王璐璐，郭琳娜，邱雪峰，周 陽，邱自學

(南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019)

0 引言

氧傳感器廣泛應用于內燃機、發(fā)動機，尤其是汽車電噴系統(tǒng)中，通過測定尾氣中的氧離子含量，獲得混合氣的空燃比信號[1-2]，將其轉化成電壓信號并及時反饋給電子控制單元(electronic control unit,ECU)，ECU據此對噴油時間和進氣量進行修正，使混合氣的濃度保持在最佳空燃比的狀態(tài)，達到節(jié)約能源和凈化尾氣的目的[3]。

氧傳感器作為檢測汽車尾氣中氧氣含量、控制發(fā)動機燃燒比的關鍵部件，需求量增加[4-5]。目前國內氧傳感器的組裝過程主要依靠人工或半自動化的生產方式，勞動強度大，生產效率低；為滿足市場需求，需分析氧傳感器零部件的裝配工藝、開發(fā)氧傳感器自動裝配設備，減少工人勞動強度、提高生產效率。

氧傳感器主要由接插件組件、線束組件、金屬保護罩組件等組成，其中金屬保護罩組件主要包括內墊片、基座和保護罩。為提高裝配效率和質量，針對金屬保護罩組件的裝配，設計了氧傳感器組件裝配機及其控制系統(tǒng)。氧傳感器組件裝配系統(tǒng)的研制能有效提高氧傳感器的裝配效率，節(jié)省人工成本和產品生產成本，為實現氧傳感器的全自動化生產提供支持。

1 氧傳感器零部件及裝配工藝要求

內墊片、基座和保護罩是組成氧傳感器的必要零部件，其結構如圖1所示，三者裝配完成后如圖2所示，其中，基座的內錐面小端圓直徑略小于內墊片的小端圓直徑，基座的凸臺與保護罩的凹孔過盈配合，在外力作用下緊密配合。

圖1 氧傳感器零部件

圖2 裝配完成件

根據工廠實際生產要求，確定氧傳感器組件裝配機的工藝要求如下：零部件出料均勻、無卡料現象；內墊片、基座和保護罩在外力作用下緊密配合在一起；連續(xù)壓鉚時壓鉚性能一致、無過壓或壓不牢靠現象；壓鉚時不能使氧傳感器零部件出現開裂或機械損傷；壓鉚合格率高于99.5%。

2 氧傳感器裝配機及關鍵組件設計

2.1 整機設計

氧傳感器組件裝配系統(tǒng)由機械系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及圖形操作終端等構成。其中，機械系統(tǒng)包括設備箱體、線性移動組件、支具組件、轉盤上料組件、振動盤上料組件、基座送料組件、內墊片送料組件、保護罩送料組件和壓鉚組件，氧傳感器組件裝配系統(tǒng)的機械結構示意圖如圖3所示。

圖3 氧傳感器組件裝配機示意圖

氧傳感器組件裝配系統(tǒng)的工作過程如下：振動盤上料組件和轉盤上料組件啟動工作；內墊片送料組件通過氣缸將振動盤輸送的內墊片推送至支具正上方，吸盤吸取內墊片并放置于支具上；在此過程中，基座送料組件依次通過氣缸和氣爪將基座抓取并放置于支具上，使內墊片外錐面與基座內錐面接觸；保護罩送料組件和壓鉚組件動作，在將保護罩預提起后，線性移動組件帶動支具運動至壓鉚組件處；壓鉚組件二次動作，將保護罩與支具上的內墊片和基座裝配在一起。

2.2 轉盤上料組件設計

由于氧傳感器基座的體積較大、質量較大，若采用振動盤上料的方式，則會產生較大噪音，干擾操作，因此設計了轉盤上料組件，如圖4所示，該組件主要由上料盒、撥爪、轉盤、基座送料導軌、直振體和交流電機組成。

圖4 轉盤上料組件

交流電機的運行帶動轉盤轉動，工人將上料盒內的基座推送至轉盤上，無序的基座隨轉盤的轉動而轉動，并在撥爪的作用下被自動撥向轉盤的外圓方向，依次進入基座送料導軌內，并在直振體的作用下到達氣爪抓取位置。采用此方案，工人只需定時更換基座上料盒，操作簡單，同時基座上料平穩(wěn)，噪聲小，自動化程度高。

2.3 支具組件設計

支具用于承載氧傳感器內墊片、基座和保護罩。線性移動組件一般不能承受與其運動方向垂直的較大正壓力，因此要求當壓鉚組件動作時，施加的壓力不能直接作用在線性移動組件上，為此，設計了一種浮動式支具組件，如圖5所示，該組件主要由承載支柱、支柱活動件、彈簧、彈簧保護罩、襯套和受力柱組成。

圖5 浮動式支具組件

壓鉚組件運動，施加作用力于氧傳感器零部件上，支柱活動件隨之向下動作至受力柱頂端，使壓力間接傳遞至機箱臺面上，可以延長組件使用壽命；同時，支具組件采用分體式結構，當出現故障損傷時，易于更換。

2.4 內墊片送料組件設計

傳統(tǒng)的內墊片送料方式為：由工人進行拾取并放置于指定工位。由于氧傳感器內墊片尺寸較小，且為錐形結構，工人難以保障其抓取和放置的快速平穩(wěn)性，對工人的熟練程度和操作經驗要求較高，為解決上述問題，設計了內墊片送料組件，其結構如圖6所示，該組件主要由內墊片推送氣缸、內墊片攔擋氣缸、吸盤推送氣缸和吸盤組成，各氣動元件在PLC的程序控制下協(xié)調動作，可以平穩(wěn)地將內墊片放至支具上。

圖6 內墊片送料組件

3 氣動系統(tǒng)設計

氧傳感器組件裝配系統(tǒng)的氣動控制原理圖如圖7所示。氣源即壓縮空氣，由空氣壓縮機提供，經過氣動三聯件處理后達到所要求的空氣質量，凈化后的空氣共分為9路，其中有7路經過5通先導式電磁閥和速度控制閥后分別到達相應的氣缸內；一路同樣通過電磁閥和速度控制閥，然后到達氣爪內；還有一路通過真空發(fā)生器組件控制吸盤動作，完成對內墊片的吸取和釋放。電磁閥通過PLC程序控制其通斷情況，進而控制氣缸的伸出與縮回動作[6]；速度控制閥采用排氣節(jié)流型，對排出氣流有所限制，不會造成活塞桿急速伸出或縮回，保證氣缸動作的平穩(wěn)性[7-8]。

圖7 氣動控制原理圖

4 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)通常包含信息檢測單元、驅動控制單元、人機交互監(jiān)控單元及電源管理單元等[9]。氧傳感器裝配系統(tǒng)采用PLC實現對各傳感檢測器及氣缸、電機等的控制；采用圖形操作終端對系統(tǒng)參數進行實時顯示和調整。

4.1 控制系統(tǒng)要求

氧傳感器組件裝配系統(tǒng)對內墊片、基座和保護罩自動上料和自動裝配由控制系統(tǒng)實現，該控制系統(tǒng)以PLC為核心，以觸摸屏為人機交互窗口，要求具備幾下功能。

(1)故障檢測及報警功能：該控制系統(tǒng)可以自動檢測各傳感器工作是否正常；檢測系統(tǒng)各執(zhí)行元件，如氣缸等是否到達指定位置；實時反饋和顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，系統(tǒng)非正常運行時，及時停機，并通過觸摸屏和三色燈進行報警顯示。

(2)狀態(tài)切換功能：該控制系統(tǒng)包含兩種控制模式，即手動控制和自動控制，并能完成兩種狀態(tài)間的自由切換。手動控制主要用于系統(tǒng)維護及調試；自動控制用于實際正常運行，實現各部件間的協(xié)調動作。

(3)停止和急停功能：分別通過“停止”按鈕和“急?！卑粹o來實現，若按下“停止”按鈕，則中斷當前正在運行的動作；若按下“急停”按鈕，則停止所有動作，設備停機。

4.2 PLC選型及I/O口分配

氧傳感器裝配系統(tǒng)包含25個輸入點，14個輸出點，總計39個點，系統(tǒng)的I/O口分配情況如表1所示。

根據輸入、輸出口數量，綜合考慮PLC的性價比，選擇型號為FX3U-64MT-ES-A的PLC，該款PLC自帶兩路高速通訊接口(RS-422和Mini-USB)，32點輸入，32點輸出，AC電源，220V電壓，晶體管輸出，能夠滿足設備使用要求。

4.3 PLC程序設計

PLC是一種存儲程序的控制器，用戶將控制程序編好并導入PLC中，PLC的控制功能就是通過運行用戶程序來實現的[10-11]。采用GX-Works2設計PLC控制程序，控制流程如圖8所示。

表1 PLC的I/O分配表

圖8 PLC控制流程圖

4.4 圖形操作終端畫面設計

圖形操作終端主要包括觸摸屏和“啟動”、“停止”和“急?！卑粹o[12]，用戶可通過觸摸屏實時進行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和參數設定，觸摸屏是簡單、方便的人機交互方式[13]。

選取GS2107-WTBD型觸摸屏，該型號觸摸屏擁有RS422和RS232多個通信端口，能快速與PLC實現數據交換通信，滿足工況使用要求。通過GT-Designer3進行觸摸屏界面設計。圖形操作終端的操縱界面示意圖如圖9所示。

圖9 圖形操作終端操縱界面示意圖

由圖9可知，氧傳感器組件裝配系統(tǒng)的圖形操作終端界面共包含3層。第一層顯示界面：圖形操作終端通電后，2s后進入“啟動界面”；第二層顯示界面：“啟動界面”上設計了5個觸摸鍵，分別為“設備概要”界面、“設備調試選擇”界面、“內墊片吸取”界面、“基座抓取”界面和“自動裝配”界面；第三層顯示界面：進入“設備調試”界面后，可根據要求進入各個界面進行點動調試，分別為“步進電機調試”界面、“交流電機調試”界面、“內墊片有無檢測”界面、“基座有無檢測”界面、“保護罩有無檢測”界面和“三色燈調試”界面。

以步進電機的調試界面為例進行說明，其他部件的調試界面可參照設計。如圖10所示，“步進電機調試”界面包括狀態(tài)監(jiān)測和動作調試兩部分，工人可手動控制步進電機的啟動和停止，從而切換和監(jiān)視支具在放料工位原位與裝配結束工位間的位置，若處在相應位置，則對應指示燈亮。

圖10 步進電機調試界面

5 結論

(1)根據氧傳感器零部件—內墊片、基座和保護罩的裝配工藝要求，設計了氧傳感器組件裝配機及其關鍵組件。采用轉盤上料和振動盤上料的方式，提高了氧傳感器零部件的上料速率；設計了支具組件，可將壓鉚力間接作用于機箱臺板上，延長組件使用壽命，且更換方便；設計了內墊片送料組件，可實現對薄小型墊片的平穩(wěn)取放料。

(2)根據控制要求，對氧傳感器組件裝配機的控制系統(tǒng)進行設計。利用氣動裝置與PLC控制結合使用，便于操控，動作可靠；選取PLC FX3U-64MT-ES-A作為控制核心，觸摸屏為人機交互窗口，分析PLC控制流程和觸摸屏操作界面，使系統(tǒng)在程序控制下穩(wěn)定有序地工作。

(3)目前該設備已投入實際生產使用，運行狀態(tài)良好，生產效率較之前提高了52%，良品率達99.8%。