陳銳鴻,李愈娜

(1.廣州城市理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東廣州 510800；2.廣州工商學(xué)院，廣東廣州 510800)

0 前言

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)(見圖1)是汽車轉(zhuǎn)向機(jī)械的重要安全部件[1]，它是輪子與車架連接的重要部件。而轉(zhuǎn)向節(jié)的襯套作為減震關(guān)鍵連接件，采用壓裝的方式裝配，壓裝的效果需要滿足廠家的品質(zhì)要求。針對壓裝控制系統(tǒng)的研究，苗玉剛等[2]開發(fā)了一套小型的電子壓力控制系統(tǒng)，采用LabVIEW作為上位機(jī)，重點對壓裝系統(tǒng)進(jìn)行研究；黃公安等[3]采用 Ether CAT 總線技術(shù)及模糊PID控制算法對壓裝力和位置閉環(huán)進(jìn)行研究；楊志永和李輝[4]設(shè)計基于PLC的伺服液壓控制系統(tǒng)，重點研究閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。壓裝控制系統(tǒng)已經(jīng)有比較成熟的方法及理論，例如模糊PID控制[5]、閉環(huán)伺服系統(tǒng)[6]、混合粒子群法優(yōu)化控制[7]等。以上主要是針對壓裝系統(tǒng)的控制開展研究，對于壓裝結(jié)果的判定算法及其過程的判定則沒有太多涉及。襯套壓裝品質(zhì)的判定是關(guān)系到壓裝質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，具有很好的研究意義。本文作者以汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的襯套壓裝曲線為研究對象，重點研究壓裝曲線的區(qū)間關(guān)鍵值的提出及對應(yīng)品質(zhì)的控制方法，提出一套適用于生產(chǎn)一線的品質(zhì)控制算法，并利用PLC實現(xiàn)壓裝品質(zhì)的檢測。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)

1 壓裝機(jī)組成部分

壓裝機(jī)是壓裝品質(zhì)控制的關(guān)鍵，其控制精度直接影響至壓裝的品質(zhì)。當(dāng)前有液壓壓裝機(jī)、電液伺服壓裝機(jī)[8]、電子伺服壓裝機(jī)等。電子伺服壓裝機(jī)由于其控制精度高、工作環(huán)境好、生產(chǎn)效率高，獲得廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電子伺服壓裝機(jī)

2 系統(tǒng)控制方案

電子伺服壓裝機(jī)是執(zhí)行襯套壓裝的關(guān)鍵設(shè)備，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，采用PLC作為主控制器，控制伺服電機(jī)的動作，通過光柵檢測位移，壓力傳感器測量壓力，通過變送器將壓力值輸送給PLC[9]。

圖3 系統(tǒng)控制框圖

觸摸屏與PLC連接，用于顯示及壓入機(jī)品質(zhì)參數(shù)設(shè)置。每個壓裝工件采用二維碼作為標(biāo)識，通過掃描槍錄入PLC，然后執(zhí)行壓入。工控機(jī)與PLC通過以太網(wǎng)通信，壓裝的數(shù)據(jù)由工控機(jī)采集并存儲，采用SQL數(shù)據(jù)庫。重點介紹在品質(zhì)控制方面的研究，利用PLC對采集回來的400個點進(jìn)行品質(zhì)驗算，并根據(jù)驗算結(jié)果給出產(chǎn)品的結(jié)果判定。

3 壓裝原理及質(zhì)量影響因素

包容件是指承受壓裝零件的產(chǎn)品，文中指的是汽車轉(zhuǎn)向節(jié)。被包容件是被壓裝的零件，文中指是的襯套。它們之間的壓裝屬于過盈配合，通過兩者的緊固配合，使襯套在轉(zhuǎn)向節(jié)中承受沖擊、緩沖等作用。

3.1 過盈配合裝配方法

依靠軸與孔的過盈值，裝配后使零件表面間產(chǎn)生彈性壓力，從而獲得緊固的聯(lián)接。廣泛運用于軸、齒輪、銷、襯套等工件的安裝中。由于過盈連接結(jié)構(gòu)簡單，承載能力高，受沖擊載荷的性能強(qiáng)，在裝配過程中廣泛應(yīng)用[10]。由于加工誤差的存在，包容件及被包容件尺寸上的誤差影響到過盈配合的質(zhì)量。

根據(jù)材料彈性力學(xué)理論，壓裝壓力P的計算公式如下：

(1)

通過公式(1)可知：在材質(zhì)不變及尺寸確定的情況下，汽車轉(zhuǎn)向節(jié)襯套壓裝壓力的大小與摩擦因數(shù)f及過盈量δ密切相關(guān)。而由于工件的制造過程中公差的存在，導(dǎo)致過盈量在一定的范圍內(nèi)波動，也導(dǎo)致壓裝過程中壓力出現(xiàn)不同的曲線。當(dāng)壓力太小，則襯套的緊固程度受到影響，太大則容易損壞襯套。這兩種情況出現(xiàn)都應(yīng)該判斷為壓裝不合格的產(chǎn)品。

(2)

(3)

3.2 壓力品質(zhì)要求

由公式(1)(2)(3)可知：壓裝力的大小與摩擦力、材料系數(shù)及過盈量有關(guān)。轉(zhuǎn)向節(jié)是鋁制零件，其材料的材料系數(shù)固定不變，影響工件壓裝力大小的因素主要是加工過程的公差。轉(zhuǎn)向節(jié)在鑄造及后續(xù)孔的加工過程中，由于包容件和被包容件(即襯套)之間存在公差，壓入過程壓力存在差異。要求壓力必須能夠滿足工件在后續(xù)的使用過程中保持緊固性；同時，在壓裝過程中又必須能夠保證被包容件的完好程度，因此最大壓力不能超過允許范圍。

通過壓裝曲線的采集及分段檢查，能夠?qū)Ω鱾€階段的壓力進(jìn)行分析，讓它在設(shè)置的范圍內(nèi)。

4 壓裝件品質(zhì)控制研究

4.1 壓裝品質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)

壓裝機(jī)工作過程中，位移每增加0.1 mm采集一點，并保存在PLC的數(shù)據(jù)寄存器中。每個工件壓入完成后，存儲400個點的數(shù)據(jù)。400個點的數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式存儲。每個位置點對應(yīng)一個壓力值。由于每個工件在制造過程中的誤差不一樣，會導(dǎo)致曲線不一樣。但是有幾個指標(biāo)可以用來約束壓入曲線的走向，分別將其命名為工件檢查1、工件檢查2、工件檢查3，如圖4所示。每個階段的檢查分為上限距離、下限距離、上限壓力、下限壓力。

圖4 工件檢查參數(shù)PLC設(shè)置

工件檢查1是包容件和被包容件剛接觸時系統(tǒng)的最低壓力，此時要求其在工件檢查1的下限距離和上限距離之前的最大值不能小于“工件檢查1壓力”，如果不滿足條件，則接觸壓力達(dá)不到要求，包容件的尺寸大于被包容件，切入壓力過小，系統(tǒng)應(yīng)該判斷工件檢查1不合格。

工件檢查2是壓入過程中的判斷，此時被包容件在壓入過程中，需要有足夠的緊固力，確保包容件與被包容件的連接緊固，其壓力應(yīng)該處于一定的區(qū)間。超過壓力上限、低于壓力下限，則會判定為工件檢查2不合格。

工件檢查3作為壓入結(jié)束時，其壓力和距離的判斷，需要落在圖4中工件檢查3的方框里面，即最終負(fù)荷處于壓力下限和上限之間、最終距離處于距離下限和距離上限之間。

根據(jù)圖4中的參數(shù)設(shè)置，在工控機(jī)的數(shù)據(jù)采集界面設(shè)置3個工件檢查框，左右邊分別為距離的限制，上下邊則為壓力的限制。如果工件判定為合格，則曲線的走向是經(jīng)過3個檢查框的，如圖5所示。任一個條件不滿足，則給出不合格的報警信號，并具體告知是哪一種不符合。

圖5 襯套壓裝曲線

4.2 壓裝工件檢查關(guān)鍵值數(shù)值抓取算法研究

4.2.1 工件檢查1最大值

工件檢查1是區(qū)間最大值的提取，采用比較賦值的算法，設(shè)每一個點的數(shù)據(jù)為數(shù)組(Di,Fi)(D為距離,F為壓力,i為當(dāng)前點位編號數(shù))，通過上位機(jī)設(shè)定工件檢查1的區(qū)間為[Dck1,Dck2]其壓力最小達(dá)標(biāo)值為Pck1。

通過判斷Pmax是否大于等于Pck1，通過計算機(jī)程序計算，在400個點中進(jìn)行搜索，采用如圖6所示的流程，當(dāng)距離大于等于Dck1時，開始進(jìn)行力判斷，直至距離大于等于Dck2，在這個區(qū)間中，找到它的最大值。

圖6 區(qū)間最大值提取算法

4.2.2 工件檢查2

工件檢查2是檢查工件通過壓力是否達(dá)到緊固的要求，其區(qū)間值必須在上下限之間，如果壓力太低，則緊固性達(dá)不到要求，如果太高則容易破壞包容件與被包容件的結(jié)構(gòu)，對產(chǎn)品原有的特性造成損傷。

工件檢查2是在“工件檢查2開始距離”和“工件檢查2結(jié)束距離”之間進(jìn)行壓力的上限和下限判斷。工件檢查2采用的是區(qū)間比較搜索法，區(qū)間的最大壓力值和最小值的提取方法如圖7所示。圖中，Dck1為檢查的下限距離，Dck2為檢查的上限距離，F(xiàn)min_temp是運算過程中當(dāng)前最小值，區(qū)間搜索結(jié)束，該值為區(qū)間最小值Pmin。Fmax_temp是運算過程中當(dāng)前最大值，區(qū)間搜索結(jié)束時，該值為區(qū)間最大值Pmax。在搜索結(jié)束后，最小值Pmin和最大值Pmax進(jìn)行比較，如果Pmin大于壓力下限值Pck1且Pmax小于壓力上限值Pck2，則斷定工件檢查2是合格的，兩者任何一個壓力不符合要求，判斷為工件檢查2壓力上限不合格或壓力下限不合格。

圖7 區(qū)間壓力最大值和最小值搜索流程

4.2.3 工件檢查3

工件檢查3是壓裝的最終壓力及最終距離，是判斷工件壓裝最終效果的關(guān)鍵。最終距離必須符合壓入距離的要求，最終壓力也應(yīng)該在最終壓力的范圍內(nèi)。因此工件檢查3檢查工件的最終距離以及最大的壓力，其算法與工件檢查1相同。

4.3 基于PLC的區(qū)間值搜索的實現(xiàn)辦法

將采集回來的400個點的位移數(shù)據(jù)存儲在PLC的內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器D1002～D1800中，以浮點數(shù)值的方式存儲，而壓力值保存在D2002～D2800中。距離和壓力組成的數(shù)據(jù)為(Dn,D1 000+n)，其中n為數(shù)據(jù)寄存器的地址。在執(zhí)行區(qū)間搜索時，先將Dn的數(shù)據(jù)與距離區(qū)間數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)距離值在檢查區(qū)間時，執(zhí)行壓力值的判斷，當(dāng)搜索區(qū)間結(jié)束后，給出品質(zhì)判斷，并將結(jié)果和400個數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī)的數(shù)據(jù)庫，以供追溯。

5 結(jié)論

區(qū)間壓力檢查運用于壓裝控制中，能有效判別工件的壓裝品質(zhì)，將壓裝過程的配合度及工件的品質(zhì)性能反饋其中，有效篩選出由于制造公差而導(dǎo)致的緊固力不足、產(chǎn)品過壓等不合格壓裝產(chǎn)品。區(qū)間搜索最大(小)值的方法在PLC中實現(xiàn)容易，計算速度快，減少PLC與上位機(jī)的通信時間，提高壓裝的效率。基于PLC控制的區(qū)間搜索算法，能夠適用于其他復(fù)雜的工件壓裝控制，只需要將良品的曲線按要求設(shè)定好檢查的方框，則可以對曲線進(jìn)行有效判定。

該系統(tǒng)運行于某日資汽車零部件廠的轉(zhuǎn)向節(jié)襯套生產(chǎn)，生產(chǎn)30 000個產(chǎn)品，良品99%以上，誤判率控制在0.05%以內(nèi)，生產(chǎn)效率提升了20%，運用效果顯著。