王璐璐，郭琳娜，邱雪峰，周 陽，邱自學(xué)

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019)

0 引言

氧傳感器廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是汽車電噴系統(tǒng)中，通過測(cè)定尾氣中的氧離子含量，獲得混合氣的空燃比信號(hào)[1-2]，將其轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并及時(shí)反饋給電子控制單元(electronic control unit,ECU)，ECU據(jù)此對(duì)噴油時(shí)間和進(jìn)氣量進(jìn)行修正，使混合氣的濃度保持在最佳空燃比的狀態(tài)，達(dá)到節(jié)約能源和凈化尾氣的目的[3]。

氧傳感器作為檢測(cè)汽車尾氣中氧氣含量、控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒比的關(guān)鍵部件，需求量增加[4-5]。目前國(guó)內(nèi)氧傳感器的組裝過程主要依靠人工或半自動(dòng)化的生產(chǎn)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低；為滿足市場(chǎng)需求，需分析氧傳感器零部件的裝配工藝、開發(fā)氧傳感器自動(dòng)裝配設(shè)備，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。

氧傳感器主要由接插件組件、線束組件、金屬保護(hù)罩組件等組成，其中金屬保護(hù)罩組件主要包括內(nèi)墊片、基座和保護(hù)罩。為提高裝配效率和質(zhì)量，針對(duì)金屬保護(hù)罩組件的裝配，設(shè)計(jì)了氧傳感器組件裝配機(jī)及其控制系統(tǒng)。氧傳感器組件裝配系統(tǒng)的研制能有效提高氧傳感器的裝配效率，節(jié)省人工成本和產(chǎn)品生產(chǎn)成本，為實(shí)現(xiàn)氧傳感器的全自動(dòng)化生產(chǎn)提供支持。

1 氧傳感器零部件及裝配工藝要求

內(nèi)墊片、基座和保護(hù)罩是組成氧傳感器的必要零部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，三者裝配完成后如圖2所示，其中，基座的內(nèi)錐面小端圓直徑略小于內(nèi)墊片的小端圓直徑，基座的凸臺(tái)與保護(hù)罩的凹孔過盈配合，在外力作用下緊密配合。

圖1 氧傳感器零部件

圖2 裝配完成件

根據(jù)工廠實(shí)際生產(chǎn)要求，確定氧傳感器組件裝配機(jī)的工藝要求如下：零部件出料均勻、無卡料現(xiàn)象；內(nèi)墊片、基座和保護(hù)罩在外力作用下緊密配合在一起；連續(xù)壓鉚時(shí)壓鉚性能一致、無過壓或壓不牢靠現(xiàn)象；壓鉚時(shí)不能使氧傳感器零部件出現(xiàn)開裂或機(jī)械損傷；壓鉚合格率高于99.5%。

2 氧傳感器裝配機(jī)及關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

氧傳感器組件裝配系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、傳感檢測(cè)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及圖形操作終端等構(gòu)成。其中，機(jī)械系統(tǒng)包括設(shè)備箱體、線性移動(dòng)組件、支具組件、轉(zhuǎn)盤上料組件、振動(dòng)盤上料組件、基座送料組件、內(nèi)墊片送料組件、保護(hù)罩送料組件和壓鉚組件，氧傳感器組件裝配系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 氧傳感器組件裝配機(jī)示意圖

氧傳感器組件裝配系統(tǒng)的工作過程如下：振動(dòng)盤上料組件和轉(zhuǎn)盤上料組件啟動(dòng)工作；內(nèi)墊片送料組件通過氣缸將振動(dòng)盤輸送的內(nèi)墊片推送至支具正上方，吸盤吸取內(nèi)墊片并放置于支具上；在此過程中，基座送料組件依次通過氣缸和氣爪將基座抓取并放置于支具上，使內(nèi)墊片外錐面與基座內(nèi)錐面接觸；保護(hù)罩送料組件和壓鉚組件動(dòng)作，在將保護(hù)罩預(yù)提起后，線性移動(dòng)組件帶動(dòng)支具運(yùn)動(dòng)至壓鉚組件處；壓鉚組件二次動(dòng)作，將保護(hù)罩與支具上的內(nèi)墊片和基座裝配在一起。

2.2 轉(zhuǎn)盤上料組件設(shè)計(jì)

由于氧傳感器基座的體積較大、質(zhì)量較大，若采用振動(dòng)盤上料的方式，則會(huì)產(chǎn)生較大噪音，干擾操作，因此設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)盤上料組件，如圖4所示，該組件主要由上料盒、撥爪、轉(zhuǎn)盤、基座送料導(dǎo)軌、直振體和交流電機(jī)組成。

圖4 轉(zhuǎn)盤上料組件

交流電機(jī)的運(yùn)行帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，工人將上料盒內(nèi)的基座推送至轉(zhuǎn)盤上，無序的基座隨轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，并在撥爪的作用下被自動(dòng)撥向轉(zhuǎn)盤的外圓方向，依次進(jìn)入基座送料導(dǎo)軌內(nèi)，并在直振體的作用下到達(dá)氣爪抓取位置。采用此方案，工人只需定時(shí)更換基座上料盒，操作簡(jiǎn)單，同時(shí)基座上料平穩(wěn)，噪聲小，自動(dòng)化程度高。

2.3 支具組件設(shè)計(jì)

支具用于承載氧傳感器內(nèi)墊片、基座和保護(hù)罩。線性移動(dòng)組件一般不能承受與其運(yùn)動(dòng)方向垂直的較大正壓力，因此要求當(dāng)壓鉚組件動(dòng)作時(shí)，施加的壓力不能直接作用在線性移動(dòng)組件上，為此，設(shè)計(jì)了一種浮動(dòng)式支具組件，如圖5所示，該組件主要由承載支柱、支柱活動(dòng)件、彈簧、彈簧保護(hù)罩、襯套和受力柱組成。

圖5 浮動(dòng)式支具組件

壓鉚組件運(yùn)動(dòng)，施加作用力于氧傳感器零部件上，支柱活動(dòng)件隨之向下動(dòng)作至受力柱頂端，使壓力間接傳遞至機(jī)箱臺(tái)面上，可以延長(zhǎng)組件使用壽命；同時(shí)，支具組件采用分體式結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障損傷時(shí)，易于更換。

2.4 內(nèi)墊片送料組件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的內(nèi)墊片送料方式為：由工人進(jìn)行拾取并放置于指定工位。由于氧傳感器內(nèi)墊片尺寸較小，且為錐形結(jié)構(gòu)，工人難以保障其抓取和放置的快速平穩(wěn)性，對(duì)工人的熟練程度和操作經(jīng)驗(yàn)要求較高，為解決上述問題，設(shè)計(jì)了內(nèi)墊片送料組件，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，該組件主要由內(nèi)墊片推送氣缸、內(nèi)墊片攔擋氣缸、吸盤推送氣缸和吸盤組成，各氣動(dòng)元件在PLC的程序控制下協(xié)調(diào)動(dòng)作，可以平穩(wěn)地將內(nèi)墊片放至支具上。

圖6 內(nèi)墊片送料組件

3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氧傳感器組件裝配系統(tǒng)的氣動(dòng)控制原理圖如圖7所示。氣源即壓縮空氣，由空氣壓縮機(jī)提供，經(jīng)過氣動(dòng)三聯(lián)件處理后達(dá)到所要求的空氣質(zhì)量，凈化后的空氣共分為9路，其中有7路經(jīng)過5通先導(dǎo)式電磁閥和速度控制閥后分別到達(dá)相應(yīng)的氣缸內(nèi)；一路同樣通過電磁閥和速度控制閥，然后到達(dá)氣爪內(nèi)；還有一路通過真空發(fā)生器組件控制吸盤動(dòng)作，完成對(duì)內(nèi)墊片的吸取和釋放。電磁閥通過PLC程序控制其通斷情況，進(jìn)而控制氣缸的伸出與縮回動(dòng)作[6]；速度控制閥采用排氣節(jié)流型，對(duì)排出氣流有所限制，不會(huì)造成活塞桿急速伸出或縮回，保證氣缸動(dòng)作的平穩(wěn)性[7-8]。

圖7 氣動(dòng)控制原理圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)通常包含信息檢測(cè)單元、驅(qū)動(dòng)控制單元、人機(jī)交互監(jiān)控單元及電源管理單元等[9]。氧傳感器裝配系統(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感檢測(cè)器及氣缸、電機(jī)等的控制；采用圖形操作終端對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和調(diào)整。

4.1 控制系統(tǒng)要求

氧傳感器組件裝配系統(tǒng)對(duì)內(nèi)墊片、基座和保護(hù)罩自動(dòng)上料和自動(dòng)裝配由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該控制系統(tǒng)以PLC為核心，以觸摸屏為人機(jī)交互窗口，要求具備幾下功能。

(1)故障檢測(cè)及報(bào)警功能：該控制系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)各傳感器工作是否正常；檢測(cè)系統(tǒng)各執(zhí)行元件，如氣缸等是否到達(dá)指定位置；實(shí)時(shí)反饋和顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)非正常運(yùn)行時(shí)，及時(shí)停機(jī)，并通過觸摸屏和三色燈進(jìn)行報(bào)警顯示。

(2)狀態(tài)切換功能：該控制系統(tǒng)包含兩種控制模式，即手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，并能完成兩種狀態(tài)間的自由切換。手動(dòng)控制主要用于系統(tǒng)維護(hù)及調(diào)試；自動(dòng)控制用于實(shí)際正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各部件間的協(xié)調(diào)動(dòng)作。

(3)停止和急停功能：分別通過“停止”按鈕和“急?！卑粹o來實(shí)現(xiàn)，若按下“停止”按鈕，則中斷當(dāng)前正在運(yùn)行的動(dòng)作；若按下“急?！卑粹o，則停止所有動(dòng)作，設(shè)備停機(jī)。

4.2 PLC選型及I/O口分配

氧傳感器裝配系統(tǒng)包含25個(gè)輸入點(diǎn)，14個(gè)輸出點(diǎn)，總計(jì)39個(gè)點(diǎn)，系統(tǒng)的I/O口分配情況如表1所示。

根據(jù)輸入、輸出口數(shù)量，綜合考慮PLC的性價(jià)比，選擇型號(hào)為FX3U-64MT-ES-A的PLC，該款PLC自帶兩路高速通訊接口(RS-422和Mini-USB)，32點(diǎn)輸入，32點(diǎn)輸出，AC電源，220V電壓，晶體管輸出，能夠滿足設(shè)備使用要求。

4.3 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC是一種存儲(chǔ)程序的控制器，用戶將控制程序編好并導(dǎo)入PLC中，PLC的控制功能就是通過運(yùn)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的[10-11]。采用GX-Works2設(shè)計(jì)PLC控制程序，控制流程如圖8所示。

表1 PLC的I/O分配表

圖8 PLC控制流程圖

4.4 圖形操作終端畫面設(shè)計(jì)

圖形操作終端主要包括觸摸屏和“啟動(dòng)”、“停止”和“急停”按鈕[12]，用戶可通過觸摸屏實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和參數(shù)設(shè)定，觸摸屏是簡(jiǎn)單、方便的人機(jī)交互方式[13]。

選取GS2107-WTBD型觸摸屏，該型號(hào)觸摸屏擁有RS422和RS232多個(gè)通信端口，能快速與PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換通信，滿足工況使用要求。通過GT-Designer3進(jìn)行觸摸屏界面設(shè)計(jì)。圖形操作終端的操縱界面示意圖如圖9所示。

圖9 圖形操作終端操縱界面示意圖

由圖9可知，氧傳感器組件裝配系統(tǒng)的圖形操作終端界面共包含3層。第一層顯示界面：圖形操作終端通電后，2s后進(jìn)入“啟動(dòng)界面”；第二層顯示界面：“啟動(dòng)界面”上設(shè)計(jì)了5個(gè)觸摸鍵，分別為“設(shè)備概要”界面、“設(shè)備調(diào)試選擇”界面、“內(nèi)墊片吸取”界面、“基座抓取”界面和“自動(dòng)裝配”界面；第三層顯示界面：進(jìn)入“設(shè)備調(diào)試”界面后，可根據(jù)要求進(jìn)入各個(gè)界面進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)調(diào)試，分別為“步進(jìn)電機(jī)調(diào)試”界面、“交流電機(jī)調(diào)試”界面、“內(nèi)墊片有無檢測(cè)”界面、“基座有無檢測(cè)”界面、“保護(hù)罩有無檢測(cè)”界面和“三色燈調(diào)試”界面。

以步進(jìn)電機(jī)的調(diào)試界面為例進(jìn)行說明，其他部件的調(diào)試界面可參照設(shè)計(jì)。如圖10所示，“步進(jìn)電機(jī)調(diào)試”界面包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)和動(dòng)作調(diào)試兩部分，工人可手動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止，從而切換和監(jiān)視支具在放料工位原位與裝配結(jié)束工位間的位置，若處在相應(yīng)位置，則對(duì)應(yīng)指示燈亮。

圖10 步進(jìn)電機(jī)調(diào)試界面

5 結(jié)論

(1)根據(jù)氧傳感器零部件—內(nèi)墊片、基座和保護(hù)罩的裝配工藝要求，設(shè)計(jì)了氧傳感器組件裝配機(jī)及其關(guān)鍵組件。采用轉(zhuǎn)盤上料和振動(dòng)盤上料的方式，提高了氧傳感器零部件的上料速率；設(shè)計(jì)了支具組件，可將壓鉚力間接作用于機(jī)箱臺(tái)板上，延長(zhǎng)組件使用壽命，且更換方便；設(shè)計(jì)了內(nèi)墊片送料組件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄小型墊片的平穩(wěn)取放料。

(2)根據(jù)控制要求，對(duì)氧傳感器組件裝配機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用氣動(dòng)裝置與PLC控制結(jié)合使用，便于操控，動(dòng)作可靠；選取PLC FX3U-64MT-ES-A作為控制核心，觸摸屏為人機(jī)交互窗口，分析PLC控制流程和觸摸屏操作界面，使系統(tǒng)在程序控制下穩(wěn)定有序地工作。

(3)目前該設(shè)備已投入實(shí)際生產(chǎn)使用，運(yùn)行狀態(tài)良好，生產(chǎn)效率較之前提高了52%，良品率達(dá)99.8%。