抬起步伐输送装置的伺服控制技术的应用

方 宇 徐文涛 李 瑾

（1．通用技术集团大连机床有限责任公司智能制造研究所，辽宁 大连 116620；2．通用技术集团大连机床有限责任公司应用所，辽宁 大连 116620）

0 引言

柔性生产线是由若干数控加工设备、输送装置和计算机控制系统组成的，更适用于多品种、中小批量生产。抬起步伐输送是传统组合机床单机及自动线中较为复杂的经典输送形式，随着柔性生产线的广泛应用和产品加工精度的不断提高，数控化的抬起步伐输送装置的设计将取代传统的结构，使该输送装置组成的生产线向着数控化、高速化以及柔性化发展。

抬起步伐输送装置包括抬起装置、输送装置、输送连接板、抬起驱动和输送驱动。主要机械动作为：输送带抬起→输送带向前输送→输送带落下→输送带返回。抬起步伐输送装置的数控化就是应用数控系统对生产线物流进行控制和管理，使其达到布距可调，速度可控，效率与提高精度，具体设计是将常规大缸径抬起油缸改为伺服电动缸驱动，将输送带前进后退驱动的输送油缸改为伺服电机驱动和丝杠螺母传动输送，在满足抬起、拉动工件移动等多个动作的同时，保证整个输送过程的刚性、精度和抬起落下的平稳[2，4]。

1 传统的液压油缸驱动的抬起步伐输送装置的结构分析

抬起步伐输送装置结构如图 1 所示，抬起油缸2 通过转臂3、拉杆4 将工件抬起后，由输送油缸5 带动输送带 1 向前移动。该结构存在5 个问题。1）输送速度受到限制，效率低。2）输送位置不准确影响工件的定位。3）输送油缸及马达属于液态介质驱动，容易受系统压力、温度等因素影响。因而可靠性稳定性不够，造成输送位置精度不高。4）抬起油缸和输送油缸存在漏油严重问题，维护清理困难。5）无法实现数字化控制，对输送中造成的输送误差不能进行有效控制和补偿。在高精密加工自动线中，对输送的精度和效率都有更高的要求，这些主要问题都是制约抬起步伐输送带提高输送效率和精度的关键问题[3]。

2 伺服驱动的抬起步伐输送装置的结构与动作原理

伺服驱动的抬起步伐输送装置的结构与动作原理如图2所示。首先，伺服电动缸 1 动作，拉动拉杆2，通过转臂3将输送带4 及工件抬起。拉杆上通过销轴铰接多个转臂3，拉杆2 的移动使转臂3 绕固定在机床底座上的铰链芯轴作摆动，转臂的另一端连接深沟球轴承，其摆动将输送带 4 抬起。当输送带将工件由定位面抬升到输送高度后，系统得到输送带抬起到位信号指令后，用于输送的伺服电机 5 启动，驱动丝杠8 回转，丝杠螺母 10 移动，与丝杠螺母 10 相连在一起的输送带4 同步向前输送，输送带连接导向支架12 完成丝杠螺母10 与输送带4 之间的连接和抬起导向动作。输送带4连带工件移动一个步距后，到位开关发令，伺服电机5 停转，伺服电动缸1 反向旋转，输送带4 连同工件一起下降，工件在下落过程中完成机床夹具的插销定位，工件与输送带4 脱离，当输送带4 下降到终点后，下降到位信号指令发令，伺服电机5 反转，使输送带 4 水平返回，抬起步伐输送装置进入下一动作循环。

图1 抬起步伐输送装置

图2 伺服驱动的抬起步伐输送装置

根据工件总质量，输送带长度、质量及输送速度要求，可以设计抬起需要的拉力、输送装置的丝杠螺母及减速装置。丝杠前后带支撑，直线导轨起承载和导向作用，保证了抬起和输送的稳定性和刚性，并且输送带上3 个面布置的导向均为滚动导向，最大限度地减小了输送磨擦力。如图3 所示，水平和竖直方向滚动轴承限制了输送带4 的3 个方向的运动。整套输送装置紧凑可靠，伺服控制使输送装置精确到位，速度可调，输送步距有多种系列规格，最大程度地满足客户的需求。

图3 输送带滚动导向限位支撑

3 抬起步伐输送装置的数控化技术的应用

图4 为某大型汽车制造公司设计、投产抬起步伐输送装置输送的柔性生产线，具体动作指令为：抬起装置2 开始动作，拉动拉杆7，带动转臂6 将抬起工件3、输送带4 抬起，抬起到位后开关信号发令，输送装置1 将抬起工件3、输送带4 一起向前输送一个步距，输送到位后开关信号发令，抬起装置2 动作，拉杆返回，输送带4 落下，工件3 落到夹具内或空工位位置，落下到位后开关信号发令，输送装置1 将输送带4 输送至原位，柔性生产线内所有工序加工完毕后开关发令进入下一个动作循环。伺服驱动的输送装置1 安装在侧底座上，伺服电动缸驱动的抬起装置2 安装在最前端中间底座上，所有转臂6 经过转臂支架都安装在中间底座5 上。

具体计算如下：已知工件重量250 kg，该自动线可以抬起12 个工件，输送步距1 000 mm，输送带总长度12 100 mm，抬起装置伺服电动缸抬起运行速度6 m/min（100 mm/s），输送装置移动速度小于15 m/min。

抬起部件总重量=所有工件重量+输送板重量+连接板重量+定位块、定位销重量+标准件重量。

m总=250×12+0.03×0.08×12.1×7850×2+0.24×0.04×0.585×7+80+标准件重量≈4 000 kg。

如图5 所示，根据转臂机构受力分析，可计算出需要的拉力最小值。根据公式计算：动力×动力臂=阻力×阻力臂计算。即：

F动×165×cos33°=F阻×305×cos23.1°，其中F阻=G总=m总g，得出F动=81049N ≈81.1kN

综合考虑抬起过程中存在摩擦等因素，选取伺服电动缸型号为IMB80，电动缸推力和拉力为100 kN，伺服电机直联，功率10.8 kW。

输送方向伺服电机、丝杠选取及计算：

丝杠转矩、驱动力计算公式为T=F×L/（2π×η×i），其中F 包括导轨摩擦力和工作载荷（垂向运动F 还包括机构重量），L 为丝杠副导程，η 为滚珠丝杠副效率，η=0.8，i 为传动比。该输送装置没有工作载荷，输送工件及输送带在每套转臂前端的滚动轴承上运动，工况比较复杂，为了保险起见，所以μ 选0.15。根据用户要求的输送速度，丝杠副导程初选10 mm。传动比i=1，伺服电机直联。

F=μmg=0.15×4000×10=6000N

图4 数控抬起步伐输送装置

F=6000×10×0.01/2π×0.8×1=11.94 Nm

根据丝杠转矩初选电机，查询样本选用电机1FK7 系列电机，电机额定扭矩25 Nm，电机额定转速2 000 r/min，转动惯量为0.0104 kg·m2。

图5 抬起工件受力分析图

丝杠直径的选取：根据丝杠直径×转速＜DN 值；内循环浮动式DN 值允许70 000，丝杠直径＞35 mm，选取FF5010-5，3级精度内循环浮动式滚珠丝杠。根据选取的丝杠计算出丝杠允许的最高转速为1 400 r/min，输送装置快速移动=转速×导程=1400×10×0.01=14 m/min，满足要求。如果选取FF4010-5丝杠，经计算快移速度为17.5 m/min，不满足要求。

负载转动惯量的计算：

JM=J1+J2+Jm

式中：J1为联轴器转动惯量，查样本选取联轴器型号为DML-04 系列，转动惯量为0.0034 kg·m2。J2为 丝 杠 转 动惯量，计算得0.0084 kg·m2。Jm 为滑台负载转动惯量，L2m4π2=0.0101kg·m2，L 为导程，m 为移动部件总质量。

所以：

JM=J1+J2+Jm=0.0034+0.0084+0.0101=0，0219 kg·m2。

电机直联时，负载转动惯量＜（3～5）×电机转动惯量=（0.0312～0.052）kg·m2。所以满足要求，电机选取合理[1]。

整条柔性生产线自动化程度高，输送精度稳定，获得客户的认可，得到客户的一致好评。

4 结语

柔性生产线是一种技术复杂、高度自动化的生产线，它将计算机和系统工程等技术有机地结合起来。由于伺服电机驱动的数控抬起步伐输送装置的可靠应用，输送步距可调，速度可控，适合自动线的多品种加工，一次装夹输送可完成工件多面加工，所以为用户最大程度的节约了设备投资。在生产实际使用后表明数控抬起步伐输送装置具有输送可靠、效率高、而且维护简单、环保、噪声低等诸多优势。这就更好的诠释了现代机床制造业数控信息化发展的趋势。机床将向数控化、智能化、柔性化发展是不可替代的。