一种冲压模具实验教学系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种冲压模具实验教学系统，该教学实验系统中包括电源模块、处理器单元、射频模块、PLC模块、人机交互模块、步进电机控制模块、压力机控制模块、液压控制模块、气动控制模块以及冲压模块，PLC模块采用三菱公司的FX2n?48MT型PLC控制器，PLC模块分别与人机交互模块、步进电机控制模块、压力机控制模块、气动控制模块以及液压控制模块相连，人机交互模块采用威纶通MT6000/8000T Series型触摸屏，该人机交互模块与PLC模块相连，通过人机交互模块将控制指令和参数设定发送给PLC模块。通过在教学实验室配置气动、液压控制设备结合PLC控制器的实验系统，能使学员根据教学内容设计系统方案进行装配、调试的实践训练，能显著提升教学质量和学员超出书本知识之外的领悟。
【专利说明】
一种冲压模具实验教学系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种教学实验系统，特别涉及一种冲压模具实验教学系统。
【背景技术】
[0002]模具被誉为“制造业之母”，是机械制造业中传统的加工基础。而冲压模具在模具行业中的比重非常大，是高职院校模具专业的必设课程之一。
[0003]冲压工艺与模具设计课程是我院模具设计与制造专业的优质核心课程。课程的目标是培养学生具备阅读冲压模具图纸，会分析模具工作原理的能力;培养学生具备分析冲压成形工艺、制定成形工艺方案、设计中等难度冲压模具、会初步分析冲压件质量缺陷的专业能力；以及培养学生的沟通表达、团队协作、工作责任心、职业道德等综合素质和能力。
[0004]冲压工艺与模具设计课程具有如下特点:一是有很强的综合性，融合了机械制图、机械设计、机械加工、金属材料、计算机辅助设计等多门课程的内容;二是具备较强的理论性和实践性，模具设计的过程中涉及到大量的公式和表格，学生要会综合和合理地运用这些理论知识，最终完成课程设计;三是冲压模具类型相对独立，主要针对冲裁模、弯曲模、拉深模进行了模具结构认知与设计；四是设计思路多种多样，根据零件或产品的生产批量，材料的种类和厚度，工件用途而采取不同的设计思路，是一门综合性和实践性较强的课程。课程的教学离不开教学设备的使用，而目前冲压模具教学设备主要存在以下几个问题:
[0005]1、笨重，不利于搬运;2、结构复杂，不利于拆装;3、模拟冲压操作过程繁杂，参与学生人数受限制;4、零件外形简单，工艺单一，与企业联系不够紧密;5、各种典型模具之间相对独立，没能有机联系起来，形成有机整体;6、工作台结构功能单一，没能充分满足冲压课程实验的个性化需求。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型要解决的技术问题是:提供一种功能高度集成，完全能够满足机电专业或机械工程及自动化专业教学的冲压模具成型冲压模具实验教学系统。该系统既可以实现板料的冲压成型功能，又能满足数控技术教学实验所需，集实用性和实验性为一身。
[0007]解决上述技术问题的技术方案是:
[0008]—种冲压模具实验教学系统，该实验教学系统中包括电源模块、处理器单元、射频模块、PLC模块、人机交互模块、步进电机控制模块、压力机控制模块、液压控制模块、气动控制模块以及冲压模块，其特征在于:
[0009]电源模块由三个额定电压电流分别为2狀/54、5￥/24、24￥/154的直流源组成，该电源模块分别为处理器单元、射频模块、PLC模块、人机交互模块、步进电机控制模块、压力机控制模块、液压控制模块、气动控制模块以及冲压模块提供电源；
[0010]处理器单元分别与射频模块和PLC模块连接，接收射频模块读取的信息以及PLC模块传回的数据信息，其中射频模块采用FM1702SL射频芯片，处理器单元采用ATmegaS AVR单片机；[0011 ] PLC模块采用三菱公司的FX2n-48MT型PLC控制器，所述PLC模块分别与人机交互模块、步进电机控制模块、压力机控制模块、气动控制模块以及液压控制模块相连；
[0012]人机交互模块采用威纶通MT6000/8000T Series型触摸屏，该人机交互模块与所述PLC模块相连，通过所述人机交互模块将控制指令和参数设定发送给所述PLC模块；
[0013]冲压模块与所述步进电机控制模块、压力机控制模块、气动控制模块以及液压控制模块连接，接收控制信号，所述冲压模块中包括供料单元、加热成型单元、送料单元、冲压单元、下料清理单元；
[0014]所述步进电机控制模块与所述PLC模块相连，其中步进电机采用四通57BYG250型步进电机，步距角0.9° /1.8°，步进电机驱动器型号为SH-20403 ；
[0015]所述压力机控制模块与所述PLC模块相连，其中压力机采用JB04-1型压力机，接收来自所述PLC模块的控制信号；
[0016]所述液压控制模块与所述PLC模块相连，该液压控制模块中包括油箱、滤油器、液压栗、压力表、单向阀、换向阀、液压缸和溢流阀。
[0017]进一步地，所述供料单元由料仓、供料架、供料气缸、液压剪切缸和电磁阀组成，供料气缸连接并受控于气动控制模块，液压剪切缸连接并受控于液压控制模块。
[0018]进一步地，所述加热成型单元由盛锭筒、成型模具、合模气缸、滑轨、加热丝和温度传感器组成，其中合模气缸连接并受控于气动控制模块，加热丝连接并受控于所述PLC模块。
[0019]进一步地，所述冲压单元由主液压缸、加速移动气缸、液压调速阀、行程开关、直线位移传感器和电磁阀组成，其中加速移动气缸连接并受控于气动控制模块，主液压缸和液压调速阀连接并受控于液压控制模块，行程开关和直线位移传感器信号馈连至所述PLC模块。
[0020]进一步地，所述送料单元由还料托盘、顶料气缸和电磁阀组成，顶料气缸连接并受控于气动控制模块，所述下料清理单元由落料箱、清理剪切液压缸和电磁阀组成，清理剪切液压缸连接并受控于液压控制模块。
[0021]本实用新型具有以下优点和积极效果:
[0022]I)本教学实验系统，可以培养学生的实践能力和对先进技术的应用能力以及创新设计能力，使学生更好地掌握冲压技术以及机电控制和数控技术。根据《机械制造工艺学》、《模具设计》、《材料成型》、《机电传动控制》、《数控技术与机床》、《机电一体化控制技术与系统》等课程的教学要求，本系统采用模块化设计，各模块之间的连接具有很大的灵活性和开放性，针对性和目的性很强。
[0023]2)应用本实用新型的实验系统，其显著优点体现为:通过在教学实验室配置铝型材挤压作业所需各类气动、液压控制设备结合PLC控制器的实验系统，能使学员根据教学内容设计系统方案进行装配、调试的实践训练，能显著提升教学质量和学员超出书本知识之外的领悟。该实验系统具有控制多元可选性、可靠性、开放性、安全性倶佳的优点。
【附图说明】
[0024]图1是本实验系统的系统结构示意图；
[0025]图2是本实验系统中步进电机控制_吴块的电路不意图；
[0026]图3是本实验系统中压力机控制模块的原理示意图；
[0027]图4是本实验系统中液压控制模块的原理示意图；
[0028]图5是本实验系统中压力机控制模块的电路示意图；
[0029]图6是本实验系统中液压控制模块的电路示意图；
[0030]图7是本实验系统中人机交互主界面的布局示意图；
[0031]图8是本实验系统中处理器单元外围电路的示意图；
[0032]图9是本实验系统中射频模块的电路不意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。
[0034]为了给学生提供一个典型性、系统性的工业模型，搭建一个学生认识工业现场的窗口，构建一个可以提升学生工作潜能的实验教学平台。本实用新型创新提出了一种冲压模具实验教学系统，针对性地解决机电一体化尤其是铝型材挤压制造直观教学、增加学生学习感受、熟练掌握系统架构技巧的问题，实现了一种可靠性、灵活性、开放性及安全性的自动化电教系统。本实验系统不仅包含了工业现场中典型的机构，而且涉及机电一体化和电气自动化的专业基础知识，如传感器技术、液压与气动技术、PLC、电机等，非常适合大中专院校、民办培训机构教学演示和操练，能锻炼学生思维能力、实践能力。
[0035]本实用新型的上述冲压模具实验教学系统的系统结构如图1所示。该教学实验系统中包括电源模块、处理器单元、射频模块、PLC模块、人机交互模块、步进电机控制模块、压力机控制模块、液压控制模块、气动控制模块以及冲压模块。
[0036]其中，电源模块由三个额定电压电流分别为24V/5A、5V/2A、24V/15A的直流源组成，分别为PLC模块、人机交互模块、步进电机控制模块、压力机控制模块、液压控制模块、气动控制模块以及冲压模块提供电源。
[0037]处理器单元分别与射频模块和PLC模块连接，接收射频模块读取的信息以及PLC模块传回的数据信息。因为读写设备需要用到的控制比较简单:只涉及到无线/串行通信、EEPROM数据读写操作、RFID卡片读写操作。因此不需要选择很高级的微控制器，使用一片ATmega8就完全能够胜任了。ATmega8是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMO S微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmegaS的数据吞吐率高达IMIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。处理器单元采用ATmega8AVR单片机，处理器单元外围电路包括了上电/按键复位、系统状态指示、ISP编程、DART/SPI通信接口，处理器单元外围电路的示意图如图8所示。
[0038]图9为射频模块的电路示意图，系统采用FM1702SL作为射频识别部分的读卡器芯片。FM 1702 SL是基于IS014443标准的非接触卡读卡机专用芯片。支持13.56MHz频率下的typeA非接触通信协议和多种加密算法，读写操作距离可达10cm。校园中广泛使用的“一卡通”，是MIFARE S50类型的IC卡，是工作在13.56MHz频率下的射频电子标签。当FM1702SL读卡器向该类IC卡发送高频电磁波时，卡片内部的LC串联谐振电路将产生共振，电容将积累电荷。当积累电荷超过2V时，可为卡片电路提供工作电压，实现卡片内的数据与读卡器之间的无线传输。FM1702SL内部的发送器部分不需要增加有源电路就能直接驱动操作近距离的天线，接收器部分提供一个可靠而有效的解调和解码电路，用于IS014443 A兼容的应答器信号。这样给读写设备的设计提供了极大的灵活性。因芯片内部具有高度集成的模拟电路，所以只需少量外围电路就可实现读写功能。
[0039]学生在进行实验之前，可以通过刷卡的方式录入自己的个人信息，处理单元在获取了参与实验学生的个人信息之后会将学生实验过程中的运行记录信息进行关联和保存(存储单元未示出)，并可以通过串口将学生的实验操作信息上传给上位机，以用于教学管理。
[0040]PLC模块采用三菱公司的FX2n-48MT型PLC控制器，所述PLC模块分别与人机交互模块、步进电机控制模块、压力机控制模块、气动控制模块以及液压控制模块相连。
[0041]冲压模块与所述步进电机控制模块、压力机控制模块、气动控制模块以及液压控制模块连接，接收控制信号，所述冲压模块中包括供料单元、加热成型单元、送料单元、冲压单元、下料清理单元。所述供料单元由料仓、供料架、供料气缸、液压剪切缸和电磁阀组成，供料气缸连接并受控于气动控制模块，液压剪切缸连接并受控于液压控制模块。所述加热成型单元由盛锭筒、成型模具、合模气缸、滑轨、加热丝和温度传感器组成，其中合模气缸连接并受控于气动控制模块，加热丝连接并受控于所述PLC模块。所述冲压单元由主液压缸、加速移动气缸、液压调速阀、行程开关、直线位移传感器和电磁阀组成，其中加速移动气缸连接并受控于气动控制模块，主液压缸和液压调速阀连接并受控于液压控制模块，行程开关和直线位移传感器信号馈连至所述PLC模块。所述送料单元由坯料托盘、顶料气缸和电磁阀组成，顶料气缸连接并受控于气动控制模块，所述下料清理单元由落料箱、清理剪切液压缸和电磁阀组成，清理剪切液压缸连接并受控于液压控制模块。
[0042]所述液压控制模块与所述PLC模块相连，该液压控制模块中包括油箱、滤油器、液压栗、压力表、单向阀、换向阀、液压缸和溢流阀。
[0043]学生可以从一个铝型材挤压成型工艺的作业周期来进一步理解冲压的工作过程，进一步体现该教学实验设备的直观性。供料气缸将预热过的铝棒(铝型材坯料中的一种)推出，液压剪切缸下压，进行一定长度原料的截取，原料经滑槽滚至坯料托盘，而后由顶料气缸顶升至与盛锭筒同一中心高度，此时驱动快速移动气缸带动模头伸出，将铝棒推进盛锭筒(该过程对原料持续加热至挤压成型温度)，而后主液压缸继续伸出，推动铝棒通过模具进行挤压成型，得到与模孔孔型相同的产品，挤压结束时推出挤压残料，在清理剪切液压缸作用下把成品与残料切断，挤压后的成品落至落料箱。
[0044]实验操作是作为实验教学的重要方面，人机交互模块采用威纶通MT6000/8000TSeries型触摸屏，与PLC模块相连，通过所述人机交互模块将控制指令和参数设定发送给PLC模块。
[0045]人机交互的主界面中包括了运动控制、气动缸手动控制、液压缸手动控制和记录查询四个子界面，并且各子界面根据实验要求布局设有相应的控制按钮。支持远程各单元工作状态的图形和文字显示，能够远程对设备进行控制和调试，支持相关数据的设定和运行参数的保存，能够进行故障记录和报警等。完成线路连接后，学生可以手动操控各控制按钮、开关对各单元构件实施局部操作，也可以根据系统控制顺序与要求。人机交互主界面的布局示意图如图7所示。
[0046]本实验系统中步进电机控制模块的电路如图2所示。在本实验系统中，步进电机控制模块与PLC模块相连，其中步进电机采用四通57BYG250型步进电机，步距角0.9° /1.8°，驱动器型号为SH-20403。控制器根据控制要求，给步进电机驱动器发出控制指令，步进电机驱动器再来控制步进电机实现最终的运动，本实验系统采用了 “PULSE+DIR”即“脉冲+方向”的方式来控制步进电机。其中相关的接线端口说明如下:
[0047]公共端:本驱动器的输入信号采用共阳极接线方式，应将输入信号的电源正极连接到该端子上，将输入的控制信号连接到对应的信号端子上。控制信号低电平有效，此时对应的内部光耦导通，控制信号输入驱动器中。
[0048]脉冲信号输入:共阳极时该脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。为了确保脉冲信号的可靠响应，共阳极时脉冲低电平的持续时间不应少于10毫秒。本驱动器的信号响应频率为70KHz，过高的输入频率将可能得不到正确响应。
[0049]方向信号输入:该端信号的高电平和低电平控制电机的两个转向。共阳极时该端悬空被等效为输入高电平。
[0050]脱机信号输入:该端接受控制机输出的高/低电平信号，共阳极时低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态(脱机状态)。共阳极时高电平或悬空时，转子处于锁定状
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[0051]在冲压生产中，为了适应不同的工作情况，采用各种不同类型的压力机。根据压力机的传动方式、产生压力的方法、结构形式及使用性质不同，压力机主要有:曲柄压力机、摩擦压力机、多工位自动压力机、冲压液压机、冲模回转头压力机、高速压力机、精密冲裁压力机和电磁压力机等。其中曲柄压力机种类较多，可适用于一种或多种冲压工序，应用广泛。
[0052]压力机控制模块与所述PLC模块相连，其中压力机采用JB04-1型压力机，接收来自所述PLC模块的控制信号，压力机工作原理如图3所示:电动机I通过三角皮带把运动传给大皮带轮3，然后传给曲轴5。连杆7上端装在曲轴上，下端与滑块8连接，把曲轴的旋转运动变为滑块的直线往复运动。上模9装在滑块上，下模10装在垫板11上。因此，当材料放在上下模之间时，即能进行冲裁或其它变形工艺，制成工件。由于生产工艺的需要，滑块有时运动，有时停止，所以装有离合器4和制动器6。压力机在整个工作间期内进行工艺操作的时间很短，也就是说，有负荷的工作时间很短，大部分时间为无负荷的空程时间。为了使电动机的负荷均匀，有效地利用能量，因而装有飞轮。大皮带轮3即起飞轮作用，其中2为小皮带轮。
[0053]压力机控制模块的电路如图5所示，当转换开关SA4未动作时，由于二极管V3的反向阻止，指示灯HL3得电，显示单行程模式。在这种情况下，电动机带动皮带轮及曲柄轴转动，当转动一轴以后，离合器受挡销作用脱开，曲柄连杆机构便不再运动。若SA4动作，此时脚踏开关SB6如果闭合，中间继电器ΚΑ4和指示灯HL2都将导通，显示为连续运动模式，线圈YAl得电闭合，挡销受线圈的作用不再与离合器作用，曲柄连杆机构可以一直运动。在SA2选择工作台操作面板控制方式时，面板开关SA3控制冲床电机的得电与失电，控制方式和冲裁动作开关信号都将传送到PLC，PLC按照程序决定Υ22以何种电平输出，而Υ22通过中间继电器间接的控制着线圈YAl JAl所起的作用与前种方式相同，失电为单行程，得电为连续运动。在压力机电路中，元件FU3是起保护整个电路作用的熔断丝，压力机电机的电压为交流220V，一个接线端需要接地。
[0054]本实验系统中液压控制模块的原理如图4所示，其中10为油箱、2为滤油器、3为液压栗、4为压力表、5为单向阀、9为换向阀、8为液压缸、11为溢流阀。液压控制模块由以下四部分组成:
[0055]I)能量转换装置——把驱动电机的机械能转换成油液液压能的装置。在本实验系统中采用的是以三相异步交流电机带动的齿轮栗，它给液压系统提供压力油，同时具有结构简单、噪音小、性价比高的特点。
[0056]2)执行装置一一把油液的液压能转换成机械能的装置。在本实验系统中采用的是做直线运动的液压缸。液压缸为单杆双作用式活塞缸，缸筒固定，可以实现双向运动，在行程终止时不会像单作用液压缸那样出现减速现象。单杆双作用式活塞缸的往复作用力和速度是不一样的，活塞杆的伸出速度要比缩回速度小，但推力却要大很多，这有利于工料的平稳夹紧。
[0057]3)控制调节装置——对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。如本实验系统中为了保持工作压力的恒定，防止系统压力过大，在栗的出口设置了溢流阀；为了防止高压油回流，在栗的出口处设置了一个单向阀;在液压栗的出口处设计了一个液压表，用于显示液压系统压力。
[0058]液压控制模块的电路示意图如图6所示。PLC的Y21、Y23、Y24分别驱动继电器KA2、KA5、KA6，然后分别接触器KM2、电磁阀YA2、YA3。通过PLC梯形图产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作。
[0059]综上所述，本实用新型冲压模具实验教学系统采用三菱公司的FX2n-48MT型PLC为核心控制器，结合液压、气动、传感器和人机界面技术，实现对型材挤压成型过程的仿真控制。该实验系统结构简单，操作控制方便，性能可靠，人机交互界面直观，演示效果逼真，对学生独立构建控制系统有较强的实践指导意义。
[0060]除上述实施例外，本实用新型还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求保护的范围之内。
[0061]本实用新型的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型的意图也包含这些改动和变形在内。
【主权项】
1.一种冲压模具实验教学系统，该实验教学系统中包括电源模块、处理器单元、射频模块、PLC模块、人机交互模块、步进电机控制模块、压力机控制模块、液压控制模块、气动控制模块以及冲压模块，其特征在于: 电源模块由三个额定电压电流分别为24V/5A、5V/2A、24V/15A的直流源组成，该电源模块分别为处理器单元、射频模块、PLC模块、人机交互模块、步进电机控制模块、压力机控制模块、液压控制模块、气动控制模块以及冲压模块提供电源； 处理器单元分别与射频模块和PLC模块连接，接收射频模块读取的信息以及PLC模块传回的数据信息，其中射频模块采用FM1702SL射频芯片，处理器单元采用ATmegaS AVR单片机； PLC模块采用三菱公司的FX2n-48MT型PLC控制器，所述PLC模块分别与人机交互模块、步进电机控制模块、压力机控制模块、气动控制模块以及液压控制模块相连； 人机交互模块采用威纶通MT6000/8000T Series型触摸屏，该人机交互模块与所述PLC模块相连，通过所述人机交互模块将控制指令和参数设定发送给所述PLC模块； 冲压模块与所述步进电机控制模块、压力机控制模块、气动控制模块以及液压控制模块连接，接收控制信号，所述冲压模块中包括供料单元、加热成型单元、送料单元、冲压单元、下料清理单元； 所述步进电机控制模块与所述PLC模块相连，其中步进电机采用四通57BYG250型步进电机，步距角0.9° /1.8°，步进电机驱动器型号为SH-20403 ； 所述压力机控制模块与所述PLC模块相连，其中压力机采用JB04-1型压力机，接收来自所述PLC模块的控制信号； 所述液压控制模块与所述PLC模块相连，该液压控制模块中包括油箱、滤油器、液压栗、压力表、单向阀、换向阀、液压缸和溢流阀。2.根据权利要求1所述的冲压模具实验教学系统，其特征在于: 所述供料单元由料仓、供料架、供料气缸、液压剪切缸和电磁阀组成，供料气缸连接并受控于气动控制模块，液压剪切缸连接并受控于液压控制模块。3.根据权利要求1所述的冲压模具实验教学系统，其特征在于: 所述加热成型单元由盛锭筒、成型模具、合模气缸、滑轨、加热丝和温度传感器组成，其中合模气缸连接并受控于气动控制模块，加热丝连接并受控于所述PLC模块。4.根据权利要求1所述的冲压模具实验教学系统，其特征在于: 所述冲压单元由主液压缸、加速移动气缸、液压调速阀、行程开关、直线位移传感器和电磁阀组成，其中加速移动气缸连接并受控于气动控制模块，主液压缸和液压调速阀连接并受控于液压控制模块，行程开关和直线位移传感器信号馈连至所述PLC模块。5.根据权利要求1所述的冲压模具实验教学系统，其特征在于: 所述送料单元由还料托盘、顶料气缸和电磁阀组成，顶料气缸连接并受控于气动控制模块，所述下料清理单元由落料箱、清理剪切液压缸和电磁阀组成，清理剪切液压缸连接并受控于液压控制模块。
【文档编号】G09B25/02GK205508189SQ201620113883
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月2日
【发明人】程婧璠, 刘兵, 陈铁, 刘岑, 袁小会, 刘小宁
【申请人】程婧璠