機(jī)電一體化技術(shù)在自動(dòng)沖床進(jìn)料機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

王建軍

（江蘇省南通技師學(xué)院,江蘇 南通 226007）

0 引言

機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，一直是世界各國工業(yè)發(fā)展過程中的重點(diǎn)，其對進(jìn)一步推動(dòng)世界各國的工業(yè)化進(jìn)程和提升工業(yè)生產(chǎn)水平具有較為重要影響。而近幾年來，由于科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，一些科學(xué)性和技術(shù)性較高的新產(chǎn)品和新元件也不斷推出，所以在相當(dāng)大的程度上推動(dòng)了工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展。其中，在自動(dòng)沖床的發(fā)展方面，更是對微型元件進(jìn)行了重點(diǎn)沖制，以求能夠?qū)崿F(xiàn)沖床的小型化發(fā)展。在傳統(tǒng)的沖床中，其不僅具有精度差、速度低以及元件特性過硬等缺點(diǎn)，更無法滿足沖床小型化的發(fā)展原則，因此，對于自動(dòng)沖床的發(fā)展而言，在其發(fā)展過程中對機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)沖床的小型化和自動(dòng)化，就顯得尤為重要。當(dāng)前，在小型自動(dòng)沖床方面，發(fā)展速度最快的是德國，其發(fā)明的沖剪膨脹金屬網(wǎng)的小型機(jī)沖床，最高毒素可以達(dá)到每分鐘1600次，而在我國，小型沖床的沖減速度，卻僅僅能夠得到一分鐘180次，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后德國。因此，為了能夠更好的推動(dòng)自動(dòng)沖床的發(fā)展，我國就應(yīng)該在充分了解自身缺點(diǎn)和充分借鑒國外發(fā)達(dá)國家有點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用，最大限度縮短我國沖床與國外的差距。接下來，本文就以有效提升沖床發(fā)展水平為主要目的，對機(jī)電一體化技術(shù)在自動(dòng)沖床進(jìn)料機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 沖床供料方案分析

對于沖床而言，不同噸位的沖床，其在沖壓力以及運(yùn)動(dòng)慣性等方面都是具有較大差別的。不僅如此，由于不同沖床內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件慣量和沖量組作用的不同，其沖頻也是存在一定差距，而這些，都會(huì)在一定程度上對沖床的工作能力造成影響。在所有類型的沖床中，由于微型或者是小型元件沖制的壓力和運(yùn)動(dòng)慣性比較小，在作業(yè)的時(shí)候能夠幫助沖床保持更好的穩(wěn)定性，并且具有非常大的提速空間和提速潛能，因此，在對沖床進(jìn)行改良和提升的過程中，相關(guān)研究人員都將精力放在小型沖床的研究上，即使在對機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用研究方面，也是如此。當(dāng)前，在小型沖床的發(fā)展過程中，最大特點(diǎn)就是對液壓驅(qū)動(dòng)式的應(yīng)用非常少，其主要原因，就是因?yàn)椴捎靡簤哼M(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不僅要求沖床的外圍需要配置更好的設(shè)備，還需要經(jīng)常性進(jìn)行維護(hù)，不僅消耗人力，也消耗物力，費(fèi)用比較高。

為了能夠有效提升沖床的加工速度，在對主作業(yè)機(jī)構(gòu)的進(jìn)料機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，當(dāng)前多采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，并配以自動(dòng)送料系統(tǒng)。除此之外，為了能夠更進(jìn)一步提升沖床的工作效率，在對自動(dòng)送料系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，還對機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行了有效應(yīng)用，這也是當(dāng)前小型沖床沖剪速度能夠大幅度提升的主要原因[1]。到目前為止，根據(jù)沖床本身所配置的送料機(jī)構(gòu)動(dòng)力源的不同，可以將的沖床的送料方式分為四種，分別是機(jī)械式、液壓式、機(jī)電式以及氣動(dòng)式四種。而在這四種不同的送料方式中，由于液壓式和氣動(dòng)式對沖床外圍的配置和設(shè)備具有較高要求，并不適用于小型沖床，因此，在當(dāng)前的小型沖床中，所采用的送料方式多為機(jī)械式和機(jī)電式，尤其是機(jī)電式，伴隨著近幾年來機(jī)電一體化技術(shù)水平的不斷提升，其應(yīng)用水平和工作效率也在不斷提升，逐漸成為小型沖床中應(yīng)用最為普遍的一種送料方式。

從當(dāng)前沖床的發(fā)展情況來看，雖然我國沖床的沖剪速度以及整體的工作效率與西方發(fā)達(dá)國家相比具有較大差距，但是相對于我國自身發(fā)展情況而言，其進(jìn)步速度還是比較快的。尤其是在近幾年來，伴隨著國內(nèi)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高以及工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，我國對沖床的發(fā)展也變得越來越重視。當(dāng)前，除了在通過自主研發(fā)和引進(jìn)國外先進(jìn)科學(xué)技術(shù)來不斷提升我國沖床的沖減速度以及工作效率之外，我國相關(guān)研究人員還在對機(jī)電一體化在進(jìn)料機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，并取得了較為良好的應(yīng)用效果。可以說，在沖床方面，我國正在快速拉近與國外發(fā)達(dá)國家之間的差距。

2 基于單片機(jī)控制的自動(dòng)沖床供料方案

當(dāng)前，在沖床方面，供料方案主要采用的就是機(jī)電式，其原因主要有兩點(diǎn)：第一，采用機(jī)電式供料方案能夠使沖床的供料結(jié)構(gòu)與機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行更好的結(jié)合，更有效的提升機(jī)電一體化的應(yīng)用效率；第二，通過對所有供料方式進(jìn)行對比總結(jié)發(fā)現(xiàn)，采用機(jī)電式供料方案，沖床系統(tǒng)的穩(wěn)定性、加工精度、作業(yè)效率以及系統(tǒng)本身的性價(jià)比都比較高，并為沖床的更好發(fā)展提供了更大可能。當(dāng)前，在沖床的機(jī)電系統(tǒng)中，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同，可以將機(jī)電式系統(tǒng)分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)送料系統(tǒng)以及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩種。在這兩種不同系統(tǒng)機(jī)構(gòu)中，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢在于，該系統(tǒng)的加速度和承載力比較大，同時(shí)系統(tǒng)具有比較快的響應(yīng)速度和能夠?qū)崿F(xiàn)低速無爬行等。但是，該系統(tǒng)最大的弊端，則在于系統(tǒng)成本比較高，不適用于發(fā)展?jié)撃芨玫男⌒蜎_床。而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，雖然在整體性能上無法與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，但其性能也足夠滿足小型沖床的性能要求，并且，更為重要的是，應(yīng)用該系統(tǒng)，還能夠有效降低系統(tǒng)的構(gòu)建成本。

基于以上特點(diǎn)，在當(dāng)前的小型沖床中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的非常廣泛，同時(shí)，經(jīng)過過去一段時(shí)間的努力，相關(guān)研究人員還將其與機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行了很好的結(jié)合。當(dāng)前，在小型沖床中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)送料的斷線傳送和確保送料的精度，還能夠通過系統(tǒng)數(shù)控的實(shí)現(xiàn)，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化[2]。除此之外，由于當(dāng)前送料結(jié)構(gòu)中機(jī)電一體化技術(shù)得到了有效應(yīng)用，其還有效實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制，比如沖頻和步距的自動(dòng)化控制，在原有基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步縮小了沖床的體積。其工作原理，如圖1所示。

該系統(tǒng)運(yùn)行過程中，第一步，系統(tǒng)會(huì)ont通過主傳動(dòng)曲柄出軸上的接近開關(guān)對沖床沖頭的下行位置進(jìn)行檢測。第二步，當(dāng)沖頭抬起略高于帶料運(yùn)送平面時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)按照用戶程序中的行程和速度開始執(zhí)行送料任務(wù)，當(dāng)沖頭再次落下時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在開始沖制之前完成送料。第三步，當(dāng)送料系統(tǒng)將進(jìn)料送到位之后，送料電機(jī)就會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，沖頭開始實(shí)施沖制。第四步，當(dāng)沖頭再次抬高，高度達(dá)到帶料運(yùn)動(dòng)平面的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)再次起到送料電機(jī)，開始新一輪的送料操作。如此一來，在不斷的循環(huán)過程中，系統(tǒng)就能夠確保沖床的高效運(yùn)行。不僅如此，在對該系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，當(dāng)沖床沖頻不太高，并且步進(jìn)電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)失步時(shí)，控制人員還可以主動(dòng)去掉系認(rèn)同反饋補(bǔ)償?shù)目刂撇糠郑源藖硎瓜到y(tǒng)變得更加簡單化，同時(shí)，更進(jìn)一步降低系統(tǒng)運(yùn)行的成本。

圖1 送料系統(tǒng)工作方案流程圖

3 機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在沖床中，為了能夠確保在進(jìn)料機(jī)構(gòu)中對機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用，就必須對沖床系統(tǒng)進(jìn)行全面完善，而在對系統(tǒng)進(jìn)行全面完善的過程中，最重要的，就是對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行有效完善。當(dāng)前，在沖床系統(tǒng)中，系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)主控電路、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、檢測電路以及接口電路等，每一部分都必須謹(jǐn)慎選擇。通常情況下，在對單片機(jī)進(jìn)行選擇的過程中，多選擇89C52單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)部含有Flash存儲(chǔ)器，其能夠?qū)ο到y(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效記錄，如此一來，通過這些數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)運(yùn)行中，操作人員就能夠輕松的對系統(tǒng)程序進(jìn)行相應(yīng)修改，確保系統(tǒng)運(yùn)行的高效性[3]。而單片機(jī)的看門狗電路，多采用集成的X25045，接線比較簡單。系統(tǒng)顯示部分，通常由6位LED數(shù)碼管組成，在這當(dāng)中，作為功能和狀態(tài)指示符的為最高兩位，而低4位，則用來對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。顯示驅(qū)動(dòng)器選用的是帶有串行接口的8位LED控制驅(qū)動(dòng)器PS7219，它可同時(shí)、直接驅(qū)動(dòng)8位LED，與單片機(jī)的接口采用簡單的3線SPI方式，因此硬件線路十分簡單。沖頭位置檢測傳感器采用電感式接近開關(guān)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在對步進(jìn)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，在軟件方面，其采用的是結(jié)構(gòu)比較清晰，方便后期進(jìn)行修改和調(diào)試的模塊化設(shè)計(jì)方式。而在整個(gè)軟件模塊中，其子模塊主要有四部分，分別為初始化模塊、輸入處理模塊、按鍵處理模塊以及顯示模塊等四個(gè)模塊[4]。同時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，通過中斷子程度對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的過程中，當(dāng)沖頭位置的信號(hào)到達(dá)指定位置后，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入中斷子程度，對系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制。

在對系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，初始化程序的主要任務(wù)，就是對狀態(tài)標(biāo)志、用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)以及置初始值進(jìn)行設(shè)置，并對系統(tǒng)中的定時(shí)器、PS7219以及中斷子程序進(jìn)行初始化。

系統(tǒng)中，采用查詢方式的按鍵識(shí)別程序，主要可以分為兩步：第一步，將行線編程為輸入線，列線編程為輸出線，并使輸出為全零電平，則行線中電平由高到低所在行為按鍵所在行；第二步，將行線編程為輸出線，列線編程為輸入線，并使輸出為全零電平，則列線中電平由高到低所在行為按鍵所在列;綜合一、二步的結(jié)果，即可確定按鍵所在的行和列。另外，為了確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，在程序中還對數(shù)據(jù)冗余、程序陷阱以及模塊令牌等措施進(jìn)行了有效應(yīng)用。

4 結(jié)束語

相對于國外發(fā)達(dá)國家，在沖床的研究和發(fā)展方面，我國還存在較大差距。這種差距，不僅大大影響了我國沖床的作業(yè)效率，也在一定程度上限制了我國工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展。因此，我國必須直視該問題，并通過加強(qiáng)對自身缺點(diǎn)的了解和對外國先進(jìn)技術(shù)的掌握來有效改變現(xiàn)狀，快速縮小與發(fā)達(dá)國家之間的距離。當(dāng)前，在沖床發(fā)展方面，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用成為發(fā)展的重點(diǎn)，因此，我國也應(yīng)該加強(qiáng)對該方面的研究，盡快提升自動(dòng)沖床進(jìn)料機(jī)構(gòu)中機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用水平，以此來有效提升我國沖床發(fā)展水平，為推動(dòng)我國工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

[1]王萌.機(jī)電一體化的同顧和發(fā)展趨勢展望[J].科技資訊，2010(04).

[2]袁麗平.機(jī)電一體化的應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J].科學(xué)大眾，2010（03）.

[3]王禮智.機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展前景[J].青年科學(xué)，2011（08）.

[4]高海濤，周庚生.壓力機(jī)送料裝置機(jī)電一體化改裝[J].軸承,2010(02).