1.工藝介紹

　　傳統(tǒng)的汽缸蓋導(dǎo)管、閥座壓裝工藝，將氣缸蓋加熱到300度左右，用液態(tài)氮冷卻導(dǎo)管閥座，利用熱脹冷縮原理，將導(dǎo)管閥座壓裝氣缸蓋導(dǎo)管閥座底孔中去，溫度平衡后，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管、閥座與汽缸蓋底孔的過盈配合。隨著汽車加工工藝的不斷發(fā)展，目前逐步采用了導(dǎo)管、閥座涂油冷壓工藝，直接實(shí)現(xiàn)兩者之間的過盈配合效果。各主要參數(shù)見表1。

　　表1工藝參數(shù)表

　　2.設(shè)備簡介

　　機(jī)床從功能上分成兩大部分：

　　2.1 導(dǎo)管、閥座自動(dòng)輸送部分

　　自動(dòng)輸送部分主要功能是將儲(chǔ)料箱內(nèi)的導(dǎo)管、閥座進(jìn)行篩選后吹氣傳送到壓裝部分，然后控制小機(jī)械手將料抓起，放到壓裝部分的壓頭上，基本動(dòng)作采用SiemensPLC S300可編程控制，諸多氣動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，光電開關(guān)檢測狀態(tài)，在這里就不做重點(diǎn)介紹。

　　2.2 自動(dòng)壓裝部分

　　壓裝部分的主要功能是將導(dǎo)管、閥座壓入缸蓋底孔內(nèi)，是機(jī)床的核心控制部分，決定了機(jī)床的壓裝深度及加工節(jié)拍。為保證導(dǎo)管、閥座與底孔的有效配合，機(jī)床采用了HBM力矩監(jiān)測系統(tǒng)，模擬壓裝深度與力矩的變化曲線，使壓裝整個(gè)過程處于受控狀態(tài)。

　　機(jī)床每個(gè)工位設(shè)有2個(gè)伺服軸X、Z。其中X軸采用永磁式直線交流伺服電動(dòng)機(jī)，其電動(dòng)機(jī)可視為將旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定子沿徑向剖開，并將圓周展開成直線作定子級(jí)，用一導(dǎo)電金屬平板代替轉(zhuǎn)子作轉(zhuǎn)子滑臺(tái)。X軸攜帶缸蓋在水平方向運(yùn)動(dòng);Z軸驅(qū)動(dòng)壓裝頭在垂直方向進(jìn)行壓裝。因?yàn)榛_(tái)行程較長，一般的光柵尺無法適配，檢測元件采用英國Renishaw光柵尺RGH22，雙讀數(shù)頭模式，測量精度最高可達(dá)到50nm。導(dǎo)管、閥座壓裝深度由Siemens611U數(shù)控單元控制。

　　壓裝力矩傳感器由力矩傳感器測量力矩，Renishaw光柵尺測量位置，信號(hào)傳遞到智能模塊HBM處理，形成以壓裝行程為橫坐標(biāo)，力矩為縱坐標(biāo)的力矩位移曲線，選擇合適的力矩位移曲線區(qū)間，達(dá)到控制壓裝深度、壓裝力矩曲線的目的。當(dāng)力矩不在設(shè)定矩形區(qū)間時(shí)，HBM向PLC發(fā)出壓裝故障信號(hào)，設(shè)備報(bào)警自動(dòng)停止，提示操作人員檢查干預(yù)，防止因孔與導(dǎo)管、閥座配合不好而導(dǎo)致不合格品流到用戶手中。伺服控制壓裝深度及力矩監(jiān)控如圖1。

　　圖1 深度及力矩監(jiān)控

　　圖示中Renishow讀數(shù)頭1、2安裝在Z軸滑臺(tái)的同一個(gè)支架上，同步運(yùn)動(dòng)，光柵尺采用Renishow銅尺，直接貼在不動(dòng)的機(jī)床本體上。兩個(gè)讀數(shù)頭反饋的是同一個(gè)位移信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控深度與力矩檢測的位置同步測量。

　　3. Profibus控制系統(tǒng)及各單元介紹

　　機(jī)床控制系統(tǒng)主要是由兩個(gè)S7-300 PLC組成，床身部分和發(fā)料機(jī)構(gòu)部分，兩個(gè)PLC之間通過Profibus DP總線來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。控制壓裝部分的PLC作為Profibus主站，而控制輸送部分的PLC為它的從站，通過數(shù)據(jù)發(fā)送與接收實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換.

　　PROFIBUS 是德國 90 年代初制定的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn), 1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170，1999年底成為國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61158 的組成部分，已被全世界接受。2001年11月，PROFIBUS被批準(zhǔn)為中國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是中國第一個(gè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS-DP廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散 I/O 之間通信設(shè)計(jì)，可取代價(jià)格昂貴的 24V 或 0～20mA 并行信號(hào)線，用于分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。

　　PLC元件采用Siemens S315-2DP，其CPU模塊集成的DP口組成Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了各獨(dú)立單元的快速準(zhǔn)確通訊，從而使機(jī)床的各個(gè)部件形成一個(gè)有機(jī)整體，具體的硬件配置如圖2。

　　圖2 PLC硬件配置圖

　　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用Siemens611U，作為老牌驅(qū)動(dòng)廠家，611U是可以靈活配置的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合要求，組合選擇不同的配置，形成各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)，既可以與數(shù)控系統(tǒng)組合，也可以與PLC組合使用，同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)線性軸伺服電機(jī)和主軸電機(jī)。為減少投資，設(shè)備采用611U與數(shù)控組合使用，同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)IFK7伺服電機(jī)，形成擁有4個(gè)獨(dú)立數(shù)控軸的伺服驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)。

　　611U驅(qū)動(dòng)硬件接口中，X411連接Z軸電機(jī)編碼器速度信號(hào)，X412連接磁尺反饋回的位置信號(hào)，X423通過Profibus接口模塊與PLC連接進(jìn)行通訊，X471串行接口，用于調(diào)試軟件“SimoCom U”的串行通訊。

　　硬件示意如圖3。

　　圖3 611U硬件接口及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖

　　為實(shí)現(xiàn)功能，必須選擇必要的電氣元件，型號(hào)見表2。

　　表2電氣元件型號(hào)

　　為實(shí)現(xiàn)PC與驅(qū)動(dòng)的通訊，我們必須借助Simens軟件SimoCom U。該軟件是一種用于設(shè)定參數(shù)和啟動(dòng)系統(tǒng)的工具，具有很強(qiáng)的易用性和功能性。同時(shí)，由于導(dǎo)管、閥座的壓裝過程各不相同，為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管和閥座的壓裝，編制不同的數(shù)控程序塊，然后通過PLC的判斷及控制，調(diào)用611U的不同程序塊來實(shí)現(xiàn)。611U系統(tǒng)提供0-63共64個(gè)程序塊供用戶編輯使用，每個(gè)程序塊有9個(gè)項(xiàng)目，系統(tǒng)中有參數(shù)與程序塊中的項(xiàng)目一一對(duì)應(yīng)。因此用戶可以通過輸入?yún)?shù)的方法來編輯程序塊，但運(yùn)用這種方法必須對(duì)參數(shù)及其與程序塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系非常清楚，否則無法編輯。另外用戶還可以使用SimoCom U軟件，非常方便、直觀地編輯程序塊。下面具體介紹611U程序塊的9個(gè)項(xiàng)目：

　　(1) No：表示程序塊號(hào);

　　(2) Command：指定該程序塊的指令類型;

　　(3) Parameter：與指令類型對(duì)應(yīng)的參數(shù);

　　(4) Mode：位置控制模式;

　　(5) Position：位置值;

　　(6) Velocity：運(yùn)動(dòng)速度值;

　　(7) Accel：加速度百分比;

　　(8) Decel：減速度百分比;

　　(9) Continue：指令結(jié)束類型。

　　我們可以通過通訊軟件，對(duì)導(dǎo)管、閥座的程序進(jìn)行編輯，程序編輯比較簡單，通過定義表單中的9個(gè)項(xiàng)目，達(dá)到利用驅(qū)動(dòng)控制伺服軸運(yùn)動(dòng)的目的。

　　(1)快進(jìn)，使壓頭接近工件：

　　快進(jìn)程序塊號(hào)為56，指令為位置控制(POSITION)，位置控制方式下沒有參數(shù)相對(duì)應(yīng)，位置控制模式是絕對(duì)坐標(biāo)(ABSOLUTE)，位置值是213mm，運(yùn)動(dòng)速度10000mm/min，加、減速度百分比都是100%，指令結(jié)束類型為END，表示執(zhí)行完該程序塊后就結(jié)束執(zhí)行。

　　(2)壓裝閥座：

　　閥座壓裝程序塊號(hào)為1，指令為位置到達(dá)時(shí)檢測壓裝力 (FIXED ENDSTOP)，參數(shù)設(shè)置壓裝力值為1000N，指令結(jié)束類型為運(yùn)動(dòng)停止而程序繼續(xù)向下執(zhí)行(CONTINUE WITH STOP)。該程序塊運(yùn)行時(shí)，首先電機(jī)運(yùn)行到達(dá)222mm的位置，到達(dá)的同時(shí)監(jiān)控壓力值是否到達(dá)1000N，如果壓力小于1000N驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警;如果壓力大于1000N則程序繼續(xù)向下執(zhí)行。

　　(3)導(dǎo)管閥座：

　　導(dǎo)管壓裝程序塊號(hào)為3，指令為位置控制(POSITION)，模式是絕對(duì)坐標(biāo)(ABSOLUTE)，位置值是260.15mm，運(yùn)動(dòng)速度9000mm/min，加、減速度百分比都是100%，指令結(jié)束類型為運(yùn)動(dòng)停止而程序繼續(xù)向下執(zhí)行(CONTINUE WITH STOP)。　　

　　從以上程序我們可以看出閥座的壓裝過程要同時(shí)保證壓裝位置和壓裝力，這樣才能滿足加工工藝要求。而導(dǎo)管的壓裝過程只需保證壓裝位置。

　　4. HBM智能監(jiān)控單元及調(diào)試元件

　　4.1工作原理及控制方式

　　HBM監(jiān)控單元在壓裝過程中實(shí)時(shí)采集壓裝位置和壓裝力信號(hào)，并且模擬出以位置為橫坐標(biāo)X軸，壓裝力為縱坐標(biāo)Y軸的2維壓裝曲線。通過參數(shù)設(shè)定監(jiān)控曲線經(jīng)過的區(qū)域來判斷壓裝質(zhì)量的好壞。系統(tǒng)選用帶Profibus DP口的MP85DP HBM監(jiān)控模塊，該模塊有兩個(gè)輸入通道，通道1連接磁尺讀頭反饋回來的脈沖方波信號(hào)來監(jiān)控壓裝位置;通道2連接壓力傳感器反饋回來的模擬電壓信號(hào)來監(jiān)控壓裝力。

　　4.2 參數(shù)設(shè)置及調(diào)試監(jiān)控軟件PME Assistant

　　利用PME Assistant軟件可以使PC機(jī)通過USB適配器連接到HBM單元上，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)監(jiān)控，HBM系統(tǒng)提供32組曲線參數(shù)可供用戶編輯、選擇，每一組參數(shù)可以設(shè)定若干個(gè)曲線的窗口，對(duì)采樣的曲線進(jìn)行判斷。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，壓裝閥座使用的是HBM的第1組參數(shù)，參數(shù)設(shè)置了兩個(gè)曲線窗口：接近窗口和結(jié)束窗口(見圖8)，參數(shù)中指定曲線必須從接近窗口的左邊或者下邊進(jìn)入窗口從右邊穿過窗口，然后在結(jié)束窗口里結(jié)束，否則就判斷該閥座壓裝不合格。

　　圖4 HBM閥座壓裝曲線圖

　　導(dǎo)管壓裝使用的是HBM的第2組參數(shù)，參數(shù)設(shè)置了壓力和位置兩個(gè)窗口(如圖9)，壓裝曲線必須穿過壓力窗口，在位置窗口結(jié)束，這樣就能精確的保證導(dǎo)管的壓裝深度。

　　圖5 HBM導(dǎo)管壓裝曲線圖

　　5.結(jié)束語

　　通過HBM智能模塊及伺服驅(qū)動(dòng)反饋系統(tǒng)，我們能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的位置、力矩控制系統(tǒng)。同時(shí)，直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)也逐漸在機(jī)械加工中得到運(yùn)用。新技術(shù)的運(yùn)用，自動(dòng)化儀表與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，使機(jī)床自動(dòng)化更加豐富。借助現(xiàn)場總線控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得監(jiān)控系統(tǒng)更加完善，機(jī)床自動(dòng)化設(shè)計(jì)也更加豐富多彩，逐步向遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o人職守自動(dòng)化工廠發(fā)展。