抬起步伐輸送裝置的伺服控制技術的應用

方 宇 徐文濤 李 瑾

（1．通用技術集團大連機床有限責任公司智能制造研究所，遼寧 大連 116620；2．通用技術集團大連機床有限責任公司應用所，遼寧 大連 116620）

0 引言

柔性生產線是由若干數控加工設備、輸送裝置和計算機控制系統組成的，更適用于多品種、中小批量生產。抬起步伐輸送是傳統組合機床單機及自動線中較為復雜的經典輸送形式，隨著柔性生產線的廣泛應用和產品加工精度的不斷提高，數控化的抬起步伐輸送裝置的設計將取代傳統的結構，使該輸送裝置組成的生產線向著數控化、高速化以及柔性化發展。

抬起步伐輸送裝置包括抬起裝置、輸送裝置、輸送連接板、抬起驅動和輸送驅動。主要機械動作為：輸送帶抬起→輸送帶向前輸送→輸送帶落下→輸送帶返回。抬起步伐輸送裝置的數控化就是應用數控系統對生產線物流進行控制和管理，使其達到布距可調，速度可控，效率與提高精度，具體設計是將常規大缸徑抬起油缸改為伺服電動缸驅動，將輸送帶前進后退驅動的輸送油缸改為伺服電機驅動和絲杠螺母傳動輸送，在滿足抬起、拉動工件移動等多個動作的同時，保證整個輸送過程的剛性、精度和抬起落下的平穩[2，4]。

1 傳統的液壓油缸驅動的抬起步伐輸送裝置的結構分析

抬起步伐輸送裝置結構如圖 1 所示，抬起油缸2 通過轉臂3、拉桿4 將工件抬起后，由輸送油缸5 帶動輸送帶 1 向前移動。該結構存在5 個問題。1）輸送速度受到限制，效率低。2）輸送位置不準確影響工件的定位。3）輸送油缸及馬達屬于液態介質驅動，容易受系統壓力、溫度等因素影響。因而可靠性穩定性不夠，造成輸送位置精度不高。4）抬起油缸和輸送油缸存在漏油嚴重問題，維護清理困難。5）無法實現數字化控制，對輸送中造成的輸送誤差不能進行有效控制和補償。在高精密加工自動線中，對輸送的精度和效率都有更高的要求，這些主要問題都是制約抬起步伐輸送帶提高輸送效率和精度的關鍵問題[3]。

2 伺服驅動的抬起步伐輸送裝置的結構與動作原理

伺服驅動的抬起步伐輸送裝置的結構與動作原理如圖2所示。首先，伺服電動缸 1 動作，拉動拉桿2，通過轉臂3將輸送帶4 及工件抬起。拉桿上通過銷軸鉸接多個轉臂3，拉桿2 的移動使轉臂3 繞固定在機床底座上的鉸鏈芯軸作擺動，轉臂的另一端連接深溝球軸承，其擺動將輸送帶 4 抬起。當輸送帶將工件由定位面抬升到輸送高度后，系統得到輸送帶抬起到位信號指令后，用于輸送的伺服電機 5 啟動，驅動絲杠8 回轉，絲杠螺母 10 移動，與絲杠螺母 10 相連在一起的輸送帶4 同步向前輸送，輸送帶連接導向支架12 完成絲杠螺母10 與輸送帶4 之間的連接和抬起導向動作。輸送帶4連帶工件移動一個步距后，到位開關發令，伺服電機5 停轉，伺服電動缸1 反向旋轉，輸送帶4 連同工件一起下降，工件在下落過程中完成機床夾具的插銷定位，工件與輸送帶4 脫離，當輸送帶4 下降到終點后，下降到位信號指令發令，伺服電機5 反轉，使輸送帶 4 水平返回，抬起步伐輸送裝置進入下一動作循環。

圖1 抬起步伐輸送裝置

圖2 伺服驅動的抬起步伐輸送裝置

根據工件總質量，輸送帶長度、質量及輸送速度要求，可以設計抬起需要的拉力、輸送裝置的絲杠螺母及減速裝置。絲杠前后帶支撐，直線導軌起承載和導向作用，保證了抬起和輸送的穩定性和剛性，并且輸送帶上3 個面布置的導向均為滾動導向，最大限度地減小了輸送磨擦力。如圖3 所示，水平和豎直方向滾動軸承限制了輸送帶4 的3 個方向的運動。整套輸送裝置緊湊可靠，伺服控制使輸送裝置精確到位，速度可調，輸送步距有多種系列規格，最大程度地滿足客戶的需求。

圖3 輸送帶滾動導向限位支撐

3 抬起步伐輸送裝置的數控化技術的應用

圖4 為某大型汽車制造公司設計、投產抬起步伐輸送裝置輸送的柔性生產線，具體動作指令為：抬起裝置2 開始動作，拉動拉桿7，帶動轉臂6 將抬起工件3、輸送帶4 抬起，抬起到位后開關信號發令，輸送裝置1 將抬起工件3、輸送帶4 一起向前輸送一個步距，輸送到位后開關信號發令，抬起裝置2 動作，拉桿返回，輸送帶4 落下，工件3 落到夾具內或空工位位置，落下到位后開關信號發令，輸送裝置1 將輸送帶4 輸送至原位，柔性生產線內所有工序加工完畢后開關發令進入下一個動作循環。伺服驅動的輸送裝置1 安裝在側底座上，伺服電動缸驅動的抬起裝置2 安裝在最前端中間底座上，所有轉臂6 經過轉臂支架都安裝在中間底座5 上。

具體計算如下：已知工件重量250 kg，該自動線可以抬起12 個工件，輸送步距1 000 mm，輸送帶總長度12 100 mm，抬起裝置伺服電動缸抬起運行速度6 m/min（100 mm/s），輸送裝置移動速度小于15 m/min。

抬起部件總重量=所有工件重量+輸送板重量+連接板重量+定位塊、定位銷重量+標準件重量。

m總=250×12+0.03×0.08×12.1×7850×2+0.24×0.04×0.585×7+80+標準件重量≈4 000 kg。

如圖5 所示，根據轉臂機構受力分析，可計算出需要的拉力最小值。根據公式計算：動力×動力臂=阻力×阻力臂計算。即：

F動×165×cos33°=F阻×305×cos23.1°，其中F阻=G總=m總g，得出F動=81049N ≈81.1kN

綜合考慮抬起過程中存在摩擦等因素，選取伺服電動缸型號為IMB80，電動缸推力和拉力為100 kN，伺服電機直聯，功率10.8 kW。

輸送方向伺服電機、絲杠選取及計算：

絲杠轉矩、驅動力計算公式為T=F×L/（2π×η×i），其中F 包括導軌摩擦力和工作載荷（垂向運動F 還包括機構重量），L 為絲杠副導程，η 為滾珠絲杠副效率，η=0.8，i 為傳動比。該輸送裝置沒有工作載荷，輸送工件及輸送帶在每套轉臂前端的滾動軸承上運動，工況比較復雜，為了保險起見，所以μ 選0.15。根據用戶要求的輸送速度，絲杠副導程初選10 mm。傳動比i=1，伺服電機直聯。

F=μmg=0.15×4000×10=6000N

圖4 數控抬起步伐輸送裝置

F=6000×10×0.01/2π×0.8×1=11.94 Nm

根據絲杠轉矩初選電機，查詢樣本選用電機1FK7 系列電機，電機額定扭矩25 Nm，電機額定轉速2 000 r/min，轉動慣量為0.0104 kg·m2。

圖5 抬起工件受力分析圖

絲杠直徑的選取：根據絲杠直徑×轉速＜DN 值；內循環浮動式DN 值允許70 000，絲杠直徑＞35 mm，選取FF5010-5，3級精度內循環浮動式滾珠絲杠。根據選取的絲杠計算出絲杠允許的最高轉速為1 400 r/min，輸送裝置快速移動=轉速×導程=1400×10×0.01=14 m/min，滿足要求。如果選取FF4010-5絲杠，經計算快移速度為17.5 m/min，不滿足要求。

負載轉動慣量的計算：

JM=J1+J2+Jm

式中：J1為聯軸器轉動慣量，查樣本選取聯軸器型號為DML-04 系列，轉動慣量為0.0034 kg·m2。J2為 絲 杠 轉 動慣量，計算得0.0084 kg·m2。Jm 為滑臺負載轉動慣量，L2m4π2=0.0101kg·m2，L 為導程，m 為移動部件總質量。

所以：

JM=J1+J2+Jm=0.0034+0.0084+0.0101=0，0219 kg·m2。

電機直聯時，負載轉動慣量＜（3～5）×電機轉動慣量=（0.0312～0.052）kg·m2。所以滿足要求，電機選取合理[1]。

整條柔性生產線自動化程度高，輸送精度穩定，獲得客戶的認可，得到客戶的一致好評。

4 結語

柔性生產線是一種技術復雜、高度自動化的生產線，它將計算機和系統工程等技術有機地結合起來。由于伺服電機驅動的數控抬起步伐輸送裝置的可靠應用，輸送步距可調，速度可控，適合自動線的多品種加工，一次裝夾輸送可完成工件多面加工，所以為用戶最大程度的節約了設備投資。在生產實際使用后表明數控抬起步伐輸送裝置具有輸送可靠、效率高、而且維護簡單、環保、噪聲低等諸多優勢。這就更好的詮釋了現代機床制造業數控信息化發展的趨勢。機床將向數控化、智能化、柔性化發展是不可替代的。