碟簧強(qiáng)壓機(jī)的分析與設(shè)計(jì)

姚海濱，張曉波，郭　斌，朱亞東

(1.揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州　225012)(2.揚(yáng)州核威碟形彈簧制造有限公司，江蘇揚(yáng)州　225008)

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碟簧強(qiáng)壓機(jī)的分析與設(shè)計(jì)

姚海濱1，張曉波1，郭斌2，朱亞東1

(1.揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225012)
(2.揚(yáng)州核威碟形彈簧制造有限公司，江蘇揚(yáng)州225008)

摘要:敘述了碟簧強(qiáng)壓機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作過程，并利用觸摸屏、PLC、伺服放大器、伺服電機(jī)、氣動(dòng)元件等器件設(shè)計(jì)出碟簧強(qiáng)壓機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，能切實(shí)有效地控制碟簧強(qiáng)壓機(jī)按照設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行工作。與目前大多數(shù)企業(yè)所用的相關(guān)設(shè)備相比，該碟簧強(qiáng)壓機(jī)有效結(jié)合了觸摸屏、PLC等器件，實(shí)現(xiàn)了碟簧強(qiáng)壓機(jī)的自動(dòng)化，提高了產(chǎn)品疲勞強(qiáng)度和生產(chǎn)效率，解決了因人工操作而難以進(jìn)行過程控制的難題，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，具有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。

關(guān)鍵詞:碟簧;強(qiáng)壓機(jī);觸摸屏;可編程邏輯控制器

彈簧強(qiáng)壓處理是將熱處理后的彈簧壓縮到工作極限載荷下的高度，一次或多次短暫壓縮至彈簧材料表層產(chǎn)生有益的、與工作應(yīng)力反向的殘余壓應(yīng)力，以達(dá)到穩(wěn)定彈簧幾何尺寸、提高疲勞壽命為主要目的的一種工藝方法。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)90年代開始對(duì)彈簧強(qiáng)壓處理的原理和工藝進(jìn)行研究，多數(shù)廠家采用液壓壓力機(jī)進(jìn)行強(qiáng)壓，生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)效率低下，且強(qiáng)壓過程中，強(qiáng)壓次數(shù)均由人工操作，難以進(jìn)行過程控制，出廠的彈簧質(zhì)量不穩(wěn)定。到目前為止，對(duì)于形狀與要求特殊的碟形彈簧，國(guó)內(nèi)尚未見有專用的強(qiáng)壓設(shè)備。

碟簧強(qiáng)壓機(jī)設(shè)備的研制正是為了解決上述問題。該設(shè)備既可通過改變產(chǎn)品的預(yù)應(yīng)力來提高碟形彈簧的質(zhì)量，又能降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高強(qiáng)壓處理的生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造明顯效益。

1　碟簧強(qiáng)壓機(jī)結(jié)構(gòu)分析

碟簧強(qiáng)壓機(jī)設(shè)備研發(fā)屬創(chuàng)新設(shè)計(jì)，結(jié)合產(chǎn)品的功能特點(diǎn)，該設(shè)備采用立式5層總體結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。

第一層為氣缸及支架裝置組成的氣壓機(jī)構(gòu)。

第二層為由發(fā)明專利部件“增壓裝置”所組成的快換強(qiáng)壓機(jī)構(gòu)。

第三層為壓定機(jī)構(gòu)。

第四層為分度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

圖1　強(qiáng)壓機(jī)總體結(jié)構(gòu)

第五層為支撐部件，內(nèi)置電氣伺服控制系統(tǒng)。

碟簧強(qiáng)壓機(jī)設(shè)備采用0.5～0.7MPa氣缸，活塞通過專用壓頭(隨碟簧直徑不同可更換結(jié)構(gòu))對(duì)碟簧強(qiáng)壓，強(qiáng)壓行程可根據(jù)碟簧要求由壓頭、襯套、心軸配套實(shí)現(xiàn)(模塊化) ;氣缸工作壓力在0.3～0.7MPa范圍內(nèi)可調(diào)，手動(dòng)/電磁控制;氣缸安裝機(jī)架上，可按兩種規(guī)格(250 (5 490N max)，320 (14 060N max) )的實(shí)際需要，進(jìn)行模塊化安裝和調(diào)整;壓定裝置與工作臺(tái)、氣缸機(jī)架的模塊化可調(diào)整式設(shè)計(jì)。

碟簧強(qiáng)壓機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2　碟簧強(qiáng)壓機(jī)的工作原理及工作過程

為減少操作人員對(duì)強(qiáng)壓過程的影響，提高設(shè)備的自動(dòng)化率，本設(shè)備采用單片強(qiáng)壓的設(shè)計(jì)方案，其機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，1，2號(hào)工位為上料工位，3～7號(hào)為5次強(qiáng)壓的工作工位，8號(hào)工位為落料工位。

圖2　碟簧強(qiáng)壓機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

圖3　單片強(qiáng)壓機(jī)構(gòu)

由操作人員將單片待壓碟簧放置于1(或2)號(hào)工位中(如圖3所示)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分度盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)45°，工件即被轉(zhuǎn)至強(qiáng)壓工位，繼而氣壓系統(tǒng)工作，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)壓部件完成一次強(qiáng)壓動(dòng)作;分度盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入下一工位的強(qiáng)壓，以此類推。碟簧于7號(hào)工位上完成第5次強(qiáng)壓，當(dāng)分度盤繼續(xù)轉(zhuǎn)過45°時(shí)，被強(qiáng)壓5次后碟簧即從8號(hào)工位自動(dòng)落料，同時(shí)可以通過計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)，以獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

由此可見，碟簧強(qiáng)壓機(jī)設(shè)備工作過程如下:

1)人工分檢碟簧放置于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定準(zhǔn)孔內(nèi);

2)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)45°至工作位置;

3)氣缸通過壓頭下壓碟簧(停留時(shí)間可設(shè)置) ;

4)氣缸壓頭復(fù)位;

5)重復(fù)步驟1)～4)完成循環(huán);

6)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)至空工位落下碟簧。

3　碟簧強(qiáng)壓機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1控制系統(tǒng)框圖

碟簧強(qiáng)壓機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要利用觸摸屏、PLC、伺服放大器、伺服電機(jī)、氣動(dòng)元件等器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，能切實(shí)有效地控制碟簧強(qiáng)壓機(jī)按照設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行工作?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4　控制系統(tǒng)框圖

3.2觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏是通過觸摸式工業(yè)顯示器和機(jī)器連為一體的智能化設(shè)備。它是通過外部物體接觸面板上的按鈕開關(guān)或參數(shù)設(shè)置來完成工藝流程的控制，面板上的操作內(nèi)容可以人為地通過編程軟件來進(jìn)行編輯，同時(shí)可以把完成的工藝狀態(tài)顯示在觸摸屏上，因此它既是一個(gè)輸入設(shè)備，又是一個(gè)輸出設(shè)備，其操作靈活，功能強(qiáng)大［2］。PLC系統(tǒng)只需通過信號(hào)傳輸線即可與觸摸屏連接起來，實(shí)現(xiàn)資源的有機(jī)整合。因該機(jī)床電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)單，對(duì)人機(jī)界面無特殊要求，考慮到可靠性與經(jīng)濟(jì)性，選用了威倫MT8100iE型觸摸屏。

在配套軟件EasyBuilder8000中設(shè)計(jì)如下功能界面:自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、回零操作、生產(chǎn)日志、調(diào)試維修、故障診斷等。

3.3 PLC的設(shè)計(jì)

1) PLC的選型及地址分配。

在估出被控對(duì)象所需的I/O點(diǎn)數(shù)后，考慮留有20%～25%的余量，就可確定所選PLC的型號(hào)［3］。

本設(shè)計(jì)中需要和PLC輸入端子相連接的輸入點(diǎn)有13個(gè)，需要和PLC輸出端子相連接的輸出點(diǎn)有10個(gè)，具體I/O地址分配參見表1?？紤]到以后其他擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)通過I/O點(diǎn)數(shù)的比較及功能要求，初步選用FX1N－40MT型PLC。

2) PLC軟件設(shè)計(jì)。

碟簧強(qiáng)壓機(jī)的PLC程序較為復(fù)雜，需按照?qǐng)D5所示的程序總框圖來進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要從功能子程序(伺服電機(jī)試運(yùn)行程序，相對(duì)、絕對(duì)位置運(yùn)行程序，回編碼器零點(diǎn)程序，當(dāng)前值讀取程序等)著手，逐步完善。

3.4伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從電機(jī)轉(zhuǎn)子到工作臺(tái)之間是減速比為2的單級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)工作臺(tái)回零之后，只需讓電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°即可實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)至下一個(gè)工位。本系統(tǒng)的控制模式為位置控制，根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)(如水平還是垂直負(fù)載等)、轉(zhuǎn)矩、慣量、轉(zhuǎn)速、精度、加減速等要求，同時(shí)考慮到以后可能會(huì)將系統(tǒng)改進(jìn)為閉環(huán)系統(tǒng)，因此本設(shè)計(jì)中選用三菱HF－SP102伺服電機(jī)，以及與之相配套的MRJ3－100A伺服放大器。

表1　I/O地址分配表

MRJ3－100A三菱伺服放大器具有USB和RS422串行通訊功能，通過安裝有伺服設(shè)置軟件MR－configurator的個(gè)人計(jì)算機(jī)就能進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)顯示監(jiān)控和增益調(diào)整等操作［4］。

位置控制模式時(shí)，只要設(shè)置主要基本設(shè)定參數(shù)就可以使用伺服放大器。

3.5氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

因?yàn)榕c液壓系統(tǒng)相比，氣動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作迅速、方便，成本較低，在極端溫度情況下也能可靠工作，清潔無污染，故托舉系統(tǒng)采用氣動(dòng)托舉的方式較為合適［5］。

氣動(dòng)系統(tǒng)的電控原理圖如圖6所示。氣動(dòng)系統(tǒng)的工作過程:繼電器KA1先得電，繼而電磁閥1DT得電，大氣缸的活塞是下壓工作;繼電器KA2得電，繼電器KA1失電，繼而電磁閥1DT失電、電磁閥2DT得電，小氣缸抬升工作。

4　碟簧強(qiáng)壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)的調(diào)試

碟簧強(qiáng)壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)調(diào)試流程圖如圖7所示，按該流程圖逐步調(diào)試直至完成。

圖7　碟簧強(qiáng)壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)調(diào)試流程圖

5　結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的碟簧強(qiáng)壓機(jī)有效地結(jié)合了觸摸屏、PLC、伺服放大器、伺服電機(jī)、氣動(dòng)元件等器件，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的自動(dòng)化，并且工作臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)，精度較高，提高了蝶形彈簧的質(zhì)量及強(qiáng)壓處理的工作效率，滿足廠家提出的設(shè)計(jì)要求。產(chǎn)品已獲得實(shí)用新型專利(專利號(hào): ZL 2013 2 0156623.9)。

該碟簧強(qiáng)壓機(jī)還存在著一些不足之處，有待作進(jìn)一步研究。如選用差動(dòng)輸入方式的PLC接受編碼器反饋信息，以形成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。另外該碟簧強(qiáng)壓機(jī)目前仍需通過人工進(jìn)行上料，下一步工作可以進(jìn)一步配制振動(dòng)式上料機(jī)來完成自動(dòng)上料，從而進(jìn)一步降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率。

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Analysis and design of disc spring compression machine

YAO Haibin，ZHANG Xiaobo，GUO Bin，ZHU Ya－dong
(1.School of Mechanical Engineering，Yangzhou Polytechnic College，Jiangsu Yangzhou，225009，China) (2.Yangzhou Hewei Disc Spring Manufacturing Co.，Ltd.，Jiangsu Yangzhou，225008，China)

Abstract:It introduces the structure of the disc spring compression machine，working principle and working process.Using touch screen，PLC，servo amplifier，servo motors，pneumatic components and other devices，it designs the automatic control system of the disc spring compression machine，which can work effectively in accordance with the design requirements.Compared with the current related equipment used in most companies，the disc spring compression machine effectively combines the touch screen，PLC and other devices，realizes the disc spring compression machine automation.This improves the fatigue strength and production efficiency，and reduces the workers＇labor intensity during extreme pressure，satisfies the actual production needs，has good industrial prospect.

Key words:disc spring; compression machine; touch screen; PLC

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.011

作者簡(jiǎn)介:姚海濱(1965—)，男，江蘇揚(yáng)州人，揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)副教授，工程碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的研究。

收稿日期:2015－03－20

中圖分類號(hào):TP212.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095－509X(2015) 06－0045－04