基于位移傳感器的鉚接尺寸控制研究

孔雪峰 崔 巍 張少宏

(航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽(yáng)441003)

徑向鉚接機(jī)，也叫旋鉚機(jī)，廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)械制造、汽車制造和電器開關(guān)、五金工具、儀器儀表、日用器械等各種需要鉚接加工的工藝方法中，是組成數(shù)控鉚接工作站和全自動(dòng)鉚接生產(chǎn)線的基本單元。其按動(dòng)力源的不同又可分為液壓旋鉚機(jī)和氣動(dòng)旋鉚機(jī)。本文所述旋鉚機(jī)采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。

1 問(wèn)題的提出

氣動(dòng)旋鉚機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。動(dòng)力頭是核心部件，鉚接往復(fù)運(yùn)動(dòng)、鉚接壓力及內(nèi)擺線鉚接軌跡的形成，均由其實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器將運(yùn)動(dòng)傳遞給球面運(yùn)動(dòng)副，同時(shí)氣壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)活塞連同球面運(yùn)動(dòng)副向下施壓，當(dāng)鉚頭接觸到鉚釘時(shí)，鉚頭圍繞鉚釘中心線按11瓣梅花運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)鉚釘進(jìn)行無(wú)滑動(dòng)碾壓，從而完成鉚接工作。

當(dāng)鉚頭向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)下極限位置時(shí)，此時(shí)碾壓鉚釘形成的尺寸就是鉚釘最終成型尺寸，該下極限點(diǎn)的位置可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)微調(diào)螺套進(jìn)行調(diào)節(jié)。也就是說(shuō)，要改變鉚接尺寸就必須調(diào)節(jié)微調(diào)螺套對(duì)下極限點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，如果要在同一旋鉚工位上實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)以上不同尺寸要求的自動(dòng)連續(xù)鉚接，很顯然，就需要找到另外能自動(dòng)控制鉚接尺寸的方法。

2 鉚接尺寸控制的實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，我們安裝位移傳感器對(duì)鉚頭下降的距離進(jìn)行精確測(cè)量，位移傳感器本體(不動(dòng)部分)與動(dòng)力頭底座、機(jī)架連接在一起，測(cè)量桿(可動(dòng)部分)與鉚頭連接在一起。傳感器將位移量轉(zhuǎn)換成0～5 V電壓信號(hào)接入PLC模擬量輸入模塊，由PLC對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理以得到鉚頭位移的實(shí)時(shí)測(cè)量值。下降電磁閥通電后，動(dòng)力頭內(nèi)氣缸上腔接通壓縮空氣，驅(qū)動(dòng)活塞連同鉚頭向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)PLC監(jiān)測(cè)到鉚頭位移實(shí)際值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，下降電磁閥斷電，氣缸上腔斷開壓縮空氣，經(jīng)過(guò)設(shè)定的旋鉚時(shí)間后，上升電磁閥通電，氣缸下腔接通壓縮空氣，驅(qū)動(dòng)活塞連同鉚頭向上運(yùn)動(dòng)。這樣就完成了一個(gè)旋鉚循環(huán)，并實(shí)現(xiàn)了鉚接尺寸的自動(dòng)控制。

根據(jù)實(shí)際需要，位移傳感器選用量程為100 mm，精度為0.01 mm的電感式精密位移傳感器;PLC選用西門子公司的CPU315-2DP及模擬量輸入模塊SM331、開關(guān)量輸入模塊SM321、開關(guān)量輸出模塊SM322;人機(jī)界面選用西門子公司的TP170A觸摸屏，用于鉚接尺寸、允差設(shè)置、旋鉚時(shí)間等相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

3 鉚接尺寸控制原理

如圖2所示，假設(shè)以位移傳感器的零點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，鉚頭垂直向下的方向作為坐標(biāo)+方向，那么在這個(gè)坐標(biāo)系中，一旦位移傳感器固定并標(biāo)定好，其顯示值即為鉚頭的坐標(biāo)值，并且鉚釘在該坐標(biāo)系中也是固定不動(dòng)的。

L:鉚釘?shù)撞烤嚯x原點(diǎn)的距離，在鉚釘正確放置于模具上時(shí)，該值不變。

La:鉚頭頂部距離原點(diǎn)的距離，該值為位移傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量值。

H0:鉚釘鉚接后尺寸值。

L0:鉚接后鉚釘頂部距離原點(diǎn)的距離。

則H0=L-L0

由于L值不變且已知，假設(shè)需要將鉚釘高度鉚至H0，那么只要驅(qū)動(dòng)鉚頭向下運(yùn)動(dòng)至La等于L0即可，也就是使位移傳感器測(cè)量值等于L0，這就是利用位移傳感器控制鉚釘尺寸的基本原理。

如圖3所示，左邊為鉚釘成型的設(shè)置值，即理想成型尺寸，右邊是實(shí)際成型狀態(tài)。

Ls:鉚頭位移設(shè)定值。

Lmax:鉚頭位移上限設(shè)定值。

Lmin:鉚頭位移下限設(shè)定值。

Lf:鉚頭最終位移值。

ΔL:鉚頭位移設(shè)定值和實(shí)際值的差值，也就是鉚頭過(guò)沖量。

在旋鉚過(guò)程中，通過(guò)鉚釘鉚高要求設(shè)置好鉚頭位移值Ls，鉚頭向下運(yùn)動(dòng)達(dá)到該位移值時(shí)延時(shí)返回。實(shí)際鉚頭位移值Lf是要大于設(shè)置值Ls的，這個(gè)差值ΔL如果在允許范圍內(nèi)，鉚接尺寸是合格的，否則鉚接尺寸不合格。允許范圍根據(jù)鉚接工藝要求確定，并由上限設(shè)定值Lmax和下限設(shè)定值Lmin進(jìn)行設(shè)置。

4 影響鉚接尺寸控制準(zhǔn)確度的因素分析

從上述分析可以得出，如果能將過(guò)沖量ΔL控制在允許的范圍內(nèi)，那么鉚接尺寸是能很好保證的。在實(shí)際控制過(guò)程中，位移測(cè)量、電磁閥動(dòng)作都需要反應(yīng)時(shí)間，再加上壓縮空氣本來(lái)就不是一個(gè)剛性系統(tǒng)，過(guò)沖是無(wú)法避免的。如何減小過(guò)沖量，如何讓每次過(guò)沖量趨近于一致，就成為準(zhǔn)確控制鉚接尺寸的關(guān)鍵。

首先，在設(shè)計(jì)PLC程序時(shí)盡量?jī)?yōu)化程序結(jié)構(gòu)和語(yǔ)句，將循環(huán)掃描時(shí)間盡量壓縮，在電磁閥的控制上，利用PLC立即輸出功能處理對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)，通過(guò)這些措施盡量提高位移測(cè)量和電磁閥動(dòng)作的快速性。同時(shí)，在位移傳感器和模擬量模塊等硬件的選擇上要保證位移測(cè)量的準(zhǔn)確度。

其次，需要提供壓力穩(wěn)定的氣源。從實(shí)際調(diào)試過(guò)程來(lái)看，壓縮空氣壓力是影響過(guò)沖量的重要因素，壓力越大，鉚頭下降的速度越快，鉚接能力越強(qiáng)，過(guò)沖量也越大。調(diào)節(jié)氣源壓力時(shí)，要根據(jù)鉚釘材質(zhì)和大小進(jìn)行選擇，在滿足加工能力和效率的前提下，盡量將壓力調(diào)節(jié)得較低，實(shí)際調(diào)至0.4 MPa左右。

最后，需要合理設(shè)置旋鉚時(shí)間。旋鉚時(shí)間是鉚頭到達(dá)設(shè)定位移值后繼續(xù)停留的時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，壓縮空氣已經(jīng)切斷，但主軸電機(jī)仍然旋轉(zhuǎn)，以保證鉚釘頭部的成型質(zhì)量。旋鉚時(shí)間是影響過(guò)沖量的次要因素，一般設(shè)置為數(shù)百毫秒，時(shí)間越短，過(guò)沖量越小，實(shí)際設(shè)置成200 ms。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種利用位移測(cè)量控制鉚接尺寸的方法，詳細(xì)闡述了控制原理和影響控制精度的主要因素。從實(shí)際效果來(lái)看，采用該種方法能將氣動(dòng)旋鉚機(jī)鉚釘成型尺寸誤差穩(wěn)定地控制在0.06 mm之內(nèi)，能滿足絕大部分鉚接工藝需要。同時(shí)，該種方法的成功應(yīng)用，可將旋鉚機(jī)改造成數(shù)控鉚接工作站，進(jìn)而組成全自動(dòng)生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)多工位多點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)鉚接，大大提高生產(chǎn)效率，在鈑金加工、汽車零部件加工和電工電子加工制造領(lǐng)域具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］西門子.S7-300可編程控制器硬件和安裝手冊(cè)［Z］.2002.

［2］武漢瑞威特機(jī)械有限公司.徑向鉚接機(jī)使用說(shuō)明書［Z］.2008.