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金属形材辊轧与加工设备包括：伺服送料机构，用以输送被加工金属形材；激光加工机构，对被加工金属形材的复杂形状进行激光加工；冲孔机构，对被加工金属形材的固定孔形进行冲孔加工；截断机构，对经冲孔加工后的被加工金属形材进行截断加工；辊轧成形机构，将经截断加工后的被加工金属形材辊轧成需要的截面形状；冲压机构，对经辊轧成形后的被加工金属形材进行冲压加工，使其收缩到特定的截面宽度，控制系统，用以控制电机系统的启动、停止和运动轨迹以及所述各机构的操作。因此，本发明提供的金属形材辊轧与加工设备具有良好的加工柔性和加工精度。采用网络控制系统，设备可以实时和远程主机通信，反馈设备信息和接收控制指令。

1.  一种金属形材辊轧与加工设备，包括：
伺服送料机构，用以输送被加工金属形材；
激光加工机构，对被加工金属形材的复杂形状进行激光加工；
冲孔机构，对被加工金属形材的固定孔形进行冲孔加工；
截断机构，对经冲孔加工后的被加工金属形材进行截断加工；
辊轧成形机构，将经截断加工后的被加工金属形材辊轧成需要的截面形状；
冲压机构，对经辊轧成形后的被加工金属形材进行冲压加工，使其收缩到特定的截面宽度，以及
控制系统，包括运动控制模块，用以控制电机系统的启动、停止和运动轨迹以及所述各机构的操作。

2.  如权利要求1所述的金属形材辊轧与加工设备，其特征在于还包括整形机构，用以对经冲孔和冲压加工后的被加工金属形材进行整形加工，以校正所述冲孔和冲压加工中导致的截面形变。

3.  如权利要求1所述的金属形材辊轧与加工设备，其特征在于还包括喷码机构，用以在被加工金属形材上喷上相应的字符。

4.  如权利要求1所述的金属形材辊轧与加工设备，其特征在于，所述激光加工机构包括激光器，对激光器发射的激光束进行聚焦的聚焦镜筒或振镜组件，将激光束从激光器反射到聚焦镜筒或振镜组件的反射镜以及由伺服电机驱动带动聚焦镜筒或振镜组件运动的丝杆导轨拖板。

5.  如权利要求4所述的金属形材辊轧与加工设备，其特征在于，所述激光加工机构还包括对由激光器经反射镜到达聚焦镜筒或振镜组件的光路进行密封的外套波纹管的铝管套筒，所述铝管套筒内通以净化气体。

6.  如权利要求1所述的金属形材辊轧与加工设备，其特征在于，所述伺服送料机构包括释放所述被加工金属形材的放卷机构，用以检测和控制放卷机构送料状态的位置侦测机构，用以测量所述被加工金属形材的送料距离的测量装置，根据测量装置的测量值和控制策略在被加工金属形材的适当位置上做标记的标记装置以及根据所述标记检测所述被加工金属形材的输送误差的检测装置。

7.  如权利要求1至6任一所述的金属形材辊轧与加工设备，其特征在于，所述控制系统包括人机交互模块，提供用于人机交互的GUI界面，收集用户操作指令并生成相应的数据送入运动控制模块，或从运动控制模块读取数据并向用户显示相应的信息。

8.  如权利要求7所述的金属形材辊轧与加工设备，其特征在于，所述控制系统还包括远程通信模块，用于通信数据的收发和通信链路的维护。

9.  如权利要求8所述的金属形材辊轧与加工设备，其特征在于，所述控制系统还包括用于运动控制模块、人机交互模块和远程通信模块之间的数据交换和信息共享的数据缓冲模块。

10.  一种金属形材辊轧与加工设备的网络控制系统，包括连接到生产网络交换设备上的中央服务器以及多台如权利要求1所述的金属形材辊轧与加工设备。

金属形材辊轧与加工设备及其网络控制系统
技术领域
本发明涉及金属形材加工领域，尤其涉及一种金属形材辊轧与加工设备以及由多台金属形材辊轧与加工设备组网而成的网络控制系统。
背景技术
金属辊轧成形技术是一种通过在行进方向上辊轧条状或带状金属材料以形成合适的截面形状(例如C形、Z形等)的加工技术。该成形技术由于其在金属材料连续成形工艺上的高效性而广泛使用于各种工业领域，用于各种成形部件的制造，例如，结构梁、轨道、房屋结构等。
例如在轻钢房屋制造领域，金属辊轧成形技术也广泛使用于将钢带冷弯轧制成合适截面形状的形材。在这些辊轧设备上，通常都集成了孔形加工功能和截断功能，以满足轻钢房屋制造上的装配和房屋功能需求。例如，用于框架装配的铆钉孔和用于在墙内布置水电系统的各种辅助功能孔形等。通常，这些辊轧设备上的这些功能都是通过液压冲压模具机构来实现的，其模具的数量和可更换性决定了可加工孔形的类型尺寸。当需要加工不同尺寸的孔形时，必需更换相应工位上的模具，这大大增加了设备的投资成本。同时这种更换需要一定的时间和人工，使设备的生产效率大大下降，同时也增加了生产的人工成本。
随着预制轻钢框架结构房屋平板化技术(Pre-Fab Panelized LightGauge Steel Frame House Technique)的出现与发展，使工业化预制全功能、全装修的个性化房屋成为现实。但是预制房屋的结构非常复杂，在金属形材(钢、铝、铜等)上需要加工的功能孔形或组合各种功能附件的需求越来越迫切。而随着国际市场对个性化房屋的需求迅速扩大，对金属形材组合件的技术要求难以预料。因此，常用的这些轻钢冷弯轧制设备就不能够完全满足生产这些个性化房屋的需求了。这些典型的常用设备可以通过现有公开的专利查到，例如，美国专利US6604397、US5970764和US5829295等。
在使用金属辊轧成形技术的设备中通常都集成有CAM技术，利用计算机系统或相应的嵌入式系统来控制设备的成形和加工过程，例如美国专利US7111481和US6272447。但这些计算机系统往往都缺乏相应的网络通信和控制功能，不利于设备的组网运行，使得设备不能得到充分得利用，造成生产能力的浪费。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种新型的金属形材辊轧与加工设备及其网络控制系统。
根据本发明的一个方面，提供一种金属形材辊轧与加工设备，包括：
伺服送料机构，用以输送被加工金属形材；
激光加工机构，对被加工金属形材的复杂形状进行激光加工；
冲孔机构，对被加工金属形材的固定孔形进行冲孔加工；
截断机构，对经冲孔加工后的被加工金属形材进行截断加工；
辊轧成形机构，将经截断加工后的被加工金属形材辊轧成需要的截面形状；
冲压机构，对经辊轧成形后的被加工金属形材进行冲压加工，使其收缩到特定的截面宽度，以及
控制系统，包括运动控制模块，用以控制电机系统的启动、停止和运动轨迹以及所述各机构的操作。
上述金属形材辊轧与加工设备还包括整形机构，用以对经冲孔和冲压加工后的被加工金属形材进行整形加工，以校正所述冲孔和冲压加工中导致的截面形变。
上述金属形材辊轧与加工设备，还包括喷码机构，用以在被加工金属形材上喷上相应的字符。
上述金属形材辊轧与加工设备，其中的激光加工机构包括激光器，对激光器发射的激光束进行聚焦的聚焦镜筒或振镜组件，将激光束从激光器反射到聚焦镜筒或振镜组件的反射镜以及由伺服电机驱动带动聚焦镜筒或振镜组件运动的丝杆导轨拖板。
上述金属形材辊轧与加工设备，其中的激光加工机构还包括对由激光器经反射镜到达聚焦镜筒或振镜组件的光路进行密封的外套波纹管的铝管套筒，所述铝管套筒内通以净化气体。
上述金属形材辊轧与加工设备，其中的伺服送料机构包括释放所述被加工金属形材的放卷机构，用以检测和控制放卷机构送料状态的位置侦测机构，用以测量所述被加工金属形材的送料距离的测量装置，根据测量装置的测量值和控制策略在被加工金属形材的适当位置上做标记的标记装置以及根据所述标记检测所述被加工金属形材的输送误差的检测装置。
上述金属形材辊轧与加工设备，其中的控制系统包括人机交互模块，提供用于人机交互的GUI界面，收集用户操作指令并生成相应的数据送入运动控制模块，或从运动控制模块读取数据并向用户显示相应的信息。。
上述金属形材辊轧与加工设备，其中的控制系统还包括远程通信模块，用于通信数据的收发和通信链路的维护。
上述金属形材辊轧与加工设备，其中的控制系统还包括用于运动控制模块、人机交互模块和远程通信模块之间的数据交换和信息共享的数据缓冲模块。
根据本发明的另一方面，提供一种金属形材辊轧与加工设备的网络控制系统，包括连接到生产网络交换设备上的中央服务器以及多台上述的金属形材辊轧与加工设备。
采用本发明的金属形材辊轧与加工设备，伺服送料机构采用闭环伺服控制，送料精度远优于常用的变频送料机构。设备引入激光加工机构后，使得加工灵活性和柔性远大于通常的单纯采用液压冲压机构的类似设备。同时，控制系统中集成了实时在线校正系统，可以自动实时在线调整设备由于磨损、打滑等引起的输送误差。采用本发明的网络控制系统，设备可以实时和远程主机通信，反馈设备信息和接收控制指令。因此，本发明提供的金属形材辊轧与加工设备具有良好的加工柔性和加工精度，既可以单机使用，也可以多机组网使用。
附图说明
图1是表示根据本发明的金属形材辊轧与加工设备的系统结构示意图；
图2A至2C是表示图1所示的伺服送料机构的结构示意图；
图3A和3B是表示图1所示的激光加工机构的结构示意图；
图4是表示图1所示的冲孔机构的结构示意图；
图5是表示图1所示的截断机构的结构示意图；
图6是表示图1所示的辊轧成形机构的结构示意图；
图7是表示图1所示的冲压机构的结构示意图；
图8是表示图1所示的控制系统的结构示意图；
图9是表示图8所示的控制系统中一个人机交互模块的操作流程图；
图10是表示图8所示的控制系统中一个运动控制模块的操作流程图；
图11是表示图8所示的控制系统中一个远程通信模块的操作流程图；
图12是表示根据本发明的金属形材辊轧与加工设备的网络控制系统的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的金属形材辊轧与加工设备例如由伺服送料机构101、激光加工机构103、冲孔机构104、截断机构105、辊轧成形机构106、冲压机构107和控制系统109组成。较佳地，金属形材辊轧与加工设备还可以包括整形机构108和喷码机构110。当被加工的金属形材102从送料机构101送出后，激光加工机构103在控制系统109的控制下实现不同的加工任务，如加工出所需要的各种孔形、或虚线式半切割。同时，一些加工数量较多的固定孔形则由液压冲孔机构104完成加工。这样即保证了加工的柔性又保证了一定的生产速度。加工好的形材经截断机构105截断后通过辊轧成形机构106辊轧为需要的截面形状，例如，C形或Z形，然后进入冲压机构107。冲压机构107在控制系统109的控制下对形材特定部位进行冲压，使得其收缩到特定的截面宽度。然后形材进入整形机构108进行整形，校正前述冲孔、冲压操作中可能导致的截面形变。当物料经过喷码机构110时，喷码机构110可在控制系统109的控制下在形材的适当位置喷上相应的字符。
图2A所示为伺服送料机构的结构示意图，它包括放卷机构201、位置侦测机构202、送料轧辊203、测量装置(例如用增量旋转编码器)204、标记装置205、检测装置206、减速机208和伺服电机209。
其中，位置侦测机构202依靠重力作用紧贴于被传送物料(形材)上，当送料开始时，伺服电机209启动而放卷机构201不动，物料位置逐渐升高，带动侦测机构202也升高，当侦测机构202到达一定位置后触发送料启动信号，放卷机构201启动，完成送料启动过程。如果侦测机构202越过送料开始位置继续上升则触发送料故障信号，迫使送料停止。当送料完成后，伺服电机209关闭而放卷机构201不停，物料位置下降，侦测机构202位置也随之下降，当其下降到一定位置后触发送料停止信号，放卷机构201停止送料，完成送料停止过程。如果侦测机构位置越过送料停止位置继续下降则触发料空信号，发出换料提示。送料时，伺服电机209通过减速机208驱动轧辊203产生送料驱动力。在此，也可以存在其他的动力传动形式，例如，链传动和齿轮传动。
在整个送料过程中，测量装置204依靠压紧机构的作用紧压在被送物料200上，通过摩擦传动检测送料距离，并将送料距离数据发送到控制系统109。控制系统109根据测量装置204的测量值和控制策略控制标记装置205在被送物料200的适当位置上做标记。检测装置206包含有一对相互之间距离已知的传感器206a和206b。当标记装置做出的同一标记分别到达传感器206a和206b的位置时，检测装置206向控制系统109发送检测信号。控制系统109根据收到的检测信号读取测量装置204的测量值，根据两次读取测量值的差和传感器206a、206b间的已知距离，即可得出物料的输送误差。由于测量装置204也是依靠摩擦传动来检测被送物料200的送料长度的，因而可以很好的反应实际的送料情况。
图2B所示为标记装置205进行打标处理的流程框图。步骤S21，控制系统109读取测量装置204的测量值；步骤S22，控制系统将读取的测量值与设定的标记间距进行比较判断；步骤S23，当测量值达到设定的标记间距值时，控制系统发送标记信号，并在步骤S24控制标记装置205在被送物料上做上一系列的标记。标记间距可以为定值，也可以是变化的。通过变化的标记间距，系统即可以检测出和送料长度无关的误差，也可检测出和送料长度相关的误差。
图2C所示为标记检测处理流程框图，该流程在标记通过检测装置206内的第一传感器206a的时候被唤醒。步骤S25，系统判断标记是否通过第一传感器206a。如是，进入步骤S26，系统根据测量装置204的值记录下此时的送料位置。步骤S27，系统判断同一标记是否通过第二传感器S206b。如是，步骤S28，系统再次记录下送料位置。接着，步骤S29，控制系统通过两次记录下的位置即可得出送料距离，将其和第一传感器与第二传感器之间已知的距离进行比较后即可得出送料的误差。然后，步骤S30，系统判断得到的误差是否在送料误差范围内。如果误差在允许的范围内，则系统不做任何动作进入空闲状态；如果误差超出允许的误差范围，则进入步骤S31，系统修正相应的送料控制参数后进入空闲状态，等待再次被唤醒。例如，如果动力装置为步进电机，则在检测到和送料长度相关的误差时，可以通过改变送料距离到脉冲当量的转换系数加以补偿；检测到和送料长度无关的误差时，可以通过在送料距离上加上一个常数来加以补偿。
通过合理的安排标记间距和传感器对之间的距离，系统可以获得很好的控制性能而不会发生紊乱。
图3A和3B分别为激光加工机构的侧视图和俯视图(图3A与图3B按飞行光路典型结构给出，采用振镜组件时只需更换下述组件301即可。)。激光加工机构主要包括聚焦镜筒/振镜组件301、两个丝杠导轨拖板302和304、伺服电机303和305、反射镜306和307、激光器308。丝杠导轨拖板302和304分别由伺服电机303和305驱动。丝杠导轨拖板302固定安装于丝杠导轨拖板304的螺母上，实现X和Y向两轴向运动，其上分别安装有左右限位开关和原点信号开关(未图示)。聚焦镜筒301和反射镜306固定安装于拖板302上，反射镜307固定安装于拖板304上，激光器308固定安装于机座上。整个由激光器308出光口经反射镜306和307到达聚焦镜筒301的飞行光路例如由外套波纹管的铝管套筒密封，其间例如通以净化空气。通过拖板302和304的各种插补运动，聚焦镜筒即可完成各种加工轨迹。当采用振镜光学系统时，由激光器308发射的激光束经反射镜306和307到达振镜组件301，通过控制振镜内部反射镜的运动使被聚焦的激光束完成各种加工轨迹，光路结构部分仍然需要密封并通以净化气体保护光学器件。
图4为冲孔机构结构图，主要包括了上下油缸401和406、上下安装架402和405、上下冲孔模具403和404。油缸401和406上安装有行程开关(未图示)监控油缸位置。上油缸401固定安装在上安装架402上，下油缸406固定安装在下安装架405上，上冲孔模具403安装在上油缸401顶杆上，下冲孔模具404安装在下油缸406顶杆上。冲孔时，下油缸406顶杆上行到预定位置后保持，然后上油缸401顶杆下行，至其上的上冲孔模具403和下油缸406顶杆上的下冲孔模具404紧密贴合。然后上下油缸保持一定时间后同时回退原位，完成一次冲孔过程。在整个冲孔过程中，送料系统处于停止状态。在加工设备中可以根据需要安排多个冲孔机构，其上模具可以各不相同以冲压不同的孔形。
图5为截断机构结构图，主要包括了油缸501、上支座502、上刀模503、下刀模504、导杆505和下支座506。油缸501安装在上支座502上。形材在截断时，油缸501下行，带动上刀模503下行。通过上刀模503和安装于下支座上的下刀模504作用截断物料。上下刀模都安装于导杆505上，在保证上下刀模对刀准确的同时保证了上刀模503运动的平稳性。
图6为辊轧成形机构结构图，主要包括滚轮间距调节螺母601、成形滚轮对602和606、轴603和609、侧边成形滚605和压紧螺母608。调节螺母601用于调节滚轮对602和606之间的距离，使其适合于不同厚度的成形材料。在滚轮对602和606的相应位置上分别开有凹凸模，以在成形的同时辊轧出加强筋。滚轮602和轴603、滚轮606和轴609通过机械方式连接。侧边滚轮605通过轴承607与轴609相连，同时通过压紧螺母608压紧。侧边滚轮605上开有凹槽，以使得在前面的冲孔机构中冲压出的孔形可以安全通过辊轧机构而不被破坏。一般在加工系统中安排有多组辊轧成形机构，以渐变的方式辊轧出最终的截面形状。
整形机构108的结构同辊轧成形机构，只是其上下滚轮对和侧边滚轮组成的物料截面形状为最终截面形状。
图7为冲压机构结构图，主要包括上油缸701、上支座702、上模703、右油缸704、下模705、下支座706、下油缸707、左油缸708、左支座709和右支座710。上油缸701固定安装于上支座702上，下油缸固定安装于下支座706上，左右油缸708、704分别固定安装于左右支座709、710上。上模703安装于上油缸701顶杆上，下模705安装于下油缸707顶杆上。冲压时，下油缸707顶杆上行，到达预定位置后保持；然后上油缸701顶杆下行至上模703和下模705紧密贴合，然后保持；然后左油缸708顶杆右行，右油缸704顶杆左行，至和上模贴合，使得物料截面宽度收缩；然后各油缸回退至原位，完成一次冲压过程。
图8所示为控制系统结构图。控制系统主要包括一运动控制模块801，它负责和底层硬件系统的通信、控制，主要包括收集各种传感器信息进行综合分析并做出相应的控制决策，控制电机系统启停和运动轨迹，控制激光加工机构的行为等。在一个较佳实施例中，控制系统还包括一人机交互模块802，它提供用于人机交互的GUI界面，收集用户操作指令并生成相应的数据送入运动控制模块801，或从运动控制模块801读取数据并向用户显示相应的信息。在另一个较佳实施例中，控制系统还包括一远程通信模块803，金属形材辊轧与加工设备可以通过该模块连接到指定的远程主机或中央服务器，形成一个网络控制系统。该远程通信模块负责通信数据的收发和通信链路的维护。在较佳的实施例中，控制系统还包括数据缓冲模块804。数据缓冲模块804居于系统的中心位置，用于其余各模块间的数据交换和信息共享。数据缓冲模块提供事件接口，在各模块读写缓冲模块时触发各种事件。例如，人机交互模块802收集的用户操作指令及生成的相应数据也可以送入数据缓冲模块804的特定位置，或人机交互模块802读取数据缓冲模块804中的数据并向用户显示相应的信息。
图9所示为一个人机交互模块802的操作流程框图。所述模块启动并完成初始化后，启动两个线程901和902。其中线程901主要监视和处理位于数据缓冲模块804中的人机交互信息缓冲区中的信息。当人机交互信息缓冲区中无信息时，线程901处于阻塞状态；当信息到达时，该线程被唤醒以对信息进行处理。例如，当信息到达时，程序进入步骤903，判断系统是否为显示信息。如是，程序进入步骤904显示信息。如否，程序进入步骤905进一步判断是否为交互信息。如判断结果为交互信息，系统执行交互行为并发送交互结果。如判断结果不为交互信息，系统丢弃该信息并发送错误报告。线程902主要监视用户的操作，并把用户的操作结果转换成相应的信息要求发送到运动控制模块801或通过远程通信模块803将其发送到远程主机上。例如，步骤906，当判断用户操作为运动操作时，系统将信息送入数据缓冲模块804中的运动缓冲区，并置运动信息到达信号。步骤908，当判断用户操作为通信操作时，系统通过远程通信模块803将信息发送到远程主机上。
图10所示为运动控制模块801的操作流程框图。所述模块以后台线程方式启动，完成相应的系统参数初始化后，该线程阻塞直到运动控制信息到达缓冲区。该模块可以处理两类合法的控制指令，一类为运动控制指令，控制设备完成辊轧成形和加工功能；一类为信息交换指令，用于用户读取/设置相应的设备信息/状态。例如，当系统完成相应的系统参数初始化后，程序进入步骤1001，判断是否有信息到达。如是，程序进入步骤1002，进一步判断到达的信息是否为合法运动指令。如是，程序进入步骤1003，进一步判断该合法运动指令是否为合法运动数据。如是，程序进入步骤1004，进一步判断系统是否成功执行运动；如否，程序进入步骤1009，系统丢弃错误信息。如程序在步骤1004判断出系统已成功执行运动，则在步骤1005将相关信息送入交互缓冲区，置交互信息到达信号并发送成功信息。如程序在步骤1004判断出系统未成功执行运动，则在步骤1006读取设备状态信息，将信息送入交互缓冲区并置交互信息到达信号。如程序在步骤1002判断到达的信息不是合法运动指令，则在步骤1007进一步判断到达的信息是否为合法信息指令。如是，系统读取设备状态信息，将信息送入交互缓冲区并置交互信息到达信号；如否，步骤1009，系统丢弃错误信息并发送错误报告。
图11所示为远程通信模块803的流程框图。当设备组网时，所述模块将尝试连接指定的远程主机或中央服务器；连接成功后进行注册，向远程主机报告该设备的当前加工能力和成形截面等信息。所述模块的发送功能为调用方式，由发送方调用完成；接收功能为后台线程方式。当通信信息到达时，接收线程被触发执行。所述通信模块可以接收两类合法的通信信息，分别为用于人机交互模块802和运动控制模块801可以处理的信息。例如，当远程通信模块成功连接到远程主机或中央服务器后，程序在步骤1101判断是否有数据到达。如是，程序进入步骤1102，进一步判断到达的数据是否为合法数据。如是，程序进入步骤1103，进一步判断该合法数据是否为人机交互信息。如是，程序进入步骤1104，将该信息送入交互缓冲区并置交互信息到达信号。如程序在步骤1103判断该合法数据不是人机交互信息，则进入步骤1105进一步判断该合法数据是否为运动控制信息。如是，系统将信息送入运动缓冲区并置运动信息到达信号；如否，系统在步骤1106发送错误报告。
图12所示为根据本发明的金属形材辊轧与加工设备的网络控制系统的组网结构图。所述网络系统中，各加工设备120和中央服务器122都联接到生产网络的网络交换设备上。各加工设备在联接上生产网络时，自动向中央服务器注册，向中央服务器报告其生产能力。生产时，中央服务器可以根据生产任务自动平衡各加工设备上的生产负荷，以最大限度地利用各加工设备的生产能力。生产任务通过中央服务器发送到各联网的各加工设备，各加工设备的信息状态通过网络自动反馈到中央服务器。所述网络的物理结构可以是工业以太网，也可以是其他的各种现场总线网络。
以上结合附图和实施例对本发明的金属形材辊轧与加工设备及其网络控制系统作了详细描述。本领域的熟练人员通过本发明的上述描述还可以对其中的实施例作出各种变换和修改，但这些变换和修改均属于本发明的范围。