新型轴向数控操控体系的研发探究

        所谓异形毛刷是指刷面形状为非平面的毛刷，如圆柱形、球形等，特别是刷面形状为其它不规则、非单一几何形状的毛刷。对于异形毛刷，植毛时要求工件能做到五坐标联动的快速定位，而现成的多坐标联动数控系统成本过高，且编程复杂，因此有必要开发低成本的适用于异形毛刷制造设备的数控系统及多功能数控异形植毛机等设备。
　　制刷机械作为一种自动化程度较高的机械产品，目前正向数控化和光机电一体化的方向发展。多功能数控异形植毛机是异形毛刷制造中的关键设备，国内外制刷企业对异形植毛机产品的需求逐渐增加，但到目前为止，除了德国ZAHORANSKY公司、香港智丰等极少数公司可以生产数控异形植毛机外，其他公司都只能生产普通的数控植毛机。因此开发多功能数控异形植毛机产品对于满足企业的需求，替代进口并出口创汇具有重要意义。
　　1、关键技术
　　关键技术包括：（1）适应异形刷面植毛需要的工作台移动定位方法；（2）工件位置及方位的误差检测和纠正方法；（3）不同刷型的运动控制策略；（4）位置和方位的控制算法；（5）控制系统的人机界面；（6）植毛速度调整方法；（7）植毛动作循环的自动控制；（8）毛色组合控制的实现方法；（9）适应异形刷面植毛的机械结构。
　　1.1、5个伺服电机控制工作台定位
　　实现五坐标联动的快速定位是该系统最关键的技术。五坐标分别由X、Y、Z、M、N表示（分别由5个伺服电机控制）。X、Y、Z为直线运动；M、N分别表示绕X轴、Y轴的转动。假设当前孔完成植毛后，到下一孔的距离分别为：X方向脉冲数为a；Y方向脉冲数为b；Z方向脉冲数为c；M方向脉冲数为d；N方向脉冲数为e.此处脉冲与距离对应（旋转轴M、N与角度相对应）。假设a>b>c>d>e，则应以最大脉冲数a为参考距离（角度），在满足va小于系统允许速度情况下，分别设置5个伺服电机的速度va、vb、vc、vd、ve，使得ava=bvb=cvc=dvd=eve=t，即5个方向同时到达下一孔，植毛嘴方可植毛，否则植毛嘴不仅不能将毛正确植入毛孔中，而且还会损坏毛刷甚至植毛嘴自身。
　　1.2、系统自动设置刷块
　　毛刷由若干刷块组成任何一种类型的毛刷，在植毛之前均需要对孔。每个孔对应5个坐标值（Xi，Yi，Zi，Mi，Ni），对孔完成后，将每个孔的坐标值保存好。如何优化孔位坐标是一个难点。为简单起见，为一个二维板刷简图，此类平板刷仅需X、Y轴两电机控制，即对于不同的孔位，Zi、Mi、Ni三轴有相同的坐标值。对孔时，需按照板刷孔位的分布，分为不同的刷块。该二维板刷根据孔距的不同，可分为两个不同的刷块：刷块1、刷块2.刷块1的间距小，可以以较快的速度植毛，而刷块2的孔间距较大，以较小的速度植毛。在对孔时，系统可根据孔距的大小，自动将板刷分成若干个刷块，并分配给各个刷块最佳速度。用户也可自己设置速度，但若超过最大允许速度，系统会发出警报。
　　2、数控系统组成
　　本系统采用工控机（计算机）控制，5个伺服电机分别控制X、Y、Z、M、N五轴联动，实现对板刷快速准确的定位。直流电机带动主轴旋转，通过变频器来控制毛嘴植毛速度。工人不仅可以通过按钮、鼠标，还可以通过触摸屏进行操作。
　　2.1、变频器
　　采用光隔离的I/O卡控制开关量。两个固态继电器控制变频器的开、关，另外4个固态继电器控制变频器的速度，这4个固态继电器的不同开关组合，共有24=16种速度。通过变频器控制主轴电机转动，从而带动植毛嘴的植毛动作。可见毛嘴共有16种速度，亦即植毛机共有16种速度可供用户选择。
　　2.2、伺服电机
　　目前国内大多数厂家生产的植毛机（主要是三轴）一般以步进电机驱动。本系统采用交流伺服电机。因为交流伺服电机具有较强的速度过载和转矩过载能力，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，不会出现步进电机丢步或过冲的现象，控制能力可靠。速度响应性能好，从静止加速到额定转速仅需几毫秒。可用于要求快速起停的控制场合。
　　2.3、高速运动控制卡
　　采用基于PCI总线的高性能运动控制卡，可控制5个步进/伺服电机，具有即插即用、最高400kHz脉冲频率、S曲线减振功能、随时变速等高级功能。
　　该系统能完成各种异形刷及不规则孔位的植毛；由于采用容量较大的计算机硬盘存储，理论上储存的刷型数目不限，每坎孔数可超过5000孔（大型工业用刷）；植毛区域符合机械平台要求；植毛速度26孔/s（植毛孔距不大于10mm）；能植双色刷毛（可自由组合）；能用IBM兼容电脑传输数据。当用于植孔间距较小的毛刷（比如牙刷等）时，因为速度快，例如每分钟可植30支普通牙刷（12孔/s），因此定位精度要求高，可达！001mm以上。
　　3、系统的抗干扰设计
　　由于环境和系统本身的干扰源，不可避免地产生各类干扰信号。干扰信号主要是通过传导和辐射两种方式进入控制系统。传导型干扰信号通过各种线路进入控制系统，对交流供电网配置交流稳压器、低通滤波器和隔离变压器(电力变压器的有载调压改造方法实现稳压、滤波和隔离，有效地抑制了供电干扰。对于长线输入的数字信号，采用光电隔离切断接地环路，消除了公用接地线引入的干扰。辐射型干扰信号通过空间电磁辐射感应窜入。采用良好的屏蔽和正确接地的方法可以防止辐射干扰。对重要的信号线，如传感器信号线使用屏蔽导线，并将屏蔽层单端接地。信号线和动力线分开布线，以防止电磁干扰。接地设备及导线屏蔽层与大地采用一点接地。并按照电气工程标准要求设计接地线截面积和接地电阻。这些都有效地抑止了干扰。由于环境的复杂性，硬件不一定能绝对防止干扰信号的窜入。此时利用软件滤波，根据时间原则和空间原则识别有用信号和干扰信号，滤除干扰信号，达到抗干扰的目的。
　　4、系统软件设计
　　系统软件的总体结构主要由以下几个模块构成：（1）系统管理：包括用户管理、I/O设备管理、修改密码、退出等功能。用户管理实现对操作员的管理，增加或删除用户；I/O设备管理实现对系统使用的接口板卡对应硬件设置参数（基地址、中断号等）的修改。（2）工具箱：包括电机润滑、设置植毛速度、对孔等。（3）植毛模块：包括选择刷型、速度、植毛方式（点动、连续植毛等），还可以对某个孔进行修复即补毛。（4）档案管理模块可对植毛文件进行修改、删除、转存以及查询各种型号毛刷的产量、生产日期并可打印植毛记录。（5）帮助，提供联机帮助以及疑难问题解答。包括索引、关于、系统信息等等几部分。
　　开发系统软件时，要充分考虑到电机起停时的冲击。因毛孔之间的距离较小，通常小于10mm，要求电机快速起停，冲击是不可避免的。一般情况下，梯形速度曲线不太平滑，容易引起机器噪声和传动机构的磨损。因而应采用S形运动模式。即电机启动时缓慢加速，然后快速加速，停止时刚好相反，实践表明这种方式可以很好地克服冲击。对于相同规律的刷孔，系统带有复制功能，大大减小了工人对孔的时间和强度。在软件系统的设计中，为给用户提供一个友好的人机界面，保证操作者使用、调试和维修方便，采用菜单窗口结构作为本软件系统的界面。软件应具有很高的可靠性、简明易用性、可维护性。软件是在Windows操作系统下采用VB60进行编程的。利用VB60可视化程序设计和事件驱动编程概念，能够非常方便、快速地建立人机界面。VB60具有标准的图形用户界面、动态链接（DLL）、多任务、设备独立性以及直接操作特性等优点。
　　5、结束语
　　由于该系统为数控五坐标控制，5个伺服电机控制5个坐标轴的运动，包括3个直线运动，2个旋转运动，因此可加工任何形状的复杂异形毛刷及大型工业用刷。克服了目前多坐标联动数控系统在成本上过高、编程麻烦的缺点，能够使工件做五坐标联动快速定位，植毛速度可达26孔/s，目前该设备运行良好。