CN104399829B - 一种基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置及方法，包括依次连接的轨迹控制系统、工控机、通讯转换模块、变频器、变频电机、径向铆接装置；变频电机通过转速传感器、A/D转换模块连接工控机，构成一个闭环的反馈控制系统；转速传感器为电压输出传感器，安装在变频电机的输出轴端，将电机的转速信号转变成电压信号，经数据采集模块传送到工控机，通过轨迹控制系统中的运行状态监控模块对转速信号进行计算分析。本装置通过选择优化的铆头轨迹控制铆头和法兰盘轮毂轴端的轴向预紧力，使得装配后的轴承单元在满足轴向预紧力要求的前提下，能量消耗和使用寿命得到优化，提高轴铆的可靠性和轴承单元质量的稳定性，符合节能减排的发展要求。

Description

一种基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置及方法

技术领域

本发明涉及轴铆轮毂轴承单元的电动铆装设备及铆装工艺，尤其涉及一种基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置及方法。

背景技术

作为汽车的关键零部件之一，轮毂轴承在工作过程中需要承受径向和轴向的联合载荷。传统的汽车轮毂轴承是采用两套独立的角接触球轴承或圆锥棍子轴承成对安装在轿车轮毂轴上，因而需要经过一系列的轴承游隙调整、预紧、涂油添脂、密封等工序，由于掺杂了许多人为控制因素，这种结构的轴承装配势必会导致装配难度大，装配周期长，成本高，可靠性差等问题，难以适应激烈的市场竞争。

近年来，随着人们对轻量化与节能减排的重视，轴铆合装配工艺就是针对轿车轮毂轴承轻量化、集成化、高可靠性等发展要求提出的一种高效轮毂轴承单元装配工艺，其主要思想是利用法兰盘轮毂轴端的塑性变形代替原有的锁紧螺母为轴承单元提供轴向预载荷。这种装配工艺不仅能避免由于螺母松动导致的预载荷失效等不良后果，而且能够更加精准地控制轴向预载荷的大小，克服由于轴向预载荷不精准而导致轴承寿命离散度大的缺陷，从而保证轿车轮毂轴承单元的质量可靠性。同时，由于轴铆合轮毂轴承单元缺少了卡紧螺母，每个轴承单元能够减重200g，实现了轻量化。综上所述，该技术代表了轮毂轴承单元制造工艺的发展方向。

作为主要的轴铆合技术，现有的径向铆接技术最常用的铆头轨迹为梅花轨迹运动，铆装设备在铆装过程中铆头的运动轨迹往往是固定不变、不可调整控制，而且没有经过优化的运动轨迹，这就会导致装配后的轴承单元的轴向预紧力无法满足要求或者出现已经达到所需的轴向预紧力但能耗过大的现象，严重影响轴铆的可靠性和轴承单元质量的稳定性，寿命集中度和节能减排也就很难保证。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置及方法。本发明在一定程度上实现对铆头轨迹的可控性，进而控制铆头和法兰盘轮毂轴端的轴向接触应力(以下简称轴向预紧力)，通过选择铆头的优化轨迹使得装配后的轴承单元在满足轴向预紧力要求的前提下，能量消耗和使用寿命得到优化，保持轮毂轴承单元产品质量的一致性和可靠性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置，包括依次连接的轨迹控制系统、工控机、通讯转换模块、变频器、变频电机、径向铆接装置；

所述变频电机通过转速传感器、A/D转换模块连接工控机，构成一个闭环的反馈控制系统。

转速传感器为电压输出传感器，安装在变频电机的输出轴端，将电机的转速信号转变成电压信号，经数据采集模块传送到工控机，通过轨迹控制系统中的运行状态监控模块对转速信号进行计算分析。

所述轨迹控制系统包括参数设置模块、轨迹控制模块、反馈监控模块、统计查询模块。

所述参数设置模块包括控制参数设置模块、设备参数设置模块、产品参数设置模块、通讯参数设置模块、用户设置模块。

所述轨迹控制模块包括优化轨迹存储模块、在线控制模块、轨迹在线显示模块。

所述反馈监控模块包括反馈数据采集模块、运行状态监控模块、运行参数监控模块。

所述统计查询模块包括数据统计模块、数据查询模块、数据分析模块。

采用上述铆装装置控制铆头轨迹的方法如下：

(1)参数设置步骤

通过控制参数设置模块对铆装所需的轴向预紧力进行设置；

设备参数设置模块对变频电机、径向铆接装置的相关设备参数进行设置；

产品参数设置模块对法兰盘轮毂轴承单元的相关产品参数进行设置；

通讯参数设置模块包括通讯地址、波特率、停止位、数据位相应的串口通讯参数进行设置；用户设置模块包括用户的登录设置、系统的密码保护；

(2)轨迹控制步骤

通过优化轨迹存储模块对满足不同轴向预紧力要求下的优化铆头轨迹进行存储；

在线控制模块具有控制变频器运行形式、运行频率和故障复位，其中运行频率的控制是根据参数设置模块中控制参数、设备参数设置的要求，在优化轨迹存储模块中选择相应满足铆装要求的优化铆头轨迹，实现该铆头轨迹的电机转速根据公式转化为频率的表现形式，根据变频器的通讯协议将运行控制指令、频率控制指令以ASCII编码的通讯形式进行，通过工控机、通讯转换模块与变频器建立通讯，实时对变频器和变频电机进行频率控制；

轨迹在线显示模块实时显示铆头的运行数据，即铆头的优化轨迹运行图像；

(3)反馈监控步骤

通过反馈数据采集模块采集转速传感器的实测信号，并进行滤波降噪处理以及与变频器建立通讯，以ASCII编码的通讯形式读取变频器电压、电流、输出频率的运行参数；

运行状态监控模块根据反馈数据采集模块中所采集的变频电机转速数据，对变频电机的运行状态进行监控，如果实际的电机转速与满足铆头优化轨迹所要求的电机转速相比超过一定范围，或者实际的电机转速超过额定值时，则会发出警报；

运行参数监控模块根据反馈数据采集模块中所读取变频器电压、电流、输出频率的运行参数，对变频器的运行参数进行监控，观察是否出现异常状况，如果超过其额定值，则会发出警报；

(4)统计查询步骤

通过数据统计模块对不同型号、不同批次产品的参数设置、变频电机转速、铆头轨迹、铆装质量进行存储统计；

数据查询模块通过数据统计模块实现数据查询功能，再现过去的铆头轨迹控制数据与图像；

数据分析模块对数据统计模块中的铆装统计数据提供各种图表显示，以便工作人员进行分析。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

与现有技术相比，本发明在一定程度上实现对铆头轨迹的可控性，通过对铆头运动轨迹进行优化控制，使得装配后的轴承单元在满足轴向预紧力要求的前提下，能量消耗和使用寿命得到优化，降低轴承单元的废品率，在一定程度上提高了轴铆的可靠性和轴承单元质量的稳定性，并且符合社会上节能减排的发展要求。

本发明技术手段简便易行，具有积极有益的技术效果。

附图说明

图1为本发明的整体装置示意图。

图2为本发明轨迹控制系统的方框组成示意图。

图3为本发明径向铆装机的主要结构示意图；图中铆头总成内啮合齿轮1，铆头总成外啮合齿轮2，铆压轴及铆头3。

图4为本发明径向铆装装置的安装结构示意图；图中铆压轴及铆头3，径向铆装机4，轮毂轴承单元5，工作台6。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1至图4所示。本发明一种基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置，包括依次连接的轨迹控制系统、工控机、通讯转换模块、变频器、变频电机、径向铆接装置；

变频电机通过转速传感器、A/D转换模块连接工控机，构成一个闭环的反馈控制系统。

转速传感器为电压输出传感器，安装在变频电机的输出轴端，将电机的转速信号转变成电压信号，经数据采集模块传送到工控机，通过轨迹控制系统中的运行状态监控模块对转速信号进行计算分析。

轨迹控制系统包括参数设置模块、轨迹控制模块、反馈监控模块、统计查询模块。

所述参数设置模块包括控制参数设置模块、设备参数设置模块、产品参数设置模块、通讯参数设置模块、用户设置模块。

所述轨迹控制模块包括优化轨迹存储模块、在线控制模块、轨迹在线显示模块。

所述反馈监控模块包括反馈数据采集模块、运行状态监控模块、运行参数监控模块。

所述统计查询模块包括数据统计模块、数据查询模块、数据分析模块。

所述工控机采用奔腾4以上的CPU，4G以上的内存，500G以上的硬盘，选用WindowsXP操作系统，自带一个RS-232串口通讯。

所述变频器自带一个RS-485串口通讯，所使用的通讯协议具有RS-485数据通讯的格式规范，以ASCII编码的形式进行通讯，如台达VFD-B系列变频器、三菱FR-A740系列变频器。

所述通讯转换模块主要是为了解决工控机和变频器之间通讯协议不同的问题，采用RS-232/RS-485转换器实现工控机和变频器的通讯，采用双绞屏蔽线作为通讯线。

采用上述铆装装置控制铆头轨迹的方法可通过如下步骤实现：

(1)参数设置步骤

通过控制参数设置模块对铆装所需的轴向预紧力进行设置；

设备参数设置模块对变频电机、径向铆接装置的相关设备参数进行设置；

产品参数设置模块对法兰盘轮毂轴承单元的相关产品参数进行设置；

通讯参数设置模块包括通讯地址、波特率、停止位、数据位(等)相应的串口通讯参数进行设置；用户设置模块包括用户的登录设置、系统的密码保护；

(2)轨迹控制步骤

通过优化轨迹存储模块对满足不同轴向预紧力要求下的优化铆头轨迹进行存储；

在线控制模块具有控制变频器运行形式(如启动停止、正转反转)、运行频率和故障复位(的功能)，其中运行频率的控制是根据参数设置模块中控制参数、设备参数设置的要求，在优化轨迹存储模块中选择相应满足铆装要求的优化铆头轨迹，实现该铆头轨迹的电机转速根据公式转化为频率的表现形式，根据变频器的通讯协议将运行控制指令、频率控制指令以ASCII编码的通讯形式进行，通过工控机、通讯转换模块与变频器建立通讯，实时对变频器和变频电机进行频率控制；

轨迹在线显示模块实时显示铆头的运行数据，即铆头的优化轨迹运行图像；

(3)反馈监控步骤

通过反馈数据采集模块采集转速传感器的实测信号，并进行滤波降噪处理以及与变频器建立通讯，以ASCII编码的通讯形式读取变频器电压、电流、输出频率的运行参数；

运行状态监控模块根据反馈数据采集模块中所采集的变频电机转速数据，对变频电机的运行状态进行监控，如果实际的电机转速与满足铆头优化轨迹所要求的电机转速相比超过一定范围，或者实际的电机转速超过额定值时，则会发出警报；

运行参数监控模块根据反馈数据采集模块中所读取变频器电压、电流、输出频率的运行参数，对变频器的运行参数进行监控，观察是否出现异常状况，如果超过其额定值，则会发出警报；

(4)统计查询步骤

通过数据统计模块对不同型号、不同批次产品的参数设置、变频电机转速、铆头轨迹、铆装质量进行存储统计；

数据查询模块通过数据统计模块实现数据查询功能，再现过去的铆头轨迹控制数据与图像；

数据分析模块对数据统计模块中的铆装统计数据提供各种图表显示，以便工作人员进行分析。

如图3、4所示，在径向铆装机4上对轮毂轴承单元5进行轴铆装配，其工作原理为：铆头总成外啮合齿轮2在变频电机带动下绕铆头总成内啮合齿轮1公转，由于齿轮的啮合作用，外啮合齿轮2同时绕自身轴心线自转。外啮合齿轮2在转动时带动固结在其上的具有一定偏心距的铆压轴及铆头3作摆动运动，结合由机床主轴引起的向下平动形成最终铆头的运动轨迹，因而通过变频电机对铆头总成外啮合齿轮2的运动进行转速控制相当于控制铆头的铆装轨迹。

铆头的优化轨迹是通过有限元建模及验证，对不同铆头轨迹下的模型进行轴铆合仿真计算，基于拉丁超立方抽样策略和全局寻优算法寻找在满足不同轴向预紧力的要求下，能量消耗和使用寿命达到优化的铆头工作轨迹。

如图1所示，工控机根据轨迹控制系统所选择的铆头优化轨迹对变频器进行频率控制，由于所采用带有RS-232串口通讯的工控机和带有RS-485串口通讯的变频器之间的通讯协议不同，两者之间需要以ASCII编码的形式，采用RS-232/RS-485转换器的通讯转换模块实现通讯。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置，其特征在于包括依次连接的轨迹控制系统、工控机、通讯转换模块、变频器、变频电机、径向铆接装置；

所述变频电机通过转速传感器、A/D转换模块连接工控机，构成一个闭环的反馈控制系统。

2.根据权利要求1所述的基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置，其特征在于：转速传感器为电压输出传感器，安装在变频电机的输出轴端，将电机的转速信号转变成电压信号，经数据采集模块传送到工控机，通过轨迹控制系统中的运行状态监控模块对转速信号进行计算分析。

3.根据权利要求1所述的基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置，其特征在于：所述轨迹控制系统包括参数设置模块、轨迹控制模块、反馈监控模块、统计查询模块。

4.根据权利要求3所述的基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置，其特征在于：所述参数设置模块包括控制参数设置模块、设备参数设置模块、产品参数设置模块、通讯参数设置模块、用户设置模块。

5.根据权利要求3所述的基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置，其特征在于：所述轨迹控制模块包括优化轨迹存储模块、在线控制模块、轨迹在线显示模块。

6.根据权利要求3所述的基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置，其特征在于：所述反馈监控模块包括反馈数据采集模块、运行状态监控模块、运行参数监控模块。

7.根据权利要求3所述的基于变频电机控制铆头轨迹的铆装装置，其特征在于：所述统计查询模块包括数据统计模块、数据查询模块、数据分析模块。

8.权利要求1至7任一项所述基于变频电机控制铆头轨迹的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)参数设置步骤

通过控制参数设置模块对铆装所需的轴向预紧力进行设置；

设备参数设置模块对变频电机、径向铆接装置的相关设备参数进行设置；

产品参数设置模块对法兰盘轮毂轴承单元的相关产品参数进行设置；

通讯参数设置模块包括通讯地址、波特率、停止位、数据位相应的串口通讯参数进行设置；用户设置模块包括用户的登录设置、系统的密码保护；

(2)轨迹控制步骤

通过优化轨迹存储模块对满足不同轴向预紧力要求下的优化铆头轨迹进行存储；

在线控制模块具有控制变频器运行形式、运行频率和故障复位，其中运行频率的控制是根据参数设置模块中控制参数、设备参数设置的要求，在优化轨迹存储模块中选择相应满足铆装要求的优化铆头轨迹，实现该铆头轨迹的电机转速根据公式转化为频率的表现形式，根据变频器的通讯协议将运行控制指令、频率控制指令以ASCII编码的通讯形式进行，通过工控机、通讯转换模块与变频器建立通讯，实时对变频器和变频电机进行频率控制；

轨迹在线显示模块实时显示铆头的运行数据，即铆头的优化轨迹运行图像；

(3)反馈监控步骤

通过反馈数据采集模块采集转速传感器的实测信号，并进行滤波降噪处理以及与变频器建立通讯，以ASCII编码的通讯形式读取变频器电压、电流、输出频率的运行参数；

运行状态监控模块根据反馈数据采集模块中所采集的变频电机转速数据，对变频电机的运行状态进行监控，如果实际的电机转速与满足铆头优化轨迹所要求的电机转速相比超过一定范围，或者实际的电机转速超过额定值时，则会发出警报；

运行参数监控模块根据反馈数据采集模块中所读取变频器电压、电流、输出频率的运行参数，对变频器的运行参数进行监控，观察是否出现异常状况，如果超过其额定值，则会发出警报；

(4)统计查询步骤

通过数据统计模块对不同型号、不同批次产品的参数设置、变频电机转速、铆头轨迹、铆装质量进行存储统计；

数据查询模块通过数据统计模块实现数据查询功能，再现过去的铆头轨迹控制数据与图像；

数据分析模块对数据统计模块中的铆装统计数据提供各种图表显示，以便工作人员进行分析。