基于柔性制造模式的沖床開放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

1、2007年7月第35卷第7期機床與液壓MACH I N E T OOL&HY DRAUL I CSJul12007Vol135No17基于柔性制造模式的沖床開放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計石林,王飛,姚斌,陳春榕(廈門大學(xué)機電系,福建廈門361005摘要:為了滿足敏捷制造發(fā)展的要求,使傳統(tǒng)制造設(shè)備實現(xiàn)快速柔性制造,本文針對傳統(tǒng)沖裁加工研發(fā)了一個柔性沖裁模具系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的組成模塊及其功能結(jié)構(gòu)。面向研發(fā)對象詳細(xì)闡述了其中運動控制模塊的開放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā),從硬件平臺的搭建、軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)兩方面介紹了整個系統(tǒng)的設(shè)計,同時給出了令人滿意的實驗加工結(jié)果。關(guān)鍵詞:敏捷模具;沖裁;開放式數(shù)控系統(tǒng)中圖分類號:T

2、G659;TP273文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1001-3881(20077-042-3D esi gn of Punch i n g and Shear i n g O pen Nu m er i ca l Con trol System Ba sed onFlex i ble M anufactur i n g M odelSH IL in,WANG Fei,Y AO B in,CHE N Chunr ong(Dep t1of Mechanical&Electrical Engineering,Xia men Univ1,Xia men Fujian361005,China Abst

3、ract:I n order t o satisfy the devel opment request of agility manufacturing,make the traditi onal equi pment realize rap id and flexible manufacturing,a flexible mould syste m was p r oposed in vie w of the traditi onal punching and shearing,its components and functi on structure was intr oduced1To

4、 face researched object,design of the open nu merical contr ol syste m of the move ment contr olmould was exp lained1The syste m design fr om building of hard ware p latf or m t o realizati on of s oft w are syste m was intr oduced,and the satisfying experi m ental results were given1Keywords:Agilit

5、y mould;Punching and shearing;Open nu merical contr ol syste m0引言隨著先進制造技術(shù)不斷發(fā)展,為了提高企業(yè)對市場的快速響應(yīng),敏捷制造模式(AM應(yīng)運而生。由于以計算機和I nternet網(wǎng)為代表的信息處理與傳播技術(shù)對制造業(yè)的發(fā)展作用越來越大,產(chǎn)品已由“大量生產(chǎn)”過渡到滿足用戶需求的單件小批生產(chǎn)。在企業(yè)之間,通過動態(tài)靈活的虛擬組織集成不同企業(yè)的優(yōu)勢構(gòu)建動態(tài)聯(lián)盟;在企業(yè)內(nèi)部,采用柔性化、模塊化的產(chǎn)品設(shè)計方法和可重組的設(shè)備工藝技術(shù)對制造中的制造單元提出了一種新的制造理念,即:以小批量多品種生產(chǎn)方式滿足用戶要求的高度制造系統(tǒng)柔性1。由于傳統(tǒng)沖

6、裁模具系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代制造系統(tǒng)的靈活和快速要求,為了將上述的理念貫穿到實際的制造業(yè)中,本文提出了敏捷沖裁模具系統(tǒng)對普通的沖床的改造方法,簡要地分析了敏捷沖裁模具系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),著重闡述了運動控制部分的設(shè)計。經(jīng)改造后的系統(tǒng)提高了快速響應(yīng)產(chǎn)品變化的能力,在縮短產(chǎn)品設(shè)計制造周期、增加制造系統(tǒng)的柔性、降低成本、提高機械產(chǎn)品質(zhì)量等方面均有明顯的改善。1敏捷沖裁模具系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)敏捷沖裁模具系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由5個模塊組成,包括圖形處理及轉(zhuǎn)換模塊、運動控制模塊、沖裁行程控制模塊、敏捷模具快換組件模塊、被沖板材定點數(shù)控輸送模塊2。整個敏捷沖裁模系統(tǒng)的組成見圖1。111圖形處理及轉(zhuǎn)換模塊圖1敏捷沖裁模系統(tǒng)組成

7、圖形處理及轉(zhuǎn)換模塊的主要功能是讀取工件的幾何信息,并結(jié)合機床的配置參數(shù)(如:機床噸位、機床喉口尺寸等和工藝要求對圖形數(shù)據(jù)進行處理、排序后,自動生成數(shù)控加工代碼傳輸?shù)竭\動控制模塊。此模塊借助基本的圖形交換標(biāo)準(zhǔn)DXF,首先將不同的繪圖軟件(Auto2CAD、Solidworks、Pr o/E和UG等所設(shè)計的二維工程圖轉(zhuǎn)化為通用的DXF文件格式,然后通過自動識別讀取DXF文件,最后將其讀取的數(shù)據(jù)輸送到公共數(shù)據(jù)數(shù)控加工代碼轉(zhuǎn)換操作區(qū),直接生成加工指令代碼。圖形處理及轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)設(shè)計和制造集成化的要求,大大地提高了生產(chǎn)效率、保證了加工質(zhì)量。112運動控制模塊運動控制模塊是整個智能控制系統(tǒng)的核心,其功能是

8、在得到圖形處理及轉(zhuǎn)換模塊給出的機器碼指令后,再通過控制系統(tǒng)操縱被沖板材的載體定點數(shù)控輸送平臺進行二軸插補運動,目的是實現(xiàn)凸凹模與工件板材在不同位置上的相對運動。采用開放式數(shù)控系統(tǒng),通常PC板嵌入CNC中,即PC+運動控制卡, PC通常以工控機為主,總線采用PC I總線。運動控制卡現(xiàn)在已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)的模塊,用戶只需要按照自己的實際需要進行硬件的搭建和軟件的開發(fā),符合敏捷制造的快速化、柔性化和模塊化的要求。113沖裁行程控制模塊沖裁行程控制模塊的功能是實現(xiàn)被沖件的沖裁成形時的沖頭行程。在P LC控制下實現(xiàn)動模對靜模上下相對移動控制,動模移動距離的長短受可調(diào)節(jié)行程開關(guān)控制。沖裁行程控制模塊通過運動

9、控制模塊觸發(fā)激活后,在預(yù)先設(shè)置的沖裁工進時間內(nèi),運動控制模塊必須處于中斷控制狀態(tài),以免沖裁時,工件板材被拖動。114敏捷模具快換組件模塊敏捷模具快換組件模塊的構(gòu)形過程是一個選擇組件、組裝元件的過程。快換模塊由4個組元件庫組成,即凸凹模組件庫(見圖1、凸凹模定位基板庫、夾緊元件庫和卸料元件庫。4個組元件庫根據(jù)生產(chǎn)需要可以靈活擴充。前3類元件通過拼裝形成沖裁成形單元,卸料元件庫一般由不同規(guī)格的聚氨酯橡膠塊組成。在二維板材沖裁加工中,一般以圓形孔、矩形孔、三角孔和腰形孔為主,因此,凸凹模組件庫記錄2方面的信息:組件幾何信息、組件與定位基板裝配特征信息。組件幾何信息由CAD平臺直接讀取工件圖形獲得;組

10、件與定位基板裝配特征信息通過定義和讀取凸凹模組件幾何參數(shù)選取定位基板庫獲取。115被沖板材定點數(shù)控輸送模塊被沖板材定點數(shù)控輸送模塊實質(zhì)上是一個二維數(shù)控移動平臺,在運動控制模塊傳授的指令下進行定點移動,實現(xiàn)工件板材相對凸凹模的位置變換。它由驅(qū)動器、大力矩電機、精密絲杠和高性能直線滾動導(dǎo)軌,以及安裝在移動平臺上的裝夾板材單元(夾具體構(gòu)成。2基于開放式運動數(shù)控系統(tǒng)的沖裁運動系統(tǒng)設(shè)計傳統(tǒng)的計算機數(shù)控(CNC系統(tǒng)大多采取封閉式設(shè)計,產(chǎn)品的彼此不兼容使得數(shù)控系統(tǒng)難以進行結(jié)構(gòu)的改變和功能的擴展。開放式數(shù)控系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的許多缺點,并且具備以下基本特征:開放性、可互換性、可伸縮性、可移植性和可擴展性等

11、。因此,開放式數(shù)控系統(tǒng)必然成為數(shù)控系統(tǒng)未來發(fā)展的主流。I EEE對開放式數(shù)控系統(tǒng)的定義3:能夠在多種平臺上運行,可以和其它系統(tǒng)相互操作,并能給用戶提供一種統(tǒng)一風(fēng)格的交互方式。數(shù)控系統(tǒng)的開放化必須順應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展要求,滿足數(shù)控系統(tǒng)制造商、機床生產(chǎn)商及用戶對數(shù)控系統(tǒng)靈活性,可重組可擴展性等要求。下面從敏捷沖裁模具系統(tǒng)開發(fā)中的運動控制模塊、沖裁行程控制模塊和被沖板材定點數(shù)控輸送模塊出發(fā),將其結(jié)合起來,設(shè)計了沖裁系統(tǒng)的運動控制部分。211開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺的開發(fā)本文設(shè)計所采用的是基于PC機的開放式數(shù)控系統(tǒng),NC嵌入PC中(PC+運動控制器,這也是目前所廣泛采用的一種方式?！癙C+運動控制器”形式

12、建造數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺,其中以工業(yè)PC為主控計算機,組件采用商用標(biāo)準(zhǔn)化模塊,總線采用PC總線形式,同時以多軸運動控制器作為系統(tǒng)從機,進而構(gòu)成主從分布式的結(jié)構(gòu)體系。運動控制器通常以PC硬件插件的形式構(gòu)成系統(tǒng),完成機床運動控制、邏輯控制等功能。PC作為系統(tǒng)的主處理器,主要完成系統(tǒng)管理、運動學(xué)計算等任務(wù)4 。圖2開放式運動控制系統(tǒng)沖床工作臺的進給運動是通過采用運動控制器來進行控制,按照圖2所示搭建硬件平臺5。由于本數(shù)控系統(tǒng)用于沖裁加工,必須保證沖壓和進給動作的協(xié)調(diào)。在制動盤軸(或其它部位固定一個與曲軸運行同步的旋轉(zhuǎn)的鐵片,在鐵片掃過的圓弧區(qū),安裝2個接近開關(guān)M1和 M2,圖3安裝示意圖如圖3所示。當(dāng)

13、鐵片接近M1和M2的敏感區(qū)時,開關(guān)狀態(tài)改變1次,這樣提取到與T1、T2(假設(shè)加工中沖頭下落快要接觸工件的時刻為T1,加工完成后沖頭上升剛離開板料的時刻為T2時刻相對應(yīng)的電平信號,送入系統(tǒng)作同步信號,用其控制進給的起始。這樣就能保證沖頭動作與進給運動的協(xié)調(diào),并且易于實現(xiàn)。212沖裁運動系統(tǒng)的軟件的實現(xiàn)數(shù)控軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計是基于W indows操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺,可利用C+,VC+,V isual Basic610等多種高級編程語言開發(fā)自己的應(yīng)用程序。在應(yīng)用程序中,利用數(shù)控內(nèi)核系統(tǒng)已定義好的I/O接口,把這些應(yīng)用程序與數(shù)控內(nèi)核系統(tǒng)連接起來。通過這種以I/O 接口銜接的方式就把用戶本身的知識、經(jīng)驗、專

14、用工藝集成到數(shù)控系統(tǒng)中,形成了獨特的專用數(shù)控系統(tǒng)。使其完全適用于某種特定的應(yīng)用場合,從而使數(shù)控系34第7期石林等:基于柔性制造模式的沖床開放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計統(tǒng)具有更強的針對性6。選用V isual Basic610開發(fā)此數(shù)控系統(tǒng),其步驟如下:首先導(dǎo)入運動控制器所配套的動態(tài)連接庫;然后根據(jù)沖床的實際要求,定義變量;最后進行前后臺和初始化的編程,確保機床能按照既定的指令動作。下面針對深圳雷賽運動控制卡,實現(xiàn)二維直線插補的編程如下:I f fangzhenbutn =1O r jiagongbutn =1O r xiaohe 2butn =1O r monibutn =1O r openfilechk

15、 =1ThenI f t woarray1(21aa =“X ”Thend1000_start_ta_line2,axisarray (1,posarra 2y(1,startspdy,nor malspdy,acti meyElse I f t woarray1(21aa =“U ”Thend1000_start_t_line2,axisarray (1,posarry 2(1,startspdy,nor malspdy,acti meyEnd I fEnd I f另外該系統(tǒng)具有指令校核功能,還具有模擬仿真功能,人機交互性很強,可真正實現(xiàn)智能控制。所開發(fā)系統(tǒng)的人機交互界面如下:(1主操作界面

16、主操作界面主要包括代碼編譯顯示窗口和模擬加工仿真窗口,還有一些基本的功能按鈕。代碼指令可以由自動編程模塊直接得來,顯示在代碼窗口中,也可以在代碼窗口中手動編程,如圖4所示。每次在模擬、加工仿真操作之前,必須對指令進行校核,確保其指令代碼的書寫正確,當(dāng)指令代碼書寫錯誤時,會立即彈出一個指令代碼書寫錯誤的提示框,顯示出錯誤代碼的行號,便于查找錯誤,并直接修改。另外在加工前最好能進行模擬,保證沖頭能符合既定的軌跡沖裁 。圖4系統(tǒng)的主操作界面(2參數(shù)設(shè)置界面和信號檢測界面參數(shù)設(shè)置界面主要是機床一些重要參數(shù)的設(shè)定,用戶可以根據(jù)自己的實際需要設(shè)置啟動速度、正常速度、加速時間等參數(shù),該界面簡單易用。信號檢測

17、界面可以實時對信號進行觀測,了解機床運行狀態(tài),便于及時排除故障。3 應(yīng)用實例圖5試驗結(jié)果基于系統(tǒng)自動生成的G 指令,在經(jīng)過改造后的數(shù)控沖床上進行實驗,加工出了我們預(yù)期設(shè)計的被加工零件,加工結(jié)果完全符合設(shè)計加工要求,如圖5所示。4結(jié)論本文基于敏捷制造的模塊化思想,適合于普通沖床的數(shù)控改造,完成了以下工作:(1提出了在沖裁制造工藝單元的敏捷模具制造理念,構(gòu)建了系統(tǒng)的組成模塊,并介紹了模塊的功能結(jié)構(gòu)。(2以運動控制模塊為例,闡述了開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念與發(fā)展情況,并提出了設(shè)計方案,較好地實現(xiàn)了工作臺的二維插補運動。另外良好的人機界面,很大程度上方便了用戶的使用。(3系統(tǒng)實現(xiàn)了制造單元柔性化、產(chǎn)品設(shè)計模塊化方法和可重組的工藝設(shè)備,并借助仿真技術(shù)可讓用戶很方便地參與設(shè)計和制造,通過應(yīng)用表明該系統(tǒng)的加工效率和加工質(zhì)量大大提高。參考文獻【1】B runner L incoin 1Nest generati on operati ons J 1ModernM etals,2004,60:20-231【2】何剛,姚斌1敏捷沖裁模具系統(tǒng)設(shè)計中的圖形處理技術(shù)J 1中國工程機械學(xué)報,2006,4(1:113-1171【3】林峰,劉家綿,烏少龍,計時鳴1機床開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究J 1機床與液壓,2004(41【4】石宏,蔡光起,史家順1開放式數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展J 1機械制造,2005,43(6