伺服電動(dòng)缸壓裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

周占懷

(蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215400)

0 引言

在冷壓裝配過程中，要想實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的過盈配合性能，除了要進(jìn)行合理的公差配合設(shè)計(jì)、選擇合理的壓裝工藝外，還需對(duì)壓裝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，另外對(duì)壓裝過程的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與管理也是非常有必要的。交流伺服電動(dòng)缸作為力與位移控制中高效的驅(qū)動(dòng)單元，由于其優(yōu)越的過程響應(yīng)特性、節(jié)能環(huán)保、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，已逐漸取代傳統(tǒng)的液壓缸壓裝系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于集成電路封裝、汽車、高鐵、風(fēng)電等現(xiàn)代制造業(yè)場(chǎng)景中。本文將結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目進(jìn)行基于PLC的伺服電動(dòng)缸監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究，并提供經(jīng)過驗(yàn)證的系統(tǒng)解決方案。

1 伺服電動(dòng)缸壓裝原理

伺服電動(dòng)缸將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的速度和位移，將扭矩轉(zhuǎn)換為壓裝力，從而完成軸承等的冷壓裝配工藝[1]。軸承壓裝后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中a為軸頸與軸承內(nèi)圈結(jié)合面的半徑；b為軸承外圈的半徑；p、p'為裝配后結(jié)合面的內(nèi)力，p與p'互為反作用力。

圖1 軸承壓裝后的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)壓裝理論有[2]：

(1)

其中：E為材料的彈性模量；δ為過盈量。

根據(jù)力學(xué)基本原理，壓裝力F與內(nèi)應(yīng)力p、接觸面積s及摩擦因數(shù)μ的關(guān)系為：

F=psμ.

(2)

設(shè)位移為x，將接觸面積s=2πax和式(1)代入式(2)，可得壓裝力與位移x的關(guān)系為：

(3)

由式(3)可知，在壓裝過程中，施加的壓裝力須隨著過盈量的增大而增加，另外，材料的摩擦因數(shù)對(duì)壓裝力的影響比較大，但呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系[3]。如果施加的壓裝力過大，會(huì)造成包容件產(chǎn)生局部塑性變形，影響壓裝效果；反之，當(dāng)壓裝力不足時(shí)，則零件壓裝不到位造成次品，從而影響生產(chǎn)效率。因此，對(duì)壓裝過程中多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的壓裝力和位移進(jìn)行監(jiān)控，并以壓裝力—位移曲線作為壓裝工藝的檢測(cè)依據(jù)，代替原有的以終點(diǎn)壓力作為檢驗(yàn)壓裝質(zhì)量依據(jù)的做法是比較理想的方法之一[4]。

2 壓裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用軸承的壓裝為研究對(duì)象，由于所需的壓裝力相對(duì)較小，故選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的直線式電動(dòng)缸，通過更換不同的壓裝套筒(過渡件)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格軸承的壓裝需求。為了實(shí)現(xiàn)壓裝過程的精確控制、確保壓裝產(chǎn)品質(zhì)量，本項(xiàng)目將DoBoTech AG W500-P型壓力/位移監(jiān)控儀、PLC和觸摸屏等工控產(chǎn)品與伺服電動(dòng)缸集成在一起，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，監(jiān)控儀與PLC之間采用直接連接方式，壓力、位移信號(hào)等由PLC模擬量模塊進(jìn)行采集。

圖2 壓裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

W500-P除支持與PLC的直接信號(hào)連接方式外，還支持Profibus-DP和RS232通信方式，系統(tǒng)可由W500-P采集壓力、位移信號(hào)，并將壓力、位移的實(shí)時(shí)信號(hào)和相關(guān)過程的I/O信號(hào)(如是否合格、報(bào)警等)通過通信數(shù)據(jù)塊傳送給PLC。

3 壓裝參數(shù)監(jiān)控機(jī)制

W500-P監(jiān)控儀可利用豐富的判斷窗口功能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裝過程的監(jiān)控，同時(shí)具備歷史曲線查詢功能，公差判據(jù)窗口軌跡和包絡(luò)線軌跡如圖3所示，可滿足不同場(chǎng)景下的壓裝要求。

圖3 壓裝參數(shù)設(shè)置方式

(1) 公差判據(jù)窗口軌跡是指在整個(gè)位移路徑上最多可設(shè)置4個(gè)窗口的公差判據(jù)以限定壓裝的過程值，窗口類型共有12種，可根據(jù)壓裝工藝進(jìn)行具體選擇，常用的5種公差判據(jù)窗口類型如圖4所示。其中OK為合格軌跡，NOK為不合格軌跡，窗口的虛線表示必須穿越的數(shù)值界限，而實(shí)線是不允許到達(dá)的數(shù)值。每個(gè)窗口均設(shè)置4個(gè)具體參數(shù)，即位移的最大/最小值和壓力的最大/最小值。

圖4 常用的壓裝公差判據(jù)窗口類型

(2) 包絡(luò)線軌跡是指用上、下兩條包絡(luò)線限定壓裝過程的壓力和位移變化范圍，向上或向下超出范圍均為不合格，每條包絡(luò)線上最多可以設(shè)置10個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)設(shè)定對(duì)應(yīng)的位移與壓力值。

壓裝系統(tǒng)可將通過公差判據(jù)窗口或包絡(luò)線設(shè)置好的工藝數(shù)據(jù)保存在W500-P中，供壓裝不同產(chǎn)品時(shí)選用，壓裝時(shí)當(dāng)出現(xiàn)不符合窗口判據(jù)的要求或超出包絡(luò)線范圍時(shí)，則給出不合格信號(hào)(NOK)。系統(tǒng)同時(shí)具備最高壓力和最大位移設(shè)定功能，用于超限報(bào)警。所以，只要根據(jù)實(shí)際工藝要求選擇合適的窗口數(shù)量、類型和公差值，就能保證壓裝產(chǎn)品的質(zhì)量，而不合格時(shí)則會(huì)給出報(bào)警信號(hào)并由人工或分揀單元自動(dòng)剔除。

4 工藝過程分析

根據(jù)本項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)裝配情況，壓裝過程共分為預(yù)壓裝、壓裝、保壓和返程四個(gè)階段。

預(yù)壓裝階段的位移量(x1)主要由裝配位置決定，確保從零點(diǎn)位置經(jīng)過此位移后壓頭能將被包容件頂至包容件的倒圓位置，且保證同軸度，此過程中的壓力較小。當(dāng)由于異物進(jìn)入、位置偏差或同軸度異常時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)壓力超出正常范圍，此時(shí)將形成接觸面損傷，控制系統(tǒng)也會(huì)因此給出預(yù)裝異常信號(hào)，并執(zhí)行回零位動(dòng)作。

壓裝階段的位移量(x2)取決于工件的尺寸(如軸承內(nèi)圈的寬度等)，當(dāng)所需位移量較小時(shí)，可在2個(gè)～4個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)設(shè)定公差判據(jù)窗口；當(dāng)位移量較大時(shí)可采用包絡(luò)線判定方式。各公差判據(jù)窗口或包絡(luò)線的參數(shù)值應(yīng)根據(jù)計(jì)算值進(jìn)行設(shè)定，以確保與工藝設(shè)計(jì)相吻合。

保壓階段采用定時(shí)控制方式，伺服控制器應(yīng)采用轉(zhuǎn)矩控制方式，以最終的壓力作用并保持一定時(shí)間，以消除工件內(nèi)部的應(yīng)力，保證裝配位置的精確性[5]。

返程階段的位移為x1+x2，移動(dòng)方向與壓裝階段相反，目的是使壓頭回到零位，準(zhǔn)備下一次壓裝。返程階段設(shè)有兩種工作模式，以達(dá)到目標(biāo)壓力即判定壓裝完成并返程的工藝稱為壓力返程模式；而以位移為目標(biāo)時(shí)，稱為位移返程模式。

由于壓裝對(duì)象的結(jié)構(gòu)、材料和規(guī)格等不同，所需的壓裝力大小以及壓裝力隨著位移變化的規(guī)律都不相同，采用一般的人機(jī)界面很難滿足系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定與過程監(jiān)控要求，集成使用W500-P監(jiān)控儀后，壓力、位移的公差判據(jù)設(shè)置和過程數(shù)據(jù)曲線的保存與重現(xiàn)變得非常方便，使壓裝系統(tǒng)對(duì)工況的普適性得到了較大提升。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除監(jiān)控儀外，控制系統(tǒng)其他的硬件根據(jù)客戶需要進(jìn)行相應(yīng)選型即可，但要注意以下兩點(diǎn)：①伺服控制器應(yīng)選用帶有位置和轉(zhuǎn)矩控制的外部切換功能；②如系統(tǒng)采用通信方式構(gòu)建時(shí)，需要選擇支持相應(yīng)通信協(xié)議的PLC并配置相關(guān)通信模塊。以下著重進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

(1) 控制流程：根據(jù)實(shí)際工藝要求，設(shè)計(jì)的控制流程如圖5所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后判斷壓力頭是否在零位，否則便自動(dòng)回零。此時(shí)可通過HMI進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)模式的選擇，如選擇自動(dòng)模式，按雙手啟動(dòng)按鈕或HMI上的自動(dòng)啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)按前述壓裝工藝要求進(jìn)入自動(dòng)壓裝過程，完成返程后自動(dòng)校驗(yàn)零位。工作中如在預(yù)壓裝階段出現(xiàn)異常壓力，或在壓裝階段出現(xiàn)超出最大壓力或最大位移、由公差判據(jù)窗口給出不合格信號(hào)、觸動(dòng)了安全模式或人為停機(jī)等，系統(tǒng)均結(jié)束本次壓裝并執(zhí)行回零位操作。

圖5 控制流程

(2) 基本參數(shù)設(shè)置：不同返程模式需要設(shè)置的參數(shù)稍有不同，如圖6所示。分別可以設(shè)置第一段位移x1和速度v1，第二段位移x2(或終點(diǎn)壓力F返)和速度v2；以及保壓時(shí)長(zhǎng)Keep，返程速度v返和最大壓力Fmax。修改好相應(yīng)參數(shù)后，點(diǎn)擊“確認(rèn)”后保存參數(shù)。

圖6 不同返程模式的參數(shù)設(shè)置窗口

(3) 返程模式的實(shí)現(xiàn)程序：如圖7所示，在壓裝定位階段(M104=1)中，如選擇位移返程模式(M120=0)，當(dāng)位移量對(duì)應(yīng)的脈沖結(jié)束標(biāo)志M8029置1時(shí)，進(jìn)入保壓階段；而當(dāng)選擇壓力返程模式(M120=1)時(shí)，當(dāng)工件壓力(D50)大于設(shè)定壓力(D540)時(shí)，壓裝階段結(jié)束進(jìn)入保壓階段。

圖7 不同返程模式的控制程序

(4) 脈沖定位程序：如圖8所示，手動(dòng)操作與自動(dòng)操作共用一條相對(duì)定位指令(DDRVI)，手動(dòng)上升與下降，自動(dòng)時(shí)的預(yù)壓裝定位、壓裝定位、返程定位以及自動(dòng)回零等各項(xiàng)操作，均按程序中提前對(duì)脈沖量(D0)和脈沖頻率(D6)的賦值，完成相應(yīng)定位功能，當(dāng)遇到限位條件或緊急停止時(shí)停止脈沖輸出。

圖8 脈沖定位程序

(5) 安全功能：壓裝設(shè)備要求操作者有較高的安全意識(shí)，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)有安全光柵、緊急停止按鈕等觸發(fā)進(jìn)入安全模式的信號(hào)，同時(shí)，在壓機(jī)操作臺(tái)上需要雙手同時(shí)按下才可啟動(dòng)設(shè)備，以確保人身安全。

6 結(jié)論

(1) 本項(xiàng)目采用的是冷壓工藝，主要適用于工件尺寸較小，以及所需的過盈量較小的場(chǎng)合，其他場(chǎng)合有可能需要采用變溫壓裝法，即通過對(duì)包容件加熱或?qū)Ρ话菁鋮s后進(jìn)行壓裝，以免造成較大的應(yīng)力集中或嚴(yán)重的工件損傷。

(2) 以壓裝過程中多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的力與位移數(shù)據(jù)作為壓裝質(zhì)量的判斷標(biāo)準(zhǔn)，雖具有廣泛的適應(yīng)性，但在壓裝過程中的不當(dāng)操作，可能形成應(yīng)力分布不均或疲勞裂紋。當(dāng)此類缺陷較輕時(shí)系統(tǒng)并不能有效識(shí)別，實(shí)際的調(diào)試結(jié)果表明，采用一定的圓弧倒角、定期對(duì)壓裝頭與待裝工件的同軸度進(jìn)行校驗(yàn)、定期對(duì)位移和速度采集通道進(jìn)行標(biāo)定、以及選擇合理的壓裝速度，均可有效地減少以上缺陷的形成幾率。

(3) 將智能監(jiān)控儀集成到控制系統(tǒng)中，可以方便地對(duì)壓裝過程的質(zhì)量判定方式進(jìn)行選擇，提高了系統(tǒng)的普適性，且有利于實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的可視化及歷史數(shù)據(jù)查詢等管理功能，但也增加了系統(tǒng)的配置成本。