三轴联动螺母收口机控制系统设计

2011-02-19田丰果陈家兑王自勤冠桂岳李可敬

制造业自动化 2011年3期

田丰果，熊巍，陈家兑，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

（贵州大学机械工程学院，贵阳 550003）

0 引言

自锁螺母作为一种重要的防松方式，越来越广泛的被应用在航天航空等行业。而近年来，随着我国航天航空行业的迅猛发展，自锁螺母的用量越来越大。但国内加工自锁螺母的设备及技术相对落后，生产效率低，工人劳动强度大，产品废品率高，缺乏与自锁收口螺母大批量、现代化生产模式相适应的高性能专用生产装备和技术，已成为企业在自锁收口螺母生产中的瓶颈。收口螺母防松原理如图1所示，螺母收口是在螺纹牙制造好以后，对螺母局部施加径向载荷使其沿径向变形，如图2所示。螺母收口后在收口方向直径尺寸小于螺栓尺寸，当螺栓和螺母装配时收口部位形成过盈配合，径向压紧在螺栓上产生摩擦力而实现防松目的[1]。收口螺母的变形量，变形的稳定性，以及变形后的尺寸精度都是防松效果好坏的关键。因此，加工过程中工艺参数的控制是实现收口螺母变形稳定、收口精度高以及高生产率的一项关键技术。

图2 螺母收口前后示意图

1 螺母收口机控制系统结构

本文设计的控制系统系统框图如图3所示。该系统主要由触摸屏、PLC、AD模块、伺服系统组成，其核心一是该设备需要适应不同型号的螺母收口，要具备一定的通用性，因此，为实现高效的加工，针对不同型号的工件要应用不同的运动参数，通过在线迭代计算筛选最优参数。当参数满足条件时，将这些运动参数赋予加工刀具（压头）和上料机构（转盘、顶杆），使其在不发生干涉的前提下高效高质量的完成自动加工；其核心二是通过AD模块监控伺服电机的实时转矩信号UM，PLC程序再通过算法实现将该转矩信号UM转换成顶杆头部的压力值，在程序中设置适合的顶杆压力过载保护值，防止由于工人误操作设备而带来的损坏。用相同的方法设置过载保护值以及设计保护程序预防转盘被工件卡住或是压头加工设计范围以外的螺母而给设备带来的损坏。

2 控制系统的实现

2.1 设备工作流程

三轴联动螺母收口机的工作流程如图4所示，顶杆以速度Vd1从上位置Sd1向下运动，同时转盘和压头分别以Wp和Vt1的速度向加工位运动ΘP1和St1。在顶杆头部运动到位置Sd2刚要接触到处于转盘工位孔内的待加工工件时，转盘要转到并停止在转盘的加工位ΘP1，然后由顶杆将工件顶到加工位Sd3，在工件刚到达加工位的同时，压头也要进给到加工位St2。压头再以用户设定的工进速度和收口量对螺母进行收口。当收口完毕，保压结束后，压头以Vt2速度快退到装卸位St1，同时顶杆以Vd2速度回退到上位置Sd1，当顶杆回退到Sd2位置时，转盘开始转动到下一个工件的加工位ΘP2，然后顶杆又向下运动，将工件顶到加工位进行收口，如此循环实现自动加工。

图3 控制系统结构框图

图4 工作流程图

2.2 控制算法的设计

在自动加工过程中，只有压头挤压工件收口的过程属于加工过程，其他过程都属于加工中的空行程段。为了提高工作效率，必须尽量缩短空行程。因此，各运动部件的运动参数必须经过准确的在线计算，才能使各运动部件的运动在时间和逻辑上满足要求，便且实现高效的加工。为了计算方便，将顶杆的零点位置设在当顶杆下行弹簧顶杆不能收缩时，弹簧顶杆的上表面处，压头的零点位置设在弹簧托杆的轴线处，转盘的零点位置设在转盘ΘP1处。工作时，要求用户从触摸屏输入工件收口处的外径D，工件的轴向长度L，第一阶梯段轴向长度L1和收口量W时，设备各部件的运动参数计算时要满足不等式方程组：

图5 迭代程序图

这些数据在PLC中运算前，要将其通过传动系统的减速比、滚珠丝杠的导程、传动斜面的传动角等参数的转换运算后，使其转换成脉冲数再进行进一步计算。在满足上面不等式方程组和所选电机的额定转速又让所选各部件的空行程速度尽量大的前提下，速度参数的选取采取数值迭代的方法。迭代计算从各部件能达到的最大速度向小速度进行迭代，直至满足上面不等式方程组为止，然后让电机按照此参数工作。程序的实现如图5所示。