Servopress 101：基本指南

工业自动化看起来像是魔法，尤其是在装配操作中使用时。了解您需要了解的基础知识，以帮助您开展下一个自动化项目。

伺服机构是 21 世纪自动化的核心。基本元件是伺服电机；将旋转运动转换为直线运动的装置；一套传感器来提供所需的反馈；将反馈数据转换为命令信号的控制器；和启用软件。这就是高速、精密装配操作的“魔力”。随着 21 世纪基础部件的进步，伺服压力机是一项改变游戏规则的技术。

它们不仅快速和精确——它们也变得很大。在金属成型和冲压行业，伺服压力机的容量高达 5,000 吨（4,536 公吨），更大的单元正在开发中。这些压力机正在改变用户处理工艺设计的方式，让工程师能够在整个工艺过程中实时精确控制力、速度和位置。

三十年前，行业先驱将精密滚珠丝杠与伺服电机、旋转编码器和称重传感器相结合，生产出第一台专为装配操作而设计的机电装配压力机 (EMAP)。

成功的早期采用者

早期采用者发现，在装配过程中测量工艺参数的能力使他们能够通过将每个操作的力/位置“特征”与已知良好循环的力/位置“特征”进行比较，并实时调整压力机参数以复制它，从而真正“克隆”产品。这一基本概念已用于数百种不同的装配应用，从简单的铆接到安装高价值电子产品。以下是一些示例。
万向节组件：万向节具有一个中心十字或“蜘蛛”，通过将轴承杯压入臂上的孔，将其连接到一对 U 形臂上捕捉“蜘蛛”上的加工日志。组装后，将轴承杯固定在臂上以将其固定到位。

挑战是在将轴承杯压入并固定时，将蜘蛛保持在手臂的中心。这是通过一对同步的 EMAP 来完成的，这些 EMAP 在插入时对每个轴承杯施加相同的力。一旦杯子就位，蜘蛛就会精确居中，EMAP 同时执行放样操作。由于对蜘蛛的相对腿施加了相等的力，因此它保持居中，因此每次都能很好地组装。

此应用程序之所以有效，是因为 EMAP 在操作过程中受到监控，并由控制器实时调整力和位置。可以捕获和存储整个过程的数据以确保质量，为每个装配提供 100% 的可追溯性。该数据还有助于识别和纠正正在组装的零件中的异常情况，从而提高整个供应链以及组装过程的质量。

医疗导管组件：关键操作是压接过程，将小直径金属管连接到连接到导管柔性部分的较大管上。如果压接不完美，它要么会在拉上时分开，要么会完全关闭管子，从而使导管无用。将一根微小的金属管始终卷曲到一个稍大一点的管子上被证明是一项巨大的挑战。

在导管压接操作中保持一致质量的关键是同时监测施加的力的大小和压接工具的确切位置。一旦捕获了已知良好操作的两个参数，就可以使用力/位置“签名”作为衡量后续操作的基准。

基于 EMAP 的压接站配有外部位置传感器，用于在导管上执行压接操作。 EMAP 提供可重复的压接力，传感器监控工具以确保压接既不太浅也不太深。结果是生产的每根导管都获得了 100% 努力的测试认证，并且几乎消除了现场压接故障。

铆接球接头组件：汽车球接头组件是安全关键部件，通常通过铆钉连接到上下控制臂上。有三种可能的失效模式：1) 铆钉可能太长或太短，2) 铆钉可能太硬或太软，以及 3) 铆钉可能完全缺失。由于组装对安全性至关重要，因此传统上会进行 100% 的铆接后检查。

使用基于 EMAP 的系统代替传统的液压机，通过在执行过程中监控过程并将“签名”与已知的良好操作进行比较，消除了 100% 的检查要求。三个独立的称重传感器安装在工具中，以独立测量施加在每个铆钉上的力，而单位置传感器测量柱塞的行进距离。铆钉太硬或太软，或太短或太长，都会在签名中产生明显的变化，孔直径等超出公差的细节也会发生变化。

该系统提供：长、短、硬、软和/或缺失铆钉检测；每个组件的 100% 认证；内置数据采集；以及生产的每个零件的力和位置数据记录——所有这些都是在工艺周期中实时进行的。结果是一致的、准确的和可追溯的，这意味着不再需要对每个零件进行后处理检查来确保质量。

超越基础

没过多久，早期采用者就意识到基于 EMAP 的系统生成的详细过程数据的用途远不止简单地比较“签名”和“克隆”程序集。 EMAP 供应商还忙于增强硬件和软件功能以支持更高级的应用程序。

利用这些进步的首批应用之一是汽车控制臂的组装，这种产品需要几何精度才能实现适当的功能，但由无法经济生产且公差非常小的部件制成。控制臂由重型冲压件或铸件制成，并带有压入到位的橡胶套衬套——显然不适合极端尺寸精度。

汽车工程师通常做的是定义装配中所需的几何形状，并将“如何实现”部分留给供应商。供应商将此称为“幻象”维度，在各行各业都很常见。

满足“幻像”尺寸规范的传统方法是制造精确的工具和固定装置，然后不断调整它们以应对零件中不断变化的、不可预测的变化。其他供应商选择“压制和希望”，然后“测量和分类”并接受报废和返工成本。为了应对这一挑战，使用基于 EMAP 的系统需要先进的软件来处理集成在压力机中的称重传感器之外的附加传感器。组装是用两个 EMAP 和两个数字探头完成的。之所以需要这些探头，是因为弹性衬套在安装过程中会弯曲，因此很难知道它们的精确位置。探头还可以补偿机器和称重传感器的偏转。

为了组装控制臂，将衬套压到初始位置，移除力，并通过数字探头测量位置。一个衬套被压到与球形接头相关的尺寸。探头测量位置并将信息反馈给控制器，控制器会告诉压力机还需要按压多远。重复此顺序，直到衬套就位。另一个衬套使用相同的安装顺序，但被压到相对于第一个衬套的尺寸。这是“幻象”维度，无论控制臂和/或衬套的变化如何，系统都可以有效且可重复地实现它。

刚刚描述的系统显着提高了其组装的控制臂的功能质量，而组件的尺寸规格没有变化。事实上，很可能放宽这些零部件的公差以降低制造成本，而不会影响成品的功能质量。功能是消费者对质量的衡量标准，有了控制臂系统首创的智能组装，它也可以是制造商的。

成熟的技术

随着智能装配应用程序的激增，启用它们所需的硬件和软件系统也在激增。如今，EMAP 的力输出范围从 0.2 kN 到 500 kN，并且可以配备范围广泛的集成和外部传感器。它们可作为单独的组件提供给系统制造商、H 型压机和灵活的独立工作站，供最终用户使用。

创新的工程师已经使 EMAP 变得足够轻，可以用作机器人末端执行器，甚至可以使用人类手持模型。这两款产品都适用于将压力机带到零件上的应用，这意味着压制操作的反作用力无法传递给机器人或人类操作员。

Promess 为机器人应用开发的一种解决方案是其 Robot Press，它包含一个集成的后挡板。在操作过程中，压力机由机器人定位在零件上并接合工具。然后机器人在两个轴上自由浮动以保持位置，同时在第三个轴上移动以适应压力机运动，直到压力机到达集成的后挡块。压力机动作完全可编程，压力机可配备力和位置传感器以支持智能装配操作。

线性 EMAP/旋转执行器组合

另一个趋势是将线性 EMAP 与旋转执行器相结合，以促进装配期间的功能测试。例如，汽车引擎盖闩锁使用 EMAP 与铆钉组装在一起。当铆钉被敲击时，闩锁被启动并持续测量所需的力，直到达到指定的水平，此时过程停止。无论铆钉或冲压件的变化如何，该过程都会产生具有均匀致动力的闩锁。类似的系统用于组装汽车座椅闩锁、钳子，甚至用于检查汽车差速器负载下的齿轮齿隙。

所有这些应用都依赖于复杂的控制器和软件来实时处理和集成多个数据输入并生成必要的伺服命令。现在可以使用控件来同步驱动压板机角落的多个 EMAP，这样即使负载不均匀，每个 EMAP 也会产生保持压板平行所需的力。

控制软件随着硬件的发展而发展，今天的系统比几年前的前辈更容易编程。供应商已在系统上投入了大量时间和人才，这些系统可将流程简化到通常不需要专业控制工程师的程度。

随着 EMAP 技术的成熟，智能装配和装配到功能规格而不是尺寸规格的概念在广泛的行业中变得越来越实用。然而，成熟并不意味着停滞。该技术通过提供真正创新的解决方案来解决困扰制造商数十年甚至数百年的挑战，从而继续发展。