張亞鋒，孟 飛，張美鳳，蔡建文

(常州工學(xué)院 a.江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點建設(shè)實驗室；b.電氣與光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

?

基于汽車起動行星軸的壓裝機設(shè)計與實現(xiàn)

張亞鋒，孟 飛，張美鳳，蔡建文

(常州工學(xué)院 a.江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點建設(shè)實驗室；b.電氣與光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

為了解決汽車起動機行星減速軸自動壓銷及壓軸承等問題，設(shè)計了一套壓裝機。分析了產(chǎn)生壓銷誤差的原因，提出了先預(yù)壓后完全壓緊方法和取銷結(jié)構(gòu)組件多孔定位控制策略，以數(shù)字式等分液壓回轉(zhuǎn)臺為平臺，PLC為主控制器，位置傳感器為反饋單元，液壓缸和氣缸為執(zhí)行機構(gòu)，完成了壓裝機主要部件的機械設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計。運行結(jié)果表明，多孔定位控制策略正確，壓銷精度高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

行星減速軸；自動壓銷；PLC；壓裝機

0 引言

汽車起動機行星減速軸是汽車起動機的關(guān)鍵零件之一，主要用于行星齒輪傳動，在汽車起動時以傳遞轉(zhuǎn)矩和動力，其一端為帶有螺旋花鍵的傳動桿，另一端是具有通孔的端面，通孔的數(shù)量因不同種類的行星減速器而異。工業(yè)生產(chǎn)中常以過盈配合形式由壓裝機將銷精確壓入同一圓周上各通孔中，并且保證同一圓周上的各銷滿足圓跳動公差，以利于在行星減速器中裝配行星齒輪。目前針對銷與孔的過盈配合壓裝只是針對其材料、銷的種類、幾何參數(shù)等對配合面上的應(yīng)力分布影響進行了研究[1-2]，國內(nèi)針對汽車起動行星軸端面銷的壓裝也僅在壓力監(jiān)控、部分工序自動控制等方面做了部分研究開發(fā)[3-4]，因此存在壓裝效率低，廢品率高，不能滿足壓裝精度等問題。文中通過工裝定位、自動取銷定位、先預(yù)壓后全壓等技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)壓裝的全自動化，對汽車起動機行星減速軸的生產(chǎn)具有重要意義。

1 誤差原因分析

圖1所示為銷壓裝示意圖。銷進入接料套后，在壓頭的壓力作用下，將銷壓入行星軸端面。接料套起穩(wěn)定作用，使得銷的中心軸線相對于轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)面以足夠的垂直度，同時保證銷的中心軸線相對于行星軸端面上相應(yīng)的孔的基準(zhǔn)中心線有足夠的同軸度。為保證壓力垂直施加于銷的端面上，壓頭中心軸線相對于轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)面須有足夠的垂直度，同時保證壓頭端面與轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)面有足夠的平行度。因此各定位誤差是影響壓在行星軸端面上的銷是否滿足圓跳動公差要求的主要原因。其中接料套上的內(nèi)孔與銷的間隙配合是關(guān)鍵，它直接影響相關(guān)的位置公差。

1.銷 2.行星軸端面 3.接料套 4.壓頭

2 機械裝置設(shè)計

為了實現(xiàn)壓銷的自動化，壓裝機由振動送料盤、液壓等分回轉(zhuǎn)工作臺、行星軸夾緊工裝、取銷預(yù)壓部件、銷釘壓緊部件等部分組成。各組成部分都有嚴格的形位公差。

2.1 液壓等分回轉(zhuǎn)工作臺

由于行星軸除了需要壓銷之外，還有壓軸承和組件序號激光打印等任務(wù)需求，因此，采用數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)多工位工作。圖2所示為采用的液壓等分回轉(zhuǎn)工作臺示意圖。回轉(zhuǎn)工作臺采用兩聯(lián)齒盤端面齒定位方式，通過液壓缸驅(qū)動齒條，由齒條齒輪傳動方式推動等分回轉(zhuǎn)工作臺，實現(xiàn)裝有行星軸的夾緊工裝準(zhǔn)確至各工位。

1.夾緊工裝 2.回轉(zhuǎn)臺 3.底座

回準(zhǔn)工作臺的底座應(yīng)調(diào)平，其基準(zhǔn)面是其它所有部件的基準(zhǔn)面，其回轉(zhuǎn)中心軸線是其它各零部件的基準(zhǔn)軸線。等分回轉(zhuǎn)臺的性能參數(shù)如表1所示。

表1 等分回轉(zhuǎn)工作臺參數(shù)

液壓驅(qū)動回路如圖3所示，通過其實現(xiàn)兩聯(lián)端齒盤的松開、抬起、推動、剎緊的動作過程。液壓卸荷由液壓泵站自身實現(xiàn)，避免油路高溫和延長液壓泵工作壽命。

圖3 等分回轉(zhuǎn)臺液壓回路

2.2 取銷預(yù)壓部件

圖4所示為取銷預(yù)壓部件示意圖，是實現(xiàn)全壓的關(guān)鍵基礎(chǔ)。液壓回轉(zhuǎn)臺分度到位，夾緊工裝上定位好的行星軸至壓銷液壓缸正下方。45步進電機結(jié)合絲杠，驅(qū)動運銷板，將安裝于運銷板上的接料軸送至真空吸附頭正下方，接料氣缸下行，真空吸附頭與接料軸接觸結(jié)合，在真空吸附力和頂針的共同作用下，接料軸內(nèi)的銷被吸附頭吸附，接料氣缸復(fù)位，57步進電機結(jié)合絲杠將吸附頭送至夾緊工裝正上方，液壓缸工作，完成一次預(yù)壓銷任務(wù)后，各機構(gòu)復(fù)位，準(zhǔn)備下一次預(yù)壓銷。接料軸內(nèi)的銷由振動料盤供給。吸附頭有兩個功能，一是從接料軸中取銷，二是起到如圖1所示的接料套作用，在轉(zhuǎn)臺夾緊工裝工位處，保證銷與行星軸端面孔的中心同心。

1.液壓回轉(zhuǎn)臺 2.送銷板 3.真空吸附頭 4.45步進電機 5.落銷孔 6.57步進電機 7.支架 8.液壓缸 9.接料氣缸 10.接料軸 11.夾緊工裝行星軸 12.頂桿

圖4 取銷預(yù)壓部件示意圖

為完成高質(zhì)量的預(yù)壓，各部件須有高精度的定位公差。相對于工作臺基準(zhǔn)面的夾緊工裝垂直度≤0.015mm，支架垂直度≤0.015mm，支架面平行度≤0.025mm，接料氣缸垂直度≤0.015mm，接料軸垂直度≤0.015mm，液壓缸壓軸垂直度≤0.015mm，吸附頭與工位的垂直度≤0.015mm，同軸度≤0.015mm，吸附頭與接料軸的同軸度≤0.03mm，支架須有足夠的剛度。

2.3 總裝示意圖

圖5所示為壓裝機總裝實物圖，銷釘壓緊部件將銷釘完全壓緊，相對于工作臺基準(zhǔn)面，支架垂直度≤0.015mm。軸承取樣壓緊部件將軸承壓入行星軸端面中心孔內(nèi)，壓入深度及垂直度由工裝進行保證。激光打印工位完成行星軸承的型號打印。各工位支架應(yīng)保證足夠的剛度。

1.液壓回轉(zhuǎn)臺 2.取銷預(yù)壓部件 3.銷釘壓緊部件 4.軸承取樣壓緊部件 5.激光打印工位

圖5 總裝實物圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

為完成高精度的定位，結(jié)合步進電機、絲杠、氣缸、液壓缸、精密液壓旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺、PLC控制器和上位機等組成壓裝機定位系統(tǒng)。圖6所示為控制系統(tǒng)示意圖。

圖6 控制系統(tǒng)組成

圖6中上位機主要起參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)監(jiān)控。下位機采用S7-200 CPU 224，其穩(wěn)定可靠，且利于與總線進行通信[5]，有利于壓裝機在生產(chǎn)線中應(yīng)用。PLC控制器采用晶體管輸出方式，以輸出端口Q0.0和Q0.1作為線性高速脈沖輸出端口[6]，用來控制42步進電機和45步進電機。 EM253為高速定位模塊，其輸出脈沖為差分形式[7-8]，用來控制57步進電機驅(qū)動器。45步進電機和57步進電機結(jié)合絲杠回程誤差檢測和補償方法[9]實現(xiàn)運銷板和吸附頭的精確定位。

3.1 接料軸取銷定位控制策略

旋轉(zhuǎn)的接料軸將來自震動料盤的銷接入軸內(nèi)各定位孔中，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。通孔位置與真空吸附頭端面的三個盲孔位置一一對應(yīng)，其取決于行星軸端面三個通孔位置。銷從落銷孔中能否落入接料軸的定位通孔中，決定于各定位孔與落銷孔是否滿足同軸度要求。

采用步進電機和細分驅(qū)動器驅(qū)動接料軸，為避免步進電機失步和振動，應(yīng)根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩頻率特性圖選擇細分驅(qū)動器輸入脈沖，并調(diào)整好起停加減速時間[10]。

圖7 接料軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖7中的傳感器1處于接料軸初始位置，即原點，保證定位孔1與落銷孔同一中心線。傳感器2將接料軸的逆時針旋轉(zhuǎn)方向反饋給控制器。采用絕對運動和相對運動相結(jié)合的方法實現(xiàn)接料軸上各通孔與落銷孔的一一對應(yīng)。

圖8 自動尋找原點穿越圖

圖8為自動尋找原點穿越圖，旋轉(zhuǎn)軸表示速度為零的初始位置，其上表示電機順時針運行方向，即正向，其下表示電機逆時針運行方向，即負向。反向傳感器信號點對應(yīng)于圖7中的傳感器2，原點信號對應(yīng)于傳感器1。起點表示電機未運動前的初始隨機位置，由圖8所示，其位置點相對原點可能位于原點的左、右和重合三種情況。電機的起動速度方向和最終停止方向都為負方向。根據(jù)圖8所示的穿越圖，實現(xiàn)原點自尋控制。

3.2 相對運動分析

由圖7所示，接料軸的初始位置原點確定后，接料軸以負方向旋轉(zhuǎn)幾個中心角后，實現(xiàn)其它定位孔與落銷孔的中心對準(zhǔn)，其運動過程稱為相對運動。為避免與自尋原點的絕對運動相干涉，相對運動時，須屏蔽傳感器1和傳感器2，且為避免定位誤差的傳遞和累積，其運動過程如圖9所示，原點定位完成后，步進電機須以相反的方向以相對脈沖數(shù)1和相對脈沖數(shù)2之和作為相對脈沖數(shù)，使定位孔1再次回到原點，為下次相對運動做好準(zhǔn)備。

圖9 相對運動過程

3.3 PLC端口地址分配

PLC主要的輸入/輸出端口地址分配如表2所示。表中輸入主要是來自按鈕和各位置傳感器的開關(guān)量信號，輸出主要是控制各執(zhí)行機構(gòu)。

表2 PLC I/O地址分配及功能表

4 運行結(jié)果

根據(jù)圖8所示的控制策略，表3為采用圖7所示的接料軸取銷時，通過上位機獲得的三孔原點定位數(shù)據(jù)。表中電機參數(shù)是根據(jù)電機矩頻特性及接料軸的轉(zhuǎn)動慣量和摩察阻力矩等參數(shù)選取。表中Vmax為電機的最大速度，Vmin為最小速度，即為起動速度，V為目標(biāo)速度，即為運行速度，ΔTmax為最大加速時間，ΔT為電機起動速度和運行速度之間的加減速時間。

表3 三孔原點定位實驗數(shù)據(jù)

由表3所示，最小速度為620脈沖數(shù)/s，相對脈沖數(shù)為530時，定位孔2原點位置誤差為0.01mm，精度較高，驗證了圖9所示的控制策略正確。表中當(dāng)前脈沖R是對當(dāng)前脈沖A清零的結(jié)果，目的是避免將當(dāng)前脈沖A帶入下次相對運動定位過程中，從而帶來較大的誤差。改變表中相對脈沖1和相對脈沖2的數(shù)值，可實現(xiàn)不均勻分布孔的定位。

圖10所示數(shù)據(jù)曲線圖是由徑向回轉(zhuǎn)精度為0.001mm的偏擺檢查儀對隨機抽取的二十個已壓入銷的行星軸進行三個銷的徑向圓跳動檢測獲得。檢測方法是將壓入的銷其中一個作為基準(zhǔn)零點，其它兩個銷分別稱之為1位銷和2位銷，相對于基準(zhǔn)銷的圓跳動對應(yīng)為1位銷圓跳動和2位銷圓跳動。圖10中的圓跳動公差為三個銷的徑向圓跳動之間的最大差值，由圖示可以看出，最大差值在0.034mm～0.055mm之間，滿足精度要求。

圖10 行星軸端面銷圓跳動數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié)束語

分析了壓裝精度不高的原因，完成了主要部件的機械設(shè)計，對基于PLC的數(shù)控定位策略進行了深入研究，實現(xiàn)了壓裝機的全自動化。該機對不同類型的行星減速軸壓裝時，只須更換接料套，有效提高了其柔性制造能力。運行結(jié)果表明，系統(tǒng)自動化程度和壓裝精度高，控制策略正確且效果良好。

[1] Hironori Tohmyoh, Kiichiro Yamanobe, Masumi Saka,et al, Analysis of Solderless Press-Fit Interconnections During the Assembly Process[J]. Journal of Electronic Packaging,2008, 130(031007):1-6.

[2] Irappa Sogalad, N G Subramanya Udupa. A comparative study of stress distribution in interference fitted assemblies[J]. Indian Journal of Engineering&Materials Sciences,2006,13:397- 404.

[3] 胡素云.智能監(jiān)控齒輪銷壓機的設(shè)計[J].機床與液壓，2011，39(16):8-10.

[4] 舒大松.基于PLC控制的銷軸壓裝設(shè)備的設(shè)計[J].液壓與傳動，2011(5):26-29.

[5] 張亞鋒. 電廠空冷島噴霧冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2014,22(12):3983-3984.

[6] 韓戰(zhàn)濤.西門子S7-200 PLC功能指令應(yīng)用詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[7] 楊后川，張瑞，高建設(shè),等. 西門子S7-200 PLC應(yīng)用100例[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[8] 黃永紅. 電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[9] 劉媛媛. 基于PLC的絲杠回程誤差檢測和補償方法[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2015(11):65-66.

[10] 楊玉龍，龔時華，虞洋. 頻繁啟停下步進電機運動規(guī)劃及振動抑制[J].電氣傳動,2014(10):44-46.

(編輯 李秀敏)

Design and Implementation for Press Machine based on automotive starter planetary shaft

ZHANG Ya-fenga,b,MENG Feib,ZHANG Mei-fengb,CAI Jian-wenb

(a.Jiangsu Key Lab of Numeric Electrochemical Machining;b.School of Electrical and Photoelectronic Engineering, Changzhou Institute of Technology, Changzhou Jiangsu 213002,China)

In order to realize auto press pin and bearing for the planetary shaft of the auto starter, designed a pressing machine. Analyzed the causes for the press pin error, presented a method of Pre pressing and full pressing and porous positioning control strategy for taking pin structure components. The system was designed with digital equal hydraulic rotary device as platform, PLC for main controller, position sensor for the feedback unit, hydraulic cylinder and air cylinder for actuator, and designed main mechanical components and control system. The running result shows that porous positioning control strategy is correct, and the system operation is stable and reliable.

planetary reduction shaft; auto press pin; PLC; press machine

1001-2265(2016)11-0134-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.036

2015-12-26；

2016-01-23

張亞鋒(1976—)，男，江蘇泰興人，常州工學(xué)院講師，博士研究生，研究方向為機電一體化及其控制技術(shù)，(E-mail)yafeng6911@126.com。

TH132;TG65

A