全自動數(shù)控多軸排鉆集成系統(tǒng)的研究

鄉(xiāng)碧云 龍國安 鐘海龍

（①順德職業(yè)技術學院，廣東順德528300;②廣東科豪木工機械有限公司，廣東順德 528308）

國際上木工機械的數(shù)控化已很普及，國外頂級木工機械制造企業(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)達到具體產(chǎn)品全套數(shù)控化設備連線的技術水平，新型木工機械的新技術出現(xiàn)比拼自動化程度的新動向;木工機械的數(shù)控化是木工機械自動化的基礎，沒有數(shù)控化就沒有自動化，但我國木工機械的數(shù)控化空白點還很多，迅速填補數(shù)控木工機械的空白點，提高我國木工機械的數(shù)控化水平，開發(fā)全系列木工機械的數(shù)控設備是非常必要的。

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果的組合控制，使用步進電動機或者氣缸驅(qū)動的低檔數(shù)控木工機械，每一種產(chǎn)品的定位，有人工調(diào)試，需要根據(jù)前一版打樣的結果判別誤差，還需要根據(jù)打版師傅的經(jīng)驗調(diào)準下一版打孔的尺寸。科豪的全自動數(shù)控多軸排鉆，則采用數(shù)控系統(tǒng)的理念，伺服系統(tǒng)運動定位的精度，建立加工工藝資料庫，可以實現(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了，項目引領木工機械數(shù)控技術進入了新階段。

本項目參照國際先進技術排鉆的設計理念，開發(fā)全自動數(shù)控多軸排鉆木工機械。雖然仍采用多排鉆的外形和結構，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，又發(fā)揮了數(shù)控技術的優(yōu)勢，大幅度縮短了機床的調(diào)整時間，提高了勞動生產(chǎn)率。裝備技術達到國際先進水平，又符合中國用戶的使用要求。

1 機械結構設計及技術指標

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

1．1 數(shù)控多軸排鉆機械結構組成

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械結構及傳動系統(tǒng)。圖1為機械結構簡圖。

1．2 立鉆垂直鉆運動特性描述

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，機架和其他各部件都是相同的。圖2是鉆排的結構圖。

每一鉆排由4個伺服軸運動和2個氣缸旋轉運動組成。伺服電動機A驅(qū)動鉆排水平移動，伺服電動機B驅(qū)動鉆孔深度的進給，伺服電動機C1、C2驅(qū)動鉆盒縱向移動，鉆頭動力由電動機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A通過一個減速器驅(qū)動一對齒輪齒條在機架底梁上進行橫向移動直到到達指定位置。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的驅(qū)動將鉆盒旋轉90°，也可通過伺服電動機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)控制計算機與運動控制卡硬件結構，采用運動控制卡+伺服電動機的控制結構，計算機與運動控制卡通過PCI總線通訊，預留網(wǎng)絡通訊接口，可以很好地配置排鉆系列31～35個運動軸的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文件導入方式，對多排鉆盒的鉆孔位置進行運動規(guī)劃，最優(yōu)多軸運動控制，自動實現(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。

2．1 控制系統(tǒng)硬件結構

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

工控機中的系統(tǒng)控制軟件通過PCI總線給運動控制卡發(fā)出控制指令，并獲取反饋，控制相應元器件按照程序控制完成相關的功能動作，實現(xiàn)設備的正常工作。

2．2 控制系統(tǒng)軟件結構

本方案擬開發(fā)的控制系統(tǒng)硬件運行環(huán)境為PC機，軟件運行的操作系統(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。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。軟件運行需運動控制卡動態(tài)庫支持。軟件將對CAD編輯的文件進行處理。如圖4所示，為軟件的總體結構框架。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或用戶的交互，包括文件處理模塊、人機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)絡中獲取CAD數(shù)據(jù)文件，并解釋成特定的數(shù)據(jù)結構，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。

人機交互模塊用于實現(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。

由于機器有上、下、左、右4個面的鉆排的運動，上面的垂直鉆和下面的立鉆各有多排排頭，在機器的橫向會出現(xiàn)多排鉆盒同時運動的調(diào)整。因此，在各軸運動、回零時，必須避讓排頭的碰撞，同時，預先計算縱橫位置、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)，實現(xiàn)對各電動機和IO設備的控制。控制包括自動和手動兩種模式，并對兩種模式的運行過程進行全程安全監(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)排鉆機的實際工作情況，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，設置了需求功能軟件模塊，求解出整機的功能架構如圖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)絡傳輸）;

（3）控制軟件中的CAD文件解釋模塊對CAD文件進行分析，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)結構中（鏈表等）;

（6）調(diào)度模塊獲取鉆盒調(diào)整運動規(guī)劃數(shù)據(jù)，調(diào)度運動控制模塊，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)整完成后進行，在控制軟件中，將按以下流程進行:（1）用戶將工作模式設置為自動鉆孔模式;（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)度運動控制模塊，控制鉆盒進給軸和各IO端口動作，實現(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現(xiàn)可視化的繪圖功能，圖7是CAD繪圖畫面，特點如下:

（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)，可分別設置不同工作面的區(qū)域大小等參數(shù);

（3）使用鼠標繪圖方便快捷，鼠標點選后對應孔位信息顯示;

（4）孔位坐標，鉆孔半徑，孔深等信息的顯示與編輯修改并實時顯示;

（5）孔位信息的列表顯示，點選可顯示其屬性參數(shù)，并可進行編輯、刪除、復制等操作;

（6）上、下加工面孔位信息可以設置是否為通孔，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 設備實現(xiàn)的技術目標

本項目完成的設計能實現(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，可與上下料機械手和自動化運輸設備聯(lián)網(wǎng)控制，并可實現(xiàn)單機和聯(lián)網(wǎng)控制模式的在線實時切換;聯(lián)網(wǎng)控制時，主控系統(tǒng)可實現(xiàn)對本設備的相關參數(shù)的集中設置功能;本設備控制系統(tǒng)可實時上傳設備狀態(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．木工機械的自動化是漢諾威展會的新主題［J］．林業(yè)機械與木工設備，2011（9）:4－9．

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

［3］王礡．OtoStudio運動控制編程手冊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)設計［Z］．深港產(chǎn)學研基地運動控制應用技術實驗室，2012．