一种普通冲床的自动进料系统
何素梅 吴海彬
(福州大学机械工程系 福州 350002)
摘要：针对J94A-4型冲床的应用现状与存在的主要问题，提出一种自动进料装置的设计方案。本装置主要由检测头、控制器、电机驱动模块及电机、进料夹具等部分组成，本文详细论述了各个模块的实现方法，给出了软件设计流程。为了保证步进电机不失步和多步，还对步进电机升降速过程进行了研究，给出了步进电机启制动过程的加减速度曲线。J94A-4型冲床自动进料系统已经成功的应用在生产中，收到了良好的经济效益。
关键词：冲床，自动进料，检测头，控制
中图分类号：TG519.1
数控机床的出现，不仅提高了生产效率，降低了劳动强度，而且也进一步提高了加工精度和产品质量，这无疑给企业增加了强大的生命力。但由于目前的数控设备价格非常昂贵，很多企业为了节省资金并充分利用现有的资源，都提出并实施对现有设备进行数控化改造。冲床是很多企业必不可少的设备，加工的重复性很强，占用的劳动力资源往往也较多，所以对其进行数控化改造就显得十分迫切。本文论述了用来给柔性材料冲孔的J94A-4型冲床的自动进料系统。
1 自动进料系统的总体方案
J94A-4型冲床是一种功率相对较小的普通机床，采用不同的模具，可以加工不同材料和形状的介质，但一般都是很薄的材料。该冲床在某公司用来加工焊接用的圆形铜片，如图1所示。冲床的上冲模上下往复运动一个周期，操作人员拉动被加工材料前进一个步距，冲下来的圆形铜片进入到下冲模的出口。模具本身带有卡紧装置，卡住被加工材料一边大约10mm 宽度的缺口，被加工材料如图2所示。操作者向前拉一定距离后，介质被自动卡住。冲床的冲压速度有两个档，一个快档，一个慢档，在手工操作的情况下，只能用慢档，因为快档速度太快（1秒钟冲压3次），模具本身的卡紧装置很容易卡死介质。
针对上述情况，并考虑到操作人员的劳动强度大、加工效率低，以及无法避免被加工材料的浪费等弱点，研制了自动进料系统。总体方案是，冲床主传动系统不作改变（即由异步电机拖动的冲床上冲模上下往复运动），去掉模具的卡紧机构，被加工材料的进给量由自动进料系统决定。自动进料系统实时检测上冲模的运动位置，并根据上冲模的位置和运动方向决定进料驱动机构是停止进料还是开始进料。所以，本冲床的自动进料系统由以下几部分组成：检测头、控制器、步进电机及其驱动模块、夹紧机构等，如图3所示。检测头用来检测上冲模的位置和运动方向，控制器根据检测结果决定步进电机的工作状态。
2 自动进料系统设计
冲床的自动进料系统必须满足以下要求，当上冲模即将接触下冲模时，被加工材料必须停止进给，当上冲模离开下冲模以后，并且在下一次接触下冲模之前，被加工材料必须走完规定的进给量。检测头就是用来检测出上冲模运动的分界点，并把这一信号送给控制器，由控制器决定驱动步进电机运转还是停止步进电机运转。自动进料系统总体框图如图4所示。
2.1 检测头
检测头在自动进料系统中起着关键性的作用，其原理图如图5所示，采用红外敏感元件槽隙式光断续器制作，与市场上出售的普通红外探头相比，灵敏度非常高，具体表现在：通过槽隙的挡光物体，其最小尺寸可以达到0.5mm 时，仍能使光断续器可靠动作。把检测头固定于冲床台面上，挡光板固定于上冲模的侧面。上冲模的运动带动挡光板，挡光板的运动
经过光断续器的槽隙，从而使光断续器输出相应的信号。所以，只要合理确定光断续器的位置和挡光板的长度，就可以检测到上冲模往复运动的分界点，在分界点以下，挡光板挡住二极管发出的红外光，所以光断续器输出高电平；在分界点以上，挡当光板离开光断续器的槽隙，因而光敏三极管输出低电平。
2.2 控制器设计
控制器核心选用A TMEL 公司的AT89C51单片机，由于其采用CMOS 工艺，省电，带负载的能力高，特别是其Flash 存储器技术，使程序的擦写变得极其方便和快捷，所以，近些年来，在各个领域得到了广泛的应用。
本控制器软件设计并不复杂。检测头输出的脉冲信号经反向器给单片机的外部中断0，所以，整个程序分为主程序和中断服务程序两部分。介质的进给量经过转化，可变为步进电机的转角，如下：
n =180⋅∆L （1） πR
式中，n ：一次进给量转化为步进电机的转角；
∆L ：介质的进给量；
R ：驱动滚轮的半径。
根据步进电机的工作方式（四相八拍）以及（1）式，可以得到循环次数。把此循环次数作为一个标记值，存入固定的地址，每执行一个循环，标记值减1，减到0时就等待。如果在步进电机的运行中，单片机接收到检测头的中断信号，则要立刻终止步进电机的运行。为了方便操作和控制，控制器还加了调速和LED 显示功能，这样可以根据上冲模的运动速度适当调节步进电机的转动速率，并同时把冲压的次数通过LED 显示出来。
2.3 电机及其驱动模块
步进电机是本自动进料系统的执行机构，尽管要求的功率不是很大，但用单片机直接驱动显然不可能，所以，中间加了驱动模块。采用Allegro 公司的UCN5804B 步进电机驱动芯片，其主要特点是采用恒压驱动方式，最大驱动电流可以达到1.5A ，单极性，主要用来驱动四相六线步进电机。
3 步进电机启制动过程
冲床的自动进料过程是靠步进电机间歇性转动一定步长的角位移来实现的，所以，自动进料系统是否能可靠工作，关键在于步进电机是否失步或多步。电机的启动过程容易产生失步现象，制动过程由于负载的惯性容易产生多步现象。因而步进电机是否失步或多步，主要取决于其加减速过程，这不仅与电机本身的起制动特性有关，而且也与所带负载的大小有关。经过多次对比试验，本自动进料系统的启动过程最终采用了如图6所示的加速度曲线，由此计算步进电机加速过程中每个脉冲的周期，制动过程的减速度曲线正好与加速脉冲序列相反。
4 结束语
针对J94A-4型普通冲床设计的自动进料系统已经成功的应用于生产实际中，产生了良好的经济效益。本自动进料系统，不仅提高了生产效率和自动化水平，而且也使原材料得到了充分的利用，为企业节约了资金。使用实践证明，本系统工作稳定可靠，灵敏度高，运行过程噪声小，可以长时间使用。
参考文献
1 吴海彬，朱世强，陈鹰. 基于光断续器的振弦拾振技术. 光电工程，2000，27（1） 2 胡汉才. 单片机原理及其接口技术. 北京：清华大学出版社，1996。193－282
Automatic Feeding System for one
Common Punch
He Sumei, Wu Haibin
(Department of mechanical engineering, Fuzhou University Fuzhou 350002)
ABSTRACT : The design proposal of automatic feeding system is presented, in allusion to the problems that J94A-4 type of common punch exists. This automatic feeding system is made up of probe, controller, clamp, motor and its driving module, all of which are discussed in detail in this paper. At the same time, the software flow of the controller is also provided. In order to ensure not to lose and add steppes, the course of ascending and descending speed for stepping motor is not only investigated, but also the acceleration curve is offered. This automatic feeding system for J94A-4 type of punch has been used for manufacturing successfully, and being gotten the favorable economic benefit.
Key Words: Punch, Automatic feeding, probe, control
附
作者简介：
何素梅，女，1972年生，福州大学机械工程系讲师，硕士，主要研究方向为计算机辅助设计技术。
吴海彬，男，1973年生，福州大学机械工程系教师，博士，主要研究方向为机电控制、机器人技术等。
一种普通冲床的自动进料系统
何素梅 吴海彬
(福州大学机械工程系 福州 350002)
摘要：针对J94A-4型冲床的应用现状与存在的主要问题，提出一种自动进料装置的设计方案。本装置主要由检测头、控制器、电机驱动模块及电机、进料夹具等部分组成，本文详细论述了各个模块的实现方法，给出了软件设计流程。为了保证步进电机不失步和多步，还对步进电机升降速过程进行了研究，给出了步进电机启制动过程的加减速度曲线。J94A-4型冲床自动进料系统已经成功的应用在生产中，收到了良好的经济效益。
关键词：冲床，自动进料，检测头，控制
中图分类号：TG519.1
数控机床的出现，不仅提高了生产效率，降低了劳动强度，而且也进一步提高了加工精度和产品质量，这无疑给企业增加了强大的生命力。但由于目前的数控设备价格非常昂贵，很多企业为了节省资金并充分利用现有的资源，都提出并实施对现有设备进行数控化改造。冲床是很多企业必不可少的设备，加工的重复性很强，占用的劳动力资源往往也较多，所以对其进行数控化改造就显得十分迫切。本文论述了用来给柔性材料冲孔的J94A-4型冲床的自动进料系统。
1 自动进料系统的总体方案
J94A-4型冲床是一种功率相对较小的普通机床，采用不同的模具，可以加工不同材料和形状的介质，但一般都是很薄的材料。该冲床在某公司用来加工焊接用的圆形铜片，如图1所示。冲床的上冲模上下往复运动一个周期，操作人员拉动被加工材料前进一个步距，冲下来的圆形铜片进入到下冲模的出口。模具本身带有卡紧装置，卡住被加工材料一边大约10mm 宽度的缺口，被加工材料如图2所示。操作者向前拉一定距离后，介质被自动卡住。冲床的冲压速度有两个档，一个快档，一个慢档，在手工操作的情况下，只能用慢档，因为快档速度太快（1秒钟冲压3次），模具本身的卡紧装置很容易卡死介质。
针对上述情况，并考虑到操作人员的劳动强度大、加工效率低，以及无法避免被加工材料的浪费等弱点，研制了自动进料系统。总体方案是，冲床主传动系统不作改变（即由异步电机拖动的冲床上冲模上下往复运动），去掉模具的卡紧机构，被加工材料的进给量由自动进料系统决定。自动进料系统实时检测上冲模的运动位置，并根据上冲模的位置和运动方向决定进料驱动机构是停止进料还是开始进料。所以，本冲床的自动进料系统由以下几部分组成：检测头、控制器、步进电机及其驱动模块、夹紧机构等，如图3所示。检测头用来检测上冲模的位置和运动方向，控制器根据检测结果决定步进电机的工作状态。
2 自动进料系统设计
冲床的自动进料系统必须满足以下要求，当上冲模即将接触下冲模时，被加工材料必须停止进给，当上冲模离开下冲模以后，并且在下一次接触下冲模之前，被加工材料必须走完规定的进给量。检测头就是用来检测出上冲模运动的分界点，并把这一信号送给控制器，由控制器决定驱动步进电机运转还是停止步进电机运转。自动进料系统总体框图如图4所示。
2.1 检测头
检测头在自动进料系统中起着关键性的作用，其原理图如图5所示，采用红外敏感元件槽隙式光断续器制作，与市场上出售的普通红外探头相比，灵敏度非常高，具体表现在：通过槽隙的挡光物体，其最小尺寸可以达到0.5mm 时，仍能使光断续器可靠动作。把检测头固定于冲床台面上，挡光板固定于上冲模的侧面。上冲模的运动带动挡光板，挡光板的运动
经过光断续器的槽隙，从而使光断续器输出相应的信号。所以，只要合理确定光断续器的位置和挡光板的长度，就可以检测到上冲模往复运动的分界点，在分界点以下，挡光板挡住二极管发出的红外光，所以光断续器输出高电平；在分界点以上，挡当光板离开光断续器的槽隙，因而光敏三极管输出低电平。
2.2 控制器设计
控制器核心选用A TMEL 公司的AT89C51单片机，由于其采用CMOS 工艺，省电，带负载的能力高，特别是其Flash 存储器技术，使程序的擦写变得极其方便和快捷，所以，近些年来，在各个领域得到了广泛的应用。
本控制器软件设计并不复杂。检测头输出的脉冲信号经反向器给单片机的外部中断0，所以，整个程序分为主程序和中断服务程序两部分。介质的进给量经过转化，可变为步进电机的转角，如下：
n =180⋅∆L （1） πR
式中，n ：一次进给量转化为步进电机的转角；
∆L ：介质的进给量；
R ：驱动滚轮的半径。
根据步进电机的工作方式（四相八拍）以及（1）式，可以得到循环次数。把此循环次数作为一个标记值，存入固定的地址，每执行一个循环，标记值减1，减到0时就等待。如果在步进电机的运行中，单片机接收到检测头的中断信号，则要立刻终止步进电机的运行。为了方便操作和控制，控制器还加了调速和LED 显示功能，这样可以根据上冲模的运动速度适当调节步进电机的转动速率，并同时把冲压的次数通过LED 显示出来。
2.3 电机及其驱动模块
步进电机是本自动进料系统的执行机构，尽管要求的功率不是很大，但用单片机直接驱动显然不可能，所以，中间加了驱动模块。采用Allegro 公司的UCN5804B 步进电机驱动芯片，其主要特点是采用恒压驱动方式，最大驱动电流可以达到1.5A ，单极性，主要用来驱动四相六线步进电机。
3 步进电机启制动过程
冲床的自动进料过程是靠步进电机间歇性转动一定步长的角位移来实现的，所以，自动进料系统是否能可靠工作，关键在于步进电机是否失步或多步。电机的启动过程容易产生失步现象，制动过程由于负载的惯性容易产生多步现象。因而步进电机是否失步或多步，主要取决于其加减速过程，这不仅与电机本身的起制动特性有关，而且也与所带负载的大小有关。经过多次对比试验，本自动进料系统的启动过程最终采用了如图6所示的加速度曲线，由此计算步进电机加速过程中每个脉冲的周期，制动过程的减速度曲线正好与加速脉冲序列相反。
4 结束语
针对J94A-4型普通冲床设计的自动进料系统已经成功的应用于生产实际中，产生了良好的经济效益。本自动进料系统，不仅提高了生产效率和自动化水平，而且也使原材料得到了充分的利用，为企业节约了资金。使用实践证明，本系统工作稳定可靠，灵敏度高，运行过程噪声小，可以长时间使用。
参考文献
1 吴海彬，朱世强，陈鹰. 基于光断续器的振弦拾振技术. 光电工程，2000，27（1） 2 胡汉才. 单片机原理及其接口技术. 北京：清华大学出版社，1996。193－282
Automatic Feeding System for one
Common Punch
He Sumei, Wu Haibin
(Department of mechanical engineering, Fuzhou University Fuzhou 350002)
ABSTRACT : The design proposal of automatic feeding system is presented, in allusion to the problems that J94A-4 type of common punch exists. This automatic feeding system is made up of probe, controller, clamp, motor and its driving module, all of which are discussed in detail in this paper. At the same time, the software flow of the controller is also provided. In order to ensure not to lose and add steppes, the course of ascending and descending speed for stepping motor is not only investigated, but also the acceleration curve is offered. This automatic feeding system for J94A-4 type of punch has been used for manufacturing successfully, and being gotten the favorable economic benefit.
Key Words: Punch, Automatic feeding, probe, control
附
作者简介：
何素梅，女，1972年生，福州大学机械工程系讲师，硕士，主要研究方向为计算机辅助设计技术。
吴海彬，男，1973年生，福州大学机械工程系教师，博士，主要研究方向为机电控制、机器人技术等。