鄉(xiāng)碧云 龍國安 鐘海龍

（①順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東順德528300;②廣東科豪木工機(jī)械有限公司，廣東順德 528308）

國際上木工機(jī)械的數(shù)控化已很普及，國外頂級木工機(jī)械制造企業(yè)開始追求的是整個加工工序無人化的生產(chǎn)線，家具工業(yè)的全自動化生產(chǎn)線已經(jīng)達(dá)到具體產(chǎn)品全套數(shù)控化設(shè)備連線的技術(shù)水平，新型木工機(jī)械的新技術(shù)出現(xiàn)比拼自動化程度的新動向;木工機(jī)械的數(shù)控化是木工機(jī)械自動化的基礎(chǔ)，沒有數(shù)控化就沒有自動化，但我國木工機(jī)械的數(shù)控化空白點(diǎn)還很多，迅速填補(bǔ)數(shù)控木工機(jī)械的空白點(diǎn)，提高我國木工機(jī)械的數(shù)控化水平，開發(fā)全系列木工機(jī)械的數(shù)控設(shè)備是非常必要的。

國內(nèi)傳統(tǒng)排鉆，多數(shù)是采用數(shù)字模式和數(shù)顯顯示器輸出控制結(jié)果的組合控制，使用步進(jìn)電動機(jī)或者氣缸驅(qū)動的低檔數(shù)控木工機(jī)械，每一種產(chǎn)品的定位，有人工調(diào)試，需要根據(jù)前一版打樣的結(jié)果判別誤差，還需要根據(jù)打版師傅的經(jīng)驗調(diào)準(zhǔn)下一版打孔的尺寸?？坪赖娜詣訑?shù)控多軸排鉆，則采用數(shù)控系統(tǒng)的理念，伺服系統(tǒng)運(yùn)動定位的精度，建立加工工藝資料庫，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動化調(diào)整定位并加工。雖然，增加了驅(qū)動成本，但減少對高級操作人員的依賴，生產(chǎn)工藝的柔性化自動化加強(qiáng)了，項目引領(lǐng)木工機(jī)械數(shù)控技術(shù)進(jìn)入了新階段。

本項目參照國際先進(jìn)技術(shù)排鉆的設(shè)計理念，開發(fā)全自動數(shù)控多軸排鉆木工機(jī)械。雖然仍采用多排鉆的外形和結(jié)構(gòu)，但操作比原來簡單;一次可完成4個面所有孔的鉆削，可以導(dǎo)入排鉆CAD鉆孔圖紙自動調(diào)整所有排鉆頭在規(guī)定的位置上完成鉆削加工，既保留了多排鉆的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮了數(shù)控技術(shù)的優(yōu)勢，大幅度縮短了機(jī)床的調(diào)整時間，提高了勞動生產(chǎn)率。裝備技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，又符合中國用戶的使用要求。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計及技術(shù)指標(biāo)

數(shù)控多軸排鉆設(shè)備加工板料寬度為250～2 450 mm;最大厚度為60 mm;垂直主軸鉆孔間距為130～2 450 mm。主軸轉(zhuǎn)速2 800 r/min;送料速度達(dá)到60 m/min，打板調(diào)整時間由40 min縮短為10 min。

1．1 數(shù)控多軸排鉆機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

數(shù)控多軸排鉆的多排垂直鉆、多排立鉆、左右水平鉆、定位壓料裝置以及輸送傳動裝置的新一代多軸排鉆的機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)。圖1為機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖。

1．2 立鉆垂直鉆運(yùn)動特性描述

立鉆和垂直鉆是排鉆的基本單元，8排、9排、12排及14排等排數(shù)不一樣的排鉆只是立鉆和垂直鉆的數(shù)量不同，機(jī)架和其他各部件都是相同的。圖2是鉆排的結(jié)構(gòu)圖。

每一鉆排由4個伺服軸運(yùn)動和2個氣缸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動組成。伺服電動機(jī)A驅(qū)動鉆排水平移動，伺服電動機(jī)B驅(qū)動鉆孔深度的進(jìn)給，伺服電動機(jī)C1、C2驅(qū)動鉆盒縱向移動，鉆頭動力由電動機(jī)D驅(qū)動。

立鉆（垂直鉆）動作流程:根據(jù)鉆孔圖紙上的鉆孔位置要求，首先兩個鎖緊氣缸通氣，缸體壓力克服鎖緊氣缸上的矩形壓簧使得立鉆處于可橫向移動狀態(tài)。接著伺服電動機(jī)A通過一個減速器驅(qū)動一對齒輪齒條在機(jī)架底梁上進(jìn)行橫向移動直到到達(dá)指定位置。立鉆在橫向移動的同時根據(jù)需要鉆盒可通過兩個氣動馬達(dá)的驅(qū)動將鉆盒旋轉(zhuǎn)90°，也可通過伺服電動機(jī)C1或C2驅(qū)動鉆排縱向移動。

2 全自動多軸排鉆數(shù)控系統(tǒng)的建立

全自動數(shù)控多軸排鉆系列配置工業(yè)控制計算機(jī)與運(yùn)動控制卡硬件結(jié)構(gòu)，采用運(yùn)動控制卡+伺服電動機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，計算機(jī)與運(yùn)動控制卡通過PCI總線通訊，預(yù)留網(wǎng)絡(luò)通訊接口，可以很好地配置排鉆系列31～35個運(yùn)動軸的8～9排鉆，通過排鉆CAD軟件和多軸排鉆控制軟件，兼容人工輸入鉆孔參數(shù)和通過排鉆CAD文件導(dǎo)入方式，對多排鉆盒的鉆孔位置進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃，最優(yōu)多軸運(yùn)動控制，自動實(shí)現(xiàn)鉆頭位置調(diào)整，有利于提高調(diào)整速度和鉆孔定位精度指標(biāo)。

2．1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖3所示，為本方案的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。整個控制系統(tǒng)由一臺IPC（工控機(jī)）控制，在IPC的PCI擴(kuò)展槽上最多可插有5塊八軸點(diǎn)位運(yùn)動控制卡，共可控制40個伺服軸，80個數(shù)字量輸入點(diǎn)和80個數(shù)字量輸出點(diǎn)。

工控機(jī)中的系統(tǒng)控制軟件通過PCI總線給運(yùn)動控制卡發(fā)出控制指令，并獲取反饋，控制相應(yīng)元器件按照程序控制完成相關(guān)的功能動作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的正常工作。

2．2 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本方案擬開發(fā)的控制系統(tǒng)硬件運(yùn)行環(huán)境為PC機(jī)，軟件運(yùn)行的操作系統(tǒng)平臺為Windows XP。軟件開發(fā)平臺為Visual c++6.0，采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)。軟件采用圖形化界面，觸摸操作方式，界面分辨率為1 024×768或800×600。軟件運(yùn)行需運(yùn)動控制卡動態(tài)庫支持。軟件將對CAD編輯的文件進(jìn)行處理。如圖4所示，為軟件的總體結(jié)構(gòu)框架。軟件內(nèi)部的模塊按層次劃分，可分為接口層、中間調(diào)度層和硬件控制層。

2．2．1 接口層

接口層處理軟件與上層外設(shè)或用戶的交互，包括文件處理模塊、人機(jī)交互模塊以及通訊模塊。文件處理模塊用來處理CAD文件數(shù)據(jù)。如圖4所示，處理模塊從移動存儲介質(zhì)或網(wǎng)絡(luò)中獲取CAD數(shù)據(jù)文件，并解釋成特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，供系統(tǒng)調(diào)度模塊使用;也可將CAD文件或處理完成的數(shù)據(jù)文件保存到CAD文件庫（部署在IPC上）中存檔，以便再次調(diào)用。

人機(jī)交互模塊用于實(shí)現(xiàn)用戶與控制軟件之間的交互，包括界面處理、指令輸入、信息顯示等功能。通訊模塊為預(yù)留接口，包括串口和以太網(wǎng)通訊方式，可用于未來掛接條碼掃描設(shè)備以及連入到工廠的以太網(wǎng)中。

2．2．2 中間調(diào)度層

中間調(diào)度層用于對系統(tǒng)軟件中的各個模塊進(jìn)行調(diào)度和控制。包括系統(tǒng)調(diào)度模塊和安全處理模塊。

由于機(jī)器有上、下、左、右4個面的鉆排的運(yùn)動，上面的垂直鉆和下面的立鉆各有多排排頭，在機(jī)器的橫向會出現(xiàn)多排鉆盒同時運(yùn)動的調(diào)整。因此，在各軸運(yùn)動、回零時，必須避讓排頭的碰撞，同時，預(yù)先計算縱橫位置、垂直鉆/立鉆相互間的最小距離，規(guī)劃彼此的運(yùn)動次序，避免垂直鉆/立鉆與左右水平鉆的干涉等等。這需要多變量預(yù)測控制算法，同時也加入安全規(guī)則的調(diào)節(jié)。

2．2．3 硬件控制層

硬件控制層包括運(yùn)動控制模塊、IO控制模塊，它們直接調(diào)用控制板卡動態(tài)庫中的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對各電動機(jī)和IO設(shè)備的控制?？刂瓢ㄗ詣雍褪謩觾煞N模式，并對兩種模式的運(yùn)行過程進(jìn)行全程安全監(jiān)控。

2．3 軟件工作流程

如圖5所示，為控制系統(tǒng)的軟件整體工作流程示意圖。根據(jù)排鉆機(jī)的實(shí)際工作情況，主要工作流程包括鉆盒自動調(diào)整流程、自動加工流程和手動加工流程。

根據(jù)上述流程，設(shè)置了需求功能軟件模塊，求解出整機(jī)的功能架構(gòu)如圖6所示。

2．3．1 鉆盒自動調(diào)整流程

（1）用戶編輯完成板材鉆孔CAD文件;

（2）將CAD文件載入到IPC中（載入方式可采用移動存儲介質(zhì)或網(wǎng)絡(luò)傳輸）;

（3）控制軟件中的CAD文件解釋模塊對CAD文件進(jìn)行分析，提取加工孔位信息;

（4）在鉆孔位置規(guī)劃模塊中，根據(jù)孔位信息，生成鉆盒各軸位置數(shù)據(jù);

（5）將鉆盒各軸位置數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中（鏈表等）;

（6）調(diào)度模塊獲取鉆盒調(diào)整運(yùn)動規(guī)劃數(shù)據(jù)，調(diào)度運(yùn)動控制模塊，將各鉆盒調(diào)整到位。

2．3．2 自動鉆孔流程

自動鉆孔在鉆盒調(diào)整完成后進(jìn)行，在控制軟件中，將按以下流程進(jìn)行:（1）用戶將工作模式設(shè)置為自動鉆孔模式;（2）調(diào)度模塊檢查是否已完成鉆盒位置調(diào)整;（3）調(diào)度模塊調(diào)度運(yùn)動控制模塊，控制鉆盒進(jìn)給軸和各IO端口動作，實(shí)現(xiàn)鉆孔過程。

2．3．3 CAD圖形數(shù)據(jù)編輯模塊

CAD孔位編輯功能模塊可實(shí)現(xiàn)可視化的繪圖功能，圖7是CAD繪圖畫面，特點(diǎn)如下:

（1）上、下、左、右4個不同加工面分別繪圖;

（2）4個工作面繪圖區(qū)參數(shù)，可分別設(shè)置不同工作面的區(qū)域大小等參數(shù);

（3）使用鼠標(biāo)繪圖方便快捷，鼠標(biāo)點(diǎn)選后對應(yīng)孔位信息顯示;

（4）孔位坐標(biāo)，鉆孔半徑，孔深等信息的顯示與編輯修改并實(shí)時顯示;

（5）孔位信息的列表顯示，點(diǎn)選可顯示其屬性參數(shù)，并可進(jìn)行編輯、刪除、復(fù)制等操作;

（6）上、下加工面孔位信息可以設(shè)置是否為通孔，保證上、下加工面，加工孔位的位置精度對位;

（7）加工文件實(shí)現(xiàn)保存與打開功能，方便數(shù)據(jù)文件的管理與重用。

3 設(shè)備實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目標(biāo)

本項目完成的設(shè)計能實(shí)現(xiàn)數(shù)控全自動多排鉆孔功能;全自動多排鉆自動調(diào)整功能與試加工功能;實(shí)現(xiàn)CAD模式鉆孔信息繪制、編輯、分析等功能;控制系統(tǒng)配備以太網(wǎng)通訊，可與上下料機(jī)械手和自動化運(yùn)輸設(shè)備聯(lián)網(wǎng)控制，并可實(shí)現(xiàn)單機(jī)和聯(lián)網(wǎng)控制模式的在線實(shí)時切換;聯(lián)網(wǎng)控制時，主控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對本設(shè)備的相關(guān)參數(shù)的集中設(shè)置功能;本設(shè)備控制系統(tǒng)可實(shí)時上傳設(shè)備狀態(tài)，報警信息和故障處理等信息;控制軟件支持中文和英文界面。

［1］馬巖．木工機(jī)械的自動化是漢諾威展會的新主題［J］．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2011（9）:4－9．

［2］馬巖．我國數(shù)控木工機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀及自動化技術(shù)的研發(fā)方向［J］．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2012（1）:4－9．

［3］王礡．OtoStudio運(yùn)動控制編程手冊2．1［Z］．固高科技（深圳）有限公司，2010．

［4］龍騰宇．基于IPC的多軸控制系統(tǒng)設(shè)計［Z］．深港產(chǎn)學(xué)研基地運(yùn)動控制應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗室，2012．