尹存濤 苗玉剛

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040)

電阻應(yīng)變片是一種粘貼在彈性體的表面，將彈性體的機械變形轉(zhuǎn)換為電信號輸出的敏感元件，廣泛應(yīng)用于應(yīng)力分析、測試計量、稱重/測力傳感器以及各種工程結(jié)構(gòu)強度的診斷與評估等領(lǐng)域[1-2]。由于制作工藝復(fù)雜，電阻應(yīng)變片通常都是整版陣列生產(chǎn)，然后再進行修剪、測試、分類[3]。某企業(yè)現(xiàn)有的做法是人工裁剪，這種修剪方法不僅生產(chǎn)效率低，工人勞動強度大，而且修剪尺寸精度低，同一批次產(chǎn)品的外形尺寸存在較大波動，不利于對產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定控制。為了提高應(yīng)變片的生產(chǎn)質(zhì)量及生產(chǎn)效率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、智能化[4]，該企業(yè)提出了研制一種電阻應(yīng)變片自動修剪設(shè)備的技術(shù)需求。

針對此需求，設(shè)計研究了一種大陣列電阻應(yīng)變片自動修剪設(shè)備。該設(shè)備采用真空吸附技術(shù)固定電阻應(yīng)變片膜片，通過高精度二維伺服滑臺移動定位，使用氣動技術(shù)驅(qū)動超薄刀片進行修剪，結(jié)構(gòu)輕巧，操作簡單，綠色節(jié)能。實現(xiàn)了大陣列電阻應(yīng)變片的自動化、數(shù)字化修剪，有效提高了生產(chǎn)質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，進而提升了企業(yè)的市場競爭力。

1 總體方案設(shè)計

1.1 技術(shù)要求分析

某企業(yè)生產(chǎn)的模型號電阻應(yīng)變片膜片平面圖如圖1所示，整版尺寸規(guī)格為102 mm×115 mm，厚度約為0.08 mm，共分布260個應(yīng)變片。單個應(yīng)變片見圖右上角放大圖，其尺寸為7.4 mm×4.4 mm，陣列為12行×22列，采用焊點相對的排列方式，行、列間距為0.5 mm[5]。

技術(shù)目標(biāo)是將單個應(yīng)變片產(chǎn)品從整版中分離出來，以便后續(xù)檢測分選。技術(shù)要求是：(1)單個應(yīng)變片的尺寸修剪精度為0.10～0.20 mm。(2)修剪效率不低于15 片/h。(3)具有膜片定位功能。(4)具有急停、復(fù)位及報警功能。(5)具有掃條碼識別功能。(6)具有數(shù)據(jù)記錄、查詢功能。

1.2 操作流程

(1)操作人員將電阻應(yīng)變片膜片放置在吸附平臺上定位固定。

(2)膜片固定后，按下啟動按鈕進行自動修剪。

(3)修剪完成后，刀具回原點待機。

(4)自動分選機構(gòu)對修剪的應(yīng)變片進行分選。

(5)分選完成后，吸附平臺回原點待機，進入下一次工作循環(huán)。

1.3 總體方案設(shè)計

在生產(chǎn)后期需要將單個應(yīng)變片產(chǎn)品從整版中分離出來，進行檢測，最后根據(jù)檢測結(jié)果進行分選。目前，某企業(yè)的修剪方法是人工使用剪刀沿著應(yīng)變片單元外邊框?qū)蝹€產(chǎn)品修剪下來，外形尺寸波動較大；對應(yīng)變片的電阻、電壓測量主要依賴人工測試，測試效率低，容易出錯；分選全部是人工分選，效率低，勞動強度大[6]。經(jīng)過與企業(yè)的深入溝通，決定做方案時，整體考慮，即檢測、修剪、分選一體機設(shè)計，前期先做自動修剪部分，以解企業(yè)的燃眉之急。

在方案論證時，通過試驗發(fā)現(xiàn)激光修剪、旋轉(zhuǎn)圓刀片修剪效果都不理想，主要表現(xiàn)在修剪切邊毛刺大，不整齊，老化試驗不合格等，最后發(fā)現(xiàn)采用刀片進行劃片修剪效果較好，各參數(shù)均滿足技術(shù)要求。電阻應(yīng)變片陣列膜片整體厚度0.1 mm左右，尺寸小，重量輕，不能彎折，定位固定、修剪難度較大，考慮到經(jīng)濟性、實用性，選擇二維線性機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。陣列膜片固定采用真空吸附裝置，刀具先X方向修剪，然后旋轉(zhuǎn)90°Y方向修剪，X、Y方向上的移動定位使用高精度二維伺服滑臺。整體方案主要包括自動檢測裝置、自動修剪裝置、自動分選裝置和工控機控制系統(tǒng)，其中自動修剪裝置主要包括機架、電阻應(yīng)變片定位、固定裝置和刀具機構(gòu)。運用SolidWorks對整體方案進行三維設(shè)計，結(jié)果如圖2所示。

2 主要零部件設(shè)計選型

2.1 真空吸附裝置

真空吸附裝置主要有上端蓋、密封墊、下腔體構(gòu)成[7]，其正視圖和俯視圖如圖3所示。下腔體采用鋁合金板材銑削加工，底面厚6 mm，四周壁厚10 mm，在四周棱臺上加工有M5的螺紋孔，一個側(cè)面加工有Rp1/4管螺紋孔，用于連接氣動接頭。上端蓋采用鋁合金板材加工，厚度3 mm，上平面上加工有安裝孔、陣列圓形吸附孔和陣列溝槽，并且在平面的4個角上刻有參考定位線。陣列吸附孔直徑為0.1 mm，采用激光加工，主要用于對應(yīng)變片膜片進行吸附固定，平均每個應(yīng)變片單元對應(yīng)4個吸附孔；溝槽寬0.3～0.5 mm，深0.6 mm，采用線切割加工，主要用于自動修剪時刀片走刀，陣列為13行×23列；上端蓋工作平面采用銑削+拋光的加工方法，表面粗糙度Ra0.05 μm左右，主要是為了電阻應(yīng)變片膜片能和吸附表面緊密貼合，吸附牢靠，不漏氣。

2.2 刀具裝置設(shè)計

(1)刀片選擇

刀片主要用于片膜片的分切，選擇德國魯茨LUTZ三孔刀片，其尺寸為43 mm×22 mm×0.1 mm，刀刃表面涂有硬質(zhì)涂層，使用壽命長，切削無毛刺，廣泛應(yīng)用于工業(yè)塑膠、薄膜、鋁箔、膠帶、紙張等高速分切。

(2)刀片移動機構(gòu)

刀片移動機構(gòu)主要是驅(qū)動刀片快速移動，實現(xiàn)應(yīng)變片膜片的劃切，選擇費斯托FESTO公司生產(chǎn)的無桿氣缸，其型號為DGC-12-200-KF-P-A，采用循環(huán)滾珠軸承導(dǎo)軌，有效行程200 mm，最大移動速度1.2 m/s，重復(fù)精度0.02 mm，理論推力68 N。

(3)刀具旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

刀具旋轉(zhuǎn)機構(gòu)主要實現(xiàn)刀具裝置的上、下移動和90°旋轉(zhuǎn)運動，采用費斯托FESTO公司的擺動/直線氣缸，其型號為SL-25-80-270-P-A-S2-KF-B，直線行程80 mm，最大擺角270°，擺動重復(fù)精度0.1°，可精確設(shè)定擺角，安裝方便，定位精度高[8]。

(4)刀具裝置設(shè)計

刀具裝置如圖4所示，主要有安裝板、定位板、無桿氣缸、刀片夾板、壓板、壓板導(dǎo)向桿、調(diào)節(jié)彈簧等構(gòu)成[9]。應(yīng)變片單元的間隙為0.5 mm，要保證修剪精度，刀片的安裝精度要求較高，主要有刀片和吸附平臺的垂直度以及和氣缸滑臺平面的平行度，為了補償安裝誤差和系統(tǒng)誤差，刀片必須設(shè)計成活動可調(diào)的。刀片的安裝角度、上下位置及前后位置都可活動調(diào)節(jié)，在刀片安裝板的一側(cè)加工有均分分布的刻度線，在刀片安裝軸的一端加工有定位線，通過定位線和刻度線的位置，調(diào)整刀片的安裝角度；刀片的上下位置通過刀片安裝板的U型槽調(diào)節(jié)；在刀片安裝軸和刀片安裝板之間裝有碟形彈簧，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊力調(diào)節(jié)刀片的前后位置。

膜片在X方向修剪完成后，是一條一條分開的，這時吸附固定不牢靠，在Y方向修剪時，由于刀片的剪切力的作用，條形膜片的位置會發(fā)生變動，為此設(shè)計了壓板，在壓板中間開設(shè)有走刀槽，壓板和定位豎板彈性連接，并配有導(dǎo)向桿導(dǎo)向，當(dāng)?shù)毒哐b置向下運動時，壓板和膜片接觸，并通過壓縮彈簧將膜片壓緊，通過彈簧作用可以調(diào)節(jié)壓緊力大小，以便壓板平面和膜片充分接觸。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)電阻應(yīng)變片的加工技術(shù)要求，為了對其修剪質(zhì)量進行控制與追蹤，要求控制系統(tǒng)具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)的記錄存儲與實時查詢功能，單片機和PLC控制系統(tǒng)很難滿足這一功能要求[10]。因此，本文采用以工控機+多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件平臺，以LabVIEW為程序開發(fā)環(huán)境的控制系統(tǒng)方案。整個控制系統(tǒng)主要由上位工控機、多功能數(shù)據(jù)采集卡、執(zhí)行元件(伺服驅(qū)動器、伺服電動機、氣缸、真空吸附臺)、控制檢測元件(電磁閥、真空閥、光柵尺、限位開關(guān)、磁感應(yīng)開關(guān))以及通訊線纜等組成，其控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

伺服電動機采用位置控制模式，通過控制脈沖的數(shù)量、頻率和方向信號，來控制伺服電動機的運行狀態(tài)[11]，進而控制伺服滑臺在X和Y方向上的位置?？刂扑欧妱訖C的脈沖信號需要一定的功率，多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221發(fā)出的脈沖信號驅(qū)動能力不足，導(dǎo)致信號失真，無法精確控制，因此通過輸出放大板對信號進行放大。工控機通過數(shù)據(jù)采集卡、光電隔離輸出放大板、伺服驅(qū)動器實現(xiàn)對伺服電動機進行脈沖控制，伺服電機通過驅(qū)動滾珠絲杠實現(xiàn)滑臺在X和Y方向上的運動，滑臺運動位移通過光柵尺傳感器實時測量反饋，數(shù)據(jù)采集卡通過高速計數(shù)器端口實時讀取光柵尺脈沖信號并傳送給工控機[12]。工控機根據(jù)位移設(shè)定值與實際反饋值之間的偏差調(diào)整伺服電機的運行狀態(tài)，從而形成一個穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

為了防止伺服滑臺越位，在滑臺的前后、左右兩端安裝有電感式接近開關(guān)；磁感應(yīng)開關(guān)用于檢測無桿氣缸和擺動/直線氣缸活塞的位置；控制按鈕用來實現(xiàn)起動、停止、復(fù)位和急停功能；氣動電磁閥用于控制氣缸的運行狀態(tài)；真空電磁閥用于控制真空吸附裝置真空的產(chǎn)生和斷開。開關(guān)、按鈕及電磁閥屬于數(shù)字I/O信號，工作電壓為DC 24 V，數(shù)據(jù)采集卡輸入/輸出電壓為DC ±10 V，因此需要信號調(diào)理電路和信號放大電路進行調(diào)節(jié)適配。

自動修剪裝置工作時，首先上位工控機發(fā)送控制指令到數(shù)據(jù)采集卡，通過伺服驅(qū)動器來控制伺服電動機的運轉(zhuǎn)，通過電磁閥來控制氣缸和真空吸附裝置實現(xiàn)刀具的動作和膜片的固定，并將滑臺移動位置和氣缸的狀態(tài)實時反饋回工控機，最終實現(xiàn)各個執(zhí)行機構(gòu)動作的精確匹配，完成膜片的修剪。

4 樣機研制及試驗

4.1 樣機研制

大陣列電阻應(yīng)變片自動修剪裝置主要有機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)及氣壓系統(tǒng)組成。結(jié)構(gòu)部分主要采用標(biāo)準(zhǔn)件和自行設(shè)計加工，人機交互界面及控制程序采用Lab view軟件進行設(shè)計開發(fā)，氣壓系統(tǒng)的氣源采用空壓機供給，真空采用真空發(fā)生器產(chǎn)生。對整機進行組裝、調(diào)試，研制的試驗樣機如圖6所示。其主要設(shè)計參數(shù)為：工作電壓AC 220V；工作氣壓0.7 MPa；外形尺寸：980 mm×550 mm×600 mm；整機重量75 kg。

4.2 試驗及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)電阻應(yīng)變片的檢測工藝要求，合格的修剪應(yīng)變片應(yīng)尺寸外形滿足技術(shù)要求，剪切面光滑整齊，毛刺高度在許可范圍內(nèi)。因此應(yīng)變片修剪完成后，要進行尺寸精度檢測及老化試驗，影響其老化的因素之一是修剪的質(zhì)量，即切割邊沿的毛刺及整齊度。對10張應(yīng)變片膜片進行切割試驗，從2 600個修剪好的應(yīng)變片中隨機抽取100個樣品進行檢測，外形尺寸使用螺旋測微器進行檢測，修剪質(zhì)量通過讀數(shù)顯微鏡進行觀察測量，部分試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 部分應(yīng)變片的修剪試驗數(shù)據(jù)

應(yīng)變片編號12345678910尺寸偏差/mm+0.15+0.15-0.17-0.16+0.15+0.18-0.16+0.16-0.19-0.17毛刺高度/μm37353736363937363938邊沿凹凸μm-30-29-33+31+31-33-32+29-35-33

試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，修剪的應(yīng)變片外形尺寸偏差均在技術(shù)要求范圍內(nèi)，且偏差平均值為0.16 mm。自動修剪設(shè)備主要是由手工裝配，有些部件是靠裝配人員的經(jīng)驗來完成，每一臺設(shè)備在裝配的過程中都有不可控的機械裝配特性和誤差[14]，影響外形尺寸精度的因素主要有刀片的平行度、垂直度、吸附平臺的平整度以及伺服滑臺的運動精度等，可以通過控制算法對尺寸偏差進行補償，以進一步提高修剪精度。

從試驗數(shù)據(jù)分析來看，應(yīng)變片的修剪質(zhì)量在可接受范圍內(nèi)，但修剪質(zhì)量還有進一步提升的空間，影響修剪質(zhì)量的主要因素有刀片剪切角、剪切速度、走刀槽寬度以及壓板的壓力等。正交試驗設(shè)計是一種解決多因素問題的有效方法，相比全面試驗，它可以減少試驗次數(shù)，縮短試驗的周期，能獲得反映全面情況的實驗資料，找出影響因素的最優(yōu)水平組合[15]。因此可以通過正交試驗設(shè)計的分析結(jié)果，找出剪切角、剪切速度、走刀槽寬度以及壓板壓力的最優(yōu)水平組合，從而進一步提高修剪質(zhì)量。

5 結(jié)語

根據(jù)某企業(yè)大陣列電阻應(yīng)變片的修剪現(xiàn)狀和技術(shù)需求，利用機械制造技術(shù)、閉環(huán)控制技術(shù)和氣壓傳動與控制技術(shù)設(shè)計研發(fā)一臺應(yīng)變片自動修剪設(shè)備。經(jīng)過一段時間的運行測試，該設(shè)備的各項參數(shù)均滿足技術(shù)要求，性能可靠穩(wěn)定，操作簡單易懂，能有效提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度。

目前該設(shè)備已投入企業(yè)試運行，并且申請了知識產(chǎn)權(quán)保護(ZL201511030434.7)。隨著工業(yè)4.0時代的到來，智能制造技術(shù)、機器視覺技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，如何將這些新技術(shù)新工藝運用到該設(shè)備上，進一步提高修剪質(zhì)量、修剪速度和定位方法，是課題組下一步的研究計劃。

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