双冲头机构设计方案[双冲头结构]

　　维文信PCB

　　随着现代工业的迅猛发展，特别是电子产业的发展，生产中需要利用到冲孔的场合越来越多。在模具工业中需要冲钻定位孔，印刷电路板上需要冲钻导电孔，柔性线路板、菲林、PVC 、PET 、FPX 、PCB 、印刷材料及薄膜面板、标牌等行业生产过程中均需要使用到高精度的冲钻孔。冲钻孔的质量直接影响产品的质量。

　　在此，小编介绍一种新近开的高精度的冲孔机，它能够极大地提高生产效率，提高产品质量。欢迎有兴趣的朋友前来交流指导。

　　长期以来，国内市场高精度的冲孔设备完全被进口设备所占有。国内生产的冲 孔设备主要集中在普通冲孔机和带 CCD 定位冲孔机2种 。 普通冲孔机的孔位定位主要靠人工目测定位，这种定位操作方式的缺点是劳动强度大、效率较低、质量差、重复性差。带CCD 定位冲孔机利用已经成熟的动态摄像技术进行冲孔的准确定位，通过CCD 照 相 机 获取输出目标的图像信号，由计算机计算出相应目标位置并驱 动冲头移动至目标正方。该冲孔机定位精度大幅提高，可实现单孔高精度冲孔，但其拍照和识 别 范 围 较小，其所使用的图像处理算法，多为位图简单比对法，处理效率低，准确性差。在连续加工孔系时，仍然需要人手工放置工件，工作量繁重，废品率高，最大工作速度只能达到 10 孔/min。该机型只能看作是普通冲孔机的升级改进。研究一种既能实现高精度定位，又能高速度连续冲孔的数字冲孔装备就显得十分必要。

　　要实现 高速、高精冲孔，达到50孔/ min 以上，定位精度达 到 0.01 mm 的技术要求，高速、高精的刀具定位技术十分关键。

　　冲孔机基本组成

　　与传统冲床相比，冲孔机加工的材料往往是塑料、纸张、金属薄片等，其厚度一般在 0.1 ～3 mm之间，强度上远低于钢材，韧性上远高于钢材。针对该类孔系的加工，传统冲床存在体积大、能耗高、加工效率低、冲孔定位精度低等问

　　题。因此，冲孔机在结构上有别于传统冲孔机，该冲孔设备主要由抓取系统、定位系统、冲孔系统、卸料系统 5 个部分组成。上料系统将一叠料上升至抓取机构吸盘处，吸盘吸取后再下降空出空间; 抓取系统采用气动吸盘的方式抓取工件;定位系统通过读取图纸信息或示教方式获取目标位置进行粗定位，然后再通过机器视觉分析冲孔目标位置并驱动冲头或移动工件，使得冲头最终对准冲孔目标; 冲孔系统采用气动方式驱动，当冲孔系统启动时冲头在气压的驱动下沿导轨高速冲下后迅速弹起，完成一次冲孔; 卸料系统采用导轨引导、自然滑落的方式将加工完的工件送至指定区域。其工作过程是上料系统将工件送至上料区，抓取系统在上料区检测到工件后抓取工件，定位系统计算出移动距离或位置将工件精确定位并送至冲头下方，冲孔系统启动并对工件进行冲孔，冲孔完成后机械手将工件送至卸料区并放开工件由卸料系统送至指定位置。在整个工作过程中，冲孔的位置完全由定位系统来确定。

　　高精度定位系统的实现

1.定位精度与速度之间的矛盾

　　由高速冲孔设备的结构可知，定位系统定位的准确度直接决定了冲孔的质量，定位的速度决定了冲孔的速度。由于上料区域与冲孔区域之间有较大的距离，机械手在取料点抓取工件后送至冲头冲孔时运动行程较大。为了保证冲孔机能够高速冲孔，这类大行程的移动就必须以极高的速度工作，然而当机械以极高速度运动时会带来工件抖动、材料表面发生微小形变等一系列问题，从而影响定位精度。如果为了保证定位精度而降低运动速度又存在打孔速度过低的问题。

2.行程分段

　　为了解决精度和速度之间的矛盾，定位系统将定位过程分为大行程( 粗定位) 和小行程( 精定位) 2 步。

　　大行程阶段对精度要求不高以保证能够快速地移动，当机械手抓取工件后即高速运动至冲头附近，此行程中无需对工件精确定位，只需保证工件冲孔中心能送至冲头下方9 mm ×9 mm 范围以内即可完成粗定位。大行程移动过程中，通过机器视觉检测精确计算工件冲孔中心位置。大行程结束后控制冲头移动至精确位置，由于冲头的移动只需要在 9 mm × 9 mm 的范围内，行程非常短，所以精定位过程中冲头以慢速运动，以保证定位精度。

　　小行程结束后对工件进行冲孔。定位系统工作流程如图所示：

　　定位系统采用大行程粗定位 + 小行程精定位的模式，要完成图中所示的几个动作，同时保证了高精和高速。

　　大行程粗定位

1.大行程粗定位机械结构

　　大行程粗定位采用工件移动、冲头不动的方式。定位机械手结构如图所示。

　　机械手原点位正下方为叠料取料区，工作台面在取料区挖去一块，取料区下方为一顶起机构，随着工件减少逐渐将叠料向上顶起。

2.大行程粗定位控制机构

　　运动系统控制机构采用双伺服电机组成，定位机械手控制机构如图所示。

　　在冲孔设备上料区通过光电的方式设置X 、Y 2 个方向上的原点 。 机 械手 在 工 作 时 首先回到原点并抓取工件。此时控制 器将工 件当前位置 以坐 标( 0，0 ) 的形 式记录。通过吸盘的方式抓取工件后，机械手按照预设的路径

　　带动工件沿 X、Y 2 个方向快速移动至冲头下方。机械手在 X、Y 2 个方向通过步进电机驱动滚珠丝杆实现移动( 使用同步带代替丝杆实现传动可降低成本) 。由于粗定位只需将工件送至摄像头下方的 9 mm × 9 mm 区域，其在 X、Y 2 个方向的输送精度只需保证在 ± 4． 5 mm 即可。对步进电机输出通过编码器进行反馈 即可实现目标位置的定位。这种精度要 求一 般控制系统及传动机构均可以达到，因此，大行程粗定位系统可以采用高速的方式快速地将工件移动至目标区域。

　　小行程粗定位

1.目标位置坐标

　　为实现精准的定位，需要对粗定位系统送至冲头下方的圆孔目标位重新进行精准的计算。由于在待冲孔的目标位置一般都印 刷有特殊的标记，采用图像识别的方法进行目标位置的分析计算。在粗定位系统将工件送至冲头下方后，启动高倍放大相机将直径 1．5 ～ 5 mm 的孔位图案放大 20 倍后拍照。拍照后得到的图案经过滤波、分割、二值化等操作后再进行圆心识别即可得到待冲点在拍照图像中的坐标，此即为目标位置坐标。

2.小行程精定位机械结构

　　小行程精定位采用工件固定、冲头移动的方式实现。冲孔机精定位系统外型及内部 结构如图所示。

　　工件的固定采用压脚垂直压紧的方式将工件固定在工作台上，可有效避免因抖动、拉伸等原因导致的误差。冲头的机械结构 为 一个 15 mm × 15 mm 行程的小型 X － Y 平台。

3.小行程精定位控制机构

　　小行程精定位控制系统组成如图所示。

　　工控机通过运动控制卡给伺服组件发送相应的信号，驱动 X、Y 2 轴转动，从而推动与螺母相连接的冲头沿 2 个方向移动。

　　控制软件在 利 用 CCD 相 机拍照 后，对拍照获得的 图 像进行分析，得 到 待 冲 位 置 的 圆心。获得图像坐标系下目标位置的坐标 后再将其转 换 成 为 实 际 的 机 械 坐 标 系 下 的 坐标。由于 CCD 相机位置固定，拍照范围固定，所以图像原点与机械原点的偏差以及图像坐标上的单位与机械坐标上的单位的比值都是固定的，图像坐标与机械坐标的转换只需要进行简单的算术运算即可完成，最后再通过脉冲当量计算出需要给 X、Y 两轴各自发出的 脉冲数。运动控制卡根据脉冲数发出相应的脉冲即可驱动伺服电机运动到指定位置，完成冲头的精定位。

　　定位数据的反馈与实时修正

　　在系统长时间连续工作过程中，粗定位送料系统由于运动速度快、运动行程大，容易出现传动件磨损、机臂变形等状况，从而导致粗定位送料系统送料到达位置出现偏 差。这类偏差是由于机械部分变化形成的，虽然变化非常缓慢，但一旦出现其值就会随着运行时间的增加逐渐变大，这样就会导致精定位系统控制刀具移动的时间逐渐增加。正常情况下 由于机械部分的变化非常缓慢，在短时间范围内可以认为由于它导致的大行程送料偏差是固定的，因此可以通过反馈修正的方法对粗定位系统的送料位置进行修正。每次精定位 系统通过图像识别计算出 X、Y 2 个方向上需要移动的距离后，利用这 2 个距离对粗定位系统的送料目标位置进行修正。为了避免随 机误差导致目标位置频繁地改变，采用滑动去极值取平均的方法先计算出修正量再进行修正。粗定位系统送料目标位记为( XT，YT) ，精定位系统连续 m 次 计 算 出 来 的 偏 差分别记为 X1，X2，…，Xm 和 Y1，Y2，… ，Ym。X、Y 2 个方向的修正量分别记为 Xref 和 Yref，则有:

式（1）

　　m 的 取值为 50 左右 ，每次精定位系统识别出运动量 Xj和 Yj后，所有计算数据滑动一次，即:

式（2）

　　根据式( 1) 计算出 Xref和 Yref后，再将( XT，YT) 修正为( XT－ Xref，YT－Yref) 。通过实时修正后，每次冲孔过程中精定位系统的运动量非常小，有效地提高了冲压速度。

　　控制程序设计

　　控制程序可 以分为图纸信息录入、粗定位控制、精定位控制 3 个模块。

　　图纸信息录入

　　待冲孔的工件大多需要在一个工件上冲多个孔位。常见的工件大体上可以分为 2 类，一类是孔位分布有规律并且能够通过简单的计算就能确定; 另一类是分布有规律但无法通过简单的数学计算确定。对于部分企业，待冲孔工件的孔位位置是按标准的 CAD 图纸直接 读 入，获 取 各 圆 心 坐标位置即可完成目标位置的确定。但在大多数情况下，各企业使用的工程软件互不兼容，无法获得特定格式的文件，甚至有的企业根本就没有标准的图纸，这样一来就只能采用示教的方法录入数据。通过手动控制吸盘移 动位置，每移动至一个关键点记录一次坐标。对于分布有规律的孔位只需要录入孔位的起始位置、终止位置、间距等特征数据即可，冲孔时根据特征数据计算各目标孔位坐标。对于孔位分布无规律的工件，则需要手动控制机械手逐孔移动到冲头下识别坐标后记录。

　　粗定位控制

　　粗定位模块控制程序框图如图所示。

　　在冲孔机启动之后，计算机从已经录入并存储在计算机中的图纸信息中读取目标位置信息。根据目标位置坐标计算出 X、Y 两轴需要运动的运动量。计算出运动量后再根 据脉冲当量 折 算 出 两 轴电机需要发送的脉冲 数。计算出相应脉冲数后，根据精定位系统反馈回来的修正值进行修正( 冲孔机刚启动时精定位系统还未工 作，反馈值为0 ) 。修 正后 的数 据发送至运动控制卡驱动电机运动。运 动到目标位后根据编码器反馈值来判断是否已经运动就位，若未就位计算偏差进行补偿运动，若已就位则启动精定位。

　　精定位控制

　　在粗 定 位 完 成 后，工 件 已 送 至 摄 像 头 下方，启动 精 定 位 模 块，对 工 件 进 行 拍 照 分 析。精定位模块控制程序框图如图所示。

　　压脚 压 紧 工 件 后 启 动 CCD 相机拍照，拍照得到的图片经过灰度化、滤波、二值化、边缘提取、中心点计算等图像处理后计算出冲头在X 、Y 两轴上需要运动的运动量 ，折算成脉冲数后驱动电机移动。移动完成后再次启动 CCD相机拍照分析，确认是否移动就位，未就位则再次分析距离、驱动电机; 已就位则开启冲孔电磁阀进行一次冲孔作业。

　　结束语

　　将冲孔送料的过程分为粗定位和精定位2 步 来完成既可以满足速度上的要求 ，又兼顾了精度上的要求。经过实践验证，采用该方法的定位精度可以达到 0．01 mm，平均冲孔速度可以达到 50 孔 / min，实现了无人值守式工作模式，操作工人只需要等一叠料冲孔完成，机器报警后换料即可。通过深圳某公司使 用 的情况来看，该定位方式可以快速准确地实现精准定位，在保证冲孔质量的前提下生产效率可以提高 1 倍以上。

　　——维文信《印制电路世界》

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