一種大陣列電阻應變片自動修剪設備設計研究

尹存濤 苗玉剛

(四川信息職業技術學院，四川 廣元 628040)

電阻應變片是一種粘貼在彈性體的表面，將彈性體的機械變形轉換為電信號輸出的敏感元件，廣泛應用于應力分析、測試計量、稱重/測力傳感器以及各種工程結構強度的診斷與評估等領域[1-2]。由于制作工藝復雜，電阻應變片通常都是整版陣列生產，然后再進行修剪、測試、分類[3]。某企業現有的做法是人工裁剪，這種修剪方法不僅生產效率低，工人勞動強度大，而且修剪尺寸精度低，同一批次產品的外形尺寸存在較大波動，不利于對產品質量的穩定控制。為了提高應變片的生產質量及生產效率，實現生產過程自動化、智能化[4]，該企業提出了研制一種電阻應變片自動修剪設備的技術需求。

針對此需求，設計研究了一種大陣列電阻應變片自動修剪設備。該設備采用真空吸附技術固定電阻應變片膜片，通過高精度二維伺服滑臺移動定位，使用氣動技術驅動超薄刀片進行修剪，結構輕巧，操作簡單，綠色節能。實現了大陣列電阻應變片的自動化、數字化修剪，有效提高了生產質量，降低了生產成本，進而提升了企業的市場競爭力。

1 總體方案設計

1.1 技術要求分析

某企業生產的模型號電阻應變片膜片平面圖如圖1所示，整版尺寸規格為102 mm×115 mm，厚度約為0.08 mm，共分布260個應變片。單個應變片見圖右上角放大圖，其尺寸為7.4 mm×4.4 mm，陣列為12行×22列，采用焊點相對的排列方式，行、列間距為0.5 mm[5]。

技術目標是將單個應變片產品從整版中分離出來，以便后續檢測分選。技術要求是：(1)單個應變片的尺寸修剪精度為0.10～0.20 mm。(2)修剪效率不低于15 片/h。(3)具有膜片定位功能。(4)具有急停、復位及報警功能。(5)具有掃條碼識別功能。(6)具有數據記錄、查詢功能。

1.2 操作流程

(1)操作人員將電阻應變片膜片放置在吸附平臺上定位固定。

(2)膜片固定后，按下啟動按鈕進行自動修剪。

(3)修剪完成后，刀具回原點待機。

(4)自動分選機構對修剪的應變片進行分選。

(5)分選完成后，吸附平臺回原點待機，進入下一次工作循環。

1.3 總體方案設計

在生產后期需要將單個應變片產品從整版中分離出來，進行檢測，最后根據檢測結果進行分選。目前，某企業的修剪方法是人工使用剪刀沿著應變片單元外邊框將單個產品修剪下來，外形尺寸波動較大；對應變片的電阻、電壓測量主要依賴人工測試，測試效率低，容易出錯；分選全部是人工分選，效率低，勞動強度大[6]。經過與企業的深入溝通，決定做方案時，整體考慮，即檢測、修剪、分選一體機設計，前期先做自動修剪部分，以解企業的燃眉之急。

在方案論證時，通過試驗發現激光修剪、旋轉圓刀片修剪效果都不理想，主要表現在修剪切邊毛刺大，不整齊，老化試驗不合格等，最后發現采用刀片進行劃片修剪效果較好，各參數均滿足技術要求。電阻應變片陣列膜片整體厚度0.1 mm左右，尺寸小，重量輕，不能彎折，定位固定、修剪難度較大，考慮到經濟性、實用性，選擇二維線性機構，結構簡單，控制方便。陣列膜片固定采用真空吸附裝置，刀具先X方向修剪，然后旋轉90°Y方向修剪，X、Y方向上的移動定位使用高精度二維伺服滑臺。整體方案主要包括自動檢測裝置、自動修剪裝置、自動分選裝置和工控機控制系統，其中自動修剪裝置主要包括機架、電阻應變片定位、固定裝置和刀具機構。運用SolidWorks對整體方案進行三維設計，結果如圖2所示。

2 主要零部件設計選型

2.1 真空吸附裝置

真空吸附裝置主要有上端蓋、密封墊、下腔體構成[7]，其正視圖和俯視圖如圖3所示。下腔體采用鋁合金板材銑削加工，底面厚6 mm，四周壁厚10 mm，在四周棱臺上加工有M5的螺紋孔，一個側面加工有Rp1/4管螺紋孔，用于連接氣動接頭。上端蓋采用鋁合金板材加工，厚度3 mm，上平面上加工有安裝孔、陣列圓形吸附孔和陣列溝槽，并且在平面的4個角上刻有參考定位線。陣列吸附孔直徑為0.1 mm，采用激光加工，主要用于對應變片膜片進行吸附固定，平均每個應變片單元對應4個吸附孔；溝槽寬0.3～0.5 mm，深0.6 mm，采用線切割加工，主要用于自動修剪時刀片走刀，陣列為13行×23列；上端蓋工作平面采用銑削+拋光的加工方法，表面粗糙度Ra0.05 μm左右，主要是為了電阻應變片膜片能和吸附表面緊密貼合，吸附牢靠，不漏氣。

2.2 刀具裝置設計

(1)刀片選擇

刀片主要用于片膜片的分切，選擇德國魯茨LUTZ三孔刀片，其尺寸為43 mm×22 mm×0.1 mm，刀刃表面涂有硬質涂層，使用壽命長，切削無毛刺，廣泛應用于工業塑膠、薄膜、鋁箔、膠帶、紙張等高速分切。

(2)刀片移動機構

刀片移動機構主要是驅動刀片快速移動，實現應變片膜片的劃切，選擇費斯托FESTO公司生產的無桿氣缸，其型號為DGC-12-200-KF-P-A，采用循環滾珠軸承導軌，有效行程200 mm，最大移動速度1.2 m/s，重復精度0.02 mm，理論推力68 N。

(3)刀具旋轉機構

刀具旋轉機構主要實現刀具裝置的上、下移動和90°旋轉運動，采用費斯托FESTO公司的擺動/直線氣缸，其型號為SL-25-80-270-P-A-S2-KF-B，直線行程80 mm，最大擺角270°，擺動重復精度0.1°，可精確設定擺角，安裝方便，定位精度高[8]。

(4)刀具裝置設計

刀具裝置如圖4所示，主要有安裝板、定位板、無桿氣缸、刀片夾板、壓板、壓板導向桿、調節彈簧等構成[9]。應變片單元的間隙為0.5 mm，要保證修剪精度，刀片的安裝精度要求較高，主要有刀片和吸附平臺的垂直度以及和氣缸滑臺平面的平行度，為了補償安裝誤差和系統誤差，刀片必須設計成活動可調的。刀片的安裝角度、上下位置及前后位置都可活動調節，在刀片安裝板的一側加工有均分分布的刻度線，在刀片安裝軸的一端加工有定位線，通過定位線和刻度線的位置，調整刀片的安裝角度；刀片的上下位置通過刀片安裝板的U型槽調節；在刀片安裝軸和刀片安裝板之間裝有碟形彈簧，通過調節預緊力調節刀片的前后位置。

膜片在X方向修剪完成后，是一條一條分開的，這時吸附固定不牢靠，在Y方向修剪時，由于刀片的剪切力的作用，條形膜片的位置會發生變動，為此設計了壓板，在壓板中間開設有走刀槽，壓板和定位豎板彈性連接，并配有導向桿導向，當刀具裝置向下運動時，壓板和膜片接觸，并通過壓縮彈簧將膜片壓緊，通過彈簧作用可以調節壓緊力大小，以便壓板平面和膜片充分接觸。

3 控制系統設計

根據電阻應變片的加工技術要求，為了對其修剪質量進行控制與追蹤，要求控制系統具有生產數據的記錄存儲與實時查詢功能，單片機和PLC控制系統很難滿足這一功能要求[10]。因此，本文采用以工控機+多功能數據采集卡的硬件平臺，以LabVIEW為程序開發環境的控制系統方案。整個控制系統主要由上位工控機、多功能數據采集卡、執行元件(伺服驅動器、伺服電動機、氣缸、真空吸附臺)、控制檢測元件(電磁閥、真空閥、光柵尺、限位開關、磁感應開關)以及通訊線纜等組成，其控制系統原理圖如圖5所示。

伺服電動機采用位置控制模式，通過控制脈沖的數量、頻率和方向信號，來控制伺服電動機的運行狀態[11]，進而控制伺服滑臺在X和Y方向上的位置。控制伺服電動機的脈沖信號需要一定的功率，多功能數據采集卡PCI-6221發出的脈沖信號驅動能力不足，導致信號失真，無法精確控制，因此通過輸出放大板對信號進行放大。工控機通過數據采集卡、光電隔離輸出放大板、伺服驅動器實現對伺服電動機進行脈沖控制，伺服電機通過驅動滾珠絲杠實現滑臺在X和Y方向上的運動，滑臺運動位移通過光柵尺傳感器實時測量反饋，數據采集卡通過高速計數器端口實時讀取光柵尺脈沖信號并傳送給工控機[12]。工控機根據位移設定值與實際反饋值之間的偏差調整伺服電機的運行狀態，從而形成一個穩定的閉環控制系統。

為了防止伺服滑臺越位，在滑臺的前后、左右兩端安裝有電感式接近開關；磁感應開關用于檢測無桿氣缸和擺動/直線氣缸活塞的位置；控制按鈕用來實現起動、停止、復位和急停功能；氣動電磁閥用于控制氣缸的運行狀態；真空電磁閥用于控制真空吸附裝置真空的產生和斷開。開關、按鈕及電磁閥屬于數字I/O信號，工作電壓為DC 24 V，數據采集卡輸入/輸出電壓為DC ±10 V，因此需要信號調理電路和信號放大電路進行調節適配。

自動修剪裝置工作時，首先上位工控機發送控制指令到數據采集卡，通過伺服驅動器來控制伺服電動機的運轉，通過電磁閥來控制氣缸和真空吸附裝置實現刀具的動作和膜片的固定，并將滑臺移動位置和氣缸的狀態實時反饋回工控機，最終實現各個執行機構動作的精確匹配，完成膜片的修剪。

4 樣機研制及試驗

4.1 樣機研制

大陣列電阻應變片自動修剪裝置主要有機械結構、控制系統及氣壓系統組成。結構部分主要采用標準件和自行設計加工，人機交互界面及控制程序采用Lab view軟件進行設計開發，氣壓系統的氣源采用空壓機供給，真空采用真空發生器產生。對整機進行組裝、調試，研制的試驗樣機如圖6所示。其主要設計參數為：工作電壓AC 220V；工作氣壓0.7 MPa；外形尺寸：980 mm×550 mm×600 mm；整機重量75 kg。

4.2 試驗及數據分析

根據電阻應變片的檢測工藝要求，合格的修剪應變片應尺寸外形滿足技術要求，剪切面光滑整齊，毛刺高度在許可范圍內。因此應變片修剪完成后，要進行尺寸精度檢測及老化試驗，影響其老化的因素之一是修剪的質量，即切割邊沿的毛刺及整齊度。對10張應變片膜片進行切割試驗，從2 600個修剪好的應變片中隨機抽取100個樣品進行檢測，外形尺寸使用螺旋測微器進行檢測，修剪質量通過讀數顯微鏡進行觀察測量，部分試驗數據如表2所示。

表1 部分應變片的修剪試驗數據

應變片編號12345678910尺寸偏差/mm+0.15+0.15-0.17-0.16+0.15+0.18-0.16+0.16-0.19-0.17毛刺高度/μm37353736363937363938邊沿凹凸μm-30-29-33+31+31-33-32+29-35-33

試驗數據分析結果表明，修剪的應變片外形尺寸偏差均在技術要求范圍內，且偏差平均值為0.16 mm。自動修剪設備主要是由手工裝配，有些部件是靠裝配人員的經驗來完成，每一臺設備在裝配的過程中都有不可控的機械裝配特性和誤差[14]，影響外形尺寸精度的因素主要有刀片的平行度、垂直度、吸附平臺的平整度以及伺服滑臺的運動精度等，可以通過控制算法對尺寸偏差進行補償，以進一步提高修剪精度。

從試驗數據分析來看，應變片的修剪質量在可接受范圍內，但修剪質量還有進一步提升的空間，影響修剪質量的主要因素有刀片剪切角、剪切速度、走刀槽寬度以及壓板的壓力等。正交試驗設計是一種解決多因素問題的有效方法，相比全面試驗，它可以減少試驗次數，縮短試驗的周期，能獲得反映全面情況的實驗資料，找出影響因素的最優水平組合[15]。因此可以通過正交試驗設計的分析結果，找出剪切角、剪切速度、走刀槽寬度以及壓板壓力的最優水平組合，從而進一步提高修剪質量。

5 結語

根據某企業大陣列電阻應變片的修剪現狀和技術需求，利用機械制造技術、閉環控制技術和氣壓傳動與控制技術設計研發一臺應變片自動修剪設備。經過一段時間的運行測試，該設備的各項參數均滿足技術要求，性能可靠穩定，操作簡單易懂，能有效提高生產效率，降低勞動強度。

目前該設備已投入企業試運行，并且申請了知識產權保護(ZL201511030434.7)。隨著工業4.0時代的到來，智能制造技術、機器視覺技術獲得了飛速發展，如何將這些新技術新工藝運用到該設備上，進一步提高修剪質量、修剪速度和定位方法，是課題組下一步的研究計劃。

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