朱 俊，朱良峰

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州騰龍汽車零部件股份有限公司，江蘇 常州 213150)

0 引言

汽車發(fā)動機(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軸承，需要機(jī)油進(jìn)行潤滑，渦輪增壓器潤滑油管共計兩根管路，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)油到增壓器潤滑全浮動軸承，因此進(jìn)油管是渦輪增壓發(fā)動機(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)油管型號不同，管料長度、管徑不同，兩端的圓接頭相對轉(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；工人上下料時沖擊壓裝動作具有一定的危險性[2-3]。開發(fā)了一種汽車油管自動壓裝機(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)；能自動上下料，節(jié)約了人力，也避免了人身危險；能適應(yīng)不同型號進(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，每小時壓裝900件，工作效率較高。

1 整體設(shè)計方案

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。

1.圓接頭 2.管料圖1 渦輪增壓器潤滑油進(jìn)油管

自動壓裝機(jī)主要設(shè)計思路是：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，兩端同時動作，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)計的自動壓裝機(jī)如圖2所示，采用臥式布局，主要包括圓接頭自動上料部件、管料自動上料部件、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。圓接頭自動上料部件和管料自動上料部件通過氣動機(jī)械手自動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)氣缸推動滑塊完成圓接頭的壓裝，為便于自動上料定位，滑塊上安裝有圓接頭模具，并通過轉(zhuǎn)角氣缸固定圓接頭。

1.氣液增壓缸固定管料部件 2.圓接頭自動上料部件 3.倍力串聯(lián)氣缸壓裝部件 4.床身底座 5.管料自動上料部件

圖3僅展示了進(jìn)油管一端的壓裝，自動壓裝機(jī)能一次完成兩端的壓裝，另一端對稱配置有類似結(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)。

1.圓接頭模具 2.圓接頭 3.管料上模具 4.管料下模具 5.管料 6.滑塊 7.轉(zhuǎn)角氣缸

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

2.1 壓裝力的計算

壓裝力的計算是壓裝機(jī)設(shè)計的首要任務(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為過盈連接時配合面之間的摩擦系數(shù)，無潤滑取f=0.17；P應(yīng)為當(dāng)過盈配合連接時在配合面上產(chǎn)生的單位壓力，MPa；F為過盈連接時配合面之間的接觸面積，mm2。

1.圓接頭 2.管料圖4 壓裝力的計算

式(1)中P應(yīng)的計算公式為：

(2)

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計算公式為：

(3)

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=10.5 mm，d0=6 mm，d=8 mm，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。

Ymax=EI-es=-0.05-0.015=-0.065 mm
Ymin=ES-ei=-0.01-0=-0.01 mm

圓接頭和管料的材料都為20#鋼，E1=E2=196 GPa，d=8 mm，Y=0.065 mm，C1=3.32，C2=2.22分別代入式(2)，P應(yīng)=0.29 MPa。

式(1)中的F計算公式為：

F=πdL

(4)

式中，L為配合面長度，mm，如圖4所示。將d=8 mm，L=6 mm代入式(4)，F(xiàn)=150.72 mm2。再將P應(yīng)=0.29 MPa，F(xiàn)=150.72 mm2，f=0.17代入式(1)，計算得到P=7.43 kN，再取1.3倍的余量，則最終的壓裝力為9.659 kN。

考慮到壓裝過程行程較短，但要求出力大，現(xiàn)場氣源供應(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125 mm，行程只要大于L選擇最小行程50 mm，在氣源壓力為0.5 MPa的情況下，出力為12.2 kN，氣缸型號為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)，無潤滑工況下取1.7；f為摩擦力，kN。

將式(1)計算得到的壓裝力以f=9.659 kN，μ=0.17代入式(5)得到FN=56.8 kN，由此選型增壓缸型號為MPT-80-50-10L-6T，缸徑80 mm，出力6 T，總行程為50 mm，其中預(yù)行程40 mm，高壓力行程10 mm，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。

圖5 計算a的示意圖

(6)

式中，F(xiàn)C為增壓缸壓力；α為管料模具的長度尺寸；σS為材料屈服強(qiáng)度。

低碳鋼σS=207 MPa，d0=6 mm，d=8 mm，F(xiàn)C=60 kN代入式(6)，求得a=144 mm。

2.3 管料自動上料部件

為提高壓裝機(jī)的自動化程度，設(shè)計制造了管料自動上料部件，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，管料自動上料部件即能完成逐根管料依次排隊上料，且能適應(yīng)不同長度的管料，以方便不同型號進(jìn)油管的壓裝，正常情況下不需要人為干預(yù)，缺料自動報警。

為保證管料能安全、可靠地逐根上料，設(shè)計了三級工位，層層接力的機(jī)械結(jié)構(gòu)[7]。第一級工位即為料槽1，工人成捆將管料放入，兩端設(shè)置有擋板2適應(yīng)不同長度的管料，底部氣缸4驅(qū)動推桿從料槽1的孔3中伸出，推桿頭部經(jīng)過斜面設(shè)計以確保每次沿著料槽1的槽壁只會推起一根管料至第二級；第二級工位為緩沖工位7，斜坡設(shè)計，這樣能夠使得被推至第二級的管料沿著斜坡滾動，進(jìn)一步推動已經(jīng)存在于該工位的另一管料可靠地滾動至緩沖工位7的最底部，因此常態(tài)下緩沖工位7會有兩根管料待命。底部的另一氣缸驅(qū)動推桿從緩沖工位7的孔8中伸出，將一根管料推落至第三級；第三級為抓手抓取工位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和第三級擋板5完成管料的軸向定位。

1.料槽 2.擋板 3.料槽的孔 4.底部氣缸 5.第三級擋板 6.抓手抓取工位 7.緩沖工位 8.緩沖工位的孔 9.軸向定位氣缸

2.4 圓接頭偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

不同型號進(jìn)油管的兩端圓接頭相對轉(zhuǎn)角位置也不同，壓裝機(jī)為適應(yīng)不同型號進(jìn)油管的壓裝，設(shè)計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后自動調(diào)整至設(shè)定轉(zhuǎn)角位置，以便后續(xù)壓裝。

1.圓接頭 2.圓接頭模具 3.轉(zhuǎn)角氣缸 4.同步帶和同步帶輪 5.伺服電機(jī)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

自動壓裝機(jī)屬于典型的時序控制系統(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控制對象包括各個電磁閥，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轉(zhuǎn)角位置的設(shè)定。因此PLC選型時需要考慮具有高速脈沖輸出功能。S7-200 SMART CPU模塊本體能集成3路高速脈沖輸出，頻率高達(dá)100 kHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運(yùn)動模式，可自由設(shè)置運(yùn)動包絡(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型號為S7-200 SMART ST40，配備有Profinet以太網(wǎng)接口[8-9]。

PLC的輸入包括各個氣缸的磁性開關(guān)，自動上料監(jiān)測開關(guān)，還包括伺服電機(jī)參考點(diǎn)開關(guān)，開機(jī)后自動回零。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)、報警信息和手動控制。為方便一個工人照看多臺壓裝機(jī)，還安裝有三色燈，缺料時紅燈閃爍，提醒工人及時加料。

圖8 自動壓裝機(jī)硬件連接框圖

3.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括PLC程序設(shè)計，觸摸屏策略、腳本、畫面設(shè)計兩部分內(nèi)容。PLC程序負(fù)責(zé)整個壓裝機(jī)時序動作的自動控制，流程如圖9所示，觸摸屏軟件負(fù)責(zé)各個氣缸、伺服電機(jī)的手動控制。

圖9 自動壓裝機(jī)PLC程序流程圖

PLC編程采用最常用的梯形圖語言，使用STEP7-MicroWIN SMART編程軟件，該軟件將常見應(yīng)用包括位置控制、高速計數(shù)、PID等功能內(nèi)置在軟件中，向?qū)Р僮鞑灰壮鲥e[7]，自動壓裝機(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)動軸組態(tài)時已經(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轉(zhuǎn)角位置調(diào)整，觸摸屏上設(shè)定的“兩端圓接頭相對轉(zhuǎn)角”參數(shù)用于虛參“Pos”的輸入，“Mode=0”表示絕對位置控制。

圖10 圓接頭偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)PLC控制程序

4 結(jié)束語

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：自動壓裝機(jī)每小時能完成900件汽車進(jìn)油管的壓裝，工作效率高；能適應(yīng)480 mm～600 mm之間不同的管料長度，兩端圓接頭相對轉(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；一個工人能同時照看3～4臺機(jī)器，節(jié)約人力成本，在相關(guān)制造類企業(yè)具有一定的推廣價值。