摘 要：本文討論了采用日本三菱公司的運(yùn)動控制單元FX2N-20GM、PLC以及圖示操作終端F940GOT開發(fā)碾鉚機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的方法及技術(shù)關(guān)鍵，開發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高的數(shù)控系統(tǒng)，并成功地應(yīng)用到我們所開發(fā)的數(shù)控碾鉚機(jī)上。 關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng) 運(yùn)動控制單元 碾鉚機(jī) 0 引言 　　利用擺動碾壓技術(shù)的碾鉚工藝，被廣泛應(yīng)用在計算機(jī)外設(shè)、辦公設(shè)備、家用電器、汽車等制造領(lǐng)域，其鉚接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，鉚接過程平穩(wěn)無沖擊，是一種理想的鉚接工藝。隨著我國經(jīng)濟(jì)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、勞動強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定，迫切需要通過使用自動碾鉚機(jī)來提高效率和提高質(zhì)量。由于生產(chǎn)批量大，工廠使用碾鉚機(jī)的數(shù)量多，對自動碾鉚機(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碾鉚機(jī)。因此，開發(fā)出效率高、質(zhì)量好、經(jīng)濟(jì)性好的自動碾鉚機(jī)，具有重要的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)意義。 　　由于對自動碾鉚機(jī)的成本控制要求高，而數(shù)控系統(tǒng)又占了成本中較大的比例，因此，開發(fā)出一種經(jīng)濟(jì)性好、質(zhì)量好、可靠性高的數(shù)控系統(tǒng)成了開發(fā)這種自動碾鉚機(jī)的關(guān)鍵。 1 數(shù)控系統(tǒng)的主要功能 　　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)控工作臺組成。碾鉚工作頭的主軸由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，并在氣缸的驅(qū)動下作上下運(yùn)動。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)（擺動與章動），另一方面鉚頭在工件表面滾動，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)一定的工藝時間，銷軸與支持架被牢固地鉚接在一起（圖1（A））。 [align=center] 圖1 數(shù)控碾鉚機(jī)的基本結(jié)構(gòu)[/align] 　　在打印機(jī)、復(fù)印機(jī)等設(shè)備的齒輪傳動系統(tǒng)中，常常有多條平行的傳動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，通過手工移動模具，將各鉚接點(diǎn)逐一移到鉚頭下進(jìn)行碾鉚，效率低，勞動強(qiáng)度大，每個工序鉚接的點(diǎn)數(shù)有限，平行度不易保證，質(zhì)量不穩(wěn)定。 　　利用數(shù)控碾鉚機(jī)對這類零件進(jìn)行碾鉚加工的基本工藝過程如下：首先數(shù)控工作臺將模具移到裝卸工位，將銷軸及支持架安放在模具對應(yīng)的定位面上，通過電磁鐵將支持架吸緊，然后數(shù)控工作臺按照編程好的坐標(biāo)位置，將各個鉚接點(diǎn)依次移動到鉚頭下，控制系統(tǒng)控制鉚頭壓下，碾鉚頭對工件進(jìn)行碾鉚加工，經(jīng)設(shè)定的碾鉚時間，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。 　　因此，碾鉚機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對XY工作臺的運(yùn)動控制，由于在進(jìn)行碾鉚加工之前，工件（傳動支架）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工作臺具有直線或圓弧插補(bǔ)功能。同時，數(shù)控系統(tǒng)還要控制碾鉚工作頭的升降、主軸的啟動及停止，控制卸料氣缸及夾緊電磁鐵的動作，并進(jìn)行相應(yīng)的人機(jī)的交互，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。 2 數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù) 　　由于對數(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，特別要保證能在工廠的生產(chǎn)現(xiàn)場可靠運(yùn)行，決定采用日本三菱公司的運(yùn)動控制模塊FX2N-20GM、FX2N系列的PLC以及圖示操作終端F940GOT來開發(fā)數(shù)控碾鉚機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。 [align=center] 圖2 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[/align] 　　運(yùn)動控制單元FX2N-20GM具有同時兩軸的直線和圓弧插補(bǔ)，插補(bǔ)時輸出頻率可達(dá)100KHz，以及運(yùn)動控制的基本功能，如正向及方向極限信號、近點(diǎn)信號、零點(diǎn)信號的處理、手動脈沖輸入、手動控制、機(jī)械原點(diǎn)返回等功能。FX2N-20GM輸出的運(yùn)動信號為脈沖信號，可以與脈沖輸入型的交流伺服驅(qū)動器配合使用?？梢?，運(yùn)動控制單元FX2N-20GM很適合于用作碾鉚機(jī)的運(yùn)動控制。 　　2.1 加工程序的傳送 　　FX2N-20GM作為一個運(yùn)動控制模塊，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，雖然可以使用計算機(jī)串口，經(jīng)RS232轉(zhuǎn)RS422后，將運(yùn)動軌跡輸送到FX2N-20GM，但這只適用將固定的運(yùn)動軌跡輸入到FX2N-20GM，不適用于在生產(chǎn)中作為程序的輸入工具來使用。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傳送到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)動控制程序時，用通用數(shù)據(jù)寄存器作為插補(bǔ)指令中運(yùn)動軌跡的坐標(biāo)變量來編寫程序，然后通過PLC把運(yùn)動參數(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。 　　例如，直線插補(bǔ)時，采用32位數(shù)據(jù)寄存器DD100、DD102作為直線插補(bǔ)的終點(diǎn)坐標(biāo)，DD104作為運(yùn)動速度，插補(bǔ)指令可寫成： 　　0020: cod01（LIN） xDD100 yDD102 fDD104 ; 　　LD M8000 　　DTO K0 K100 D201 K2 　　DTO K0 K104 D500 K1 　　…… 　　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)動軌跡的坐標(biāo)、運(yùn)動速度、各點(diǎn)的碾鉚時間、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DD100、DD102、DD104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。對應(yīng)的PLC程序如下： 　　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DD100及DD102。其中，F(xiàn)X2N-20GM的DD100、DD102對應(yīng)的BFM號為#100～#103，DD104對應(yīng)的BFM號為#104。 　　2.2 當(dāng)前坐標(biāo)及工作狀態(tài)的獲取 　　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號為#9004（32位），Y坐標(biāo)的寄存器的BFM號為#9014（32位），F(xiàn)X2N-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，對應(yīng)的BFM號為#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D110～D111，D112～D113，并將FX2N-20GM的工作狀態(tài)等寄存器的值讀入PLC的M100～M131中，供PLC控制使用，并顯示在圖示操作終端上。對應(yīng)的PLC程序如下： 　　LD M8000 　　DFROM K0 K9004 D110 K1 　　DFROM K0 K9014 D112 K1 　　FROM K0 K23 K2M100 K1 　　FROM K0 K25 K2M108 K1 　　FORM K0 K24 K2M116 K1 　　FROM K0 K26 K2M124 K1 　　…… 　　2.3 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G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，可方便地將對應(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個加工程序，每個程序文件可儲存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，每段保存一個加工程序。 　　第二個區(qū)段為D120～D191，作為文件編輯區(qū)，當(dāng)要編輯某個加工程序時，通過變址V2使用塊移動指令，將對應(yīng)的文件數(shù)據(jù)從文件區(qū)，復(fù)制到臨時文件區(qū)，然后，通過圖示操作終端對該加工程序進(jìn)行編輯，當(dāng)編輯完成要保存修改后的文件時，再使用塊移動指令，將臨時文件區(qū)中編輯好的加工程序文件保存回對應(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)行某個加工程序時，通過變址V使用塊移動指令，將對應(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，PLC程序從這個區(qū)段，將X、Y坐標(biāo)、速度、碾鉚時間等加工的參數(shù)取出，送到FX2N-20GM去控制碾鉚機(jī)工作臺的運(yùn)動等。 　　2.4 人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn) 　　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)的碾鉚時間以及移動的速度等。同時，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)時顯示出來。 3 結(jié)論 　　本文介紹了我們研制的采用三菱運(yùn)動控制單元FX2N-20GM、PLC以及圖示操作終端等開發(fā)的碾鉚機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，具有經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高，質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，已被用于我們?yōu)樯钲谝患覍橹放粕a(chǎn)復(fù)印機(jī)、打印機(jī)零部件的工廠所開發(fā)的多臺數(shù)控碾鉚機(jī)上。這些數(shù)控碾鉚機(jī)投入生產(chǎn)已經(jīng)兩年多，比人工操作的碾鉚機(jī)提高生產(chǎn)率5～7倍，質(zhì)量也有較大的提高。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 劉俊。擺動冷碾鉚接機(jī)的正確設(shè)計[J]。機(jī)械設(shè)計與制造，1995.5:36～41. 　　[2] FX2N-10GM和FX2N-20GM硬件編程手冊[M]。日本三菱公司 2000.2 　　[3] FX系列可編程控制器編程手冊[M]。日本三菱公司，2000.8 　　[4] F940GOT型圖示操作終端操作手冊[M]。日本三菱公司，2000.8 　　[5] 彭炎午主編。計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)[M]。西北工業(yè)大學(xué)出版社，1988.5