基于統(tǒng)計(jì)過程控制的伺服壓裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 偉

（沈陽(yáng)鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所 遼寧沈陽(yáng) 110013）

1 引言

汽車在行使過程中，轉(zhuǎn)向節(jié)不僅需要承受前軸載荷，而且在轉(zhuǎn)向與制動(dòng)時(shí)還會(huì)受到車輛動(dòng)載荷的作用。汽車轉(zhuǎn)向節(jié)軸承的裝配質(zhì)量在很大程度上決定了轉(zhuǎn)向節(jié)的使用性能。

傳統(tǒng)的加工單一品種的剛性沖壓設(shè)備(沖壓線)已不適應(yīng)這種特征和市場(chǎng)形勢(shì)的發(fā)展要求，具有高柔性和高效率的自動(dòng)化沖壓設(shè)備，成為世界沖壓技術(shù)及裝備發(fā)展的主要潮流[1]。伺服壓機(jī)是國(guó)外最近幾年研制開發(fā)成功的新型的機(jī)械壓力機(jī)，這種壓力機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制方式不同以往的任何一種類型的舊壓力機(jī)，通過近幾年的發(fā)展，產(chǎn)品相對(duì)完善。以計(jì)算機(jī)控制的伺服交流電機(jī)為動(dòng)力，通過螺旋、曲柄連桿、肘桿或其他機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊所需的直線運(yùn)動(dòng)，不但可以保持機(jī)械驅(qū)動(dòng)的種種優(yōu)點(diǎn)，而且克服了其工作特性不可調(diào)的缺點(diǎn)，使機(jī)械驅(qū)動(dòng)的成形裝備也具有了柔性化、智能化的特點(diǎn)，工作性能和工藝適應(yīng)性大大提高；同時(shí)，還簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，方便安裝、減少維修、降低能耗、減輕重量。可取代液壓系統(tǒng)，徹底消除油液對(duì)環(huán)境的污染。同時(shí)改變了其它方式不能進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和有效的智能化控制的狀況。

統(tǒng)計(jì)過程控制是質(zhì)量控制的重要方法。本系統(tǒng)對(duì)壓裝設(shè)備引入統(tǒng)計(jì)過程控制方法，以保證設(shè)備正常運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量合格和經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)壓裝過程分析

壓力壓力機(jī)的壓力一般應(yīng)為所需壓入力的3~3.5倍，壓入力計(jì)算方法如下[2]：

從把軸承壓入轉(zhuǎn)向節(jié)開始，受力突變?cè)黾?，之后力平穩(wěn)增加，中途變形累計(jì)阻力，之后直到最后壓入，如圖1所示。從圖象來看，在整個(gè)壓裝過程中壓裝力的變化是增加的，壓裝曲線為斜直線，在最后處壓裝力達(dá)到了最大值。

這說明在裝配面的摩擦系數(shù)μ、轉(zhuǎn)向節(jié)直徑Da、過盈量比δ、材料的彈性模量E、轉(zhuǎn)向節(jié)孔直徑da、軸承直徑db常量中存在變量，材質(zhì)未發(fā)生變化，對(duì)壓裝力的影響不可忽略，因此推斷壓裝力增加趨勢(shì)變化的原因是過盈量比δ的改變?cè)斐傻摹?/p>

圖1 位移/壓力曲線圖

3 統(tǒng)計(jì)過程控制理論的計(jì)算機(jī)自動(dòng)判異模型

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，一個(gè)穩(wěn)定的受控過程通常具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

大部分樣本落在中心線附近。只有很少的樣本點(diǎn)接近控制限或向控制限延伸趨勢(shì)。幾乎沒有樣本點(diǎn)落在控制線以外。但在控制圖上如打一個(gè)點(diǎn)未出界有兩種可能：1．過程本來穩(wěn)定；2．漏報(bào)。

判穩(wěn)準(zhǔn)則：1．連續(xù)25個(gè)點(diǎn)，界外點(diǎn)數(shù)d=0；2．連續(xù)35個(gè)點(diǎn)，界外點(diǎn)數(shù)d≤1；3．連續(xù)100個(gè)點(diǎn)，界外點(diǎn)數(shù)d≤2。

當(dāng)然，即使在判穩(wěn)時(shí)，界外點(diǎn)也一定要按照“查出異因、采取措施、加以消除、不再出現(xiàn)、納入標(biāo)準(zhǔn)” 的“20字方針”去做。同時(shí)把此零件作報(bào)廢處理。

由此得出控制圖的兩類判異準(zhǔn)則[3]：

1.點(diǎn)出界就判異；

2.界內(nèi)點(diǎn)排列不隨機(jī)就判異。判異總體流程圖如圖2[4]。

4 伺服壓機(jī)的電氣設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心的集散控制方式。包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、PLC網(wǎng)絡(luò)、傳感器、變送器、伺服電機(jī)系統(tǒng)、觸摸屏操作顯示系統(tǒng)、打標(biāo)系統(tǒng)。該設(shè)備采用單獨(dú)工作站，壓裝和打標(biāo)雙工位的工作方式。采用人工上料下料，自動(dòng)壓裝的工作方式。線旁布置一條廢料道，料道上裝有傳感器，供存放不合格品使用，電動(dòng)壓裝頭通過支架固定在工作臺(tái)上，壓頭及工件固定夾具為了適應(yīng)不同產(chǎn)品的裝配可以快速更換。

圖3 壓機(jī)系統(tǒng)互連圖

圖5 X-R圖VI框圖

伺服壓機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖3所示。伺服壓力機(jī)電氣控制方式為上位機(jī)集中數(shù)據(jù)采集及SPC管理控制，下位機(jī)PLC用于壓裝控制啟動(dòng)、打標(biāo)控制、觸摸屏參數(shù)設(shè)定和工作顯示。下位機(jī)電氣控制系統(tǒng)由德國(guó)西門子公司的S7-300 PLC/CPU315和TP270觸摸屏構(gòu)成。電氣控制系統(tǒng)包括1個(gè)電控柜、1個(gè)操作面板及1個(gè)觸摸屏。在壓力機(jī)特別是髙速自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線上，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能要求非常高，對(duì)于系統(tǒng)的高安全性、高可靠性要求，根據(jù)伺服壓力機(jī)的要求，用PLC控制伺服壓力機(jī)現(xiàn)場(chǎng)總線采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

該設(shè)備主要由電動(dòng)壓裝頭及控制器、氣動(dòng)針標(biāo)機(jī)及前后移動(dòng)裝置、軸承壓入裝置、工件固定夾具、廢料道、安全光柵、人機(jī)界面及電氣控制管理系統(tǒng)組成。

5 伺服壓裝系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

5.1 伺服壓裝系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件包括4部分：信息輸入，輸入班組日期，形成序列代碼，為數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)；手動(dòng)控制程序包括手動(dòng)控制氣缸的伸縮、顯示數(shù)字輸入輸出開關(guān)量的值、控制手動(dòng)打標(biāo)機(jī)、手動(dòng)控制伺服壓機(jī)壓裝，但所有操作必須在觸摸屏上進(jìn)行操作；自動(dòng)控制程序包括工件檢測(cè)、壓裝、壓裝檢測(cè)、計(jì)算標(biāo)識(shí)內(nèi)容、打標(biāo)、廢料處理；參數(shù)設(shè)定程序包括三種工件的壓裝曲線的檢測(cè)參數(shù)設(shè)定，及與伺服壓機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)在自動(dòng)控制程序中包含以下重點(diǎn)控制功能：

（1）自動(dòng)程序啟動(dòng)檢測(cè)；

（2）自動(dòng)壓裝；

（3）自動(dòng)打標(biāo)；

（4）壓裝結(jié)束后的參數(shù)計(jì)算。

自動(dòng)程序啟動(dòng)檢測(cè)，啟動(dòng)壓裝前檢測(cè)伺服壓機(jī)壓頭必須在初始位置，否則壓機(jī)不能進(jìn)行壓裝操作。啟動(dòng)自動(dòng)壓裝控制程序按鈕時(shí)程序檢測(cè)廢料標(biāo)志、操作臺(tái)安全標(biāo)志、自動(dòng)參數(shù)標(biāo)志、壓裝標(biāo)志等。啟動(dòng)同時(shí)必須把幾個(gè)參數(shù)清零，保證本次壓裝后的參數(shù)儲(chǔ)存。

在壓裝過程中可監(jiān)視壓裝過程，壓裝過程中把數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)，存儲(chǔ)在設(shè)定的數(shù)據(jù)庫(kù)中。壓裝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，分為Cures、Data、Gauging、Variables四個(gè)表中。

5.2 轉(zhuǎn)向節(jié)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)軟件設(shè)計(jì)

圖2 自動(dòng)判異總體流程圖

圖4 系統(tǒng)功能圖

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境[5]。

本軟件是在Windows XP環(huán)境下應(yīng)用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)的，軟件采用模塊化和圖形化操作界面。系統(tǒng)功能圖如圖4所示。上位機(jī)SPC分析系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)功能包括9大部分，其中5部分是SPC工具對(duì)壓裝過程進(jìn)行評(píng)估，其余4部分主要為用戶查詢及打印保存功能。

上位機(jī)SPC分析系統(tǒng)其中最主要必須與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，系統(tǒng)才能進(jìn)行有效的分析。在LabVIEW中加入LabSQL。LabSQL與數(shù)據(jù)庫(kù)之間是通過ODBC連接，需要在ODBC中指定數(shù)據(jù)源名稱和驅(qū)動(dòng)程序。

系統(tǒng)根據(jù)原始數(shù)據(jù)的抽取，計(jì)算均值-極差控制圖，根據(jù)自動(dòng)判異規(guī)則模型，設(shè)計(jì)自動(dòng)判異軟件。如圖5所示。最后計(jì)算過程能力指數(shù)。通過一系列的算法，判斷壓裝過程是否穩(wěn)定。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過試生產(chǎn)檢驗(yàn)本系統(tǒng)所有功能，得出以下結(jié)論：

在總體設(shè)計(jì)上充分考慮了零件在裝配過程中對(duì)部件裝配質(zhì)量的影響因素，并在機(jī)、電、氣等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，作了方案優(yōu)化，下位機(jī)和觸摸屏操作簡(jiǎn)便，人機(jī)交互性能良好。生產(chǎn)流程簡(jiǎn)潔，容易理解。上位機(jī)中，數(shù)據(jù)保存完整，方便查詢。數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)接方便，壓裝數(shù)據(jù)不能進(jìn)行修改。上位機(jī)SPC軟件進(jìn)行測(cè)試，功能滿足生產(chǎn)要求。本系統(tǒng)由于采用伺服壓裝系統(tǒng)，能夠在確保采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快捷。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤和監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使其保持良好的工作狀態(tài)，生產(chǎn)的產(chǎn)品完全合格。

［1］ 王玉山. 伺服機(jī)械壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，01:29～31

［2］ 蔣波. 談機(jī)械制造工藝中的圓柱過盈壓裝技術(shù)[J]. 科學(xué)之友，2010，16：3～4

［3］ 李文泉 趙文田 李文斌. 統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)SPC在煙草制絲生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2009，5：116～118

［4］ 蔡雪兢 黃忠全 張穎 孫艷秀. 基于SPC的計(jì)算機(jī)自動(dòng)判異的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J]. 機(jī)械制造，2010，48（551）：63～65

［5］ 鄒振春 王力 鄧立新. 基于LabVIEW及NI DAQmx的壓機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)儀器儀表，2006，05：88～90