基于工控機(jī)的沖槽機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

吳焱明 伍祥龍 趙 帥 朱家誠(chéng) 吳天星

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

數(shù)控沖槽機(jī)是沖裁電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心圓片槽孔 的專(zhuān)用加工設(shè)備［1］。目前，小型電動(dòng)機(jī)的定子片和轉(zhuǎn)子片是在大型沖床上，使用復(fù)合模一次沖制成型 。而中型、大型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子片和定子片，因其直徑較大，整體沖槽模具成本過(guò)高，以及沖床的噸位不夠等原因，多采用邊轉(zhuǎn)動(dòng)定子片或者轉(zhuǎn)子片，邊沖孔的辦法加工工件。沖槽加工過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程中需要的加工工藝參數(shù)對(duì)工件的質(zhì)量有很大的影響，而加工工藝參數(shù)主要依靠操作人員在日常沖槽中經(jīng)驗(yàn)的積累，所以操作人員對(duì)沖槽加工中的各種工藝參數(shù)的了解，很大程度上影響著產(chǎn)品質(zhì)量。由于PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［3－4］，而工控機(jī)在數(shù)據(jù)的處理和保存方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)［5］。為此，受某企業(yè)的委托，開(kāi)發(fā)出一套以PLC為下位機(jī)和以工控機(jī)為上位機(jī)的數(shù)控沖槽控制系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，將已有的工藝參數(shù)和具體的產(chǎn)品型號(hào)對(duì)應(yīng)起來(lái)存入工控機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)，操作人員加工產(chǎn)品時(shí)，只需輸入產(chǎn)品型號(hào)即可加工，這樣可以簡(jiǎn)化操作過(guò)程，提高加工質(zhì)量。

1 工作原理

數(shù)控沖槽機(jī)的沖槽執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由分度工作臺(tái)和主電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的沖頭組成。沖頭在主電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下做上下往返的沖槽運(yùn)動(dòng)，分度工作臺(tái)配合沖頭做圓周分度運(yùn)動(dòng)，完成整個(gè)沖槽加工過(guò)程。當(dāng)沖頭到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，沖頭在工件上沖出一個(gè)槽。然后，沖頭開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它離開(kāi)分度工作臺(tái)一定位置時(shí)，分度工作臺(tái)迅速轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度后停止，等待沖頭下一次到達(dá)下止點(diǎn)，再完成一次沖槽。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，控制系統(tǒng)根據(jù)主電動(dòng)機(jī)編碼器的數(shù)值，通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)控制分度工作臺(tái)完成精確的分度運(yùn)動(dòng)。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)控沖槽機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要由以工控機(jī)為核心的上位機(jī)和以PLC為核心的下位機(jī)兩個(gè)部分組成，如圖1所示。上位機(jī)部分包括工控機(jī)、觸摸屏、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡以及伺服控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是用來(lái)獲得主電動(dòng)機(jī)編碼器的數(shù)值，運(yùn)動(dòng)控制卡控制交流伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了伺服電動(dòng)機(jī)的快速高精度的定位。下位機(jī)部分是PLC以及其數(shù)字量模塊和模擬量模塊。其中，數(shù)字量模塊的信號(hào)包括了加工開(kāi)始信號(hào)和加工急停信號(hào)、主電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以及離合器吸合信號(hào)等開(kāi)關(guān)量;模擬量模塊輸出模擬量信號(hào)，通過(guò)變頻器控制主電動(dòng)機(jī)的工作頻率。整個(gè)沖槽加工過(guò)程是通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡讀取主電動(dòng)機(jī)編碼器的數(shù)值來(lái)協(xié)調(diào)分度工作臺(tái)和沖頭之間的運(yùn)動(dòng)，完成整個(gè)沖槽加工過(guò)程。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

工控機(jī)使用的是Windows操作系統(tǒng)，并且在.NET平臺(tái)上使用C#軟件編寫(xiě)沖槽控制軟件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)的前臺(tái)是面向用戶的操作界面，操作人員可以輸入各種工藝參數(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存的工藝參數(shù)分為兩大類(lèi):第一類(lèi)是沖片參數(shù)，主要包括沖槽數(shù)、沖片直徑、沖片方式、離合器提前脫離時(shí)間等;第二類(lèi)是伺服電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，主要包括速度環(huán)增益、位置環(huán)增益、速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)等。這類(lèi)參數(shù)的主要作用是改善加工工藝和提高加工精度，其中增益太小會(huì)影響控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和定位精度，太大會(huì)造成電動(dòng)機(jī)異常響聲［6－8］。這些參數(shù)的獲取與設(shè)置，技術(shù)上有較高的要求。不同型號(hào)的產(chǎn)品，由于直徑或厚度不同，所要求的伺服電動(dòng)機(jī)參數(shù)也不同。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，測(cè)得常用型號(hào)產(chǎn)品所需要的伺服參數(shù)，存入工控機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，操作人員只需要輸入這些產(chǎn)品的型號(hào)即可加工產(chǎn)品。對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)中未存儲(chǔ)過(guò)的產(chǎn)品，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)產(chǎn)品的直徑大小、厚度等因素計(jì)算出工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并自動(dòng)匹配一組較為合適的伺服參數(shù)，提高了產(chǎn)品的加工精度。同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)也向操作人員開(kāi)放，經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員也可根據(jù)以往的加工經(jīng)驗(yàn)，修改各種伺服參數(shù)，進(jìn)一步提升加工精度。

3.2 控制系統(tǒng)的模式設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)沖槽機(jī)的控制系統(tǒng)研究和沖槽加工工藝的分析，將整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊，如圖3所示。通過(guò)觸摸屏上的選擇按鈕，可以進(jìn)行各種模式的操作。

（1）“試閥模式”主要用于加工前，檢驗(yàn)沖槽機(jī)內(nèi)的電磁閥工作是否正常以及調(diào)整各個(gè)接近開(kāi)關(guān)的位置。

（2）“手動(dòng)模式”主要用于分度工作臺(tái)原點(diǎn)的設(shè)定，檢測(cè)伺服電動(dòng)機(jī)工作是否正常。

（3）“調(diào)整模式”主要用于在主電動(dòng)機(jī)不上電的情況下，手動(dòng)盤(pán)動(dòng)主電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)沖頭運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)分度工作臺(tái)分度是否正常。

（4）“連續(xù)模式”主要用于正常工作情況下，連續(xù)加工工件。其過(guò)程是壓片氣缸壓緊工件，踩下腳踏開(kāi)關(guān)，分度工作臺(tái)分度一次，離合器保持吸合狀態(tài)，主電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)沖頭完成一次沖孔運(yùn)動(dòng)。然后分度工作臺(tái)和沖頭重復(fù)以上過(guò)程，邊分度邊沖槽。最后的固定n槽時(shí)（n根據(jù)加工工件的參數(shù)確定），離合器脫離，沖頭依靠慣性繼續(xù)沖完最后幾槽。沖槽結(jié)束后，卸片氣缸推出工件，加工結(jié)束，如圖4所示。

（5）“點(diǎn)動(dòng)模式”是連續(xù)模式的單步操作。通過(guò)“點(diǎn)動(dòng)按鈕”控制加工過(guò)程的開(kāi)始和停止。主要用于檢測(cè)沖槽過(guò)程是否正常。

3.3 控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.3.1 沖頭定位的自動(dòng)調(diào)整

根據(jù)沖槽的加工工藝要求，沖槽結(jié)束后，沖頭的停止位置應(yīng)該是沖頭的上止點(diǎn)位置附近。沖頭的停止位置主要由離合器提前脫離時(shí)間控制。傳統(tǒng)沖槽機(jī)無(wú)法自動(dòng)即時(shí)的修正離合器提前脫離時(shí)間。由于工控機(jī)的采用，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正離合器提前脫離時(shí)間。具體方式是，檢測(cè)加工結(jié)束主電動(dòng)機(jī)編碼器的數(shù)值，與沖頭在上止點(diǎn)時(shí)編碼器的數(shù)值比較，算出差值，再根據(jù)工作頻率對(duì)應(yīng)的沖頭一次上下行程需要的時(shí)間，計(jì)算出離合器提前脫離時(shí)間的修正值，這樣就保證了沖頭的停止位置每次都可以在上止點(diǎn)附近。

3.3.2 電子間歇沖槽

間歇沖槽是在加工工件上進(jìn)行有間隔沖孔的一種沖槽方式。傳統(tǒng)的沖槽機(jī)采用的是機(jī)械間歇沖槽方式，這種沖槽方式是在保證分度工作臺(tái)每次轉(zhuǎn)過(guò)相同工作角度的情況下，通過(guò)拉桿機(jī)構(gòu)控制沖槽模具的高度，調(diào)節(jié)沖模與工件之間的距離，完成間歇沖槽。改進(jìn)后的沖槽方式為電子間歇沖槽，它通過(guò)工控機(jī)計(jì)算出工件每一個(gè)槽孔相對(duì)原點(diǎn)的角度，將其儲(chǔ)存在自身的數(shù)據(jù)庫(kù)中，控制系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到需要的任意角度，從而達(dá)到非均勻間隔沖槽的效果。這種電子間歇沖槽方式既縮短了沖槽時(shí)間提高了效率，又省去了拉桿機(jī)構(gòu)，減少了機(jī)械制造的成本。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控沖槽系統(tǒng)采用以工控機(jī)為核心的上位機(jī)和以PLC為核心的下位機(jī)，既發(fā)揮了工控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的快速處理和儲(chǔ)存能力，又體現(xiàn)了PLC在邏輯控制上的優(yōu)勢(shì)。該控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化了數(shù)控沖槽加工的操作流程，降低了對(duì)操作人員要求，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)在沖頭定位以及間歇沖槽等方面做出了一定的改進(jìn)。目前該型號(hào)沖槽機(jī)，已通過(guò)企業(yè)檢測(cè)，可在企業(yè)批量生產(chǎn)。

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