汽車制動(dòng)主缸活塞部件擰緊機(jī)研制

田春林，李品，楊曉宇，雷林

(1. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022； 2. 長(zhǎng)春裕普機(jī)械設(shè)備有限公司 技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引言

目前，關(guān)于汽車制動(dòng)主缸活塞部件的裝配緊固，傳統(tǒng)氣動(dòng)扳手的擰緊方法依然被大量采用。針對(duì)氣動(dòng)扳手裝配活塞部件存在的操作性弊端[1]，本文所研制的活塞部件擰緊機(jī)通過(guò)固定工位的方式，在電控單元的控制下，使伺服擰緊電機(jī)搭配轉(zhuǎn)矩傳感器在氣缸的配合下進(jìn)行有效的工作，不僅穩(wěn)定了裝配過(guò)程中對(duì)活塞部件的擰緊力矩，同時(shí)還大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且通過(guò)電控單元可在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示擰緊力矩值以及被檢測(cè)的活塞部件半高尺寸測(cè)量值，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地區(qū)分出活塞部件裝配中的不合格品。由于所研制的活塞部件擰緊機(jī)有操作簡(jiǎn)易、功能豐富、工作效率高的特點(diǎn)，其具有廣泛的發(fā)展前景。

1 擰緊機(jī)系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)布局

1.1 擰緊機(jī)的技術(shù)要求

本文所研制的擰緊機(jī)設(shè)備主要用于柱塞式汽車制動(dòng)主缸第一活塞部件的裝配。工藝要求擰入活塞體內(nèi)的限位螺釘所受的擰緊力矩和裝配完畢后第一活塞總成的半高尺寸同時(shí)穩(wěn)定在合格范圍之內(nèi)。第一活塞總成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 第一活塞總成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 擰緊機(jī)的工作原理

本文研制的汽車制動(dòng)主缸活塞部件擰緊機(jī)設(shè)備系統(tǒng)主要由各種傳感器、電氣控制單元、活塞部件擰緊工位、半高尺寸復(fù)檢工位、盛具盤、不合格品箱、顯示以及警報(bào)單元等部分組成。

擰緊機(jī)電控單元通過(guò)分析處理各外圍模塊傳遞過(guò)來(lái)的電信號(hào)，在已經(jīng)編輯設(shè)定好的邏輯控制方法控制下，對(duì)設(shè)備各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的運(yùn)行指令，實(shí)現(xiàn)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有效操作配合，正確、高效地對(duì)第一活塞部件進(jìn)行裝配及其半高尺寸的檢測(cè)。圖2為擰緊機(jī)系統(tǒng)原理框圖。

圖2 擰緊機(jī)系統(tǒng)原理框圖

1.3 擰緊機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局

活塞部件擰緊工位采用伺服電機(jī)搭配不同規(guī)格的批頭施擰活塞限位螺釘，在左工位一側(cè)裝有一個(gè)筆形氣缸，其伸出端連接在工件安裝移動(dòng)板上，并搭配精密調(diào)壓閥，使工件定位組件停止在任意位置，起到平衡器的作用。半高尺寸復(fù)檢工位裝有直線球軸承式位移傳感器，在上部氣缸的作用下下壓第一活塞總成件，進(jìn)而得出第一活塞總成的半高尺寸。另外還為設(shè)備設(shè)置了“儲(chǔ)錢罐式”的不合格品箱，不合格品需投入不合格品箱后，設(shè)備方可繼續(xù)動(dòng)作。同時(shí)在操作者便于觀察的位置設(shè)置工藝掛架及控制面板，面板設(shè)置電源、照明開(kāi)關(guān)，通過(guò)操作旋鈕可對(duì)部分檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行選擇。擰緊機(jī)實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 汽車制動(dòng)主缸活塞部件 擰緊機(jī)

2 擰緊工位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

操作人員在左工位將限位螺釘、彈簧限位座、活塞彈簧施擰進(jìn)第一活塞一定深度的部分被稱為活塞部件擰緊裝配操作機(jī)構(gòu)。本文研制的擰緊機(jī)系統(tǒng)活塞部件裝配擰緊單元采用固定工位的形式，使上部預(yù)壓氣缸配合下部伺服擰緊電機(jī)自下而上對(duì)活塞部件進(jìn)行擰緊操作，擰緊過(guò)程簡(jiǎn)易可靠，且勞動(dòng)強(qiáng)度小。

該過(guò)程首先把磁環(huán)和磁環(huán)擋圈裝配到活塞上，其次將彈簧限位座、第一彈簧和限位螺釘組裝在一起，并把零件一起裝到擰緊機(jī)擰緊底座上，然后將配套好的第一活塞(裝好的磁環(huán)和磁環(huán)擋圈)、螺紋孔向下裝到擰緊機(jī)活塞定位塊上。接著拉動(dòng)下拉把手，在筆形氣缸的作用下，使工件定位組件懸停在合適的位置，此時(shí)活塞彈簧已進(jìn)入第一活塞體內(nèi)，避免了裝配過(guò)程中活塞與彈簧的剮蹭現(xiàn)象。最后按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)床下部伺服電機(jī)啟動(dòng)，螺釘開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，上部第一活塞在預(yù)壓氣缸帶動(dòng)下開(kāi)始下行，自動(dòng)將活塞部件限位螺釘擰緊到位。擰緊過(guò)程中轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)擰緊力矩是否滿足活塞部件擰緊力矩要求，側(cè)向位移傳感器同時(shí)檢測(cè)活塞部件擰緊尺寸是否合格。圖4為活塞部件擰緊工位結(jié)構(gòu)圖。

1—下拉把手；2—筆形氣缸；3—預(yù)壓氣缸；4—接觸式位移傳感器； 5—軸承定位座；6—聯(lián)軸器；7—轉(zhuǎn)矩傳感器；8—交流伺服電機(jī)； 9—第一活塞；10—活塞定位塊；11—磁環(huán)；12—限位螺釘； 13—活塞彈簧；14—彈簧限位座；15—定位底座。 圖4 活塞部件擰緊工位結(jié)構(gòu)圖

3 電氣控制單元

電氣控制單元硬件結(jié)構(gòu)主要是由可編程邏輯控制器(PLC)、模擬量轉(zhuǎn)化輸入電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、脈沖輸入電路、電機(jī)和氣壓驅(qū)動(dòng)電路、顯示及報(bào)警輸出電路等部分組成。擰緊機(jī)系統(tǒng)電氣控制單元硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 擰緊機(jī)系統(tǒng)電氣控制單元硬件結(jié)構(gòu)

本文研制的擰緊機(jī)電氣控制系統(tǒng)選用歐姆龍CP1H-XA小型PLC控制器，該型PLC指令運(yùn)行速度快，具有良好的抗干擾性、可靠性、靈敏性[2]。在預(yù)壓缸、復(fù)檢缸的原位及工作位采用的傳感器是一種非接觸式的霍爾元件傳感器，能準(zhǔn)確地檢測(cè)汽缸內(nèi)活塞的位置。左工位轉(zhuǎn)矩傳感器輸出與其所受轉(zhuǎn)矩成正比的5 kHz～15 kHz的頻率信號(hào)，然后通過(guò)F/V信號(hào)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化成(0±10)V的模擬量電信號(hào)傳送給PLC控制器進(jìn)行運(yùn)算處理[3]，將運(yùn)算出的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。左、右工位上均裝有分辨率為0.5 μm的接觸式位移傳感器，經(jīng)過(guò)放大器處理后輸出TTL標(biāo)準(zhǔn)差分信號(hào)，再由信號(hào)轉(zhuǎn)換隔離器將其轉(zhuǎn)換成單端推挽HTL脈沖信號(hào)[4]傳送給PLC控制器，經(jīng)過(guò)對(duì)其零點(diǎn)校準(zhǔn)后，可精確地得出每個(gè)活塞部件裝配完成后的半高尺寸值，并將其顯示在觸摸屏上。同時(shí)在操作臺(tái)邊緣設(shè)置光幕傳感器，當(dāng)人身欲進(jìn)入設(shè)備工作區(qū)時(shí)，光幕被遮擋，傳感器發(fā)出遮光信號(hào)給PLC控制器，使設(shè)備處于停止工作狀態(tài)。另外設(shè)備以雙按鈕形式進(jìn)行啟動(dòng)，可避免在啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，操作人員單手處于設(shè)備工作區(qū)而造成傷害。而且在操作者伸手可及處設(shè)置急停按鈕，急停按鈕功能實(shí)現(xiàn)設(shè)備中止檢測(cè)、快速?gòu)?fù)位。

在觸摸屏上預(yù)設(shè)好轉(zhuǎn)矩和半高尺寸的合格范圍后，對(duì)檢測(cè)到的不合格件，蜂鳴器被激活，報(bào)警紅燈閃亮，設(shè)備停止工作并復(fù)位。此時(shí)將不合格件投入廢料箱，廢料箱內(nèi)裝有廢料檢測(cè)傳感器，其感應(yīng)到不合格件后，設(shè)備方可繼續(xù)工作，可以有效避免不合格件進(jìn)入下一道工序。

4 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)擰緊機(jī)系統(tǒng)活塞部件裝配的科學(xué)性與可靠性，取20組編號(hào)1-20的第一活塞部件裝配樣品元件，進(jìn)行樣品裝配試驗(yàn)。裝配完成的活塞總成樣品按產(chǎn)品要求轉(zhuǎn)矩合格范圍為(5±0.25)N·m，半高尺寸合格范圍為(63.9±0.1)mm，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別繪制了活塞部件裝配過(guò)程轉(zhuǎn)矩值直方分布圖和活塞部件半高尺寸值直方分布圖，如圖6、圖7所示。

圖6 活塞部件裝配轉(zhuǎn)矩分布

圖7 活塞部件半高尺寸分布

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以看出樣品第一活塞部件的裝配轉(zhuǎn)矩及半高尺寸均符合對(duì)應(yīng)誤差要求，且90%的活塞試驗(yàn)樣品裝配轉(zhuǎn)矩誤差基本穩(wěn)定在±0.10N·m之內(nèi)，

95%的活塞試驗(yàn)樣品半高尺寸誤差基本穩(wěn)定在±0.03mm之內(nèi)。由此可以看出，本文所研制的活塞擰緊機(jī)在對(duì)第一活塞部件進(jìn)行擰緊裝配的過(guò)程中，擰緊轉(zhuǎn)矩和活塞部件半高尺寸均可達(dá)到較好的預(yù)期效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研制的活塞部件擰緊機(jī)系統(tǒng)可以看成由活塞部件裝配擰緊和活塞部件半高尺寸復(fù)檢兩大功能單元組成，不僅可以有效避免活塞部件裝配過(guò)程中活塞與彈簧的剮蹭問(wèn)題，還可以通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)擰緊力矩的變化和被裝配活塞半高尺寸值，及時(shí)地區(qū)分出活塞部件裝配不合格品，操作簡(jiǎn)單，性能可靠，符合當(dāng)下企業(yè)及工人對(duì)汽車制動(dòng)主缸活塞部件擰緊裝配工作的要求。