuǎn)化成平面法向量之間的夾角，兩平面的法線可通過(guò)向量積計(jì)算得到，即：

相鄰平面的法線之間的角度通過(guò)余弦定律求得，計(jì)算式如下：

通達(dá)上面的公式計(jì)算轉(zhuǎn)換就可以算出彎曲每一個(gè)彎時(shí)送料Y、彎曲C及旋轉(zhuǎn)B的數(shù)據(jù)。再把Y、B、C數(shù)據(jù)編譯轉(zhuǎn)換成CNC能運(yùn)行的G代碼程序。這種轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)程序轉(zhuǎn)換關(guān)系

根據(jù)彎管功能要求的不同，把彎管的程序用宏程序封裝做成可以選擇的程序模板，可選擇編譯轉(zhuǎn)換的G 代碼CNC程序模板有兩種模式，分別是拉彎模式程序和助推彎管程序。

拉彎模式程序就是在C 彎曲軸彎管的時(shí)候Y 送料軸后退到下一次送料長(zhǎng)度的位置，這個(gè)彎位完成后送料到0 的位置，這種彎管方式的優(yōu)點(diǎn)是送料夾爪離彎模比較，銅管和芯軸不會(huì)因重力下垂，防止銅管和芯軸脫離彎模，一般彎曲比較長(zhǎng)比較重的管時(shí)用這種方式。它和宏程序模式如下：

助推彎管程序就是Y送料軸一次后退到銅管夾料長(zhǎng)度的位置，在B 彎曲軸彎管的時(shí)候夾爪夾緊銅管，Y 送料軸同步跟隨B彎曲軸移動(dòng)相應(yīng)的彎管的長(zhǎng)度距離，這種彎管方式的優(yōu)點(diǎn)是在C軸彎管時(shí)Y送料軸同步送出相同彎曲弧長(zhǎng)的銅管，有一個(gè)彎管的助推力，使得彎管時(shí)不會(huì)打滑，銅管不會(huì)起皺，銅管表面光滑圓潤(rùn)。它和宏程序模式如下：

2.5 I／O輸入輸出信號(hào)監(jiān)控設(shè)計(jì)

為了方便檢查各種輸入輸出信號(hào)、運(yùn)行的內(nèi)部繼電器狀態(tài)及各寄存器數(shù)據(jù)值，設(shè)定了監(jiān)控查看畫面，可以查看輸入輸出信號(hào)，輸入內(nèi)部繼電器編號(hào)后查詢內(nèi)部繼電器的運(yùn)行狀態(tài)，輸入數(shù)據(jù)寄存器編號(hào)后查詢數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)當(dāng)前值。

2.6 機(jī)械參數(shù)管理設(shè)計(jì)

A6 CNC控制器可以用硬件脈沖輸出方式控制帶脈沖功能的伺服，也可以用總線控制帶有總線功能的伺服。根據(jù)控制不同的品牌、型號(hào)伺服要求，設(shè)計(jì)開(kāi)放對(duì)應(yīng)的控制伺服的參數(shù)，讓用戶可以自行設(shè)置修改，包括：電子齒輪比的調(diào)整、伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向、回零方式、零位偏移、最高運(yùn)行速度、伺服軸的最大行程限位等參數(shù)。

2.7 故障診斷信息處理設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)，把相應(yīng)的信息在顯示屏上顯示出來(lái)，提示用戶發(fā)生故障的地方，什么故障，給出處理故障的方法，方便用戶快速地處理故障。包括緊急停止信號(hào)斷開(kāi)、伺服故障、伺服運(yùn)動(dòng)軸超過(guò)行程報(bào)警、氣缸前進(jìn)或退回不到位報(bào)警、設(shè)定參數(shù)錯(cuò)誤等。

2.8 物聯(lián)網(wǎng)功能設(shè)計(jì)

A6 系列控制器支持有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能。把機(jī)器連接到工廠的管理網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，管理者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器查看機(jī)器的生產(chǎn)信息或?qū)⑸a(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送到機(jī)器上。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)彎管機(jī)的控制要求，利用A6 系列控制器的全開(kāi)放、完善的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了彎管機(jī)控制系統(tǒng)軟件。用控制內(nèi)置器的插件和基于ECMAScript的腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)軟件，把讀取3D 圖紙導(dǎo)入的X、Y、Z 三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成Y、B、C直線點(diǎn)和彎曲角度的相對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。利用宏程序把Y、B、C數(shù)據(jù)編譯轉(zhuǎn)換的G代碼CNC程序。開(kāi)發(fā)出的三維數(shù)控彎管機(jī)控制系統(tǒng)能完全滿足生產(chǎn)的需要。三維圖形文件的導(dǎo)入，銅管三維圖形的顯示，三維絕對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，用宏程序開(kāi)發(fā)的G代碼程序轉(zhuǎn)換模塊，方便用戶使用，減少用戶編輯加工程序的錯(cuò)誤。A6 控制器整合電機(jī)編碼器回授信號(hào)組成的半閉環(huán)控制系統(tǒng)使控制位置更精確。完善的CNC物聯(lián)網(wǎng)功能，方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)管理的信息化。