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摘要：本课题旨在研发一种基于CNC的膨胀预埋件自动填充设备，该设备主要由机械部分、电控部分、软件开发部分组成。通过对控制系统的研究，以CNC以及配套的内装式PLC作为控制系统，提高了控制系统的可操作性及安全性。该设备不仅具有传统龙门数控钻床X轴，Y轴，Z轴精密移动功能，还具有自动填充膨胀预埋件的功能。该设备主要通过对CAD进行二次开发，达到自动识别并提取板材二维图纸中预留膨胀预埋件位置的孔的坐标位置，再利用MATLAB强大的计算处理的能力，编制出可以自动生成符合CNC系统G代码语句的程序。
关键词：CNC；自动安装；膨胀预埋件设备
一、方案设计
（一）膨胀预埋件自动安装设备总体方案规划
通过对人工手动安装膨胀预埋件过程的研究，充分了解安装膨胀预埋件过程中设备应具备的功能以及一些注意事项，该设备主要目的是将预埋件自动安装至木板预留直孔中。该数控设备由自动装夹木板、自动连续寻址、自动冲压预埋件3个主要工位组成，包括机械系统、电控系统、气动系统。通过对控制系统的研究，以CNC以及配套的内装式PLC作为控制系统，能够准确的确保所设计数控设备控制系统，可以长期稳定并且可靠的工作。
（二）膨胀预埋件自动安装设备设计步骤
本课题主要目的是设计膨胀预埋件自动安装设备，提高安装膨胀预埋件的速度、保证膨胀预埋件的安装精度、减少操作者的劳动强度。通过与工人交流，从而了解数控设备应具有的功能，对机械部分和控制部分进行初步方案设计，对机械部分进行UG建模及装配仿真，对控制系统部分进行程序编写与运行调试，最终将机械部分与控制系统部分进行组合装机调试，从而确保膨胀预埋件能精确、高效安装至板材预留孔中。本数控设备的重点设计内容包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分：X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、自动装夹板材装置。软件部分：自动筛选预留孔坐标软件、CNC控制系统设计、G代码的自动生成软件。
二、机械结构设计
该设备的工作原理是将木板通过夹紧机构自动装夹于工作平台上，再通过X、Y、Z三方向运动机构将工作平台上的木板移动到指定位置，预埋件冲压机构安装预埋件至木板上方的预留孔中，循环动作，完成连续不间断安装。该数控设备主要由机架机构、夹紧机构、工作平台机构、X方向运动机构、Y方向运动机构、Z方向运动机构、预埋件冲压机构、控制面板组成。如图1所示为数控设备总体机械结构示意图。
图1 数控设备总体机械结构示意图
X、Y、Z三方向运动机构的结构相似，都是由伺服电机通过联轴器、轴承座、螺母座带动载体移动。其中X、Y、Z三方向运动机构的下轨道截面呈“”形状，上轨道截面呈“”形状，上轨道与下轨道相互啮合并产生相对移动，Y运动机构承载工作平台机构及夹紧机构在Y方向上移动，X运动机构与Y运动机构承载预埋件冲压机构在X和Y方向上移动。
夹紧机构主要由工作平台、L型挡板、气缸1、气缸2、夹紧光电传感器构成。工作平台上端面有“T”型通槽孔，L型挡板通过T型螺栓安装于工作平台上，气缸1和气缸2分别在工作平台的左端方向与前端方向进行伸缩。当非工作状态时，位于L型挡板上方的压紧光电传感器位于L型挡板直角的上方，当木板放置于工作平台上以后，位于L型挡板上方的压紧光电传感器被触发，命令气缸1和气缸2伸出，推动木板与L型挡板紧贴。当预埋件安装结束后，工作平台机构会承载夹紧机构移动至Y方向的最前端，位于L型挡板上方的压紧光电传感器将会位于木板的后方，传感器复位，气缸缩回，工作人员将木板取出，工作平台复位。
三、数控系统设计
本设备数控系统的任务主要有两项：一项是三个方向进给轴的位置控制，此项工作由数控装置（CNC）通过现场总线直接向伺服驱动模块发送指令来实现；另外一项是，夹具机构上夹紧气缸的夹紧、冲压膨胀预埋件机构上冲压气缸的冲压、冲压膨胀预埋件机构上齿轮电机的旋转这些数控设备辅助机构动作的顺序控制和这些辅助机构的开关量控制，这一项任务是由数控配套内装型PLC来控制完成。
本数控设备中的数控系统包括：输入与输出装置、数控装置（CNC）、伺服系统装置、辅助动作控制装如图2。
图2 数控系统的简易结构框图
（1）输入输出装置将已经编制好的数控加工G代码程序等信息输入数控装置（磁盘驱动器），通过输出装置（显示器件）对输入的内容及数控系统的工作状况进行观察。
（2）数控装置数控装置的主要任务是准确辨别和分析所输入的数控加工程序中的G代码指令，对分析结果进行数据计算以及逻辑判断处理，然后进行信号的输入与输出工作。对于本数控设备来讲，数控装置的具体工作是将数控加工的G代码程序语句以两种控制信息方式输出：一种是连续控制信号，将会送往X、Y、Z进给轴伺服驱动装置；另一种是数控设备的辅助机构的顺序控制信号和开关量控制信号，将会送往内装型PLC装置进行辅助动作的控制。
（3）伺服系统伺服系统主要包括X、Y、Z进给轴伺服驱动装置，X、Y、Z进给轴伺服驱动装置接收到CNC通过现场总线传送的指令后，按照CNC装置发出的位置命令和速度命令，正确驱动设备X、Y、Z进给轴的进给。
（4）辅助动作控制装置辅助动作控制装置接受数控装置CNC中内装式PLC发出的开关命令，主要完成夹紧气缸的伸缩、冲压气缸的伸缩、齿轮电机的旋转。
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论文作者:陈相龙
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第23期
论文发表时间:2019/6/18
标签：预埋件论文; 数控论文; 机构论文; 设备论文; 装置论文; 气缸论文; 工作论文; 《建筑细部》2018年第23期论文;