汽車制動主缸活塞部件擰緊機研制

田春林，李品，楊曉宇，雷林

(1. 長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022； 2. 長春裕普機械設備有限公司 技術中心，吉林 長春 130012)

0 引言

目前，關于汽車制動主缸活塞部件的裝配緊固，傳統氣動扳手的擰緊方法依然被大量采用。針對氣動扳手裝配活塞部件存在的操作性弊端[1]，本文所研制的活塞部件擰緊機通過固定工位的方式，在電控單元的控制下，使伺服擰緊電機搭配轉矩傳感器在氣缸的配合下進行有效的工作，不僅穩定了裝配過程中對活塞部件的擰緊力矩，同時還大大降低了操作人員的勞動強度，并且通過電控單元可在觸摸屏上實時顯示擰緊力矩值以及被檢測的活塞部件半高尺寸測量值，能夠及時、準確地區分出活塞部件裝配中的不合格品。由于所研制的活塞部件擰緊機有操作簡易、功能豐富、工作效率高的特點，其具有廣泛的發展前景。

1 擰緊機系統的工作原理及結構布局

1.1 擰緊機的技術要求

本文所研制的擰緊機設備主要用于柱塞式汽車制動主缸第一活塞部件的裝配。工藝要求擰入活塞體內的限位螺釘所受的擰緊力矩和裝配完畢后第一活塞總成的半高尺寸同時穩定在合格范圍之內。第一活塞總成結構簡圖如圖1所示。

圖1 第一活塞總成結構簡圖

1.2 擰緊機的工作原理

本文研制的汽車制動主缸活塞部件擰緊機設備系統主要由各種傳感器、電氣控制單元、活塞部件擰緊工位、半高尺寸復檢工位、盛具盤、不合格品箱、顯示以及警報單元等部分組成。

擰緊機電控單元通過分析處理各外圍模塊傳遞過來的電信號，在已經編輯設定好的邏輯控制方法控制下，對設備各執行機構發出相應的運行指令，實現各個執行機構有效操作配合，正確、高效地對第一活塞部件進行裝配及其半高尺寸的檢測。圖2為擰緊機系統原理框圖。

圖2 擰緊機系統原理框圖

1.3 擰緊機總體結構布局

活塞部件擰緊工位采用伺服電機搭配不同規格的批頭施擰活塞限位螺釘，在左工位一側裝有一個筆形氣缸，其伸出端連接在工件安裝移動板上，并搭配精密調壓閥，使工件定位組件停止在任意位置，起到平衡器的作用。半高尺寸復檢工位裝有直線球軸承式位移傳感器，在上部氣缸的作用下下壓第一活塞總成件，進而得出第一活塞總成的半高尺寸。另外還為設備設置了“儲錢罐式”的不合格品箱，不合格品需投入不合格品箱后，設備方可繼續動作。同時在操作者便于觀察的位置設置工藝掛架及控制面板，面板設置電源、照明開關，通過操作旋鈕可對部分檢測項目進行選擇。擰緊機實物圖如圖3所示。

圖3 汽車制動主缸活塞部件 擰緊機

2 擰緊工位結構設計

操作人員在左工位將限位螺釘、彈簧限位座、活塞彈簧施擰進第一活塞一定深度的部分被稱為活塞部件擰緊裝配操作機構。本文研制的擰緊機系統活塞部件裝配擰緊單元采用固定工位的形式，使上部預壓氣缸配合下部伺服擰緊電機自下而上對活塞部件進行擰緊操作，擰緊過程簡易可靠，且勞動強度小。

該過程首先把磁環和磁環擋圈裝配到活塞上，其次將彈簧限位座、第一彈簧和限位螺釘組裝在一起，并把零件一起裝到擰緊機擰緊底座上，然后將配套好的第一活塞(裝好的磁環和磁環擋圈)、螺紋孔向下裝到擰緊機活塞定位塊上。接著拉動下拉把手，在筆形氣缸的作用下，使工件定位組件懸停在合適的位置，此時活塞彈簧已進入第一活塞體內，避免了裝配過程中活塞與彈簧的剮蹭現象。最后按下啟動按鈕，機床下部伺服電機啟動，螺釘開始旋轉，上部第一活塞在預壓氣缸帶動下開始下行，自動將活塞部件限位螺釘擰緊到位。擰緊過程中轉矩傳感器檢測擰緊力矩是否滿足活塞部件擰緊力矩要求，側向位移傳感器同時檢測活塞部件擰緊尺寸是否合格。圖4為活塞部件擰緊工位結構圖。

1—下拉把手；2—筆形氣缸；3—預壓氣缸；4—接觸式位移傳感器； 5—軸承定位座；6—聯軸器；7—轉矩傳感器；8—交流伺服電機； 9—第一活塞；10—活塞定位塊；11—磁環；12—限位螺釘； 13—活塞彈簧；14—彈簧限位座；15—定位底座。 圖4 活塞部件擰緊工位結構圖

3 電氣控制單元

電氣控制單元硬件結構主要是由可編程邏輯控制器(PLC)、模擬量轉化輸入電路、開關量輸入電路、脈沖輸入電路、電機和氣壓驅動電路、顯示及報警輸出電路等部分組成。擰緊機系統電氣控制單元硬件結構如圖5所示。

圖5 擰緊機系統電氣控制單元硬件結構

本文研制的擰緊機電氣控制系統選用歐姆龍CP1H-XA小型PLC控制器，該型PLC指令運行速度快，具有良好的抗干擾性、可靠性、靈敏性[2]。在預壓缸、復檢缸的原位及工作位采用的傳感器是一種非接觸式的霍爾元件傳感器，能準確地檢測汽缸內活塞的位置。左工位轉矩傳感器輸出與其所受轉矩成正比的5 kHz～15 kHz的頻率信號，然后通過F/V信號轉換器將其轉化成(0±10)V的模擬量電信號傳送給PLC控制器進行運算處理[3]，將運算出的轉矩數值實時顯示在觸摸屏上。左、右工位上均裝有分辨率為0.5 μm的接觸式位移傳感器，經過放大器處理后輸出TTL標準差分信號，再由信號轉換隔離器將其轉換成單端推挽HTL脈沖信號[4]傳送給PLC控制器，經過對其零點校準后，可精確地得出每個活塞部件裝配完成后的半高尺寸值，并將其顯示在觸摸屏上。同時在操作臺邊緣設置光幕傳感器，當人身欲進入設備工作區時，光幕被遮擋，傳感器發出遮光信號給PLC控制器，使設備處于停止工作狀態。另外設備以雙按鈕形式進行啟動，可避免在啟動設備時，操作人員單手處于設備工作區而造成傷害。而且在操作者伸手可及處設置急停按鈕，急停按鈕功能實現設備中止檢測、快速復位。

在觸摸屏上預設好轉矩和半高尺寸的合格范圍后，對檢測到的不合格件，蜂鳴器被激活，報警紅燈閃亮，設備停止工作并復位。此時將不合格件投入廢料箱，廢料箱內裝有廢料檢測傳感器，其感應到不合格件后，設備方可繼續工作，可以有效避免不合格件進入下一道工序。

4 試驗結果

為了驗證所設計擰緊機系統活塞部件裝配的科學性與可靠性，取20組編號1-20的第一活塞部件裝配樣品元件，進行樣品裝配試驗。裝配完成的活塞總成樣品按產品要求轉矩合格范圍為(5±0.25)N·m，半高尺寸合格范圍為(63.9±0.1)mm，根據試驗結果分別繪制了活塞部件裝配過程轉矩值直方分布圖和活塞部件半高尺寸值直方分布圖，如圖6、圖7所示。

圖6 活塞部件裝配轉矩分布

圖7 活塞部件半高尺寸分布

通過對試驗數據分析，可以看出樣品第一活塞部件的裝配轉矩及半高尺寸均符合對應誤差要求，且90%的活塞試驗樣品裝配轉矩誤差基本穩定在±0.10N·m之內，

95%的活塞試驗樣品半高尺寸誤差基本穩定在±0.03mm之內。由此可以看出，本文所研制的活塞擰緊機在對第一活塞部件進行擰緊裝配的過程中，擰緊轉矩和活塞部件半高尺寸均可達到較好的預期效果。

5 結語

本文研制的活塞部件擰緊機系統可以看成由活塞部件裝配擰緊和活塞部件半高尺寸復檢兩大功能單元組成，不僅可以有效避免活塞部件裝配過程中活塞與彈簧的剮蹭問題，還可以通過實時觀測擰緊力矩的變化和被裝配活塞半高尺寸值，及時地區分出活塞部件裝配不合格品，操作簡單，性能可靠，符合當下企業及工人對汽車制動主缸活塞部件擰緊裝配工作的要求。