連續(xù)沖模數(shù)控自動(dòng)送料裝置的設(shè)計(jì)

邵鳳翔，趙 科

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

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連續(xù)沖模數(shù)控自動(dòng)送料裝置的設(shè)計(jì)

邵鳳翔，趙 科

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

在普通沖床上增加數(shù)控自動(dòng)送料裝置，對特殊零件進(jìn)行連續(xù)沖模作業(yè),并對基于個(gè)人電腦控制的數(shù)控自動(dòng)送料裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，用安裝了mach3控制軟件的個(gè)人電腦替代專用的數(shù)控系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)和制造成本大幅降低.

沖模；送料裝置；設(shè)計(jì)；mach3

沖床在落料加工進(jìn)行手工送料時(shí)會出現(xiàn)送料速度慢、間距不均勻、效率低、事故多發(fā)等問題，在進(jìn)行復(fù)雜零件沖孔時(shí)，沖模的設(shè)計(jì)周期長、成本高.為解決這些問題,適應(yīng)多品種、中小批量零件的加工，設(shè)計(jì)了連續(xù)沖模數(shù)控自動(dòng)送料裝置，可以用簡單沖模加工復(fù)雜的零件.本設(shè)計(jì)主要包括電氣控制部分和機(jī)械傳動(dòng)部分，采用mach3 CNC控制軟件，使用個(gè)人電腦直接控制自動(dòng)送料裝置，大大降低了成本.

1 沖床自動(dòng)送料裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)

針對大塊薄板間距不等的沖孔零件進(jìn)行工藝分析.第一種方法是鉆削加工，存在的問題為薄板在鉆削時(shí)變形大、劃線速度慢、效率低,對工人熟練程度的要求高，孔與孔之間的位置不易保證；第二種方法是整體模具一次沖壓成型，相對位置容易保證，但是加工難度大且設(shè)計(jì)復(fù)雜，要求沖床大、模具大，投入成本高，手工送料比較危險(xiǎn).對此，若設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的凸凹模將要沖的孔依次沖出即可解決問題，板料的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，又由于數(shù)控系統(tǒng)控制的絲杠螺母機(jī)構(gòu)定位精度高，能夠滿足沖床的加工精度.因此，應(yīng)用在沖床加工上完全可以保證孔與孔之間的位置精度.

針對小零件的落料加工進(jìn)行工藝分析，比如螺母的平墊片加工過程是先將板材裁成比墊片稍寬的條狀，然后手工送料進(jìn)行落料沖孔.存在的問題為裁板和沖壓需要兩道工序，特別是沖壓時(shí)手工送料，每次都要找準(zhǔn)擋料的位置，浪費(fèi)時(shí)間.因此，如果整個(gè)板料不再裁成條狀，或者裁成很寬的條狀，去掉模具上的擋料進(jìn)行沖壓，則板料的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)將由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動(dòng).

2 控制方案的確定

2.1 控制器的選擇

方案一：數(shù)控裝置選用成熟的FANUC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟硬件的合理配置來實(shí)現(xiàn)控制功能.零件變化后，可以很容易地編寫國際G代碼以適應(yīng)新的加工要求，實(shí)現(xiàn)沖床的全自動(dòng)化控制.無論從提高生產(chǎn)效率還是減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度方面考慮，此方案均具有極大優(yōu)勢，但它的價(jià)格比較貴，改造的成本過高，影響了它的實(shí)施.

方案二：數(shù)控裝置選用免費(fèi)的mach3控制軟件，開發(fā)出沖壓代碼和相應(yīng)的接口電路，用個(gè)人電腦控制.當(dāng)零件發(fā)生變化時(shí)，在控制軟件中編寫G代碼即可.控制系統(tǒng)由個(gè)人電腦替代且選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，成本明顯降低.

2.2 總體方案的確定

(1)普通沖床數(shù)控送料裝置是點(diǎn)位控制機(jī)床，所以數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng),如個(gè)人電腦安裝的mach3 CNC控制系統(tǒng).

(2)沖床數(shù)控送料裝置屬于一般精度的點(diǎn)位控制.在保證一定加工精度的前提下,應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，故采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng).

(3)根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和其他輔助電路.

(4)為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用有預(yù)緊機(jī)構(gòu)且摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，以提高傳動(dòng)剛度并消除間隙.

(5)導(dǎo)軌承受的壓力和扭矩較小時(shí),采用光杠和直線軸承以減少導(dǎo)軌的摩擦力，系統(tǒng)原理如圖1所示.沖床系統(tǒng)利用個(gè)人電腦上安裝的mach3數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)兩臺步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，利用滾珠絲杠和精密直線滾動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)工作臺x向和y向進(jìn)給，完成工件直線或圓弧插補(bǔ)作業(yè).

3 工作臺的設(shè)計(jì)

沖床作業(yè)件是沖頭，沖頭的運(yùn)動(dòng)是由電磁鐵帶動(dòng)沖床上的離合器來控制的.x向和y向送料機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選用兩臺步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，控制器是個(gè)人電腦.由個(gè)人電腦對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置和速度進(jìn)行控制，以滿足加工精度的要求.

控制原理為從電腦發(fā)出的高低電平通過光電隔離裝置控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，輸出控制脈沖個(gè)數(shù)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角，輸出脈沖頻率控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.工作臺原理如圖2所示.

圖1 系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of system

圖2 工作臺原理Fig.2 Schematic diagram of worktable

4 電氣控制的設(shè)計(jì)

根據(jù)使用要求，經(jīng)過嚴(yán)格的分析計(jì)算，確定系統(tǒng)配置如下:

(1)按照實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件，選用個(gè)人電腦和mach3 CNC控制系統(tǒng)；

(2)根據(jù)x軸和y軸的進(jìn)給功率要求，通過計(jì)算選擇110BC380M三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)；

(3)x軸和y軸驅(qū)動(dòng)器選用DF3C-06型驅(qū)動(dòng)器；

(4)采用100 VA的系統(tǒng)電源隔離變壓器；

(5)系統(tǒng)電源采用24 V/4.5 A的電源；

(6)離合器電磁鐵選用專用的拉桿電磁鐵.

機(jī)床中的進(jìn)給系統(tǒng)需要自動(dòng)控制，為此需要設(shè)計(jì)接口轉(zhuǎn)換電路和強(qiáng)電控制電路.

圖3 強(qiáng)電控制圖Fig.3 High voltage control

4.1 強(qiáng)電部分

數(shù)控自動(dòng)送料裝置的電氣原理如圖3所示.Ll,L2,L3均為機(jī)床輸入總電源，QF1為總電源開關(guān).三相交流電源(380 V)Ll,L2,L3通過總電源開關(guān)QF1接通U,V,W并接三路輸出.一路輸出單相交流220 V至數(shù)控系統(tǒng)，一路輸出三相380 V至電磁鐵驅(qū)動(dòng)單元，還有一路輸出三相電源至主電動(dòng)機(jī)[1].

圖3中，QF1～QF3為三相空氣開關(guān)； KM1～KM3為三相交流接觸器；交流接觸器KMl用來控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)電輸送;斷路器QF2為步進(jìn)電機(jī)的過載及短路保護(hù)；交流接觸器KM3用來控制電磁鐵的吸合;斷路器QF3為主電機(jī)的過載及短路保護(hù)；交流接觸器KM2用來控制主電機(jī)的啟動(dòng)和停止.

4.2 弱電部分

弱電電氣控制原理如圖4所示.

圖4 弱電電氣控制原理圖Fig.4 Low voltage electrical schematic diagram

DB25針腳[2]定義如下：

pc2為x脈沖控制信號；pc3為x方向控制信號；pc4為x方向使能控制信號；pc5為y脈沖控制信號；pc6為y方向控制信號；pc7為y方向控制信號；pc8為沖壓控制信號；pc10為x,y正負(fù)方向行程限位輸入信號；pc11為x向回零輸入信號；pc12為y向回零輸入信號.

4.3 電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊

當(dāng)pc8針腳為低電平時(shí)光電隔離電路導(dǎo)通，三極管8055導(dǎo)通，K2中間電流繼電器得電，K2中間繼電器的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，使得三相交流接觸器KM2線圈得電、KM2主觸點(diǎn)閉合，主觸點(diǎn)閉合后電磁鐵得電，電磁鐵拉動(dòng)離合器，完成一次沖壓[3].

5 建立軟硬件之間的聯(lián)系

5.1 建立打印機(jī)接口與mach3軟件的聯(lián)系[4]

(1)在mach3中的“公英制選擇”窗口中選擇mm.

(2)在“內(nèi)核速度”窗口選擇25 000 Hz，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)選用的DF-3A驅(qū)動(dòng)器的頻率為25 000 Hz.

(3)在“電機(jī)輸出”窗口如圖5設(shè)置.

(4)在“信號輸出”窗口中設(shè)置.Enable1：x軸步進(jìn)電機(jī)使能控制信號，引腳序號為5；Enable2：y軸步進(jìn)電機(jī)使能控制信號，引腳序號為7；Output #1：沖壓控制信號，引腳序號為8.

更多參數(shù)的設(shè)置參考mach3使用說明書.

5.2 VB開發(fā)沖壓代碼

步驟一：選擇“操作”菜單下的“VB腳碼編輯器”，如圖6所示；

步驟二：沖壓無上死點(diǎn)檢測的沖壓代碼m188.vb后置代碼，在圖6中輸入如下代碼.

O0001 G54 G00 X740 Y500 M188 X665 Y425 M188

X665 Y210 M188 X535 Y130 M188 X535 Y425 M188 X430 Y310 M188

X280 Y360 M188 X280 Y425 M188 X160 Y160 M188 X80 Y360 M188

X30 Y130 M188 X30 Y425 M188 M30

圖5 電機(jī)輸入對話框Fig.5 The motor input dialogue

圖6 VB腳碼編輯器Fig.6 VB foot code editor

6 結(jié)論

通過對電氣控制部分和機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，利用個(gè)人電腦直接控制連續(xù)送模自動(dòng)送料裝置進(jìn)行沖模加工，生產(chǎn)效率提高，成本下降，加工零件的形位公差精度能夠得到保證，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益.

[1] 秦曾煌.電工學(xué)簡明教程[M].北京：高等教育出版社,2013：178-231.

[2] ?？怂箠W.Visual Basic 2010入門經(jīng)典[M].北京：人民郵電出版社,2011：86-152.

[3] 廖效果.數(shù)控技術(shù)[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2012：125-201.

[4] JAMES A R，GLENN J.工業(yè)電子技術(shù)[M].北京：北京科學(xué)出版社,2007：89-123.

New design of numerical control automatic feeding apparatus with progressive die

SHAO Fengxiang,ZHAO Ke

(CollegeofMechanicalEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Numerical control automatic feeding device is added to normal punch with progressive die of special parts. Through the mechanical structure and electrical control methods of numerical control automatic feeding device that is controlled by the personal computer,the special numerical control system is replaced by the personal computer that is installed with the mach3 control software,then both the design and manufacturing costdecreased.

die；feeding apparatus；design；mach3

2016-05-25

河南工程學(xué)院與東莞市廣升精密五金機(jī)械有限公司校企合作項(xiàng)目(H2014009)；鄭州市2015年科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20150239)

邵鳳翔(1973-),男,四川青神人，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造.

TH122

A

1674-330X(2016)04-0037-04