吳焱明 伍祥龍 趙 帥 朱家誠 吳天星

（合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009）

數(shù)控沖槽機是沖裁電動機定、轉子鐵心圓片槽孔 的專用加工設備［1］。目前，小型電動機的定子片和轉子片是在大型沖床上，使用復合模一次沖制成型 。而中型、大型電動機的轉子片和定子片，因其直徑較大，整體沖槽模具成本過高，以及沖床的噸位不夠等原因，多采用邊轉動定子片或者轉子片，邊沖孔的辦法加工工件。沖槽加工過程相對復雜，生產(chǎn)過程中需要的加工工藝參數(shù)對工件的質量有很大的影響，而加工工藝參數(shù)主要依靠操作人員在日常沖槽中經(jīng)驗的積累，所以操作人員對沖槽加工中的各種工藝參數(shù)的了解，很大程度上影響著產(chǎn)品質量。由于PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、使用方便、編程簡單等優(yōu)點［3－4］，而工控機在數(shù)據(jù)的處理和保存方面有著巨大的優(yōu)勢［5］。為此，受某企業(yè)的委托，開發(fā)出一套以PLC為下位機和以工控機為上位機的數(shù)控沖槽控制系統(tǒng)。開發(fā)建立工藝數(shù)據(jù)庫，將已有的工藝參數(shù)和具體的產(chǎn)品型號對應起來存入工控機的數(shù)據(jù)庫，操作人員加工產(chǎn)品時，只需輸入產(chǎn)品型號即可加工，這樣可以簡化操作過程，提高加工質量。

1 工作原理

數(shù)控沖槽機的沖槽執(zhí)行機構主要由分度工作臺和主電動機帶動的沖頭組成。沖頭在主電動機的帶動下做上下往返的沖槽運動，分度工作臺配合沖頭做圓周分度運動，完成整個沖槽加工過程。當沖頭到達下止點時，沖頭在工件上沖出一個槽。然后，沖頭開始向上運動，當它離開分度工作臺一定位置時，分度工作臺迅速轉過一個角度后停止，等待沖頭下一次到達下止點，再完成一次沖槽。整個運動過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)主電動機編碼器的數(shù)值，通過伺服電動機控制分度工作臺完成精確的分度運動。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

數(shù)控沖槽機控制系統(tǒng)的硬件主要由以工控機為核心的上位機和以PLC為核心的下位機兩個部分組成，如圖1所示。上位機部分包括工控機、觸摸屏、運動控制卡、數(shù)據(jù)采集卡以及伺服控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是用來獲得主電動機編碼器的數(shù)值，運動控制卡控制交流伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)了伺服電動機的快速高精度的定位。下位機部分是PLC以及其數(shù)字量模塊和模擬量模塊。其中，數(shù)字量模塊的信號包括了加工開始信號和加工急停信號、主電動機運轉以及離合器吸合信號等開關量;模擬量模塊輸出模擬量信號，通過變頻器控制主電動機的工作頻率。整個沖槽加工過程是通過數(shù)據(jù)采集卡讀取主電動機編碼器的數(shù)值來協(xié)調分度工作臺和沖頭之間的運動，完成整個沖槽加工過程。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)的軟件結構

工控機使用的是Windows操作系統(tǒng)，并且在.NET平臺上使用C#軟件編寫沖槽控制軟件，系統(tǒng)結構如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)的前臺是面向用戶的操作界面，操作人員可以輸入各種工藝參數(shù)。數(shù)據(jù)庫儲存的工藝參數(shù)分為兩大類:第一類是沖片參數(shù)，主要包括沖槽數(shù)、沖片直徑、沖片方式、離合器提前脫離時間等;第二類是伺服電動機的參數(shù)，主要包括速度環(huán)增益、位置環(huán)增益、速度環(huán)積分時間常數(shù)等。這類參數(shù)的主要作用是改善加工工藝和提高加工精度，其中增益太小會影響控制系統(tǒng)的響應速度和定位精度，太大會造成電動機異常響聲［6－8］。這些參數(shù)的獲取與設置，技術上有較高的要求。不同型號的產(chǎn)品，由于直徑或厚度不同，所要求的伺服電動機參數(shù)也不同。通過大量的實驗，測得常用型號產(chǎn)品所需要的伺服參數(shù)，存入工控機的數(shù)據(jù)庫中，操作人員只需要輸入這些產(chǎn)品的型號即可加工產(chǎn)品。對于數(shù)據(jù)庫中未存儲過的產(chǎn)品，控制系統(tǒng)會根據(jù)產(chǎn)品的直徑大小、厚度等因素計算出工件的轉動慣量，并自動匹配一組較為合適的伺服參數(shù)，提高了產(chǎn)品的加工精度。同時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)也向操作人員開放，經(jīng)驗豐富的操作人員也可根據(jù)以往的加工經(jīng)驗，修改各種伺服參數(shù)，進一步提升加工精度。

3.2 控制系統(tǒng)的模式設計

通過對沖槽機的控制系統(tǒng)研究和沖槽加工工藝的分析，將整個系統(tǒng)分為以下幾個模塊，如圖3所示。通過觸摸屏上的選擇按鈕，可以進行各種模式的操作。

（1）“試閥模式”主要用于加工前，檢驗沖槽機內的電磁閥工作是否正常以及調整各個接近開關的位置。

（2）“手動模式”主要用于分度工作臺原點的設定，檢測伺服電動機工作是否正常。

（3）“調整模式”主要用于在主電動機不上電的情況下，手動盤動主電動機，帶動沖頭運動，檢測分度工作臺分度是否正常。

（4）“連續(xù)模式”主要用于正常工作情況下，連續(xù)加工工件。其過程是壓片氣缸壓緊工件，踩下腳踏開關，分度工作臺分度一次，離合器保持吸合狀態(tài)，主電動機帶動沖頭完成一次沖孔運動。然后分度工作臺和沖頭重復以上過程，邊分度邊沖槽。最后的固定n槽時（n根據(jù)加工工件的參數(shù)確定），離合器脫離，沖頭依靠慣性繼續(xù)沖完最后幾槽。沖槽結束后，卸片氣缸推出工件，加工結束，如圖4所示。

（5）“點動模式”是連續(xù)模式的單步操作。通過“點動按鈕”控制加工過程的開始和停止。主要用于檢測沖槽過程是否正常。

3.3 控制系統(tǒng)的改進設計

3.3.1 沖頭定位的自動調整

根據(jù)沖槽的加工工藝要求，沖槽結束后，沖頭的停止位置應該是沖頭的上止點位置附近。沖頭的停止位置主要由離合器提前脫離時間控制。傳統(tǒng)沖槽機無法自動即時的修正離合器提前脫離時間。由于工控機的采用，可以實現(xiàn)自動修正離合器提前脫離時間。具體方式是，檢測加工結束主電動機編碼器的數(shù)值，與沖頭在上止點時編碼器的數(shù)值比較，算出差值，再根據(jù)工作頻率對應的沖頭一次上下行程需要的時間，計算出離合器提前脫離時間的修正值，這樣就保證了沖頭的停止位置每次都可以在上止點附近。

3.3.2 電子間歇沖槽

間歇沖槽是在加工工件上進行有間隔沖孔的一種沖槽方式。傳統(tǒng)的沖槽機采用的是機械間歇沖槽方式，這種沖槽方式是在保證分度工作臺每次轉過相同工作角度的情況下，通過拉桿機構控制沖槽模具的高度，調節(jié)沖模與工件之間的距離，完成間歇沖槽。改進后的沖槽方式為電子間歇沖槽，它通過工控機計算出工件每一個槽孔相對原點的角度，將其儲存在自身的數(shù)據(jù)庫中，控制系統(tǒng)通過運動控制卡控制分度工作臺轉動到需要的任意角度，從而達到非均勻間隔沖槽的效果。這種電子間歇沖槽方式既縮短了沖槽時間提高了效率，又省去了拉桿機構，減少了機械制造的成本。

4 結語

數(shù)控沖槽系統(tǒng)采用以工控機為核心的上位機和以PLC為核心的下位機，既發(fā)揮了工控機對數(shù)據(jù)的快速處理和儲存能力，又體現(xiàn)了PLC在邏輯控制上的優(yōu)勢。該控制系統(tǒng)簡化了數(shù)控沖槽加工的操作流程，降低了對操作人員要求，提高了生產(chǎn)效率，同時在沖頭定位以及間歇沖槽等方面做出了一定的改進。目前該型號沖槽機，已通過企業(yè)檢測，可在企業(yè)批量生產(chǎn)。

［1］李興榕.高速沖槽機沖切大直徑電動機定轉子鐵心圓片的探索與應用［J］.中小型電動機，2005，32（4）:49 －52.

［2］閔旭光，王強，袁禮生.電動機整體轉子沖片工藝改進［J］.煤礦機械，2008，29（4）:92 －93.

［3］呂剛.PLC技術在變頻起重機上的應用［J］.中外船舶科技，2010（3）:21－22.

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［5］李彩萍.淺談工控機在工業(yè)自動控制中的應用及前景［J］.企業(yè)技術開發(fā)，2011，30（12）:80 －81.

［6］張佳，竇麗華，白永強.伺服電動機測試實驗平臺的設計與實現(xiàn)［J］.實驗技術與管理，2011，28（6）:69 －73.

［7］孫建仁.數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)特性影響加工精度的分析［J］.蘭州理工大學學報，2004，30（3）:45 －47.

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