數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床夾鉗重定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

劉延友李忠新黃川

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京210094)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，PC機(jī)的軟件、硬件條件都有了很大的提高，人們對數(shù)控沖床系統(tǒng)提出了一些新的要求:人性化的界面設(shè)計(jì)，多任務(wù)并行控制能力；完善的圖形接口功能及通用性；加工仿真功能，在加工前預(yù)覽加工過程和結(jié)果，避免試加工，降低生產(chǎn)成本；實(shí)時(shí)的加工過程顯示，使操作人員隨時(shí)掌握加工進(jìn)度等[1-2]。

夾鉗掃描和夾鉗重定位是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床關(guān)鍵技術(shù)，為了保護(hù)模具和夾鉗不受損壞，夾鉗重定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要，也是轉(zhuǎn)塔沖床正常工作的必要前提，開發(fā)完善的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床夾鉗重定位系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床控制系統(tǒng)原理

1.1 數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成

采用以通用PC機(jī)結(jié)合開放式可編程運(yùn)動控制卡構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)的方法[3]，該方法將機(jī)床運(yùn)動控制和邏輯控制功能等由獨(dú)立的運(yùn)動控制卡完成。其硬件組成原理如圖1所示。實(shí)現(xiàn)方法采用上下位機(jī)模式，PC機(jī)作為上位機(jī)完成數(shù)控代碼處理、人機(jī)界面、動態(tài)顯示和機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測等非實(shí)時(shí)或弱實(shí)時(shí)性任務(wù)，運(yùn)動控制卡作為下位機(jī)，完成插補(bǔ)計(jì)算和位置控制等強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)。

圖1 PC+運(yùn)動控制卡結(jié)構(gòu)

1.2 運(yùn)動伺服控制原理

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動伺服控制單元由伺服電動機(jī)，伺服電動機(jī)驅(qū)動器，運(yùn)動控制卡組成。運(yùn)動伺服驅(qū)動控制以運(yùn)動控制卡為位置和速度控制核心，交流伺服系統(tǒng)為驅(qū)動裝置，光電編碼器為反饋檢測元件，構(gòu)成一個(gè)半閉環(huán)控制回路[4]，如圖2所示。

圖2 半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)

1.3 運(yùn)動控制卡

運(yùn)動控制卡以微處理器為核心，以傳感器為輸入控制信號，輸出脈沖或電壓信號控制電動機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動控制。

1.3.1 運(yùn)動控制卡選取

根據(jù)數(shù)空轉(zhuǎn)塔沖床的工作原理，運(yùn)動控制卡需要控制機(jī)床4個(gè)軸運(yùn)動，包括主軸伺服電動機(jī)、板材送料系統(tǒng)的x、y軸伺服電動機(jī)以及上下轉(zhuǎn)塔伺服電動機(jī)。本數(shù)空轉(zhuǎn)塔沖床采用的運(yùn)動控制器是固高公司基于PCI插槽的GT系列4軸運(yùn)動控制GT-400-SV-PCI-R。

1.3.2 運(yùn)動控制卡的的初始化

運(yùn)動控制器提供DOS下的運(yùn)動函數(shù)庫和Windows下的運(yùn)動函數(shù)動態(tài)鏈接庫。用戶只要調(diào)用運(yùn)動函數(shù)庫中的函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制器的各種功能。沖床的數(shù)控系統(tǒng)是基于Windows下的運(yùn)動函數(shù)動態(tài)鏈接庫，以VC++為編程工具進(jìn)行運(yùn)動程序的編寫。下面是運(yùn)動控制卡的初始化程序:

void GTInitial()//運(yùn)動控制器初始化函數(shù)

{

short rtn；

rtn=GT_Open()；error(rtn)；//打開運(yùn)動控制器設(shè)備

rtn=GT_Reset()；error(rtn)；//復(fù)位運(yùn)動控制器

/*將1號卡設(shè)為當(dāng)前卡(僅對于多卡系統(tǒng)，單卡系統(tǒng)可取消該行)*/

rtn=GT_SwitchtoCardNo(1)； error(rtn)；

rtn=GT_SetSmplTm(200)； error(rtn)； //設(shè)置控制周期為200us

for(int i=1； i＜5； ++i；)//屏蔽每一軸的中斷

{rtn=GT_Axis(i)；

rut=GT_SetIntrMsk(0)；}

}

2 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床夾鉗重定位設(shè)計(jì)方案

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的夾鉗重定位系統(tǒng)基于前面的控制系統(tǒng)原理，即在以PC+運(yùn)動控制卡形式創(chuàng)建一個(gè)開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺。在此基礎(chǔ)上，完成夾鉗重定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 問題提出

板材在加工過程中，由于夾鉗所夾持的部分可能存在需要沖裁的孔，此時(shí)存在機(jī)床沖頭與夾鉗在加工過程中的碰撞，即沖頭與夾鉗存在相互沖突的可能。為此，機(jī)床自身設(shè)有夾鉗保護(hù)區(qū)。通常在夾鉗中心沿x方向和y方向圈定一個(gè)安全范圍，這個(gè)區(qū)域被設(shè)定為禁止沖頭進(jìn)入的安全區(qū)域。一般根據(jù)機(jī)床配置模具尺寸的不同，夾鉗保護(hù)區(qū)的大小范圍也不同。

為了保護(hù)夾鉗和模具，使數(shù)控沖床正常工作，完成整個(gè)加工過程，就要設(shè)計(jì)夾鉗重定位系統(tǒng)。根據(jù)沖床的工作特點(diǎn)及工作要求，夾鉗重定位系統(tǒng)分為兩個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì):1)沖床工作前的夾鉗掃描過程，此過程用來確定夾鉗在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置，從而確定夾鉗的保護(hù)區(qū)；2)機(jī)床加工過程中的夾鉗重定位過程，此過程是加工圖素與設(shè)定的夾鉗保護(hù)區(qū)存在沖突，此時(shí)就要停止加工，進(jìn)行夾鉗的避讓，即重新定位夾鉗的位置，使之離開加工圖素位置，使機(jī)床正常加工。

2.2 夾鉗掃描的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 沖床上料過程

沖床加工板料一般為正方形或長方形板料，上料時(shí)，首先沖床各軸回機(jī)床坐標(biāo)系的零點(diǎn)，此時(shí)兩個(gè)夾鉗的y坐標(biāo)為零，然后打開夾鉗，將板料的一邊靠實(shí)夾鉗，抬起原點(diǎn)定位銷，將另外一邊靠住定位銷，最后按下夾鉗夾緊按鈕并放下原點(diǎn)定位銷，這樣就完成了上料過程，此時(shí)板料在原點(diǎn)定位銷和夾鉗之間的頂點(diǎn)是機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

2.2.2 夾鉗掃描

為了得到夾鉗在機(jī)床坐標(biāo)系的位置，要對夾鉗位置進(jìn)行掃描。如圖3所示位置，為機(jī)床開機(jī)時(shí)的初始位置，先對機(jī)床進(jìn)行回參考點(diǎn)的操作，如圖4所示，此時(shí)記錄編碼器的位置。夾鉗在y方向不再移動，使夾鉗沿x+方向移動。選定機(jī)床x軸上一個(gè)特定位置，距離機(jī)床原點(diǎn)L，及此點(diǎn)坐標(biāo)為(L，0)。在此位置放置選定的電感傳感器，使夾鉗沿x+軸移動，由圖易知右夾鉗先到達(dá)電感傳感器的位置，當(dāng)夾鉗右側(cè)感應(yīng)電感傳感器后會使電感傳感器產(chǎn)生一個(gè)高電平，一直到夾鉗左側(cè)離開電感傳感器時(shí)，變?yōu)榈碗娖?，由此可以根?jù)夾鉗運(yùn)動速度和高電平的時(shí)間得到夾鉗的長度，如圖5所示。根據(jù)夾鉗右側(cè)感應(yīng)電感傳感器時(shí)，記錄編碼器的位置，這樣就可以知道相對機(jī)床原點(diǎn)移動的距離，也就知道了夾鉗在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置，對于左側(cè)夾鉗，測量方法一樣，這就完成了夾鉗掃描。

圖3 機(jī)床開機(jī)夾鉗初始位置

圖4 機(jī)床回參考點(diǎn)夾鉗位置

圖5 傳感器檢測夾鉗位置

2.3 夾鉗重定位的實(shí)現(xiàn)

2.3.1 夾鉗重定位條件

通過夾鉗掃描確定夾鉗在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置，由于沖床的沖頭在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置是固定的，沖床工作時(shí)，夾鉗夾持板料到?jīng)_頭下進(jìn)行沖壓，沖頭不動，因此在確定夾鉗位置后，就可以確定夾鉗保護(hù)區(qū)的大小。夾鉗保護(hù)區(qū)的大小是由夾鉗大小和模具形狀決定。夾鉗大小定義因素:每個(gè)夾鉗x方向的中心坐標(biāo)值(相對于沖頭的x軸坐標(biāo)位置)、夾鉗在x方向的長度和夾鉗在y方向的寬度；模具形狀定義因素:模具直徑(包括沖壓時(shí)的導(dǎo)套)，以及所在轉(zhuǎn)盤上內(nèi)中外排的位置[6]。

由以上參數(shù)可以確定夾鉗保護(hù)區(qū)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，如圖6所示，對于左右兩個(gè)夾鉗，確定的區(qū)域頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為左夾鉗A1，B1，C1，D1，右夾鉗A2，B2，C2，D2，沖頭中心坐標(biāo)點(diǎn)為O(X0，Y0)，比較沖頭中心與各定點(diǎn)位置的距離，確定遠(yuǎn)離沖頭中心的最近最遠(yuǎn)點(diǎn)，例如，對于左夾鉗假定A1(X1，Y1)為離沖頭中心最原點(diǎn)，C1(X2，Y2)為離沖頭中心最近點(diǎn)，由此便可以設(shè)定夾鉗重定位的報(bào)警條件，設(shè)加工點(diǎn)坐標(biāo)為G(X，Y)，于是有:

當(dāng)加工點(diǎn)位置滿足式(1)時(shí)，機(jī)床發(fā)出報(bào)警，各軸停止運(yùn)動，進(jìn)行夾鉗重定位。

圖6 夾鉗保護(hù)區(qū)

2.3.2 夾鉗重定位方法

重定位原理如圖7所示。上料后，夾鉗所處的位置為圖7中重定位前夾鉗位置，此時(shí)在夾鉗保護(hù)區(qū)內(nèi)存在加工圖素，如果希望加工此圖素，夾鉗就需要進(jìn)行重定位。重定位時(shí)，首先重定位銷伸出壓住板料，夾鉗松開右移一段距離，再夾緊工件，然后重定位銷縮回完成重定位，此時(shí)可以加工先前在保護(hù)區(qū)內(nèi)的圖素了。

圖7 夾鉗重定位原理圖

沖壓過程假定存在以下規(guī)則，工件完全在工作臺上；加工圖素先小大，先圓后方；為使重定位次數(shù)最少，存在與保護(hù)區(qū)干涉的圖素要最后沖。夾鉗重定位方法按以下步驟:首先在加工前預(yù)掃描加工圖樣，若存在未加工的區(qū)域，且夾鉗可移動到此位置，這樣就使夾鉗運(yùn)動至未加工區(qū)域開始加工，這樣就實(shí)現(xiàn)一次加工完成，沒有加工過程的重定位；若不存在未加工區(qū)域，一種方案是夾鉗位置不動，夾持工件沖完非保護(hù)區(qū)的圖素，然后移動夾鉗固定距離(大于最大保護(hù)區(qū)的x軸方向長度)，加工剩余圖素；另一種方案是根據(jù)圖素掃描結(jié)果，確定換模次數(shù)較少的加工路徑，確定夾鉗位置，使夾鉗移至此處，加工完相應(yīng)圖素后，移動夾鉗固定距離(大于最大保護(hù)區(qū)的x軸方向長度)，加工剩余圖素。綜上所述，夾鉗重定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則盡量保證夾鉗移動次數(shù)最少，根據(jù)實(shí)際情況一般為兩次。

對于加工圖素較大，其中一部分在夾鉗保護(hù)區(qū)內(nèi)，一部分可以加工，加工方式不是單沖，需要同方向連續(xù)沖裁或是多方向連續(xù)沖裁或是蠶食等加工方式的圖素，為保證重定位次數(shù)最少原則，以及加工圖素精度的要求，必須最后加工。

3 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床夾鉗重定位軟件設(shè)計(jì)

3.1 模具及數(shù)據(jù)庫文件設(shè)計(jì)

由于夾鉗重定位的保護(hù)區(qū)大小與模具的大小有關(guān)，因此必須設(shè)計(jì)相應(yīng)模具庫。模具庫主要是總結(jié)沖床加工可能用到的的沖模以及常用的沖模，然后將沖模歸類后建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)轉(zhuǎn)塔沖床的加工范圍和加工方式，可以將模具分為五類:圓模、長模、三角形模、腰形模和異形模，根據(jù)模具類的不同就有不同的屬性，圖8為模具庫屬性圖。模具庫的管理主要包括在模具庫中修改、刪除和添加模具，然后在模具選取欄選取模具，如圖9所示。

圖8 模具庫屬性圖

圖9 模具庫管理

3.2 夾鉗保護(hù)區(qū)參數(shù)庫

夾鉗保護(hù)區(qū)的大小是由夾鉗形狀和模具形狀決定的。夾鉗形狀定義因素:每個(gè)夾鉗x方向的中心坐標(biāo)值(相對于沖頭的x軸坐標(biāo)置)(x，y)、夾鉗在x方向的長度L、夾鉗在y方向的寬度W；模具形狀定義因素:模具直徑K(包括沖壓時(shí)的導(dǎo)套)、所在轉(zhuǎn)盤上內(nèi)中外排的位置[7]。由以上參數(shù)可以確定夾鉗保護(hù)區(qū):

y軸(各夾鉗相同):K/2+10；

x軸(各夾鉗不同):x+5+(K+W)/2

由此就可以設(shè)計(jì)夾鉗保護(hù)區(qū)參數(shù)庫，其模位參數(shù)主要是刀塔的模位，x向死區(qū)范圍，y向死區(qū)范圍，最大有效半徑，工位角度，以及可否旋轉(zhuǎn)。其主要功能包括修改，刪除，添加，以及選取模位，如圖10所示。

圖10 夾鉗保護(hù)區(qū)參數(shù)庫

3.3 運(yùn)動控制程序設(shè)計(jì)

數(shù)控沖床動作由運(yùn)動控制器按照主機(jī)發(fā)送的運(yùn)動控制命令工作。運(yùn)動控制器配套有動態(tài)鏈接庫(Windows環(huán)境)。用戶通過主機(jī)編制程序調(diào)用相應(yīng)的庫函數(shù)，也就是向運(yùn)動控制器發(fā)出運(yùn)動控制命令，再通過運(yùn)動控制器控制機(jī)床動作。

對于夾鉗重定位系統(tǒng)的運(yùn)動控制程序設(shè)計(jì)，夾鉗掃描主要通過控制軸的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)，可以調(diào)用運(yùn)動控制器函數(shù)庫里的short GT_Axis(unsigned short num)；函數(shù)語句實(shí)現(xiàn)特定軸的移動，夾鉗掃描設(shè)定為x軸，具體程序?yàn)?

void main()

{short rtn；

rtn=GT_Axis(1)； error(rtn)；

rtn=GT_Setpos(1000)； error(rtn)；

rtn=GT_SetVel(10)； error(rtn)；

rtn=GT_SetAcc(1)； error(rtn)；}

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的夾鉗重定位運(yùn)動程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)夾鉗保護(hù)區(qū)的避讓，功能實(shí)現(xiàn)是先讀取G代碼信息，進(jìn)行G代碼校驗(yàn)，判斷是否在夾鉗保護(hù)區(qū)，然后進(jìn)行加工或者是暫存寄存器數(shù)組，對于在夾鉗保護(hù)區(qū)的G代碼段，進(jìn)行重定位后，并重復(fù)夾鉗保護(hù)區(qū)判斷，直至整個(gè)程序段加工完成。具體運(yùn)動程序框圖如圖11所示。

圖11 運(yùn)動控制程序設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺

測試試驗(yàn)在機(jī)電一體技術(shù)綜合測試平臺上完成的。測試平臺系統(tǒng)組成如圖12所示:控制器為運(yùn)動控制器，是控制系統(tǒng)的核心，完成運(yùn)動規(guī)劃與控制的功能。端子板為控制器的IO板，用于轉(zhuǎn)接運(yùn)動控制器的輸入輸出信號，轉(zhuǎn)接器用于模擬各種故障，可利用板卡IO控制接線的通斷。驅(qū)動器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動部分，驅(qū)動各種電動機(jī)運(yùn)動。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包含電動機(jī)以及傳感器等。

圖12 測試平臺系統(tǒng)組成

4.2 測試實(shí)驗(yàn)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床夾鉗重定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測試試驗(yàn)可以分成兩部分，夾鉗掃描和重定位。只對夾鉗掃描進(jìn)行模擬測試實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)現(xiàn)方法:將xyz三維運(yùn)動平臺的工作臺看做是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的其中一個(gè)夾鉗，機(jī)床回參考點(diǎn)后，在工作臺一側(cè)，y軸方向的平臺上一離機(jī)床原點(diǎn)固定距離處安裝電感式接近開關(guān)，在機(jī)床主控制頁面上點(diǎn)擊夾鉗掃描按鈕，進(jìn)入夾鉗掃描對話框如圖13所示，點(diǎn)擊上面的夾鉗掃描按鈕，開始掃描。實(shí)驗(yàn)過程:固定y軸不動，驅(qū)動x軸以勻速沿正向移動，當(dāng)工作臺的一側(cè)靠近接近開關(guān)時(shí)，記下感應(yīng)位置1，工作臺繼續(xù)移動至其另一側(cè)遠(yuǎn)離接近開關(guān)時(shí)，記下感應(yīng)位置2，根據(jù)記錄下的兩個(gè)感應(yīng)位置，可以得到夾鉗中心坐標(biāo)(y方向坐標(biāo)已知)，以及夾鉗寬度。

圖13 夾具掃描

5 結(jié)語

通過對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床夾鉗重定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在固高機(jī)電一體化技術(shù)綜合測試平臺進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)動仿真、故障診斷和測試。從測試的結(jié)果看，實(shí)現(xiàn)各種設(shè)定的功能，取得較為理想的測試結(jié)果，為開發(fā)完善的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床夾鉗重定位系統(tǒng)提供了一種可行的方法。

[1]于濤，范云霄.數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機(jī)床[M].北京:中國計(jì)量版社，2004，5:3-4.

[2]林葉強(qiáng).轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].廈門:廈門大學(xué)，2007.

[3]江利進(jìn)，龍騰字.固高運(yùn)動控制卡在五軸數(shù)控磨床的應(yīng)用研究[J].工藝裝備，2005，12:46-48.

[4]王飛.轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系統(tǒng)及其它關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與研究[D].廈門:廈門大學(xué)，2007.

[5]晏韻，許超.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床板料重定位策略研究[J].現(xiàn)代生產(chǎn)與管理技術(shù)，2009，(02):30-32.

[6]王立勤.用FAGOR數(shù)控系統(tǒng)高級語言功能開發(fā)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床上夾鉗保護(hù)區(qū)功能[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2005，12:111-113.