一种天线放射罩旋压机控制系统的设计

吴杰伟

（钦州市特种设备检验所，广西 钦州535008）

一种天线放射罩旋压机控制系统的设计

吴杰伟

（钦州市特种设备检验所，广西 钦州535008）

提出一种基于单片机的天线放射罩旋压机数控系统设计和实现方法。首先，对天线放射罩旋压机数控系统功能和需求进行分析。然后，依照模块化设计的思想，介绍了天线放射罩旋压机数控系统的硬件构成并着重研究天线放射罩旋压机数控系统的软件设计，包括主程序、显示子程序和主轴控制子程序的设计及实现过程。

天线放射罩；单片机；旋压机

旋压技术是一种对薄壁金属板料通过塑性旋压成型的技术，具有节约材料，变形力小，设备工艺简单等优点[1，5]。旋压加工的产品一般都属于薄壁型，其重量相对较轻，且经旋压成型后，工件的表面光滑度也较高，同时工件的组织结构也发生了改变，使得其表面强度、硬度、抗压性、抗疲劳性等属性都变强。旋压技术与数控车削技术相比更节约原材料，降低制造成本[2-3]。旋压技术对促进我国航空、航天、兵器、化工、机械制造、电子及轻工业等领域的尖端技术发展有着积极的推动作用，且作为一项新技术伴随着传统工艺方法在冶金、化工、石油、轻工民用等行业一同发展，已经成为现代金属压力加工的新兴领域[4-5]。国内旋压技术发展比较缓慢，技术和设备相对比较落后，特别是数控旋压设备的关键技术和部件长期依赖外国进口[6-8]。为提高国内先进数控旋压技术，更好地满足我国现代工业生产对旋压技术的要求，本文以一种天线发射罩旋压机的数控系统开发为探讨对象，并为其开发一套硬件和软件的控制系统。

1 旋压机系统构成

天线放射罩旋压机系统主要分为主轴动力系统、纵向横向进给系统和检测系统等。旋压机把板料固定在模架上，让主轴系统带动模架及板料同时转动，同时进给系统带动压轮以圆弧插补的形式进给并对板料加压，从而使得板料沿着模架的边缘逐渐变形，待变形完成后，系统控制压轮回到初始位置，至此完成一次加工过程。

1.1 系统整体结构

根据模块化的设计思想，控制系统可划分为：电源模块、信号检测模块、显示模块、D/A转换模块、直流电机调速模块、直流无刷电机、步进电机驱动器、步进电机、漏电保护模块等，控制系统的总框图如图1所示。

图1 控制系统结构图

1.2 功能需求分析

天线放射罩旋压机要求控制系统控制旋压机按照指定动作顺序工作：启动主轴，主轴转速达到规定的速度后，按下步进电机的启动按钮，步进电动机开始运动，行程结束后，压杆返回初始位置。步进电机带动压轮对工件进行圆弧插补运动，并对主轴加工速度进行实时监控，反馈后在LED显示。拟采用单片机作为系统的控制单元，另外拟采用增量式PID控制算法作为主轴的位置闭环控制算法，其原理图如图2所示。

图2 主轴闭环控制系统原理图

1.3 硬件平台

鉴于单片机具备集成度高、可靠性高、低功耗和低成本等优点，本文采用单片机最小系统板构成整个控制系统的硬件平台。其中AT89C52芯片作为主控单元，外围组成部分主要包括由直流无刷电机及其驱动电路组成的主轴电路，以及由步进电机及其驱动电路组成的进给电路。

2 软件系统的设计

软件系统的设计根据设计任务和功能划分为不同的模块。利用单片机C语言程序设计实现各子程序功能。软件系统的设计包含了几个要点，主要是系统整体框架、数据的定义及管理、接口的处理以及软件过程等。整体的布局是定义软件各模块相互的关系。数据的管理就是将模块转化为数据的形式来管理。接口的处理是在内部的软件系统与人之间怎样通信；软件过程是系统结构转化为软件过程的描述。系统软件设计是整个系统的关键，它会直接影响到系统固定功能以及系统的性能指标。

2.1 主程序设计

根据本次控制系统设计的功能要求，如图3所示为主程序流程图。系统接通电源之后单片机就会对整个控制系统进行初始化设定；初始化过后就进入主程序进行工作，进入主程序之后在通过中断系统进入到各个子程序，在各个子程序当中完成各自的工作之后再返回主程序，从而完成整个控制系统的工作，在主程序当中包含了头文件、宏定义、函数声明、系统初始化、中断程序等。

图3 主程序流程图

2.2 显示程序设计

显示模块主要功能是为了显示主轴电机的转速和压轮的进给量。在软件设计当中LED显示起着重要的作用，观测者可以通过LED显示模块知道内部系统是否按照原设定进行，显示模块实现流程如图4所示。

图4 显示模块流程图

2.3 主轴控制软件设计

主轴的电气控制部分主要是无刷直流电机以及其直流调速器组成，在软件控制设计当中主要是设计程序控制直流电机的转速以及直流电机的正转与反转。通过按键开关启动直流电机，直流无刷电机启动流程图如图5所示。由于主轴需要精确的位置控制，主轴控制模块使用增量式PID控制的算法对其位置进行误差控制，增量式PID控制流程如图6所示。

图5 直流无刷电机启动流程图

图6 增量式PID控制流程

如图6所示，增量式PID控制是通过输出控制量的增量来控制电机的转速的控制方式。增量式的PID控制方式必须是在具有累加器的环境下使用。增量式PID 控制的算式：u（k）=u（k-1）+ Δu（k）.在最近 3次直流电动机速度的采样比较，输出它们的差值，反馈到输入量，使得直流电机的转速得到控制。

3 结束语

如图7所示为本次设计的旋压机控制系统样机测试实物图。在样机和软件程序设计完成后，对系统进行整体调试和局部调试。通过实验测试证明了本文设计的控制系统能够满足天线放射罩旋压机控制装置的基本功能。

图7 样机显示

旋压机未来将向着大型化、系列化、多功能、柔性化、专业化、自动化的方向发展，本文开发一套基于单片机最小系统的经济型天线反射罩旋压机数控系统，具有成本低、可靠性高的特点，为我国旋压机数控系统开发提供参考价值。

[1]C.C Wong，T.A Dean，J Lin.A.Review of Spinning，Shear Forming And Flow Forming Process[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2003，43（14）：1419-1435.

[2]欧长劲，彭宽栋，洪尉尉.数控旋压机专用数控系统的研究[J].机电工程，2012，29（11）：1239-1242，1258

[3]程秀全，杨绍忠，夏琴香.基于PC平台的旋压机数控系统的研制[J].机床与液压，2007，35（8）：17-20

[4]王玉辉，夏琴香，杨明辉.数控旋压机床的发展历程及其研究现状[J].锻压技术，2005（4）：97-100

[5]赵云豪.旋压技术现状[J].锻压技术，2005（5）：95-97，100.

[6]李亦楠，张大舜，侯丰岩，等.带有上、下料机构的旋压机控制方法的研究[J].制造技术与机床，2012（04）：91-92.

[7]钱志平.旋压机控制原理的分析与应用[J].机械传动，2004，28（06）：54-55.

[8]钱志平.旋压辊运动轨迹设计与旋压力计算[J].机械设计，2004，21（12）：28-29.

The Control System Design of an Antenna Radiation Shield Spinning Machine

WU Jie-wei
（Special Equipmeni Inspection Qinzhou City，Qinzhou Guangxi 535008，China）

The design and implementation of a numerical control system based on single chip microcomputer for an antenna radiation shield spinning machine was proposed in this paper.First of all，the functions and requirements of the numerical control system of antenna radiation shield spinning machine are analyzed in detail，and then in accordance with the modular design ideas，the hardware structure of the CNC system of the antenna radiation shield spinning machine was briefly introduced，and the research was mainly focused on software design process of the numerical control system of the antenna radiation shield spinning machine，which contained the implementation process of the main program，display subroutines，and spindle control subroutine.

antenna radiation shield；SCM；spinning machine

TP273

A

1672-545X（2017）09-0160-03

2017-06-20

吴杰伟（1989-），男，广西贵港人，助理工程师，本科，从事机电类特种设备检验工作。