基于臺達機電平臺的沖床自動化

在介紹沖床加工應用的基礎上論述了沖床自動化問題和曲軸式自動化沖床工作原理。最后重點討論臺達數控沖床設計技術，包括重要的臺達伺服參數設計。
關鍵詞：沖壓加工 數控沖床 伺服 PLC

1 引言

金屬材料領域的60～70%是板材，金屬板材的大部分是經過沖壓加工制成成品。沖壓加工在國民經濟各個領域應用范圍相當廣泛。例如，在宇航，航空，軍工，機械，農機，電子，信息，鐵道，郵電，交通，化工，醫療器具，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、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、辦公機械、生活器皿和五金制品等產品中大量沖壓件。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量要求。

沖壓分離工序使用沖床加工實現。沖裁加工在室溫下利用安裝在壓力機上的模具對材料施加壓力，使其產生分離變形從而獲得所需零件的壓力加工方法。沖壓設備除了厚板用水壓機成形外，一般都采用機械壓力機。沖壓件具有薄、勻、輕、強的特點。由于采用精密模具，工件精度可達微米級，且重復精度高、規格一致，可以沖壓出孔窩、凸臺等。冷沖壓件一般不再經切削加工，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方法，但是手工單模具沖床沖壓生產加工量大，在每分鐘生產數十、數百件沖壓件的情況下，需要在短暫時間內完成送料、沖壓、出件、排廢料等工序，手工單模具沖床沖壓生產既滿足不了其高速生產要求，又大量發生人身、設備和質量事故。沖壓中的安全高效生產是一個非常大的現實矛盾問題。

采用復合模，尤其是多工位級進模的數控沖床，可在一臺壓力機上完成多道沖壓工序，實現由帶料開卷、矯平、沖裁到成形、精整的全自動生產。生產效率高，勞動條件好，生產成本低，一般每分鐘可生產數百件。以現代高速多工位機械壓力機為中心，配置開卷、矯平、成品收集、輸送等機械以及模具庫和快速換模裝置，并利用計算機程序控制，可組成高生產率的自動沖壓生產線。數控技術應用在沖床設備領域,使普通沖床得以升級,通過數控技術的自動控制完成沖壓的功能。

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

3 曲軸數控沖床

曲軸式沖床是最常見的沖床結構。曲軸式沖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。數控沖床的曲軸式壓力機的沖壓原理不變。不同的是利用PLC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。
數控系統軟件結構 為了維修和使用方便，國際上數控系統在輸入代碼、坐標系統、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美國電子工業協會標準。根據沖壓加工特點，參考國際上常用的ISO標準。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、外循環、跳轉指令，使用戶編程量大大減少。 系統軟件采用模塊化結構，共有五個模塊化結構，系統開機或復位后處于監控狀態。這時五個功能模塊可供選擇。

4 臺達數控沖床解決方案

基于臺達機電自動化自動化平臺配置包括：臺達觸摸屏HMI；臺達EH系列PLC；臺達ASDA-AB系列交流伺服系統；臺達B系列變頻器。

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

4.1 人機對話界面設計

（1）觸摸屏畫面設計：在觸摸屏畫面里，此次采取標準CNC的理念，有三種控制方式，分別為手動方式、自動方式、參考點方式。手動方式如圖1所示，在手動方式時可以任意運轉進給軸，有利于移動滑臺，或找取裝夾點。自動方式如圖2所示，在自動方式時允許啟動加工。參考點方式如圖3所示，開機后通過執行回參考點建立機械坐標系，確定機床零點。

圖1 手動方式畫面

圖2 自動方式畫面

圖3 參考點畫面

（2）坐標顯示：在觸摸屏里可采用讀取伺服狀態寄存器顯示機床坐標，其宏程序忽略。
工藝畫面如圖4所示：在工藝畫面可以設置起點坐標、步距、沖壓孔數，最大步距加工速度等，對于所設步距大于最大步距時，PLC會判斷，等待進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，通過相應的數值設定，自動轉換為相應的伺服轉數及脈沖數，并寫入伺服驅動器。

4.2 PLC程序設計

動作執行及邏輯判斷PLC程序部分梯形圖程序如下：

4.3 交流伺服系統參數設定

（1）電機反饋參數： 0-04 = 0（回授脈沖數）；0-05 = 1（回授圈數）。
（2）定位模式Pr參數： 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）第一段參考點速度1-48 = 20；第二段參考點速度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：

2-11 = 108 （pr模式出發啟動信號）
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（參考點觸發信號）
2-17 = 124（參考點完成信號）
2-18 = 105（伺服位置到達）
2-19 = 109 （原點復歸完成）
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（站號設定）
3-01 = 1（通訊傳輸率）
3-02 = 0（通訊協議）
3-05 = 2（通訊方式-485通訊）

4 結束語

通過案例設計討論，基于臺達機電自動化平臺的數控沖床解決方案在應用中展示出單品牌機電一體化系統集成的巨大技術優勢。應用臺達單品牌機電技術平臺提高數控機床的基礎裝備能力達到性能服務成本最優目標的綜合。