智能壓裝機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

肖石輝 王建生

（五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門(mén)529020）

0 引言

壓裝機(jī)是壓力機(jī)的一種，壓力機(jī)是一種通用性很強(qiáng)的機(jī)械加工裝備，廣泛應(yīng)用于切斷、沖孔、落料、彎曲、鉚合和成型等工藝。不同于壓力機(jī)所具有的廣泛通用性，壓裝機(jī)側(cè)重于過(guò)盈配合的壓力裝配［1］。目前國(guó)內(nèi)各個(gè)機(jī)械加工生產(chǎn)領(lǐng)域所使用的壓裝機(jī)大都是液壓壓裝機(jī)。液壓系統(tǒng)易于獲得很大的力和轉(zhuǎn)矩，容易實(shí)現(xiàn)，控制也較簡(jiǎn)單，噪聲很小，很適合應(yīng)用在通常需要很大壓裝力的過(guò)盈裝配場(chǎng)合。但液壓壓裝機(jī)所采用的液壓系統(tǒng)都是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，壓裝的控制精度比較低，很難滿(mǎn)足某些需要精確定位的零件的壓裝要求，而且液壓系統(tǒng)的油液泄漏很容易污染周?chē)h(huán)境，不適合應(yīng)用在某些對(duì)環(huán)境潔凈度有較高要求的場(chǎng)合[2-3]。氣壓壓裝機(jī)不會(huì)污染周?chē)h(huán)境，但其提供的壓裝力較小，只應(yīng)用在少數(shù)輕型過(guò)盈裝配的場(chǎng)合。在機(jī)械加工領(lǐng)域自動(dòng)化程度越來(lái)越高的今天，手動(dòng)杠桿式壓裝機(jī)的應(yīng)用已很少。螺旋式壓裝機(jī)采用螺旋機(jī)構(gòu)產(chǎn)生壓頭的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，它雖然不像液壓壓裝機(jī)那樣易于產(chǎn)生很大的壓裝力，但其易于實(shí)現(xiàn)壓裝位移的精確控制。螺旋式壓裝機(jī)之所以能實(shí)現(xiàn)壓裝位移的精確控制，主要是因?yàn)槠洳捎每蛇M(jìn)行精確控制的步進(jìn)電機(jī)甚至伺服電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，采用精密滾珠絲杠作為運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置[4]。本課題設(shè)計(jì)了一款中高端伺服壓力智能壓裝機(jī)，具有精度高、穩(wěn)定性好、快速高效、功能全面和清潔節(jié)能等特點(diǎn)。

1 智能壓裝機(jī)的研究背景及機(jī)械方案

1.1 智能壓裝機(jī)的研究背景

根據(jù)工廠中流水線的實(shí)際生產(chǎn)需要，一般情況下，都需要上下料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的抓取、輸送和檢測(cè)等工藝，因此，在制定壓裝機(jī)方案時(shí)要預(yù)留足夠的空間以便這些配套機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目中，在生產(chǎn)制造壓裝機(jī)樣機(jī)的時(shí)候選擇輕型臺(tái)座L型進(jìn)行設(shè)計(jì)，整機(jī)最后設(shè)計(jì)樣式為C型或G型。鑒于目標(biāo)市場(chǎng)是3C行業(yè)微小零部件的裝配場(chǎng)合，提出了一種C型樣式設(shè)計(jì)方案。

該方案應(yīng)用于各種零部件產(chǎn)品的壓裝、裝配，金屬、非金屬零件的壓印、成型及壓力裝配等領(lǐng)域。在本方案中主要應(yīng)用于襯板自動(dòng)組裝機(jī)項(xiàng)目。

1.2 智能壓裝機(jī)的機(jī)械方案

智能壓裝機(jī)主要由智能壓力控制系統(tǒng)、智能驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、電缸、壓力輔助設(shè)備和機(jī)體組成。智能壓力控制系統(tǒng)是一個(gè)集工業(yè)PC、運(yùn)動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、上下料機(jī)械手和機(jī)器視覺(jué)為一體的系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足各種壓力設(shè)備對(duì)壓力閉環(huán)、速度和位置閉環(huán)精確控制的需求，伺服電機(jī)帶動(dòng)電缸進(jìn)行精確驅(qū)動(dòng)控制。

智能壓裝機(jī)的設(shè)計(jì)方案有如下幾點(diǎn)：

1.2.1 外形結(jié)構(gòu)

整機(jī)最后設(shè)計(jì)樣式為C型，其外觀設(shè)計(jì)樣式如圖1所示。

1.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.2.3 結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

智能壓裝機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖1 智能壓裝機(jī)的樣式圖

表1 智能壓裝機(jī)的參數(shù)設(shè)定

表2 智能壓裝機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2.4 工人控制形式

工人控制方式即工人如何操作控制智能壓裝機(jī)，工人控制方式的選擇與設(shè)備使用場(chǎng)合、上下料方式和零件規(guī)格等有關(guān)。典型的工人控制形式如下：

（1）按鈕開(kāi)關(guān)。雙按鈕開(kāi)關(guān)控制機(jī)器運(yùn)行，適用于單機(jī)，無(wú)上下料機(jī)構(gòu)，且待壓裝元件尺寸較小的場(chǎng)合。

（2）腳踩開(kāi)關(guān)。單腳踩控制機(jī)器運(yùn)行，適用于待壓裝元件尺寸較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作臺(tái)，需工人雙手扶持元件才能實(shí)現(xiàn)壓裝作業(yè)的場(chǎng)合。

（3）觸摸屏控制。用觸摸屏控制機(jī)器運(yùn)行，適用于自動(dòng)壓裝作業(yè)場(chǎng)合，有完整的上下料機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。

1.2.5 顯示設(shè)備

顯示設(shè)備安裝位置也是設(shè)計(jì)方案中比較重要的一環(huán)，單機(jī)或工作站式的壓裝機(jī)應(yīng)用都會(huì)影響顯示設(shè)備的安裝位置。下面列舉了幾種顯示設(shè)備安裝形式：

（1）觸摸屏在正前方。適用于單機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合。

（2）觸摸屏在側(cè)面。安裝形式為外掛可旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)可嵌入機(jī)身，適用于單機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，也適用于有外接上下料機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合。

（3）手持盒。采用手持盒顯示方式，懸掛位置可在正前方，也可在側(cè)面，適用于需要人移動(dòng)去控制設(shè)備的場(chǎng)合。

1.2.6 電氣安裝位置

電氣元件除了控制開(kāi)關(guān)類(lèi)必須安裝在機(jī)身外側(cè)外，其余的電氣元件都安裝在機(jī)身內(nèi)部。智能壓裝機(jī)可安裝的電氣區(qū)域有機(jī)身下部前方區(qū)域和機(jī)身后面整個(gè)區(qū)域，機(jī)身后面區(qū)域又可分為三個(gè)部分，分別為下部、中柱和上部。詳細(xì)的電氣方案如下：

（1）機(jī)身下部前方。此部位安裝不是太重要的電氣元件。

（2）機(jī)身下部后方。此部位安裝項(xiàng)目中所需的重要電氣元件，例如控制器、工控機(jī)、驅(qū)動(dòng)器等。

（3）機(jī)身中柱。此部位主要用來(lái)走線。

（4）機(jī)身上部后方。此部位主要用來(lái)安裝不重要的電氣元件，例如擴(kuò)展I/O，也可用來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)器。

電氣安裝方案影響機(jī)械設(shè)計(jì)方案，在機(jī)械設(shè)計(jì)方案中，在設(shè)計(jì)智能壓裝機(jī)外形時(shí)需在機(jī)身后面和機(jī)身下部前面加電氣柜門(mén)。

1.2.7 電缸初步參數(shù)選型

電缸初步參數(shù)如表3所示。

表3 電缸選型參數(shù)

2 智能壓裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方案

智能壓裝機(jī)有單機(jī)和上下料機(jī)構(gòu)配合兩類(lèi)使用場(chǎng)合，單機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合下只需要一個(gè)軸就可以滿(mǎn)足設(shè)備的正常使用，采用固高控制器GTSD12[5]即可滿(mǎn)足需求；有上下料機(jī)構(gòu)配合應(yīng)用場(chǎng)合下就需要去擴(kuò)展軸，在上下料機(jī)構(gòu)不復(fù)雜的情況，一般擴(kuò)展8個(gè)軸即可滿(mǎn)足需求，在方案中，我們按擴(kuò)展8個(gè)軸去設(shè)計(jì)，由于GTSD12不可以擴(kuò)展軸，而GTSD13[6]或GTSD14[7]能擴(kuò)展幾個(gè)軸不太確定，所以，提出了兩種運(yùn)控與電氣方案，分別為驅(qū)控一體機(jī)方案和非驅(qū)控一體機(jī)方案。

2.1 驅(qū)控一體

驅(qū)控一體方案適合智能壓裝機(jī)以單機(jī)形式應(yīng)用。運(yùn)控設(shè)備拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 驅(qū)控一體拓?fù)鋱D

2.2 非驅(qū)控一體

非驅(qū)控一體方案適合智能壓裝機(jī)配合上下料機(jī)構(gòu)一起使用。采用嵌入式多軸運(yùn)動(dòng)控制器，其運(yùn)控設(shè)備拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 非驅(qū)控一體拓?fù)鋱D

3 智能壓裝機(jī)較其他壓裝機(jī)的優(yōu)勢(shì)

智能壓裝機(jī)較其他壓裝機(jī)有以下五大優(yōu)勢(shì)：

3.1 精確的壓力與位移控制

智能壓裝機(jī)中的智能壓力系統(tǒng)設(shè)計(jì)有專(zhuān)用的壓力控制器算法，通過(guò)外部的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)壓力全閉環(huán)控制，相較于傳統(tǒng)油壓機(jī)精度更高，在壓力全閉環(huán)模式下，壓力精度可以達(dá)到0.5 %F.S.，相較于PLC控制的壓裝機(jī)效果更優(yōu)，壓力量程內(nèi)任意點(diǎn)定位精度可達(dá)±0.01 mm。智能壓裝機(jī)還不需要設(shè)計(jì)精密工裝和硬限位，智能壓力系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有專(zhuān)用自動(dòng)補(bǔ)償算法，可以實(shí)現(xiàn)壓裝過(guò)程中位移的自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)油壓機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的壓裝控制。在智能壓力系統(tǒng)中還可以任意設(shè)置保壓時(shí)間，可以更好地實(shí)現(xiàn)零件的壓裝作業(yè)，在保壓時(shí)間內(nèi)定位精度更高。

3.2 多樣的質(zhì)量檢測(cè)模式

智能壓裝機(jī)中的智能壓力控制系統(tǒng)提供三種檢測(cè)方式：點(diǎn)檢測(cè)、包絡(luò)線檢測(cè)和窗口檢測(cè)（個(gè)數(shù)可擴(kuò)展），在每種檢測(cè)模式下都包含位置檢測(cè)模式和壓力檢測(cè)模式。多種質(zhì)量檢測(cè)模式可以在作業(yè)過(guò)程中的任意階段自動(dòng)判斷不良品，100%實(shí)時(shí)去除不良品。質(zhì)量檢測(cè)模式中還可以進(jìn)行生產(chǎn)報(bào)表、良次品統(tǒng)計(jì)，這些數(shù)據(jù)還可以拷貝出來(lái)方便企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化分析，對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)效率有很大的幫助，這些數(shù)據(jù)還可以接入企業(yè)ERP系統(tǒng)中。這些功能都是普通壓裝機(jī)無(wú)法提供的。

3.3 多種壓裝模式可供選擇

智能壓力系統(tǒng)中提供了多種壓裝模式供客戶(hù)選擇，不同的壓裝模式應(yīng)用在不同的場(chǎng)合下，對(duì)壓裝作業(yè)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速的位置控制、壓力控制模式切換，壓力傳感器通過(guò)模擬量通道直接反饋到智能驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)DSP芯片采集和處理，處理周期為125 μs，因此，在探測(cè)階段轉(zhuǎn)壓裝階段時(shí)，能夠保證接觸點(diǎn)的準(zhǔn)確性和一致性。系統(tǒng)還能夠針對(duì)客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際壓裝工況，設(shè)置二次壓裝模式，以滿(mǎn)足客戶(hù)的實(shí)際生產(chǎn)需要。

3.4 實(shí)時(shí)壓裝曲線

通過(guò)示波器能觀測(cè)到豐富的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線，為在壓裝過(guò)程中分析產(chǎn)品的力—位變化以及伺服壓機(jī)本身的控制性能提供了更直觀的數(shù)據(jù)憑證（PLC一般只有時(shí)間軸示波器，而且觀察的曲線條數(shù)和顯示的數(shù)據(jù)點(diǎn)都有限）。

3.5 產(chǎn)品加工數(shù)據(jù)可追溯

智能壓力系統(tǒng)中提供掃描槍掃描功能，通過(guò)TCP/IP或者串口通信把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。通過(guò)掃描槍自動(dòng)掃描待壓裝零件上的二維碼并實(shí)時(shí)上傳至公司ERP系統(tǒng)或者服務(wù)器上，每個(gè)零件都有自身唯一的標(biāo)識(shí)碼，這樣就可以實(shí)現(xiàn)零件在整個(gè)生命周期內(nèi)加工數(shù)據(jù)可追溯，零件在其生命周期內(nèi)出任何問(wèn)題都可以追溯到零件的加工時(shí)間、批次和加工設(shè)備等信息。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有壓裝機(jī)或多或少地存在缺陷，而智能壓裝機(jī)能夠很好地彌補(bǔ)這些缺陷，真正做到壓力可控、精度高、穩(wěn)定性好、快速高效、功能全面和清潔節(jié)能等，能夠靈活地適應(yīng)各種壓裝場(chǎng)合，是一款值得借鑒與推廣的設(shè)備。