卷板机是建造海上石油采集平台和生产压力容器所必须的设备。它的功率很大 ,一般在几十千瓦 ,所以生产厂家大多采用交流电机作为驱动控制部件 ,采用手工操作。这种方式加工效率低 ,且加工精度难以保证 ,已不能很好地满足现代市场对产品加工速度和质量的要求 ,因而必须对卷板机进行数控化改造 ,以适应市场对卷板机加工效率和精度的要求。虽然该厂卷板机实现了NC控制 ,提高了加工效率和精度 ,但是实际使用中还存在一些问题 ,例如 :系统的稳定性不高 ,同步精度不高 ,及加工效率和精度不能完全满足一些加工单位的要求等。根据厂家的要求 ,我们对卷板机进行了数控化改造。本文结合W11X130 0× 10水平下调式三辊卷板机的改造 ,提出了卷板机数控系统IPC + PMAC(ProgrammableMulti -AxesController)的设计方案 ,并对驱动系统进行了全液压伺服设计 ,用数控系统直接控制液压系统。1　卷板机的结构、卷板工艺过程及建模1 1　卷板机的结构W11X130 0× 10水平下调式三辊卷板机是该厂生产的中型卷板机 ,如图 1所示。其中上辊可以上下运动 ,其运动由液压缸驱动 ;2个下辊可水平移动 ,且下辊间距可调。 3个辊的回转由液压马达驱动。1-翻倒机构 ;2 -翻倒架 ;3 -上辊油缸 ;4-矮机架 ;5-下辊油缸 ;6-下辊 ;7-上辊 ;8-拉杆 ;9-高机架 ;10 -下辊液压传动装置 ;11-电器柜 ;12 -上辊液压传动装置 ;13 -卸料装置图 1　卷板机的结构图1 2　卷板工艺过程卷板是利用卷板机对板料进行连续三点弯曲的过程。如图 2所示 ,卷板工艺过程大致分为 4步 :a 预弯。卷板时平板两端各有一段长度由于接触不到上辊而不发生弯曲 ,称为剩余直边 ,工艺上将平板开始弯曲的最小力臂叫做理论剩余直边 ,其大小与设备结构及其弯曲形式 (对称弯曲 ,不对称弯曲 )有关。b 对中。对中的目的是使工件母线与辊筒轴平行 ,防止产生扭斜。c 卷圆。卷圆是产品成形的主过程 ,分为一次进给与多次进给。进给次数取决于工艺限制条件 (如冷卷时不得超过允许的最大变形率 )及设备限制条件 (如不打滑条件和功率条件)。冷卷回弹量显著时 ,须加一定的过卷量。d 矫圆。矫圆包括加载、滚圆和卸载 3个过程。矫圆的目的是尽可能使整圆曲率均匀一致 ,保证产品质量。图 2　卷板工艺过程1 3　卷板工艺的建模对卷板机数控化改造的目的就是实现卷板过程的自动化 ,由操作人员输入卷圆筒的直径、板材的材料及修正系数 ,然后由数控程序自动计算出各个辊在各卷板工艺阶段的位移量及转速 ,控制 3个辊的相互协调运动 ,自动完成加工。要实现自动加工就必须对卷板工艺过程进行建模。加工时几何关系如图 3所示 ,现将建模过程简要介绍如下 (这里以一次进给不对称卷板工艺为例进行建模 )。图 3　加工时几何关系a 确定回弹前的曲率半径R1 <1 > :R1=R1+ 2 (k1+ hk02R) σsREh( 1)式中 :R为加工工件的曲率半径 ,mm ;σs为材料的屈服极限 ,MPa ;E为材料的弹性模量 ,MPa ;h为板厚 ,mm ;k1 为形状系数 (对于矩形截面取 1 5) ;k0 为材料相对强化系数 ,查相关手册得到。b 上辊由最高位置下降到刚好压紧钢板时的位移量Δ1 :Δ1=H0 -Da2 -Db2 -h ( 2 )式中 :H0 为上、下辊间的最大距离 ,mm ;Da,Db 分别为上、下辊的直径 (两下辊直径相同 ) ,mm。c 滚圆时上辊的位移量Δ2 :Δ2 =H1-(H0 -H) -Δ1( 3 )H1=(R1-Da2 -h2 )cos ( β-α)H =(R1+ Da2 + h2 )cosβα =arcsin BR1　　　β=arcsin ( L2 (R1+ h2 + Db2 ))式中 :L为 2个下辊的中心距 (对于不对称卷板 ,一般取1 5倍板厚 ,即 1 5h) ,mm ;B为剩余直边 ,mm。2　卷板机数控系统设计<2～ 4>基于PC机和Windows操作系统的开放式、模块化数控系统是当今数控技术发展的主要方向。在PC机的Win95/NT下有 2种方法可以实现数字控制 :一种是由一台计算机和一些功能模块组成的单机模式 ,这种模式在硬件成本上是较为便宜的 ,但在软件的编写上却相当复杂 ,不便于普通用户的二次开发 ;另一种是并行双CPU上下位机通讯模式 ,相对而言该种模式具有更大的灵活性 ,是一种便于用户化开发的全方位的开放式体系结构。本数控系统采用开放式数控系统的标准设计 ,即第二种方法 ,使用了IPC +PMAC的开放式结构体系 ,将PMAC插入PC机中所构成的数控系统的硬件系统 ,运行速度快、控制精度高 ;数控系统软件用VC ++6 .0开发 ,使用美国DELTATAU公司提供的动态链接库Pcomm32 ,开发周期短。2 1　数控系统硬件设计在本数控系统中将IPC作为系统的核心管理者 ,完成对底层设备的监控、管理、故障诊断以及提供系统的人机界面 (HMI)。PMAC作为下位机 ,完成实时的控制功能 ,负责卷板机的位置及主轴的转速和角位移控制 ,由于PMAC自带的专用CPU是基于DSP的芯片 ,运算速度快 ,计算精度高 ,因而系统实时性好 ;另一方面 ,也降低了上位主机的CPU的负荷。同时 ,PMAC具有PLC功能 ,在前台运行加工程序时 ,可在后台运行PLC程序 ,完成开关量的输入和输出。数控化系统的硬件结构如图 4所示。图 4　数控系统硬件结构图数控系统中 ,上位机和下位机的实时通信通过调用美国DELTATAU公司提供的动态链接库Pcomm32的函数来实现 ,可以方便地实现IPC和PMAC之间进行数据交换。这里若采用DPRAM(双端口RAM) ,则实时性更强 ,但考虑本数控系统为经济型数控系统 ,且采用Pcomm32能完全满足功能要求 ,故未采用DPRAM。例如 ,主机可将需要控制的轴的位置 ,速度信息发送到PMAC ,然后由PMAC执行具体的运动控制实现位置、速度控制。同时 ,主机在需要的时候还可以读取PMAC中的机床的信息 ,如限位报警等开关量信息。2 2　数控系统的软件设计<5>卷板机数控系统采用开放式的结构体系。系统软件使用面向对象的系统分析与设计方法 ,采用模块化设计 ,用VC ++6 .0实现。系统维护方便 ,功能便于扩充。系统软件包括运行在IPC上的人机界面程序、上位机和下位机的通信驱动程序以及PMAC中对各种输入输出量进行监控的PLC程序等 3个部分。人机界面应用程序主要是将数控系统的操作界面显示在屏幕上 ,为数控系统的操作者提供一个直观的操作环境 ,这是数控系统软件的主要部分。该部分主要包括程序编辑人机界面、加工参数输入和修改人机界面、加工模拟人机界面、故障诊断报警人机界面和在线帮助人机界面 ,具有很好的人机交互性 (HMI) ,在人机界面部分采用主菜单和相关子菜单的形式 ,菜单采用按钮式 ,当主菜单中的某一按钮按下时 ,就出现与其相关的子菜单。这种用图形化软键代替传统数控机床上的错综复杂的操作按钮的设计使得操作面板非常易于操作。通信驱动程序功能是利用VC ++直接调用动态链接库Pcomm32的函数 ,实现对底层硬件PMAC的操作 ,这种方法实现起来方便简单。利用VC ++调用相应的函数即可实现上位机和下位机的通信 ,完成控制量、系统参数的下载及机床状态信息的上传。系统的PLC程序完成系统的初始化和对各种输入输出量进行监控 ,主要包括看门狗PLC、上电PLC、主PLC、指示灯管理PLC和下电PLC。主PLC用来完成对控制面板及机床输入、输出进行监控的任务 ,它主要包括各种手动、自动功能的实现 ,主轴运动的控制等操作。2 3　液压伺服控制及同步控制的实现该卷板机的液压伺服系统采用意大利生产的比例流量伺服阀 ,伺服阀可接受 0～ 10V的模拟电压信号 ,控制流量的大小也就实现了工作辊的速度和位移的控制 ;PMAC卡的伺服输出通道的输出也是 0～ 10V的模拟电压信号 ,因此可以实现数控系统与液压伺服系统的连接。卷板机的同步控制精度是卷板精度的关键。当工作辊两端的油缸进给速度不一致时 ,就会导致任意两辊之间的轴线不平行 ,这样在卷制圆筒时会出现圆筒一端被压延 ,使得圆筒一端直径变大 ,影响工件精度。所以要提高卷板机加工精度 ,关键就是提高同步控制的精度。同步控制精度受两方面因素的影响 :一是机床制造时导轨的平行度 ,另一个就是控制的精度。现在主要从第二个方面讨论如何利用PMAC的时基控制实现高精度的同步控制。以上辊为例 ,它由 2个油缸驱动 ,油缸运动速度及位移由伺服阀控制。设其中一个油缸为主控轴 ,它的运动为主运动 ,另一个油缸为从动 ,利用PMAC的时基控制原理 ,将从运动定义为主运动的函数 ,而不是时间的函数 ,这样可以实现 2个缸的实时同步。3　结束语本数控系统是基于IPC +PMAC的双CPU的开放式系统 ,硬件实时性、稳定性好 ,运行速度快 ,控制精度高 ;软件开发周期短 ,程序采用模块化设计 ,便于改进和扩充。实际加工表明该机床加工效率明显提高 ,5分钟卷制一个工件 ,而且加工出来的工件的圆度、错边及剩余直边等指标均优于以前加工出来的产品。若对机床的机械部分及控制系统稍加改进可以成为小型的柔性制造单元 ,与其他相应加工设备单元组成卷板加工生产线 ,实现卷板产品的下料、卷制、焊接的自动化水平下调式三辊数控卷板机的设计@刘芳华$华东船舶工业学院机械系!江苏镇江212003

　　@卢道华$华东船舶工业学院机械系!江苏镇江212003