抬起步伐輸送裝置的伺服控制技術(shù)的應(yīng)用

方 宇 徐文濤 李 瑾

（1．通用技術(shù)集團大連機床有限責任公司智能制造研究所，遼寧 大連 116620；2．通用技術(shù)集團大連機床有限責任公司應(yīng)用所，遼寧 大連 116620）

0 引言

柔性生產(chǎn)線是由若干數(shù)控加工設(shè)備、輸送裝置和計算機控制系統(tǒng)組成的，更適用于多品種、中小批量生產(chǎn)。抬起步伐輸送是傳統(tǒng)組合機床單機及自動線中較為復(fù)雜的經(jīng)典輸送形式，隨著柔性生產(chǎn)線的廣泛應(yīng)用和產(chǎn)品加工精度的不斷提高，數(shù)控化的抬起步伐輸送裝置的設(shè)計將取代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使該輸送裝置組成的生產(chǎn)線向著數(shù)控化、高速化以及柔性化發(fā)展。

抬起步伐輸送裝置包括抬起裝置、輸送裝置、輸送連接板、抬起驅(qū)動和輸送驅(qū)動。主要機械動作為：輸送帶抬起→輸送帶向前輸送→輸送帶落下→輸送帶返回。抬起步伐輸送裝置的數(shù)控化就是應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)對生產(chǎn)線物流進行控制和管理，使其達到布距可調(diào)，速度可控，效率與提高精度，具體設(shè)計是將常規(guī)大缸徑抬起油缸改為伺服電動缸驅(qū)動，將輸送帶前進后退驅(qū)動的輸送油缸改為伺服電機驅(qū)動和絲杠螺母傳動輸送，在滿足抬起、拉動工件移動等多個動作的同時，保證整個輸送過程的剛性、精度和抬起落下的平穩(wěn)[2，4]。

1 傳統(tǒng)的液壓油缸驅(qū)動的抬起步伐輸送裝置的結(jié)構(gòu)分析

抬起步伐輸送裝置結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，抬起油缸2 通過轉(zhuǎn)臂3、拉桿4 將工件抬起后，由輸送油缸5 帶動輸送帶 1 向前移動。該結(jié)構(gòu)存在5 個問題。1）輸送速度受到限制，效率低。2）輸送位置不準確影響工件的定位。3）輸送油缸及馬達屬于液態(tài)介質(zhì)驅(qū)動，容易受系統(tǒng)壓力、溫度等因素影響。因而可靠性穩(wěn)定性不夠，造成輸送位置精度不高。4）抬起油缸和輸送油缸存在漏油嚴重問題，維護清理困難。5）無法實現(xiàn)數(shù)字化控制，對輸送中造成的輸送誤差不能進行有效控制和補償。在高精密加工自動線中，對輸送的精度和效率都有更高的要求，這些主要問題都是制約抬起步伐輸送帶提高輸送效率和精度的關(guān)鍵問題[3]。

2 伺服驅(qū)動的抬起步伐輸送裝置的結(jié)構(gòu)與動作原理

伺服驅(qū)動的抬起步伐輸送裝置的結(jié)構(gòu)與動作原理如圖2所示。首先，伺服電動缸 1 動作，拉動拉桿2，通過轉(zhuǎn)臂3將輸送帶4 及工件抬起。拉桿上通過銷軸鉸接多個轉(zhuǎn)臂3，拉桿2 的移動使轉(zhuǎn)臂3 繞固定在機床底座上的鉸鏈芯軸作擺動，轉(zhuǎn)臂的另一端連接深溝球軸承，其擺動將輸送帶 4 抬起。當輸送帶將工件由定位面抬升到輸送高度后，系統(tǒng)得到輸送帶抬起到位信號指令后，用于輸送的伺服電機 5 啟動，驅(qū)動絲杠8 回轉(zhuǎn)，絲杠螺母 10 移動，與絲杠螺母 10 相連在一起的輸送帶4 同步向前輸送，輸送帶連接導(dǎo)向支架12 完成絲杠螺母10 與輸送帶4 之間的連接和抬起導(dǎo)向動作。輸送帶4連帶工件移動一個步距后，到位開關(guān)發(fā)令，伺服電機5 停轉(zhuǎn)，伺服電動缸1 反向旋轉(zhuǎn)，輸送帶4 連同工件一起下降，工件在下落過程中完成機床夾具的插銷定位，工件與輸送帶4 脫離，當輸送帶4 下降到終點后，下降到位信號指令發(fā)令，伺服電機5 反轉(zhuǎn)，使輸送帶 4 水平返回，抬起步伐輸送裝置進入下一動作循環(huán)。

圖1 抬起步伐輸送裝置

圖2 伺服驅(qū)動的抬起步伐輸送裝置

根據(jù)工件總質(zhì)量，輸送帶長度、質(zhì)量及輸送速度要求，可以設(shè)計抬起需要的拉力、輸送裝置的絲杠螺母及減速裝置。絲杠前后帶支撐，直線導(dǎo)軌起承載和導(dǎo)向作用，保證了抬起和輸送的穩(wěn)定性和剛性，并且輸送帶上3 個面布置的導(dǎo)向均為滾動導(dǎo)向，最大限度地減小了輸送磨擦力。如圖3 所示，水平和豎直方向滾動軸承限制了輸送帶4 的3 個方向的運動。整套輸送裝置緊湊可靠，伺服控制使輸送裝置精確到位，速度可調(diào)，輸送步距有多種系列規(guī)格，最大程度地滿足客戶的需求。

圖3 輸送帶滾動導(dǎo)向限位支撐

3 抬起步伐輸送裝置的數(shù)控化技術(shù)的應(yīng)用

圖4 為某大型汽車制造公司設(shè)計、投產(chǎn)抬起步伐輸送裝置輸送的柔性生產(chǎn)線，具體動作指令為：抬起裝置2 開始動作，拉動拉桿7，帶動轉(zhuǎn)臂6 將抬起工件3、輸送帶4 抬起，抬起到位后開關(guān)信號發(fā)令，輸送裝置1 將抬起工件3、輸送帶4 一起向前輸送一個步距，輸送到位后開關(guān)信號發(fā)令，抬起裝置2 動作，拉桿返回，輸送帶4 落下，工件3 落到夾具內(nèi)或空工位位置，落下到位后開關(guān)信號發(fā)令，輸送裝置1 將輸送帶4 輸送至原位，柔性生產(chǎn)線內(nèi)所有工序加工完畢后開關(guān)發(fā)令進入下一個動作循環(huán)。伺服驅(qū)動的輸送裝置1 安裝在側(cè)底座上，伺服電動缸驅(qū)動的抬起裝置2 安裝在最前端中間底座上，所有轉(zhuǎn)臂6 經(jīng)過轉(zhuǎn)臂支架都安裝在中間底座5 上。

具體計算如下：已知工件重量250 kg，該自動線可以抬起12 個工件，輸送步距1 000 mm，輸送帶總長度12 100 mm，抬起裝置伺服電動缸抬起運行速度6 m/min（100 mm/s），輸送裝置移動速度小于15 m/min。

抬起部件總重量=所有工件重量+輸送板重量+連接板重量+定位塊、定位銷重量+標準件重量。

m總=250×12+0.03×0.08×12.1×7850×2+0.24×0.04×0.585×7+80+標準件重量≈4 000 kg。

如圖5 所示，根據(jù)轉(zhuǎn)臂機構(gòu)受力分析，可計算出需要的拉力最小值。根據(jù)公式計算：動力×動力臂=阻力×阻力臂計算。即：

F動×165×cos33°=F阻×305×cos23.1°，其中F阻=G總=m總g，得出F動=81049N ≈81.1kN

綜合考慮抬起過程中存在摩擦等因素，選取伺服電動缸型號為IMB80，電動缸推力和拉力為100 kN，伺服電機直聯(lián)，功率10.8 kW。

輸送方向伺服電機、絲杠選取及計算：

絲杠轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動力計算公式為T=F×L/（2π×η×i），其中F 包括導(dǎo)軌摩擦力和工作載荷（垂向運動F 還包括機構(gòu)重量），L 為絲杠副導(dǎo)程，η 為滾珠絲杠副效率，η=0.8，i 為傳動比。該輸送裝置沒有工作載荷，輸送工件及輸送帶在每套轉(zhuǎn)臂前端的滾動軸承上運動，工況比較復(fù)雜，為了保險起見，所以μ 選0.15。根據(jù)用戶要求的輸送速度，絲杠副導(dǎo)程初選10 mm。傳動比i=1，伺服電機直聯(lián)。

F=μmg=0.15×4000×10=6000N

圖4 數(shù)控抬起步伐輸送裝置

F=6000×10×0.01/2π×0.8×1=11.94 Nm

根據(jù)絲杠轉(zhuǎn)矩初選電機，查詢樣本選用電機1FK7 系列電機，電機額定扭矩25 Nm，電機額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，轉(zhuǎn)動慣量為0.0104 kg·m2。

圖5 抬起工件受力分析圖

絲杠直徑的選?。焊鶕?jù)絲杠直徑×轉(zhuǎn)速＜DN 值；內(nèi)循環(huán)浮動式DN 值允許70 000，絲杠直徑＞35 mm，選取FF5010-5，3級精度內(nèi)循環(huán)浮動式滾珠絲杠。根據(jù)選取的絲杠計算出絲杠允許的最高轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，輸送裝置快速移動=轉(zhuǎn)速×導(dǎo)程=1400×10×0.01=14 m/min，滿足要求。如果選取FF4010-5絲杠，經(jīng)計算快移速度為17.5 m/min，不滿足要求。

負載轉(zhuǎn)動慣量的計算：

JM=J1+J2+Jm

式中：J1為聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量，查樣本選取聯(lián)軸器型號為DML-04 系列，轉(zhuǎn)動慣量為0.0034 kg·m2。J2為 絲 杠 轉(zhuǎn) 動慣量，計算得0.0084 kg·m2。Jm 為滑臺負載轉(zhuǎn)動慣量，L2m4π2=0.0101kg·m2，L 為導(dǎo)程，m 為移動部件總質(zhì)量。

所以：

JM=J1+J2+Jm=0.0034+0.0084+0.0101=0，0219 kg·m2。

電機直聯(lián)時，負載轉(zhuǎn)動慣量＜（3～5）×電機轉(zhuǎn)動慣量=（0.0312～0.052）kg·m2。所以滿足要求，電機選取合理[1]。

整條柔性生產(chǎn)線自動化程度高，輸送精度穩(wěn)定，獲得客戶的認可，得到客戶的一致好評。

4 結(jié)語

柔性生產(chǎn)線是一種技術(shù)復(fù)雜、高度自動化的生產(chǎn)線，它將計算機和系統(tǒng)工程等技術(shù)有機地結(jié)合起來。由于伺服電機驅(qū)動的數(shù)控抬起步伐輸送裝置的可靠應(yīng)用，輸送步距可調(diào)，速度可控，適合自動線的多品種加工，一次裝夾輸送可完成工件多面加工，所以為用戶最大程度的節(jié)約了設(shè)備投資。在生產(chǎn)實際使用后表明數(shù)控抬起步伐輸送裝置具有輸送可靠、效率高、而且維護簡單、環(huán)保、噪聲低等諸多優(yōu)勢。這就更好的詮釋了現(xiàn)代機床制造業(yè)數(shù)控信息化發(fā)展的趨勢。機床將向數(shù)控化、智能化、柔性化發(fā)展是不可替代的。