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1、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
2、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 theo
3、ry, 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
4、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
5、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
6、 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 variou
7、s 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 f
8、ield can achieve the desired results.Key word: CNC pipe bending machine、embedded、Motion Control Card、servo drive 目 录摘要IIAbstractIII第1章 绪论1.1 引言11.2 弯管机概述11.3 弯管机的发展历程及趋势21.4 嵌入式系统概述21.5 课题的目的及意义31.6 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52.2 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73.2 系统总体电路设计73.3 弯曲主轴
9、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
10、.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
11、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
12、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
13、，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
14、纪60年代就开始使用垂直液压(即立式)弯管机，可以弯制152.4762mm (630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
