ATHD-030型數控壓銷機的研制與開發

摘要    本文結合發動機生產實際的需要，研制開發了ATHD-030型數控壓銷機。以工控主機為核心控制單元，基于Linux操作系統，采用PCL839位控卡、PW24-24輸入輸出卡實現了機床的位置控制、離散邏輯控制。有效地解決了手工壓銷無法適應的發動機品種多、批量大和供貨周期短的難題，大大降低了工人的勞動強度。

    關鍵詞    發動機制造 壓銷 數控機床 Linux

    1.引言

    在發動機制造過程中，壓銷是一道不可或缺的工序。依據發動機種類，銷孔的個數及位置分布各不相同。傳統壓銷機的核心為一杠桿機構，其工作流程如下：（1）將發動機毛坯裝夾在工作臺上；（2）將經過預選過的銷釘放置在銷孔中；（3）通過搖臂轉動絲杠，移動工作臺，將壓銷機壓頭對準銷釘；（4）利用杠桿，大力將銷釘壓入銷孔。該過程有兩個難點：第一工作臺的精確定位，壓頭與銷孔的軸心偏差不得超過30μm；第二，銷釘的壓入深度距銷孔上端面恒為5±0.5mm。利用傳統壓銷機壓銷，這兩項指標的實現程度與操作人員的操作經驗、身體狀況密切相關，屬于勞動密集型工種。

    鑒于傳統壓銷機的勞動強度，以及生產單位經常變換產品種類，在加工批量大、供貨周期短時難以與其他加工環節相合拍，我們研制開發了ATHD-030型數控壓銷機。

    2.壓銷機的整體設計

    如圖1所示為壓銷機的結構簡圖。綜合考慮控制對象要求的定位精度、負載情況以及成本，采用步進電機直聯滾珠絲杠作為工作臺的開環驅動單元。機床控制核心采用工控PC機，安裝在控制柜（1）中。工作時，工件安裝在X滑臺（3）上，采用配套夾具進行裝夾。由X、Y滑臺來控制工件在平面上的相對于壓頭（5）軸心的位置。采用汽缸對壓頭的下壓和抬起進行控制，在壓頭行程兩端采用霍爾元件對壓頭位置進行捕捉。

    采用這種設計方案，對于壓銷過程中的兩個難以控制的環節均得到有效的控制：第一，壓頭軸心與銷孔軸心之間的位置偏差由數控系統的控制精度和滾珠絲杠的傳動精度來保證；第二，銷釘壓入銷孔中的深度可通過調整汽缸的壓力，以及壓入到位后的保持時間來保證。一旦調試合格，機床的精度保持性好，并在這兩個關鍵環節均排除了人為誤差，從而能夠有效地保證工件質量。

    3．數控系統硬件設計

    數控系統的硬件體系結構參見圖2。工控機為數控系統的核心控制單元，負責對整個系統的調度管理，控制位控卡、I/O卡，從而實現數控系統的位置控制、離散邏輯控制功能。主機配備了網卡，可以通過局域網與其他主機鏈接實現DNC群控或進行交換數據。

    （1）位置控制^[1]

    采用研華PCL839智能位控卡，生成指令脈沖，對步進電機進行位置控制，該卡具有自動梯形加減速的功能。機床坐標軸的正、負限位開關以及零位開關信號直接送入PCL839。工控主機通過直接讀寫PCL839位控卡的寄存器組來實現監控功能：可以設定輸出脈沖的突跳頻率、最高頻率，以及加速度大小，這些參數決定了坐標軸運行的基本特性；可以指令PCL839產生連續運行、定長度運行脈沖，控制機床零點返回動作等。

    主機計算產生位置指令，寫入PCL839指令寄存器，生成指令脈沖，送往步進電機驅動器，從而實現機床的位置控制。

    （2）邏輯控制

    工控主機與PW24-24光電隔離輸入輸出卡相配合，實現了內置PLC，對來自控制面板的輸入信號進行高速掃描，同時將輸出信號進行隔離、放大后，直接驅動繼電器，從而實現離散邏輯控制功能^[2]。

    4．數控系統軟件設計

    數控系統軟件開發基于Linux操作系統，Linux為自由軟件，這樣可以開發具有自主版權的數控系統。系統按照功能分為以下模塊：人機界面管理、機床手動控制、示教功能、機床自動控制、工件參數備份等。其中人機界面采用了類Windows的全中文界面，通過通用鍵盤實現對機床結構參數、工藝參數的設定和修改；在手動控制方式下，可以對機床的坐標軸進行點動、原點返回控制，對輸出點進行手動控制；利用示教功能可以記錄手動控制的軌跡，并用來自動控制機床運動；在自動方式下，按照事先設定的軌跡對工件進行加工。當更換工件種類時，可以對已設定工藝參數的工件進行備份，以便將來重新取出繼續使用。

    圖3為自動加工的流程圖。對于各銷孔位置，可以按照工件的設計尺寸計算出在機床坐標系中的位置，直接填入數控系統提供的表中，從而實現精確定位。

    5.結論

    在ATHD-030型數控壓銷機完成安裝及功能調試之后，采用HP5528A雙頻激光干涉儀對其定位精度和重復精度進行了檢驗，檢驗結果表明機床在6m/min運行速度下，按3s 精度計算方法：定位精度12μm，重復精度25μm，很好地達到了機床的設計要求。

    在長達一個月的試用期間，機床運行穩定可靠，控制精度高，平均每分鐘加工一個工件。在更換產品時，只需要重新設定銷孔位置即可，不需對操作人員重新進行培訓。完全能夠適應多品種、大批量、供貨周期短的工程實際需要。

參考文獻

    1. PCL-839 3-axis High Speed Stepping Motor Control Card    PC-LabCard Series User’s Manual

    2. 李秉操，張登舉，付壽英等    單片機接口技術及在工業控制中的應用    陜西電子編輯部。