基于A6 控制器的三維數控彎管機控制系統設計

馮德思

（中山市科力高自動化設備有限公司，廣東中山 528400）

0 引言

彎管機是實現管材彎曲成形的主要設備［1］，它是把直銅管根據圖紙的技術要求彎制成各種三維形狀，以滿足生產裝配的需要。廣泛應用于空調、汽車、家具、航空航天和軍工等各個行業的管路彎曲成型。從最早的手工彎管和用繼電器控制氣缸或油缸定角度的平面彎管，到使用PLC 控制的簡單的三維彎管，到現在用工業PC或NC開發的全自動數控彎管，管件彎曲成型成形也從手工彎管、半自動彎管方式發展到用數控系統控制的全自動彎管的加工方式，并且基于開放式的數控系統也逐步替代了傳統的專用的PLC 數控系統［1］。但是它們大部分都是采用填表輸入參數然后轉換成G代碼或手動編輯輸入G代碼方式編程，管子形狀越來越復雜，彎管加工動作就更加復雜，對彎管加工編程技術人員的經驗及技術能力要求也越來越高，編寫和修改程序很不方便也容易出現錯誤。隨著工業技術的發展，對彎管機控制系統的性能要求也越來越高，不僅要求能彎曲各種復雜的管路、還要求方便編程、穩定和高效率、高精度。本文通過利用開放式數控系統內置的基于ECMAScript 的腳本語言開發軟件和插件，二次開發了具有3D 圖紙導入、X、Y、Z三維坐標點數據輸入、Y、B、C直線點和彎曲角度的相對坐標數據輸入、三維圖形的管件形狀顯示、用宏程序根據圖紙或輸入的產品數據自動轉換編譯成G代碼加工程序等功能的控制系統。大幅降低了對編程及操作人員的技術能力要求，同時也提升了編程效率及操作的方便性，將物聯網技術用于工業生產，能實時監控生產狀況、管理生產計劃［2］，大大提高生產的自動化程度、實現企業信息化管理，將開放式數控系統優勢和價值發揮充分。

1 三維數控彎管機的控制硬件規劃

1.1 A6 CNC控制器功能簡介

A6 系列控制器是一款開放式的運動控制器，本體帶有6 個硬件脈沖軸，用總線控制模式時最大可控制40 個伺服軸，可以實現直線運行、直線插補、圓弧插補等運動控制［3］。最多可支持256 點的輸入信號和256 點的輸出控制信號。A6 系列控制器是基于RT－Linux 嵌入式控制系統平臺開發的，它提供了全開放式的二次開發平臺［3］，開放式畫面編輯、PLC 編輯和宏程序設計編輯－MACRO功能，用戶可以根據需求自行設計屏幕的人機交互畫面、PLC控制程序和宏程序；支持標準G代碼編程；支持CAD 圖形插件及CAM 插件功能［2］，可以導入CAD圖紙及三維圖紙，實現3D 矢量圖與笛卡爾直角坐標系之間的轉換，三維圖形轉換及顯示，根據不同的需求顯示空間圖形，更加形象、直觀；提供完善的CNC物聯網功能，能實現遠程監控與管理。

1.2 三維數控彎管機的控制要求

數控彎管機由機械部分、氣動系統、伺服系統3 大部件組成［4］，它有定長送料軸（Y 軸）、銅管旋轉軸（B軸）、彎曲軸（C 軸）3 個伺服運動控制軸；有彎管夾模、靠模、送料夾爪、抽芯4 個動作氣缸，彎管機的整體結構示意圖如圖1 所示。三維數控彎管機要求控制精準、穩定可靠，編寫修改產品加工程序方便。

圖1 彎管機的整體結構示意圖

三維數控彎管機的動作流程如下：①送料夾爪夾住管子送料軸拉到定位位置→②夾模前進夾住管子、靠模前進靠住管子→③送料夾爪松開→三彎曲軸旋轉彎管→彎夾爪夾緊、抽芯后退→夾夾模、靠模退回→夾完成就結束，沒完成則送料軸送出設定的管長→完旋轉軸旋轉＋彎曲軸回零→轉到②。

1.3 控制硬件規劃

根據上面的三維數控彎管機的控制要求，硬件規劃如圖2 所示。

圖2 硬件規劃

A6 控制器通過I／O控制板接收外部的輸入信號和輸出控制氣缸動作信號，通過控制器內置的運動控制卡控制伺服系統的運行。

2 系統控制程序設計

2.1 系統控制程序規劃

根據控制功能要求，把相應的輸入信號和輸出信號分配給相應的輸入點和輸出點。在控制程序上規劃有手動操作、自動操作、產品文件管理、I／O 輸入輸出信號監控、機械參數管理、故障診斷信息處理等功能。

2.2 手動操作設計

手動操作有氣缸復位、伺服運動軸回零、氣缸的前進、退回操作，伺服軸的點動移動、設定位置的定位移動操作等。

2.3 自動操作設計

A6 控制器自動運行時是執行標準G代碼的。在自動方式下只要有啟動運行信號它就按當前的CNC程序執行運行，自動運行過程中按下暫停運行按鈕時它會暫時停止運行，再按啟動運行信號時它會繼續運行，G 代碼的完成就會停止。因此設計自動控制操作只要處理啟動運行信號和暫停運行信號就可以了。在觸摸屏畫面上設計有顯示當前的生產狀態、各動作機構位置、狀態等待信息。

2.4 產品文件管理設計

產品文件管理設計包括新文件的建立、文件打開、刪除、復制、查找、3D圖紙文件導入、編輯修改等。

2.4.1 文件建立、打開、刪除、復制、查找

A6 控制器是基于RT－Linux 嵌入式控制系統平臺開發的，產品文件管理可按Windows 系統的界面操作方式進行規劃，方便操作員容易上手操作。設計有建立新文件、打開文件、刪除文件、復制粘貼文件、查找文件、文件重命名。

在工廠管理生產時所有的產品文件一般都是以產品圖紙的編號進行命名管理的，方便用圖紙的編號直接查找到產品文件。為了方便物料產品管理，一般的生產現場都是用條碼或二維碼對物料進行識別，每種物料產品的編碼對應產品的編號，在產品文件管理上開發有掃碼功能，打開掃碼器掃描物料產品的編碼后直接搜索找開到相應的產品文件。

2.4.2 3D圖紙文件導入、轉換及3D圖形顯示

A6 控制器支持CAD圖形插件及CAM插件功能，實現3D矢量圖與笛卡爾直角坐標系之間的轉換［2］，可以開發出能夠直接導入” STP”格式的3D圖紙文件和讀取文件中的圖形的X、Y、Z三維坐標點數據的功能，也可以根據需求顯示銅管的3D空間圖形，更加形象、直觀，如圖3 所示。

圖3 3D空間圖形

2.4.3 編輯、修改

銅管的彎管加工過程需要各直線段長度、折彎角度、旋轉角度、彎曲半徑和總長度等參數。通過矢量的方向余弦，計算出彎管的折彎角；通過矢量長度計算公式，計算出彎管直線段長度；通過面與面的法向量，計算出彎管的旋轉角［5］。把讀入的銅管3D 圖紙文件或手動輸入的X、Y、Z三維坐標點數據通過計算轉換成相對坐標送料軸Y、旋轉軸B和彎曲軸C 的直線點和彎曲角度數據，也可以把Y、B、C直線點和彎曲角度數據通過計算轉換成X、Y、Z三維坐標點數據。

銅管有一條中心線，該中心線的位置代表了銅管的位置，用銅管中心線代表銅管本身。銅管以一定的彎管半徑（R）彎曲形成圓弧，該圓弧兩端直線的延長線必有一個交點，這個交點就稱之為彎管尖點P［6］，由此得出一個角度有3 個坐標點，如圖4 所示，分別為A、B、C或B、C、D，當彎管角α ＝180°時，其彎管尖點為兩個直角彎的彎管尖點。通過讀入的X、Y、Z三維坐標點數據A點的坐標為（Xa，Ya，Za），B 點的坐標為（Xb，Yb，Zb），C點的坐標為（Xc，Yc，Zc），D 點的坐標為（Xd，Yd，Zd），3 個點形成一個平面，兩個彎曲角度時就有4 個坐標點，會形成兩個平面。

圖4 銅管中心線示意圖

有了坐標點數據后就可以根據兩點間距離公式計算出各段直線的長度，則有：

各段矢量計算式如下：

根據角度計算公式有：

通過弧長公式弧長L ＝a·π·R／180計算出彎管各段圓弧長。

銅管的直線段長度為相鄰兩點之間的距離減去切點到交點之間的距離［7－11］，各段直線分別為Y1、Y2、Y3，設管路對應的折彎半徑為R，具體計算式如下［12－16］：

彎曲旋轉角B的計算如下［17－20］。

彎曲的旋轉角B 可以看作是相鄰2 個平面的夾角，從而轉化成平面法向量之間的夾角，兩平面的法線可通過向量積計算得到，即：

相鄰平面的法線之間的角度通過余弦定律求得，計算式如下：

通達上面的公式計算轉換就可以算出彎曲每一個彎時送料Y、彎曲C及旋轉B的數據。再把Y、B、C數據編譯轉換成CNC能運行的G代碼程序。這種轉換關系如圖5 所示。

圖5 數據程序轉換關系

根據彎管功能要求的不同，把彎管的程序用宏程序封裝做成可以選擇的程序模板，可選擇編譯轉換的G 代碼CNC程序模板有兩種模式，分別是拉彎模式程序和助推彎管程序。

拉彎模式程序就是在C 彎曲軸彎管的時候Y 送料軸后退到下一次送料長度的位置，這個彎位完成后送料到0 的位置，這種彎管方式的優點是送料夾爪離彎模比較，銅管和芯軸不會因重力下垂，防止銅管和芯軸脫離彎模，一般彎曲比較長比較重的管時用這種方式。它和宏程序模式如下：

助推彎管程序就是Y送料軸一次后退到銅管夾料長度的位置，在B 彎曲軸彎管的時候夾爪夾緊銅管，Y 送料軸同步跟隨B彎曲軸移動相應的彎管的長度距離，這種彎管方式的優點是在C軸彎管時Y送料軸同步送出相同彎曲弧長的銅管，有一個彎管的助推力，使得彎管時不會打滑，銅管不會起皺，銅管表面光滑圓潤。它和宏程序模式如下：

2.5 I／O輸入輸出信號監控設計

為了方便檢查各種輸入輸出信號、運行的內部繼電器狀態及各寄存器數據值，設定了監控查看畫面，可以查看輸入輸出信號，輸入內部繼電器編號后查詢內部繼電器的運行狀態，輸入數據寄存器編號后查詢數據寄存器的數據當前值。

2.6 機械參數管理設計

A6 CNC控制器可以用硬件脈沖輸出方式控制帶脈沖功能的伺服，也可以用總線控制帶有總線功能的伺服。根據控制不同的品牌、型號伺服要求，設計開放對應的控制伺服的參數，讓用戶可以自行設置修改，包括：電子齒輪比的調整、伺服電機旋轉方向、回零方式、零位偏移、最高運行速度、伺服軸的最大行程限位等參數。

2.7 故障診斷信息處理設計

當機器出現故障時，把相應的信息在顯示屏上顯示出來，提示用戶發生故障的地方，什么故障，給出處理故障的方法，方便用戶快速地處理故障。包括緊急停止信號斷開、伺服故障、伺服運動軸超過行程報警、氣缸前進或退回不到位報警、設定參數錯誤等。

2.8 物聯網功能設計

A6 系列控制器支持有線網絡和無線網絡功能。把機器連接到工廠的管理網絡服務器，管理者通過網絡服務器查看機器的生產信息或將生產數據發送到機器上。

3 結束語

本文根據彎管機的控制要求，利用A6 系列控制器的全開放、完善的二次開發平臺，開發了彎管機控制系統軟件。用控制內置器的插件和基于ECMAScript的腳本語言開發軟件，把讀取3D 圖紙導入的X、Y、Z 三維坐標點數據，通過計算轉換成Y、B、C直線點和彎曲角度的相對坐標數據。利用宏程序把Y、B、C數據編譯轉換的G代碼CNC程序。開發出的三維數控彎管機控制系統能完全滿足生產的需要。三維圖形文件的導入，銅管三維圖形的顯示，三維絕對坐標數據的轉換，用宏程序開發的G代碼程序轉換模塊，方便用戶使用，減少用戶編輯加工程序的錯誤。A6 控制器整合電機編碼器回授信號組成的半閉環控制系統使控制位置更精確。完善的CNC物聯網功能，方便實現遠程監控與生產管理，實現管理的信息化。