Servopress 101:основное руководство

Промышленная автоматизация может показаться волшебством, особенно при использовании в сборочных операциях. Узнайте, что вам нужно об основах, чтобы помочь в вашем следующем проекте автоматизации.

Сервомеханизмы лежат в основе автоматизации 21 века. Основные элементы:серводвигатель; устройство для преобразования вращательного движения в поступательное; набор датчиков для обеспечения необходимой обратной связи; контроллер для преобразования данных обратной связи в командные сигналы; и активирующее программное обеспечение. Это «волшебство» высокоскоростных и точных сборочных операций. Благодаря достижениям 21 века в основных компонентах сервопрессы меняют правила игры.

Они не только быстры и точны — они также стали большими. В металлообрабатывающей и штамповочной промышленности сервопрессы доступны с грузоподъемностью до 5000 тонн (4536 метрических тонн), а более крупные агрегаты находятся в стадии разработки. Эти прессы меняют подход пользователей к проектированию процессов, предоставляя инженерам точный контроль силы, скорости и положения в режиме реального времени на протяжении всего хода процесса.

Тридцать лет назад пионеры отрасли объединили прецизионную шарико-винтовую передачу с серводвигателем, энкодером и тензодатчиком, чтобы создать первый электромеханический сборочный пресс (EMAP), разработанный специально для сборочных операций.

Успешные ранние пользователи

Первые пользователи обнаружили, что возможность измерять параметры процесса во время сборки позволила им буквально «клонировать» продукты, сравнивая «сигнатуру» усилия/положения каждой операции с известной исправным циклом и регулируя параметры пресса в режиме реального времени для его дублирования. Эта базовая концепция использовалась в сотнях различных сборочных операций, от простой клепки до установки дорогостоящей электроники. Вот несколько примеров.
Универсальный шарнир в сборе. Универсальный шарнир карданного типа имеет центральную крестовину или «паука», который крепится к паре U-образных рычагов путем вдавливания чашки подшипника через отверстие в рычаге. захватить точеный журнал на «пауке». После сборки чашки подшипников прикрепляются к рычагу, чтобы удерживать их на месте.

Задача состоит в том, чтобы удерживать крестовину по центру рычага, в то время как чашки подшипников запрессованы и зафиксированы. Это достигается с помощью пары EMAP, которые синхронизированы для приложения одинакового усилия к каждой чашке подшипника во время ее вставки. После того, как чашки установлены, крестовина точно центрируется, и EMAP одновременно выполняют операцию фиксации. Поскольку к противоположным ножкам крестовины прикладывается одинаковая сила, она остается в центре, и в результате каждый раз получается хорошая сборка.

Это приложение работает, потому что EMAP контролируются во время работы и регулируются системой управления по силе и положению в режиме реального времени. Данные всего процесса могут быть собраны и сохранены для обеспечения качества, обеспечивая 100-процентную прослеживаемость для каждой сборки. Эти данные также полезны для выявления и исправления аномалий в собираемых деталях, что повышает качество всей цепочки поставок, а также процесса сборки.

Медицинский катетер в сборе:критически важной операцией является процесс обжима, при котором металлическая трубка малого диаметра прикрепляется к большей трубке, которая прикрепляется к гибкой части катетера. Если обжим не идеален, он либо разорвется при натягивании, либо полностью закроет трубку, сделав катетер бесполезным. Постоянное обжатие крошечной металлической трубки на трубку чуть большего размера оказалось монументальной задачей.

Ключом к поддержанию стабильного качества при обжатии катетера был одновременный контроль как величины прилагаемой силы, так и точного положения обжимного инструмента. Как только оба параметра заведомо исправной операции были зафиксированы, «сигнатура» усилия/положения использовалась в качестве эталона для измерения последующих операций.

Обжимная станция на базе EMAP с внешними датчиками положения используется для обжима катетеров. EMAP обеспечивает воспроизводимое усилие обжима, а датчики контролируют инструмент, чтобы убедиться, что обжим не слишком мелкий и не слишком глубокий. Результатом является 100-процентная сертификация испытаний каждого произведенного катетера и фактическое устранение ошибок обжима в полевых условиях.

Заклепочный шаровой шарнир в сборе:автомобильные шаровые шарниры в сборе являются важными с точки зрения безопасности компонентами, которые обычно крепятся к верхним и нижним рычагам подвески с помощью заклепок. Существует три возможных режима отказа:1) заклепка может быть слишком длинной или слишком короткой, 2) заклепка может быть слишком твердой или слишком мягкой и 3) заклепка может полностью отсутствовать. Поскольку сборка имеет решающее значение для безопасности, традиционно проводится 100-процентная проверка после клепки.

Использование системы на основе EMAP вместо традиционного гидравлического пресса устраняет необходимость 100-процентной проверки за счет мониторинга процесса во время его выполнения и сравнения «подписи» с заведомо исправной операцией. В оснастку вмонтированы три отдельных тензодатчика для независимого измерения силы, прикладываемой к каждой заклепке, а однопозиционный преобразователь измеряет расстояние перемещения ползуна. Слишком твердые или мягкие заклепки, слишком короткие или длинные заклепки приведут к заметному изменению сигнатуры, как и детали, выходящие за пределы допусков, такие как диаметр отверстий.

Система обеспечивает:обнаружение длинных, коротких, твердых, мягких и/или отсутствующих заклепок; 100-процентная сертификация каждой сборки; встроенный сбор данных; и запись данных о силе и положении для каждой произведенной детали - все в режиме реального времени в течение технологического цикла. Результаты непротиворечивы, точны и отслеживаемы, а это означает, что для обеспечения качества больше не требуются проверки каждой детали после обработки.

Выходя за рамки основ

Первым пользователям не потребовалось много времени, чтобы понять, что подробные данные о процессах, сгенерированные системой на основе EMAP, можно использовать далеко за пределами простого сравнения «подписей» и «клонирования» сборок. Поставщики EMAP также были заняты расширением аппаратных и программных возможностей для поддержки более сложных приложений.

Одним из первых применений этих достижений стала сборка автомобильных рычагов подвески, изделия, требующего геометрической точности для обеспечения надлежащего функционирования, но изготовленного из компонентов, которые не могут быть произведены экономично с очень жесткими допусками. Рычаг управления состоит из прочной штамповки или литья с запрессованными на место втулками в резиновом корпусе, что явно не является кандидатом на исключительную точность размеров.

Что обычно делают автомобильные инженеры, так это определяют геометрию, требуемую в сборке, и оставляют часть «как это сделать» на усмотрение поставщика. Поставщики называют это «фантомным» измерением, и оно довольно распространено в различных отраслях.

Обычный подход к удовлетворению спецификации «фантомного» размера состоит в том, чтобы создавать точные инструменты и приспособления, а затем постоянно настраивать их, чтобы справляться с постоянными и непредсказуемыми изменениями деталей. Другие поставщики предпочитают «нажимать и надеяться», затем «измерять и сортировать» и принимать затраты на лом и переделку. Чтобы решить эту проблему с помощью системы на основе EMAP, требуется передовое программное обеспечение для работы с дополнительными датчиками за пределами тензодатчиков, встроенных в пресс. Сборка выполняется с двумя EMAP и двумя цифровыми датчиками. Эти датчики необходимы, потому что упругие втулки изгибаются во время установки, что затрудняет определение их точного положения. Датчики также компенсируют отклонение машины и тензодатчика.

Для сборки рычага управления втулки прижимаются к исходному положению, сила снимается, а положение измеряется цифровыми щупами. Одна втулка запрессована до размера, который относится к шаровому шарниру. Зонд измеряет положение и возвращает информацию контроллеру, который сообщает прессу, сколько еще нужно нажимать. Эта последовательность повторяется до тех пор, пока втулка не будет на месте. Для другой втулки используется та же последовательность установки, но она запрессована до размеров, соответствующих первой втулке. Это «фантомный» размер, и система может эффективно и многократно достигать его независимо от изменений в рычаге управления и/или втулках.

Только что описанная система значительно улучшает функциональное качество рычага управления, который она собирает, без изменения размерных характеристик составных частей. На самом деле вполне возможно, что допуски на эти составные части могут быть ослаблены для снижения производственных затрат без ущерба для функционального качества готового продукта. Функциональность – это мера качества для потребителя, а с такой интеллектуальной сборкой, впервые примененной в системе рычагов управления, она может быть и для производителя.

Проработанная технология

По мере распространения интеллектуальных сборочных приложений росли и аппаратные и программные системы, необходимые для их реализации. Сегодня EMAP доступны с усилием от 0,2 кН ​​до 500 кН и могут быть оснащены широким спектром встроенных и внешних датчиков. Они доступны в виде отдельных компонентов для сборщиков систем, Н-образных прессов и универсальных автономных рабочих станций для конечных пользователей.

Инженеры-новаторы сделали EMAP достаточно легкими, чтобы их можно было использовать в качестве концевых эффекторов роботов, и даже доступны модели, которые можно держать в руках человека. Оба этих продукта предназначены для приложений, в которых пресс подводится к детали, а это означает, что сила реакции операции прессования не может передаваться роботу или человеку-оператору.

Одним из решений, разработанных Promess для применения в робототехнике, является роботизированный пресс со встроенным обратным упором. Во время работы пресс позиционируется на детали роботом, и инструмент задействуется. Затем робот переходит в свободное плавание по двум осям, чтобы удерживать положение, перемещаясь по третьей оси, чтобы приспособиться к движению пресса, пока пресс не достигнет встроенного обратного упора. Движения пресса полностью программируются, а прессы могут быть оснащены датчиками силы и положения для поддержки интеллектуальных операций сборки.

Комбинация линейного EMAP и поворотного привода

Еще одной тенденцией является сочетание линейного ЭМАП с поворотным приводом для облегчения функциональных испытаний во время сборки. Например, автомобильный замок капота собирается с помощью заклепки с помощью ЕМАП. Пока заклепка проковывается, защелка приводится в действие, и требуемое усилие непрерывно измеряется до тех пор, пока оно не достигнет заданного уровня, после чего процесс останавливается. Этот процесс производит защелки с равномерным усилием срабатывания независимо от вариаций заклепок или штамповок. Подобные системы используются для сборки автомобильных защелок, плоскогубцев и даже для проверки люфта шестерен под нагрузкой в ​​автомобильных дифференциалах.

Все эти приложения зависят от сложных контроллеров и программного обеспечения для обработки и интеграции множества входных данных в режиме реального времени и генерации необходимых сервокоманд. Теперь доступны элементы управления с возможностью синхронизации нескольких EMAP, приводящих в движение углы тигельного пресса, чтобы каждый из них создавал силу, необходимую для поддержания параллельности тисков, даже если нагрузка неравномерна.

Программное обеспечение управления развивалось вместе с аппаратным обеспечением, и сегодняшние системы намного проще программировать, чем их предшественники даже несколько лет назад. Поставщики вложили много времени и талантов в системы, которые упрощают процесс до такой степени, что профессиональные инженеры по управлению часто не требуются.

По мере развития технологии EMAP концепции интеллектуальной сборки и сборки по функциональной спецификации, а не по размерам, становятся все более практичными в широком диапазоне отраслей. Однако зрелость не означает стагнации. Эта технология продолжает развиваться, предоставляя по-настоящему инновационные решения проблем, с которыми производители сталкивались на протяжении десятилетий, а в некоторых случаях и столетий.