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采用“華中世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)軟硬件為平臺(tái)，利用其具有的開(kāi)放性，以通用數(shù)控銑床軟件為基礎(chǔ)，以彎管加工工藝和技術(shù)為背景，打破部分控制結(jié)構(gòu)，在笛卡爾坐標(biāo)系中建立XYZ與YBC相互轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)彎管機(jī)特有的止動(dòng)功能、重彎功能、對(duì)稱彎、彈性補(bǔ)償、坐標(biāo)變換等功能，開(kāi)發(fā)彎管機(jī)的開(kāi)放式專用數(shù)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類型彎管零件的數(shù)控加工。
一． 原理說(shuō)明
1.系統(tǒng)坐標(biāo)說(shuō)明：
（1）彎管的XYZ坐標(biāo)表示
（坐標(biāo)（x,y,z）是彎曲圓弧切線的交點(diǎn)，也就是彎管直線段延長(zhǎng)線的交點(diǎn)）
（2）彎管的YBC坐標(biāo)表示
（Y是相鄰彎曲弧之間直線段的長(zhǎng)度，B為相鄰彎曲平面之間的夾角（如ABC平面與BCD平面的夾角，C為彎曲弧所對(duì)應(yīng)的圓心角）
2.根據(jù)工藝要求和圖紙確定彎管參數(shù)
進(jìn)入HCNC系統(tǒng)界面，按F3（參數(shù)）…F1（參數(shù)索引）…彎管參數(shù)，可以看到彎管所要設(shè)置的參數(shù)。下面主要介紹一下其中幾個(gè)參數(shù)的含義：
（1）管材全長(zhǎng)所用的管料的總體長(zhǎng)度
（2）首端直線長(zhǎng)度彎管中的第一段直線段的長(zhǎng)度，如圖（2）中的Y1
(3)彎曲模半徑 所用的彎曲摸的半徑
（4）夾管位置 管材上料夾管時(shí)Y軸的位置
3. 彎管機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
4.G代碼的生成，主要有以下幾點(diǎn)：
a) G代碼中是以C軸軸心的位置建立G54工件坐標(biāo)系，設(shè)置絕對(duì)方式
b) 初始化各軸
c) Y軸運(yùn)動(dòng)到夾管位置暫停，上料，循環(huán)啟動(dòng)繼續(xù)執(zhí)行
d) Y軸運(yùn)動(dòng)到第一個(gè)加工點(diǎn)，第一個(gè)加工點(diǎn)為（管材全長(zhǎng)－首端直線長(zhǎng)度）
e) B軸運(yùn)動(dòng)
f) Y軸撤使能
g) C軸運(yùn)動(dòng)后回零，Y軸使能
h) 加工剩下的段（Y,B運(yùn)動(dòng)，Y撤使能，C運(yùn)動(dòng)后回零，Y使能）
5.彎管機(jī)操作步驟
在系統(tǒng)菜單中分別有“XYZ坐標(biāo)”輸入、“YBC坐標(biāo)”輸入、“配套工藝”參數(shù)、兩種坐標(biāo)的“相互轉(zhuǎn)換”、“加工代碼”主菜單軟鍵按鈕，在對(duì)應(yīng)的子菜單中以表格的方式分別嵌套：第幾彎、坐標(biāo)值、彎曲模半徑、加工速度、上料位置、實(shí)際料長(zhǎng)、干涉長(zhǎng)度、工藝順序、材料品質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償值、30°實(shí)測(cè)補(bǔ)償值、90°實(shí)測(cè)補(bǔ)償值、120°實(shí)測(cè)補(bǔ)償值等，在“工藝順序”菜單中還有下一子菜單，同樣以表格方式列出：是否暫停、導(dǎo)向是否張開(kāi)、夾頭是否松開(kāi)等。具體步驟：
i) 計(jì)算彎管的XYZ或YBC坐標(biāo)，計(jì)算彎管參數(shù)
j) 輸入XYZ或YBC坐標(biāo)和彎管參數(shù)，如是XYZ坐標(biāo)要轉(zhuǎn)換成YBC坐標(biāo)
k) 退出系統(tǒng)后重新進(jìn)入，彎管參數(shù)生效，如沒(méi)重進(jìn)系統(tǒng)，生成的G代碼會(huì)有誤。
l) YBC模式中取現(xiàn)有文件或新文件，打開(kāi)后雙擊ENTER鍵，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)改變，擊ESC鍵，系統(tǒng)提示存盤和轉(zhuǎn)換成G代碼，擊Y鍵就會(huì)生成對(duì)應(yīng)的G代碼程序，并在屏幕上顯示出來(lái)，就可以運(yùn)行該程序了，也可用程序選擇鍵。
注：XYZ,YBC，G代碼文件有相同名字，只是擴(kuò)展名不同。如它們分123.XYZ, 123.PIP, O123不同的彎管參數(shù)有不同的G代碼程序，只有重進(jìn)系統(tǒng)，參數(shù)才能生效。
在彎管參數(shù)中輸入彎管參數(shù)（在系統(tǒng)參數(shù)中），正確輸入各參數(shù)，否則生成的G代碼錯(cuò)誤或?qū)е孪到y(tǒng)推出。
6.性能指標(biāo)：
1、實(shí)現(xiàn)對(duì)力、位移、速度混合控制。
2、控制系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)都應(yīng)具有開(kāi)放性。
3、支持多種控制方式。
4、適應(yīng)較寬的溫度范圍，在-5--44℃的條件下，連續(xù)運(yùn)行48小時(shí)無(wú)故障，有較好的防塵和抗電網(wǎng)波動(dòng)功能。
5、機(jī)床加工的精度提高：
Y軸重復(fù)定位精度為±0.1mm；
B軸重復(fù)定位精度為±0.1°；
C軸重復(fù)定位精度為±0.1°；
（二）創(chuàng)新內(nèi)容
1、在技術(shù)上解決了Y軸在彎曲前撤使能和彎曲后上使能前后位置發(fā)生變化的難題。在彎管過(guò)程中，Y軸每次在C軸彎管之前要撤使能，以便送料小車能夠在彎管時(shí)被拖動(dòng)，在彎管結(jié)束后，Y軸又要上使能，以便它能夠完成下一彎的送料，這在通用數(shù)控系統(tǒng)的軟件中是不允許的。系統(tǒng)會(huì)報(bào)警“機(jī)床不在斷點(diǎn)位置”，就是說(shuō)Y軸撤使能前和上使能后的實(shí)際位置發(fā)生了變化，而指令位置沒(méi)有變，導(dǎo)致機(jī)床報(bào)警。象彎管機(jī)軟件設(shè)計(jì)中這種Y軸在加工過(guò)程中被撤使能且被拖動(dòng)，上使能后還要能走正確地位置的情況在普通機(jī)床設(shè)計(jì)中是一大禁忌，它會(huì)導(dǎo)致Y軸位置的丟失，使加工無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，這也是彎管機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的最難點(diǎn)。這也是目前該專用數(shù)控系統(tǒng)國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出的主要原因。
2、建立彎曲回彈補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型，能方便進(jìn)行管件彎曲半徑回彈和彎曲角度回彈的補(bǔ)償。
由于管件是受外力彎曲變形的，在外力撤消后都會(huì)有不同程度的回彈，且不同的材料、管徑、壁厚回彈量有很大的差異。進(jìn)口系統(tǒng)多采用經(jīng)驗(yàn)值來(lái)補(bǔ)償，即根據(jù)材料、管徑、壁厚、半徑、角度等列出補(bǔ)償表格來(lái)人為或自動(dòng)補(bǔ)償。此次我們?cè)诮?jīng)驗(yàn)值補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，建立了一個(gè)實(shí)時(shí)補(bǔ)償算法即：試彎30°、90°、120°典型角度并測(cè)量回彈后的實(shí)際角度、計(jì)算補(bǔ)償量，考慮到測(cè)量的誤差，我們采用經(jīng)驗(yàn)值與實(shí)測(cè)計(jì)算補(bǔ)償量的平均值來(lái)進(jìn)行最終回彈量補(bǔ)償，這樣更加精確，更接近實(shí)際使用環(huán)境。試用過(guò)程中效果很理想。
3、建立在笛卡爾坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)XYZ與YBC相互轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型，且能靈活使用。能方便地完成任意形狀管子的彎曲，并且功能比其他的工控機(jī)系統(tǒng)大大提高。國(guó)外和我國(guó)臺(tái)灣的廠家采用工控機(jī)控制系統(tǒng)，坐標(biāo)系變換數(shù)學(xué)模型較單一，只能在機(jī)床本機(jī)上轉(zhuǎn)換，復(fù)雜的管件轉(zhuǎn)換等待時(shí)間太長(zhǎng)(由硬件微處理器速度決定)?；谌A中數(shù)控系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)的數(shù)控彎管機(jī)專用系統(tǒng)，586CPU，運(yùn)算速度大大加快。數(shù)學(xué)模型可以采用兩種途徑應(yīng)用：1、可以在本機(jī)上直接轉(zhuǎn)換加工程序；2、可以在服務(wù)器上轉(zhuǎn)換，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸加工程序，多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)加工程序共享，大大提高機(jī)床利用率。由于資金問(wèn)題，聯(lián)網(wǎng)功能還在進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)過(guò)程中。
4、彎管過(guò)程中的多模變換能方便實(shí)現(xiàn)不同的彎曲半徑一次成型，大大提高了機(jī)床的工作效率。工作過(guò)程是：在工作臺(tái)上裝夾多個(gè)不同彎曲半徑的靠模，并在參數(shù)文件內(nèi)增設(shè)不同彎曲半徑設(shè)置參數(shù)。工作臺(tái)可以上下移動(dòng)，用液壓控制，位置靠油缸保證，水平移動(dòng)位置由伺服電機(jī)控制。在需要換模加工時(shí)，程序里先設(shè)置一個(gè)暫停，并發(fā)送一個(gè)M代碼讓夾塊離開(kāi)管件，以便上下移動(dòng)換模。由于彎曲半徑的變化，管件的中心需要做相應(yīng)水平調(diào)整，移動(dòng)量是兩個(gè)彎曲模半徑的差值，這個(gè)差值是通過(guò)設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算并發(fā)送到工作臺(tái)水平移動(dòng)伺服電機(jī)，到位后再發(fā)送一個(gè)M代碼讓夾塊移動(dòng)到靠模位置，彎下一個(gè)不同彎曲半徑的管件。
（三）.應(yīng)用說(shuō)明
圖1是DB16型彎管機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。機(jī)床有三個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸（單模）：Y軸——直線送進(jìn)距離，B軸——管子空間回轉(zhuǎn)角度，C軸——管子平面彎曲角度。三個(gè)坐標(biāo)軸均由計(jì)算機(jī)精確控制，其中Y、B兩軸由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制，C軸由電液伺服閥來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制。
圖1--DB16彎管機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖
以下分別從三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸來(lái)介紹彎管機(jī)的應(yīng)用特征：
1. Y軸
送料小車沿床身縱向的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)齒輪、齒條嚙合，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與伺服電機(jī)相聯(lián)的編碼器和測(cè)速電機(jī)將位置和速度信號(hào)反饋回計(jì)算機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置組成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。小車的運(yùn)動(dòng)始終置于計(jì)算機(jī)的控制之下，從而保證了小車的直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)度。
2. B軸
小車夾頭正、負(fù)兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)，是由一套與直線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相類似的閉環(huán)系統(tǒng)控制的，其反饋信號(hào)由無(wú)間隙齒輪取樣，從而提高了反饋信號(hào)的可能性和控制系統(tǒng)的精度。
小車上還設(shè)置了橫向浮動(dòng)裝置，從而保證了在彎曲過(guò)程中小車不受附加載荷。一旦偏載過(guò)量，小車橫向浮動(dòng)就超過(guò)所允許的極限，保護(hù)限位將會(huì)使及其運(yùn)動(dòng)停止，以保護(hù)小車機(jī)件不受損壞。
3. C軸
彎曲臂的轉(zhuǎn)動(dòng)是由液壓缸、鏈條系統(tǒng)拖動(dòng)的，彎曲臂的彎曲和回程兩個(gè)動(dòng)作由電液伺服系統(tǒng)精確控制。動(dòng)力元件是閥控油缸，與伺服放大器、傳感器，CNC系統(tǒng)共同組成閉環(huán)連續(xù)控制系統(tǒng)，從而保證了彎曲動(dòng)作的穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性及工作精度。
為了保證能彎制出不同彎曲半徑的管件，同作一套螺母絲桿副裝置，可以對(duì)彎曲頭進(jìn)行橫向調(diào)整（即彎曲半徑是可以隨意調(diào)整的）。
該彎管機(jī)除了Y、B、C三個(gè)坐標(biāo)軸由伺服系統(tǒng)控制以外，其余輔助動(dòng)作如夾緊模、壓力模、隨動(dòng)、導(dǎo)向、芯軸等進(jìn)退動(dòng)作均由普通液壓系統(tǒng)控制。
油源部分由柱塞式恒壓變量泵。電磁溢流閥等元件組成。
由于電液伺服系統(tǒng)控制精度高，但效率低，開(kāi)關(guān)回路多為節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，油溫上升較快，因此，系統(tǒng)中設(shè)有專門的分冷卻器及油溫控制裝置，用以控制系統(tǒng)的油溫。
芯軸（俗稱芯棒）有進(jìn)、退二個(gè)動(dòng)作，為了減小彎管時(shí)管材內(nèi)壁與芯軸的摩擦力，芯軸的潤(rùn)滑極為重要。該機(jī)采用了氣動(dòng)潤(rùn)滑泵自動(dòng)供油，供油量的大小靠調(diào)節(jié)脈動(dòng)頻率控制，以得到操作者所需的潤(rùn)滑油量。
氣源采用集中供氣，也可用小型空壓機(jī)壓縮空氣并經(jīng)減壓閥減至0.5MPa，再經(jīng)過(guò)氣壓源三連體（減壓閥、分水濾清器、油霧器組裝在一體）進(jìn)入系統(tǒng)。
在彎管機(jī)彎曲臂的二側(cè)均安裝著紅色的安全板，當(dāng)安全板受到擠壓時(shí)，就會(huì)立即停機(jī)并使液壓系統(tǒng)卸荷。無(wú)論是壓了安全板還是運(yùn)動(dòng)部件越過(guò)了安全開(kāi)關(guān)，都會(huì)引起緊急停車。同時(shí)，在操作屏幕上給出信號(hào)。并且，只有在排除了這些故障之后，機(jī)器才能開(kāi)動(dòng)。
薄壁管件的壁厚一般在0.5—1.0mm之間，彎曲時(shí)，主要變形是中性軸內(nèi)外管壁纖維的縮短與伸長(zhǎng)變形，中性層以內(nèi)的管壁受壓縮，管壁金屬材料屬內(nèi)向性流動(dòng)，管壁受壓而產(chǎn)生內(nèi)凹；而處在中性層以外的管壁金屬材料則屬外向流動(dòng)，管壁受拉伸而變薄，易產(chǎn)生塌陷，因此，薄臂管件在彎曲時(shí)必須在彎曲部位的內(nèi)腔孔內(nèi)設(shè)置圓球頭芯棒，以限制內(nèi)外管壁金屬材料的流向，使其均勻變形。
從以上分析可以得出，彎管機(jī)的控制要求如下：
1、實(shí)現(xiàn)對(duì)力、位移、速度混合控制。能夠?qū)Χ鄠€(gè)力、位移以及速度的閉環(huán)控制；
2、 控制系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)都應(yīng)具有開(kāi)放性；
3、支持多種控制方式：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化、動(dòng)態(tài)配置、可移植性、可擴(kuò)展性。
