汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機(jī)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄭天池，夏 超，陳锃基，吳 潔

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇蘇州 215011）

0 引言

汽車(chē)轉(zhuǎn)向器是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，而臂軸是轉(zhuǎn)向器中最重要的零件[1－3]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸在經(jīng)過(guò)銑端面、粗車(chē)長(zhǎng)端、精車(chē)短端外圓和孔、精車(chē)長(zhǎng)端、插齒、銑槽、去毛刺等工序后[4]，需對(duì)加工完成后的臂軸進(jìn)行噴油。

目前，多數(shù)企業(yè)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴油，只能依靠人工手拿方式進(jìn)行噴油，由于噴油過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生油霧，人體吸取后會(huì)造成很大的身體傷害，如果噴油過(guò)程中沒(méi)有做好防護(hù)措施，也會(huì)對(duì)外界環(huán)境造成污染[5]；同時(shí)，人工噴油難以保障十分精準(zhǔn)，不可避免地會(huì)降低產(chǎn)品的質(zhì)量。對(duì)于上述噴油方式，生產(chǎn)企業(yè)只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)工件的手工噴油，不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)工件的自動(dòng)連續(xù)噴油，生產(chǎn)效率低。

本文結(jié)合汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸的生產(chǎn)工藝，研制開(kāi)發(fā)了汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機(jī)及其控制系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸生產(chǎn)企業(yè)。該設(shè)備自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率高，能夠?qū)Χ嘁?guī)格汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)多規(guī)格汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸的環(huán)形噴油。

1 汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸結(jié)構(gòu)及工藝要求

汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸結(jié)構(gòu)如圖1 所示，不同規(guī)格的汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸，其直徑、長(zhǎng)度、齒數(shù)不同；在噴油過(guò)程中，汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸的長(zhǎng)度和直徑對(duì)噴油質(zhì)量有直接影響，齒數(shù)對(duì)噴油效果無(wú)影響。

圖1 汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸結(jié)構(gòu)

汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸噴油的工藝要求為：噴油過(guò)程中，要求能夠?qū)ζ?chē)轉(zhuǎn)向臂軸進(jìn)行全覆蓋無(wú)死角噴油；噴油時(shí)殘留油液不能滴漏在設(shè)備上及設(shè)備外圍；噴油周期低于8 s。

2 環(huán)形噴油機(jī)技術(shù)方案及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 整體技術(shù)方案

汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機(jī)由液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、傳感檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 環(huán)形噴油機(jī)整體結(jié)構(gòu)

液壓系統(tǒng)用于控制噴嘴是否噴油，主要由油泵、油箱、溢流閥、減壓閥、節(jié)流閥、2 位2 通電磁閥、過(guò)濾器等組成。溢流閥作為安全閥，在壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)卸荷；節(jié)流閥和減壓閥分別調(diào)節(jié)輸出流量和壓力；通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)噴油和停止噴油的相互切換。

機(jī)械系統(tǒng)包括防護(hù)罩、設(shè)備機(jī)體、動(dòng)力環(huán)形滾筒線、自動(dòng)噴油裝置、回油盒等，機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，動(dòng)力環(huán)形滾筒線實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸的自動(dòng)環(huán)形輸送；自動(dòng)噴油裝置通過(guò)液壓系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸的自動(dòng)噴油。

圖3 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

環(huán)形噴油機(jī)的工作過(guò)程如下。

根據(jù)所噴油的汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸型號(hào)，在圖形操作終端上選擇“自動(dòng)噴油”界面，設(shè)定汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸“長(zhǎng)度”和“直徑”參數(shù)。將待噴油的汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸放置在動(dòng)力環(huán)形滾筒線的左前側(cè)，動(dòng)力環(huán)形滾筒線逐個(gè)將汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸帶入至自動(dòng)噴油區(qū)域，當(dāng)?shù)竭_(dá)自動(dòng)噴油區(qū)域時(shí)，自動(dòng)噴油裝置中的噴嘴實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸全覆蓋無(wú)死角噴油；當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸噴油完成后，動(dòng)力環(huán)形滾筒線逐個(gè)將汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸帶入右前側(cè)，此時(shí)，人工逐個(gè)將噴油后的汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸取出，如此形成環(huán)形噴油。

2.2 動(dòng)力環(huán)形滾筒線

動(dòng)力環(huán)形滾筒線主要由環(huán)形滾筒、交流電機(jī)、安裝立柱、回油盒組成，如圖4所示，能夠保證多個(gè)汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸按照噴油順序自動(dòng)流入和流出。

圖4 動(dòng)力環(huán)形滾筒線結(jié)構(gòu)

動(dòng)力環(huán)形滾筒線同時(shí)帶動(dòng)多個(gè)汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸的連續(xù)工作，為保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，需驗(yàn)證所選交流電機(jī)是否滿足使用要求。

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載參數(shù)如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)負(fù)載參數(shù)

（1）確定減速機(jī)的減速比

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n0為：

式中：n0為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；f 為工作電壓頻率，Hz；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率，一般取0.02。

將數(shù)據(jù)代入式（1）可得：

電機(jī)帶動(dòng)滾筒的輸出轉(zhuǎn)速n1＝30 r/min，故減速比i為：

為了便于計(jì)算，減速比i取為50，故電機(jī)帶動(dòng)滾筒的輸出轉(zhuǎn)速n為：

（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的計(jì)算

負(fù)載F為：

將上述數(shù)據(jù)代入式（5）可得：

則負(fù)載轉(zhuǎn)矩T′L為：

考慮安全系數(shù)Sf＝2，則必要轉(zhuǎn)矩為：

（3）負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的計(jì)算

負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為：

將數(shù)據(jù)代入式（9），可得：

所選交流電機(jī)為東方馬達(dá)調(diào)速電機(jī)，其型號(hào)為BMU460SC－50，輸出扭矩為8.2 N·m，輸出轉(zhuǎn)速為60 r/min，傳動(dòng)比為50，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為550×10－4kg·m－2，故滿足使用要求。

2.3 自動(dòng)噴油裝置

自動(dòng)噴油裝置由前噴油組件和后噴油組件構(gòu)成，如圖5所示，包括噴嘴、立柱、噴嘴安裝板、銅管接頭。自動(dòng)噴油裝置在上下左右4個(gè)方向上各有3個(gè)噴嘴，能夠?qū)ζ?chē)轉(zhuǎn)向臂軸噴油全覆蓋，每個(gè)噴嘴的噴射角度為210°，能夠?qū)ζ?chē)轉(zhuǎn)向臂軸無(wú)死角噴油。

圖5 自動(dòng)噴油裝置結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以PLC 為控制核心，對(duì)液壓系統(tǒng)中的電磁閥進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉的切換控制，對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停止和調(diào)節(jié)控制，對(duì)各個(gè)傳感器的動(dòng)作控制等；以圖形操作終端為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、調(diào)整；對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與預(yù)警[6－8]。

3.1 PLC選型及I/O口分配

根據(jù)控制系統(tǒng)所需輸入、輸出端口的數(shù)量，并留有一定余量，所選PLC型號(hào)為三菱公司的FX3GA－24MTCM，該型號(hào)PLC 包含14 個(gè)輸入點(diǎn)和10 個(gè)輸出點(diǎn)，且晶體管輸出、2 軸定位，自帶高速通訊接口（RS422&USB）。

環(huán)形噴油機(jī)控制系統(tǒng)輸入點(diǎn)數(shù)為4，輸出點(diǎn)數(shù)為5，共計(jì)9個(gè)點(diǎn)。其I/O口分配如表2所示。

表2 PLC的I/O口分配

3.2 傳感檢測(cè)系統(tǒng)

為保證環(huán)形噴油機(jī)的噴油精度，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，需要使用接近傳感器、磁性接近傳感器等來(lái)檢測(cè)環(huán)形噴油機(jī)的工作狀態(tài)。環(huán)形噴油機(jī)所使用的各類(lèi)傳感器的型號(hào)和作用如表3所示。

表3 各類(lèi)傳感器型號(hào)和作用

3.3 PLC程序

采用GX－Works2 編程軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC 的程序設(shè)計(jì)，PLC工作的控制程序流程如圖6所示。

圖6 PLC程序流程

3.4 圖形操作終端畫(huà)面

圖形操作終端（Graphic Operating Terminal）將系統(tǒng)的手動(dòng)運(yùn)行模式、自動(dòng)運(yùn)行模式集于一體，能夠方便地顯示和監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定修改[9－10]。圖形操作終端選用日本三菱公司生產(chǎn)的GX2107－WTBD，其界面設(shè)計(jì)采用GT－Designer2 軟件編寫(xiě)，通過(guò)USB 接口下載至圖形操作終端中，圖形操作終端程序如圖7所示。

圖7 圖形操作終端操作界面

圖形操作終端界面共3層，第1層為啟動(dòng)界面，第2層為主界面，第3層為設(shè)備調(diào)試界面。

進(jìn)入第2 層，點(diǎn)擊“自動(dòng)噴油界面”按鈕，即可進(jìn)入如圖8所示的自動(dòng)噴油界面。

圖8 自動(dòng)噴油界面

自動(dòng)噴油界面由設(shè)備狀態(tài)欄、參數(shù)設(shè)定欄、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)欄組成。

（1）設(shè)備狀態(tài)欄：用于實(shí)時(shí)顯示交流電機(jī)的工作狀態(tài)、噴油工位是否有汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸、噴油嘴是否閉合、防護(hù)罩門(mén)是否關(guān)閉等。

（2）參數(shù)設(shè)定欄：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)多規(guī)格汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸的“直徑”和“長(zhǎng)度”參數(shù)設(shè)定，系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)調(diào)整噴油量和噴油時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多規(guī)格汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸的精確噴油，保證噴油質(zhì)量。

（3）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)欄：用于實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸噴油工序的生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)了汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機(jī)及其控制系統(tǒng)。環(huán)形噴油機(jī)已投入汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸生產(chǎn)廠家實(shí)際使用，噴油周期為5 s，生產(chǎn)效率提高65%，噴油質(zhì)量提高40%。控制系統(tǒng)具有檢測(cè)功能，有效避免因無(wú)汽車(chē)轉(zhuǎn)向臂軸造成空噴油。

經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行分析，環(huán)形噴油機(jī)性能穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)運(yùn)行良好，為生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有較好的推廣和工程應(yīng)用價(jià)值。