第３Ｏ卷第５期 辽宁ｚ＿，ｉｋ大学学报（自然科学版） 、，０１．３０．Ｎｏ．５ ２０ｌ ０年ｌＯ月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｏｃｔ．２０１０ 数控６排钻床的研制 任国臣 ，王东华２，何欣 （１．辽宁ｉｌＸ业大学电气工程学院，辽宁锦州１２１００１：２．锦州石化建筑安装工程有限公司，辽宁锦州 １２１００１） 摘要：针对目前木工加工发展及需求，研制了数控６排钻机床，阐述了数控６排钻床的机械结构和电气部 分设计方案，该机床电气控制采用主从式结构，移动单元采用小型步进电机驱动，实现精确定位。 关键词：数控６排钻床；分布式系统：阶梯调速法 中图分类号：ＴＰ２３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７４—３２６１（２０ｌ０）０５—０２８５—０３ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＣＮＣ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ ６ Ｒｏｗ ＰＥＮ Ｇｕｔ—ｃｈｅｎ ，ＷＡＮＧ Ｄｏｎｇ—ｈｕａ ，ＨＥ Ｘｉｎ （１．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉｎｚｈｏｕ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．．ＬＴＤ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１００１，Ｃｈｉｎａ） Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＮＣ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ６ ｒｏｗ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ；ｓｔｅｐ ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｗｏｏｄ ｗｏｒｋｉｎｇ，ａ ｓｉｘ—ｒｏｗ ＮＣ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐａｒｔｓ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｗｅｒｅ ｓｔａｔｅｄ．Ｔｈｉｓ ｍａｃｈｉｎｅ ａｄｏｐｔｓ ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅ ｍｏｄｅ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．ｍｏｂｉｌｅ ｕｎｉｔＳ ｕｓｅ ｓｉｘ ｓｍａｌｌ ｓｔｅｐｐｉｎｇ—ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒｓ． 随着木器加工业的发展，企业对加工设备的要 个方向同时钻孔的复杂操作时，先调整水平、垂直 求也越来越高，其工作效率的高低及设备的先进程 可移动单元到达指定位置，各排钻按照逻辑要求， 度也备受关注，其中仅就钻孔设备而言，希望加工 在电控系统的控制下，完成整个操作过程，图１为 设备能一次即完成整块加工材料的钻孔处理。６排 木板加工示意图。设备总体结构包含机械结构和电 钻以其灵活、功能强大、占地空间小而备受欢迎。 气结构。 国外同类设备自动化水平较高，而国内还处在半自 动的较低水平。平台定位难度较大，调整较复杂， 水 平铺２ 设备对操作者的要求较高。而操作过程往往耗掉高 级技工的大量时间，包括调位、锁紧、工艺控制都 垂直铺ｌ … 垂直钻４ 离不开高级技工。企业中这样设备越多，企业对高 图１木板加工示意图 级技术人员的依赖性越强，影响企业人员的结构优 １．１机械结构 化。所以实现设备的数字化对企业发展、行业技术 ６排钻床是功能最多、最灵活的钻床，机械结 发展都有重大意义。 构要求其能同时完成一块木料的两侧纵向和横向 ｌ 数控６排钻床的总体结构组成 加工，而当材料要求加工孔的排数较少时，又可以 拆分成２组３排的钻床，实现双人双设备的实用效 数控６排钻床主要应用在家具生产企业，属于 果。这样６排钻结构被安排成对称的机械结构，如 机电设备类。其主要功能是当板材要求一次完成多 图２所示。其中２排水平钻分别放在平台两侧，４ 收稿日期：２０１０—０９—２９ 作者简介：任国臣（１９６６一）’男，河北承德人，副教授。 ２８６ 辽宁工业大学学报（自然科学版） 第３０卷 排垂直钻并排放置在导轨上，水平钻用于对板材侧 面打孔，垂直钻用于木材的正面打孔。４个垂直排 钻和水平钻２都可以相对水平钻１进行位置调整。 示整机状态。 （２）水平和垂直钻 包含水平和垂直排钻的单元，其中每个可移动 即水平移动以实现板材不同位置打孔的随机要求。 每排钻各有一套对应的执行机构，包括排钻头座、 驱动电机、升降气缸、位置锁紧阀等。在人工定位 的条件下，导轨上固定着标尺。这是６排钻的一般 单元必须沿着导轨移动，对排钻的位置实行控 制，由步进电机调整平台位置，通过齿轮齿条与导 轨连接。可检测平台之间的相对状态，保护平台不 发生碰撞，同时可显示排钻自身在导轨上的位置尺 机械结构。 水平排钻１Ｉ Ｉ水平排钻２ 图２ ６排钻床的结构不慧图 １．２电气结构 电气控制部分采用开环数字控制结构，各移动 单元结构如图３所示，这种控制结构没有反馈检测 元件，工作台由步进电机驱动。步进电机接收驱动 器发来的指令脉冲作相应的旋转。此种控制的可靠 性和精度基本上由步进电机和传动装置来决定。 设 兰Ｈ 望Ｈ 兰竺 Ｈ 皇』 图３单元控制示意图 电气控制部分的总体结构如图４所示。系统由 ８个单元组成，每个单元分管相应的控制任务，电 气系统各单元之间的数据交换和供电采用总线方 式，总线包括：ＲＳ４８５、５ Ｖ电源、交流２２０ Ｖ总线 组成。总线方式为维护安装调试带来极大的方便。 阀驱动ｌＩ电机驱动ｌｌ位置检测 状ｌ ｌ步ｌ Ｊ位 操作台Ｉ Ｉ 集中驱动 弈 ，ｌ』 裹 Ｉ Ｉ 嘉：Ｉ ｆ 鬃 ｌ ｌ纛矗４Ｉ Ｉ ： 图４电气控制部分的结构 系统单元按功能可分３类设备： （１）操作台 操作台是集中手动操作的平台，在系统中处于 主导地位。可对其他单元下达各种控制命令，可对 ６排钻中各排钻位置进行设定、指定、复位、数据 保存等操作，并对机台上的固定、活动气缸的动作 逻辑关系实行控制。采用中文操作提示，并集中显 寸。便于操作者核实材料的加工参数。图２中的水 平排钻２画出了单元组成，其它可移动单元与水平 排钻２的结构相同。 （３）集中驱动单元 由于可移动单元的结构，没有将排钻电机 及大量气缸和排钻限位的监控部分安装在一起，而 是采用集中管理方式。电磁阀包括电机升降阀、板 材压紧阀、安全防护阀。电机包括排钻的动力三相 电机及相关的驱动及隔离环节。位置检测包括排钻 的前位、后位、脚踩踏板的状态。 ２软件命令结构 操作台与各单元之间构成分布式系统，主从结 构。操作台为主机，各单元为从机，在通信过程中 数据交换量很小，对通信速度没有过高要求。主机 向分机发送命令包括如下功能。 （１）工作方式转换 ６排钻可被指定成单６排钻或双３排钻工作方 式，实现模式切换，以适应材料加工和生产效率提 高的需要。 （２）指定各单元位置 当各单元位置由人工测定出来后，再由操作台 回馈给各单元，这样可免于再次定位的过程，节省 时间。一般用于倒班和掉电的工况下。 （３）运行到指定坐标处 加工要求发生变化时，需重新调整各单元位 置，此命令可将各单元分别调整到相应位置。 （４）压紧阀升降 在排钻运行前将模板压紧定位，防止在加工过 程中产生移位。加工完成后按照工艺要求抬起。 （５）排钻升降 使排钻产生进给和回退，即完成一次钻孔。 （６）复位 ６排钻和３排钻模式的复位过程不同，６排钻 模式向一侧靠拢，３排钻模式向两侧靠拢，主机按 照当前模式应遵循的逻辑顺序先后下达一组命令。 使各个可移动单元分时调整自身位置，而不发生碰 撞。复位功能可实现开机后各移动单元对零点位置 第５期 任国臣等：数控６排钻床的研制 表２ 调整方式 ２８７ 重新确认。 （７）分机加工要求 集中驱动盘获得脚踏开关的加工请求后， 机发出要求加工的信息。 （８）分机回答 向主 善凳 表２中给出了数控设备与旧设备调整时间的对 比，从中看出数控设各的优势。数控设备的移动单 元在到达指定位之后，自行锁死定位。旧设备人工 定位后的锁死过程经常出现偏差，需反复调整，造 分机在完成相应动作后向主机汇报，主机根据 各从机状态，协调发出指令，以防从机之间产生工 作位置冲突。 成工作效率低下。 ３ 实验结果及相关数据分析 ４结束语 ３．１精度试验 数控６排钻使用步进电机驱动，其精度满足加 数控设备精度高，环境对设备存在一定的影 工要求，各单元所包含机电设备体积较大，重量较 响，放置设备的水平度有偏差对移动单元的位置也 大，对机床结构影响较大。小型步进电机使单元进 产生偏差。 给调位速度下降，但总体调整时间与手工调整相 表１水平度的影响 （ｍｍ） 比，节省９０％以上，而精度大大提高，减少由人为 位置 １ ２ ３ ４ 较平 ５ ９９．５ ４９８ １９９０ 调整不利造成材料损失，使企业直接获得经济效 水平 ５ １００ ５００ ２０００ 益。所以大力发展数控木工设备，对木工数控设备 命令值 ５ １００ ５００ ２０００ 技术水平提高和行业发展起到积极促进作用。 表１中记录了设备在不同的水平度情况下，命 令值及运行到达位置的数据对比。由于系统的步进 参考文献： 电机采用阶梯调速法，水平度较差时，在短距离下 【ｌ】李华主．ＭＣＳ．５１系列单片机实用接口技术ｆＭ】．北京： 低速运行没有误差，在高速运行状态下，较长距离 北京航空航天大学出版社，１９９７． 出现偏差。在水平度较好时，没有出现偏差。 【２】史敬灼．步进电动机伺服控制技术［ＭＩ．北京：科学出版 ３．２效率对比 社，２００６． ‘ 在设备正常的条件下，从任意位置调整成要求 【３】于海生．微型计算机控制技术［Ｍ】．北京：清华大学出版 的位置，则６排钻模式的调整时间最长。Ｉ号水平 社，２００９． 排钻不动，其他５个单元相对移动。 责任编校：孙林 （上接第２８４页） 参考文献： ［４１陈淑珍，石波．基于 ｎｄ。ｗｓ多线程环境下的串口通信 【１】￥３Ｃ２４１０ ３２ｂｉｔ ＲＩＳＣ Ｍｉｒｃｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｓｅｒ Ｍａｎｕａｌ ［Ｊ］．武汉大学学报（自然科学版），２０００，１５（３）：３７３—３７４． Ｒｅｖｉｓｉｏｎ０．１３【ＥＢ】ＳａｍｓｕｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏ．，Ｌｔｄ ２００４． 【５】宋殿友，王志勇，潘洪刚．嵌入式系统中打印机控制的 【２】何宗健．Ｗｉｄｏｗｓ ＣＥ嵌入式系统【Ｍ】．北京：北京航空航 研究［Ｊ］．电子科技，２００８，２ｌ（７）：７４—７５． 天大学出版社，２００６． 责任编校：孙林 ｆ３许雪梅，郭远威，吴爱军．基于嵌入式Ｗｉ３】ｎｄｏｗｓ ＣＥ５．０ 的无线监控系统研究【ＪＪ．现代电子技术，２００９，３２（２）： ２６～２７．
