通用數(shù)控系統(tǒng)在牙刷植毛機(jī)械應(yīng)用

 一分鐘1000次的誤差小于0.005mm的高速定位，完全獨立的動作機(jī)構(gòu)的動作一直和協(xié)調(diào)性，高效高智能的設(shè)備，通用CNC控制系統(tǒng)在牙刷植毛機(jī)上的成功應(yīng)用被業(yè)內(nèi)人士稱之為驕傲。

1 引言 

    牙刷植毛機(jī)械大致分為3種：一種是由單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的低速智能植毛機(jī)（智能化程度高，但是速度較低最大240孔/分），一種是高速的凸輪植毛機(jī)，但是更換品種必須按照事先設(shè)計好的軌跡制作凸輪盤和換支換色盤共3種（加工周期長，工藝復(fù)雜，并且只能是固定品種和花色），第三種機(jī)型就是由德國或臺灣自行研發(fā)的專用智能高速植毛機(jī)系統(tǒng)（專用性強(qiáng)，設(shè)備和備件價格昂貴）。

2 系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題 

    2.1 通用CNC系統(tǒng)構(gòu)型確定 

    由于我公司經(jīng)過對高速凸輪機(jī)械的研發(fā)，對設(shè)備和動作原理的熟悉程度再結(jié)合公司自身自動化控制技術(shù)水平，我們確認(rèn)使用通用CNC系統(tǒng)配合高性能的伺服驅(qū)動設(shè)備，可以達(dá)到智能化高速植毛機(jī)的控制要求，加上通用型數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性抗干擾性，完全能夠滿足工藝要求。在構(gòu)型確定之前我們詳細(xì)羅列了高速植毛機(jī)對系統(tǒng)的技術(shù)要求：

    （1）2軸半1分鐘1000次的高速高精度定位要求，每次定位動作包括加速和減速時間在內(nèi)不超過48MS；定位精度誤差要小于0.005MM；

    （2）定位動作過程中多達(dá)4種輸出信號的判斷無延時輸出

    （3）邏輯快速停車，主軸變頻電機(jī)故障時從1000RPM停車最多不超過2轉(zhuǎn)，比機(jī)械抱閘速度要快一倍

    （4）檢測元件的快速響應(yīng)性（>5000HZ）

    （5）系統(tǒng)的可靠性穩(wěn)定性和操作通用性

    2.2 技術(shù)難點的對策 

    （1）高速高精度定位要求：我們選用了高速（2US響應(yīng)速度）和高達(dá)7位數(shù)控制精度的臺灣HUST CNC和幾乎全球最快的通用DELTA ASD系列伺服驅(qū)動設(shè)備，經(jīng)過測試我們確認(rèn)在電機(jī)空載的情況下，電機(jī)從-3000RPM到+3000RPM不到10MS，其1/10000的分辨精度也可以達(dá)到定位精度的要求，所以我們在設(shè)備生產(chǎn)上也采用了高精度和高穩(wěn)定性的機(jī)械傳動設(shè)備，我們首先在理論數(shù)據(jù)分析上能夠達(dá)到控制要求。

    （2）軸的高速定位還要輻以其他外圍的氣動執(zhí)行元件的動作，但是實際設(shè)備制作上移位與輔助動作以及主軸的動作完全獨立，但是必須保證系統(tǒng)動作的協(xié)調(diào)性為此我們在加工程式中直接使用CNC系統(tǒng)的G代碼完成判斷和動作的無延時輸出，達(dá)到控制工藝的要求。

    （3）在設(shè)備高速運轉(zhuǎn)中，一次停車信號的電平維持時間甚至少于2MS，因為CNC系統(tǒng)的設(shè)計需求，我們的CNC內(nèi)的PLC程式長度已經(jīng)達(dá)到27K，PLC的執(zhí)行周期已經(jīng)超過30MS，加上信號的復(fù)雜性我們不能使用G代碼做快速停車的軟體停車，為此我們在CNC外圍將這些信號做必要的處理后能夠，經(jīng)過在現(xiàn)場的近10款不同系列的變頻測試，我們選擇了可以滿足停車要求的DELTA高性能變頻器。

    （4）就是因為一次停車信號的電平維持時間甚至少于2MS，這樣就要求我們必須將傳感器的響應(yīng)頻率提高到幾乎最快，否則難以滿足高速動作和停車的要求。

    （5）我們考慮通用銑床CNC系統(tǒng)經(jīng)過長期發(fā)展，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性應(yīng)該是毋庸置疑的，所以我們選用了通用系統(tǒng)做專機(jī)開發(fā)的方式，但是考慮操作的方便性和我們基本上拋開了CNC系統(tǒng)的復(fù)雜操作性，將系統(tǒng)直接制作成一個教導(dǎo)錄入式的智能設(shè)備。

    2.3 I/O分配和圖紙設(shè)計 

    

    2.4 通用軟件的專用化設(shè)計 

    首先我們的畫面軟件基于方便操作人員操作和牙刷生產(chǎn)獨特的工藝操作流程設(shè)計了CNC的畫面。然后分別在PLC內(nèi)完成了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和部分定位動作外圍的動作的邏輯控制，同時我們在加工程式中也同時完成了判斷和動作的高速邏輯控制，下面是一個孔位一段摘錄的程式：

    N410  G12 P6 L1; 判斷孔位移動到下一個

    G11 P1008; 左毛箱工作

    G11 P-1009; 右毛箱工作

    G65 L82 P420 A#397 B42; 判斷42孔是否松柄

    G11 P1011; 松柄及時輸出

    G11 p1005; 和齒條及時輸出

    N420 G01 X#142. Y#242.  W360.   F#501.; 定位執(zhí)行動作

    G65 L82 P422 A#395 B42; 判斷42孔是否換支

    G11 P1012; 換支及時輸出

    G65 L80 P800; 跳出循環(huán)

3 樣機(jī)的試制，產(chǎn)品的定性 

    2004年4月我們已經(jīng)完成系統(tǒng)設(shè)計和樣機(jī)的制作，并且已經(jīng)滿足生產(chǎn)需求，可以基本上滿足事先設(shè)計的工藝要求，但是在實際檢測中發(fā)現(xiàn)受高速動作的慣性的要求，其伺服定位動作的實際執(zhí)行曲線不能和孔位完全達(dá)到一致，我們借助幾乎最先進(jìn)的檢測手段完成對系統(tǒng)進(jìn)行檢測，經(jīng)過機(jī)械和電氣驅(qū)動的綜合調(diào)整，于2004年底成功將機(jī)器制作完畢投入生產(chǎn)，經(jīng)過對目前出廠的10多臺設(shè)備的跟蹤調(diào)查，電氣控制系統(tǒng)上一直穩(wěn)定工作。該設(shè)備目前正在做CE認(rèn)證，已經(jīng)有數(shù)家海外客戶意向性的談判正在進(jìn)行中。以下是該設(shè)備的機(jī)器的實際照片。

4 結(jié)束語 

    通用CNC系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性和高速響應(yīng)的伺服驅(qū)動設(shè)備的最佳配合應(yīng)用于牙刷植毛機(jī)械上，將原有單片機(jī)的生產(chǎn)速度提高近3倍，充分提高了生產(chǎn)效率加上。系統(tǒng)配套的一致性和整合性必將使系統(tǒng)的優(yōu)點逐漸體現(xiàn)。