基于汽车起动行星轴的压装机设计与实现

张亚锋，孟 飞，张美凤，蔡建文

(常州工学院 a.江苏省数字化电化学加工重点建设实验室；b.电气与光电工程学院，江苏 常州 213002)



基于汽车起动行星轴的压装机设计与实现

张亚锋，孟 飞，张美凤，蔡建文

(常州工学院 a.江苏省数字化电化学加工重点建设实验室；b.电气与光电工程学院，江苏 常州 213002)

为了解决汽车起动机行星减速轴自动压销及压轴承等问题，设计了一套压装机。分析了产生压销误差的原因，提出了先预压后完全压紧方法和取销结构组件多孔定位控制策略，以数字式等分液压回转台为平台，PLC为主控制器，位置传感器为反馈单元，液压缸和气缸为执行机构，完成了压装机主要部件的机械设计和控制系统设计。运行结果表明，多孔定位控制策略正确，压销精度高，系统运行稳定可靠。

行星减速轴；自动压销；PLC；压装机

0 引言

汽车起动机行星减速轴是汽车起动机的关键零件之一，主要用于行星齿轮传动，在汽车起动时以传递转矩和动力，其一端为带有螺旋花键的传动杆，另一端是具有通孔的端面，通孔的数量因不同种类的行星减速器而异。工业生产中常以过盈配合形式由压装机将销精确压入同一圆周上各通孔中，并且保证同一圆周上的各销满足圆跳动公差，以利于在行星减速器中装配行星齿轮。目前针对销与孔的过盈配合压装只是针对其材料、销的种类、几何参数等对配合面上的应力分布影响进行了研究[1-2]，国内针对汽车起动行星轴端面销的压装也仅在压力监控、部分工序自动控制等方面做了部分研究开发[3-4]，因此存在压装效率低，废品率高，不能满足压装精度等问题。文中通过工装定位、自动取销定位、先预压后全压等技术与数控技术相结合，实现压装的全自动化，对汽车起动机行星减速轴的生产具有重要意义。

1 误差原因分析

图1所示为销压装示意图。销进入接料套后，在压头的压力作用下，将销压入行星轴端面。接料套起稳定作用，使得销的中心轴线相对于转台基准面以足够的垂直度，同时保证销的中心轴线相对于行星轴端面上相应的孔的基准中心线有足够的同轴度。为保证压力垂直施加于销的端面上，压头中心轴线相对于转台基准面须有足够的垂直度，同时保证压头端面与转台基准面有足够的平行度。因此各定位误差是影响压在行星轴端面上的销是否满足圆跳动公差要求的主要原因。其中接料套上的内孔与销的间隙配合是关键，它直接影响相关的位置公差。

1.销 2.行星轴端面 3.接料套 4.压头

2 机械装置设计

为了实现压销的自动化，压装机由振动送料盘、液压等分回转工作台、行星轴夹紧工装、取销预压部件、销钉压紧部件等部分组成。各组成部分都有严格的形位公差。

2.1 液压等分回转工作台

由于行星轴除了需要压销之外，还有压轴承和组件序号激光打印等任务需求，因此，采用数控回转工作台实现多工位工作。图2所示为采用的液压等分回转工作台示意图。回转工作台采用两联齿盘端面齿定位方式，通过液压缸驱动齿条，由齿条齿轮传动方式推动等分回转工作台，实现装有行星轴的夹紧工装准确至各工位。

1.夹紧工装 2.回转台 3.底座

回准工作台的底座应调平，其基准面是其它所有部件的基准面，其回转中心轴线是其它各零部件的基准轴线。等分回转台的性能参数如表1所示。

表1 等分回转工作台参数

液压驱动回路如图3所示，通过其实现两联端齿盘的松开、抬起、推动、刹紧的动作过程。液压卸荷由液压泵站自身实现，避免油路高温和延长液压泵工作寿命。

图3 等分回转台液压回路

2.2 取销预压部件

图4所示为取销预压部件示意图，是实现全压的关键基础。液压回转台分度到位，夹紧工装上定位好的行星轴至压销液压缸正下方。45步进电机结合丝杠，驱动运销板，将安装于运销板上的接料轴送至真空吸附头正下方，接料气缸下行，真空吸附头与接料轴接触结合，在真空吸附力和顶针的共同作用下，接料轴内的销被吸附头吸附，接料气缸复位，57步进电机结合丝杠将吸附头送至夹紧工装正上方，液压缸工作，完成一次预压销任务后，各机构复位，准备下一次预压销。接料轴内的销由振动料盘供给。吸附头有两个功能，一是从接料轴中取销，二是起到如图1所示的接料套作用，在转台夹紧工装工位处，保证销与行星轴端面孔的中心同心。

1.液压回转台 2.送销板 3.真空吸附头 4.45步进电机 5.落销孔 6.57步进电机 7.支架 8.液压缸 9.接料气缸 10.接料轴 11.夹紧工装行星轴 12.顶杆

图4 取销预压部件示意图

为完成高质量的预压，各部件须有高精度的定位公差。相对于工作台基准面的夹紧工装垂直度≤0.015mm，支架垂直度≤0.015mm，支架面平行度≤0.025mm，接料气缸垂直度≤0.015mm，接料轴垂直度≤0.015mm，液压缸压轴垂直度≤0.015mm，吸附头与工位的垂直度≤0.015mm，同轴度≤0.015mm，吸附头与接料轴的同轴度≤0.03mm，支架须有足够的刚度。

2.3 总装示意图

图5所示为压装机总装实物图，销钉压紧部件将销钉完全压紧，相对于工作台基准面，支架垂直度≤0.015mm。轴承取样压紧部件将轴承压入行星轴端面中心孔内，压入深度及垂直度由工装进行保证。激光打印工位完成行星轴承的型号打印。各工位支架应保证足够的刚度。

1.液压回转台 2.取销预压部件 3.销钉压紧部件 4.轴承取样压紧部件 5.激光打印工位

图5 总装实物图

3 控制系统设计

为完成高精度的定位，结合步进电机、丝杠、气缸、液压缸、精密液压旋转转台、PLC控制器和上位机等组成压装机定位系统。图6所示为控制系统示意图。

图6 控制系统组成

图6中上位机主要起参数设置及状态监控。下位机采用S7-200 CPU 224，其稳定可靠，且利于与总线进行通信[5]，有利于压装机在生产线中应用。PLC控制器采用晶体管输出方式，以输出端口Q0.0和Q0.1作为线性高速脉冲输出端口[6]，用来控制42步进电机和45步进电机。 EM253为高速定位模块，其输出脉冲为差分形式[7-8]，用来控制57步进电机驱动器。45步进电机和57步进电机结合丝杠回程误差检测和补偿方法[9]实现运销板和吸附头的精确定位。

3.1 接料轴取销定位控制策略

旋转的接料轴将来自震动料盘的销接入轴内各定位孔中，其结构如图7所示。通孔位置与真空吸附头端面的三个盲孔位置一一对应，其取决于行星轴端面三个通孔位置。销从落销孔中能否落入接料轴的定位通孔中，决定于各定位孔与落销孔是否满足同轴度要求。

采用步进电机和细分驱动器驱动接料轴，为避免步进电机失步和振动，应根据电机转矩频率特性图选择细分驱动器输入脉冲，并调整好起停加减速时间[10]。

图7 接料轴结构示意图

图7中的传感器1处于接料轴初始位置，即原点，保证定位孔1与落销孔同一中心线。传感器2将接料轴的逆时针旋转方向反馈给控制器。采用绝对运动和相对运动相结合的方法实现接料轴上各通孔与落销孔的一一对应。

图8 自动寻找原点穿越图

图8为自动寻找原点穿越图，旋转轴表示速度为零的初始位置，其上表示电机顺时针运行方向，即正向，其下表示电机逆时针运行方向，即负向。反向传感器信号点对应于图7中的传感器2，原点信号对应于传感器1。起点表示电机未运动前的初始随机位置，由图8所示，其位置点相对原点可能位于原点的左、右和重合三种情况。电机的起动速度方向和最终停止方向都为负方向。根据图8所示的穿越图，实现原点自寻控制。

3.2 相对运动分析

由图7所示，接料轴的初始位置原点确定后，接料轴以负方向旋转几个中心角后，实现其它定位孔与落销孔的中心对准，其运动过程称为相对运动。为避免与自寻原点的绝对运动相干涉，相对运动时，须屏蔽传感器1和传感器2，且为避免定位误差的传递和累积，其运动过程如图9所示，原点定位完成后，步进电机须以相反的方向以相对脉冲数1和相对脉冲数2之和作为相对脉冲数，使定位孔1再次回到原点，为下次相对运动做好准备。

图9 相对运动过程

3.3 PLC端口地址分配

PLC主要的输入/输出端口地址分配如表2所示。表中输入主要是来自按钮和各位置传感器的开关量信号，输出主要是控制各执行机构。

表2 PLC I/O地址分配及功能表

4 运行结果

根据图8所示的控制策略，表3为采用图7所示的接料轴取销时，通过上位机获得的三孔原点定位数据。表中电机参数是根据电机矩频特性及接料轴的转动惯量和摩察阻力矩等参数选取。表中Vmax为电机的最大速度，Vmin为最小速度，即为起动速度，V为目标速度，即为运行速度，ΔTmax为最大加速时间，ΔT为电机起动速度和运行速度之间的加减速时间。

表3 三孔原点定位实验数据

由表3所示，最小速度为620脉冲数/s，相对脉冲数为530时，定位孔2原点位置误差为0.01mm，精度较高，验证了图9所示的控制策略正确。表中当前脉冲R是对当前脉冲A清零的结果，目的是避免将当前脉冲A带入下次相对运动定位过程中，从而带来较大的误差。改变表中相对脉冲1和相对脉冲2的数值，可实现不均匀分布孔的定位。

图10所示数据曲线图是由径向回转精度为0.001mm的偏摆检查仪对随机抽取的二十个已压入销的行星轴进行三个销的径向圆跳动检测获得。检测方法是将压入的销其中一个作为基准零点，其它两个销分别称之为1位销和2位销，相对于基准销的圆跳动对应为1位销圆跳动和2位销圆跳动。图10中的圆跳动公差为三个销的径向圆跳动之间的最大差值，由图示可以看出，最大差值在0.034mm～0.055mm之间，满足精度要求。

图10 行星轴端面销圆跳动数据曲线

5 结束语

分析了压装精度不高的原因，完成了主要部件的机械设计，对基于PLC的数控定位策略进行了深入研究，实现了压装机的全自动化。该机对不同类型的行星减速轴压装时，只须更换接料套，有效提高了其柔性制造能力。运行结果表明，系统自动化程度和压装精度高，控制策略正确且效果良好。

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[3] 胡素云.智能监控齿轮销压机的设计[J].机床与液压，2011，39(16):8-10.

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[5] 张亚锋. 电厂空冷岛喷雾冷却控制系统设计[J].计算机测量与控制，2014,22(12):3983-3984.

[6] 韩战涛.西门子S7-200 PLC功能指令应用详解[M].北京:电子工业出版社,2014.

[7] 杨后川，张瑞，高建设,等. 西门子S7-200 PLC应用100例[M]. 北京:电子工业出版社,2013.

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[9] 刘媛媛. 基于PLC的丝杠回程误差检测和补偿方法[J].组合机床与自动化加工技术,2015(11):65-66.

[10] 杨玉龙，龚时华，虞洋. 频繁启停下步进电机运动规划及振动抑制[J].电气传动,2014(10):44-46.

(编辑 李秀敏)

Design and Implementation for Press Machine based on automotive starter planetary shaft

ZHANG Ya-fenga,b,MENG Feib,ZHANG Mei-fengb,CAI Jian-wenb

(a.Jiangsu Key Lab of Numeric Electrochemical Machining;b.School of Electrical and Photoelectronic Engineering, Changzhou Institute of Technology, Changzhou Jiangsu 213002,China)

In order to realize auto press pin and bearing for the planetary shaft of the auto starter, designed a pressing machine. Analyzed the causes for the press pin error, presented a method of Pre pressing and full pressing and porous positioning control strategy for taking pin structure components. The system was designed with digital equal hydraulic rotary device as platform, PLC for main controller, position sensor for the feedback unit, hydraulic cylinder and air cylinder for actuator, and designed main mechanical components and control system. The running result shows that porous positioning control strategy is correct, and the system operation is stable and reliable.

planetary reduction shaft; auto press pin; PLC; press machine

1001-2265(2016)11-0134-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.036

2015-12-26；

2016-01-23

张亚锋(1976—)，男，江苏泰兴人，常州工学院讲师，博士研究生，研究方向为机电一体化及其控制技术，(E-mail)yafeng6911@126.com。

TH132;TG65

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