陸 犇

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司， 上海 200240)

數(shù)控柔性模具的探索

陸 犇1，2

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司， 上海 200240)

描述了離散思想在傳統(tǒng)模具中的應(yīng)用，依托單片機(jī)和電機(jī)伺服系統(tǒng)，結(jié)合電磁矩陣的場(chǎng)域控制理論，達(dá)到模具的精確快速柔性成型的目的。指出了這種新型的數(shù)控柔性模具，可在一定范圍內(nèi)任意變化使用面的尺寸，用于單件小批量定制電機(jī)中線圈、硅鋼片、葉片等薄形零件的彎形或沖壓。

柔性模具；電磁矩陣；離散；數(shù)控

0 引言

模具是電機(jī)線圈、硅鋼片、葉片等批量生產(chǎn)的關(guān)鍵工裝。隨著客戶的個(gè)性化需求顯得越來越突出，電機(jī)的生產(chǎn)模式也由大批量、系列化生產(chǎn)逐漸向單件小批量定制生產(chǎn)發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的模具由于尺寸不可變、制造周期長(zhǎng)，越來越不適應(yīng)電機(jī)小批量制造的發(fā)展趨勢(shì)。

數(shù)控柔性模具是將多點(diǎn)成形柔性制造和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合為一體，基于離散思想，將實(shí)體模具離散為一系列規(guī)則排列的基本體單元[2]。通過計(jì)算機(jī)控制，用電磁矩陣調(diào)節(jié)模具各基本體單元高度，快速打印構(gòu)造出成形面，實(shí)現(xiàn)材料三維曲面成形的系統(tǒng)[3][4]。作為第四代數(shù)控柔性工裝(前三代分別是傳統(tǒng)工裝、通用模塊工裝、柔性工裝)，因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)非常適合單件、小批量柔性生產(chǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 結(jié)構(gòu)組成

數(shù)控柔性模具主要包括電子圖紙通訊接口、單片機(jī)控制系統(tǒng)、平面位移伺服系統(tǒng)、電磁矩陣控制系統(tǒng)、柔性模具機(jī)械本體和位置、形狀反饋系統(tǒng)等組成。因模具自身有受載荷的要求，相比整體式的設(shè)計(jì)，更為可靠的方法是將模具的機(jī)械本體與電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分離。這樣既可增加模具的精度和剛性，又可減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重復(fù)制造的成本。圖1是數(shù)控柔性模具結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖1 數(shù)控柔性模具結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)控柔性模具包括柔性模具本體及機(jī)座結(jié)構(gòu)件和平面滑移桿系的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，伺服減速電機(jī)及矩陣電磁鐵的電氣驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，成型面位置反饋的單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，矩陣控制算法的軟件設(shè)計(jì)等。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械部分包括柔性模具本體、機(jī)座結(jié)構(gòu)件和平面滑移桿系等。

柔性模具本體包括基本體群組、支撐板和夾緊板等。柔性模具本體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2所示。與傳統(tǒng)基本體結(jié)構(gòu)的螺桿螺母結(jié)構(gòu)相比，柔性模具本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單很多。

圖2 柔性模具本體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4]對(duì)比

機(jī)座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)確定了基本體的拆裝方式和受重力的影響大小。一般的基本體垂直放置即可。但是由于受重力的關(guān)系，會(huì)大大增加驅(qū)動(dòng)元件的功率。本次設(shè)計(jì)中采用平躺放置的方式，克服了重力影響?；倔w移動(dòng)時(shí)，只需要克服摩擦阻力即可，為磁力控制帶來了便利。平躺放置的機(jī)座結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 平躺放置的機(jī)座結(jié)構(gòu)

平面滑移桿系的移動(dòng)采用齒輪齒條進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。但由于機(jī)座為平躺放置，電機(jī)和結(jié)構(gòu)件的自重會(huì)使桿系產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，需采用自鎖結(jié)構(gòu)。因此選用了蝸輪蝸桿減速的伺服電機(jī)進(jìn)行解決。

2.2 電氣驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.2.1 伺服減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

平面滑移桿系的X軸、Y軸移動(dòng)是保證控制點(diǎn)正確的首要條件。為了減少調(diào)整時(shí)間，需要電機(jī)可以在大范圍內(nèi)調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)雖然方便控制，但是動(dòng)態(tài)性能不佳，故不采用。出于維護(hù)和使用的經(jīng)濟(jì)性，選用直流伺服減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)最為合適。位置反饋使用光柵角度傳感器作為內(nèi)反饋，確保精度可以達(dá)到0.2 mm以內(nèi)。由于電機(jī)需要正反轉(zhuǎn)，故采用H橋的L298N模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，在軟件上進(jìn)行PWM調(diào)速，以達(dá)到快速成型的目的。

2.2.2 矩陣電磁鐵的驅(qū)動(dòng)

傳統(tǒng)柔性模具的機(jī)械手逐個(gè)控制有效率低的缺點(diǎn)，但所有基本體單元同時(shí)進(jìn)行調(diào)整的成本很高。綜合考慮兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，創(chuàng)造性地采用間接控制。先對(duì)小矩陣單元進(jìn)行控制，進(jìn)而使用小矩陣對(duì)大矩陣進(jìn)行場(chǎng)域調(diào)整，可以很好地解決這一矛盾。小矩陣控制大矩陣示意圖見圖4。

圖4 小矩陣控制大矩陣示意圖

電磁鐵是利用載流鐵心線圈產(chǎn)生的電磁吸力來操縱基本體的裝置。當(dāng)線圈通電后，鐵心和模具基本體被磁化，成為極性相反的兩塊磁鐵。它們之間產(chǎn)生電磁吸力。當(dāng)吸力大于摩擦力時(shí)，基本體開始向著鐵心方向運(yùn)動(dòng)。由于磁場(chǎng)各向異性，強(qiáng)度和方向都存在差異?？梢愿鶕?jù)這一特性對(duì)未控制的點(diǎn)做預(yù)先處理，從而達(dá)到預(yù)先控制的目的，大大減少調(diào)整時(shí)間。圖5是典型的螺線管電磁鐵ANSYS仿真磁場(chǎng)空間分布圖。

2.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柔性模具的閉環(huán)控制系統(tǒng)包括成型面的形狀反饋、桿系的位置反饋、電磁矩陣伺服電機(jī)的局部?jī)?nèi)反饋和單片機(jī)整體電路等。

圖5 螺線管電磁鐵ANSYS仿真磁場(chǎng)空間分布圖

2.3.1 成型面的形狀反饋

模具成型面的形狀是三維尺寸，理論上需要采用線型激光對(duì)成型面進(jìn)行掃描，通過離散的線條組合成形狀反饋尺寸。本設(shè)計(jì)采用了簡(jiǎn)單的替代方法，在磁控矩陣上設(shè)置點(diǎn)型激光測(cè)距儀，在調(diào)整基本體高度的同時(shí)反饋高度信號(hào)。這樣所有的基本體就到了需要的位置，成型面也就是需要的形狀了。線型激光與微光測(cè)距示意圖如圖6所示。

2.3.2 桿系的位置反饋

桿系的位置反饋是通過光柵尺實(shí)現(xiàn)的，與大部分的數(shù)控機(jī)床一樣。光柵尺原理圖如圖7所示。

圖6 線型激光與激光測(cè)距示意圖

圖7 光柵尺原理圖

2.3.3 電磁矩陣、伺服電機(jī)的局部?jī)?nèi)反饋

為使控制系統(tǒng)的響應(yīng)更迅速準(zhǔn)確，采用增加局部?jī)?nèi)反饋的方法，利用霍爾傳感器對(duì)電磁矩陣的強(qiáng)度進(jìn)行反饋、光電編碼器對(duì)伺服電機(jī)的角位移進(jìn)行反饋。

2.3.4 單片機(jī)整體電路

采用性能穩(wěn)定、成本低廉的Atmel89S52單片機(jī)，設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)電路如圖8所示。

2.4 實(shí)物模型制造

根據(jù)以上的分析和研究，使用手邊的廢舊材料制作了模型。圖9為數(shù)控柔性模具實(shí)體模型照片。

圖10為數(shù)控柔性模具實(shí)體模型三視圖及軸測(cè)圖的照片，展示了模型的各個(gè)細(xì)節(jié)。其中電路部分均采用實(shí)際的硬件，雖然機(jī)械部分精度不高，但是所得到的效果有很好的參考價(jià)值。

使用該模型，通過編程控制制作的柔性成型中模具案例如圖11所示。

圖8 控制系統(tǒng)電路圖

圖9 數(shù)控柔性模具實(shí)體模型

圖10 數(shù)控柔性模具實(shí)體模型三視圖及軸測(cè)圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過本項(xiàng)目的研究，從理論上驗(yàn)證了柔性模具數(shù)字控制的可行性，并制作了實(shí)物模型進(jìn)行分析和測(cè)試，基本達(dá)到了柔性模具的相關(guān)工藝參數(shù)，取得了預(yù)期的效果。隨著電機(jī)產(chǎn)品的訂貨要求越來越個(gè)性化，柔性系統(tǒng)將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

[1] 張慶芳，李明哲，蔡中義.多點(diǎn)數(shù)字化成形技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)，2010(7)：42-44.

[2] 肖冰，曹紅錦，張志明. 國(guó)外金屬板材單點(diǎn)漸進(jìn)成形技術(shù)研究的新進(jìn)展[J]. 精密成形工程，2010(5)：38-40.

[3] 李明哲，崔相吉，鄧玉山. 多點(diǎn)成形技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007(5)：15-18.

[4] 劉純國(guó)，蔡中義，李明哲. 三維曲面鋼板多點(diǎn)數(shù)字化成形技術(shù)[J]，造船技術(shù)，2009(4)：17-19.

圖11 柔性成型模具