汽車油管自動壓裝機設計探析

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摘要：潤滑油進油管是保證汽車渦輪增壓器正常工作的重要管路之一，其圓接頭和管料采用過盈連接，通過壓裝方式完成裝配。設計了一種汽車油管自動壓裝機，通過氣液增壓缸軸向固定管料，倍力串聯氣缸產生壓裝力。通過壓裝力的理論計算選型了倍力串聯氣缸和氣液增壓缸。實現了管料和圓接頭的自動上料，整機采用PLC控制，觸摸屏作為人機交互界面。實際運行結果表明：自動壓裝機每小時能完成900件汽車進油管的壓裝，工作效率高，能壓裝480mm～600mm之間不同長度的管料，具有一定的柔性，節約人力成本，在相關制造類企業具有一定的推廣價值。

關鍵詞：汽車油管；自動壓裝機；壓裝力；PLC控制

0引言

汽車發動機渦輪增壓器工作溫度很高，其轉子的轉速高達每分鐘十幾萬轉，如此高的轉速和溫度使得常見的機械滾針或滾珠軸承無法為轉子工作，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動軸承，需要機油進行潤滑，渦輪增壓器潤滑油管共計兩根管路，分別是進油管和回油管。進油管是傳輸經過濾油器過濾過的帶一定壓力的機油到增壓器潤滑全浮動軸承，因此進油管是渦輪增壓發動機的重要管路之一［1］。進油管由兩端的圓接頭和中間的管料組成，圓接頭連接油路的入口和出口，管料是油路的通道，進油管生產制造中，其圓接頭與管料的裝配采用壓裝的方式，進油管型號不同，管料長度、管徑不同，兩端的圓接頭相對轉角位置也不同。已有的壓裝機采用類似沖床的沖擊壓裝，振動大，壓裝速度、壓裝力調整不便；人工上、下料，兩端的圓接頭需要分兩次壓裝，工作效率較低；工人上下料時沖擊壓裝動作具有一定的危險性［2⁃3］。開發了一種汽車油管自動壓裝機，用倍力串聯氣缸產生壓裝力，壓裝速度、壓裝力可調；能自動上下料，節約了人力，也避免了人身危險；能適應不同型號進油管的壓裝，具有一定的柔性；兩端的圓接頭一次壓裝完成，每小時壓裝900件，工作效率較高。

1整體設計方案

進油管的兩端圓接頭和管料采用過盈連接，壓裝完成的進油管如圖1所示。圖1渦輪增壓器潤滑油進油管自動壓裝機主要設計思路是：通過氣液增壓缸軸向固定管料2，倍力串聯氣缸推動圓接頭1產生壓裝力。為防止將管料壓彎，兩端各有一套氣液增壓缸和倍力串聯氣缸，兩端同時動作，一次性完成進油管兩端圓接頭的壓裝［4⁃5］。在此思路下設計的自動壓裝機如圖2所示，采用臥式布局，主要包括圓接頭自動上料部件、管料自動上料部件、氣液增壓缸固定管料部件、倍力串聯氣缸壓裝部件、床身底座五大組成部分。圓接頭自動上料部件和管料自動上料部件通過氣動機械手自動完成上料至壓裝位置，如圖3所示；氣液增壓缸固定管料部件中管料上模具、下模具在增壓缸的壓力下合攏，通過摩擦力完成管料的軸向固定，水平安裝的倍力串聯氣缸推動滑塊完成圓接頭的壓裝，為便于自動上料定位，滑塊上安裝有圓接頭模具，并通過轉角氣缸固定圓接頭。圖3僅展示了進油管一端的壓裝，自動壓裝機能一次完成兩端的壓裝，另一端對稱配置有類似結構，如圖2所示。整機采用PLC控制，工人只需集中上下料，正常工作不需要人工干預。

2機械結構設計

機械設計是自動壓裝機設計的核心工作，重點需要完成氣液增壓缸、倍力串聯氣缸的選型計算，自動上下料機械結構的設計等。

2．1壓裝力的計算

壓裝力的計算是壓裝機設計的首要任務，是選型所有重要部件的依據。如圖4所示，壓裝力本質上就是摩擦力，其計算公式為［6］：P＝P應Ff（1）式中，P為壓裝力，kN；f為過盈連接時配合面之間的摩擦系數，無潤滑取f＝0．17；P應為當過盈配合連接時在配合面上產生的單位壓力，MPa；F為過盈連接時配合面之間的接觸面積，mm2。式（1）中P應的計算公式為：式中，Y為過盈連接的過盈量，mm；d為過盈配合的直徑，mm，如圖4所示；E1、E2為被包容件和包容件材料的彈性模量，GPa。式（2）中，C1、C2計算公式為：式中，μ1、μ2為被包容件和包容件材料的泊松比；d0為被包容件內孔直徑，mm；D為包容件外徑，mm，如圖4所示。D＝10．5mm，d0＝6mm，d＝8mm，圓接頭和管料的材料都為20＃鋼，屬于低碳鋼，μ1＝μ2＝0．25，分別代入式（3）得C1＝3．32，C2＝2．22。圓接頭的孔的尺寸為ϕ8－0．01－0．05，管料尺寸為ϕ8＋0．0150，則圓接頭與管料最大過盈量和最小過盈量為： min＝ES－ei＝－0．01－0＝－0．01mm圓接頭和管料的材料都為20＃鋼，E1＝E2＝196GPa，d＝8mm，Y＝0．065mm，C1＝3．32，C2＝2．22分別代入式（2），P應＝0．29MPa。式（1）中的F計算公式為：式中，L為配合面長度，mm，如圖4所示。將d＝8mm，L＝6mm代入式（4），F＝150．72mm2。再將P應＝0．29MPa，F＝150．72mm2，f＝0．17代入式（1），計算得到P＝7．43kN，再取1．3倍的余量，則最終的壓裝力為9．659kN。考慮到壓裝過程行程較短，但要求出力大，現場氣源供應方便，因此采用倍力串聯氣缸產生壓裝力，這種氣缸采用兩級氣缸串聯而成，相同缸徑出力是單缸的兩倍，最終選定的倍力串聯氣缸缸徑為125mm，行程只要大于L選擇最小行程50mm，在氣源壓力為0．5MPa的情況下，出力為12．2kN，氣缸型號為SCT125×25×25SFA。

2．2氣液增壓缸的選型

氣液增壓缸向下壓力所產生摩擦力抵御倍力串聯氣缸的壓裝力，摩擦力計算公式為：f＝μFN（5）式中，FN為壓力，kN；μ為摩擦系數，無潤滑工況下取1．7；f為摩擦力，kN。將式（1）計算得到的壓裝力以f＝9．659kN，μ＝0．17代入式（5）得到FN＝56．8kN，由此選型增壓缸型號為MPT⁃80⁃50⁃10L⁃6T，缸徑80mm，出力6T，總行程為50mm，其中預行程40mm，高壓力行程10mm，完全滿足要求。為防止增壓缸壓力下管料產生塑性變形，需要求得如圖4所示管料上下模具的a尺寸，如圖5所示為管料和管料模具的半剖視圖。（d－d0）×a×σS（6）式中，FC為增壓缸壓力；α為管料模具的長度尺寸；σS為材料屈服強度。低碳鋼σS＝207MPa，d0＝6mm，d＝8mm，FC＝60kN代入式（6），求得a＝144mm。

2．3管料自動上料部件

為提高壓裝機的自動化程度，設計制造了管料自動上料部件，如圖6所示。操作工只需要將成捆管料一次性上料至料槽1，管料自動上料部件即能完成逐根管料依次排隊上料，且能適應不同長度的管料，以方便不同型號進油管的壓裝，正常情況下不需要人為干預，缺料自動報警。為保證管料能安全、可靠地逐根上料，設計了三級工位，層層接力的機械結構［7］。第一級工位即為料槽1，工人成捆將管料放入，兩端設置有擋板2適應不同長度的管料，底部氣缸4驅動推桿從料槽1的孔3中伸出，推桿頭部經過斜面設計以確保每次沿著料槽1的槽壁只會推起一根管料至第二級；第二級工位為緩沖工位7，斜坡設計，這樣能夠使得被推至第二級的管料沿著斜坡滾動，進一步推動已經存在于該工位的另一管料可靠地滾動至緩沖工位7的最底部，因此常態下緩沖工位7會有兩根管料待命。底部的另一氣缸驅動推桿從緩沖工位7的孔8中伸出，將一根管料推落至第三級；第三級為抓手抓取工位6，常態下只有一根管料待命，氣缸抓手可以直接抓取。為便于不同長度管料軸向位置基準位的固定，方便后續的壓裝，通過軸向定位氣缸9和第三級擋板5完成管料的軸向定位。

2．4圓接頭偏轉機構

不同型號進油管的兩端圓接頭相對轉角位置也不同，壓裝機為適應不同型號進油管的壓裝，設計了一端圓接頭模具轉角位置固定，另一端連續可調的裝置，如圖7所示。伺服電機5控制轉角位置，氣缸抓手上料至圓接頭模具2后自動調整至設定轉角位置，以便后續壓裝。

3控制系統設計

自動壓裝機屬于典型的時序控制系統，因此選擇可編程邏輯控制器（PLC）作為控制核心，工業現場使用安全可靠，擴展模塊豐富，與外圍部件連接方便。

3．1硬件選型

硬件連接框圖如圖8所示，PLC控制對象包括各個電磁閥，用來控制氣缸機械手、氣液增壓缸、倍力串聯氣缸等，還包括伺服電機，完成兩端圓接頭相對轉角位置的設定。因此PLC選型時需要考慮具有高速脈沖輸出功能。S7⁃200SMARTCPU模塊本體能集成3路高速脈沖輸出，頻率高達100kHz，支持PWM／PTO輸出方式以及多種運動模式，可自由設置運動包絡。配以方便易用的向導設置功能，能快速實現電機調速、定位等功能［4］，再考慮輸入輸出點數的數量，選定的PLC型號為S7⁃200SMARTST40，配備有Profinet以太網接口［8⁃9］。PLC的輸入包括各個氣缸的磁性開關，自動上料監測開關，還包括伺服電機參考點開關，開機后自動回零。為方便與用戶交互，選型了昆侖通態TPC7062K觸摸屏，通過以太網與ST40連接，能顯示壓裝機工作狀態、報警信息和手動控制。為方便一個工人照看多臺壓裝機，還安裝有三色燈，缺料時紅燈閃爍，提醒工人及時加料。

3．2軟件設計

軟件設計包括PLC程序設計，觸摸屏策略、腳本、畫面設計兩部分內容。PLC程序負責整個壓裝機時序動作的自動控制，流程如圖9所示，觸摸屏軟件負責各個氣缸、伺服電機的手動控制。PLC編程采用最常用的梯形圖語言，使用STEP7⁃MicroWINSMART編程軟件，該軟件將常見應用包括位置控制、高速計數、PID等功能內置在軟件中，向導操作不易出錯［7］，自動壓裝機所使用的高速脈沖輸出功能只需要在向導的指引下調用位置控制子程序就能完成兩端圓接頭相對轉角位置的連續調整［10］，PLC控制程序如圖10所示。圓接頭偏轉為絕對位置控制，開機后必須回零，通過觸摸屏的“回零按鈕”完成位置控制子程序AXIS0＿RSEEK子程序的調用，在之前的運動軸組態時已經指定了參考點開關地址和零點搜索模式。回零成功后，才能調用AXIS0＿GOTO位置控制子程序完成相對轉角位置調整，觸摸屏上設定的“兩端圓接頭相對轉角”參數用于虛參“Pos”的輸入，“Mode＝0”表示絕對位置控制。

4結束語

實際運行結果表明：自動壓裝機每小時能完成900件汽車進油管的壓裝，工作效率高；能適應480mm～600mm之間不同的管料長度，兩端圓接頭相對轉角位置0～90°連續可調。更換模具后，調整氣源壓力，調整壓裝力能適應不同管徑的管料，具有一定的柔性；一個工人能同時照看3～4臺機器，節約人力成本，在相關制造類企業具有一定的推廣價值。

作者:朱俊 朱良峰 單位:常州信息職業技術學院智能裝備學院 常州騰龍汽車零部件股份有限公司