的场合 随着科学技术的不断发展弯管机的型式日趋多样化弯管性能也在大幅度地 提高。微型计算机单片机可编程控制器先进的交流伺服系统以及新型液压元 器件和液压技术的应用使弯管机的功能更趋完善。而数控弯管机将是现代弯管生 产的主要设备。 弯管机的发展历程及趋势 国外大口径长输管道建设中美国自世纪年代就开始使用垂直液压即立式 弯管机可以弯制英寸各种壁厚的钢管。年代后冷弯机的 性能进步完善同时弯管内胎研制成功与冷弯机配套使用能够弯制薄壁高强 度大口径的输油输气管道钢管最大弯管直径达到英寸。原苏联研制冷弯 管机基本也是从世纪年代开始的功能与美国机器相仿但由于其主机液压系统 采取卧式结构平面占用空间较大运输及现场摆布均存在较大困难。目前世界上 有美国加拿大和德国等发达国家近家冷弯机生产厂所产机型基本结构均为垂直 液压式内胎形式主要有气动式和液压式两种。气动式结构内胎优点在于行走速度快 弯管预制效率高但需要另行配置空气压缩机系统工作平稳性差难以控制。液压 式内胎借助于整机液压站结构紧凑且液压传动平稳可靠能够保证管道在预制过 程中不发生椭圆变形。 另外随着科学技术的不断发展弯管机的型式日趋多样化弯管性能也在大幅 度地提高。特别是微型计算机单片机可编程控制器先进的交流伺服系统以及新 型液压元器件和液压技术的应用使传统弯管机的功能更趋完善数控弯管机将取代 传统弯管机而成为现代弯管的主要设备。 课题的目的及意义 本课题研究的目的在于设计开发出种数控冷弯式弯管机。能实现自动检测控 制产品的弯曲角度提高生产效率和产品的精度。 世界各工业发达国家通过发展数控技术建立数控机床产业促使制造业跨入 个新的发展阶段给国民经济的结构带来了巨大的变化。数控机床是世界第三次产业 革命的重要内容它不但是机电工业的重要基础装备还是汽车石化电子和现代 医疗装备等产业现代化的主要手段。虽然数控机床产业本身的产值远不如汽车化工 等产业但高效的数控机床给制造业带来了现代化的生产方式以及高倍率的效益增 长这是促进国民经济发展的巨大源动力。特别是数控技术在制造业的扩展与延伸所 产生的辐射作用和波及效果足以给机械制造业的产业结构产品结构制造方式及 管理模式等带来深刻的变化。 在航空航天船舶汽车摩托车空调等制造业中大量应用到对管材的弯 曲加工作业如何将管材弯曲成复杂的空间几何形状并保持工艺要求的精度直 是人们所关心的问题。近十几年来国内的许多汽车摩托车空调生产厂家引进了 用于管材弯曲成形加工的弯管机这种弯管机以它在同台机器上可实现管材的 各种复杂弯曲加工以及加工精度高和对管材外表面损伤小等特点在管材的弯曲成 形加工方法中占有非常重要的地位。所以数控弯管机将取代传统的弯管机而成为弯管 生产的主要设备。 课题内容 弯管机总体方案设计 数控弯管机的控制系统研究 传感器的选择控制系统的硬件和软件设计 绘制控制系统电路图 设计思路 在设计计算之前先了解和本课题相关的图书资料。然后结合弯管机的实际工 作原理和要求完成液压系统的设计。接着选择合适的传感器和能达到课题要求的 控制系统。最后根据弯管的实际情况和容易出现的问题进行控制系统的硬件和软件 设计完成弯管机的弯曲角度自动检测和控制的数控系统。 第章数控弯管机研制方案的确定 数控弯管机的设计要求 为了提高弯管机的生产能力精度数控弯管机设计要求如下 自动化程度高工作效率高新研制的弯管机采用先进的控制系统使操作 更加简单。 工作可靠性强新研制的弯管机完全采用单片机控制能够在长期而频繁 切换的工作状态中保证控制系统的工作可靠性。 弯管能力强原有的弯管机的液压系统弯管机常用控制系统的分类 液压伺服控制系统 液压伺服控制系统是种自动控制系统。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。 输入指令元件给出输入指令信号加于系统的输入端 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 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起由同结构元 件来完成。也有由几个结构元件完成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 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 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。 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所示。 图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 控制般都是直接数字控制即计算机在给定值的 情况下每隔定时间和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 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。 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。 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。 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 在不断更新从第代采用电子管构成的数控系统发展到今天基于工业机的 系统。到目前为止已出现了以下几种弯管机数控系统。 基于单片机的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般都 用来开发简易的经济型数控机床。 基于可编程控制器的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 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的弯 管机系统。但是的缺点是体积大价格也比较贵。 基于工业的系统随着机功能的逐渐强大和完善。工业界己将 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 形成了工业在弯管机数控系统中采用或工业主板作为平台通过在主 板或母板上的槽插入实现功能的各种模块如运动控制卡板工 板等等构成具有高度灵活性的弯管机数控系统。充分利用操作系统的资源 和用高级语言编程能够使数控软件系统的功能更强大。 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。 采用伺服驱动控制系统组成都 伺服驱动系统是系统中个重要分它的性能直接决定与影响系统的快 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所示当弯管机进行弯