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：463

針對板材沖壓件加工量大，目前多采用手工送料，既滿足不了其生產(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)完成對整體板料的上料、送料、排料及排網(wǎng)狀廢料的全過程。 

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)控沖床布局簡圖

機(jī)床本體是國內(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)盡量簡單緊湊。夾鉗托板上用兩個(gè)氣缸完成對工件的夾持，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(見圖1)。沖壓前或沖壓過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。其過程為：垂直氣缸下移，通過四個(gè)真空吸盤把堆料臺(tái)上較上面的一張板料吸起來，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、下模脫模離開一定距離后，工作臺(tái)送料：送料到?jīng)_壓作業(yè)點(diǎn)時(shí)，對板料進(jìn)行沖壓。同步控制可采用接近開關(guān)檢測沖床曲軸的實(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)檢測示意圖，測試桿和曲軸在工作時(shí)同步轉(zhuǎn)動(dòng)(測試桿材料選用膠木或塑料)，測試桿頭部裝有測試片(金屬片)。當(dāng)測試桿轉(zhuǎn)動(dòng)到使測試片進(jìn)入固定于機(jī)座上的接近開關(guān)檢測有效范圍時(shí)，開關(guān)便發(fā)出感應(yīng)信號(hào)(同步信號(hào))，該信號(hào)對應(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。測試桿隨曲軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使測試片脫離接近開關(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。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。取出方法是用壓縮空氣把留在下模上或上模上撥落下來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)是通過安裝在沖床曲軸或滑塊上的凸輪控制氣門來調(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)行用戶程序的情況下，整個(gè)系統(tǒng)由主CPU來管理，主CPU負(fù)責(zé)鍵盤管理、用戶程序輸入、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，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)線也變?yōu)楦唠娖健＿@時(shí)同步信號(hào)能通過兩個(gè)與門，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)，也不能通過兩個(gè)與門，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)界面采用鍵盤輸入、CRT顯示。鍵盤驅(qū)動(dòng)采用了8279鍵盤控制芯片，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，用來完成數(shù)控加工程序的輸入、修改及對機(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VRAM操作爭奪**權(quán)的矛盾。因?yàn)轱@示過程中，為了使CRT顯示的圖象清晰穩(wěn)定，主CPU對VRAM的操作不能是隨機(jī)的，只能在CRT回掃期間才能對VRAM操作，否則將影響到CRT的顯示效果。而主CPU主要任務(wù)是對機(jī)床的實(shí)時(shí)操作，不可能只在限定的時(shí)間內(nèi)對VRAM操作。當(dāng)采用了顯示CPU后，加工過程中，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)方式訪問VRAM來解決爭奪訪問VRAM**權(quán)問題的。 

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，為了減少用戶編程量，用戶指令中設(shè)置了內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)、跳轉(zhuǎn)指令，使用戶編程量大大減少。 

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

編輯模塊用來完成用戶程序的編輯和修改。 

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

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

用戶程序自動(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)，無失步和過沖現(xiàn)象。


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