肖石輝 王建生

（五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門529020）

0 引言

壓裝機是壓力機的一種，壓力機是一種通用性很強的機械加工裝備，廣泛應(yīng)用于切斷、沖孔、落料、彎曲、鉚合和成型等工藝。不同于壓力機所具有的廣泛通用性，壓裝機側(cè)重于過盈配合的壓力裝配［1］。目前國內(nèi)各個機械加工生產(chǎn)領(lǐng)域所使用的壓裝機大都是液壓壓裝機。液壓系統(tǒng)易于獲得很大的力和轉(zhuǎn)矩，容易實現(xiàn)，控制也較簡單，噪聲很小，很適合應(yīng)用在通常需要很大壓裝力的過盈裝配場合。但液壓壓裝機所采用的液壓系統(tǒng)都是液壓傳動系統(tǒng)，壓裝的控制精度比較低，很難滿足某些需要精確定位的零件的壓裝要求，而且液壓系統(tǒng)的油液泄漏很容易污染周圍環(huán)境，不適合應(yīng)用在某些對環(huán)境潔凈度有較高要求的場合[2-3]。氣壓壓裝機不會污染周圍環(huán)境，但其提供的壓裝力較小，只應(yīng)用在少數(shù)輕型過盈裝配的場合。在機械加工領(lǐng)域自動化程度越來越高的今天，手動杠桿式壓裝機的應(yīng)用已很少。螺旋式壓裝機采用螺旋機構(gòu)產(chǎn)生壓頭的往復(fù)直線運動，它雖然不像液壓壓裝機那樣易于產(chǎn)生很大的壓裝力，但其易于實現(xiàn)壓裝位移的精確控制。螺旋式壓裝機之所以能實現(xiàn)壓裝位移的精確控制，主要是因為其采用可進行精確控制的步進電機甚至伺服電機作為原動機，采用精密滾珠絲杠作為運動轉(zhuǎn)換裝置[4]。本課題設(shè)計了一款中高端伺服壓力智能壓裝機，具有精度高、穩(wěn)定性好、快速高效、功能全面和清潔節(jié)能等特點。

1 智能壓裝機的研究背景及機械方案

1.1 智能壓裝機的研究背景

根據(jù)工廠中流水線的實際生產(chǎn)需要，一般情況下，都需要上下料機構(gòu)實現(xiàn)對零件的抓取、輸送和檢測等工藝，因此，在制定壓裝機方案時要預(yù)留足夠的空間以便這些配套機構(gòu)的設(shè)計。本項目中，在生產(chǎn)制造壓裝機樣機的時候選擇輕型臺座L型進行設(shè)計，整機最后設(shè)計樣式為C型或G型。鑒于目標市場是3C行業(yè)微小零部件的裝配場合，提出了一種C型樣式設(shè)計方案。

該方案應(yīng)用于各種零部件產(chǎn)品的壓裝、裝配，金屬、非金屬零件的壓印、成型及壓力裝配等領(lǐng)域。在本方案中主要應(yīng)用于襯板自動組裝機項目。

1.2 智能壓裝機的機械方案

智能壓裝機主要由智能壓力控制系統(tǒng)、智能驅(qū)動器、伺服電機、電缸、壓力輔助設(shè)備和機體組成。智能壓力控制系統(tǒng)是一個集工業(yè)PC、運動控制、伺服驅(qū)動、上下料機械手和機器視覺為一體的系統(tǒng)，能夠滿足各種壓力設(shè)備對壓力閉環(huán)、速度和位置閉環(huán)精確控制的需求，伺服電機帶動電缸進行精確驅(qū)動控制。

智能壓裝機的設(shè)計方案有如下幾點：

1.2.1 外形結(jié)構(gòu)

整機最后設(shè)計樣式為C型，其外觀設(shè)計樣式如圖1所示。

1.2.2 設(shè)計參數(shù)

設(shè)計參數(shù)如表1所示。

1.2.3 結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

智能壓裝機結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖1 智能壓裝機的樣式圖

表1 智能壓裝機的參數(shù)設(shè)定

表2 智能壓裝機的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2.4 工人控制形式

工人控制方式即工人如何操作控制智能壓裝機，工人控制方式的選擇與設(shè)備使用場合、上下料方式和零件規(guī)格等有關(guān)。典型的工人控制形式如下：

（1）按鈕開關(guān)。雙按鈕開關(guān)控制機器運行，適用于單機，無上下料機構(gòu)，且待壓裝元件尺寸較小的場合。

（2）腳踩開關(guān)。單腳踩控制機器運行，適用于待壓裝元件尺寸較大，遠遠大于工作臺，需工人雙手扶持元件才能實現(xiàn)壓裝作業(yè)的場合。

（3）觸摸屏控制。用觸摸屏控制機器運行，適用于自動壓裝作業(yè)場合，有完整的上下料機構(gòu)，可以實現(xiàn)自動化作業(yè)。

1.2.5 顯示設(shè)備

顯示設(shè)備安裝位置也是設(shè)計方案中比較重要的一環(huán)，單機或工作站式的壓裝機應(yīng)用都會影響顯示設(shè)備的安裝位置。下面列舉了幾種顯示設(shè)備安裝形式：

（1）觸摸屏在正前方。適用于單機應(yīng)用場合。

（2）觸摸屏在側(cè)面。安裝形式為外掛可旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)可嵌入機身，適用于單機應(yīng)用場合，也適用于有外接上下料機構(gòu)的場合。

（3）手持盒。采用手持盒顯示方式，懸掛位置可在正前方，也可在側(cè)面，適用于需要人移動去控制設(shè)備的場合。

1.2.6 電氣安裝位置

電氣元件除了控制開關(guān)類必須安裝在機身外側(cè)外，其余的電氣元件都安裝在機身內(nèi)部。智能壓裝機可安裝的電氣區(qū)域有機身下部前方區(qū)域和機身后面整個區(qū)域，機身后面區(qū)域又可分為三個部分，分別為下部、中柱和上部。詳細的電氣方案如下：

（1）機身下部前方。此部位安裝不是太重要的電氣元件。

（2）機身下部后方。此部位安裝項目中所需的重要電氣元件，例如控制器、工控機、驅(qū)動器等。

（3）機身中柱。此部位主要用來走線。

（4）機身上部后方。此部位主要用來安裝不重要的電氣元件，例如擴展I/O，也可用來安裝驅(qū)動器。

電氣安裝方案影響機械設(shè)計方案，在機械設(shè)計方案中，在設(shè)計智能壓裝機外形時需在機身后面和機身下部前面加電氣柜門。

1.2.7 電缸初步參數(shù)選型

電缸初步參數(shù)如表3所示。

表3 電缸選型參數(shù)

2 智能壓裝機的運動控制方案

智能壓裝機有單機和上下料機構(gòu)配合兩類使用場合，單機應(yīng)用場合下只需要一個軸就可以滿足設(shè)備的正常使用，采用固高控制器GTSD12[5]即可滿足需求；有上下料機構(gòu)配合應(yīng)用場合下就需要去擴展軸，在上下料機構(gòu)不復(fù)雜的情況，一般擴展8個軸即可滿足需求，在方案中，我們按擴展8個軸去設(shè)計，由于GTSD12不可以擴展軸，而GTSD13[6]或GTSD14[7]能擴展幾個軸不太確定，所以，提出了兩種運控與電氣方案，分別為驅(qū)控一體機方案和非驅(qū)控一體機方案。

2.1 驅(qū)控一體

驅(qū)控一體方案適合智能壓裝機以單機形式應(yīng)用。運控設(shè)備拓撲圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)控一體拓撲圖

2.2 非驅(qū)控一體

非驅(qū)控一體方案適合智能壓裝機配合上下料機構(gòu)一起使用。采用嵌入式多軸運動控制器，其運控設(shè)備拓撲圖如圖3所示。

圖3 非驅(qū)控一體拓撲圖

3 智能壓裝機較其他壓裝機的優(yōu)勢

智能壓裝機較其他壓裝機有以下五大優(yōu)勢：

3.1 精確的壓力與位移控制

智能壓裝機中的智能壓力系統(tǒng)設(shè)計有專用的壓力控制器算法，通過外部的壓力傳感器實現(xiàn)壓力全閉環(huán)控制，相較于傳統(tǒng)油壓機精度更高，在壓力全閉環(huán)模式下，壓力精度可以達到0.5 %F.S.，相較于PLC控制的壓裝機效果更優(yōu)，壓力量程內(nèi)任意點定位精度可達±0.01 mm。智能壓裝機還不需要設(shè)計精密工裝和硬限位，智能壓力系統(tǒng)中設(shè)計有專用自動補償算法，可以實現(xiàn)壓裝過程中位移的自動補償，實現(xiàn)油壓機無法實現(xiàn)的壓裝控制。在智能壓力系統(tǒng)中還可以任意設(shè)置保壓時間，可以更好地實現(xiàn)零件的壓裝作業(yè)，在保壓時間內(nèi)定位精度更高。

3.2 多樣的質(zhì)量檢測模式

智能壓裝機中的智能壓力控制系統(tǒng)提供三種檢測方式：點檢測、包絡(luò)線檢測和窗口檢測（個數(shù)可擴展），在每種檢測模式下都包含位置檢測模式和壓力檢測模式。多種質(zhì)量檢測模式可以在作業(yè)過程中的任意階段自動判斷不良品，100%實時去除不良品。質(zhì)量檢測模式中還可以進行生產(chǎn)報表、良次品統(tǒng)計，這些數(shù)據(jù)還可以拷貝出來方便企業(yè)進行生產(chǎn)優(yōu)化分析，對提高企業(yè)生產(chǎn)效率有很大的幫助，這些數(shù)據(jù)還可以接入企業(yè)ERP系統(tǒng)中。這些功能都是普通壓裝機無法提供的。

3.3 多種壓裝模式可供選擇

智能壓力系統(tǒng)中提供了多種壓裝模式供客戶選擇，不同的壓裝模式應(yīng)用在不同的場合下，對壓裝作業(yè)過程進行優(yōu)化。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速的位置控制、壓力控制模式切換，壓力傳感器通過模擬量通道直接反饋到智能驅(qū)動器，通過DSP芯片采集和處理，處理周期為125 μs，因此，在探測階段轉(zhuǎn)壓裝階段時，能夠保證接觸點的準確性和一致性。系統(tǒng)還能夠針對客戶現(xiàn)場的實際壓裝工況，設(shè)置二次壓裝模式，以滿足客戶的實際生產(chǎn)需要。

3.4 實時壓裝曲線

通過示波器能觀測到豐富的數(shù)據(jù)動態(tài)曲線，為在壓裝過程中分析產(chǎn)品的力—位變化以及伺服壓機本身的控制性能提供了更直觀的數(shù)據(jù)憑證（PLC一般只有時間軸示波器，而且觀察的曲線條數(shù)和顯示的數(shù)據(jù)點都有限）。

3.5 產(chǎn)品加工數(shù)據(jù)可追溯

智能壓力系統(tǒng)中提供掃描槍掃描功能，通過TCP/IP或者串口通信把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。通過掃描槍自動掃描待壓裝零件上的二維碼并實時上傳至公司ERP系統(tǒng)或者服務(wù)器上，每個零件都有自身唯一的標識碼，這樣就可以實現(xiàn)零件在整個生命周期內(nèi)加工數(shù)據(jù)可追溯，零件在其生命周期內(nèi)出任何問題都可以追溯到零件的加工時間、批次和加工設(shè)備等信息。

4 結(jié)語

現(xiàn)有壓裝機或多或少地存在缺陷，而智能壓裝機能夠很好地彌補這些缺陷，真正做到壓力可控、精度高、穩(wěn)定性好、快速高效、功能全面和清潔節(jié)能等，能夠靈活地適應(yīng)各種壓裝場合，是一款值得借鑒與推廣的設(shè)備。