三軸聯動螺母收口機控制系統設計

田豐果，熊 巍，陳家兌，王自勤，冠桂岳，李可敬

TIAN Feng-guo，XIONG Wei，CHEN Jia-dui，WANG Zi-qin，GUAN Gui-yue，LI Ke-jing

（貴州大學 機械工程學院，貴陽 550003）

0 引言

自鎖螺母作為一種重要的防松方式，越來越廣泛的被應用在航天航空等行業。而近年來，隨著我國航天航空行業的迅猛發展，自鎖螺母的用量越來越大。但國內加工自鎖螺母的設備及技術相對落后，生產效率低，工人勞動強度大，產品廢品率高，缺乏與自鎖收口螺母大批量、現代化生產模式相適應的高性能專用生產裝備和技術，已成為企業在自鎖收口螺母生產中的瓶頸。收口螺母防松原理如圖1所示，螺母收口是在螺紋牙制造好以后，對螺母局部施加徑向載荷使其沿徑向變形，如圖2所示。螺母收口后在收口方向直徑尺寸小于螺栓尺寸，當螺栓和螺母裝配時收口部位形成過盈配合，徑向壓緊在螺栓上產生摩擦力而實現防松目的[1]。收口螺母的變形量，變形的穩定性，以及變形后的尺寸精度都是防松效果好壞的關鍵。因此，加工過程中工藝參數的控制是實現收口螺母變形穩定、收口精度高以及高生產率的一項關鍵技術。

圖2 螺母收口前后示意圖

1 螺母收口機控制系統結構

本文設計的控制系統系統框圖如圖3所示。該系統主要由觸摸屏、PLC、AD模塊、伺服系統組成，其核心一是該設備需要適應不同型號的螺母收口，要具備一定的通用性，因此，為實現高效的加工，針對不同型號的工件要應用不同的運動參數，通過在線迭代計算篩選最優參數。當參數滿足條件時，將這些運動參數賦予加工刀具（壓頭）和上料機構（轉盤、頂桿），使其在不發生干涉的前提下高效高質量的完成自動加工；其核心二是通過AD模塊監控伺服電機的實時轉矩信號UM，PLC程序再通過算法實現將該轉矩信號UM轉換成頂桿頭部的壓力值，在程序中設置適合的頂桿壓力過載保護值，防止由于工人誤操作設備而帶來的損壞。用相同的方法設置過載保護值以及設計保護程序預防轉盤被工件卡住或是壓頭加工設計范圍以外的螺母而給設備帶來的損壞。

2 控制系統的實現

2.1 設備工作流程

三軸聯動螺母收口機的工作流程如圖4所示，頂桿以速度Vd1從上位置Sd1向下運動，同時轉盤和壓頭分別以Wp和Vt1的速度向加工位運動ΘP1和St1。在頂桿頭部運動到位置Sd2剛要接觸到處于轉盤工位孔內的待加工工件時，轉盤要轉到并停止在轉盤的加工位ΘP1，然后由頂桿將工件頂到加工位Sd3，在工件剛到達加工位的同時，壓頭也要進給到加工位St2。壓頭再以用戶設定的工進速度和收口量對螺母進行收口。當收口完畢，保壓結束后，壓頭以Vt2速度快退到裝卸位St1，同時頂桿以Vd2速度回退到上位置Sd1，當頂桿回退到Sd2位置時，轉盤開始轉動到下一個工件的加工位ΘP2，然后頂桿又向下運動，將工件頂到加工位進行收口，如此循環實現自動加工。

圖3 控制系統結構框圖

圖4 工作流程圖

2.2 控制算法的設計

在自動加工過程中，只有壓頭擠壓工件收口的過程屬于加工過程，其他過程都屬于加工中的空行程段。為了提高工作效率，必須盡量縮短空行程。因此，各運動部件的運動參數必須經過準確的在線計算，才能使各運動部件的運動在時間和邏輯上滿足要求，便且實現高效的加工。為了計算方便，將頂桿的零點位置設在當頂桿下行彈簧頂桿不能收縮時，彈簧頂桿的上表面處，壓頭的零點位置設在彈簧托桿的軸線處，轉盤的零點位置設在轉盤ΘP1處。工作時，要求用戶從觸摸屏輸入工件收口處的外徑D，工件的軸向長度L，第一階梯段軸向長度L1和收口量W時，設備各部件的運動參數計算時要滿足不等式方程組：

圖5 迭代程序圖

這些數據在PLC中運算前，要將其通過傳動系統的減速比、滾珠絲杠的導程、傳動斜面的傳動角等參數的轉換運算后，使其轉換成脈沖數再進行進一步計算。在滿足上面不等式方程組和所選電機的額定轉速又讓所選各部件的空行程速度盡量大的前提下，速度參數的選取采取數值迭代的方法。迭代計算從各部件能達到的最大速度向小速度進行迭代，直至滿足上面不等式方程組為止，然后讓電機按照此參數工作。程序的實現如圖5所示。

3 結論

本文通過算法的設計實現了螺母收口機三軸聯動加工和控制系統中執行部件的最優運動參數的選取。該設備在實際工作中，顯著提高了工作效率，降低了工人勞動強度和產品廢品率，實踐證明了上 述理論的正確性。

[1]王自勤,等.收口防松螺母有限元數值模擬[J].全球化制造高級論壇暨21世紀仿真技術研討會論文集,2004.

[2]張占元.自鎖螺母的防松及滾壓收口的應用[J].飛機設計，2002,3.