趙 馳，劉世杰，徐培民*

（1.特種重載機器人安徽省重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243000）

差速器使同軸的兩輪差速轉動[1]，可提高車輛的動力性和通過性，改善車輛的穩(wěn)定性。差速器主要包括半軸齒輪、行星齒輪及殼體等。它的軸向間隙值、圓周間隙角和標準值的理論偏差影響差速器的可靠性，因此在裝配完成下線之前，必須要經過嚴格要求的間隙誤差精度檢測。國內目前仍主要采用傳統(tǒng)的人工靜態(tài)測量方法，存在效率低、人工成本高等問題。德國的奔馳、寶馬等先進汽車生產商已采用工業(yè)機器人、智能裝備為主的新型自動柔性生產線[2]，智能設備實現差速器的間隙測量。為適應發(fā)展需要，設計制造差速器間隙測量半自動化非標設備。

國內取得的優(yōu)秀成果和運用的新技術值得學習借鑒。合肥工業(yè)大學的胡凱江[3]進行了差速器總成調整墊片測量方法與試驗研究，主要介紹了測量差速器調整墊片的一種理論方法及實用設備。淦志勇等人[4]發(fā)明的一種能夠同時檢測行星輪軸連接銷是否安裝、差速器軸承是否壓裝到位和半軸齒輪安裝后的間隙的三位一體差速器檢測工裝。趙江英等人[5]發(fā)明的一種差速器齒輪間隙及扭矩測量裝置，采用可一體測量差速器齒輪間隙及扭矩的結構形式，可與上/下連接軸錐面配合的梳狀錐形漲套，提高測量結果的重復性和準確性。

1 方案設計

首先介紹差速器結構和測量的間隙，根據差速器間隙范圍確定測量設備的性能指標。其次分析差速器間隙測量設備的生產工藝，完成設備機械硬件總體結構和控制系統(tǒng)軟件的總體方案設計。

1.1 性能要求

DIFF CASE型號差速器結構組成及待測量間隙如圖1所示。

圖1 差速器總成剖視圖

設備對差速器定位夾緊并測量其軸向上/下間隙、圓周間隙角；人機界面顯示實時測量數據、參數修改、手動操作等功能；此型號差速器軸向間隙（0.15～0.5 mm）和圓周間隙角（0.1～0.5°），設備測量間隙范圍分別可達10 mm和5°，重復精度為0.05 mm和0.05°。

1.2 結構方案設計

根據差速器結構和經濟成本等因素，設計半自動化間隙測量設備。首先弄清其工作原理，其次設計其基本結構，最后確定合適的測量組件布局。

設備結構方案設計主要由為定位夾緊組件、軸向上/下間隙測量組件、圓周間隙角測量組件和輔助組件幾部分組成。定位夾緊采用機械自動夾緊氣機構，差速器能夠實現沿中軸線方向移動和繞中軸線轉動，約束其余4個自由度。軸向間隙位于差速器殼體和半軸齒輪之間，位移傳感器無法伸入到差速器殼體內部測量，采用間接測量的方法實現間隙測量，圓周間隙角亦如此。

差速器中軸線呈鉛垂方向，定位夾緊組件位于設備居中位置；軸向上間隙、圓周間隙測量組件位于差速器上方，兩者可換型；軸向下間隙測量組件位于工作臺面下方。根據人機工程學和各組件結構，工作臺面高850 mm左右，設備尺寸長寬高約1 000、1 200、2 000 mm。

1.3 控制系統(tǒng)方案設計

控制系統(tǒng)是實現非標設備自動化生產的關鍵，控制系統(tǒng)通過程序下達命令控制各組件依次運行，完成設備功能?？刂葡到y(tǒng)主要功能包括安全保護與報警、控制執(zhí)行件、信息輸入輸出、存儲計算等。此設備控制采用PLC控制系統(tǒng)完成，工作總過程流程如圖2所示。

圖2 差速器間隙測量設備總過程流程圖

2 機械結構設計

設備主要由機座工作臺、定位夾緊組件、軸向下間隙測量組件、上測量組件、氣路組件、安全防護組件等組成，其結構如圖3所示。

圖3 差速器間隙測量設備三維結構

（1）定位夾緊組件：由定位支撐機構和夾緊機構組成。差速器定位支撐采用定位板、支柱、端面螺紋孔和定位銷來完成，殼體下端面作為支撐面。為了實現同一間隙多次測量，需轉動差速器，設計一種電機帶動的轉盤結構。夾緊機構采用旋轉夾緊缸，活塞桿伸出時可以旋轉，避免取放差速器干涉；夾緊力和支撐力共線且方向相反，定位支撐方式更穩(wěn)固。

（2）軸向下間隙測量組件：包含漲緊、測量和推入機構3部分。工作過程：差速器定位夾緊后，首先推入機構把漲緊機構伸入到差速器下半軸齒輪槽孔到位；然后漲緊機構漲緊半軸齒輪，測量機構三位氣缸推動漲緊機構使半軸齒輪移動至差速器殼體軸向下間隙的上止點位置，位移傳感器測量三位氣缸上位值a1；完成后三位氣缸推動漲緊機構使下半軸齒輪移動至間隙的下止點位置，位移傳感器測量三位氣缸下位b1，|a1-b1|-c1即為差速器軸向下間隙值，由于零件加工和裝配存在誤差，c1為校核得到的機械補償值。

（3）上測量組件：工作過程與軸向下間隙測量組件類似，結構也包括推入、漲緊、測量機構；除此之外設計有換型機構，實現測量圓周間隙角、軸向上間隙傳感器的自動換型。

3 工作臺強度剛度校核

機座工作臺主要起固定支撐各功能組件的作用，它的變形影響測量間隙準確性。材料為Q235-A結構鋼，密度7 860 kg/m3，彈性模量為2.12×105MPa，對機身工作臺靜力分析，對機座四角底部添加固定約束，施加載荷，然后求解，如圖4所示。工作臺面的最大變形量0.05 mm，為軸向間隙值0.5 mm的10%，剛度校核符合要求；最大應力15.997 MPa，材料Q235-A的屈服強度σs為235 MPa，強度校核符合要求。

圖4 機座工作臺靜力分析

4 控制系統(tǒng)設計

4.1 氣路控制系統(tǒng)

設備功能組件有3個旋轉夾緊氣缸、2個漲緊氣缸、3個三位氣缸、2個推入升降氣缸、2個導向桿氣缸、1個三點抓手氣缸和無桿氣缸。2個兩位五通電磁閥控制1個三位氣缸；滑臺升降氣缸采用三位五通中封電磁閥進行控制，起到保壓防落作用；3個旋轉夾緊氣缸共用1個兩位五通電磁閥控制；其余氣缸各采用兩位五通電磁閥單獨控制。原理如圖5所示。

圖5 差速器間隙測量設備氣動原理圖

4.2 程序控制系統(tǒng)

設備采用Siemens S7-1200系列PLC控制器。控制系統(tǒng)以CPU-1214C為中央控制器，感應信號輸入，CPU接受信號處理并向各執(zhí)行元件輸出命令控制動作，信號通過接線端子把輸入輸出模塊和控制模塊相連。I/O地址功能需要多個輸入輸出點，增加SM1223等擴展模塊以滿足需求。借助軟件進行程序編程，差速器同一間隙測量多次取平均值，采用模塊化程序設計[6]，減少編程周期和程序占用存儲空間。即把一個程序片段設計成一個模塊，主程序運行時，直接調用程序模塊，可以提高編程工作效率以及方便程序優(yōu)化修改。

5 試驗與生產應用

人機界面通過操控屏顯示，是操作人員與設備交流的窗口[7]，主要由主界面、手動界面、報警信息和參數設置界面組成。對測量過程與結果的可視化、設備調試維護時手動操作控制、顯示報警信息和手動設置參數的功能。

（1）手動調試：對氣缸、電機、接近開關等執(zhí)行元件依次進行手動調試，檢測設備各組件是否達到可正常工作的狀態(tài)。

（2）自動調試：在人機界面的參數設計界面測量次數輸入3次；人工掃描差速器并放入定位夾緊組件；啟動設備自動化運行；檢驗各執(zhí)行元件自動化運行是否正常，程序有無問題；安全組件是否起到防護作用；遇到故障是否報警等。設備自動調試運行正常后，在參數設計界面輸入由測量誤差分析差速器標準件自動測量并計算得到的補償值，自動調試完成。

試驗完成后，需要對設備進行應用生產，檢測設備的穩(wěn)定性與測量結果的準確性。在人機界面的主界面設置輸入補償值和測量次數后，對50件差速器進行自動化生產測量。數據分析如圖6所示。由圖6可知，位于合格線之上有2個差速器間隙不合格，超出間隙范圍要求；測量數據波動小，設備應用生產測量間隙精度合格，滿足需方使用要求。

圖6 差速器間隙測量數據

6 結論

本論文源于實際生產需求，實現對差速器間隙自動測量設備應用與研究。首先對差速器的功能、工作原理做了介紹；其次對整體結構、空間布局和控制系統(tǒng)進行了方案設計；再次完成了設備的三維模型設計，并對機座進行了剛度、強度校核；最后完成了氣路控制和程序控制系統(tǒng)設計，并進行設備試驗和應用生產。在汽車生產制造業(yè)中有較好的應用前景。