汽车油管自动压装机设计*

朱 俊，朱良峰

(1.常州信息职业技术学院智能装备学院，江苏 常州 213164；2.常州腾龙汽车零部件股份有限公司，江苏 常州 213150)

0 引言

汽车发动机涡轮增压器工作温度很高，其转子的转速高达每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，需要机油进行润滑，涡轮增压器润滑油管共计两根管路，分别是进油管和回油管。进油管是传输经过滤油器过滤过的带一定压力的机油到增压器润滑全浮动轴承，因此进油管是涡轮增压发动机的重要管路之一[1]。进油管由两端的圆接头和中间的管料组成，圆接头连接油路的入口和出口，管料是油路的通道，进油管生产制造中，其圆接头与管料的装配采用压装的方式，进油管型号不同，管料长度、管径不同，两端的圆接头相对转角位置也不同。

已有的压装机采用类似冲床的冲击压装，振动大，压装速度、压装力调整不便；人工上、下料，两端的圆接头需要分两次压装，工作效率较低；工人上下料时冲击压装动作具有一定的危险性[2-3]。开发了一种汽车油管自动压装机，用倍力串联气缸产生压装力，压装速度、压装力可调；能自动上下料，节约了人力，也避免了人身危险；能适应不同型号进油管的压装，具有一定的柔性；两端的圆接头一次压装完成，每小时压装900件，工作效率较高。

1 整体设计方案

进油管的两端圆接头和管料采用过盈连接，压装完成的进油管如图1所示。

1.圆接头 2.管料图1 涡轮增压器润滑油进油管

自动压装机主要设计思路是：通过气液增压缸轴向固定管料2，倍力串联气缸推动圆接头1产生压装力。为防止将管料压弯，两端各有一套气液增压缸和倍力串联气缸，两端同时动作，一次性完成进油管两端圆接头的压装[4-5]。

在此思路下设计的自动压装机如图2所示，采用卧式布局，主要包括圆接头自动上料部件、管料自动上料部件、气液增压缸固定管料部件、倍力串联气缸压装部件、床身底座五大组成部分。圆接头自动上料部件和管料自动上料部件通过气动机械手自动完成上料至压装位置，如图3所示；气液增压缸固定管料部件中管料上模具、下模具在增压缸的压力下合拢，通过摩擦力完成管料的轴向固定，水平安装的倍力串联气缸推动滑块完成圆接头的压装，为便于自动上料定位，滑块上安装有圆接头模具，并通过转角气缸固定圆接头。

1.气液增压缸固定管料部件 2.圆接头自动上料部件 3.倍力串联气缸压装部件 4.床身底座 5.管料自动上料部件

图3仅展示了进油管一端的压装，自动压装机能一次完成两端的压装，另一端对称配置有类似结构，如图2所示。

整机采用PLC控制，工人只需集中上下料，正常工作不需要人工干预。

1.圆接头模具 2.圆接头 3.管料上模具 4.管料下模具 5.管料 6.滑块 7.转角气缸

2 机械结构设计

机械设计是自动压装机设计的核心工作，重点需要完成气液增压缸、倍力串联气缸的选型计算，自动上下料机械结构的设计等。

2.1 压装力的计算

压装力的计算是压装机设计的首要任务，是选型所有重要部件的依据。

如图4所示，压装力本质上就是摩擦力，其计算公式为[6]：

P=P应Ff

(1)

式中，P为压装力，kN；f为过盈连接时配合面之间的摩擦系数，无润滑取f=0.17；P应为当过盈配合连接时在配合面上产生的单位压力，MPa；F为过盈连接时配合面之间的接触面积，mm2。

1.圆接头 2.管料图4 压装力的计算

式(1)中P应的计算公式为：

(2)

式中，Y为过盈连接的过盈量，mm；d为过盈配合的直径，mm，如图4所示；E1、E2为被包容件和包容件材料的弹性模量，GPa。

式(2)中，C1、C2计算公式为：

(3)

式中，μ1、μ2为被包容件和包容件材料的泊松比；d0为被包容件内孔直径，mm；D为包容件外径，mm，如图4所示。D=10.5 mm，d0=6 mm，d=8 mm，圆接头和管料的材料都为20#钢，属于低碳钢，μ1=μ2=0.25，分别代入式(3)得C1=3.32，C2=2.22。

Ymax=EI-es=-0.05-0.015=-0.065 mm
Ymin=ES-ei=-0.01-0=-0.01 mm

圆接头和管料的材料都为20#钢，E1=E2=196 GPa，d=8 mm，Y=0.065 mm，C1=3.32，C2=2.22分别代入式(2)，P应=0.29 MPa。

式(1)中的F计算公式为：

F=πdL

(4)

式中，L为配合面长度，mm，如图4所示。将d=8 mm，L=6 mm代入式(4)，F=150.72 mm2。再将P应=0.29 MPa，F=150.72 mm2，f=0.17代入式(1)，计算得到P=7.43 kN，再取1.3倍的余量，则最终的压装力为9.659 kN。

考虑到压装过程行程较短，但要求出力大，现场气源供应方便，因此采用倍力串联气缸产生压装力，这种气缸采用两级气缸串联而成，相同缸径出力是单缸的两倍，最终选定的倍力串联气缸缸径为125 mm，行程只要大于L选择最小行程50 mm，在气源压力为0.5 MPa的情况下，出力为12.2 kN，气缸型号为SCT125×25×25SFA。

2.2 气液增压缸的选型

气液增压缸向下压力所产生摩擦力抵御倍力串联气缸的压装力，摩擦力计算公式为：

f=μFN

(5)

式中，FN为压力，kN；μ为摩擦系数，无润滑工况下取1.7；f为摩擦力，kN。

将式(1)计算得到的压装力以f=9.659 kN，μ=0.17代入式(5)得到FN=56.8 kN，由此选型增压缸型号为MPT-80-50-10L-6T，缸径80 mm，出力6 T，总行程为50 mm，其中预行程40 mm，高压力行程10 mm，完全满足要求。

为防止增压缸压力下管料产生塑性变形，需要求得如图4所示管料上下模具的a尺寸，如图5所示为管料和管料模具的半剖视图。

图5 计算a的示意图

(6)

式中，FC为增压缸压力；α为管料模具的长度尺寸；σS为材料屈服强度。

低碳钢σS=207 MPa，d0=6 mm，d=8 mm，FC=60 kN代入式(6)，求得a=144 mm。

2.3 管料自动上料部件

为提高压装机的自动化程度，设计制造了管料自动上料部件，如图6所示。操作工只需要将成捆管料一次性上料至料槽1，管料自动上料部件即能完成逐根管料依次排队上料，且能适应不同长度的管料，以方便不同型号进油管的压装，正常情况下不需要人为干预，缺料自动报警。

为保证管料能安全、可靠地逐根上料，设计了三级工位，层层接力的机械结构[7]。第一级工位即为料槽1，工人成捆将管料放入，两端设置有挡板2适应不同长度的管料，底部气缸4驱动推杆从料槽1的孔3中伸出，推杆头部经过斜面设计以确保每次沿着料槽1的槽壁只会推起一根管料至第二级；第二级工位为缓冲工位7，斜坡设计，这样能够使得被推至第二级的管料沿着斜坡滚动，进一步推动已经存在于该工位的另一管料可靠地滚动至缓冲工位7的最底部，因此常态下缓冲工位7会有两根管料待命。底部的另一气缸驱动推杆从缓冲工位7的孔8中伸出，将一根管料推落至第三级；第三级为抓手抓取工位6，常态下只有一根管料待命，气缸抓手可以直接抓取。为便于不同长度管料轴向位置基准位的固定，方便后续的压装，通过轴向定位气缸9和第三级挡板5完成管料的轴向定位。

1.料槽 2.挡板 3.料槽的孔 4.底部气缸 5.第三级挡板 6.抓手抓取工位 7.缓冲工位 8.缓冲工位的孔 9.轴向定位气缸

2.4 圆接头偏转机构

不同型号进油管的两端圆接头相对转角位置也不同，压装机为适应不同型号进油管的压装，设计了一端圆接头模具转角位置固定，另一端连续可调的装置，如图7所示。伺服电机5控制转角位置，气缸抓手上料至圆接头模具2后自动调整至设定转角位置，以便后续压装。

1.圆接头 2.圆接头模具 3.转角气缸 4.同步带和同步带轮 5.伺服电机

3 控制系统设计

自动压装机属于典型的时序控制系统，因此选择可编程逻辑控制器(PLC)作为控制核心，工业现场使用安全可靠，扩展模块丰富，与外围部件连接方便。

3.1 硬件选型

硬件连接框图如图8所示，PLC控制对象包括各个电磁阀，用来控制气缸机械手、气液增压缸、倍力串联气缸等，还包括伺服电机，完成两端圆接头相对转角位置的设定。因此PLC选型时需要考虑具有高速脉冲输出功能。S7-200 SMART CPU模块本体能集成3路高速脉冲输出，频率高达100 kHz，支持PWM/PTO输出方式以及多种运动模式，可自由设置运动包络。配以方便易用的向导设置功能，能快速实现电机调速、定位等功能[4]，再考虑输入输出点数的数量，选定的PLC型号为S7-200 SMART ST40，配备有Profinet以太网接口[8-9]。

PLC的输入包括各个气缸的磁性开关，自动上料监测开关，还包括伺服电机参考点开关，开机后自动回零。为方便与用户交互，选型了昆仑通态TPC7062K触摸屏，通过以太网与ST40连接，能显示压装机工作状态、报警信息和手动控制。为方便一个工人照看多台压装机，还安装有三色灯，缺料时红灯闪烁，提醒工人及时加料。

图8 自动压装机硬件连接框图

3.2 软件设计

软件设计包括PLC程序设计，触摸屏策略、脚本、画面设计两部分内容。PLC程序负责整个压装机时序动作的自动控制，流程如图9所示，触摸屏软件负责各个气缸、伺服电机的手动控制。

图9 自动压装机PLC程序流程图

PLC编程采用最常用的梯形图语言，使用STEP7-MicroWIN SMART编程软件，该软件将常见应用包括位置控制、高速计数、PID等功能内置在软件中，向导操作不易出错[7]，自动压装机所使用的高速脉冲输出功能只需要在向导的指引下调用位置控制子程序就能完成两端圆接头相对转角位置的连续调整[10]，PLC控制程序如图10所示。圆接头偏转为绝对位置控制，开机后必须回零，通过触摸屏的“回零按钮”完成位置控制子程序AXIS0_RSEEK子程序的调用，在之前的运动轴组态时已经指定了参考点开关地址和零点搜索模式。回零成功后，才能调用AXIS0_GOTO位置控制子程序完成相对转角位置调整，触摸屏上设定的“两端圆接头相对转角”参数用于虚参“Pos”的输入，“Mode=0”表示绝对位置控制。

图10 圆接头偏转机构PLC控制程序

4 结束语

实际运行结果表明：自动压装机每小时能完成900件汽车进油管的压装，工作效率高；能适应480 mm～600 mm之间不同的管料长度，两端圆接头相对转角位置0～90°连续可调。更换模具后，调整气源压力，调整压装力能适应不同管径的管料，具有一定的柔性；一个工人能同时照看3～4台机器，节约人力成本，在相关制造类企业具有一定的推广价值。