毕业设计论文转塔冲床数控系统设计论文.docx

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毕业设计论文转塔冲床数控系统设计论文

1前言

1.1设计的目的和意义

设计的目的是根据转塔冲床工作的需要，完成其数控系统的开发，包括数控系统的电气系统的设计、控制软件的开发等。

控制系统完成后，通过现场的调试和实验，能达到正确控制机床动作的目的，并能满足转塔冲床加工速度及精度的要求。

设计的意义是虽然国内有许多公司生产冲床，但其价格昂贵，且其数控系统基本上依赖与进口。

同时，国内外成熟的基于PC的数控冲床系统并不多见，人交互面板不是专用的，所以功能较差，且多数系统精度达不到要求，为了设计出人性化的控制面板、降低生产成本、达到生产精度的要求，因此，开发符合生产需求的数控转塔冲床具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

1.2国内外现状

随着机床业的不断发展，冲床也经历了一个发展历程，从1933年的第一台常规电控的简易型冲模回转头到1955年的第一台NC数控转塔冲床，转塔冲床开始了一个新纪元，随着1970年第一台CNC数控转塔冲床的问世，转塔冲床进入了一个高速发展的时期，随着对加工零件精度的要求越来越苛刻，数控冲床的功能也逐渐增强，性能也不断提高，以满足发展需求。

当前，随着数控技术和汽车行业的不断发展，数控转塔冲床也越来越广泛的被使用，随着柔性系统的提出与快速应用于机床行业，数控冲床也向着多功能、稳定可靠、具有更大的柔性、适应于多品种小批量生产发展。

伺服系统的研究与应用，使数控转塔冲床的性能得到了很大的提高。

目前，国外对数控转塔冲床研究及取得丰盛成果的有：

日本的AMADA、德国的TRUMPF、美国的STRIPPIT等；

在我国，机械行业起步相对较晚，转塔冲床的研究也相对较晚，但是制造业和汽车行业的蓬勃发展，这对转塔冲床提出了更高的要求，所以在严峻的要求下，我国钣金行业的发展和高端技术的引进，涌现出了一批对数控冲床研究的科研人员，他们对数控冲床的研究和开发，设计出了应用于实际的产品而投入市场。

目前，国内有能力提供四轴及以上的数控冲床的企业有：

济南的捷迈、江都的亚威、扬州的杨力等。

虽然国内数控冲床有了很大发展，但是和国外比起来还有很大差距，很多关键技术，如数控系统、伺服电机等还不能自己提供，必须依赖进口，这是当前我们必须有待解决的问题之一。

1.3设计的内容

冲裁成型加工以其效率高、成本低和易实现批量生产等优点，在五金行业中得到了广泛发展。

集柔性制造单元理念的转塔冲床作为当今冲裁成型加工的先进制造技术手段之一，更得到了迅速发展。

但是转塔冲床的核心技术-数控系统，目前仍然主要依靠国外进口，因此开展转塔冲床的数控系统的研究具有十分重要的意义。

论文根据开放式数控系统技术理念，运动控制器为核心，通过对转塔冲床冲裁薄板工件过程和加工特性分析，设计转塔冲床的数控系统。

1.3.1设计的要求

（1）设计的内容及要求：

[a].转塔冲床数控系统硬件构成方案、系统连接；

[b].转塔冲床数控系统人机交互设备设计，包括显示器、专用键盘、操作面板设计。

[c].转塔冲床数控系统软件设计，包括自动加工、手动操作、回原点、夹钳控制、换刀及倒库管理等。

[d].软件开发采用VB6.0高级编程语言。

（2）工作量要求：

[a].设计计算说明书的字数不少于1.2万字，正文部分12-20页（含插图折合字数）

[b].转塔冲床数控系统硬件接线图；

[c].转塔冲床数控系统显示器、专用键盘、操作面板设计；

[d].转塔冲床数控系统主要功能软件流程图和程序源代码；

[e].外文文献翻译1份，译成中文文字数不少于2000字；

[f].方案论证报告1份。

2总体方案设计

2.1功能与性能要求分析

转塔冲床数控系统的功能分析：

通过在软件和硬件控制下，对输入的加工程序进行处理并发出相应的控制指令，控制冲床的运动，采用伺服电机带动正弦机构，使滑块上、下往复运动，冲击上转盘上所选定的上模而对板材进行冲裁加工，正弦机构可以有效地扩大伺服电机带动冲头的冲击力。

上、下转盘由伺服电机经皮带轮同步带动。

板料的移动可由滑动夹钳来完成，X、Y轴方向的运动是由伺服电机、滚珠丝杠副等驱动而实现

转塔冲床数控系统的性能要求分析：

1、冲压能力20吨；2、最大加工板厚6.35mm3、加工板材1250mmx2500mm4、标准的刀库布置32工位2旋转工位5、冲压速度0.5mm间隔1.4mm冲程900HPM6、加工精度+/-0.1mm。

2.2设计方案比较、分析与确定

数控转塔冲床设计方案可分为转塔冲床的分类和转塔冲床数控系统控制的分类。

2.2.1转塔冲床的分类

（1）机械驱动数控转塔冲床：

这类数控转塔冲床是通过一个主电机带动飞轮旋转，由离合器进行冲压控制。

它的优点是结构简单，产品价格低。

但同时，这类机床也存在效率较低、不适宜成型冲压、耗电量较大、冲压噪音大等缺点。

（2）液压驱动数控转塔冲床：

这类机床通过液压缸驱动击打头，由电液伺服阀进行冲压控制。

主要优点表现在加工效率高、冲压噪音小等优点；但同时也存在多种不足，如对环境要求较高、耗电量大、维护困难、占地面积大等缺点。

（3）伺服电机驱动数控转塔冲床：

随着大功率交流伺服电机技术的进步，伺服电机己可以完全满足打击头和其运动机构对打击力，转矩和功率等参数的要求。

这类机床通过伺服电机带动打击头进行冲压控制。

相对液压式机床而言，其主要优点表现在机床结构紧凑、耗电量少、没有更换液压用油的烦恼，而且非常环保、噪音小、对环境要求低等。

【1】

通过上面对三种转塔冲床的优缺点分析及结合功能和要求的分析可以确定用伺服电机驱动数控转塔冲床。

2.2.2转塔冲床数控系统控制的分类

（1）PLC控制系统：

功能可以用程序来实现，所以灵活性比较大缺点成本高需要PLC专业知识。

（2）继电气控制：

优点成本低只要懂电工基础即可缺点接线比较复杂功能单一。

（3）PC机+运动控制卡：

设计只是把运动控制部件当作系统的一个部分,如果要完成一个机械设备的完整控制,还需要辅助有其他的数字量/模拟量控制设备。

这样在提高了系统成本的同时,也降低了系统的可靠性。

通过对控制系统和精度要求的分析，我们采用PC+运动控制卡，由于固高科技开发的GUC控制器将PC+运动控制卡结合起来，方便我们的应用，所以我们控制系统采用GUC控制器。

3控制系统硬件设计

3.1控制系统功能和要求分析

转塔冲床控制系统功能：

通过控制面板电路控制主轴伺服电机的转动带动主轴的运动，主轴带动连杆机构使冲头上下往复运动冲压工件，控制转盘电机带动同步带使转盘转动，通过双向定位销定位，选择合适的模具进行冲压。

控制X.Y轴电机对冲压钢板进行运动，再通过传感器对钢板进行准确定位，已达到准确冲压的目的。

所以在选择电机时，我们考虑精度及廉价要求对主轴和转盘选择交流伺服电机，对X、Y轴选择步进电机。

3.2控制系统的组成

转塔冲床的控制系统主要由控制面板和控制电路组成，其中控制面板由显示频、专用键盘、控制面板组成；而控制电路由GUC控制器+端子板+电机驱动器+伺服电机组成。

3.2.1控制面板的设计

（1）显示屏：

LCD液晶型显示屏；

图3.1显示屏

（2）专用键盘：

通过对普通键盘和转塔冲床功能的分析，设计出专用于转塔冲床的键盘。

（3）控制面板：

对转塔冲床的基本加工控制的面板，可以实现冲床的运动加工。

图3.2控制面板

3.2.2控制电路的设计

（1）GUC控制器：

GUC控制器拥有PC+运动控制卡的功能，有GE和GT两个系列我们选择GE控制器，所以我们选择GE-400-SG-PCI-G的控制器.

图3.3运动控制卡原理图

（2）伺服电机驱动器和伺服电机：

由于转塔控制精度的要求，我们选择交流伺服电机，驱动器型号为MADDT1205，电机为MSMD012P1*;而主轴、X、Y轴选用步进电机，驱动器型号为MADBT1205，电机型号为：

MSMB012P1*.

图3.4伺服驱动器

3.3各组成部分的设计

图3.5开放式数控系统控制原理图

3.3.1选型理由

（1）GUC控制器：

由于PC+运动控制卡的功能和GUC功能相同，其控制四轴（主轴、转盘、X、Y轴）和PCI总线连接。

（2）伺服驱动器和伺服电机：

由于主轴机械运动是通过连杆机构实现的，所以使用步进电机就可实现，而转盘控制要求精度较高，所以使用交流伺服电机，对于X、Y轴的控制使用步进电机就可达到要求，为了节省成本所以使用步进电机。

3.3.2设计结果

（1）GUC控制器：

选择GE-400-SG-PCI-G的控制器.

图3.6GUC控制器

（2）伺服驱动器和伺服电机：

转塔使用驱动器型号为MADDT1205，电机为MSMD012P1*;主轴、X、Y轴使用驱动器型号为MADBT1205，电机型号为：

MSMB012P1*.

图3.7伺服驱动器

图3.8伺服电机

3.4总体硬件电路

3.4.1总体电源设计

图3.9总电源

3.4.2总体运动控制电路设计

图3.10控制电路

4控制系统软件设计

4.1软件实现的功能

数控系统软件设计实现的功能是通过加工程序的运行实现机床对冲裁的冲压，以完成对简单零件的加工，其中包括两个方面：

第一方面为管理，主要目的是对加工状态的检测和管理简单的机械操作，其中参数设置、刀库管理、模具库管理、编辑、编译、显示加工程序等；另一部分为用户操作系统，目的是通过用户的编译程序实现零件的加工成型运动，其中包括初始化设计、插补运算、程序代码的自动运行。

软件设计的主要目的是实现基本的加工功能，其中包括自动加工、手动加工、回原点、夹钳控制、换刀、刀库管理、模具库管理、打开程序、退出等。

4.2主要功能模块设计的流程图（源代码）

数控系统程序界面即为用户界面。

用户界面的功能即为把系统的各种功能信息和运动模式以不同的信息反映给用户，以及把用户的选择和输入变成数据传送给系统的执行层，用户系统决定了人机交互模式，也决定了外层响应事件，好的用户界面应该界面友好、亲和力强、易于操作、功能明确和易于实现等，让操作者更清晰的了解加工的过程和结果。

4.2.1控制面板功能设计：

图4.1控制面板功能

图4.2专用键盘

4.2.2系统主界面设计：

（1）功能控制按钮：

包括打开程序、参数设置、手动操作、自动运行、回原点、夹钳控制、换刀、刀库管理、模具库和退出按钮，以方便快速操作与运行。

（2）代码框：

显示当前所要运行的程序代码。

（3）图形显示区：

模拟当前代码程序运行加工所形成的加工零件图。

（4）状态显示栏：

显示加工过程中各参数变化的过程。

（5）提示框：

当加工中出现错误时，提示你何时出现什么样的错误。

图4.3系统软件流程图

4.2.2各功能模块的设计：

（1）打开程序界面的设计：

打开程序界面包括导入程序（通过USB接口）、保存程序、读取程序（读取到主界面代码框）、取消（对读取程序进行取消）。

图4.4程序编程界面

编码：

（1）打开：

PrivateSubdakai_Click（）

cdl.Action=1

Ifcdl.FileName=""Then

MsgBox"文件名为空，请请重新输入"

ExitSub

EndIf

OpencdlForOutputAs#1

Print#1,Text1.Text

Close#1

EndSub

（2）保存：

PrivateSubbaocun_Click（）

cdl.Action=2

Ifcdl.FileName=""Then

MsgBox"文件名为空，请请重新输入"

ExitSub

EndIf

OpencdlForOutputAs#1

Print#1,Text1.Text

Close#1

EndSub

（3）另存为：

PrivateSublingcunwei_Click（）

cdl.Action=2

Ifcdl.FileName=""Then

MsgBox"文件名为空，请请重新输入"

ExitSub

EndIf

OpencdlForOutputAs#1

Print#1,Text1.Text

Close#1

EndSub

退出：

PrivateSubquxiao_Click（）

End

EndSub

（2）参数设置：

其中包括X、Y、T轴的初速度、最高速度、加速度（减速度）、电机每转的脉冲数、参数点定位、X和Y轴的丝杠螺距、冲头和转塔的延时时间、定位、压紧和普通延时、X、Y、T的普通速度和矢量速度。

图4.5参数设计界面

（3）手动操作：

包括手动定位、手动压紧、手动转盘（换模）、手动上下模、手动冲压、X、Y、T三轴定位及停止、三轴的回参、X、Y轴的移动、X、Y、T三轴的当前坐标、X、Y坐标移动和移动速度。

图4.6手动操作流程图

图4.7手动操作界面

编程：

（1）定位：

PrivateSubdingwei_Click（）

IfShape_dingwei.FillColor=&HC000&Then

outport_bit1,1,0

Shape_dingwei.FillColor=&HFF00&

Else

outport_bit1,1,1

Shape_dingwei.FillColor=&HC000&

EndIf

EndSub

（2）压紧：

PrivateSubyajin_Click（）

IfShape_yajin.FillColor=&HC000&Then

outport_bit1,2,0

Shape_yajin.FillColor=&HFF00&

Else

outport_bit1,2,1

Shape_yajin.FillColor=&HC000&

EndIf

EndSub

（3）冲头：

PrivateSubchongtou_Click（）

IfShape_chongtou.FillColor=&HC000&Then

outport_bit1,3,0

Shape_chongtou.FillColor=&HFF00&

Else

outport_bit1,3,1

Shape_chongtou.FillColor=&HC000&

EndIf

EndSub

（4）自动运行：

包括程序读取、图像显示及放大比例和清除图像、X、Y、T三轴的当前位置、所选型材、型材厂家、加工工件数、一共循环次数、当前环数。

图4.8自动运行界面

编程：

伺服启动：

PrivateSubCommand9_Click（）

IfShape15.FillColor=&H0080FF80&Then

outport_bit1,8,0

Shape15.FillColor=&HFF00&

Command9.Caption="伺服停止"

Else

outport_bit1,8,1

Shape15.FillColor=&H0080FF80&

Command9.Caption="伺服启动"

EndIf

EndSub

图4.9自动运行流程图

图4.10回零点流程图

（5）回原点：

X、Y、T三轴返回坐标原点。

（6）夹钳控制：

夹钳的加紧、松开、X、Y向运动。

（7）换刀：

根据加工零件分析选刀换刀。

（8）刀具库管理：

刀具的型材、冲头的直径。

（9）模具库管理：

包括磨具的名称，比如圆模、矩形模、腰形模、三角形模等，模具的参数，包括模具的长、宽、高等。

（10）退出：

退出主程序设计界面。

图4.11工具补正界面

5结论

通过对数控系统的分析，了解了数控系统的基本组成结构，在随着数控技术的不断发展的今天，开放式数控系统的应用，以及伺服电机在数控机床中的应用，使数控系统功能逐渐强大、运行稳定、精度提高，但是价格比较昂贵，为了提高经济型和国外制造业接辊，发展国内数控系统以及制造业有很重要的现实意义和前景。

在这种形势下，论文根据实习和查阅资料确定了以GUC控制器和伺服电机结合的开放式数控系统技术的转塔冲床数控系统设计。

主要工作如下：

（1）分析了当前数控系统的研究方向和转塔冲床的发展方向，以此确定了转塔冲床的总体方案的设计，即以GUC控制器+伺服电机的开放式数控系统，按照转塔冲床的机械运动加工过程完成电路图的设计；

（2）通过对当前的转塔冲床的控制面板的分析以及各种面板的按键的人性化分析，深入了解了机械加工功能，设计出控制面板和人性化的专用键盘，再确定显示屏的尺寸，确定基本硬件结构。

（3）基于Windows+VB6.0的软件平台上，开发出数控系统的软件。

根据数控系统的功能分析，确定软件的需求功能，划分出了软件功能模块，画出基本的流程结构图，再对基本功能编程，比如：

程序编程、自动运行、手动操作、参数设置等。