汽車轉向節襯套的壓裝品質控制研究

陳銳鴻,李愈娜

(1.廣州城市理工學院機械工程學院，廣東廣州 510800；2.廣州工商學院，廣東廣州 510800)

0 前言

汽車轉向節(見圖1)是汽車轉向機械的重要安全部件[1]，它是輪子與車架連接的重要部件。而轉向節的襯套作為減震關鍵連接件，采用壓裝的方式裝配，壓裝的效果需要滿足廠家的品質要求。針對壓裝控制系統的研究，苗玉剛等[2]開發了一套小型的電子壓力控制系統，采用LabVIEW作為上位機，重點對壓裝系統進行研究；黃公安等[3]采用 Ether CAT 總線技術及模糊PID控制算法對壓裝力和位置閉環進行研究；楊志永和李輝[4]設計基于PLC的伺服液壓控制系統，重點研究閉環伺服控制系統。壓裝控制系統已經有比較成熟的方法及理論，例如模糊PID控制[5]、閉環伺服系統[6]、混合粒子群法優化控制[7]等。以上主要是針對壓裝系統的控制開展研究，對于壓裝結果的判定算法及其過程的判定則沒有太多涉及。襯套壓裝品質的判定是關系到壓裝質量的重要環節，具有很好的研究意義。本文作者以汽車轉向節的襯套壓裝曲線為研究對象，重點研究壓裝曲線的區間關鍵值的提出及對應品質的控制方法，提出一套適用于生產一線的品質控制算法，并利用PLC實現壓裝品質的檢測。

圖1 汽車轉向節

1 壓裝機組成部分

壓裝機是壓裝品質控制的關鍵，其控制精度直接影響至壓裝的品質。當前有液壓壓裝機、電液伺服壓裝機[8]、電子伺服壓裝機等。電子伺服壓裝機由于其控制精度高、工作環境好、生產效率高，獲得廣泛應用，其結構如圖2所示。

圖2 電子伺服壓裝機

2 系統控制方案

電子伺服壓裝機是執行襯套壓裝的關鍵設備，其系統構成如圖3所示，采用PLC作為主控制器，控制伺服電機的動作，通過光柵檢測位移，壓力傳感器測量壓力，通過變送器將壓力值輸送給PLC[9]。

圖3 系統控制框圖

觸摸屏與PLC連接，用于顯示及壓入機品質參數設置。每個壓裝工件采用二維碼作為標識，通過掃描槍錄入PLC，然后執行壓入。工控機與PLC通過以太網通信，壓裝的數據由工控機采集并存儲，采用SQL數據庫。重點介紹在品質控制方面的研究，利用PLC對采集回來的400個點進行品質驗算，并根據驗算結果給出產品的結果判定。

3 壓裝原理及質量影響因素

包容件是指承受壓裝零件的產品，文中指的是汽車轉向節。被包容件是被壓裝的零件，文中指是的襯套。它們之間的壓裝屬于過盈配合，通過兩者的緊固配合，使襯套在轉向節中承受沖擊、緩沖等作用。

3.1 過盈配合裝配方法

依靠軸與孔的過盈值，裝配后使零件表面間產生彈性壓力，從而獲得緊固的聯接。廣泛運用于軸、齒輪、銷、襯套等工件的安裝中。由于過盈連接結構簡單，承載能力高，受沖擊載荷的性能強，在裝配過程中廣泛應用[10]。由于加工誤差的存在，包容件及被包容件尺寸上的誤差影響到過盈配合的質量。

根據材料彈性力學理論，壓裝壓力P的計算公式如下：

(1)

通過公式(1)可知：在材質不變及尺寸確定的情況下，汽車轉向節襯套壓裝壓力的大小與摩擦因數f及過盈量δ密切相關。而由于工件的制造過程中公差的存在，導致過盈量在一定的范圍內波動，也導致壓裝過程中壓力出現不同的曲線。當壓力太小，則襯套的緊固程度受到影響，太大則容易損壞襯套。這兩種情況出現都應該判斷為壓裝不合格的產品。

(2)

(3)

3.2 壓力品質要求

由公式(1)(2)(3)可知：壓裝力的大小與摩擦力、材料系數及過盈量有關。轉向節是鋁制零件，其材料的材料系數固定不變，影響工件壓裝力大小的因素主要是加工過程的公差。轉向節在鑄造及后續孔的加工過程中，由于包容件和被包容件(即襯套)之間存在公差，壓入過程壓力存在差異。要求壓力必須能夠滿足工件在后續的使用過程中保持緊固性；同時，在壓裝過程中又必須能夠保證被包容件的完好程度，因此最大壓力不能超過允許范圍。

通過壓裝曲線的采集及分段檢查，能夠對各個階段的壓力進行分析，讓它在設置的范圍內。

4 壓裝件品質控制研究

4.1 壓裝品質關鍵指標

壓裝機工作過程中，位移每增加0.1 mm采集一點，并保存在PLC的數據寄存器中。每個工件壓入完成后，存儲400個點的數據。400個點的數據以數組的形式存儲。每個位置點對應一個壓力值。由于每個工件在制造過程中的誤差不一樣，會導致曲線不一樣。但是有幾個指標可以用來約束壓入曲線的走向，分別將其命名為工件檢查1、工件檢查2、工件檢查3，如圖4所示。每個階段的檢查分為上限距離、下限距離、上限壓力、下限壓力。

圖4 工件檢查參數PLC設置

工件檢查1是包容件和被包容件剛接觸時系統的最低壓力，此時要求其在工件檢查1的下限距離和上限距離之前的最大值不能小于“工件檢查1壓力”，如果不滿足條件，則接觸壓力達不到要求，包容件的尺寸大于被包容件，切入壓力過小，系統應該判斷工件檢查1不合格。

工件檢查2是壓入過程中的判斷，此時被包容件在壓入過程中，需要有足夠的緊固力，確保包容件與被包容件的連接緊固，其壓力應該處于一定的區間。超過壓力上限、低于壓力下限，則會判定為工件檢查2不合格。

工件檢查3作為壓入結束時，其壓力和距離的判斷，需要落在圖4中工件檢查3的方框里面，即最終負荷處于壓力下限和上限之間、最終距離處于距離下限和距離上限之間。

根據圖4中的參數設置，在工控機的數據采集界面設置3個工件檢查框，左右邊分別為距離的限制，上下邊則為壓力的限制。如果工件判定為合格，則曲線的走向是經過3個檢查框的，如圖5所示。任一個條件不滿足，則給出不合格的報警信號，并具體告知是哪一種不符合。

圖5 襯套壓裝曲線

4.2 壓裝工件檢查關鍵值數值抓取算法研究

4.2.1 工件檢查1最大值

工件檢查1是區間最大值的提取，采用比較賦值的算法，設每一個點的數據為數組(Di,Fi)(D為距離,F為壓力,i為當前點位編號數)，通過上位機設定工件檢查1的區間為[Dck1,Dck2]其壓力最小達標值為Pck1。

通過判斷Pmax是否大于等于Pck1，通過計算機程序計算，在400個點中進行搜索，采用如圖6所示的流程，當距離大于等于Dck1時，開始進行力判斷，直至距離大于等于Dck2，在這個區間中，找到它的最大值。

圖6 區間最大值提取算法

4.2.2 工件檢查2

工件檢查2是檢查工件通過壓力是否達到緊固的要求，其區間值必須在上下限之間，如果壓力太低，則緊固性達不到要求，如果太高則容易破壞包容件與被包容件的結構，對產品原有的特性造成損傷。

工件檢查2是在“工件檢查2開始距離”和“工件檢查2結束距離”之間進行壓力的上限和下限判斷。工件檢查2采用的是區間比較搜索法，區間的最大壓力值和最小值的提取方法如圖7所示。圖中，Dck1為檢查的下限距離，Dck2為檢查的上限距離，Fmin_temp是運算過程中當前最小值，區間搜索結束，該值為區間最小值Pmin。Fmax_temp是運算過程中當前最大值，區間搜索結束時，該值為區間最大值Pmax。在搜索結束后，最小值Pmin和最大值Pmax進行比較，如果Pmin大于壓力下限值Pck1且Pmax小于壓力上限值Pck2，則斷定工件檢查2是合格的，兩者任何一個壓力不符合要求，判斷為工件檢查2壓力上限不合格或壓力下限不合格。

圖7 區間壓力最大值和最小值搜索流程

4.2.3 工件檢查3

工件檢查3是壓裝的最終壓力及最終距離，是判斷工件壓裝最終效果的關鍵。最終距離必須符合壓入距離的要求，最終壓力也應該在最終壓力的范圍內。因此工件檢查3檢查工件的最終距離以及最大的壓力，其算法與工件檢查1相同。

4.3 基于PLC的區間值搜索的實現辦法

將采集回來的400個點的位移數據存儲在PLC的內部數據寄存器D1002～D1800中，以浮點數值的方式存儲，而壓力值保存在D2002～D2800中。距離和壓力組成的數據為(Dn,D1 000+n)，其中n為數據寄存器的地址。在執行區間搜索時，先將Dn的數據與距離區間數據進行比較，當距離值在檢查區間時，執行壓力值的判斷，當搜索區間結束后，給出品質判斷，并將結果和400個數據上傳至工控機的數據庫，以供追溯。

5 結論

區間壓力檢查運用于壓裝控制中，能有效判別工件的壓裝品質，將壓裝過程的配合度及工件的品質性能反饋其中，有效篩選出由于制造公差而導致的緊固力不足、產品過壓等不合格壓裝產品。區間搜索最大(小)值的方法在PLC中實現容易，計算速度快，減少PLC與上位機的通信時間，提高壓裝的效率。基于PLC控制的區間搜索算法，能夠適用于其他復雜的工件壓裝控制，只需要將良品的曲線按要求設定好檢查的方框，則可以對曲線進行有效判定。

該系統運行于某日資汽車零部件廠的轉向節襯套生產，生產30 000個產品，良品99%以上，誤判率控制在0.05%以內，生產效率提升了20%，運用效果顯著。