楊明川 陳 鑫 李志遙 齊遠(yuǎn)飛

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 研究背景

北京奔馳發(fā)動(dòng)機(jī)工廠冷試臺(tái)架需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械位置、點(diǎn)火系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)等進(jìn)行測(cè)試并判定發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)[1-2]。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架無法兼容和匹配不同車型和高度的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，不僅需要每年花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行人工維護(hù)和更換備件，還需要二次處理測(cè)試不合格的發(fā)動(dòng)機(jī)，造成了大量浪費(fèi)[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架主軸與待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)通過曲軸擰緊螺栓連接。配合臺(tái)架按照既定的測(cè)試程序?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試完成后，發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)試臺(tái)架主軸分離，由支撐機(jī)構(gòu)支撐主軸。冷試主軸支撐機(jī)構(gòu)為尼龍墊塊，不具備柔性，且無法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，長(zhǎng)期與主軸接觸會(huì)發(fā)生磨損[4]。發(fā)生磨損后，主軸與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸水平高度不一致，無法實(shí)現(xiàn)接合測(cè)試，并會(huì)中斷發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試流程，造成發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試不合格。

2 冷試主軸支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 承壓能力計(jì)算及材料選擇

當(dāng)冷試臺(tái)架完成對(duì)待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試后，發(fā)動(dòng)機(jī)與冷試臺(tái)架分離，此時(shí)需要支撐機(jī)構(gòu)對(duì)主軸進(jìn)行支撐，如圖1 所示。支撐機(jī)構(gòu)與主軸直接接觸且二者之間相互作用力較大，因此支撐結(jié)構(gòu)對(duì)材料要求較高，不能使用金屬材質(zhì)，以免對(duì)主軸造成損傷。此外，支撐機(jī)構(gòu)容易受到加工過程中各種因素的影響而產(chǎn)生變形。支撐機(jī)構(gòu)在加工過程中容易受到多次裝夾、多次換刀、機(jī)床產(chǎn)生的誤差或者刀具磨損等因素的影響，因此設(shè)計(jì)使用3D 打印技術(shù)制作新的氣囊結(jié)構(gòu)，作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷試主軸的支撐機(jī)構(gòu)。

圖1 主軸支撐機(jī)構(gòu)

支撐機(jī)構(gòu)最重要的功能是承載整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架主軸的重量，設(shè)計(jì)時(shí)需要確保其有足夠的強(qiáng)度和承壓能力。

支撐機(jī)構(gòu)所承受的壓力F為

式中：m為發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架主軸質(zhì)量，為50 kg；g為重力常數(shù)，這里取9.8 N·kg-1。因此，主軸支撐機(jī)構(gòu)所承受的壓力F為490 N。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架主軸為圓柱體，故其側(cè)面積S1為

式中：r為冷試臺(tái)架主軸直徑，為28 cm；h為冷試臺(tái)架主軸高度，為7 cm。因此，冷試臺(tái)架主軸側(cè)面積為615.44 cm2。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試主軸支撐機(jī)構(gòu)的實(shí)際安裝場(chǎng)景，如圖2 所示。主軸支撐機(jī)構(gòu)與主冷試臺(tái)架主軸側(cè)面接觸，其與主軸側(cè)面接觸角度為140°，故冷試臺(tái)架主軸與支撐機(jī)構(gòu)的接觸面積S2為239.34 cm2，主軸支撐機(jī)構(gòu)單位面積所承受的壓強(qiáng)p為

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷試主軸支撐機(jī)構(gòu)的安裝場(chǎng)景

經(jīng)計(jì)算，p為205 021 Pa，意味著全新的主軸支撐機(jī)構(gòu)單位面積承受壓強(qiáng)能力需要不低于205 021 Pa。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）材料因具有良好的熱熔性、沖擊強(qiáng)度，成為通過熔融沉積3D 打印的首選工程塑料。將ABS預(yù)制成絲、粉末化后，打印發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架主軸支撐機(jī)構(gòu)。

2.2 3D 建模及3D 打印

3D 打印是快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，需要以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體[5-6]。在3D 打印前需要進(jìn)行3D 建模，這里使用Solidworks 3D 建模軟件創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字化的主軸墊塊3D 模型。最終建模成功的發(fā)動(dòng)機(jī)冷試主軸支撐機(jī)構(gòu)及安裝細(xì)節(jié)，如圖3 所示。

圖3 3D 打印的發(fā)動(dòng)機(jī)冷試主軸支撐機(jī)構(gòu)及安裝細(xì)節(jié)

首先將建立的3D 模型輸入3D 打印機(jī)，生成一系列薄層切片信息；其次根據(jù)切片信息，逐層將材料加熱或噴射；最后逐層堆疊，形成一個(gè)完整的主軸墊塊3D 模型。打印過程中，3D 打印機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)對(duì)材料進(jìn)行加工和控制，預(yù)留M6 氣管安裝接頭和安裝固定孔，方便打印完成后安裝固定支撐機(jī)構(gòu)并連接氣動(dòng)管路。最后，對(duì)打印的主軸墊塊模型進(jìn)行后處理，包括去除支架、修整表面等。3D 打印可以大大縮短生產(chǎn)周期，降低成本，提高了生產(chǎn)效率和精度。

3 數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架的柔性化和智能化水平，通過數(shù)字化的控制方式對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行改造，利用先進(jìn)的3D 打印技術(shù)制作新的主軸支撐機(jī)構(gòu)，并采用新的材質(zhì)與工藝，將尼龍墊塊更換為3D 打印氣囊結(jié)構(gòu)，使其能夠兼容和匹配不同車型和高度的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。同時(shí)，編寫可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）程序，利用數(shù)字化方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化控制。在主軸與曲軸對(duì)接和分離階段，通過程序自動(dòng)控制壓縮空氣對(duì)氣囊充氣，使其膨脹至需要的高度，滿足主軸與曲軸對(duì)接需求，使其能夠兼容和匹配不同車型和高度的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。

3.1 硬件選擇及設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架主軸支撐機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)了自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式。控制系統(tǒng)的構(gòu)建依托PLC。軟硬件的選配具有開放性、網(wǎng)絡(luò)化和分布式的特點(diǎn)。系統(tǒng)控制設(shè)備由上下到位傳感器、壓力計(jì)、電磁閥、氣動(dòng)元件、現(xiàn)場(chǎng)控制單元、PLC 以及通信模塊等組成。測(cè)試終端、PLC、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸支撐機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。PLC 通過以太網(wǎng)通信交換機(jī)接收測(cè)試終端發(fā)布的測(cè)試流程，并將其分配到各個(gè)執(zhí)行單元，如圖4 所示?，F(xiàn)場(chǎng)位置檢測(cè)傳感設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如主軸前進(jìn)到位、主軸上下到位等信息。PLC通過輸入/輸出（Input/Output，I/O）及其擴(kuò)展模塊完成與現(xiàn)場(chǎng)各參數(shù)檢測(cè)信號(hào)的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸支撐機(jī)構(gòu)的控制。

圖4 控制系統(tǒng)硬件選擇及設(shè)計(jì)

3.2 控制邏輯設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架主軸支撐機(jī)構(gòu)的控制邏輯基于STEP7 開發(fā)完成，包括控制系統(tǒng)的程序編寫、調(diào)試等相關(guān)操作。

在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過程中，在主軸與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸對(duì)接和分離階段，當(dāng)PLC 收到測(cè)試終端發(fā)送的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與主軸需要對(duì)接的命令時(shí)，通過編寫的PLC 程序自動(dòng)控制主軸前進(jìn)到與發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)接位置。當(dāng)主軸前進(jìn)位置檢測(cè)傳感器檢測(cè)到主軸到位信號(hào)后，PLC 控制電磁閥打開閥島，使得壓縮空氣通過氣動(dòng)管路對(duì)氣囊充氣。當(dāng)主軸高度位置檢測(cè)傳感器檢測(cè)到主軸高度到位信號(hào)后，將此信號(hào)發(fā)送給PLC，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與主軸開始對(duì)接。主軸對(duì)接完成后向PLC 發(fā)送對(duì)接完成信號(hào)，PLC 向電磁閥發(fā)送關(guān)閉信號(hào)停止充氣。為了不影響發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試，PLC 控制電磁閥將閥島切換到排氣狀態(tài)，控制主軸支撐機(jī)構(gòu)氣囊排氣。當(dāng)PLC 收到測(cè)試終端發(fā)送的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)束信號(hào)后，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與主軸分離。PLC 程序重復(fù)上述命令，主軸支撐機(jī)構(gòu)氣囊再次充氣，滿足主軸與曲軸分離時(shí)的需求。主軸與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸分離完成后，主軸支撐機(jī)構(gòu)氣囊再次排氣，使其回落到需要的高度，如圖5 所示。

圖5 3D 打印主軸支撐機(jī)構(gòu)

為了便于工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、排除故障，系統(tǒng)增加了主軸支撐機(jī)構(gòu)狀態(tài)指示、故障報(bào)警、掉電報(bào)警等信息反饋機(jī)制。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架主軸支撐機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，人機(jī)界面會(huì)有相關(guān)信息提示，設(shè)備也會(huì)有故障提示。

4 實(shí)際應(yīng)用與驗(yàn)證

該主軸支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案及數(shù)字化控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于北京奔馳發(fā)動(dòng)機(jī)工廠冷試臺(tái)架。經(jīng)過6 個(gè)月的序列化生產(chǎn)驗(yàn)證和超過10 000 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試，該設(shè)計(jì)方案很好地滿足了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)的需求，運(yùn)行穩(wěn)定，且大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架的柔性，可以實(shí)現(xiàn)不同發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品、不同高度曲軸之間的柔性切換，無須人工干預(yù)調(diào)整，無須硬件更改或者更換。該主軸支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，產(chǎn)品加工工藝性能良好，很好地改善了設(shè)備工況，避免了大量停機(jī)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試合格率，大大降低了人工維護(hù)成本，減少了備件的消耗。

5 結(jié)語

文章主要針對(duì)傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架故障率高、柔性低、維護(hù)成本高等問題進(jìn)行研究，通過數(shù)字化的控制方式優(yōu)化傳統(tǒng)設(shè)備。首先，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架主軸支撐機(jī)構(gòu)所需要承載的壓力。其次，選擇相應(yīng)的材質(zhì)與工藝設(shè)計(jì)全新的氣囊結(jié)構(gòu)，利用先進(jìn)的3D 打印技術(shù)制作新的主軸支撐機(jī)構(gòu)，使其能夠兼容和匹配不同車型和高度的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。最后，編寫PLC 程序，利用數(shù)字化方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。在主軸與曲軸對(duì)接和分離階段，通過程序自動(dòng)控制壓縮空氣對(duì)氣囊充氣，使其膨脹至需要的高度，滿足主軸與曲軸對(duì)接時(shí)的需求，使其能夠兼容和匹配不同車型和高度的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)冷試臺(tái)架的柔性，同時(shí)避免了大量停機(jī)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試成功率。整套系統(tǒng)兼具柔性化和數(shù)字化特點(diǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的控制目標(biāo)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的設(shè)計(jì)具有良好的借鑒意義，能夠有效提高工廠自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。