液壓數(shù)控折彎機控制系統(tǒng)的研發(fā)

王偉　張文軍

摘 要：本文首先對液壓數(shù)控折彎機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理作了一個簡單的介紹，然后分析了液壓數(shù)控折彎機的控制原理，最后分析了研發(fā)折彎機控制系統(tǒng)的主要過程，首先確定控制系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺是HCN8數(shù)控裝置，然后在此硬件平臺上開發(fā)WDM驅(qū)動程序，從而實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的硬件和應(yīng)用軟件能夠在windows操作環(huán)境中通訊。

關(guān)鍵詞：折彎機；控制系統(tǒng)；WDM驅(qū)動程序

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.010

0 引言

折彎機是用來將金屬毛坯折成某個預(yù)定角度、形狀和曲率的加工設(shè)備。折彎機是專門折彎金屬板料的設(shè)備，具有工藝互換性好、操作簡單的特點，是鈑金加工行業(yè)必不可少的專用設(shè)備。數(shù)控液壓折彎機相比傳統(tǒng)的由伺服電機直接驅(qū)動的折彎機有明顯的優(yōu)勢，例如伺服電動機的功率很難滿足大噸位折彎機的功率要求，使得這種由伺服電機驅(qū)動的折彎機只能應(yīng)用在功率需求較小的折彎工作中，所以目前在國內(nèi)市場中液壓數(shù)控折彎（簡稱折彎機）機占據(jù)著主導(dǎo)地位。但我國在生產(chǎn)折彎機時，折彎機的控制系統(tǒng)需要從國外購買，例如由荷蘭DELEM公司生產(chǎn)的DA65W和DA66T控制系統(tǒng)、YBELEC公司生產(chǎn)的DNC控制系統(tǒng)等。 這些進口的控制系統(tǒng)產(chǎn)品雖功能齊、全性能穩(wěn)定，但價格較貴，增加了設(shè)備的生產(chǎn)成本，并且技術(shù)含量高，不利于后續(xù)的調(diào)試維修。

1 折彎機的構(gòu)成和工作原理

折彎機是由機架、滑塊、液壓缸、伺服電機、三相異步電機、后擋料傳動機構(gòu)等構(gòu)成的鍛壓設(shè)備，其基本的配置是由液壓缸控制的v軸，兩個液壓缸分別控制的Y1 軸 和 Y2 軸，以及由伺服電機驅(qū)動控制的x軸，這就是“3+1”軸標(biāo)配的由來。折彎機的基本工作原理是通過滑塊做距離可控的下滑，使其作用在板料上，然后板料通過后檔料機構(gòu)進行定位，并由撓度補償機構(gòu)對板料在加工時的變形進行補償，確保最終能夠得到預(yù)定的產(chǎn)品。

2 控制原理分析

如何控制伺服電機和液壓系統(tǒng)是研發(fā)折彎機控制系統(tǒng)的核心工作。實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的控制實際上就是實現(xiàn)系統(tǒng)中各種同步閥的控制。

閥組中的核心零件是半閉環(huán)控制的比例伺服閥，該閥是通過光柵尺的位置反饋和基于模擬量信號控制的pID控制器完成全閉環(huán)控制的。該閥組控制系統(tǒng)同步控制液壓雙缸的模式，是采用了交叉耦合調(diào)解模式和同等控制模式的組合模式，這種控制模式在控制軸運動的同時還可以對產(chǎn)生的誤差進行實時調(diào)整。

對于實現(xiàn)對伺服電機控制的方法，可以根據(jù)液壓系統(tǒng)的控制原理，采用伺服電機的速度環(huán)控制模式的方案，并在軟件中同時實現(xiàn)位置環(huán)控制模式，應(yīng)用同一個位置規(guī)劃pID處理函數(shù)和其他的函數(shù)，使由伺服電機控制的輔助軸具有可拓展性。

3 折彎機控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的硬件平臺

該折彎機控制系統(tǒng)的研發(fā)工作是在武漢華中數(shù)控股份有限公司自主研發(fā)的HNC8全數(shù)字數(shù)控裝置這一硬件平臺上而進行的。HNC8總線式全數(shù)字數(shù)控裝置是一款高檔次的數(shù)控裝備，其體系結(jié)構(gòu)具有開放式、模塊化的特征，且采用了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的NCUC現(xiàn)場工業(yè)總線技術(shù)，支持數(shù)據(jù)交換功能和CF卡、以太網(wǎng)、USB等程序擴展，支持總線式遠程I/O單元。根據(jù)不同的控制系統(tǒng)的不同需求，可以選擇相應(yīng)的裝置和HNC8數(shù)控裝置來搭建用于研發(fā)控制系統(tǒng)的硬件平臺，觸摸顯示屏、擴展I/O模塊HIO-1000總線單元、IPC單元是硬件平臺的基本的組成部分。

3.2 基于 WDM 驅(qū)動程序的軟件架構(gòu)設(shè)計

因為操作該系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是在Win32平臺上開發(fā)的，所以在一般的操作系統(tǒng)中軟件不能直接運行，要實現(xiàn)軟件控制硬件設(shè)備的目的需先開發(fā)對應(yīng)的驅(qū)動程序?；赪DM模式下進行驅(qū)動程序的開發(fā)是在windows操作環(huán)境下的通用方法。目前開發(fā)驅(qū)動程序的工具有很多，例如比較高效的有Driver Studio，可以快速的設(shè)計出相應(yīng)的WDM驅(qū)動程序。依次安裝好VC6.0、DDK和 Driver Studio 后，數(shù)控裝置的pCI裝置驅(qū)動程序的框架可以通過對Driver Wizzard 的設(shè)置生成，在驅(qū)動程序的開發(fā)過程中，有幾個關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)如下：（1）KMemory Range 類，這類的功能是實現(xiàn)訪問內(nèi)存映射芯片。即按照NCUC的總線協(xié)議，先確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再將數(shù)據(jù)存入指定的內(nèi)存緩沖區(qū)，使硬件產(chǎn)生控制系統(tǒng)所需的信號；（2）Device Io Control 函數(shù)，該函數(shù)是實現(xiàn)驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件通訊的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該函數(shù)和對內(nèi)存緩存區(qū)的讀寫方式可以實現(xiàn)該控制系統(tǒng)開發(fā)過程中所有的數(shù)據(jù)讀取、指令發(fā)送、參數(shù)配置；（3）KIo Range 類，實現(xiàn)對I/O映射芯片的訪問是該類的功能，設(shè)置好HNC8數(shù)控裝置中有對應(yīng)功能的寄存器，主要是設(shè)置中斷周期和數(shù)據(jù)的發(fā)送功能；（4）KInterrupt 類，產(chǎn)生硬件中斷是該類的主要功能，在開發(fā)該控制系統(tǒng)的過程中，通過硬件中斷處理所有的實時控制數(shù)據(jù)，這樣可以大大優(yōu)化該控制系統(tǒng)的性能。

3.3 控制算法在驅(qū)動層的實現(xiàn)

在該控制系統(tǒng)的研發(fā)過程中，使用的核心算法是PID控制算法，因為該算法在應(yīng)用程序中實現(xiàn)時和在驅(qū)動程序中實現(xiàn)時有一些差別，同時為了使控制算法有一個更高的運行效率，我們在系統(tǒng)的開發(fā)過程中對算法這一塊做了一些可以優(yōu)化和調(diào)整算法的工作。

一般情況下浮點數(shù)運算不能在WDM驅(qū)動程序中進行，在控制算法的實現(xiàn)過程中，所有的數(shù)據(jù)都是以整數(shù)的形式被處理的。離散化的pID算法公式如下所示

Δuk=KP*Δek+K1*Δek+KD[Δek-Δe（k-1）]

在構(gòu)建所需的PID控制函數(shù)時，是依據(jù)這一公式進行構(gòu)建的，實際測試時，因為數(shù)據(jù)都是以整數(shù)的形式出現(xiàn)，所以在對增益參數(shù)尤其是比例增益參數(shù)進行調(diào)整時，經(jīng)常因為對增益值有僅僅為1最小變動量的調(diào)整，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生較大的振蕩。

4 結(jié)語

本文研究了液壓數(shù)控折彎機的控制系統(tǒng)及其開發(fā)方法，并給出了控制折彎機所需的應(yīng)用軟件的基本設(shè)計過程。本文選用華中數(shù)控生產(chǎn)的HNC8數(shù)控裝置作為研發(fā)的硬件平臺，設(shè)計了可以實現(xiàn)硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件通訊的驅(qū)動程序，研制出的控制系統(tǒng)有很好的可拓展性和可配置性，也具備較高水準的柔化性。

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作者簡介： 王偉（1983-），男，河南南陽人，研究生，助教，研究方向：數(shù)控計算機軟件輔助制造設(shè)計液壓與氣動，生產(chǎn)管理。