汽車轉向臂軸環形噴油機及其控制系統設計*

鄭天池，夏 超，陳锃基，吳 潔

（工業和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇蘇州 215011）

0 引言

汽車轉向器是汽車轉向系統中的關鍵零部件，而臂軸是轉向器中最重要的零件[1－3]。在實際生產過程中，汽車轉向臂軸在經過銑端面、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，多數企業還無法實現自動噴油，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品的質量。對于上述噴油方式，生產企業只能實現單個工件的手工噴油，不能實現多個工件的自動連續噴油，生產效率低。

本文結合汽車轉向臂軸的生產工藝，研制開發了汽車轉向臂軸環形噴油機及其控制系統，并成功應用于汽車轉向臂軸生產企業。該設備自動化程度和生產效率高，能夠對多規格汽車轉向臂軸進行參數設定、修改，實現對多規格汽車轉向臂軸的環形噴油。

1 汽車轉向臂軸結構及工藝要求

汽車轉向臂軸結構如圖1 所示，不同規格的汽車轉向臂軸，其直徑、長度、齒數不同；在噴油過程中，汽車轉向臂軸的長度和直徑對噴油質量有直接影響，齒數對噴油效果無影響。

圖1 汽車轉向臂軸結構

汽車轉向臂軸噴油的工藝要求為：噴油過程中，要求能夠對汽車轉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 環形噴油機技術方案及關鍵部件設計

2.1 整體技術方案

汽車轉向臂軸環形噴油機由液壓系統、機械系統、傳感檢測系統、控制系統等組成，設備整體結構如圖2所示。

圖2 環形噴油機整體結構

液壓系統用于控制噴嘴是否噴油，主要由油泵、油箱、溢流閥、減壓閥、節流閥、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；節流閥和減壓閥分別調節輸出流量和壓力；通過控制電磁閥的開啟和關閉，實現系統連續噴油和停止噴油的相互切換。

機械系統包括防護罩、設備機體、動力環形滾筒線、自動噴油裝置、回油盒等，機械系統結構如圖3所示。圖中，動力環形滾筒線實現對汽車轉向臂軸的自動環形輸送；自動噴油裝置通過液壓系統的控制實現對汽車轉向臂軸的自動噴油。

圖3 機械系統結構

環形噴油機的工作過程如下。

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

2.2 動力環形滾筒線

動力環形滾筒線主要由環形滾筒、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向臂軸按照噴油順序自動流入和流出。

圖4 動力環形滾筒線結構

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

交流電機驅動的負載參數如表1所示。

表1 驅動負載參數

（1）確定減速機的減速比

電機額定轉速n0為：

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

將數據代入式（1）可得：

電機帶動滾筒的輸出轉速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速n為：

（2）負載轉矩TL的計算

負載F為：

將上述數據代入式（5）可得：

則負載轉矩T′L為：

考慮安全系數Sf＝2，則必要轉矩為：

（3）負載轉動慣量J的計算

負載轉動慣量J為：

將數據代入式（9），可得：

所選交流電機為東方馬達調速電機，其型號為BMU460SC－50，輸出扭矩為8.2 N·m，輸出轉速為60 r/min，傳動比為50，轉動慣量為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，能夠對汽車轉向臂軸噴油全覆蓋，每個噴嘴的噴射角度為210°，能夠對汽車轉向臂軸無死角噴油。

圖5 自動噴油裝置結構

3 控制系統設計

控制系統以PLC 為控制核心，對液壓系統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、停止和調節控制，對各個傳感器的動作控制等；以圖形操作終端為上位機，實現對生產參數進行設置、調整；對生產狀態進行監控與預警[6－8]。

3.1 PLC選型及I/O口分配

根據控制系統所需輸入、輸出端口的數量，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）。

環形噴油機控制系統輸入點數為4，輸出點數為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

為保證環形噴油機的噴油精度，提高系統運行的安全性，需要使用接近傳感器、磁性接近傳感器等來檢測環形噴油機的工作狀態。環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控設備的運行狀態，并進行參數設定修改[9－10]。圖形操作終端選用日本三菱公司生產的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欄、參數設定欄、運行狀態監測欄組成。

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

（2）參數設定欄：用于實現對多規格汽車轉向臂軸的“直徑”和“長度”參數設定，系統依據設定的參數自動調整噴油量和噴油時間，從而實現對多規格汽車轉向臂軸的精確噴油，保證噴油質量。

（3）運行狀態監測欄：用于實時顯示設備的運行狀態。

4 結束語

本文根據汽車轉向臂軸噴油工序的生產要求，設計了汽車轉向臂軸環形噴油機及其控制系統。環形噴油機已投入汽車轉向臂軸生產廠家實際使用，噴油周期為5 s，生產效率提高65%，噴油質量提高40%。控制系統具有檢測功能，有效避免因無汽車轉向臂軸造成空噴油。

經過實際運行分析，環形噴油機性能穩定可靠、操作簡單、系統運行良好，為生產企業帶來良好的經濟和社會效益，具有較好的推廣和工程應用價值。