数控转塔冲床夹钳重定位系统设计

数控转塔冲床夹钳重定位系统设计 济南大学毕业设计 1 前言 1.1 数控转塔冲床简述 随着数控技术的不断进步，数控转塔冲床在钣金加工领域得到越来越广泛的应用，而且在结构和性能上进行有着不断的改进和提高。转塔冲床数控系统以及其它关 [1]键技术的设计与研究的不断提升，数控转塔冲床的使用会越来越广泛。 数控转塔冲床按照主轴驱动工作原理，主要分为以下三类: 第一类，机械驱动式数控转塔冲床:冲床通过一个主电机带动飞轮旋转，冲压动作由离合器控制。它的优点是结构简单，价格低廉。这类机床的缺点也是明显的，效率较低、不适宜成型冲压、耗电量较大、冲压噪音大等。在当今钣金业已经使用很少，基本上被淘汰。 第二类，液压驱动式数控转塔冲床:机床冲头由液压缸驱动击，由电液伺服阀进行冲压控制。冲压速度上有很大的提高。其主要优点加工效率高、冲压噪音小等。但同时，这类机床也存在多种不足，主要表现在耗电量大、维护困难、对环境要求较高、占地面积大。目前使用量也在逐年减少。 第三类，伺服电机驱动式数控转塔冲床:大功率交流伺服电机技术飞速发展，伺服电机可以提供冲头以及运动机构足够的打击力、转矩和功率。这类机床由伺服电机带动冲头进行冲压。与液压式机床相比，其主要优点机床结构紧凑、耗电量少、噪音 [2]小、不用更换液压油、环保等。目前，在钣金业中得到了越来越多的使用。 数控转塔冲床属于高速冲床，多模位，换模方便快速，可实现快速制造。以伺服电机驱动式的数控转塔冲床为例，其工作主轴采用正弦机构，由伺服电机带动滑块上下往复运动，冲击上转盘所选定的上模，并且上下模相互配合，对板材进行冲裁加工。上下转盘由伺服电机经带轮带动。板料由气动夹钳夹持，通过伺服电机、滚珠丝杠副 在X、Y轴方向运动。 数控转塔冲床主要有以下几部分组成:数控系统，实时检测机床工作状态、加工环境，接受操作指令输入，控制机床功能部件的协调运动，完成加工任务，主要包括主控机、显示器、控制面板、键盘以及控制软件;伺服系统，直接驱动各轴的运动，接受数控系统的运动命令，实现各轴速度、位置的精确控制，主要包括X轴电机伺服，Y轴电机伺服，主轴(冲头驱动轴)电机伺服，T轴(转塔轴)电机伺服、C轴(转模轴)电机伺服;电气系统，主要是数控转塔冲床所用的各种传感器，气动回路以及数控系统与电机、传感器、气动部件的连线;机床床身，主要是底座和外罩等，为冲床其它部件提供安装平台;传动系统，将各伺服轴的运动和动力输出转化为加工所需的动作，主要包括主轴传动机构、X轴传动机构、Y轴传动机构、T轴传动机构、C轴传动 [2]机构;辅助部件，主要包括定位装置、工件夹钳等。 - 1 - 济南大学毕业设计 1.2 开放式数控系统简述 随着工业PC机的快速发展，可靠性提高，价格降低，以工业PC机为核心的控制系统已被工业控制领域所认可。由于成本低、标准化、可靠性高、软件资源丰富和便于联网等优点，IPC的开放式数控系统越来越得到广泛应用。具体来讲，目前基于IPC [3] [4]的开放式数控系统有以下几种体系结构。 数控专用模板嵌入通用PC机构成的数控系统:该系统以PC机为硬件平台，利用DOS、WINDOWS操作系统为软件平台的开放式体系结构。这种系统与传统CNC系统 和便于升级换代的优点。 相比具有软硬件资源的通用性、透明性、丰富性 通用PC机与开放式可编程运动控制器构成的数控系统:由独立的运动控制器完成机床的运动控制和逻辑控制功能等。数控上层软件(数控程序编辑、编译、人机界面等)以PC为平台，是WINDOWS等主流操作系统上的标准应用，支持用户定制。这是一种非常优越的数控系统，兼具了WINDOWS的多任务特性和运动控制器的实事特性、实时特性， 全软件式数控系统:运动控制(包括轴控制和机床逻辑控制)以应用软件的形式实现。不但支持数控上层软件(数控程序编辑、人机界面等)的用户定制，而且支持运动控制策略(算法)的用户定制。外围连接采用计算机的总线标准。这类系统已完全是通用计算机主流操作系统(实时扩展)上的标准应用。全软件式数控系统还没有成形产 [5-8]品，还在理论研究中，但它代表了未来数控系统的发展方向。 1.3 课题意义 随着计算机技术的不断发展，PC机的软件、硬件条件都有了很大的提高，人们对数控冲床系统提出了一些新的要求:人性化的界面设计，多任务并行控制能力;完善的图形接口功能及通用性;加工仿真功能，在加工前预览加工过程和结果，避免试 [9-10]加工，降低生产成本;实时的加工过程显示，使操作人员随时掌握加工进度等。对于夹钳扫描和夹钳重定位的要求是数控转塔冲床关键技术，为了保护模具和夹钳不受损坏，夹钳重定位系统设计显得尤为重要，也是转塔冲床正常工作的必要前提。因此本课题选择数控转塔冲床系统中的夹钳重定位系统作为研究方向，开发完善的数控转塔冲床的夹钳重定位系统具有重要的现实意义和广阔的应用前景。 1.4 研究 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 本毕业设计的研究内容为采用开放式数控系统的理论，在以PC机和固高运动控制卡构建的控制系统平台上完成数控转塔冲床的夹钳重定位系统的设计，以及相关机械图纸和电路图纸的绘制。本毕业设计主要基于PC+运动控制卡形式下的开放式数控系统作为设计的硬件平台，进行夹钳重定位系统的设计开发，并对运动控制程序进行相关的设计和NC代码的解释。设计主要包括以下几方面的内容: - 2 - 济南大学毕业设计 第一章为前言。介绍数控转塔冲床的现状，其组成结构，分类情况，工作原理，加工方式等，以及开放式数控系统的研究现状，分类及构成。简单阐述设计的意义以及研究内容。 第二章为数控转塔冲床的控制系统原理部分。介绍其数控的构成以及运动伺服驱动控制的原理，以及运动控制卡的与上位机和伺服驱动器、编码器、伺服电机、限位开关的连接。其中包括GUC运功控制器与数控转塔冲床的控制面板、键盘以及显示器的电路连线图的设计。 第三章为数控转塔冲床夹钳重定位系统的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 。根据数控转塔冲床板料加工的运动形式和加工要求，设计数控转塔冲床的夹钳重定位系统。主要包括，机床上电会参考点后的夹钳位置扫描，从而确定夹钳在机床坐标系的坐标，进而设定出夹钳保护区的范围;板料加工过程中的夹钳避让，重新定位夹钳位置，保护夹钳和模具。还有传感器的选取及安装，夹钳结构设计及安装。 第四章为数控转塔冲床夹钳重定位系统软件设计。根据夹钳重定位系统的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，进行相关软件部分的设计。主要包括，数控转塔冲床模具及数据库文件的设计;夹钳保护区参数库的设计;NC代码解释与运动控制程序的设计。 第五章为数控转塔冲床夹钳重定位系统的测试实验。利用完成的数控转塔冲床硬件和软件的设计，在固高机电一体化技术综合测试平台进行相关的运动仿真、故障诊断和相关的测试与试验。 第六章对全文工作进行总结，并提出进一步的研究方向和改进建议。 设计的主要创新点:数控转塔冲床控制系以PC+运动控制卡的形式创建了一个开放式数控系统硬件平台。整个数控系统以运动控制卡为位置和速度控制核心，交流伺服系统为驱动装置，光电编码器为反馈检测元件，构成一个半闭环的控制回路。利用光电编码器和接近式电感传感器实现夹钳重定位系统的设计，利用VC++软件进行编程实现设计功能。 - 3 - 济南大学毕业设计 2 数控转塔冲床控制系统原理 2.1 数控系统的构成 [11]采用以通用PC机结合开放式可编程运动控制卡构成的数控系统的方法，该方法将机床运动控制和逻辑控制功能等交由独立的运动控制卡完成。其硬件组成原理如图2.1所示，由计算机、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机(含光电编码器)和机床输入输出部分等组成。实现方法采用上下位机模式，PC机作为上位机完成数控代码处理、人机界面、动态显示和机床状态监测等非实时或弱实时性任务，运动控制卡作为下位机，主要完成插补计算和位置控制等强实时性任务。 编码器 伺服 驱动器 伺服电机 运 动端 控子PC 制板 机 指示灯、气动等输出 卡 按钮、传感器等输入 图2.1 PC+运动控制卡结构 2.2 运动伺服控制原理 [13]伺服系统控制对象是输出端的执行元件，如电动机、液压马达和气动马达。电动机是应用最广泛的。数控转塔冲床的运动伺服控制单元由伺服电机，伺服电机驱动器，运动控制卡三部分组成。由于开环控制中有很多不确定因素，例如电机失步和越步，控制精度不会很高;闭环控制系统精度很高，但是控制复杂，成本也会很高;相比之下，半闭环系统就具有很大的优越性。运动伺服驱动控制以运动控制卡为位置和速度控制核心，交流伺服系统为驱动装置，光电编码器为反馈检测元件，构成一个半闭环的控制回路，如图2.2所示。 - 4 - 济南大学毕业设计 运动 伺服 伺服 轴 控制卡 驱动器 电机 运动 机构 反馈信号 旋转 编码器 图2.2 半闭环伺服控制系统 运动控制卡发出控制信号经伺服驱动器放大后控制伺服电机动作。在伺服电机同轴处固定一个旋转编码器(一般在伺服电机后)，旋转编码器可以将伺服电机的动作速度及角位移量反馈给运动控制卡，运动控制卡根据相应的算法来分配接下来的控制信号。此伺服系统的特点是运动控制卡、伺服驱动器及伺服电机组成了闭环系统，而轴的运动机构在闭环之外，精确控制末端对象是伺服电机这一运动源，而不是执行元 [11-12]件—各轴的运动机构。这种控制系统在控制的精度上比开环要高，但比闭环要低。 2.3 运动控制卡 运动控制卡作为开放式数控系统中的一个重要模块近年来得到迅速的发展。运动控制卡是以微处理器为核心，以传感器为输入控制信号，输出脉冲或电压信号控制电机和执行机构实现精确运动控制。与传统的数控装置相比，运动控制卡主要有以下特点:结构形式模块化，可以方便的相互组合，建立满足不同场合、不同功能需求的控制系统;操作简单，通过PC机软件编程实现运动控制，不一定需要专门的数控软件; [14]缩短新产品的研发周期，有较高的灵活性，有利于使用者开发自己的产品。 2.3.1 运动控制卡结构原理 根据数空转塔冲床的工作原理，运动控制卡需要控制机床4个轴电机的运动，包括主轴伺服电机、板材送料系统的X、Y轴伺服电机以及上下转塔伺服电机。根据上面的需求，本数空转塔冲床采用的运动控制器是固高公司基于PCI插槽的GT系列 [15]-SV-PCI-R。DSP(数字信号处理器)是一种微处理器，也是四轴运动控制卡GT-400 此运动控制卡的运算核心。FPGA(现场可编程门阵列)是一种可编程逻辑器件，以开发软件的形式开发硬件，实时改变器件功能。PCI桥是专门用于PCI接口板和PC通讯的器件。CN1和CN2是运动控制卡的轴控制接口和IO接口。其中CN1为62管脚，控制四个轴及编码器;CN2也为62管脚，控制通用输入输出。CN3和CN4为调试 [16-17]接口。 2.3.2 运动控制卡的连接 运动控制卡是运动伺服控制系统的核心部分，实现与上位机(PC机)连接和伺 - 5 - 济南大学毕业设计 服电机以及运动部件的连接。在实际连接中，运动控制卡先通过端子板连接，再由端子板上的接口与输入输出连接。端子板是一块用来和其他控制单元连接的接口电路。CN3为端子板的电源接口。CN4为串行通讯接口，运动控制卡还提供了串行通讯方式与主机交换信息的方法，采用RS-232接口通讯。CN5、CN6、CN7、CN8为伺服电机驱动器接口，每个接口均包括一个伺服电机的脉冲控制信号、驱动报警、驱动允许、驱动报警复位以及编码器信号。CN9、CN10为辅助编码器输入接口，用于控制其他需要位置控制的单元。CN11为可选的模拟量输入接口。CN12为四个轴的限位信号及安全信号接口，连接四个轴的限位传感器和安全传感器。CN13为通用输入接 [18]口，可直接连接16个输入，CN14为通用输出接口，可直接连接16个输出。 运动控制卡的专用输入包括驱动报警信号、原点信号和限位信号，通过端子板上的CN5(CN6、CN7、CN8)、CNl2与驱动器及外部开关相连。专用输出包括驱动允许、驱动报警复位，通过端子板上的CN5、CN6、CN7、CN8与驱动器连接。其中，原点信号和限位信号与通用输入的接法相同，限位开关须接成常闭状态，原点开关为常开 [19]状态。而驱动报警信号及专用输出则须与电机驱动器相连接。 2.3.3 运动控制卡的的初始化 运动控制器提供DOS下的运动函数库和Windows下的运动函数动态链接库。用户只要调用运动函数库中的函数，就可以实现运动控制器的各种功能。本冲床的数控系统是基于Windows下的运动函数动态链接库，以VC++为编程工具进行运动程序的编写。下面是运动控制卡的初始化。 void GTInitial() //运动控制器初始化函数 { short rtn; rtn=GT_Open( ); error(rtn); //打开运动控制器设备 rtn=GT_Reset( ); error(rtn); //复位运动控制器 /* 将1号卡设为当前卡(仅对于多卡系统，单卡系统可取消该行)*/ rtn=GT_SwitchtoCardNo(1); error(rtn); rtn=GT_SetSmplTm(200); error(rtn); //设置控制周期为200us for(int i=1; i<5; ++i;) //屏蔽每一轴的中断 {rtn=GT_Axis(i); rut=GT_SetIntrMsk(0);} } 2.4 本章小结 本章主要介绍数控转塔冲床控制系统原理，分析数控系统的构成和运动伺服控制原理。对运动伺服控制的核心部分运动控制卡作了详细的介绍，主要是其结构，通过端子板与输入输出的连接。简单介绍运动控制卡的初始化以及专用输入信号参数设置。 - 6 - 济南大学毕业设计 3 数控转塔冲床夹钳重定位设计方案 数控转塔冲床的夹钳重定位系统是基于前面的控制系统原理，即在以PC+运动控 [10]一个开放式数控系统硬件平台。在此基础上，完成夹钳重定位制卡的形式创建的 系统设计。 3.1 机械部分设计说明 本设计的夹钳重定位系统的机械本体部分，主要包括夹钳，夹钳座，工作台，底座，滚珠丝杠和直线导轨的安装，如图3.1所示。其主要部件根据数控冲床的加工参数以及机械设计手册选取，主要包括滚珠丝杠，导轨，以及伺服电机。 本冲床的主要参数为工作行程:X轴1250mm，Y轴1270。最大加工板材尺寸(一次重定位)1270x2500，最大加工厚度4mm，板材最大重量76Kg。有以上参数，以及夹钳夹钳座工作台的重量，通过相应的计算选取滚珠丝杠为WL4508外循环调整1 预紧的双螺母滚珠丝杠副，单列2.5圈，其额定动载荷为22000N，精度等级选为3级。根据导轨的动载荷选取滚动导轨的规格为JSA-LG45,导轨尺寸为14x20x17，额定动载荷为42500N。 图3.1 板料进给装置装配图 本设计的机械图部分主要包括板料进给装置的装配图，夹钳装配图，以及部分零件图的绘制。机械本体的装配完成后，可以进行夹钳重定位的硬件设计。 3.2问题的提出 板材在加工过程中，由于夹钳所夹持的部分可能存在需要冲裁的孔，此时 - 7 - 济南大学毕业设计 存在机床冲头与夹钳在加工过程中的碰撞，即冲头与夹钳存在相互冲突的可能。为此，机床自身设有夹钳保护区。通常在夹钳中心沿x方向和y方向圈定一个安全范围，这个区域被设定为禁止冲头进入的安全区域。一般根据机床配置模具尺寸的不同，夹钳保护区的大小范围也不同。 根据数控转塔冲床所使用的模具，各个工位的保护区可以不同，即对于不同规格的模具，保护区域的尺寸各不相同，机床在出厂前，相应模具尺寸的保护区均已设定，通常严禁擅自修改相关参数，否则有可能损坏夹钳或模具。 为了夹钳和模具，使数控冲床正常工作，完成整个加工过程，就要设计夹钳重定位系统。根据冲床的工作特点及工作要求，我们夹钳重定位系统分为两个部分进行设计，一是冲床工作前的夹钳扫描过程，此过程用来确定夹钳在机床坐标系中的位置，从而确定夹钳的保护区，二是机床加工过程中的夹钳重定位过程，此过程是加工图素与设定的夹钳保护区存在冲突，此时就要停止加工，进行夹钳的避让，即重新定位夹钳的位置，使之离开加工图素位置，使机床正常加工。 3.3 夹钳扫描的实现 3.3.1冲床机床坐标系和工件坐标系 图3.1为数控转塔冲床的坐标系。X、Y所确定的坐标系为机床坐标系。机床原点处有两个位置传感器，分别为X轴原点传感器、Y轴原点传感器，这两个传感器和X、Y的正方向确定了机床坐标系。故机床坐标系只有在机床调试阶段转塔冲床数控系统及其它关键技术的设计与研究可以修改。冲床加工板料一般为正方形或长方形板料，上料时，首先冲床各轴回机床坐标系的零点，此时两个夹钳的Y坐标为零，然后打开夹钳，将板料的一边靠实夹钳，抬起原点定位销，将另外一边靠住定位销，最后按下夹钳夹紧按钮并放下原点定位销，这样就完成了上料过程，此时板料在原点定位销和夹钳之间的顶点是机床坐标系的原点。工件坐标系是编程人员在编程时使用的，由机床坐标系为基准平移而成。编程人员可以以工件图样上的任意一点为原点建立坐标 [12]系，编程时在所建立的工件坐标系内，不必考虑工件在机床中的实际位置。如在图3.2所示的转塔冲床的坐标系中，x、y所确定的坐标系就属于一个工件坐标系。 - 8 - 济南大学毕业设计 y Y 冲头中心 原点定位销 x 机床原点 工件夹钳 工件坐标系原点 X 图3.2 转塔冲床的坐标系 3.3.2 夹钳扫描 为了得到夹钳在机床坐标系的位置，我们要对夹钳位置进行扫描。如图3.3所示位置，为机床开机时的初始位置，先对机床进行会参考点的操作，如图3.4所示，此时记录编码器的位置。夹钳在Y方向不再移动，使夹钳沿X+方向移动。选定机床X轴上一个特定位置，距离机床原点L，及此点坐标为(L，0)。在此位置放置选定的电感传感器，使夹钳沿X+轴移动，由图易知右夹钳先到达电感传感器的位置，当夹钳右侧感应电感传感器后会使电感传感器产生一个高电平，一直到夹钳左侧离开电感传感器时，变为低电平，由此我们可以根据夹钳运动速度和高电平的时间得到夹钳的长度，如图3.5所示。根据夹钳右侧感应电感传感器时，记录编码器的位置，这样就可以知道相对机床原点移动的距离，也就知道了夹钳在机床坐标系中的位置，对于左侧夹钳，测量方法一样，这就完成了夹钳扫描。 - 9 - 济南大学毕业设计 Y 冲头中心 工件夹钳 电感传感器 机床原点 X 图3.3 机床开机夹钳初始位置 Y 冲头中心 机床原点 电感传感器 工件夹钳 X 图3.4 机床回参考点夹钳位置 - 10 - 济南大学毕业设计 Y 冲头中心 工件夹钳 电感传感器 机床原点 感应电平信号 X 图3.5 传感器检测夹钳位置 3.4 夹钳重定位的实现 3.4.1 夹钳重定位条件 通过夹钳扫描确定夹钳在机床坐标系中的位置，由于冲床的冲头在机床坐标系中的位置是固定的，冲床工作时，夹钳夹持板料到冲头下进行冲压，冲头不动，因此在确定夹钳位置后，就可以确定夹钳保护区的大小。夹钳保护区的大小是由夹钳大小和模具形状决定。夹钳大小定义因素:每个夹钳X方向的中心坐标值(相对于冲头的X轴坐标位置)、夹钳在X方向的长度和夹钳在Y方向的宽度;模具形状定义因素: 模 [20-21]具直径(包括冲压时的导套)，以及所在转盘上内中外排的位置。由以上参数可以确定夹钳保护区在机床坐标系中的位置坐标，如图3.6所示，对于左右两个夹钳，确定的区域顶点坐标分别为左夹钳A1，B1，C1，D1，右夹钳A2，B2，C2，D2，冲头中心坐标点为O(X0，Y0)，比较冲头中心与各定点位置的距离，确定远离冲头中心的最近最远点，例如，对于左夹钳假定A1(X1，Y1)为离冲头中心最原点，C1(X2，Y2)为离冲头中心最近点，我们由此便可以设定夹钳重定位的报警条件，设加工点坐标为G(X，Y)，于是有， (3.1) X0,X2,X0,X,X0,X1:Y0,Y2,Y0,Y,Y0,Y1 - 11 - 济南大学毕业设计 当加工点位置满足3.1式时，机床发出报警，各轴停止运动，进行夹钳重定位。 Y 冲头中心O(X0，Y0) 夹钳保护区 夹钳 D1 X D2 C2 C1 A1A2 B1 B2 1 图3.6 夹钳保护区 3.4.2 夹钳重定位方法 根据夹钳扫描后得到夹钳保护区的范围，以及夹钳重定位的条件关系式3.1，我们可以知道冲床冲压过程中的什么时候需要重定位，当机床得到重定位的信号时，就需要考虑怎样重定位，也就是重定位的方法问题。重定位原理如图3.7所示。上料后，夹钳所处的位置为图中重定位前夹钳位置，此时在夹钳保护区内存在加工图素，如果希望加工此图素，夹钳就需要进行重定位。重定位时，首先重定位销伸出压住板料，夹钳松开右移一段距离，再夹紧工件，然后重定位销缩回完成重定位，此时可以加工先前在保护区内的图素了。 - 12 - 济南大学毕业设计 冲头中心 Y 重定位销 板 料 工件夹钳 工件夹钳 夹钳保护区 加工图素 夹钳保护区 X 重定位后夹钳位置 重定位前夹钳位置 图3.7 夹钳重定位原理图 我们知道冲床冲压的总时间由冲压加工时间，换模时间，重定位时间，以及各种辅助工艺时间决定。冲加工时间取决于刀具的路径设计，换模时间主要取决于模具的 【21】顺序。考虑本设计为夹钳重定位系统，因此在进行设计时，主要考虑重定位时间这一因素，其他因素为次要因素，即以重定位次数最少为主，换模次数尽量少。 冲压过程假定存在以下规则，工件完全在工作台上;加工图素先小大，先圆后方;为使重定位次数最少，存在与保护区干涉的图素要最后冲。夹钳重定位方法按以下步骤:首先在加工前预扫描加工图纸，若存在未加工的区域，且夹钳可移动到此位置，这样就使夹钳运动至未加工区域开始加工，这样就实现一次加工完成，没有加工过程的重定位;若不存在未加工区域，一种方案是夹钳位置不动，夹持工件冲完非保护区的图素，然后移动夹钳固定距离(大于最大保护区的X轴方向长度)，加工剩余图素;另一种方案是根据图素扫描结果，确定换模次数较少的加工路径，确定夹钳位置，使夹钳移至此处，加工完相应图素后，移动夹钳固定距离(大于最大保护区的X轴方向长度)，加工剩余图素。综上所述，夹钳重定位系统设计原则尽量保证夹钳移动次数最少，根据实际情况一般为两次。 对于加工图素较大，其中一部分在夹钳保护区内，一部分可以加工，加工方式不是单冲，需要同方向连续冲裁或是多方向连续冲裁或是蚕食等加工方式的图素，为保证重定位次数最少原则，以及加工图素精度的要求，必须最后加工。 - 13 - 济南大学毕业设计 3.5传感器的选取 根据数控转塔冲床夹钳重定位系统的设计要求，选取常用的电感传感器为夹钳位置测量元件，配合机床自身位置检测装置编码器来确定夹钳的位置坐标。下面主要介绍电感传感器的工作原理以及其选取和使用。 3.5.1 电感传感器 电感式传感器由三大部分组成:振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并 [22]。 转换成开关信号，触发驱动控制器件。这就达到非接触式检测的目的 电感式接近开关是一种具有感知物体接近能力的器件。它利用位移传感器对所接近物体具有的敏感特性达到识别物体接近并输出开关信号的目的，因此，通常又把接近传感器称为接近开关。电感式接近传感器是一种利用涡流感知物体接近的接近开关。它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。感知敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，在检测线圈的工作面上存在一个交变磁场。当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱直至停振。振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出，触发驱动控制器件。 3.5.2 电感传感器的选取 数控转塔冲床加工钣金件的精度要求一般不高于0.2mm，当前转塔冲床的精度除了一些高档的会定为0.05mm，一般大都定为0.1mm。数控转塔冲床夹钳位置扫描是为了确定夹钳保护区的范围，而保护区的范围还要根据夹钳形状和模具形状决定，因此对夹钳扫描的位置精度要求不是特别高，即对电感式接近开关的检测距离要就不高。根据相关技术手册和产品使用手册选取电感式接近开关，针对本毕业设计的要求，选用德国施克(SICK)公司生产的IME电感式接近开关，型号是IME08 系列DC-3线，标准型，齐平安装，检测距离1.5mm。 3.6 本章小结 本章重点介绍夹钳重定位系统实现方法，主要是夹钳扫描和夹钳重定位的设计方案。夹钳扫描是冲床数控系统中的位置检测元件编码器，配合电感式接近开关来检测实现的;夹钳重定位主要介绍一种简单重定位方案，即使夹钳移动一固定位移量，使得加工图素可以加工。另外，简单介绍电感式接近开关的工作原理，选取方法。 - 14 - 济南大学毕业设计 4 数控转塔冲床夹钳重定位软件设计 4.1 模具及数据库文件设计 由于夹钳重定位的保护区大小与模具的大小有关，因此必须设计相应模具库。另外，模具库的管理可以提高了软件的操作性。模具库主要是总结冲床加工可能用到的的冲模以及常用的冲模，然后将冲模归类后建立相关数据库。根据转塔冲床的加工范围和加工方式，可以将模具分为五类:圆模、长模、三角形模、腰形模和异形模，根据模具类的不同就有不同的属性，图4.1为模具库属性图。模具库的管理主要包括在模具库中修改、删除和添加模具，然后在模具选取栏选取模具，如图4.2所示。 方模 圆模 长度 说明 说明 半径 名称 名称 宽度 三角形模 腰形模 第一边 第二边 说明 名称 长度 说明 名称 宽度 异形模 参数3 参数1 名称 参数2 说明 图4.1 模具库属性图 图4.2 模具库管理 - 15 - 济南大学毕业设计 4.2 夹钳保护区参数库 夹钳保护区的大小是由夹钳形状和模具形状决定的。夹钳形状定义因素:每个夹钳X方向的中心坐标值(相对于冲头的X轴坐标位置)(x，y)、夹钳在X方向的长度L、夹钳在Y方向的宽度W;模具形状定义因素:模具直径K(包括冲压时的导套)、所在 [20]转盘上内中外排的位置。由以上参数可以确定夹钳保护区: K/2，10Y轴(各夹钳相同):; X轴(各夹钳不同): x，5，(K，W)/2 由此就可以设计夹钳保护区参数库，其模位参数主要是刀塔的模位，X向死区范围，Y向死区范围，最大有效半径，工位角度，以及可否旋转。其主要功能包括修改，删除，添加，以及选取模位，如图4.3所示。 图4.3 夹钳保护区参数库 - 16 - 济南大学毕业设计 4.3 NC代码解释与运动控制程序设计 根据数控冲床的加工工艺和加工特性，并结合相关国际标准，数控冲床有自己的加工NC代码。数控系统是NC代码的解释器，本数控冲床的控制系统是基于固高的运动控制器来实现的。通过NC代码的解析，转化成相应运动控制器函数的功能，实现机床的各种动作。 4.3.1 NC代码解释 根据数控冲床的加工工艺和加工特性，并结合相关国际标准，数控冲床NC代码的一般格式: N*** G** X**Y**I** … T** C** M** 其中，N***为指令编号字，表示程序段的编号;G**为准备功能字，表示机床动作方式;X**Y**I**为尺寸字，表示具体动作;T**为刀具功能字，表示当前选用哪个模具;C**为转模功能字，表示当前旋转模的转角;M**为辅助功能字，表示辅助功能代码。 数控冲床NC代码生成的一般过程:在AutoCAD内绘制所要加工的钣金2D图形，并以DXF文档进行保存。软件通过读取所保存的DXF文档，获取所要加工图形参数信息，根据所获取的参数信息，对图形进行分类保存，同时在图形显示界面上绘制所要加工的图形。绘制完成后，手动选取所要加工的图形，并选取合适的模具型号，设置 [10]必须的加工参数，便可进行加工这些图形所需NC代码的生成。下面通过自动生成的NC代码举例说明冲床NC代码的含义: %X800Y480 板材大小:X800mm，Y480mm T1 U6 V8 T1刀，方刀，长6mm，宽8mm S 3.000000 T1刀步距 3mm G00 X169.935258 Y165.048317 快速移动，不冲孔 G01 X527.588929 Y165.048317 直线冲孔，终点XY T2 D4.000000 T2刀，圆刀，直径4mm S 2.000000 T2刀步距，2mm G00 X433.915538 Y321.871136 快速移动，不冲孔 G02 I-55.573959 J0.000000 顺时针 圆弧插补IJ圆心相对坐标 G00 X619.846404 Y387.757781 快速移动，不冲孔 G02 X619.846404 Y376.034390 I-4.104404 J-5.861696 顺时针 圆弧插补IJ圆心相对坐标 G03 X619.846404 Y372.757781 I1.147153 J-1.638304 逆时针圆弧插补I,J圆心相对坐标 G00 X450.526477 Y70.256701 M80 M80单冲 T3 U5 V5 T3刀，方刀，长5mm，宽5mm G00 X403.959483 Y242.498261 G01 X611.070130 Y242.498261 方刀不旋转冲 G00 X0 Y0 快速移动，不冲孔 M00 程序结束 - 17 - 济南大学毕业设计 4.3.2 运动控制程序设计 数控冲床的动作由运动控制器按照主机发送的运动控制命令工作的。运动控制器配套有动态链接库(Windows环境)。用户通过主机编制程序调用相应的库函数，也就是向运动控制器发出运动控制命令，再通过运动控制器控制机床动作。对于夹钳重定位系统的运动控制程序设计，夹钳扫描主要通过控制轴的运动实现，可以调用运动控制器函数库里的short GT_Axis(unsigned short num);函数语句实现特定轴的移动，夹钳扫描设定为X轴，具体程序为: 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); } 数控转塔冲床的夹钳重定位运动程序设计，实现夹钳保护区的避让，功能实现是先是读取G代码信息，进行G代码校验，判断是否在夹钳保护区，然后进行加工或者是暂存寄存器数组，对于在夹钳保护区的G代码段，进行重定位后，并重复夹钳保护区判断，直至整个程序段加工完成。具体运动程序框图如下图4.4所示。 4.4 本章小结 本章主要是数控转塔冲床的夹钳软件设计。利用C++软件编程工具，设计模具及数据库的文件设计和夹具保护区参数库。根据数控冲床的工作性能和工艺特性进行相应的NC代码解释。针对夹钳重定位系统的设计，主要是夹钳扫描和夹钳定位，进行运动控制程序的设计分析。 - 18 - 济南大学毕业设计 开始 定时扫描输系统初始化 入输出 N N 允许加工 运动控制 卡正常 G代码正Y 常 系统初始化 读取G代码 加工 Y G代码校验 暂存寄存 器为空 N N G代码正夹钳重定位 常 Y G代码正常 读取暂存寄G代码信息存器信息 解析存为加 工数组 Y N Y 暂存为寄是否在夹是否在夹存器数组 钳保护区 钳保护区 N 报警 初始化各轴 N 结束 轴正常 Y 图4.4 运动程序框图 - 19 - 济南大学毕业设计 5 数控转塔冲床夹钳重定位系统测试实验 5.1 实验平台 在硬件系统连接完成以及软件系统初期开发设计完成后，就要进行相关的测试实验来进一步测试系统的性能和工作状况，发现前面环节的问题，进一步改进设计和提高系统性能。本毕业设计的测试试验是在固高科技的机电一体技术综合测试平台上完成的。测试平台系统组成如图5.1所示:控制器为运动控制器，是控制系统的核心，完成运动规划与控制的功能。端子板为控制器的IO板，用于转接运动控制器的输入输出信号，转接器用于模拟各种故障，可利用板卡IO控制接线的通断。驱动器为执 [23]行机构的驱动部分，驱动各种电机运动。执行机构主要包含电机以及传感器等。 转控端驱执行 接制子动机构 器 板 器 器 图5.1 测试平台系统组成 5.2 测试实验 数控转塔冲床夹钳重定位系统设计的测试试验可以分成两部分，夹钳扫描和重定位，考虑到实际操作情况和现有实验室资源，只对夹钳扫描进行模拟测试实验。具体实现方法:将XYZ三维运动平台的工作台看做是数控转塔冲床的其中一个夹钳，机床会参考点后，在工作台一侧，Y轴方向的平台上一离机床原点固定距离处安装电感式接近开关，在机床主控制页面上点击夹钳扫描按钮，进入夹钳扫描对话框如图5.3所示，点击上面的夹钳扫描按钮，开始扫描。实验过程:固定Y轴不动，驱动X轴 ，工作台继续以匀速沿正向移动，当工作台的一侧靠近接近开关时，记下感应位置1移动至其另一侧远离接近开关时，记下感应位置2，根据记录下的两个感应位置，可以得到夹钳中心坐标(Y方向坐标已知)，以及夹钳宽度，如图5.2所示。 - 20 - 济南大学毕业设计 图5.2 夹钳扫描 5.3 本章小结 测试实验是系统设计开发的必要环节，本章主要介绍夹钳扫描的实验平台和试验方法及操作。通过测试实验可以发现系统设计的许多问题，需要不断改进，反复试验，直至取得预期结果。通过实验，证明了本系统设计的可行性和准确性。 - 21 - 济南大学毕业设计 6 结 论 随着我国钣金业的迅猛发展，数控转塔冲床的研究会越来越深入，应用新技术的改进和创新会层出不穷。本毕业设计主要针对数控转塔冲床中的夹钳重定位系统进行了相关的设计研究。 夹钳重定位系统基于PC机+固高运动控制器搭建的数控系统的平台上进行的，因此底层的设计主要是该平台的搭建和实现。此阶段完成硬件设备的连接，主要是运动控制器作为数控系统中间纽带的连接。本设计完成运动控制器同PC机，键盘，控制面板，显示器的连接;利用固高搭配的端子板，完成同机床运动构件的连接，由于数控系统为半闭环的位置反馈控制，要实现端子板同编码器，伺服电机，限位开关的连接。 夹钳重定位系统的作为在所搭建好的数控系统平台上的系统设计，主要完成硬件上传感器的选取，设计方案的具体实现;软件上的模具库及夹钳保护区库的设计，以及相关软件编程，这主要是利用VC++软件编程工具实现的，其中包括了机床运动功能实现，位置检测功能的实现，夹钳保护功能的实现以及夹钳重定位功能的实现。 整个夹钳重定位系统完成，进行相应的测试实验。此过程平台是在固高科技的机电一体化技术综合测试平台上实现的，从测试的结果上看，基本上达到预期目标，实现各种设定的功能，取得较为理想的测试结果。 但是在完成整个编程及测试实验中也存在许多问题和不足需要改进。主要有以下几点: (1)测量夹钳位置的电感式接近开关的位置选取。对于数控转塔冲床，它不同于其他机床的特点，其工作台不移动，通过夹钳带动工件运动到冲模下进行加工，因此对于接近开关的安装位置问题，需要进一步的研究，或是通过工的实际经验得以解决。本设计主要是在机床坐标系中的X轴方向上离原点一定距离的位置安装。 (2)软件编程上的实现。数控系统的软件设计基于VC++编程工具。由于时间相对仓促，以及VC++基础薄弱，编程经验相对不足，因此在编程中必定存在需多不尽完善的地方，这也是制约毕业设计的最大障碍。 (3)夹钳重定位的实现方式。对于重定位的实现上，有很多中可行方案，本设计主要考虑最基本的一种实现方法，即移动固定距离，使夹钳远离加工图素。但是对于最优化的追求是无止境的，这就需要不断地研究。本部分的设计还与冲床冲压路径的优化设计有很大联系，但是由于时间问题，本设计没有更深的考虑。设计中综合考虑两者因素，加以整合，想必会设计设计出更加优越的数控冲床。相信这也会是未来数控转塔冲床的研究方向。 - 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