1　引言

針對板材沖壓件加工量大，目前多采用手工送料，既滿足不了其生產要求，又易發(fā)生人身事故。我們研制了高速全自動數控沖床，它能自動完成對整體板料的上料、送料、排料及排網狀廢料的全過程。

2　全自動數控沖床結構及工作原理

全自動數控沖床由機床本體、上料裝置、送料裝置、排網狀廢料裝置、控制硬件和控制軟件五大部分組成，如圖1所示。

1.上料裝置　2.機床本體　3.兩坐標工作臺
4.排網狀廢料裝置　5.控制柜
圖1　全自動數控沖床布局簡圖

機床本體是國內擁有量很大的深喉式200kN曲軸壓力機。曲軸式壓力機的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)往復運動，實現對板料的沖壓加工，控制制動器實現壓力機工作機構的停止。送料動作一般是由手工或間隙式機械機構完成［1］。

全自動數控沖床的曲軸式壓力機的沖壓原理不變。不同的是利用計算機控制滑塊的往復，即上沖模往復動作的起停和被加工板料的規(guī)則X、Y向進給送料運動，并能使這兩個動作協調，即實現沖壓與送料動作的同步控制。

全自動沖壓加工中，兩坐標工作臺是關鍵的機械部件之一，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軸送料次數為板料一排所沖工件個數時，Y軸才送料一次。因此設計工作臺時，采用X軸在上，Y軸在下，這樣工作臺沿X方向送料時，X方向電機只通過絲杠帶動較輕的夾鉗拖板沿上導軌作X向運動。Y方向送料時，Y方向電機通過絲杠帶動較重由上導軌、上電機、上絲杠和夾嵌拖板組成的機構沿下導軌作Y向運動。故能提供快捷及安全的送料過程。圖2為兩坐標工作臺結構圖。

1.Y軸絲杠右軸承支座　2.夾鉗　3.夾緊氣缸　4.X軸導軌　5.夾鉗固定板　6.X軸螺母　7.夾鉗托板　8.Y軸絲杠　9.Y軸絲杠左軸承支座　10.Y軸聯軸器　11.Y軸步進電機　12.Y軸導軌支撐架　13.Y軸螺母　14.基座　15.X軸步進電機　16.X軸聯軸器　17.X軸絲杠后軸承支座　18.Y軸后導軌　19.X軸絲杠　20.Y軸前導軌　21.X軸絲杠前軸承支座
圖2　兩坐標工作臺結構圖

夾鉗托板是夾持工件作X、Y軸運動部件，為減輕其重量，選用硬鋁作為夾鉗拖板支架，且結構盡量簡單緊湊。夾鉗托板上用兩個氣缸完成對工件的夾持，其結構如圖2所示。為了保證可靠的夾緊，鉗口面采用網紋狀增大摩擦。

上料裝置是將工件板料送到工作臺夾鉗拖板上的裝置(見圖1)。沖壓前或沖壓過程中將所沖的板料堆放在上料裝置的堆料臺上，而將板料送到工作臺夾鉗拖板上是由上料裝置自動完成的。其過程為：垂直氣缸下移，通過四個真空吸盤把堆料臺上最上面的一張板料吸起來，然后垂直氣缸上移，上移到一定高度，水平氣缸右移，移到一定位置停止等待，當前一張板料沖壓加工完后，工作臺回到零位，垂直油缸下移，將工件板料放在工作臺夾鉗拖板上，夾嵌拖板上的夾緊汽缸將其夾緊。

當一張板料沖壓加工完后，夾鉗拖板上剩下的是網狀廢料，因網狀廢料的連接處僅為搭邊，最小為1.5mm左右，這樣其連接強度弱，如何安全地排走將是沖床能否連續(xù)沖壓的關鍵。

排網狀廢料裝置采用輥式排料裝置，它是由上下兩個為一組的輥子把料夾住，利用磨擦力，通過輥子作旋轉運動而將網狀廢料排走的裝置，如圖3所示。

圖3　輥式排網狀廢料原理圖

輥式排料機構采用三相異步電機驅動固定的下輥，上輥在一氣缸的驅動下，可夾緊和分離網狀板料。輥子的表面作滾花處理或鋼球噴丸處理，防止網狀廢料打滑。

數控沖床的沖壓動作和工作臺的送料動作必須同步，即當沖模上、下模脫模離開一定距離后，工作臺送料：送料到沖壓作業(yè)點時，對板料進行沖壓。同步控制可采用接近開關檢測沖床曲軸的實際位置，即上模位置，然后將信號(同步信號)輸入控制系統(tǒng)，經處理使工作臺按要求作規(guī)則進給運動。

圖4為同步信號檢測示意圖，測試桿和曲軸在工作時同步轉動(測試桿材料選用膠木或塑料)，測試桿頭部裝有測試片(金屬片)。當測試桿轉動到使測試片進入固定于機座上的接近開關檢測有效范圍時，開關便發(fā)出感應信號(同步信號)，該信號對應滑塊也即上模脫離下模一定位置，這時工作臺可進給送料。測試桿隨曲軸繼續(xù)轉動使測試片脫離接近開關有效范圍后，感應信號隨之消失，等待下一個感應信號，繼續(xù)下一次進給送料。

圖4　同步信號檢測示意圖

在沖壓加工中，當沖床完成了一個沖程作業(yè)后，到下次沖壓加工沖程作業(yè)之前這段時間內，必須準確地把沖壓加工了的沖壓件從沖模上取出來。為了從沖模上取出沖壓件，首先，為了防止沖壓件和網狀廢料不粘附在沖模上，必須從沖模上卸下沖壓件和網狀廢料。這些問題是沖模機能的一部分，是由裝入沖模內的固定卸料板、彈簧組成的脫模裝置來完成的。

當沖壓件從沖模上脫模后，緊接著是將沖壓件從沖模上取出來。取出方法是用壓縮空氣把留在下模上或上模上撥落下來的沖壓件吹到床身后的工件箱內，用壓縮空氣吹的方法適用于沖壓速度高、沖壓件較輕的場合，但要很好地調整吹射的方向和空氣壓力及時間，定時是通過安裝在沖床曲軸或滑塊上的凸輪控制氣門來調整的。在選擇風嘴時，風嘴孔徑要小(0.2～0.5mm)。

3　數控系統(tǒng)硬件結構

我們所開發(fā)的數控系統(tǒng)是用于沖床的專用數控系統(tǒng)，伺服驅動單元選用步進電機，專用數控系統(tǒng)硬件采用基于單片機的多CPU(主CPU、從CPU、顯示CPU)模塊化結構。圖5為以單片機為核心的數控系統(tǒng)硬件框圖。

圖5　數控系統(tǒng)硬件框圖

為了保證數控系統(tǒng)高速送料，采用雙CPU構成數控系統(tǒng)硬件的主模塊，此雙CPU結構屬于主從式結構，如圖5所示。主CPU為8031，從CPU為8751。

因工作臺是X、Y兩坐標工作臺，采用兩臺伺服電機驅動。由于兩個方向的負載相差可達十倍左右，兩方向進給送料的頻率差別也在十倍以上，因此必然采用特性不同的兩個電機，為充分發(fā)揮其特性，其升、降頻規(guī)律也不同，當X、Y軸同時送料時，要實現這樣的頻率，須采用一個CPU管理一臺電機的運行，同時要保證用戶程序的預處理不占用電機運行時間，可靠的方法也是用兩個CPU分別處理X、Y軸的數據。這樣才能保證數控系統(tǒng)的高速送料。

不運行用戶程序的情況下，整個系統(tǒng)由主CPU來管理，主CPU負責鍵盤管理、用戶程序輸入、修改、增刪和顯示模塊的通訊。

在工作臺進給送料時或手動調整時，主CPU控制X軸運動，從CPU控制Y軸運動。當主CPU搜索到X、Y軸的運行數據后，它將Y軸數據經8255送給從CPU，主、從CPU分別使工作臺作兩個方向的進給送料運動。手動調整有單步、中速、高速調整。

主、從CPU分別各用一個晶振，它們的運行不是同步的，雖然這兩個CPU同時處理X、Y軸的運行數據，但結束有先有后，一旦一個方向的數據先處理完，另一方向的數據還未處理完畢，而這時同步信號已到達，必然會產生一電機運動而另一電機不運動，造成動作失誤。為了防止這種情況發(fā)生，主、從CPU分別設置了一條同步控制信號線，如圖6所示。

圖6　同步信號控制

當X軸數據準備好后，X軸同步控制信號線變?yōu)楦唠娖?，如果Y軸數據也準備好，Y軸同步控制信號線也變?yōu)楦唠娖健＿@時同步信號能通過兩個與門，主、從CPU在同步信號的作用下同時控制兩個電機運動。如過X軸數據準備好后，Y軸數據還未準確好，Y軸同步控制信號線則為低電平。在這種情況下，即使有同步信號到達，也不能通過兩個與門，主、從CPU都不會收到同步信號，兩個CPU只能等待下一個同步能再一起動作。這種處理方式可保證送料的準確性。

數控系統(tǒng)的人機界面采用鍵盤輸入、CRT顯示。鍵盤驅動采用了8279鍵盤控制芯片，共設置了56個按鍵，有數字、字母、功能、手動調整鍵，用來完成數控加工程序的輸入、修改及對機床的操作和手動調整等。

CRT驅動采用可編程顯示控制器MC6845驅動。顯示模塊采用了一顯示CPU，這樣解決了MC6845與主CPU對VRAM操作爭奪優(yōu)先權的矛盾。因為顯示過程中，為了使CRT顯示的圖象清晰穩(wěn)定，主CPU對VRAM的操作不能是隨機的，只能在CRT回掃期間才能對VRAM操作，否則將影響到CRT的顯示效果。而主CPU主要任務是對機床的實時操作，不可能只在限定的時間內對VRAM操作。當采用了顯示CPU后，加工過程中，主CPU優(yōu)先的、隨機的將顯示信息送到公用RAM(雙口)，并通知顯示CPU。顯示CPU取出公用RAM中的信息，在規(guī)定的回掃時間內，將顯示信息送入VRAM。顯示CPU和MC6845是以分時方式訪問VRAM來解決爭奪訪問VRAM優(yōu)先權問題的。

4　數控系統(tǒng)軟件結構

為了維修和使用方便，國際上，數控系統(tǒng)在輸入代碼、坐標系統(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準，ISO國際標準化標準及EIA美國電子工業(yè)協會標準。根據沖壓加工特點，參考國際上常用的ISO標準，本系統(tǒng)共設置了10條用戶指令。因為沖壓加工中工作臺送料為大量的重復動作，為了減少用戶編程量，用戶指令中設置了內循環(huán)、外循環(huán)、跳轉指令，使用戶編程量大大減少。

系統(tǒng)軟件采用模塊化結構，共有五個模塊化結構，系統(tǒng)開機或復位后處于監(jiān)控狀態(tài)。這時五個功能模塊可供選擇。如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)軟件功能模塊

編輯模塊用來完成用戶程序的編輯和修改。

運行和調整模塊有三個子功能：

(1)運行前置有關參數。
(2)運行前手動調整。
(3)根據用戶程序控制上料裝置、工作臺驅動單元、排網狀廢料裝置完成上料、進給送料、排網狀廢料。

從EPROM調用戶程序模塊的設置可將常用的用戶程序固化在EPROM中，當要運行這些用戶程序時，直接從EPROM中調出，減少每次開機沖壓加工前操作人員對用戶程序的輸入、編輯工作，提高生產效率。

當EPROM中固化的用戶程序較多時，一般很難記住EPROM中所有的用戶程序名，這就無法從EPROM中調出用戶程序。為此系統(tǒng)軟件設置了查看用戶文件名模塊。

用戶程序自動生成模塊是當輸入板料尺寸和沖壓樣件尺寸后，根據優(yōu)化排樣算法確定工作臺送料步距［2］，自動生成用戶程序。

5　結論

研制的全自動數控沖床樣機已在調試后用于生產中，用來沖壓Φ70mm的圓盒，其加工速度為：180次/min，送料定位精度為：±0.1mm。數控系統(tǒng)工作可靠，步進電機運行平穩(wěn)，無失步和過沖現象。