高速全自动数控冲床研制高频机

高速全自动数控冲床研制

高速全自动数控冲床研制 2011： 1　引言针对板材冲压件加工量大，目前多采用手工送料，既满足不了其生产要求，又易发生人身事故。我们研制了高速全自动数控冲床，它能自动完成对整体板料的上料、送料、排料及排网状废料的全过程。2　全自动数控冲床结构及工作原理全自动数控冲床由机床本体、上料装置、送料装置、排网状废料装置、控制硬件和控制软件五大部分组成，如图1所示。

1.上料装置　2.机床本体　3.两坐标工作台4.排网状废料装置　5.控制柜图1　全自动数控冲床布局简图

机床本体是国内拥有量很大的深喉式200kN曲轴压力机。曲轴式压力机的工作原理是控制离合器的吸合动作来控制滑块也即上模的单次或连续往复运动，实现对板料的冲压加工，控制制动器实现压力机工作机构的停止。送料动作一般是由手工或间隙式机械机构完成［1］。全自动数控冲床的曲轴式压力机的冲压原理不变。不同的是利用计算机控制滑块的往复，即上冲模往复动作的起停和被加工板料的规则X、Y向进给送料运动，并能使这两个动作协调，即实现冲压与送料动作的同步控制。全自动冲压加工中，两坐标工作台是关键的机械部件之一，工作台的惯性限制着工作台的送料速度和加速度。为提高工作台的送料速度，在设计时可能减小工作台的惯性。在冲压加工过程中，X轴送料比Y轴频繁，即X轴送料次数为板料一排所冲工件个数时，Y轴才送料一次。因此设计工作台时，采用X轴在上，Y轴在下，这样工作台沿X方向送料时，X方向电机只通过丝杠带动较轻的夹钳拖板沿上导轨作X向运动。Y方向送料时，Y方向电机通过丝杠带动较重由上导轨、上电机、上丝杠和夹嵌拖板组成的机构沿下导轨作Y向运动。故能提供快捷及安全的送料过程。图2为两坐标工作台结构图。

1.Y轴丝杠右轴承支座　2.夹钳　3.夹紧气缸　4.X轴导轨　5.夹钳固定板　6.X轴螺母　7.夹钳托板　8.Y轴丝杠　9.Y轴丝杠左轴承支座　10.Y轴联轴器　11.Y轴步进电机　12.Y轴导轨支撑架　13.Y轴螺母　14.基座　15.X轴步进电机　16.X轴联轴器　17.X轴丝杠后轴承支座　18.Y轴后导轨　19.X轴丝杠　20.Y轴前导轨　21.X轴丝杠前轴承支座图2　两坐标工作台结构图

夹钳托板是夹持工件作X、Y轴运动部件，为减轻其重量，选用硬铝作为夹钳拖板支架，且结构尽量简单紧凑。夹钳托板上用两个气缸完成对工件的夹持，其结构如图2所示。为了保证可靠的夹紧，钳口面采用网纹状增大摩擦。上料装置是将工件板料送到工作台夹钳拖板上的装置(见图1)。冲压前或冲压过程中将所冲的板料堆放在上料装置的堆料台上，而将板料送到工作台夹钳拖板上是由上料装置自动完成的。其过程为：垂直气缸下移，通过四个真空吸盘把堆料台上最上面的一张板料吸起来，然后垂直气缸上移，上移到一定高度，水平气缸右移，移到一定位置停止等待，当前一张板料冲压加工完后，工作台回到零位，垂直油缸下移，将工件板料放在工作台夹钳拖板上，夹嵌拖板上的夹紧汽缸将其夹紧。当一张板料冲压加工完后，夹钳拖板上剩下的是网状废料，因网状废料的连接处仅为搭边，最小为1.5mm左右，这样其连接强度弱，如何安全地排走将是冲床能否连续冲压的关键。排网状废料装置采用辊式排料装置，它是由上下两个为一组的辊子把料夹住，利用磨擦力，通过辊子作旋转运动而将网状废料排走的装置，如图3所示。

图3　辊式排网状废料原理图

辊式排料机构采用三相异步电机驱动固定的下辊，上辊在一气缸的驱动下，可夹紧和分离网状板料。辊子的表面作滚花处理或钢球喷丸处理，防止网状废料打滑。数控冲床的冲压动作和工作台的送料动作必须同步，即当冲模上、下模脱模离开一定距离后，工作台送料：送料到冲压作业点时，对板料进行冲压。同步控制可采用接近开关检测冲床曲轴的实际位置，即上模位置，然后将信号(同步信号)输入控制系统，经处理使工作台按要求作规则进给运动。图4为同步信号检测示意图，测试杆和曲轴在工作时同步转动(测试杆材料选用胶木或塑料)，测试杆头部装有测试片(金属片)。当测试杆转动到使测试片进入固定于机座上的接近开关检测有效范围时，开关便发出感应信号(同步信号)，该信号对应滑块也即上模脱离下模一定位置，这时工作台可进给送料。测试杆随曲轴继续转动使测试片脱离接近开关有效范围后，感应信号随之消失，等待下一个感应信号，继续下一次进给送料。

图4　同步信号检测示意图

在冲压加工中，当冲床完成了一个冲程作业后，到下次冲压加工冲程作业之前这段时间内，必须准确地把冲压加工了的冲压件从冲模上取出来。为了从冲模上取出冲压件，首先，为了防止冲压件和网状废料不粘附在冲模上，必须从冲模上卸下冲压件和网状废料。这些问题是冲模机能的一部分，是由装入冲模内的固定卸料板、弹簧组成的脱模装置来完成的。当冲压件从冲模上脱模后，紧接着是将冲压件从冲模上取出来。取出方法是用压缩空气把留在下模上或上模上拨落下来的冲压件吹到床身后的工件箱内，用压缩空气吹的方法适用于冲压速度高、冲压件较轻的场合，但要很好地调整吹射的方向和空气压力及时间，定时是通过安装在冲床曲轴或滑块上的凸轮控制气门来调整的。在选择风嘴时，风嘴孔径要小(0.2～0.5mm)。3　数控系统硬件结构我们所开发的数控系统是用于冲床的专用数控系统，伺服驱动单元选用步进电机，专用数控系统硬件采用基于单片机的多CPU(主CPU、从CPU、显示CPU)模块化结构。图5为以单片机为核心的数控系统硬件框图。

图5　数控系统硬件框图

为了保证数控系统高速送料，采用双CPU构成数控系统硬件的主模块，此双CPU结构属于主从式结构，如图5所示。主CPU为8031，从CPU为8751。因工作台是X、Y两坐标工作台，采用两台伺服电机驱动。由于两个方向的负载相差可达十倍左右，两方向进给送料的频率差别也在十倍以上，因此必然采用特性不同的两个电机，为充分发挥其特性，其升、降频规律也不同，当X、Y轴同时送料时，要实现这样的频率，须采用一个CPU管理一台电机的运行，同时要保证用户程序的预处理不占用电机运行时间，可靠的方法也是用两个CPU分别处理X、Y轴的数据。这样才能保证数控系统的高速送料。不运行用户程序的情况下，整个系统由主CPU来管理，主CPU负责键盘管理、用户程序输入、修改、增删和显示模块的通讯。在工作台进给送料时或手动调整时，主CPU控制X轴运动，从CPU控制Y轴运动。当主CPU搜索到X、Y轴的运行数据后，它将Y轴数据经8255送给从CPU，主、从CPU分别使工作台作两个方向的进给送料运动。手动调整有单步、中速、高速调整。主、从CPU分别各用一个晶振，它们的运行不是同步的，虽然这两个CPU同时处理X、Y轴的运行数据，但结束有先有后，一旦一个方向的数据先处理完，另一方向的数据还未处理完毕，而这时同步信号已到达，必然会产生一电机运动而另一电机不运动，造成动作失误。为了防止这种情况发生，主、从CPU分别设置了一条同步控制信号线，如图6所示。

图6　同步信号控制

当X轴数据准备好后，X轴同步控制信号线变为高电平，如果Y轴数据也准备好，Y轴同步控制信号线也变为高电平。这时同步信号能通过两个与门，主、从CPU在同步信号的作用下同时控制两个电机运动。如过X轴数据准备好后，Y轴数据还未准确好，Y轴同步控制信号线则为低电平。在这种情况下，即使有同步信号到达，也不能通过两个与门，主、从CPU都不会收到同步信号，两个CPU只能等待下一个同步能再一起动作。这种处理方式可保证送料的准确性。数控系统的人机界面采用键盘输入、CRT显示。键盘驱动采用了8279键盘控制芯片，共设置了56个按键，有数字、字母、功能、手动调整键，用来完成数控加工程序的输入、修改及对机床的操作和手动调整等。CRT驱动采用可编程显示控制器MC6845驱动。显示模块采用了一显示CPU，这样解决了MC6845与主CPU对VRAM操作争夺优先权的矛盾。因为显示过程中，为了使CRT显示的图象清晰稳定，主CPU对VRAM的操作不能是随机的，只能在CRT回扫期间才能对VRAM操作，否则将影响到CRT的显示效果。而主CPU主要任务是对机床的实时操作，不可能只在限定的时间内对VRAM操作。当采用了显示CPU后，加工过程中，主CPU优先的、随机的将显示信息送到公用RAM(双口)，并通知显示CPU。显示CPU取出公用RAM中的信息，在规定的回扫时间内，将显示信息送入VRAM。显示CPU和MC6845是以分时方式访问VRAM来解决争夺访问VRAM优先权问题的。4　数控系统软件结构为了维修和使用方便，国际上，数控系统在输入代码、坐标系统、加工指令、辅助功能及程序格式等方面逐渐形成了两种国际通用标准，ISO国际标准化标准及EIA美国电子工业协会标准。根据冲压加工特点，参考国际上常用的ISO标准，本系统共设置了10条用户指令。因为冲压加工中工作台送料为大量的重复动作，为了减少用户编程量，用户指令中设置了内循环、外循环、跳转指令，使用户编程量大大减少。系统软件采用模块化结构，共有五个模块化结构，系统开机或复位后处于监控状态。这时五个功能模块可供选择。如图7所示。

图7　系统软件功能模块

编辑模块用来完成用户程序的编辑和修改。运行和调整模块有三个子功能：(1)运行前置有关参数。(2)运行前手动调整。(3)根据用户程序控制上料装置、工作台驱动单元、排网状废料装置完成上料、进给送料、排网状废料。从EPROM调用户程序模块的设置可将常用的用户程序固化在EPROM中，当要运行这些用户程序时，直接从EPROM中调出，减少每次开机冲压加工前操作人员对用户程序的输入、编辑工作，提高生产效率。当EPROM中固化的用户程序较多时，一般很难记住EPROM中所有的用户程序名，这就无法从EPROM中调出用户程序。为此系统软件设置了查看用户文件名模块。用户程序自动生成模块是当输入板料尺寸和冲压样件尺寸后，根据优化排样算法确定工作台送料步距［2］，自动生成用户程序。5　结论研制的全自动数控冲床样机已在调试后用于生产中，用来冲压Φ70mm的圆盒，其加工速度为：180次/min，送料定位精度为：±0.1mm。数控系统工作可靠，步进电机运行平稳，无失步和过冲现象。作者单位：董长双，杨楚民，宾鸿赞　华中理工大学，武汉市430074(end)

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