1、*来稿日期：2011-05-12 *基金项目：广东省教育厅产学研项目（ B090300060）全电动大功率数控折弯机的研究与设计*史步海，戴敏（华南理工大学 自动化科学与工程学院，广州 510640）摘要：折弯机是钣金制造业中的重要基础加工设备。本文提出一种基于开放式数控系统的新型全电动数控折弯机控制系统。硬件上采用了基于 PC 机、运动控制卡和伺服系统的结构；软件上采用了基于 RTAI 扩展的实时 Linux 操作系统、专业数控软件 EMC2 的结构，保证了系统的运算能力和实时性。对大功率的折弯上模采用了多电机同步驱动的控制方式，既满足了大功率的要求，控制了成本，也提高了折弯控制精度。实践证
2、明，使用本系统制造的新型全电动数控折弯机在加工精度上能很好地满足工业控制要求，提高了折弯工作的效率。关键词：电动折弯机；开放式数控系统；EMC2；同步控制中图分类号：TP29 文献标识码： AStudy and Design of High-power All-electric CNC Bending Machine Shi Bu-hai1 Dai Min2(1,2College of Automation Science and Engineering; South China University of Technology;Guangzhou; 510640; China)Abstrac
3、t：Bending machine is an important infrastructure for sheet metal manufacturing. This paper presents a new high-power all-electric CNC bending machine control system based on open numerical control system. It is implemented by using industrial PC, motion control interface board and servo motion contr
4、ol system in hardware; and using real-time Linux operating system with RTAI extension installing the professional CNC system EMC2 to ensure systems computation power and real-time response. In Y-axis, the high-power is achieved by adopting 3 servo motors drive synchronously. Not only bending precisi
5、on is improved, and power requirement is met, but also cost reduced. Practice has proved that the system made use of the new all-electric CNC bending machine perfectly satisfies manufacturing precision the requirements of industrial control, and greatly increases the efficiency of bending work.Keywo
6、rds：Electric Bending Machine; Open CNC system; EMC2; Synchronous control1 引言折弯机（又称板料折弯机）是一种完成板料折弯的压力设备，采用较简单的通用模具，可把金属板料制成一定的几何形状。随着工业技术的飞速发展，在电器、金属结构、仪器仪表、日用五金、建筑材料等工业部门得到了广泛的应用。折弯机在钣金制造加工中起着十分重要的作用，现已发展成为板料折弯成型行业的重要技术载体，对折弯机控制系统的研究也在不断发展中 1。目前在国内液压型折弯机数控系统占据着绝对的优势，但其和所有的液压系统一样，具有易污染环境、液压缸响应慢、生产效率不
7、高、维修成本较高等缺点，自上世纪八十年代以来再无重大技术改进。基于电机直接驱动的新型数控折弯机则成为了折弯机发展的新方向。2 折弯机结构与工作原理传动部件伺服电机上模滑块Y轴下模后挡料板X 轴机身工件图 1 折弯机机械结构简图折弯机的机械结构如图 1 所示。折弯机主要实现两个方向的自由运动，分别为后档料的水平运动( 即 X 轴运动)和滑块垂直方向的运动(即 Y 轴运动) 。其使用一定的通用模具，通过控制 X 轴和 Y 轴的位置，即可折成各种不同形状的零件。具体实现过程为：后挡料板首先移至一确定位置以限制折弯工件的折弯边长和折弯位置，滑块根据所需折弯角度下降至下模内一定深度进行折弯，然后回程，重
8、复以上过程直至折弯工件加工完毕 2。3 系统硬件设计本系统的硬件主要由工业 PC 机、运动控制板卡、伺服驱动装置与伺服电机（如图 2 所示）构成。由于本折弯应用于大功率折弯场合，采用了 Y 轴 3 个电机同步驱动的方式。加上 X轴，一共有四轴需要控制，故选用了两块控制板卡分别用于 X 轴与 Y 轴控制，两块运动控制板卡通过光纤与上位的 PCI 光纤通信卡一起构成通信环路，从而实现与上位机的通信。工业PC 安装数控软件 EMC2 实现系统的人机操作界面和任务分配，实时显示各轴的位置数据和各种状态信息。运动控制板卡折弯工件外形数控加工代码Y 2 轴Y 3 轴下模工作台上下运动数控系统光纤速度规划插
9、补算法MX 轴图 2 电动折弯机数控系统结构图4 系统统软件设计本系统选用开放式数控系统 EMC2 作为上位工业 PC 的数控系统，其操作系统环境是基于 RTAI 扩展的实时 Linux 系统。EMC2(Enhanced Machine Controller v2，增强型运动控制器) 3是一个由美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的开放式数控系统，它高度模块化，通过配置后，能灵活适应于各种不同的工业应用场合。图 4 所示为本系统设计的基于EMC2 的数控折弯机软件结构图 4。整个系统从模块上划分为为五个大的部分，即人机界面、任务控制器、运动控制器、I/O 控制器以及用于 X/Y 轴加工的的
10、轴控制模块。人机界面：根据数控折弯机的特殊工艺要求设计界面，首先对加工程的参数进行采集，包括折弯过程的板材类型、板料名称、板料厚度、保压时间等公共参数的设置，以及多道折弯程序中的每个节点程序的具体参数，如下行距离、后档料定位距离及后退距离设置等。待设置完成后，还需要根据当前的工艺加工参数生成相应的 G 代码指令，以供数控系统进行加工。在模式上根据不同的工艺要求提供手动和自动两种加工模式。界面还负责实时的显示整个系统的状态，如折弯上模位置等。任务控制器：负责从人机界面接收命令，将用户发送的指令分发给任务控制器与 I/O 控制器，并协调两者之间的工作。其中 G 代码解析也由任务控制器完成,命令会被
11、缓存到队列里顺序执行。I/O 控制器：负责离散的 I/O 信息的控制，如急停开关和手动脚踏板等 I/O 信息的采集与状态的更新。运动控制器：从任务控制接收解释后的 G代码指令，经过轨迹规划，坐标变换和插补后，生成每个轴的位置控制信息。轴加工模块：接收运动控制器发来的指令，通过 PID 控制每轴的运动过程。下文采用的三轴同步控制算法就在轴控制模块内实现。人机界面参数设定G 代码生成其它命令任务控制器G 代码解释器命令队列主控模块任务接口模块运动控制接口模块I / O 控制器运动控制器实时状态I / O 控制接口模块轨迹规划插补轴控制P I D 、 伺服单位变换单位变换光栅尺采样值转换X 轴急停开
12、关Y 1 / Y 2 / Y 3 轴脚踏板等坐标变换_+图 3 电动折弯机数控系统软件结构对于全电动数控折弯机来说，操作运行是一切工作以实现的必然过程，而运行过程中的折弯加工子流程是实现数控折弯的核心过程。折弯机数控系统提供手动模式与自动模式两种工作方式，其中自动模式是多个单次手动过程的连续加工过程。自动方式是最常用的方式，其可以快速进行大批量的生产加工，提高折弯机的工作效率，它本质上是多个单步方式下的折弯，如下图 5 所示为自动加工模式的折弯过程流程图。选择 “ 连续模式 ”选择相应折弯程序（ 共有 n 道节点程序 ， n = 1 ）X 轴前进X 轴到达合适位置Y E S放置待折板料Y 轴快
13、速前进Y 轴到达速度转换点处N OY E SY 轴慢速前进编辑程序Y 轴到达板料处后档料板是否需要后退Y E SN O开始折弯保压时间到Y 轴快速回程到达上死点单次折弯结束 ， i + +Y E SY E Si = nN ON ON ON OY E S连续折弯结束N OY E S退让给定距离i = 1图 5 自动折弯加工流程图5 Y 轴同步控制算法的设计本系统设计为 1000kN 的大功率折弯机。大功率的单电机驱动方案虽然简便，但由于大功率电机价格不菲，不宜于成本控制。由此，本系统选择在 Y 轴上用 3 个支撑柱及 3 台伺服电机共同驱动滑块进行折弯控制的方式。数控折弯机的优势在很大程度上决定
14、于它的控制精度，三轴同步上模滑块驱动的问题就显得尤为重要。目前，基于多伺服电机直接驱动的电动折弯机上模滑块同步性控制，一般采用主从结构和并行结构两种方式 56。由于并行结构方式不容易产生累积定位误差，也不易发生谐振现象，可使系统具有较强的抗干扰能力。本系统的三轴并行结构同步控制方式如图 6 示。控制器 被控对象调节器光栅尺控制器 被控对象被控对象控制器调节器光栅尺光栅尺Y 1Y 2Y 3指令+图 6 Y 轴并行结构同步控制方式同步过程是一种偏差耦合控制，Y1 与Y2，Y2 与 Y3 之间的同步通过 PID 调节器控制。每一次折弯过程，Y 轴需进行上行和下行两个阶段。下行过程又分成三个阶段，先是
15、三轴空载同步快速行进到接近板料上方的某一点，即速度转换点后，再以一个较低的速度挤压板材到设置的目的最低点，最后在下行到折弯目的点后，需要有一段保压时间，以防止板材的反弹。上行则是以一个较快的速度，直接回到到Y 轴顶点，以准备进行下一次折弯。整个过程中的同步误差的调节器在各段中采用不同的PID 参数，以提供不同过程中的同步过程的性能调节与控制。在整定好 PID 参数后，其同步性能如下图 7 所示。由图中可知，同步过程中，Y1 与 Y2，Y2 与 Y3 之间的最大误差不超过10um，通过传动机构传动比折算后能很好的满足同步过程中的精度要求。图 7 同步控制过程曲线6 总结随着数控技术以及伺服驱动技
16、术的发展，基于数控系统的全电动高效折弯机已是折弯机发展的必然趋势。表 1 所示是本系统的数控折弯机与典型的传统的液压折弯机的性能比较。由比较可知，在 X、Y 轴定位精度与加工精度上，都比传统的液压折弯机有大幅提高，尤其在反映关键加工性能的每秒加工次数方面，新型的电动数控折弯机由于采用伺服电机驱动的方式，能够在折弯过程中实现快速的起动与停止，其加工效率比传统的液压折弯机有明显提高。表 1 本系统与传统折弯机性能比较对比项传统折弯机（液压）本系统（电动+数控）X 轴定位精度(mm) 0.05-0.1 0.01折弯角度误差(度) 0.05-0.1 0.005加工频率(次/秒) 10-20 40总之，
17、本文设计的基于开放式数控系统的全电动大功率电动折弯机，将数控与伺服两项新技术引入折弯机的设计中。在需要大功率折弯动力的 Y 轴上采用并行结构的方式，利用三台较小功率伺服电机去共同驱动滑块的运动，在控制精度与生产成本之间得到了很好的平衡。并且数控系统的引入，给传统的折弯机使用来带来了更好的开放性与更人性化机交互，也促进了折弯机进一步向自动化、智能化方向发展。参考文献 c1 肖跃加,马黎,陈宝萍,王建坤.板料折弯机自动控制技术的发展及实现J.锻压机械,1996,1:14-15.2 王倩,张爱民,戚红利,等.开放式折弯机数控系统设计J.锻压技术,2007,32(4):73-75.3 Tomislav
18、 Staroveski, Danko Brezak, Toma Udiljak, Dubravko Majetic. Implementation of a Linux-based CNC open control systemJ. 12th International Scientific Conference on Production EngineeringCIM2009, Croatian Association of Production Engineering, Zagreb,2009,209-216.4 张凤丽.基于 Linux 的开放式数控系统人机界面开发及通讯研究D.山东大学
19、 ,2008.5 黎小巨,吴百海,王卫平,逯宪斌.电伺服折弯机的同步控制及仿真研究J.机床与液压,2009,37(8):203-205,199. 6 盛兵,陈柏金,熊晓红.基于伺服电机直接驱动的折弯机同步位置控制J.机床与液压, 2002,2:74-75,135.作者简介：史步海（1963） ，男（汉） ，河南，博士，硕士生导师，主要研究方向是嵌入式系统、计算机远程监控系统、数控系统以及大时滞系统研究。Emial: 戴敏（1987） ，男（汉） ，湖南，华南理工大学自动化科学与工程学院在读硕士研究生，主要研究方向是数控技术和嵌入式系统。Email: 通信地址：广东省广州市天河区华南理工大学东十 307 宿舍 戴敏(收) 邮编 510640 电话：15902036085
