西门子模块6ES7317-2FK14-0AB0

碾铆是利用摆动碾压技术的一种铆接工艺，其铆接质量稳定可靠，铆接过程平稳无冲击，是一种很有发展前途的铆接工艺，被应用在计算机外设、办公设备、家用电器、汽车等制造领域。随着我国经济和技术的发展，世界上一些的打印机、复印机厂商将零件加工转移到我国来生产，但与之不相适应的是，许多生产这些零件的工厂所使用的碾铆机仍为手工操作，效率低、劳动强度大，质量不稳定。通过使用自动碾铆机来提高效率和保证质量成为这些工厂的迫切要求。同时，在这些工厂中，使用碾铆机的数量多，对自动碾铆机的经济性有很高的要求，而市场上尚未有合适的成品自动碾铆机。因此，如何开发出效率高、质量好、经济性好的自动碾铆机，具有重要的现实意义。
我们为深圳一家专为品牌生产复印机、打印机零部件的工厂开发了多台数控碾铆机。本文重点讨论了该机的基本结构以及其关键技术。

2 数控碾铆机的工作原理及工艺过程

本单位自主开发的数控碾铆机的基本结构如图1所示，主要由碾铆工作头及XY数控工作台组成。碾铆工作头的主轴由电机带动旋转，并在气缸的驱动下作上下运动。铆头的轴线与主轴轴线成一定的角度。铆头一方面绕着主轴轴线公转(摆动与转动)，另一方面铆头在工件表面滚动，形成绕着自身的轴线的自转。铆头在气缸的压力下，使轴销的端部受到局部加压，产生连续的塑性变形，经一定的工艺时间，销轴与支持架被牢固地铆接在一起(图1(a))。

图1  数控碾铆机的基本结构及工作原理

在打印机、复印机等设备的齿轮传动系统中，常常有多条平行的传动销轴需要与支持架铆接在一起。使用普通碾铆机进行加工时，通过手工移动模具，将各铆接点逐一移到铆头下进行碾铆，效率低，劳动强度大，每个工序铆接的点数有限，平行度不易保证，质量不稳定。
本数控碾铆机就是针对这类零件的碾铆工艺进行开发的。其基本工艺过程：首先数控工作台将模具移到装卸工位，将销轴及支持架安放在模具对应的定位面上，通过电磁铁将支持架吸紧，然后数控工作台按照程序编好的坐标位置，将各个铆接点依次移动到铆头下，控制系统控制铆头压下，碾铆头对工件进行碾铆加工，经设定的碾铆时间，完成该点零件的加工。当完成全部销轴的碾铆后，回到装卸工位，卸料气缸将铆接好的工件顶起卸料。

3 控制系统的结构及主要功能

根据数控碾铆机的工作原理，控制系统主要任务是实现对XY工作台的运动控制，以及控制碾铆工作头的升降、主轴电机的启动及停止，控制卸料气缸及夹紧电磁铁的动作，并进行相应的人机交互，如加工程序的输入、编辑，以及设备的工作状态的显示等。

图2  控制系统的基本结构

由于对数控碾铆机的经济性有较高的要求，限制了它不能采用基于PC的通用CNC以及其它的通用数控系统。我们综合考虑了经济性、可靠性、开发的难易程度以及开发的周期等因素，采用了日本三菱公司的运动控制模块FX2N-20GM、FX2~x系列的PLC以及图示操作终端F940GOT来组建数控碾铆机的数控系统。控制系统的基本结构如图2所示。
3.1  XY工作台的运动控制
XY工作台要根据事先输入的各碾铆点的坐标位置和顺序进行运动，并与碾铆工作头的碾铆动作相配合。由于在进行碾铆之前，工件(传动支架)已经过冲压、折弯成型，为了能避开工件中弯起的部位，要求XY工作台具有直线或圆弧插补功能。运动控制单元FX2N-20GM具有同时两轴的直线和圆弧插补，插补时输出频率可达100kHz；该控制单元还具有运动控制的基本功能，如正向及方向极限信号、近点信号、零点信号的处理、手动脉冲输入、手动控制、机械原点返回等功能。FX2N-20GM输出的运动信号为脉冲信号，可以与脉冲输入型的交流伺服驱动器配合使用。可见，运动控制单元FX2N-20GM很适合于用作碾铆机的运动控制。
但FX2N-20GM作为一个运动控制模块，本身不具备数控程序编辑输入等界面。三菱公司提供的SWOD5-FXVPS-E软件，虽然可以使用计算机串口，经RS232转RS422后，将运动轨迹输送到FX2N-20GM，但这只适用将固定的运动轨迹输入到FX2N-20GM，不适用于在生产中作为程序的输人工具来使用。由于三菱公司没有公开编译后的指令格式以及与FX2N-20GM通讯的相关协议，故无法采用类似的使用串口通讯的方法传送运动轨迹数据。所以，要使用FX2N-20GM为基础来构建数控系统，如何将不同零件的加工程序输送到FX2N-20GM去执行，成为首先要解决的问题。
FX2N-20GM采用自己特有的控制及插补指令。在其插补指令中，可以使用数据寄存器作为直线及圆弧插补的坐标参数。利用这一点，在编写其运动控制程序时，用通用数据寄存器作为插补指令中运动轨迹的坐标变量来编写程序，然后通过PLC把运动参数送到这些通用寄存器，FX2N-20GM再根据这些参数完成相应的插补运动。
例如，直线插补时，采用32位数据寄存器DDl00、DDl02作为直线插补的终点坐标，DDl04作为运动速度，插补指令可写成：
0020：cod01(LIN)xDDl00yDDl02 fDDl04；
在系统中，我们可将FX2N-20GM作为PLC的扩展模块使用，不同零件的加工程序被保存在PLC中。在加工过程中，通过PLC不断将运动轨迹的坐标、运动速度、各点的碾铆时间、碾铆点的数量等工艺参数，用32位的传送指令DTO送到FX2N-20GM的DDl00、DDl02、DDl04等相关的寄存器，就可以控制FX2N-20GM的相应指令的执行。对应的PLC程序如下：
LD  M8000
DTO  K0  K100  D201 K2
DTO  K0  K104  D500 K1
……
在以上PLC程序中，PLC中数据寄存器D201～D202，D203～D204保存了直线轨迹的终点X、Y坐标，DTO指令将X、Y坐标传送到FX2N-20GM的DDl00及DDl02。其中，FX2N-20GM的DDl00、DDl02对应的BFM号为#100～#103，DDl04对应的BFM号为#104。
另一方面，系统的当前坐标、伺服系统的状态等参数，由PLC的FROM指令从FX2N-20GM中读回。FX2N-20GM中的当前X坐标的寄存器的BFM号为#9004(32位)，Y坐标的寄存器的BFM号为#9014(32位)，FX2，—20GM的工作状态，如就绪/忙、定位结束、回零结束等状态信息，保存在辅助继电器M9048—M9096中，对应的BFM号为#23、#24、#25、#26。因此，通过PLC的FROM指令，将X、Y当前坐标寄存器的值读回PLC的数据寄存器D11～D111，D112～D113，并将FX2N-20GM的工作状态等寄存器的值读人PLC的M100～M131中，供PLC控制使用，并显示在图示操作终端上。对应的PLC程序如下：
LD  M8000
DFROM  K0  K9004  D110
DFROM  K0  K9014  D112
FROM  K0   K23  K2M100
FROM  K0   K25  K2M108
FROM  K0   K24  K2M116
FROM  K0   K26  K2M124
……
3.2  文件功能的实现
使用FX2N-20GM以及PLC等模块建立数控系统，要解决的另一个重要问题就是，加工程序的输入、编辑、保存等文件功能。
根据碾铆加工的特点，在所开发的数控碾铆机中，我们不采用C代码来表示加工程序，而是在图示操作终端中，用表格的形式输入与加工程序有关的数据，如各碾铆点的顺序、坐标、碾铆时间等加工数据，并将这些数据以文件的形式保存到PLC的停电保持数据单元中去。不同零件的加工数据可以保存到不同的文件中。在加工不同的零件时，可方便地将对应的文件调出来使用。根据实际生产的需要，需要保存100个加工程序，每个程序文件可储存24点的加工数据。
为了实现文件的功能，首先在PLC的数据单元中建立3个与文件有关的区段，为文件保存区，第二为文件编辑区，第三为运行文件区。
个区段为D1000开始的7K停电保持单元，划分成100段，每段保存一个加工程序。
第二个区段为D120～D191，作为文件编辑区，当要编辑某个加工程序时，通过变址V2使用块移动指令，将对应的文件数据从文件区，复制到临时文件区，然后，通过图示操作终端对该加工程序进行编辑，当编辑完成要保存修改后的文件时，再使用块移动指令，将临时文件区中编辑好的加工程序文件保存回对应的文件区。专门设立文件编辑区，可以避免在文件编辑保存之前，直接修改文件保存区的文件。
第三个区段为当前运行的程序文件区，D400～D471，当要运行某个加工程序时，通过变址V使用块移动指令，将对应的文件数据从文件区，复制到运行文件区。加工时，PLC程序从这个区段，将X坐标、Y坐标、速度、碾铆时间等加工的参数取出，送到FX2V-20GM中去控制碾铆机工作台的运动等。
2.3  人机交互
人机交互采用三菱的图示操作终端F940GOT来实现。通过图示操作终端，实现加工程序的编程。根据零件的不同，输入各碾铆点的坐标、各点的碾铆时间以及移动的速度等。同时，数控碾铆机的工作状态，如当前坐标、伺服系统状态、碾铆工作头状态、顶料、夹紧、产量等可以在图示操作终端中实时显示出来。

4 结论

本文介绍了自主研制开发的数控碾铆机的基本结构和组成。采用运动控制单元、PLC以及图示操作终端开发了自动碾铆机的数控系统，具有结构简单、稳定可靠、经济性好等特点。所开发的数控碾铆机已经投入生产使用。根据生产现场的数据表明，与人工操作的碾铆机相比，采用数控碾铆机可以提高生产率5～7倍，质量也有较大的提高。

  本文介绍了一种基于直接数字合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技术的超声波功率源的设计。详细介绍了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的DDS信号产生电路、功率放大电路以及超声波功率源与换能器的匹配设计，与传统的DDS相比，本系统的功率已经达到工业应用的水平。
关键字：
    直接数字合成 可编程逻辑门阵列 超声波
    近年来,超声波在工业中的应用不断涌现,比如超声波探伤,超声波清洗等等。伴随着超声研究的热门，如何有效的产生符合要求的超声波功率源也变的迫切起来，其性能特点直接影响着超声的研究工作。上述研究需要超声波具有高分辨率、高稳定性、大功率、频率大范围可调等特点，为此，本文提出了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的DDS技术用来产生超声波功率源的方案，并已将其应用在实际的声学研究中。
一．系统原理及特点
　系统原理如图1所示。用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片，通过直接数字频率合成(DDS)技术产生频率为1kHz～100kHz的波形信号；功率放大采用功放模块；功率放模块的输出通过输出变压器和电感组成的匹配网络驱动压电换能器激发超声波。

本系统的主要特点有 ：
    (1)用数字DDS技术产生波形信号，分辨率高、稳定性好、频率范围大，系统频率不会随工作时间出现漂移。
    (2)功率放大功放模块，系统性能稳定，功率可达500W左右。
    (3)系统通过上位机串行口输入控制数据或接收反馈，操作灵活方便。
二．系统硬件实现
2.1 DDS原理及电路实现

    DDS技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。基于DDS的波形发生器是通过改变相位增量寄存器的值△phase(每个时钟周期的度数)来改变输出频率的。如图2所示，每当N位全加器的输出锁存器接收到一个时钟脉冲时，锁存在相位增量寄存器中的频率控制字就和N位全加器的输出相加。在相位累加器的输出被锁存后，它就作为波形存储器的一个寻址地址，该地址对应的波形存储器中的内容就是一个波形合成点的幅度值，然后经D/A转换变成模拟值输出。当下一个时钟到来时，相位累加器的输出又加一次频率控制字，使波形存储器的地址处于所合成波形的下一个幅值点上。终，相位累加器检索到足够的点就构成了整个波形。
DDS的输出信号频率由下式计算：
Fout=(△phase×FCLK)/2N (1)
DDS的频率分辨率定义为：
Fout=FCLK/2N (2)
　由于基准时钟的频率一般固定，因此相位累加器的位数决定了频率分辨率，位数越多，分频率越高。
2.2 DDS的FPGA实现 
　FPGA（现场可编程逻辑门阵列）是从80年代中期开始出现的一种新的可编程器件，它们的编程方式**高速，可以在线编程修改，一般工作频率可以达到100MHz，所以在数字电路设计领域得到越来越广泛的应用。本系统中采用Altera公司的cyclone系列的FPGA进行DDS的设计，采用的芯片是EP1C3T144C8。
    (1)相位字寄存器
　它是一个24位的并行输入并行输出寄存器，用来存放24位的相位值，即频率控制字，系统工作时，可以通过上位机的串口输入频率控制字。
    (2)相位累加器
　相位累加器用于对代表频率的相位字进行累加运算，相位字的值决定了输出信号的频率。
　如图3，本系统中的累加器采用的是24位的结构，如果直接采用很宽位数的加法器构成累加器，则加法器的延时会大大的限制累加器的操作速度，所以采用的是3个8位的累加器级连的结构，每一级采用一个小的累加器实现部分位的累加，然后再将进位值传给下一级做进一步的累加，从而提高了系统的运算速度。

    (3)查找表的结构
　本系统将累加器的高8位作为查表表的地址，其中高两位用来确定象限。
    在FPGA中，正弦表是用ROM来实现的，为了节省资源，考虑到正弦波的对称性，实际上只需要存储正弦值在象限的值，如图4所示。查找表的逻辑流程如图5。

2.3 DA转换电路的实现
　本系统中，考虑到系统在高频时要求DA的转换速度较快，所以选用了DA公司的AD9750，它是10位的DA芯片，具有125MSPS的转换速度，其典型接法如图6：

2.4滤波放大及阻抗匹配的实现
　　考虑到系统中的超声波的频率范围大概处于1k至100k之间，所以前向滤波采用的是Sallen-Key Low-Pass Filter滤波器，其电路结构如图7所示。
　　为了使系统能高效稳定的工作，我们选用了集成功率放大模块D-500W。
　　在超声波功率源的设计中，发生器与换能器的匹配设计非常重要，在很大程度上决定了超声设备能否正常、高效地工作。超声波发生器与换能器的匹配包括两个方面：阻抗匹配和调谐匹配。阻抗匹配使换能器的阻抗变换为佳负载，即起阻抗变换作用。调谐匹配使换能器两端的电压和电流同相，从而使效率高，同时串联谐振可以提高换能器两端电压，有利于对压电换能器激励。

     本系统中的阻抗匹配采用的是一个高频变压器，功放的输出经过高频变压器的耦合以后加在超声波换能器上，如图8所示，取得了较好的匹配效果。
三 试验结果
　试验中采用的超声波换能器的参数如下：
    谐振频率f(KH) 49.05等效阻抗R（Ω）73.9静电容C0（nf）4.94，
FPGA产生的正弦波的频率设定位49.5KHz,测得的功放的输出电压和换能器两端的输入电压的波形如下图所示

    可见，系统在高频下的波形较为稳定，且可在较高的功率下连续工作，获得了较为完好的波形。