回彈自動(dòng)補(bǔ)償型母線(xiàn)折彎?rùn)C(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

回彈自動(dòng)補(bǔ)償型母線(xiàn)折彎?rùn)C(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著高壓電器和變壓器行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)銅和鋁的要求越來(lái)越高，加工類(lèi)型也越來(lái)越多，對(duì)線(xiàn)性屈曲加工的精度和效率提出了很高的要求。由于母線(xiàn)彎曲成形時(shí),其橫截面上不但存在塑性變形區(qū),還存在彈性變形區(qū),因此,卸載之后母線(xiàn)不可避免地存在回彈現(xiàn)象,即母線(xiàn)彎曲半徑增大彎曲角減小。圖1是以某公司生成的KJW303S型液壓母線(xiàn)折彎?rùn)C(jī)為原型,運(yùn)用ANSYS10.0有限元分析軟件,對(duì)9.9mm銅材料母線(xiàn)折彎加工過(guò)程進(jìn)行模擬分析的情況?？煽闯?銅母線(xiàn)在折彎加工時(shí)回彈前后的角度值相差4°左右。所以,回彈是影響折彎成形精度的關(guān)鍵因素。目前,國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的母線(xiàn)折彎加工設(shè)備多為手動(dòng)或半自動(dòng)控制,通過(guò)手動(dòng)測(cè)量折彎角度及反復(fù)調(diào)整機(jī)床設(shè)置來(lái)控制母線(xiàn)的折彎精度,在大批量的母線(xiàn)折彎加工中無(wú)法確保每一根母線(xiàn)的折彎角度都滿(mǎn)足精度要求,在小批量加工中反復(fù)調(diào)整機(jī)床設(shè)置也降低了加工效率?，F(xiàn)介紹一種基于單片機(jī)和PLC的母線(xiàn)折彎控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)母線(xiàn)折彎加工時(shí)的角度值,并通過(guò)PC機(jī)對(duì)采集到的實(shí)時(shí)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)各種回彈補(bǔ)償控制方案計(jì)算出回彈補(bǔ)償量,然后將控制信號(hào)作用到PLC以完成一次精確的折彎動(dòng)作。1控制機(jī)床動(dòng)作控制信號(hào)的控制模塊該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是在母線(xiàn)折彎加工過(guò)程中對(duì)母線(xiàn)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,系統(tǒng)主要由三大功能模塊組成:分析處理數(shù)據(jù)的計(jì)算判斷模塊、實(shí)時(shí)采集母線(xiàn)折彎角度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集模塊及控制機(jī)床動(dòng)作執(zhí)行的執(zhí)行模塊。分析處理數(shù)據(jù)的計(jì)算判斷模塊作為系統(tǒng)的核心由一臺(tái)PC機(jī)構(gòu)成,選用VB6.0作為編程軟件,其作用主要是分析處理單片機(jī)采集的角度數(shù)據(jù)并根據(jù)控制方案向PLC發(fā)出控制信號(hào)控制機(jī)床動(dòng)作的執(zhí)行;同時(shí)PC機(jī)作為人機(jī)交互界面,還負(fù)責(zé)進(jìn)行各種折彎參數(shù)的輸入。實(shí)時(shí)采集母線(xiàn)折彎角度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集模塊由旋轉(zhuǎn)編碼器及單片機(jī)構(gòu)成。選用韓國(guó)Autonics公司生產(chǎn)的E40S6-3600-3-N-24型增量式編碼器作為角度編碼器用以產(chǎn)生角度脈沖信號(hào)。選用了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52型單片機(jī),其作用是:(1)采集旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的角度脈沖信號(hào);(2)作為PC機(jī)的下位機(jī)接收PC機(jī)的指令并將采集的角度數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)?？刂茩C(jī)床動(dòng)作執(zhí)行的執(zhí)行模塊由一臺(tái)PLC構(gòu)成,選用三菱公司生產(chǎn)的FX1S-30MT-001型PLC,接收PC機(jī)的指令并控制機(jī)床動(dòng)作的執(zhí)行。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1旋轉(zhuǎn)角度計(jì)數(shù)模塊數(shù)據(jù)采集模塊主要由左右兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器及兩片單片機(jī)構(gòu)成。為了采集到高精度的角度數(shù)據(jù),系統(tǒng)選用了韓國(guó)Autonics公司生產(chǎn)的E40S6-3600-3-N-24型編碼器。該編碼器為增量型旋轉(zhuǎn)編碼器,角度分辨率為0.1°,輸出特性為集電極開(kāi)路輸出,輸出信號(hào)為A、B、Z三相脈沖信號(hào),輸出波形如圖3所示。角度計(jì)數(shù)的原理為通過(guò)編碼器輸出脈沖的數(shù)量來(lái)計(jì)算旋轉(zhuǎn)的角度,并由A、B兩相信號(hào)的相位關(guān)系來(lái)判斷旋轉(zhuǎn)的方向。角度計(jì)數(shù)的邏輯關(guān)系為:若A相從低電平到高電平的跳變?cè)谇?而B(niǎo)相從低電平到高電平的跳變?cè)诤?則產(chǎn)生一次順時(shí)針?lè)较虻拿}沖計(jì)數(shù)。若反之,則產(chǎn)生一次逆時(shí)針?lè)较虻拿}沖計(jì)數(shù)。選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52型單片機(jī)作為角度計(jì)數(shù)脈沖的信號(hào)采集芯片。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和全雙工串行口。系統(tǒng)中使用了芯片的定時(shí)器2對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的角度脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器2是一個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,其既可以做定時(shí)器,又可以做事件計(jì)數(shù)器。將其作為計(jì)數(shù)器并工作在上下計(jì)數(shù)模式時(shí)可直接對(duì)編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器2的計(jì)數(shù)原理為:芯片的T2EX引腳控制著計(jì)數(shù)的方向。T2EX上的一個(gè)邏輯1使得定時(shí)器2向上計(jì)數(shù);T2EX上的一個(gè)邏輯0使得定時(shí)器2向下計(jì)數(shù)。在接口電路中,將編碼器的A相與B相信號(hào)分別與定時(shí)器2的計(jì)數(shù)端及T2EX端相連。數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。2.2電氣性能轉(zhuǎn)換AT89S52型單片機(jī)將采集到的角度脈沖數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口傳送至PC機(jī)中。由于單片機(jī)的串口工作在TTL電平而與RS232的電氣特性不兼容,所以,選用了MAX232EPE芯片作為單片機(jī)與PC機(jī)接口電路的電氣性能轉(zhuǎn)換芯片。RS232接口電路如圖5所示。2.3plc的輸出點(diǎn)PLC用于控制母線(xiàn)折彎?rùn)C(jī)械動(dòng)作的執(zhí)行,該系統(tǒng)選用三菱公司生產(chǎn)的FX1S-30MT-001型PLC,具有30個(gè)I/O點(diǎn),其中包括16個(gè)輸入點(diǎn)和14個(gè)輸出點(diǎn)。該系列的PLC具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能豐富、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn),能完全滿(mǎn)足該系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的所有控制功能。由于母線(xiàn)折彎?rùn)C(jī)在控制上有其自身的特點(diǎn),其折彎動(dòng)作主要由電磁換向閥控制液壓油缸來(lái)帶動(dòng)折彎模具,所以系統(tǒng)中PLC主要的控制點(diǎn)為:兩個(gè)三位四通電磁換向閥的電磁鐵線(xiàn)圈及控制旋轉(zhuǎn)編碼器復(fù)位的電磁鐵線(xiàn)圈。系統(tǒng)中PLC還作為PC機(jī)的下位機(jī)接收PC機(jī)對(duì)其發(fā)出的控制指令,并通過(guò)FX1S系列PLC自身帶有的RS422串行口來(lái)實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。3軟件設(shè)計(jì)3.1采樣數(shù)據(jù)的讀取單片機(jī)固件程序?qū)崿F(xiàn)角度數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、校驗(yàn)和通信等功能。在系統(tǒng)中,單片機(jī)作為下位機(jī)一直處于待命狀態(tài),等待PC機(jī)發(fā)出的控制指令。當(dāng)接收到PC機(jī)要求讀取角度脈沖數(shù)據(jù)的指令時(shí),單片機(jī)開(kāi)始讀取定時(shí)器2的計(jì)數(shù)值。由于定時(shí)器2為16位計(jì)數(shù)器而AT89S52單片機(jī)單次只能處理8位數(shù)據(jù),所以需要分兩步對(duì)16位計(jì)數(shù)器值進(jìn)行讀取。首先取16位計(jì)數(shù)器值的低8位放入存儲(chǔ)器Data中,然后取16位計(jì)數(shù)值的高8位放入存儲(chǔ)器Data中以完成一次計(jì)數(shù)器值的采樣。由于在采樣過(guò)程中定時(shí)器2一直處于動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)狀態(tài),為了確保采樣數(shù)據(jù)的可靠性,還需要對(duì)該16位計(jì)數(shù)器值進(jìn)行第二次采樣。第二次采樣的過(guò)程與第一次采樣相同,即將16位計(jì)數(shù)器值的低8位與高8位分別放入存儲(chǔ)器CheckData與CheckData中。然后通過(guò)對(duì)前后兩次采樣值進(jìn)行比較來(lái)判斷采樣值是否可靠。若前后兩次采樣值一致,則說(shuō)明采樣值可靠并通過(guò)串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī);若前后兩次采樣值不一致,則按上述步驟再次采樣。實(shí)現(xiàn)上述角度數(shù)據(jù)采樣的主要C51程序代碼如下:3.2pc機(jī)與兩級(jí)at29s52上位機(jī)是用戶(hù)操作及監(jiān)控的界面,系統(tǒng)中采用VB6.0作為編程軟件開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)應(yīng)用程序。由于單片機(jī)與PLC分別使用不同的通信協(xié)議,所以在系統(tǒng)中采用了雙串行口進(jìn)行通信。串行口1用于PC機(jī)與PLC間的通信,串行口2用于PC機(jī)與兩片AT89S52單片機(jī)間的通信。為了得到母線(xiàn)折彎角度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),系統(tǒng)啟動(dòng)后PC機(jī)以50ms為周期循環(huán)向兩片單片機(jī)發(fā)送角度數(shù)據(jù)讀取指令。PC機(jī)接收到從單片機(jī)傳送回的實(shí)時(shí)角度數(shù)據(jù)后便與目標(biāo)角度進(jìn)行比較,檢測(cè)到當(dāng)前的折彎角度到達(dá)目標(biāo)角度時(shí)PC機(jī)立即向PLC發(fā)出強(qiáng)制指令控制折彎動(dòng)作的主油缸后退動(dòng)作。由于母線(xiàn)在折彎過(guò)程中存在彈性變形及辛格效應(yīng),在主油缸后退的過(guò)程中母線(xiàn)將產(chǎn)生一定量的回彈。此時(shí),PC機(jī)根據(jù)單片機(jī)傳送回的角度數(shù)據(jù)得到初次折彎時(shí)產(chǎn)生的回彈量并根據(jù)當(dāng)前的折彎控制方案計(jì)算出回彈補(bǔ)償量,然后向PLC發(fā)出強(qiáng)制指令開(kāi)始補(bǔ)償進(jìn)給動(dòng)作。上位機(jī)主程序框圖如圖6所示。3.3在折彎加工工藝中使用sfc該系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)的三菱PLC編程軟件FXGP-WIN-C編制PLC的控制程序。由于母線(xiàn)折彎加工工藝由固定的一系列動(dòng)作流程組成,所以程序中使用了SFC步進(jìn)梯形圖指令,并按照母線(xiàn)折彎加工工藝流程來(lái)編制SFC的每一步程序。上位機(jī)對(duì)PLC的控制則是根據(jù)SFC中兩個(gè)相鄰程序步之間的轉(zhuǎn)移條件通過(guò)繼電器進(jìn)行強(qiáng)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。4回彈補(bǔ)償控制該系統(tǒng)基于單片機(jī)和PL