單素素 王目樹 秦石銘 王艷君

(山東交通學(xué)院信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

壓力機(jī)是金屬成形領(lǐng)域被普遍應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備，隨著板料成形精度及尺寸需求，壓力機(jī)正朝著大加工臺面及多工位方向發(fā)展[1]。壓力機(jī)生產(chǎn)廠家一般通過設(shè)備零件加工精度和部件裝配精度來保證精度。但隨著壓力機(jī)加工臺面的增大以及壓力機(jī)長時間偏載使用，很可能導(dǎo)致滑塊及導(dǎo)軌發(fā)生形變，造成壓力機(jī)滑塊傾斜，左右位置發(fā)生偏差，這種情況將進(jìn)一步導(dǎo)致沖壓過程中模具受力不均勻，影響模具以及成形件質(zhì)量，同時加劇滑塊導(dǎo)軌、機(jī)械傳動、銅套等活動機(jī)構(gòu)磨損，影響設(shè)備使用壽命[2-3]。

本文通過改善壓力機(jī)微調(diào)結(jié)構(gòu)，實時監(jiān)測壓力機(jī)滑塊左右位置偏差，并通過FANUC PMI-A 系統(tǒng)外部坐標(biāo)偏移功能，通過滑塊微調(diào)機(jī)構(gòu)來保證滑塊水平度，以解決壓力機(jī)左右位置偏差的問題。

1 壓力機(jī)糾偏原理

圖1為壓力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，主電機(jī)通過絲杠及連桿傳動機(jī)構(gòu)帶動滑塊上下運(yùn)行。連桿與滑塊連接處配置位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要目的是可以根據(jù)沖壓模具高度來微調(diào)滑塊位置，使得壓力機(jī)下死點(diǎn)位置正好在模具閉合位置，保證沖壓過程中的安全[4]。但這里與常規(guī)壓力機(jī)不同的是，滑塊左右位置各配置一個微調(diào)機(jī)構(gòu)，分別由2個伺服電機(jī)驅(qū)動，正常情況下2個電機(jī)需保持位置同步關(guān)系，滑塊水平。

當(dāng)滑塊由于其他原因發(fā)生左右位置偏差時，偏差通過分別位于滑塊左右兩側(cè)的光柵尺檢出，此時若取消兩個微調(diào)電機(jī)的同步關(guān)系，單獨(dú)調(diào)整某個電機(jī)位置，會造成兩個電機(jī)絕對坐標(biāo)不再一致，當(dāng)重新建立同步調(diào)整關(guān)系時，會使得系統(tǒng)發(fā)出同步誤差過大報警。不過此時若將其中一個電機(jī)的坐標(biāo)系偏移，偏移量即為滑塊左右偏差，該電機(jī)為保持絕對位置，發(fā)生移動，且移動量等于坐標(biāo)偏移量，以此糾正滑塊左右位置偏差。此時兩個電機(jī)的絕對坐標(biāo)依然保持一致，同步位置偏差為零，不會產(chǎn)生同步誤差過大報警。特別地，如果滑塊兩側(cè)偏差過大，如超過5 mm，則直接觸發(fā)系統(tǒng)報警以保護(hù)設(shè)備機(jī)身。圖2表示通過坐標(biāo)偏移功能來實現(xiàn)壓力機(jī)滑塊位置糾偏的工作流程。

2 外部工件坐標(biāo)系偏移功能

2.1 功能設(shè)置

在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中，標(biāo)配外部數(shù)據(jù)輸入功能，即一種從機(jī)械側(cè)等外部向CNC發(fā)送數(shù)據(jù)并執(zhí)行規(guī)定動作的一種功能，包含外部刀具補(bǔ)償、外部程序號檢索、外部工件坐標(biāo)系偏移、外部報警信息等一系列具體功能，這里用到的外部工件坐標(biāo)系偏移可以通過PMC指令觸發(fā)某個軸的參考坐標(biāo)系按給定值發(fā)生偏移，比如X軸坐標(biāo)系發(fā)生+2 mm的偏移，如果X軸當(dāng)前位置指令未發(fā)生變化，那么X軸伺服使能后，會自動移動-2 mm，以保持當(dāng)前絕對坐標(biāo)位置不變。

要通過使得某個軸的工件坐標(biāo)系發(fā)生偏移，需要通過PMC寄存器地址激活外部坐標(biāo)偏移功能、指定對哪個軸進(jìn)行偏移以及具體的偏移量等，相關(guān)的PMC地址如表1。

CNC外部數(shù)據(jù)輸入(含外部工件坐標(biāo)系偏移)執(zhí)行過程如下[5]：

① 通過PMC設(shè)定功能(EA6～EA4)、軸選擇(EA3～EA0)及偏移量(ED31～ED0)。

② 通過PMC將讀取信號ESTB置1。

③ ESTB為1時，CNC即讀取相關(guān)地址數(shù)據(jù)。

④ 讀取完成后，CNC將讀取完成信號EREND(Fn060.0) 置1。

⑤ 當(dāng) EREND為1時，在PMC中將ESTB復(fù)位為0。

⑥ 當(dāng) ESTB為0時，CNC將EREND復(fù)位為0，完成數(shù)據(jù)輸入過程。

表1 外部工件坐標(biāo)系偏移相關(guān)PMC地址

2.2 偏移量計算

由表1知，坐標(biāo)偏移量是通過帶符號BCD碼指定的。當(dāng)CNC系統(tǒng)參數(shù)No.6301#3=0時，使用ED15～ED0，16個二進(jìn)制位(最高位為符號位)，即4位BCD碼來指定偏移量，范圍為±0～7 999；當(dāng)No.6301#3=1時，使用ED31～ED0，32個二進(jìn)制位(最高位為符號位)，即8位BCD碼來指定偏移量，范圍為±0～79 999 999；

其中偏移量單位為CNC檢測單位，例如當(dāng)CNC最小檢測單位為0.000 2 mm時，采用帶符號8位BCD碼來指定偏移量(No.6301#3=1),且ED31～ED0中寫入數(shù)值為-10 000(BCD格式即1001 0000 0000 0000 0000)時，此時實際偏移量為：

(-10 000)[脈沖] ×0.000 2[mm/脈沖] = 2 mm。

3 壓力機(jī)糾偏功能實現(xiàn)

壓力機(jī)在沖壓過程中，合模之前，沒有產(chǎn)生壓力，此時微調(diào)電機(jī)可以靈活運(yùn)動。在合模建壓之后，微調(diào)電機(jī)連接的螺桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由于受到較大壓力，如果此時微調(diào)電機(jī)嘗試向下旋轉(zhuǎn)，會因微調(diào)電機(jī)扭矩限制旋轉(zhuǎn)不動而報警。直接影響沖壓質(zhì)量以及導(dǎo)軌受力磨損的主要是合模建壓后的零件成形過程。我們可以檢測合模建壓后的滑塊位置偏差，并將其保存下來，待滑塊回程模具分離后，再開始觸發(fā)微調(diào)電機(jī)坐標(biāo)偏移，實現(xiàn)壓力機(jī)糾偏功能。

3.1 PMC程序

圖3為坐標(biāo)偏移主要PMC程序。PMC獲取到需調(diào)整的偏移量(偏移量大于5 mm時直接觸壓機(jī)設(shè)備報警)后，根據(jù)文中2.2偏移量計算，結(jié)合CNC最小檢測單位，進(jìn)一步運(yùn)算得出以檢測單位為單位的偏移量，賦值給ED31～ED0。另外為了在NC程序中靈活控制偏移動作，PMC中定義M100開始坐標(biāo)偏移，M101取消坐標(biāo)偏移。

3.2 NC程序

%

O9005

G90

#1=#1200124*48000/100;

#2=#1200104*48000/100; //速度計算

...

M100; //開始偏移調(diào)整

G01X1=#1200024F#1; //滑塊下行點(diǎn)1

G01X1=#1200028F#2; //滑塊下行點(diǎn)2

…

M101; //關(guān)閉偏移調(diào)整

G01X1=#1200052F#8 ; //滑塊下行點(diǎn)8(開始合模)

G01X1=#1200056F#9;

G01X1=#1200060F#10;

G04P#1200244; //滑塊到下死點(diǎn)，開始保壓

G01X1=#1200064F#11; // 滑塊開始回程

G01X1=#1200068F#12; //

M99%;

以上O9005程序為伺服壓力機(jī)某沖壓工藝部分NC程序，在FANUC多軸高速響應(yīng)模式下，宏變量地址#120XXXX對應(yīng)寄存器地址DXXXX，程序中宏變量地址可以直接通過D寄存器地址來對應(yīng)修改。在壓力機(jī)開始沖壓時，首先通過M指令結(jié)合PMC程序根據(jù)上次沖壓成形過程中記錄的滑塊左右偏載量觸發(fā)某側(cè)微調(diào)進(jìn)行坐標(biāo)偏移，微調(diào)電機(jī)移動，滑塊糾偏，同時開始沖壓過程。在合模建壓之前，通過M指令及時關(guān)閉坐標(biāo)偏移功能，以防微調(diào)絲杠受壓，微調(diào)電機(jī)調(diào)節(jié)不動而發(fā)生報警。

4 控制效果分析

為了驗證以上方法在壓力機(jī)上的糾偏效果，在伺服壓力機(jī)上試驗平臺上進(jìn)行驗證，該壓力機(jī)滑塊左右各固定一型號為海德漢 LC-193F的光柵尺，其位移分辨率可達(dá)±5 μm，通過對試壓塊連續(xù)下壓，同時精確采集滑塊左右兩側(cè)位移數(shù)據(jù)即可反應(yīng)壓機(jī)偏載情況。這里通過FANUC SERVO GUIDE V9.0軟件將反饋位移數(shù)據(jù)采集到計算機(jī)以供分析。

壓力機(jī)主要參數(shù)包括：機(jī)械結(jié)構(gòu)為三梁四柱閉式；標(biāo)稱壓力為3 000 kN；有效行程為1 000 mm；滑塊平均移動速度為500 mm/s；單沖次時間為5 s；試壓塊高度為200 mm。

圖4為壓力機(jī)相關(guān)位置曲線，其中，壓力機(jī)首次下壓過程中，在滑塊最低點(diǎn)附近明顯存在左右位置偏差?；瑝K上行至初始位置，第二次下壓之前，滑塊右側(cè)位置向正方向發(fā)生了微小變化，說明滑塊右側(cè)微調(diào)機(jī)構(gòu)根據(jù)首次沖壓偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行了適當(dāng)補(bǔ)償。壓力機(jī)第二次下壓至成形階段，可以看出兩邊光柵尺位置反饋基本一致，即兩側(cè)不再存在較大位置偏差。基于FANUC外部工件坐標(biāo)系偏移功能在壓力機(jī)滑塊位置糾偏中有明顯效果。

5 結(jié)語

壓力機(jī)位置偏差將導(dǎo)致影響成形質(zhì)量及壓力機(jī)壽命。借助FANUC PMI-A外部工件坐標(biāo)系偏移功能，可以根據(jù)沖壓成形過程中的滑塊兩側(cè)位置偏差，通過滑塊微調(diào)機(jī)構(gòu)，及時進(jìn)行糾正，保證壓力機(jī)再次沖壓過程中基本不再存在位置偏差。通過采集并分析壓力機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)知，文中提到的方法可有效解決壓力機(jī)成形過程中的位置偏差問題，且具有一定實用性。