朱 俊，何 釧

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學院智能裝備學院，常州 213164；2.常州天安尼康達電器有限公司，常州 213103)

0 引言

推桿是電機與絲杠一體化設(shè)計的模塊化單元，主要用于將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，在自動化辦公桌、多功能護理床中用來升降桌面(床面)，獲得了廣泛的應(yīng)用。推桿由內(nèi)管、中管和外管三節(jié)鋼制方管嵌套裝配而成，內(nèi)管安裝有直線驅(qū)動裝置，電機正反轉(zhuǎn)運動使得三節(jié)方管伸出或者縮回，從而調(diào)節(jié)支撐桌面(床面)的高度。

推桿裝配時先進行內(nèi)管和中管的裝配，再整體壓入外管。內(nèi)管和中管，中管和外管的連接都為過盈連接，因此推桿制造中，需要使用壓裝機。以內(nèi)管壓入中管為例，傳統(tǒng)壓裝機所需壓入力由氣缸提供[1]，一般由經(jīng)驗豐富的工程師憑借其經(jīng)驗確定，缺乏理論依據(jù)。由于未對壓裝力進行定量分析，氣缸的壓裝力也無法精確調(diào)節(jié)，當過盈量偏大，內(nèi)管仍被強行壓入中管，導致不良品流入下一道工序，在后續(xù)的老化工序中電機由于摩擦力過大過載發(fā)熱，造成產(chǎn)品返工。

設(shè)計了一種壓裝機，首先通過有限元分析方法使用ABAQUS軟件完成壓裝過程仿真，得到壓裝力的定量值。將氣缸壓裝升級為伺服壓裝，利用仿真分析的結(jié)果控制壓裝力的大小，當過盈量偏大時，伺服電機能自動停止，有效避免了強行壓入，提前將不良品分揀出來。整機采用PLC控制，觸摸屏顯示，提高了裝配的自動化程度。

1 整體設(shè)計

推桿裝配結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。直線驅(qū)動裝置1安裝在內(nèi)管2中，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺母的直線運動，從而驅(qū)動中管3和外管4沿著軸向伸出或者縮回。第一、第二組滑動片5、6為尼龍薄片，安裝在內(nèi)管2和中管3的管壁上，提供中管沿內(nèi)管管壁伸出縮回時的兩點滑動支撐[2]。推桿伸出縮回時，需要保持其支撐的剛性，因此內(nèi)管外壁尺寸加上滑動片的厚度大于中管內(nèi)壁尺寸，為過盈連接。

1.直線驅(qū)動裝置 2.內(nèi)管 3.中管 4.外管5.第一組滑動片 6.第二組滑動片

完成過盈連接裝配的伺服壓裝機整機采用臥式設(shè)計，便于操作工實時監(jiān)控壓裝過程，如圖2所示。扶緊裝置1上的氣缸和尾部壓緊缸2共同固定內(nèi)管3(包括滑動片)，保證其軸線平行于導軌4。中管10右側(cè)插入推管裝置8的方槽內(nèi)，左側(cè)對接內(nèi)管，推管裝置8在導軌4上做直線運動，完成內(nèi)管壓入中管的過程。伺服電機7通過滾珠絲杠9將電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為推管裝置8的直線運動，通過控制伺服電機扭矩大小控制推管裝置的壓裝力。如圖1所示，壓入至第一組滑動片5時，由于只有一組滑動片參與摩擦，所需的壓裝力小于壓入至第二組滑動片6所需的壓裝力。圖2中行程開關(guān)5的位置對應(yīng)第二組滑動片位置，到達該位置即完成推管裝置壓裝力大小檔位的切換。

1.扶緊裝置 2.尾部壓緊缸 3.內(nèi)管(包括滑動片) 4.導軌 5.行程開關(guān)6.觸摸屏 7.伺服電機 8.推管裝置 9.絲杠 10.中管

2 壓裝過程仿真

壓裝力的計算是壓裝機設(shè)計的首要任務(wù)，是選型所有重要部件的依據(jù)。機械設(shè)計手冊提供壓裝力理論計算方法，但適用于兩個零件之間圓柱面接觸的軸孔過盈配合。此壓裝機的壓裝力克服管壁與兩組滑動片之間摩檫力完成裝配，是內(nèi)管、滑動片和中管三個零件之間的過盈配合關(guān)系，在這種情況下無法使用壓裝力理論計算方法，由于有限元分析方法充分利用計算機強大的計算能力，可以用來求解壓裝力的大小[3-4]。

壓裝力大小與材料的彈性模量、泊松比以及過盈量密切相關(guān)。內(nèi)管和中管材料為Q235，彈性模量200 GPa，泊松比0.25。滑動片材料為尼龍，彈性模量2.83 GPa，泊松比0.4。

Ymax=-0.106-0.086-2×0.02=-0.232 mm

圖3 壓裝過盈量

有限元分析軟件ABAQUS壓裝過程仿真結(jié)果如圖4所示。由于內(nèi)管、中管截面為正方形，利用結(jié)構(gòu)對稱性特點取兩組共16個滑動片中的一個滑動片進行分析，不僅可以合理描述該問題，而且能大大減小計算規(guī)模，因此圖4顯示的是簡化后的模型；根據(jù)實際裝配情況定義接觸和邊界條件，創(chuàng)建零件(兩兩)之間的分析連接，圖4中顯示了中管以及與中管直接接觸的滑動片[5-6]。

圖4 壓裝過程仿真

如圖4所示，由于尼龍的彈性模量遠小于Q235，因此過盈擠壓所產(chǎn)生的應(yīng)力變形主要發(fā)生在滑動片上，且距離接觸點越近，應(yīng)變越大。ABAQUS默認曲線為壓裝力關(guān)于時間的曲線，利用ABAQUS自帶的數(shù)據(jù)處理combine函數(shù)，經(jīng)過處理后得到壓裝力-位移曲線如圖5所示。

圖5 壓裝力-位移曲線

由圖5可知，隨著壓裝位移的深入，壓裝力幾乎成線性增大，這是因為中管與滑動片的接觸面積越大，應(yīng)力所產(chǎn)生的徑向垂直于滑動片的壓力就越大，滑動片施加給中管的摩擦力也就越大。通過ABAQUS軟件的曲線數(shù)值提取工具，1個滑動片壓裝力的最大值為148 N，第一組滑動片共有8個滑動片，壓裝力最大值為1184 N，取1.3倍的安全余量，由此可以得到Fc1=1539 N，此即為第一檔壓裝力大小。壓入至第二組滑動片位置時，共有16只滑動片參與摩擦，忽略位置不同的因素，F(xiàn)c2=2Fc1=3078 N，此即為第二檔壓裝力的大小。

3 伺服電機的選型計算

驅(qū)動推管裝置的機械結(jié)構(gòu)為典型的滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)，推管裝置驅(qū)動力F一部分需要克服導軌的摩擦力，另一部分用來產(chǎn)生壓裝力。計算表達式為：

F=Fc+μ(fg+Fcf)

(1)

式中，F(xiàn)為推管裝置驅(qū)動力；Fc為壓裝力，N；μ為摩擦系數(shù)；fg為鑲條鎖緊力，N；Fcf為由于壓裝力使推管裝置壓向?qū)к壍恼龎毫?，N；Fc=Fc2=3078 N，μ取0.05，fg取500 N，F(xiàn)cf取500 N，由式(1)計算得到F=3128 N。

F由伺服電機扭矩通過滾珠絲杠螺母副轉(zhuǎn)換得到，伺服電機扭矩計算公式為：

(2)

式中，TL為伺服電機負載扭矩，N·m；L為絲杠螺距，m；TC為絲杠螺母、支撐軸承等摩擦轉(zhuǎn)矩折算到電機軸上的轉(zhuǎn)矩，N·m；η為為驅(qū)動系統(tǒng)的效率，%；TC取0.4 N·m，η取0.9，L=0.005 m，F(xiàn)=3128 N計算得到TL2=3.17 N·m，此即為第二檔壓裝力所對應(yīng)的電機扭矩。由于推桿壓裝采用人工上下料，故伺服電機并非連續(xù)工作，可以工作在電機特性曲線的“反復(fù)使用區(qū)域”，結(jié)合壓裝機的這一工況，查找安川伺服電機樣本資料，最終選定的型號是SGMJV-08ADA61，其額定扭矩為3.39 N·m，瞬時最大轉(zhuǎn)矩為8.36 N·m，功率為750 W[7]。

同理，由Fc1=1539 N，計算得到第一檔壓裝力所對應(yīng)的電機扭矩TL1=1.8 N·m。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵在于伺服電機扭矩的控制。伺服驅(qū)動器根據(jù)被控物理量的不同分為3種工作模式——位置模式、速度模式和扭矩模式。當工作在扭矩模式下，伺服電機扭矩連續(xù)可調(diào)。

4.1 硬件選型

伺服電機扭矩大小和方向受指令電壓控制。通過設(shè)定伺服驅(qū)動器的“轉(zhuǎn)矩指令輸入增益”參數(shù)，0～10 V模擬量指令電壓可以控制電機扭矩在0～100%額定轉(zhuǎn)矩之間連續(xù)變化，當負載扭矩大于設(shè)定扭矩時，伺服電機能自動停下，避免強行壓入。通過控制指令電壓的方向，可以控制轉(zhuǎn)矩的方向，從而使得推管裝置能退回到初始位置，以備下一個推桿的壓裝。模擬量指令電壓通過PLC D/A擴展模塊EMAM03輸出，該模塊能輸出-10～+10 V模擬量電壓，分辨率為12位，可以產(chǎn)生兩檔壓裝力和推管裝置退回所需的模擬電壓。

伺服壓裝機屬于典型的時序控制系統(tǒng)，因此選擇可編程邏輯控制器(PLC)作為控制核心，工業(yè)現(xiàn)場使用安全可靠，擴展模塊豐富，與外圍部件連接方便?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖6所示，考慮到輸入輸出點數(shù)的數(shù)量和類型，選定的PLC型號為S7-200 SMART ST40，與擴展模塊EMAM03連接方便，輸入可以連接成漏型或源型，與日系伺服兼容[8]。

圖6 伺服壓裝機控制系統(tǒng)框圖

觸摸屏用于壓裝機參數(shù)設(shè)置、工作狀態(tài)顯示、手動控制等，選型昆侖通態(tài)TPC7062K，配備有以太網(wǎng)接口與PLC的連接較為方便。

4.2 電氣原理圖設(shè)計

如圖7所示為ST40、EMAM03與伺服驅(qū)動器的控制信號連接。EMAM03的模擬量輸出0、0 M輸出極性是正負可調(diào)的，從而控制伺服電機扭矩的方向。壓裝過程中，當過盈量偏大，伺服電機自動停止，通過伺服驅(qū)動器的CN1插槽的TGON信號反饋至PLC的I2.1，將“過盈量偏大”的情況顯示在觸摸屏上，提醒操作工注意[9]。

圖7 PLC與伺服的控制信號連接

4.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的關(guān)鍵在于將正確的數(shù)值傳送至模擬量輸出寄存器，從而可以控制電機扭矩的大小和方向，PLC程序如圖8所示，通過線性轉(zhuǎn)換可得到兩檔電機扭矩TL1、TL2所對應(yīng)的模擬量輸出值。推管裝置退回是空載返回，只需克服導軌摩擦力即可，由于扭矩方向反向，模擬量寄存器中傳送的是負值。為防止推管裝置由于阻力太小移動速度過快造成危險，設(shè)定了伺服驅(qū)動器參數(shù)鉗制伺服電機速度[10]。

圖8 PLC程序設(shè)計

5 結(jié)束語

本文針對推桿裝配老化工序返工率較高的問題，分析原因并提出了將伺服壓裝替代氣缸壓裝的措施。利用有限元分析軟件ABAQUS仿真得出兩檔壓裝力的定量數(shù)值，再通過PLC+D/A擴展模塊+伺服電機扭矩控制的方法實現(xiàn)了兩檔壓裝力的定量控制。

樣機經(jīng)調(diào)試實際運行結(jié)果表明：將推桿老化工序的返工率從5.2%下降至2.1%，基本杜絕了由于“過盈值偏大”所導致的產(chǎn)品返工，提前將不良品從產(chǎn)品線中分揀了出去，同時提高了裝配的自動化程度，為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，在相關(guān)制造類企業(yè)具有一定的推廣價值。