（信号与信息处理专业论文）数控自动弯刀机的研究与设计.pdf

摘要 数控机床在我国发展迅速并得到了广泛的应用，它是计算机信息科学技术 与传统机床相结合的产物，已经成为现代机械制造业最基本的设备。数控自动 弯刀机作为模切行业的主要加工设备，在包装印刷、电子和机械等行业扮演着 重要的角色。数控自动弯刀机属于金属成形类数控机床，它通过采用折弯等成 形工艺使模切刀片发生变形，折成所需要的形状和尺寸。在数控加工领域中， 基于c a d c a m 技术进行图形交互的自动编程方法日趋成熟并广泛应用。目前， 通过p c 计算机和运动控制卡来构建的开放式数控系统，是开放式数控系统硬件 体系结构的主流。运动控制卡是基于p c 的开放式数控系统的重要组成部分，它 的性能直接影响着机床的精度。 本论文介绍一个数控自动弯刀机的控制系统，既包括硬件部分也包括软件部 分。通过a u t o c a d 的二次开发工具o b j e c t a r x ，结合m f c 扩展其c a m 功能。 用v c + + 6 o 构建了人机交互界面，开发了图形交互自动编程和机床加工控制两 个子系统，并设计开发了相应的u s b 运动控制卡。 本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 首先介绍了当前数控机床的发展现状，研究了c a d c a m 集成技术、 图形交互式自动编程和目前主流的基于p c 的开放式数控系统，然后介绍了本课 题的来源及研究目的。 ( 2 ) 深入地分析弯刀机的机械结构及电气控制系统，介绍了进给机构、弯 刀机构、冲桥机构、剪断机构四个机械结构及相互关系，以及弯刀机机床上的 位置传感器和气缸。 ( 3 ) 基于a u t o c a d 平台扩展了c a m 功能，开发了图形交互自动编程和机 床加工控制两个子系统，并分析了两个子系统与u s b 运动控制卡之间如何配合 以实现对弯刀机的控制。介绍了图形交互式自动编程与机床加工控制子系统和 它们之间的数据接口，以及弯刀机的参数设置。 ( 4 ) 深入分析了u s b 运动控制卡的软硬件设计。介绍了u s b 运动控制的 输入模块和输出模块的电路设计，u s b 运动控制卡的输入、输出接口，以及u s b 运动控制卡的软件系统设计。 关键词：弯刀机，图形交互自动编程，开放式数控系统，运动控制卡 a b s t r a c t c n cm a c h i n eh a v eaf a s td e v e l o p m e n ta n dw i d e l yu s e di nc h i n a i ti st h er e s u l t o fc o m p u t e ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a lm a c h i n ea n di th a sb e c o m et h e m o s tb a s i ce q u i p m e n ti nm o d e mm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y c n ca u t o m a t i c b e n d e rm a c h i n ea sd i e - c u t t i n gi n d u s t r y sm a i np r o c e s s i n ge q u i p m e n t i tp l a y sa n i r r e p l a c e a b l er o l ei nt h ep a c k a g i n ga n dp r i n t i n g ，e l e c t r o n i ca n dm e c h a n i c a li n d u s t r i e s b e n d e rm a c h i n eb e l o n gt om e t a lf o r m i n gk i n do fn cm a c h i n et o o l s ，i tb yt h eu s eo f t h eb e n d i n gf o r m i n gp r o c e s ss u c ha st od i ec u t t i n gb l a d e sd i s t o r t i o n ，a n df o l di ti n t o t h ea c t u a ls h a p ea n ds i z e b a s e do nt h ec a d c a mt e c h n o l o g yf o r i n t e r a c t i v e g r a p h i c a lp r o g r a m m i n gm e t h o dh a sb e c o m ea m a t u r ea n dr e l i a b l et e c h n i q u ea n db e e n a p p l i e dw i d e l yt ot h ef i e l do fn u m e r i c a lc o n t r 0 1 a tp r e s e n t ，t h r o u g ht h ep cc o m p u t e r a n dt h em o t i o nc o n t r o lc a r dt ob u i l dc n cs y s t e mi sap r e d o m i n a n tt e c h n i q u ei nt h e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fo p e nc n c s y s t e m m o t i o nc o n t r o lc a r di sav e r yi m p o r t a n t p a r to fp c b a s e do p e nc n cs y s t e m ，f o ri t sp e r f o r m a n c eh a sad i r e c ti n f l u e n c eo nt h e a c c u r a c yo f m a c h i n et 0 0 1 1 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c e sac o n t r o ls y s t e mo fn ca u t o m a t i cb e n d e rm a c h i n e b o t h h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p o n e n t si n c l u d i n g t h r o u g ht h es e c o n dd e v e l o p m e n t t o o l o b j e c t a r xa n dm f c c l a s sl i b r a r i e se x p a n da u t o c a d sc a mf u n c t i o n 1 1 l e m a n m a c h i n e s u r f a c e ，t w os u b s y s t e m s 一- i n t e r a c t i v eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n g s u b s y s t e ma n dm a c h i n i n gc o n t r o ls u b s y s t e md e v e l o p e dw i t hv c + + 6 0 a n dt h e c o r r e s p o n d i n gu s bm o v e m e n tc o n t r o lc a r dw h i c hu s e df o rm a c h i n i n gc o n t r o l r e a l i z a t i o nw a sd e v e l o p e d t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 ) m c u r r e n ts i t u a t i o no ft h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l s ，c a d c a m i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e r a c t i v eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n g , t h em o s tp o p u l a r p c - b a s e do p e nc n cs y s t e mi sa n a l y z e df i r s t l y t h e ni n t r o d u c e st h et o p i co r i g i na n d r e s e a r c hp u r p o s e s 2 ) e x p l o r i n gt h eb e n d e rm a c h i n e sm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dt h ee l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e m ，i n c l u d i n gt h ef e e d i n gm e c h a n i s m ，b e n d i n gi n s t i t u t i o n s ，p u n c hb r i d g eh o l e i n s t i t u t i o n s ，c u ti n s t i t u t i o n s ，t h ep o s i t i o ns e n s o r sa n dc y l i n d e r si nb e n d e rm a c h i n e 3 ) n l ed e v e l o p m e n to ft h ec a mf u n c t i o n b a s e d0 na u t o c a dp l a t f 0 肌 洒d 硼访gi n t e r a c t i v eg r a p h i c a l p r o g r a m m i n gs u b s y s t e m ，觚dm a c 蜥n gc 。n n d i s u b s y s t e m t h e ni n t r o d u c e st h et w os u b s y s t e ma n du s b m o t i o nc o n t r 0 1c 莉h o w c o 。p e r a t ei n 。r d e rt or e a i i z et h ec 。n t r o l 。fb e n d e r m a c h i n e i n t r o d u c e st h ei n t e r a c t i v e g r a p h i c sa u t o m a t i cp r o g r a m m i n ga n dm a c h i n i n gc o n t r o l s u b s y s t e ma n dt h ed a t a i n t e r f a c eb e t w e e n t h e m ，a n dp a r a m e t e r ss e t t i n g s 4 ) n ed e s i g n 。ft h eh a r d w a r ea n ds 。f t w a r e 。fu s b m 。t i o nc o n t r o lc 矾t h e c i r c u i t d e s i g n 。fm o t i o nc o n t r o lc a r d s i n p u tm o d u l e 锄d 。脚u tm 。d u i e t l l e i n p u 讹u t p u ti n t e r f a c e s 。fm 。t i o nc o n t r o lc a r d t h es o f h a r es y s t e md e s i 舯。f m o t i o n c o n t r o lc a r d k 哪7 。r d s ：b e n d e rm a c h i n e ，i n t e r a c t i v eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n g ，。p e nc n c s y s t e m ， m o t i o nc o n t r o lc a r d 武汉理_ t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景与课题来源 随着市场竞争愈来愈激烈，产品制造企业为保持竞争力，在保证产品质量 的前提下，开始更多地关注如何通过缩短产品的开发周期，提高企业的产品创 新能力，推出更符合当前市场及消费者需求的产品1 1 1 。 计算机科学与信息技术的飞速发展及应用给我们社会生活的各行各业都带 来了巨大的变革，制造业也不例外。传统的产品设计方法、生产制造模式发生 了深刻变化。从计算机科学的角度看，产品设计与制造的过程是一个关于产品 信息的产生、处理、交换和管理的过程。利用计算机科学技术、机械工程技术， 对产品开发的整个流程的信息进行分析、处理，生成和运用各种数字信息和图 形信息，使得一系列活动都变得标准化、智能化、自动化，可以肯定的是未来 还会有更多的环节将通过计算机的辅助来完成。这将极大地节省研制时间，降 低开发成本，同时提高设计精度，推动了企业的技术水平和经济效益的增长忙 3 j 。 计算机辅助设计与制造( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n & c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ， c a d c a m ) 集成技术就是计算机技术、信息技术与机械工程 技术相结合形成的一项高新技术，在设计、制造的全过程中各尽所长，其旨在 尽可能地利用计算机系统来完成重复性高、劳动量大、计算复杂等工作，辅助 工程技术人员完成产品设计与制造任务1 4 ，5 j 。 数控自动编程系统是c a d ，c a m 集成系统的重要组成部分，是连接产品设 计与制造的关键环节1 6 , 7 , 9 。自动编程根据编程信息的输入与计算机对信息处理方 式的不同，分为数控语言( 最典型的数控语言是a p t ，a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e d t o o l s ) 为基础的自动编程方法和图形交互式自动编程。图形交互式自动编程， 以计算机绘图为基础，与a p t 语言编程相比较，它无需对图形信息进行人工转 换，直接调用设计好的零件图形进行交互编程，可以极大地降低错误率，提高 数控编程效率和质量【1 6 】。图形交互式自动编程软件通常和c a d 软件有机地结合 形成一体化软件系统，是c a d c a m 集成化的必然要求，也是自动编程的发展 方向f 1 9 2 1 2 2 1 。 数控是数字控制( n u m e r i c a lc o n t r o l ，n c ) 的简称。数控系统( n u m e r i c a l 1 武汉理工大学硕士学位论文 c o n t r o ls y s t e m ，n c s ) 是用数控技术实现的自动控制系统，目前市场上绝大多 数的数控系统是以计算机数控( c o m p u t e r i z e d n u m e r i c a lc o n t r o l ，简称c n c ， 即用计算机控制加工功能，实现数值控制) 装置为核心的计算机数控系统。从 2 0 世纪9 0 年代开始，人们开始研究利用p c 计算机机丰富的软硬件资源开发新 一代数控系统开放式体系结构的数控系统，硬件与p c 机结合，软件以p c 机作平台，并为软件提供了进一步开放环境，无论是机床生产厂家还是最终用 户均可利用p c 机提供的资源进行二次开发，以满足特定的要求【2 7 ，2 8 3 1 1 。数控系 统开放化已经成为数控发展的未来之路【3 2 ，州。 数控系统与被控机床本体的结合体称为数字控制机床( n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n et o o l ，简称数控机床) ，数控机床实现了高度的机电一体化， 己成为现代机械工业的主力设备，与传统的机械加工工艺相比较发生了质的变 化，其关键在于数控机床使用数控系统实现了加工过程的自动化操作把机 械加工过程的各种控制信息用代码化的数字量表示，通过数字化的控制信号对 机床的运行及其加工过程进行控制，自动地将零件按照零件图样的形状和尺寸 加工出来【3 8 】。 课题来源于一公司希望开发一数控自动弯刀机的控制系统。数控自动弯刀 机是加工“模切版”上的模切刀的重要设备，模切刀弯制的精度是决定“模切 质量的关键。图1 1 所示的是用调试样机加工出来的模切板，由底版和模切刀组 成。模切属于加工类( 配套加工) 行业，最近几年发展势头强劲，国内越来越 多的公司致力于模切数控机床的研究。模切，虽是配套加工，但却是包装印刷、 电子、机械等行业不可或缺的，而且随着加工行业技术上的创新，模切应用行 业范围也将越来越广。本文研究的弯刀机数控系统已经成功应用于弯刀机的样 机上，加工精度和加工效率都达到了预期的效果。 图1 1 模切版 2 武汉理工人学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状与趋势 经验表明，要实现c a d 和c a m 系统的最大效益，实现产品的从设计到制 造过程实现数据信息的共享，提高了系统运行效率，需要将两个系统有机地结 合在一起，因此出现集成化c a d c a m 系统，即实现c a d 和c a m 系统之间数 据自动传递和转换，并协调各子系统有效地运行f _ 7 ，8 】，这也大大地降低了因人工 干预而难以避免的信息传递误差。随着计算机技术和数控加工技术的迅猛发展 和广泛应用，c a d c a m 技术经历了形成、发展、提高和目前的高度集成，已 形成了比较完整的科学技术体系1 6 j 。 c a d c a m 系统有效集成的关键是信息的交换和共享，根据信息交换方式和 共享程度的不同，c a d c a m 系统的集成的方案主要有以下3 种【l6 j ：( 1 ) 通过 专用的数据接口实现集成；( 2 ) 利用数据交换标准格式接口文件实现集成；( 3 ) 基于统一产品模型和工程数据库的模型。 数控编程与c a d c a m 集成系统关系最为紧密。2 0 世纪7 0 年代后期，几何 造型技术、图形显示技术和数控编程后置处理技术的发展和应用，出现了交互 式图形编程系统，为c a d c a m 集成奠定了基础【1 2 , 1 3 】。 在c a d c a m 集成系统中，c a d 设计的产品的信息在计算机内部直接转换 成数控加工程序，实现信息的自动转换与传递，改变了传统的数控加工程序由 人完成c a d 系统到数控系统之间的信息转换的方式人工将c a d 的设计图 样、文档等信息转换成所数控系统的输入数据。 所谓开放式数控系统是相对传统的数控系统而言的。传统数控系统是一个 封闭体系的结构系统，硬件由专用硬件厂家生产构成，各厂家硬件无可换性； 软件由专用软件构成，无通用性和移植性【3 3 1 。为解决封闭式体系结构数控系统 存在的不足，从2 0 世纪9 0 年代起，开放式数控系统逐渐成为世界制造领域的 研究热点，并已经成为数控技术的发展主流，是新一代数控机床的关键技术。 开放式数控系统关键是建立一种模块化、标准化、通用化的控制系统结构，使 其具有更好的通用型、功能柔性、适应性、扩展性。根据不同的功能和市场需 求，修改、增加或裁剪数控功能，选择不同的标准化模块，即可实现各种不同 的数控机床的控制系统，同时也便于未来对现有的数控系统进一步的扩展和升 级，这也为机床厂家和用户提供良好的开发环境，大大地缩短数控系统的开发 周期。 基于p c 的开放式数控系统得到了快速发展，在通用p c 机的基础上一方面 武汉理工大学硕士学位论文 使硬件的体系结构和功能模块具有兼容性，另一方面使软件、接口等技术规范 化和标准化，为机床制造厂和用户提供一个良好的开发环境。从构建形式角度 分析，目前已经形成以下3 种典型结构1 7 】：( 1 ) p c 嵌入n c 中专用n c + p c 板卡：( 2 ) n c 嵌入p c 中通用p c + 运动控制器( 卡) ；( 3 ) 软n c 完全 采用p c 的纯软件式数控系统。 1 3 论文研究的目的及意义 数控弯刀机是用来自动加工模切刀，它根据操作人员从计算机a u t o c a d 软 件中设计或选择所需的模切板刀线图的形状和弯曲度，自动化地制作出需要的 模切刀，打桥位、成型一步到位，极大的提高了弯刀速度和精度以及刀片的平 滑度，使弯刀的质量和效率有了质的飞跃【3 9 , 4 0 , 4 1 】。传统手动弯刀效率低下，而数 控弯刀机刀片自动成型，可以制作各种形状，甚至封闭的图形。 数控弯刀机作为模切压痕印版生产中的两大核心设备之一，对模切版的制 版效率起着举足轻重的作用。弯刀机折弯成型的模切刀片镶嵌到到用激光烧割 好槽位的模切压痕印版的底版上，即形成了模切板。模切板安装在专用的设备 上，在压力的作用下，将印刷包装印刷材料轧切成所需形状或切痕。以包装印 刷行业来说，模切压痕技术成型是包装印刷品后期加工的一种裁切工艺用 模切刀根据产品设计要求的图样组合成模切压痕印版，然后，把制作好的模切 压痕印版安装固定在模切机的版框内，在压力的作用下，将印刷品或其他板状 坯料轧切成所需形状或切痕。 本文介绍一种基于a u t o c a d 平台，利用其提供的o b j e c t a r x 二次开发工具 并与m f c 相结合，开发出了数控弯刀机的图形交互式数控自动编程系统，实现 c a d 直接到c a m 的可视化图形交互式自动编程，既可用a u t o c a d 来进行计算 机辅助设计，又可以直接调用设计好的零件图进行交互编程，实现c a d c a m 的集成【1 4 1 。采用“通用p c + 运动控制卡”的架构设计并实现弯刀机数控系统和 相应的u s b 运动控制卡。通用p c 计算机作为弯刀机数控系统的核心，运动控 制卡与计算机以u s b 接口连接、通讯完成各种数控功能l 2 7 , 3 0 。 1 4 本论文的组织结构 本文研究了基于通用p c 计算机平台的自动弯刀机数字控制系统的设计，扩 4 武汉理工大学硕士学位论文 展了a u t o c a d 平台的c a m 功能，并开发了用于弯刀机机床运动控制的u s b 运 动控制卡，各章的内容安排如下： 第l 章，简要地介绍了数控自动弯刀机的研究背景与课题来源，介绍了计 算机科学与信息技术给制造业打来的巨大变革以及数字控制系统在现代数控机 床的应用，分析了国内外数控机床的发展现状，并重点分析c a d c a m 集成技 术、图形交互式自动编程和基于p c 的开放式数控系统的研究状况，最后简单地 阐述一下本论文的研究目的与意义及本论文的内容结构安排。 第2 章，主要分析了弯刀机的机械结构及电气控制系统。首先简单地介绍 了弯刀机的工作原理及机械结构，重点分析了弯刀机的电气控制系统以及弯刀 机机床上的位置传感器和气缸。 第3 章，首先分析了本论文所论述的数控弯刀机的数字控制系统，简要地 分析了通过a u t o c a d 的二次开发工具结合m f c 扩展c a m 功能及“图形交互 自动编程和“机床加工控制 两个子系统，以及两个子系统之间的数据接口。 最后详细介绍了弯刀机控制系统的参数设置。 第4 章，主要是分析u s b 运动控制卡的方案设计，介绍u s b 运动控制卡的 软硬件设计。首先简单地介绍了基于微控制器的u s b 运动控制卡硬件平台及微 控制器最小系统平台的设计以及u s b 通信接口电路的设计，重点分析了u s b 运 动控制的输入模块和输出模块的电路设计，u s b 运动控制卡的输入、输出接口， 以及u s b 运动控制卡的软件系统设计，最后阐述了此u s b 运动控制卡的功能。 第5 章，对论文工作进行简单的总结与展望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章弯刀机机械结构与电气控制系统 2 1 弯刀机的机械结构 图2 1 弯刀机的机械结构原理图 2 1 1 弯刀机的工作原理 数控弯刀机的功能是在多约束条件下，使模切刀片发生变形，折成所需要的 6 武汉理工人学硕士学位论文 形状和尺寸。数控弯刀机按加工工艺及机床按用途分类属于金属成形类数控机 床，采用折( 折弯) 、冲( 桥位) 等成形工艺；按数控系统的功能水平分类属经 济型数控。 数控弯刀机的基本工作原理1 2 1 如图2 2 所示： 图2 2 弯刀机工作原理 若在进给过程中，发现“剩余”刀片长度( 详见图2 5 进给轴的“剩刀 长度) 不足，将自动触发“续刀程序送刀单元的刀夹松开刀片退回x 轴 的机械原点，再夹紧刀片进刀后，继续加工。 2 1 2 弯刀机的两轴及运动方向 如图2 1 弯刀机的机械结构原理图所示，弯刀机机床是两轴数控设备。弯刀 机主要是用于加工二维图形，根据弯刀机机床的加工特点，我们可以将运动坐 标系的相应的分为2 轴：步进电机m 1 驱动控制的丝杆传动系统为x 轴( 也称 进给轴或横轴) ，伺服电机m 2 驱动控制的折弯机构为y 轴( 也称折弯轴或纵轴) 。 如图2 3 所示，我们将x 轴的机械原点( 零点) 的位置设定在丝杆有效行 程的起点，从丝杆行程起点往行程末点方向为x 轴正向，反之则为x 轴负向。 x 轴的机械 一负向正向一 图2 3x 轴的正负向 如图2 4 所示，弯刀机构的转动模( 弯刀模) 可以顺时针或逆时针转动，相 应地转动模的转动方向即为将y 轴( 折弯轴) 的顺、逆时针方向。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4y 轴的顺、逆时针方向 2 2 弯刀机的电气控制 2 2 1 伺服驱动系统 械原点 随着数字控制的发展，目前数控机床的运动控制系统大多采用步进电机或 全数字式交流伺服电机作为执行电动机。在控制系统的设计过程中要综合考虑 控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机【3 】。步进电机的控制为开 环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高 易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺 服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部 构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能 更为可靠。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，但在一些要求不高 的场合也经常用步进电机来做执行电动机。 ( 1 ) 进给轴驱动系统( m 1 ) 弯刀机机床进给轴的驱动电机系统是1 1 0 系列步进系统，采用二相混合式步 进电机及相应的细分驱动器。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。目前步进电机在数字 控制系统中的应用十分广泛。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号， 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 及步进角) 。您可以通过 控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制 脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 8 武汉理工大学硕士学位论文 两相电机步距角大，高速特性好，但是步进电机的工作原理决定了步进电机 存在低速振动区，在低速时易出现低频振动现象，对于机器设备的正常运转非 常不利，因此常常在步进电机的驱动器上采用细分技术来克服低频的振动现象。 细分，其主要目的并不仅仅在于为了提高电机的运转精度，更在于细分能有效 地改善电机的运行性能，减弱甚至消除步进电机的低频振动和噪音，在性能上 的优点才是细分的真正目的。 ( 2 ) 折弯轴驱动系统( m 2 ) 弯刀机机床折弯轴的驱动电机系统是交流伺服电机。和步进电机相比，伺 服电机的优势在于实现了位置、速度和力矩的闭环控制，克服了步进电机失步 的问题。弯刀机的弯刀折弯角度或折弯圆弧精度对模切刀最后的成型精度 有着决定性的作用，因此，为了提高折弯轴弯刀的精度和加工性能，综合考虑 各方面因素，y 轴采用了控制性能更为可靠的伺服驱动系统。 2 2 2 四个机械结构 弯刀机机床的主要机械结构可以分为4 部分：进给机构、弯刀机构、冲桥机 构和剪断机构。 ( 1 ) 进给机构( x 轴) 弯刀机机床的进给机构，也可称丝杆传动系统，由丝杆、送刀单元和项刀 单元组成。进给结构主要完成x 轴方向上刀片的操作：进刀与退刀、空移送刀 单元和x 轴回机械零点。 1 丝杆 丝杠是数控机床等工业设备最常使用的传动元件，常用的滚珠丝杆由螺杆、 螺母和滚珠组成，其主要功能是将旋转运动转化成线性( 直线) 运动。弯刀机 中，根据加工需要，丝杆将送刀步进电机的旋转运动转化为送刀单元在x 轴做 往返的直线运动，从而完成送刀、退刀、空移送刀单元、x 轴回零等加工动作。 2 送刀单元 送刀单元又由刀夹和控制刀夹张合的夹刀气缸( o u t p u t 2 ) 组成。夹刀气 缸上电时，刀夹夹紧刀片；夹刀气缸断电时，刀夹松开刀片。当要进行送刀、 退刀等操作时，应保证送刀单元闭合；当需要进行空移送刀单元或x 轴回零等 操作时，则应使送刀单元处于张开状态。 我们将进给机构送刀单元相对丝杆行程末点之间的距离，称为当前“剩余” 9 武汉理工大学硕士学位论文 刀片长度，简称“剩刀长度，如图2 5 所示。 图2 5 进给轴的“剩刀长度” 3 顶刀单兀 所谓的顶刀单元，指的是位于x 轴机械原点( 零点) 位置的“顶刀气缸” ( o u t p u t l ) 。顶刀单元的特定位置与它的所起的作用关系十分密切。顶刀气缸 上电时，气缸的活塞伸出并对刀片旋加外力从而钳住刀片，此时刀片是便不能 进行移动，这样可以有效地防止因为丝杆的转动或送刀单元的移动而带动刀片 发生滑动，进而引起刀片的进给长度误差。 因此，顶刀单元的特殊作用，决定了“顶刀气缸与送刀单元的“夹刀气 缸”特有的工作状态：当夹刀气缸为上电状态，顶刀气缸应处于断电状态，即 送刀单元闭合夹紧刀片，顶刀单元不对刀片施加外力，此时可进行送刀、退刀 等操作；夹刀气缸处于断电状态时，顶刀气缸应为上电状态，即送刀单元张开 松开刀片，顶刀单元施加外力钳住刀片，此时可进行空移送刀单元和x 轴回零 等动作。 图2 - 6 弯刀机的折弯机构 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 弯刀机构( y 轴) 弯刀机构，俗称弯刀嘴，是弯刀机机床的核心机构，它通过伺服电机驱动 产生压力作用于模切刀片上，将由进给机构送进来的刀片反复折弯一定的角度 使刀片折弯成型。 弯刀机构由固定模和转动模组成，像一个套筒，转动模在m 2 伺服电机驱动 下，绕着固定模做旋转运动，与刀片接触并施加外力来完成对刀片预定形状的 加工，如图2 - 6 所示。 固定模的中间有一条刀槽，刀槽宽度略大于刀片的厚度。转动模的也有个 开口，开口宽度较宽。当转动模的开口对称线与刀槽所重合时，如图2 - 6 所示， 我们将此时转动模所处的位置称为转动模的初始位置，也称为转动模回到y 轴 的机械零点位置。 ( 3 ) 冲桥机构 图2 7 模切刀上的n 型桥位孔 冲桥机构主要执行机械部件是“冲桥气缸”( o u t p u t 3 ) ，用于打n 型桥位 孔，执行的加工动作即是打桥位。需要注意的是，冲桥机构在设计的时候应考 虑如何及时地排出打桥位之后留下的废料，以防止废料卡住刀片影响机床正常 工作。 ( 4 ) 剪断机构 剪断机构，主要机械部件是“刀架 和“剪断气缸( o u t p u t 6 ) 。其主要 作用就是剪断刀片，使其成为成型线段刀片，其执行的加工动作为剪断操作。 刀架中有一个剪刀单元，剪刀单元在剪断气缸的推动下剪断刀片。剪刀单 元可根据需要在刀架中上下升降，即放置在刀架的顶部或是底部。刀片的上升 与下降是通过两个气缸下刀、回刀气缸( o u t p u t 4 和o u t p u t 5 ) 完成的。 在刀架的顶部和底部分别安装有剪刀上止点和下止点的传感器，用于反馈剪刀 的当前位置。 ( 5 ) 四个机构的协作关系： 4 个结构的相互协作过程，就是数控弯刀机完成对刀片加工的过程：1 ) 进 给结构将刀片送至折弯机构；2 ) 冲桥机构根据操作人员在图纸上标识的桥位位 1 l 武汉理t 大学硕士学位论文 置，判断是否需要进行冲桥位，有，则冲桥位，无，则不冲桥位；3 ) 折弯结构 的弯刀嘴固定模紧紧握住刀片，弯刀嘴转动模对刀片进行精确的折弯加工；4 ) 经过一系列的进给、折弯和冲桥操作后，若已经完成对操作人员选取的一段( 加 工零件) 图形的加工时，剪断机构执行对刀片的剪断操作。剪断刀片后，也就 完成了预定形状的加工。此过程可参考对比第2 1 1 节，弯刀机的工作原理。 需要注意的是，折弯之后的模切刀片是不能随便往x 轴的负向执行退刀动 作的，不然容易发生模切刀片卡在弯刀机构的固定模具中，因此一般要遵循“先 打桥位再进刀折弯”的原则。 2 2 3 位置传感器和气缸 ( 1 ) 位置传感器 传感器是一种能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出 信号的器件或装置，其输入信号( 被测量) 往往是非电量，输出信号常常为易 于处理的电量，如电压等1 3 】。传感器是一种检测器件，它能感受到被测量的信息， 并能将检测感受到的信息，按定规律变换成为输出信号，以满足信息的传输、 处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的重要 环节。 现代数控机床的日益完善，特别是自适应能力的增强，得益于传感器的发 展和应用。各种各样的传感器在现代数控机床上得到大量应用，通常情况下， 数控加工机床要求传感器可靠性高、抗外界干扰能力强，适合数控机床特定的 运行环境，能够满足数控机床的加工精度、速度等要求。当然，不同类型的数 控机床对传感器的要求也有所差异。主要有接近开关( 位置传感器) 、速度传感 器、压力传感器等等，主要用来辅助数控机床检测位置、直线和角度位移、速 度、压力等。 本文所论述的弯刀机数控机床的传感器主要是位置传感器。位置传感器是 用来检测位置，反映某种状态的开关，辅助u s b 运动控制卡和上位机实时检测 机床当前的运行状态和运行位置，u s b 运动控制卡和上位机根据得到的相应的 状态或位置信息进而来控制机床上的步进电机、伺服电机和气缸的加工动作。 在此弯刀机数控机床，主要是用来检测进给机构( 送刀单元) 的位置、折弯机 构中弯刀嘴的位置、剪断机构中剪刀的位置及弯刀机构中的固定模是否有刀片。 武汉理工大学硕士学位论文 o 图2 8x 轴机械原点信号与丝杆行程末点信号 1 、x 轴机械原点信号( 传感器) o r g l x 轴机械原点信号位于传动丝杆有效行程的起点，因此也可称为丝杆行程起 点信号，本论文一般都称其为x 轴机械原点信号。它用于监测进给机构的送刀 单元在丝杆行程中的位置，当送刀单元回到丝杆行程的起点时，向u s b 运动控 制卡返回有效信号。当u s b 运动控制卡检测到x 轴机械原点返回有效信号时， 丝杆传动系统应立刻停止运动，并将送刀单元所处的位置设定为x 轴的机械原 点。 2 、丝杆行程末点信号( 传感器) o r g 3 丝杆行程末点信号位于丝杆有效行程的末点。它也是用于检测进给机构的 送刀单元在丝杆行程中的位置。与x 轴机械原点信号不同的在于它是当送刀单 元到达丝杆行程的末点时，向u s b 运动控制卡返回有效信号。当u s b 运动控制 卡检测到送刀单元到达丝杆行程的末点时，说明送刀单元不能再继续往x 轴正 向运动了，此时应该松开刀片，并往x 轴负向运动执行x 轴回零运动，及时校 零可以有效的降低进给误差。 刀片检 图2 - 9 弯刀机折弯机构的传感器信号 武汉理工大学硕士学位论文 3 、y 轴机械原点信号( 传感器) o r g 2 像x 轴一样，y 轴也有一个位置传感器用来设置位置参考点，以便于在进 行机床机械原点校零时的位置控制。 y 轴机械原点信号位于固定模中间刀槽所在的直线上( 也即是刀片所在的直 线上) ，它用于y 轴机械原点校零时进行位置控制。当转动模的开口对称线与刀 槽所重合时，如图2 - 6 ，此时表示转动模已回到初始位置，y 轴机械原点信号返 回有效信号。一般情况下，当u s b 运动控制卡检测到y 轴机械原点的有效信号 时，转动模立刻停止运动，转动模所处的位置设定为y 轴的机械原点。 4 、顺、逆时针基点信号( 传感器) 一b & l b 设置顺、逆时针基点信号是为了提高圆弧加工时的弯刀效率。若未设置顺、 逆时针基点信号时，在进行圆弧加工的时候，加工的过程为：折弯y 轴回零再 折弯再y 轴回零即每次折弯之后都得回y 轴机械原点，这样加工效率受到 了一定的限制，为提高圆弧加工的效率，可分别在y 轴顺、逆时针方向距离y 轴机械原点信号适当的位置分别设置顺、逆时针基点信号。安装两个基点信号 之后，进行圆弧加工的时候，加工的过程为( 以顺时针折弯圆弧为例) ：折弯 回顺时针基点再折弯再回顺时针基点显然，这有助于提高圆弧的加工效 率。需要注意的是，基点位置的选择应该综合考虑转动模的开口宽度，应该保 证转动模回到基点位置时，转动模能露出部分开口以方便进刀。 5 、刀片检测信号( 传感器) i m y 刀片检测信号位于固定模的刀槽的入口处，用于检测固定模刀槽里是否已 经放置有刀片。当用户手动控制、调试弯刀机设备时，常需要此信号来检测刀 片，以确定能否继续执行接下去的操作。 6 、剪刀上、下止点信号( 传感器) 烈p u t l & i n p u t 2 剪刀上、下止点信号( 传感器) 分别位于在剪断机构刀架的顶部和底部。 这两个止点信号时用来对剪断机构的剪断单元进行位置控制的。当上止点信号 有效时，表示剪断单元位于刀架的项部；当下止点信号有效时，表示剪断单元 位于刀架的底部。 ( 2 ) 汽缸 1 、夹刀气缸( o u t p u t 2 ) 夹刀气缸位于进给机构的夹刀单元，用于控制刀央张合。夹刀气缸上电时， 刀夹夹紧刀片；夹刀气缸断电时，刀夹松开刀片。 2 、顶刀气缸( o u t p u t l ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 顶刀气缸位于进给机构的顶刀单元。顶刀气缸上电时，气缸钳住刀片使刀 片不能进行移动，以避免刀片发生滑动而引起刀片的进给长度误差。 3 、冲桥气缸( o u t p u t 3 ) 冲桥气缸位于打桥机构，用于打n 型桥位孔。 4 、下刀、回刀气缸( o u t p u t 5 、o u t p u t 4 ) 下刀气缸是将剪断机构中的剪断单元从刀架顶部( 上止点) 降至刀架的底 部( 下止点) ；回刀气缸的作用刚好相反，是将剪断机构中的剪断单元从刀架底 部( 下止点) 升回至刀架顶部( 上止点) 。 5 、剪断气缸( o u t p u t 6 ) 剪断气缸是剪断机构中剪断刀片的执行部件，它推动剪断单元以顺( 或逆) 剪断折弯成型的刀片。 2 3 本章小结 本章主要是分析了弯刀机的机械结构及电气控制系统。弯刀机是两轴设备， x 轴用于进刀( 也称送料) ，y 轴用于折弯刀片。机床的4 个机构进给机构、 弯刀机构、冲桥机构和剪断机构相互配合实现了模切刀成型、打桥位、剪断一 步到位，大大提高了弯刀的速度和精度。机床上的位置传感器使得弯刀机实现 自动检测和自动控制，气缸则是夹刀、打桥位、剪断等机械动作的执行元件。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章弯刀机数字控制系统分析及设计 3q 1 弯刀机的数字控制系统 图3 1 弯刀机的数字控制系统 上位机( p c 计算机) 和u s b 运动控制卡结合组成了一个功能强大的开放式 运动控制系统【3 。p c 计算机向u s b 运动控制卡发出动作命令，u s b 运动控制 卡对气缸等开关量( d o ) 、折弯机构和进给机构进行控制，实现弯刀机的运动控 制和逻辑控制，同时u s b 运动控制卡接收弯刀机机床接近开关等传感器的开关 量( d i ) 。 本弯刀机数字控制系统是以a u t o c a d 为平台，并利用a u t o c a d 提供的 o b j e c t a r x 二次开发技术扩展其c a m 功能，实现c a d c a m 的初步集成。由于 a u t o c a d 绘图软件目前是在我国机械设计及制造行业使用最为广泛的c a d 软 件，许多零件图样都习惯采用a u t o c a d 绘制，且在很长一段时间内，a u t o c a d 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 二维设计软件将仍然占主导地位【4 8 4 9 1 ，但a u t o c a d 它并不提供c a m 功能，因 此在a u t o c a d 二维图形基础上扩展c a m 功能是一种需求。以a u t o c a d 平台 为基础，给a u t o c a d 增加图形交互自动编程的功能，采用c a d c a m 集成技 术编制数控加工程序自动识别a u t o c a d 图形所表示的零件的几何信息并将 其编制为数控加工程序，这样将给习惯使用a u t o c a d 软件的工程技术人员带来 很大方便，提高生产效率。 3 1 1a r x 与m f c a r x ( a u t o c a dr u n t i m ee x t e n s t i o n ) ，即为a u t o c a d 运行库扩展，是 a u t o d e s k 公司提供的以c + + 语言为基础的面向对象( o o p ) 的二次开发环境和 应用程序接口。在o b j e c t a r x 环境下开发的a r x 应用程序，不是一个独立的进 程，其本质上是一个动态链接库( d l l ) ，a r x 程序与a u t o c a d 共享在同一地 址空间，因此，a r x 程序可深入到a u t o c a d 系统内部，直接调用a u t o c a d 的 核心函数，可直接访问a u t o c a d 数