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1、济南大学毕业设计1 前言1.1 数控转塔冲床概况现代板材加工中使用的数控冲床属于压力加工机床，主要用于板材的加工，例如冲孔、拉伸及裁剪。不论多么复杂的平面钣金工件都可以在数控冲床上面完成其所有孔和外形轮廓的冲裁等加工。基于数控冲床的无法比拟的优点，所以在实际中应用相当广泛。近年来，我国在数控冲床领域发展较快，数控冲床的保有量也在不断提升，数控冲床的种类也在不断完善。目前，我国使用的数控冲床大多数都是数控转塔冲床，按照驱动冲头工作的原理可以把数控转塔冲床分为以下三大类：第一类是机械驱动的数控转塔冲床，它是通过一个主电机带动飞轮做旋转运动，由离合器的离合运动，从而控制冲头的冲压，这类数控转塔冲床有
2、其自身的优点，就是它的结构简单、价格较低、经济实惠、操作简便，工人师傅比较容易上手。但是这类冲床也有很多缺点。由于是机械式数控转塔冲床，所以必须等飞轮完成一圈的运动，才可以完成一次冲压，这样冲压行程固定不变，冲头来回的时间固定不变，冲压速度也就固定不变，所以无法提高；在冲压过程中无法控制冲头的运动，所以不宜得到复杂的冲压成形，只有通过调节模具才可以实现，但是这样一来就造成了较大的劳动量，使效率降低。第二类是液压驱动数控转塔冲床，随着科技的不断进步，数控转塔冲床也在不断更新换代，因此液压式数控转塔冲床应运而生，它的结构形式得到了很大的改进，所以在板材加工行业很快就得到了广泛的应用。它驱动冲头的运
3、动主要是通过液压系统完成的，对冲压控制是通过系统自带的伺服阀来完成的，因此冲头冲压的速度比之前的第一类数控转塔冲床有了很大的提高；其次，我们可以自由控制液压缸在冲压过程中的行程，这样就使我们更加容易的控制冲头，从而更方便有效的调节冲头模具，同时它对工人师傅的要求不高，操作方便。不过这类机床也有一些不好的地方，首先，由于采用了液压驱动的方式控制冲压过程，所以对环境要求比较高，必须保持液压油的干净，同时还应保证液压油的温度不能太高或是太低，否则影响冲床的性能；再者，耗能较高，比一般的冲床行能都要多；另外，液压油需要经常更换，并且不易放置，占地较多。第三类是伺服电机驱动数控转塔冲床，经过不断的发展改
4、进，前两种冲床的性能都有了很大的提高，但是仍然存在不足之处，所以广大厂家努力研发了更新一代的数控转塔冲床，就是由伺服电机直接驱动的数控转塔冲床。伺服电机可以自由控制冲压过程，停止冲压的时候电机也停止，这样就节省了很多能耗，比液压式的冲床节能很多；由于伺服电机的引入，所以工人可以更加容易的调节冲压行程，因此我们可以更加方便的调节成型模具；伺服电机数控转塔冲床没有很高的环境要求，也很环保节能，符合现代社会发展的理念；另外，它的设计结构紧凑，不会占用很大的空间。综上，前两种数控转塔冲床虽然有着其自身不可比拟的优点，但是其发展前景并不是很乐观，它们的发展不符合当今社会的环保节能的思想，由于伺服电机驱动
5、式的诸多优点，加上其可靠的节能效果，所以伺服电机驱动式数控冲床将会是板材加工行业的主流。1.1.1 数控冲床发展史1932年美国威德曼公司发明了R2型手动多工位冲床，并应用于板材的加工，由于其在板材加工上的很多优点，从此以后冲床在板材加工行业得到了广泛的应用，同时由于科技的不断进步，冲床的性能和结构上也在不断改进，越来越符合现代加工业的发展需求。但是人们还不仅仅满足于手动操作，所以数控冲床也就应运而生，数控冲床的开发始于上世纪五十年代，毫无疑问美国是当时制造行业的老大，所以1955年美国研制成功了第一台数控冲床，并成功应用于板材加工，还可以对复杂的曲面进行操作。我国也不甘落后，努力发展以提高自
6、己的制造业水平，因此在1958年我国与日本同年研制出首台数控冲床，之后由于种种原因，我国的在数控冲床领域发展缓慢，但是我国数控冲床的发展大致上经历了一下三个阶段，分别是：1958-1960研制阶段，1962-1965生产阶段，攻关阶段，直到1979年，我国数控冲床的发展还是没有很大起色。相反，日本在此阶段抓住时机，经过周密合理的规划，对科研大力投入，稳步的前进，同时日本也在大力发展生产的自动化，两者实现了完美的配合，从而使得数控冲床的开发更加迅速。近些年来，世界范围内的科学技术水平都在不断提高，各国的科研投入都在不断加大，各国对数控机床开发的投入也在不断提高，所以数控冲床不断更新换代，许多技术
7、难题不断被攻克，更加方便、高效、经济、节能、环保的数控冲床相继问世。我国在改革开放之后，大力引进国外先进数控技术，在吸收借鉴的基础上，完成了数控冲床的自主研发。特别是最近几年，我国的数控冲床领域不仅在保有量上占有领先优势，而且在技术含量上也在不断提高。相信在不远的将来，我国在数控冲床领域一定会有长足进步。1.1.2 国内外数控转塔冲床发展现状在钣金加工领域，随着科技的发展，数控冲床自问世以来得到了长足的发展，有其是数控转塔冲床的出现，进一步为板材加工行业注入了新鲜的活力。由于国外企业大都起步较早，所以他们数控转塔冲床的开发、设计、制造工艺等方面比较成熟。例如，日本AMADA公司开发的VIPRO
8、S-2510C、APIRS255M和EI、12510NT型是2004年研制的最新机型，它是通过双伺服马达直接驱动的高速数控转塔冲床；芬兰的Finnpower公司生产的E5-25型数控转塔冲床具有“百米千次”的性能，并且具有运动精度高、刚度大、功率大、抗震性强、耐磨等特点；意大利ITEK公司生产的INVICTA2000型数控液压冲床，其冲压次数可以达到3000/min。从上述例子可以看出，国外数控转塔冲床领域还占有很大的优势，技术比较先进，发展速度较快。我国的数控转塔冲床的发展水平相对较低，还有很大缺口需要改进，为了解决这一僵局，自2000年起，我国加快发展速度，积极与国外先进制造业的国家开展合
9、作，如日本、德国、美国等制造业强国，学习他们的先进产品配置方式，借鉴并吸收他们的先进技术经验，经过努力的发展，我国的数控冲床产品在品种上有了较大的提高，取得了可喜的成绩。据统计，目前为止，国内有几十家专业企业从事钣金数控设备的开发生产，可以自主制造数控激光切割机、数控转塔冲床、数控送料机等先进的数控设备。总体来看，国产数控转塔冲床在品种上已经更加多样化，在技术性能指标及制造水平上也不断改进，在借助国外先进配套部件的基础上，国产数控转塔冲床制造企业已经开始走向商业化的道路，不仅能够满足绝大多数国内用户需要，而且还出口到亚非拉等国家。但是，我们知道，国内数控转塔冲床的发展起步较晚，技术水平相对落后
10、，配套设备跟不上，同国际知名厂家相比，还有很大的差距。主要表现在自主创新能力不强、机床品种仍然较少、技术性能指标较低、制造工艺水平不强。目前，我国的数控转塔冲床结构设计还不是很合理，如设计周期长、结构组件冗余、材料用量大，并且设计方法不够科学、过于保守，由于以上的发展弊端，致使国内产品与国外相比，无论在质量上、成本上和效益上都不占优势。随着科学技术不断进步，计算机和电子技术的有机结合使冲床的发展更有生命力，所以对我们的设计提出了更高的要求，数控冲床在向着完善化、最优化、过程动态化、自动化、柔性化、加工高速化、效率最大化的方向不断迈进。只有这样，我国冲床产品的质量才会增强，国际竞争力才会提高，我
11、国的民族产业才会不断向前发展。1.1.3 数控转塔冲床的工作原理数控转塔冲床集机、电、液、气一体化，是在板材上进行冲孔加工、浅拉伸成型的压力加工设备。它是由电脑控制系统、机械或液压动力系统、伺服送料机构、模具库、模具选择系统、外围编程系统组成。数控转塔冲床通过相应的编程软件编制加工程序，并由伺服送料机构将板料送到需要加工的位置，并夹钳进行定位固定，同时模具选择系统选择模具库中相对应的模具，液压或是机械动力系统按照已经编制好的程序进行冲压，从而自动完成工件的加工。数控转塔冲床是由计算机来控制工件断续推进，当工件停止时，冲头完成一次往复行程，然后停在上止点，再控制工件推进一步，按步骤连续循环加工，
12、同时也可以按照需要调整级进速度等。通过自动编程，可以对板材进行X、Y方向定位和精确定位。通过自动选择转盘模具库中的模具，按照加工要求，自动加工不同尺寸和孔距的孔，也可以用小的冲模以步冲方式来冲压大的圆孔、方形孔、腰形孔及各种形状的曲线轮廓，除此之外，还可以进行特殊的工艺加工，如百叶窗、浅拉伸、压窝、翻边孔、加强筋、步冲成形、步步冲弯边、压印及标志空等。数控转塔冲床中采用圆形冲头和矩形冲头的最多，它是一种纯冲切模，只要是冲切，不论大孔、小孔及外形如何，它全以冲孔的方式加工，如果图样和刀口的冲头一样，它就直接冲出，如果超出设备冲头，就分为多次冲出，圆形的近似逼近，异形的就分多次冲出，一点一点冲掉多
13、余部分。数控转塔冲床的运动轴（如图1.1所示）图1.1 数控转塔冲床主传动1）X轴将工件沿垂直于床身长度方向移动的伺服驱动轴2）Y轴将工件沿垂直于床身长度方向移动的伺服驱动轴3）A轴旋转转塔型刀具库旋转模具的旋转轴4）C轴模具自动分度的旋转轴，可以任意角度旋转模具数控转塔冲床的加工方式：1）单冲：单次完成冲孔，包括直线分布、圆周分布、栅格孔的冲压；2）同方向连续冲裁：使用长方形模具部分重叠加工的方式，可以进行加工长型孔、切边等；3）多方向连续冲裁：使用小模具加工大孔的加工方式；4）蚕食：使用小圆模具以较小的步距进行连续冲制弧形的加工方式；5）单次成形：按模具形状一次浅拉伸成型的加工方式；6）连
14、续成形：成型比模具尺寸大的成型加工方式，如大尺寸百叶窗、滚滚筋、滚台阶等加工方式；7）阵列成形：在大板上加工多件相同或不同工件的加工方式。1.2 运动控制器概况运动控制就是对机械运动部件的位置、速度、位移等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动9。早期的运动控制技术并不是十分的成熟，随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展和对运动控制的要求，运动控制逐渐进入人们的视野。广义上来说，运动控制可以帮助我们更加灵活方便的使用电动机而不需要太多的能耗，最大程度满足我们的应用需求。运动控制有它一些特有的高级功能，人们可以通过模块搭建来高效的实现运动控制的应用，已解决一些
15、加工过程中必须解决的问题，例如，如何实现精确定位问题、如何实现多轴同步的问题，以及如何实现制定运动控制过程中的速度、加速度和减速度的问题等。因为大多数电动机的是工作在瞬时的环境中的，它的每一步都在不断变化着的，所以就要求具有运动控制功能的设备必须适应不同的负载情况和动态变化的条件，不仅如此，还应具有一些复杂的控制算法和反馈信息的功能。由于要实现精确地运动控制，所以对运动控制的要求一般比较严格，操作过程中的安全性能是最重要的，所以，运动控制中还具备一些安全保护特性，如限位开关，可以有效的防止事故的发生。从结构上看，一个典型的运动控制系统的硬件主要是由上位计算机、运动控制器、功率驱动电动机、传感器
16、反馈检测装置和被控对象等几部分组成（如图1.2所示），其中为被控对象提供动力的主要是电机和功率驱动设备，同时还将负载运行情况反馈给控制系统。图1.2 运动控制系统及其组成1.2.1 运动控制器的分类自上世纪八十年代初期以来，通用运动控制器就已经应用在了国外的很多行业，并且获得了不错的效果，特别是在微电子行业的应用更是广泛，由于当时国内技术还比较落后，经济还不发达，没有许多人力财力去研究这一领域，所以运动控制器在国内的应用规模和行业领域都很小，国内也没能开发出运动控制类的产品。1999年，固高科技有限公司开始大力从事开发、生产开放式通用运动控制器产品，并且价格便宜，从而打破了国外垄断这一行业的状况。随着不断的发展壮大，逐步完善研发体系，迅速的开发出了一些列中高端的运动控制产品。目前，国内运动控制器生产厂家所能提供的产品大致分为以下三类：第一类是以单片机或微处理器为核心的运动控制器，它控
