基于PLC和觸摸屏的汽車轉向臂軸環形噴油機控制系統設計*

鄭天池，王 莉，夏 超

（1.工業和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇蘇州 215011；2.蘇州融領新場景科技有限公司，江蘇蘇州 215011）

0 引言

汽車轉向系統中的關鍵零部件包括汽車轉向器、轉向傳動系統、轉向操縱機構等，在轉向器部分，汽車轉向臂軸是最重要的零件[1-3]。國內外學者對汽車轉向臂軸已開展了廣泛的研究，Alexandru P 等[4]在轉向器中，通過應用標準漸開線齒形的偏心齒扇和齒條，以此達到變傳動比傳動的要求；賀敬良等[5]創新應用余弦函數，對傳動比進行過渡，實現傳動比曲線的一階可導，最大限度減少嚙合過程中帶來的柔性沖擊。譚偉明[6]提出了在非圓齒扇傳動中使用變系數移距變位用于消除齒輪的根切、增大齒厚和調整傳動中心距，有效改善齒厚分布和根切現象，其變位系數為事先設定的余弦變化的變位系數函數。

在實際生產過程中，汽車轉向臂軸的生產工序主要有銑端面、粗車長端、精車短端外圓和孔、精車長端、插齒、銑槽、去毛刺等[7]，在完成上述工序后，需要對臂軸進行噴油，以實現臂軸的清洗及表面保護。目前，多數生產型制造業企業的噴油方式還停留在人工操作層面，要是依靠人工手拿臂軸浸入油箱進行噴油。這種方式存在兩個方面的問題：一是噴油過程中產生的油霧會對人體造成傷害、污染外部環境；二是噴油精度差，質量難以保障[8]。以上噴油方式只能一個一個噴油，存在生產效率不高、自動化程度偏低、人工強度過大、作業安全難以保障等突出問題。

為實現汽車轉向臂軸噴油工序的高自動化、優產品質量，依據汽車轉向臂軸的生產工藝，研制了汽車轉向臂軸環形噴油機，并設計了汽車轉向臂軸環形噴油機的控制系統。該系統能夠對多種規格的汽車轉向臂軸，實現參數的設定和修改，同時，能夠滿足多個汽車轉向臂軸的自動連續噴油的生產要求。

1 環形噴油機的整機方案及控制要求

1.1 整機方案及生產流程

汽車轉向臂軸環形噴油機由機械結構、液壓控制系統、傳感檢測系統、PLC 控制系統及圖形操作終端等構成。其中，機械結構由自動噴油裝置、動力環形滾筒線、防護罩等組成；液壓控制系統由節流閥、減壓閥、電磁閥、油泵、油箱、過濾器、壓力表等組成。環形噴油機整體結構圖如圖1所示。圖中，汽車轉向臂軸的輸送，通過動力環形滾筒線實現；汽車轉向臂軸的自動噴油，通過液壓控制系統控制自動噴油裝置實現；液壓控制系統通過控制電磁閥的開啟和關閉，實現系統連續噴油和停止噴油的相互切換。

圖1 環形噴油機整體結構

環形噴油機的工作流程為：

（1）依據汽車轉向臂軸的規格和尺寸，人工逐個將汽車轉向臂軸放置在動力環形滾筒線右前方；

（2）通過動力環形滾筒線，將汽車轉向臂軸逐個輸送至自動噴油處；當自動噴油處的檢測傳感器檢測到汽車轉向臂軸時，通過液壓控制系統控制噴嘴的開啟，實現對工件的自動油；

（3）噴油工序完成后，動力環形滾筒線自動將汽車轉向臂軸逐個輸送至左前方，此時，人工逐個取出噴油后的汽車轉向臂軸；

（4）重復以上步驟，實現對多規格、多尺寸的汽車轉向臂軸環形自動噴油。

1.2 控制要求

設計的汽車轉向臂軸環形噴油機控制系統，用于實現對多規格、多尺寸的汽車轉向臂軸環形自動噴油，在保障控制系統能夠穩定可靠的運行，還需具備以下功能要求[9-10]。

（1）實現自動噴油：通過控制交流電機、液壓控制系統，實現對多規格、多尺寸的汽車轉向臂軸自動噴油。

（2）實現參數設定和修改：設計的控制系統要滿足對多規格汽車轉向臂軸的直徑和長度參數設定和修改的功能要求，進而調整噴油量及噴油時間。

（3）實現系統運行模式的切換：系統運行模式要包括手動和自動兩種，兩種運行模式要能實現自由切換；手動運行模式用于環形噴油機的調試、檢測和維護；自動運行模式用于環形噴油機的連續運行，實現控制系統中各運動部件的協同運動。

（4）實現系統的故障檢測、報警：控制系統能夠檢測環形噴油機各執行機構及檢測部件的故障并及時報警，能夠實時監測并顯示系統的運行狀態。

2 環形噴油機控制系統的硬件設計

環形噴油機控制系統主要由上位機、可編程控制器、各類傳感器、交流電機、三色燈、運行指示燈、電磁閥、啟停按鈕等組成。環形噴油機控制系統的硬件接線如圖2所示。

圖2 控制系統硬件接線圖

2.1 PLC型號確定及I/O口分配

控制系統的控制管理樞紐是PLC。PLC 控制液壓控制系統中的電磁閥的開閉、交流電機的啟停和調節，并通過RS422 與觸摸屏進行通訊，及時反饋系統的運行狀態和參數的修改[10]。

依據所設計的控制系統I∕O 口的數量需求，在綜合考慮系統使用性能、預留端口的基礎上，選擇三菱公司的FX3GA-24MT-CM 的PLC。所選PLC的主要性能如下：輸入點數為14、輸出點數為10，輸出方式為晶體管，軸定位軸數為2，擁有RS422&USB兩種高速通訊接口。

環形噴油機控制系統需要4 個輸入點、5 個輸出點。輸入輸出口分配方式如表1所示。

表1 輸入輸出口分配

2.2 觸摸屏型號確定

觸摸屏作為上位機，是參數設定與修改、系統運行的操作平臺，能夠實現對設備運行狀態、故障信息、報警信息的顯示，系統運行模式的切換等功能[11]。觸摸屏所選的型號為三菱GX2107-WTBD，能夠將用戶的操作指令實時傳向PLC。

2.3 傳感器型號確定

傳感器是控制系統運行信號的輸入源，能夠保障設備的運行安全。本系統使用歐姆龍的磁性接近傳感器、神視的接近傳感器等，實現對環形噴油機的工作狀態的檢測。所選傳感器如表2所示。

表2 各類傳感器型號和作用

3 環形噴油機控制系統的軟件設計

環形噴油機控制系統的軟件設計主要包括兩部分，分別是PLC控制程序設計和觸摸屏界面設計。

3.1 PLC控制程序設計

采用編程軟件GX-Works2 實現對PLC 控制程序的設計。GX-Works2主要是應用PC機對PLC各類程序進行編程。PLC 控制程序設計采用模塊化模式，應用梯形圖來實現。根據環形噴油機的實際運行工作要求，PLC 控制程序的設計包括手動和自動控制兩個程序，手動控制主要實現環形噴油機的調試、檢測、維護及運行過程的單一演示，自動控制主要實現環形噴油機的自動連續運行。使用USB 通訊模式，將PC 機編寫的程序導入PLC 中。PLC自動控制程序流程如圖3所示。

圖3 PLC自動控制程序流程

3.2 觸摸屏界面設計

觸摸屏能夠集成系統的手動運行和自動運行，實時監控和顯示環形噴油機的運行狀態，并根據汽車轉向臂軸的規格和尺寸進行參數的設定和修改。采用GT-Designer2 軟件編寫，實現對觸摸屏界面的設計。GT-Designer2 軟件具有簡單、高效、易于上手等優點，使自動化過程更加透明、組態更加簡單、反應更加迅速[12]。

采用USB 通訊模式將設計完成后的界面下載到觸摸屏中，觸摸屏程序設計界面圖如圖4所示。

圖4 觸摸屏程序設計界面

第一層界面：為啟動界面，觸摸屏通電后3 s 左右，即可進入啟動界面。

第二層界面：為環形噴油機的主界面，如圖5所示，主界面包括“設備概要”界面、“設備調試”界面、“自動噴油”界面，操作人員手動點擊上述界面的名稱，即可進入相應的界面。點擊環形噴油機的“設備調試”界面，即可進入如圖6所示的界面圖。該界面包括“交流電機調試”界面、“噴油調試”界面、“三色燈調試”界面、“防護罩門檢測”界面，主要用于環形噴油機的調試、檢測與維護，由四個界面組成，操作人員手動點擊上述界面的名稱，即可進入相應的界面。

圖5 主界面

圖6 設備調試界面

點擊環形噴油機的“自動噴油”界面，即可進入如圖7所示的界面。“自動噴油”界面包括“設備狀態”、“參數設定”、“運行狀態監測”三欄，具體如下。

（1）設備狀態欄：能夠實時顯示交流電機是否開啟、汽車轉向臂軸是否在噴油工位、噴油嘴的開閉、防護罩門的開閉。

（2）參數設定欄：能夠實現對多規格多尺寸汽車轉向臂軸參數設定，主要包括“直徑”和“長度”兩個參數。根據設定的參數值不同，系統自動調節噴油時間、噴油量，進而實現對多規格多尺寸汽車轉向臂軸的精確噴油，提升臂軸的噴油質量。

（3）運行狀態監測欄：用于實時監測并顯示環形噴油機的運行狀態。

4 應用情況分析

設計的汽車轉向臂軸環形噴油機控制系統已開展系統可靠性、穩定性、安全性的運行測試，測試結果良好，能夠無故障連續運行。目前，該系統已在多家生產性制造業企業實際運用，通過企業的運行結果分析，得出如下結論：本系統連續運行周期為5 s，生產效率提高65%，產品噴油質量提高40%，系統無故障連續運行率達99.99%，滿足企業高自動化、高效率、無故障連續運行的要求。同時，本系統具有檢測功能，有效避免因無汽車轉向臂軸造成空噴油，用流量節省30%。

5 結束語

（1）為實現對汽車轉向臂軸的自動化噴油，解決現有噴油工序存在生產效率不高、自動化程度偏低、人工強度過大、作業安全難以保障等突出問題，本文設計了基于PLC和觸摸屏的汽車轉向臂軸環形噴油機控制系統。該控制系統以PLC 為控制核心，以觸摸屏作為上位機，實現人機交互，進而保障系統的自動化控制和連續性運行。

（2）該系統具有高可靠性、穩定性、安全性，能夠實現對多規格多尺寸的汽車轉向臂軸自動噴油，無故障連續運行率高，噴油性能一致性和精準性高。

（3）該系統操作靈活、界面可視化強、參數設置和調整方便，滿足高效率、高柔性化、高質量的生產要求，為汽車生產企業帶來良好的經濟效益和社會效益，具有較好的推廣和工程應用價值。