汽车转向臂轴环形喷油机及其控制系统设计*

郑天池，夏 超，陈锃基，吴 洁

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏苏州 215011）

0 引言

汽车转向器是汽车转向系统中的关键零部件，而臂轴是转向器中最重要的零件[1－3]。在实际生产过程中，汽车转向臂轴在经过铣端面、粗车长端、精车短端外圆和孔、精车长端、插齿、铣槽、去毛刺等工序后[4]，需对加工完成后的臂轴进行喷油。

目前，多数企业还无法实现自动喷油，只能依靠人工手拿方式进行喷油，由于喷油过程中会产生油雾，人体吸取后会造成很大的身体伤害，如果喷油过程中没有做好防护措施，也会对外界环境造成污染[5]；同时，人工喷油难以保障十分精准，不可避免地会降低产品的质量。对于上述喷油方式，生产企业只能实现单个工件的手工喷油，不能实现多个工件的自动连续喷油，生产效率低。

本文结合汽车转向臂轴的生产工艺，研制开发了汽车转向臂轴环形喷油机及其控制系统，并成功应用于汽车转向臂轴生产企业。该设备自动化程度和生产效率高，能够对多规格汽车转向臂轴进行参数设定、修改，实现对多规格汽车转向臂轴的环形喷油。

1 汽车转向臂轴结构及工艺要求

汽车转向臂轴结构如图1 所示，不同规格的汽车转向臂轴，其直径、长度、齿数不同；在喷油过程中，汽车转向臂轴的长度和直径对喷油质量有直接影响，齿数对喷油效果无影响。

图1 汽车转向臂轴结构

汽车转向臂轴喷油的工艺要求为：喷油过程中，要求能够对汽车转向臂轴进行全覆盖无死角喷油；喷油时残留油液不能滴漏在设备上及设备外围；喷油周期低于8 s。

2 环形喷油机技术方案及关键部件设计

2.1 整体技术方案

汽车转向臂轴环形喷油机由液压系统、机械系统、传感检测系统、控制系统等组成，设备整体结构如图2所示。

图2 环形喷油机整体结构

液压系统用于控制喷嘴是否喷油，主要由油泵、油箱、溢流阀、减压阀、节流阀、2 位2 通电磁阀、过滤器等组成。溢流阀作为安全阀，在压力超过设定值时卸荷；节流阀和减压阀分别调节输出流量和压力；通过控制电磁阀的开启和关闭，实现系统连续喷油和停止喷油的相互切换。

机械系统包括防护罩、设备机体、动力环形滚筒线、自动喷油装置、回油盒等，机械系统结构如图3所示。图中，动力环形滚筒线实现对汽车转向臂轴的自动环形输送；自动喷油装置通过液压系统的控制实现对汽车转向臂轴的自动喷油。

图3 机械系统结构

环形喷油机的工作过程如下。

根据所喷油的汽车转向臂轴型号，在图形操作终端上选择“自动喷油”界面，设定汽车转向臂轴“长度”和“直径”参数。将待喷油的汽车转向臂轴放置在动力环形滚筒线的左前侧，动力环形滚筒线逐个将汽车转向臂轴带入至自动喷油区域，当到达自动喷油区域时，自动喷油装置中的喷嘴实现对汽车转向臂轴全覆盖无死角喷油；当汽车转向臂轴喷油完成后，动力环形滚筒线逐个将汽车转向臂轴带入右前侧，此时，人工逐个将喷油后的汽车转向臂轴取出，如此形成环形喷油。

2.2 动力环形滚筒线

动力环形滚筒线主要由环形滚筒、交流电机、安装立柱、回油盒组成，如图4所示，能够保证多个汽车转向臂轴按照喷油顺序自动流入和流出。

图4 动力环形滚筒线结构

动力环形滚筒线同时带动多个汽车转向臂轴的连续工作，为保证设备运行的稳定性与可靠性，需验证所选交流电机是否满足使用要求。

交流电机驱动的负载参数如表1所示。

表1 驱动负载参数

（1）确定减速机的减速比

电机额定转速n0为：

式中：n0为电机额定转速，r/min；f 为工作电压频率，Hz；p为电机极对数；s为转差率，一般取0.02。

将数据代入式（1）可得：

电机带动滚筒的输出转速n1＝30 r/min，故减速比i为：

为了便于计算，减速比i取为50，故电机带动滚筒的输出转速n为：

（2）负载转矩TL的计算

负载F为：

将上述数据代入式（5）可得：

则负载转矩T′L为：

考虑安全系数Sf＝2，则必要转矩为：

（3）负载转动惯量J的计算

负载转动惯量J为：

将数据代入式（9），可得：

所选交流电机为东方马达调速电机，其型号为BMU460SC－50，输出扭矩为8.2 N·m，输出转速为60 r/min，传动比为50，转动惯量为550×10－4kg·m－2，故满足使用要求。

2.3 自动喷油装置

自动喷油装置由前喷油组件和后喷油组件构成，如图5所示，包括喷嘴、立柱、喷嘴安装板、铜管接头。自动喷油装置在上下左右4个方向上各有3个喷嘴，能够对汽车转向臂轴喷油全覆盖，每个喷嘴的喷射角度为210°，能够对汽车转向臂轴无死角喷油。

图5 自动喷油装置结构

3 控制系统设计

控制系统以PLC 为控制核心，对液压系统中的电磁阀进行开启和关闭的切换控制，对交流电机进行启动、停止和调节控制，对各个传感器的动作控制等；以图形操作终端为上位机，实现对生产参数进行设置、调整；对生产状态进行监控与预警[6－8]。

3.1 PLC选型及I/O口分配

根据控制系统所需输入、输出端口的数量，并留有一定余量，所选PLC型号为三菱公司的FX3GA－24MTCM，该型号PLC 包含14 个输入点和10 个输出点，且晶体管输出、2 轴定位，自带高速通讯接口（RS422&USB）。

环形喷油机控制系统输入点数为4，输出点数为5，共计9个点。其I/O口分配如表2所示。

表2 PLC的I/O口分配

3.2 传感检测系统

为保证环形喷油机的喷油精度，提高系统运行的安全性，需要使用接近传感器、磁性接近传感器等来检测环形喷油机的工作状态。环形喷油机所使用的各类传感器的型号和作用如表3所示。

表3 各类传感器型号和作用

3.3 PLC程序

采用GX－Works2 编程软件实现对PLC 的程序设计，PLC工作的控制程序流程如图6所示。

图6 PLC程序流程

3.4 图形操作终端画面

图形操作终端（Graphic Operating Terminal）将系统的手动运行模式、自动运行模式集于一体，能够方便地显示和监控设备的运行状态，并进行参数设定修改[9－10]。图形操作终端选用日本三菱公司生产的GX2107－WTBD，其界面设计采用GT－Designer2 软件编写，通过USB 接口下载至图形操作终端中，图形操作终端程序如图7所示。

图7 图形操作终端操作界面

图形操作终端界面共3层，第1层为启动界面，第2层为主界面，第3层为设备调试界面。

进入第2 层，点击“自动喷油界面”按钮，即可进入如图8所示的自动喷油界面。

图8 自动喷油界面

自动喷油界面由设备状态栏、参数设定栏、运行状态监测栏组成。

（1）设备状态栏：用于实时显示交流电机的工作状态、喷油工位是否有汽车转向臂轴、喷油嘴是否闭合、防护罩门是否关闭等。

（2）参数设定栏：用于实现对多规格汽车转向臂轴的“直径”和“长度”参数设定，系统依据设定的参数自动调整喷油量和喷油时间，从而实现对多规格汽车转向臂轴的精确喷油，保证喷油质量。

（3）运行状态监测栏：用于实时显示设备的运行状态。

4 结束语

本文根据汽车转向臂轴喷油工序的生产要求，设计了汽车转向臂轴环形喷油机及其控制系统。环形喷油机已投入汽车转向臂轴生产厂家实际使用，喷油周期为5 s，生产效率提高65%，喷油质量提高40%。控制系统具有检测功能，有效避免因无汽车转向臂轴造成空喷油。

经过实际运行分析，环形喷油机性能稳定可靠、操作简单、系统运行良好，为生产企业带来良好的经济和社会效益，具有较好的推广和工程应用价值。