傾斜缸成套裝備的設計及其應用研究*

朱征東,胡慧利

(1.浙江華昌液壓機械有限公司,浙江 杭州 311305;2.杭州市質量技術監督檢測院,浙江 杭州 311305)

0 引 言

隨著工程機械行業的快速發展,液壓油缸作為工程機械的關鍵核心部件,其市場需求量日益增長、產品質量安全問題也愈發突出,而油缸的裝配工藝是直接影響油缸產品質量及壽命的關鍵因素[1]。目前,國內油缸裝配主要采用傳統手工裝配方式,嚴重依賴裝配人員操作經驗,不可避免地存在裝配效率低、裝配質量不穩定、產品質量一致性差等問題[2,3]。

傾斜缸是一種叉車專用配套油缸,作為叉車的重要傳動部件,其裝配質量直接影響叉車整機性能。傾斜缸目前也普遍采用手工裝配方式,據統計,傾斜缸導向套及活塞等零部件的密封工藝是手工裝配過程中最容易發生質量問題的關鍵工序[4,5]。

針對液壓油缸密封問題,國內外眾多學者開展了多方面研究工作。杜曉瓊等[6]利用ANSYS軟件研究了O形圈密封結構在不同油壓和壓縮率作用下的應力分布及接觸壓力分布,該研究結果對密封圈的安裝具有指導意義。馮世澤等[7]對液壓缸防塵圈密封性能進行了有限元分析及試驗研究,該研究結果對后續油缸設計過程中的防塵圈選型設計具有指導意義。但是,目前行業內仍然普遍存在傾斜缸手工裝配導致密封故障頻發的技術難題。

為此,本文針對傾斜缸手工裝配造成的裝配質量穩定性差、效率低的問題,以設計開發一種全自動傾斜缸成套裝備為目標,對其工藝及結構方案、FMEA失效模式、控制系統等依次開展研究。

1 傾斜缸裝配結構分析

傾斜缸主要由缸筒、活塞桿、活塞組件、導向套組件及耳環組件組成[8,9]。常規傾斜缸的導向套組件裝配圖如圖1所示。

圖1 傾斜缸導向套組件裝配圖8—防塵圈;9—導向套;10—軸卡;11—隔套;12—U型圈;13—鋼絲擋圈;14—斯特封;15—復合襯套;16—O型圈

常規傾斜缸的活塞組件裝配圖如圖2所示。

圖2 傾斜缸活塞組件裝配圖19—O型圈;20—U型圈;21—擋圈;22—支承環;23—活塞

由圖(1,2)可知,導向套組件及活塞組件包含的密封件數量多、密封結構復雜,傳統手工裝配模式難以保證裝配質量,從而導致傾斜缸產品存在漏油或保壓時間不足等質量隱患。

2 傾斜缸成套裝備整體工藝及結構方案

為實現傾斜缸全自動化裝配,本文首先研究并完成了傾斜缸成套裝備整體工藝方案設計,所設計的傾斜缸成套裝備整體工藝方案圖如圖3所示。

圖3 傾斜缸成套裝備整體工藝方案圖

由圖3可知：該工藝方案首先是采用人工模式實現上料并預裝活塞,然后將活塞組件預壓入缸筒,再依次自動組裝鋼絲擋圈、隔套、軸卡,最后是人工裝配耳環并下料。

在完成工藝方案設計的基礎上,本文研究并完成了傾斜缸成套裝備整體結構方案設計,所設計的傾斜缸成套裝備整體結構方案圖如圖4所示。

圖4 傾斜缸成套裝備整體結構方案圖

由圖4可知:該結構主要由機架、鏈板線、壓入工站、鋼絲擋圈工站、隔套工站、軸卡工站組成。

其中：鏈板線用于實現零件自動化流轉;壓入工站用于實現活塞組件預壓入缸筒;鋼絲擋圈工站用于實現鋼絲擋圈零件自動化裝配;隔套工站用于實現隔套零件自動化裝配;軸卡工站用于實現隔套零件自動化裝配。

該成套裝備可實現傾斜缸裝配工藝中鋼絲擋圈13、隔套11及軸卡10等零配件的全自動化上料及裝配,同時可有效解決傾斜缸裝配時,導向套組件(圖2)O型圈16容易破損失效的技術難題。

3 傾斜缸成套裝備FMEA失效模式分析

失效模式與效果分析(FMEA)是在設計和制造產品時一種重要的可靠性設計方法,也可為制造過程確定關鍵工序提供理論依據[10]。FMEA首先將產品從功能模塊開始梳理,列舉其潛在失效模式、潛在失效后果,然后分析其失效的潛在起因或機理,評價其嚴重度、發生頻度及探測度,并在過程中考慮如何預防,同時制定相應對策。

在已有的文獻中,曹召鋒等[11]基于FMEA對調距槳液壓系統進行了可靠性分析,找出了導致調距油路失效的所有故障模式、故障原因及故障模式影響,并給出了具體的使用補償措施,以提高系統的可靠性;程五四等[12]采用了結構化分析設計技術(SADT)和故障模式及影響分析(FMEA)方法,對液壓舉升系統進行了可靠性評估。

筆者采用FMEA工具中的PFMEA(過程失效模式及后果分析),對導向套組件和活塞組件的裝配工序開展可靠性分析評估,以期確定對傾斜缸產品質量影響最嚴重的關鍵工序。

傾斜缸人工裝配時,其密封不可靠性的傾斜缸裝配PFMEA分析簡表如表1所示。

表1 傾斜缸裝配PFMEA分析簡表

由表1可知:傾斜缸裝配時導向套組件的故障率最高,其O型圈在人工裝配時很容易被切壞;而活塞組件密封損壞情況難以探測,因此,需設計開發專用的檢測裝置[13]。

在設計FMEA時要兼顧各個方面,從人、機、料、法、環、測等角度出發,重點關注來料異常、設備穩定性、電氣元器件工作異常及人為因素,并在安全的前提下考慮易用性。為此,本文進一步采用FMEA工具中的DFMEA(設計失效模式及后果分析),來確認傾斜缸成套裝備在實現全自動裝配時,各功能/模塊的潛在失效模式及潛在失效后果,并針對性研究設計預防措施。

傾斜缸成套裝備DFMEA分析簡表如表2所示。

表2 傾斜缸成套裝備DFMEA分析簡表

由表2可知：活塞壓入動作平穩功能模塊的風險序數最高,在傾斜缸成套裝備設計開發時需尤其注意;其次鋼絲擋圈壓入動作流暢、隔套裝配正常、軸卡工位正常等功能模塊的風險序數也較高,也需重點關注。

FMEA評價準則簡表如表3所示(作為表1、表2中的嚴重度、頻度及探測度評分依據,三者分值相乘所得積為風險序數)。

4 傾斜缸成套裝備控制系統開發

4.1 控制系統總體設計

本文設計的傾斜缸成套裝備控制系統總體方案圖如圖5所示。

圖5 控制系統總體方案圖

在圖5中：筆者設計的傾斜缸成套裝備控制系統總體方案,采用西門子S7系列PLC為控制核心,并采用觸摸屏作為人機交互設備,具有系統工作平穩、通用性強、可靠性高、抗干擾能力強等優點[14,15]。

該控制系統采用PROFINET網絡通訊方式,用于連接CPU和HMI,調試期間也可用于連接PC;同時,該控制系統采用硬點I/O,用于底層信號采集及信號輸出,以驅動各運動機構;運動系統也采用硬點I/O,使用脈沖模式,實現驅動器內部閉環控制。

4.2 控制系統硬件電路設計

本文設計的傾斜缸成套裝備控制系統硬件電路方案圖如圖6所示。

圖6 控制系統硬件電路方案圖

由圖6可知：筆者設計的傾斜缸成套裝備控制系統的供電電壓為380 V。其中,380 V用于給動力驅動系統供電,24 V用于給HMI及各輸入輸出信號供電。

設計的HMI采用網線通訊,24 V電源用于供電;設計的伺服系統分別采用380 V與220 V共同供電;信號系統采用24 V電源供電,并在信號系統與CPU之間采用端子轉接,以方便拆裝。

4.3 B2伺服控制子系統設計

本文設計的傾斜缸成套裝備伺服控制子系統的控制流程圖如圖7所示。

圖7 伺服控制子系統控制流程圖

由圖7可知：該運動系統采用B2伺服系統脈沖版本,線體運營方式為位置模式。首先CPU發出位置命令,經內部計算轉換為合適的脈沖量發送給驅動器,經驅動器轉換后驅動電機旋轉,電機編碼器采集并輸送反饋信號給驅動器,構成高精度閉環伺服控制子系統。

為了達到更精確的控制效果,筆者將脈沖信號先經過位置命令處理單元做處理和修飾。該伺服控制子系統工作架構圖如圖8所示。

圖8 B2伺服控制子系統工作架構圖

其中,指令脈沖輸入比值設定為:

(1)

其中:指令脈沖輸入比值的設定是為了更加精準地控制伺服電機的運動,它由比例設定公式計算出合適數量;電子齒輪比的分子是電機需要的脈沖數,分子是驅動器接受到的脈沖數,經過計算得出合適的比例來精準控制電機。

指令脈沖輸入比值范圍為1/50

4.4 控制系統程序設計

傾斜缸成套裝備程序設計應突出安全、高效的特點。筆者設計的傾斜缸成套裝備工位1、工位2的控制程序流程圖,如圖9所示。

圖9 工位1、工位2的控制程序流程圖

設計的傾斜缸成套裝備工位3、工位4的控制程序流程圖,如圖10所示。

圖10 工位3、工位4的控制程序流程圖

由圖(9,10)可知:程序采用梯形圖步進方式,開始工作時,4個工作工位進入待命狀態,當產品進入工位1時,工位1傳感器檢測到產品,并開始執行工位1工作流程,當工位1工作流程結束之后,產品流轉至工位2,并按順序觸發各執行機構,直到循環結束,工位進入原始待命狀態等待下一個產品進入工位。

該程序流程原理為:各工位傳感器收到信號并開始工作,工位之中各執行機構都安裝有安全傳感器,執行機構的工作位到達信號會觸發下一工作步驟,如果在一定的時間內某個執行機構沒有檢測到到達信號,設備將會觸發報警信號,使設備處于暫停狀態,避免安全事故發生。

同時,工作時每一工作流程轉換之間都會有轉換判斷信號,以產品裝配工藝為主,各執行機構按順序工作,將會提升設備安全性,工作流程清晰、簡潔。

4.5 控制系統上位機軟件開發

設計的傾斜缸成套裝備控制系統上位機軟件操作界面如圖11所示。

圖11 上位機軟件操作界面

由圖11可知：該上位機軟件操作界面左邊部分為機器整體視圖和操作人員站位,右邊部分為操作按鈕,以啟動、暫停、報警復位為主。該上位機軟件操作界面設計簡潔,以便于操作人員控制操作、減少誤操作。

此外,該控制系統操作界面按鈕下部分為各細節操作按鈕,以應對不同情況發生,并為按鈕設置等級密碼,非專業人員對某些功能無使用權限,以提升控制系統安全性。

5 傾斜缸成套裝備應用

筆者將所開發的傾斜缸全自動化裝配成套設備應用于傾斜缸產品實際裝配生產現場,以驗證設計開發的成套裝備的實際工作性能。

筆者設計開發的傾斜缸全自動化裝配成套設備產品實物照片,如圖12所示。

圖12 傾斜缸全自動化裝配成套設備照片

截止目前,該成套設備已在傾斜缸產品實際裝配生產現場連續工作運行4個月無異常。

使用該自動化裝配成套設備前后的工作情況對比表,如表4所示。

表4 應用自動化成套設備前后對比表

由表4可知：用戶在應用該傾斜缸全自動化裝配成套設備后,傾斜缸裝配效率至少可提升30%,現場裝配工人數量至少可減少50%;且傾斜缸產品裝配質量一致性很好,裝配合格率高達95%以上。

6 結束語

本文設計開發了一種全自動的傾斜缸成套裝備,完成了常規傾斜缸裝配結構分析、傾斜缸成套裝備整體工藝及結構方案設計、傾斜缸成套裝備失效模式分析及傾斜缸成套裝備控制系統開發,并最終將筆者開發的全自動的傾斜缸成套裝備成功應用于實際裝配生產現場。

研究結果表明：

(1)開發的全自動的傾斜缸成套裝備切實解決了由人工裝配造成裝配質量差異大的問題,提高了裝配穩定性和效率;

(2)同時,在設備的設計開發過程中,采用DFMEA和PFMEA工具,提前分析了傾斜缸成套裝備使用過程中的異常問題;在設計過程中制定了專門對策,甚至加設了多重措施,從而規避了很多風險;

(3)該傾斜缸成套裝備可為今后其余種類油缸產品自動化裝配設備開發提供參考借鑒作用。

但是,由于該傾斜缸全自動化裝配成套設備使用的工裝通用性不強,無法適用于各種不同規格的傾斜缸產品,目前僅推薦用于批量大的產品型號。