無人加油機器人自動加油槍的設(shè)計

董志強

(哈工大機器人(中山)無人裝備與人工智能研究院，廣東 中山 528400)

0 引言

截止2021年6月，全國機動車保有量達(dá)3.84億輛，其中汽車2.92億輛，全國的加油站數(shù)量已經(jīng)超過10萬座，傳統(tǒng)的加油站以現(xiàn)金支付等線下方式為主，其交易時間長、效率很低、安全監(jiān)控程度不高，往往對潛在風(fēng)險不能實現(xiàn)智能預(yù)警，通過人工智能化轉(zhuǎn)型實現(xiàn)加油站的安全高效管理已成為油氣行業(yè)改革的必經(jīng)之路。智能無人加油技術(shù)在汽車加油過程中降低了加油站的人工和運營成本，提高了加油站的工作效率，在優(yōu)化用戶體驗的同時，提高了加油站的附加收益，更標(biāo)準(zhǔn)化的智能服務(wù)也能夠有效提高加油站的服務(wù)質(zhì)量。

目前市場上的加油槍多為手動操作或電控控制，而且每個油槍只能單獨加一種標(biāo)號的油，無法實現(xiàn)同一把油槍加不同標(biāo)號的油。電動控制的加油槍在加油過程中存在一定的安全隱患，采用氣動加油不僅能夠很好地完成加油動作，而且能夠保證加油過程的安全性。目前自動加油過程中大多采用一把油槍匹配一個機器人，這樣的設(shè)計造成產(chǎn)品成本增加。本產(chǎn)品設(shè)計可實現(xiàn)氣動控制加油槍自動加油，一把油槍可以輸出兩種型號的油，保證了加油過程的安全性，實現(xiàn)一個機器人可完成不同類型的加油服務(wù)，提升了加油效率，降低了產(chǎn)品成本。

1 自動加油槍設(shè)計思路

1.1 保留現(xiàn)有的感壓系統(tǒng)

在自動加油槍的設(shè)計過程中首先保留了現(xiàn)有的自封加油槍感壓系統(tǒng)，以提升產(chǎn)品設(shè)計效率，保證產(chǎn)品的可靠性，降低產(chǎn)品總體成本。目前自封加油槍具有一個與槍身融為一體且獨立密閉的感壓工作系統(tǒng)，現(xiàn)有的感壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成熟、操作可靠，加油槍可在0.3 s內(nèi)完成自封關(guān)閉動作。

1.2 能夠統(tǒng)計不同檔位加油誤差數(shù)據(jù)

目前手動油槍的加油分為快速、中速和慢速3個檔位，這三個檔位加油都有上下浮動的誤差，但誤差數(shù)值可忽略不計。加油站使用的加油機是利用流量計進(jìn)行油量測算的，其額定流量一般都在4.5 L/min～45 L/min，按照J(rèn)JG443-2015《燃油加油機檢定規(guī)程》的規(guī)定，正負(fù)0.3%之內(nèi)為符合要求。基于現(xiàn)有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，為了提升加油效率，自動加油槍在設(shè)計中采用最大檔位加油，以保證機器人加油時與人工最大檔位效果一致，同時滿足國家法規(guī)的規(guī)定。

1.3 滿足加油機器人連接要求

自動加油槍采用了油氣回收技術(shù)，它與普通自封油槍最大的區(qū)別便是油槍上帶有油氣回收口，并配有封氣罩。為了能在加油的同時回收油氣，加油槍使用過程中首先要與機器人進(jìn)行連接固定，另外需要加入CCD識別，目前市場上的油氣回收油槍結(jié)構(gòu)布局不能滿足機器人操作使用的要求，因此該自動加油槍在設(shè)計過程中對油氣回收部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，達(dá)到了與機器人連接的要求，保證了機器人的操作空間，使整體更簡約化。

1.4 滿足日常維護(hù)要求

加油槍是整個加油站內(nèi)加油輸出的終端，日常需要對其進(jìn)行不斷的維護(hù)，以保證其使用的安全性。本產(chǎn)品的維護(hù)性設(shè)計主要指日常的定期導(dǎo)通測試，即每間隔1個月就需要加油人員檢測1次～2次，以確認(rèn)油槍的功能效果。因此，自動加油槍設(shè)計中預(yù)留了手動檢測孔位，以保證后期人工檢測過程的方便、快捷。

1.5 滿足產(chǎn)品外觀要求

加油站工作環(huán)境苛刻，溫差變化大、灰塵嚴(yán)重及使用者污漬接觸等因素都會導(dǎo)致槍套老化，而顧客的消費心理和操作習(xí)慣都會受到加油站設(shè)備外觀和形象的影響。因此，對原有的扳手部分進(jìn)行了密封設(shè)計，將油氣回收部件、氣動執(zhí)行系統(tǒng)、氣動管路等全部放置在該密封殼體內(nèi)，管路布置在殼體內(nèi)部，對外只露出快速接口，方便使用以及后期維修，殼體分為左、右兩部分，方便拆卸和日常檢測。

2 自動加油槍設(shè)計

該自動加油系統(tǒng)分為氣動系統(tǒng)和自動加油槍兩部分。其中氣動系統(tǒng)采用常用氣動回路實現(xiàn)氣缸的運動，氣動系統(tǒng)的設(shè)計較為簡單，采用常用的往返運動系統(tǒng)就可以滿足要求。自動加油槍氣動系統(tǒng)如圖1所示，選用3位5通電磁閥，氣缸選用往復(fù)運動微型氣缸，氣源部分直接通過原有加油站的加油機提供，滿足氣動部分的壓力要求。

圖1 自動加油槍氣動系統(tǒng)

2.1 油路切換機構(gòu)

如圖2所示，油路切換機構(gòu)利用加油過程中不同位置的壓力差來實現(xiàn)不同油路之間的切換，不同標(biāo)號油通過單向閥1或者單向閥2進(jìn)行加油，單向閥1或者單向閥2分別與裝有不同標(biāo)號油的油管連接，切換部件4左邊與油槍連接，右邊與單向閥1、單向閥2連接，密封圈3起到密封作用，密封部分應(yīng)根據(jù)設(shè)計尺寸進(jìn)行測試。單向閥1、單向閥2的設(shè)定壓力與選型需要根據(jù)加油機的不同規(guī)格進(jìn)行選配，保證加油機的輸出壓力足以打開單向閥1、單向閥2，同時保證流動速度滿足加油要求。

1，2-單向閥；3-密封圈；4-切換部件

2.2 自動加油槍結(jié)構(gòu)

自動加油槍結(jié)構(gòu)如圖3所示，油氣分離器1與油槍本體9通過螺紋連接；檢測孔2與油槍本體9、氣缸7與鈑金件3、氣缸7與扳手8均通過螺釘連接；油氣出口4與油槍本體9通過氣動接口連接，油氣出口4通過外殼卡緊；油氣進(jìn)氣或者出氣口5、6與氣缸7通過氣缸結(jié)構(gòu)連接。

1-油氣分離器;2-檢測孔;3-鈑金件;4-油氣出口;5，6-進(jìn)氣或出氣口;7-微型氣缸;8-專用扳手;9-油槍本體

該油槍的整體機構(gòu)采用了現(xiàn)有的油氣分離油槍機構(gòu)部分，保證了正常的加油跳槍機構(gòu)運動，并對油槍動力部分進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，即將原有的手動扳手部分替換為氣動部分實現(xiàn)加油推動動作，并改變油氣回收的管路布置，使機器人的銜接更牢固、整體機構(gòu)更緊湊，方便實現(xiàn)油氣回收和油槍的安全檢測。具體的改進(jìn)設(shè)計如下：

(1) 對原有油槍的手動扳手進(jìn)行了技術(shù)改造，在扳手8的端部與氣缸7連接部分采用U型孔設(shè)計，保證扳手8在繞軸端部轉(zhuǎn)動過程中與氣缸7的推桿連接部分留有一定的角度余量0～5°，以保證氣缸在推動過程中動作流暢，使扳手在轉(zhuǎn)動過程中順利上升和返回原始位置，另外在測試過程中需要將扳手8推動到行程的中間位置附近。

(2) 原有手動油槍在加油過程中，油槍開到最大時扳手運動距離為5 cm～7 cm。在對該機構(gòu)設(shè)計改進(jìn)過程中保留了原有的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，盡量減小油槍的結(jié)構(gòu)，使得微型氣缸部分選用了較小尺寸的氣動元件，微型氣缸推動扳手運動距離控制在3 cm～5 cm，從而使改進(jìn)后的油槍整體尺寸與原油槍一致，還滿足了加油過程中流量和加油速度的要求。

(3) 氣動回收部分主要對油氣分離器1進(jìn)行了改進(jìn)，保證了原有內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變，改變了油氣的輸出位置，將油氣的輸出位置改到下端，同時改變原有的螺紋長度，保證安裝位置能使輸出口在圖3所示位置，保證出口及氣動管路接口在便捷的安裝位置。

(4) 檢測孔2的設(shè)計主要是固定微型氣缸和滿足檢測的要求，其結(jié)構(gòu)上留有孔位，用于安裝外部殼體或檢測過程中插入專用機構(gòu)，檢測過程中主要對扳手位置進(jìn)行限定，使得加油油槍全開或者部分打開，以測試不同檔位下油槍的工作狀況，便于對設(shè)備狀況進(jìn)行分析判斷。

3 自動加油槍工作過程

該產(chǎn)品設(shè)計改造后其工作過程中主要滿足如下3個工況：

3.1 加油過程

(1) 加滿：加油機啟動氣缸推動扳手8使得油槍打開進(jìn)行加油，當(dāng)油加滿，油槍跳槍后，氣缸返回到初始位置，油氣回收裝置正常進(jìn)行油氣回收。

(2) 定額或定量加油：當(dāng)加完固定金額或者一定升數(shù)的油后，油槍回到初始位置，加油過程中油氣通過油氣出口4進(jìn)入油氣回收管道，油氣回收裝置進(jìn)行油氣回收；如果該狀態(tài)下加油出現(xiàn)加滿狀況，則后續(xù)操作與加滿時工作狀態(tài)一致。

3.2 檢測過程

檢測過程中需要使用專用工具插入檢測孔2，通過氣缸推動扳手8，達(dá)到一定的位置后被固定，此時油槍處于中速檔位狀態(tài)，檢測油流動及油氣回收是否正常，用于判斷油槍的功能效果。

3.3 油路切換過程

通過改變輸油管的油路壓力進(jìn)行不同油路之間的切換，主要通過油路壓力打開單向閥，油路切換機構(gòu)應(yīng)定期對機構(gòu)進(jìn)行壓力測試。

4 測試

目前該自動加油槍機構(gòu)已申請專利并完成初步原理機構(gòu)驗證測試，初步測試結(jié)論如下：

(1) 油槍扳手推動距離為3 cm～5 cm時與人工加油效果一致，選擇了幾款加油槍，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改裝及測試，能夠滿足加油過程要求，并能保證通斷流暢。

(2) 油槍扳手推動距離在2 cm～3 cm左右時與人工測試效果一致，選擇了幾款加油槍，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改裝及測試，能夠滿足檢測要求。

(3) 油槍能夠自行切換不同標(biāo)號的油。但是存在不同標(biāo)號的油部分混合的現(xiàn)象，混合量是否影響使用及對車輛是否會造成影響，有待于進(jìn)一步測試確認(rèn)，遺留問題待解決。

(4) 油氣導(dǎo)通路徑改變后油氣分離效果不變。該部分改變了油氣的流通路徑，其他部分未改變。

5 結(jié)論

通過對無人自動加油槍的設(shè)計及測試，確定了無人加油槍的核心結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗證了無人加油槍的技術(shù)可行性，為無人加油系統(tǒng)的總體技術(shù)實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。