F372測(cè)力控制器在壓裝機(jī)上的應(yīng)用

楊 敏 連弘毅 劉丹潔

(①長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，吉林長(zhǎng)春 130011;②一汽光洋轉(zhuǎn)向裝置有限公司，吉林長(zhǎng)春 130011)

1 概述

壓裝機(jī)是各種裝配生產(chǎn)線上的常用設(shè)備，是在一定壓入力的作用下將各種軸承、油封墊片等零件壓入加工件的工藝孔。然而壓裝機(jī)如何能保證壓入件的質(zhì)量卻是個(gè)難題。以前壓裝機(jī)的壓入力普遍采用電阻橋式壓力傳感器，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和AD轉(zhuǎn)換，再傳入PLC或一些專用的儀表進(jìn)行顯示，觸摸屏普及后，將這些壓力信號(hào)的曲線通過(guò)觸摸屏X/Y趨勢(shì)圖顯示出來(lái)，但是這樣顯示出的壓入力只是簡(jiǎn)單的壓入力上下限比較，壓裝時(shí)只要壓入力在預(yù)設(shè)的上下限之間就判定壓入合格。以下幾種情況雖然壓入力在上下限之間，但壓裝的產(chǎn)品卻不合格。

(1)加工工藝孔尺寸大或壓裝零件尺寸小，壓裝時(shí)零件雖然可以壓進(jìn)工藝孔且壓頭達(dá)到規(guī)定行程，這時(shí)壓頭已接觸機(jī)械極限位，它產(chǎn)生的壓入力在上下限之間，機(jī)床判定壓入合格，可是取下成品件稍微用力被壓入的零件就從工藝孔中脫落。

(2)當(dāng)加工的工藝孔尺寸小或壓裝零件尺寸大，壓裝時(shí)因壓入力過(guò)大已超過(guò)上限發(fā)出報(bào)警，但由于壓入力的采樣速度慢對(duì)異常壓入力不能及時(shí)反映和處理，只能在壓裝到位時(shí)才報(bào)警，這時(shí)工藝孔或壓入零件已損壞，另外過(guò)大的壓入力對(duì)壓裝機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)也會(huì)造成傷害。

(3)如果壓裝機(jī)壓頭沒放入壓裝零件，那么也會(huì)和(1)一樣壓裝判定合格。

(4)如果壓裝機(jī)加工后忘記將零件取下，進(jìn)行了第二次壓裝，那么也會(huì)和(2)一樣壓裝判定不合格，但對(duì)零件和壓裝機(jī)已造成傷害。

2 F372的引入

2.1 關(guān)于 F372

采用科學(xué)的方法對(duì)壓入過(guò)程中的壓力信號(hào)和位移信號(hào)進(jìn)行全程的檢測(cè)和控制，是保證壓裝機(jī)壓入質(zhì)量的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的壓入力檢測(cè)方式顯然已不能滿足壓裝機(jī)壓入力檢測(cè)的需要，常常會(huì)造成批量的壓入件脫落事故，在生產(chǎn)中還經(jīng)常出現(xiàn)假的報(bào)警。F372是日本尤尼帕斯株式會(huì)社生產(chǎn)的F系列動(dòng)態(tài)測(cè)力控制器之一，型號(hào)為F372，(本文簡(jiǎn)稱F372)，它是一種通過(guò)同電阻應(yīng)變式傳感器的組合使用，測(cè)量各種力、壓強(qiáng)、扭矩、位移等物理量并顯示其波形的動(dòng)態(tài)測(cè)力儀表，具有豐富的保持功能、合格與否的判斷功能。F372的外形及顯示說(shuō)明如圖1所示。

2.2 F372測(cè)力儀表與傳統(tǒng)測(cè)力儀表的比較

(1)F372測(cè)力儀表對(duì)每個(gè)瞬間的壓入力值均可處理，具有較高的掃描速度，可達(dá)到2 000次/s，傳統(tǒng)的測(cè)力儀表一般只能對(duì)預(yù)置的一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)的力值進(jìn)行處理，掃描速度僅為200～300次/s。掃描速度慢使壓入力的檢測(cè)只能取壓入終點(diǎn)的壓入力值，不能及時(shí)反映每個(gè)瞬間的壓入力。如果壓入速度過(guò)快，可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果。在壓入過(guò)程中，如果出現(xiàn)異常壓入力，就根本不能反映正確結(jié)果，將會(huì)產(chǎn)生前面敘述的缺陷，而且這時(shí)觸摸屏X－Y趨勢(shì)圖甚至都不能繪制出正常的圖形。

(2)F372的處理能力是傳統(tǒng)測(cè)力儀表無(wú)法相比的，它既保留了壓入力的上下限比較功能，又具有自己獨(dú)特的壓入力處理保持功能，能夠捕捉壓入力變化過(guò)程中瞬間出現(xiàn)的特殊點(diǎn)，并保持這些特殊點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行處理。檢出這些特殊點(diǎn)，是傳統(tǒng)測(cè)力儀表受掃描速度和功能限制所不可能實(shí)現(xiàn)的。保持功能對(duì)保證壓入質(zhì)量是不可缺少的。

2.3 F372拐點(diǎn)的檢出與保持

2.3.1 拐點(diǎn)的意義

對(duì)于軸承、襯套和墊片等壓入零件工藝孔的壓裝機(jī)，理想的壓入結(jié)果是把零件完全壓入工藝孔中，又不使壓入力無(wú)限增大(零件壓到位后壓入力會(huì)繼續(xù)增大)。對(duì)應(yīng)的壓入曲線，要在曲線直線上升之前停止給力，并判定合格，才能達(dá)到理想的壓入。壓入過(guò)程中理論上可以產(chǎn)生如圖2所示曲線。

在曲線中從C點(diǎn)開始為壓入零件剛進(jìn)入工藝孔，C到D為壓入零件由淺到深逐漸完全壓入工藝孔中，D點(diǎn)已接近壓入極限，D到E極限壓入力開始直線上升。通常把D點(diǎn)定義為拐點(diǎn)，在壓入過(guò)程中以拐點(diǎn)是否出現(xiàn)做為壓入判定依據(jù)，出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)壓裝結(jié)束即為合格，此時(shí)壓裝零件已達(dá)到工藝孔的最大深度，如果再繼續(xù)壓入，壓入力就會(huì)直線上升，對(duì)零件和機(jī)床造成傷害。

2.3.2 拐點(diǎn)的檢出

如何在壓入曲線上選擇合適的拐點(diǎn)D，要預(yù)設(shè)D點(diǎn)出現(xiàn)的前后兩個(gè)小檢測(cè)區(qū)間A和B，A為拐點(diǎn)出現(xiàn)前的檢測(cè)區(qū)間，F(xiàn)372稱之為拐點(diǎn)前時(shí)間，B為拐點(diǎn)出現(xiàn)后的檢測(cè)區(qū)間，F(xiàn)372稱之為拐點(diǎn)后時(shí)間，A區(qū)間內(nèi)F372采集的壓入力值變化量為d－c，B區(qū)間內(nèi)F372采集的壓入力值變化量為e－d，那么A B兩個(gè)力值變化量差為F=e－d－(d－c)=e－2d+c，我們把F稱之為拐點(diǎn)最小斜率，A、B、F分別在F372系統(tǒng)設(shè)定中預(yù)設(shè)。F372在整個(gè)采樣區(qū)間內(nèi)不斷計(jì)算A和B兩個(gè)小區(qū)間的采樣值變化量差，如果差值大于F，那么A區(qū)間結(jié)束的哪一點(diǎn)D被判定為拐點(diǎn)并保持，在整個(gè)采樣區(qū)間內(nèi)可能出現(xiàn)兩個(gè)以上的拐點(diǎn)，但F372只保持差值最大的拐點(diǎn)做為判定依據(jù)。

3 壓裝機(jī)的控制

根據(jù)壓入零件的特點(diǎn)進(jìn)行了綜合分析，選用F372測(cè)力控制器、OMRON CJIM CPU43PLC及NS8觸摸屏300 mm位移傳感器，20 kN力傳感器來(lái)完成壓入力的檢測(cè)和控制。

3.1 控制界面

控制界面由觸摸屏顯示，如圖3所示。

3.2 位移傳感器控制壓頭行程

位移傳感器可以精確檢測(cè)壓入深度，和壓入力能形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可以檢測(cè)壓入的瞬時(shí)狀態(tài)。壓裝過(guò)程首先要保證的是壓入位移，如果壓裝時(shí)壓入零件都沒有壓到規(guī)定的深度，那么不管壓入力檢測(cè)處理的多么好，出現(xiàn)的拐點(diǎn)多么標(biāo)準(zhǔn)，最終加工出的零件將是廢品，甚至?xí)斐蓢?yán)重的質(zhì)量事故，使整個(gè)控制失敗。另外前面敘述的缺陷，離開位移量的參與是根本不可能實(shí)現(xiàn)的。

3.3 用PLC對(duì)壓裝的全行程進(jìn)行監(jiān)視和控制

采用300 mm位移傳感器將油缸的行程轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰屏總魅隤LC，由PLC對(duì)壓裝的全行程進(jìn)行監(jiān)視和控制。

3.4 用PLC的程序控制F372的工作，F(xiàn)372檢測(cè)的結(jié)果再反饋給PLC

F372有一組I/O接口，在壓裝過(guò)程中，PLC不斷將采集的壓入位移量與存儲(chǔ)的變速測(cè)力位置進(jìn)行比較，一旦壓入，位移超過(guò)變速測(cè)力位置，PLC將保持并控制。F372開始采樣和繪圖，在壓裝過(guò)程中PLC不斷將采集的壓入位移量與存儲(chǔ)的終點(diǎn)位置和微調(diào)量進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到終點(diǎn)位置時(shí)，PLC將控制F372停止采樣和繪圖。

3.5 F372的工作時(shí)序

F372的工作時(shí)序如圖4所示。

3.6 F372 的設(shè)定

對(duì)應(yīng)圖5的零件品種工藝技術(shù)要求，壓入力上限18 kN，壓入力下限 1.5 kN，軸承壓入深度 54 ±0.3 mm。

在圖6的曲線中計(jì)算拐點(diǎn)所需的設(shè)定:

(1)拐前時(shí)間A和拐后時(shí)間B

每秒采樣2 000次，拐點(diǎn)時(shí)間為0.54 s。則:

每次采樣時(shí)間=1/2 000=0.000 5 s=0.5 ms

拐前本區(qū)間采樣次數(shù)=(0.54 s－0.48 s)/0.5 ms=60 ms/0.5 ms=120(次)

拐后本區(qū)間采樣次數(shù)=(0.6 s－0.54 s)/0.5 ms=60 ms/0.5 ms=120(次)

拐前時(shí)間、拐后時(shí)間應(yīng)滿足以下條件:

0＜A或B＜990且A+B＜1 000，同時(shí)A等于或略小于B，A和B盡量選擇小一些的值。

最后經(jīng)過(guò)多次試壓比較選擇:A=42 ms，B=56 ms

(2)拐點(diǎn)最小斜率＞f=6.91 kN－2×4.93 kN+4.31 kN=1.36 kN，最后經(jīng)過(guò)多次試壓比較選擇2.4 kN。

(3)上限=18 kN，下限=1.5 kN。

(4)將這些設(shè)定設(shè)置到F372通道中。

3.7 壓入力異常的報(bào)警控制

將壓頭的位移通過(guò)位移傳感器傳入PLC，那么就可以根據(jù)壓入的位移監(jiān)視壓入力的變化，從而判斷出異常的壓入力。比如技術(shù)要求壓入力下限為1.5 kN，那么壓入力必須得大于1.5 kN。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在工藝孔和壓入零件尺寸及設(shè)備運(yùn)行正常情況下，壓入位移大于165.48 mm時(shí)，壓入力滿足下限，F(xiàn)372輸出下限信號(hào)斷開。根據(jù)這個(gè)特性考慮偏差，將圖3觸摸屏設(shè)定畫面的第10項(xiàng)中數(shù)值設(shè)為168 mm，存入PLC。如果工藝孔尺寸大，壓入零件尺寸小，或忘記放入壓入零件壓裝時(shí)，雖然壓頭位移大于該設(shè)定，但壓入力未能大于下限值，PLC就會(huì)發(fā)出“壓入力過(guò)小”報(bào)警。如果工藝孔尺寸小，壓入零件尺寸大，或忘記取出合格件而進(jìn)行第二次壓裝，壓裝時(shí)壓入位移在168 mm之前壓入力就會(huì)很大，F(xiàn)372輸出下限信號(hào)就會(huì)斷開(大于下限值提前出現(xiàn))，PLC就會(huì)發(fā)出“壓入力過(guò)大”報(bào)警，這樣前面敘述的缺陷得到解決。壓入力報(bào)警控制梯形圖見圖7。

4 結(jié)語(yǔ)

在控制過(guò)程中，使F372和壓入位移形成了必然聯(lián)系，F(xiàn)372檢測(cè)區(qū)間的開始和結(jié)束都是以滿足位移為條件，力的曲線間接反映了位移變化，F(xiàn)372的引入，減少了開關(guān)抖動(dòng)和油缸油壓變化帶來(lái)的誤差和曲線繪制的失真，有效地解決了過(guò)去出現(xiàn)的各種控制缺陷，使控制更加精確，產(chǎn)品的合格率提高了。

［1］UNIPULSE.F372測(cè)力控制器使用說(shuō)明書［Z］.2008.

［2］OMRON.CJIM 系列可編程控制器操作手冊(cè)［Z］.2006.

［3］OMRON.CJIM 系列可編程控制器編程手冊(cè)［Z］.2006.

［4］OMRON.NS系列可編程終端操作手冊(cè)［Z］.2002.

［5］OMRON.NS系列可編程終端編程手冊(cè)［Z］.2002.