汽車油管自動(dòng)壓裝機(jī)設(shè)計(jì)探析

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摘要：潤(rùn)滑油進(jìn)油管是保證汽車渦輪增壓器正常工作的重要管路之一，其圓接頭和管料采用過盈連接，通過壓裝方式完成裝配。設(shè)計(jì)了一種汽車油管自動(dòng)壓裝機(jī)，通過氣液增壓缸軸向固定管料，倍力串聯(lián)氣缸產(chǎn)生壓裝力。通過壓裝力的理論計(jì)算選型了倍力串聯(lián)氣缸和氣液增壓缸。實(shí)現(xiàn)了管料和圓接頭的自動(dòng)上料，整機(jī)采用PLC控制，觸摸屏作為人機(jī)交互界面。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：自動(dòng)壓裝機(jī)每小時(shí)能完成900件汽車進(jìn)油管的壓裝，工作效率高，能壓裝480mm～600mm之間不同長(zhǎng)度的管料，具有一定的柔性，節(jié)約人力成本，在相關(guān)制造類企業(yè)具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：汽車油管；自動(dòng)壓裝機(jī)；壓裝力；PLC控制

0引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器工作溫度很高，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)，如此高的轉(zhuǎn)速和溫度使得常見的機(jī)械滾針或滾珠軸承無法為轉(zhuǎn)子工作，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動(dòng)軸承，需要機(jī)油進(jìn)行潤(rùn)滑，渦輪增壓器潤(rùn)滑油管共計(jì)兩根管路，分別是進(jìn)油管和回油管。進(jìn)油管是傳輸經(jīng)過濾油器過濾過的帶一定壓力的機(jī)油到增壓器潤(rùn)滑全浮動(dòng)軸承，因此進(jìn)油管是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的重要管路之一［1］。進(jìn)油管由兩端的圓接頭和中間的管料組成，圓接頭連接油路的入口和出口，管料是油路的通道，進(jìn)油管生產(chǎn)制造中，其圓接頭與管料的裝配采用壓裝的方式，進(jìn)油管型號(hào)不同，管料長(zhǎng)度、管徑不同，兩端的圓接頭相對(duì)轉(zhuǎn)角位置也不同。已有的壓裝機(jī)采用類似沖床的沖擊壓裝，振動(dòng)大，壓裝速度、壓裝力調(diào)整不便；人工上、下料，兩端的圓接頭需要分兩次壓裝，工作效率較低；工人上下料時(shí)沖擊壓裝動(dòng)作具有一定的危險(xiǎn)性［2⁃3］。開發(fā)了一種汽車油管自動(dòng)壓裝機(jī)，用倍力串聯(lián)氣缸產(chǎn)生壓裝力，壓裝速度、壓裝力可調(diào)；能自動(dòng)上下料，節(jié)約了人力，也避免了人身危險(xiǎn)；能適應(yīng)不同型號(hào)進(jìn)油管的壓裝，具有一定的柔性；兩端的圓接頭一次壓裝完成，每小時(shí)壓裝900件，工作效率較高。

1整體設(shè)計(jì)方案

進(jìn)油管的兩端圓接頭和管料采用過盈連接，壓裝完成的進(jìn)油管如圖1所示。圖1渦輪增壓器潤(rùn)滑油進(jìn)油管自動(dòng)壓裝機(jī)主要設(shè)計(jì)思路是：通過氣液增壓缸軸向固定管料2，倍力串聯(lián)氣缸推動(dòng)圓接頭1產(chǎn)生壓裝力。為防止將管料壓彎，兩端各有一套氣液增壓缸和倍力串聯(lián)氣缸，兩端同時(shí)動(dòng)作，一次性完成進(jìn)油管兩端圓接頭的壓裝［4⁃5］。在此思路下設(shè)計(jì)的自動(dòng)壓裝機(jī)如圖2所示，采用臥式布局，主要包括圓接頭自動(dòng)上料部件、管料自動(dòng)上料部件、氣液增壓缸固定管料部件、倍力串聯(lián)氣缸壓裝部件、床身底座五大組成部分。圓接頭自動(dòng)上料部件和管料自動(dòng)上料部件通過氣動(dòng)機(jī)械手自動(dòng)完成上料至壓裝位置，如圖3所示；氣液增壓缸固定管料部件中管料上模具、下模具在增壓缸的壓力下合攏，通過摩擦力完成管料的軸向固定，水平安裝的倍力串聯(lián)氣缸推動(dòng)滑塊完成圓接頭的壓裝，為便于自動(dòng)上料定位，滑塊上安裝有圓接頭模具，并通過轉(zhuǎn)角氣缸固定圓接頭。圖3僅展示了進(jìn)油管一端的壓裝，自動(dòng)壓裝機(jī)能一次完成兩端的壓裝，另一端對(duì)稱配置有類似結(jié)構(gòu)，如圖2所示。整機(jī)采用PLC控制，工人只需集中上下料，正常工作不需要人工干預(yù)。

2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)是自動(dòng)壓裝機(jī)設(shè)計(jì)的核心工作，重點(diǎn)需要完成氣液增壓缸、倍力串聯(lián)氣缸的選型計(jì)算，自動(dòng)上下料機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。

2．1壓裝力的計(jì)算

壓裝力的計(jì)算是壓裝機(jī)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，是選型所有重要部件的依據(jù)。如圖4所示，壓裝力本質(zhì)上就是摩擦力，其計(jì)算公式為［6］：P＝P應(yīng)Ff（1）式中，P為壓裝力，kN；f為過盈連接時(shí)配合面之間的摩擦系數(shù)，無潤(rùn)滑取f＝0．17；P應(yīng)為當(dāng)過盈配合連接時(shí)在配合面上產(chǎn)生的單位壓力，MPa；F為過盈連接時(shí)配合面之間的接觸面積，mm2。式（1）中P應(yīng)的計(jì)算公式為：式中，Y為過盈連接的過盈量，mm；d為過盈配合的直徑，mm，如圖4所示；E1、E2為被包容件和包容件材料的彈性模量，GPa。式（2）中，C1、C2計(jì)算公式為：式中，μ1、μ2為被包容件和包容件材料的泊松比；d0為被包容件內(nèi)孔直徑，mm；D為包容件外徑，mm，如圖4所示。D＝10．5mm，d0＝6mm，d＝8mm，圓接頭和管料的材料都為20＃鋼，屬于低碳鋼，μ1＝μ2＝0．25，分別代入式（3）得C1＝3．32，C2＝2．22。圓接頭的孔的尺寸為ϕ8－0．01－0．05，管料尺寸為ϕ8＋0．0150，則圓接頭與管料最大過盈量和最小過盈量為： min＝ES－ei＝－0．01－0＝－0．01mm圓接頭和管料的材料都為20＃鋼，E1＝E2＝196GPa，d＝8mm，Y＝0．065mm，C1＝3．32，C2＝2．22分別代入式（2），P應(yīng)＝0．29MPa。式（1）中的F計(jì)算公式為：式中，L為配合面長(zhǎng)度，mm，如圖4所示。將d＝8mm，L＝6mm代入式（4），F(xiàn)＝150．72mm2。再將P應(yīng)＝0．29MPa，F(xiàn)＝150．72mm2，f＝0．17代入式（1），計(jì)算得到P＝7．43kN，再取1．3倍的余量，則最終的壓裝力為9．659kN?？紤]到壓裝過程行程較短，但要求出力大，現(xiàn)場(chǎng)氣源供應(yīng)方便，因此采用倍力串聯(lián)氣缸產(chǎn)生壓裝力，這種氣缸采用兩級(jí)氣缸串聯(lián)而成，相同缸徑出力是單缸的兩倍，最終選定的倍力串聯(lián)氣缸缸徑為125mm，行程只要大于L選擇最小行程50mm，在氣源壓力為0．5MPa的情況下，出力為12．2kN，氣缸型號(hào)為SCT125×25×25SFA。

2．2氣液增壓缸的選型

氣液增壓缸向下壓力所產(chǎn)生摩擦力抵御倍力串聯(lián)氣缸的壓裝力，摩擦力計(jì)算公式為：f＝μFN（5）式中，F(xiàn)N為壓力，kN；μ為摩擦系數(shù)，無潤(rùn)滑工況下取1．7；f為摩擦力，kN。將式（1）計(jì)算得到的壓裝力以f＝9．659kN，μ＝0．17代入式（5）得到FN＝56．8kN，由此選型增壓缸型號(hào)為MPT⁃80⁃50⁃10L⁃6T，缸徑80mm，出力6T，總行程為50mm，其中預(yù)行程40mm，高壓力行程10mm，完全滿足要求。為防止增壓缸壓力下管料產(chǎn)生塑性變形，需要求得如圖4所示管料上下模具的a尺寸，如圖5所示為管料和管料模具的半剖視圖。（d－d0）×a×σS（6）式中，F(xiàn)C為增壓缸壓力；α為管料模具的長(zhǎng)度尺寸；σS為材料屈服強(qiáng)度。低碳鋼σS＝207MPa，d0＝6mm，d＝8mm，F(xiàn)C＝60kN代入式（6），求得a＝144mm。

2．3管料自動(dòng)上料部件

為提高壓裝機(jī)的自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)制造了管料自動(dòng)上料部件，如圖6所示。操作工只需要將成捆管料一次性上料至料槽1，管料自動(dòng)上料部件即能完成逐根管料依次排隊(duì)上料，且能適應(yīng)不同長(zhǎng)度的管料，以方便不同型號(hào)進(jìn)油管的壓裝，正常情況下不需要人為干預(yù)，缺料自動(dòng)報(bào)警。為保證管料能安全、可靠地逐根上料，設(shè)計(jì)了三級(jí)工位，層層接力的機(jī)械結(jié)構(gòu)［7］。第一級(jí)工位即為料槽1，工人成捆將管料放入，兩端設(shè)置有擋板2適應(yīng)不同長(zhǎng)度的管料，底部氣缸4驅(qū)動(dòng)推桿從料槽1的孔3中伸出，推桿頭部經(jīng)過斜面設(shè)計(jì)以確保每次沿著料槽1的槽壁只會(huì)推起一根管料至第二級(jí)；第二級(jí)工位為緩沖工位7，斜坡設(shè)計(jì)，這樣能夠使得被推至第二級(jí)的管料沿著斜坡滾動(dòng)，進(jìn)一步推動(dòng)已經(jīng)存在于該工位的另一管料可靠地滾動(dòng)至緩沖工位7的最底部，因此常態(tài)下緩沖工位7會(huì)有兩根管料待命。底部的另一氣缸驅(qū)動(dòng)推桿從緩沖工位7的孔8中伸出，將一根管料推落至第三級(jí)；第三級(jí)為抓手抓取工位6，常態(tài)下只有一根管料待命，氣缸抓手可以直接抓取。為便于不同長(zhǎng)度管料軸向位置基準(zhǔn)位的固定，方便后續(xù)的壓裝，通過軸向定位氣缸9和第三級(jí)擋板5完成管料的軸向定位。

2．4圓接頭偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

不同型號(hào)進(jìn)油管的兩端圓接頭相對(duì)轉(zhuǎn)角位置也不同，壓裝機(jī)為適應(yīng)不同型號(hào)進(jìn)油管的壓裝，設(shè)計(jì)了一端圓接頭模具轉(zhuǎn)角位置固定，另一端連續(xù)可調(diào)的裝置，如圖7所示。伺服電機(jī)5控制轉(zhuǎn)角位置，氣缸抓手上料至圓接頭模具2后自動(dòng)調(diào)整至設(shè)定轉(zhuǎn)角位置，以便后續(xù)壓裝。

3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)壓裝機(jī)屬于典型的時(shí)序控制系統(tǒng)，因此選擇可編程邏輯控制器（PLC）作為控制核心，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用安全可靠，擴(kuò)展模塊豐富，與外圍部件連接方便。

3．1硬件選型

硬件連接框圖如圖8所示，PLC控制對(duì)象包括各個(gè)電磁閥，用來控制氣缸機(jī)械手、氣液增壓缸、倍力串聯(lián)氣缸等，還包括伺服電機(jī)，完成兩端圓接頭相對(duì)轉(zhuǎn)角位置的設(shè)定。因此PLC選型時(shí)需要考慮具有高速脈沖輸出功能。S7⁃200SMARTCPU模塊本體能集成3路高速脈沖輸出，頻率高達(dá)100kHz，支持PWM／PTO輸出方式以及多種運(yùn)動(dòng)模式，可自由設(shè)置運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。配以方便易用的向?qū)гO(shè)置功能，能快速實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速、定位等功能［4］，再考慮輸入輸出點(diǎn)數(shù)的數(shù)量，選定的PLC型號(hào)為S7⁃200SMARTST40，配備有Profinet以太網(wǎng)接口［8⁃9］。PLC的輸入包括各個(gè)氣缸的磁性開關(guān)，自動(dòng)上料監(jiān)測(cè)開關(guān)，還包括伺服電機(jī)參考點(diǎn)開關(guān)，開機(jī)后自動(dòng)回零。為方便與用戶交互，選型了昆侖通態(tài)TPC7062K觸摸屏，通過以太網(wǎng)與ST40連接，能顯示壓裝機(jī)工作狀態(tài)、報(bào)警信息和手動(dòng)控制。為方便一個(gè)工人照看多臺(tái)壓裝機(jī)，還安裝有三色燈，缺料時(shí)紅燈閃爍，提醒工人及時(shí)加料。

3．2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括PLC程序設(shè)計(jì)，觸摸屏策略、腳本、畫面設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。PLC程序負(fù)責(zé)整個(gè)壓裝機(jī)時(shí)序動(dòng)作的自動(dòng)控制，流程如圖9所示，觸摸屏軟件負(fù)責(zé)各個(gè)氣缸、伺服電機(jī)的手動(dòng)控制。PLC編程采用最常用的梯形圖語言，使用STEP7⁃MicroWINSMART編程軟件，該軟件將常見應(yīng)用包括位置控制、高速計(jì)數(shù)、PID等功能內(nèi)置在軟件中，向?qū)Р僮鞑灰壮鲥e(cuò)［7］，自動(dòng)壓裝機(jī)所使用的高速脈沖輸出功能只需要在向?qū)У闹敢抡{(diào)用位置控制子程序就能完成兩端圓接頭相對(duì)轉(zhuǎn)角位置的連續(xù)調(diào)整［10］，PLC控制程序如圖10所示。圓接頭偏轉(zhuǎn)為絕對(duì)位置控制，開機(jī)后必須回零，通過觸摸屏的“回零按鈕”完成位置控制子程序AXIS0＿RSEEK子程序的調(diào)用，在之前的運(yùn)動(dòng)軸組態(tài)時(shí)已經(jīng)指定了參考點(diǎn)開關(guān)地址和零點(diǎn)搜索模式?；亓愠晒?，才能調(diào)用AXIS0＿GOTO位置控制子程序完成相對(duì)轉(zhuǎn)角位置調(diào)整，觸摸屏上設(shè)定的“兩端圓接頭相對(duì)轉(zhuǎn)角”參數(shù)用于虛參“Pos”的輸入，“Mode＝0”表示絕對(duì)位置控制。

4結(jié)束語

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：自動(dòng)壓裝機(jī)每小時(shí)能完成900件汽車進(jìn)油管的壓裝，工作效率高；能適應(yīng)480mm～600mm之間不同的管料長(zhǎng)度，兩端圓接頭相對(duì)轉(zhuǎn)角位置0～90°連續(xù)可調(diào)。更換模具后，調(diào)整氣源壓力，調(diào)整壓裝力能適應(yīng)不同管徑的管料，具有一定的柔性；一個(gè)工人能同時(shí)照看3～4臺(tái)機(jī)器，節(jié)約人力成本，在相關(guān)制造類企業(yè)具有一定的推廣價(jià)值。

作者:朱俊 朱良峰 單位:常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院 常州騰龍汽車零部件股份有限公司