基于等離子體清洗的EPS清潔模塊研發

摘"要：EPS電動助力轉向系統是目前轉向系統的主流產品，其生產加工過程中的殼體清潔工藝更是重要組成工藝。目前傳統的清洗方式為旋轉噴淋和化學清洗，其清洗效果雖然明顯，但是清潔時間較長，清潔后有廢液產生，增加生產成本。干法清潔中等離子體清潔具有清潔效果好、速度快等優勢，并且沒有二次污染，更加適合自動化生產線的需求。為了確保清潔工藝要求，兼顧生產效率，設計了等離子體清潔工作站，主要依靠等離子體進行殼體表面的污染清潔，并通過實驗得出最佳清洗距離及清潔速度，提高生產效率。

關鍵詞：電動助力轉向系統；等離子體清潔；模塊化設計

Development"of"an"EPS"Cleaning"Module

Based"on"Plasma"Cleaning"Technology

Shen"Haiyang1"Wang"Zongrong1"Li"Nan2

1.Nanjing"Institute"of"Technology"JiangsuNanjing"211167；

2.Rulamate"Automation"Technology"（Suzhou）"Co.，Ltd."JiangsuSuzhou"215021

Abstract：The"Electric"Power"Steering（EPS）system"is"currently"the"mainstream"product"in"steering"systems，and"the"shell"cleaning"process"during"its"production"is"a"critical"component.Traditional"cleaning"methods，such"as"rotary"spraying"and"chemical"cleaning，demonstrate"notable"effectiveness"but"suffer"from"prolonged"cleaning"duration"and"generate"waste"liquid"postcleaning，thereby"increasing"production"costs.Among"dry"cleaning"methods，plasma"cleaning"offers"advantages"such"as"superior"cleaning"efficiency，rapid"processing，and"no"secondary"pollution，making"it"morenbsp;suitable"for"automated"production"lines.To"meet"cleaning"requirements"while"balancing"production"efficiency，a"plasma"cleaning"workstation"was"designed.This"module"primarily"utilizes"plasma"technology"to"remove"contaminants"from"shell"surfaces.Experimental"studies"were"conducted"to"determine"the"optimal"cleaning"distance"and"speed，ultimately"enhancing"production"efficiency.

Keywords：Electric"Power"Steering"System;Plasma"Cleaning;Modular"Design

隨著目前汽車市場，特別是電車市場的快速發展，汽車銷量快速增長，汽車零部件的供應需求也隨之提高。其中，電動助力轉向系統（Electric"Power"Steering，EPS）作為目前主流的轉向設備，為了擴大生產規模，提高生產效率，需要對其生產線進行優化。在EPS的組裝過程中，系統殼體在打螺絲密封前需要對殼體表面進行涂膠處理，在一般工廠的生產環境中，涂膠面難免會有灰塵、油污等污染物，如果不處理直接進行涂膠環節，會直接影響膠液黏結和殼體密封。那么在進行涂膠工藝前，清洗工藝就變得十分重要，清潔工作站作為EPS生產環節中的重要工藝，對其進行優化設計是十分有必要的。

1"等離子體清潔工藝要求

工業清洗的主要目的是去除物料表面的污染物，使得這些污染物不會影響正常的生產加工［1］。對于需要進行涂膠工藝的物料來說，在進行涂膠前進行表面清洗可以使物料表面清水性提高，這時進行涂膠，膠液會更好地留在涂膠面，有著更高的黏結性［2］。

等離子體的主要工作模式為等離子體發生器通過電壓將氣體電離成等離子體，隨后由等離子體噴槍射出，與材料表面接觸，可以用于清潔材料表面看不見的有機物及表面吸附層［3］。針對電動助力轉向系統殼體表面清潔涂膠工藝，等離子體清潔模塊主要負責清潔電動助力轉向系統殼體表面污染物，以便提高涂膠時膠液在殼體表面的附著力，提高殼體連接時的密封程度。

在了解了清潔涂膠工作站的工藝要求，在此我們針對清潔工藝對清潔模塊進行詳細規劃。等離子體清潔模塊主要由機器人、等離子體噴頭組成，由機器人運動到指定位置，等離子體噴頭噴出等離子體火焰，對目標材料表面進行清潔作業。該模塊需要規劃機器人運動軌跡，噴頭到產品之間的距離及噴頭功率，確保清潔過程中等離子體噴頭位置正確，確定清潔高度和等離子體速度，從而提高清潔效果，同時還要兼顧生產節拍要求。

2"等離子體清潔參數設置

等離子體為氣體電離后產生，由電子、離子等帶點離子及中性粒子組成，被稱為物質的第四態。等離子體應用于清洗領域主要依靠電離后的等離子體流體與清潔面表面接觸，其表面的有機污染物會被加速后的電子轟擊成氧離子，其表面的污染物很快就會被氧化成二氧化碳和水，從而達到清潔表面的目的。至于等離子體清潔的功率、速度和噴頭到清潔面的距離，要想得到最佳清洗效果，還需要進行實驗模擬驗證。

等離子體作為氣體電離得到的產物，在進行實驗模擬分析時需要采用流體分析，在此選擇Fluent流體分析。Fluent可通過用戶自定義的標量對控制方程進行擴展，對任意標量，都可通過求解方程來擴充軟件自身模型。

ρφt+SymbolQC@

（ρvφ）=SymbolQC@

（ΓφSymbolQC@

φ）+Sφ

其中Γφ為廣義擴散系數，Sφ為廣義源項。

在流體力學方面，目前所有的流體運動都遵循質量守恒方程和動量守恒方程，而質量守恒連續性方程在求解傳熱和可壓流動模型還需聯立求解，其中連續性方程為：

ρt+xi（ρui）=Sm

其中，ρ代表密度，t代表時間，ui代表x方向速度，Sm代表源項。上述方程代表了質量守恒方程的一般形式，是在二維平面中x方向上的連續性方程。

二維慣性坐標系下動量守恒定律在i方向上表示為：

t（ρui）+xi（ρuiuj）=-pxi+τijxi+ρgi+Fi

式中p表示靜壓力，uj表示j方向速度大小，τij表示應力張量，gi表示i方向上的重力體積力，Fi表示外部體積力或者其他特殊模型相關的源項。

先進行等離子體流體模型的建立。在此選擇AnsysFluent軟件進行模擬仿真，設定流場區域，等離子體噴槍的作用范圍約為6cm，其熱源在入口處均勻分布，通過觀察等離子體在清潔過程中的分布情況，選擇合適的參數進行清洗效果的驗證。

從理論上來說，等離子體噴頭與清潔面距離越近，等離子流體越多，清洗應力越大。在等離子體噴頭慢慢移動到清潔區域時，清洗應力逐漸增大，隨后慢慢移動到清潔區域時，由于清潔面溫度升高，清洗應力在溫度梯度下先減小再增大，并在一定時間內達到峰值。隨后，等離子體噴頭離開清潔區域，此時清洗應力逐漸減小，但在移動過程中依舊可以作用到清潔區域，所以會出現先減小，再增大，隨后逐步下降的趨勢。

在進行了理論分析后，進行清洗實驗。為了便于實驗分析和節拍優化，設定清潔距離為10mm、清潔速度為200mm/s進行清潔模擬，此時清洗應力隨時間變化，如圖1所示。

清潔應力變化與理論分析一致，在噴頭接近清潔區域時，等離子體流體作用到清洗區域，使其清洗應力變大；在到達清洗區域時達到峰值，在離開清洗區域后逐漸減小。因為等離子體的流體特性，會出現清洗應力增高的現象，此時等離子體流體影響到清洗區域，出現清洗應力減小過程中有上升的情況，隨后逐漸下降。

考慮到生產節拍要求，隨著清洗速度的增加，清洗時間大大降低，在等離子體噴頭接近清潔面，清洗應力達到最高值時，其離開清洗區域的過程中應出現清洗應力降低再升高的趨勢。由于清洗速度快，等離子體噴頭很快就離開了清洗區域，等離子體流體的運動沒有影響到后續清潔面清洗應力的變化，所以其清洗應力在等離子體噴頭達到清洗位置時為最高，當其離開清潔區域時，逐步降低，沒有回升現象。

在經過實驗對等離子體清潔過程中清洗距離及清洗速度對清洗效果的影響，可得出的結論為等離子體噴頭高度和清洗速度都會影響最終的清洗效果。其中，清洗高度對清洗結果影響較大，所以從理論上來說，清洗距離為5mm或者更接近時，清洗效果最佳。但是考慮到實際生產過程中的干涉問題，如果Plasma噴頭與EPS殼體太過接近，則很有可能出現干涉現象，在清潔過程中導致等離子體噴頭與其他物體碰撞，不利于實際生產。而通過實驗可知，雖然等離子體噴頭與清潔面距離越近清洗效果越好，但是在清洗距離為10mm時，清洗應力變化也與之相差不多，且10mm的清潔距離更適合安全生產。

考慮到零件表面可能并不平整，結合等離子體位置標定及運動控制，在清潔距離上，10mm的清潔距離更加適合實際應用。對于清潔速度，從等離子體分布情況可知，清洗速度在一定范圍內越慢，清洗效果越佳，其缺點為清洗時間相對較長，在生產節拍優化上與更快的清潔速度相比沒有優勢。清洗速度的選擇由于其清洗應力相差也較小，結合實際生產需求，要求的處理時間為2s，清洗面周長約為308mm，清潔時間十分充裕，那么結合實驗結果，選擇清洗速度為200mm/s更加適合。

至此，得出等離子體清潔模塊的關鍵工藝參數，確定了清洗距離及清洗速度，考慮到機器人運動時間，理論上完全符合EPS生產需求。隨后，就生產工藝參數進行機器人模塊和等離子體模塊的器件選型，選擇合適的設備，節約成本。

3"等離子體清洗功能驗證

在清潔模塊工藝要求的前提下，完成清潔系統的模塊設計及主要工藝參數的研究。隨后需要針對其清潔效果進行清洗功能的驗證，確保等離子體清洗后有顯著效果，殼體表面清潔度有明顯提高。

膠液附著在殼體表面可參考水滴，材料表面親水性越高，液滴水滴角越小，其附著性越好，代表清潔效果越好。目前工業清洗效果檢測方面一般采用取樣的方式，通過對產品清潔面取樣，在微觀條件下觀察污染物的減少程度，能明顯反映出清潔效果。但是在自動化生產線方面，臨時進行材料的表面取樣來進行清洗效果驗證過于煩瑣，考慮到實際應用，結合當前生產環境，利用水滴角檢測儀也可以直觀反映材料表面的親水性如何，從而確認清潔程度。

在測試環節，先使用等離子體清洗設備對測試產品進行表面清潔，再通過確認的工藝參數對殼體進行清潔，調節等離子體噴頭的距離及清洗速度，隨后進行水滴角檢測。

當一種液滴在一款材料表面能夠穩定鋪展，此時液滴與接觸面及空氣部分的夾角為接觸角。接觸角越大，則說明材料疏水性越好；接觸角越好，則說明材料表面的濕潤性越好。點膠工藝需要殼體表面有良好的親水性，即濕潤性好，所以需要檢測到的水滴角越小越好，表明其清潔程度高，利于后續涂膠密封處理。

為了確保實驗的可靠性，對殼體表面清潔程度的驗證采用對比實驗，選擇多件產品，分別進行等離子體清潔與人工清潔，等離子體清潔的清潔高度與清洗速度的設定也需不一致，從而達到對比的效果。考慮到噴槍不能與材料表面太近，設定清洗距離為10mm、清洗速度為200mm/s，進行材料表面清潔。清潔前產品表面水滴角檢測如圖2所示。

從圖2中可以看到，清潔前水滴角檢測為81.7°，水滴角數值偏大表明材料表面有污染物，此時疏水性較好，膠液不容易留在殼體表面。隨后進行等離子體清潔，完成清潔后選擇樣品進行水滴角檢測，檢測結果如圖3所示。

從圖2與圖3對比可以看出，經過等離子體清潔后其水滴角度數大幅下降，代表材料表面清潔度得到了很大的改善。這表明經過等離子體清潔后，材料表面濕潤性得到了很大提升。此時進行點膠工藝，膠液會在殼體表面形成直徑較大的液滴，且由于表面親水性的提高，更加利于密封處理，符合清潔工藝生產需求。

4"結論

基于EPS電動助力轉向系統生產線裝配工藝要求，針對轉向系統殼體表面涂膠工藝前的清潔工藝進行了分析，并選擇了更加合適的等離子體清洗方式。隨后根據生產要求，通過實驗分析得出清潔工藝的主要工藝參數，從而便于后續工作站設備選型，進行自動化生產，同時兼顧了效率、效益和環保等多種目標。

參考文獻：

［1］王守國.常壓射頻冷等離子體清洗技術介紹［J］.清洗世界，2004（12）：3234.

［2］劉玉嶺，李薇薇，檀柏梅.微電子工藝中的清洗技術［J］.洗凈技術，2003（05）：1519.

［3］方草.低溫等離子體技術處理抗生素和其他典型有機物污染物的研究［D］.合肥：中國科學技術大學，2023.

作者簡介：沈海洋（1999—"），漢族，江蘇揚州人，碩士研究生，研究方向：數字化設計與智能制造。