数控冲床噪声控制研究

数控冲床噪声控制研究（精选8篇）

数控冲床噪声控制研究 篇1

摘要：数控冲床在运行过程中不可避免会产生由振动以及其零部件工作时引起的噪声,干扰工作环境,影响工作效率,降低工作品质,甚至危害人体健康。论文通过对数控冲床的现场噪声测试,分析了噪声的主要来源,并采用了相应的措施,取得了一定的降噪效果。

关键词：数控冲床,噪声,降噪

0前言

数控冲床的结构主要有主传动系统、进给系统和导轨,在数控中心有自动回转工作台、分度工作台及高速动力卡盘等。在设备运行时,不可避免会引起机械振动并产生声音,当音量超过70dB时便称为噪声。精密机床和普通机床不超过85dB,高精密机床不超过75dB。噪声是评价机械产品品质的重要指标之一,它反映了产品的设计和制造水平,影响产品的经济价值。噪声作为污染也日益受到人们的重视。

1噪声的来源及评价

数控冲床的噪声主要来源于电动机、齿轮、轴承以及空气动力噪声等,通过改变他们的特性以及合理利用阻尼材料可以控制噪声。当安装完机械设备后,噪声依然很大,此时无法通过改变机械结构来降低噪声,可以采用隔声技术来降低机床噪声。

大型机械企业在噪声的处理过程中,应用比较多的就是隔声技术。隔声是将噪声源和接受者隔离,阻断空气声的传播,达到降低噪声的目的。隔声的方法通常有三种:1) 在声源与接受者之间设置屏障,阻断声音的传播;2) 将产生噪声的机械设备全部密闭在隔声间内,使声源与操作者隔开;3) 把操作者放于隔声性能良好的隔声间内。

噪声干扰人们的工作和生活环境,危害人体健康,是影响最为广泛的一种公害。1961年国际标准化组织ISO R235提出和推荐使用噪声评价曲线来评价噪声对听觉损伤、语言干扰和室内稳态背景噪声的影响,也广泛用于噪声控制的评价。如图1所示,图中NR值为噪声评价曲线的号数,是中心率1000Hz的倍频带声压级的分贝数,也称作噪声评价数。

2噪声的测试系统

声级计是用来测量噪声的主要仪器。由声级计传入数据采集系统,最后输入电脑得到信号。噪声测量系统如图2所示。

声级计是测量噪声的基本仪器,它是按照一定频率计权和时间计权来测量声压和声级。测量时由传声器将接收的声信号变成电信号,微小的电信号经放大器送到输入衰减器和输入放大器,放大器将微小电信号放大,衰减器对较大的输入信号加以衰减,使之在指示器上获得适当的信号,并用测量量程扩大。计权网络对通过的信号进行频率滤波,使之符合一定计权特性的要求。信号再经输出衰减器和输入放大器被送到检波器进行捡波,使交流信号变成直流,并通过指示器表以dB为单位指示出来,如图3所示。

3噪声测试

对工业企业进行噪声测量时,通常采用简易、快速的现场测工量。其测量方法主要包括工业企业生产环境的噪声测量和生产机床噪声的现场测量。如图4所示。

在现场进行噪声测量之前,首先应测量本底噪声即背景噪声。本底噪声对工况企业现场及其噪声测量的准确性影响很大,故必须对其测量以排除影响。

在被测噪声源运行时,先测出测点处总噪声声级与频谱;然后在被测噪声源停止运行时,测出同一测点相应的噪声声级与频谱;最后进行修正,得到真正被测噪声的声级与频谱。若声源噪声与本底噪声相差10dB以上,则本底噪声的影响可以忽略不计;若相差3～10dB时,则应按照修正值对测出的机器噪声值进行修正,如表1所示;若差值小于3dB时,则测量结果无效。

4噪声分析

通过对冲床床身的噪声测试,得到冲床的声值基本在75dB以上,超过了国家规定的分贝值。且声值最大的测点在冲头附近,测试的噪声信号如图5和图6所示。

机床在开机状态时,大部分产生噪声的零部件都不工作,这时噪声值比较低。当机床在工作状态时,冲头打击模具,产生噪声,除此之外,一些零部件也会产生噪声,如电动机、丝杆、齿轮、风扇等,此时的噪声值比开机状态要大很多。

通过对开机和工作状态时的两种噪声信号进行分析,可以对机床采用整机隔噪与局部隔噪相结合的方法控制噪声,整机隔噪通过在机床的四周安装隔噪板来实现;而冲头部分是噪声的主要来源,可以在冲头部分粘贴阻尼材料来降噪。再次对机床进行噪声测试,得到的信号如图7所示。

从噪声测试信号中可以看到,数控冲床的低频部分声值较小,噪声信号的频率主要集中在中、高频部分,即在200Hz以上,这些噪声主要由冲床零部件产生。因此想要降低机床的整体噪声可以通过减小中、高频噪声值来实现。在采用隔噪措施以后,声谱的整体分贝值都有所下降,且低频部分声值的减小较为明显。

5结论

通过噪声测试的分析结果得出,数控冲床的噪声来源主要有两种:1) 机床振动所引起的噪声;2) 冲床的零部件运动所产生的噪声,如:电动机、齿轮、轴承及空气动力噪声等。针对这两种噪声产生的不同原因,采取不同的方法来控制噪声。机床振动引起的噪声,可以通过改变机床结构来实现,但这对于大型的工业生产企业来说需要投入更多的生产成本,并不经济现实。因此在设备已经购置并安装完成的前提下,可以采用整机隔噪的方法来降低噪声,另外对床身的主要噪声来源冲头部分,可以采用粘贴阻尼材料进行隔噪。

参考文献

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[3]车景心.生产性噪声的危害与控制措施[J].安全,2010,1:34-36.

[4]张士刚,李斌,朱香芹,等.极低噪声测试系统的方法研究[J].低温与超导,2010,38(1):76-79.

冲床噪声分析及应对措施 篇2

关键词：冲床噪声；空载噪声；负载噪声；降噪量；模具结构

中图分类号：TG385文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）16-0187-02

随着工业生产的发展，噪声对环境的污染及对人类的危害也日益严重。冲压噪声是主要的工业噪声源之一。冲床冲压噪声的产生与传播途径多样，影响因素很多。本文将对冲床噪声的产生原因作简单的分析，并结合实际提出一些应对措施。

一、冲压噪声的来源分析

冲床噪声主要可分为空载噪声和负载噪声。空载噪声是冲床空载运转噪声，它包括电动机噪声、工作机构间隙产生的冲击噪声、离合器与齿轮撞击噪声等。其中，主要是离合器和齿轮的撞击噪声。负载噪声是冲床冲压时产生的噪声，在相同的冲床上采用不同的冲压工艺（如冲裁，拉深，弯曲）加工同样材料所产生的噪声不一致。

（一）空载噪声

1．电动机噪声。做为动力源，电机工作时产生的噪声包括电机绕组的电磁噪声、空气动力噪声及机械噪声。电机噪声的声压级与电机的功率、转速等有关。电机的电磁噪声，主要是由交变电磁场相互作用激发转子和定子振动产生的。电磁噪声一般为高频噪声。电机的空气动力噪声主要是冷却风扇噪声，对于相当多的电机，冷却风扇噪声是主要噪声源。机械噪声主要包括一些旋转运动部件的非平衡力激发产生的噪声和一些零部件振动时产生的噪声。

2．工作机构间隙噪声。冲床的曲柄连杆滑块机构共有三对摩擦副：曲轴轴颈与曲轴瓦；曲柄颈与连杆大头轴瓦；连杆小头（球头）与滑块球头座。由于制造和装配误差以及工作需要，它们之间不可避免存在间隙。它们之间彼此的移动，从自由移动过渡到接触移动时，必然要带来强烈的撞击，这种噪声频带宽，高频部分强。间隙越大，噪声越高。另外，间隙一定时，滑块行程次数越高，噪声比例升高。

3．离合器噪声。当离合器结合时，不少冲床都会发生“叮当”声。这是滑块、连杆在往复运动时的惯性力和曲轴的回转质量的离心力产生碰撞发出的间断声响。影响离合器噪声因素有：离合器接合时受到的冲量的大小，在质量一定的条件下决定于冲击速度的高低；还与接触材料本身的刚度和阻尼特性有关。离合器有刚性的和摩擦式的两种，其中转键式在中小吨位冲床上应用最广，噪声相对较高，噪声是由一系列的撞击所引发的。

引起负荷运转噪声的原因有刀具与工件或卸料板与坯料间的撞击、冲压工艺过程的扭击与冲剪。其中冲压过程的扭击与冲剪噪声最大。

1．扭击噪声。同类冲床的扭击噪声与冲压部件的板厚、硬度、几何形状、锤击速度、冲模间隙等因素有关，噪声随这些量值增大而提高。冲床工作时，冲头与板料及卸料板与坯料的碰撞冲击大大增强，随着撞击速度的增加撞击声也随之升高，如图1所示。碰撞噪声与其后发生的材料断裂声可分别测得，这一测量方法已付诸实施。在同一台冲床上，冲裁厚、硬料比冲裁薄、软料的噪声大。对于厚的延展性板料，撞击噪声与断裂声达到一样大小。

2．冲剪噪声。冲压工艺工序不同，噪声差别很大。板料冲裁要比弯曲、拉深的噪声大，而压印、压波、翻边、弯曲、拉深等成形工序的噪声较小。

下面以冲裁为例，分析冲裁噪声的产生。冲裁过程大致可分为弹性变形，塑性变形和断裂分离三个阶段。冲裁时，冲头一旦接触金属板料，冲裁力开始增加。与此同时，由于机身及其它受力构件的变形而积蓄了弹性能。当冲头进入板料约一半厚度时，冲裁力达到最大值。板材的突然断裂使冲头突然失荷，机身等积蓄的弹性能在极短时间内释放出来，将激起机身及各部件的振动，使部件间产生冲击，与此同时，滑块以相当大的速度下冲，引起滑块周围空气的压力扰动，从而辐射噪声。

除以上的分析之外，冲床的间距，包括与左右、前后冲床的间隔小于工厂设计规范标准尺寸时，冲压噪声将增大。安装冲床的密度过大，噪声将大幅度地增大。冲压车间净空间不能太小，屋架下弦标高低于4米，会增大噪声折射混响，加大噪声。

二、冲床噪声的危害

工业噪声对环境是一种污染，冲压噪声据实测结果都远远超标并超过人的听觉限度，它直接危害人的健康。长期在噪声环境中工作使人烦躁不安、产生“声音催眠”效应，使人精神委靡不振。一定强度的持续噪声，伤害人的听觉，轻者造成耳沉，重者引起耳聋，这就是“噪声性耳聋”，亦称“职业性耳聋”，这是长期处在噪声环境中工作，内耳受损所致。

强烈的噪声，极易形成差拍型次声波，作用于人的躯体。有资料表明人体各部位都存在固有颇率，身体为7 ～13HZ，内脏为4 ～6HZ，头部为8 ～12HZ，这些固有频率刚好在次声波频带内，所以冲压工人在强烈噪声环境中工作，常有头昏脑胀、恶心和心悸之感。若噪声波及到附近，会影响别人的休息及降低他人的工作效率。这类噪声在噪声控告事件中已居首位，不少厂区厂群矛盾已趋剧化。降低冲床噪声已成为噪声控制工程中的当务之急。

三、噪声的应对措施

由于噪声治理方案必须兼顾车间内外工人和厂外环境，因此必须根据实际情况采取综合性的多种治理方法。

（一）消除工作机构噪声

机械式冲床常用曲柄滑块式的传动机构，为了减少间隙，轴承应按规定要求安装，装配的配合间隙要适当。因运动而增大间隙，轴承处可使用粘度较高的润滑油，以增大阻尼，可使冲床的空载噪声下降。还可在金属薄板上粘贴阻尼层，金属件相互撞击部位垫入橡胶、塑料或其它防振垫层，并用螺栓等加以紧固，甚至也可用高强度非金属代替部分金属部件。

（二）改进机床结构

将系列开式双柱固定台压力机和系列开式双拄可倾压力机改用摩擦离合器。冲床的传动系统多用正齿轮传动，开动冲床齿轮啮合就会发出声响，如果改用斜齿或人字齿轮传动，就可基本上消除这种摩擦噪声。尽量少用或不用高压压缩空气吹卸冲件，推荐使用简易机械手或倾斜床身15°以上，使冲件自动下落到零件箱。

（三）改进模具结构

用斜口模具代替平口模，利用刀口的斜面，使板料逐渐分离，从而延迟了冲切时间，可起到一定降噪效果。降噪声与剪切角有关，剪切角越大，冲切时间也随之增加，噪声级降低量也相应增大，图2为剪切角与降噪量之关系，最佳剪切角以8°～10°为宜。

厚板冲孔、落料冲裁模，可采用冲击限位冲裁，即在模具上设计限位块或限位柱，并在其冲击接触面设置加厚的聚氮酚之类的弹性板，能获得很好的消振减噪效果。

合理地选择冲模的径向百分比间隙，冲模百分比间隙对材料断裂形式和受力特性都有较大的影响。间隙较小时，噪声级较低。

（四）设置吸音、减振装置

把冲床的飞轮及其传动系统加罩壳封闭起来，能显著降低传动部分的噪声。对于功率大、噪声高的电动机还应配置局部隔声罩或封闭式隔声罩。在冲床滑块下部或模具工作区外侧，装活动防护栅或隔音罩。如果在模具外装上隔音罩，罩内壁再贴上吸声材料，消减噪声效果更为显著。可以在冲压车间冲床机群的上方屋架下弦吊吸音板，建吸音天棚和吸音墙，还可使用活动吸音屏。安装冲床时，在装地脚螺钉部位安放减震垫。模具内可装置缓冲器，如橡胶类、金属弹簧、空气弹簧、液压缓冲器等，其中以液压效果为佳。

（五）合理布置厂房

一般冲压车间的冲床多采用机群式布置，除专用件冲压生产线、多机联动自动线外，经常将冲床按吨位分组成群排列。为了消减噪声，便于作业，按吨位分组的每组冲床数应不超过5台，组与组之间至少空一排机床位置作为缓冲地带，平常可为零件箱的堆场。中小型机械压力机，前后间距不少于1～1.5m，左右间距应平均大于1m。每台冲床占有车间有效生产面积12～15m2较为适宜。

（六）噪声的个人防护

用防护药棉、防声棉、橡胶耳塞、塑料耳塞把耳朵塞上，防止或消减噪声对人体听觉的危害。还可佩戴防声耳罩，可以把整个耳轮和外耳道全部罩盖上，不仅隔声效果好，而且没有异常感觉。如果把耳塞与耳罩组合使用，其隔音效果更佳。

除以上提出的措施外还可调整生产组织形式，以缩短工人在大噪声场的暴露时间。如每个工作日调换几次工位或每两小时加一次工间休息，使听觉松弛与恢复，以减少噪声的危害。

四、结语

冲床噪声与振动对环境的污染问题由来已久，过去往往以迁离居民区的办法来解决，但问题并未根本解决。本文提出的一些应对措施可有效降噪，工厂在实践中可灵活运用，争取做到环保部门、工人、居民三满意。

参考文献

[1]陈威．冲床噪声产生的原因、频谱特性及传播途径分析[J]．锻压技术，1999，（5）．

[2]周新祥．噪声控制技术及其新进展[M]．北京：冶金工业出版社，2007．

[3]徐安祥．冲床的振动与噪声[J]．机械工人（冷加工），1995，（8）．

数控转塔冲床运动控制系统研究 篇3

运动控制技术是跨学科的综合技术, 机电一体化的核心。位置控制的实现一般直接采用单片机或微机, 但外围电路结构复杂, 需要较长的开发周期。对控制的精度和速度要求越来越高, 传统的控制系统已达不到快速产品开发的要求。随着控制技术的发展, 市场上出现了种类繁多的运动控制卡, 能够满足运算速度快、高精度的控制要求, 非常适合专用数控设备的运动控制系统开发。

采用的运动控制系统是基于PCI总线的PCI -DMC1410 运动控制卡和功能函数库、PC机、控制多轴的伺服电动机、并依照预定轨迹和运动参数作定位运动［4］。具有开放性、通用性等特点, 方便移植到各种运动控制系统开发中去, 如雕刻机、专用数控机床等, 并利用VS2008提供的MFC为工具, 开发设计数控转塔冲床板料拆垛上料机的运动控制系统。

1 基于运动控制卡的上料机构运动控制系统硬件组成

1. 1 DMC1410B运动控制卡

DMC1410 是基于PCI总线的脉冲式运动控制卡, 可实现多达四个步进/伺服电动机的控制如图1 所示。PC总线是一种先进的高性能32 /64 位地址数据重用本地总线, 具有即插即用硬件直线插补、S型速度控制曲线等功能。位置指令可用单通道脉冲 ( 脉冲+ 方向) 或双路脉冲 ( CW脉冲+ CCW脉冲) 方式输出, 可以差分式或单头式信号, 具有高集成度、高可靠性等特点。

此运动控制卡可完成连续轨迹和点运动。速度控制和位置控制是通过点位运动实现。位置控制模式下包含了2 种加减速方式: 梯型曲线加减速和S型曲线加减速。

1. 2 系统硬件的结构和原理

板料拆垛是自动化冲压的第一道工序。从备料车间运送到冲压车间的板料, 首先通过上料机构中的板料分离装置自动将毛胚垛料实现分离, 然后通过板料抓取装置-拾端器进行抓取。抓取之后再放到指定地方。上料机构系统完成板料的抓取、拆垛和放置, 在工作过程中需要精确的位置、角度定位。在板料的抓取和放置过程中需要较高的精度和速度, 一般传统的控制系统满足不了更高的要求。

运动控制系统的硬件由以下四部分组成: 运动控制卡、PC机、伺服驱动器和伺服电动机。运动控制卡为雷赛科技的DMC1410 的四轴运动控制卡。步科ED - 430 伺服驱动器和+ 60S - 0040 - 30XXX - 4LG小惯量三相伺服电动机。PC机和运动控制卡一起构成控制单元, PC机主要管理信息流和数据流, 控制系统的实时监控和人机交互界面的管理等方面的工作。控制卡插在PC机主板上的PCI插槽内。运动控制卡上专用CPU与PC机构成主从式控制结构。自动升降的处理、脉冲和方向信号的输出、原点和限位等信号的检测等都可由运动控制卡完成。驱动器与运动控制卡的连接板相连, 采用编码器速度控制, 并将收到运动控制卡发出的脉冲信号, 通过内部电路控制电动机运转。如此构成一个半闭环的伺服控制系统。构成如图2 所示。

1. 3 梯形速度曲线运动模式

梯形速度曲线如图3 所示。通常位置控制采用这种速度控制模式。在运动过程中先以恒定的加速度进行加速, 然后达到指定值时开始匀速运动, 运行一段距离后再恒定的加速度进行减速。梯形速度曲线, 包括3 个阶段:恒加速阶段、匀速阶段、恒减速阶段。

运行速度之所以以梯形曲线变化, 主要因为惯性的作用。电动机转子和被拖动的物体不可能在瞬间达到指定速度, 因此必须有一定的加速过程。由图4 可以看出梯形曲线加减速过程中, 启动时、达到设定速度时、从最高速度下降时和最后停止时的这4 个瞬间, 表现出速度转折及相对应的加速度突变。

以梯型曲线进行加减速的主要优点是在运动过程当中可以自动修改目标位置和速度; 其控制方法和计算简单; 适合进行实时运算; 有较短的加减速时间。此方法适用于控制系统处理速度较慢, 且对加减速过程要求不高的场合［1］。

1. 4 S型速度曲线运动模式

如图4 所示, S型速度曲线运动模式的加速度是一个连续的变化过程。加速度或减速度线性地增加或减少, 所以在机械运动的平稳性方面较好。

此运动模式中减速与加速是两个对称的过程, 整个运行过程分为7 个阶段: 加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段。从S型速度和加速度曲线可以看出, 速度和加速度都是时间t的连续函数。从启动到加速过程有光滑过渡过程, 这种运动模式冲击小, 噪声小, 可延长电动机和机械系统的使用寿命。

梯形曲线加减速在运动过程中可以随时修改目标位置和速度; S曲线加减速只能修改目标位置。在加速度相等的情况下梯形曲线具有较短的加减速时间, 而S曲线的运动比较平滑, 应针对具体的场合选择相应的加减速模式。

2 上料机构运动控制系统软件

2. 1 系统软件设计

基于Windows平台的系统软件是基于抢占式的多任务操作系统［2］, 具有友好的图形界面和丰富的开发资源, 实现多任务时不需要用户干预。采用模块化设计, 便于系统的维护和升级。根据需求将该系统划分成位置模块、参数设置模块、运动控制模块、系统管理模块、信息显示以及异常检测处理等6 大模块。VS2008 是一个功能强大的可视化编程工具, 是目前常用的程序开发平台之一。DMC1410 提供Windows驱动程序, 能够在VS2008 环境下调用动态链接库, 而寄存器级别的应用函数为开发人员提供更多的便利, 使底层的开发更加容易［3］。图5 为系统软件的设计流程图。

启动系统后进行初始化, 然后设置相应的运行参数, 参数设置主要负责设置上料机x、y、z轴运动控制的脉冲输出, 控制脉冲发送的速度。参数设置完成后, 执行运动控制模块程序进行运动控制, 状态显示模块将各轴运行状态, 如速度、位置等信息显示。各功能模块通过主框架程序相互协调控制, 构成一个完整统一协调运动控制系统。

2. 2 软件的模块化实现

软件设计采用模块化方法使得上料机运动控制系统软件便于维护, 并且具有可重构性、可扩充性。模块化设计即在程序的编写过程中不是逐条逐句写入各种语句和控制指令。而是用框架将软件的主要结构和流程描述出比如主程序、子程序、子过程等。将各个框架之间的输入、输出、链接等关系定义并调试好, 由此得到以功能块为单位的一系列算法描述［4］。模块化设计可以降低程序的复杂程度, 便于设计、调试和维护。模块化的开发过程中, 要做好目录结构、命名规范、全局和特例的界限划分。这样才能容易实现封闭独立性、可重复性、可修改性、统一性等较高的要求。对系统模块还有需要注意以下几个问题: 系统更换的可能性和必要性; 在功能及结构方面有一定的独立性和完整性; 模块间的衔接要素要易于联接与分离。按模块化设计思想对系统进行模块划分, 将运动控制系统分成以下几个模块 ( 图6) :

1) 初始化模块, 对拆垛上料机运动控制系统进行初始化工作, 主要包括界面、运动控制卡和各项参数等的初始化。

2 ) 参数设置模块, 完成对相关机构速度、加速度、运动位置的设定。模具库管理及伺服报警模块的设计。

3) 运动控制模块, 主要包括运动模式的选择、接收限位、开关等信号、回零、对运动控制卡发送运动指令, 实现对整个拆垛上料机的运动控制。

4) 状态显示, 实时显示当前运动状态的信息。

5) 系统管理以及异常检测处理模块。

控制系统软件还需要一个方便、友好的控制系统人机界面图7 为数控转塔冲床板料拆垛上料机运动控制系统操作界面。

运动控制系统的人机界面主要作用是通过各种方式把系统的各种功能信息展示出来, 并把用户的输入和选择变成相应的数据传递给控制系统进行实现, 用户界面应该是界面友好、亲和力强, 能够最大限度的反馈系统运行的关键状态, 让操作者更好的掌握系统的运行过程。

2. 3 程序的实现

用户可以编制出相对应要求的控制系统界面, 并调用运动控制卡上相应的一部分函数, 就可以开发出满足要求的运动控制系统。依据所设计的操作界面以及要实现的运动控制功能, 可通过响应函数来实现。对话框中x、y、z轴3 个按钮, 要对初速度、加速度、运动距离和运动模式进行相关的设置和有选择性的读取。

实现过程如下:

如果实现连续运动模式时三轴的独立运动, 调用运动函数库响应函数中的v _move ( axis, str _vel, max _vel, Tacc) , 结束运动时调用v _stop ( axis, Tdec) , 停止各轴的运动。

3 结语

基于PCI总线上的PCI - DMC1410 四轴运动控制卡为核心的运动控制系统。为了克服传统的数字运动控制装置外围电路复杂, 计算速度慢的缺陷, 设计了高速, 高精度运动控制。此外, 该系统具有通用性, 能够方便地移植到各种运动控制系统的开发中。

参考文献

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[2]金雪云, 等.Visual C++教程[M].北京.清华大学出版社, 2005.

[3]张杰, 黄益群.基于PC的开放式多轴运动控制系统开发[J].伺服控制, 2007:47-48.

数控冲床噪声控制研究 篇4

数控转塔冲床是高效、精密的柔性薄板材冲裁设备,利用数控系统对转塔刀具更换、冲孔形状以及板料进给位置进行控制,其可靠性、加工精度都与机床的振动和噪声有密切的关系。数控转塔冲床的床身主要由两块主板和多块加强筋焊接而成,且上、下转盘采用铸钢件,尺寸较大,在空转或者板材加工时会产生很大的振动和噪声,因此对其进行振动和噪声的监测是有效解决问题的必要步骤。

1振源和噪声源分析

1.1 振源分析

要解决数控转塔冲床的振动问题,就要先分析振动产生的原因并找出振源,只有对振源的具体情况具体分析,才能制定出针对振源的有效控制方法。

数控转塔冲床的振源主要是:

(1) 不平衡的旋转件曲轴。曲轴在高速旋转下,由于其质心和旋转中心存在偏心,从而产生了绕旋转中心的离心力,使轴与轴承直接产生了较大的振动。

(2) 进给横梁在y轴与x轴加速情况下的自振,以及带动机床床身的振动。

(3) 旋转盘尺寸和质量较大,其铸造加工以及装配容易产生偏心,旋转时引起较大的离心力。其离心力W(N)为:

W=meλ2 。 (1)

其中:m为旋转偏心部件与轴的质量之和,kg;e为偏心距,m;λ为旋转角速度,rad/s。由式(1)可以看出,在偏心距一定的情况下,离心力与旋转件的质量和速度成正比。

(4) 在离心力作用下,冲床受到了离心力与机床底边所产生的颠覆力矩γ(Nm):

γ=Wh 。 (2)

其中:h为离心力到机床底边的距离。

(5) 凸模冲击板材引起的振动,以及带动冲床的振动。

(6) 来自其他设备通过地面传递过来的干扰。

1.2 噪声源分析

机械噪声与振动有着密不可分的关系,在机械有较大噪声的部位一般就有较大的振动。数控转塔冲床的噪声是脉冲式的瞬态噪声,其声压级峰值达到100 dB～120 dB。其噪声分为运转噪声和冲裁噪声,如齿轮间的啮合噪声、轴承噪声、空气动力噪声、电动机噪声、机构间隙产生的噪声和冲裁工艺噪声。

2数控转塔冲床振动和噪声测试

机械(或结构)的振动测试主要是指测量振动体(或振动体上某一点)的位移、速度、 加速度的大小,以及振动频率(或周期)、相位、衰减系数、振型、频谱等。机械振动测量中,有时不需要测量振动信号的时间历程曲线,而只需要测量振动信号的幅值,即振动位移、速度和加速度信号的有效值或峰值。如果所测的振动信号是简谐信号,只要测出振动位移、速度、加速度幅值中的任何一个,就可以根据位移、速度、加速度3者的关系求出其余的两个。设振动位移、速度、加速度分别为x、v、a,即:

undefined

其中:Q为位移振幅;ω为振动角频率,ω=2πf,f为振动频率;φ为初相位。

振动信号的幅值可以根据位移、速度、加速度的关系,分别用位移传感器、速度传感器和加速度传感器测量,也可利用信号分析仪和振动仪中的微分、积分功能测量。

测量机械噪声的目的一般是为了进行产品噪声鉴定、评价或噪声声源识别,以便采取噪声控制措施。在机械噪声现场测量时,须使声音的混响小于3 dB(A)。为此,要求现场测量的实验室体积H(m3)与机械规定表面积Z(m2)之比足够大。其表面积Z按下式计算:

Z=2kc+2bc+kb。

其中:k为有效长度,即机械长度加2倍的测点距离,m;b为有效宽度,即机械宽度加2倍的测点距离,m;c为有效高度,即机械高度加测量距离,m。

2.1 振动噪声测试系统

(1) 设计实验方案。设计的系统测量框图如图1所示。

(2) 根据上述的理论分析,再根据经验和听觉,确定振动噪声的大概位置,确定测试点1、2、3,见图2。然后对连接好的仪器进行调试,在启动机床后察看信号接收及仪器仪表指针读数等情况,确保仪器的正常工作。

2.2 振动测试数据

表1～表3为振动测试结果。

2.3 噪声图谱

图3、图4分别为机床开机和工作时的噪声图谱。

3测试结果分析

对测试结果与理论分析的振动源、噪声源位置进行比较,其位置基本一致。由图2给出的数控转塔冲床测试点分别为:侯口1、横梁位置端2、伺服电机处3。在这3点位置中,测试点3的峰值偏大,这是由于伺服电机的影响;且随着进给步距的增加,1、2、3三点的振动明显上升,1点的位置受到转轮的影响,使其振动超过了其他两点;2点的振动是由自由振动等多方面的振动叠加而成的,如床身的自振、横梁振动等,这些都影响了机床的稳定性。

根据噪声测试结果,可以看出冲床的最低噪声也在90 dB以上,最高速度运转时的噪声达到了120 dB～125 dB。85 dB以上的噪声就会使人感到心烦意乱,因而无法专心工作,导致工作效率降低;超过115 dB的噪声会造成耳聋。因此该机床的最低和最高噪声都对工作人员的身心健康造成了危害,严重影响了生产质量和生产效率。

4结论

通过对数控转塔冲床振动源的分析测试,提出以下针对性的建议:

(1) 针对其振动,可以在机床床身支撑脚上安装WJ-90型橡胶减振底盘使其固定在机床与地基之间,加大底盘的厚度和面积。在机床床身中装入适量的黄沙,利用床身里面的黄沙来吸振,将机械能转化成内能,见图5。

(2) 对局部噪声较大的区域采用隔声罩,这种隔声罩可采用硬纸片或者是聚氨酯塑料制造,制作简单,成本低廉;也可以在适当的地方加隔振垫来减小噪声。在床身支持板噪声振动较大的地方,适当地粘贴阻尼材料,将振动的机械能转化成为内能,从而减小振动和噪声。

参考文献

[1]南建平.冲床的噪声及控制[J].鄂州大学学报,2005,12(3):70-72.

[2]陈威,陈维民,刘钢.冲床噪声产生的原因、频谱特性及传播途径分析[J].锻压技术,1999(5):40-45.

[3]许颖颖.数控冲床噪声控制研究[J].机械制造,2011,42(2):58-59.

[4]廖钢,杨受章,黄状飞.JB-60型冲床机理及降噪方法的研究[J].湖南大学学报,1991,18(4):35-40.

[5]羊拯民.机械振动与噪声[M].北京:高等教育出版社,2011.

[6]闻邦椿,刘树银,陈照皮,等.机械振动理论及应用[M].北京:高等教育出版社,2009.

数控冲床噪声控制研究 篇5

随着现代制造业的发展,新一代的数控伺服转塔冲床代替老式的机械和液压数控冲床已成为必然。数控伺服转塔冲床具有高柔性、高效性、高精度、低噪环保性、节能、易于维护、稳定性好等优势。比同类数控液压冲床性价比更高,操作更简捷,更可以精确控制滑块行程,有利于实现压窝、浅拉深等难度大的工艺,使生产效率更高,产品质量更优。这些优点,主要是主驱动采用了交流伺服控制技术的结果。数控系统、伺服驱动控制模块、交流伺服电机及编码器检测元件一起组成了伺服主驱动的半闭环反馈控制系统,可以实现主驱动的速度控制、运动轨迹控制、位置控制等。在此系统控制中,我们应用了数控系统的PMC控制功能来实现主驱动轴的数字位置控制。

2 PMC控制功能

PMC是指数控系统的顺序逻辑编程系统,用于编辑控制机床动作的所有顺序逻辑控制程序。一般机床数控轴都由数控系统CNC直接控制,由系统发出给定轴的位移和速度指令,通过伺服驱动系统完成给定轴的各种指定运行。当某轴的控制指令由PMC发出而非CNC发出时,我们称此轴为PMC控制轴。FANUC系统具有这种独立于CNC直接控制给定轴的PMC控制功能。PMC能直接控制下列操作:快速移动指令距离、连续进给、参考点返回、进给速度控制等各种轴控功能操作。一个轴是CNC轴还是PMC轴可由系统特定信号定义。

3 PMC控制功能应用

考虑到FANUC系统应用在伺服冲床上的特殊性,在x、Y轴送料过程中伺服主驱动轴(Z轴)的冲压运行,即Z轴的快速移动,由数控系统发出有关信号进行启动,我们定义Z轴为PMC轴更方便其控制使用。下面介绍Z轴作为PMC轴是如何实现其应用的。

3.1 定义PMC轴

PMC提供4个通道,使用输入和输出指令控制这些操作。这里只选择一个通道,通道1(A组)。由参数No.8010定义选此通道控制Z轴。设定Z轴为机床的第一个轴,于是设定参数为No.8010A1P1A2P0A3P0A4P0A5P0表示第一轴Z轴是受通道1 (A组)控制的PMC轴。

3.2 定义PMC轴有效

为使Z轴作为PMC轴有效,需要设定Z轴的PMC选择信号EAX1为1。相应地址为G136.0,编入梯形图(图1)。图1中MA为系统准备好常1状态。

3.3 定义操作类型

从FANUC系统定义我们知道,轴控制指令信号、轴控制进给速度信号、轴控制数据信号和程序段停止禁止信号一起决定一个完整的操作。这些信号总称为轴控制程序段数据信号,相当于CNC控制的自动操作期间执行一个程序段。其控制信号见表1。

(1)轴控制指令信号ECOA—EC6A相应地址为G143.0—G143.6。我们定义Z轴为快速定位轴,使用快速移动指令,定义用00h代码。梯形图编程如图2所示。

图2中R9091.1为系统常1状态。

(2)轴控制进给速度信号EIFOA—EIF15A相应地址为G144和G145两个字节,定义PMC轴快速移动速度,即Z轴的进给速度。梯形图编程如图3所示。

图3中180000为Z轴最大转速,单位度/min。Z轴我们定义为旋转轴,所以此速度=500rpm。这里设定参数No.8002第一位PRD=1,用轴控制指令的进给速度数据作为被指令的进给速度。如果PRD=0,则使用参数No.1420的数据作为进给速度。

(3)轴控制数据信号EID0A—EID31A相应地址为G146、G147、G148、G149四个字节,根据EC0A—EC6A用到00h代码,那么在这里EID0A—EID31A定义为Z轴移动距离。梯形图编程见图4。

图4中,F0056为通过宏指令定义的Z轴移动距离值,R100.0为相关启动Z轴移动的信号。这样当启动Z轴时,Z轴就获得了需要移动的数据值。

(4)程序段停止禁止信号EMSBKA,相应地址为G143.7。目前设其为0,如果需要可加以应用。

通过以上各个编程,确定了Z轴作为PMC轴完成一个独立的程序段所需要的各种数据。

3.4 PMC程序段的执行

CNC可以将PMC的轴控功能存贮在它的缓冲区中,所以,可以顺序执行多个PMC控制的操作。图5表示一个例子。在此例中,命令[1]正在执行,命令[2]和[3]被储存在缓冲区中,并且命令[4]已经发出(轴控制程序段数据信号已设定)。

当命令[1]的执行完成时:命令[2]从等待缓冲区传输到执行缓冲区;命令[3]从输入缓冲区传输到等待缓冲区;命令[4]传输到输入缓冲区作为指令程序段;输入缓冲区接收的命令[4]后,PMC把命令[5]发送到CNC(轴控制程序段数据信号被设定)。命令操作时序图参见图6。

[1,2],[3],[4],[5]:在这些间隔期间,新程序段不能发出(当EBUFA和EBSYA在不同的逻辑状态时)。参见表2的介绍。从上可见,一个完整操作(一个程序段)的执行需要轴控制命令阅读信号EBUFA和轴控制命令阅读完成信号EBSYA逻辑状态的配合一致。

在3.3中已经确定了Z轴作为PMC轴需要的控制程序段数据,因此,要完成程序段的执行,我们按照信号EBUFA和EBSYA逻辑状态的要求编入梯形图(图7)。

图7中R100.0为相关启动Z轴移动的信号。G142.7为信号EBUFA的地址,F130.7为信号EB-SYA的地址。

通过以上定义和程序的编制,当由有关的信号启动Z轴后,可以控制Z轴以输入的速度和位移进行轴的移动,实现作为PMC轴的控制运行。

4 结语

以上介绍了如何实现PMC轴最基本的控制功能:如何获得程序段控制数据,如何根据逻辑要求编制逻辑程序等内容。这里仅仅是抛砖引玉。如果要使Z轴真正投入使用还需要完善Z轴的各项功能,比如返回参考点、选择坐标系、加入辅助功能等等项目,但基本思路和方法都是一样的。本文希望对读者在有关数控系统中PMC轴控制方面有一定的认识和帮助。

摘要：介绍了FANUC系统中PMC轴控制功能的应用。具体阐述了PMC轴控制程序段数据信号的组成,各信号的含义和应用。

关键词：机床技术,PMC轴控制功能,数控冲床,应用

参考文献

[1]王玉山.伺服机械压力机发展状况.锻压装备与制造技术, 2010,45(1):29-31.

数控冲床噪声控制研究 篇6

关键词：送料系统,动力学,有限元分析,数控转塔冲床

0 引言

为适应机床的现代化发展, 除了要求机床具有重量轻、成本低、使用方便和优良的工艺性外, 还着重要求机床具有很高的加工性能。因此, 应提高其动态性能, 使机床的振动量控制在满足加工要求所允许的范围之内。机床送料系统是机床的重要组成部分, 其动力性能的优劣关系到整个机床的使用性能。本文对某型号数控转塔冲床的送料系统进行动力学研究, 利用拉氏方程, 得到系统动力学微分描述, 并进行有限元建模分析, 为送料系统的设计改进提供数据参考。

1 数控转塔冲床的送料系统

1.1 送料系统的构成

横梁是数控转塔冲床的送料机构, 用于固定板材并送到指定位置, 它由电机、丝杠、导轨、加强筋、夹钳以及横梁方管组成, 如图1所示。

1.2 送料系统动力学方程

根据虚位移原理和达朗伯原理可推导出动力学普遍方程, 如考虑横梁系统的约束条件, 并考虑其广义线性阻尼力和广义激振力[1], 可将拉格朗日方程推广为:

其中:T为系统动能;U为势能;D为耗能;qj为各广义坐标;Q′j为广义力。

利用拉氏方程建立横梁系统运动的微分方程, 其主要优点是可避免出现未知约束反力。对整个送料系统中轴承接触结合部、导轨副结合部及丝杠与螺母接触结合部用等效弹簧及等效阻尼来进行模拟。接触模型如图2、图3所示, 其中, k为各方向刚度, c为各方向阻尼。

将整个送料系统处理为带移动质量块的旋转梁系统, 综合考虑丝杠纵向、横向、扭转振动以及横梁在6个自由度的振动。送料系统动力学模型如图4所示。

取广义坐标, 设横梁x, y, z方向位移分别为qx, s, qz;绕x, y, z轴转动角位移分别为θm、φm、ψm;丝杠在y方向的纵向振动位移为v (y, t) ;x, z方向的横向振动位移分别为u (y, t) , w (y, t) ;绕y轴的扭转角位移为φ (y, t) ;绕x, z轴的转动角位移分别为θ (y, t) 和ψ (y, t) 。则根据文献[2], 利用公式 (1) , 即可得到横梁系统的运动微分方程:

其中:{q}为各方向的位移矩阵;{q·}, {·q·}分别为速度和加速度矩阵;[M], [c (t) ], [k (t) ]分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;{F (t) }为力向量。通过横梁系统数学建模理论来构造横梁的有限元模型, 可以设置较精确的有限元模型的边界条件。

1.3 送料系统动力学性能的实际问题

根据文献[2], 横梁的动力学性能很大一方面是由其动态位移决定的。系统动态位移与系统刚度及阻尼的关系如图5所示。

由图5可知, 在同样的阻尼条件下, 当系统刚度高时, 其稳定时间小;而在刚度条件相同时, 系统阻尼越大, 系统的动态位移越小。如将两者有效结合, 即可使得系统稳定时间减小并拥有较小的动态位移, 从而提高系统的动力学性能。故在试验测试及有限元模拟过程中, 应重点考察系统的动态位移。

2 测试分析

2.1 测试方案

测试的目的是了解横梁在水平面内以不同加速度、不同负载沿垂直于横梁长度方向运动时的动特性[3,4] (主要为各测点动态位移情况) 。

在机床横梁上从左往右依次安排2#、4#、6#、7#、8#五个位移传感器 (如图6所示) , 测试工况为横梁空载往复1mm、10mm、25mm、600mm四种情况。

2.2 测试信号及结果

2.2.1 测试信号波形图及处理

图7为空载往复10mm工况下横梁的动态位移信号波形。从图7 (b) 可以看到每个波形均出现两个小尖峰, 分别为冲程和回程时的波形, 分析这种出现的波峰可作为所测横梁在惯性力作用下的动态位移。

2.2.2 位移分析结果

对横梁在各种工况下的波形取值, 得出的测试结果见表1。

通过表1与该系列机床设计所要求动态位移范围的对比可知, 测试所得值均小于设计所要求额定量, 能够满足该系列机床的加工动力学性能。

3 数控转塔冲床送料系统的有限元分析

3.1 有限元模型处理

利用SolidWorks造型软件对转塔冲床送料机构横梁系统进行实体建模, 忽略一些工艺上需要的倒角及孔等, 将横梁实体模型进行简化, 在软件ABAQUS中进行有限元建模[5,6], 并进行网格划分。根据数学建模关系, 设置横梁各部件之间的相互作用关系及边界条件。由于本文讨论横梁系统的动力学性能, 对分析步进行设置时考虑模型的惯性、几何非线性及瞬态响应等动力学问题, 设置一个动态载荷步, 为显式动力分析步。本文主要对10mm往复运动工况进行模拟分析。

3.2 有限元分析结果

通过有限元建模分析可得到各时刻位移云图, 分析步内0.2s时刻的位移云图如图8所示。

在ABAQUS中分别对2#、4#、6#、7#、8#位移测点进行场变量输出, 得到10mm处急停状态下的位移输出如图9所示。

图9得到的是测试信号波形中的尖角部分, 可以看到振动逐渐衰减, 符合实际情形。将图9中最大峰值减去平衡位置10mm得到的位移结果如表2所示。

将表2与表1对比可知, 有限元模拟结果略小于测试结果, 基本符合实际情况, 原因是模拟过程中不能够真实还原机床的运行环境, 在后续工作中可继续对有限元模型进行修正。

4 结论

通过上述分析, 就横梁系统动态位移这一项动力学性能而言, 该系列机床能够满足设计要求的加工动力学性能。另外使用拉氏方程对系统进行数学描述, 得出的动力学微分方程能够有效辅助有限元模型的建立, 并利用电学测试验证了有限元模型的正确性, 为送料系统的设计及改进提供了数据参考, 能够缩短产品设计的时间, 加快产品开发的进度, 具有一定的工程意义。

参考文献

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[5]庄茁, 由小川.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京:清华大学出版社, 2009.

数控冲床噪声控制研究 篇7

本文在进行冲床数控系统的研究设计时，吸取了国内外高档数控系统功能低档化应用的成功经验，适当地运用了中高档数控系统设计的思想，以研制通用型数控系统为目标。采用以A R M 9为主CPU，输出较高的脉冲频率，并采用三次样条插补算法、加减速控制方法控制伺服电机平稳高速运行、达到较高的加工精度，自动完成用户加工程序的输入存储处理功能、字符及图形显示、自诊断、数据运算、插补计算以及位置控制等功能。非常适合用于普通机床的数控化改造或经济型数控机床中，代替基于PC机的数控机床，降低成本。

1 冲床数控系统设计

1.1 冲床数控系统硬件结构设计

考虑到数控系统功能分配的合理性和工作的协调性，系统硬件采用32位A R M 9芯片结构模式来实现对电动机的控制[1]。

CPU系统由32位A R M 9芯片、液晶显示器、键盘输入装置、数据存储器等构成，负责处理键盘、显示、网络通讯等非实时性工作;输入输出接口、数据存储器等负责实时性运动控制工作。

以32位A R M 9芯片为核心设计的运动控制器可以与上位计算机通讯，通过上位机编制加工数据，与R A M进行指令的接受以及数据的交换工作。上、下位机的结构模式可大大提高人机界面的友好性，可通过编程加工文件实现复杂图形的加工。控制系统硬件结构如图1所示。

1.2 冲床数控系统软件结构设计

根据系统的不同设计，系统可采用以A R M 9为核心的单片机控制形式，也可采用以上位机为加工数据编制的上、下位机的控制形式。因此，系统的软件设计也需分别设计。

以A R M 9为核心的单片机控制软件包括实现人机对话、系统监控、指挥整个数控系统软件协调工作等，包括CPU系统的初始化、冲床运动状态和参数监控、用户加工程序的编辑修改等功能模块，键盘输入输出口状态的定时扫描、插补计算、工作台X向和Y向的位控输出、电机速度控制、数据处理等功能模块。系统主要通过C语言和A R M汇编相结合来实现对各功能模块的控制。采用上、下位机控制软件模块则分别如图2所示。

2 进给伺服子系统设计

进给伺服系统的任务是按照应用程序发出的位移、速度等指令，驱动电机快速、准确地完成板料的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。其性能直接影响机床的加工速度和加工精度。由于交流伺服系统结构紧凑，具有良好的稳定性、较高的性价比和可靠性，故本系统选用交流伺服电机作为进给驱动单元，并设计相应的交流伺服控制子系统。

2.1 交流伺服控制子系统硬件设计

在数控系统中，交流伺服电机的作用是把控制电压信号或相位信号变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变换为电机的一定转速或角位移，因此采用运动控制卡实现对伺服电机的数字控制。以A R M 9核心控制卡是自主开发的运动控制卡，它与运动控制软件配套使用，可完成各种雕刻机、雕铣机、钻孔机、切割机等的运动控制，功能强大，使用方便。采用A R M芯片设计运动控制芯片，可以减少研发时间，提高研发效率，并且由于运动控制芯片的价格优势,使成本能得到有效的控制，其应用前景将十分广泛。

本系统选用三菱H C-SFE102型交流伺服电机[2]，通过与之配套的M R-E-A伺服放大器的控制实现对伺服电机的位置控制模式和速度控制模式。CPU系统通过A R M 9核心控制系统实现对交流伺服电机的控制,A R M 9核心控制系统与三菱M R-E-A型伺服接线图如图3所示。

为了有效的防止干扰进入运动控制系统控制核心，本系统采用了光耦隔离技术。

在位置控制方式下，控制卡通过D(D+、D-)口输出的高低电平来控制Z轴伺服电机的正反转，P(P+、P-)口输出的高速脉冲数目控制Z轴伺服电机的转动位移，输出的脉冲频率控制电机的转速。进给台的位置精度由交流伺服电机内置的17位绝对式光电编码器来控制。

2.2 交流伺服控制子系统的软件设计

控制系统的软件设计针对系统的不同使用场合和控制的要求，采用了不同控制设计方案，以A R M 9为核心的控制系统可根据使用的不同场合进行软件的裁剪，实现单机使用或上下位机使用。

在本控制系统中，上位机采用工控机，采用visual B.N ET作为开发工具，开发控制系统的上位机软件。

下位机运行的平台是本实验室自主研发的基于A R M 9的运动控制器，采用C语言和汇编混合编程的方法，借助模块化设计方法，完成下位机系统的功能设计。其中路径规划功能，即插补和加减速控制模块是评判一个运动控制器性能的主要依据，其控制算法的好坏直接影响到运动控制器的性能好坏，是本系统研究的重点。本系统在曲线插补的加减速控制中，采用三次样条插补算法[3]、插补前加减速控制方法，通过对启动阶段即高速阶段的加速度衰减，来保证电机性能的充分发挥和减小启动冲击，实现了S曲线加减速控制算法[4]。

3 结论

本文研究的以A R M 9为核心的冲床与国内同类相比处于先进水平。具体表现在以下几方面：

(1)采用32位A R M 9芯核实现冲床数控自动送料系统的控制，控制速度高、精度高、效率高、性价比高且能加工复杂图案。

(2)采用三次样条插补的控制算法，C语言和汇编语言混合编程、嵌入式系统的抢先式软件设计，使系统的鲁棒性更好。

(3)通过光电隔离控制两个电机的正反转和速度，提高了系统的抗干扰性。

(4)废料少，板材利用率高。而且通过改变输入参数，可随意改变板料尺寸、加工件的形状尺寸以及随意选择加工速度，易于控制。

(5)显示接口采用LCD，菜单设计采用多级菜单形式，各级菜单的选择和输入通过键盘的不同功能键控制。系统采用了整机的安全监控，错误提示，系统运行更安全、可靠。

(6)数控程序的编制方法简单，采用基于行列扫描法的点位控制数控语言，操作者不必掌握一般数控编程所需的G代码指令等知识，只需了解坐标系的知识即可，方便工人用输入坐标的方法编程，特别适合技术力量不高的中小型企业使用。

参考文献

[1]杨莉,李正明,刘宝森.基于ARM9的嵌入式数控铣床控制系统的设计.工业仪表与自动化装置,2008年第3期45-48.

[2]三菱HC-SFE102伺服电机规格说明书.

[3]祁涛平,戴晓光.数控系统中两种常用插补算法的分析与比较《湖北职业技术学院学报》,2006年第9卷第2期国家72-74.

更加节省的数控冲床模具 篇8

本文中“节省”的范畴定义为: (1) 采购成本, 也就是价格; (2) 生产准备时间, 方便快捷、不用工具或只用简单工具等; (3) 延长使用寿命, 也就是增加刃磨量和冲孔次数; (4) 节省制造成本, 如减少高价值材料等; (5) 高价值零件的通用化, 如导套通用等。

1 模具结构进化带来的节省

1.1 基本结构

数控厚转塔冲床模具最早出现在七十年代末期, 至今还在使用的80系列模具就是那一时期的代表结构, 此后又出现了85系列和90系列等基本结构。80、85、90是以模具出现的年代定义的, 当前使用最为普及的是85系列, 其次是90系列, 80系列已经较少应用。

1.2 85系列的进化 (A、B工位)

图1是85系列模具进化过程图。左侧为85系列原始型A工位模具结构 (B工位结构相同) , 现在仍被广泛使用中。其特征为:冲模头、弹簧、止环等散件通过冲头上的止挡位和螺纹连结成一体, 配整体导套组成上模组合。缺点: (1) 冲头刃磨量短 (2mm) 、总冲孔次数少 (2) 模具拆装需专用工作台且时间长、强度大 (3) 整体导套, 任何尺寸或形状的改变均需换导套, 采购成本增加 (4) 冲头原材料耗费较多。

图1中, 右侧组图为新85结构, 表示1种冲模头组合+2种冲头+4种导套可组合成4种新结构的85系列模具。其中:

M85系列为快调模具, 导套、冲头与原始型相同, 配一个冲模头组合 (把冲模头、弹簧、止环组成一个整体) 。改进后的优点是 (1) 冲头刃磨量延长 (5mm) 、总冲孔次数增加1.5倍 (2) 模具拆装不需专用工作台, 时间缩短到原来的10%, 轻松便捷。

TOP85系列是更加节省的模具, 在M85的基础上将整体导套变为开放式导套+退料板结构, 带来的好处是使导套变为通用零件, 任何尺寸或形状的改变只需更换退料板即可, 进一步降低了采购成本。E85 M85 TOP85-01.jpg M85ABS和TOP85ABS是指具备油雾润滑功能 (气吹) 的模具, 结构原理同上。

1.3 90系列和其他近似结构

图2是90系列模具图。左侧是90系列的标准和气吹模具, 其特征为:由冲模头、导杆、弹簧、止环构成冲模头组合+更短小的冲头+开放导套+退料板形成上模组合。改进后的优点是 (1) 冲头刃磨量延长 (6.3mm) 、总冲孔次数增加2倍以上 (2) 模具拆装不需专用工作台, 时间缩短到原来的10%, 轻松便捷 (3) 开放式导套, 任何尺寸或形状的改变不需换导套, 只换退料降低采购成本 (4) 冲头原材料耗费较少, 利于降低制造成本。

图2的右侧是另外一种近似结构, 改进使冲头的刃磨量进一步延长 (8mm) , 理论上冲孔次数增加到85原始型的4倍。

1.4 大工位模具的进化

厚转塔模具所谓大工位是指C、D、E工位, 结构相似在此以C工位举例说明。

图3为C工位模具进化过程图。E85为原始型, 结构简单、可靠, 现在仍然广为应用。但其缺点也很突出 (1) 冲头刃磨量短 (3mm) 、总冲孔次数少、刃磨后要加垫片调整冲头高度 (2) 导套拆装很不方便, 需专用工作台, 时间长, 强度大 (3) 润滑不易实现。

M85为改进型的过渡产品, 在刃磨量、导套拆装、冲头高度调整方面都有明显进步, 但现在已经逐步为TOP85替代。

TOP85是最新结构导套组合, 所用冲头、退料板不变的情况下具有以下优点 (1) 冲头刃磨量大幅延长 (5~8mm) 、总冲孔次数达到原来的2倍以上、刃磨后不需加垫片即可方便调整冲头高度 (2) 导套拆装很方便, 不需专用工具, 便于模具清洗和维护保养 (3) 润滑简便易行 (4) 导套键槽标准配置为3个, 适应性强。TOP85ABS是油雾润滑型 (气吹) , 结构与TOP85基本相同。图4是C工位90系列进化图。左侧M90为早期的模具结构, 最大特点是:冲头小型化, 原本的导向功能由固定冲头的载体承担;调整方便, 不需垫片;冲头刃磨量 (5~8mm) , 总冲孔次数增加;方便润滑;导套拆卸方便, 易清洗保养。

TOP90/TOP90ABS是最新结构导套组合, 继承了M90的优点, 还具备气吹和标准通用, 调整更方便等特点。

2 模具制造新材料、新工艺、新技术带来的节省

2.1 模具材料

这里所说的模具材料指制造模具冲头和下模的材料。到目前为止, 已经使用的材料有:高碳工具钢、合金工具钢、高速工具钢、粉末合金钢。半个多世纪以来, 随着数控冲床应用范围日益广泛, 冲压板材、板厚多种多样, 冲裁速度逐步提高, 冲压设备自动化程度逐步提高 (自动化柔性生产单元和柔性生产线广泛应用) , 钣金行业人工费用的提高等综合因素影响, 客户对模具韧性、耐磨性逐步提出更高的要求。用高碳工具钢制造冲头和下模已经被淘汰。当下被国际主流模具供应商普遍使用的材料为 (1) 合金工具钢 (D2、SKD-11、铬12钼钒) , 一般用于下模; (2) 高速工具钢 (M2、SKH-51、钨6钼5铬4钒2) , 一般用于冲头。粉末合金钢虽然使模具寿命大幅提升, 但因价格太高现在使用范围较小。

使用更高级的材料制造的模具采购成本会有所增加, 但因其更高的韧性、耐磨性和成倍增长的寿命, 反过来可有效减少模具采购数量、模具刃磨次数、模具调整时间、停机等待时间、操机工时等, 综合考虑仍能带来成本的节省。理性的评价标准是将模具的年采购量和本单位年度钣金工作量进行比较, 测算出一个比例, 而不是仅仅要求采购人员对比单次采购时的价格。最贵的不一定是最合适的, 最便宜的也不一定是最合适的。

2.2 涂层技术

涂层技术在冲头上的使用借鉴于复杂刀具通过涂层处理延长寿命。较早期是镀钛 (金黄色) , 90年代后期改为碳氮化钛 (TICN) 。通过涂层改善冲头表面的粗糙度和耐磨性, 达到防止粘连、延长寿命的功效, 尤其适用于冲压不锈钢板、铝板、厚热轧板等工况。

图5是高速钢+涂层后与其他材料不加涂层的对比试验数据, 工作条件是用RE 5×30切刀, 冲压1.5mm不锈钢, 步距1.5mm。其寿命是合金工具钢的10倍以上, 是高速工具钢的3倍以上。可以显著地为使用者带来综合费用的节省。

2.3 复合材料冲头

一只85系列A、B工位冲头从功能上可分为三段, 每一段因要求不同理论上可以使用不同的材料。即 (1) 冲头中段直径最大的部分为导向段, 在高频往复运动中与导套配合起导向作用, 要求耐磨性好 (2) 从导向段到刃口处为冲切刃部, 该部位直接参与板材冲切, 要求有良好的韧性、耐磨性、抗变形能力 (3) 从导向段到尾部螺纹部分为力量传递段, 冲孔所需的力由该段传递到刃口部, 要求有好的韧性、抗变形能力。如果能够把最好的材料用到刃口部, 而在其他部位用另外一些材料, 理论上讲不仅可以保证模具的长寿命, 还可物尽其用, 降低原材料成本。但将不同成分的金属材料连结到一起, 还要抵抗几吨到几十吨的高频冲击载荷, 显然是一项复杂的技术。如果工艺过程过于繁复、废品率高、加工成本增加过多等因素存在, 也可能适得其反, 制造成本不降反升。

2.4 组合冲头

85系列C、D、E工位组合冲头结构主要用于标准长切刀, 刃口部选高级材料, 导向段选用耐磨材料, 通过机械方式定位和固定。这种结构各国际品牌都有产品, 但一般推荐用于薄板 (2mm以下) 加工。图6是85系列D工位组合冲头产品图。

85系列A、B工位的接驳结构国内个别厂家试验过, 效果不佳, 草草收场。主要原因是接驳后冲头精度降低, 使用中不稳定、易松动, 易对模具导套和机床造成意外损害, 必须返回原厂二次加工等等。此外从成本角度算也没有优势。