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

汽車轉(zhuǎn)向器是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關鍵零部件，而臂軸是轉(zhuǎn)向器中最重要的零件[1－3]。在實際生產(chǎn)過程中，汽車轉(zhuǎn)向臂軸在經(jīng)過銑端面、粗車長端、精車短端外圓和孔、精車長端、插齒、銑槽、去毛刺等工序后[4]，需對加工完成后的臂軸進行噴油。

目前，多數(shù)企業(yè)還無法實現(xiàn)自動噴油，只能依靠人工手拿方式進行噴油，由于噴油過程中會產(chǎn)生油霧，人體吸取后會造成很大的身體傷害，如果噴油過程中沒有做好防護措施，也會對外界環(huán)境造成污染[5]；同時，人工噴油難以保障十分精準，不可避免地會降低產(chǎn)品的質(zhì)量。對于上述噴油方式，生產(chǎn)企業(yè)只能實現(xiàn)單個工件的手工噴油，不能實現(xiàn)多個工件的自動連續(xù)噴油，生產(chǎn)效率低。

本文結(jié)合汽車轉(zhuǎn)向臂軸的生產(chǎn)工藝，研制開發(fā)了汽車轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機及其控制系統(tǒng)，并成功應用于汽車轉(zhuǎn)向臂軸生產(chǎn)企業(yè)。該設備自動化程度和生產(chǎn)效率高，能夠?qū)Χ嘁?guī)格汽車轉(zhuǎn)向臂軸進行參數(shù)設定、修改，實現(xiàn)對多規(guī)格汽車轉(zhuǎn)向臂軸的環(huán)形噴油。

1 汽車轉(zhuǎn)向臂軸結(jié)構(gòu)及工藝要求

汽車轉(zhuǎn)向臂軸結(jié)構(gòu)如圖1 所示，不同規(guī)格的汽車轉(zhuǎn)向臂軸，其直徑、長度、齒數(shù)不同；在噴油過程中，汽車轉(zhuǎn)向臂軸的長度和直徑對噴油質(zhì)量有直接影響，齒數(shù)對噴油效果無影響。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向臂軸結(jié)構(gòu)

汽車轉(zhuǎn)向臂軸噴油的工藝要求為：噴油過程中，要求能夠?qū)ζ囖D(zhuǎn)向臂軸進行全覆蓋無死角噴油；噴油時殘留油液不能滴漏在設備上及設備外圍；噴油周期低于8 s。

2 環(huán)形噴油機技術(shù)方案及關鍵部件設計

2.1 整體技術(shù)方案

汽車轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機由液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，設備整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 環(huán)形噴油機整體結(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、過濾器等組成。溢流閥作為安全閥，在壓力超過設定值時卸荷；節(jié)流閥和減壓閥分別調(diào)節(jié)輸出流量和壓力；通過控制電磁閥的開啟和關閉，實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)噴油和停止噴油的相互切換。

機械系統(tǒng)包括防護罩、設備機體、動力環(huán)形滾筒線、自動噴油裝置、回油盒等，機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，動力環(huán)形滾筒線實現(xiàn)對汽車轉(zhuǎn)向臂軸的自動環(huán)形輸送；自動噴油裝置通過液壓系統(tǒng)的控制實現(xiàn)對汽車轉(zhuǎn)向臂軸的自動噴油。

圖3 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

環(huán)形噴油機的工作過程如下。

根據(jù)所噴油的汽車轉(zhuǎn)向臂軸型號，在圖形操作終端上選擇“自動噴油”界面，設定汽車轉(zhuǎn)向臂軸“長度”和“直徑”參數(shù)。將待噴油的汽車轉(zhuǎn)向臂軸放置在動力環(huán)形滾筒線的左前側(cè)，動力環(huán)形滾筒線逐個將汽車轉(zhuǎn)向臂軸帶入至自動噴油區(qū)域，當?shù)竭_自動噴油區(qū)域時，自動噴油裝置中的噴嘴實現(xiàn)對汽車轉(zhuǎn)向臂軸全覆蓋無死角噴油；當汽車轉(zhuǎn)向臂軸噴油完成后，動力環(huán)形滾筒線逐個將汽車轉(zhuǎn)向臂軸帶入右前側(cè)，此時，人工逐個將噴油后的汽車轉(zhuǎn)向臂軸取出，如此形成環(huán)形噴油。

2.2 動力環(huán)形滾筒線

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

圖4 動力環(huán)形滾筒線結(jié)構(gòu)

動力環(huán)形滾筒線同時帶動多個汽車轉(zhuǎn)向臂軸的連續(xù)工作，為保證設備運行的穩(wěn)定性與可靠性，需驗證所選交流電機是否滿足使用要求。

交流電機驅(qū)動的負載參數(shù)如表1所示。

表1 驅(qū)動負載參數(shù)

（1）確定減速機的減速比

電機額定轉(zhuǎn)速n0為：

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

將數(shù)據(jù)代入式（1）可得：

電機帶動滾筒的輸出轉(zhuǎn)速n1＝30 r/min，故減速比i為：

為了便于計算，減速比i取為50，故電機帶動滾筒的輸出轉(zhuǎn)速n為：

（2）負載轉(zhuǎn)矩TL的計算

負載F為：

將上述數(shù)據(jù)代入式（5）可得：

則負載轉(zhuǎn)矩T′L為：

考慮安全系數(shù)Sf＝2，則必要轉(zhuǎn)矩為：

（3）負載轉(zhuǎn)動慣量J的計算

負載轉(zhuǎn)動慣量J為：

將數(shù)據(jù)代入式（9），可得：

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

2.3 自動噴油裝置

自動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。自動噴油裝置在上下左右4個方向上各有3個噴嘴，能夠?qū)ζ囖D(zhuǎn)向臂軸噴油全覆蓋，每個噴嘴的噴射角度為210°，能夠?qū)ζ囖D(zhuǎn)向臂軸無死角噴油。

圖5 自動噴油裝置結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)以PLC 為控制核心，對液壓系統(tǒng)中的電磁閥進行開啟和關閉的切換控制，對交流電機進行啟動、停止和調(diào)節(jié)控制，對各個傳感器的動作控制等；以圖形操作終端為上位機，實現(xiàn)對生產(chǎn)參數(shù)進行設置、調(diào)整；對生產(chǎn)狀態(tài)進行監(jiān)控與預警[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型號為三菱公司的FX3GA－24MTCM，該型號PLC 包含14 個輸入點和10 個輸出點，且晶體管輸出、2 軸定位，自帶高速通訊接口（RS422&USB）。

環(huán)形噴油機控制系統(tǒng)輸入點數(shù)為4，輸出點數(shù)為5，共計9個點。其I/O口分配如表2所示。

表2 PLC的I/O口分配

3.2 傳感檢測系統(tǒng)

為保證環(huán)形噴油機的噴油精度，提高系統(tǒng)運行的安全性，需要使用接近傳感器、磁性接近傳感器等來檢測環(huán)形噴油機的工作狀態(tài)。環(huán)形噴油機所使用的各類傳感器的型號和作用如表3所示。

表3 各類傳感器型號和作用

3.3 PLC程序

采用GX－Works2 編程軟件實現(xiàn)對PLC 的程序設計，PLC工作的控制程序流程如圖6所示。

圖6 PLC程序流程

3.4 圖形操作終端畫面

圖形操作終端（Graphic Operating Terminal）將系統(tǒng)的手動運行模式、自動運行模式集于一體，能夠方便地顯示和監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，并進行參數(shù)設定修改[9－10]。圖形操作終端選用日本三菱公司生產(chǎn)的GX2107－WTBD，其界面設計采用GT－Designer2 軟件編寫，通過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層為啟動界面，第2層為主界面，第3層為設備調(diào)試界面。

進入第2 層，點擊“自動噴油界面”按鈕，即可進入如圖8所示的自動噴油界面。

圖8 自動噴油界面

自動噴油界面由設備狀態(tài)欄、參數(shù)設定欄、運行狀態(tài)監(jiān)測欄組成。

（1）設備狀態(tài)欄：用于實時顯示交流電機的工作狀態(tài)、噴油工位是否有汽車轉(zhuǎn)向臂軸、噴油嘴是否閉合、防護罩門是否關閉等。

（2）參數(shù)設定欄：用于實現(xiàn)對多規(guī)格汽車轉(zhuǎn)向臂軸的“直徑”和“長度”參數(shù)設定，系統(tǒng)依據(jù)設定的參數(shù)自動調(diào)整噴油量和噴油時間，從而實現(xiàn)對多規(guī)格汽車轉(zhuǎn)向臂軸的精確噴油，保證噴油質(zhì)量。

（3）運行狀態(tài)監(jiān)測欄：用于實時顯示設備的運行狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向臂軸噴油工序的生產(chǎn)要求，設計了汽車轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機及其控制系統(tǒng)。環(huán)形噴油機已投入汽車轉(zhuǎn)向臂軸生產(chǎn)廠家實際使用，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)具有檢測功能，有效避免因無汽車轉(zhuǎn)向臂軸造成空噴油。

經(jīng)過實際運行分析，環(huán)形噴油機性能穩(wěn)定可靠、操作簡單、系統(tǒng)運行良好，為生產(chǎn)企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟和社會效益，具有較好的推廣和工程應用價值。