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铆钉压入机传动系统的设计及研究.pdf

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铆钉压入机传动系统的设计及研究.pdf

铆钉压入机传动系统的设计及研究冯淑敏谈理赵莉萍上海应用技术学院机电工程学院,上海200235TherivetpressmachinethedesignanddevelopmentoftransmissionsystemFENGShumin,TANLi,ZHAOLipingSchoolofMechanicalandElectricalEngineering,ShanghaiInstituteofTechnology,Shanghai200235,China文章编号10013997200810011302【摘要】针对某底座零件的自动送料及铆压加工过程设计研制了专用铆钉压入机,其传动系统通过采用交流伺服驱动系统、滚珠丝杠、直线导轨等装置,通过惯量匹配的研究、电机转速的调试、滚珠丝杠的消隙和支承方式的合理设计,解决了自动、高效、往返送料及精确定位的难题通过采用光电传感器技术和PLC技术解决了每次送料基点一致性的问题,定位精度可达5μm。关键词铆钉压入机传动系统定位精度惯量匹配【Abstract】AnespecialRivetPressMachineisdesignedanddevelopedtosolveanbaseseatautomatictransportingandrivetpressing.Thetransmissionsystemincludestheservodrivesystem,theballscrew,thelinearguide,etc.Throughtheresearchofinertiamatching,debuggingthemotorspeed,eliminatingthegapofballscrew,reasonabledesigningofthebearingtype,thissystemcansolveautomatic,highefficient,backandforthtransportingmaterialsandexactpositioning.AdoptinglightelectricitysensorandPLCtechnologysolvedtheproblemofthebasepointconcordanceduringeachtransportingmaterials,Therepeatpositioningprecisioncanbe5μm。KeyworksRivetpressmachineTransmissionsystemPositioningprecisionInertiamatching来稿日期20071216中图分类号TH12文献标识码A自动送料是指将物料或被加工工件自动输送到指定工位进行指定的加工工序,送料过程不但要实现高效率、自动化,还要达到较高的定位精度,而高效、高精度的传动系统的设计是实现上述目标的重要环节。线路板底座是SONY公司一款最新的游戏机上的一个重要零件,底座上沿圆周均布的三个孔已加工出,现需将三个铁制铆钉铆压在三个孔内。在生产批量不大的情况下,公司原本采由操作工人逐个将该底座放在铆压机下进行铆压,即手工送料,工人劳动强度大,生产效率低下,而且必须使铆压机的工作部分即三个铆柱中心与三孔中心重合,否则会出现铆钉歪斜或将铆钉损坏现象.随着市场需求的不断增加,生产批量的不断扩大,SONY公司决定研制专用设备,即专用铆钉压入机,该设备的作用是集自动送料、自动铆压、自动控制于一体。本文就自动送料部分即铆钉压入机传动系统的设计进行了深入的研究,该部分的功能主要是自动输送底座零件至铆压工位,并达到要求的定位精度5μm。1传动系统设计1.1自动送料过程分析每个待加工工件,依次进入铆钉压入机的铆压工站,工件需在工站内停留短暂时间以完成铆压过程,随后铆压工站复位,工件离开该工站。因生产效率要求较高,为1600件/h,因此考虑本台设备设置两个铆压工站,可同时加工两个工件,另外增加反向送料,可消除空行程,提高输送效率。由此可见,送料过程属双向、间歇送料。为确保三个铆柱中心分别与三孔中心重合,必须保证工件在铆压工站内的精确位置,即送料的定位精度问题但即使送料精度很高,如果每次送料的基准点不同,仍会出现上述问题,即送料的重复定位精度问题。1.2调速系统的选择为满足生产率的需求,本文共设计了8套载具,可同时运送8个工件,8套载具需要间歇运动5次才能依次通过铆压工站,其中有4次铆压工站要工作,当8套载具完全离开铆压工站时,需要取下铆压好的产品,再放上8件待铆压的产品,然后反向送料,其工作过程与正向送料完全相同。因此可以看出一次往返送料过程可输送16件产品,共需10次间歇送料,铆压工站工作8次。由此可知,若每小时加工1600件产品,必须往返送料100次,间歇送料1000次,铆压工站工作800次。根据以上分析,生产效率要求较高,这就需要电机有较高的转速工件到达铆压工站指定位置时,需要电机制动迅速,否则将出现铆钉铆偏的现象加工结束后,电机能够快速启动,即要求电机具有较快的响应速度,并能承受频繁的启动、制动并且送料过程是双向送料,所以要求电机能够承受频繁的正反转除此之外,应严格控制电机的正反转时间,以精确控制工件的传送距离,即高定位精度问题,而普通电机无法满足上述要求。交流伺服系统由伺服驱动单元驱动器及伺服电机构成,驱MachineryDesignManufacture机械设计与制造第10期2008年10月113123456789危险转速临界转速危险轴向载荷容许轴向载荷固定支承动器接受上位控制系统的各种指令,进行综合运算及处理,最终形成伺服电机所需的电流输出,从而对电机的速度,位置,转矩进行快速精确有效的控制,从而驱动负载产生所希望的运动。交流伺服系统具备响应速度快,大范围的调速和位置控制能力。驱动器应用先进数字信号处理器控制,采用智能功率模块技术,系统具备高可靠性,电磁兼容性好,软件升级灵活方便。伺服电机具备优良的控制特性响应速度快、定位精度高、低速匀速性好、过载能力强、在额定转速范围内具备恒力矩、运行平稳、振动噪声小。故采用交流伺服系统驱动的伺服电机完全可以满足本设计的要求。1.3传动部分的结构设计与其它传动方式相比,滚珠丝杠螺母副传动存在如下优点1传动效率高,传动灵敏平稳,工作寿命长。2启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给,即传动精度高。3滚珠丝杠副可以施加预压使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性。4滚珠丝杠副由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给。5故障率很低,维修保养也较简单,只需进行一般的润滑和防尘。设计中要求送料的精度较高,送料距离较远,而且正反两个方向均需输送工件,要求传动装置能实现频繁的正反转,因此本文选择了滚珠丝杠螺母副的传动方式。为了达到高速驱动目的,使用20mm的大导程滚珠丝杠副。伺服电机转动通过联轴器带动丝杠螺母副产生直线进给运动,再通过连杆、连接头、载具等将运动传递到工件上,从而带动工件依次通过铆压工站,完成送料过程。传动部分原理,如图1所示。图1铆压机传动原理图1.伺服电机2.联轴器3.载具4.连接头5.连杆6.滚珠丝杠7.螺母8.直线导轨9.滑块2关键问题的解决2.1机械传动部分的惯量匹配计算根据牛顿第二定律进给系统所需转矩T等于系统的转动惯量J乘以角加速度,即TJ角加速度影响系统的动态特性越小,则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长,即系统反应越慢。如果变化,则系统反应将忽快忽慢,影响定位精度。当进给伺服电机选定后,T的最大值不变,如果希望的变化小,则转动惯量J应该尽量小。机械设计时在不影响系统刚度的条件下,应尽量减小惯量。惯量J由伺服电机的惯量JM与进给系统负载惯性动量JL两部分组成JJMJL伺服电机选定后,JM为定值,而JL则随负载改变而变化。如果希望J的变化率小些,则最好使JL所占比例小些。这就是进给伺服系统中电动机转子的转动惯量与负载惯量匹配原则。即JM大于JL,但也不是越大越好。因JM越大,总惯量J也越大。这将影响系统的灵敏性和稳定性。为此,进给系统负载惯量应满足下列匹配条件1JMJL4因此,在伺服系统选型时,除考虑电机的扭矩和额定速度等等因素外,还需要先计算机械系统换算到电机轴的惯量,再根据机械系统的实际动作要求及加工件质量要求来具体选择具有合适惯量大小的电机此点在要求高速高精度的系统上表现尤为突出。通常进给系统的负载惯量JL较大,常用的办法是在电机与丝杠间加一减速器以降低JL。但本文中考虑到送料精度要求较高,可不用减速器,简化传动机构构,以减少过多的传动环节所造成的传动精度下降问题,但同时必须满足惯量匹配的条件,因此本文选择了大惯量的伺服电机120MB150A2CE6E型,JM252kg.cm2。折算到电动机轴的负载惯量包括三部分,即联轴器和丝杠的转动,丝杠螺母及其驱动零部件的直线移动,即JLJ1J2J3。其中,J13.74kg.cm2,J255.57kg.cm2,直线移动部件包括连杆、连接头、载具、工件等,则J36.4kg.cm2,JL65.7kg.cm2。则1JMJL3.84,由此可见,采取伺服电机直联滚珠丝杠的传动方式是完全可以满足惯量匹配条件的。2.2提高送料精度的措施在电气方面采用交流伺服系统来提高传动系统定位精度的同时,在滚珠丝杠副、直线导轨等机械部分也采取了一些相应措施。2.2.1滚珠丝杠螺母副通过消除轴向间隙和预拉伸以补偿热变形的方法可获得较高的定位精度和重复定位精度。2.2.2传动部分的支承问题应设计要求,考虑到八个载具必须依次通过铆压工站,送料距离较远,达2.5m,所以滚珠丝杠传动部分相应较长,长度设计为2.7m,这样势必需要考虑丝杠的支承问题。由于滚珠丝杠的支承跨距较长,而且长时间高速运转会产生大量的热量,丝杠有较大的热胀冷缩量,因此本文采用一端固定,一端游动的轴承组合结构,丝杠变形后可向后端自由伸长,保证送料的精度,如图2所示。图2轴承一端固定一端游动2.2.3电机工作转速的选择铆钉压入机经过多次的调试,发现电机转速在600rpm左右,丝杠运转基本无振动及噪声,1000rpm左右丝杠运转有轻微振动及噪声,1500rpm左右丝杠运转有较大振动及噪声,后两种转速将对传动精度影响较大,因此选择电机的工作转速在545rpm,即满足生产率的要求,又保证了一定的传动精度。第10期冯淑敏等铆钉压入机传动系统的设计及研究114制动盘平衡槽深对频率的影响陈雷杨林刘智大连工业大学机械工程与自动化学院,大连116034TheinfluencetothedepthofcompensatinggroovetothefrequencyofbrakediscCHENLei,YANGLin,LIUZhiSchoolofMechanicalEngineeringautomation,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China文章编号10013997200810011502【摘要】现代汽车的发展对制动盘性能的要求不断提高,制动盘性能优劣直接影响到汽车行驶的安全性、稳定性、舒适性。制动盘各项性能对质量都会产生影响。因此平衡槽深的选取对整个制动盘的动平衡以及制动盘的整体性能都会有一定的影响。分析了制动盘平衡槽深的选取对制动盘频率的影响。关键词制动盘平衡槽动平衡频率【Abstract】Thedevelopmentofmodemautomobilebringsforwardhigherrequestfortheautomobilebrakedisc.Theperformanceofbrakediscaffectsthesecurity,stabilityandcomfortofsteer.Everyperformanceofbrakedisccaninfluencetothequality.Therefore,Thedepthselectionofthecompensatinggroovecaninfluencethedynamicbalanceandtheentireperformanceofthebrakedisc.Itanalyzedtheinfluencetothedepthofcompensatinggroovetothefrequencyofbrakedisc.KeywordsBrakediscCompensatinggrooveDynamicbalanceFrequency中图分类号TH16,U270.35文献标识码A来稿日期200712251引言制动盘是车辆基础制动重要元器件,其运行性能至关重要。在车辆行驶过程中,制动盘的离心力和离心力矩会导致动载荷的增加、磨损加剧、振动和噪声等,缩短使用寿命,严重时甚至会影响到行车安全。动平衡是一项较为重要的工序,它直接关系到成品质量。实际加工过程中牵扯到的其他一些非主要因素,也能对固定传感器接收端遮光片发射端2.2.4直线导轨的选择中载具拖动工件沿直线导轨运动完成最终的送料过程。滚动直线导轨副速度稳定,运动轻快、灵活、平稳,在起动时无颤动,低速下运动无爬行现象,其整体运动精度高,此外具有较好的承载性能。当施加外加载荷时,可以消除间隙,提高刚性和精度,还可以增加阻尼,以提高抗振性,能轻易地达到μm级的定位精度。在本设计中,选用日本THK株式会社生产的HSR20CA型导轨。2.3送料原点问题如果每次送料的起点不同,则经过相同时间,载具带动工件到达的位置会有所不同,会出现铆压工站工作时铆柱中心偏离孔中心的问题,从而无法保证铆孔的质量即使每次送料的基准点一致,由于传动距离较长,丝杠间隙的累计误差及丝杠螺距累积误差所造成的影响仍无法保证送料的精确位置,故必须采取措施确保每次送料起点的一致性。所以设备接通电源后,必须使工件回到该位置上,这一固定点就是铆钉压入机的工作零点此方法可解决送料的重复定位精度问题。本文采用PLC和传感器技术来解决这一难题。如图3所示,遮光片安装在运送工件的载具上,而传感器固定在铆压机的机架上。设备通电后,当载具带动工件运行到传感器的固定位置时,遮光片就进入到传感器的两翼之间,且挡住发射端发出的光线时,接收端接收不到从发射端发出的光信号,就向可编程控制器PLC提供一个信号,PLC经过运算后,向伺服电机的驱动器发送一个信号,伺服电机停止运转,以此点作为铆压机的零点。此后伺服电机工作,以此点为基准向前送料。机器每次上电,先要搜寻原点进行回零操作。图3传感器工作原理3结论针对高效、高精度铆钉压入机传动系统的设计主要解决了以下几个问题1研究了惯量匹配条件,采用大惯量交流伺服电机直联滚珠丝杠螺母副的传动方式,既简化了传动机构,又满足了伺服电机的惯量与负载惯量相匹配的问题。2采用交流伺服系统可以实现对送料位置的精确控制,并通过试验的方法确定系统平稳运动的电机转速,采用对滚珠丝杠螺母副消除反向间隙、预拉伸的方法和采用固游式支承方式,以及采用滚动直线导轨副等措施来进一步确保高定位精度,定位精度可达5μm。3采用PLC和传感器技术解决了送料基准点的一致性难题,能确保较高的重复定位精度。参考文献1徐锦康.机械设计.北京高等教育出版社,200442舒志兵.交流伺服运动控制系统.北京清华大学出版社,200633卜炎.机械传动装置设计手册.北京机械工业出版社,19994MachineryDesignManufacture机械设计与制造第10期2008年10月115

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