段艷丹,吳艷紅
(西安航天動力試驗技術研究所,陜西 西安 710199)
瓷瓶抗扭檢測是電容器產品質量檢驗的必備環(huán)節(jié),國內均采用人工用力矩扳手檢測的方式,人工檢測有兩大致命的缺點:①工作效率低:人工檢測一件需5分鐘左右,工作效率低;②瓷瓶裝卡困難:由于瓷瓶外形結構的限制,在保護好瓷瓶及表面釉的前提下,人工固定瓷瓶存在很大困難。鑒于人工檢測存在工作效率低、裝卡困難等缺點,電容器行業(yè)迫切需要一種能夠實現(xiàn)瓷瓶抗扭自動檢測的新型設備。
該設備由瓷瓶氣動固定機構、力矩電機加載機構、中心距切換定位機構、機架、懸臂機構、接近開關調節(jié)機構等組成。
圖1 瓷瓶抗扭自動檢測機總圖Fig.1 Porcelain torsion testing machine assembly drawing automatically
圖2 瓷瓶抗扭自動檢測機三維圖Fig.2 3d image of China bottle anti-torsion automatic detection machine
首先調節(jié)固定兩工位的中心距與瓷瓶中心距一致,再將瓷瓶放置在瓷瓶固定機構上,根據工件高度調節(jié)接近開關的位置,將接近開關固定在距瓷瓶上沿20mm處,啟動設備,瓷瓶氣動固定機構自動將瓷瓶底座壓緊,上壓頭自動快速下移,移動到接近開關處,速度下降,瓷瓶螺柱平穩(wěn)導入上壓頭并與上壓頭擰緊,力矩電機加載機構施加力矩完成后,上壓頭自動旋出,瓷瓶固定機構回位,完成瓷瓶抗扭檢測,工人將瓷瓶工件取下。之后檢測同一型號瓷瓶工件,只需將工件放置在工位上,完成檢測后,將工件取下。檢測不同型號瓷瓶工件,重復以上動作。
在設備研發(fā)設計的過程中,需要解決瓷瓶固定技術、純力矩傳遞技術、自動螺栓擰緊技術、快捷精準定位技術、自動斷電鎖緊技術、扭矩采集和運算技術、扭矩控制技術等重大技術問題。
圖3 工作原理圖Fig.3 Work schematic diagram
由于瓷瓶外形結構的限制,為了保護好瓷瓶及表面釉質,采用氣缸壓緊瓷瓶不銹鋼底座的方式固定瓷瓶,且機構整體為立式。壓緊頭設計為中空式可保護瓷瓶底部的釉面及瓷,壓緊頭材質為軟橡膠,即避免了瓷瓶上不銹鋼底座被劃傷,又增加了壓頭與瓷瓶底座的摩擦力,保證瓷瓶底座固定牢固。立式的結構使瓷瓶不與任何外物接觸,杜絕瓷瓶產生摩擦力,保證了檢測的精準性。瓷瓶壓緊頭上的連桿插入氣缸支座的導向孔中,杜絕壓緊頭在壓緊過程中受扭矩作用而旋轉。
該設備需要將電機的輸出力矩分毫不差地傳遞到瓷瓶上,減少或增加力矩都會影響檢測結果的準確性。為了去除力矩傳遞過程中多余的壓力、摩擦力等,設計了扭矩輸出機構,該機構由一個推力球軸承、兩個角接觸軸承、軸芯等組成,該結構使摩擦力和壓力都作用在軸承上,由于軸承滾珠的摩擦系數很小,可忽略不計,這樣就巧妙的消除了力矩傳遞過程多余的壓力、摩擦力等,實現(xiàn)了將力矩電機的輸出力矩直接傳遞到工件上,保證檢測準確性,攻克了純電機輸出力矩傳遞的難題。
瓷瓶抗扭檢測是通過將力矩施加到瓷瓶的螺柱上實現(xiàn)的,所以就必須將壓頭下端設計成螺紋孔,以便和瓷瓶螺柱固定。但是螺柱和螺紋孔在自動旋入上緊的過程中,經常會出現(xiàn)錯位、咬死等現(xiàn)象,通過設計防咬死、防錯位壓頭,實現(xiàn)工件上端螺柱自動導入壓頭,壓頭自動旋轉與工件上端螺柱擰緊,從而將電機的輸出力矩施加到工件上;攻克了螺柱旋入咬死、錯位的難題,實現(xiàn)了螺柱自動旋入并擰緊。
瓷瓶分為單體式和一體式的,一體式是由兩個瓷瓶固定在一起的,且兩瓷瓶中心距尺寸不定,在瓷瓶抗扭檢測過程中,兩套瓷瓶抗扭機構的中心距需根據產品的尺寸調節(jié)。在以往設計的定位機構中,往往是精準和快捷不可兼得,此次通過設計錐孔定位機構,將瓷瓶抗扭機構安裝在導軌上,只需將一套瓷瓶抗扭機構移動到錐孔上方,轉動手輪,導桿會自動導入錐孔,實現(xiàn)快速將兩旋壓機構中心距切換成一體式瓷件兩瓷瓶中心距;攻克了機構定位方便、精準不可兼得的難題,實現(xiàn)了機構定位既方便又精準。
圖4 快捷定位機構結構圖Fig.4 Schematics of quick positioning mechanism
為了提高設備的生產效率,采用氣缸推動上壓頭上下移動,如果用一般的氣路系統(tǒng),當斷電或斷氣時,上壓頭會因重力迅速下墜,造成瓷瓶產品的損害甚至人員傷害。為了保證人員安全和產品完好,設計中泄式空壓誘導止回系統(tǒng),實現(xiàn)斷電壓頭自動鎖死,而不會下墜,保證設備的安全性,攻克了斷電壓頭會因重力迅速下墜,造成危險的難題。
圖5 自動斷電鎖緊氣路圖Fig.5 Automatic power failure lock gas path diagram
通過采用伺服電機速度/扭矩混合控制模式,實現(xiàn)了對電機輸出軸扭矩的控制,克服了以往位置控制模式下,伺服電機過載報警和堵轉問題。
采用西門子PLC模擬量模塊EM232和EM235,實現(xiàn)了伺服電機輸出軸扭矩的采集和運算,克服了采集板卡易受干擾的問題,且與主機CPU有很好的兼容性?;趦r格考慮,應用伺服電機自身模擬量(扭矩)輸入和輸出功能,實現(xiàn)了設備的成本控制,節(jié)省了兩臺扭矩傳感器的使用,節(jié)約成本約16000元。同時實現(xiàn)了設備結構的優(yōu)化,減小了設備的體積。
圖6 模擬量輸出模塊Fig.6 Analog output module
圖7 模擬量輸入模塊Fig.7 Input module of analog quantity
瓷瓶抗扭檢測機的研制,成功的實現(xiàn)了瓷瓶抗扭的自動檢測,檢測一件產品僅需30秒左右,檢測速度提高了20倍,精確度也從之前的70%提高到了99%,極大的提高了工作效率和檢測精度。2017年12月,我公司設計、生產的國內第一臺瓷瓶抗扭檢測機順利通過驗收,并交付客戶使用。該設備的各項指標均滿足客戶要求,目前使用良好。