彎管技術(shù)廣泛應(yīng)用于鍋爐及壓力容器、空調(diào)制造、汽車、航空航天等多種行業(yè)。彎管質(zhì)量的好壞，將直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著制造業(yè)的發(fā)展，自動彎管機(jī)在汽車配件、造船、家用電器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。各類彎管機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，如大型立體彎管機(jī)、CNC彎管機(jī)、液壓彎管機(jī)等。數(shù)控彎管機(jī)彎管效率高，管件質(zhì)量穩(wěn)定，可迅速提高機(jī)加車間的生產(chǎn)效率。特別適合大批量多種類管件生產(chǎn)。

目前國內(nèi)的鍋爐制造廠家大部分仍采用手動彎管。部分有實(shí)力的公司引進(jìn)了國外的自動彎管機(jī)，但價(jià)格十分昂貴。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，業(yè)內(nèi)迫切需要能滿足大批量、多規(guī)格，且價(jià)格低廉的自動彎管機(jī)。

本文設(shè)計(jì)了一種適合鍋爐生產(chǎn)過程中彎管需要的全自動數(shù)控彎管機(jī)，在操作員的配合下，可自動完成送管、置位、彎管、復(fù)位、翻身等操作?？刂葡到y(tǒng)以PLC為核心，穩(wěn)定可靠；步進(jìn)電機(jī)保證了送管的精度；觸摸屏提供了更直觀的人機(jī)界面。

生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)組成

1 工藝流程

彎管過程可分為5部分：送管、置位、彎管、復(fù)位、翻身。

（1）送管：工人上料后，送管夾緊裝置將管子夾緊，在送管電機(jī)的帶動下將管子送到小車下。小車將送到位的管子夾緊，在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動下，按照預(yù)先設(shè)定的距離前進(jìn)到指定位置。

（2）置位：置位是彎管前的準(zhǔn)備過程，保證彎管機(jī)各部分都在彎管初始位，否則，將相應(yīng)部分回歸初始位。彎管初始位包括：壓輪后位、管子夾緊松開、模左（或右）位、模下位、模移零位、左（或右）彎初始位。

（3）彎管：即完成管子的彎曲，是彎管過程的最主要的動作。包括夾塊夾緊、壓輪壓緊、全速彎管、減速彎管、彎管到位等步驟。

（4）復(fù)位：彎管結(jié)束后，要將彎管機(jī)各部分置位到下一個動作的彎管初始位。與步驟（2）類似，但如下一次彎管與上一次彎管方向不同（左彎或右彎），會根據(jù)彎管前的設(shè)定來動作。

（5）翻身：彎管時，有時需要將被彎曲的管子翻轉(zhuǎn)。由左（右）翻升及左（右）翻落兩個步驟組成，為了保證操作過程中的安全，各步驟間應(yīng)有合適的時延。

2 系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)可分為三大部分：機(jī)械部分、液壓部分、電氣控制部分。如果把彎管機(jī)比喻成一個人，電氣控制部分就是彎管機(jī)的大腦，它按照事先編制的程序及彎管前的設(shè)定，指揮液壓及機(jī)械部分，完成彎管過程。

液壓部分可看成是彎管機(jī)的血液循環(huán)系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它在電氣控制部分的控制下，驅(qū)動機(jī)械部分動作；而機(jī)械部分就是彎管機(jī)的軀體和手臂，來完成具體的彎管動作。

自動控制系統(tǒng)

1 硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的彎管機(jī)控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，有手動及自動兩種操作模式。手動操作模式時，操作員可以通過操作面板上的開關(guān)、旋鈕或者觸摸屏上的按鈕實(shí)現(xiàn)對彎管過程的操控；自動操作模式時，在彎管前需先通過觸摸屏設(shè)定彎管角度、彎管方向等參數(shù)，設(shè)定完畢后可按自動送管、自動置位、自動彎管、自動復(fù)位、自動翻身等按鈕來完成。

彎管角度及模移位置的控制通過高精度的脈沖編碼器采樣實(shí)現(xiàn)。送管的精確定位由PLC控制伺服電機(jī)完成?？刂葡到y(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)組成

2 彎管精度控制

從彎管的原理可以得知，送管的精度、初始位及圓弧運(yùn)動的角位移等參數(shù)是控制彎管精度的關(guān)鍵所在。

（1）送管精度的控制

當(dāng)彎管機(jī)完成一次彎管后，系統(tǒng)需要把管子前送規(guī)定的長度。每次前送的長度由HMI在彎管前設(shè)定。本系統(tǒng)選用了歐姆龍公司的高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動送管小車來完成物料的輸送，送管精度可達(dá)1mm。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開環(huán)控制元件，具有很高的控制精度。由步進(jìn)電機(jī)的工作原理可知，其總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的脈沖個數(shù)，所以可以根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的位移量換算出PLC輸出地脈沖數(shù)：n=S/d

其中n為PLC輸出的脈沖數(shù)；S為 伺服機(jī)構(gòu)的位移；d為伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量，即送管小車移動單位距離對應(yīng)的PLC輸出給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，由電子齒數(shù)比等參數(shù)確定。

伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度取決于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖數(shù)，因此可以根據(jù)送管的進(jìn)給速度，確定PLC輸出地脈沖頻率：F=V/60d

其中F為PLC輸出脈沖的頻率，V為送管小車的前進(jìn)速度。

(2)彎管精度的控制

本系統(tǒng)采用光電脈沖編碼器作為系統(tǒng)初始位的定位點(diǎn)，初始位包括模移零位及左彎初始位及右彎初始位。每次彎管后模子都要返回模移零位及左彎或右彎初始位，以便消除累計(jì)誤差。

脈沖編碼器與機(jī)械齒輪同軸安裝，輸出信號與齒輪轉(zhuǎn)速成正比，反應(yīng)彎管機(jī)的實(shí)際運(yùn)行位置。由機(jī)械傳動比可以換算出旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)過一個脈沖時機(jī)械裝置實(shí)際發(fā)生的位移,稱之為脈沖當(dāng)量位移。

將高速計(jì)數(shù)器的實(shí)際計(jì)數(shù)值乘以這個脈沖當(dāng)量位移就是機(jī)械裝置的實(shí)際位移。此處采用增計(jì)數(shù)策略，等計(jì)數(shù)器計(jì)到預(yù)設(shè)值，即接近精整減速量設(shè)定值時，PLC控制變頻器讓電動機(jī)以提前減速量減速；當(dāng)長度達(dá)到規(guī)定值時，PLC控制液壓系統(tǒng)讓彎管機(jī)制動停止。

彎管過程的控制與旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)相同，不同之處在于，旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)時按照恒定的速度旋轉(zhuǎn)，而彎管時采用前90%的圓弧快速旋轉(zhuǎn)，而后10%的圓弧，慢速旋轉(zhuǎn)，防止由于彎管速度過快，在彎管結(jié)束時的過沖。

3 軟件設(shè)計(jì)

（1）PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序采用梯形圖編寫，在OMRON公司的CX-PROGRAMMER軟件平臺下完成。本系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)中相對獨(dú)立的功能編程成模塊，這樣既增加了程序的可讀性，又減少了編程重復(fù)部分的工作量。主要包括按鈕處理、電磁閥控制、自動控制、脈沖編碼器等4個模塊，其中自動處理模塊中的自動彎管部分的程序流程圖如圖2所示。

圖2 自動彎管流程圖

（2）觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸顯示屏設(shè)有四幅畫面：主畫面、設(shè)備手動操作畫面-1、設(shè)備手動操作畫面-2、自動彎管參數(shù)設(shè)定畫面。觸摸屏啟動時首先進(jìn)入主畫面，操作者可單擊主畫面上的三個按鈕進(jìn)入相應(yīng)的操作畫面。

設(shè)備手動操作畫面-1及設(shè)備手動操作畫面-2為操作者提供手動操作模式下彎管過程中各步驟的操作按鈕及各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)指示。自動彎管參數(shù)設(shè)定畫面為操作者在彎管前設(shè)定各參數(shù)提供接口，并提供自動彎管過程的控制，如圖3所示。

圖3 自動彎管參數(shù)設(shè)定畫

結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的全自動彎管機(jī)充分發(fā)揮了PLC、步進(jìn)電機(jī)、觸摸屏等現(xiàn)代控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，自動化程度高、故障率低、易維護(hù)、操作簡單、彎管精度高。可以根據(jù)需要彎制出各種角度的管件，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，提高了生產(chǎn)效率，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，滿足了客戶的要求。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的全自動數(shù)控彎管機(jī)設(shè)計(jì)”，作者為王鵬、李東濱 等。）