基于PLC和触摸屏的汽车转向臂轴环形喷油机控制系统设计*

郑天池，王 莉，夏 超

（1.工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏苏州 215011；2.苏州融领新场景科技有限公司，江苏苏州 215011）

0 引言

汽车转向系统中的关键零部件包括汽车转向器、转向传动系统、转向操纵机构等，在转向器部分，汽车转向臂轴是最重要的零件[1-3]。国内外学者对汽车转向臂轴已开展了广泛的研究，Alexandru P 等[4]在转向器中，通过应用标准渐开线齿形的偏心齿扇和齿条，以此达到变传动比传动的要求；贺敬良等[5]创新应用余弦函数，对传动比进行过渡，实现传动比曲线的一阶可导，最大限度减少啮合过程中带来的柔性冲击。谭伟明[6]提出了在非圆齿扇传动中使用变系数移距变位用于消除齿轮的根切、增大齿厚和调整传动中心距，有效改善齿厚分布和根切现象，其变位系数为事先设定的余弦变化的变位系数函数。

在实际生产过程中，汽车转向臂轴的生产工序主要有铣端面、粗车长端、精车短端外圆和孔、精车长端、插齿、铣槽、去毛刺等[7]，在完成上述工序后，需要对臂轴进行喷油，以实现臂轴的清洗及表面保护。目前，多数生产型制造业企业的喷油方式还停留在人工操作层面，要是依靠人工手拿臂轴浸入油箱进行喷油。这种方式存在两个方面的问题：一是喷油过程中产生的油雾会对人体造成伤害、污染外部环境；二是喷油精度差，质量难以保障[8]。以上喷油方式只能一个一个喷油，存在生产效率不高、自动化程度偏低、人工强度过大、作业安全难以保障等突出问题。

为实现汽车转向臂轴喷油工序的高自动化、优产品质量，依据汽车转向臂轴的生产工艺，研制了汽车转向臂轴环形喷油机，并设计了汽车转向臂轴环形喷油机的控制系统。该系统能够对多种规格的汽车转向臂轴，实现参数的设定和修改，同时，能够满足多个汽车转向臂轴的自动连续喷油的生产要求。

1 环形喷油机的整机方案及控制要求

1.1 整机方案及生产流程

汽车转向臂轴环形喷油机由机械结构、液压控制系统、传感检测系统、PLC 控制系统及图形操作终端等构成。其中，机械结构由自动喷油装置、动力环形滚筒线、防护罩等组成；液压控制系统由节流阀、减压阀、电磁阀、油泵、油箱、过滤器、压力表等组成。环形喷油机整体结构图如图1所示。图中，汽车转向臂轴的输送，通过动力环形滚筒线实现；汽车转向臂轴的自动喷油，通过液压控制系统控制自动喷油装置实现；液压控制系统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。

图1 环形喷油机整体结构

环形喷油机的工作流程为：

（1）依据汽车转向臂轴的规格和尺寸，人工逐个将汽车转向臂轴放置在动力环形滚筒线右前方；

（2）通过动力环形滚筒线，将汽车转向臂轴逐个输送至自动喷油处；当自动喷油处的检测传感器检测到汽车转向臂轴时，通过液压控制系统控制喷嘴的开启，实现对工件的自动油；

（3）喷油工序完成后，动力环形滚筒线自动将汽车转向臂轴逐个输送至左前方，此时，人工逐个取出喷油后的汽车转向臂轴；

（4）重复以上步骤，实现对多规格、多尺寸的汽车转向臂轴环形自动喷油。

1.2 控制要求

设计的汽车转向臂轴环形喷油机控制系统，用于实现对多规格、多尺寸的汽车转向臂轴环形自动喷油，在保障控制系统能够稳定可靠的运行，还需具备以下功能要求[9-10]。

（1）实现自动喷油：通过控制交流电机、液压控制系统，实现对多规格、多尺寸的汽车转向臂轴自动喷油。

（2）实现参数设定和修改：设计的控制系统要满足对多规格汽车转向臂轴的直径和长度参数设定和修改的功能要求，进而调整喷油量及喷油时间。

（3）实现系统运行模式的切换：系统运行模式要包括手动和自动两种，两种运行模式要能实现自由切换；手动运行模式用于环形喷油机的调试、检测和维护；自动运行模式用于环形喷油机的连续运行，实现控制系统中各运动部件的协同运动。

（4）实现系统的故障检测、报警：控制系统能够检测环形喷油机各执行机构及检测部件的故障并及时报警，能够实时监测并显示系统的运行状态。

2 环形喷油机控制系统的硬件设计

环形喷油机控制系统主要由上位机、可编程控制器、各类传感器、交流电机、三色灯、运行指示灯、电磁阀、启停按钮等组成。环形喷油机控制系统的硬件接线如图2所示。

图2 控制系统硬件接线图

2.1 PLC型号确定及I/O口分配

控制系统的控制管理枢纽是PLC。PLC 控制液压控制系统中的电磁阀的开闭、交流电机的启停和调节，并通过RS422 与触摸屏进行通讯，及时反馈系统的运行状态和参数的修改[10]。

依据所设计的控制系统I∕O 口的数量需求，在综合考虑系统使用性能、预留端口的基础上，选择三菱公司的FX3GA-24MT-CM 的PLC。所选PLC的主要性能如下：输入点数为14、输出点数为10，输出方式为晶体管，轴定位轴数为2，拥有RS422&USB两种高速通讯接口。

环形喷油机控制系统需要4 个输入点、5 个输出点。输入输出口分配方式如表1所示。

表1 输入输出口分配

2.2 触摸屏型号确定

触摸屏作为上位机，是参数设定与修改、系统运行的操作平台，能够实现对设备运行状态、故障信息、报警信息的显示，系统运行模式的切换等功能[11]。触摸屏所选的型号为三菱GX2107-WTBD，能够将用户的操作指令实时传向PLC。

2.3 传感器型号确定

传感器是控制系统运行信号的输入源，能够保障设备的运行安全。本系统使用欧姆龙的磁性接近传感器、神视的接近传感器等，实现对环形喷油机的工作状态的检测。所选传感器如表2所示。

表2 各类传感器型号和作用

3 环形喷油机控制系统的软件设计

环形喷油机控制系统的软件设计主要包括两部分，分别是PLC控制程序设计和触摸屏界面设计。

3.1 PLC控制程序设计

采用编程软件GX-Works2 实现对PLC 控制程序的设计。GX-Works2主要是应用PC机对PLC各类程序进行编程。PLC 控制程序设计采用模块化模式，应用梯形图来实现。根据环形喷油机的实际运行工作要求，PLC 控制程序的设计包括手动和自动控制两个程序，手动控制主要实现环形喷油机的调试、检测、维护及运行过程的单一演示，自动控制主要实现环形喷油机的自动连续运行。使用USB 通讯模式，将PC 机编写的程序导入PLC 中。PLC自动控制程序流程如图3所示。

图3 PLC自动控制程序流程

3.2 触摸屏界面设计

触摸屏能够集成系统的手动运行和自动运行，实时监控和显示环形喷油机的运行状态，并根据汽车转向臂轴的规格和尺寸进行参数的设定和修改。采用GT-Designer2 软件编写，实现对触摸屏界面的设计。GT-Designer2 软件具有简单、高效、易于上手等优点，使自动化过程更加透明、组态更加简单、反应更加迅速[12]。

采用USB 通讯模式将设计完成后的界面下载到触摸屏中，触摸屏程序设计界面图如图4所示。

图4 触摸屏程序设计界面

第一层界面：为启动界面，触摸屏通电后3 s 左右，即可进入启动界面。

第二层界面：为环形喷油机的主界面，如图5所示，主界面包括“设备概要”界面、“设备调试”界面、“自动喷油”界面，操作人员手动点击上述界面的名称，即可进入相应的界面。点击环形喷油机的“设备调试”界面，即可进入如图6所示的界面图。该界面包括“交流电机调试”界面、“喷油调试”界面、“三色灯调试”界面、“防护罩门检测”界面，主要用于环形喷油机的调试、检测与维护，由四个界面组成，操作人员手动点击上述界面的名称，即可进入相应的界面。

图5 主界面

图6 设备调试界面

点击环形喷油机的“自动喷油”界面，即可进入如图7所示的界面。“自动喷油”界面包括“设备状态”、“参数设定”、“运行状态监测”三栏，具体如下。

（1）设备状态栏：能够实时显示交流电机是否开启、汽车转向臂轴是否在喷油工位、喷油嘴的开闭、防护罩门的开闭。

（2）参数设定栏：能够实现对多规格多尺寸汽车转向臂轴参数设定，主要包括“直径”和“长度”两个参数。根据设定的参数值不同，系统自动调节喷油时间、喷油量，进而实现对多规格多尺寸汽车转向臂轴的精确喷油，提升臂轴的喷油质量。

（3）运行状态监测栏：用于实时监测并显示环形喷油机的运行状态。

4 应用情况分析

设计的汽车转向臂轴环形喷油机控制系统已开展系统可靠性、稳定性、安全性的运行测试，测试结果良好，能够无故障连续运行。目前，该系统已在多家生产性制造业企业实际运用，通过企业的运行结果分析，得出如下结论：本系统连续运行周期为5 s，生产效率提高65%，产品喷油质量提高40%，系统无故障连续运行率达99.99%，满足企业高自动化、高效率、无故障连续运行的要求。同时，本系统具有检测功能，有效避免因无汽车转向臂轴造成空喷油，用流量节省30%。

5 结束语

（1）为实现对汽车转向臂轴的自动化喷油，解决现有喷油工序存在生产效率不高、自动化程度偏低、人工强度过大、作业安全难以保障等突出问题，本文设计了基于PLC和触摸屏的汽车转向臂轴环形喷油机控制系统。该控制系统以PLC 为控制核心，以触摸屏作为上位机，实现人机交互，进而保障系统的自动化控制和连续性运行。

（2）该系统具有高可靠性、稳定性、安全性，能够实现对多规格多尺寸的汽车转向臂轴自动喷油，无故障连续运行率高，喷油性能一致性和精准性高。

（3）该系统操作灵活、界面可视化强、参数设置和调整方便，满足高效率、高柔性化、高质量的生产要求，为汽车生产企业带来良好的经济效益和社会效益，具有较好的推广和工程应用价值。