数控弯管机毕业论文
摘要
数控弯管机是基于矢量弯管原理，运用微机控制，完成用户所需的任意空间立体管形，是现代弯曲整形的重要加工设备。本文主要针对弯管机这一数控装备进行嵌入式测控系统的硬件系统研究开发，以嵌入式微处理器为硬件平台，代替传统的通用计算机和工控机，对机床的加工过程进行有效控制。在此基础上加装运动控制卡PCI-1240U，通过运动控制卡实现对伺服电机驱动器的控制，从而控制伺服电机带动各轴进行准确的旋转走位操作。本文主要对该嵌入式测控系统进行硬件系统的研究开发，针对工业现场控制电路的基本要求，利用PROTEL软件绘制四个控制电机的电路原理图和现场总体电路分布结构设计图；根据设计精度要求和对元器件性价比的比较，对包括嵌入式系统、运动控制卡、伺服电机、伺服电机驱动器、输入输出卡、编码器及传感器等元件在内的各类硬件设备的选型。本文所设计的嵌入式测控系统用于控制数控弯管机的工业现场实际运行，主要实现弯管机的送料、旋转、弯曲等功能的控制。所设计的电路及选取的硬件在工业现场调试中基本能够达到预期的效果。
关键词：数控弯管机、嵌入式、运动控制卡、伺服驱动器
Abstract
CNC pipe bending machine is an important modern curved plastic processing equipment, which is based on the vector theory, using computer control, to complete any space for three-dimensional tube to meet users requirements. In this paper, it mainly about the research and development of hardware systems on the numerical control equipment for pipe bending machine embedded control system, using embedded microprocessor hardware platform, instead of the traditional general-purpose computers and industrial machines, to control the machining process effectively. On this basis, installation of motion control card PCI-1240U, realized through the motion control card servo motor drive control, to control each axis servo motor drive for accurate operation of rotating gears. In this paper, it mainly about the control system of the embedded hardware systems’ research and development, for industrial control circuit of the basic requirements, using PROTEL software to draw four motor control circuit schematic diagrams and field distribution of the overall structure of the circuit design; according to the design precision and comparison of the cost on components, select the equipment including embedded systems, motion control cards, servo motor, servo motor drive, input and output cards, encoders , sensors and various types of hardware components. This embedded control system designed to control the pipe bending machine for industrial on-site practical operation, mainly about feeding, rotating, bending and other functions of the control. The circuit design and selection of hardware debugging in the industrial field can achieve the desired results.
Key word: CNC pipe bending machine、embedded、Motion Control Card、servo drive
目录
摘要............................................................. II Abstract ........................................................ III 第1章绪论
1.1 引言 (1)
1.2 弯管机概述 (1)
1.3 弯管机的发展历程及趋势 (2)
1.4 嵌入式系统概述 (2)
1.5 课题的目的及意义 (3)
1.6 课题内容 (4)
第2章弯管机嵌入式硬件系统设计总体方案
2.1 弯管机工作原理概述 (5)
2.2 嵌入式测控系统总体硬件结构设计 (6)
第3章测控系统硬件电路设计
3.1 前言 (7)
3.2 系统总体电路设计 (7)
3.3 弯曲主轴C轴电路设计 (7)
3.3.1 弯曲主轴C闭环控制回路 (7)
3.3.2 运动控制卡与伺服驱动器C的连接线路 (8)
3.3.3 伺服电机C与伺服电机驱动器的连接线路 (9)
3.3.4 弯曲主轴C整体电路图 (10)
第4章测控系统硬件选型
4.1 嵌入式微处理器的选型 (11)
4.2 运动控制卡的选型 (12)
4.2.1 运动控制卡概述 (12)
4.2.2 运动控制卡PCI-1240简介 (12)
4.3 伺服电机驱动器的选型 (17)
4.3.1 伺服电机驱动器概述 (17)
4.3.2 三菱伺服电机驱动器简介 (17)
4.4 伺服电机的选型 (19)
4.4.1 伺服电机概述 (19)
4.4.2 交流伺服电机概述 (19)
4.4.3 三菱伺服电机简介 (20)
4.5 旋转编码器的选型 (21)
4.5.1 旋转编码器概述 (21)
4.5.2 增量式和绝对式旋转编码器 (22)
4.6 位移传感器的选型 (23)
第5章总结与展望 (24)
致谢 (25)
参考文献 (26)
附图 (27)
第1章绪论
1. 1引言
随着社会的发展，各行各业对各种型号弯管的需求会迅速增长，对管材弯曲成形精度要求也会越来越高，这一切促使人们对管材弯曲加工工艺及加工设备进行深入的研究。美、英、日、德等工业发达国家纷纷开发研制计算机数控(CNC)弯管加工设备，同时资助管材弯曲加工工艺的理论及实验研究，并在实际应用中取得良好的经济效益。然而，我国的管材弯曲加工设备与加工技术的研究与应用仍远远落后于当今世界先进水平，远远不能适应我国工业生产和国防的需求，致使我国许多企业不得不花费大量资金引进国外先进的管材数控弯曲加工设备。目前国内使用的数控弯管机设备通常是在通用计算机或工控机的基础上加装运动控制卡，使用Windows操作系统，并安装昂贵的数控软件构成的。这样的系统软件成本高、硬件资源浪费、功耗大[1]。为了提高弯管生产的效率，节约生产成本，改进系统结构，提高产品的精度，以嵌入式微处理器代替传统的工控机来控制弯管机的工作是本课题的主要任务。
嵌入式技术已经广泛的应用到工业控制领域，将嵌入式技术应用到数控领域必将对数控机床的发展产生深远的影响。本文提出了一种基于ARM9微处理器与运动控制卡PCI-1240U 构建的数控系统硬件平台方案。该数控系统具有成本低、实时性好、精度高等优点，对开放式经济性数控的研究具有很好的推动作用。
1. 2弯管机的概述
管材弯曲有很多方法，相应地也就有不同的弯管设备。在各种方法中，绕弯是最常用的弯管方法，而绕弯最常用的设备是弯管机。因此，弯管机是管材弯曲加工的主要设备。
弯管机的结构形式很多，按弯管时加热与否可分为冷弯管机和热弯管机两类，按传动方式可分为手动、气动、机械传动和液压传动四种，按控制方式又可分为手控、半自动、自动和数控四种。机械传动式弯管机结构简单，制造方便，通用性大。液压弯管机传动平稳、可靠、噪音小，结构紧凑，能弯制不同直径的管材。半自动控制的弯管机，一般只对弯管角度进行自动控制，主要用于中、小批量的生产。自动控制的弯管机通过尺寸预选机构和程序控制系统对弯管全过程(送进、弯管和空间转角)实行自动控制，这种弯管机一般采用液压传动，适用于大批量生产。数控弯管机能够根据零件图规定的程序和尺寸，通过输入数据来实现弯管过程的全自动控制，它适用于大批量生产，尤其是管件尺寸参数多变
的场合[2].
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。
1. 3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20世纪60年代就开始使用垂直液压(即立式)弯管机，可以弯制152.4～762mm (6～30英寸)各种壁厚的钢管。70年代后，冷弯机的性能进一步完善，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1524mm(60英寸)。原苏联研制冷弯管机基本也是从20世纪60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10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[3]。
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。
1. 4嵌入式系统概述
嵌入式系统（embedded system），是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可定制，适用于各种应用场合，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上 PDA 、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。
嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器／微处理器、
存储器及外设器件和I／O端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用[4]。
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：
1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。
2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。
3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级[5]。
嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：
1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。
2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
3.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。
4.嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。
5.为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。
6.嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发[5]。
1. 5课题的目的及意义
本课题研究的目的在于设计出一种基于嵌入式系统的数控弯管机。能实现自动检测、控制产品的弯曲位置和角度，提高生产效率和产品的精度。
随着嵌入式技术的发展，以ARM为首的嵌入式微处理器已经广泛的应用到人们生活的各个控制领域。将嵌入式技术应用到工业控制领域在国内还不多见，特别是数控机床这些高端技术领域。数控机床既是高新技术专业不可缺少的基础装备，又是传统产业更新换代的重要手段。嵌入式数控系统兼备嵌入式技术和数控技术结合的巨大优势，必将符合新一代数控系统的各项性能要求。
1. 6课题内容
1)查阅和消化课题研究的相关资料,对数控弯管机的工作控制原理及其特点进行较为
详尽的分析与研究；
2)学习掌握嵌入式微处理器的相关知识,了解嵌入式系统的各部分功能及外部连线；
3)了解运动控制卡PCI-1240U的连接方式，学习伺服电机驱动器与运动控制卡、伺服
电机以及旋转编码器的连线；
4)选择合适的传感器，设计控制系统的硬件电路，并通过PROTEL软件绘制系统硬件电
路图。
第2章弯管机嵌入式硬件系统设计总体方案2.1数控弯管机工作原理概述
数控弯管机是用来生产空间多弯、外形尺寸要求较高、相对弯曲半径大的空心管件，尤其是汽车上的排气管、发动机上的油管。图 2-1为数控弯管机工作原理图，主要由弯曲旋转C轴、送料Y轴、转料B 轴以及机头左右控制X轴组成，四轴由伺服电机带动，实现对运送、翻转、弯曲三轴的空间控制，完成具有复杂空间形状的空心管加工。伺服电机通过系统窗口接受来自PC工控机或者嵌入式微处理器的命令和数据，完成参数的设定和修改、运动轴的点位控制等，同时反馈各轴的位移值或转角[6]。
图2-1 数控弯管机工作原理图
如图2-1所示，弯曲旋转装置绕旋转中心 O 转动，其转动角位移θ、角速度ω和转动力矩 M 是主要控制对象；钳口将管件压紧到旋转台上的弯曲模具中，随着弯曲旋转台一起转动，从而将管件弯曲成形；弯曲轴的转速、转角以及转矩的控制是通过弯曲轴上蜗轮蜗杆的伺服电机来实现的。数控弯管机总体实物图如下图2-2所示：
图2-2 数控弯管机总体实物图
2.2 嵌入式测控系统总体硬件结构设计
如下图2-3系统硬件结构图所示，整个硬件系统以嵌入式微处理器为核心，通过人机界面向机床系统输送指令。运动控制卡配有模糊控制和参数优化等智能控制软件，配以相应的通讯程序，可与上位机一起组成各种闭环控制系统[7]。系统通过运动控制卡驱动伺服电机驱动器，带动各个控制轴电机工作，以实现送料，转料，角度加工等动作。另一方面，对管件的主夹紧／松、辅夹紧／松、辅助推进、推／抽芯等动作通过I ／O 卡进行控制。I ／O 控制卡控制各个辅助动作的控制器和机床各种状态传感器，通过系统窗口接受来自嵌入式微处理器的命令和数据，完成参数的设定、修改和辅助动作的开关量控制等，同时反馈机床各种工作状况和机床状态值，以及各种报警信息。微处理器与I ／O 控制卡之间的信息交换通过周边元件扩展接口(PCI)总线完成，该卡板插在处理器PCI 总线插槽中。
图2-3 嵌入式测控系统硬件设计结构图
S3C2410嵌入式微处理器（ARM9） MODEN 触摸显示屏 串 口 网 络 运 动 控 制 卡 弯曲主电机伺服驱动器 送料电机伺服驱动器 材料转角电机伺服驱动器 机头左右电机伺服驱动器
弯曲主轴(C)伺服电机 送料（Y ）伺服电机 材料转角（B ）伺服电机 机头左右（X ）伺服电机 I/O 控 制 卡 传感器 被控对象 继电器 光耦 光耦
第3章测控系统硬件电路设计
3.1前言
本次毕业设计主要任务是完成针对数控弯管机嵌入式测控系统硬件电路的研究，由于在整个电路设计过程中，涉及到很多机械控制理论线路，因此整个机床的硬件控制电路会比较繁琐，由于篇幅限制，本人仅对弯曲电路C轴的典型电路进行绘制描述，其余各轴电路及输入输出卡电路详见附图。电路图利用电路原理图绘制软件PROTEL绘制而成，典型电路主要包括系统总体电路分布，运动控制卡与伺服驱动器连接线路图，伺服驱动器与伺服电机连接线路图等。
3.2系统总体电路设计
根据对实际机床电路分析及生产安全性考虑，设计如下图3-1所示总体电路分布图
图3-1 系统总体电路
电路主要由各类开关，接触器，指示灯，继电器，报警装置组成，分别用以控制液压泵的工作，伺服电机的工作等等，总体电路可以分为总电源模块，液压泵控制模块，伺服电机Y、B、C、X控制模块，由于各个轴的控制电路基本类似，故以下仅对弯曲主轴C轴电路进行详细描述。
3.3弯曲主轴C轴电路设计
3.3.1 弯曲主轴C闭环控制回路
主轴弯曲C轴主要实现对管材弯曲的加工，通过接受微处理器指令，完成对管材弯曲任
意角度的工作，为了能够控制C 轴弯曲精度在±0.1°以内，系统对C 轴采用全反馈设计，通过编码器构成全闭环控制回路，实现系统精度要求，C 轴闭环控制回路如下图3-2所示：
图3-2 弯曲主轴C 电机的全闭环控制回路 3.3.2 运动控制卡与伺服驱动器C 的连接线路
通过参考三菱伺服驱动器和PCI-1240运动控制卡的技术资料，绘得运动控制卡与伺服驱动器C 在位置模式下的信号连接线路如下图3-3所示：
图3-3 伺服驱动器与运动控制卡连接线路
嵌入式
微处理
器 运动控制卡 伺服驱动器 伺服电 机 执行机 构
编码器
伺服驱动器信号含义如下表3-1所示：
表3-1 伺服驱动器引脚含义
PCI-1240系列运动控制卡和伺服驱动器需要连接24V工作电源，伺服电机驱动器CN1部分为输入输出信号用接头，主要有开启端SON，复位端RES，清除端CR，编码器A、B、Z三相脉冲信号接头，紧急情况急停控制接线端和电机报警接线端[8]。运动控制卡引脚信号含义见下文硬件分析。
3.3.3 伺服电机C与伺服电机驱动器的连接线路
伺服电机C与伺服电机驱动器的连接线路主要部分为电机内部编码器信号与运动控制卡CN2编码器用接头连接和彼此电源信号的连接，电源信号的连接如下图3-4所示：
图3-4 伺服电机C与伺服驱动器电源信号连接
伺服放大器的伺服电机动力端子(U，V，W)和伺服电机的电源输入端子(U，V，W)相位必须一致。伺服电机的接地端子要先连接到伺服放大器的PE端子。
伺服电机编码器与运动控制卡CN2接头连线图如下图3-5所示：
图3-5 运动控制卡CN2编码器接头连线
3.3.4 弯曲主轴C整体电路图
图3-6 弯曲主轴C整体电路图
第4章 测控系统硬件选型
4.1 嵌入式微处理器的选型
在设计嵌入式测控系统的过程中，嵌入式微处理器的选择尤为重要。嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU 。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本一样，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低等优点。
本系统的核心选择了SAMSUNG 公司的ARM9处理器S3C2410, 它采用203 MHz 的ARM920T 嵌人式微处理器内核。ARM920T 内核使用了5级流水线，由ARM9TDMI 、存储管理单元MMU 和高速缓存三部分组成。其中，MMU 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB 地址和16KB 数据高速Cache 组成。ARM 系统主板如下图4-1所示:
图4-1 ARM 系统主板结构图 根据系统需要，主板上主要包括中央处理器S3C2410、SDRAM 内存、NAND FLASH(64M)、串口、CS8900A 以太网芯片(10M 网口)、LCD 显示器接口、USB 接口、扩展总线接口等。中央处理器S3C2410内部资源十分丰富，包括1个LCD 控制器、SDRAM 控制器、3个通道的UART 、4个具有PWM 功能的计时器和1个内部时钟、2个USB 主机接口和1个USB 设备接口等。S3C2410处理器主频最高为202 MHz ，内置16 KB 指令高速缓存和16KB 数据高速缓存，5级指令流水线，带有乘累加运算单元，可以运行起嵌入式Linux 操作系统并能进行较为复杂的信息处理，基本满足用户对快速性的要求。并且采用NAND FLASH 与SDRAM 组合来存储数据和程序，可以获得非常高的性价比。系统采用10 M 的以太网接口芯片CS8900A ，这是用于嵌入式设备的低成S3C2410 (CPU) NAND FLASH USB HUB 64M SDRAM LVTH162245 CS8900A PCI 扩展总线 串口 LCD 显示器 Internet 鼠标 键盘 U 盘 ARM 主板 扩展板卡
本以太局域网控制器。通过标准网络接口，数控系统可以连接到Internet或局域网上[9]。4.2运动控制卡的选型
4.2.1 运动控制卡概述
运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器（如 DSP ）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可用于语限位、原点开关等。库函数包括S型、T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能能通过计算机方便地调用。
4.2.2 运动控制卡PCI-1240简介
本次数控系统所选择的运动控制卡为研华公司产品PCI-1240U. PCI是Peripheral Component Interconnect(外设部件互连标准)的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。 PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供了连接接口，它的工作频率为33MHz/66MHz。
图4-2 运动控制卡PCI-1240实物图
PCI-1240是一款通用4轴运动控制卡。PCI-1240是一款基于PCI 总线的高速4轴运动控制卡，使用该卡可以简化步进电机和伺服电机的控制，提高电机的性能。在这片卡上集成了NOVA 公司的MCX314专用集成运动控制芯片，提供多种运动功能，例如2轴或3轴线性插补，2轴圆弧插补，T/S 曲线加速/加速等。另外，PCI-1240在执行这些运动功能时不需要处理器作额外的工作。而且，通过免费的随机动作公用程序，使用者可以轻易的完成组态设定及环境诊断。PCI-1240的主要功能如下：4 轴分别控制，可程设T ／S 曲线加速／减速，线性及圆周内插，功能强大的位置管理，速度控制，位样式内插，连续内插，定速向量控制，位置控制，比对缓存器及软件极限开关，以外部信号驱动，输入／输出信号，伺服马达回授信号，中断信号及实时监控[10]。PCI-1240运动控制卡采用PCI 总线与PC 机连接，本系统中主要进行速度控制、位置控制、转矩控制。其工作原理图如下图4-3所示：
图4-3 PCI-1240运动控制卡工作原理图
PCI-1240运动控制卡的引脚分布及其含义如下图4-4和下表4-1所示：
嵌入式
微处理
器
PCI 运动控制卡 伺服电机驱动器 伺服电机 检测装置 执行单元
伺服反馈
表4-1 PCI-1240运动控制卡引脚对应含义表