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2 0 1 1 年 6月 第 3 9卷 第 l 2期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u n ． 2 0 1 1 V0 l _ 3 9 No ．1 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 2 ． 0 2 4 基于单片机和 P L C的母线折弯机控制系统设计 代 杰 ，樊瑜瑾 ，孙宏德 1 ．昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 6 5 0 0 9 3 ； 2 ．昆明昆开专用数控设备有限责任公司，云南昆明 6 5 0 1 0 6 摘要为提高母线折弯成形精度 ，消除回弹的影响，设计一种带有折弯角度实时监测并具有回弹 自动补偿功能的母线 折弯机控制系统。该系统充分利用了单片机数据采集能力强以及 P L C作为逻辑控制器可靠性高的特点，分别采用两片 5 1 系列单片机作为角度数据的采集器及一台三菱 F X 1 S系列 P L C作为机床的逻辑控制器。并通过 R S 2 3 2串口将数据传给上位 P c机及采用 V B 6 ． 0软件进行编程 ，能方便地实现各种回弹补偿控制方案。装机调试结果表明，该系统运行 良好。 关键词母线折弯机；单片机；P L C ；R s 2 3 2串口 中图分类号 T P 2 7 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 2 0 7 0 4 De s i g n o f Bu s Ba r B e n d i n g M a c h i n e Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n S i n g l e - c h i p a n d P LC D A I J i e ，F A N Y u j i n ，S U N H o n g d e 1 ． K u n m i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，K u n m i n g Y u n n a n 6 5 0 0 9 3 ，C h i n a ； 2 ． K u n mi n g K u n k a i S p e c i a l i z e d C N C E q u i p me n t C o ． L t d ． ，K u n mi n g Y u n n a n 6 5 0 1 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T o i mp r o v e t h e p r e c i s i o n o f a n g l e c o n t r o l l i n g o f b u s b a r b e n d i n g ma c h i n e a n d t o e l i mi n a t e t h e i n fl u e n c e s c a u s e d b y s p ri n g b a c k，a b u s b a r b e n d i n g c o n t r o l s y s t e m wi t h r e a l - t i me i n s p e c t i o n a n d s p rin g b a c k c o mp e n s a t i o n wa s d e s i g n e d ． T h e e h a r a c t e r i s t i c s o f s t r o n g d a t a c o l l e c t i n g a b i l i t y o f s i n g l e - c h i p a n d h i g h r e l i a b i l i t y o f P L C a s l o g i c a l c o n t r o l l e r w e r e f u l l y u s e d i n t h e s y s t e m． T w o MCS - 5 1 s i n g l e c h i p s we r e a d o p t e d a s t h e a n g u l a r a c q u i s i t i o n d e v i c e a n d o n e MI T S UB I S H F X1 S s e rie s P L C wa s u s e d a s t h e c o n t r o l l e r o f t h e b u s b a r b e n d i n g ma c h i n e ． A n gu l a r s i g n a l s we r e tra n s mi t t e d t o t h e u p p e r P C w i t h RS 2 3 2 s e ri a l p o r t ， a n d t h e s o f t w are w a s p r o 一 a mme d wi t h VB 6 ． 0，a n d t h e s p ri n g b a c k c o mp e n s a t i o n wi t h d i f f e r e n t b e n d i n g s t r a t e g i e s c o u l d b e e a s i l y r e a l i z e d ． T e s t r u n r e s u l t s h o w s t h e d e s i g n e d b e n d i n g c o n t r o l s y s t e m p e r f o r ms we l 1 ． Ke y wo r d s Bu s b a r b e n d i n g ma c h i n e；S i n g l e c h i p ； P L C； R S 2 3 2 s e r i a l p o rt 随着高低压电器、变压器制造行业 的迅速发展， 对铜、铝母线需求越来越大，加工种类越来越多，对 母线折弯加工的精度与效率都提出了较高的要求。由 于母线弯曲成形 时，其横截面上不但存在塑性变形 区，还存在弹性变形区，因此 ，卸载之后母线不可避 免地存在 回弹现象，即母线弯曲半径增大弯曲角减 小 。图 1是 以某 公 司生成 的 K J W3 0 3 S型 液压母 线折 弯机为原型 ，运用 A N S Y S 1 0 ． 0有限元分析软件，对 9 ． 9 m m铜材料母线折弯加工过程进行模拟分析的情 况。可看出，铜母线在折弯加工时回弹前后的角度值 相差4 。 左右。所以，回弹是影响折弯成形精度的关 键 因素 卜 。 M X 00 3 80 2 ⋯⋯0 1 14 06 ⋯⋯ ． 0 1 90 1 ⋯0 2 66 14 。⋯。 ．0 3 1 21 7 ． 90 3 34 9 0 1 00 4 6 01 67 4 3 0 2 34 4 0 30 1 37 a 回弹前位移分布 b 回弹后位移分布 图1 A N S Y S 模拟折弯成形示意图 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 0 4 基金项目科技人员服务企业行动资助项目 2 0 0 9 G J F 3 0 0 1 2 作者简介代杰 1 9 8 1 一 ，男，硕士研究生，研究方向为塑性弯曲理论研究及折弯机控制系统开发。通信作者樊瑜瑾 ， 电话 1 5 6 8 7 8 8 4 3 5 5 ，Em a i l d a i j i a _ 7 6 1 2 6 ． 3 0 1 1 1 。 第 1 2 期 代杰 等基于单片机和 P L C的母线折弯机控制系统设计 7 1 目前 ，国内传统的母线折弯加工设备多为手动或 半 自动控制 ，通过手动测量折弯角度及反复调整机床 设置来控制母线的折弯精度 ，在大批量的母线折弯加 工中无法确保每一根母线的折弯角度都满足精度要 求 ，在小批量加工中反复调整机床设置也降低了加工 效率。现介绍一种基于单片机和P L C的母线折弯控 制系统。该控制系统能实时监测母线折弯加工时的角 度值 ，并通过 P C机对采集到的实时角度数据进行处 理，根据各种回弹补偿控制方案计算出回弹补偿量 ， 然后将控制信号作用到 P L C以完成一次精确的折弯 动作。 1 系统总体设计方案 该控制系统的设计思路是在母线折弯加工过程 中对母线角度进行实时监控，系统主要 由三大功能 模块组成 分析处理数据的计算判断模块 、实时采 集母线折弯角度数据的数据采集模块及控制机床动 作执行的执行模块 。分析处理数据的计算判断模块 作为系统的核心由一台 P C机构成 ，选用 V B 6 ． 0作 为编程软件 ，其作用主要是分析处理单片机采集 的 角度数据并根据控制方案向 P L C发出控制信号控制 机床动作 的执行 ；同时 P c机作 为人机交互界 面， 还负责进行各种折弯参数 的输入。实时采集母线折 弯角度数据的数据采集模块 由旋转编码器及单片机 构成 。选用韩 国 A u t o n i c s 公 司生产 的 E 4 0 S 6 - 3 6 0 0 ． 3 ． N - 2 4型增量式编码器作为角度编码器用以产生角度 脉冲信号。选用 了 A T M E L公 司生产的 A T 8 9 S 5 2型 单片机 ，其作用是 1 采集旋转编码器输出的 角度脉冲信号 ； 2 作为 P C机的下位机接收 P C机 的指令并将采集 的角度数据传送至 P C机。控制机 床动作执行的执行模块由一台 P L C构成，选用三菱 公司生产 的 F X 1 S - 3 0 MT -O 0 1型 P L C，接收 P C机 的 指令并控制机床动作的执行。系统的总体结构框 图 如 图 2所示 。 厂 亓⋯ 一 ⋯ ] P C 机 V B 6 ． 0 1 左 半 角 旋 l l 右 半 角 旋 图2 系统总体结构框图 2系统硬件设计 2 ． 1 角度数据采集电路 数据采集模块 主要 由 左右两个旋转编码器及两 片单片机构成。为 了采集 到高精度的角度数据，系 统选用 了韩 国 A u t o n i c s公 司生 产 的 E 4 0 S 6 - 3 6 0 0 - 3 ． N ． 2 4型 编码 器 。该 编码 器 为 增量型旋转编码器，角度 分辨率 为 0 ． 1 。 ，输 出特性 为集 电极开路输 出，输出 信号为 A、B 、z三相脉冲 信号，输 出波形如图 3所 H L iZ T I ； H L L L上 b B 相 c Z 相 图 3 编码器输出波形 ⋯O 角度计数的原理为通过编码器输出脉冲的数量来 计算旋转的角度 ，并由A、B两相信号的相位关系来 判断旋转的方向。角度计数的逻辑关系为若 A相 从低电平到高电平的跳变在前 ，而 B相从低 电平到 高电平的跳变在后，则产生一次顺时针方向的脉冲计 数。若反之，则产生一次逆时针方向的脉冲计数。 选用 A T ME L 公司生产的 A T 8 9 S 5 2型单片机作为 角度计数脉冲的信号采集芯片 。A T 8 9 S 5 2是一种 低功耗 、高性能 C M O S 8位微控制器 ，具有 3 个 l 6位 定时器／ 计数器和全双工 串行 口。系统 中使用了芯片 的定时器2对旋转编码器的角度脉冲进行计数。定时 器 2是一个 1 6位定时／ 计数器 ，其既可以做定时器 ， 又可以做事件计数器。将其作为计数器并工作在上下 计数模式时可直接对编码器输出的脉冲信号进行计 数。定时器 2的计数原理为 芯片的 T 2 E X引脚控制 着计数的方向。T 2 E X上的一个逻辑 1使得定时器 2 向上计数 ；T 2 E X上的一个逻辑 0使得定时器 2向下 计数。在接 口电路中，将编码器的 A相与 B相信号 分别与定时器 2的计数端及 T 2 E X端相连。数据采集 电路如图 4所示 。 CC A B Z ND kQ T 2 VC T2 E X E A ／ V P P I NT 0 xT 札 2 1 6 - 3 6 0 0 - 3 - N- 2 4E 4 0 S 6 - 3 6 0 0 - 3 N- 2 4 芦 T il l 『‘I X T AL l GND 图4 数据采集电路 圃于 L 一 ～一一微 一 儿 一 一一 一数 ～ 7 2 机床与液压 第 3 9卷 2 ． 2 RS 2 3 2接 口电路 A T 8 9 S 5 2型单片机将采集到的角度脉冲数据通过 R S 2 3 2串口 - s ] 传送至 P c机中。由于单片机的串E l 工作在 1 T r L电平而与 R S 2 3 2的电气特性不兼容 ，所 以，选用了 MA X 2 3 2 E P E芯片作为单片机与 P c机接 口电路的电气性能转换芯片。R S 2 3 2接口电路如图 5 所示 。 SV M AX23 2EPE 图 5 R S 2 3 2接口电路 2 ． 3 P L C连接 电路 P L C用于控制母线折弯机械动作的执行 ，该系统 选用三菱公司生产的 F X 1 S - 3 0 M T - O 0 1型 P L C ，具有 3 0个 I ／ O点，其中包括 1 6个输入点和 1 4个输出点。 该系列的 P L C具有结构紧凑、功能丰富、性价 比高 的特点 ，能完全满足该系统要求实现的所有控制功 能 。由于母线折弯机在控制上有其 自身的特点， 其折弯动作主要 由电磁换向阀控制液压油缸来带动折 弯模具，所以系统 中 P L C主要 的控制点为两个三 位四通电磁换向阀的电磁铁线圈及控制旋转编码器复 位的电磁铁线圈。系统中P L C还作为 P C机的下位机 接收 P C机对其发出的控制指令，并通过 F X 1 S系列 P L C 自身带 有 的 R S 4 2 2串行 口来 实 现 与 P C机 的通 信 。 3系统软件设计 3 ． 1 单片机 固件程序 单片机固件程序实现角度数据的采集 、存储 、校 验和通信等功能。在系统中，单片机作为下位机一直 处于待命状态 ，等待 P c机发出的控制指令。当接收 到 P c机要求读取角度脉冲数据的指令时，单片机开 始读取定时器 2的计数值。由于定时器 2为 1 6位计 数器而 A T 8 9 S 5 2单片机单次只能处理 8位数据，所 以需要分两步对 1 6 位计数器值进行读取。首先取 l 6 位计数器值的低 8位放入存储器 D a t a[ 1 ] 中，然后 取 1 6位计数值的高 8 位放入存储器 D a t a[ 2 ]中以完 成一次计数器值的采样。由于在采样过程 中定时器 2 一 直处于动态计数状态，为了确保采样数据 的可靠 性，还需要对该 l 6位计数器值进行第二次采样。第 二次采样的过程与第一次采样相同，即将 1 6位计数器 值的低 8 位与高 8 位分别放入存储器 C h e c k D a t a[ 1 ] 与 C h e e k D a t a[ 2 ]中。然后通过对前后两次采样值进 行比较来判断采样值是否可靠。若前后两次采样值一 致，则说明采样值可靠并通过串行 口将数据发送至 P c 机；若前后两次采样值不一致，则按上述步骤再次采 样。实现上述角度数据采样的主要 C 5 1 程序代码如下 S w i t c h r e c e i v e d d a t a [ 0 ] ／ ／ 上位机指令入口 { c a s e 0 x 4 4 ／ ／ 上位机取数指令 j r e c e i v e d d a t a [ 1 ] ； kr e c e i v e d d a t a [ 2 ] ； k j k ； ／ ／ 数据报文和校验 i f r e c e i v e d d a t a [ 4 ]0 x 2 3 ＆ r e c e i v e d d a t a [ 3 ] k ／ ／ 验证和校验数据 { s e n d d a t a [ 0 ] r e c e i v e d d a t a [ 0 ] ； ／ ／ 数据报 文 固定格式 s e n d d a t a [ 1 ]T L 2 ； ／ ／ 定时器 2低 8位数 据初次采样 s e nd d a t a [ 2 ] T H 2 ； ／ ／ 定时器 2高 8位数 据初次采样 c h e c k d a t aL T L 2 ； ／ ／ - - 次采样 c h e c k _d a t aH T H 2 ； ／ ／ Z． 次采样 s e n d d a t a [ 4 ] 0 x 2 3 ； ／ ／ 数据报文固定格式 w h i l e s e n d d a t a [ 1 ]c h e c k d a t a L s e n d d a t a [ 2 ] c h e c k _ d a t a H ／ ／ 校验采样数据 { s e n d d a t a [ 1 ] T L 2 ； ／ ／ 重复采样 s e n d d a t a [ 2 ] T H 2 ； ／ ／ 重复采样 c h e c k d a t aL T L 2 ； ／ ／ 重复采样 c h e c k d a t aH T H 2 ； ／ ／ 重复采样 } s e n d d a t a [ 3 ]s e n d d a t a [ 1 ]s e n d d a t a [ 2 ] ； ／ ／ 数据报文和校验 f o r i 0 ； i 补 偿 量 设 定 值 ／ 土 主液压缸后退动作 三 兰 ／ l Y 测量母线折弯角度 折弯完成 图 6 主程序框 图 3 ． 3 P L C控制程序 该系统采用 国产 的三菱 P L C编 程软件 F X G P - WI N ． C编制 P L C的控制程序。由于母线折弯加工工 艺由固定的一系列动作流程组成，所以程序中使用了 S F C步进梯形图指令 ，并按照母线折弯加工工艺流程 来编制 S F C的每一步程序。上位机对 P L C的控制则 是根据 S F C中两个相邻程序步之间的转移条件通过 继电器进行强制来实现的。 4结语 该系统基于单片机和 P L C ，利用单片机和旋转编 码器采集母线折弯加工的实时角度数据，精确测量了 母线折弯加工过程中产生的回弹，并通过回弹补偿有 效地控制了母线折弯成形精度。该系统在某公司配机 试运行的结果表明该系统运行可靠，母线折弯过程 中的实时角度测量精度达到 0 ． 1 。 ，任意一根母线单 次折弯成形角度控制精度达到 0 ． 3 。 ，提高了母线折 弯加工的精度与效率。 参考文献 【 1 】 余同希 ， 章炽亮． 塑性弯曲理论及其应用 [ M] ． 北京 科 学 出版社 ， 1 9 9 2 ． 【 2 】 希尔． 塑性数学理论[ M] ． 王仁， 等 ， 译． 北京 科学出版 社 ， 1 9 6 6 ． 【 3 】张冬娟． 平面应变板料拉弯成形回弹理论分析 [ J ] ． 工 程力学， 2 0 0 7 ， 2 4 7 6 6 7 1 ． 【 4 】宋浩， 田丰． 单片机原理及应用[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】 林祝亮， 武林 ， 杨金华． 基于双单片机的多路数据采集系 统设计[ J ] ． 仪器仪表学报， 2 0 0 6 ， 2 7 6 1 3 21 3 4 ． 【 6 】张鑫． 基于 E M 7 8 P 4 5 8 单片机的超低功耗数据采集器设 计[ J ] ． 电力自动化设备， 2 0 0 6 ， 2 6 7 6 6 6 8 ． 【 7 】李光亚． 分布式 控制系统中单 片机的串行通 讯设计 [ J ] ． 中北大学学报 自然科 学版， 2 0 0 7 ， 2 8 s 1 6 3 6 5． 【 8 】 金卫民． V C下利用串口进行数据通讯的研究[ J ] ． 计算 机工程与设计 ， 2 0 0 3 ， 2 4 1 2 1 2 01 2 2 ． 【 9 】 杨青杰． 三菱 F X系列 P L C应用系统设计指南 [ M] ． 北 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 1 O 】陈苏波． 三菱 P L C快速入门与实例提高[ M] ． 北京 人 民邮电出版社， 2 0 0 8 ． 【 1 1 】高 潮， 罗强， 郭永彩 ， 等． 用 V i s u a l C实现 P c与 P L C之间的串行通讯[ J ] ． 重庆大学学报 自然科学版， 2 0 0 6 ， 2 9 6 1 9 2 2 ． 【 1 2 】黄俊杰， 毛晓波， 黄运峰． 基 于可编 程逻辑阵列的 R S 2 3 2至 R S 4 2的串行 口扩展电路[ J ] ． 国外电子元器 件， 2 0 0 4 6 6 8 ． 【 1 3 】 祁建广 ， 李宝营， 孙玉明． 基于 V B 6 ． 0的多路数据采集 与处理系统 [ J ] ． 大连工业大学学报， 2 0 0 9 ， 2 8 1 515 3． 【 1 4 】 路秋英 ， 郝国法 ， 向晓东． 基于 5 1 单片机和 V B 6 ． 0的 瓦斯浓度监测系[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 0 8 1 4 8 5 0 ． 【 1 5 】 李长林． V i s u a l B a s i c串口通信技术与典型实例 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 1 6 】 杜颂． 包辛格效应对板材拉弯回弹的影响[ J ] ． 北京航 空航 天大学 学报 ， 2 0 0 7 ， 3 3 2 2 0 6 2 0 9 ．
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