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基于运动控制器的数控转塔冲床CAMCNC系统设计.doc
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基于运动控制器的数控转塔冲床CAMCNC系统设计.doc
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1 前言
1.1 数控转塔冲床概况
现代板材加工中使用的数控冲床属于压力加工机床,主要用于板材的加工,例如
冲孔、拉伸及裁剪。不论多么复杂的平面钣金工件都可以在数控冲床上面完成其所有
孔和外形轮廓的冲裁等加工。基于数控冲床的无法比拟的优点,所以在实际中应用相
当广泛。
近年来,我国在数控冲床领域发展较快,数控冲床的保有量也在不断提升,数控
冲床的种类也在不断完善。目前,我国使用的数控冲床大多数都是数控转塔冲床,按
照驱动冲头工作的原理可以把数控转塔冲床分为以下三大类:
第一类是机械驱动的数控转塔冲床,它是通过一个主电机带动飞轮做旋转运动,
由离合器的离合运动,从而控制冲头的冲压,这类数控转塔冲床有其自身的优点,就
是它的结构简单、价格较低、经济实惠、操作简便,工人师傅比较容易上手。但是这
类冲床也有很多缺点。由于是机械式数控转塔冲床,所以必须等飞轮完成一圈的运动,
才可以完成一次冲压,这样冲压行程固定不变,冲头来回的时间固定不变,冲压速度
也就固定不变,所以无法提高;在冲压过程中无法控制冲头的运动,所以不宜得到复
杂的冲压成形,只有通过调节模具才可以实现,但是这样一来就造成了较大的劳动量,
使效率降低。
第二类是液压驱动数控转塔冲床,随着科技的不断进步,数控转塔冲床也在不断
更新换代,因此液压式数控转塔冲床应运而生,它的结构形式得到了很大的改进,所
以在板材加工行业很快就得到了广泛的应用。它驱动冲头的运动主要是通过液压系统
完成的,对冲压控制是通过系统自带的伺服阀来完成的,因此冲头冲压的速度比之前
的第一类数控转塔冲床有了很大的提高;其次,我们可以自由控制液压缸在冲压过程
中的行程,这样就使我们更加容易的控制冲头,从而更方便有效的调节冲头模具,同
时它对工人师傅的要求不高,操作方便。不过这类机床也有一些不好的地方,首先,
由于采用了液压驱动的方式控制冲压过程,所以对环境要求比较高,必须保持液压油
的干净,同时还应保证液压油的温度不能太高或是太低,否则影响冲床的性能;再者,
耗能较高,比一般的冲床行能都要多;另外,液压油需要经常更换,并且不易放置,
占地较多。
第三类是伺服电机驱动数控转塔冲床,经过不断的发展改进,前两种冲床的性能
都有了很大的提高,但是仍然存在不足之处,所以广大厂家努力研发了更新一代的数
控转塔冲床,就是由伺服电机直接驱动的数控转塔冲床。伺服电机可以自由控制冲压
过程,停止冲压的时候电机也停止,这样就节省了很多能耗,比液压式的冲床节能很
多;由于伺服电机的引入,所以工人可以更加容易的调节冲压行程,因此我们可以更
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加方便的调节成型模具;伺服电机数控转塔冲床没有很高的环境要求,也很环保节能,
符合现代社会发展的理念;另外,它的设计结构紧凑,不会占用很大的空间。
综上,前两种数控转塔冲床虽然有着其自身不可比拟的优点,但是其发展前景并
不是很乐观,它们的发展不符合当今社会的环保节能的思想,由于伺服电机驱动式的
诸多优点,加上其可靠的节能效果,所以伺服电机驱动式数控冲床将会是板材加工行
业的主流。
1.1.1 数控冲床发展史
近些年来,世界范围内的科学技术水平都在不断提高,各国的科研投入都在不断
加大,各国对数控机床开发的投入也在不断提高,所以数控冲床不断更新换代,许多
技术难题不断被攻克,更加方便、高效、经济、节能、环保的数控冲床相继问世。我
国在改革开放之后,大力引进国外先进数控技术,在吸收借鉴的基础上,完成了数控
冲床的自主研发。特别是最近几年,我国的数控冲床领域不仅在保有量上占有领先优
势,而且在技术含量上也在不断提高。相信在不远的将来,我国在数控冲床领域一定
会有长足进步。
1.1.2 国内外数控转塔冲床发展现状
在钣金加工领域,随着科技的发展,数控冲床自问世以来得到了长足的发展,有
其是数控转塔冲床的出现,进一步为板材加工行业注入了新鲜的活力。由于国外企业
大都起步较早,所以他们数控转塔冲床的开发、设计、制造工艺等方面比较成熟。例
如,日本 AMADA 公司开发的 VIPROS-2510C、APIRS255M 和 EI、12510NT 型是 2004
年研制的最新机型,它是通过双伺服马达直接驱动的高速数控转塔冲床;芬兰的
Finnpower 公司生产的 E5-25 型数控转塔冲床具有“百米千次”的性能,并且具有运
动精度高、刚度大、功率大、抗震性强、耐磨等特点;意大利 ITEK 公司生产的
INVICTA2000 型数控液压冲床,其冲压次数可以达到 3000/min。
1.1.3 数控转塔冲床的工作原理
数控转塔冲床集机、电、液、气一体化,是在板材上进行冲孔加工、浅拉伸成型
的压力加工设备。它是由电脑控制系统、机械或液压动力系统、伺服送料机构、模具
库、模具选择系统、外围编程系统组成。
数控转塔冲床通过相应的编程软件编制加工程序,并由伺服送料机构将板料送到
需要加工的位置,并夹钳进行定位固定,同时模具选择系统选择模具库中相对应的模
具,液压或是机械动力系统按照已经编制好的程序进行冲压,从而自动完成工件的加
工。
数控转塔冲床是由计算机来控制工件断续推进,当工件停止时,冲头完成一次往
复行程,然后停在上止点,再控制工件推进一步,按步骤连续循环加工,同时也可以
按照需要调整级进速度等。通过自动编程,可以对板材进行 X、Y 方向定位和精确定
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位。通过自动选择转盘模具库中的模具,按照加工要求,自动加工不同尺寸和孔距的
孔,也可以用小的冲模以步冲方式来冲压大的圆孔、方形孔、腰形孔及各种形状的曲
线轮廓,除此之外,还可以进行特殊的工艺加工,如百叶窗、浅拉伸、压窝、翻边孔、
加强筋、步冲成形、步步冲弯边、压印及标志空等。
数控转塔冲床中采用圆形冲头和矩形冲头的最多,它是一种纯冲切模,只要是冲
切,不论大孔、小孔及外形如何,它全以冲孔的方式加工,如果图样和刀口的冲头一
样,它就直接冲出,如果超出设备冲头,就分为多次冲出,圆形的近似逼近,异形的
就分多次冲出,一点一点冲掉多余部分。
数控转塔冲床的运动轴(如图 1.1 所示)
伺服电机 减速器
曲轴
连杆
滑块
图 1.1 数控转塔冲床主传动
1)X 轴—将工件沿垂直于床身长度方向移动的伺服驱动轴
2)Y 轴—将工件沿垂直于床身长度方向移动的伺服驱动轴
3)A 轴—旋转转塔型刀具库旋转模具的旋转轴
4)C 轴—模具自动分度的旋转轴,可以任意角度旋转模具
数控转塔冲床的加工方式:
2)同方向连续冲裁:使用长方形模具部分重叠加工的方式,可以进行加工长型
孔、切边等;
3)多方向连续冲裁:使用小模具加工大孔的加工方式;
4)蚕食:使用小圆模具以较小的步距进行连续冲制弧形的加工方式;
5)单次成形:按模具形状一次浅拉伸成型的加工方式;
6)连续成形:成型比模具尺寸大的成型加工方式,如大尺寸百叶窗、滚滚筋、
滚台阶等加工方式;
7)阵列成形:在大板上加工多件相同或不同工件的加工方式。
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1.2 运动控制器概况
运动控制就是对机械运动部件的位置、速度、位移等进行实时的控制管理,使其
按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动
[9]
。早期的运动控制技术并不是十分
的成熟,随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展和对运动控制的要求,
运动控制逐渐进入人们的视野。
广义上来说,运动控制可以帮助我们更加灵活方便的使用电动机而不需要太多的
能耗,最大程度满足我们的应用需求。运动控制有它一些特有的高级功能,人们可以
通过模块搭建来高效的实现运动控制的应用,已解决一些加工过程中必须解决的问题,
例如,如何实现精确定位问题、如何实现多轴同步的问题,以及如何实现制定运动控
制过程中的速度、加速度和减速度的问题等。因为大多数电动机的是工作在瞬时的环
境中的,它的每一步都在不断变化着的,所以就要求具有运动控制功能的设备必须适
应不同的负载情况和动态变化的条件,不仅如此,还应具有一些复杂的控制算法和反
馈信息的功能。由于要实现精确地运动控制,所以对运动控制的要求一般比较严格,
操作过程中的安全性能是最重要的,所以,运动控制中还具备一些安全保护特性,如
限位开关,可以有效的防止事故的发生。
从结构上看,一个典型的运动控制系统的硬件主要是由上位计算机、运动控制器、
功率驱动电动机、传感器反馈检测装置和被控对象等几部分组成(如图 1.2 所示),
其中为被控对象提供动力的主要是电机和功率驱动设备,同时还将负载运行情况反馈
给控制系统。
控制器 功率放大与变换装置 电动机及负载
信号处理
传感器
图 1.2 运动控制系统及其组成
1.2.1 运动控制器的分类
自上世纪八十年代初期以来,通用运动控制器就已经应用在了国外的很多行业,
并且获得了不错的效果,特别是在微电子行业的应用更是广泛,由于当时国内技术还
比较落后,经济还不发达,没有许多人力财力去研究这一领域,所以运动控制器在国
内的应用规模和行业领域都很小,国内也没能开发出运动控制类的产品。1999 年,
固高科技有限公司开始大力从事开发、生产开放式通用运动控制器产品,并且价格便
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oligaga
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