姚海濱，張曉波，郭　斌，朱亞東

(1.揚州職業(yè)大學機械工程學院，江蘇揚州　225012)(2.揚州核威碟形彈簧制造有限公司，江蘇揚州　225008)

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碟簧強壓機的分析與設計

姚海濱1，張曉波1，郭斌2，朱亞東1

(1.揚州職業(yè)大學機械工程學院，江蘇揚州225012)
(2.揚州核威碟形彈簧制造有限公司，江蘇揚州225008)

摘要:敘述了碟簧強壓機的結構、工作原理及工作過程，并利用觸摸屏、PLC、伺服放大器、伺服電機、氣動元件等器件設計出碟簧強壓機的自動控制系統(tǒng)，能切實有效地控制碟簧強壓機按照設計的要求進行工作。與目前大多數(shù)企業(yè)所用的相關設備相比，該碟簧強壓機有效結合了觸摸屏、PLC等器件，實現(xiàn)了碟簧強壓機的自動化，提高了產(chǎn)品疲勞強度和生產(chǎn)效率，解決了因人工操作而難以進行過程控制的難題，可以滿足實際生產(chǎn)需要，具有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。

關鍵詞:碟簧;強壓機;觸摸屏;可編程邏輯控制器

彈簧強壓處理是將熱處理后的彈簧壓縮到工作極限載荷下的高度，一次或多次短暫壓縮至彈簧材料表層產(chǎn)生有益的、與工作應力反向的殘余壓應力，以達到穩(wěn)定彈簧幾何尺寸、提高疲勞壽命為主要目的的一種工藝方法。國內在20世紀90年代開始對彈簧強壓處理的原理和工藝進行研究，多數(shù)廠家采用液壓壓力機進行強壓，生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)效率低下，且強壓過程中，強壓次數(shù)均由人工操作，難以進行過程控制，出廠的彈簧質量不穩(wěn)定。到目前為止，對于形狀與要求特殊的碟形彈簧，國內尚未見有專用的強壓設備。

碟簧強壓機設備的研制正是為了解決上述問題。該設備既可通過改變產(chǎn)品的預應力來提高碟形彈簧的質量，又能降低工人勞動強度，提高強壓處理的生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造明顯效益。

1　碟簧強壓機結構分析

碟簧強壓機設備研發(fā)屬創(chuàng)新設計，結合產(chǎn)品的功能特點，該設備采用立式5層總體結構(如圖1所示)。

第一層為氣缸及支架裝置組成的氣壓機構。

第二層為由發(fā)明專利部件“增壓裝置”所組成的快換強壓機構。

第三層為壓定機構。

第四層為分度旋轉機構。

圖1　強壓機總體結構

第五層為支撐部件，內置電氣伺服控制系統(tǒng)。

碟簧強壓機設備采用0.5～0.7MPa氣缸，活塞通過專用壓頭(隨碟簧直徑不同可更換結構)對碟簧強壓，強壓行程可根據(jù)碟簧要求由壓頭、襯套、心軸配套實現(xiàn)(模塊化) ;氣缸工作壓力在0.3～0.7MPa范圍內可調，手動/電磁控制;氣缸安裝機架上，可按兩種規(guī)格(250 (5 490N max)，320 (14 060N max) )的實際需要，進行模塊化安裝和調整;壓定裝置與工作臺、氣缸機架的模塊化可調整式設計。

碟簧強壓機結構框圖如圖2所示。

2　碟簧強壓機的工作原理及工作過程

為減少操作人員對強壓過程的影響，提高設備的自動化率，本設備采用單片強壓的設計方案，其機構基本結構如圖3所示。其中，1，2號工位為上料工位，3～7號為5次強壓的工作工位，8號工位為落料工位。

圖2　碟簧強壓機結構框圖

圖3　單片強壓機構

由操作人員將單片待壓碟簧放置于1(或2)號工位中(如圖3所示)，伺服電機驅動，分度盤逆時針轉45°，工件即被轉至強壓工位，繼而氣壓系統(tǒng)工作，驅動強壓部件完成一次強壓動作;分度盤繼續(xù)轉動，進入下一工位的強壓，以此類推。碟簧于7號工位上完成第5次強壓，當分度盤繼續(xù)轉過45°時，被強壓5次后碟簧即從8號工位自動落料，同時可以通過計數(shù)器實現(xiàn)自動計數(shù)，以獲得相應的數(shù)據(jù)。

由此可見，碟簧強壓機設備工作過程如下:

1)人工分檢碟簧放置于旋轉工作臺的定準孔內;

2)工作臺旋轉45°至工作位置;

3)氣缸通過壓頭下壓碟簧(停留時間可設置) ;

4)氣缸壓頭復位;

5)重復步驟1)～4)完成循環(huán);

6)工作臺旋轉至空工位落下碟簧。

3　碟簧強壓機控制系統(tǒng)的設計

3.1控制系統(tǒng)框圖

碟簧強壓機的自動控制系統(tǒng)主要利用觸摸屏、PLC、伺服放大器、伺服電機、氣動元件等器件進行設計，能切實有效地控制碟簧強壓機按照設計的要求進行工作?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4　控制系統(tǒng)框圖

3.2觸摸屏設計

觸摸屏是通過觸摸式工業(yè)顯示器和機器連為一體的智能化設備。它是通過外部物體接觸面板上的按鈕開關或參數(shù)設置來完成工藝流程的控制，面板上的操作內容可以人為地通過編程軟件來進行編輯，同時可以把完成的工藝狀態(tài)顯示在觸摸屏上，因此它既是一個輸入設備，又是一個輸出設備，其操作靈活，功能強大［2］。PLC系統(tǒng)只需通過信號傳輸線即可與觸摸屏連接起來，實現(xiàn)資源的有機整合。因該機床電氣系統(tǒng)簡單，對人機界面無特殊要求，考慮到可靠性與經(jīng)濟性，選用了威倫MT8100iE型觸摸屏。

在配套軟件EasyBuilder8000中設計如下功能界面:自動運行、手動運行、回零操作、生產(chǎn)日志、調試維修、故障診斷等。

3.3 PLC的設計

1) PLC的選型及地址分配。

在估出被控對象所需的I/O點數(shù)后，考慮留有20%～25%的余量，就可確定所選PLC的型號［3］。

本設計中需要和PLC輸入端子相連接的輸入點有13個，需要和PLC輸出端子相連接的輸出點有10個，具體I/O地址分配參見表1。考慮到以后其他擴展功能的實現(xiàn)，本設計通過I/O點數(shù)的比較及功能要求，初步選用FX1N－40MT型PLC。

2) PLC軟件設計。

碟簧強壓機的PLC程序較為復雜，需按照圖5所示的程序總框圖來進行設計。主要從功能子程序(伺服電機試運行程序，相對、絕對位置運行程序，回編碼器零點程序，當前值讀取程序等)著手，逐步完善。

3.4伺服系統(tǒng)設計

從電機轉子到工作臺之間是減速比為2的單級齒輪傳動機構。當工作臺回零之后，只需讓電機旋轉90°即可實現(xiàn)工作臺旋轉至下一個工位。本系統(tǒng)的控制模式為位置控制，根據(jù)負載的性質(如水平還是垂直負載等)、轉矩、慣量、轉速、精度、加減速等要求，同時考慮到以后可能會將系統(tǒng)改進為閉環(huán)系統(tǒng)，因此本設計中選用三菱HF－SP102伺服電機，以及與之相配套的MRJ3－100A伺服放大器。

表1　I/O地址分配表

MRJ3－100A三菱伺服放大器具有USB和RS422串行通訊功能，通過安裝有伺服設置軟件MR－configurator的個人計算機就能進行參數(shù)設定、狀態(tài)顯示監(jiān)控和增益調整等操作［4］。

位置控制模式時，只要設置主要基本設定參數(shù)就可以使用伺服放大器。

3.5氣動系統(tǒng)的設計

因為與液壓系統(tǒng)相比，氣動系統(tǒng)動作迅速、方便，成本較低，在極端溫度情況下也能可靠工作，清潔無污染，故托舉系統(tǒng)采用氣動托舉的方式較為合適［5］。

氣動系統(tǒng)的電控原理圖如圖6所示。氣動系統(tǒng)的工作過程:繼電器KA1先得電，繼而電磁閥1DT得電，大氣缸的活塞是下壓工作;繼電器KA2得電，繼電器KA1失電，繼而電磁閥1DT失電、電磁閥2DT得電，小氣缸抬升工作。

4　碟簧強壓機電氣控制系統(tǒng)的調試

碟簧強壓機電氣控制系統(tǒng)調試流程圖如圖7所示，按該流程圖逐步調試直至完成。

圖7　碟簧強壓機電氣控制系統(tǒng)調試流程圖

5　結束語

本文所設計的碟簧強壓機有效地結合了觸摸屏、PLC、伺服放大器、伺服電機、氣動元件等器件，實現(xiàn)了產(chǎn)品的自動化，并且工作臺運行平穩(wěn)，精度較高，提高了蝶形彈簧的質量及強壓處理的工作效率，滿足廠家提出的設計要求。產(chǎn)品已獲得實用新型專利(專利號: ZL 2013 2 0156623.9)。

該碟簧強壓機還存在著一些不足之處，有待作進一步研究。如選用差動輸入方式的PLC接受編碼器反饋信息，以形成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。另外該碟簧強壓機目前仍需通過人工進行上料，下一步工作可以進一步配制振動式上料機來完成自動上料，從而進一步降低工人的勞動強度，提高生產(chǎn)率。

參考文獻:

［1］程光明，曾平，于國飛，等.彈簧強壓處理設備研制［J］.摩托車技術，1998(8) :12－13.

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［5］陳大成.關于液壓與氣動伺服系統(tǒng)的研究［J］.科技信息，2011(18) :612－613.

Analysis and design of disc spring compression machine

YAO Haibin，ZHANG Xiaobo，GUO Bin，ZHU Ya－dong
(1.School of Mechanical Engineering，Yangzhou Polytechnic College，Jiangsu Yangzhou，225009，China) (2.Yangzhou Hewei Disc Spring Manufacturing Co.，Ltd.，Jiangsu Yangzhou，225008，China)

Abstract:It introduces the structure of the disc spring compression machine，working principle and working process.Using touch screen，PLC，servo amplifier，servo motors，pneumatic components and other devices，it designs the automatic control system of the disc spring compression machine，which can work effectively in accordance with the design requirements.Compared with the current related equipment used in most companies，the disc spring compression machine effectively combines the touch screen，PLC and other devices，realizes the disc spring compression machine automation.This improves the fatigue strength and production efficiency，and reduces the workers＇labor intensity during extreme pressure，satisfies the actual production needs，has good industrial prospect.

Key words:disc spring; compression machine; touch screen; PLC

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.011

作者簡介:姚海濱(1965—)，男，江蘇揚州人，揚州職業(yè)大學副教授，工程碩士，主要從事機械設計與制造方面的研究。

收稿日期:2015－03－20

中圖分類號:TP212.1

文獻標志碼:A

文章編號:2095－509X(2015) 06－0045－04