工程訓練微課程教具設計
——以沖壓加工為例

于 瑋, 趙南生, 顧秦冬, 江崇遠, 陳文毅

(1. 南通大學 工程訓練中心, 江蘇 南通 226019; 2. 南通大學 機械工程學院, 江蘇 南通 226019)

工程訓練微課程教具設計
——以沖壓加工為例

于 瑋1, 趙南生1, 顧秦冬1, 江崇遠2, 陳文毅2

(1. 南通大學 工程訓練中心, 江蘇 南通 226019; 2. 南通大學 機械工程學院, 江蘇 南通 226019)

針對工程訓練微課程的教學實際,設計了一種多功能模塊化的沖床教具。從沖壓加工的數(shù)學模型入手,推導了曲柄滑塊機構的運動學機理,理論驗證了沖壓機構的抗疲勞性能并研究了機構驅動方案。積分分離式PID算法的引入,解決了沖壓圖案不均勻的問題。實踐結果表明,該教具結構合理、實用性強,有利于在線互動式教學。

沖壓加工； 教具設計； 工程訓練； 微課程

工程訓練課程是應用型人才培養(yǎng)必不可少的實踐環(huán)節(jié)[1],但由于課程內容貼近機械專業(yè)[2],且課時安排一般較少,非機械專業(yè)的學生在學習期間往往不易入門。網(wǎng)絡微課程的出現(xiàn)在一定程度上緩解了上述局面,學生可以在空余時間開展自主學習,通過知識脈沖的方式獲得聚焦式的學習體驗[3]。但是微課程展示的內容相對細碎化,過于復雜的學習資源往往不容易被講明白。機床的認知與操作在工程訓練課程中所占比重較大[4],對于毫無專業(yè)背景的學生而言,要在較短的時間內理解復雜的機床結構實屬不易。實踐中發(fā)現(xiàn),若在機床加工過程中,采用機構簡化的教具配合講解,往往會獲得良好的教學效果。因此,設計一款結構簡單、原理清晰、仿真度高的機床教具,有利于課堂教學,也符合“短小精悍”的微課程視頻的開發(fā)需求。

本文以沖床為模板,進行教具的開發(fā),出于以下幾點考慮:其一,沖壓加工的動作容易模仿,內部結構也便于簡化；其二,沖壓加工一旦發(fā)生操作事故,則后果不堪設想,因此具有重要的現(xiàn)實意義[5-6]；其三,市場上現(xiàn)售的沖床教具,過于粗糙,且仿真度較低,無法展現(xiàn)工業(yè)制造的發(fā)展方向；其四,結合微課程視頻制作的特殊要求,該教具應該具備硬件可拆解、軟件可剪裁的特征,且拆分后的單個模塊可以在一段視頻中充分講解。

1 沖壓過程的運動學分析

曲柄滑塊機構是沖壓加工的主要機構,作為四桿機構的變化形式,通常用于將曲柄的旋轉運動轉換為滑塊的直線往復運動[7]。由于該結構簡單易行、工作穩(wěn)定,在工程應用中十分常見,因此成為工程教學的重要內容[8]。對沖壓過程進行運動學分析,研究沖壓構件上質點的運動軌跡、位移及速度等參量,有利于評價該機構能否滿足性能指標[9],便于進一步優(yōu)化。

根據(jù)滑塊與曲柄旋轉中心位置的不同,可以將曲柄滑塊機構分成結點正置和結點偏置兩種類型。由于在結點偏置條件下,滑塊具有急進或急回特性,為了簡化模型,本教具選擇結點正置的曲柄滑塊機構為研究對象,沖壓過程的運動簡圖見圖1。

圖1 沖壓過程的運動簡圖

以曲柄旋轉中心為原點O,建立直角坐標系,點A和點B分別為連桿與曲柄以及滑塊的連接點,設曲柄長度OA=la,連桿長度AB=lb,∠AOB=θ,∠ABO=β,曲柄以角速度ω繞點O旋轉,滑塊運動速度為v,可以得出下列等式:

(1)

(2)

考慮到?jīng)_床的連桿比λ一般在0.2以內,上式的根號部分由泰勒級數(shù)展開后去取前兩項可得:

(3)

假定滑塊沿y軸正向運動,起點為下死點位置,因為滑塊的位移L=la+lb-OB,則代入式(2)和式(3)后,可得到滑塊位移L與曲柄轉角θ之間的關系為

(4)

將(4)式對時間求導并代入二倍角公式化簡,得滑塊速度表達式為

(5)

由于前面假設此刻滑塊上行,故加速度a為負值,將(5)式再對時間求導,引入負號獲得滑塊加速度表達式為

(6)

不難發(fā)現(xiàn),在曲柄轉速恒定的情況下,其與連桿的長度已知后,滑塊位移、速度、加速度均是轉角θ的方程。

2 教具的硬件架構

2.1 教具總體結構

沖床教具的結構框圖見圖2,主要包括機構主體、檢測單元、控制器、以太網(wǎng)接口等部分。采用步進電機作為機構的動力來源,機構工作時由安裝在機架上的各類傳感器檢測其狀態(tài)信息,并根據(jù)不同的反饋狀態(tài),執(zhí)行相應的動作。采用STC新一代高性能單片機12C5A60S2作為控制核心,檢測過程及結果通過以太網(wǎng)分享,便于網(wǎng)絡微課堂的交流互動。所有控制線纜均通過航空接頭與機箱連接,做到即插即用。

圖2 沖床教具結構框圖

2.2 沖壓機構設計

本教具的沖壓機構設計效果見圖3,主體為曲柄滑塊機構,曲柄縱向截面近似于工字型,中間為連接軸,通過齒輪嚙合,步進電機主軸力矩傳遞至機架上部與曲柄連接的轉軸,帶動曲柄旋轉。連桿與上模之間通過一根滑桿連接,滑桿裝入帶有縱向滑孔的橫梁,由滑孔中的直線軸承導向。同時,下模四周設置了導向柱,與上模開設的導向孔滑動配合。

圖3 沖壓機構設計效果圖

雖然曲柄采用雙端支撐,受力較好,但連接軸旋轉時所受力矩不斷變化,容易因疲勞破壞而失效,因此需要進行校核。已知軸的直徑d=8 mm,長度l=24 mm,材料為鋁合金,其屈服極限σs約為90 MPa,取許用應力幅安全系數(shù)[Sσa]=2,連桿與上模的總質量m=1.5 kg,曲柄可調最大轉速n=60 r/min。由于裝配誤差,滑塊上的摩擦力f≈0.5g,曲柄與連桿間轉動副的摩擦力不計,故軸上的均布載荷q=(mg+f)/l,最大彎矩值Mmax=(1/ 8)ql3,抗彎截面系數(shù)W=πd3/32,根據(jù)靜應力σst=Mmax/W,求得動應力為

(7)

取應力循環(huán)次數(shù)為N=105,循環(huán)基數(shù)N0=107,則壽命系數(shù)kN=(N0/N)1/9=1.67。查表知牌號為1060-O的鋁合金在對稱循環(huán)下,循環(huán)基數(shù)N0=107時,其疲勞強度σ-1=20 MPa,影響材料疲勞強度的綜合影響系數(shù)(kσ)D=1.5。在對稱循環(huán)應力中,應力幅σa=σd,且平均應力σm=0,因而得到應力幅安全系數(shù)為

(8)

所以,連接軸滿足疲勞強度的要求。

上述推導是假定連桿比λ較小的情況下得到的。若將連桿縮短,雖然能使λ增大,設備更小、更輕,但也使得連桿擺幅與滑塊加速度增加,最終導致機構運動的側推力及慣性力增加。本教具中曲柄和連桿的長度分別為70 mm和450 mm,即λ=0.16,屬于正常范圍,是兼顧上述多種情況的結果。

將曲柄、連桿長度代入式(4)—式(6),獲得滑塊位移、速度、加速度隨角度的變化曲線如圖4所示。可以看出,滑塊速度在上、下死點處為0,在曲柄轉角為π/2和3π/2附近出現(xiàn)最大值。為了增加教學的趣味性,上模內設計了安裝圖章的插孔?？紤]到上模最大位移為140 mm,在減去下模高度50 mm后依然大于圖章的高度,因而圖章可以輕松裝入。本教具立足于教學實際,沖壓模具使用了透光材料設計,符合科學認知的一般規(guī)律。此外,機架底座還增加了一些配重,以保證機構運行的穩(wěn)定性。

圖4 滑塊位移、速度、加速度隨角度的變化曲線

2.3 送料機構設計

送料過程采用摩擦輪傳動,機構設計效果見圖5。利用主、從動輪壓緊料帶,借助摩擦力帶動料帶進給與停歇。由于料帶與摩擦輪接觸面積大,故壓緊后傳輸較為平穩(wěn)。摩擦輪的間隙可以通過支撐螺桿的高度調節(jié),用于滿足多種厚度的材料。為防止進給偏差,增設了兩對外緣開設V型凹槽的導輪用于限制和調整料帶且保持水平。上游側的導輪用于限制進料位置,下游側的導輪用于糾正跑偏的物料。一旦下游側料帶偏移過大,兩側的限位開關將被觸發(fā),則電機帶動糾錯導輪慢慢地歸中,從而重新擺正料帶,確保沖壓正常進行。倘若送料過程中料帶卷曲,拱起的料帶將會碰到模具前端的金屬觸點,進而程序控制上?；氐缴纤傈c,同時沖壓及送料運動停止,隨后安裝在機架邊梁上的舵機驅動毛刷伸入模具之間將料帶捋平。

圖5 送料機構設計效果圖

2.4 電機驅動電路設計

圖6 電機驅動電路原理圖

2.5 以太網(wǎng)接口電路設計

為了開展網(wǎng)絡化教學,方便師生在線互動,本教具的控制系統(tǒng)中設計了以ENC28J60為核心的以太網(wǎng)接口,電路原理圖見圖7。作為獨立的以太網(wǎng)控制器,ENC28J60完全兼容IEEE802.3協(xié)議,在25 MHz工作頻率下,內部優(yōu)化的物理層器件可實現(xiàn)10 Mbit/s的傳輸速率[11]。ENC28J60與單片機通過SPI總線完成數(shù)據(jù)通信,但因部分引腳的電平不兼容,故使用了74HCT08與門電路來實現(xiàn)電平匹配。采用帶有網(wǎng)絡濾波器及變壓器的RJ45接口,可以提高差分信號的抗干擾性能。RBIAS引腳外接了2kΩ的偏置電阻,以滿足片內模擬電路的需求。VCAP引腳上的10μF電容用于確保片內2.5V低功耗穩(wěn)壓器正常工作。LEDA及LEDB引腳用于網(wǎng)絡狀態(tài)的指示,并在芯片復位時自動檢測LED的極性。

圖7 以太網(wǎng)接口電路原理圖

3 控制系統(tǒng)的軟件設計

控制系統(tǒng)的程序流程圖見圖8。教具在模擬沖壓加工的同時,還伴隨著與現(xiàn)實生產類似的檢測過程,便于進一步向學生進行安全生產理念教學。檢測過程中,安全光幕觸發(fā)比料帶卷曲檢測的優(yōu)先級高,一旦發(fā)現(xiàn)異物靠近,則送料與沖壓電機立刻停轉；只有在光幕無報警的前提下,才檢查料帶情況。若料帶卷曲信號被觸發(fā),則控制器等待沖模回上死點鎖定再啟動毛刷清理。各種狀態(tài)最終通過網(wǎng)絡總線發(fā)送,以太網(wǎng)通信主要包括幀字段的生成、緩沖存儲器的寫入、數(shù)據(jù)包的封裝及發(fā)送等環(huán)節(jié)。

圖8 控制系統(tǒng)程序流程圖

調試過程中發(fā)現(xiàn)沖壓圖案時常出現(xiàn)不均勻的情況,為保證沖樣間距一致,在電機運行環(huán)節(jié),針對送料過程引入PID控制,送料電機脈沖由單片機引腳提供。由于PID的積分項在誤差較大的初始階段會因過度累積引發(fā)較大超調[12],故此處采用積分分離的控制方案,算法結構如圖9所示。

圖9 積分分離PID控制結構圖

Kp、Ti、Td分別表示比例、積分、微分系數(shù)。電機角位移αG為給定輸入量,實際角位移αR表示輸出量,兩者偏差值即為PID控制器的輸入信號E(s),反饋量M(s)從電機自帶的旋轉編碼器中獲得,被控過程GP(s)的前后級分別帶入了環(huán)境噪聲Ne(s)和傳感器噪聲Ns(s)。在采樣周期T內,第N時刻信號經(jīng)PID控制器后的離散化時域表達式為

(9)

4 結束語

本文的沖床教具是在南通大學全面推進微課程改革的背景下研制的,符合工程訓練的教學需求。各功能模塊均可自由剪裁或組合,體現(xiàn)了模塊化的特點,便于教師根據(jù)學生專業(yè)安排微課程片段,開展有針對性的教學,符合復合型人才培養(yǎng)的要求。系統(tǒng)內嵌的自動檢測及網(wǎng)絡傳輸功能體現(xiàn)了智能儀表的發(fā)展趨勢,既能增強課堂的互動性,又可以提升學生的生產控制和安全管理意識。該教具目前已在我校工程訓練教學改革中應用,經(jīng)過了20多個專業(yè)、近1 000人的實踐檢驗,校內同行對相關課程的滿意度調查均超過90%,學生滿意度更高達98%。該教具已作為優(yōu)秀作品參加了第三屆高等學校自制教學儀器設備展,教具實物及微課教學視頻截圖見圖10。

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圖10 教具實物及微課教學視頻截圖

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Design of engineering training AID for microlecture:Taking punching process as an example

Yu Wei1, Zhao Nansheng1, Gu Qindong1, Jiang Chongyuan2, Chen Wenyi2

(1. Engineering Training Center,Nantong University,Nantong 226019,China;2. School of Mechanical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China)

This paper proposes a modular multifunction punch AID for the teaching practice of microlecture for engineering training. Starting from the mathematical model of punching process,the kinetic characteristic of crank-slider mechanism has been analyzed. The drive scheme is studied after the fatigue performance of mechanism has been validated theoretically. Through the use of PID algorithm of integration separation mode,it is solved that patterns pressed on the strip are uneven. The results of application show that this teaching aid has reasonable structure and great practicality for online interactive teaching.

punching process; design of teaching aid; engineering training; microlecture

2015- 02- 25 修改日期：2015- 03- 29

南通大學2014年度教學改革研究課題(2014B107)

于瑋(1986—)，男，江蘇南通，碩士，助理實驗師，研究方向為測控技術和工程實踐教學.

E-mail：starbuck_yu@163.com

TH122;G642.0

A

1002-4956(2015)10- 0100- 05