摘"要：EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，其生產(chǎn)加工過程中的殼體清潔工藝更是重要組成工藝。目前傳統(tǒng)的清洗方式為旋轉(zhuǎn)噴淋和化學(xué)清洗，其清洗效果雖然明顯，但是清潔時(shí)間較長，清潔后有廢液產(chǎn)生，增加生產(chǎn)成本。干法清潔中等離子體清潔具有清潔效果好、速度快等優(yōu)勢，并且沒有二次污染，更加適合自動(dòng)化生產(chǎn)線的需求。為了確保清潔工藝要求，兼顧生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了等離子體清潔工作站，主要依靠等離子體進(jìn)行殼體表面的污染清潔，并通過實(shí)驗(yàn)得出最佳清洗距離及清潔速度，提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；等離子體清潔；模塊化設(shè)計(jì)

Development"of"an"EPS"Cleaning"Module

Based"on"Plasma"Cleaning"Technology

Shen"Haiyang1"Wang"Zongrong1"Li"Nan2

1.Nanjing"Institute"of"Technology"JiangsuNanjing"211167；

2.Rulamate"Automation"Technology"（Suzhou）"Co.，Ltd."JiangsuSuzhou"215021

Abstract：The"Electric"Power"Steering（EPS）system"is"currently"the"mainstream"product"in"steering"systems，and"the"shell"cleaning"process"during"its"production"is"a"critical"component.Traditional"cleaning"methods，such"as"rotary"spraying"and"chemical"cleaning，demonstrate"notable"effectiveness"but"suffer"from"prolonged"cleaning"duration"and"generate"waste"liquid"postcleaning，thereby"increasing"production"costs.Among"dry"cleaning"methods，plasma"cleaning"offers"advantages"such"as"superior"cleaning"efficiency，rapid"processing，and"no"secondary"pollution，making"it"morenbsp;suitable"for"automated"production"lines.To"meet"cleaning"requirements"while"balancing"production"efficiency，a"plasma"cleaning"workstation"was"designed.This"module"primarily"utilizes"plasma"technology"to"remove"contaminants"from"shell"surfaces.Experimental"studies"were"conducted"to"determine"the"optimal"cleaning"distance"and"speed，ultimately"enhancing"production"efficiency.

Keywords：Electric"Power"Steering"System;Plasma"Cleaning;Modular"Design

隨著目前汽車市場，特別是電車市場的快速發(fā)展，汽車銷量快速增長，汽車零部件的供應(yīng)需求也隨之提高。其中，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric"Power"Steering，EPS）作為目前主流的轉(zhuǎn)向設(shè)備，為了擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，提高生產(chǎn)效率，需要對其生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。在EPS的組裝過程中，系統(tǒng)殼體在打螺絲密封前需要對殼體表面進(jìn)行涂膠處理，在一般工廠的生產(chǎn)環(huán)境中，涂膠面難免會(huì)有灰塵、油污等污染物，如果不處理直接進(jìn)行涂膠環(huán)節(jié)，會(huì)直接影響膠液黏結(jié)和殼體密封。那么在進(jìn)行涂膠工藝前，清洗工藝就變得十分重要，清潔工作站作為EPS生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要工藝，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分有必要的。

1"等離子體清潔工藝要求

工業(yè)清洗的主要目的是去除物料表面的污染物，使得這些污染物不會(huì)影響正常的生產(chǎn)加工［1］。對于需要進(jìn)行涂膠工藝的物料來說，在進(jìn)行涂膠前進(jìn)行表面清洗可以使物料表面清水性提高，這時(shí)進(jìn)行涂膠，膠液會(huì)更好地留在涂膠面，有著更高的黏結(jié)性［2］。

等離子體的主要工作模式為等離子體發(fā)生器通過電壓將氣體電離成等離子體，隨后由等離子體噴槍射出，與材料表面接觸，可以用于清潔材料表面看不見的有機(jī)物及表面吸附層［3］。針對電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)殼體表面清潔涂膠工藝，等離子體清潔模塊主要負(fù)責(zé)清潔電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)殼體表面污染物，以便提高涂膠時(shí)膠液在殼體表面的附著力，提高殼體連接時(shí)的密封程度。

在了解了清潔涂膠工作站的工藝要求，在此我們針對清潔工藝對清潔模塊進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃。等離子體清潔模塊主要由機(jī)器人、等離子體噴頭組成，由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到指定位置，等離子體噴頭噴出等離子體火焰，對目標(biāo)材料表面進(jìn)行清潔作業(yè)。該模塊需要規(guī)劃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，噴頭到產(chǎn)品之間的距離及噴頭功率，確保清潔過程中等離子體噴頭位置正確，確定清潔高度和等離子體速度，從而提高清潔效果，同時(shí)還要兼顧生產(chǎn)節(jié)拍要求。

2"等離子體清潔參數(shù)設(shè)置

等離子體為氣體電離后產(chǎn)生，由電子、離子等帶點(diǎn)離子及中性粒子組成，被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體應(yīng)用于清洗領(lǐng)域主要依靠電離后的等離子體流體與清潔面表面接觸，其表面的有機(jī)污染物會(huì)被加速后的電子轟擊成氧離子，其表面的污染物很快就會(huì)被氧化成二氧化碳和水，從而達(dá)到清潔表面的目的。至于等離子體清潔的功率、速度和噴頭到清潔面的距離，要想得到最佳清洗效果，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證。

等離子體作為氣體電離得到的產(chǎn)物，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析時(shí)需要采用流體分析，在此選擇Fluent流體分析。Fluent可通過用戶自定義的標(biāo)量對控制方程進(jìn)行擴(kuò)展，對任意標(biāo)量，都可通過求解方程來擴(kuò)充軟件自身模型。

ρφt+SymbolQC@

（ρvφ）=SymbolQC@

（ΓφSymbolQC@

φ）+Sφ

其中Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)，Sφ為廣義源項(xiàng)。

在流體力學(xué)方面，目前所有的流體運(yùn)動(dòng)都遵循質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，而質(zhì)量守恒連續(xù)性方程在求解傳熱和可壓流動(dòng)模型還需聯(lián)立求解，其中連續(xù)性方程為：

ρt+xi（ρui）=Sm

其中，ρ代表密度，t代表時(shí)間，ui代表x方向速度，Sm代表源項(xiàng)。上述方程代表了質(zhì)量守恒方程的一般形式，是在二維平面中x方向上的連續(xù)性方程。

二維慣性坐標(biāo)系下動(dòng)量守恒定律在i方向上表示為：

t（ρui）+xi（ρuiuj）=-pxi+τijxi+ρgi+Fi

式中p表示靜壓力，uj表示j方向速度大小，τij表示應(yīng)力張量，gi表示i方向上的重力體積力，F(xiàn)i表示外部體積力或者其他特殊模型相關(guān)的源項(xiàng)。

先進(jìn)行等離子體流體模型的建立。在此選擇AnsysFluent軟件進(jìn)行模擬仿真，設(shè)定流場區(qū)域，等離子體噴槍的作用范圍約為6cm，其熱源在入口處均勻分布，通過觀察等離子體在清潔過程中的分布情況，選擇合適的參數(shù)進(jìn)行清洗效果的驗(yàn)證。

從理論上來說，等離子體噴頭與清潔面距離越近，等離子流體越多，清洗應(yīng)力越大。在等離子體噴頭慢慢移動(dòng)到清潔區(qū)域時(shí)，清洗應(yīng)力逐漸增大，隨后慢慢移動(dòng)到清潔區(qū)域時(shí)，由于清潔面溫度升高，清洗應(yīng)力在溫度梯度下先減小再增大，并在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值。隨后，等離子體噴頭離開清潔區(qū)域，此時(shí)清洗應(yīng)力逐漸減小，但在移動(dòng)過程中依舊可以作用到清潔區(qū)域，所以會(huì)出現(xiàn)先減小，再增大，隨后逐步下降的趨勢。

在進(jìn)行了理論分析后，進(jìn)行清洗實(shí)驗(yàn)。為了便于實(shí)驗(yàn)分析和節(jié)拍優(yōu)化，設(shè)定清潔距離為10mm、清潔速度為200mm/s進(jìn)行清潔模擬，此時(shí)清洗應(yīng)力隨時(shí)間變化，如圖1所示。

清潔應(yīng)力變化與理論分析一致，在噴頭接近清潔區(qū)域時(shí)，等離子體流體作用到清洗區(qū)域，使其清洗應(yīng)力變大；在到達(dá)清洗區(qū)域時(shí)達(dá)到峰值，在離開清洗區(qū)域后逐漸減小。因?yàn)榈入x子體的流體特性，會(huì)出現(xiàn)清洗應(yīng)力增高的現(xiàn)象，此時(shí)等離子體流體影響到清洗區(qū)域，出現(xiàn)清洗應(yīng)力減小過程中有上升的情況，隨后逐漸下降。

考慮到生產(chǎn)節(jié)拍要求，隨著清洗速度的增加，清洗時(shí)間大大降低，在等離子體噴頭接近清潔面，清洗應(yīng)力達(dá)到最高值時(shí)，其離開清洗區(qū)域的過程中應(yīng)出現(xiàn)清洗應(yīng)力降低再升高的趨勢。由于清洗速度快，等離子體噴頭很快就離開了清洗區(qū)域，等離子體流體的運(yùn)動(dòng)沒有影響到后續(xù)清潔面清洗應(yīng)力的變化，所以其清洗應(yīng)力在等離子體噴頭達(dá)到清洗位置時(shí)為最高，當(dāng)其離開清潔區(qū)域時(shí)，逐步降低，沒有回升現(xiàn)象。

在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對等離子體清潔過程中清洗距離及清洗速度對清洗效果的影響，可得出的結(jié)論為等離子體噴頭高度和清洗速度都會(huì)影響最終的清洗效果。其中，清洗高度對清洗結(jié)果影響較大，所以從理論上來說，清洗距離為5mm或者更接近時(shí)，清洗效果最佳。但是考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程中的干涉問題，如果Plasma噴頭與EPS殼體太過接近，則很有可能出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，在清潔過程中導(dǎo)致等離子體噴頭與其他物體碰撞，不利于實(shí)際生產(chǎn)。而通過實(shí)驗(yàn)可知，雖然等離子體噴頭與清潔面距離越近清洗效果越好，但是在清洗距離為10mm時(shí)，清洗應(yīng)力變化也與之相差不多，且10mm的清潔距離更適合安全生產(chǎn)。

考慮到零件表面可能并不平整，結(jié)合等離子體位置標(biāo)定及運(yùn)動(dòng)控制，在清潔距離上，10mm的清潔距離更加適合實(shí)際應(yīng)用。對于清潔速度，從等離子體分布情況可知，清洗速度在一定范圍內(nèi)越慢，清洗效果越佳，其缺點(diǎn)為清洗時(shí)間相對較長，在生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化上與更快的清潔速度相比沒有優(yōu)勢。清洗速度的選擇由于其清洗應(yīng)力相差也較小，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，要求的處理時(shí)間為2s，清洗面周長約為308mm，清潔時(shí)間十分充裕，那么結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇清洗速度為200mm/s更加適合。

至此，得出等離子體清潔模塊的關(guān)鍵工藝參數(shù)，確定了清洗距離及清洗速度，考慮到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)間，理論上完全符合EPS生產(chǎn)需求。隨后，就生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行機(jī)器人模塊和等離子體模塊的器件選型，選擇合適的設(shè)備，節(jié)約成本。

3"等離子體清洗功能驗(yàn)證

在清潔模塊工藝要求的前提下，完成清潔系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)及主要工藝參數(shù)的研究。隨后需要針對其清潔效果進(jìn)行清洗功能的驗(yàn)證，確保等離子體清洗后有顯著效果，殼體表面清潔度有明顯提高。

膠液附著在殼體表面可參考水滴，材料表面親水性越高，液滴水滴角越小，其附著性越好，代表清潔效果越好。目前工業(yè)清洗效果檢測方面一般采用取樣的方式，通過對產(chǎn)品清潔面取樣，在微觀條件下觀察污染物的減少程度，能明顯反映出清潔效果。但是在自動(dòng)化生產(chǎn)線方面，臨時(shí)進(jìn)行材料的表面取樣來進(jìn)行清洗效果驗(yàn)證過于煩瑣，考慮到實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合當(dāng)前生產(chǎn)環(huán)境，利用水滴角檢測儀也可以直觀反映材料表面的親水性如何，從而確認(rèn)清潔程度。

在測試環(huán)節(jié)，先使用等離子體清洗設(shè)備對測試產(chǎn)品進(jìn)行表面清潔，再通過確認(rèn)的工藝參數(shù)對殼體進(jìn)行清潔，調(diào)節(jié)等離子體噴頭的距離及清洗速度，隨后進(jìn)行水滴角檢測。

當(dāng)一種液滴在一款材料表面能夠穩(wěn)定鋪展，此時(shí)液滴與接觸面及空氣部分的夾角為接觸角。接觸角越大，則說明材料疏水性越好；接觸角越好，則說明材料表面的濕潤性越好。點(diǎn)膠工藝需要?dú)んw表面有良好的親水性，即濕潤性好，所以需要檢測到的水滴角越小越好，表明其清潔程度高，利于后續(xù)涂膠密封處理。

為了確保實(shí)驗(yàn)的可靠性，對殼體表面清潔程度的驗(yàn)證采用對比實(shí)驗(yàn)，選擇多件產(chǎn)品，分別進(jìn)行等離子體清潔與人工清潔，等離子體清潔的清潔高度與清洗速度的設(shè)定也需不一致，從而達(dá)到對比的效果?？紤]到噴槍不能與材料表面太近，設(shè)定清洗距離為10mm、清洗速度為200mm/s，進(jìn)行材料表面清潔。清潔前產(chǎn)品表面水滴角檢測如圖2所示。

從圖2中可以看到，清潔前水滴角檢測為81.7°，水滴角數(shù)值偏大表明材料表面有污染物，此時(shí)疏水性較好，膠液不容易留在殼體表面。隨后進(jìn)行等離子體清潔，完成清潔后選擇樣品進(jìn)行水滴角檢測，檢測結(jié)果如圖3所示。

從圖2與圖3對比可以看出，經(jīng)過等離子體清潔后其水滴角度數(shù)大幅下降，代表材料表面清潔度得到了很大的改善。這表明經(jīng)過等離子體清潔后，材料表面濕潤性得到了很大提升。此時(shí)進(jìn)行點(diǎn)膠工藝，膠液會(huì)在殼體表面形成直徑較大的液滴，且由于表面親水性的提高，更加利于密封處理，符合清潔工藝生產(chǎn)需求。

4"結(jié)論

基于EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)生產(chǎn)線裝配工藝要求，針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)殼體表面涂膠工藝前的清潔工藝進(jìn)行了分析，并選擇了更加合適的等離子體清洗方式。隨后根據(jù)生產(chǎn)要求，通過實(shí)驗(yàn)分析得出清潔工藝的主要工藝參數(shù)，從而便于后續(xù)工作站設(shè)備選型，進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，同時(shí)兼顧了效率、效益和環(huán)保等多種目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

［1］王守國.常壓射頻冷等離子體清洗技術(shù)介紹［J］.清洗世界，2004（12）：3234.

［2］劉玉嶺，李薇薇，檀柏梅.微電子工藝中的清洗技術(shù)［J］.洗凈技術(shù)，2003（05）：1519.

［3］方草.低溫等離子體技術(shù)處理抗生素和其他典型有機(jī)物污染物的研究［D］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2023.

作者簡介：沈海洋（1999—"），漢族，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造。