通用数控系统在牙刷植毛机械应用

 一分钟1000次的误差小于0.005mm的高速定位，完全独立的动作机构的动作一直和协调性，高效高智能的设备，通用CNC控制系统在牙刷植毛机上的成功应用被业内人士称之为骄傲。

1 引言 

    牙刷植毛机械大致分为3种：一种是由单片机系统开发的驱动步进电机的低速智能植毛机（智能化程度高，但是速度较低最大240孔/分），一种是高速的凸轮植毛机，但是更换品种必须按照事先设计好的轨迹制作凸轮盘和换支换色盘共3种（加工周期长，工艺复杂，并且只能是固定品种和花色），第三种机型就是由德国或台湾自行研发的专用智能高速植毛机系统（专用性强，设备和备件价格昂贵）。

2 系统设计的关键问题 

    2.1 通用CNC系统构型确定 

    由于我公司经过对高速凸轮机械的研发，对设备和动作原理的熟悉程度再结合公司自身自动化控制技术水平，我们确认使用通用CNC系统配合高性能的伺服驱动设备，可以达到智能化高速植毛机的控制要求，加上通用型数控系统的稳定性和可靠性抗干扰性，完全能够满足工艺要求。在构型确定之前我们详细罗列了高速植毛机对系统的技术要求：

    （1）2轴半1分钟1000次的高速高精度定位要求，每次定位动作包括加速和减速时间在内不超过48MS；定位精度误差要小于0.005MM；

    （2）定位动作过程中多达4种输出信号的判断无延时输出

    （3）逻辑快速停车，主轴变频电机故障时从1000RPM停车最多不超过2转，比机械抱闸速度要快一倍

    （4）检测元件的快速响应性（>5000HZ）

    （5）系统的可靠性稳定性和操作通用性

    2.2 技术难点的对策 

    （1）高速高精度定位要求：我们选用了高速（2US响应速度）和高达7位数控制精度的台湾HUST CNC和几乎全球最快的通用DELTA ASD系列伺服驱动设备，经过测试我们确认在电机空载的情况下，电机从-3000RPM到+3000RPM不到10MS，其1/10000的分辨精度也可以达到定位精度的要求，所以我们在设备生产上也采用了高精度和高稳定性的机械传动设备，我们首先在理论数据分析上能够达到控制要求。

    （2）轴的高速定位还要辐以其他外围的气动执行元件的动作，但是实际设备制作上移位与辅助动作以及主轴的动作完全独立，但是必须保证系统动作的协调性为此我们在加工程式中直接使用CNC系统的G代码完成判断和动作的无延时输出，达到控制工艺的要求。

    （3）在设备高速运转中，一次停车信号的电平维持时间甚至少于2MS，因为CNC系统的设计需求，我们的CNC内的PLC程式长度已经达到27K，PLC的执行周期已经超过30MS，加上信号的复杂性我们不能使用G代码做快速停车的软体停车，为此我们在CNC外围将这些信号做必要的处理后能够，经过在现场的近10款不同系列的变频测试，我们选择了可以满足停车要求的DELTA高性能变频器。

    （4）就是因为一次停车信号的电平维持时间甚至少于2MS，这样就要求我们必须将传感器的响应频率提高到几乎最快，否则难以满足高速动作和停车的要求。

    （5）我们考虑通用铣床CNC系统经过长期发展，其系统的稳定性和可靠性应该是毋庸置疑的，所以我们选用了通用系统做专机开发的方式，但是考虑操作的方便性和我们基本上抛开了CNC系统的复杂操作性，将系统直接制作成一个教导录入式的智能设备。

    2.3 I/O分配和图纸设计 

    

    2.4 通用软件的专用化设计 

    首先我们的画面软件基于方便操作人员操作和牙刷生产独特的工艺操作流程设计了CNC的画面。然后分别在PLC内完成了数据的统计和部分定位动作外围的动作的逻辑控制，同时我们在加工程式中也同时完成了判断和动作的高速逻辑控制，下面是一个孔位一段摘录的程式：

    N410  G12 P6 L1; 判断孔位移动到下一个

    G11 P1008; 左毛箱工作

    G11 P-1009; 右毛箱工作

    G65 L82 P420 A#397 B42; 判断42孔是否松柄

    G11 P1011; 松柄及时输出

    G11 p1005; 和齿条及时输出

    N420 G01 X#142. Y#242.  W360.   F#501.; 定位执行动作

    G65 L82 P422 A#395 B42; 判断42孔是否换支

    G11 P1012; 换支及时输出

    G65 L80 P800; 跳出循环

3 样机的试制，产品的定性 

    2004年4月我们已经完成系统设计和样机的制作，并且已经满足生产需求，可以基本上满足事先设计的工艺要求，但是在实际检测中发现受高速动作的惯性的要求，其伺服定位动作的实际执行曲线不能和孔位完全达到一致，我们借助几乎最先进的检测手段完成对系统进行检测，经过机械和电气驱动的综合调整，于2004年底成功将机器制作完毕投入生产，经过对目前出厂的10多台设备的跟踪调查，电气控制系统上一直稳定工作。该设备目前正在做CE认证，已经有数家海外客户意向性的谈判正在进行中。以下是该设备的机器的实际照片。

4 结束语 

    通用CNC系统的稳定性可靠性和高速响应的伺服驱动设备的最佳配合应用于牙刷植毛机械上，将原有单片机的生产速度提高近3倍，充分提高了生产效率加上。系统配套的一致性和整合性必将使系统的优点逐渐体现。