数控转塔冲床夹钳重定位系统设计文档格式.docx
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数控系统，实时检测机床工作状态、加工环境，接受操作指令输入，控制机床功能部件的协调运动，完成加工任务，主要包括主控机、显示器、控制面板、键盘以及控制软件;
伺服系统，直接驱动各轴的运动，接受数控系统的运动命令，实现各轴速度、位置的精确控制，主要包括X轴电机伺服，Y轴电机伺服，主轴（冲头驱动轴）电机伺服，T轴（转塔轴）电机伺服、C轴（转模轴）电机伺服;
电气系统，主要是数控转塔冲床所用的各种传感器，气动回路以及数控系统与电机、传感器、气动部件的连线;
机床床身，主要是底座和外罩等，为冲床其它部件提供安装平台;
传动系统，将各伺服轴的运动和动力输出转化为加工所需的动作，主要包括主轴传动机构、X轴传动机构、Y轴传动机构、T轴传动机构、C轴传动
[2]机构;
辅助部件，主要包括定位装置、工件夹钳等。
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1.2开放式数控系统简述
随着工业PC机的快速发展，可靠性提高，价格降低，以工业PC机为核心的控制系统已被工业控制领域所认可。
由于成本低、标准化、可靠性高、软件资源丰富和便于联网等优点，IPC的开放式数控系统越来越得到广泛应用。
具体来讲，目前基于IPC
[3][4]的开放式数控系统有以下几种体系结构。
数控专用模板嵌入通用PC机构成的数控系统:
该系统以PC机为硬件平台，利用DOS、WINDOWS操作系统为软件平台的开放式体系结构。
这种系统与传统CNC系统
和便于升级换代的优点。
相比具有软硬件资源的通用性、透明性、丰富性
通用PC机与开放式可编程运动控制器构成的数控系统:
由独立的运动控制器完成机床的运动控制和逻辑控制功能等。
数控上层软件（数控程序编辑、编译、人机界面等）以PC为平台，是WINDOWS等主流操作系统上的标准应用，支持用户定制。
这是一种非常优越的数控系统，兼具了WINDOWS的多任务特性和运动控制器的实事特性、实时特性，
全软件式数控系统:
运动控制（包括轴控制和机床逻辑控制）以应用软件的形式实现。
不但支持数控上层软件（数控程序编辑、人机界面等）的用户定制，而且支持运动控制策略（算法）的用户定制。
外围连接采用计算机的总线标准。
这类系统已完全是通用计算机主流操作系统（实时扩展）上的标准应用。
全软件式数控系统还没有成形产
[5-8]品，还在理论研究中，但它代表了未来数控系统的发展方向。
1.3课题意义
随着计算机技术的不断发展，PC机的软件、硬件条件都有了很大的提高，人们对数控冲床系统提出了一些新的要求:
人性化的界面设计，多任务并行控制能力;
完善的图形接口功能及通用性;
加工仿真功能，在加工前预览加工过程和结果，避免试
[9-10]加工，降低生产成本;
实时的加工过程显示，使操作人员随时掌握加工进度等。
对于夹钳扫描和夹钳重定位的要求是数控转塔冲床关键技术，为了保护模具和夹钳不受损坏，夹钳重定位系统设计显得尤为重要，也是转塔冲床正常工作的必要前提。
因此本课题选择数控转塔冲床系统中的夹钳重定位系统作为研究方向，开发完善的数控转塔冲床的夹钳重定位系统具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
1.4研究内容
本毕业设计的研究内容为采用开放式数控系统的理论，在以PC机和固高运动控制卡构建的控制系统平台上完成数控转塔冲床的夹钳重定位系统的设计，以及相关机械图纸和电路图纸的绘制。
本毕业设计主要基于PC+运动控制卡形式下的开放式数控系统作为设计的硬件平台，进行夹钳重定位系统的设计开发，并对运动控制程序进行相关的设计和NC代码的解释。
设计主要包括以下几方面的内容:
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第一章为前言。
介绍数控转塔冲床的现状，其组成结构，分类情况，工作原理，加工方式等，以及开放式数控系统的研究现状，分类及构成。
简单阐述设计的意义以及研究内容。
第二章为数控转塔冲床的控制系统原理部分。
介绍其数控的构成以及运动伺服驱动控制的原理，以及运动控制卡的与上位机和伺服驱动器、编码器、伺服电机、限位开关的连接。
其中包括GUC运功控制器与数控转塔冲床的控制面板、键盘以及显示器的电路连线图的设计。
第三章为数控转塔冲床夹钳重定位系统的设计方案。
根据数控转塔冲床板料加工的运动形式和加工要求，设计数控转塔冲床的夹钳重定位系统。
主要包括，机床上电会参考点后的夹钳位置扫描，从而确定夹钳在机床坐标系的坐标，进而设定出夹钳保护区的范围;
板料加工过程中的夹钳避让，重新定位夹钳位置，保护夹钳和模具。
还有传感器的选取及安装，夹钳结构设计及安装。
第四章为数控转塔冲床夹钳重定位系统软件设计。
根据夹钳重定位系统的设计方案，进行相关软件部分的设计。
主要包括，数控转塔冲床模具及数据库文件的设计;
夹钳保护区参数库的设计;
NC代码解释与运动控制程序的设计。
第五章为数控转塔冲床夹钳重定位系统的测试实验。
利用完成的数控转塔冲床硬件和软件的设计，在固高机电一体化技术综合测试平台进行相关的运动仿真、故障诊断和相关的测试与试验。
第六章对全文工作进行总结，并提出进一步的研究方向和改进建议。
设计的主要创新点:
数控转塔冲床控制系以PC+运动控制卡的形式创建了一个开放式数控系统硬件平台。
整个数控系统以运动控制卡为位置和速度控制核心，交流伺服系统为驱动装置，光电编码器为反馈检测元件，构成一个半闭环的控制回路。
利用光电编码器和接近式电感传感器实现夹钳重定位系统的设计，利用VC++软件进行编程实现设计功能。
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2数控转塔冲床控制系统原理
2.1数控系统的构成
[11]采用以通用PC机结合开放式可编程运动控制卡构成的数控系统的方法，该方法将机床运动控制和逻辑控制功能等交由独立的运动控制卡完成。
其硬件组成原理如图2.1所示，由计算机、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机（含光电编码器）和机床输入输出部分等组成。
实现方法采用上下位机模式，PC机作为上位机完成数控代码处理、人机界面、动态显示和机床状态监测等非实时或弱实时性任务，运动控制卡作为下位机，主要完成插补计算和位置控制等强实时性任务。
编码器伺服驱动器伺服电机运
动端
控子PC制板机指示灯、气动等输出卡
按钮、传感器等输入
图2.1PC+运动控制卡结构
2.2运动伺服控制原理
[13]伺服系统控制对象是输出端的执行元件，如电动机、液压马达和气动马达。
电动机是应用最广泛的。
数控转塔冲床的运动伺服控制单元由伺服电机，伺服电机驱动器，运动控制卡三部分组成。
由于开环控制中有很多不确定因素，例如电机失步和越步，控制精度不会很高;
闭环控制系统精度很高，但是控制复杂，成本也会很高;
相比之下，半闭环系统就具有很大的优越性。
运动伺服驱动控制以运动控制卡为位置和速度控制核心，交流伺服系统为驱动装置，光电编码器为反馈检测元件，构成一个半闭环的控制回路，如图2.2所示。
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运动伺服伺服轴
控制卡驱动器电机运动
机构
反馈信号
旋转
编码器
图2.2半闭环伺服控制系统
运动控制卡发出控制信号经伺服驱动器放大后控制伺服电机动作。
在伺服电机同轴处固定一个旋转编码器（一般在伺服电机后），旋转编码器可以将伺服电机的动作速度及角位移量反馈给运动控制卡，运动控制卡根据相应的算法来分配接下来的控制信号。
此伺服系统的特点是运动控制卡、伺服驱动器及伺服电机组成了闭环系统，而轴的运动机构在闭环之外，精确控制末端对象是伺服电机这一运动源，而不是执行元
[11-12]件—各轴的运动机构。
这种控制系统在控制的精度上比开环要高，但比闭环要低。
2.3运动控制卡
运动控制卡作为开放式数控系统中的一个重要模块近年来得到迅速的发展。
运动控制卡是以微处理器为核心，以传感器为输入控制信号，输出脉冲或电压信号控制电机和执行机构实现精确运动控制。
与传统的数控装置相比，运动控制卡主要有以下特点:
结构形式模块化，可以方便的相互组合，建立满足不同场合、不同功能需求的控制系统;
操作简单，通过PC机软件编程实现运动控制，不一定需要专门的数控软件;
[14]缩短新产品的研发周期，有较高的灵活性，有利于使用者开发自己的产品。
2.3.1运动控制卡结构原理
根据数空转塔冲床的工作原理，运动控制卡需要控制机床4个轴电机的运动，包括主轴伺服电机、板材送料系统的X、Y轴伺服电机以及上下转塔伺服电机。
根据上面的需求，本数空转塔冲床采用的运动控制器是固高公司基于PCI插槽的GT系列
[15]-SV-PCI-R。
DSP（数字信号处理器）是一种微处理器，也是四轴运动控制卡GT-400
此运动控制卡的运算核心。
FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程逻辑器件，以开发软件的形式开发硬件，实时改变器件功能。
PCI桥是专门用于PCI接口板和PC通讯的器件。
CN1和CN2是运动控制卡的轴控制接口和IO接口。
其中CN1为62管脚，控制四个轴及编码器;
CN2也为62管脚，控制通用输入输出。
CN3和CN4为调试
[16-17]接口。
2.3.2运动控制卡的连接
运动控制卡是运动伺服控制系统的核心部分，实现与上位机（PC机）连接和伺
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服电机以及运动部件的连接。
在实际连接中，运动控制卡先通过端子板连接，再由端子板上的接口与输入输出连接。
端子板是一块用来和其他控制单元连接的接口电路。
CN3为端子板的电源接口。
CN4为串行通讯接口，运动控制卡还提供了串行通讯方式与主机交换信息的方法，采用RS-232接口通讯。
CN5、CN6、CN7、CN8为伺服电机驱动器接口，每个接口均包括一个伺服电机的脉冲控制信号、驱动报警、驱动允许、驱动报警复位以及编码器信号。
CN9、CN10为辅助编码器输入接口，用于控制其他需要位置控制的单元。
CN11为可选的模拟量输入接口。
CN12为四个轴的限位信号及安全信号接口，连接四个轴的限位传感器和安全传感器。
CN13为通用输入接
[18]口，可直接连接16个输入，CN14为通用输出接口，可直接连接16个输出。
运动控制卡的专用输入包括驱动报警信号、原点信号和限位信号，通过端子板上的CN5（CN6、CN7、CN8）、CNl2与驱动器及外部开关相连。
专用输出包括驱动允许、驱动报警复位，通过端子板上的CN5、CN6、CN7、CN8与驱动器连接。
其中，原点信号和限位信号与通用输入的接法相同，限位开关须接成常闭状态，原点开关为常开
[19]状态。
而驱动报警信号及专用输出则须与电机驱动器相连接。
2.3.3运动控制卡的的初始化
运动控制器提供DOS下的运动函数库和Windows下的运动函数动态链接库。
用户只要调用运动函数库中的函数，就可以实现运动控制器的各种功能。
本冲床的数控系统是基于Windows下的运动函数动态链接库，以VC++为编程工具进行运动程序的编写。
下面是运动控制卡的初始化。
voidGTInitial（）//运动控制器初始化函数
{
shortrtn;
rtn=GT_Open（）;
error（rtn）;
//打开运动控制器设备
rtn=GT_Reset（）;
//复位运动控制器
/*将1号卡设为当前卡（仅对于多卡系统，单卡系统可取消该行）*/
rtn=GT_SwitchtoCardNo
（1）;
rtn=GT_SetSmplTm（200）;
//设置控制周期为200us
for（inti=1;
i<
5;
++i;
）//屏蔽每一轴的中断
{rtn=GT_Axis（i）;
rut=GT_SetIntrMsk（0）;
}
2.4本章小结
本章主要介绍数控转塔冲床控制系统原理，分析数控系统的构成和运动伺服控制原理。
对运动伺服控制的核心部分运动控制卡作了详细的介绍，主要是其结构，通过端子板与输入输出的连接。
简单介绍运动控制卡的初始化以及专用输入信号参数设置。
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3数控转塔冲床夹钳重定位设计方案
数控转塔冲床的夹钳重定位系统是基于前面的控制系统原理，即在以PC+运动控
[10]一个开放式数控系统硬件平台。
在此基础上，完成夹钳重定位制卡的形式创建的
系统设计。
3.1机械部分设计说明
本设计的夹钳重定位系统的机械本体部分，主要包括夹钳，夹钳座，工作台，底座，滚珠丝杠和直线导轨的安装，如图3.1所示。
其主要部件根据数控冲床的加工参数以及机械设计手册选取，主要包括滚珠丝杠，导轨，以及伺服电机。
本冲床的主要参数为工作行程:
X轴1250mm，Y轴1270。
最大加工板材尺寸（一次重定位）1270x2500，最大加工厚度4mm，板材最大重量76Kg。
有以上参数，以及夹钳夹钳座工作台的重量，通过相应的计算选取滚珠丝杠为WL4508外循环调整1
预紧的双螺母滚珠丝杠副，单列2.5圈，其额定动载荷为22000N，精度等级选为3级。
根据导轨的动载荷选取滚动导轨的规格为JSA-LG45,导轨尺寸为14x20x17，额定动载荷为42500N。
图3.1板料进给装置装配图
本设计的机械图部分主要包括板料进给装置的装配图，夹钳装配图，以及部分零件图的绘制。
机械本体的装配完成后，可以进行夹钳重定位的硬件设计。
3.2问题的提出
板材在加工过程中，由于夹钳所夹持的部分可能存在需要冲裁的孔，此时
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存在机床冲头与夹钳在加工过程中的碰撞，即冲头与夹钳存在相互冲突的可能。
为此，机床自身设有夹钳保护区。
通常在夹钳中心沿x方向和y方向圈定一个安全范围，这个区域被设定为禁止冲头进入的安全区域。
一般根据机床配置模具尺寸的不同，夹钳保护区的大小范围也不同。
根据数控转塔冲床所使用的模具，各个工位的保护区可以不同，即对于不同规格的模具，保护区域的尺寸各不相同，机床在出厂前，相应模具尺寸的保护区均已设定，通常严禁擅自修改相关参数，否则有可能损坏夹钳或模具。
为了夹钳和模具，使数控冲床正常工作，完成整个加工过程，就要设计夹钳重定位系统。
根据冲床的工作特点及工作要求，我们夹钳重定位系统分为两个部分进行设计，一是冲床工作前的夹钳扫描过程，此过程用来确定夹钳在机床坐标系中的位置，从而确定夹钳的保护区，二是机床加工过程中的夹钳重定位过程，此过程是加工图素与设定的夹钳保护区存在冲突，此时就要停止加工，进行夹钳的避让，即重新定位夹钳的位置，使之离开加工图素位置，使机床正常加工。
3.3夹钳扫描的实现
3.3.1冲床机床坐标系和工件坐标系
图3.1为数控转塔冲床的坐标系。
X、Y所确定的坐标系为机床坐标系。
机床原点处有两个位置传感器，分别为X轴原点传感器、Y轴原点传感器，这两个传感器和X、Y的正方向确定了机床坐标系。
故机床坐标系只有在机床调试阶段转塔冲床数控系统及其它关键技术的设计与研究可以修改。
冲床加工板料一般为正方形或长方形板料，上料时，首先冲床各轴回机床坐标系的零点，此时两个夹钳的Y坐标为零，然后打开夹钳，将板料的一边靠实夹钳，抬起原点定位销，将另外一边靠住定位销，最后按下夹钳夹紧按钮并放下原点定位销，这样就完成了上料过程，此时板料在原点定位销和夹钳之间的顶点是机床坐标系的原点。
工件坐标系是编程人员在编程时使用的，由机床坐标系为基准平移而成。
编程人员可以以工件图样上的任意一点为原点建立坐标
[12]系，编程时在所建立的工件坐标系内，不必考虑工件在机床中的实际位置。
如在图3.2所示的转塔冲床的坐标系中，x、y所确定的坐标系就属于一个工件坐标系。
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y
Y
冲头中心
原点定位销
x
机床原点
工件夹钳工件坐标系原点
X
图3.2转塔冲床的坐标系
3.3.2夹钳扫描
为了得到夹钳在机床坐标系的位置，我们要对夹钳位置进行扫描。
如图3.3所示位置，为机床开机时的初始位置，先对机床进行会参考点的操作，如图3.4所示，此时记录编码器的位置。
夹钳在Y方向不再移动，使夹钳沿X+方向移动。
选定机床X轴上一个特定位置，距离机床原点L，及此点坐标为（L，0）。
在此位置放置选定的电感传感器，使夹钳沿X+轴移动，由图易知右夹钳先到达电感传感器的位置，当夹钳右侧感应电感传感器后会使电感传感器产生一个高电平，一直到夹钳左侧离开电感传感器时，变为低电平，由此我们可以根据夹钳运动速度和高电平的时间得到夹钳的长度，如图3.5所示。
根据夹钳右侧感应电感传感器时，记录编码器的位置，这样就可以知道相对机床原点移动的距离，也就知道了夹钳在机床坐标系中的位置，对于左侧夹钳，测量方法一样，这就完成了夹钳扫描。
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工件夹钳电感传感器机床原点
图3.3机床开机夹钳初始位置Y
电感传感器工件夹钳
图3.4机床回参考点夹钳位置
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感应电平信号
图3.5传感器检测夹钳位置
3.4夹钳重定位的实现
3.4.1夹钳重定位条件
通过夹钳扫描确定夹钳在机床坐标系中的位置，由于冲床的冲头在机床坐标系中的位置是固定的，冲床工作时，夹钳夹持板料到冲头下进行冲压，冲头不动，因此在确定夹钳位置后，就可以确定夹钳保护区的大小。
夹钳保护区的大小是由夹钳大小和模具形状决定。
夹钳大小定义因素:
每个夹钳X方向的中心坐标值（相对于冲头的X轴坐标位置）、夹钳在X方向的长度和夹钳在Y方向的宽度;
模具形状定义因素:
模
[20-21]具直径（包括冲压时的导套），以及所在转盘上内中外排的位置。
由以上参数可以确定夹钳保护区在机床坐标系中的位置坐标，如图3.6所示，对于左右两个夹钳，确定的区域顶点坐标分别为左夹钳A1，B1，C1，D1，右夹钳A2，B2，C2，D2，冲头中心坐标点为O（X0，Y0），比较冲头中心与各定点位置的距离，确定远离冲头中心的最近最远点，例如，对于左夹钳假定A1（X1，Y1）为离冲头中心最原点，C1（X2，Y2）为离冲头中心最近点，我们由此便可以设定夹钳重定位的报警条件，设加工点坐标为G（X，Y），于是有，
（3.1）X0,X2,X0,X,X0,X1:
Y0,Y2,Y0,Y,Y0,Y1
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当加工点位置满足3.1式时，机床发出报警，各轴停止运动，进行夹钳重定位。
冲头中心O（X0，Y0）
夹钳保护区夹钳
D1
XD2C2C1
A1A2B1B2
1
图3.6夹钳保护区
3.4.2夹钳重定位方法
根据夹钳扫描后得到夹钳保护区的范围，以及夹钳重定位的条件关系式3.1，我们可以知道冲床冲压过程中的什么时候需要重定位，当机床得到重定位的信号时，就需要考虑怎样重定位，也就是重定位的方法问题。
重定位原理如图3.7所示。
上料后，夹钳所处的位置为图中重定位前夹钳位置，此时在夹钳保护区内存在加工图素，如果希望加工此图素，夹钳就需要进行重定位。
重定位时，首先重定位销伸出压住板料，夹钳松开右移一段距离，再夹紧工件，然后重定位销缩回完成重定位，此时可以加工先前在保护区内的图素了。
-12-
冲头中心Y
重定位销板
料
工件夹钳工件夹钳夹钳保护区加工图素夹钳保护区
重定位后夹钳位置重定位前夹钳位置
图3.7夹钳重定位原理图
我们知道冲床冲压的总时间由冲压加工时间，换模时间，重定位时间，以及各种辅助工艺时间决定。
冲加工时间取决于刀具的路径设计，换模时间主要取决于模具的
【21】顺序。
考虑本设计为夹钳重定位系统，因此在进行设计时，主要考虑重定位时间这一因素，其他因素为次要因素，即以重定位次数最少为主，换模次数尽量少。
冲压过程假定存在以下规则，工件完全在工作台上;
加工图素先小大，先圆后方;
为使重定位次数最少，存在与保护区干涉的图素要最后冲。
夹钳重定位方法按以下步骤:
首先在加工前预扫描加工图纸，若存在未加工的区域，且夹钳可移动到此位置，这样就使夹钳运动至未加工区域开始加工，这样就实现一次加工完成，没有加工过程的重定位;
若不存在未加工区域，一种方案是夹钳位置不动，夹持工件冲完非保护区的图素，然后移动夹钳固定距离（大于最大保护区的X轴方向长度），加工剩余图素;
另一种方案是根据图素扫描结果，确定换模次数较少的加工路径，确定夹钳位置，使夹钳移至此处，加工完相应图素后，移动夹钳固定距离（大于最大保护区的X轴方向长度），加工剩余图素。
综上所述，夹钳重定位系统设计原则尽量保证夹钳移动次数最少，根据实际情况一般为两次。
对于加工图素较大，其中一部分在夹钳保护区内，一部分可以加工，加工方式不是单冲，需要同方向连续冲裁或是多方向连续冲裁或是蚕食等加工方式的图素，为保证重定位次数最少原则，以及加工图素精度的要求，必须最后加工。
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3.5传感器的选取
根据数控转塔冲床夹钳重定位系统的设计要求，选取常用的电感传感器为夹钳位置测量元件，配合机床自身位置检测装置编码器来确定夹钳的位置坐标。
下面主要介绍电感传感器的工作原理以及其选取和使用。
3.5.1电感传感器
电感式传感器由三大部分组成:
振荡器、开关电路及放大输出电路。
振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。
振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并
[22]。
转换成开关信号，触发驱动控制器件。
这就达到非接触式检测的目的
电感式接近开关是一种具有感知物体接近能力的器件。
它利用位移传感器对所接近物体具有的敏感特性达到识别物体接近并输出开关信号的目的，因此，通常又把接近传感器称为接近开关。
电感式接近传感器是一种利用涡流感知物体接近的接近开关。
它由高频振荡电路、检波电
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