沖床除應(yīng)用于機(jī)械器件的塑性成型外，還作為許多專(zhuān)用設(shè)備的本體和母機(jī)用于篩網(wǎng)、墊網(wǎng)、防護(hù)罩等的沖剪加工。沖床是屬于點(diǎn)位控制機(jī)床，在中間行程中不進(jìn)行加工。由于一般加工產(chǎn)品單一，模具不經(jīng)常進(jìn)行更換，所以在傳統(tǒng)的沖床控制中一般采用繼電器控制，送料一般采用手工送料，此種方式存在效率低、速度慢、精度不能保證、安全存在隱患等方面的一系列問(wèn)題。我國(guó)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和中小型民營(yíng)企業(yè)，由于受資金管理等方面的限制，簡(jiǎn)易式?jīng)_壓設(shè)備使用較多，其送料絕大多數(shù)是靠人工手動(dòng)送料，缺乏保護(hù)裝置。隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展和沖壓制件類(lèi)型、工藝的復(fù)雜化以及人性化生產(chǎn)要求，手工送料的沖壓加工生產(chǎn)由于存在著效率、速度、精度、安全等方面的一系列問(wèn)題，沖壓生產(chǎn)的手工送料已逐步出自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)所取代，從而進(jìn)一步滿足了沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化，提高生產(chǎn)速度和精度的要求。

1  數(shù)控沖床送料系統(tǒng)的現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有送料系統(tǒng)的類(lèi)型

  數(shù)控沖床送料系統(tǒng)屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，它包括機(jī)械部分、控制部分、動(dòng)力源、檢測(cè)部分及執(zhí)行元件。現(xiàn)有的自動(dòng)送料系統(tǒng)，根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，按照控制器的不同，大致可以分成如下幾類(lèi)：

  1)專(zhuān)用的數(shù)控系統(tǒng)。國(guó)外的有法那克、西門(mén)子等數(shù)控系統(tǒng)；國(guó)產(chǎn)的有武漢華中、廣州數(shù)控等。專(zhuān)用的數(shù)控系統(tǒng)具有控制精度高、編程能力強(qiáng)、系統(tǒng)可靠性高、待開(kāi)發(fā)的功能多等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于沖床來(lái)說(shuō)由于它是點(diǎn)位控制，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，如果選用造價(jià)昂貴的專(zhuān)用系統(tǒng)無(wú)疑是資源上的一種浪費(fèi)，況且對(duì)于具有特定意義的送料裝置其控制不一定具有優(yōu)勢(shì)。

  2)繼電器控制。繼電器邏輯控制的顯著特點(diǎn)是造價(jià)低廉，但它有明顯的不足之處，因?yàn)樵诂F(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備中，往往需要有大量開(kāi)關(guān)量、數(shù)字器、脈沖量以及模擬量的控制裝置，例如電機(jī)的啟停、電磁閥的開(kāi)閉、產(chǎn)品的計(jì)數(shù)等。此種控制方案其連線多而復(fù)雜、體積大、功耗大，一旦系統(tǒng)構(gòu)成后，想再改變或增加功能都很困難，另外繼電器觸點(diǎn)數(shù)目有限．因此靈活性和擴(kuò)展性都很差；其次在控制速度上，繼電控制邏輯依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制，工作頻率低，自然控制速度就很慢，而且機(jī)械觸點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，工作不穩(wěn)定。

  3)單片機(jī)控制。單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，它更擅長(zhǎng)于數(shù)據(jù)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理，一般更廣泛地被應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和中央控制室控制，完全由單片機(jī)控制。特別是運(yùn)動(dòng)控制臺(tái)也由單片機(jī)直接發(fā)送脈沖控制，這種方式下，單片機(jī)的負(fù)荷特別重，另外工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁等于擾信號(hào)，會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，所以采用單片機(jī)贏接進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)其進(jìn)行抗干擾處理也是不得不考慮的問(wèn)題。

  4) PLC控制。這也是目前自動(dòng)送料系統(tǒng)比較常用的一種控制方法，方案簡(jiǎn)單，硬件可選范圍廣，軟件編程容易，調(diào)試一般也不會(huì)出現(xiàn)太大問(wèn)題。但是這種方案也有一些無(wú)法避免的缺點(diǎn)，比如靈活性相對(duì)比較差，針對(duì)某個(gè)具體應(yīng)用場(chǎng)合，很難選擇出一套完全與應(yīng)用相吻合的系統(tǒng)，往往造成系統(tǒng)資源浪費(fèi)，而且在某些特殊應(yīng)用的情況下，有些技術(shù)細(xì)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)。

1.2執(zhí)行元件

  現(xiàn)有的自動(dòng)送料系統(tǒng)中比較普遍選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行組件。步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡(jiǎn)單、廉價(jià)．又非常可靠。但是步進(jìn)電機(jī)不能直接使用交流電源和直流電源，自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差，而且存在振蕩和失步現(xiàn)象，控制精度不高，如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振，難以運(yùn)轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。

2  改進(jìn)后方案

  隨著我國(guó)沖壓行業(yè)的發(fā)展，沖壓設(shè)備性能與世界的接軌，沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提高，對(duì)沖壓生產(chǎn)的送料技術(shù)也提出了越來(lái)越高的要求，以滿足與沖壓設(shè)備的配套。

2.1嵌入式數(shù)控沖床送抖系統(tǒng)

  根據(jù)目前自動(dòng)送料系統(tǒng)存在的一些不足，提出了一種基于ARM的嵌入式數(shù)控沖床送料系統(tǒng)。從大體上看，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

  1)專(zhuān)用性。嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用，因此嵌入式CPU大多供特定用戶(hù)群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，通常具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)。

  2)實(shí)時(shí)響應(yīng)。按照嵌入式系統(tǒng)的定義，它用于某種技術(shù)過(guò)程的核心處理環(huán)節(jié)，滿足技術(shù)過(guò)程的時(shí)限要求，自然具有實(shí)時(shí)處理的特性。

  3)健壯可靠。嵌入式產(chǎn)品的使用人員多為非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人士，使用環(huán)境條件較為惡劣，其健壯性及可靠性是該類(lèi)產(chǎn)品的必備條件。

2.2伺服電機(jī)的選擇

  系統(tǒng)采用直線電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)X、y軸進(jìn)給。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)宜接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的一切機(jī)械中間動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零（這種傳動(dòng)方式被稱(chēng)為“零傳動(dòng)”）。這種“零傳動(dòng)”方式，帶來(lái)了原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)

  1)高速響應(yīng)。由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件（如絲杠等）．使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。

  2)高精度。直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差，減少了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來(lái)的跟蹤誤差。通過(guò)直線位置檢測(cè)反饋控制，即可大大提高機(jī)床的定位精度。

  3)高傳動(dòng)剛度。由于“直接驅(qū)動(dòng)”避免了啟動(dòng)、變速和換向時(shí)因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，同時(shí)也提高了其傳動(dòng)剛度。

  4)速度快、加減速過(guò)程短。直線電動(dòng)機(jī)用在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，要滿足其超高速切削豹最大進(jìn)給速度（要求達(dá)60—100 m/min或更高）是沒(méi)有同題的。也由于上述“零傳動(dòng)”的高速響應(yīng)性，使其加、減速過(guò)程大大縮短，可以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，而且高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間停止。可獲得較高的加速度，一般可達(dá)2一1Og。而滾珠絲杠傳動(dòng)的最大加速度一般只有0.1一0. 5g。

  5)行程長(zhǎng)度不受限制。在導(dǎo)軌上通過(guò)串聯(lián)直線電器機(jī)，就可以無(wú)限延長(zhǎng)其行程長(zhǎng)度。

  6)運(yùn)動(dòng)安靜、噪聲低。由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無(wú)機(jī)械接觸）．其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪聲將大大降低。

  7)效率高。由于無(wú)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗，傳動(dòng)效率大大提高。

2.3系純硬件設(shè)計(jì)

  控制部分采用低成本、高性能、低功耗的微處理器S3C2410為核心控制器。它是一款32位RISC架構(gòu)的低成本、高性能、低功耗徽處理器，主頻為200MHz，內(nèi)含1個(gè)LCD控制器（支持STN和’rFT帶有觸摸屏的液晶顯示器）、SDRAM控制器、3個(gè)通道的ART、4個(gè)通道的DMA、4個(gè)具有PWM功能的計(jì)時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、8通道的10位ADC、觸摸屏接口等。S3C24J O商集成度簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，提高了應(yīng)用系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。操作部分以觸摸屏為操作單元，人機(jī)交互直觀方便、界面友好、操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)送料自動(dòng)、手動(dòng)、啟動(dòng)、停止等操作以及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。運(yùn)動(dòng)部分X、y軸均選用Kollmorgen公司DDL系列無(wú)鐵芯式的直線伺服電機(jī)，電機(jī)的定子采用U型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子采用無(wú)鐵芯式設(shè)計(jì)。直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作安全可靠，同時(shí)省去了中間機(jī)械環(huán)節(jié)，定位精度比較高，位置檢測(cè)元件選用光柵尺，檢測(cè)精度較高。整個(gè)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，大大提高了系統(tǒng)精度。

2.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)軟件主要包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分。上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)NC代碼生成、翻譯以及與下位機(jī)和其它PC機(jī)通信；下位機(jī)軟件主要包括5大模塊：基本控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、人機(jī)交互模塊及事務(wù)處理模塊”1。

  整個(gè)軟件系統(tǒng)中，下位機(jī)軟件為整個(gè)系統(tǒng)核心。我們選擇選用源碼公開(kāi)、可移植性好、簡(jiǎn)單易學(xué)的Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件運(yùn)行環(huán)境，由它來(lái)完成對(duì)5大任務(wù)模塊的管理調(diào)度，結(jié)合系統(tǒng)的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)送料系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。基本控制模塊管理系統(tǒng)的一些基本操作，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的管理、系統(tǒng)硬件初始化設(shè)置的管理等；數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收以及適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理；運(yùn)動(dòng)控制模塊包括插補(bǔ)運(yùn)算、電機(jī)的加減速控制與位置控制，是系統(tǒng)控制的核心；人機(jī)交互模塊包括液晶顯示和觸摸屏輸人等，本文界面設(shè)計(jì)使用基于Qt的嵌入式圖形庫(kù)開(kāi)發(fā)工具Qt/Embedded．它是用戶(hù)應(yīng)用程序和內(nèi)核之間的一個(gè)圖形庫(kù)框架；為了保證系統(tǒng)的完整性，設(shè)置事務(wù)處理模塊來(lái)管理報(bào)警以及一些異常事務(wù)。

  5大模塊之間的通信與調(diào)度均在操作系統(tǒng)的管理下完成。系統(tǒng)中規(guī)定每個(gè)模塊為一個(gè)具體的任務(wù)，即通常所說(shuō)的線程方式或進(jìn)程方式。嵌入式操作系統(tǒng)的作用就是決定在特定的某一時(shí)刻系統(tǒng)應(yīng)該運(yùn)行哪一個(gè)進(jìn)程。一般系統(tǒng)中的進(jìn)程有3種狀態(tài)：運(yùn)行狀態(tài)(Running)、就緒狀態(tài)(Ready)及等待狀態(tài)(Waitting)，這些狀態(tài)之間的切換是通過(guò)操作系統(tǒng)提供的消息機(jī)制諸如郵箱、信號(hào)量、消息隊(duì)列等來(lái)完成，模塊之間并無(wú)其它耦合。如果系統(tǒng)功能需增減，只要在相應(yīng)的任務(wù)中進(jìn)行模塊的添加與刪除，便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多功能和多樣化，從而使系統(tǒng)具有開(kāi)放性和可擴(kuò)充性。