于 玮, 赵南生, 顾秦冬, 江崇远, 陈文毅

(1. 南通大学 工程训练中心, 江苏 南通 226019; 2. 南通大学 机械工程学院, 江苏 南通 226019)

工程训练微课程教具设计
——以冲压加工为例

于 玮1, 赵南生1, 顾秦冬1, 江崇远2, 陈文毅2

(1. 南通大学 工程训练中心, 江苏 南通 226019; 2. 南通大学 机械工程学院, 江苏 南通 226019)

针对工程训练微课程的教学实际,设计了一种多功能模块化的冲床教具。从冲压加工的数学模型入手,推导了曲柄滑块机构的运动学机理,理论验证了冲压机构的抗疲劳性能并研究了机构驱动方案。积分分离式PID算法的引入,解决了冲压图案不均匀的问题。实践结果表明,该教具结构合理、实用性强,有利于在线互动式教学。

冲压加工； 教具设计； 工程训练； 微课程

工程训练课程是应用型人才培养必不可少的实践环节[1],但由于课程内容贴近机械专业[2],且课时安排一般较少,非机械专业的学生在学习期间往往不易入门。网络微课程的出现在一定程度上缓解了上述局面,学生可以在空余时间开展自主学习,通过知识脉冲的方式获得聚焦式的学习体验[3]。但是微课程展示的内容相对细碎化,过于复杂的学习资源往往不容易被讲明白。机床的认知与操作在工程训练课程中所占比重较大[4],对于毫无专业背景的学生而言,要在较短的时间内理解复杂的机床结构实属不易。实践中发现,若在机床加工过程中,采用机构简化的教具配合讲解,往往会获得良好的教学效果。因此,设计一款结构简单、原理清晰、仿真度高的机床教具,有利于课堂教学,也符合“短小精悍”的微课程视频的开发需求。

本文以冲床为模板,进行教具的开发,出于以下几点考虑:其一,冲压加工的动作容易模仿,内部结构也便于简化；其二,冲压加工一旦发生操作事故,则后果不堪设想,因此具有重要的现实意义[5-6]；其三,市场上现售的冲床教具,过于粗糙,且仿真度较低,无法展现工业制造的发展方向；其四,结合微课程视频制作的特殊要求,该教具应该具备硬件可拆解、软件可剪裁的特征,且拆分后的单个模块可以在一段视频中充分讲解。

1 冲压过程的运动学分析

曲柄滑块机构是冲压加工的主要机构,作为四杆机构的变化形式,通常用于将曲柄的旋转运动转换为滑块的直线往复运动[7]。由于该结构简单易行、工作稳定,在工程应用中十分常见,因此成为工程教学的重要内容[8]。对冲压过程进行运动学分析,研究冲压构件上质点的运动轨迹、位移及速度等参量,有利于评价该机构能否满足性能指标[9],便于进一步优化。

根据滑块与曲柄旋转中心位置的不同,可以将曲柄滑块机构分成结点正置和结点偏置两种类型。由于在结点偏置条件下,滑块具有急进或急回特性,为了简化模型,本教具选择结点正置的曲柄滑块机构为研究对象,冲压过程的运动简图见图1。

图1 冲压过程的运动简图

以曲柄旋转中心为原点O,建立直角坐标系,点A和点B分别为连杆与曲柄以及滑块的连接点,设曲柄长度OA=la,连杆长度AB=lb,∠AOB=θ,∠ABO=β,曲柄以角速度ω绕点O旋转,滑块运动速度为v,可以得出下列等式:

(1)

(2)

考虑到冲床的连杆比λ一般在0.2以内,上式的根号部分由泰勒级数展开后去取前两项可得:

(3)

假定滑块沿y轴正向运动,起点为下死点位置,因为滑块的位移L=la+lb-OB,则代入式(2)和式(3)后,可得到滑块位移L与曲柄转角θ之间的关系为

(4)

将(4)式对时间求导并代入二倍角公式化简,得滑块速度表达式为

(5)

由于前面假设此刻滑块上行,故加速度a为负值,将(5)式再对时间求导,引入负号获得滑块加速度表达式为

(6)

不难发现,在曲柄转速恒定的情况下,其与连杆的长度已知后,滑块位移、速度、加速度均是转角θ的方程。

2 教具的硬件架构

2.1 教具总体结构

冲床教具的结构框图见图2,主要包括机构主体、检测单元、控制器、以太网接口等部分。采用步进电机作为机构的动力来源,机构工作时由安装在机架上的各类传感器检测其状态信息,并根据不同的反馈状态,执行相应的动作。采用STC新一代高性能单片机12C5A60S2作为控制核心,检测过程及结果通过以太网分享,便于网络微课堂的交流互动。所有控制线缆均通过航空接头与机箱连接,做到即插即用。

图2 冲床教具结构框图

2.2 冲压机构设计

本教具的冲压机构设计效果见图3,主体为曲柄滑块机构,曲柄纵向截面近似于工字型,中间为连接轴,通过齿轮啮合,步进电机主轴力矩传递至机架上部与曲柄连接的转轴,带动曲柄旋转。连杆与上模之间通过一根滑杆连接,滑杆装入带有纵向滑孔的横梁,由滑孔中的直线轴承导向。同时,下模四周设置了导向柱,与上模开设的导向孔滑动配合。

图3 冲压机构设计效果图

虽然曲柄采用双端支撑,受力较好,但连接轴旋转时所受力矩不断变化,容易因疲劳破坏而失效,因此需要进行校核。已知轴的直径d=8 mm,长度l=24 mm,材料为铝合金,其屈服极限σs约为90 MPa,取许用应力幅安全系数[Sσa]=2,连杆与上模的总质量m=1.5 kg,曲柄可调最大转速n=60 r/min。由于装配误差,滑块上的摩擦力f≈0.5g,曲柄与连杆间转动副的摩擦力不计,故轴上的均布载荷q=(mg+f)/l,最大弯矩值Mmax=(1/ 8)ql3,抗弯截面系数W=πd3/32,根据静应力σst=Mmax/W,求得动应力为

(7)

取应力循环次数为N=105,循环基数N0=107,则寿命系数kN=(N0/N)1/9=1.67。查表知牌号为1060-O的铝合金在对称循环下,循环基数N0=107时,其疲劳强度σ-1=20 MPa,影响材料疲劳强度的综合影响系数(kσ)D=1.5。在对称循环应力中,应力幅σa=σd,且平均应力σm=0,因而得到应力幅安全系数为

(8)

所以,连接轴满足疲劳强度的要求。

上述推导是假定连杆比λ较小的情况下得到的。若将连杆缩短,虽然能使λ增大,设备更小、更轻,但也使得连杆摆幅与滑块加速度增加,最终导致机构运动的侧推力及惯性力增加。本教具中曲柄和连杆的长度分别为70 mm和450 mm,即λ=0.16,属于正常范围,是兼顾上述多种情况的结果。

将曲柄、连杆长度代入式(4)—式(6),获得滑块位移、速度、加速度随角度的变化曲线如图4所示。可以看出,滑块速度在上、下死点处为0,在曲柄转角为π/2和3π/2附近出现最大值。为了增加教学的趣味性,上模内设计了安装图章的插孔。考虑到上模最大位移为140 mm,在减去下模高度50 mm后依然大于图章的高度,因而图章可以轻松装入。本教具立足于教学实际,冲压模具使用了透光材料设计,符合科学认知的一般规律。此外,机架底座还增加了一些配重,以保证机构运行的稳定性。

图4 滑块位移、速度、加速度随角度的变化曲线

2.3 送料机构设计

送料过程采用摩擦轮传动,机构设计效果见图5。利用主、从动轮压紧料带,借助摩擦力带动料带进给与停歇。由于料带与摩擦轮接触面积大,故压紧后传输较为平稳。摩擦轮的间隙可以通过支撑螺杆的高度调节,用于满足多种厚度的材料。为防止进给偏差,增设了两对外缘开设V型凹槽的导轮用于限制和调整料带且保持水平。上游侧的导轮用于限制进料位置,下游侧的导轮用于纠正跑偏的物料。一旦下游侧料带偏移过大,两侧的限位开关将被触发,则电机带动纠错导轮慢慢地归中,从而重新摆正料带,确保冲压正常进行。倘若送料过程中料带卷曲,拱起的料带将会碰到模具前端的金属触点,进而程序控制上模回到上死点,同时冲压及送料运动停止,随后安装在机架边梁上的舵机驱动毛刷伸入模具之间将料带捋平。

图5 送料机构设计效果图

2.4 电机驱动电路设计

图6 电机驱动电路原理图

2.5 以太网接口电路设计

为了开展网络化教学,方便师生在线互动,本教具的控制系统中设计了以ENC28J60为核心的以太网接口,电路原理图见图7。作为独立的以太网控制器,ENC28J60完全兼容IEEE802.3协议,在25 MHz工作频率下,内部优化的物理层器件可实现10 Mbit/s的传输速率[11]。ENC28J60与单片机通过SPI总线完成数据通信,但因部分引脚的电平不兼容,故使用了74HCT08与门电路来实现电平匹配。采用带有网络滤波器及变压器的RJ45接口,可以提高差分信号的抗干扰性能。RBIAS引脚外接了2kΩ的偏置电阻,以满足片内模拟电路的需求。VCAP引脚上的10μF电容用于确保片内2.5V低功耗稳压器正常工作。LEDA及LEDB引脚用于网络状态的指示,并在芯片复位时自动检测LED的极性。

图7 以太网接口电路原理图

3 控制系统的软件设计

控制系统的程序流程图见图8。教具在模拟冲压加工的同时,还伴随着与现实生产类似的检测过程,便于进一步向学生进行安全生产理念教学。检测过程中,安全光幕触发比料带卷曲检测的优先级高,一旦发现异物靠近,则送料与冲压电机立刻停转；只有在光幕无报警的前提下,才检查料带情况。若料带卷曲信号被触发,则控制器等待冲模回上死点锁定再启动毛刷清理。各种状态最终通过网络总线发送,以太网通信主要包括帧字段的生成、缓冲存储器的写入、数据包的封装及发送等环节。

图8 控制系统程序流程图

调试过程中发现冲压图案时常出现不均匀的情况,为保证冲样间距一致,在电机运行环节,针对送料过程引入PID控制,送料电机脉冲由单片机引脚提供。由于PID的积分项在误差较大的初始阶段会因过度累积引发较大超调[12],故此处采用积分分离的控制方案,算法结构如图9所示。

图9 积分分离PID控制结构图

Kp、Ti、Td分别表示比例、积分、微分系数。电机角位移αG为给定输入量,实际角位移αR表示输出量,两者偏差值即为PID控制器的输入信号E(s),反馈量M(s)从电机自带的旋转编码器中获得,被控过程GP(s)的前后级分别带入了环境噪声Ne(s)和传感器噪声Ns(s)。在采样周期T内,第N时刻信号经PID控制器后的离散化时域表达式为

(9)

4 结束语

本文的冲床教具是在南通大学全面推进微课程改革的背景下研制的,符合工程训练的教学需求。各功能模块均可自由剪裁或组合,体现了模块化的特点,便于教师根据学生专业安排微课程片段,开展有针对性的教学,符合复合型人才培养的要求。系统内嵌的自动检测及网络传输功能体现了智能仪表的发展趋势,既能增强课堂的互动性,又可以提升学生的生产控制和安全管理意识。该教具目前已在我校工程训练教学改革中应用,经过了20多个专业、近1 000人的实践检验,校内同行对相关课程的满意度调查均超过90%,学生满意度更高达98%。该教具已作为优秀作品参加了第三届高等学校自制教学仪器设备展,教具实物及微课教学视频截图见图10。

References)

[1] 李晓春,曲晓海,杨洋,等. 工程训练教学改革探索与实践[J]. 实验室研究与探索,2014，34(1):229-232.

图10 教具实物及微课教学视频截图

[2] 周继烈,钱俊,唐洁. 大工程背景下高校工程训练及工程训练中心的建设[J]. 实验技术与管理,2012(8):119-121.

[3] 李小刚,王运武,马德俊,等. 微型学习视野下的微课程设计及教学应用研究[J]. 现代教育技术,2013(10):31-35.

[4] 赵慧玲,孙帅,朱先勇,等. 应用型工程训练中心的建设与创新[J]. 中国教育技术装备,2014(10):31-32,36.

[5] 田晓峰. 冲压模安全保护装置的结构设计[J]. 模具制造,2012(4):20-23.

[6] 刘润,朱先勇,段利利. 工程训练中安全隐患的分析与预防[J]. 现代交际,2014(6):90-91.

[7] 刘善林,胡鹏浩. 曲柄滑块机构的运动特性分析及仿真实现[J]. 机械设计与制造,2008(5):79-80.

[8] 丁旺,丁武学,冯丙波. 基于ADAMS的压力机主传动系统的动态仿真分析[J]. 制造业自动化,2010(11):87-89.

[9] 周启兴,刘莹. 基于LabVIEW的曲柄滑块机构运动特性分析[J]. 南昌大学学报:工科版,2011(4):387-390,397.

[10] 苏文平,薛永毅. 基于NE555设计的脉冲信号发生器在实践教学的应用[J]. 实验技术与管理,2008，25(6):76-78.

[11] 林利瓦,张军,张侃谕. 基于ENC28J60的中央空调节能控制器以太网接口设计[J]. 仪表技术,2010(7):54-56.

[12] 严晓照,张兴国. 增量式PID控制在温控系统中的应用[J]. 南通大学学报：自然科学版,2006(4):48-51.

Design of engineering training AID for microlecture:Taking punching process as an example

Yu Wei1, Zhao Nansheng1, Gu Qindong1, Jiang Chongyuan2, Chen Wenyi2

(1. Engineering Training Center,Nantong University,Nantong 226019,China;2. School of Mechanical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China)

This paper proposes a modular multifunction punch AID for the teaching practice of microlecture for engineering training. Starting from the mathematical model of punching process,the kinetic characteristic of crank-slider mechanism has been analyzed. The drive scheme is studied after the fatigue performance of mechanism has been validated theoretically. Through the use of PID algorithm of integration separation mode,it is solved that patterns pressed on the strip are uneven. The results of application show that this teaching aid has reasonable structure and great practicality for online interactive teaching.

punching process; design of teaching aid; engineering training; microlecture

2015- 02- 25 修改日期：2015- 03- 29

南通大学2014年度教学改革研究课题(2014B107)

于玮(1986—)，男，江苏南通，硕士，助理实验师，研究方向为测控技术和工程实践教学.

E-mail：starbuck_yu@163.com

TH122;G642.0

A

1002-4956(2015)10- 0100- 05