非金屬條形材料專用全自動(dòng)沖床的研制*＊

徐立軍

(新疆工程學(xué)院電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊，830091)

沖床是一種普遍使用的金屬冷加工機(jī)械設(shè)備，主要用于機(jī)械器件的塑性成形，還可以用于篩網(wǎng)等設(shè)備的沖裁加工。沖床加工的主要特點(diǎn)為:廢料少，成品率高，沖裁零件整體強(qiáng)度高［1］。近年來，我國鈑金加工行業(yè)需求量大增，從而帶動(dòng)了沖床等鈑金加工設(shè)備的迅速普及，傳統(tǒng)的加工設(shè)備及加工工藝已很難滿足客戶對(duì)加工精度、效率、成品率等方面需求，數(shù)控全自動(dòng)沖床無疑是現(xiàn)在即將來市場(chǎng)的主流設(shè)備［2］。

我國制造和使用全自動(dòng)數(shù)控沖床已接近20 年，隨著引進(jìn)國外技術(shù)以及自主創(chuàng)新，濟(jì)南捷邁、江都亞威、揚(yáng)州揚(yáng)力等為代表的數(shù)控機(jī)床設(shè)備生產(chǎn)制造企業(yè)在產(chǎn)品成熟度、設(shè)備先進(jìn)性及市場(chǎng)占有率等方面已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，數(shù)控沖床在我國已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展期。但是，國內(nèi)生產(chǎn)的自動(dòng)數(shù)控沖床多以金屬板材或柔性板材為加工對(duì)象，而專用于加工非金屬條形板材的生產(chǎn)企業(yè)非常少。非金屬板材因其非金屬性質(zhì)，不可磁性吸取，用現(xiàn)有的送料系統(tǒng)無法順利送出，因而無法進(jìn)行自動(dòng)沖裁加工，而某些特殊行業(yè)如變壓器行業(yè)大量使用的絕緣墊塊就是由表面粗糙的絕緣條形材料沖裁而成，因缺少專用自動(dòng)沖床，現(xiàn)在的加工方式基本為手工沖裁，生產(chǎn)率較低。

基于以上原因，本項(xiàng)目組受新疆特變電工委托，研制了一種非金屬條形材料專用小型自動(dòng)沖床，該沖床體積小、精度高、自動(dòng)化程度高，可滿足相關(guān)企業(yè)的迫切需要。

1 沖床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

沖床整機(jī)如圖1 所示，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由材料升降機(jī)構(gòu)、托料機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)、材料檢測(cè)裝置、控制機(jī)構(gòu)及自動(dòng)沖頭構(gòu)成。

(1)材料升降機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖3 所示。通過升降步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)升降螺桿將條形材料送至送料位置，材料用完后自動(dòng)下沉裝料。

因?yàn)椴煌庸げ牧系膶挾炔煌栽摬糠衷O(shè)計(jì)為可以根據(jù)材料調(diào)整寬度。為了節(jié)省成本，寬度調(diào)節(jié)為手動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

(2)送料機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖5 所示，這部分為整個(gè)沖床最核心機(jī)構(gòu)，因?yàn)榧庸げ牧喜豢纱判晕。圆捎么贻唽⒉牧洗瓿鲋脸槿L輪。為保證搓出速度和搓出率，該裝置采用模糊神經(jīng)PID 算法驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

(3)材料檢測(cè)裝置。采用上下限位傳感器、單層分揀傳感器、檢料傳感器等多種檢測(cè)裝置全過程檢測(cè)各機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)并將信號(hào)送至PLC。

(4)自動(dòng)沖頭。對(duì)材料進(jìn)行沖壓加工。

2 工作過程分析

沖床的工作流程如圖6 所示。

(1)開機(jī)初始化，若自檢正常，則檢查條料狀態(tài)。若條料到位，可選擇是否工作，若未檢測(cè)到條料，則提示裝填條料。

(2)當(dāng)升降機(jī)上升置位，搓料電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，將材料搓出至送料滾輪。該部分使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，可實(shí)施搓輪動(dòng)態(tài)壓力控制以保證搓出率及搓出速度。

(3)當(dāng)材料送至送料機(jī)構(gòu)，送料伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)送料滾輪工作。送料滾輪分上下兩層結(jié)構(gòu)，下層為單層分揀滾輪，該滾輪與上層送料滾輪旋轉(zhuǎn)方向相反以進(jìn)行單層分揀［4-7］。

如果材料表面很光滑無法搓出，控制系統(tǒng)取消搓料，改用強(qiáng)力吸盤吸取材料送出，既可以保證送料速度，又兼顧了節(jié)能。

(4)當(dāng)條料到達(dá)沖頭下方指定位置觸發(fā)沖頭行程開關(guān)，沖頭向下沖制，根據(jù)工作模式(單步、單周、重復(fù))決定送料步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是否繼續(xù)送料。在整個(gè)工作過程中，全程檢測(cè)是否有急停中斷、傳感器異常等信號(hào)。

(5)當(dāng)料頭位置傳感器狀態(tài)出現(xiàn)下降沿時(shí)，表示料尾到達(dá)，送料電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)若干步，將尾料抽出送至尾料收集器，然后進(jìn)行下一循環(huán)。

3 控制系統(tǒng)分析

3.1硬件系統(tǒng)

PLC 控制系統(tǒng)外部接線圖如圖7 所示。

沖床采用三菱FX2N-48MT-001PLC 作為控制器，臺(tái)達(dá)DOP-B07S201 觸摸屏作為人機(jī)交互界面。

3.2 軟件系統(tǒng)

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8 所示，圖中，ed是期待誤差，用FNN 網(wǎng)絡(luò)來辨識(shí)摩擦力矩，速度控制器輸出為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出和PID 控制器輸出之和。FNN 的作用為通過其學(xué)習(xí)功能，逐漸使系統(tǒng)誤差趨于0。

為了建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法，分析圖8 所示控制系統(tǒng)，可將經(jīng)過參數(shù)簡(jiǎn)化處理的電動(dòng)伺服系統(tǒng)微分方程表述如下:

FNN 復(fù)合控制器輸出電壓為:

將式(2)代入式(1)，得:

整理得:

從式(4)可以看出，當(dāng)ur=A*ω¨+B*ω·+ud時(shí)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)摩擦力系統(tǒng)的非線性、模型不確定性及其余各種干擾因素進(jìn)行了完全補(bǔ)償，此時(shí)，uc-即按照理想模型設(shè)計(jì)的復(fù)合控制器只對(duì)理想線性系統(tǒng)進(jìn)行控制，系統(tǒng)誤差e=0。

系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將每一個(gè)設(shè)備工作過程設(shè)計(jì)為一個(gè)子程序，條件滿足時(shí)由主程序進(jìn)行調(diào)用，使得軟件整體結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，便于修改和調(diào)試。

軟件部分主程序如圖9。

使用PLSY 指令對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，根據(jù)脈沖的個(gè)數(shù)和頻率控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的行程和速度［1］。

4 結(jié)語

調(diào)試過程初期沖床性能不穩(wěn)定，條料送出速度隨材料材質(zhì)的改變差異較大，通過對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試并用大量樣品對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，運(yùn)行性能趨于好轉(zhuǎn)。若企業(yè)生產(chǎn)所用為單一材質(zhì)材料，可不用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，而改用傳統(tǒng)PID 控制或恒頻控制，在要求精度不高的情況下，可取得更加令人滿意的結(jié)果，軟件及人工成本會(huì)更加節(jié)省。

通過與人工沖床的生產(chǎn)效率進(jìn)行比較，人工效率提高了8 倍，設(shè)備效率提高了2 倍，總體工作效率提高了16 倍，從這一點(diǎn)可以看出，該設(shè)備有較廣闊的市場(chǎng)前景及推廣價(jià)值。若進(jìn)一步開發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)，可降低成本并進(jìn)一步提高控制性能。

［1］騰紅華，張勝全.自動(dòng)沖床進(jìn)料機(jī)構(gòu)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)［J］.武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(3):24-26.

［2］徐以光.國產(chǎn)數(shù)控沖床及模具現(xiàn)狀分析［J］.液壓裝備與制造技術(shù)，2007(5):31-34.

［3］BLECH，ROHRE.柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中順序動(dòng)作自動(dòng)沖床［J］.輕型汽車技術(shù)，1989(4):68.

［4］周開利，康耀紅.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及其MATLAB 仿真程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［5］劉強(qiáng)，爾聯(lián)潔，劉金琨.摩擦非線性環(huán)節(jié)的特性、建模與控制補(bǔ)償綜述［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002，24(11):45-52.

［6］Rmstlrong B A. Friction:Experimental determination，modelling and compensation［C］.IEEE Int. Cong. On Robotics and Automation，Philad，1988:1422-1427.

［7］Johannesi V，Green A M，BROCKLEY A C. The role of the rate of application of the tangential forcc in determining the static friction coefficient［J］. Wear，1973，24(1):381-385.

［8］Hess P D，Soon A. Friction at a lubricated LINC contract operating at oscillating sliding velocities［J］. J.Tribol.，1990，112(10):147-152.