高速全自動(dòng)數(shù)控沖床研制

時(shí)間：2019-01-21作者：佛山市金大海數(shù)控機(jī)械有限公司瀏覽：469

針對(duì)板材沖壓件加工量大，目前多采用手工送料，既滿(mǎn)足不了其生產(chǎn)要求，又易發(fā)生人身事故。我們研制了高速全自動(dòng)數(shù)控沖床，它能自動(dòng)完成對(duì)整體板料的上料、送料、排料及排網(wǎng)狀廢料的全過(guò)程。 

2　全自動(dòng)數(shù)控沖床結(jié)構(gòu)及工作原理 



全自動(dòng)數(shù)控沖床由機(jī)床本體、上料裝置、送料裝置、排網(wǎng)狀廢料裝置、控制硬件和控制軟件五大部分組成，如圖1所示

                                                  

    1.上料裝置　2.機(jī)床本體　3.兩坐標(biāo)工作臺(tái) 
4.排網(wǎng)狀廢料裝置　5.控制柜 
圖1　全自動(dòng)數(shù)控沖床布局簡(jiǎn)圖

機(jī)床本體是國(guó)內(nèi)擁有量很大的深喉式200kN曲軸壓力機(jī)。曲軸式壓力機(jī)的工作原理是控制離合器的吸合動(dòng)作來(lái)控制滑塊也即上模的單次或連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)板料的沖壓加工，控制制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)的停止。送料動(dòng)作一般是由手工或間隙式機(jī)械機(jī)構(gòu)完成［1］。 

全自動(dòng)數(shù)控沖床的曲軸式壓力機(jī)的沖壓原理不變。不同的是利用計(jì)算機(jī)控制滑塊的往復(fù)，即上沖模往復(fù)動(dòng)作的起停和被加工板料的規(guī)則X、Y向進(jìn)給送料運(yùn)動(dòng)，并能使這兩個(gè)動(dòng)作協(xié)調(diào)，即實(shí)現(xiàn)沖壓與送料動(dòng)作的同步控制。 

全自動(dòng)沖壓加工中，兩坐標(biāo)工作臺(tái)是關(guān)鍵的機(jī)械部件之一，工作臺(tái)的慣性限制著工作臺(tái)的送料速度和加速度。為提高工作臺(tái)的送料速度，在設(shè)計(jì)時(shí)可能減小工作臺(tái)的慣性。 

在沖壓加工過(guò)程中，X軸送料比Y軸頻繁，即X軸送料次數(shù)為板料一排所沖工件個(gè)數(shù)時(shí)，Y軸才送料一次。因此設(shè)計(jì)工作臺(tái)時(shí)，采用X軸在上，Y軸在下，這樣工作臺(tái)沿X方向送料時(shí)，X方向電機(jī)只通過(guò)絲杠帶動(dòng)較輕的夾鉗拖板沿上導(dǎo)軌作X向運(yùn)動(dòng)。Y方向送料時(shí)，Y方向電機(jī)通過(guò)絲杠帶動(dòng)較重由上導(dǎo)軌、上電機(jī)、上絲杠和夾嵌拖板組成的機(jī)構(gòu)沿下導(dǎo)軌作Y向運(yùn)動(dòng)。故能提供快捷及安全的送料過(guò)程。圖2為兩坐標(biāo)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

                                                  

1.Y軸絲杠右軸承支座　2.夾鉗　3.夾緊氣缸　4.X軸導(dǎo)軌　5.夾鉗固定板　6.X軸螺母　7.夾鉗托板　8.Y軸絲杠　9.Y軸絲杠左軸承支座　10.Y軸聯(lián)軸器　11.Y軸步進(jìn)電機(jī)　12.Y軸導(dǎo)軌支撐架　13.Y軸螺母　14.基座　15.X軸步進(jìn)電機(jī)　16.X軸聯(lián)軸器　17.X軸絲杠后軸承支座　18.Y軸后導(dǎo)軌　19.X軸絲杠　20.Y軸前導(dǎo)軌　21.X軸絲杠前軸承支座 
圖2　兩坐標(biāo)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

夾鉗托板是夾持工件作X、Y軸運(yùn)動(dòng)部件，為減輕其重量，選用硬鋁作為夾鉗拖板支架，且結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單緊湊。夾鉗托板上用兩個(gè)氣缸完成對(duì)工件的夾持，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了保證可靠的夾緊，鉗口面采用網(wǎng)紋狀增大摩擦。 

上料裝置是將工件板料送到工作臺(tái)夾鉗拖板上的裝置(見(jiàn)圖1)。沖壓前或沖壓過(guò)程中將所沖的板料堆放在上料裝置的堆料臺(tái)上，而將板料送到工作臺(tái)夾鉗拖板上是由上料裝置自動(dòng)完成的。其過(guò)程為：垂直氣缸下移，通過(guò)四個(gè)真空吸盤(pán)把堆料臺(tái)上較上面的一張板料吸起來(lái)，然后垂直氣缸上移，上移到一定高度，水平氣缸右移，移到一定位置停止等待，當(dāng)**張板料沖壓加工完后，工作臺(tái)回到零位，垂直油缸下移，將工件板料放在工作臺(tái)夾鉗拖板上，夾嵌拖板上的夾緊汽缸將其夾緊。 

當(dāng)一張板料沖壓加工完后，夾鉗拖板上剩下的是網(wǎng)狀廢料，因網(wǎng)狀廢料的連接處僅為搭邊，較小為1.5mm左右，這樣其連接強(qiáng)度弱，如何安全地排走將是沖床能否連續(xù)沖壓的關(guān)鍵。 

排網(wǎng)狀廢料裝置采用輥式排料裝置，它是由上下兩個(gè)為一組的輥?zhàn)影蚜蠆A住，利用磨擦力，通過(guò)輥?zhàn)幼餍D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而將網(wǎng)狀廢料排走的裝置，如圖3所示。

                                                                    


圖3　輥式排網(wǎng)狀廢料原理圖

輥式排料機(jī)構(gòu)采用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)固定的下輥，上輥在一氣缸的驅(qū)動(dòng)下，可夾緊和分離網(wǎng)狀板料。輥?zhàn)拥谋砻孀鳚L花處理或鋼球噴丸處理，防止網(wǎng)狀廢料打滑。 

數(shù)控沖床的沖壓動(dòng)作和工作臺(tái)的送料動(dòng)作必須同步，即當(dāng)沖模上、下模脫模離開(kāi)一定距離后，工作臺(tái)送料：送料到?jīng)_壓作業(yè)點(diǎn)時(shí)，對(duì)板料進(jìn)行沖壓。同步控制可采用接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)沖床曲軸的實(shí)際位置，即上模位置，然后將信號(hào)(同步信號(hào))輸入控制系統(tǒng)，經(jīng)處理使工作臺(tái)按要求作規(guī)則進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 

圖4為同步信號(hào)檢測(cè)示意圖，測(cè)試桿和曲軸在工作時(shí)同步轉(zhuǎn)動(dòng)(測(cè)試桿材料選用膠木或塑料)，測(cè)試桿頭部裝有測(cè)試片(金屬片)。當(dāng)測(cè)試桿轉(zhuǎn)動(dòng)到使測(cè)試片進(jìn)入固定于機(jī)座上的接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)有效范圍時(shí)，開(kāi)關(guān)便發(fā)出感應(yīng)信號(hào)(同步信號(hào))，該信號(hào)對(duì)應(yīng)滑塊也即上模脫離下模一定位置，這時(shí)工作臺(tái)可進(jìn)給送料。測(cè)試桿隨曲軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使測(cè)試片脫離接近開(kāi)關(guān)有效范圍后，感應(yīng)信號(hào)隨之消失，等待下一個(gè)感應(yīng)信號(hào)，繼續(xù)下一次進(jìn)給送料。

                                                            


圖4　同步信號(hào)檢測(cè)示意圖

在沖壓加工中，當(dāng)沖床完成了一個(gè)沖程作業(yè)后，到下次沖壓加工沖程作業(yè)之前這段時(shí)間內(nèi)，必須準(zhǔn)確地把沖壓加工了的沖壓件從沖模上取出來(lái)。為了從沖模上取出沖壓件，首先，為了防止沖壓件和網(wǎng)狀廢料不粘附在沖模上，必須從沖模上卸下沖壓件和網(wǎng)狀廢料。這些問(wèn)題是沖模機(jī)能的一部分，是由裝入沖模內(nèi)的固定卸料板、彈簧組成的脫模裝置來(lái)完成的。 

當(dāng)沖壓件從沖模上脫模后，緊接著是將沖壓件從沖模上取出來(lái)。取出方法是用壓縮空氣把留在下模上或上模上撥落下來(lái)的沖壓件吹到床身后的工件箱內(nèi)，用壓縮空氣吹的方法適用于沖壓速度高、沖壓件較輕的場(chǎng)合，但要很好地調(diào)整吹射的方向和空氣壓力及時(shí)間，定時(shí)是通過(guò)安裝在沖床曲軸或滑塊上的凸輪控制氣門(mén)來(lái)調(diào)整的。在選擇風(fēng)嘴時(shí)，風(fēng)嘴孔徑要小(0.2～0.5mm)。 

3　數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 

我們所開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)是用于沖床的**數(shù)控系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)單元選用步進(jìn)電機(jī)，**數(shù)控系統(tǒng)硬件采用基于單片機(jī)的多CPU(主CPU、從CPU、顯示CPU)模塊化結(jié)構(gòu)。圖5為以單片機(jī)為**的數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖。

                                          


圖5　數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖

為了保證數(shù)控系統(tǒng)高速送料，采用雙CPU構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)硬件的主模塊，此雙CPU結(jié)構(gòu)屬于主從式結(jié)構(gòu)，如圖5所示。主CPU為8031，從CPU為8751。 

因工作臺(tái)是X、Y兩坐標(biāo)工作臺(tái)，采用兩臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于兩個(gè)方向的負(fù)載相差可達(dá)十倍左右，兩方向進(jìn)給送料的頻率差別也在十倍以上，因此必然采用特性不同的兩個(gè)電機(jī)，為充分發(fā)揮其特性，其升、降頻規(guī)律也不同，當(dāng)X、Y軸同時(shí)送料時(shí)，要實(shí)現(xiàn)這樣的頻率，須采用一個(gè)CPU管理一臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)要保證用戶(hù)程序的預(yù)處理不占用電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，可靠的方法也是用兩個(gè)CPU分別處理X、Y軸的數(shù)據(jù)。這樣才能保證數(shù)控系統(tǒng)的高速送料。 

不運(yùn)行用戶(hù)程序的情況下，整個(gè)系統(tǒng)由主CPU來(lái)管理，主CPU負(fù)責(zé)鍵盤(pán)管理、用戶(hù)程序輸入、修改、增刪和顯示模塊的通訊。 

在工作臺(tái)進(jìn)給送料時(shí)或手動(dòng)調(diào)整時(shí)，主CPU控制X軸運(yùn)動(dòng)，從CPU控制Y軸運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主CPU搜索到X、Y軸的運(yùn)行數(shù)據(jù)后，它將Y軸數(shù)據(jù)經(jīng)8255送給從CPU，主、從CPU分別使工作臺(tái)作兩個(gè)方向的進(jìn)給送料運(yùn)動(dòng)。手動(dòng)調(diào)整有單步、中速、高速調(diào)整。 

主、從CPU分別各用一個(gè)晶振，它們的運(yùn)行不是同步的，雖然這兩個(gè)CPU同時(shí)處理X、Y軸的運(yùn)行數(shù)據(jù)，但結(jié)束有先有后，一旦一個(gè)方向的數(shù)據(jù)先處理完，另一方向的數(shù)據(jù)還未處理完畢，而這時(shí)同步信號(hào)已到達(dá)，必然會(huì)產(chǎn)生一電機(jī)運(yùn)動(dòng)而另一電機(jī)不運(yùn)動(dòng)，造成動(dòng)作失誤。為了防止這種情況發(fā)生，主、從CPU分別設(shè)置了一條同步控制信號(hào)線(xiàn)，如圖6所示。

                                                     


圖6　同步信號(hào)控制

當(dāng)X軸數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，X軸同步控制信號(hào)線(xiàn)變?yōu)楦唠娖?，如果Y軸數(shù)據(jù)也準(zhǔn)備好，Y軸同步控制信號(hào)線(xiàn)也變?yōu)楦唠娖?。這時(shí)同步信號(hào)能通過(guò)兩個(gè)與門(mén)，主、從CPU在同步信號(hào)的作用下同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。如過(guò)X軸數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，Y軸數(shù)據(jù)還未準(zhǔn)確好，Y軸同步控制信號(hào)線(xiàn)則為低電平。在這種情況下，即使有同步信號(hào)到達(dá)，也不能通過(guò)兩個(gè)與門(mén)，主、從CPU都不會(huì)收到同步信號(hào)，兩個(gè)CPU只能等待下一個(gè)同步能再一起動(dòng)作。這種處理方式可保證送料的準(zhǔn)確性。 

數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面采用鍵盤(pán)輸入、CRT顯示。鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)采用了8279鍵盤(pán)控制芯片，共設(shè)置了56個(gè)按鍵，有數(shù)字、字母、功能、手動(dòng)調(diào)整鍵，用來(lái)完成數(shù)控加工程序的輸入、修改及對(duì)機(jī)床的操作和手動(dòng)調(diào)整等。 

CRT驅(qū)動(dòng)采用可編程顯示控制器MC6845驅(qū)動(dòng)。顯示模塊采用了一顯示CPU，這樣解決了MC6845與主CPU對(duì)VRAM操作爭(zhēng)奪**權(quán)的矛盾。因?yàn)轱@示過(guò)程中，為了使CRT顯示的圖象清晰穩(wěn)定，主CPU對(duì)VRAM的操作不能是隨機(jī)的，只能在CRT回掃期間才能對(duì)VRAM操作，否則將影響到CRT的顯示效果。而主CPU主要任務(wù)是對(duì)機(jī)床的實(shí)時(shí)操作，不可能只在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)VRAM操作。當(dāng)采用了顯示CPU后，加工過(guò)程中，主CPU**的、隨機(jī)的將顯示信息送到公用RAM(雙口)，并通知顯示CPU。顯示CPU取出公用RAM中的信息，在規(guī)定的回掃時(shí)間內(nèi)，將顯示信息送入VRAM。顯示CPU和MC6845是以分時(shí)方式訪(fǎng)問(wèn)VRAM來(lái)解決爭(zhēng)奪訪(fǎng)問(wèn)VRAM**權(quán)問(wèn)題的。 

4　數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 

為了維修和使用方便，**上，數(shù)控系統(tǒng)在輸入代碼、坐標(biāo)系統(tǒng)、加工指令、輔助功能及程序格式等方面逐漸形成了兩種**通用標(biāo)準(zhǔn)，ISO**標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及EIA美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)沖壓加工特點(diǎn)，參考**上常用的ISO標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)共設(shè)置了10條用戶(hù)指令。因?yàn)闆_壓加工中工作臺(tái)送料為大量的重復(fù)動(dòng)作，為了減少用戶(hù)編程量，用戶(hù)指令中設(shè)置了內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)、跳轉(zhuǎn)指令，使用戶(hù)編程量大大減少。 

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，共有五個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)或復(fù)位后處于監(jiān)控狀態(tài)。這時(shí)五個(gè)功能模塊可供選擇。如圖7所示。

                                                  


圖7　系統(tǒng)軟件功能模塊

編輯模塊用來(lái)完成用戶(hù)程序的編輯和修改。 

運(yùn)行和調(diào)整模塊有三個(gè)子功能： 

(1)運(yùn)行前置有關(guān)參數(shù)。 
(2)運(yùn)行前手動(dòng)調(diào)整。 
(3)根據(jù)用戶(hù)程序控制上料裝置、工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元、排網(wǎng)狀廢料裝置完成上料、進(jìn)給送料、排網(wǎng)狀廢料。 

從EPROM調(diào)用戶(hù)程序模塊的設(shè)置可將常用的用戶(hù)程序固化在EPROM中，當(dāng)要運(yùn)行這些用戶(hù)程序時(shí)，直接從EPROM中調(diào)出，減少每次開(kāi)機(jī)沖壓加工前操作人員對(duì)用戶(hù)程序的輸入、編輯工作，提高生產(chǎn)效率。 

當(dāng)EPROM中固化的用戶(hù)程序較多時(shí)，一般很難記住EPROM中所有的用戶(hù)程序名，這就無(wú)法從EPROM中調(diào)出用戶(hù)程序。為此系統(tǒng)軟件設(shè)置了查看用戶(hù)文件名模塊。 

用戶(hù)程序自動(dòng)生成模塊是當(dāng)輸入板料尺寸和沖壓樣件尺寸后，根據(jù)優(yōu)化排樣算法確定工作臺(tái)送料步距［2］，自動(dòng)生成用戶(hù)程序。  

5　結(jié)論 

研制的全自動(dòng)數(shù)控沖床樣機(jī)已在調(diào)試后用于生產(chǎn)中，用來(lái)沖壓Φ70mm的圓盒，其加工速度為：180次/min，送料定位精度為：±0.1mm。數(shù)控系統(tǒng)工作可靠，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)失步和過(guò)沖現(xiàn)象。


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