劉 盼，趙金庫(kù)，樸春華

（1.上海智能制造功能平臺(tái)有限公司，上海 201306；2.黑龍江北方工具有限公司，黑龍江 牡丹江 157000）

壓裝裝配是機(jī)械制造裝配生產(chǎn)線(xiàn)上重要的工藝環(huán)節(jié)，是需要使用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)備將合格的零部件進(jìn)行配合和連接的過(guò)程。隨著鋼鐵、有色冶金、航空航天、鐵路高速機(jī)車(chē)、船舶、核電、風(fēng)電和軍工等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)零部件裝配質(zhì)量、設(shè)備節(jié)能化及精密化要求越來(lái)越高[1]，目前國(guó)內(nèi)壓裝設(shè)備主要有傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元、液壓式壓裝單元以及伺服電機(jī)壓裝單元，不同驅(qū)動(dòng)方式，工作時(shí)其速度和壓力控制也不相同。

本文就上述提及的不同驅(qū)動(dòng)方式下壓裝單元的動(dòng)力學(xué)特征和功率消耗以及經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行了分析和比較，并對(duì)各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)行了討論，以供相關(guān)人員參考和借鑒。

1 傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元

傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元主要是通過(guò)曲柄滑塊單元將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊的直線(xiàn)往返運(yùn)動(dòng)，對(duì)壓裝零件進(jìn)行壓裝。其具有沖擊力較大，生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，但是其工作時(shí)速度和壓力不可控制，對(duì)零件的沖擊力大，柔性度不夠。其原理如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元原理圖

傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元工作時(shí)由電動(dòng)機(jī)通過(guò)三角皮帶驅(qū)動(dòng)大皮帶輪，經(jīng)過(guò)齒輪副和離合器帶動(dòng)曲柄滑塊單元，使滑塊和壓板直線(xiàn)下行。壓裝完成后滑塊回程上行，離合器自動(dòng)脫開(kāi)，同時(shí)曲柄軸上的制動(dòng)器接通，使滑塊停止在上止點(diǎn)附近。由于整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)輸限制，故選用單柱式壓裝單元，該類(lèi)壓裝單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但實(shí)際運(yùn)用在有高精度要求的生產(chǎn)線(xiàn)中，單元本身存在加載不夠平穩(wěn)，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，傳動(dòng)精度不夠高等問(wèn)題，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝三維模型圖

2 液壓式壓裝單元

液壓式壓裝單元是液壓泵產(chǎn)生的帶壓力的液體通過(guò)控制回路液壓執(zhí)行件來(lái)傳遞動(dòng)力。其具有較大的壓力，運(yùn)行平穩(wěn)，工作行程可以自由控制，調(diào)節(jié)范圍較大，工作效率適中，但是其配置較為復(fù)雜，造價(jià)相對(duì)較高，運(yùn)轉(zhuǎn)速度也較慢。其原理如圖3 所示。

圖3 液壓式壓裝單元原理圖

液壓式壓裝單元各動(dòng)作是由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：液壓動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和工作液體。通過(guò)電磁換向閥來(lái)控制油缸的換向，節(jié)流閥控制速度。液壓壓力單元的致密性及穩(wěn)定性符合大多數(shù)裝配線(xiàn)壓裝要求，因?yàn)橐簤杭臉?biāo)準(zhǔn)化，理論的成熟化很高，故維護(hù)和保養(yǎng)也更容易。具體單元如圖4 所示。

圖4 液壓式壓裝單元三維模型圖

3 伺服式壓裝單元

伺服式壓裝單元去掉了飛輪、離合器和制動(dòng)器，采用交流伺服電機(jī)取代交流異步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，傳動(dòng)精度高。另外采用先進(jìn)的數(shù)字控制系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，可使滑塊在運(yùn)行的過(guò)程中能隨時(shí)加速、減速或停止，可以根據(jù)工藝需求設(shè)定完成各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)[2]。這種形式壓裝單元保留融合了傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元和液壓?jiǎn)卧膬?yōu)點(diǎn)，具有柔性化、高精度、高效率和環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)[3]。其原理如圖5 所示。

圖5 伺服式壓裝單元原理圖

伺服式壓裝單元采用伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，配合高精度滾珠絲桿運(yùn)輸，運(yùn)用數(shù)字控制系統(tǒng)，但滾珠絲桿的承載能力有限，而且價(jià)格昂貴，這種傳動(dòng)形式適用于噸位要求不大且精度要求極高的壓裝單元。

目前我國(guó)的制造業(yè)能源消耗大，資源占有率高，浪費(fèi)也很?chē)?yán)重，所以新型制造裝配生產(chǎn)線(xiàn)對(duì)設(shè)備環(huán)保性能也提出了要求，伺服壓裝單元可實(shí)現(xiàn)精確壓力和位移全閉環(huán)控制的高精度特性，相比傳統(tǒng)機(jī)械及液壓壓裝單元，節(jié)能效果達(dá)到80%以上，更加環(huán)保、安全，能滿(mǎn)足無(wú)塵車(chē)間內(nèi)設(shè)備使用要求。具體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

4 壓裝單元不同方案的比較

筆者以公稱(chēng)力50 kN 的同一工作參數(shù)，對(duì)上面提及的傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元（圖1—圖2）、液壓式壓裝單元（圖3—圖4）、伺服式壓裝單元（圖5—圖6）3 種典型壓裝單元的動(dòng)力學(xué)特征和功率消耗進(jìn)行對(duì)比分析，并從經(jīng)濟(jì)性、故障率及維護(hù)等方面全方位比較選擇。

圖6 伺服電機(jī)壓裝三維模型圖

4.1 機(jī)座靜力學(xué)計(jì)算

機(jī)座把壓裝單元全部部件聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體，是壓裝單元主要部件之一。機(jī)座要滿(mǎn)足剛度，強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求[4]。

2.1.3 心理護(hù)理:由于長(zhǎng)期尿失禁,部分輸尿管異位開(kāi)口的患者身上常有異味,自己不愿與人接觸,漸漸形成了自卑、孤僻的性格;還有的患者誤以為自己得了性疾病,羞于啟齒,又擔(dān)心不能根治,情緒日漸低落;另外,由于陌生的環(huán)境,手術(shù)期的臨近,也會(huì)增加患者的焦慮和恐慌。針對(duì)這種情況,護(hù)理人員必須以真誠(chéng)友好的態(tài)度給予患者鼓勵(lì)、支持和安慰,既要耐心細(xì)致地向患者及其家屬講明病情,使其對(duì)疾病有充分的認(rèn)知和了解,又要簡(jiǎn)要通俗地介紹手術(shù)過(guò)程及預(yù)后,幫助患者及其家屬打消顧慮,增強(qiáng)信心,進(jìn)而積極主動(dòng)地配合檢查、治療及護(hù)理。

（1）機(jī)座結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，重量盡量輕，便于零部件的安裝、調(diào)整和維修。

（2）必須具有良好的加工制造工藝性。

（3）機(jī)座需考慮到?jīng)_壓工藝送料和卸件的要求，便于安裝送料和卸件裝置。

運(yùn)用ANSYS 靜態(tài)應(yīng)力/位移分析功能，校核機(jī)身在最大工作載荷下的應(yīng)力應(yīng)變水平。圖7—圖9 為不同方案壓裝單元機(jī)座位移應(yīng)變?cè)茍D。

圖7 傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元底座位移云圖

圖9 伺服式壓裝單元底座位移云圖

從云圖可以看出，傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元機(jī)座最大位移為0.011 4 mm，液壓式壓裝單元機(jī)座最大位移為0.367 1 mm，伺服式壓裝單元機(jī)座最大位移為0.247 1 mm，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工作最大變形量與寬度比值小于1/8 000，滿(mǎn)足剛度要求。

圖8 液壓式壓裝單元底座位移云圖

圖10—圖12 為不同壓裝單元機(jī)座MISES 等效應(yīng)力云圖，3 個(gè)機(jī)座應(yīng)力分布較均勻，小區(qū)域內(nèi)存在應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值均小于材料屈服極限，強(qiáng)度方面均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖10 傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元底座等效應(yīng)力圖

圖12 伺服式壓裝單元底座等效應(yīng)力圖

4.2 功率消耗

伺服壓裝單元省去飛輪、離合器甚至采用直接傳動(dòng)，傳動(dòng)環(huán)節(jié)大大減少，維修工作量亦相應(yīng)減少。伺服電動(dòng)機(jī)較普通感應(yīng)電機(jī)效率高，減速時(shí)采用電磁制動(dòng)，制動(dòng)能量可儲(chǔ)存回收。與機(jī)械制動(dòng)和液壓傳動(dòng)的節(jié)流調(diào)速相比，可大大節(jié)省能量。

傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元，飛輪空轉(zhuǎn)耗能約占總能耗的6%～30%，離合器耗能約占總能量的20%。

而液壓式壓裝單元，不僅會(huì)在液壓泵上損失大量能源，也會(huì)在沿程壓力損失及局部壓力損失消耗，溢流閥和系統(tǒng)發(fā)熱都會(huì)造成大量能量流失。

圖11 液壓式壓裝單元底座等效應(yīng)力圖

4.3 經(jīng)濟(jì)性

合格的設(shè)備必須要考慮其經(jīng)濟(jì)性，而經(jīng)濟(jì)性包含兩個(gè)部分，即生產(chǎn)成本和使用成本。對(duì)于一般裝配生產(chǎn)線(xiàn)而言，在保證工序生產(chǎn)正常運(yùn)行的情況下，成本最小時(shí)，經(jīng)濟(jì)性最佳。

不同壓裝單元其市場(chǎng)價(jià)值也不一樣，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出1 個(gè)近似成本。對(duì)于壓裝單元使用成本，傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元需要定期更換離合器制動(dòng)器等零部件，由于其本身效率不高，故能源消耗也大；液壓式壓裝單元傳動(dòng)控制單元復(fù)雜，液壓油需要每年更換，其密封件易損，維護(hù)和保養(yǎng)費(fèi)用高，能源消耗大；伺服式壓裝單元生產(chǎn)成本較高，但其故障率較低，能源消耗小，維護(hù)和保養(yǎng)費(fèi)用較低。其對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 不同壓裝單元經(jīng)濟(jì)性比較表

4.4 典型故障

設(shè)備的功能體現(xiàn)著它在生產(chǎn)活動(dòng)中存在的價(jià)值和對(duì)生產(chǎn)的保證程度，故障的頻繁發(fā)生往往會(huì)影響企業(yè)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，并且設(shè)備維修成本在企業(yè)成本中占比也越來(lái)越重，選擇故障率低的壓裝設(shè)備對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和降本增效都有著重要作用。

由于單元結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理不同，不同單元典型故障也有著不同之處。傳統(tǒng)機(jī)械式壓裝單元存在離合器制動(dòng)器零件磨損問(wèn)題、曲軸軸承磨損問(wèn)題等；液壓式壓裝單元由于液壓系統(tǒng)中接頭、管路、液壓元件都存在漏油的問(wèn)題，工作介質(zhì)受到污染也有可能造成各種故障；伺服式壓裝單元故障一般較少，但也存在電器元件故障、軸承磨損等問(wèn)題。

5 結(jié)論

（1）一般生產(chǎn)裝配線(xiàn)上壓裝單元有傳統(tǒng)機(jī)械式、液壓式和伺服式3 種類(lèi)型。3 種結(jié)構(gòu)機(jī)身都能在工作載荷下滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的剛度及強(qiáng)度。

（2）與傳統(tǒng)機(jī)械式、液壓式壓裝單元相比，伺服式壓裝單元功率損耗最小。

（3）伺服式壓裝單元一次性購(gòu)入成本高，但其故障率低，使用成本不高，經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)。

（4）根據(jù)當(dāng)今世界上制造生產(chǎn)線(xiàn)呈自動(dòng)化、連續(xù)化、遙控化的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)必須開(kāi)發(fā)高度集成柔性和自動(dòng)化的裝配生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓裝機(jī)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后可以得到較小的電機(jī)功率，具有更大的發(fā)展空間[5]，故伺服式壓裝單元在高精度、可控制和柔性化等方面都是最合適的選擇。