基于臺達(dá)機(jī)電平臺的沖床自動化

摘 要：在介紹沖床加工應(yīng)用的基礎(chǔ)上論述了沖床自動化問題和曲軸式自動化沖床工作原理。最后重點(diǎn)討論臺達(dá)數(shù)控沖床設(shè)計技術(shù)，包括重要的臺達(dá)伺服參數(shù)設(shè)計。
關(guān)鍵詞：沖壓加工 數(shù)控沖床 伺服 PLC

1 引言

金屬材料領(lǐng)域的60～70%是板材，金屬板材的大部分是經(jīng)過沖壓加工制成成品。沖壓加工在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。例如，在宇航，航空，軍工，機(jī)械，農(nóng)機(jī)，電子，信息，鐵道，郵電，交通，化工，醫(yī)療器具，日用電器及輕工等部門里都有沖壓加工。汽車的車身、底盤、油箱、散熱器片，鍋爐的汽包、容器的殼體、電機(jī)、電器的鐵芯硅鋼片等都是沖壓加工的。儀器儀表、家用電器、自行車、辦公機(jī)械、生活器皿和五金制品等產(chǎn)品中大量沖壓件。沖壓按工藝分類，可分為分離工序和成形工序兩大類。沖壓分離工序也稱沖裁，其目的是使沖壓件沿一定輪廓線從板料上分離，同時保證分離斷面的質(zhì)量要求。

沖壓分離工序使用沖床加工實(shí)現(xiàn)。沖裁加工在室溫下利用安裝在壓力機(jī)上的模具對材料施加壓力，使其產(chǎn)生分離變形從而獲得所需零件的壓力加工方法。沖壓設(shè)備除了厚板用水壓機(jī)成形外，一般都采用機(jī)械壓力機(jī)。沖壓件具有薄、勻、輕、強(qiáng)的特點(diǎn)。由于采用精密模具，工件精度可達(dá)微米級，且重復(fù)精度高、規(guī)格一致，可以沖壓出孔窩、凸臺等。冷沖壓件一般不再經(jīng)切削加工，或僅需要少量的切削加工。

2 沖床自動化問題

沖壓雖然是高效的生產(chǎn)方法，但是手工單模具沖床沖壓生產(chǎn)加工量大，在每分鐘生產(chǎn)數(shù)十、數(shù)百件沖壓件的情況下，需要在短暫時間內(nèi)完成送料、沖壓、出件、排廢料等工序，手工單模具沖床沖壓生產(chǎn)既滿足不了其高速生產(chǎn)要求，又大量發(fā)生人身、設(shè)備和質(zhì)量事故。沖壓中的安全高效生產(chǎn)是一個非常大的現(xiàn)實(shí)矛盾問題。

采用復(fù)合模，尤其是多工位級進(jìn)模的數(shù)控沖床，可在一臺壓力機(jī)上完成多道沖壓工序，實(shí)現(xiàn)由帶料開卷、矯平、沖裁到成形、精整的全自動生產(chǎn)。生產(chǎn)效率高，勞動條件好，生產(chǎn)成本低，一般每分鐘可生產(chǎn)數(shù)百件。以現(xiàn)代高速多工位機(jī)械壓力機(jī)為中心，配置開卷、矯平、成品收集、輸送等機(jī)械以及模具庫和快速換模裝置，并利用計算機(jī)程序控制，可組成高生產(chǎn)率的自動沖壓生產(chǎn)線。數(shù)控技術(shù)應(yīng)用在沖床設(shè)備領(lǐng)域,使普通沖床得以升級,通過數(shù)控技術(shù)的自動控制完成沖壓的功能。

基于PLC技術(shù)的高速全自動數(shù)控沖床自動完成對整體板料的上料、送料、排料及排網(wǎng)狀廢料的集成加工過程。 全自動數(shù)控沖床由通常由機(jī)床本體、上料裝置、送料裝置、排網(wǎng)狀廢料裝置、自動化電控硬件和控制軟件五大部分組成。

3 曲軸數(shù)控沖床

曲軸式?jīng)_床是最常見的沖床結(jié)構(gòu)。曲軸式?jīng)_床工作原理是控制離合器的吸合動作來控制滑塊也即上模的單次或連續(xù)往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對板料的沖壓加工，控制制動器實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)的停止。送料動作一般是由手工或間隙式機(jī)械機(jī)構(gòu)完成。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PLC控制滑塊的往復(fù)，即上沖模往復(fù)動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，并能使這兩個動作協(xié)調(diào)，即實(shí)現(xiàn)沖壓與送料動作的同步控制。 全自動沖壓加工中，兩坐標(biāo)工作臺是關(guān)鍵的機(jī)械部件之一，工作臺的慣性限制著工作臺的送料速度和加速度。為提高工作臺的送料速度，在設(shè)計時可能減小工作臺的慣性。 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數(shù)時，Y軸才送料一次。因此設(shè)計工作臺時，采用X軸在上，Y軸在下，這樣工作臺沿X方向送料時，X方向電機(jī)只通過絲杠帶動較輕的夾鉗拖板沿上導(dǎo)軌作X向運(yùn)動。Y方向送料時，Y方向電機(jī)通過絲杠帶動較重由上導(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。故能提供快捷及安全的送料過程。
數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 為了維修和使用方便，國際上數(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國際通用標(biāo)準(zhǔn)，ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及EIA美國電子工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)沖壓加工特點(diǎn)，參考國際上常用的ISO標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)闆_壓加工中工作臺送料為大量的重復(fù)動作，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)。這時五個功能模塊可供選擇。

4 臺達(dá)數(shù)控沖床解決方案

基于臺達(dá)機(jī)電自動化自動化平臺配置包括：臺達(dá)觸摸屏HMI；臺達(dá)EH系列PLC；臺達(dá)ASDA-AB系列交流伺服系統(tǒng)；臺達(dá)B系列變頻器。

沖床的沖頭屬于機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)，電機(jī)啟動后以固定的時間周期性上下運(yùn)動，在該過程中伺服的運(yùn)動有兩種工藝自動化過程狀況：小步距-在該過程中伺服運(yùn)動在每次沖孔是必須走到相應(yīng)的沖孔位置；大步距-由于步距太大沖頭在正常沖壓時，進(jìn)給軸不能走到?jīng)_壓位置，必須等到進(jìn)給到位后方可沖壓。
控制方式采用臺達(dá)伺服寄存器控制定位模式Pr模式。通過觸摸屏設(shè)置相應(yīng)的距離后經(jīng)過運(yùn)算，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)和剩余的脈沖數(shù)，同時通過通訊寫入對應(yīng)的伺服寄存器中，并通過伺服外部啟動命令進(jìn)行啟動。具體控制過程：

4.1 人機(jī)對話界面設(shè)計

（1）觸摸屏畫面設(shè)計：在觸摸屏畫面里，此次采取標(biāo)準(zhǔn)CNC的理念，有三種控制方式，分別為手動方式、自動方式、參考點(diǎn)方式。手動方式如圖1所示，在手動方式時可以任意運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)給軸，有利于移動滑臺，或找取裝夾點(diǎn)。自動方式如圖2所示，在自動方式時允許啟動加工。參考點(diǎn)方式如圖3所示，開機(jī)后通過執(zhí)行回參考點(diǎn)建立機(jī)械坐標(biāo)系，確定機(jī)床零點(diǎn)。

圖1 手動方式畫面

圖2 自動方式畫面

圖3 參考點(diǎn)畫面

（2）坐標(biāo)顯示：在觸摸屏里可采用讀取伺服狀態(tài)寄存器顯示機(jī)床坐標(biāo)，其宏程序忽略。
工藝畫面如圖4所示：在工藝畫面可以設(shè)置起點(diǎn)坐標(biāo)、步距、沖壓孔數(shù)，最大步距加工速度等，對于所設(shè)步距大于最大步距時，PLC會判斷，等待進(jìn)給到位信號到來后沖頭方可沖下。

圖4 工藝畫面

（3）時鐘宏：在工藝畫面里，通過相應(yīng)的數(shù)值設(shè)定，自動轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的伺服轉(zhuǎn)數(shù)及脈沖數(shù)，并寫入伺服驅(qū)動器。

4.2 PLC程序設(shè)計

動作執(zhí)行及邏輯判斷PLC程序部分梯形圖程序如下：

4.3 交流伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

（1）電機(jī)反饋參數(shù)： 0-04 = 0（回授脈沖數(shù)）；0-05 = 1（回授圈數(shù)）。
（2）定位模式Pr參數(shù)： 1－01＝1（Pr控制模式）。
（3）電子齒輪比分子：1-44 = 5 ；電子齒輪比分母1-45 = 2 。

（4）第一段參考點(diǎn)速度1-48 = 20；第二段參考點(diǎn)速度1-49 = 30。
（5）伺服使能信號：2-10 = 1（伺服直接使能）
（6）其它伺服參數(shù)：

2-11 = 108 （pr模式出發(fā)啟動信號）
2-12 = 122（反向限位）
2-13 = 137/111（jog+及pr模式寄存器選擇-通訊控制）
2-14 = 138/112（jog-及pr模式寄存器選擇-通訊控制）
2-15 = 106（反向方向信號）
2-16 = 127（參考點(diǎn)觸發(fā)信號）
2-17 = 124（參考點(diǎn)完成信號）
2-18 = 105（伺服位置到達(dá)）
2-19 = 109 （原點(diǎn)復(fù)歸完成）
2-20 = 107（伺服報警）
備注：2-10~2-22可參考第七章輸入輸出端子定義表
3-00 = 2/3（站號設(shè)定）
3-01 = 1（通訊傳輸率）
3-02 = 0（通訊協(xié)議）
3-05 = 2（通訊方式-485通訊）

4 結(jié)束語

通過案例設(shè)計討論，基于臺達(dá)機(jī)電自動化平臺的數(shù)控沖床解決方案在應(yīng)用中展示出單品牌機(jī)電一體化系統(tǒng)集成的巨大技術(shù)優(yōu)勢。應(yīng)用臺達(dá)單品牌機(jī)電技術(shù)平臺提高數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)裝備能力達(dá)到性能服務(wù)成本最優(yōu)目標(biāo)的綜合。