無人加油機(jī)器人自動加油槍的設(shè)計

董志強(qiáng)

(哈工大機(jī)器人(中山)無人裝備與人工智能研究院，廣東 中山 528400)

0 引言

截止2021年6月，全國機(jī)動車保有量達(dá)3.84億輛，其中汽車2.92億輛，全國的加油站數(shù)量已經(jīng)超過10萬座，傳統(tǒng)的加油站以現(xiàn)金支付等線下方式為主，其交易時間長、效率很低、安全監(jiān)控程度不高，往往對潛在風(fēng)險不能實現(xiàn)智能預(yù)警，通過人工智能化轉(zhuǎn)型實現(xiàn)加油站的安全高效管理已成為油氣行業(yè)改革的必經(jīng)之路。智能無人加油技術(shù)在汽車加油過程中降低了加油站的人工和運(yùn)營成本，提高了加油站的工作效率，在優(yōu)化用戶體驗的同時，提高了加油站的附加收益，更標(biāo)準(zhǔn)化的智能服務(wù)也能夠有效提高加油站的服務(wù)質(zhì)量。

目前市場上的加油槍多為手動操作或電控控制，而且每個油槍只能單獨(dú)加一種標(biāo)號的油，無法實現(xiàn)同一把油槍加不同標(biāo)號的油。電動控制的加油槍在加油過程中存在一定的安全隱患，采用氣動加油不僅能夠很好地完成加油動作，而且能夠保證加油過程的安全性。目前自動加油過程中大多采用一把油槍匹配一個機(jī)器人，這樣的設(shè)計造成產(chǎn)品成本增加。本產(chǎn)品設(shè)計可實現(xiàn)氣動控制加油槍自動加油，一把油槍可以輸出兩種型號的油，保證了加油過程的安全性，實現(xiàn)一個機(jī)器人可完成不同類型的加油服務(wù)，提升了加油效率，降低了產(chǎn)品成本。

1 自動加油槍設(shè)計思路

1.1 保留現(xiàn)有的感壓系統(tǒng)

在自動加油槍的設(shè)計過程中首先保留了現(xiàn)有的自封加油槍感壓系統(tǒng)，以提升產(chǎn)品設(shè)計效率，保證產(chǎn)品的可靠性，降低產(chǎn)品總體成本。目前自封加油槍具有一個與槍身融為一體且獨(dú)立密閉的感壓工作系統(tǒng)，現(xiàn)有的感壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成熟、操作可靠，加油槍可在0.3 s內(nèi)完成自封關(guān)閉動作。

1.2 能夠統(tǒng)計不同檔位加油誤差數(shù)據(jù)

目前手動油槍的加油分為快速、中速和慢速3個檔位，這三個檔位加油都有上下浮動的誤差，但誤差數(shù)值可忽略不計。加油站使用的加油機(jī)是利用流量計進(jìn)行油量測算的，其額定流量一般都在4.5 L/min～45 L/min，按照J(rèn)JG443-2015《燃油加油機(jī)檢定規(guī)程》的規(guī)定，正負(fù)0.3%之內(nèi)為符合要求?；诂F(xiàn)有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，為了提升加油效率，自動加油槍在設(shè)計中采用最大檔位加油，以保證機(jī)器人加油時與人工最大檔位效果一致，同時滿足國家法規(guī)的規(guī)定。

1.3 滿足加油機(jī)器人連接要求

自動加油槍采用了油氣回收技術(shù)，它與普通自封油槍最大的區(qū)別便是油槍上帶有油氣回收口，并配有封氣罩。為了能在加油的同時回收油氣，加油槍使用過程中首先要與機(jī)器人進(jìn)行連接固定，另外需要加入CCD識別，目前市場上的油氣回收油槍結(jié)構(gòu)布局不能滿足機(jī)器人操作使用的要求，因此該自動加油槍在設(shè)計過程中對油氣回收部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，達(dá)到了與機(jī)器人連接的要求，保證了機(jī)器人的操作空間，使整體更簡約化。

1.4 滿足日常維護(hù)要求

加油槍是整個加油站內(nèi)加油輸出的終端，日常需要對其進(jìn)行不斷的維護(hù)，以保證其使用的安全性。本產(chǎn)品的維護(hù)性設(shè)計主要指日常的定期導(dǎo)通測試，即每間隔1個月就需要加油人員檢測1次～2次，以確認(rèn)油槍的功能效果。因此，自動加油槍設(shè)計中預(yù)留了手動檢測孔位，以保證后期人工檢測過程的方便、快捷。

1.5 滿足產(chǎn)品外觀要求

加油站工作環(huán)境苛刻，溫差變化大、灰塵嚴(yán)重及使用者污漬接觸等因素都會導(dǎo)致槍套老化，而顧客的消費(fèi)心理和操作習(xí)慣都會受到加油站設(shè)備外觀和形象的影響。因此，對原有的扳手部分進(jìn)行了密封設(shè)計，將油氣回收部件、氣動執(zhí)行系統(tǒng)、氣動管路等全部放置在該密封殼體內(nèi)，管路布置在殼體內(nèi)部，對外只露出快速接口，方便使用以及后期維修，殼體分為左、右兩部分，方便拆卸和日常檢測。

2 自動加油槍設(shè)計

該自動加油系統(tǒng)分為氣動系統(tǒng)和自動加油槍兩部分。其中氣動系統(tǒng)采用常用氣動回路實現(xiàn)氣缸的運(yùn)動，氣動系統(tǒng)的設(shè)計較為簡單，采用常用的往返運(yùn)動系統(tǒng)就可以滿足要求。自動加油槍氣動系統(tǒng)如圖1所示，選用3位5通電磁閥，氣缸選用往復(fù)運(yùn)動微型氣缸，氣源部分直接通過原有加油站的加油機(jī)提供，滿足氣動部分的壓力要求。

圖1 自動加油槍氣動系統(tǒng)

2.1 油路切換機(jī)構(gòu)

如圖2所示，油路切換機(jī)構(gòu)利用加油過程中不同位置的壓力差來實現(xiàn)不同油路之間的切換，不同標(biāo)號油通過單向閥1或者單向閥2進(jìn)行加油，單向閥1或者單向閥2分別與裝有不同標(biāo)號油的油管連接，切換部件4左邊與油槍連接，右邊與單向閥1、單向閥2連接，密封圈3起到密封作用，密封部分應(yīng)根據(jù)設(shè)計尺寸進(jìn)行測試。單向閥1、單向閥2的設(shè)定壓力與選型需要根據(jù)加油機(jī)的不同規(guī)格進(jìn)行選配，保證加油機(jī)的輸出壓力足以打開單向閥1、單向閥2，同時保證流動速度滿足加油要求。

1，2-單向閥；3-密封圈；4-切換部件

2.2 自動加油槍結(jié)構(gòu)

自動加油槍結(jié)構(gòu)如圖3所示，油氣分離器1與油槍本體9通過螺紋連接；檢測孔2與油槍本體9、氣缸7與鈑金件3、氣缸7與扳手8均通過螺釘連接；油氣出口4與油槍本體9通過氣動接口連接，油氣出口4通過外殼卡緊；油氣進(jìn)氣或者出氣口5、6與氣缸7通過氣缸結(jié)構(gòu)連接。

1-油氣分離器;2-檢測孔;3-鈑金件;4-油氣出口;5，6-進(jìn)氣或出氣口;7-微型氣缸;8-專用扳手;9-油槍本體

該油槍的整體機(jī)構(gòu)采用了現(xiàn)有的油氣分離油槍機(jī)構(gòu)部分，保證了正常的加油跳槍機(jī)構(gòu)運(yùn)動，并對油槍動力部分進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，即將原有的手動扳手部分替換為氣動部分實現(xiàn)加油推動動作，并改變油氣回收的管路布置，使機(jī)器人的銜接更牢固、整體機(jī)構(gòu)更緊湊，方便實現(xiàn)油氣回收和油槍的安全檢測。具體的改進(jìn)設(shè)計如下：

(1) 對原有油槍的手動扳手進(jìn)行了技術(shù)改造，在扳手8的端部與氣缸7連接部分采用U型孔設(shè)計，保證扳手8在繞軸端部轉(zhuǎn)動過程中與氣缸7的推桿連接部分留有一定的角度余量0～5°，以保證氣缸在推動過程中動作流暢，使扳手在轉(zhuǎn)動過程中順利上升和返回原始位置，另外在測試過程中需要將扳手8推動到行程的中間位置附近。

(2) 原有手動油槍在加油過程中，油槍開到最大時扳手運(yùn)動距離為5 cm～7 cm。在對該機(jī)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)過程中保留了原有的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，盡量減小油槍的結(jié)構(gòu)，使得微型氣缸部分選用了較小尺寸的氣動元件，微型氣缸推動扳手運(yùn)動距離控制在3 cm～5 cm，從而使改進(jìn)后的油槍整體尺寸與原油槍一致，還滿足了加油過程中流量和加油速度的要求。

(3) 氣動回收部分主要對油氣分離器1進(jìn)行了改進(jìn)，保證了原有內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變，改變了油氣的輸出位置，將油氣的輸出位置改到下端，同時改變原有的螺紋長度，保證安裝位置能使輸出口在圖3所示位置，保證出口及氣動管路接口在便捷的安裝位置。

(4) 檢測孔2的設(shè)計主要是固定微型氣缸和滿足檢測的要求，其結(jié)構(gòu)上留有孔位，用于安裝外部殼體或檢測過程中插入專用機(jī)構(gòu)，檢測過程中主要對扳手位置進(jìn)行限定，使得加油油槍全開或者部分打開，以測試不同檔位下油槍的工作狀況，便于對設(shè)備狀況進(jìn)行分析判斷。

3 自動加油槍工作過程

該產(chǎn)品設(shè)計改造后其工作過程中主要滿足如下3個工況：

3.1 加油過程

(1) 加滿：加油機(jī)啟動氣缸推動扳手8使得油槍打開進(jìn)行加油，當(dāng)油加滿，油槍跳槍后，氣缸返回到初始位置，油氣回收裝置正常進(jìn)行油氣回收。

(2) 定額或定量加油：當(dāng)加完固定金額或者一定升數(shù)的油后，油槍回到初始位置，加油過程中油氣通過油氣出口4進(jìn)入油氣回收管道，油氣回收裝置進(jìn)行油氣回收；如果該狀態(tài)下加油出現(xiàn)加滿狀況，則后續(xù)操作與加滿時工作狀態(tài)一致。

3.2 檢測過程

檢測過程中需要使用專用工具插入檢測孔2，通過氣缸推動扳手8，達(dá)到一定的位置后被固定，此時油槍處于中速檔位狀態(tài)，檢測油流動及油氣回收是否正常，用于判斷油槍的功能效果。

3.3 油路切換過程

通過改變輸油管的油路壓力進(jìn)行不同油路之間的切換，主要通過油路壓力打開單向閥，油路切換機(jī)構(gòu)應(yīng)定期對機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓力測試。

4 測試

目前該自動加油槍機(jī)構(gòu)已申請專利并完成初步原理機(jī)構(gòu)驗證測試，初步測試結(jié)論如下：

(1) 油槍扳手推動距離為3 cm～5 cm時與人工加油效果一致，選擇了幾款加油槍，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改裝及測試，能夠滿足加油過程要求，并能保證通斷流暢。

(2) 油槍扳手推動距離在2 cm～3 cm左右時與人工測試效果一致，選擇了幾款加油槍，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改裝及測試，能夠滿足檢測要求。

(3) 油槍能夠自行切換不同標(biāo)號的油。但是存在不同標(biāo)號的油部分混合的現(xiàn)象，混合量是否影響使用及對車輛是否會造成影響，有待于進(jìn)一步測試確認(rèn)，遺留問題待解決。

(4) 油氣導(dǎo)通路徑改變后油氣分離效果不變。該部分改變了油氣的流通路徑，其他部分未改變。

5 結(jié)論

通過對無人自動加油槍的設(shè)計及測試，確定了無人加油槍的核心結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗證了無人加油槍的技術(shù)可行性，為無人加油系統(tǒng)的總體技術(shù)實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。