楊 敏 連弘毅 劉丹潔

(①長春汽車工業(yè)高等?？茖W校，吉林長春 130011;②一汽光洋轉(zhuǎn)向裝置有限公司，吉林長春 130011)

1 概述

壓裝機是各種裝配生產(chǎn)線上的常用設備，是在一定壓入力的作用下將各種軸承、油封墊片等零件壓入加工件的工藝孔。然而壓裝機如何能保證壓入件的質(zhì)量卻是個難題。以前壓裝機的壓入力普遍采用電阻橋式壓力傳感器，經(jīng)過信號放大和AD轉(zhuǎn)換，再傳入PLC或一些專用的儀表進行顯示，觸摸屏普及后，將這些壓力信號的曲線通過觸摸屏X/Y趨勢圖顯示出來，但是這樣顯示出的壓入力只是簡單的壓入力上下限比較，壓裝時只要壓入力在預設的上下限之間就判定壓入合格。以下幾種情況雖然壓入力在上下限之間，但壓裝的產(chǎn)品卻不合格。

(1)加工工藝孔尺寸大或壓裝零件尺寸小，壓裝時零件雖然可以壓進工藝孔且壓頭達到規(guī)定行程，這時壓頭已接觸機械極限位，它產(chǎn)生的壓入力在上下限之間，機床判定壓入合格，可是取下成品件稍微用力被壓入的零件就從工藝孔中脫落。

(2)當加工的工藝孔尺寸小或壓裝零件尺寸大，壓裝時因壓入力過大已超過上限發(fā)出報警，但由于壓入力的采樣速度慢對異常壓入力不能及時反映和處理，只能在壓裝到位時才報警，這時工藝孔或壓入零件已損壞，另外過大的壓入力對壓裝機的機械系統(tǒng)也會造成傷害。

(3)如果壓裝機壓頭沒放入壓裝零件，那么也會和(1)一樣壓裝判定合格。

(4)如果壓裝機加工后忘記將零件取下，進行了第二次壓裝，那么也會和(2)一樣壓裝判定不合格，但對零件和壓裝機已造成傷害。

2 F372的引入

2.1 關(guān)于 F372

采用科學的方法對壓入過程中的壓力信號和位移信號進行全程的檢測和控制，是保證壓裝機壓入質(zhì)量的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的壓入力檢測方式顯然已不能滿足壓裝機壓入力檢測的需要，常常會造成批量的壓入件脫落事故，在生產(chǎn)中還經(jīng)常出現(xiàn)假的報警。F372是日本尤尼帕斯株式會社生產(chǎn)的F系列動態(tài)測力控制器之一，型號為F372，(本文簡稱F372)，它是一種通過同電阻應變式傳感器的組合使用，測量各種力、壓強、扭矩、位移等物理量并顯示其波形的動態(tài)測力儀表，具有豐富的保持功能、合格與否的判斷功能。F372的外形及顯示說明如圖1所示。

2.2 F372測力儀表與傳統(tǒng)測力儀表的比較

(1)F372測力儀表對每個瞬間的壓入力值均可處理，具有較高的掃描速度，可達到2 000次/s，傳統(tǒng)的測力儀表一般只能對預置的一個或幾個點的力值進行處理，掃描速度僅為200～300次/s。掃描速度慢使壓入力的檢測只能取壓入終點的壓入力值，不能及時反映每個瞬間的壓入力。如果壓入速度過快，可能會產(chǎn)生錯誤的檢測結(jié)果。在壓入過程中，如果出現(xiàn)異常壓入力，就根本不能反映正確結(jié)果，將會產(chǎn)生前面敘述的缺陷，而且這時觸摸屏X－Y趨勢圖甚至都不能繪制出正常的圖形。

(2)F372的處理能力是傳統(tǒng)測力儀表無法相比的，它既保留了壓入力的上下限比較功能，又具有自己獨特的壓入力處理保持功能，能夠捕捉壓入力變化過程中瞬間出現(xiàn)的特殊點，并保持這些特殊點的狀態(tài)進行處理。檢出這些特殊點，是傳統(tǒng)測力儀表受掃描速度和功能限制所不可能實現(xiàn)的。保持功能對保證壓入質(zhì)量是不可缺少的。

2.3 F372拐點的檢出與保持

2.3.1 拐點的意義

對于軸承、襯套和墊片等壓入零件工藝孔的壓裝機，理想的壓入結(jié)果是把零件完全壓入工藝孔中，又不使壓入力無限增大(零件壓到位后壓入力會繼續(xù)增大)。對應的壓入曲線，要在曲線直線上升之前停止給力，并判定合格，才能達到理想的壓入。壓入過程中理論上可以產(chǎn)生如圖2所示曲線。

在曲線中從C點開始為壓入零件剛進入工藝孔，C到D為壓入零件由淺到深逐漸完全壓入工藝孔中，D點已接近壓入極限，D到E極限壓入力開始直線上升。通常把D點定義為拐點，在壓入過程中以拐點是否出現(xiàn)做為壓入判定依據(jù)，出現(xiàn)拐點時壓裝結(jié)束即為合格，此時壓裝零件已達到工藝孔的最大深度，如果再繼續(xù)壓入，壓入力就會直線上升，對零件和機床造成傷害。

2.3.2 拐點的檢出

如何在壓入曲線上選擇合適的拐點D，要預設D點出現(xiàn)的前后兩個小檢測區(qū)間A和B，A為拐點出現(xiàn)前的檢測區(qū)間，F(xiàn)372稱之為拐點前時間，B為拐點出現(xiàn)后的檢測區(qū)間，F(xiàn)372稱之為拐點后時間，A區(qū)間內(nèi)F372采集的壓入力值變化量為d－c，B區(qū)間內(nèi)F372采集的壓入力值變化量為e－d，那么A B兩個力值變化量差為F=e－d－(d－c)=e－2d+c，我們把F稱之為拐點最小斜率，A、B、F分別在F372系統(tǒng)設定中預設。F372在整個采樣區(qū)間內(nèi)不斷計算A和B兩個小區(qū)間的采樣值變化量差，如果差值大于F，那么A區(qū)間結(jié)束的哪一點D被判定為拐點并保持，在整個采樣區(qū)間內(nèi)可能出現(xiàn)兩個以上的拐點，但F372只保持差值最大的拐點做為判定依據(jù)。

3 壓裝機的控制

根據(jù)壓入零件的特點進行了綜合分析，選用F372測力控制器、OMRON CJIM CPU43PLC及NS8觸摸屏300 mm位移傳感器，20 kN力傳感器來完成壓入力的檢測和控制。

3.1 控制界面

控制界面由觸摸屏顯示，如圖3所示。

3.2 位移傳感器控制壓頭行程

位移傳感器可以精確檢測壓入深度，和壓入力能形成對應關(guān)系，從而可以檢測壓入的瞬時狀態(tài)。壓裝過程首先要保證的是壓入位移，如果壓裝時壓入零件都沒有壓到規(guī)定的深度，那么不管壓入力檢測處理的多么好，出現(xiàn)的拐點多么標準，最終加工出的零件將是廢品，甚至會造成嚴重的質(zhì)量事故，使整個控制失敗。另外前面敘述的缺陷，離開位移量的參與是根本不可能實現(xiàn)的。

3.3 用PLC對壓裝的全行程進行監(jiān)視和控制

采用300 mm位移傳感器將油缸的行程轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰屏總魅隤LC，由PLC對壓裝的全行程進行監(jiān)視和控制。

3.4 用PLC的程序控制F372的工作，F(xiàn)372檢測的結(jié)果再反饋給PLC

F372有一組I/O接口，在壓裝過程中，PLC不斷將采集的壓入位移量與存儲的變速測力位置進行比較，一旦壓入，位移超過變速測力位置，PLC將保持并控制。F372開始采樣和繪圖，在壓裝過程中PLC不斷將采集的壓入位移量與存儲的終點位置和微調(diào)量進行比較，當達到終點位置時，PLC將控制F372停止采樣和繪圖。

3.5 F372的工作時序

F372的工作時序如圖4所示。

3.6 F372 的設定

對應圖5的零件品種工藝技術(shù)要求，壓入力上限18 kN，壓入力下限 1.5 kN，軸承壓入深度 54 ±0.3 mm。

在圖6的曲線中計算拐點所需的設定:

(1)拐前時間A和拐后時間B

每秒采樣2 000次，拐點時間為0.54 s。則:

每次采樣時間=1/2 000=0.000 5 s=0.5 ms

拐前本區(qū)間采樣次數(shù)=(0.54 s－0.48 s)/0.5 ms=60 ms/0.5 ms=120(次)

拐后本區(qū)間采樣次數(shù)=(0.6 s－0.54 s)/0.5 ms=60 ms/0.5 ms=120(次)

拐前時間、拐后時間應滿足以下條件:

0＜A或B＜990且A+B＜1 000，同時A等于或略小于B，A和B盡量選擇小一些的值。

最后經(jīng)過多次試壓比較選擇:A=42 ms，B=56 ms

(2)拐點最小斜率＞f=6.91 kN－2×4.93 kN+4.31 kN=1.36 kN，最后經(jīng)過多次試壓比較選擇2.4 kN。

(3)上限=18 kN，下限=1.5 kN。

(4)將這些設定設置到F372通道中。

3.7 壓入力異常的報警控制

將壓頭的位移通過位移傳感器傳入PLC，那么就可以根據(jù)壓入的位移監(jiān)視壓入力的變化，從而判斷出異常的壓入力。比如技術(shù)要求壓入力下限為1.5 kN，那么壓入力必須得大于1.5 kN。經(jīng)過反復對比發(fā)現(xiàn)，在工藝孔和壓入零件尺寸及設備運行正常情況下，壓入位移大于165.48 mm時，壓入力滿足下限，F(xiàn)372輸出下限信號斷開。根據(jù)這個特性考慮偏差，將圖3觸摸屏設定畫面的第10項中數(shù)值設為168 mm，存入PLC。如果工藝孔尺寸大，壓入零件尺寸小，或忘記放入壓入零件壓裝時，雖然壓頭位移大于該設定，但壓入力未能大于下限值，PLC就會發(fā)出“壓入力過小”報警。如果工藝孔尺寸小，壓入零件尺寸大，或忘記取出合格件而進行第二次壓裝，壓裝時壓入位移在168 mm之前壓入力就會很大，F(xiàn)372輸出下限信號就會斷開(大于下限值提前出現(xiàn))，PLC就會發(fā)出“壓入力過大”報警，這樣前面敘述的缺陷得到解決。壓入力報警控制梯形圖見圖7。

4 結(jié)語

在控制過程中，使F372和壓入位移形成了必然聯(lián)系，F(xiàn)372檢測區(qū)間的開始和結(jié)束都是以滿足位移為條件，力的曲線間接反映了位移變化，F(xiàn)372的引入，減少了開關(guān)抖動和油缸油壓變化帶來的誤差和曲線繪制的失真，有效地解決了過去出現(xiàn)的各種控制缺陷，使控制更加精確，產(chǎn)品的合格率提高了。

［1］UNIPULSE.F372測力控制器使用說明書［Z］.2008.

［2］OMRON.CJIM 系列可編程控制器操作手冊［Z］.2006.

［3］OMRON.CJIM 系列可編程控制器編程手冊［Z］.2006.

［4］OMRON.NS系列可編程終端操作手冊［Z］.2002.

［5］OMRON.NS系列可編程終端編程手冊［Z］.2002.