三軸聯(lián)動(dòng)螺母收口機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田豐果，熊 巍，陳家兌，王自勤，冠桂岳，李可敬

TIAN Feng-guo，XIONG Wei，CHEN Jia-dui，WANG Zi-qin，GUAN Gui-yue，LI Ke-jing

（貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550003）

0 引言

自鎖螺母作為一種重要的防松方式，越來越廣泛的被應(yīng)用在航天航空等行業(yè)。而近年來，隨著我國航天航空行業(yè)的迅猛發(fā)展，自鎖螺母的用量越來越大。但國內(nèi)加工自鎖螺母的設(shè)備及技術(shù)相對落后，生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)品廢品率高，缺乏與自鎖收口螺母大批量、現(xiàn)代化生產(chǎn)模式相適應(yīng)的高性能專用生產(chǎn)裝備和技術(shù)，已成為企業(yè)在自鎖收口螺母生產(chǎn)中的瓶頸。收口螺母防松原理如圖1所示，螺母收口是在螺紋牙制造好以后，對螺母局部施加徑向載荷使其沿徑向變形，如圖2所示。螺母收口后在收口方向直徑尺寸小于螺栓尺寸，當(dāng)螺栓和螺母裝配時(shí)收口部位形成過盈配合，徑向壓緊在螺栓上產(chǎn)生摩擦力而實(shí)現(xiàn)防松目的[1]。收口螺母的變形量，變形的穩(wěn)定性，以及變形后的尺寸精度都是防松效果好壞的關(guān)鍵。因此，加工過程中工藝參數(shù)的控制是實(shí)現(xiàn)收口螺母變形穩(wěn)定、收口精度高以及高生產(chǎn)率的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 螺母收口前后示意圖

1 螺母收口機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)系統(tǒng)框圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、AD模塊、伺服系統(tǒng)組成，其核心一是該設(shè)備需要適應(yīng)不同型號的螺母收口，要具備一定的通用性，因此，為實(shí)現(xiàn)高效的加工，針對不同型號的工件要應(yīng)用不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過在線迭代計(jì)算篩選最優(yōu)參數(shù)。當(dāng)參數(shù)滿足條件時(shí)，將這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)賦予加工刀具（壓頭）和上料機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)盤、頂桿），使其在不發(fā)生干涉的前提下高效高質(zhì)量的完成自動(dòng)加工；其核心二是通過AD模塊監(jiān)控伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩信號UM，PLC程序再通過算法實(shí)現(xiàn)將該轉(zhuǎn)矩信號UM轉(zhuǎn)換成頂桿頭部的壓力值，在程序中設(shè)置適合的頂桿壓力過載保護(hù)值，防止由于工人誤操作設(shè)備而帶來的損壞。用相同的方法設(shè)置過載保護(hù)值以及設(shè)計(jì)保護(hù)程序預(yù)防轉(zhuǎn)盤被工件卡住或是壓頭加工設(shè)計(jì)范圍以外的螺母而給設(shè)備帶來的損壞。

2 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)備工作流程

三軸聯(lián)動(dòng)螺母收口機(jī)的工作流程如圖4所示，頂桿以速度Vd1從上位置Sd1向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)盤和壓頭分別以Wp和Vt1的速度向加工位運(yùn)動(dòng)ΘP1和St1。在頂桿頭部運(yùn)動(dòng)到位置Sd2剛要接觸到處于轉(zhuǎn)盤工位孔內(nèi)的待加工工件時(shí)，轉(zhuǎn)盤要轉(zhuǎn)到并停止在轉(zhuǎn)盤的加工位ΘP1，然后由頂桿將工件頂?shù)郊庸の籗d3，在工件剛到達(dá)加工位的同時(shí)，壓頭也要進(jìn)給到加工位St2。壓頭再以用戶設(shè)定的工進(jìn)速度和收口量對螺母進(jìn)行收口。當(dāng)收口完畢，保壓結(jié)束后，壓頭以Vt2速度快退到裝卸位St1，同時(shí)頂桿以Vd2速度回退到上位置Sd1，當(dāng)頂桿回退到Sd2位置時(shí)，轉(zhuǎn)盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)到下一個(gè)工件的加工位ΘP2，然后頂桿又向下運(yùn)動(dòng)，將工件頂?shù)郊庸の贿M(jìn)行收口，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 工作流程圖

2.2 控制算法的設(shè)計(jì)

在自動(dòng)加工過程中，只有壓頭擠壓工件收口的過程屬于加工過程，其他過程都屬于加工中的空行程段。為了提高工作效率，必須盡量縮短空行程。因此，各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)必須經(jīng)過準(zhǔn)確的在線計(jì)算，才能使各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)在時(shí)間和邏輯上滿足要求，便且實(shí)現(xiàn)高效的加工。為了計(jì)算方便，將頂桿的零點(diǎn)位置設(shè)在當(dāng)頂桿下行彈簧頂桿不能收縮時(shí)，彈簧頂桿的上表面處，壓頭的零點(diǎn)位置設(shè)在彈簧托桿的軸線處，轉(zhuǎn)盤的零點(diǎn)位置設(shè)在轉(zhuǎn)盤ΘP1處。工作時(shí)，要求用戶從觸摸屏輸入工件收口處的外徑D，工件的軸向長度L，第一階梯段軸向長度L1和收口量W時(shí)，設(shè)備各部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算時(shí)要滿足不等式方程組：

圖5 迭代程序圖

這些數(shù)據(jù)在PLC中運(yùn)算前，要將其通過傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比、滾珠絲杠的導(dǎo)程、傳動(dòng)斜面的傳動(dòng)角等參數(shù)的轉(zhuǎn)換運(yùn)算后，使其轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)再進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算。在滿足上面不等式方程組和所選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速又讓所選各部件的空行程速度盡量大的前提下，速度參數(shù)的選取采取數(shù)值迭代的方法。迭代計(jì)算從各部件能達(dá)到的最大速度向小速度進(jìn)行迭代，直至滿足上面不等式方程組為止，然后讓電機(jī)按照此參數(shù)工作。程序的實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

3 結(jié)論

本文通過算法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了螺母收口機(jī)三軸聯(lián)動(dòng)加工和控制系統(tǒng)中執(zhí)行部件的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的選取。該設(shè)備在實(shí)際工作中，顯著提高了工作效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和產(chǎn)品廢品率，實(shí)踐證明了上 述理論的正確性。

[1]王自勤,等.收口防松螺母有限元數(shù)值模擬[J].全球化制造高級論壇暨21世紀(jì)仿真技術(shù)研討會(huì)論文集,2004.

[2]張占元.自鎖螺母的防松及滾壓收口的應(yīng)用[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2002,3.