自動化在線清潔擺桿鏈測試部位的系統(tǒng)的研究

吳愷聞

（上海大學(xué)　機(jī)電工程及自動化學(xué)院，上海 200444）

?

自動化在線清潔擺桿鏈測試部位的系統(tǒng)的研究

吳愷聞

（上海大學(xué)機(jī)電工程及自動化學(xué)院，上海 200444）

摘 要：油漆車間擺桿鏈測試精度要求0.1mm，鏈節(jié)上沉積的磷化物等的干擾為2mm～3mm。介紹了排除沉積物干擾的清潔系統(tǒng)的研究工作。設(shè)計并實現(xiàn)了長期在線自動化功能的實現(xiàn)方法。分析細(xì)長懸臂梁受橫向沖擊力的情況，得解析式。解析式的求解過程中運(yùn)用相對性原理克服了積分常數(shù)無法確定的難題。電路方面介紹了克服噪聲干擾的措施?？刂瞥绦蚍矫娼榻B了在狹小空間中交流電機(jī)啟停止干擾的克服方法。3個月現(xiàn)場運(yùn)行表明本系統(tǒng)工作穩(wěn)定，清潔效果達(dá)到精度要求。

關(guān)鍵詞：擺桿鏈；清潔系統(tǒng)；彈性懸臂梁；抗干擾

0　引言

汽車廠油漆車間的預(yù)處理鏈和電泳鏈?zhǔn)顷P(guān)系到汽車油漆質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，相關(guān)的研究工作曾有報道［1， 2］。

有關(guān)設(shè)備管理方面的論述也有報道［3］。對重要設(shè)備進(jìn)行測量以獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)，是設(shè)備管理的基礎(chǔ)，預(yù)處理鏈和電泳鏈就是這樣的測試對象。通過行業(yè)查詢和現(xiàn)場調(diào)研得知，預(yù)處理線和電泳線采用的輸送方式多半為推桿鏈［4］、擺桿鏈［5］和RODIP［6］。擺桿鏈因其調(diào)速范圍寬、裝掛方式靈活、出入槽角度大等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛應(yīng)用。擺桿鏈中左鏈與右鏈的同步性、鏈節(jié)與驅(qū)動輪的嚙合性是這種類型傳動鏈安全性與可靠性的關(guān)鍵。對鏈節(jié)節(jié)距實施在線自動測試是確保擺桿鏈同步性、嚙合性的關(guān)鍵基礎(chǔ)工作。在現(xiàn)場調(diào)研中得知，擺桿鏈的測試精度要求為0.1mm，而測試準(zhǔn)確性受鏈節(jié)表面磷化物（預(yù)處理鏈）、油污（電泳鏈）的影響為2mm～3mm的數(shù)量級。因此，測試前對測試部位進(jìn)行自動化在線的清潔，成了精確測量鏈節(jié)節(jié)距的關(guān)鍵。

為此而專門研制了在線自動清潔系統(tǒng)。該系統(tǒng)中需要用細(xì)長懸臂梁的部分柔性特點(diǎn)。有關(guān)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件柔性方面的研究曾見諸報道［7］，由于研究對象差別很大而無法直接應(yīng)用，只得專門進(jìn)行定量分析與研究。

本系統(tǒng)自動化的關(guān)鍵在于總計時系統(tǒng)（如圖2所示），經(jīng)過調(diào)研，針對本項目沒有合適的現(xiàn)成產(chǎn)品或現(xiàn)成方法可用，只得進(jìn)行專門的研究工作。

圖1　左清潔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1　清潔系統(tǒng)描述

左鏈、右鏈各有一個清潔系統(tǒng)。兩者相仿，此處僅介紹左鏈的清潔系統(tǒng)。如圖1所示，清潔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的活動部分通過金屬底板固定在框架上，框架通過環(huán)抱的方式固定于鏈子軌道上。電機(jī)完成清潔旋轉(zhuǎn)的主運(yùn)動，電機(jī)的伸縮通過氣缸完成。

在氣缸活塞伸出期間中的一段時間內(nèi)，輪刷和鏈節(jié)之間保持垂直方向上的相對靜止，該相對靜止過程與清潔效果直接有關(guān)，這種相對靜止是通過金屬板和滑軌之間的鉸鏈結(jié)構(gòu)，通過重力，并通過鏈節(jié)對清潔系統(tǒng)中的活動部分提供的提升力三者之間的配合而實現(xiàn)的。相對靜止時間的長度與清潔效果成正相關(guān)性關(guān)系，據(jù)此，將相對靜止時間長度設(shè)計成可調(diào)節(jié)，從而確保了清潔的效果。

氣缸活塞伸出后，鏈節(jié)以100mm/s垂直向上的速度將垂直方向處于靜止的輪刷向上提升，從力學(xué)角度分析，等效于施加了一個向上的沖擊力。為了保護(hù)清潔系統(tǒng)在長期的運(yùn)行中免受沖擊力的影響，也為了保護(hù)輪刷，設(shè)計了兩根細(xì)長的護(hù)桿，具備彈性懸臂梁的特點(diǎn)。

圖2　左清潔系統(tǒng)電路框圖

左清潔系統(tǒng)的電路框圖如圖2所示，圖中還將工作相關(guān)的其他兩個系統(tǒng)也繪制在內(nèi)（灰色）。整個大系統(tǒng)受一個總計時系統(tǒng)的指揮，定時時間到，全部從休眠狀態(tài)蘇醒過來。

蘇醒后，各系統(tǒng)的啟動、停機(jī)受控于霍爾傳感器與安裝在鏈子上的磁鋼之間的感應(yīng)信號。

第一次感應(yīng)觸發(fā)啟動，控制模塊通過繼電器1開始驅(qū)動電機(jī)，同時氣缸活塞開始隨著鏈節(jié)的運(yùn)行而嚴(yán)格同步地伸縮。氣缸活塞伸出的控制信號是通過清潔系統(tǒng)與測試系統(tǒng)之間的通信、以及左鏈、右鏈清潔系統(tǒng)之間的通信而獲得，以保持整個大系統(tǒng)的各個分系統(tǒng)之間的步調(diào)一致。該信號由控制模塊捕獲并通過繼電器2驅(qū)動氣路電磁閥，從而實現(xiàn)氣缸活塞的伸出。氣缸活塞的收縮控制信號由清潔系統(tǒng)的本地計時模塊提供，該計時長度設(shè)計成具有可調(diào)的特點(diǎn)，從而確保了清潔的效果。

霍爾傳感器與磁鋼之間的第二次感應(yīng)觸發(fā)停機(jī)，控制模塊立即停止電機(jī)與氣路電磁閥的工作，隨后各系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。按照這樣的控制機(jī)理，可以確保了每次清潔過程恰好是完整的一周，不多一節(jié)，也不少一節(jié)，避免了部分鏈節(jié)重復(fù)清潔或者遺漏清潔，而這種遺漏或重復(fù)在長期運(yùn)行中會形成測試誤差的累積效果。

2　總計時系統(tǒng)

由于總計時系統(tǒng)是清潔系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵所在，在硬件上把它設(shè)計成控制系統(tǒng)內(nèi)的一部分，在功能劃分上設(shè)計成獨(dú)立的功能系統(tǒng)，這樣有利于避免外購的外置計時系統(tǒng)可能存在的內(nèi)部缺陷、硬件通信信道上的可能失配等的風(fēng)險，從而最大限度地確保其工作的穩(wěn)定性。

該計時系統(tǒng)的時鐘源采用高精度的晶體振蕩器（32.768kHz），年誤差不超過30秒。用控制模塊中的T1分模塊實現(xiàn)秒脈沖信號，具體采用該分模塊的外觸發(fā)異步計數(shù)的工作模式。由此，可以獲得長期走時精確運(yùn)行穩(wěn)定的秒時鐘源。具體計算如下：

（1/32768Hz） ×256×128 =1也就是說，讓T1分模塊的預(yù)分頻和后分頻都設(shè)為1，將TMR1L和TMR1H都清零后開始計時，一旦TMR1H的最高位bit7=1，就代表1秒鐘。此時TMR1L由于ROLLOVER的效果，不需要外界介入，只需將TMR1H清靈并送出秒鐘脈沖即可。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研得知，現(xiàn)場工作一般以“周”為工作計劃安排的基本時間單位。各個工廠的測試周期要求也有差別，有些為企業(yè)以4周為一個測試周期，另一些以13周為一個周期，還有個別以26周為一個周期。部分以“天”為基本時間單位，如30天，60天，90天等。

對于本系統(tǒng)的研發(fā)過程而言，需要以“分”、“時”作為基本時間單位。

由此可見，要求周期是可調(diào)節(jié)的，并且調(diào)節(jié)的過程方便、可靠。據(jù)此，確定以PC機(jī)下載周期的方式。

在研發(fā)過程中，提供四個文本框供輸入清潔周期中的“周”、“天”、“時”、“分”。變量分別用Cwek、Cday、Chor、Cmin。當(dāng)清潔系統(tǒng)完成研制提供給用戶時，“時”和“分”的文本框設(shè)為不可見。

同時，用五個變量寄存器Sec、Min、Hor、Day、Wek來表示計時過程中的秒、分、時、天、周，具體如下：

Sec預(yù)置196，遞增后進(jìn)位給Min，且自身預(yù)置196；Min預(yù)置196，遞增后進(jìn)位Hor，且自身預(yù)置196；Hor預(yù)置232，遞增后進(jìn)位Day，且自身預(yù)置232；Day預(yù)置249，遞增后進(jìn)位Wek，且自身預(yù)置249；Wek預(yù)置0，無進(jìn)位，僅溢出，溢出時自身預(yù)置0。舉例說明如下：周期為4周。

用戶在“周”的文本框內(nèi)輸入4，PC程序自動轉(zhuǎn)換如下：

Csec等五個變量由PC下載給總計時系統(tǒng)后，寫入EEPROM內(nèi)，并讀入RAM。

總計時系統(tǒng)向min進(jìn)位時作如下判斷：Min⊕Cmin=0 & Hor⊕Chor=0 & Wek⊕Cwek=0 （1）如果式（1）判斷的結(jié)果為真，就發(fā)出清潔計時到點(diǎn)的脈沖信號，讓各分系統(tǒng)全部從睡眠中醒來，做好清潔的準(zhǔn)備工作。同時讓Sec、Min、Hor、Day、Wek全部恢復(fù)預(yù)置值。由此，實現(xiàn)了長期自動化在線清潔的功能，最長限度為255周，即4年零325天。

為滿足長期運(yùn)行的要求，設(shè)計時增添了時鐘撥準(zhǔn)功能。

為了滿足有些場合下需要立刻開始清潔的要求，設(shè)計了“一鍵式”功能。

3　輪刷護(hù)桿作用和受力分析與計算

圖3　輪刷和護(hù)桿

如圖3所示，對測試點(diǎn)的清潔工作是通過電機(jī)帶動輪刷旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。當(dāng)氣缸活塞伸出后，垂直方向靜止的輪刷和以每秒100mm向上運(yùn)行的鏈節(jié)相互碰撞。如果按照這樣的方式長時間受沖擊力的作用，清潔系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)容易失去穩(wěn)定的工作狀態(tài)，同時輪刷的金屬刷毛將產(chǎn)生嚴(yán)重變形而導(dǎo)致清潔能力大幅下降。如圖3所示，用兩根護(hù)桿不但減緩清潔系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊力的作用，而且讓輪刷在垂直方向從靜止到每秒100mm的速度之間有一個合理的加速過程，由此可使清潔系統(tǒng)能長期穩(wěn)定工作。輪刷的刷毛末端低于護(hù)桿5mm，有此5mm，輪刷能有效地清潔鏈節(jié)測試部位，同時其刷毛不會產(chǎn)生嚴(yán)重變形。據(jù)此目的，經(jīng)過初步計算我們將護(hù)桿設(shè)計成直徑5mm長度153mm的不銹鋼桿。這樣的細(xì)桿受橫向碰撞，其安全性與穩(wěn)定性需要仔細(xì)校核，具體如下：

一般情況下我們認(rèn)為載荷是從零開始平緩增加的，以致在加載過程中加速度很小，可以不計。載荷加到最終值后也不再變化。即所謂靜載荷。

圖4　電機(jī)杠桿示意圖

但是在這個項目中，當(dāng)氣缸活塞收縮回去之后，清潔系統(tǒng)的整個活動部分在重力作用下繞鉸鏈軸向下擺動，直至落在緩沖器上（緩沖器位于滑軌下方，圖1中無法顯示）。當(dāng)氣缸活塞再次伸出后，以每秒100mm向上運(yùn)行的鏈節(jié)撞到護(hù)桿時具有相當(dāng)?shù)臎_量。

設(shè)FM為電機(jī)受到護(hù)桿的向上力。如圖4所示，A點(diǎn)角加速度α為（共有兩根護(hù)桿）：

其中：

護(hù)桿形變?yōu)椋?］：

設(shè)ω11為電機(jī)角速度，根據(jù)圖4進(jìn)行幾何分析與材料形變分析可知：

整理式（5），并對t求導(dǎo)，得：

將式（2）、式（4）代入式（6）：

整理得：

解式（8），得［9］：

對式（11）的討論：護(hù)桿給電機(jī)提供的向上力由兩部分組成，第一部分為振動部分，這體現(xiàn)了護(hù)桿的彈性/彈簧特征，這正是我們所希望的。有了彈簧特性，就可以保護(hù)電機(jī)等部件免受沖擊力，也可以避免輪刷被鏈節(jié)的突然接觸而損壞。上述受力分析中為簡化起見而略去了阻尼，而工程實踐中阻尼客觀存在，因此實際上振動部分的振幅呈遞減規(guī)律。

校核護(hù)桿的強(qiáng)度：通常情況下利用兩個特殊時間點(diǎn)的條件可確定式（11）中的積分C1、C2，據(jù)此計算出Fmax并進(jìn)行校核?，F(xiàn)在僅有一個條件可利用，不得不改變思路，即：利用相對性原理，考慮將相同結(jié)構(gòu)的電機(jī)、護(hù)桿等機(jī)構(gòu)，一端繞鉸鏈，另一端以V0的速度撞向鏈節(jié)，碰撞瞬間護(hù)桿處在水平位置。

k為剛度系數(shù)，由能量守恒得（共有兩護(hù)桿）：

解式（12）：

根據(jù)合理性分析，式（13）中舍去了減號。

根據(jù)k的定義，又根據(jù)?是形變最大值，有：

代入式（13）：

式（15）中的k沒有現(xiàn)成的表達(dá)式可用，必須專門推導(dǎo)，具體如下：

對于懸臂梁末端受到力F作用時的繞度為：

根據(jù)k的定義，并將式（16）代入：

式（17）為懸臂梁一端受集中力F，梁長為l的剛度系數(shù)通用表達(dá)式。

將式（17）代入式（15），常數(shù)代入：

校核強(qiáng)度如下［10］：

材料選為不銹鋼0Cr19Ni9N，其屈服強(qiáng)度為275Mpa［11］，因此，護(hù)桿的強(qiáng)度是足夠的。

對式（11）的進(jìn)一步討論：FM中的恒定部分為5.5N，由式（18）可得振蕩部分的幅值13.5-5.5=8N，占了一半還多，說明本設(shè)計中的護(hù)桿，其彈性保護(hù)作用是顯著的。

從現(xiàn)場3個月的實際運(yùn)行結(jié)果看：本部件未發(fā)生塑性形變，安全性是充分的。

4　電子線路

電子線路總體的方案與功能在第1部分已有介紹，不再贅述。此處將電子線路的一些細(xì)節(jié)方面的設(shè)計作一些介紹。

在電子線路上，我們首要考慮的是安全。因此我們在主板上以及在清潔系統(tǒng)的內(nèi)部走線上將低壓區(qū)與高壓區(qū)嚴(yán)格分離。為了防止萬一某種偶然因素導(dǎo)致氣缸活塞不能及時縮回，從而避免清潔系統(tǒng)被隆隆而過的擺桿鏈的鏈節(jié)拉扯而損毀，在滑軌繞鉸鏈擺動的極限位置上設(shè)置一個限位開關(guān)。一旦接近擺動的極限位置，限位開關(guān)上的彈性片被壓而關(guān)閉相應(yīng)的電路，導(dǎo)致氣路電磁閥向著讓活塞縮回這一確定的方向運(yùn)行，從而排除了事故的隱患。

圖5　差模放大電路

圖6　共模環(huán)形電感

其次是穩(wěn)定性。在車間現(xiàn)場，各種電磁干擾與背景噪聲很嚴(yán)重。如何提高清潔系統(tǒng)在車間現(xiàn)場的抗干擾能力，顯得尤其重要。為此，我們使用雙絞線實現(xiàn)測試主機(jī)與清潔系統(tǒng)之間的通信，以及擺桿鏈左鏈與右鏈兩個清潔系統(tǒng)之間的通信，以減弱干擾的作用。遠(yuǎn)程通信使用差模放大電路，進(jìn)一步提高抗干擾能力，如圖5所示。在一些特殊環(huán)節(jié)使用共模環(huán)形電感來抑制噪聲，如圖6所示。在一些關(guān)鍵集成電路塊上，正負(fù)電源之間添加去耦電容器，使其能長時間穩(wěn)定工作。

3個月運(yùn)行情況表明，上述安全措施與提高穩(wěn)定性的措施發(fā)揮了有效的作用，未曾發(fā)現(xiàn)有不安全的隱患存在，也未曾發(fā)現(xiàn)有失穩(wěn)的情況發(fā)生。

5　控制模塊中的程序

控制模塊中的程序由各功能塊組成，其中防抖動功能塊是我們反復(fù)調(diào)試反復(fù)修改，從而引起設(shè)計者與編程者最大注意的功能塊。

由于清潔系統(tǒng)的尺寸受現(xiàn)場空間條件的很大限制，交流電機(jī)與弱電線路不得不同處于一個狹小的空間內(nèi)。又由于一些非技術(shù)性約束因素的存在，客觀上無法采取最嚴(yán)密的硬件措施來排除電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾。

通過實踐觀察到，電機(jī)上電啟動或斷電停轉(zhuǎn)瞬間的干擾嚴(yán)重。起初我們對此沒有充分的準(zhǔn)備，因此，第一階段并未將程序防抖動功能考慮在內(nèi)。

第二階段在實驗室調(diào)試的過程中，發(fā)現(xiàn)了問題的存在，從而在程序中加入了防抖動的功能塊，使電機(jī)啟停干擾的問題得到了解決。

第三階段調(diào)試在工廠車間的現(xiàn)場進(jìn)行，固有電磁干擾和背景噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實驗室。對此，我們詳細(xì)計算了時間因素，在時間上允許的條件下，將監(jiān)測一次提升為輪詢監(jiān)測多次，同時將防抖動的屏蔽時間放長，由此，問題終于得到了解決。

具體的各階段防抖動的程序段如下：

在較長時間內(nèi)的考驗防抖動性能（現(xiàn)場3個月的實際運(yùn)行），未曾發(fā)生因電機(jī)啟停干擾而造成清潔系統(tǒng)運(yùn)行失穩(wěn)的問題。

6　結(jié)論

1）研制的擺桿鏈測試點(diǎn)清潔系統(tǒng)，經(jīng)過3個月車間現(xiàn)場的運(yùn)行，性能穩(wěn)定，清潔效果滿足測試精度0.1mm的要求。

2）結(jié)合工廠運(yùn)作的實踐，硬件上設(shè)計成控制系統(tǒng)內(nèi)含的而功能上設(shè)計成獨(dú)立的總計時系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了長期自動化在線清潔功能，且自動化清潔的周期調(diào)節(jié)方便、可靠。

3）提出了一種有效的計算方法，即：用相對性原理克服受力計算公式中積分常數(shù)無法確定的困難，并得到了良好的應(yīng)用。

4）在周期性沖擊力的場合下，提出了用細(xì)長懸臂梁作為沖擊力減緩器的方法，并推導(dǎo)獲得了這種減緩器應(yīng)力的一般計算公式。該式有兩部分：振動部分與恒力

【】【】部分。進(jìn)一步，選擇合適的直徑，可以調(diào)節(jié)振動幅值與恒定力值之比，以適應(yīng)各種場合之需。

5）通過推導(dǎo)，獲得了懸臂梁一端受集中力狀況下的剛度系數(shù)一般計算公式。

6）采用了克服車間現(xiàn)場中對電子線路干擾的一些有效措施。

7）提出了在空間狹窄的條件下，用軟件克服交流電機(jī)啟停過程產(chǎn)生干擾的措施，提供了具體的程序段，其有效性得到了實踐的驗證。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 高國琴，秦天，方志明.新型混聯(lián)式汽車電泳涂裝輸送機(jī)構(gòu)多模型控制研究［J］.制造業(yè)自動化，2015，37（6下）：38-44.

［2］ 劉水兵，李亞，李振亮.間斷式電泳涂裝工藝自動控制系統(tǒng)的研究［J］.制造業(yè)自動化，2015，37（6下）：130-133.

［3］ 于東海，王媛.生產(chǎn)車間設(shè)備維修成本預(yù)算研究［J］.機(jī)械設(shè)計與研究，2013，29（5）：42-44.

［4］ 楊海波.懸掛式推桿鏈輸送機(jī)吊具取電方式的改進(jìn)［J］.汽車工藝與材料，2009，6：32-33

［5］ 邱昌勝.擺桿輸送系統(tǒng)在涂裝生產(chǎn)線上的設(shè)計應(yīng)用［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2013，4：45-49.

［6］ 孫自松，許能才，李建國，萬德俊，申標(biāo). Rodip系統(tǒng)在涂裝電泳線上的應(yīng)用［J］.汽車工藝與材料，2013，8：61-64.

［7］ 葛緒坤，劉大維，朱龍龍.剛?cè)狁詈系淖孕镀嚺e升機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析［J］.機(jī)械設(shè)計與研究，2014，30（3）：45-47.

［8］ 單輝祖.材料力學(xué)（I）［M］.3版.北京：高等教育出版社，2009，2：205.

［9］ 上海大學(xué)數(shù)學(xué)系，高等數(shù)學(xué)（下冊）［M］.北京：高等教育出版社，2011，12：379.

［10］ 單輝祖.材料力學(xué)（II）［M］.3版.北京：高等教育出版社，2009，2：118-120.

［11］ 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計使用手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001，5：325.

Research on automatic on-line cleaning system for pendulum chains’ test

WU Kai-wen

中圖分類號：V249.122+.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0086-05

收稿日期：2015-11-18

作者簡介：吳愷聞（1992 -），男，上海人，本科，研究方向為機(jī)械工程與自動化。