液压数控折弯机控制系统的研发

　　摘 要：本文首先对液压数控折弯机的基本结构和工作原理作了一个简单的介绍，然后分析了液压数控折弯机的控制原理，最后分析了研发折弯机控制系统的主要过程，首先确定控制系统的硬件开发平台是HCN8数控装置，然后在此硬件平台上开发WDM驱动程序，从而实现了控制系统的硬件和应用软件能够在windows操作环境中通讯。 

　　关键词：折弯机；控制系统；WDM驱动程序 

　　0 引言 

　　折弯机是用来将金属毛坯折成某个预定角度、形状和曲率的加工设备。折弯机是专门折弯金属板料的设备，具有工艺互换性好、操作简单的特点，是钣金加工行业必不可少的专用设备。数控液压折弯机相比传统的由伺服电机直接驱动的折弯机有明显的优势，例如伺服电动机的功率很难满足大吨位折弯机的功率要求，使得这种由伺服电机驱动的折弯机只能应用在功率需求较小的折弯工作中，所以目前在国内市场中液压数控折弯（简称折弯机）机占据着主导地位。但我国在生产折弯机时，折弯机的控制系统需要从国外购买，例如由荷兰DELEM公司生产的DA65W和DA66T控制系统、YBELEC公司生产的DNC控制系统等。 这些进口的控制系统产品虽功能齐、全性能稳定，但价格较贵，增加了设备的生产成本，并且技术含量高，不利于后续的调试维修。 

　　1 折弯机的构成和工作原理 

　　折弯机是由机架、滑块、液压缸、伺服电机、三相异步电机、后挡料传动机构等构成的锻压设备，其基本的配置是由液压缸控制的v轴，两个液压缸分别控制的Y1 轴 和 Y2 轴，以及由伺服电机驱动控制的x轴，这就是“3+1”轴标配的由来。折弯机的基本工作原理是通过滑块做距离可控的下滑，使其作用在板料上，然后板料通过后档料机构进行定位，并由挠度补偿机构对板料在加工时的变形进行补偿，确保最终能够得到预定的产品。 

　　2 控制原理分析 

　　如何控制伺服电机和液压系统是研发折弯机控制系统的核心工作。实现液压系统的控制实际上就是实现系统中各种同步阀的控制。 

　　阀组中的核心零件是半闭环控制的比例伺服阀，该阀是通过光栅尺的位置反馈和基于模拟量信号控制的pID控制器完成全闭环控制的。该阀组控制系统同步控制液压双缸的模式，是采用了交叉耦合调解模式和同等控制模式的组合模式，这种控制模式在控制轴运动的同时还可以对产生的误差进行实时调整。 

　　对于实现对伺服电机控制的方法，可以根据液压系统的控制原理，采用伺服电机的速度环控制模式的方案，并在软件中同时实现位置环控制模式，应用同一个位置规划pID处理函数和其他的函数，使由伺服电机控制的辅助轴具有可拓展性。 

　　3 折弯机控制系统的设计 

　　3.1 控制系统的硬件平台 

　　该折弯机控制系统的研发工作是在武汉华中数控股份有限公司自主研发的HNC8全数字数控装置这一硬件平台上而进行的。HNC8总线式全数字数控装置是一款高档次的数控装备，其体系结构具有开放式、模块化的特征，且采用了具有自主知识产权的NCUC现场工业总线技术，支持数据交换功能和CF卡、以太网、USB等程序扩展，支持总线式远程I/O单元。根据不同的控制系统的不同需求，可以选择相应的装置和HNC8数控装置来搭建用于研发控制系统的硬件平台，触摸显示屏、扩展I/O模块HIO-1000总线单元、IPC单元是硬件平台的基本的组成部分。 

　　3.2 基于 WDM 驱动程序的软件架构设计 

　　因为操作该系统的应用软件是在Win32平台上开发的，所以在一般的操作系统中软件不能直接运行，要实现软件控制硬件设备的目的需先开发对应的驱动程序。基于WDM模式下进行驱动程序的开发是在windows操作环境下的通用方法。目前开发驱动程序的工具有很多，例如比较高效的有Driver Studio，可以快速的设计出相应的WDM驱动程序。依次安装好VC6.0、DDK和 Driver Studio 后，数控装置的pCI装置驱动程序的框架可以通过对Driver Wizzard 的设置生成，在驱动程序的开发过程中，有几个关键的技术环节如下：（1）KMemory Range 类，这类的功能是实现访问内存映射芯片。即按照NCUC的总线协议，先确定数据结构，再将数据存入指定的内存缓冲区，使硬件产生控制系统所需的信号；（2）Device Io Control 函数，该函数是实现驱动程序和应用软件通讯的关键环节。该函数和对内存缓存区的读写方式可以实现该控制系统开发过程中所有的数据读取、指令发送、参数配置；（3）KIo Range 类，实现对I/O映射芯片的访问是该类的功能，设置好HNC8数控装置中有对应功能的寄存器，主要是设置中断周期和数据的发送功能；（4）KInterrupt 类，产生硬件中断是该类的主要功能，在开发该控制系统的过程中，通过硬件中断处理所有的实时控制数据，这样可以大大优化该控制系统的性能。 

　　3.3 控制算法在驱动层的实现 

　　在该控制系统的研发过程中，使用的核心算法是PID控制算法，因为该算法在应用程序中实现时和在驱动程序中实现时有一些差别，同时为了使控制算法有一个更高的运行效率，我们在系统的开发过程中对算法这一块做了一些可以优化和调整算法的工作。 

　　一般情况下浮点数运算不能在WDM驱动程序中进行，在控制算法的实现过程中，所有的数据都是以整数的形式被处理的。离散化的pID算法公式如下所示 

　　Δuk=KP*Δek+K1*Δek+KD[Δek-Δe（k-1）] 

　　在构建所需的PID控制函数时，是依据这一公式进行构建的，实际测试时，因为数据都是以整数的形式出现，所以在对增益参数尤其是比例增益参数进行调整时，经常因为对增益值有仅仅为1最小变动量的调整，导致系统产生较大的振荡。 

　　4 结语 

　　本文研究了液压数控折弯机的控制系统及其开发方法，并给出了控制折弯机所需的应用软件的基本设计过程。本文选用华中数控生产的HNC8数控装置作为研发的硬件平台，设计了可以实现硬件设备和应用软件通讯的驱动程序，研制出的控制系统有很好的可拓展性和可配置性，也具备较高水准的柔化性。 

　　参考文献： 

　　[1]熊晓红，田亚梅，王运赣.数控折弯机的应用及发展[M].机械与电子，1996（06）. 

　　[2]石宏，蔡光起，史家顺.开放式数控系统的现状与发展[M].机械制造，2005（06）. 

　　[3]赵淳.液压技术在折弯机上的应用[M].液压与气动，2011（11）.