基于統計過程控制的伺服壓裝系統的設計與實現

王 偉

（沈陽鐵路局科學技術研究所 遼寧沈陽 110013）

1 引言

汽車在行使過程中，轉向節不僅需要承受前軸載荷，而且在轉向與制動時還會受到車輛動載荷的作用。汽車轉向節軸承的裝配質量在很大程度上決定了轉向節的使用性能。

傳統的加工單一品種的剛性沖壓設備(沖壓線)已不適應這種特征和市場形勢的發展要求，具有高柔性和高效率的自動化沖壓設備，成為世界沖壓技術及裝備發展的主要潮流[1]。伺服壓機是國外最近幾年研制開發成功的新型的機械壓力機，這種壓力機的機械結構和電氣控制方式不同以往的任何一種類型的舊壓力機，通過近幾年的發展，產品相對完善。以計算機控制的伺服交流電機為動力，通過螺旋、曲柄連桿、肘桿或其他機構將電機的旋轉運動轉化為滑塊所需的直線運動，不但可以保持機械驅動的種種優點，而且克服了其工作特性不可調的缺點，使機械驅動的成形裝備也具有了柔性化、智能化的特點，工作性能和工藝適應性大大提高；同時，還簡化了結構，方便安裝、減少維修、降低能耗、減輕重量。可取代液壓系統，徹底消除油液對環境的污染。同時改變了其它方式不能進行有效的實時數據采集和有效的智能化控制的狀況。

統計過程控制是質量控制的重要方法。本系統對壓裝設備引入統計過程控制方法，以保證設備正常運行、產品質量合格和經濟效益增長。

2 轉向節壓裝過程分析

壓力壓力機的壓力一般應為所需壓入力的3~3.5倍，壓入力計算方法如下[2]：

從把軸承壓入轉向節開始，受力突變增加，之后力平穩增加，中途變形累計阻力，之后直到最后壓入，如圖1所示。從圖象來看，在整個壓裝過程中壓裝力的變化是增加的，壓裝曲線為斜直線，在最后處壓裝力達到了最大值。

這說明在裝配面的摩擦系數μ、轉向節直徑Da、過盈量比δ、材料的彈性模量E、轉向節孔直徑da、軸承直徑db常量中存在變量，材質未發生變化，對壓裝力的影響不可忽略，因此推斷壓裝力增加趨勢變化的原因是過盈量比δ的改變造成的。

圖1 位移/壓力曲線圖

3 統計過程控制理論的計算機自動判異模型

根據統計學理論，一個穩定的受控過程通常具有以下幾個特點：

大部分樣本落在中心線附近。只有很少的樣本點接近控制限或向控制限延伸趨勢。幾乎沒有樣本點落在控制線以外。但在控制圖上如打一個點未出界有兩種可能：1．過程本來穩定；2．漏報。

判穩準則：1．連續25個點，界外點數d=0；2．連續35個點，界外點數d≤1；3．連續100個點，界外點數d≤2。

當然，即使在判穩時，界外點也一定要按照“查出異因、采取措施、加以消除、不再出現、納入標準” 的“20字方針”去做。同時把此零件作報廢處理。

由此得出控制圖的兩類判異準則[3]：

1.點出界就判異；

2.界內點排列不隨機就判異。判異總體流程圖如圖2[4]。

4 伺服壓機的電氣設計

系統采用以工業控制計算機為核心的集散控制方式。包括計算機系統、PLC網絡、傳感器、變送器、伺服電機系統、觸摸屏操作顯示系統、打標系統。該設備采用單獨工作站，壓裝和打標雙工位的工作方式。采用人工上料下料，自動壓裝的工作方式。線旁布置一條廢料道，料道上裝有傳感器，供存放不合格品使用，電動壓裝頭通過支架固定在工作臺上，壓頭及工件固定夾具為了適應不同產品的裝配可以快速更換。

圖3 壓機系統互連圖

圖5 X-R圖VI框圖

伺服壓機系統的網絡設計如圖3所示。伺服壓力機電氣控制方式為上位機集中數據采集及SPC管理控制，下位機PLC用于壓裝控制啟動、打標控制、觸摸屏參數設定和工作顯示。下位機電氣控制系統由德國西門子公司的S7-300 PLC/CPU315和TP270觸摸屏構成。電氣控制系統包括1個電控柜、1個操作面板及1個觸摸屏。在壓力機特別是髙速自動沖壓生產線上，對系統的動態響應性能要求非常高，對于系統的高安全性、高可靠性要求，根據伺服壓力機的要求，用PLC控制伺服壓力機現場總線采用PROFIBUS-DP現場總線技術。

該設備主要由電動壓裝頭及控制器、氣動針標機及前后移動裝置、軸承壓入裝置、工件固定夾具、廢料道、安全光柵、人機界面及電氣控制管理系統組成。

5 伺服壓裝系統的軟件設計

5.1 伺服壓裝系統下位機軟件設計

下位機軟件包括4部分：信息輸入，輸入班組日期，形成序列代碼，為數據分析提供依據；手動控制程序包括手動控制氣缸的伸縮、顯示數字輸入輸出開關量的值、控制手動打標機、手動控制伺服壓機壓裝，但所有操作必須在觸摸屏上進行操作；自動控制程序包括工件檢測、壓裝、壓裝檢測、計算標識內容、打標、廢料處理；參數設定程序包括三種工件的壓裝曲線的檢測參數設定，及與伺服壓機控制器之間的數據傳輸。

系統在自動控制程序中包含以下重點控制功能：

（1）自動程序啟動檢測；

（2）自動壓裝；

（3）自動打標；

（4）壓裝結束后的參數計算。

自動程序啟動檢測，啟動壓裝前檢測伺服壓機壓頭必須在初始位置，否則壓機不能進行壓裝操作。啟動自動壓裝控制程序按鈕時程序檢測廢料標志、操作臺安全標志、自動參數標志、壓裝標志等。啟動同時必須把幾個參數清零，保證本次壓裝后的參數儲存。

在壓裝過程中可監視壓裝過程，壓裝過程中把數據上傳給PC機，存儲在設定的數據庫中。壓裝數據存儲在數據庫中，分為Cures、Data、Gauging、Variables四個表中。

5.2 轉向節檢測統計軟件設計

圖2 自動判異總體流程圖

圖4 系統功能圖

LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡稱，是美國國家儀器公司的創新軟件產品，也是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發集成環境[5]。

本軟件是在Windows XP環境下應用LabVIEW進行開發的，軟件采用模塊化和圖形化操作界面。系統功能圖如圖4所示。上位機SPC分析系統功能設計功能包括9大部分，其中5部分是SPC工具對壓裝過程進行評估，其余4部分主要為用戶查詢及打印保存功能。

上位機SPC分析系統其中最主要必須與數據庫連接，系統才能進行有效的分析。在LabVIEW中加入LabSQL。LabSQL與數據庫之間是通過ODBC連接，需要在ODBC中指定數據源名稱和驅動程序。

系統根據原始數據的抽取，計算均值-極差控制圖，根據自動判異規則模型，設計自動判異軟件。如圖5所示。最后計算過程能力指數。通過一系列的算法，判斷壓裝過程是否穩定。

6 結束語

通過試生產檢驗本系統所有功能，得出以下結論：

在總體設計上充分考慮了零件在裝配過程中對部件裝配質量的影響因素，并在機、電、氣等系統的設計上，作了方案優化，下位機和觸摸屏操作簡便，人機交互性能良好。生產流程簡潔，容易理解。上位機中，數據保存完整，方便查詢。數據庫聯接方便，壓裝數據不能進行修改。上位機SPC軟件進行測試，功能滿足生產要求。本系統由于采用伺服壓裝系統，能夠在確保采樣數據準確、實時、快捷。應用統計過程控制技術，實現動態跟蹤和監控設備的運行狀態，使其保持良好的工作狀態，生產的產品完全合格。

［1］ 王玉山. 伺服機械壓力機發展狀況[J]. 鍛壓裝備與制造技術，2010，01:29～31

［2］ 蔣波. 談機械制造工藝中的圓柱過盈壓裝技術[J]. 科學之友，2010，16：3～4

［3］ 李文泉 趙文田 李文斌. 統計過程控制技術SPC在煙草制絲生產中的應用[J]. 機械工程與自動化，2009，5：116～118

［4］ 蔡雪兢 黃忠全 張穎 孫艷秀. 基于SPC的計算機自動判異的實現與應用[J]. 機械制造，2010，48（551）：63～65

［5］ 鄒振春 王力 鄧立新. 基于LabVIEW及NI DAQmx的壓機控制系統的實現[J]. 中國儀器儀表，2006，05：88～90