158
文章编号：1001-3997（2010）11-0158-02
机械设计与制造
Machinery Design ＆Manufacture
第11期2010年11月
新型数控弯管机控制系统设计
唐学峰
殷苏民陆焱焱
谭海坡
（江苏大学机械工程学院，镇江212013）
Design for a novel control system of NC bending machine
TANG Xue-feng ，YIN Su-min ，LU Yan-yan ，TAN Hai-po
（School of Mechanical Engineering ，Jiangsu University ，Zhenjiang 212013，China ）
【摘要】基于嵌入式运动控制器，设计了新型数控弯管机控制系统，完成控制系统硬件和软件设
计。成功地将开放式数控用于弯管加工自动化。系统具有结构紧凑、经济实用、易于维护、升级等特点，达到工业生产应用要求。市场前景广阔，值得推广。
关键词：嵌入式运动控制器；数控弯管机；开放式数控
【Abstract 】A novel control system of NC bending machine was designed based on the embeded motion control （Embeded MAC ）. Hardware and software design of the system were accomplished.Opening NC was successfully applied in automatic tube bending.The system was characterized by its compact size ，low cost ，easy maintenance and upgrading ，and was also proved to satisfy the desire of industrial manufacture.It has a wide Promising market and really deserves to be spreaded.
Key words ：Embed MAC ；NC bending machine ；Opening NC 中图分类号：TH12，TP273
文献标识码：A
3
4
5
1引言
在现代工业生产中，弯管成形技术[1]已广泛用于航空、航天、汽造船、锅炉、石油化工等行业。西方工业发达国家都早已陆续推出车、
数控弯管机。但目前在国内市场仍以液压半自动、全自动弯管机为主，全数控弯管机较少，其中大部分中高档还是进口国外数控系统。由于进口数控系统一般采用专用结构，通用性差、系统维护和升级困难，最主要还是价格昂贵，所以迫切需要开发出够能满足工业生产要目前将NC 嵌入PC 的结构形式，具有开放求价格低廉的数控系统。
和编程灵活等优点，是基于PC 的开放式数控系统主流方式[2]。但是这种方式只适合研究之用，不适合工业批量生产，实用价值不高。嵌入很大程度地提高了式运动控制器，集工业PC 和运动控制卡于一体，开放式数控的工业实用性。本文介绍的正是基于嵌入式运动控制器的新型数控弯管机控制系统，具有较高的实用价值。
2
ω
61
2弯管机工作原理及控制要求
2.1弯管工艺
按照管材弯曲成形的方法可以将弯管分为推弯、滚弯、压绕弯等。其中绕弯较易实现自动化，因此目前弯管机多以绕弯弯、
为主[3]。绕弯工艺原理，如图1所示。弯曲模装在主轴上；夹紧模夹紧管件防止管件轴向窜动；压力模由导向模和随动模两部分组成，工作时导向模以适当的压力把管件压在防皱模上，弯曲时随动模部分跟随管件一起移动；芯棒填充工件内腔，防止弯管时出现起皱、扁平、变薄等失效。
当主轴旋转时，管件就被绕在弯曲模上随主轴转动而成形。接着进行工件送进、空间转角准备下一个弯曲，以此类推。其中弯曲半径由弯曲模的半径决定。若想得到不同的弯曲半径，只需替换不同半径的弯曲模具即可。
＊来稿日期：2010-01-20
1-弯曲模
2-夹紧模3-压力模4-管件5-芯棒6-防皱模
图1绕弯工艺原理图
2.2控制要求
根据工艺可把弯管机控制系统分为主要控制部分和辅助控制两部分。主控部分主要是实现三个基本动作，即对三轴电机的精C 轴主轴弯曲电机、Y 轴小车送料电机、B 轴空间转角电确控制：
机。B 轴用伺服电机自带的增量式编码器形成半闭环伺服控制，如C 轴、Y 轴除了半闭环控制外，还分别由编码器、光栅尺图2所示，
形成全闭环伺服控制，如图3所示。辅助控制部分则主要是完成夹头紧松、夹模紧松、压料紧松、芯棒进退等辅助动作以及一些传感处理。其中辅助动作由液压系统完成，而传感器开关信息的采集、
器用于位置检测、回零、限位报警等。
嵌入式运动控制器
伺服驱动器电机自带编码器
电机
传动装置
执行机构
图2B 轴半闭环控制回路
嵌入式运动控制器
伺服驱动器电机自带编码器
编码器/光栅尺电机
传动装置
执行机构
图3C 轴/Y轴全闭环控制回路
3控制系统硬件配置
固高GUC 系列运动控制器，是PC 技术与运动控制技术相
第11期唐学峰等：新型数控弯管机控制系统设计
使用VC++、VB 、Delphi 等3种高级语言开发应用程序[5]。
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结合的产物。它以Intel Celeron M 系列CPU 及Intel 852GM 系列芯片组为系统处理器，采用高性能DSP 和FPGA 作为运动控制协处理器，处理器之间通过PCI 总线通信。它既可实现高性能多轴协调运动控制和高速点位运动控制，又可实现普通PC 机的所有基本功能，是理想的嵌入式一体化解决方案。
表1运动控制器资源
名称
通用I/O输入通用I/O输出专用I/O输入驱动器接口辅助编码器接口AD 转换输入口RS232
高速IO 扩展口
数量16路16路12路4个2个8路1个1个
说明
端子板CN13端子板CN14端子板CN12，4路原点、4路正限位、4路负限位端子板CN5、CN6、CN7、CN8，包含编码器接口端子板CN9、CN10端子板CN11端子板CN4
本控制系统软件是在Windows 操作系统下，使用高级语言VC++6.0开发的。正确安装运动控制器驱动程序，就可实现运动控制器的通讯。将动态链接库（ges.dll ）、头文件（ges.h ）和库文件）复制到工程文件夹中，并添加库文件到工程中，在应用程（ges.lib
序中加入函数库头文件的声明（#include“ges.h ”）。至此，即可在VC++中调用动态库中的任何运动控制函数编写应用程序。
初始化上料小车夹头紧芯棒进Y 轴进到弯管位置
导向模进夹紧模进C 轴弯管、随动模进
Y 轴不使能
弯管到位Y Y 轴使能芯棒退
N
Y
脚踏开关取工件
Y 轴小车进
小车夹头松
C 轴退
小车归初始位
芯棒进末弯
N
B 轴空间转角转角到位Y
N
导向模退随动模退夹紧模退
根据控制要求，本系统以嵌入式运动控制器（GUC-400-EPV-）为核心组成了一个具备数据采集、对象控制、参数显ML-M01-L2
示等多项功能的数控弯管机控制系统。该控制器资源见表1[4]，其中通用输入输出I/O和专用I/O均TTL 兼容，无上拉电阻。
急停开关脚踏开关管料检测信号退芯到感应辅推后感应辅推前感应退弯安全开关上料缸芯棒缸夹料缸夹紧缸导模缸辅推缸液压泵电机
通用
IO 输出电磁阀电磁阀电磁阀电磁阀电磁阀电磁阀继电器
驱动器、编码器专用控制连接线
Y 轴驱动器B 轴驱动器C 轴驱动器
带编码器电机带编码器电机带编码器电机
触摸显示器
自定义按钮HMI RS232
通用固高嵌入式IO 输入运动控制器
专用输入
辅助编码器专用输入接口
Y 轴正限位Y 轴负限位Y 轴原点开关B 轴原点开关C 轴原点开关Y 轴光栅尺C 轴编码器
图5弯管流程图
由于弯管加工工艺与传统机床加工差别很大，因此针对弯管工艺的特点，结合实际开发了适合弯管机的数控加工系统，按功能主要分为两个部分：过程控制和数据管理。其中，过程控制部分是整个软件系统的核心，其主要控制流程，如图5所示。过程控制的关键需要动态显示加工参数、报警信息等，还要定时读取所有输入信号，并根据输入点的状态决定输出信息，控制机床动作。这就要用到定时器。VC++提供了两种定时器：系统定时器（Timer ）和多媒体定时器（Multimedia Timer ）。其中系统定时器在Windows 中最大且此定时器消息（WM_TIMER）的优先权太分辨率大约是55ms ，
低，而多媒体定时器通常可以达到1ms 且优先级很高[6]。
图4系统硬件配置图
结合实际应用，控制系统硬件结构，如图4所示。控制器通过专用HMI 接口接带触摸功能的显示器，通过RS232接操作面板，另外在系统设计调试、操作面板上的按键功能由系统设计者定义。
试验期间可通过VGA 、标准的键盘、鼠标接口接上普通的PC 外设使用。各轴电机原点信号、Y 轴限位信号通过专用I/O输入，共需5个；急停开关、脚踏开关、退弯安全开关、辅推前后感应开关通过通用I/O输入，共需7个；各辅助动作由液压系统完成，液压缸由电液换向阀控制，液压泵电机由电磁继电器控制，通过通用I/O输出，共需13个（每个电液换向阀需两个I/O口）；控制器与各轴电机驱动器通过专用驱动器接口相连；外接光栅尺、编码器通过端子板上的CN9、CN10辅助编码器专用接口输入信号。
5结束语
（1）弯管回弹研究。用数值模拟的方法进行弯管回弹研究，为加工提供有效的补偿参数，建立数据库，从而节省加工时间和因试弯而浪费的资源。（2）图形化设计。将绘图软件与系统结合，只要完成管件加工的图形设计，系统即可将其自动转换为加工程序，实现设计加工一体化。（3）虚拟加工。建立弯管虚拟加工系统，实现自动化检测干涉，完善加工工艺。
参考文献
1王同海. 管材塑性加工技术［M ］. 北京：机械工业出版社，19982李克彬，王淑琴，林伟明. 三维数控弯管机的研究与开发［J ］. 轻工机械，2008，26（3）：33~36
3唐长平. 数控弯管机的研究与开发：［硕士学位论文］. 合肥：合肥工业大学，20054深圳固高科技.GUC 系列运动控制器用户手册［M ］. 固高科技，2006［M ］. 固高科技，20065深圳固高科技.GUC 系列运动控制器编程手册
4控制系统软件设计
与PMAC 、MOVTEC 等大部分运动控制器相似，固高运动控制器提供了设备驱动程序和运动控制函数动态链接库。用户可以
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文章编号：1001-3997（2010）11-0158-02
机械设计与制造
Machinery Design ＆Manufacture
第11期2010年11月
新型数控弯管机控制系统设计
唐学峰
殷苏民陆焱焱
谭海坡
（江苏大学机械工程学院，镇江212013）
Design for a novel control system of NC bending machine
TANG Xue-feng ，YIN Su-min ，LU Yan-yan ，TAN Hai-po
（School of Mechanical Engineering ，Jiangsu University ，Zhenjiang 212013，China ）
【摘要】基于嵌入式运动控制器，设计了新型数控弯管机控制系统，完成控制系统硬件和软件设
计。成功地将开放式数控用于弯管加工自动化。系统具有结构紧凑、经济实用、易于维护、升级等特点，达到工业生产应用要求。市场前景广阔，值得推广。
关键词：嵌入式运动控制器；数控弯管机；开放式数控
【Abstract 】A novel control system of NC bending machine was designed based on the embeded motion control （Embeded MAC ）. Hardware and software design of the system were accomplished.Opening NC was successfully applied in automatic tube bending.The system was characterized by its compact size ，low cost ，easy maintenance and upgrading ，and was also proved to satisfy the desire of industrial manufacture.It has a wide Promising market and really deserves to be spreaded.
Key words ：Embed MAC ；NC bending machine ；Opening NC 中图分类号：TH12，TP273
文献标识码：A
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5
1引言
在现代工业生产中，弯管成形技术[1]已广泛用于航空、航天、汽造船、锅炉、石油化工等行业。西方工业发达国家都早已陆续推出车、
数控弯管机。但目前在国内市场仍以液压半自动、全自动弯管机为主，全数控弯管机较少，其中大部分中高档还是进口国外数控系统。由于进口数控系统一般采用专用结构，通用性差、系统维护和升级困难，最主要还是价格昂贵，所以迫切需要开发出够能满足工业生产要目前将NC 嵌入PC 的结构形式，具有开放求价格低廉的数控系统。
和编程灵活等优点，是基于PC 的开放式数控系统主流方式[2]。但是这种方式只适合研究之用，不适合工业批量生产，实用价值不高。嵌入很大程度地提高了式运动控制器，集工业PC 和运动控制卡于一体，开放式数控的工业实用性。本文介绍的正是基于嵌入式运动控制器的新型数控弯管机控制系统，具有较高的实用价值。
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ω
61
2弯管机工作原理及控制要求
2.1弯管工艺
按照管材弯曲成形的方法可以将弯管分为推弯、滚弯、压绕弯等。其中绕弯较易实现自动化，因此目前弯管机多以绕弯弯、
为主[3]。绕弯工艺原理，如图1所示。弯曲模装在主轴上；夹紧模夹紧管件防止管件轴向窜动；压力模由导向模和随动模两部分组成，工作时导向模以适当的压力把管件压在防皱模上，弯曲时随动模部分跟随管件一起移动；芯棒填充工件内腔，防止弯管时出现起皱、扁平、变薄等失效。
当主轴旋转时，管件就被绕在弯曲模上随主轴转动而成形。接着进行工件送进、空间转角准备下一个弯曲，以此类推。其中弯曲半径由弯曲模的半径决定。若想得到不同的弯曲半径，只需替换不同半径的弯曲模具即可。
＊来稿日期：2010-01-20
1-弯曲模
2-夹紧模3-压力模4-管件5-芯棒6-防皱模
图1绕弯工艺原理图
2.2控制要求
根据工艺可把弯管机控制系统分为主要控制部分和辅助控制两部分。主控部分主要是实现三个基本动作，即对三轴电机的精C 轴主轴弯曲电机、Y 轴小车送料电机、B 轴空间转角电确控制：
机。B 轴用伺服电机自带的增量式编码器形成半闭环伺服控制，如C 轴、Y 轴除了半闭环控制外，还分别由编码器、光栅尺图2所示，
形成全闭环伺服控制，如图3所示。辅助控制部分则主要是完成夹头紧松、夹模紧松、压料紧松、芯棒进退等辅助动作以及一些传感处理。其中辅助动作由液压系统完成，而传感器开关信息的采集、
器用于位置检测、回零、限位报警等。
嵌入式运动控制器
伺服驱动器电机自带编码器
电机
传动装置
执行机构
图2B 轴半闭环控制回路
嵌入式运动控制器
伺服驱动器电机自带编码器
编码器/光栅尺电机
传动装置
执行机构
图3C 轴/Y轴全闭环控制回路
3控制系统硬件配置
固高GUC 系列运动控制器，是PC 技术与运动控制技术相
第11期唐学峰等：新型数控弯管机控制系统设计
使用VC++、VB 、Delphi 等3种高级语言开发应用程序[5]。
159
结合的产物。它以Intel Celeron M 系列CPU 及Intel 852GM 系列芯片组为系统处理器，采用高性能DSP 和FPGA 作为运动控制协处理器，处理器之间通过PCI 总线通信。它既可实现高性能多轴协调运动控制和高速点位运动控制，又可实现普通PC 机的所有基本功能，是理想的嵌入式一体化解决方案。
表1运动控制器资源
名称
通用I/O输入通用I/O输出专用I/O输入驱动器接口辅助编码器接口AD 转换输入口RS232
高速IO 扩展口
数量16路16路12路4个2个8路1个1个
说明
端子板CN13端子板CN14端子板CN12，4路原点、4路正限位、4路负限位端子板CN5、CN6、CN7、CN8，包含编码器接口端子板CN9、CN10端子板CN11端子板CN4
本控制系统软件是在Windows 操作系统下，使用高级语言VC++6.0开发的。正确安装运动控制器驱动程序，就可实现运动控制器的通讯。将动态链接库（ges.dll ）、头文件（ges.h ）和库文件）复制到工程文件夹中，并添加库文件到工程中，在应用程（ges.lib
序中加入函数库头文件的声明（#include“ges.h ”）。至此，即可在VC++中调用动态库中的任何运动控制函数编写应用程序。
初始化上料小车夹头紧芯棒进Y 轴进到弯管位置
导向模进夹紧模进C 轴弯管、随动模进
Y 轴不使能
弯管到位Y Y 轴使能芯棒退
N
Y
脚踏开关取工件
Y 轴小车进
小车夹头松
C 轴退
小车归初始位
芯棒进末弯
N
B 轴空间转角转角到位Y
N
导向模退随动模退夹紧模退
根据控制要求，本系统以嵌入式运动控制器（GUC-400-EPV-）为核心组成了一个具备数据采集、对象控制、参数显ML-M01-L2
示等多项功能的数控弯管机控制系统。该控制器资源见表1[4]，其中通用输入输出I/O和专用I/O均TTL 兼容，无上拉电阻。
急停开关脚踏开关管料检测信号退芯到感应辅推后感应辅推前感应退弯安全开关上料缸芯棒缸夹料缸夹紧缸导模缸辅推缸液压泵电机
通用
IO 输出电磁阀电磁阀电磁阀电磁阀电磁阀电磁阀继电器
驱动器、编码器专用控制连接线
Y 轴驱动器B 轴驱动器C 轴驱动器
带编码器电机带编码器电机带编码器电机
触摸显示器
自定义按钮HMI RS232
通用固高嵌入式IO 输入运动控制器
专用输入
辅助编码器专用输入接口
Y 轴正限位Y 轴负限位Y 轴原点开关B 轴原点开关C 轴原点开关Y 轴光栅尺C 轴编码器
图5弯管流程图
由于弯管加工工艺与传统机床加工差别很大，因此针对弯管工艺的特点，结合实际开发了适合弯管机的数控加工系统，按功能主要分为两个部分：过程控制和数据管理。其中，过程控制部分是整个软件系统的核心，其主要控制流程，如图5所示。过程控制的关键需要动态显示加工参数、报警信息等，还要定时读取所有输入信号，并根据输入点的状态决定输出信息，控制机床动作。这就要用到定时器。VC++提供了两种定时器：系统定时器（Timer ）和多媒体定时器（Multimedia Timer ）。其中系统定时器在Windows 中最大且此定时器消息（WM_TIMER）的优先权太分辨率大约是55ms ，
低，而多媒体定时器通常可以达到1ms 且优先级很高[6]。
图4系统硬件配置图
结合实际应用，控制系统硬件结构，如图4所示。控制器通过专用HMI 接口接带触摸功能的显示器，通过RS232接操作面板，另外在系统设计调试、操作面板上的按键功能由系统设计者定义。
试验期间可通过VGA 、标准的键盘、鼠标接口接上普通的PC 外设使用。各轴电机原点信号、Y 轴限位信号通过专用I/O输入，共需5个；急停开关、脚踏开关、退弯安全开关、辅推前后感应开关通过通用I/O输入，共需7个；各辅助动作由液压系统完成，液压缸由电液换向阀控制，液压泵电机由电磁继电器控制，通过通用I/O输出，共需13个（每个电液换向阀需两个I/O口）；控制器与各轴电机驱动器通过专用驱动器接口相连；外接光栅尺、编码器通过端子板上的CN9、CN10辅助编码器专用接口输入信号。
5结束语
（1）弯管回弹研究。用数值模拟的方法进行弯管回弹研究，为加工提供有效的补偿参数，建立数据库，从而节省加工时间和因试弯而浪费的资源。（2）图形化设计。将绘图软件与系统结合，只要完成管件加工的图形设计，系统即可将其自动转换为加工程序，实现设计加工一体化。（3）虚拟加工。建立弯管虚拟加工系统，实现自动化检测干涉，完善加工工艺。
参考文献
1王同海. 管材塑性加工技术［M ］. 北京：机械工业出版社，19982李克彬，王淑琴，林伟明. 三维数控弯管机的研究与开发［J ］. 轻工机械，2008，26（3）：33~36
3唐长平. 数控弯管机的研究与开发：［硕士学位论文］. 合肥：合肥工业大学，20054深圳固高科技.GUC 系列运动控制器用户手册［M ］. 固高科技，2006［M ］. 固高科技，20065深圳固高科技.GUC 系列运动控制器编程手册
4控制系统软件设计
与PMAC 、MOVTEC 等大部分运动控制器相似，固高运动控制器提供了设备驱动程序和运动控制函数动态链接库。用户可以