摘要：介紹了自主開發的數控碾鉚機的基本結構和組成，重點討論了采用運動控制單元、PLC以及圖示操作終端組建碾鉚機數控系統的方法及技術關鍵，開發出一種經濟性好、效率高、質量及可靠性高的數控碾鉚機。 1 引言 碾鉚是利用擺動碾壓技術的一種鉚接工藝，其鉚接質量穩定可靠，鉚接過程平穩無沖擊，是一種很有發展前途的鉚接工藝，被應用在計算機外設、辦公設備、家用電器、汽車等制造領域。隨著我國經濟和技術的發展，世界上一些知名的打印機、復印機廠商將零件加工轉移到我國來生產，但與之不相適應的是，許多生產這些零件的工廠所使用的碾鉚機仍為手工操作，效率低、勞動強度大，質量不穩定。通過使用自動碾鉚機來提高效率和保證質量成為這些工廠的迫切要求。同時，在這些工廠中，使用碾鉚機的數量多，對自動碾鉚機的經濟性有很高的要求，而市場上尚未有合適的成品自動碾鉚機。因此，如何開發出效率高、質量好、經濟性好的自動碾鉚機，具有重要的現實意義。 我們為深圳一家專為知名品牌生產復印機、打印機零部件的工廠開發了多臺數控碾鉚機。本文重點討論了該機的基本結構以及其關鍵技術。 2 數控碾鉚機的工作原理及工藝過程 本單位自主開發的數控碾鉚機的基本結構如圖1所示，主要由碾鉚工作頭及XY數控工作臺組成。碾鉚工作頭的主軸由電機帶動旋轉，并在氣缸的驅動下作上下運動。鉚頭的軸線與主軸軸線成一定的角度。鉚頭一方面繞著主軸軸線公轉(擺動與轉動)，另一方面鉚頭在工件表面滾動，形成繞著自身的軸線的自轉。鉚頭在氣缸的壓力下，使軸銷的端部受到局部加壓，產生連續的塑性變形，經一定的工藝時間，銷軸與支持架被牢固地鉚接在一起(圖1(a))。 圖1 數控碾鉚機的基本結構及工作原理 在打印機、復印機等設備的齒輪傳動系統中，常常有多條平行的傳動銷軸需要與支持架鉚接在一起。使用普通碾鉚機進行加工時，通過手工移動模具，將各鉚接點逐一移到鉚頭下進行碾鉚，效率低，勞動強度大，每個工序鉚接的點數有限，平行度不易保證，質量不穩定。 本數控碾鉚機就是針對這類零件的碾鉚工藝進行開發的。其基本工藝過程：首先數控工作臺將模具移到裝卸工位，將銷軸及支持架安放在模具對應的定位面上，通過電磁鐵將支持架吸緊，然后數控工作臺按照程序編好的坐標位置，將各個鉚接點依次移動到鉚頭下，控制系統控制鉚頭壓下，碾鉚頭對工件進行碾鉚加工，經設定的碾鉚時間，完成該點零件的加工。當完成全部銷軸的碾鉚后，回到裝卸工位，卸料氣缸將鉚接好的工件頂起卸料。 3 控制系統的結構及主要功能 根據數控碾鉚機的工作原理，控制系統主要任務是實現對XY工作臺的運動控制，以及控制碾鉚工作頭的升降、主軸電機的啟動及停止，控制卸料氣缸及夾緊電磁鐵的動作，并進行相應的人機交互，如加工程序的輸入、編輯，以及設備的工作狀態的顯示等。 圖2 控制系統的基本結構 由于對數控碾鉚機的經濟性有較高的要求，限制了它不能采用基于PC的通用CNC以及其它的通用數控系統。我們綜合考慮了經濟性、可靠性、開發的難易程度以及開發的周期等因素，采用了日本三菱公司的運動控制模塊FX2N-20GM、FX2~x系列的PLC以及圖示操作終端F940GOT來組建數控碾鉚機的數控系統。控制系統的基本結構如圖2所示。 3.1 XY工作臺的運動控制 XY工作臺要根據事先輸入的各碾鉚點的坐標位置和順序進行運動，并與碾鉚工作頭的碾鉚動作相配合。由于在進行碾鉚之前，工件(傳動支架)已經過沖壓、折彎成型，為了能避開工件中彎起的部位，要求XY工作臺具有直線或圓弧插補功能。運動控制單元FX2N-20GM具有同時兩軸的直線和圓弧插補，插補時輸出頻率可達100kHz；該控制單元還具有運動控制的基本功能，如正向及方向極限信號、近點信號、零點信號的處理、手動脈沖輸入、手動控制、機械原點返回等功能。FX2N-20GM輸出的運動信號為脈沖信號，可以與脈沖輸入型的交流伺服驅動器配合使用?？梢?，運動控制單元FX2N-20GM很適合于用作碾鉚機的運動控制。 但FX2N-20GM作為一個運動控制模塊，本身不具備數控程序編輯輸入等界面。三菱公司提供的SWOD5-FXVPS-E軟件，雖然可以使用計算機串口，經RS232轉RS422后，將運動軌跡輸送到FX2N-20GM，但這只適用將固定的運動軌跡輸入到FX2N-20GM，不適用于在生產中作為程序的輸人工具來使用。由于三菱公司沒有公開編譯后的指令格式以及與FX2N-20GM通訊的相關協議，故無法采用類似的使用串口通訊的方法傳送運動軌跡數據。所以，要使用FX2N-20GM為基礎來構建數控系統，如何將不同零件的加工程序輸送到FX2N-20GM去執行，成為首先要解決的問題。 FX2N-20GM采用自己特有的控制及插補指令。在其插補指令中，可以使用數據寄存器作為直線及圓弧插補的坐標參數。利用這一點，在編寫其運動控制程序時，用通用數據寄存器作為插補指令中運動軌跡的坐標變量來編寫程序，然后通過PLC把運動參數送到這些通用寄存器，FX2N-20GM再根據這些參數完成相應的插補運動。 例如，直線插補時，采用32位數據寄存器DDl00、DDl02作為直線插補的終點坐標，DDl04作為運動速度，插補指令可寫成： 0020：cod01(LIN)xDDl00yDDl02 fDDl04； 在系統中，我們可將FX2N-20GM作為PLC的擴展模塊使用，不同零件的加工程序被保存在PLC中。在加工過程中，通過PLC不斷將運動軌跡的坐標、運動速度、各點的碾鉚時間、碾鉚點的數量等工藝參數，用32位的傳送指令DTO送到FX2N-20GM的DDl00、DDl02、DDl04等相關的寄存器，就可以控制FX2N-20GM的相應指令的執行。對應的PLC程序如下： LD M8000 DTO K0 K100 D201 K2 DTO K0 K104 D500 K1 …… 在以上PLC程序中，PLC中數據寄存器D201～D202，D203～D204保存了直線軌跡的終點X、Y坐標，DTO指令將X、Y坐標傳送到FX2N-20GM的DDl00及DDl02。其中，FX2N-20GM的DDl00、DDl02對應的BFM號為#100～#103，DDl04對應的BFM號為#104。 另一方面，系統的當前坐標、伺服系統的狀態等參數，由PLC的FROM指令從FX2N-20GM中讀回。FX2N-20GM中的當前X坐標的寄存器的BFM號為#9004(32位)，Y坐標的寄存器的BFM號為#9014(32位)，FX2，—20GM的工作狀態，如就緒/忙、定位結束、回零結束等狀態信息，保存在輔助繼電器M9048—M9096中，對應的BFM號為#23、#24、#25、#26。因此，通過PLC的FROM指令，將X、Y當前坐標寄存器的值讀回PLC的數據寄存器D11～D111，D112～D113，并將FX2N-20GM的工作狀態等寄存器的值讀人PLC的M100～M131中，供PLC控制使用，并顯示在圖示操作終端上。對應的PLC程序如下： LD M8000 DFROM K0 K9004 D110 DFROM K0 K9014 D112 FROM K0 K23 K2M100 FROM K0 K25 K2M108 FROM K0 K24 K2M116 FROM K0 K26 K2M124 …… 3.2 文件功能的實現 使用FX2N-20GM以及PLC等模塊建立數控系統，要解決的另一個重要問題就是，加工程序的輸入、編輯、保存等文件功能。 根據碾鉚加工的特點，在所開發的數控碾鉚機中，我們不采用C代碼來表示加工程序，而是在圖示操作終端中，用表格的形式輸入與加工程序有關的數據，如各碾鉚點的順序、坐標、碾鉚時間等加工數據，并將這些數據以文件的形式保存到PLC的停電保持數據單元中去。不同零件的加工數據可以保存到不同的文件中。在加工不同的零件時，可方便地將對應的文件調出來使用。根據實際生產的需要，需要保存100個加工程序，每個程序文件可儲存24點的加工數據。 為了實現文件的功能，首先在PLC的數據單元中建立3個與文件有關的區段，第一為文件保存區，第二為文件編輯區，第三為運行文件區。 第一個區段為D1000開始的7K停電保持單元，劃分成100段，每段保存一個加工程序。 第二個區段為D120～D191，作為文件編輯區，當要編輯某個加工程序時，通過變址V2使用塊移動指令，將對應的文件數據從文件區，復制到臨時文件區，然后，通過圖示操作終端對該加工程序進行編輯，當編輯完成要保存修改后的文件時，再使用塊移動指令，將臨時文件區中編輯好的加工程序文件保存回對應的文件區。專門設立文件編輯區，可以避免在文件編輯保存之前，直接修改文件保存區的文件。 第三個區段為當前運行的程序文件區，D400～D471，當要運行某個加工程序時，通過變址V使用塊移動指令，將對應的文件數據從文件區，復制到運行文件區。加工時，PLC程序從這個區段，將X坐標、Y坐標、速度、碾鉚時間等加工的參數取出，送到FX2V-20GM中去控制碾鉚機工作臺的運動等。 2.3 人機交互 人機交互采用三菱的圖示操作終端F940GOT來實現。通過圖示操作終端，實現加工程序的編程。根據零件的不同，輸入各碾鉚點的坐標、各點的碾鉚時間以及移動的速度等。同時，數控碾鉚機的工作狀態，如當前坐標、伺服系統狀態、碾鉚工作頭狀態、頂料、夾緊、產量等可以在圖示操作終端中實時顯示出來。 4 結論 本文介紹了自主研制開發的數控碾鉚機的基本結構和組成。采用運動控制單元、PLC以及圖示操作終端開發了自動碾鉚機的數控系統，具有結構簡單、穩定可靠、經濟性好等特點。所開發的數控碾鉚機已經投入生產使用。根據生產現場的數據表明，與人工操作的碾鉚機相比，采用數控碾鉚機可以提高生產率5～7倍，質量也有較大的提高。