專利名稱：基于ipc多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于IPC多 軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外市場上的大直縫鋼管合縫機(jī)的控制大多采用的是 手動的方式控制，各輥籠軸的位置控制采用手動人工控制的方式，這種控制方式即花費(fèi) 較大的人力和時間成本、管料的合縫效率和精度不高、合縫后的管料不合工藝要求而要 求返工的現(xiàn)象時有發(fā)生、最主要的是合縫過程對主機(jī)設(shè)備沖擊非常大，影響主機(jī)的使用 壽命。鑒于目前上面種種的情況，開發(fā)出一套合縫效率和精度高、合縫質(zhì)量好，操作簡 單方便的數(shù)控系統(tǒng)為市場所期盼。目前國內(nèi)外市場上還沒有現(xiàn)成成熟的16個軸液壓伺服 同步數(shù)控系統(tǒng)，所以基于IPC (工業(yè)計(jì)算機(jī))結(jié)構(gòu)的開放式多軸(最多16軸)液壓伺服同 步控制數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)明成功將填補(bǔ)國內(nèi)外的空白。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有人工手動控制方式效率低、精度 差，操作技術(shù)要求高，手動工作時對主機(jī)設(shè)備沖擊大，影響主機(jī)使用壽命等問題，提供 一種基于IPC多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。本發(fā)明的具體方案是基于IPC多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機(jī)數(shù) 控系統(tǒng)，包括有IPC、運(yùn)動控制器、多軸(最多16軸)液壓伺服同步控制系統(tǒng)。其特 征是IPC機(jī)是運(yùn)動控制器的硬件載體，同時又是多軸液壓伺服同步控制系統(tǒng)運(yùn)行的硬 件平臺；運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)實(shí)時采集各液壓運(yùn)動裝置的運(yùn)動狀態(tài)、接受多軸液壓同步控制 軟件的運(yùn)動控制指令、并將多軸液壓同步控制軟件的數(shù)字指令轉(zhuǎn)換成電壓模擬量的方式 通過端子鏈接板輸出給各液壓執(zhí)行單元；同時運(yùn)動控制器通過端子鏈接板連接位置反饋 單元實(shí)時采集各液壓運(yùn)動裝置的位置數(shù)據(jù)；所述多軸液壓伺服同步控制系統(tǒng)包含以下單 元人機(jī)界面模塊，是將各液壓運(yùn)動裝置的運(yùn)動狀態(tài)以實(shí)時圖形的方式直觀地表現(xiàn) 出來使操作者能很直觀地了解該機(jī)床各液壓運(yùn)動裝置當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)，接受用戶數(shù)據(jù)編 程和控制指令，同時提供報警消息功能；機(jī)床運(yùn)行核心邏輯模塊類似于一個嵌入式的軟PLC模塊，它采用固定的時間周 期掃描機(jī)床設(shè)備邏輯，并以消息通知的方式與人機(jī)界面模塊、多軸液壓伺服同步控制內(nèi) 核模塊進(jìn)行交互；多軸液壓伺服同步控制內(nèi)核模塊，是根據(jù)各液壓運(yùn)動裝置的運(yùn)動狀態(tài)做出相應(yīng) 運(yùn)算控制并實(shí)時向運(yùn)動控制器給出數(shù)字指令，根據(jù)用戶提供的各液壓運(yùn)動裝置同步需求 做出與之相對應(yīng)同步控制處理；運(yùn)動控制器C語言控制接口函數(shù)模塊起到鏈接多軸液壓伺服同步控制內(nèi)核模塊 和運(yùn)動控制器驅(qū)動模塊的作用，主要是為了避免模塊直接調(diào)用運(yùn)動控制器驅(qū)動模塊的功 能函數(shù)而使整個系統(tǒng)的可維護(hù)性變得較差的一種軟件工藝，將運(yùn)動控制器驅(qū)動模塊的功 能函數(shù)重新包裝并獨(dú)立打包成通用、規(guī)范的借口模塊，既符合軟件的設(shè)計(jì)規(guī)范，同時可 提高整個系統(tǒng)的可維護(hù)性；
運(yùn)動控制器驅(qū)動模塊嵌入在windows操作系統(tǒng)中的軟件模塊，它的作用是使 windows操作系統(tǒng)能夠識別運(yùn)動控制器這種硬件的存在，同時使該硬件能發(fā)揮相應(yīng)的作用 提供軟件支撐；嵌入式高精度實(shí)時系統(tǒng)模塊是嵌入在windows操作系統(tǒng)中的軟件模塊，它為人 機(jī)界面模塊、機(jī)床運(yùn)行核心邏輯模塊、多軸(最多16軸)液壓伺服同步控制內(nèi)核模塊提 供時間定時服務(wù)，使上述的幾個模塊具有在固定的時間周期中執(zhí)行相關(guān)事務(wù)的能力。本發(fā)明數(shù)控系統(tǒng)中還加入了一個全手動的控制模式，用戶通過旋扭開關(guān)選擇相 應(yīng)的某個軸，就可以實(shí)現(xiàn)該軸的單獨(dú)調(diào)整。本發(fā)明具有以下特點(diǎn) 1.可控軸數(shù)多，單軸的定位精度高，多個軸同步性能優(yōu)異。本數(shù)控系統(tǒng)理論上 可最多控制16個全閉環(huán)的伺服軸，數(shù)控系統(tǒng)為每個單軸配備了一套運(yùn)動控制參數(shù)，用戶 可以根據(jù)每個單軸的運(yùn)動裝置的類型來單獨(dú)調(diào)整該軸的運(yùn)動控制參數(shù)，從而可以使該軸 達(dá)到最佳的運(yùn)動狀態(tài)和最好的控制精度。16個控制軸同步采用的是主從式同步設(shè)計(jì)方 案，也就是說將一個軸設(shè)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(shù)位置同步跟隨誤差。位置同步跟隨誤差就是在某一時刻數(shù)控系 統(tǒng)將當(dāng)前從軸的實(shí)際位置和系統(tǒng)設(shè)定主軸的實(shí)際位置值相比較后計(jì)算出來的值。數(shù)控系 統(tǒng)會根據(jù)位置同步跟隨誤差建立起一套完整的控制算法，計(jì)算的結(jié)果反饋到當(dāng)前從軸的 電壓輸出值，達(dá)到控制當(dāng)前從軸運(yùn)行速度，從而達(dá)到從軸和主軸位置同步的控制效果。 由于在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部嵌入了一個高精度的實(shí)時模塊，該實(shí)時模塊的定時分辨率為0.005 秒，也就是說數(shù)控系統(tǒng)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， 并根據(jù)誤差的情況相應(yīng)地調(diào)整從軸的運(yùn)行速度。所以說優(yōu)化的同步控制算法和高精度的 實(shí)時模塊保證了數(shù)控系統(tǒng)在16個軸在位置同步方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。2.適用性廣，應(yīng)用靈活。在大多數(shù)應(yīng)用液壓控制的運(yùn)動機(jī)構(gòu)中，需要不多與16 個軸位置同步的機(jī)床設(shè)備都可以適合使用本數(shù)控系統(tǒng)來控制，特別是在重型和大型的液 壓裝備的控制領(lǐng)域?qū)懈蟮膽?yīng)用空間。由于本系統(tǒng)同步控制參數(shù)配置文件是基于文 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(yīng)用非常靈活。用戶可以根 據(jù)不同的運(yùn)動控制對象而采取互不相同的運(yùn)動控制參數(shù)和同步控制參數(shù)，到達(dá)不同的運(yùn) 動控制對象同步運(yùn)動的目的。3.性價比極高，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。4.穩(wěn)定可靠，可維護(hù)性好。在16個控制軸的同步過程中，系統(tǒng)提供一個接口供 用戶設(shè)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(dāng)數(shù)控系統(tǒng)檢測到位 置同步跟隨誤差超過用戶設(shè)定最大的位置同步跟隨誤差時，數(shù)控系統(tǒng)會發(fā)出機(jī)床運(yùn)動出 錯信號并停止所有軸的運(yùn)動。而當(dāng)位置同步跟隨誤差小于用戶設(shè)定最大的位置同步跟隨 誤差同時又大于位置同步跟隨誤差報警誤差時，數(shù)控系統(tǒng)只會發(fā)出一個報警信號，用戶 根據(jù)這個信號自行視情況處理。由于系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)都是基于模塊化的，系統(tǒng) 的軟件升級和維護(hù)非常的方便快捷，硬件則都是基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的組件，硬件的升級和替 換則同樣的方便快捷，從而在整體上提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。5.本發(fā)明特別適合用于大直縫鋼管合縫機(jī)上，其操作方便、控制精度高、工作 穩(wěn)定、效率高，可提高主機(jī)的使用壽命。

圖1是本發(fā)明數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的數(shù)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1，本發(fā)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(tǒng)、IPC (工業(yè)計(jì)算機(jī))、運(yùn)動控制器、端子鏈接板、液壓執(zhí)行單元和位置反饋單 元。多軸液壓伺服同步控制軟件是運(yùn)行在用戶態(tài)的Windows程序。IPC (工業(yè)計(jì)算機(jī)) 是運(yùn)動控制器的硬件載體，也是多軸液壓伺服同步控制(軟件)系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺。運(yùn) 動控制器是基于PCI接口多軸運(yùn)動控制器，負(fù)責(zé)實(shí)時處理各液壓運(yùn)動裝置的運(yùn)動狀態(tài)和 接受從多軸液壓伺服同步控制軟件發(fā)出的運(yùn)動控制指令、并將指令從端子鏈接板輸出到 液壓執(zhí)行單元。端子鏈接板用于建立IPC和液壓執(zhí)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(zhí)行單元則是接受多軸液壓伺服同步控制軟件控制指令 并完成指令任務(wù)，而位置反饋單元則是將液壓油缸的行程實(shí)時反饋到多軸液壓伺服同步 控制(軟件)系統(tǒng)。多軸液壓伺服同步控制(軟件)系統(tǒng)還包含以下模塊(參見圖2)人機(jī)界面模 塊、機(jī)床運(yùn)行核心邏輯模塊、多軸液壓伺服同步控制內(nèi)核模塊、運(yùn)動控制器C語言控制 接口函數(shù)模塊、運(yùn)動控制器驅(qū)動模塊、嵌入式高精度實(shí)時系統(tǒng)模塊。人機(jī)界面模塊將各 液壓運(yùn)動裝置的運(yùn)動狀態(tài)以實(shí)時圖形的方式直觀地表現(xiàn)出來使操作者能很直觀地了解該 機(jī)床各液壓運(yùn)動裝置當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)，接受用戶數(shù)據(jù)編程和控制指令，同時提供報警消 息功能。機(jī)床運(yùn)行核心邏輯模塊類似于一個嵌入式的軟PLC模塊，它采用固定的時間周 期掃描機(jī)床設(shè)備邏輯，并以消息通知的方式與HMI、多軸液壓伺服同步控制內(nèi)核模塊進(jìn) 行交互。多軸液壓伺服同步控制內(nèi)核模塊根據(jù)各液壓運(yùn)動裝置的運(yùn)動狀態(tài)做出相應(yīng)運(yùn)算 控制并實(shí)時向運(yùn)動控制器給出數(shù)字指令，根據(jù)用戶提供的各液壓運(yùn)動裝置同步需求做出 與之相對應(yīng)同步控制處理。運(yùn)動控制器驅(qū)動模塊起到鏈接多軸液壓伺服同步控制內(nèi)核模 塊和運(yùn)動控制器驅(qū)動模塊的作用，主要是為了避免多軸液壓伺服同步控制內(nèi)核模塊直接 調(diào)用運(yùn)動控制器驅(qū)動模塊的功能函數(shù)而使整個系統(tǒng)的可維護(hù)性變得較差而采用的一種軟 件工藝，將運(yùn)動控制器驅(qū)動模塊的功能函數(shù)重新包裝并獨(dú)立打包成通用、規(guī)范的借口模 塊，既符合軟件的設(shè)計(jì)規(guī)范，同時可提高整個系統(tǒng)的可維護(hù)性。運(yùn)動控制器驅(qū)動模塊嵌 入在Windows操作系統(tǒng)中的軟件模塊，它的作用是使Windows操作系統(tǒng)能夠識別運(yùn)動控 制器這種硬件的存在，同時使該硬件能發(fā)揮相應(yīng)的作用提供軟件支撐。嵌入式高精度實(shí) 時系統(tǒng)模塊也是嵌入在Windows操作系統(tǒng)中的軟件模塊，它為人機(jī)界面模塊、機(jī)床運(yùn)行 核心邏輯模塊、多軸液壓伺服同步控制內(nèi)核模塊提供時間定時服務(wù)，使上述的幾個模塊 具有在固定的時間周期中執(zhí)行相關(guān)事務(wù)的能力。本發(fā)明 專利的關(guān)鍵組件有多軸液壓伺服同步控制(軟件)系統(tǒng)、IPC (工業(yè)計(jì) 算機(jī))和運(yùn)動控制器。多軸液壓伺服同步控制軟件提供有64點(diǎn)的數(shù)字量輸入接口和64點(diǎn) 的數(shù)字量輸出接口、16個可控軸的全閉環(huán)模擬量輸出接口、每路計(jì)數(shù)頻率高達(dá)512KHZ 的8路增量式編碼器接口，分辨率高達(dá)12位的8路模擬量輸入接口、機(jī)床液壓組件狀態(tài)圖形監(jiān)控功能、大直縫鋼管管料進(jìn)出運(yùn)動控制與圖形監(jiān)視功能、13個液壓伺服油缸運(yùn)動 的同步控制與圖形監(jiān)視功能、大直縫鋼管合縫專家系統(tǒng)、機(jī)床運(yùn)動數(shù)據(jù)在線和離線編程 功能、運(yùn)動控制器運(yùn)動控制參數(shù)編輯和機(jī)床物理參數(shù)編輯功能、機(jī)床本身的狀態(tài)監(jiān)視功 能和機(jī)床報警與出錯消息提示功能。IPC (工業(yè)計(jì)算機(jī))作為多軸液壓同步控制軟件系統(tǒng) 運(yùn)行平臺和運(yùn)動控制器的硬件搭載平臺，它采用Intel P4 CPU (中央處理器)，運(yùn)行的操作 系統(tǒng)為Windows 2000,同時提供10個PCI插槽無源底板供運(yùn)動控制器安裝固定。運(yùn)動 控制器可實(shí)現(xiàn)高速的點(diǎn)位運(yùn)動，其核心由DSP(數(shù)字信號處理器)和FPGA(現(xiàn)場可編程 門陳列)組成，可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制 計(jì)算。運(yùn)動控制器提供C語言控制函數(shù)，多軸液 壓同步控制軟件將這些控制函數(shù)與本數(shù)控系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等 程序模塊集成在一起。本發(fā)明在大直縫鋼管合縫機(jī)上獲得成功應(yīng)用。大直縫鋼管合縫機(jī)的13個軸(本發(fā)明數(shù)控系統(tǒng)有16軸控制，則在實(shí)施例中空出 3個軸)按一定工藝要求安裝在一個環(huán)形機(jī)械基座上，生產(chǎn)工藝要求13個軸同時向環(huán)形 機(jī)械基座的圓心方向作同步運(yùn)動。無論是在機(jī)床在合縫時向下運(yùn)動的工進(jìn)過程，還是機(jī) 床合縫完成松開后向上運(yùn)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(huán)形機(jī)械基座的圓心保持重合，因?yàn)樵擖c(diǎn)就是大直縫鋼 管的管心。機(jī)床開機(jī)運(yùn)行后首先要求用戶執(zhí)行手動的找零功能，只有系統(tǒng)找零成功后， 機(jī)床才能執(zhí)行其他的控制功能。在生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)提供了在線和離線兩種數(shù)據(jù)編程方 式，數(shù)據(jù)編程功能要求用戶輸入當(dāng)前管料與數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)有關(guān)的一些工藝數(shù)據(jù)和管料的 材質(zhì)信息。比如管料的內(nèi)徑、壁厚、材質(zhì)、長度等等。數(shù)控系統(tǒng)會根據(jù)這些確認(rèn)后的數(shù) 據(jù)自動計(jì)算產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)行的控制數(shù)據(jù)，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。對于有些管料在成型工藝階段管型不是很理想，如果機(jī)床在自動模式下按 編程數(shù)據(jù)進(jìn)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(dú)對某一個 軸進(jìn)行調(diào)整。所以系統(tǒng)提供了一個全手動的控制模式，用戶通過旋鈕開關(guān)選擇相應(yīng)的某 個軸，就可以實(shí)現(xiàn)一個軸的單獨(dú)調(diào)整。從而達(dá)到合攏的管縫在合縫階段符合工藝要求的 管縫。應(yīng)用情況表明本發(fā)明數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行控制狀態(tài)良好，機(jī)床在重復(fù)定位精度和同 步控制精度這兩個最重要的參數(shù)指標(biāo)方面全部達(dá)到用戶的要求。重復(fù)定位精度可達(dá)到 0.05mm，同步控制精度可達(dá)到0.15mm。
權(quán)利要求
1.基于IPC多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，包括有IPC、運(yùn)動 控制器、多軸液壓伺服同步控制系統(tǒng)，其特征是IPC機(jī)是運(yùn)動控制器的硬件載體，同 時又是多軸液壓伺服同步控制系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺；運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)實(shí)時采集各液壓運(yùn) 動裝置的運(yùn)動狀態(tài)、接受多軸液壓同步控制軟件的運(yùn)動控制指令、并將多軸液壓同步控 制軟件的數(shù)字指令轉(zhuǎn)換成電壓模擬量的方式通過端子鏈接板輸出給各液壓執(zhí)行單元；同 時運(yùn)動控制器通過端子鏈接板連接位置反饋單元實(shí)時采集各液壓運(yùn)動裝置的位置數(shù)據(jù)； 所述多軸液壓伺服同步控制系統(tǒng)包含以下單元人機(jī)界面模塊，是將各液壓運(yùn)動裝置的運(yùn)動狀態(tài)以實(shí)時圖形的方式直觀地表現(xiàn)出來 使操作者能很直觀地了解該機(jī)床各液壓運(yùn)動裝置當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)，接受用戶數(shù)據(jù)編程和 控制指令，同時提供報警消息功能；機(jī)床運(yùn)行核心邏輯模塊類似于一個嵌入式的軟PLC模塊，它采用固定的時間周期掃 描機(jī)床設(shè)備運(yùn)行邏輯，并以消息通知的方式與HMI人機(jī)界面模塊、多軸液壓伺服同步控 制內(nèi)核模塊進(jìn)行交互；多軸液壓伺服同步控制內(nèi)核模塊根據(jù)各液壓運(yùn)動裝置的運(yùn)動狀態(tài)做出相應(yīng)運(yùn)算控制 并實(shí)時向運(yùn)動控制器給出數(shù)字指令，根據(jù)用戶提供的各液壓運(yùn)動裝置同步需求做出與之 相對應(yīng)同步控制處理；運(yùn)動控制器C語言控制接口函數(shù)模塊起到鏈接多軸液壓伺服同步控制內(nèi)核模塊和運(yùn) 動控制器驅(qū)動模塊的作用，主要是為了避免模塊直接調(diào)用運(yùn)動模塊的功能函數(shù)而使整個 系統(tǒng)的可維護(hù)性變得較差的一種軟件工藝，將運(yùn)動模塊的功能函數(shù)重新規(guī)劃并獨(dú)立打包 成通用、規(guī)范的接口模塊，既符合軟件的設(shè)計(jì)規(guī)范，同時可提高整個系統(tǒng)的可維護(hù)性；運(yùn)動控制器驅(qū)動模塊嵌入在windows操作系統(tǒng)中的軟件模塊，它的作用是使windows 操作系統(tǒng)能夠識別運(yùn)動控制器這種硬件的存在，同時使該硬件能發(fā)揮相應(yīng)的作用提供軟 件支撐；嵌入式高精度實(shí)時系統(tǒng)模塊是嵌入在windows操作系統(tǒng)中的軟件模塊，它為人機(jī)界 面模塊、機(jī)床運(yùn)行核心邏輯模塊、多軸液壓伺服同步控制內(nèi)核模塊提供時間定時服務(wù)， 使上述的幾個模塊具有在固定的時間周期中執(zhí)行相關(guān)事務(wù)的能力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IPC多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機(jī)數(shù)控系 統(tǒng)，其特征是數(shù)控系統(tǒng)中加入了一個全手動的控制模式，用戶通過旋扭開關(guān)選擇相應(yīng) 的某個軸，就可以實(shí)現(xiàn)該軸的單獨(dú)調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明是基于IPC多軸液壓伺服同步控制的大直縫鋼管合縫機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，包括有IPC、運(yùn)動控制器、多軸液壓伺服同步控制系統(tǒng)，其特征是IPC機(jī)是運(yùn)動控制器的硬件載體，同時又是多軸液壓伺服同步控制系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺；運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)實(shí)時采集各液壓運(yùn)動裝置的運(yùn)動狀態(tài)、接受多軸液壓同步控制軟件的運(yùn)動控制指令、并將多軸液壓同步控制軟件的數(shù)字指令轉(zhuǎn)換成電壓模擬量的方式通過端子鏈接板輸出給各液壓執(zhí)行單元；同時運(yùn)動控制器通過端子鏈接板連接位置反饋單元實(shí)時采集各液壓運(yùn)動裝置的位置數(shù)據(jù)；本發(fā)明解決了現(xiàn)有人工手動控制方式效率低、精度差，操作技術(shù)要求高，手動工作時對主機(jī)設(shè)備沖擊大，影響主機(jī)使用壽命等問題，特別適合于大直縫鋼管合縫機(jī)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(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者萬家嗣, 周紅祥, 易振明, 曾剛, 毛文豐 申請人:湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司