液压式高速转塔冲床专用数控系统的研究与开发

华中科技大学硕士学位论文液压式高速转塔冲床专用数控系统的研究与开发姓名：吕明明申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：王平江2011-01-17华中科技大学硕士学位论文I摘要作为锻压机床八大类产品之一的数控冲床，广泛应用于机械、汽车、航空、兵器、电子等行业。针对国产数控系统在液压式高速转塔冲床领域的应用尚属空白的现象，本文对液压式高速转塔冲床专用数控系统进行研究与开发。专用数控系统在分析对液压式高速转塔冲床的数控装置、进给伺服系统、液压系统和换模系统等控制的基础上，采用了基于工业PC+FPGA硬件平台和基于Linux+RTAI软件平台的总体设计方案。整个平台具有性能高、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性好的特点。液压式高速转塔冲床的冲压实现由进给运动和冲压运动组成，两者通过进给到位和冲压完成等I/O信号协同进行。本文分析在以16ms为扫描周期的普通PLC里处理这些信号，无法达到600次/min的冲压指标，因此在以1ms为周期的插补任务中对进给运动和冲压运动相关的I/O信号进行处理，实现高速I/O的扫描及控制。液压式高速转塔冲床的进给运动具有高速间歇性，合理的控制算法可以减少冲击、振荡、超程和失步等不良现象的出现。本文结合高速间歇的运动特点，选择了插补后加减速控制的方案。同时，在分析直线、指数曲线和常规S曲线等各种加减速控制方式基础上，提出适用于专用控制系统的基于简化的5段S曲线加减速控制方法。从液压式高速转塔冲床实用性角度出发，分析和实现了实际冲压操作过程中常用的专用加工功能。在上料子程序中进行了工件坐标系建立、哈雷卡参数设置、特殊板材情况处理和预压进给位置确定等步骤，保证板材在各种情况下的定位；当加工板材长度超过冲床的行程时，使用开发的再定位功能，可实现大板材的冲压；为保证在冲压过程中，夹钳不会被冲头冲碰，在对夹钳的位置进行检测的基础上，设立夹钳保护区域；开发冲床的专用加工指令，实现固定循环冲压和在线修改冲压参数的功能。此外，本文还完成了对所开发的专用数控系统进行测试，与FUNAC-OIP系列的冲床数控系统进行了比较。比较结果表明：所开发的液压式高速转塔冲床专用数控系统性能稳定可靠、各项技术指标达到进口数控系统的水平。关键词：转塔冲床专用数控系统高速I/O控制柔性加减速华中科技大学硕士学位论文IIAbstractAsoneofeightkindsofforgingpress,numericalcontrolpunchpressiswidelyusedinmechanical,electronics,aerospace,andsoon.Thereisnodomesticalnumericalcontrolsystemforthehydraulichigh-speedturretpunchpress.Thespecialnumerialcontrolsysteminthisthesis,whichismainlycombinedbythenumericalcontroldevice,theservosystem,thehydraulicsystemandthechangingmouldsystemandsoon,isbasedonthehardwareplatform,basedonindustrialPC+FPGA,andthehardwareplatform,basedonLinux+RTAI.Thepressingofthehydraulichigh-speedturretpunchpressisrealizedbyfeedmovementandstampingmovement.ThefeedmovementworksincoorinationwithstampingmovementbyI/Osignals.IfthesignalsaretreatedinthePLCmodule,whichrunsinevery16ms,thetargetcannotbeachieved.Sothesignalsaretreatedintheinterpolationmoduleinthisthesis,whichrunsinevery1ms.Thefeedmovementofhydraulichigh-speedturretpunchpressishigh-speedandintermittent,soreasonablecontrolalgorithmcanreduceshock,oscillations,etctoappear.HowtorealizesmoothmovementbytheflexibleAcc/Deccontrolisthekeyanddifficultpointinthisthesis.ThecontrollingmethodofthesimplyfiedScurveisbroughtupinthisthesis.Fromthepracticalpointofhydraulichigh-speedturretpunchpress,thisthesisisalsoanalysingtheactualandspecialprocessingfunctions,suchasthematerialprocedure,againpositioningfunction,clamp'spositiondetectionandclampprotection,etc.Thematerialprocedureincludesthecoordinatesystemsetting,H+Lparameterssetting,specialplatestreatment,andtheprepressingpositionconfirming.Ifthelengthofplatesisgreaterthanthemachine'stravel,theagainpositioningfunctionshouldbeused.Theclampprotectionshouldbesetuptomakesurethattheclampcannotbepunched.Inadditiontothis,thisthesisalsohascompletedthetestofthespecialnumerialcontrolsystem,andcomparedwiththeFUNAC-OIPCNCsystem.Theresaultsshowthatthespecialnumerialcontrolsystemisstable,andmosttechnicalindexesreachtheleveloftheimportCNCsystem.Keywords:HydraulicTurretPunchPress,SpecialCNCSystem,HighSpeedI/Ocontrol,flexibleAcc/Deccontrol独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题的来源及研究背景、意义1.1.1课题来源该课题来源于国家“高档数控机床及基础制造装备”科技重大专项课题：开放式全数字高档数控装置（课题编号：2009ZX04009-011）。1.1.2研究背景和意义在锻压机械的八大类中，冲床、剪板机、折弯机等金属板材加工机床按年生产量（台数）计约占90%以上，按价值量计约占80%以上；从应用角度讲，轿车零件中按件计金属板材冲压件占40%以上，电器、仪表结构件中金属板材冲压件占80%以上。由此可见金属板材加工机床在制造领域和应用领域的重要地位[1-4]。图1.1金属板材加工机床应用领域数控冲床作为锻压机床八大类产品之一，广泛应用于各工业领域板材冲压加工，量大面广。自上世纪70年代初第一台数控冲床问世以来，数控冲床受到企业界极大的关注，其技术发展迅速，性能不断提高[1]。传统的机械主传动数控冲床由于受到机械结构的限制，难以获得理想的工作行华中科技大学硕士学位论文2程曲线，其冲头行程不易改变，冲压次数低，功率消耗大，因而这种传动结构很快被液压主传动所替代[5]。液压主传动式数控冲床能够很好地控制冲头的冲压行程和冲压频率，能够根据冲压板材和冲裁件很好地控制冲压力的大小。如今液压式数控冲床在冲床市场中占主导地位。冲床数控系统是数控冲床的核心，数控冲床的各项单元技术以及各项功能性能昀终均要靠冲床数控系统实现[6]。由于数控冲床自生的复杂性和某些控制的特殊性，通用数控系统一般难以满足其要求。目前，国内有能力提供4轴及以上高速数控冲床的企业不少于8家，但所使用的数控系统完全依赖国外进口，严重阻碍了民族产业的发展。国产数控系统在液压式数控冲床领域的应用均属空白，为了使自主研发的关键板材冲压设备不受制于人，真正实现自主研发，液压式高速冲床专用数控系统的自主研究与开发势在必行。1.2数控冲床概述1.2.1数控冲床介绍冲压是指用模具在厚度一般小于10mm的金属板材上冲压出不同尺寸和形状的零件的塑性加工方法。冲压以其相对简单的加工工艺、极高的生产效率、材料利用率与重复性加工精度和极易组成柔性制造系统等特点，在国内外板材加工领域广泛应用，在现代机械制造业中高速发展[7]。自从美国威德曼（WEIDEMANN）公司于1932年发明了R2型手动多工位冲床以来，冲床就在金属板材加工领域得到广泛应用，在结构和性能上进行不断的发展[5]。冲床属于点-位控制机床，在进给过程中不进行加工。手动冲床加工的产品较为单一，模具不经常进行更换，送料由手工完成，存在着效率低、精度不能保证、安全存在隐患等方面的一系列问题[5]。随着市场经济的发展，国内国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，尤其是随着工业的发展，冲压制件类型、工艺和外形越来越复杂，精度要求越来越高，传统的手动冲床已经不能满足要求，数控冲床在上世纪70年代应运而生。数控冲床是集机、电、液一体化的锻压机床设备，用于板材的冲压和拉延成型加工。通过数控编程能够实现板材的快速移动和精确定位，同时，通过自身的模具华中科技大学硕士学位论文3库和自动换模装置，能够实现一次装夹依次进行冲压、拉延成型等多道工序的加工，既可按要求自动加工不同尺寸、孔距和形状的孔，也可用小模具以步冲方式冲大的圆孔、方形孔、腰形孔及各种形状的曲线轮廓，具有加工效率高、生产柔性好、冲压精度高、重复精度好等优点[8]。数控冲床现已成为当前板材加工重要的机床工具，广泛应用于机械、电力、汽车、航天、航空、兵器、化工、电子、仪表、轻工、通讯、计算机等行业。1.2.2数控冲床分类文献[9-12]中总结了数控冲床的分类，数控冲床按其主体结构，可分为C型数控冲床、桥型数控冲床和双C型数控冲床；按其主传动技术，可分为机械飞轮驱动式数控冲床、液压驱动式数控冲床和伺服电机驱动式数控冲床。机械飞轮驱动式数控冲床是昀早出现的数控冲床，由一个主电机带动飞轮循环旋转，冲头通过离合装置与飞轮配合进行冲压动作。此类数控转塔冲床结构简单，但加工效率比较低；控制冲压行程，必须调整相应的位置开关；冲压速度较低，由飞轮的转速所决定。正是机械飞轮驱动式数控转塔冲床的诸多缺点，出现了液