數(shù)控彎管機液壓系統(tǒng)畢業(yè)設計（可編輯）

數(shù)控彎管機液壓系統(tǒng)畢業(yè)設計（可編輯）

摘要數(shù)控彎管機是基于矢量彎管原理,運用微機控制,完成用戶所需的任意空間立體管形,是現(xiàn)代彎曲整形的重要加工設備。本文主要針對彎管機這一數(shù)控裝備進行嵌入式測控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)研究開發(fā),以嵌入式微處理器為硬件平臺,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通用計算機和工控機,對機床的加工過程進行有效控制。在此基礎上加裝運動控制卡PCI-1240U,通過運動控制卡實現(xiàn)對伺服電機驅(qū)動器的控制,從而控制伺服電機帶動各軸進行準確的旋轉(zhuǎn)走位操作。本文主要對該嵌入式測控系統(tǒng)進行硬件系統(tǒng)的研究開發(fā),針對工業(yè)現(xiàn)場控制電路的基本要求,利用PROTEL軟件繪制四個控制電機的電路原理圖和現(xiàn)場總體電路分布結(jié)構(gòu)設計圖;根據(jù)設計精度要求和對元器件性價比的比較,對包括嵌入式系統(tǒng)、運動控制卡、伺服電機、伺服電機驅(qū)動器、輸入輸出卡、編碼器及傳感器等元件在內(nèi)的各類硬件設備的選型。本文所設計的嵌入式測控系統(tǒng)用于控制數(shù)控彎管機的工業(yè)現(xiàn)場實際運行,主要實現(xiàn)彎管機的送料、旋轉(zhuǎn)、彎曲等功能的控制。所設計的電路及選取的硬件在工業(yè)現(xiàn)場調(diào)試中基本能夠達到預期的效果。

關鍵詞:數(shù)控彎管機、嵌入式、運動控制卡、伺服驅(qū)動器AbstractCNCpipebendingmachineisanimportantmoderncurvedplasticprocessingequipment,whichisbasedonthevectortheory,usingcomputercontrol,tocompleteanyspaceforthree-dimensionaltubetomeetusersrequirements.Inthispaper,itmainlyabouttheresearchanddevelopmentofhardwaresystemsonthenumericalcontrolequipmentforpipebendingmachineembeddedcontrolsystem,usingembeddedmicroprocessorhardwareplatform,insteadofthetraditionalgeneral-purposecomputersandindustrialmachines,tocontrolthemachiningprocesseffectively.Onthisbasis,installationofmotioncontrolcardPCI-1240U,realizedthroughthemotioncontrolcardservomotordrivecontrol,tocontroleachaxisservomotordriveforaccurateoperationofrotatinggears.Inthispaper,itmainlyaboutthecontrolsystemoftheembeddedhardwaresystems’

researchanddevelopment,forindustrialcontrolcircuitofthebasicrequirements,usingPROTELsoftwaretodrawfourmotorcontrolcircuitschematicdiagramsandfielddistributionoftheoverallstructureofthecircuitdesign;accordingtothedesignprecisionandcomparisonofthecostoncomponents,selecttheequipmentincludingembeddedsystems,motioncontrolcards,servomotor,servomotordrive,inputandoutputcards,encoders,sensorsandvarioustypesofhardwarecomponents.Thisembeddedcontrolsystemdesignedtocontrolthepipebendingmachineforindustrialon-sitepracticaloperation,mainlyaboutfeeding,rotating,bendingandotherfunctionsofthecontrol.Thecircuitdesignandselectionofhardwaredebuggingintheindustrialfieldcanachievethedesiredresults.

Keyword:CNCpipebendingmachine、embedded、MotionControlCard、servodrive

目錄

摘要II

AbstractIII

第1章緒論

1.1引言1

1.2彎管機概述1

1.3彎管機的發(fā)展歷程及趨勢2

1.4嵌入式系統(tǒng)概述2

1.5課題的目的及意義3

1.6課題內(nèi)容4

第2章彎管機嵌入式硬件系統(tǒng)設計總體方案

2.1彎管機工作原理概述5

2.2嵌入式測控系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)設計6

第3章測控系統(tǒng)硬件電路設計

3.1前言7

3.2系統(tǒng)總體電路設計7

3.3彎曲主軸C軸電路設計73.3.1彎曲主軸C閉環(huán)控制回路73.3.2運動控制卡與伺服驅(qū)動器C的連接線路83.3.3伺服電機C與伺服電機驅(qū)動器的連接線路93.3.4彎曲主軸C整體電路圖10第4章測控系統(tǒng)硬件選型

4.1嵌入式微處理器的選型11

4.2運動控制卡的選型124.2.1運動控制卡概述124.2.2運動控制卡PCI-1240簡介124.3伺服電機驅(qū)動器的選型174.3.1伺服電機驅(qū)動器概述174.3.2三菱伺服電機驅(qū)動器簡介17

4.4伺服電機的選型194.4.1伺服電機概述194.4.2交流伺服電機概述194.4.3三菱伺服電機簡介204.5旋轉(zhuǎn)編碼器的選型214.5.1旋轉(zhuǎn)編碼器概述214.5.2增量式和絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器224.6位移傳感器的選型23

第5章總結(jié)與展望24

致謝25

參考文獻26

附圖27緒論

引言

隨著社會的發(fā)展,各行各業(yè)對各種型號彎管的需求會迅速增長,對管材彎曲成形精度要求也會越來越高,這一切促使人們對管材彎曲加工工藝及加工設備進行深入的研究。美、英、日、德等工業(yè)發(fā)達國家紛紛開發(fā)研制計算機數(shù)控CNC彎管加工設備,同時資助管材彎曲加工工藝的理論及實驗研究,并在實際應用中取得良好的經(jīng)濟效益。然而,我國的管材彎曲加工設備與加工技術的研究與應用仍遠遠落后于當今世界先進水平,遠遠不能適應我國工業(yè)生產(chǎn)和國防的需求,致使我國許多企業(yè)不得不花費大量資金引進國外先進的管材數(shù)控彎曲加工設備。目前國內(nèi)使用的數(shù)控彎管機設備通常是在通用計算機或工控機的基礎上加裝運動控制卡,使用Windows操作系統(tǒng),并安裝昂貴的數(shù)控軟件構(gòu)成的。這樣的系統(tǒng)軟件成本高、硬件資源浪費、功耗大[1]。為了提高彎管生產(chǎn)的效率,節(jié)約生產(chǎn)成本,改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高產(chǎn)品的精度,以嵌入式微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工控機來控制彎管機的工作是本課題的主要任務。

嵌入式技術已經(jīng)廣泛的應用到工業(yè)控制領域,將嵌入式技術應用到數(shù)控領域必將對數(shù)控機床的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。本文提出了一種基于ARM9微處理器與運動控制卡PCI-1240U構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺方案。該數(shù)控系統(tǒng)具有成本低、實時性好、精度高等優(yōu)點,對開放式經(jīng)濟性數(shù)控的研究具有很好的推動作用。

彎管機的概述

管材彎曲有很多方法,相應地也就有不同的彎管設備。在各種方法中,繞彎是最常用的彎管方法,而繞彎最常用的設備是彎管機。因此,彎管機是管材彎曲加工的主要設備。

彎管機的結(jié)構(gòu)形式很多,按彎管時加熱與否可分為冷彎管機和熱彎管機兩類,按傳動方式可分為手動、氣動、機械傳動和液壓傳動四種,按控制方式又可分為手控、半自動、自動和數(shù)控四種。機械傳動式彎管機結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,通用性大。液壓彎管機傳動平穩(wěn)、可靠、噪音小,結(jié)構(gòu)緊湊,能彎制不同直徑的管材。半自動控制的彎管機,一般只對彎管角度進行自動控制,主要用于中、小批量的生產(chǎn)。自動控制的彎管機通過尺寸預選機構(gòu)和程序控制系統(tǒng)對彎管全過程送進、彎管和空間轉(zhuǎn)角實行自動控制,這種彎管機一般采用液壓傳動,適用于大批量生產(chǎn)。數(shù)控彎管機能夠根據(jù)零件圖規(guī)定的程序和尺寸,通過輸入數(shù)據(jù)來實現(xiàn)彎管過程的全自動控制,它適用于大批量生產(chǎn),尤其是管件尺寸參數(shù)多變的場合[2].

隨著科學技術的不斷發(fā)展,彎管機的型式日趨多樣化,彎管性能也在大幅度地提高。微型計算機、單片機、可編程控制器、先進的交流伺服系統(tǒng)以及新型液壓元器件和液壓技術的應用,使彎管機的功能更趨完善。而數(shù)控彎管機將是現(xiàn)代彎管生產(chǎn)的主要設備。

彎管機的發(fā)展歷程及趨勢

國外大口徑長輸管道建設中,美國自20世紀60年代就開始使用垂直液壓即立式彎管機,可以彎制152.4~762mm6~30英寸各種壁厚的鋼管。70年代后,冷彎機的性能進一步完善,同時,彎管內(nèi)胎研制成功,與冷彎機配套使用,能夠彎制薄壁高強度大口徑的輸油輸氣管道鋼管,最大彎管直徑達到1524mm60英寸。原蘇聯(lián)研制冷彎管機基本也是從20世紀60年代開始的,功能與美國機器相仿,但由于其主機液壓系統(tǒng)采取臥式結(jié)構(gòu),平面占用空間較大,運輸及現(xiàn)場擺布均存在較大困難。目前,世界上有美國、加拿大和德國等發(fā)達國家近10家冷彎機生產(chǎn)廠,所產(chǎn)機型基本結(jié)構(gòu)均為垂直液壓式,內(nèi)胎形式主要有氣動式和液壓式兩種。氣動式結(jié)構(gòu)內(nèi)胎優(yōu)點在于行走速度快、彎管預制效率高,但需要另行配置空氣壓縮機,系統(tǒng)工作平穩(wěn)性差,難以控制。液壓式內(nèi)胎借助于整機液壓站,結(jié)構(gòu)緊湊,且液壓傳動平穩(wěn)可靠,能夠保證管道在預制過程中不發(fā)生橢圓變形[3]。

另外,隨著科學技術的不斷發(fā)展,彎管機的型式日趨多樣化,彎管性能也在大幅度地提高。特別是微型計算機、單片機、可編程控制器、先進的交流伺服系統(tǒng)以及新型液壓元器件和液壓技術的應用,使傳統(tǒng)彎管機的功能更趨完善,數(shù)控彎管機將取代傳統(tǒng)彎管機而成為現(xiàn)代彎管的主要設備。

嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)(embeddedsystem),是以應用為中心,以計算機技術為基礎,并且軟硬件可定制,適用于各種應用場合,對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成,用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設備,如掌上PDA、移動計算設備、電視機頂盒、手機上網(wǎng)、數(shù)字電視、多媒體、汽車、微波爐、數(shù)字相機、家庭自動化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、安全系統(tǒng)、自動售貨機、蜂窩式電話、消費電子設備、工業(yè)自動化儀表與醫(yī)療儀器等。

嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng),它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS)(要求實時和多任務操作)和應用程序編程。有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為;而操作系統(tǒng)控制著應用程序編程與硬件的交互作用[4]。

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點:

1)對實時多任務有很強的支持能力,能完成多任務并且有較短的中斷響應時間,從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。

2)具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化,而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用,需要設計強大的存儲區(qū)保護功能,同時也有利于軟件診斷。

3)可擴展的處理器結(jié)構(gòu),以能最迅速地開展出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器。

4)嵌入式微處理器必須功耗很低,尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此,如需要功耗只有mW甚至μW級[5]。

嵌入式計算機系統(tǒng)同通用型計算機系統(tǒng)相比具有以下特點:

1.嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用的嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設計的系統(tǒng)中,它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點,能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內(nèi)部,從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化,移動能力大大增強,跟網(wǎng)絡的耦合也越來越緊密。

2.嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。

3.嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設計,量體裁衣、去除冗余,力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能,這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力。

4.嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結(jié)合在一起,它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行,因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場,具有較長的生命周期。

5.為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性,嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中,而不是存貯于磁盤等載體中。

6.嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力,即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的,必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)[5]。

課題的目的及意義

本課題研究的目的在于設計出一種基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)控彎管機。能實現(xiàn)自動檢測、控制產(chǎn)品的彎曲位置和角度,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的精度。

隨著嵌入式技術的發(fā)展,以ARM為首的嵌入式微處理器已經(jīng)廣泛的應用到人們生活的各個控制領域。將嵌入式技術應用到工業(yè)控制領域在國內(nèi)還不多見,特別是數(shù)控機床這些高端

技術領域。數(shù)控機床既是高新技術專業(yè)不可缺少的基礎裝備,又是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代的重要手段。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)兼?zhèn)淝度胧郊夹g和數(shù)控技術結(jié)合的巨大優(yōu)勢,必將符合新一代數(shù)控系統(tǒng)的各項性能要求。

課題內(nèi)容

查閱和消化課題研究的相關資料,對數(shù)控彎管機的工作控制原理及其特點進行較為詳盡的分析與研究;學習掌握嵌入式微處理器的相關知識,了解嵌入式系統(tǒng)的各部分功能及外部連線;了解運動控制卡PCI-1240U的連接方式,學習伺服電機驅(qū)動器與運動控制卡、伺服電機以及旋轉(zhuǎn)編碼器的連線;選擇合適的傳感器,設計控制系統(tǒng)的硬件電路,并通過PROTEL軟件繪制系統(tǒng)硬件電路圖。彎管機嵌入式硬件系統(tǒng)設計總體方案數(shù)控彎管機工作原理概述數(shù)控彎管機是用來生產(chǎn)空間多彎、外形尺寸要求較高、相對彎曲半徑大的空心管件,尤其是汽車上的排氣管、發(fā)動機上的油管。圖2-1為數(shù)控彎管機工作原理圖,主要由彎曲旋轉(zhuǎn)C軸、送料Y軸、轉(zhuǎn)料B軸以及機頭左右控制X軸組成,四軸由伺服電機帶動,實現(xiàn)對運送、翻轉(zhuǎn)、彎曲三軸的空間控制,完成具有復雜空間形狀的空心管加工。伺服電機通過系統(tǒng)窗口接受來自PC工控機或者嵌入式微處理器的命令和數(shù)據(jù),完成參數(shù)的設定和修改、運動軸的點位控制等,同時反饋各軸的位移值或轉(zhuǎn)角[6]。

圖2-1數(shù)控彎管機工作原理圖

如圖2-1所示,彎曲旋轉(zhuǎn)裝置繞旋轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)動,其轉(zhuǎn)動角位移θ、角速度ω和轉(zhuǎn)動力矩M是主要控制對象;鉗口將管件壓緊到旋轉(zhuǎn)臺上的彎曲模具中,隨著彎曲旋轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動,從而將管件彎曲成形;彎曲軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)矩的控制是通過彎曲軸上蝸輪蝸桿的伺服電機來實現(xiàn)的。數(shù)控彎管機總體實物圖如下圖2-2所示:

圖2-2數(shù)控彎管機總體實物圖嵌入式測控系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)設計如下圖2-3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖所示,整個硬件系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心,通過人機界面向機床系統(tǒng)輸送指令。運動控制卡配有模糊控制和參數(shù)優(yōu)化等智能控制軟件,配以相應的通訊程序,可與上位機一起組成各種閉環(huán)控制系統(tǒng)[7]。系統(tǒng)通過運動控制卡驅(qū)動伺服電機驅(qū)動器,帶動各個控制軸電機工作,以實現(xiàn)送料,轉(zhuǎn)料,角度加工等動作。另一方面,對管件的主夾緊/松、輔夾緊/松、輔助推進、推/抽芯等動作通過I/O卡進行控制。I/O控制卡控制各個輔助動作的控制器和機床各種狀態(tài)傳感器,通過系統(tǒng)窗口接受來自嵌入式微處理器的命令和數(shù)據(jù),完成參數(shù)的設定、修改和輔助動作的開關量控制等,同時反饋機床各種工作狀況和機床狀態(tài)值,以及各種報警信息。微處理器與I/O控制卡之間的信息交換通過周邊元件擴展接口PCI總線完成,該卡板插在處理器PCI總線插槽中。

圖2-3嵌入式測控系統(tǒng)硬件設計結(jié)構(gòu)圖

測控系統(tǒng)硬件電路設計

前言

本次畢業(yè)設計主要任務是完成針對數(shù)控彎管機嵌入式測控系統(tǒng)硬件電路的研究,由于在整個電路設計過程中,涉及到很多機械控制理論線路,因此整個機床的硬件控制電路會比較繁瑣,由于篇幅限制,本人僅對彎曲電路C軸的典型電路進行繪制描述,其余各軸電路及輸入輸出卡電路詳見附圖。電路圖利用電路原理圖繪制軟件PROTEL繪制而成,典型電路主要包括系統(tǒng)總體電路分布,運動控制卡與伺服驅(qū)動器連接線路圖,伺服驅(qū)動器與伺服電機連接線路圖等。系統(tǒng)總體電路設計根據(jù)對實際機床電路分析及生產(chǎn)安全性考慮,設計如下圖3-1所示總體電路分布圖圖3-1系統(tǒng)總體電路電路主要由各類開關,接觸器,指示燈,繼電器,報警裝置組成,分別用以控制液壓泵的工作,伺服電機的工作等等,總體電路可以分為總電源模塊,液壓泵控制模塊,伺服電機Y、B、C、X控制模塊,由于各個軸的控制電路基本類似,故以下僅對彎曲主軸C軸電路進行詳細描述。

彎曲主軸C軸電路設計3.3.1彎曲主軸C閉環(huán)控制回路主軸彎曲C軸主要實現(xiàn)對管材彎曲的加工,通過接受微處理器指令,完成對管材彎曲任意角度的工作,為了能夠控制C軸彎曲精度在?0.1?以內(nèi),系統(tǒng)對C軸采用全反饋設計,通過編碼器構(gòu)成全閉環(huán)控制回路,實現(xiàn)系統(tǒng)精度要求,C軸閉環(huán)控制回路如下圖3-2所示:

圖3-2彎曲主軸C電機的全閉環(huán)控制回路3.3.2運動控制卡與伺服驅(qū)動器C的連接線路通過參考三菱伺服驅(qū)動器和PCI-1240運動控制卡的技術資料,繪得運動控制卡與伺服驅(qū)動器C在位置模式下的信號連接線路如下圖3-3所示:

圖3-3伺服驅(qū)動器與運動控制卡連接線路

伺服驅(qū)動器信號含義如下表3-1所示:

表3-1伺服驅(qū)動器引腳含義

PCI-1240系列運動控制卡和伺服驅(qū)動器需要連接24V工作電源,伺服電機驅(qū)動器CN1部分為輸入輸出信號用接頭,主要有開啟端SON,復位端RES,清除端CR,編碼器A、B、Z三相脈沖信號接頭,緊急情況急?？刂平泳€端和電機報警接線端[8]。運動控制卡引腳信號含義見下文硬件分析。

3.3.3伺服電機C與伺服電機驅(qū)動器的連接線路

伺服電機C與伺服電機驅(qū)動器的連接線路主要部分為電機內(nèi)部編碼器信號與運動控制卡CN2編碼器用接頭連接和彼此電源信號的連接,電源信號的連接如下圖3-4所示:

圖3-4伺服電機C與伺服驅(qū)動器電源信號連接

伺服放大器的伺服電機動力端子U,V,W和伺服電機的電源輸入端子U,V,W相位必須一致。伺服電機的接地端子要先連接到伺服放大器的PE端子。

伺服電機編碼器與運動控制卡CN2接頭連線圖如下圖3-5所示:

圖3-5運動控制卡CN2編碼器接頭連線3.3.4彎曲主軸C整體電路圖圖3-6彎曲主軸C整體電路圖

測控系統(tǒng)硬件選型

嵌入式微處理器的選型

在設計嵌入式測控系統(tǒng)的過程中,嵌入式微處理器的選擇尤為重要。嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。為了滿足嵌入式應用的特殊要求,嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本一樣,但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面都做了各種增強。嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點。

本系統(tǒng)的核心選擇了SAMSUNG公司的ARM9處理器S3C2410,它采用203MHz的ARM920T嵌人式微處理器內(nèi)核。ARM920T內(nèi)核使用了5級流水線,由ARM9TDMI、存儲管理單元MMU和高速緩存三部分組成。其中,MMU可以管理虛擬內(nèi)存,高速緩存由獨立的16KB地址和16KB數(shù)據(jù)高速Cache組成。ARM系統(tǒng)主板如下圖4-1所示:

圖4-1ARM系統(tǒng)主板結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)需要,主板上主要包括中央處理器S3C2410、SDRAM內(nèi)存、NANDFLASH64M、串口、CS8900A以太網(wǎng)芯片10M網(wǎng)口、LCD顯示器接口、USB接口、擴展總線接口等。中央處理器S3C2410內(nèi)部資源十分豐富,包括1個LCD控制器、SDRAM控制器、3個通道的UART、4個具有PWM功能的計時器和1個內(nèi)部時鐘、2個USB主機接口和1個USB設備接口等。S3C2410處理器主頻最高為202MHz,內(nèi)置16KB指令高速緩存和16KB數(shù)據(jù)高速緩存,5級指令流水線,帶有乘累加運算單元,可以運行起嵌入式Linux操作系統(tǒng)并能進行較為復雜的信息處理,基本滿足用戶對快速性的要求。并且采用NANDFLASH與SDRAM組合來存儲數(shù)據(jù)和程序,可以獲得非常高的性價比。系統(tǒng)采用10M的以太網(wǎng)接口芯片CS8900A,這是用于嵌入式設備的低成本以太局域網(wǎng)控制器。通過標準網(wǎng)絡接口,數(shù)控系統(tǒng)可以連接到Internet或局域網(wǎng)上[9]。

運動控制卡的選型

4.2.1運動控制卡概述

運動控制卡是基于PC總線,利用高性能微處理器(如DSP)及大規(guī)模可編程器件實現(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制卡,包括脈沖輸出、脈沖計數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能,它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串,通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機的速度,改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機的位置,它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計數(shù)可用于編碼器的位置反饋,提供機器準確的位置,糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入/輸出點可用于語限位、原點開關等。庫函數(shù)包括S型、T型加速,直線插補和圓弧插補,多軸聯(lián)動函數(shù)等。產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)自動化控制領域中需要精確定位、定長的位置控制系統(tǒng)和基于PC的NC控制系統(tǒng)。具體就是將實現(xiàn)運動控制的底層軟件和硬件集成在一起,使其具有伺服電機控制所需的各種速度、位置控制功能。這些功能能通過計算機方便地調(diào)用。

4.2.2運動控制卡PCI-1240簡介

本次數(shù)控系統(tǒng)所選擇的運動控制卡為研華公司產(chǎn)品PCI-1240U.

PCI是PeripheralComponentInterconnect外設部件互連標準的縮寫,它是目前個人電腦中使用最為廣泛的接口,幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽。PCI是由Intel公司1991年推出的一種局部總線。從結(jié)構(gòu)上看,PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線,具體由一個橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理,并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖,使之能支持10種外設,并能在高時鐘頻率下保持高性能,它為顯卡,聲卡,網(wǎng)卡,MODEM等設備提供了連接接口,它的工作頻率為33MHz/66MHz。

圖4-2運動控制卡PCI-1240實物圖

PCI-1240是一款通用4軸運動控制卡。PCI-1240是一款基于PCI總線的高速4軸運動控制卡,使用該卡可以簡化步進電機和伺服電機的控制,提高電機的性能。在這片卡上集成了NOVA公司的MCX314專用集成運動控制芯片,提供多種運動功能,例如2軸或3軸線性插補,2軸圓弧插補,T/S曲線加速/加速等。另外,PCI-1240在執(zhí)行這些運動功能時不需要處理器作額外的工作。而且,通過免費的隨機動作公用程序,使用者可以輕易的完成組態(tài)設定及環(huán)境診斷。PCI-1240的主要功能如下:4軸分別控制,可程設T/S曲線加速/減速,線性及圓周內(nèi)插,功能強大的位置管理,速度控制,位樣式內(nèi)插,連續(xù)內(nèi)插,定速向量控制,位置控制,比對緩存器及軟件極限開關,以外部信號驅(qū)動,輸入/輸出信號,伺服馬達回授信號,中斷信號及實時監(jiān)控[10]。PCI-1240運動控制卡采用PCI總線與PC機連接,本系統(tǒng)中主要進行速度控制、位置控制、轉(zhuǎn)矩控制。其工作原理圖如下圖4-3所示:

圖4-3PCI-1240運動控制卡工作原理圖

PCI-1240運動控制卡的引腳分布及其含義如下圖4-4和下表4-1所示:

圖4-4PCI-1240運動控制卡引腳分布圖

表4-1PCI-1240運動控制卡引腳對應含義表

伺服電機驅(qū)動器的選型

4.3.1伺服電機驅(qū)動器概述

伺服驅(qū)動器也叫伺服放大器,是用來控制伺服電機的一種控制器,其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達。目前主流的伺服放大器均采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制核心,可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法,事項數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊(IPM)為核心設計的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流,得到相應的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電,再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元(AC-DC)主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。

伺服放大器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式,主要應用于高精度的定位系統(tǒng),目前是傳動技術的高端。

4.3.2三菱伺服電機驅(qū)動器簡介

本次機床測控系統(tǒng)的設計選用三菱通用伺服放大器。三菱通用伺服MELSERVO-J3系列是在MELSERVO-J2-Super系列基礎上開發(fā)的性能更高、功能更豐富的交流伺服?？刂颇Ｊ接形恢每刂啤⑺俣瓤刂坪娃D(zhuǎn)矩控制三種。還可以選擇位置/速度切換控制,速度/轉(zhuǎn)矩切換控制和轉(zhuǎn)矩/位置切換控制。所以本伺服不但可以用于機床和普通工業(yè)機械的高精度定位和平滑的速度控制,還可以用于線控制和張力控制等,應用范圍十分廣泛。此外,本產(chǎn)品有USB和RS-422串行通信功能,可以使用裝有伺服設置軟件的個人計算機,進行參數(shù)的設定、試運行、狀態(tài)顯示的監(jiān)控和增益調(diào)整等。本產(chǎn)品的實時自動調(diào)整功能可以根據(jù)機械自動調(diào)整伺服的增益。MELSERVO-J3系列伺服電機采用了分辨率為262144脈沖/轉(zhuǎn)的絕對位置編碼器,與MELSERVO-J2-Super系列相比,可以進行更高精度的控制。伺服放大器只需安裝電池,就可以構(gòu)成絕對位置檢測系統(tǒng)。這樣,只需進行一次原點設定,在電源開啟和報警發(fā)生時就不再需要原點回歸[8]。三菱伺服電機驅(qū)動器外觀圖及信號定義如下圖4-5所示:

圖4-4伺服電機驅(qū)動器外觀圖及信號定義

1位置控制模式

可以使用最大1Mpps的高速脈沖串對電機的轉(zhuǎn)動速度和方向進行控制,執(zhí)行分辨率為262144脈沖/轉(zhuǎn)的高精度定位。另外還提供了位置平滑功能,可以根據(jù)機械情況從兩種模式中進行選擇。當位置指令脈沖急劇變化時,可以實現(xiàn)更平穩(wěn)的啟動和停止。由于急劇加減速或過載產(chǎn)生的主電路過流會影響功率晶體管,所以伺服放大器采用了嵌位電路以限制轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩的限制可用通過外部模擬量輸入或參數(shù)設置的方式調(diào)整。

2速度控制模式

通過外部模擬速度指令DC0~?10V或參數(shù)設置的內(nèi)部速度指令最大7速,可對伺服電機的速度和方向進行高精度的平穩(wěn)控制。另外,還具有用于速度指令的加減速時間常數(shù)設定功能、停止時的伺服鎖定功能和用于外部模擬量速度指令的偏置自動調(diào)整功能。

3轉(zhuǎn)矩控制模式

通過外部模擬量轉(zhuǎn)矩輸入指令DC0~?8V或參數(shù)設置的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩指令可以控制伺服電機的輸出轉(zhuǎn)矩。具有速度限制功能(外部或內(nèi)部設定),可以防止無負載時電機速度過高,本功能可用于張力控制等場合。

在本次四軸數(shù)控彎管機機床中,彎曲旋轉(zhuǎn)C軸、轉(zhuǎn)料B軸以及機頭左右控制X軸主要工作在位置模式,而送料Y軸則工作在位置和轉(zhuǎn)矩兩種模式下,通過程序?qū)煞N模式的轉(zhuǎn)換控制來實現(xiàn)送料的過程?？刂撇煌S需要用到不同的私服驅(qū)動器和相對應的伺服電機,各軸伺服驅(qū)動器和伺服電機的配合如下表4-2所示:

表4-2伺服驅(qū)動器和伺服電機的配合控制軸彎曲旋轉(zhuǎn)C軸送料Y軸轉(zhuǎn)料B軸機頭控制X軸工作模式位置模式位置、轉(zhuǎn)矩模式位置模式位置模式伺服電機驅(qū)動器MR-J3-700AMR-J3-200AMR-J3-100AMR-J3-100A

伺服電機HF-SP702HF-SP202HF-SP102HF-SP102說明:1、伺服電機驅(qū)動器MR-J3為產(chǎn)品系列名,A表示通用接口,700、200、100分別表示輸出額定功率為7KW、2KW、1KW。2、伺服電機必須配合相對應的伺服驅(qū)動器使用。3、HF-SP為電機系列號,702中‘7’表示電機額定輸出功率為7KW,‘2’表示電機額定轉(zhuǎn)速為2000r/min。

伺服電機的選型

4.4.1伺服電機概述

伺服電動機又稱執(zhí)行電動機,在自動控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類,其主要特點是,當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。伺服電機主要靠伺服主要靠脈沖來定位,伺服電機接收到1個脈沖,就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應的角度,從而實現(xiàn)位移,因為,伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能,所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度,都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖,這樣,和伺服電機接受的脈沖形成了呼應,或者叫閉環(huán),如此一來,系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機,同時又收了多少脈沖回來,這樣,就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)精確的定位,可以達到0.001mm。

4.4.2交流伺服電機概述

本次系統(tǒng)設計主要采用的是交流伺服電機,交流伺服電動機定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機相似。其定子上裝有兩個位置互差90?的繞組,一個是勵磁繞組Rf,它始終接在交流電壓Uf上;另一個是控制繞組L,聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。

交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式,但為了使伺服電動機具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機械特性,無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應的性能,它與普通電動機相比,應具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。目前應用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式:一種是采用高電阻率的導電材料做成的高電阻率導條的鼠籠轉(zhuǎn)子,為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量,轉(zhuǎn)子做得細長;另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子,杯壁很薄,僅0.2-0.3mm,為了減小磁路的磁阻,要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子.空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量很小,反應迅速,而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn),因此被廣泛采用。

交流伺服電動機在沒有控制電壓時,定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場,轉(zhuǎn)子靜止不動。當有控制電壓時,定子內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn),在負載恒定的情況下,電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化,當控制電壓的相位相反時,伺服電動機將反轉(zhuǎn)。

伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場,轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動,同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器,驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度(線數(shù))。

4.4.3三菱伺服電機簡介

由于系統(tǒng)采用三菱伺服電機驅(qū)動器,故系統(tǒng)的伺服電機需要與三菱伺服驅(qū)動器配合使用,電機配合情況在以上伺服驅(qū)動器內(nèi)容中已經(jīng)提及,主要選用了三菱HF-SP702,HF-SP202,HF-SP102系列伺服電機,分別控制彎曲旋轉(zhuǎn)C軸,送料Y軸和轉(zhuǎn)料B軸機頭控制X軸[11]。

圖4-5三菱伺服電機型號名稱構(gòu)成及其外觀圖

圖4-6編碼器接頭信號排列電源接頭信號排列制動器接頭信號排列旋轉(zhuǎn)編碼器的選型4.5.1旋轉(zhuǎn)編碼器概述

旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置,光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換,可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應的電脈沖以數(shù)字量輸出(REP)。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(幾十個到幾千個都有),和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖,而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖,通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速,還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。編碼器如以信號原理來分可分為增量脈沖編碼器:SPC和絕對脈沖編碼器:APC,兩者一般都應用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測元件.

旋轉(zhuǎn)編碼器有一個中心有軸的光電碼盤,其上有環(huán)形通、暗的刻線,有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差(相對于一個周波為360度),將C、D信號反向,疊加在A、B兩相上,可增強穩(wěn)定信號;另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。

由于A、B兩相相差90度,可通過比較A相在前還是B相在前,以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),通過零位脈沖,可獲得編碼器的零位參考位。

編碼器有5條引線,其中3條是脈沖輸出線,1條是COM端線,1條是電源線(OC門輸出型)。編碼器的電源可以是外接電源,也可直接使用PLC的DC24V電源。電源“-”端要與編碼器的COM端連接,“+”與編碼器的電源端連接。編碼器的COM端與PLC輸入COM端連接,A、B、Z兩相脈沖輸出線直接與PLC的輸入端連接,A、B為相差90度的脈沖,Z相信號在編碼器旋轉(zhuǎn)一圈只有一個脈沖,通常用來做零點的依據(jù),連接時要注意PLC輸入的響應時間。旋轉(zhuǎn)編碼器還有一條屏蔽線,使用時要將屏蔽線接地,提高抗干擾性。

分辨率?編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率,也稱解析分度、或直接稱多少線,一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。4.5.2增量式和絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相;A、B兩組脈沖相位差9O。增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時,有相應的脈沖輸出,其計數(shù)起點任意設定,可實現(xiàn)多圈無限累加和測量。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會輸出固定的脈沖,脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。

需要提高分辨率時,可利用90度相位差的A、B兩路信號進行倍頻或更換高分辨率編碼器。

絕對式編碼器碼盤上有許多道刻線,每道刻線依次以2線、4線、8線、16線。。。。。。編排,這樣,在編碼器的每一個位置,通過讀取每道刻線的通、暗,獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的