基于位移傳感器的鉚接尺寸控制研究

孔雪峰 崔 巍 張少宏

(航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽441003)

徑向鉚接機，也叫旋鉚機，廣泛應用于傳統機械制造、汽車制造和電器開關、五金工具、儀器儀表、日用器械等各種需要鉚接加工的工藝方法中，是組成數控鉚接工作站和全自動鉚接生產線的基本單元。其按動力源的不同又可分為液壓旋鉚機和氣動旋鉚機。本文所述旋鉚機采用壓縮空氣驅動。

1 問題的提出

氣動旋鉚機結構如圖1所示。動力頭是核心部件，鉚接往復運動、鉚接壓力及內擺線鉚接軌跡的形成，均由其實現。電動機通過聯軸器將運動傳遞給球面運動副，同時氣壓系統驅動活塞連同球面運動副向下施壓，當鉚頭接觸到鉚釘時，鉚頭圍繞鉚釘中心線按11瓣梅花運動軌跡對鉚釘進行無滑動碾壓，從而完成鉚接工作。

當鉚頭向下運動到達下極限位置時，此時碾壓鉚釘形成的尺寸就是鉚釘最終成型尺寸，該下極限點的位置可以通過旋轉微調螺套進行調節。也就是說，要改變鉚接尺寸就必須調節微調螺套對下極限點位置進行調整，如果要在同一旋鉚工位上實現兩點以上不同尺寸要求的自動連續鉚接，很顯然，就需要找到另外能自動控制鉚接尺寸的方法。

2 鉚接尺寸控制的實現

如圖1所示，我們安裝位移傳感器對鉚頭下降的距離進行精確測量，位移傳感器本體(不動部分)與動力頭底座、機架連接在一起，測量桿(可動部分)與鉚頭連接在一起。傳感器將位移量轉換成0～5 V電壓信號接入PLC模擬量輸入模塊，由PLC對該信號進行處理以得到鉚頭位移的實時測量值。下降電磁閥通電后，動力頭內氣缸上腔接通壓縮空氣，驅動活塞連同鉚頭向下運動，當PLC監測到鉚頭位移實際值達到設定值時，下降電磁閥斷電，氣缸上腔斷開壓縮空氣，經過設定的旋鉚時間后，上升電磁閥通電，氣缸下腔接通壓縮空氣，驅動活塞連同鉚頭向上運動。這樣就完成了一個旋鉚循環，并實現了鉚接尺寸的自動控制。

根據實際需要，位移傳感器選用量程為100 mm，精度為0.01 mm的電感式精密位移傳感器;PLC選用西門子公司的CPU315-2DP及模擬量輸入模塊SM331、開關量輸入模塊SM321、開關量輸出模塊SM322;人機界面選用西門子公司的TP170A觸摸屏，用于鉚接尺寸、允差設置、旋鉚時間等相關參數設置。

3 鉚接尺寸控制原理

如圖2所示，假設以位移傳感器的零點作為坐標原點，鉚頭垂直向下的方向作為坐標+方向，那么在這個坐標系中，一旦位移傳感器固定并標定好，其顯示值即為鉚頭的坐標值，并且鉚釘在該坐標系中也是固定不動的。

L:鉚釘底部距離原點的距離，在鉚釘正確放置于模具上時，該值不變。

La:鉚頭頂部距離原點的距離，該值為位移傳感器的實時測量值。

H0:鉚釘鉚接后尺寸值。

L0:鉚接后鉚釘頂部距離原點的距離。

則H0=L-L0

由于L值不變且已知，假設需要將鉚釘高度鉚至H0，那么只要驅動鉚頭向下運動至La等于L0即可，也就是使位移傳感器測量值等于L0，這就是利用位移傳感器控制鉚釘尺寸的基本原理。

如圖3所示，左邊為鉚釘成型的設置值，即理想成型尺寸，右邊是實際成型狀態。

Ls:鉚頭位移設定值。

Lmax:鉚頭位移上限設定值。

Lmin:鉚頭位移下限設定值。

Lf:鉚頭最終位移值。

ΔL:鉚頭位移設定值和實際值的差值，也就是鉚頭過沖量。

在旋鉚過程中，通過鉚釘鉚高要求設置好鉚頭位移值Ls，鉚頭向下運動達到該位移值時延時返回。實際鉚頭位移值Lf是要大于設置值Ls的，這個差值ΔL如果在允許范圍內，鉚接尺寸是合格的，否則鉚接尺寸不合格。允許范圍根據鉚接工藝要求確定，并由上限設定值Lmax和下限設定值Lmin進行設置。

4 影響鉚接尺寸控制準確度的因素分析

從上述分析可以得出，如果能將過沖量ΔL控制在允許的范圍內，那么鉚接尺寸是能很好保證的。在實際控制過程中，位移測量、電磁閥動作都需要反應時間，再加上壓縮空氣本來就不是一個剛性系統，過沖是無法避免的。如何減小過沖量，如何讓每次過沖量趨近于一致，就成為準確控制鉚接尺寸的關鍵。

首先，在設計PLC程序時盡量優化程序結構和語句，將循環掃描時間盡量壓縮，在電磁閥的控制上，利用PLC立即輸出功能處理對應的輸出點，通過這些措施盡量提高位移測量和電磁閥動作的快速性。同時，在位移傳感器和模擬量模塊等硬件的選擇上要保證位移測量的準確度。

其次，需要提供壓力穩定的氣源。從實際調試過程來看，壓縮空氣壓力是影響過沖量的重要因素，壓力越大，鉚頭下降的速度越快，鉚接能力越強，過沖量也越大。調節氣源壓力時，要根據鉚釘材質和大小進行選擇，在滿足加工能力和效率的前提下，盡量將壓力調節得較低，實際調至0.4 MPa左右。

最后，需要合理設置旋鉚時間。旋鉚時間是鉚頭到達設定位移值后繼續停留的時間，在這個時間內，壓縮空氣已經切斷，但主軸電機仍然旋轉，以保證鉚釘頭部的成型質量。旋鉚時間是影響過沖量的次要因素，一般設置為數百毫秒，時間越短，過沖量越小，實際設置成200 ms。

5 結語

本文介紹了一種利用位移測量控制鉚接尺寸的方法，詳細闡述了控制原理和影響控制精度的主要因素。從實際效果來看，采用該種方法能將氣動旋鉚機鉚釘成型尺寸誤差穩定地控制在0.06 mm之內，能滿足絕大部分鉚接工藝需要。同時，該種方法的成功應用，可將旋鉚機改造成數控鉚接工作站，進而組成全自動生產線，實現多工位多點連續自動鉚接，大大提高生產效率，在鈑金加工、汽車零部件加工和電工電子加工制造領域具有廣泛的推廣應用價值。

［1］西門子.S7-300可編程控制器硬件和安裝手冊［Z］.2002.

［2］武漢瑞威特機械有限公司.徑向鉚接機使用說明書［Z］.2008.