汽車轉向管柱空載力矩及間隙在線檢測設備的研制

林明安

（廣州市嘉特斯機電制造有限公司，廣東廣州510850）

0 引言

汽車產業是我國21世紀的重要經濟支柱產業之一。汽車轉向管柱作為駕駛員操控汽車的重要部件之一，其安全性和可靠性顯得尤為重要。在汽車行駛過程中，任何來自轉向管柱的異響、卡滯和回正感都會給駕駛員造成很大的心理壓力，影響行車安全。為此，研制了汽車轉向管柱的在線檢測設備，該設備可同時實現汽車轉向管柱的空載力矩（即摩擦力）以及蝸輪蝸桿嚙合間隙的測量，并判斷測量值是否在允許范圍內，保證了轉向管柱在裝入汽車前的質量。

在轉向管柱發展初期，其空載力矩（即摩擦力）及蝸輪蝸桿嚙合間隙是依靠人工轉動、人工感覺松緊度來檢測是否合格的，該方法效率低并且容易出錯，對人工感覺要求高，人工檢測勞動強度大，無法進行批量生產。針對這個問題，在線檢測設備采用了自動檢測、自動分析判斷方法，并且把檢測、計算后的結果數據自動上傳到可追溯數據管理系統。

1 設備結構組成

設備采用單工位自動檢測，由機架機構、前后左右十字滑臺機構、上夾緊機構、力矩檢測機構、間隙檢測機構、上下運動機構、夾具機構、操作箱、電氣控制柜、工控電腦、顯示器、氣動系統等組成。

（1）機架機構：采用板材焊接而成，受力強，防護欄采用40×40鋁型材組裝，外裝有機玻璃，起到防護作用；配置安全光柵，可保護人身安全；啟動按鈕位于右邊，采用拔桿開關，外加保護盒，可防止人為不小心碰觸開關而啟動設備，急停按鈕位于左邊。

（2）前后左右十字滑臺機構：左右滑臺是用于力矩檢測與間隙檢測的切換，利用伺服電機帶絲桿方式控制位置；前后滑臺是用于力矩檢測與間隙檢測時套入到轉向管柱輸出軸，利用氣缸帶機械限位控制位置。

（3）上夾緊機構：間隙檢測時，三爪氣動卡盤夾緊轉向管柱輸出軸，確保輸出軸固定不動。

（4）力矩檢測機構：套筒套入到轉向管柱輸出軸，伺服電機帶動轉向管柱轉動，扭矩傳感器輸出力矩數值，從而轉化出空載力矩。

（5）間隙檢測機構：氣動回轉卡盤夾緊蝸桿端，伺服電機帶動蝸桿轉動，扭矩傳感器輸出力矩數值，角度編碼器輸出角度，從而經過軟件處理得出間隙值（即角度值）。

（6）上下運動機構：間隙檢測時氣動回轉卡盤夾緊塊套入到蝸桿，利用伺服電機帶絲桿方式上下運動控制位置。

（7）夾具機構：轉向管柱殼體電機定位在下方，圓周定位，外筒橫置在V形塊上定位，旋轉氣缸帶動夾緊塊夾緊轉向管柱殼體上方。

（8）操作箱：配置觸摸屏，所有動作操作在觸摸屏上實現，電源開關及復位、急停開關集中在此。可手動操作及自動操作，手動操作主要是維修及出現異常狀態時使用。配置三色燈，利用三色燈來指示可運行狀態：當準備就緒，處于可啟動狀態時綠燈閃爍；當運行時綠燈亮；當等待時黃燈亮；當設備故障或零件NG時紅燈亮，并伴有聲音報警。

（9）電氣控制柜：配置三菱PLC（可編程序控器）、運動板卡、數據采集板卡、伺服器、繼電器、空氣開關、冷卻空調等。

（10）工控電腦、顯示器：臺灣研華工控電腦，CPU處理器Intel D525 1.8 GHz，內存4G DDR3，硬盤2.5″SATA HDD 1T，配備光驅、USB接口、網卡、殺毒軟件、Win7系統；17″DELL顯示器。用于電腦軟件的運行和數據上傳到數據管理系統的處理，保證數據的可追溯性。

（11）氣動系統：由SMC氣缸、三位五通電磁閥、氣動匯流板、氣管及接頭等組成，主要用于控制設備的動作。由PLC及電腦軟件通過氣缸的磁性開關的信號、電磁閥的切換控制整個設備的工作有序進行。

2 工作原理

檢測轉向管柱的軸承的松緊度及有無卡滯，判定力矩是否在要求范圍內，是否滿足產品的使用性能。蝸輪蝸桿裝入殼體后，檢測蝸輪與蝸桿嚙合的齒側間隙，判定間隙是否在要求范圍內，是否滿足產品的使用性能。設備動作完成后，判斷的曲線圖和計算結果采用VB語言自主編寫的工程軟件來完成，并且數據結果上傳到可追溯數據管理系統。

（1）空載力矩檢測工作原理：套筒自動套入輸出軸端，蝸桿端不加載，伺服電動旋轉輸出軸，扭矩傳感器輸出電壓值，經過傳感器的放大器進行數值轉換，轉換成力矩值，再傳送到電腦端，伺服電機的編碼器的數值傳送到電腦端后轉換成角度值。電腦軟件以扭力為縱坐標，以角度為橫坐標采集數據，描繪曲線。利用電腦軟件，通過數據處理計算后得出正轉力矩平均值、反轉力矩平均值、正轉波動值、反轉波動值，然后以此四個值作為力矩的判斷標準，四個值在設定范圍內，軟件自動計算得出OK值，否則得出NG值并聲光報警。

（2）間隙檢測工作原理：將轉向管柱放在夾具上，三爪氣動卡盤抱緊輸出軸，固定不動，蝸桿端的氣動回轉卡盤從下方抱緊蝸桿上的蝸桿聯軸器外圓，伺服電機驅動蝸桿軸旋轉，轉到規定扭力0.15 N·m，編碼器先記錄一個方向，用于規定力矩編碼器行走的角度，然后再記錄規定力矩編碼器反方向所走的角度，電腦軟件以縱坐標為扭力，橫坐標為角度采集這一點編碼器的角度，描繪出曲線，取出圖形上扭矩0.06 N·m點上的角度值。然后三爪氣動卡盤松開輸出軸，伺服電機驅動蝸桿軸旋轉60°，再重復間隙檢測的動作，電腦軟件采集數據并描線曲線，共檢測蝸輪端的平均圓周的6點。總間隙角度值X=正角度的絕對值X1+反角度的絕對值X2。6點的總間隙角度值都滿足設定范圍內的數值要求，則視為此轉向管柱合格并且得出OK值，否則得出NG值并聲光報警。

（3）設備所有動作完成后，軟件自動描繪的曲線及計算的結果通過IP協議網絡系統自動上傳到數據管理系統。

3 工作流程

轉向管柱裝入到設備后，自動啟動設備，進行一系列的動作并用軟件采集數據，自動計算結果進行判定。工作流程如圖1所示。

4 結語

圖1 工作流程

使用該設備的汽車轉向管柱零部件企業表明，此轉向管柱空載力矩及間隙檢測在線檢測設備極大地保證了產品的合格率，提高了汽車行駛的安全性，為汽車轉向管柱零部件企業后續的產品開發提供了重要的數據支持，同時減少了零部件企業的售后成本，提高了生產效率，從而提高了經濟效益。該檢測設備集合了機械、電氣、工業軟件、網絡一體化功能，是實現工業4.0的智能化及自動化的典型例子。

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