一種基于電壓機自動壓裝的閉環控制方法研究

趙 晶 王昭宇 潘興陽 鄭澤斌

（1.長春理工大學光電信息學院，吉林長春130114；2.法雷奧壓縮機（長春）有限公司，吉林長春130051）

0 引言

壓裝工藝作為裝配過程中必不可少的一種裝配方式，如何自動精確地控制壓裝位置以及對壓裝過程中的力進行監控是壓裝工藝能否順利實現的關鍵因素[1]。在一條自動化裝配線上能夠自動穩定地實現壓裝，并能在壓裝過程中進行壓入力的有效控制，對一條自動化產線保質保量交付具有重要的意義。

1 問題描述

壓裝工藝按照壓裝的執行元件進行分類大致可以分為液壓系統壓裝、氣液增壓缸壓裝、氣缸壓裝以及電壓機壓裝等幾類壓裝方式[2]。其中，液壓系統壓裝可以通過氣液增壓缸提供較大的壓裝力；氣缸壓裝因其結構簡單被廣泛使用，但存在壓入位置單一不可調，不能隨工件的變差而自行調整壓裝位置的問題，而且要對壓裝力進行監控時需額外集成壓力監控系統，這對整個壓裝單元提出了很高的要求；電壓機壓裝方式雖然具有精確的行程控制和自身所集成的壓力監控功能以及靈活多變的程序設定，但仍然無法適應批量工件間的變差給壓裝帶來的不穩定性，甚至會產生不合格品。

同時，壓裝過程中的壓力判定作為壓裝過程中重要的控制因素，是壓裝工藝中不可或缺的參數，但由于過盈壓裝的特性，需要根據過盈量和相關工件的材質按照《機械手冊》中相關的公式定義計算壓力，但壓裝工件的孔和軸的設計并非非常規正的形狀，對壓裝的力會有一定的影響，從而導致計算的壓力范圍與實際壓裝的力會有一定的偏差；同時出于產品性能要求方面的考慮，材料的選擇有時會使用非標準材料，所以相關的拉伸特性等參數無法快速獲取，這就給計算壓力帶來了很大的難度。

2 壓裝位置的控制

本文將針對如何解決高效、準確壓裝和靈活適應不同工件間變差的問題提出了一種全新的解決方案，即通過電壓機、PLC、位移傳感器形成一個閉環的壓裝系統，保證高效、準確、靈活的壓裝。

2.1 壓裝流程介紹

裝載工件后壓裝機首先進行第一階段的壓裝，第一階段壓裝停止后位移傳感器開始對壓裝工件和被壓工件的相對關系進行測量，測量完成后PLC讀取該值，然后和目標壓裝位置值之間進行比較計算，計算完成后將繼續需要壓裝的行程值發送給電壓機，電壓機按照該行程值開始啟動第二階段壓裝，壓裝完成后位移傳感器再次進行測量，然后PLC將該值與目標值之間進行比較，檢查最終位置是否在合格范圍內。壓裝流程如圖1所示。

圖1 壓裝流程圖

2.2 位移傳感器位置的確定

位移傳感器的測量位置和固定位置應該分別在裝配圖紙要求的壓裝控制尺寸的兩端上，如圖2所示。第一階段壓裝停止后位移傳感器開始測量，得到壓裝面與被測面之間的距離X，PLC根據預先設定的目標值A與測量值X進行比較計算，得到電壓機第二階段需要繼續壓裝的行程Z，Z=X-A；第二階段壓裝完成后位移傳感器再次進行測量得到尺寸Y，Y應該滿足圖紙要求，即A-b＜Y＜A+b，如果壓裝后的測量值Y滿足如上關系式，即代表該工件的壓裝滿足圖紙要求。

圖2 位移傳感器位置

如上所述的壓裝方法由于是每件在壓入過程中均進行相關尺寸的測量，所以能有效避免由于工件自身尺寸C的差異導致的壓裝位置的不一致，甚至是超差的情況。尤其是在d＞b或定位基準不在最終壓裝控制尺寸的尺寸線上時，此方法對控制最終壓裝尺寸A有非常好的效果。

3 壓裝過程的力監控

針對傳統壓裝力監控困難的特點，本文提供了一種新的壓力判定范圍的定義方法，即對一定數量帶有尺寸的工件進行標準工藝的壓裝，然后收集相關的壓裝力數據，進行線性關系的模擬，從而定義不同階段壓裝力的判定范圍，以軸壓入到孔中過盈量為0.002～0.021 mm、深度為40 mm為例，在壓入前需要先測量孔和軸的尺寸，然后計算過盈量，并逐件采集壓入到40 mm時的壓入力（壓入過程一定要完全按照正常工作時的壓裝條件進行），然后以過盈量為橫坐標、以壓入力為縱坐標，借用Excel軟件生成線性趨勢線，如圖3所示。同時需要判定R2值，該值越大則該線性關系越能夠模擬出真實的情況；如R2較小，可能是受樣本量過少、過盈量過于集中等因素的影響。本例中在可接受的置信區間R2=0.760 3的條件下得到線性關系Y=66.958X+2.158 4后，將本例中的過盈量上下限代入到線性關系式中，計算得出在壓入深度為40 mm時，壓入力F需要滿足2.14 kN＜F＜3.64 kN。

圖3 壓入力與過盈量關系曲線

該種總結歸納方式是通過在設備正常工作的情況下采集相關數據得到壓力范圍，既不需要經過復雜的計算，也不會受到不同壓裝條件導致計算值不準的情況的影響，也避免了因為采集邊界樣件而需要的額外加工和遴選。

4 結語

采用電壓機、PLC、位移傳感器等形成一個閉環壓裝系統，能夠對壓裝位置和壓裝過程進行精準的控制和監控，避免出現不必要的損失和浪費。通過對采樣數據的總結歸納可以得到相關的線性關系，依此定義出在最大和最小過盈量的情況下壓裝力的控制范圍。本文提出的相關控制方法對實現壓裝工藝的自動化高效運轉具有重要的借鑒價值。