基於ipc多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機數控系統的製作方法

2024-02-05 15:29:15

專利名稱：基於ipc多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機數控系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械自動化控制技術領域，尤其是一種基於IPC多 軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機數控系統。背景技術：
目前，國內外市場上的大直縫鋼管合縫機的控制大多採用的是 手動的方式控制，各輥籠軸的位置控制採用手動人工控制的方式，這種控制方式即花費 較大的人力和時間成本、管料的合縫效率和精度不高、合縫後的管料不合工藝要求而要 求返工的現象時有發生、最主要的是合縫過程對主機設備衝擊非常大，影響主機的使用 壽命。鑑於目前上面種種的情況，開發出一套合縫效率和精度高、合縫質量好，操作簡 單方便的數控系統為市場所期盼。目前國內外市場上還沒有現成成熟的16個軸液壓伺服 同步數控系統，所以基於IPC (工業計算機)結構的開放式多軸(最多16軸)液壓伺服同 步控制數控系統的發明成功將填補國內外的空白。
發明內容
本發明的目的是要解決現有人工手動控制方式效率低、精度 差，操作技術要求高，手動工作時對主機設備衝擊大，影響主機使用壽命等問題，提供 一種基於IPC多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機數控系統。本發明的具體方案是基於IPC多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機數 控系統，包括有IPC、運動控制器、多軸(最多16軸)液壓伺服同步控制系統。其特 徵是IPC機是運動控制器的硬體載體，同時又是多軸液壓伺服同步控制系統運行的硬 件平臺；運動控制器負責實時採集各液壓運動裝置的運動狀態、接受多軸液壓同步控制 軟體的運動控制指令、並將多軸液壓同步控制軟體的數字指令轉換成電壓模擬量的方式 通過端子連結板輸出給各液壓執行單元；同時運動控制器通過端子連結板連接位置反饋 單元實時採集各液壓運動裝置的位置數據；所述多軸液壓伺服同步控制系統包含以下單 元人機界面模塊，是將各液壓運動裝置的運動狀態以實時圖形的方式直觀地表現 出來使操作者能很直觀地了解該工具機各液壓運動裝置當前的運動狀態，接受用戶數據編 程和控制指令，同時提供報警消息功能；工具機運行核心邏輯模塊類似於一個嵌入式的軟PLC模塊，它採用固定的時間周 期掃描工具機設備邏輯，並以消息通知的方式與人機界面模塊、多軸液壓伺服同步控制內 核模塊進行交互；多軸液壓伺服同步控制內核模塊，是根據各液壓運動裝置的運動狀態做出相應 運算控制並實時向運動控制器給出數字指令，根據用戶提供的各液壓運動裝置同步需求 做出與之相對應同步控制處理；運動控制器C語言控制接口函數模塊起到連結多軸液壓伺服同步控制內核模塊 和運動控制器驅動模塊的作用，主要是為了避免模塊直接調用運動控制器驅動模塊的功 能函數而使整個系統的可維護性變得較差的一種軟體工藝，將運動控制器驅動模塊的功 能函數重新包裝並獨立打包成通用、規範的藉口模塊，既符合軟體的設計規範，同時可 提高整個系統的可維護性；
運動控制器驅動模塊嵌入在windows作業系統中的軟體模塊，它的作用是使 windows作業系統能夠識別運動控制器這種硬體的存在，同時使該硬體能發揮相應的作用 提供軟體支撐；嵌入式高精度實時系統模塊是嵌入在windows作業系統中的軟體模塊，它為人 機界面模塊、工具機運行核心邏輯模塊、多軸(最多16軸)液壓伺服同步控制內核模塊提 供時間定時服務，使上述的幾個模塊具有在固定的時間周期中執行相關事務的能力。本發明數控系統中還加入了一個全手動的控制模式，用戶通過旋扭開關選擇相 應的某個軸，就可以實現該軸的單獨調整。本發明具有以下特點 1.可控軸數多，單軸的定位精度高，多個軸同步性能優異。本數控系統理論上 可最多控制16個全閉環的伺服軸，數控系統為每個單軸配備了一套運動控制參數，用戶 可以根據每個單軸的運動裝置的類型來單獨調整該軸的運動控制參數，從而可以使該軸 達到最佳的運動狀態和最好的控制精度。16個控制軸同步採用的是主從式同步設計方 案，也就是說將一個軸設定為主軸，其他的15個軸為從軸，在16個控制軸的同步控制方 面引入一個重要的參數位置同步跟隨誤差。位置同步跟隨誤差就是在某一時刻數控系 統將當前從軸的實際位置和系統設定主軸的實際位置值相比較後計算出來的值。數控系 統會根據位置同步跟隨誤差建立起一套完整的控制算法，計算的結果反饋到當前從軸的 電壓輸出值，達到控制當前從軸運行速度，從而達到從軸和主軸位置同步的控制效果。 由於在數控系統內部嵌入了一個高精度的實時模塊，該實時模塊的定時解析度為0.005 秒，也就是說數控系統會每隔0.005秒掃描所有15個從軸同主軸的位置同步跟隨誤差， 並根據誤差的情況相應地調整從軸的運行速度。所以說優化的同步控制算法和高精度的 實時模塊保證了數控系統在16個軸在位置同步方面表現出優異的性能。2.適用性廣，應用靈活。在大多數應用液壓控制的運動機構中，需要不多與16 個軸位置同步的工具機設備都可以適合使用本數控系統來控制，特別是在重型和大型的液 壓裝備的控制領域將會有更大的應用空間。由於本系統同步控制參數配置文件是基於文 本的格式化文件，所以軸與軸之間位置同步非常簡單方便，應用非常靈活。用戶可以根 據不同的運動控制對象而採取互不相同的運動控制參數和同步控制參數，到達不同的運 動控制對象同步運動的目的。3.性價比極高，具有良好的經濟性。4.穩定可靠，可維護性好。在16個控制軸的同步過程中，系統提供一個接口供 用戶設定最大的位置同步跟隨誤差和位置同步跟隨誤差報警誤差，當數控系統檢測到位 置同步跟隨誤差超過用戶設定最大的位置同步跟隨誤差時，數控系統會發出工具機運動出 錯信號並停止所有軸的運動。而當位置同步跟隨誤差小於用戶設定最大的位置同步跟隨 誤差同時又大於位置同步跟隨誤差報警誤差時，數控系統只會發出一個報警信號，用戶 根據這個信號自行視情況處理。由於系統的硬體和軟體的設計都是基於模塊化的，系統 的軟體升級和維護非常的方便快捷，硬體則都是基於工業標準的組件，硬體的升級和替 換則同樣的方便快捷，從而在整體上提高了系統的可維護性。5.本發明特別適合用於大直縫鋼管合縫機上，其操作方便、控制精度高、工作 穩定、效率高，可提高主機的使用壽命。

圖1是本發明數控系統結構示意圖；圖2是本發明的數控系統軟體架構示意圖。
具體實施例方式參見圖1，本發明包括有以下單元多軸(最多16軸)液壓伺服同步控制(軟 件)系統、IPC (工業計算機)、運動控制器、端子連結板、液壓執行單元和位置反饋單 元。多軸液壓伺服同步控制軟體是運行在用戶態的Windows程序。IPC (工業計算機) 是運動控制器的硬體載體，也是多軸液壓伺服同步控制(軟體)系統運行的硬體平臺。運 動控制器是基於PCI接口多軸運動控制器，負責實時處理各液壓運動裝置的運動狀態和 接受從多軸液壓伺服同步控制軟體發出的運動控制指令、並將指令從端子連結板輸出到 液壓執行單元。端子連結板用於建立IPC和液壓執行單元和位置反饋單元以及外部其他 控制資源接口之間的連接。液壓執行單元則是接受多軸液壓伺服同步控制軟體控制指令 並完成指令任務，而位置反饋單元則是將液壓油缸的行程實時反饋到多軸液壓伺服同步 控制(軟體)系統。多軸液壓伺服同步控制(軟體)系統還包含以下模塊(參見圖2)人機界面模 塊、工具機運行核心邏輯模塊、多軸液壓伺服同步控制內核模塊、運動控制器C語言控制 接口函數模塊、運動控制器驅動模塊、嵌入式高精度實時系統模塊。人機界面模塊將各 液壓運動裝置的運動狀態以實時圖形的方式直觀地表現出來使操作者能很直觀地了解該 工具機各液壓運動裝置當前的運動狀態，接受用戶數據編程和控制指令，同時提供報警消 息功能。工具機運行核心邏輯模塊類似於一個嵌入式的軟PLC模塊，它採用固定的時間周 期掃描工具機設備邏輯，並以消息通知的方式與HMI、多軸液壓伺服同步控制內核模塊進 行交互。多軸液壓伺服同步控制內核模塊根據各液壓運動裝置的運動狀態做出相應運算 控制並實時向運動控制器給出數字指令，根據用戶提供的各液壓運動裝置同步需求做出 與之相對應同步控制處理。運動控制器驅動模塊起到連結多軸液壓伺服同步控制內核模 塊和運動控制器驅動模塊的作用，主要是為了避免多軸液壓伺服同步控制內核模塊直接 調用運動控制器驅動模塊的功能函數而使整個系統的可維護性變得較差而採用的一種軟 件工藝，將運動控制器驅動模塊的功能函數重新包裝並獨立打包成通用、規範的藉口模 塊，既符合軟體的設計規範，同時可提高整個系統的可維護性。運動控制器驅動模塊嵌 入在Windows作業系統中的軟體模塊，它的作用是使Windows作業系統能夠識別運動控 制器這種硬體的存在，同時使該硬體能發揮相應的作用提供軟體支撐。嵌入式高精度實 時系統模塊也是嵌入在Windows作業系統中的軟體模塊，它為人機界面模塊、工具機運行 核心邏輯模塊、多軸液壓伺服同步控制內核模塊提供時間定時服務，使上述的幾個模塊 具有在固定的時間周期中執行相關事務的能力。本發明 專利的關鍵組件有多軸液壓伺服同步控制(軟體)系統、IPC (工業計 算機)和運動控制器。多軸液壓伺服同步控制軟體提供有64點的數字量輸入接口和64點 的數字量輸出接口、16個可控軸的全閉環模擬量輸出接口、每路計數頻率高達512KHZ 的8路增量式編碼器接口，解析度高達12位的8路模擬量輸入接口、工具機液壓組件狀態圖形監控功能、大直縫鋼管管料進出運動控制與圖形監視功能、13個液壓伺服油缸運動 的同步控制與圖形監視功能、大直縫鋼管合縫專家系統、工具機運動數據在線和離線編程 功能、運動控制器運動控制參數編輯和工具機物理參數編輯功能、工具機本身的狀態監視功 能和工具機報警與出錯消息提示功能。IPC (工業計算機)作為多軸液壓同步控制軟體系統 運行平臺和運動控制器的硬體搭載平臺，它採用Intel P4 CPU (中央處理器)，運行的操作 系統為Windows 2000,同時提供10個PCI插槽無源底板供運動控制器安裝固定。運動 控制器可實現高速的點位運動，其核心由DSP(數位訊號處理器)和FPGA(現場可編程 門陳列)組成，可以實現高性能的控制 計算。運動控制器提供C語言控制函數，多軸液 壓同步控制軟體將這些控制函數與本數控系統所需的數據處理、界面顯示、用戶接口等 程序模塊集成在一起。本發明在大直縫鋼管合縫機上獲得成功應用。大直縫鋼管合縫機的13個軸(本發明數控系統有16軸控制，則在實施例中空出 3個軸)按一定工藝要求安裝在一個環形機械基座上，生產工藝要求13個軸同時向環形 機械基座的圓心方向作同步運動。無論是在工具機在合縫時向下運動的工進過程，還是機 床合縫完成鬆開後向上運動的返程過程，工藝要求13個軸都必須保持同步，13個軸的位 置所形成的圓弧的圓心都必須和環形機械基座的圓心保持重合，因為該點就是大直縫鋼 管的管心。工具機開機運行後首先要求用戶執行手動的找零功能，只有系統找零成功後， 工具機才能執行其他的控制功能。在生產過程中，系統提供了在線和離線兩種數據編程方 式，數據編程功能要求用戶輸入當前管料與數控系統生產有關的一些工藝數據和管料的 材質信息。比如管料的內徑、壁厚、材質、長度等等。數控系統會根據這些確認後的數 據自動計算產生系統運行的控制數據，用戶可以在自動模式下通過手柄來控制13個軸的 下行和上行。對於有些管料在成型工藝階段管型不是很理想，如果工具機在自動模式下按 編程數據進行合縫的話，工藝效果可能會不是很理想，因此可能需要用戶單獨對某一個 軸進行調整。所以系統提供了一個全手動的控制模式，用戶通過旋鈕開關選擇相應的某 個軸，就可以實現一個軸的單獨調整。從而達到合攏的管縫在合縫階段符合工藝要求的 管縫。應用情況表明本發明數控系統運行控制狀態良好，工具機在重複定位精度和同 步控制精度這兩個最重要的參數指標方面全部達到用戶的要求。重複定位精度可達到 0.05mm，同步控制精度可達到0.15mm。
權利要求
1.基於IPC多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機數控系統，包括有IPC、運動 控制器、多軸液壓伺服同步控制系統，其特徵是IPC機是運動控制器的硬體載體，同 時又是多軸液壓伺服同步控制系統運行的硬體平臺；運動控制器負責實時採集各液壓運 動裝置的運動狀態、接受多軸液壓同步控制軟體的運動控制指令、並將多軸液壓同步控 制軟體的數字指令轉換成電壓模擬量的方式通過端子連結板輸出給各液壓執行單元；同 時運動控制器通過端子連結板連接位置反饋單元實時採集各液壓運動裝置的位置數據； 所述多軸液壓伺服同步控制系統包含以下單元人機界面模塊，是將各液壓運動裝置的運動狀態以實時圖形的方式直觀地表現出來 使操作者能很直觀地了解該工具機各液壓運動裝置當前的運動狀態，接受用戶數據編程和 控制指令，同時提供報警消息功能；工具機運行核心邏輯模塊類似於一個嵌入式的軟PLC模塊，它採用固定的時間周期掃 描工具機設備運行邏輯，並以消息通知的方式與HMI人機界面模塊、多軸液壓伺服同步控 制內核模塊進行交互；多軸液壓伺服同步控制內核模塊根據各液壓運動裝置的運動狀態做出相應運算控制 並實時向運動控制器給出數字指令，根據用戶提供的各液壓運動裝置同步需求做出與之 相對應同步控制處理；運動控制器C語言控制接口函數模塊起到連結多軸液壓伺服同步控制內核模塊和運 動控制器驅動模塊的作用，主要是為了避免模塊直接調用運動模塊的功能函數而使整個 系統的可維護性變得較差的一種軟體工藝，將運動模塊的功能函數重新規劃並獨立打包 成通用、規範的接口模塊，既符合軟體的設計規範，同時可提高整個系統的可維護性；運動控制器驅動模塊嵌入在windows作業系統中的軟體模塊，它的作用是使windows 作業系統能夠識別運動控制器這種硬體的存在，同時使該硬體能發揮相應的作用提供軟 件支撐；嵌入式高精度實時系統模塊是嵌入在windows作業系統中的軟體模塊，它為人機界 面模塊、工具機運行核心邏輯模塊、多軸液壓伺服同步控制內核模塊提供時間定時服務， 使上述的幾個模塊具有在固定的時間周期中執行相關事務的能力。
2.根據權利要求1所述的基於IPC多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機數控系 統，其特徵是數控系統中加入了一個全手動的控制模式，用戶通過旋扭開關選擇相應 的某個軸，就可以實現該軸的單獨調整。
全文摘要
本發明是基於IPC多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機數控系統，包括有IPC、運動控制器、多軸液壓伺服同步控制系統，其特徵是IPC機是運動控制器的硬體載體，同時又是多軸液壓伺服同步控制系統運行的硬體平臺；運動控制器負責實時採集各液壓運動裝置的運動狀態、接受多軸液壓同步控制軟體的運動控制指令、並將多軸液壓同步控制軟體的數字指令轉換成電壓模擬量的方式通過端子連結板輸出給各液壓執行單元；同時運動控制器通過端子連結板連接位置反饋單元實時採集各液壓運動裝置的位置數據；本發明解決了現有人工手動控制方式效率低、精度差，操作技術要求高，手動工作時對主機設備衝擊大，影響主機使用壽命等問題，特別適合於大直縫鋼管合縫機中控制使用。
文檔編號G05B19/418GK102012692SQ200910063900
公開日2011年4月13日 申請日期2009年9月8日 優先權日2009年9月8日
發明者萬家嗣, 周紅祥, 易振明, 曾剛, 毛文豐 申請人:湖北三環鍛壓設備有限公司