朱征東,胡慧利

(1.浙江華昌液壓機械有限公司,浙江 杭州 311305;2.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院,浙江 杭州 311305)

0 引 言

隨著工程機械行業(yè)的快速發(fā)展,液壓油缸作為工程機械的關(guān)鍵核心部件,其市場需求量日益增長、產(chǎn)品質(zhì)量安全問題也愈發(fā)突出,而油缸的裝配工藝是直接影響油缸產(chǎn)品質(zhì)量及壽命的關(guān)鍵因素[1]。目前,國內(nèi)油缸裝配主要采用傳統(tǒng)手工裝配方式,嚴重依賴裝配人員操作經(jīng)驗,不可避免地存在裝配效率低、裝配質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等問題[2,3]。

傾斜缸是一種叉車專用配套油缸,作為叉車的重要傳動部件,其裝配質(zhì)量直接影響叉車整機性能。傾斜缸目前也普遍采用手工裝配方式,據(jù)統(tǒng)計,傾斜缸導(dǎo)向套及活塞等零部件的密封工藝是手工裝配過程中最容易發(fā)生質(zhì)量問題的關(guān)鍵工序[4,5]。

針對液壓油缸密封問題,國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了多方面研究工作。杜曉瓊等[6]利用ANSYS軟件研究了O形圈密封結(jié)構(gòu)在不同油壓和壓縮率作用下的應(yīng)力分布及接觸壓力分布,該研究結(jié)果對密封圈的安裝具有指導(dǎo)意義。馮世澤等[7]對液壓缸防塵圈密封性能進行了有限元分析及試驗研究,該研究結(jié)果對后續(xù)油缸設(shè)計過程中的防塵圈選型設(shè)計具有指導(dǎo)意義。但是,目前行業(yè)內(nèi)仍然普遍存在傾斜缸手工裝配導(dǎo)致密封故障頻發(fā)的技術(shù)難題。

為此,本文針對傾斜缸手工裝配造成的裝配質(zhì)量穩(wěn)定性差、效率低的問題,以設(shè)計開發(fā)一種全自動傾斜缸成套裝備為目標,對其工藝及結(jié)構(gòu)方案、FMEA失效模式、控制系統(tǒng)等依次開展研究。

1 傾斜缸裝配結(jié)構(gòu)分析

傾斜缸主要由缸筒、活塞桿、活塞組件、導(dǎo)向套組件及耳環(huán)組件組成[8,9]。常規(guī)傾斜缸的導(dǎo)向套組件裝配圖如圖1所示。

圖1 傾斜缸導(dǎo)向套組件裝配圖8—防塵圈;9—導(dǎo)向套;10—軸卡;11—隔套;12—U型圈;13—鋼絲擋圈;14—斯特封;15—復(fù)合襯套;16—O型圈

常規(guī)傾斜缸的活塞組件裝配圖如圖2所示。

圖2 傾斜缸活塞組件裝配圖19—O型圈;20—U型圈;21—擋圈;22—支承環(huán);23—活塞

由圖(1,2)可知,導(dǎo)向套組件及活塞組件包含的密封件數(shù)量多、密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳統(tǒng)手工裝配模式難以保證裝配質(zhì)量,從而導(dǎo)致傾斜缸產(chǎn)品存在漏油或保壓時間不足等質(zhì)量隱患。

2 傾斜缸成套裝備整體工藝及結(jié)構(gòu)方案

為實現(xiàn)傾斜缸全自動化裝配,本文首先研究并完成了傾斜缸成套裝備整體工藝方案設(shè)計,所設(shè)計的傾斜缸成套裝備整體工藝方案圖如圖3所示。

圖3 傾斜缸成套裝備整體工藝方案圖

由圖3可知：該工藝方案首先是采用人工模式實現(xiàn)上料并預(yù)裝活塞,然后將活塞組件預(yù)壓入缸筒,再依次自動組裝鋼絲擋圈、隔套、軸卡,最后是人工裝配耳環(huán)并下料。

在完成工藝方案設(shè)計的基礎(chǔ)上,本文研究并完成了傾斜缸成套裝備整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計,所設(shè)計的傾斜缸成套裝備整體結(jié)構(gòu)方案圖如圖4所示。

圖4 傾斜缸成套裝備整體結(jié)構(gòu)方案圖

由圖4可知:該結(jié)構(gòu)主要由機架、鏈板線、壓入工站、鋼絲擋圈工站、隔套工站、軸卡工站組成。

其中：鏈板線用于實現(xiàn)零件自動化流轉(zhuǎn);壓入工站用于實現(xiàn)活塞組件預(yù)壓入缸筒;鋼絲擋圈工站用于實現(xiàn)鋼絲擋圈零件自動化裝配;隔套工站用于實現(xiàn)隔套零件自動化裝配;軸卡工站用于實現(xiàn)隔套零件自動化裝配。

該成套裝備可實現(xiàn)傾斜缸裝配工藝中鋼絲擋圈13、隔套11及軸卡10等零配件的全自動化上料及裝配,同時可有效解決傾斜缸裝配時,導(dǎo)向套組件(圖2)O型圈16容易破損失效的技術(shù)難題。

3 傾斜缸成套裝備FMEA失效模式分析

失效模式與效果分析(FMEA)是在設(shè)計和制造產(chǎn)品時一種重要的可靠性設(shè)計方法,也可為制造過程確定關(guān)鍵工序提供理論依據(jù)[10]。FMEA首先將產(chǎn)品從功能模塊開始梳理,列舉其潛在失效模式、潛在失效后果,然后分析其失效的潛在起因或機理,評價其嚴重度、發(fā)生頻度及探測度,并在過程中考慮如何預(yù)防,同時制定相應(yīng)對策。

在已有的文獻中,曹召鋒等[11]基于FMEA對調(diào)距槳液壓系統(tǒng)進行了可靠性分析,找出了導(dǎo)致調(diào)距油路失效的所有故障模式、故障原因及故障模式影響,并給出了具體的使用補償措施,以提高系統(tǒng)的可靠性;程五四等[12]采用了結(jié)構(gòu)化分析設(shè)計技術(shù)(SADT)和故障模式及影響分析(FMEA)方法,對液壓舉升系統(tǒng)進行了可靠性評估。

筆者采用FMEA工具中的PFMEA(過程失效模式及后果分析),對導(dǎo)向套組件和活塞組件的裝配工序開展可靠性分析評估,以期確定對傾斜缸產(chǎn)品質(zhì)量影響最嚴重的關(guān)鍵工序。

傾斜缸人工裝配時,其密封不可靠性的傾斜缸裝配PFMEA分析簡表如表1所示。

表1 傾斜缸裝配PFMEA分析簡表

由表1可知:傾斜缸裝配時導(dǎo)向套組件的故障率最高,其O型圈在人工裝配時很容易被切壞;而活塞組件密封損壞情況難以探測,因此,需設(shè)計開發(fā)專用的檢測裝置[13]。

在設(shè)計FMEA時要兼顧各個方面,從人、機、料、法、環(huán)、測等角度出發(fā),重點關(guān)注來料異常、設(shè)備穩(wěn)定性、電氣元器件工作異常及人為因素,并在安全的前提下考慮易用性。為此,本文進一步采用FMEA工具中的DFMEA(設(shè)計失效模式及后果分析),來確認傾斜缸成套裝備在實現(xiàn)全自動裝配時,各功能/模塊的潛在失效模式及潛在失效后果,并針對性研究設(shè)計預(yù)防措施。

傾斜缸成套裝備DFMEA分析簡表如表2所示。

表2 傾斜缸成套裝備DFMEA分析簡表

由表2可知：活塞壓入動作平穩(wěn)功能模塊的風險序數(shù)最高,在傾斜缸成套裝備設(shè)計開發(fā)時需尤其注意;其次鋼絲擋圈壓入動作流暢、隔套裝配正常、軸卡工位正常等功能模塊的風險序數(shù)也較高,也需重點關(guān)注。

FMEA評價準則簡表如表3所示(作為表1、表2中的嚴重度、頻度及探測度評分依據(jù),三者分值相乘所得積為風險序數(shù))。

4 傾斜缸成套裝備控制系統(tǒng)開發(fā)

4.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的傾斜缸成套裝備控制系統(tǒng)總體方案圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)總體方案圖

在圖5中：筆者設(shè)計的傾斜缸成套裝備控制系統(tǒng)總體方案,采用西門子S7系列PLC為控制核心,并采用觸摸屏作為人機交互設(shè)備,具有系統(tǒng)工作平穩(wěn)、通用性強、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點[14,15]。

該控制系統(tǒng)采用PROFINET網(wǎng)絡(luò)通訊方式,用于連接CPU和HMI,調(diào)試期間也可用于連接PC;同時,該控制系統(tǒng)采用硬點I/O,用于底層信號采集及信號輸出,以驅(qū)動各運動機構(gòu);運動系統(tǒng)也采用硬點I/O,使用脈沖模式,實現(xiàn)驅(qū)動器內(nèi)部閉環(huán)控制。

4.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本文設(shè)計的傾斜缸成套裝備控制系統(tǒng)硬件電路方案圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)硬件電路方案圖

由圖6可知：筆者設(shè)計的傾斜缸成套裝備控制系統(tǒng)的供電電壓為380 V。其中,380 V用于給動力驅(qū)動系統(tǒng)供電,24 V用于給HMI及各輸入輸出信號供電。

設(shè)計的HMI采用網(wǎng)線通訊,24 V電源用于供電;設(shè)計的伺服系統(tǒng)分別采用380 V與220 V共同供電;信號系統(tǒng)采用24 V電源供電,并在信號系統(tǒng)與CPU之間采用端子轉(zhuǎn)接,以方便拆裝。

4.3 B2伺服控制子系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的傾斜缸成套裝備伺服控制子系統(tǒng)的控制流程圖如圖7所示。

圖7 伺服控制子系統(tǒng)控制流程圖

由圖7可知：該運動系統(tǒng)采用B2伺服系統(tǒng)脈沖版本,線體運營方式為位置模式。首先CPU發(fā)出位置命令,經(jīng)內(nèi)部計算轉(zhuǎn)換為合適的脈沖量發(fā)送給驅(qū)動器,經(jīng)驅(qū)動器轉(zhuǎn)換后驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn),電機編碼器采集并輸送反饋信號給驅(qū)動器,構(gòu)成高精度閉環(huán)伺服控制子系統(tǒng)。

為了達到更精確的控制效果,筆者將脈沖信號先經(jīng)過位置命令處理單元做處理和修飾。該伺服控制子系統(tǒng)工作架構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 B2伺服控制子系統(tǒng)工作架構(gòu)圖

其中,指令脈沖輸入比值設(shè)定為:

(1)

其中:指令脈沖輸入比值的設(shè)定是為了更加精準地控制伺服電機的運動,它由比例設(shè)定公式計算出合適數(shù)量;電子齒輪比的分子是電機需要的脈沖數(shù),分子是驅(qū)動器接受到的脈沖數(shù),經(jīng)過計算得出合適的比例來精準控制電機。

指令脈沖輸入比值范圍為1/50

4.4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

傾斜缸成套裝備程序設(shè)計應(yīng)突出安全、高效的特點。筆者設(shè)計的傾斜缸成套裝備工位1、工位2的控制程序流程圖,如圖9所示。

圖9 工位1、工位2的控制程序流程圖

設(shè)計的傾斜缸成套裝備工位3、工位4的控制程序流程圖,如圖10所示。

圖10 工位3、工位4的控制程序流程圖

由圖(9,10)可知:程序采用梯形圖步進方式,開始工作時,4個工作工位進入待命狀態(tài),當產(chǎn)品進入工位1時,工位1傳感器檢測到產(chǎn)品,并開始執(zhí)行工位1工作流程,當工位1工作流程結(jié)束之后,產(chǎn)品流轉(zhuǎn)至工位2,并按順序觸發(fā)各執(zhí)行機構(gòu),直到循環(huán)結(jié)束,工位進入原始待命狀態(tài)等待下一個產(chǎn)品進入工位。

該程序流程原理為:各工位傳感器收到信號并開始工作,工位之中各執(zhí)行機構(gòu)都安裝有安全傳感器,執(zhí)行機構(gòu)的工作位到達信號會觸發(fā)下一工作步驟,如果在一定的時間內(nèi)某個執(zhí)行機構(gòu)沒有檢測到到達信號,設(shè)備將會觸發(fā)報警信號,使設(shè)備處于暫停狀態(tài),避免安全事故發(fā)生。

同時,工作時每一工作流程轉(zhuǎn)換之間都會有轉(zhuǎn)換判斷信號,以產(chǎn)品裝配工藝為主,各執(zhí)行機構(gòu)按順序工作,將會提升設(shè)備安全性,工作流程清晰、簡潔。

4.5 控制系統(tǒng)上位機軟件開發(fā)

設(shè)計的傾斜缸成套裝備控制系統(tǒng)上位機軟件操作界面如圖11所示。

圖11 上位機軟件操作界面

由圖11可知：該上位機軟件操作界面左邊部分為機器整體視圖和操作人員站位,右邊部分為操作按鈕,以啟動、暫停、報警復(fù)位為主。該上位機軟件操作界面設(shè)計簡潔,以便于操作人員控制操作、減少誤操作。

此外,該控制系統(tǒng)操作界面按鈕下部分為各細節(jié)操作按鈕,以應(yīng)對不同情況發(fā)生,并為按鈕設(shè)置等級密碼,非專業(yè)人員對某些功能無使用權(quán)限,以提升控制系統(tǒng)安全性。

5 傾斜缸成套裝備應(yīng)用

筆者將所開發(fā)的傾斜缸全自動化裝配成套設(shè)備應(yīng)用于傾斜缸產(chǎn)品實際裝配生產(chǎn)現(xiàn)場,以驗證設(shè)計開發(fā)的成套裝備的實際工作性能。

筆者設(shè)計開發(fā)的傾斜缸全自動化裝配成套設(shè)備產(chǎn)品實物照片,如圖12所示。

圖12 傾斜缸全自動化裝配成套設(shè)備照片

截止目前,該成套設(shè)備已在傾斜缸產(chǎn)品實際裝配生產(chǎn)現(xiàn)場連續(xù)工作運行4個月無異常。

使用該自動化裝配成套設(shè)備前后的工作情況對比表,如表4所示。

表4 應(yīng)用自動化成套設(shè)備前后對比表

由表4可知：用戶在應(yīng)用該傾斜缸全自動化裝配成套設(shè)備后,傾斜缸裝配效率至少可提升30%,現(xiàn)場裝配工人數(shù)量至少可減少50%;且傾斜缸產(chǎn)品裝配質(zhì)量一致性很好,裝配合格率高達95%以上。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計開發(fā)了一種全自動的傾斜缸成套裝備,完成了常規(guī)傾斜缸裝配結(jié)構(gòu)分析、傾斜缸成套裝備整體工藝及結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、傾斜缸成套裝備失效模式分析及傾斜缸成套裝備控制系統(tǒng)開發(fā),并最終將筆者開發(fā)的全自動的傾斜缸成套裝備成功應(yīng)用于實際裝配生產(chǎn)現(xiàn)場。

研究結(jié)果表明：

(1)開發(fā)的全自動的傾斜缸成套裝備切實解決了由人工裝配造成裝配質(zhì)量差異大的問題,提高了裝配穩(wěn)定性和效率;

(2)同時,在設(shè)備的設(shè)計開發(fā)過程中,采用DFMEA和PFMEA工具,提前分析了傾斜缸成套裝備使用過程中的異常問題;在設(shè)計過程中制定了專門對策,甚至加設(shè)了多重措施,從而規(guī)避了很多風險;

(3)該傾斜缸成套裝備可為今后其余種類油缸產(chǎn)品自動化裝配設(shè)備開發(fā)提供參考借鑒作用。

但是,由于該傾斜缸全自動化裝配成套設(shè)備使用的工裝通用性不強,無法適用于各種不同規(guī)格的傾斜缸產(chǎn)品,目前僅推薦用于批量大的產(chǎn)品型號。