关于电动折弯机的设计与优化分析

    摘要：文章主要针对传统的液压折弯机生产效率低、折弯精度不够高的情况，提出一种基于伺服电机直接驱动的折弯机控制系统，其采用基于PC机、运动控制接口板卡和伺服系统的硬件结构和实时操作系统，保证了系统的运算能力和实时性；对滑块两端的控制采用并行结构的控制方式，提高了折弯控制精度。实验证明，该系统折弯机的X轴和Y轴的定位精度都能很好地满足工业控制要求。
    关键词：电动折弯机；数控系统；同步控制
    计算机数控系统(Computer Numerical Control，CNC)是用计算机控制加工过程，实现数字控制的系统，其由硬件和软件组成，具有通用性强、可靠性高、功能丰富、机电一体化等特点，能实现控制、插补、进给等基本功能及补偿、图形编辑和显示等选择功能。目前具有可互操作性、可移植性、可二次开发性等优点的开放式数控系统是先进制造技术的重要研究领域。
    1．电动折弯机的作用分析
    折弯机在钣金制造加工中起着十分重要的作用。折弯机是用于制造尺寸大、外形准确度要求较高，相对弯曲半径大的变曲率型材，已发展成为板料折弯成型行业的重要技术载体。因此，对折弯机控制系统的研究也在不断发展中。目前在国内液压型折弯机数控系统占据着绝对的优势，但其和所有的液压系统一样，具有易污染环境、液压缸响应慢、生产效率低、结构较为复杂、维修成本较高等缺点，且自上世纪八十年代以来再无重大技术改进。基于伺服电机直接驱动的折弯机数控技术则是一门新兴的技术。还有一种基于PC机的开放式折弯机数控系统，设计了基于CPLD的位置控制卡来实现数字-脉冲伺服接口和其他I／O接口功能，但对材料的折弯实现是由液压系统来完成。
    本文提出一种基于PC机的开放式电动折弯机数控系统，它采用伺服电机直接驱动滑块，在滑块两端的同步控制上采用并行结构方式，同时，它采用基于PC机、运动控制接口板卡、伺服系统的硬件结构和实时Linux操作系统、专业数控软件EMC2的软件结构。实验证明，该系统具有成本低、可靠性高等优点；在对材料的折弯上，X轴和Y轴的定位精度都能很好地满足工业实际要求。
    2．电动折弯机数控系统设计
    本系统的硬件主要由PC机、运动控制接口板卡、伺服驱动装置、伺服电机和反馈装置五部分组成。PC机实现整个系统的管理功能，选用RTLinux作为系统软件操作平台，通过数控软件EMC2实现系统的人机操作界面和任务分配，实时显示各轴的位置数据和各种状态信息，并通过该界面向运动控制板卡发送控制指令，从而驱动伺服系统实现对板料的折弯控制。
运动控制接口板卡的主控芯片采用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)，板卡通过PCI总线与PC机进行相连，一方面接收PC机发下来的命令，另一方面实时反馈给PC机各轴的位置数据和系统状态信息。对光栅尺反馈回来的轴位置信息与给定位置信息进行比较，实现系统位置的闭环控制，进而通过伺服接口去不断调整各轴的位移，从而保证折弯控制精度的实现。伺服驱动装置和伺服电机实现对X轴后档料板、Y轴滑块的驱动，伺服电机自带编码器实现电机速度的闭环控制；光栅尺作为反馈装置，把y轴滑块的位置数据实时反馈同运动控制接口板卡进行处理，构成滑块位置系统的闭环控制。
　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />   3．折弯机工作原理简介
    折弯机主要实现两个方向的自由运动，分别为后档料的水平运动(即本文中由伺服电机控制的X轴运动)和滑块垂直方向的运动(即本文中由伺服电机控制的Y轴运动)。其使用一定的通用模具，通过控制X轴和Y轴的位置，即可折成各种不同形状的零件。具体实现过程为：后挡料板首先移至一确定位置限制折弯工件的折弯边长和折弯位置，滑块根据所需折弯角度下降至下模内一定深度进行折弯，然后回程，重复以上过程直至折弯工件加工完毕。
    数控折弯机的优势在很大程度上决定于它的控制精度，主要体现在滑块两端的同步性问题上。基于伺服电机直接驱动的电动折弯机滑块两端同步性控制上，一般采用主从结构和并行结构两种方式。由于并行结构方式不容易产生累积定位误差，也不易发生谐振现象，可使系统具有较强的抗干扰能力。由于本系统设计为大功率折弯系统，滑块梁较长，为了有效的防止滑块梁在向下折弯用力时发生弓形弯曲以及提高滑块的平行度，使得折弯控制精度更好，采用了3个支撑柱及3台伺服电机共同驱动滑块进行折弯，分别安置在滑块的左端(Y1轴)、中端(Y2轴)和右端(Y3轴)，其中，Y1和Y2轴互为主从、Y2和Y3轴也互为主从。三台伺服电机在同时获得相同的位置指令后相互协调同步运动，以免滑块倾斜造成折弯精度下降甚至机械损伤。这也是数控折弯机区别于一般数控机床的不同点和难点。为保证三轴在任何时刻位置误差都控制在规定的范围内，从而实现滑块的同步移动。
    4．结束语
    电动折弯机是折弯机发展的趋势，而开放式数控系统是数控系统发展的主流方向，把二者结合起来，不仅可以克服传统液压折弯机的固有缺点，而且可以很好地降低系统成本，使系统具有较高的性价比。本文设计的开放式大功率电动折弯机数控系统，采用PC机、运动控制接口板卡和伺服系统的结构，在Y轴上采用并行结构的方式，利用==台伺服电机去共同驱动滑块的运动，使系统更平稳、控制精度更高，同时也具有开放性、软硬件丰富、可移植性好、人机交互方便等优点。实验验证，系统在X轴和Y轴上的定位精度达到都很好地满足了工业实际要求。另一方面，系统GUI有待进一步改善，使GUI更加简洁美观；采用性价比更高的设备、提高系统对反馈数据的运算处理能力，则能进一步降低系统成本和提高折弯控制精度，这有望在下一阶段的研究中实现。
参考文献：
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