汽車發動機氣缸蓋閥座壓裝控制系統設計

袁家昕+王學俊

摘 要：在發動機汽缸蓋閥座壓裝過程中，壓頭的壓力值大小與壓頭所壓入的位移之間的關系是決定壓裝結果是否合格的重要因素，目前大多數國內的汽車發動機生產廠商受到技術與成本等因素的限制，在壓裝過程中依然采用無檢測系統的低精度壓裝機。論文在分析了汽車發動機氣缸蓋閥座壓裝控制系統工作原理的基礎上，以氣缸蓋閥座壓裝機為研究對象，開發一種基于STM32f103VET6芯片的控制裝置，通過對壓頭位移以及壓頭壓力值的實時監控，實現對壓裝過程進行監測、分析、處理，以達到壓裝過程的精確控制，提高企業的生產效率。

關鍵詞：氣缸蓋，閥座，壓裝機，stm32，伺服電機，人機界面

Design of Pressure Control System for Automotive Engine Cylinder Head Valve Seat

Yuan Jiaxin【1】 Wang Xuejun【2】

Dalian Polytechnic University【1】；National Engineering Research Center of Seafood【2】

Abstract：In cylinder head valve seat in the process of pressing， the pressure head pressure relationship between the displacement and the pressure head are pressed into the press is an important factor to determine whether the results of qualified manufacturers， at present most of the domestic automobile engine by technology and cost constraints， still low precision test system at in the process of pressing press. Based on the analysis of the automobile engine cylinder head valve seat pressure control system installed on the working principle of the cylinder head to seat pressing machine as the research object， the development of a control device based on STM32f103VET6 chip， through the real-time monitoring of the pressure head displacement and pressure head pressure， to achieve precise control of the process of pressing and monitoring analysis and processing to achieve the pressing process， improve the production efficiency of the enterprise.

Keywords： Cylinder head； Valve； Pressing machine；STM32； AC servo motor； Man-machine interface

1引言

壓裝機的工作過程，實際上就是實現閥座與閥座孔倆工件之間過盈連接的過程[1]。氣缸蓋通過傳送裝置到達指定壓裝工位，通過夾具將其夾緊，將閥座放入到指定的導向槽中，之后主控系統操縱伺服電機，由滾珠絲杠推動壓頭向下運動。當壓頭接觸到閥座時，壓裝過程開始，持續到閥座完全被壓入到氣缸蓋閥座孔內，壓頭上升，復位到原處，一次壓裝過程結束。由于在工作過程中，過盈配合會產生徑向壓力，導致兩工件產生形變，造成閥座壓偏或將缸蓋壓壞等情況。圖1為標準壓裝與不合格壓裝對比圖，圖1（a）所示當壓頭壓力達到最大值時，閥座的行進位移并沒有達到期待值，造成壓裝失敗。導致壓裝不合格的原因可能是由于閥座與閥座孔之間配合的過盈量過大，也可能是由于在壓裝過程中氣缸蓋由于未被完全夾緊導致氣缸蓋傾斜所引起。

由于在壓裝過程中壓頭的壓力值與位移是影響壓裝過程的重要依據，所以本設計主要通過在壓裝過程中，對壓頭壓力與壓頭位移的檢測與分析，判斷壓裝是否合格。壓頭壓力值通過一應變式壓力傳感器來進行實時采集，通過RS232串口通信方式反饋給主控制器，而壓頭所行進的位移則是通過主控制器讀取伺服電機剩余脈沖個數來實現。當壓頭壓力達到預期值，而伺服電機的剩余脈沖個數恰好為零時，表示此次壓裝成功，否則，系統會自動報警，提醒工作人員壓裝過程出現問題。

2硬件部分

本系統硬件部分主要由伺服交流電機、應變式壓力傳感器、主控制器以及液晶觸摸屏構成。其中，伺服交流電機主要負責驅動滾珠絲杠帶動壓頭對閥座進行壓裝[2]，并將壓裝過程中的剩余脈沖數通過RS232串口通信方式反饋給主控制器，應變式壓力傳感器主要負責對壓頭的壓力值進行實時監測，并將檢測到的壓頭壓力值通過RS232串口通信反饋給主控制器，主控制器通過對得到的壓頭壓力值以及壓頭所行進的位移進行分析[3]，判斷壓裝結果成功或失敗，液晶觸摸屏主要負責將設定的壓頭壓力值以及壓頭所行進的位移量輸入給主控制器，并在壓裝結束后將壓裝結果展示在屏幕上，提示工作人員壓裝成功或失敗。控制系統硬件組成框圖如圖2：

系統主控制器的核心是一塊STM32芯片，作為整個控制系統的心臟，STM32芯片主要負責將壓力傳感器得到的模擬信號進行A/D轉換以及對伺服電機的剩余脈沖進行計算得到壓頭所走位移，通過計算兩者之間關系，得到本次壓裝過程結果，并將運算后的結果通過RS232串口通信發送給各執行部件。系統動力原件選擇松下公司的Minas A4系列的全數字交流伺服系統[4][5]，主控制器通過伺服電機I/O口向電機發送脈沖，伺服電機通過滾珠絲杠帶動壓頭移動，對閥座進行精確壓裝。在壓力檢測方面，選擇KYOWA日本協和工業的壓力應變式傳感器，型號為LCX-A-20KN-ID，主要負責對在壓裝過程中壓頭壓力進行檢測，并將檢測到的壓力模擬信號通過RS232串口通信發送給主控芯片進行A/D轉換[6]。在人機交互部分，選擇北京迪文公司的DGUS觸摸屏，型號為DMT80600T080 -18WT。人機交互界面主要負責輸入壓頭的壓力值與壓頭位移量，并將壓裝過程中壓力與位移關系反饋給工作人員。這一部分的設計直接決定了整個系統的交互性與操作便捷性。DGUS觸摸屏帶有自定義圖形數據庫，可根據用戶需要設計適應于不同場合的操作界面。

3軟件部分

本系統軟件部分主要包括交流伺服電機控制程序、壓力模擬信號采集程序、迪文液晶觸摸屏程序三部分[7]。壓裝過程開始后，通過液晶觸摸屏輸入壓頭壓力設定值和壓頭位移距離，控制器讀取參數，通過運算，轉換成伺服電機運行時的限制轉矩和所需脈沖量，伺服電機通過滾珠絲杠帶動壓頭向下運行，過程中，伺服系統采用位置控制模式，系統對過程中壓頭壓力以及壓頭位移進行實時監測，當壓頭壓力達到設定值時，若位移量也達到要求的數值，則表示壓裝過程成功，若當壓頭壓力達到設定值時，壓頭沒有運行到預期的位移量，則表示伺服電機已經達到設定的轉矩值，發生堵轉現象，壓裝失敗，系統會通過液晶屏進行報警。上述操作完成后，系統會對伺服電機脈沖數進行清零[8]。圖3為系統軟件流程圖：

通過觸摸屏輸入的參數需要通過控制器轉換成伺服電機運行時的轉矩以及脈沖量。對于轉矩，

其中：Tn為電機轉矩，N*m ；Pn為電機功率，W；n為額定轉速r/min.

其中：Ta 為驅動轉矩，N*m ；Fa 為壓頭壓力，N ；lD為滾珠絲杠導程，mm ；n1： 為絲杠傳動的效率，取95%。為了確保能夠將閥座完全壓入閥座孔中， Tn略大于Ta ，但為防止壓裝過程中因壓力過大壓壞工件，Tn不易過大，即Tn=ηTa（η=1～1.05）。

對于脈沖數，通過實驗與計算得出，

N=

其中L為壓頭位移，mm；f為伺服電機轉一圈所需脈沖數；l為滾珠絲杠的導程。

在壓力信號采集方面，壓力傳感器將采集到的模擬信號通過RS232串口通信方式傳輸給控制器進行A/D轉換。STM32采用A/D連續轉換模式，當上一次ADC轉換結束立刻開啟下一次轉換，此模式有兩種啟動方式，外部觸發以及對ADC_CR2寄存器上的ADON位進行設置，來實現對A/D轉換的啟動。每一個轉換實現后，若是轉換了一個規則通道，則 16位ADC_DR寄存器對轉換數據進行儲存，EOC（轉換結束）被標記，若是設置了EOCIE，則會中斷；若是轉換了一個注入通道，則 16位ADC_DRJ1寄存器對轉換數據進行儲存，JEOC（注入轉換結束）被標記，如果設置了JEOCIE位，則會中斷。

觸摸屏與主控制器同樣使用RS232進行串口通信。在界面設計中，通過DGUS配置軟件V3.4對觸摸屏界面進行個性化設計，按照屬性要求將數據輸入到觸控按鈕屬性設置后，即可實現對壓頭壓力以及壓頭位移量的輸入功能。通過對Y_Central：曲線中心軸位置；VD_Central：中心軸對應的曲線數據值；橫軸間隔：x軸間隔；等參數進行設置來確定曲線外觀[9]。圖4為系統工作時液晶屏顯示的壓頭壓力與壓頭位移曲線關系。

4 結論

由于汽車行業在世界范圍內的不斷普及與發展，汽車生產線的自動化程度也需要相應的提高，其智能化控制系統的研制與開發等方面還處于萌芽狀態。汽車的龐大需求量為汽車發動機氣缸蓋閥座壓裝機提供了良好的契機。本設計根據被控對象的特點，開發了汽車壓裝控制系統，實現對壓裝信號監測、分析、處理以達到壓裝過程的精確控制，提高了企業的生產效率和壓裝精度。

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