摘要：介紹了自主開發(fā)的數(shù)控碾鉚機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和組成，重點(diǎn)討論了采用運(yùn)動(dòng)控制單元、PLC以及圖示操作終端組建碾鉚機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的方法及技術(shù)關(guān)鍵，開發(fā)出一種經(jīng)濟(jì)性好、效率高、質(zhì)量及可靠性高的數(shù)控碾鉚機(jī)。 1 引言 碾鉚是利用擺動(dòng)碾壓技術(shù)的一種鉚接工藝，其鉚接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，鉚接過程平穩(wěn)無沖擊，是一種很有發(fā)展前途的鉚接工藝，被應(yīng)用在計(jì)算機(jī)外設(shè)、辦公設(shè)備、家用電器、汽車等制造領(lǐng)域。隨著我國經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，世界上一些知名的打印機(jī)、復(fù)印機(jī)廠商將零件加工轉(zhuǎn)移到我國來生產(chǎn)，但與之不相適應(yīng)的是，許多生產(chǎn)這些零件的工廠所使用的碾鉚機(jī)仍為手工操作，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定。通過使用自動(dòng)碾鉚機(jī)來提高效率和保證質(zhì)量成為這些工廠的迫切要求。同時(shí)，在這些工廠中，使用碾鉚機(jī)的數(shù)量多，對(duì)自動(dòng)碾鉚機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有很高的要求，而市場上尚未有合適的成品自動(dòng)碾鉚機(jī)。因此，如何開發(fā)出效率高、質(zhì)量好、經(jīng)濟(jì)性好的自動(dòng)碾鉚機(jī)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 我們?yōu)樯钲谝患覍橹放粕a(chǎn)復(fù)印機(jī)、打印機(jī)零部件的工廠開發(fā)了多臺(tái)數(shù)控碾鉚機(jī)。本文重點(diǎn)討論了該機(jī)的基本結(jié)構(gòu)以及其關(guān)鍵技術(shù)。 2 數(shù)控碾鉚機(jī)的工作原理及工藝過程 本單位自主開發(fā)的數(shù)控碾鉚機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由碾鉚工作頭及XY數(shù)控工作臺(tái)組成。碾鉚工作頭的主軸由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并在氣缸的驅(qū)動(dòng)下作上下運(yùn)動(dòng)。鉚頭的軸線與主軸軸線成一定的角度。鉚頭一方面繞著主軸軸線公轉(zhuǎn)(擺動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng))，另一方面鉚頭在工件表面滾動(dòng)，形成繞著自身的軸線的自轉(zhuǎn)。鉚頭在氣缸的壓力下，使軸銷的端部受到局部加壓，產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，經(jīng)一定的工藝時(shí)間，銷軸與支持架被牢固地鉚接在一起(圖1(a))。 圖1 數(shù)控碾鉚機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 在打印機(jī)、復(fù)印機(jī)等設(shè)備的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，常常有多條平行的傳動(dòng)銷軸需要與支持架鉚接在一起。使用普通碾鉚機(jī)進(jìn)行加工時(shí)，通過手工移動(dòng)模具，將各鉚接點(diǎn)逐一移到鉚頭下進(jìn)行碾鉚，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，每個(gè)工序鉚接的點(diǎn)數(shù)有限，平行度不易保證，質(zhì)量不穩(wěn)定。 本數(shù)控碾鉚機(jī)就是針對(duì)這類零件的碾鉚工藝進(jìn)行開發(fā)的。其基本工藝過程：首先數(shù)控工作臺(tái)將模具移到裝卸工位，將銷軸及支持架安放在模具對(duì)應(yīng)的定位面上，通過電磁鐵將支持架吸緊，然后數(shù)控工作臺(tái)按照程序編好的坐標(biāo)位置，將各個(gè)鉚接點(diǎn)依次移動(dòng)到鉚頭下，控制系統(tǒng)控制鉚頭壓下，碾鉚頭對(duì)工件進(jìn)行碾鉚加工，經(jīng)設(shè)定的碾鉚時(shí)間，完成該點(diǎn)零件的加工。當(dāng)完成全部銷軸的碾鉚后，回到裝卸工位，卸料氣缸將鉚接好的工件頂起卸料。 3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及主要功能 根據(jù)數(shù)控碾鉚機(jī)的工作原理，控制系統(tǒng)主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)XY工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，以及控制碾鉚工作頭的升降、主軸電機(jī)的啟動(dòng)及停止，控制卸料氣缸及夾緊電磁鐵的動(dòng)作，并進(jìn)行相應(yīng)的人機(jī)交互，如加工程序的輸入、編輯，以及設(shè)備的工作狀態(tài)的顯示等。 圖2 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 由于對(duì)數(shù)控碾鉚機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有較高的要求，限制了它不能采用基于PC的通用CNC以及其它的通用數(shù)控系統(tǒng)。我們綜合考慮了經(jīng)濟(jì)性、可靠性、開發(fā)的難易程度以及開發(fā)的周期等因素，采用了日本三菱公司的運(yùn)動(dòng)控制模塊FX2N-20GM、FX2~x系列的PLC以及圖示操作終端F940GOT來組建數(shù)控碾鉚機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。 3.1 XY工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制 XY工作臺(tái)要根據(jù)事先輸入的各碾鉚點(diǎn)的坐標(biāo)位置和順序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并與碾鉚工作頭的碾鉚動(dòng)作相配合。由于在進(jìn)行碾鉚之前，工件(傳動(dòng)支架)已經(jīng)過沖壓、折彎成型，為了能避開工件中彎起的部位，要求XY工作臺(tái)具有直線或圓弧插補(bǔ)功能。運(yùn)動(dòng)控制單元FX2N-20GM具有同時(shí)兩軸的直線和圓弧插補(bǔ)，插補(bǔ)時(shí)輸出頻率可達(dá)100kHz；該控制單元還具有運(yùn)動(dòng)控制的基本功能，如正向及方向極限信號(hào)、近點(diǎn)信號(hào)、零點(diǎn)信號(hào)的處理、手動(dòng)脈沖輸入、手動(dòng)控制、機(jī)械原點(diǎn)返回等功能。FX2N-20GM輸出的運(yùn)動(dòng)信號(hào)為脈沖信號(hào)，可以與脈沖輸入型的交流伺服驅(qū)動(dòng)器配合使用?？梢?，運(yùn)動(dòng)控制單元FX2N-20GM很適合于用作碾鉚機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。 但FX2N-20GM作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制模塊，本身不具備數(shù)控程序編輯輸入等界面。三菱公司提供的SWOD5-FXVPS-E軟件，雖然可以使用計(jì)算機(jī)串口，經(jīng)RS232轉(zhuǎn)RS422后，將運(yùn)動(dòng)軌跡輸送到FX2N-20GM，但這只適用將固定的運(yùn)動(dòng)軌跡輸入到FX2N-20GM，不適用于在生產(chǎn)中作為程序的輸人工具來使用。由于三菱公司沒有公開編譯后的指令格式以及與FX2N-20GM通訊的相關(guān)協(xié)議，故無法采用類似的使用串口通訊的方法傳送運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)。所以，要使用FX2N-20GM為基礎(chǔ)來構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)，如何將不同零件的加工程序輸送到FX2N-20GM去執(zhí)行，成為首先要解決的問題。 FX2N-20GM采用自己特有的控制及插補(bǔ)指令。在其插補(bǔ)指令中，可以使用數(shù)據(jù)寄存器作為直線及圓弧插補(bǔ)的坐標(biāo)參數(shù)。利用這一點(diǎn)，在編寫其運(yùn)動(dòng)控制程序時(shí)，用通用數(shù)據(jù)寄存器作為插補(bǔ)指令中運(yùn)動(dòng)軌跡的坐標(biāo)變量來編寫程序，然后通過PLC把運(yùn)動(dòng)參數(shù)送到這些通用寄存器，F(xiàn)X2N-20GM再根據(jù)這些參數(shù)完成相應(yīng)的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。 例如，直線插補(bǔ)時(shí)，采用32位數(shù)據(jù)寄存器DDl00、DDl02作為直線插補(bǔ)的終點(diǎn)坐標(biāo)，DDl04作為運(yùn)動(dòng)速度，插補(bǔ)指令可寫成： 0020：cod01(LIN)xDDl00yDDl02 fDDl04； 在系統(tǒng)中，我們可將FX2N-20GM作為PLC的擴(kuò)展模塊使用，不同零件的加工程序被保存在PLC中。在加工過程中，通過PLC不斷將運(yùn)動(dòng)軌跡的坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)速度、各點(diǎn)的碾鉚時(shí)間、碾鉚點(diǎn)的數(shù)量等工藝參數(shù)，用32位的傳送指令DTO送到FX2N-20GM的DDl00、DDl02、DDl04等相關(guān)的寄存器，就可以控制FX2N-20GM的相應(yīng)指令的執(zhí)行。對(duì)應(yīng)的PLC程序如下： LD M8000 DTO K0 K100 D201 K2 DTO K0 K104 D500 K1 …… 在以上PLC程序中，PLC中數(shù)據(jù)寄存器D201～D202，D203～D204保存了直線軌跡的終點(diǎn)X、Y坐標(biāo)，DTO指令將X、Y坐標(biāo)傳送到FX2N-20GM的DDl00及DDl02。其中，F(xiàn)X2N-20GM的DDl00、DDl02對(duì)應(yīng)的BFM號(hào)為#100～#103，DDl04對(duì)應(yīng)的BFM號(hào)為#104。 另一方面，系統(tǒng)的當(dāng)前坐標(biāo)、伺服系統(tǒng)的狀態(tài)等參數(shù)，由PLC的FROM指令從FX2N-20GM中讀回。FX2N-20GM中的當(dāng)前X坐標(biāo)的寄存器的BFM號(hào)為#9004(32位)，Y坐標(biāo)的寄存器的BFM號(hào)為#9014(32位)，F(xiàn)X2，—20GM的工作狀態(tài)，如就緒/忙、定位結(jié)束、回零結(jié)束等狀態(tài)信息，保存在輔助繼電器M9048—M9096中，對(duì)應(yīng)的BFM號(hào)為#23、#24、#25、#26。因此，通過PLC的FROM指令，將X、Y當(dāng)前坐標(biāo)寄存器的值讀回PLC的數(shù)據(jù)寄存器D11～D111，D112～D113，并將FX2N-20GM的工作狀態(tài)等寄存器的值讀人PLC的M100～M131中，供PLC控制使用，并顯示在圖示操作終端上。對(duì)應(yīng)的PLC程序如下： LD M8000 DFROM K0 K9004 D110 DFROM K0 K9014 D112 FROM K0 K23 K2M100 FROM K0 K25 K2M108 FROM K0 K24 K2M116 FROM K0 K26 K2M124 …… 3.2 文件功能的實(shí)現(xiàn) 使用FX2N-20GM以及PLC等模塊建立數(shù)控系統(tǒng)，要解決的另一個(gè)重要問題就是，加工程序的輸入、編輯、保存等文件功能。 根據(jù)碾鉚加工的特點(diǎn)，在所開發(fā)的數(shù)控碾鉚機(jī)中，我們不采用C代碼來表示加工程序，而是在圖示操作終端中，用表格的形式輸入與加工程序有關(guān)的數(shù)據(jù)，如各碾鉚點(diǎn)的順序、坐標(biāo)、碾鉚時(shí)間等加工數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)以文件的形式保存到PLC的停電保持?jǐn)?shù)據(jù)單元中去。不同零件的加工數(shù)據(jù)可以保存到不同的文件中。在加工不同的零件時(shí)，可方便地將對(duì)應(yīng)的文件調(diào)出來使用。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，需要保存100個(gè)加工程序，每個(gè)程序文件可儲(chǔ)存24點(diǎn)的加工數(shù)據(jù)。 為了實(shí)現(xiàn)文件的功能，首先在PLC的數(shù)據(jù)單元中建立3個(gè)與文件有關(guān)的區(qū)段，第一為文件保存區(qū)，第二為文件編輯區(qū)，第三為運(yùn)行文件區(qū)。 第一個(gè)區(qū)段為D1000開始的7K停電保持單元，劃分成100段，每段保存一個(gè)加工程序。 第二個(gè)區(qū)段為D120～D191，作為文件編輯區(qū)，當(dāng)要編輯某個(gè)加工程序時(shí)，通過變址V2使用塊移動(dòng)指令，將對(duì)應(yīng)的文件數(shù)據(jù)從文件區(qū)，復(fù)制到臨時(shí)文件區(qū)，然后，通過圖示操作終端對(duì)該加工程序進(jìn)行編輯，當(dāng)編輯完成要保存修改后的文件時(shí)，再使用塊移動(dòng)指令，將臨時(shí)文件區(qū)中編輯好的加工程序文件保存回對(duì)應(yīng)的文件區(qū)。專門設(shè)立文件編輯區(qū)，可以避免在文件編輯保存之前，直接修改文件保存區(qū)的文件。 第三個(gè)區(qū)段為當(dāng)前運(yùn)行的程序文件區(qū)，D400～D471，當(dāng)要運(yùn)行某個(gè)加工程序時(shí)，通過變址V使用塊移動(dòng)指令，將對(duì)應(yīng)的文件數(shù)據(jù)從文件區(qū)，復(fù)制到運(yùn)行文件區(qū)。加工時(shí)，PLC程序從這個(gè)區(qū)段，將X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、速度、碾鉚時(shí)間等加工的參數(shù)取出，送到FX2V-20GM中去控制碾鉚機(jī)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)等。 2.3 人機(jī)交互 人機(jī)交互采用三菱的圖示操作終端F940GOT來實(shí)現(xiàn)。通過圖示操作終端，實(shí)現(xiàn)加工程序的編程。根據(jù)零件的不同，輸入各碾鉚點(diǎn)的坐標(biāo)、各點(diǎn)的碾鉚時(shí)間以及移動(dòng)的速度等。同時(shí)，數(shù)控碾鉚機(jī)的工作狀態(tài)，如當(dāng)前坐標(biāo)、伺服系統(tǒng)狀態(tài)、碾鉚工作頭狀態(tài)、頂料、夾緊、產(chǎn)量等可以在圖示操作終端中實(shí)時(shí)顯示出來。 4 結(jié)論 本文介紹了自主研制開發(fā)的數(shù)控碾鉚機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和組成。采用運(yùn)動(dòng)控制單元、PLC以及圖示操作終端開發(fā)了自動(dòng)碾鉚機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。所開發(fā)的數(shù)控碾鉚機(jī)已經(jīng)投入生產(chǎn)使用。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)表明，與人工操作的碾鉚機(jī)相比，采用數(shù)控碾鉚機(jī)可以提高生產(chǎn)率5～7倍，質(zhì)量也有較大的提高。