幾種不同驅(qū)動方式壓裝單元的比較研究

劉 盼，趙金庫，樸春華

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

壓裝裝配是機械制造裝配生產(chǎn)線上重要的工藝環(huán)節(jié)，是需要使用恰當?shù)脑O(shè)備將合格的零部件進行配合和連接的過程。隨著鋼鐵、有色冶金、航空航天、鐵路高速機車、船舶、核電、風電和軍工等行業(yè)的快速發(fā)展，對零部件裝配質(zhì)量、設(shè)備節(jié)能化及精密化要求越來越高[1]，目前國內(nèi)壓裝設(shè)備主要有傳統(tǒng)機械式壓裝單元、液壓式壓裝單元以及伺服電機壓裝單元，不同驅(qū)動方式，工作時其速度和壓力控制也不相同。

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

1 傳統(tǒng)機械式壓裝單元

傳統(tǒng)機械式壓裝單元主要是通過曲柄滑塊單元將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的直線往返運動，對壓裝零件進行壓裝。其具有沖擊力較大，生產(chǎn)效率高等特點，但是其工作時速度和壓力不可控制，對零件的沖擊力大，柔性度不夠。其原理如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)機械式壓裝單元原理圖

傳統(tǒng)機械式壓裝單元工作時由電動機通過三角皮帶驅(qū)動大皮帶輪，經(jīng)過齒輪副和離合器帶動曲柄滑塊單元，使滑塊和壓板直線下行。壓裝完成后滑塊回程上行，離合器自動脫開，同時曲柄軸上的制動器接通，使滑塊停止在上止點附近。由于整個生產(chǎn)線運輸限制，故選用單柱式壓裝單元，該類壓裝單元結(jié)構(gòu)簡單，國內(nèi)發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但實際運用在有高精度要求的生產(chǎn)線中，單元本身存在加載不夠平穩(wěn)，傳動鏈長，傳動精度不夠高等問題，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)機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控制回路液壓執(zhí)行件來傳遞動力。其具有較大的壓力，運行平穩(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，但是其配置較為復雜，造價相對較高，運轉(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作是由液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：液壓動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和工作液體。通過電磁換向閥來控制油缸的換向，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)裝配線壓裝要求，因為液壓件的標準化，理論的成熟化很高，故維護和保養(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、離合器和制動器，采用交流伺服電機取代交流異步電機直接驅(qū)動設(shè)備，結(jié)構(gòu)更簡單，傳動精度高。另外采用先進的數(shù)字控制系統(tǒng)控制電機轉(zhuǎn)動，可使滑塊在運行的過程中能隨時加速、減速或停止，可以根據(jù)工藝需求設(shè)定完成各種復雜的運動曲線[2]。這種形式壓裝單元保留融合了傳統(tǒng)機械式壓裝單元和液壓單元的優(yōu)點，具有柔性化、高精度、高效率和環(huán)保節(jié)能等特點[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直接驅(qū)動，配合高精度滾珠絲桿運輸，運用數(shù)字控制系統(tǒng)，但滾珠絲桿的承載能力有限，而且價格昂貴，這種傳動形式適用于噸位要求不大且精度要求極高的壓裝單元。

目前我國的制造業(yè)能源消耗大，資源占有率高，浪費也很嚴重，所以新型制造裝配生產(chǎn)線對設(shè)備環(huán)保性能也提出了要求，伺服壓裝單元可實現(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)機械及液壓壓裝單元，節(jié)能效果達到80%以上，更加環(huán)保、安全，能滿足無塵車間內(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

筆者以公稱力50 kN 的同一工作參數(shù)，對上面提及的傳統(tǒng)機械式壓裝單元（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力學特征和功率消耗進行對比分析，并從經(jīng)濟性、故障率及維護等方面全方位比較選擇。

圖6 伺服電機壓裝三維模型圖

4.1 機座靜力學計算

機座把壓裝單元全部部件聯(lián)結(jié)成一個整體，是壓裝單元主要部件之一。機座要滿足剛度，強度及穩(wěn)定性要求[4]。

2.1.3 心理護理:由于長期尿失禁,部分輸尿管異位開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,也會增加患者的焦慮和恐慌。針對這種情況,護理人員必須以真誠友好的態(tài)度給予患者鼓勵、支持和安慰,既要耐心細致地向患者及其家屬講明病情,使其對疾病有充分的認知和了解,又要簡要通俗地介紹手術(shù)過程及預后,幫助患者及其家屬打消顧慮,增強信心,進而積極主動地配合檢查、治療及護理。

（1）機座結(jié)構(gòu)力求簡單，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。

運用ANSYS 靜態(tài)應(yīng)力/位移分析功能，校核機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座位移應(yīng)變云圖。

圖7 傳統(tǒng)機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)機械式壓裝單元機座最大位移為0.011 4 mm，液壓式壓裝單元機座最大位移為0.367 1 mm，伺服式壓裝單元機座最大位移為0.247 1 mm，根據(jù)設(shè)計要求，工作最大變形量與寬度比值小于1/8 000，滿足剛度要求。

圖8 液壓式壓裝單元底座位移云圖

圖10—圖12 為不同壓裝單元機座MISES 等效應(yīng)力云圖，3 個機座應(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，強度方面均滿足設(shè)計要求。

圖10 傳統(tǒng)機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，傳動環(huán)節(jié)大大減少，維修工作量亦相應(yīng)減少。伺服電動機較普通感應(yīng)電機效率高，減速時采用電磁制動，制動能量可儲存回收。與機械制動和液壓傳動的節(jié)流調(diào)速相比，可大大節(jié)省能量。

傳統(tǒng)機械式壓裝單元，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，不僅會在液壓泵上損失大量能源，也會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)濟性

合格的設(shè)備必須要考慮其經(jīng)濟性，而經(jīng)濟性包含兩個部分，即生產(chǎn)成本和使用成本。對于一般裝配生產(chǎn)線而言，在保證工序生產(chǎn)正常運行的情況下，成本最小時，經(jīng)濟性最佳。

不同壓裝單元其市場價值也不一樣，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計出1 個近似成本。對于壓裝單元使用成本，傳統(tǒng)機械式壓裝單元需要定期更換離合器制動器等零部件，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控制單元復雜，液壓油需要每年更換，其密封件易損，維護和保養(yǎng)費用高，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，維護和保養(yǎng)費用較低。其對比見表1。

表1 不同壓裝單元經(jīng)濟性比較表

4.4 典型故障

設(shè)備的功能體現(xiàn)著它在生產(chǎn)活動中存在的價值和對生產(chǎn)的保證程度，故障的頻繁發(fā)生往往會影響企業(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)成本中占比也越來越重，選擇故障率低的壓裝設(shè)備對產(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)和運行原理不同，不同單元典型故障也有著不同之處。傳統(tǒng)機械式壓裝單元存在離合器制動器零件磨損問題、曲軸軸承磨損問題等；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、軸承磨損等問題。

5 結(jié)論

（1）一般生產(chǎn)裝配線上壓裝單元有傳統(tǒng)機械式、液壓式和伺服式3 種類型。3 種結(jié)構(gòu)機身都能在工作載荷下滿足設(shè)計要求的剛度及強度。

（2）與傳統(tǒng)機械式、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入成本高，但其故障率低，使用成本不高，經(jīng)濟性能最優(yōu)。

（4）根據(jù)當今世界上制造生產(chǎn)線呈自動化、連續(xù)化、遙控化的發(fā)展趨勢，我國必須開發(fā)高度集成柔性和自動化的裝配生產(chǎn)線技術(shù)。伺服電機驅(qū)動的壓裝機構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后可以得到較小的電機功率，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。