1.工藝介紹

　　傳統的汽缸蓋導管、閥座壓裝工藝，將氣缸蓋加熱到300度左右，用液態氮冷卻導管閥座，利用熱脹冷縮原理，將導管閥座壓裝氣缸蓋導管閥座底孔中去，溫度平衡后，實現導管、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展，目前逐步采用了導管、閥座涂油冷壓工藝，直接實現兩者之間的過盈配合效果。各主要參數見表1。

　　表1工藝參數表

　　2.設備簡介

　　機床從功能上分成兩大部分：

　　2.1 導管、閥座自動輸送部分

　　自動輸送部分主要功能是將儲料箱內的導管、閥座進行篩選后吹氣傳送到壓裝部分，然后控制小機械手將料抓起，放到壓裝部分的壓頭上，基本動作采用SiemensPLC S300可編程控制，諸多氣動執行元件實現動作，光電開關檢測狀態，在這里就不做重點介紹。

　　2.2 自動壓裝部分

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

　　機床每個工位設有2個伺服軸X、Z。其中X軸采用永磁式直線交流伺服電動機，其電動機可視為將旋轉電動機定子沿徑向剖開，并將圓周展開成直線作定子級，用一導電金屬平板代替轉子作轉子滑臺。X軸攜帶缸蓋在水平方向運動;Z軸驅動壓裝頭在垂直方向進行壓裝。因為滑臺行程較長，一般的光柵尺無法適配，檢測元件采用英國Renishaw光柵尺RGH22，雙讀數頭模式，測量精度最高可達到50nm。導管、閥座壓裝深度由Siemens611U數控單元控制。

　　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，信號傳遞到智能模塊HBM處理，形成以壓裝行程為橫坐標，力矩為縱坐標的力矩位移曲線，選擇合適的力矩位移曲線區間，達到控制壓裝深度、壓裝力矩曲線的目的。當力矩不在設定矩形區間時，HBM向PLC發出壓裝故障信號，設備報警自動停止，提示操作人員檢查干預，防止因孔與導管、閥座配合不好而導致不合格品流到用戶手中。伺服控制壓裝深度及力矩監控如圖1。

　　圖1 深度及力矩監控

　　圖示中Renishow讀數頭1、2安裝在Z軸滑臺的同一個支架上，同步運動，光柵尺采用Renishow銅尺，直接貼在不動的機床本體上。兩個讀數頭反饋的是同一個位移信號，實現數控深度與力矩檢測的位置同步測量。

　　3. Profibus控制系統及各單元介紹

　　機床控制系統主要是由兩個S7-300 PLC組成，床身部分和發料機構部分，兩個PLC之間通過Profibus DP總線來進行數據交換。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，通過數據發送與接收實現數據交換.

　　PROFIBUS 是德國 90 年代初制定的國家工業現場總線協議標準, 1996年成為歐洲標準 EN50170，1999年底成為國際標準 IEC61158 的組成部分，已被全世界接受。2001年11月，PROFIBUS被批準為中國機械行業標準，是中國第一個現場總線標準。PROFIBUS-DP廣泛用于自動控制系統和設備級分散 I/O 之間通信設計，可取代價格昂貴的 24V 或 0～20mA 并行信號線，用于分布式控制系統數據傳輸。

　　PLC元件采用Siemens S315-2DP，其CPU模塊集成的DP口組成Profibus-DP網絡，實現了各獨立單元的快速準確通訊，從而使機床的各個部件形成一個有機整體，具體的硬件配置如圖2。

　　圖2 PLC硬件配置圖

　　驅動系統采用Siemens611U，作為老牌驅動廠家，611U是可以靈活配置的伺服驅動系統，用戶可以根據不同的應用場合要求，組合選擇不同的配置，形成各種不同的應用系統，既可以與數控系統組合，也可以與PLC組合使用，同時可以驅動線性軸伺服電機和主軸電機。為減少投資，設備采用611U與數控組合使用，同時驅動4個IFK7伺服電機，形成擁有4個獨立數控軸的伺服驅動數控系統。

　　611U驅動硬件接口中，X411連接Z軸電機編碼器速度信號，X412連接磁尺反饋回的位置信號，X423通過Profibus接口模塊與PLC連接進行通訊，X471串行接口，用于調試軟件“SimoCom U”的串行通訊。

　　硬件示意如圖3。

　　圖3 611U硬件接口及系統網絡連接圖

　　為實現功能，必須選擇必要的電氣元件，型號見表2。

　　表2電氣元件型號

　　為實現PC與驅動的通訊，我們必須借助Simens軟件SimoCom U。該軟件是一種用于設定參數和啟動系統的工具，具有很強的易用性和功能性。同時，由于導管、閥座的壓裝過程各不相同，為實現導管和閥座的壓裝，編制不同的數控程序塊，然后通過PLC的判斷及控制，調用611U的不同程序塊來實現。611U系統提供0-63共64個程序塊供用戶編輯使用，每個程序塊有9個項目，系統中有參數與程序塊中的項目一一對應。因此用戶可以通過輸入參數的方法來編輯程序塊，但運用這種方法必須對參數及其與程序塊的對應關系非常清楚，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個項目：

　　(1) No：表示程序塊號;

　　(2) Command：指定該程序塊的指令類型;

　　(3) Parameter：與指令類型對應的參數;

　　(4) Mode：位置控制模式;

　　(5) Position：位置值;

　　(6) Velocity：運動速度值;

　　(7) Accel：加速度百分比;

　　(8) Decel：減速度百分比;

　　(9) Continue：指令結束類型。

　　我們可以通過通訊軟件，對導管、閥座的程序進行編輯，程序編輯比較簡單，通過定義表單中的9個項目，達到利用驅動控制伺服軸運動的目的。

　　(1)快進，使壓頭接近工件：

　　快進程序塊號為56，指令為位置控制(POSITION)，位置控制方式下沒有參數相對應，位置控制模式是絕對坐標(ABSOLUTE)，位置值是213mm，運動速度10000mm/min，加、減速度百分比都是100%，指令結束類型為END，表示執行完該程序塊后就結束執行。

　　(2)壓裝閥座：

　　閥座壓裝程序塊號為1，指令為位置到達時檢測壓裝力 (FIXED ENDSTOP)，參數設置壓裝力值為1000N，指令結束類型為運動停止而程序繼續向下執行(CONTINUE WITH STOP)。該程序塊運行時，首先電機運行到達222mm的位置，到達的同時監控壓力值是否到達1000N，如果壓力小于1000N驅動系統出現報警;如果壓力大于1000N則程序繼續向下執行。

　　(3)導管閥座：

　　導管壓裝程序塊號為3，指令為位置控制(POSITION)，模式是絕對坐標(ABSOLUTE)，位置值是260.15mm，運動速度9000mm/min，加、減速度百分比都是100%，指令結束類型為運動停止而程序繼續向下執行(CONTINUE WITH STOP)。　　

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

　　4. HBM智能監控單元及調試元件

　　4.1工作原理及控制方式

　　HBM監控單元在壓裝過程中實時采集壓裝位置和壓裝力信號，并且模擬出以位置為橫坐標X軸，壓裝力為縱坐標Y軸的2維壓裝曲線。通過參數設定監控曲線經過的區域來判斷壓裝質量的好壞。系統選用帶Profibus DP口的MP85DP HBM監控模塊，該模塊有兩個輸入通道，通道1連接磁尺讀頭反饋回來的脈沖方波信號來監控壓裝位置;通道2連接壓力傳感器反饋回來的模擬電壓信號來監控壓裝力。

　　4.2 參數設置及調試監控軟件PME Assistant

　　利用PME Assistant軟件可以使PC機通過USB適配器連接到HBM單元上，對其進行參數設置和實時監控，HBM系統提供32組曲線參數可供用戶編輯、選擇，每一組參數可以設定若干個曲線的窗口，對采樣的曲線進行判斷。

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

　　圖4 HBM閥座壓裝曲線圖

　　導管壓裝使用的是HBM的第2組參數，參數設置了壓力和位置兩個窗口(如圖9)，壓裝曲線必須穿過壓力窗口，在位置窗口結束，這樣就能精確的保證導管的壓裝深度。

　　圖5 HBM導管壓裝曲線圖

　　5.結束語

　　通過HBM智能模塊及伺服驅動反饋系統，我們能實現較為復雜的位置、力矩控制系統。同時，直線進給伺服驅動也逐漸在機械加工中得到運用。新技術的運用，自動化儀表與伺服驅動技術的有機結合，使機床自動化更加豐富。借助現場總線控制技術，計算機網絡使得監控系統更加完善，機床自動化設計也更加豐富多彩，逐步向遠程監控無人職守自動化工廠發展。