一种基于数控弯丝机器人的控制系统 |
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| 申请号 | CN201510138331.6 | 申请日 | 2015-03-26 | 公开(公告)号 | CN104772407A | 公开(公告)日 | 2015-07-15 |
| 申请人 | 金陵科技学院; | 发明人 | 应明峰; 鞠全勇; 刘旭明; 陈健; 郑李明; 张玉; 高素美; 杜娟; 周黎英; 姜玉东; 姜劲; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于数控弯丝 机器人 的控制系统，其包括：机械结构模 块 和 硬件 控 制模 块，所述机械结构模块包括 送丝机 构、弯丝机构、换模机构、切断机构和转臂机构，所述送丝机构、所述弯丝机构、所述换模机构、所述切断机构和所述转臂机构协作进行线材输送、弯曲成形和切断工作，使得金属线材多模位弯曲的一次成形，所述硬件 控制模块 包括计算机、运动控制卡、伺服 驱动器 、伺服 电机 和机床输入、输出部分，所述硬件控制模块以运动控制卡为 位置 和速度控制核心，以交流 伺服电机 为运动执行元件，以多个 传感器 作为 信号 检测与反馈装置共同组成一个完整的控制系统。本发明的基于数控弯丝机器人的控制系统控制精确、加工效率和加工 精度 高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于数控弯丝机器人的控制系统，其特征在于，包括：机械结构模块和硬件控制模块，所述机械结构模块包括送丝机构、弯丝机构、换模机构、切断机构和转臂机构，所述送丝机构、所述弯丝机构、所述换模机构、所述切断机构和所述转臂机构协作进行线材输送、弯曲成形和切断工作，使得金属线材多模位弯曲的一次成形，所述硬件控制模块包括计算机、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机和机床输入、输出部分，所述硬件控制模块以运动控制卡为位置和速度控制核心，以交流伺服电机为运动执行元件，以多个传感器作为信号检测与反馈装置共同组成一个完整的控制系统。 |
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| 说明书全文 | 一种基于数控弯丝机器人的控制系统[0001] 技术领域[0002] 本发明涉及数控技术与电气控制技术领域，特别涉及一种基于数控弯丝机器人的控制系统。 背景技术[0003] 目前我国在金属线材的生产方式上还处于劳动密集型阶段，与现代设计制造所倡导的“高效、高精度、高智能化”的理念相背离。随着技术交流的日益扩大，市场上虽然出现了专门用于金属线材自动化生产的数控制造装备，但相关核心技术仍由国外少数知名企业所掌握。而且目前国内金属线材成型技术中存在着线材折弯品种单一、加工效率低、工件精度不高等缺陷问题。 发明内容[0004] 有鉴于此，本发明解决的技术问题是：设计并实现了一种基于数控弯丝机器人的控制系统，控制精确、加工效率和加工精度高。 [0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于数控弯丝机器人的控制系统，其包括：机械结构模块和硬件控制模块，所述机械结构模块包括送丝机构、弯丝机构、换模机构、切断机构和转臂机构，所述送丝机构、所述弯丝机构、所述换模机构、所述切断机构和所述转臂机构协作进行线材输送、弯曲成形和切断工作，使得金属线材多模位弯曲的一次成形，所述硬件控制模块包括计算机、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机和机床输入、输出部分，所述硬件控制模块以运动控制卡为位置和速度控制核心，以交流伺服电机为运动执行元件，以多个传感器作为信号检测与反馈装置共同组成一个完整的控制系统。 [0006] 作为对本发明所述技术方案的一种改进，所述送丝机构包括送丝主动轮、送丝从动轮、导丝块、压块以及送丝气压缸。 [0007] 作为对本发明所述技术方案的一种改进，弯丝机构包括弯丝电机、弯丝主动轮、皮带轮、弯丝从动轮、弯丝头、主轴和弯丝气压缸，弯丝固定于弯丝从动轮，弯丝从动轮套在主轴上，主轴与弯丝气压缸连接，弯丝主动轮由弯丝电机带动，通过皮带轮将动力传递到弯丝从动轮使弯丝头绕着主轴旋转实现线材弯曲。 [0008] 作为对本发明所述技术方案的一种改进，换模机构包括换模电机、换模主动轮、换模从动轮、主轴、模头、模头盘、换模气压缸、模位定位板、定位块和定位槽，模头安装于模头盘上，模头盘与主轴相连接，换模从动轮固定于主轴上，在换模从动轮上设置四个等角度分布的定位块，而在换模从动轮的上方设置有与固定于前臂架的模位定位板，模位定位板对应四方块开设有四方槽，主轴与汽缸连接，通过汽缸推动实现轴向的移动。 [0009] 作为对本发明所述技术方案的一种改进，切断机构包括杠杆剪切装置和偏心轮，通过首固件、副首固件和尾固件将长管固定，金属线材在长管内移动，动刀可绕中间支点进行旋转运动，偏心轮通过铜块与动刀相接触，当弯丝工序结束后，剪切电机带动偏心轮进行偏心旋转，通过铜块将扭力传给动刀，动刀绕着支点进行旋转，在首固件接触处形成相对运动，将成形线材剪断。 [0010] 作为对本发明所述技术方案的一种改进，弯丝机构、换模机构和剪断机构都安装在前臂架上，前臂架固定于转臂圆盘上，金属线材不动，第一转臂电机带动转臂圆盘旋转，通过前臂架让弯丝机构、换模机构和剪断机构绕着金属线材旋转完成金属线材三维成形的弯曲和剪切工序。 [0012] 作为对本发明所述技术方案的一种改进，计算机通过通讯总线与运动控制器进行通信，运动控制系统的上位机程序在计算机上运行，人机交互界面、系统参数配置、代码处理、复杂模型运算、系统运动状态的监控保护由所开发软件来实现；运动控制通过编码器反馈通道以及脉冲输出通道与伺服驱动控制设备连接；伺服电机与驱动控制器构成一个控制回路，驱动器通过伺服电机上编码器反馈的脉冲信息实现对电动机的精确控制，驱动器又将编码器检测到的脉冲信号通过驱动器反馈通道反馈给运动控制器，由运动控制器对该信号进行处理，调整控制信号的输出。 [0013] 作为对本发明所述技术方案的一种改进，弯丝机器人控制电路主要元器件包括：1台工控机；1张运动控制卡；5个伺服驱动器；5台伺服电机；1块端子板；2个380V转220V的三相交流变压器；2个380V转220V的直流变压器；3个分别执行220V转24V、12V和5V直流变压器；1台滤波器；4个回零限位传感器；2个感应开关；2个电磁阀；3个电磁继电器；1个电气滑环；1个送料编码器和1个手轮控制器。 [0014] 作为对本发明所述技术方案的一种改进，硬件控制模块的控制电路主要包括控制模块、驱动模块、辅助模块以及电源供应模块；控制模块中工控机与固高运动控制卡之间釆用PCI插槽的通讯方式进行通信。 [0015] 因此，本发明提供的基于数控弯丝机器人的控制系统控制精确、加工效率和加工精度高， 并能适应快速反应的制造要求，本发明将快速柔性制造理念移植到五金线材行业的制造中，缩短产品设计制造周期，对传统设备吸纳现代制造的理念、提高制造系统快速响应产品变化的能力，以及增加制造系统的柔性和提高机械产品质量均具有十分重要的意义。 [0017] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：图1是本发明具体实施例的基于数控弯丝机器人的控制系统的整体结构示意图； 图2是本发明具体实施例中数控弯丝机器人的整体结构示意图； 图3是本发明具体实施例中送丝机构的结构示意图； 图4是本发明具体实施例中弯丝机构的结构示意图； 图5是本发明具体实施例中换模机构的结构示意图； 图6是本发明具体实施例中切断机构的结构示意图； 图7是本发明具体实施例中转臂机构的结构示意图； 图8是本发明具体实施例中的硬件控制模块结构示意图； 图9为弯丝机器人控制电路主要元器件； 图10是本发明具体实施例中运动控制卡与伺服驱动器、直线编码器间的连线结构示意图； 图11是是本发明具体实施例中的硬件控制模块中的数控系统结构示意图。 具体实施方式[0018] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0019] 图1是本发明具体实施例的基于数控弯丝机器人的控制系统的整体结构示意图，其包括：机械结构模块和硬件控制模块，所述机械结构模块包括送丝机构、弯丝机构、换模机构、切断机构和转臂机构，所述送丝机构、弯丝机构、换模机构、切断机构和转臂机构协作进行线材输送、弯曲成形和切断工作，使得金属线材多模位弯曲的一次成形，所述硬件控制模块包括计算机、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机和机床输入、输出部分，所述硬件控制模块以运动控制卡为位置和速度控制核心，以交流伺服电机为运动执行元件，以多个传感器作为信号检测与反馈装置共同组成一个完整的控制系统。 [0020] 图2是本发明具体实施例中数控弯丝机器人的整体结构示意图，如图2所示，其中送丝结构主要包括送丝电机8和送丝装置9，用于输送线材；弯丝机构由折弯电机、弯丝头16、电滑环以及两个传动齿轮构成，用于线材的弯曲成形；换模机构主要包括换模电机3、换模轴、模头15、模位定位装置、气压缸1和两个传动齿轮，用于切换模位，以获得多种成形半径的线材零件；切断机构由剪切电机5、凸轮和杠杆剪切装置12构成，用于成形线材的剪断；转臂机构主要包括第一转臂电机7、第二转臂电机6、转臂圆盘10和转臂架19，通过两个电机的配合，可对折弯机构、换模机构和剪切机构进行空间旋转，实现线材零件的三维成形。 [0021] 本实施例中，送丝结构在本机械结构系统中的主要作用为金属线材的精确输送。图3是本发明具体实施例中送丝机构的结构示意图，如图3所示，送丝机构主要包括包括送丝电机8和与送丝电机8连接的送丝装置9，送丝装置9包括送丝主动轮302、与送丝主动轮302平行设置的送丝从动轮303、位于送丝主动轮302和送丝从动轮303之间的导丝块 304、位于送丝从动轮303一侧的压块305以及与压块305连接的送丝气压缸306。 [0022] 本发明具体实施例中，送丝主动轮302和送丝从动轮303直径相同且数量相同，比如如图1所示，送丝主动轮302和送丝从动轮303的数量均为2个，但本发明不限于此，送丝主动轮302和送丝从动轮303的数量也可以均为多个，依据实际需要可做调整。本发明具体实施例中，送丝电机8通过皮带与送丝主动轮302连接，也可以采用链条、齿轮等其他方式连接，将送丝电机8的动力传送给送丝主动轮302。送丝过程中，送丝气压缸306通过压动压块305，由压块305将送丝从动轮303压下，使金属线材与送丝主动轮302、送丝从动轮303接触，然后通过送丝电机8带动送丝主动轮302，通过与线材之间的摩擦力输送线材，其中导丝块304用于金属线材的导向以及较直。要想保证送丝长度的精度，必须避免送丝过程中线材与送丝轮之间的打滑现象，而打滑现象主要取决于线材阻力和送线力两大因素。在送线的过程中，线材将会受到各个方向的阻力，比如线材或者线材毛刺与线材通道壁之间的摩擦力，特别是在线材推弯成形的过程中，线材阻力随着金属线材推弯成形半径的变小而增大；送线力的大小主要是由送料轮与金属线材的摩擦力提供，因而可以通过改善摩擦力的大小来提高送线力的大小，机床主要通过提高送料轮与线材的压力来提高摩擦力，在气压压强不变的情况下，利用压力杠杆原理来提高送料轮与金属线材之间的摩擦力，此方法结构简单、成本较低，且可避免增加气压所带来的环境污染以及成本高等影响。本发明采用的送丝机构，加工效率高、送丝平稳并且不易产生偏差，大大提高了数控弯丝机器人的加工精度和加工效率。 [0023] 本实施例中，弯丝机构用于金属线材的弯曲成形，是整个机槭结构系统的关键部位，图4是本发明具体实施例中弯丝机构的结构示意图，如图4所示，该机构包括包括弯丝电机401、弯丝主动轮13、皮带轮17、弯丝从动轮14、弯丝头16、主轴20和气压缸1，弯丝电机401连接弯丝主动轮13，弯丝头16固定于弯丝从动轮14上，弯丝从动轮14套在主轴20上，主轴20与气压缸1连接，弯丝主动轮13由弯丝电机401带动，通过皮带轮17将动力传递到弯丝从动轮14使弯丝头16绕着主轴20旋转实现线材弯曲。本具体实施例中，还包括转臂架19，弯丝主动轮13、弯丝从动轮14、皮带轮17均位于转臂架19内并固定，主轴20穿过转臂架19，转臂架19用于容纳弯丝主动轮13、弯丝从动轮14、皮带轮17等并固定内部部件。 [0024] 具体实施例中，当金属线材送至弯丝头16上方时，气压缸1推动主轴20向上运动，弯丝头16跟随向上并旋转进行线材弯曲动作。当弯曲工序完成后，气压缸1带动弯丝头16向下运动，避免其与成形工件产生后续碰撞等其他干涉。本实施例中，弯丝精度高，弯丝效率高。 [0025] 本实施例中，换模机构的作用即为实现线材加工过程中模头15位置的切换，图5是本发明具体实施例中换模机构的结构示意图，如图5所示，换模机构包括换模电机3、换模主动轮4、换模从动轮2、主轴20、模头盘501、模头15、气压缸1、模位定位板18、定位块502和定位槽503，换模主动轮4与换模电机3连接，换模主动轮4与换模从动轮2啮合，模头15安装于模头盘501上，模头盘501与主轴20相连接，换模从动轮2固定于主轴20上，换模从动轮2上设置多个等角度分布的定位块502，在换模从动轮2的上方设置有固定于转臂架19上的模位定位板18，模位定位板18上对应定位块502的位置处开设有定位槽503，主轴20与气压缸1连接，通过气压缸1推动实现轴向的移动。具体实施例中，如图1所示，定位块502和定位槽503的数量均为4个，定位块502为四方块，定位槽503为四方孔，定位块502和定位槽503位置和形状均匹配吻合。但本发明并不限于此，定位块502和定位槽 503的数量还可以设置为其他数量，位置也可以根据实际需要设置，其形状也可以采用圆柱形、四棱锥等其他多种形状，只要定位块502和定位槽503位置和形状均匹配吻合即可。 [0026] 本发明的数控弯丝机器人的换模机构换模机构的作用即为实现线材加工过程中模头15位置的切换，加工过程中，换模电机3通过换模主动轮4将动力传送到换模从动轮2，从而带动主轴20旋转，实现换模功能。线材在折弯过程中，模头15所受扭力大，而换模电机3的功率较低，抱间力小，容易造成模头15移位和电机过载现象，影响金属线材的成形精度。为了避免此现象的发生，本机构增加定位块502与定位槽503的装置。当模头15转动至所需角度时，气压缸1启动，推动换模从动轮2上移，四方块的定位块502插入至四方槽的定位槽503中，实现换模从动轮2与模位定位板18的结合，确保主轴20不再转动，模头15位置的定位。实现模头15的精确定位，使得折弯工作可靠，精度更高。定位块502和定位槽503的数量和分布位置可以适当增减，需与模头15的转动角度相对应，使其转动至任何角度时，定位块和定位槽都能相对插入固定。 [0027] 图6是本发明具体实施例中切断机构的结构示意图，如图6所示，用于金属线材的切断。该机构主要包括包括杠杆剪切装置和偏心轮11，杠杆剪切装置包括首固件601、副首固件602、尾固件603、长管604、动刀605、铜块607和剪切电机5，首固件601、副首固件602和尾固件603将长管604固定，金属线材在长管604内移动，动刀605可绕中间支点606进行旋转运动，偏心轮11通过铜块607与动刀605相接触，剪切电机带动偏心轮11进行偏心旋转，通过铜块607将扭力传给动刀605，动刀605绕着中间支点606进行旋转，在首固件601接触处形成相对运动将成形线材剪断，图6中剪切处608即为金属线材被剪切的地方。 [0028] 本发明具体实施例中，切断机构主要用于金属线材的切断。本发明采用杠杆原理传动偏心轮，通过偏心轮的旋转形成的扭力进行线材的切断，其结构简单，输出力矩小，速度快，无毛刺，无噪音，相比用液压剪切，成本低，且不污染环境。 [0029] 图7是本发明具体实施例中转臂机构的结构示意图，如图7所示，本发明实施例中，除了弯丝机构701、换模机构702、剪断机构703、转臂架19、以外，还包括转臂机构704，转臂机构704包括转臂电机7、转臂圆盘10和配重块705，弯丝机构701、换模机构702和剪断机构703都安装在转臂架19上，转臂架19固定于转臂圆盘10上，转臂电机7与转臂圆盘10连接。 [0030] 本发明具体实施例中，转臂电机7连接并带动转臂圆盘10旋转，弯丝机构701、换模机构702和剪断机构703通过转臂架19绕着金属线材旋转完成金属线材三维成形的弯曲和剪切。为了保证整个转臂机构704的动平衡，必须在转臂圆盘10的相对侧加配重块705，通过此种方式可实现金属线材在不同平面上的弯曲成形。另外通过送丝机构、弯丝机构、换模机构和转臂机构联动可进行各类弹簧零件的弯曲成形，例如圆柱弹簧、等倾角圆锥弹簧和等节距圆锥螺旋弹簧等。 [0031] 本实施例中，图8是本发明具体实施例中的硬件控制模块结构示意图，如图8所示，PC通过通讯总线(PCI总线)与运动控制器进行通信，运动控制系统的上位机程序在PC机上运行。人机交互界面，系统参数配置，代码处理、复杂模型运算，系统运动状态的监控保护等功能由所开发软件来实现；运动控制器的功能可分为运动控制功能和I/O功能两大部分，运动控制功能通过编码器反馈通道以及脉冲输出通道与伺服驱动控制设备连接。伺服电机与驱动控制器构成一个控制回路，驱动器通过伺服电机上编码器反馈的脉冲信息，可以实现对电动机的精确控制。同时驱动器又将编码器检测到的脉冲信号通过驱动器反馈通道反馈给运动控制器，由运动控制器对该信号进行处理，调整控制信号的输出。I/O功能主要包括数字信号与模拟信号的输入输出。 [0032] 本实施例中，图9为弯丝机器人控制电路主要元器件，如图9所示，其包括：1台工控机、1张运动控制卡、5个伺服驱动器、5台伺服电机、1块端子板、2个380V转220V的三相交流变压器，2个380V转220V的直流变压器、3个分别执行220V转24V、12V和5V直流变压器，1台滤波器，4个回零限位传感器、2个感应开关、2个电磁阀、3个电磁继电器、1个电气滑环、1个送料编码器和1个手轮控制器等。本控制电路主要包括控制模块901、驱动模块902、辅助模块903以及电源供应模块904。控制模块中工控机与固高运动控制卡之间釆用PCI插槽的通讯方式进行通信。伺服模块中伺服驱动器通过信号线与控制卡的端子板连接，接受来自控制卡的指令，通过连接伺服电机编码器,接受伺服电机的反馈信号，并向伺服电机提供电源；辅助模块包括各个轴的零位传感器、位置传感器、手轮控制器以及送料轴的编码器。手轮的主要功能是利用手动控制弯丝机器人各个轴的动作；送料轴编码器通过端子板将送料轴的进给量反馈到控制卡上，从而提高送料精度电源供应模块中电源经三相滤波器，通过三相交流变压器连接伺服驱动器，通过直流变压器为工控机、运动控制卡、端子板以及滑环提供电源。滑环主要是解决旋转臂做正反两个方向无限旋转而引起电源线、信号线和气缸气管的缠绕和传输问题。本控制电路的工作原理:操作人员通过人性化的触摸屏界面，将控制指令输入工控机，工控机通过PCI总线将信号传输到控制卡上，控制卡经过运算处理，得到相应的指令信号并输出，经由端子板提高电压并传输到伺服驱动器，从而控制伺服电机，使各轴电机按照操作人员的指令运行。通过端子板的I/O通道控制电磁阀，实现折弯头与模头15的上下运动，以及送料轮的下降与上升，另外通过端子板上的I/O接口连接各个传感器，以得到各轴电机运动实时情况和实现各轴的回零功能。 [0033] 图10是本发明具体实施例中运动控制卡与伺服驱动器、直线编码器间的连线结构示意图，根据伺服控制的原理、伺服电机的性能以及实际的工作要求，拟选用的伺服电机种类为三洋P6型交流伺服电动机，驱动器为P6通用型号。本系统伺服驱动器釆用速度控制模式，速度闭环在驱动器上，位置闭环选择设在控制器上。这样既能够保证系统的位置控制精度，又可以保证电机运行时的平稳。运动控制卡与伺服驱动器、直线编码器间的连线如图10所示。 [0034] 图11是本发明具体实施例中的硬件控制模块中的数控系统结构示意图，本实施例中，运动控制卡的端子板的I/O接口采用光耦合器，又称为光电耦合隔离器。光电耦合隔离器釆用红外光作为信号转播介质，传输电信号。它的两个核心部件分别是发光二极管LED和光敏半导体。该器件实现了从电信号到光信号再到电信号的传输，由于两个电信号被中间的光信号隔离，输入和输出之间没有直接关系，故该器件抗干扰能力较强。另外由于器件内部发光元件和收光元件之间是不能互换的，故信号的传输是单向形式的，即只能从输入端向输出端传输，不能从输出端向输入端传输，避免了信号的逆向传播。端子板内部电压为5V的电源，输出则为24V电压，外部端口主要包括回零、限位、报警和复位等功能的接口。具体结构如图11。弯丝机器人数控系统总共有输入信号7个，其中包括机床传感器反馈的2个状态信号，1个急停信号以及4个原点信号。即为模头15上下位置感应信号、紧急停止按钮信号、折弯零位、换模零位、剪切零位和转臂零位；输出信号4个，其中包括状态指示信号2个，机床电器元件通电信号2个，即送料轮气缸上下控制信号、模头15上下控制信号、自动加工指示灯信号和急停指示灯信号。 [0035] 本发明提出的一种弯丝机器人硬件系统的总体设计方案，分为机械结构模块和硬件控制模块两个模块的设计来完成弯丝机器人整体硬件系统的设计。该系统硬件结构简单、实时性强、精度高等特点，能达到很好的加工精度和控制效果，具有较高的推广价值。 |
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