基于汽車起動(dòng)行星軸的壓裝機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張亞鋒，孟 飛，張美鳳，蔡建文

(常州工學(xué)院 a.江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室；b.電氣與光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

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基于汽車起動(dòng)行星軸的壓裝機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張亞鋒，孟 飛，張美鳳，蔡建文

(常州工學(xué)院 a.江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室；b.電氣與光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

為了解決汽車起動(dòng)機(jī)行星減速軸自動(dòng)壓銷及壓軸承等問題，設(shè)計(jì)了一套壓裝機(jī)。分析了產(chǎn)生壓銷誤差的原因，提出了先預(yù)壓后完全壓緊方法和取銷結(jié)構(gòu)組件多孔定位控制策略，以數(shù)字式等分液壓回轉(zhuǎn)臺(tái)為平臺(tái)，PLC為主控制器，位置傳感器為反饋單元，液壓缸和氣缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成了壓裝機(jī)主要部件的機(jī)械設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。運(yùn)行結(jié)果表明，多孔定位控制策略正確，壓銷精度高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

行星減速軸；自動(dòng)壓銷；PLC；壓裝機(jī)

0 引言

汽車起動(dòng)機(jī)行星減速軸是汽車起動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，主要用于行星齒輪傳動(dòng)，在汽車起動(dòng)時(shí)以傳遞轉(zhuǎn)矩和動(dòng)力，其一端為帶有螺旋花鍵的傳動(dòng)桿，另一端是具有通孔的端面，通孔的數(shù)量因不同種類的行星減速器而異。工業(yè)生產(chǎn)中常以過盈配合形式由壓裝機(jī)將銷精確壓入同一圓周上各通孔中，并且保證同一圓周上的各銷滿足圓跳動(dòng)公差，以利于在行星減速器中裝配行星齒輪。目前針對(duì)銷與孔的過盈配合壓裝只是針對(duì)其材料、銷的種類、幾何參數(shù)等對(duì)配合面上的應(yīng)力分布影響進(jìn)行了研究[1-2]，國(guó)內(nèi)針對(duì)汽車起動(dòng)行星軸端面銷的壓裝也僅在壓力監(jiān)控、部分工序自動(dòng)控制等方面做了部分研究開發(fā)[3-4]，因此存在壓裝效率低，廢品率高，不能滿足壓裝精度等問題。文中通過工裝定位、自動(dòng)取銷定位、先預(yù)壓后全壓等技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)壓裝的全自動(dòng)化，對(duì)汽車起動(dòng)機(jī)行星減速軸的生產(chǎn)具有重要意義。

1 誤差原因分析

圖1所示為銷壓裝示意圖。銷進(jìn)入接料套后，在壓頭的壓力作用下，將銷壓入行星軸端面。接料套起穩(wěn)定作用，使得銷的中心軸線相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)基準(zhǔn)面以足夠的垂直度，同時(shí)保證銷的中心軸線相對(duì)于行星軸端面上相應(yīng)的孔的基準(zhǔn)中心線有足夠的同軸度。為保證壓力垂直施加于銷的端面上，壓頭中心軸線相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)基準(zhǔn)面須有足夠的垂直度，同時(shí)保證壓頭端面與轉(zhuǎn)臺(tái)基準(zhǔn)面有足夠的平行度。因此各定位誤差是影響壓在行星軸端面上的銷是否滿足圓跳動(dòng)公差要求的主要原因。其中接料套上的內(nèi)孔與銷的間隙配合是關(guān)鍵，它直接影響相關(guān)的位置公差。

1.銷 2.行星軸端面 3.接料套 4.壓頭

2 機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)壓銷的自動(dòng)化，壓裝機(jī)由振動(dòng)送料盤、液壓等分回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、行星軸夾緊工裝、取銷預(yù)壓部件、銷釘壓緊部件等部分組成。各組成部分都有嚴(yán)格的形位公差。

2.1 液壓等分回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

由于行星軸除了需要壓銷之外，還有壓軸承和組件序號(hào)激光打印等任務(wù)需求，因此，采用數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)多工位工作。圖2所示為采用的液壓等分回轉(zhuǎn)工作臺(tái)示意圖?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)采用兩聯(lián)齒盤端面齒定位方式，通過液壓缸驅(qū)動(dòng)齒條，由齒條齒輪傳動(dòng)方式推動(dòng)等分回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)裝有行星軸的夾緊工裝準(zhǔn)確至各工位。

1.夾緊工裝 2.回轉(zhuǎn)臺(tái) 3.底座

回準(zhǔn)工作臺(tái)的底座應(yīng)調(diào)平，其基準(zhǔn)面是其它所有部件的基準(zhǔn)面，其回轉(zhuǎn)中心軸線是其它各零部件的基準(zhǔn)軸線。等分回轉(zhuǎn)臺(tái)的性能參數(shù)如表1所示。

表1 等分回轉(zhuǎn)工作臺(tái)參數(shù)

液壓驅(qū)動(dòng)回路如圖3所示，通過其實(shí)現(xiàn)兩聯(lián)端齒盤的松開、抬起、推動(dòng)、剎緊的動(dòng)作過程。液壓卸荷由液壓泵站自身實(shí)現(xiàn)，避免油路高溫和延長(zhǎng)液壓泵工作壽命。

圖3 等分回轉(zhuǎn)臺(tái)液壓回路

2.2 取銷預(yù)壓部件

圖4所示為取銷預(yù)壓部件示意圖，是實(shí)現(xiàn)全壓的關(guān)鍵基礎(chǔ)。液壓回轉(zhuǎn)臺(tái)分度到位，夾緊工裝上定位好的行星軸至壓銷液壓缸正下方。45步進(jìn)電機(jī)結(jié)合絲杠，驅(qū)動(dòng)運(yùn)銷板，將安裝于運(yùn)銷板上的接料軸送至真空吸附頭正下方，接料氣缸下行，真空吸附頭與接料軸接觸結(jié)合，在真空吸附力和頂針的共同作用下，接料軸內(nèi)的銷被吸附頭吸附，接料氣缸復(fù)位，57步進(jìn)電機(jī)結(jié)合絲杠將吸附頭送至夾緊工裝正上方，液壓缸工作，完成一次預(yù)壓銷任務(wù)后，各機(jī)構(gòu)復(fù)位，準(zhǔn)備下一次預(yù)壓銷。接料軸內(nèi)的銷由振動(dòng)料盤供給。吸附頭有兩個(gè)功能，一是從接料軸中取銷，二是起到如圖1所示的接料套作用，在轉(zhuǎn)臺(tái)夾緊工裝工位處，保證銷與行星軸端面孔的中心同心。

1.液壓回轉(zhuǎn)臺(tái) 2.送銷板 3.真空吸附頭 4.45步進(jìn)電機(jī) 5.落銷孔 6.57步進(jìn)電機(jī) 7.支架 8.液壓缸 9.接料氣缸 10.接料軸 11.夾緊工裝行星軸 12.頂桿

圖4 取銷預(yù)壓部件示意圖

為完成高質(zhì)量的預(yù)壓，各部件須有高精度的定位公差。相對(duì)于工作臺(tái)基準(zhǔn)面的夾緊工裝垂直度≤0.015mm，支架垂直度≤0.015mm，支架面平行度≤0.025mm，接料氣缸垂直度≤0.015mm，接料軸垂直度≤0.015mm，液壓缸壓軸垂直度≤0.015mm，吸附頭與工位的垂直度≤0.015mm，同軸度≤0.015mm，吸附頭與接料軸的同軸度≤0.03mm，支架須有足夠的剛度。

2.3 總裝示意圖

圖5所示為壓裝機(jī)總裝實(shí)物圖，銷釘壓緊部件將銷釘完全壓緊，相對(duì)于工作臺(tái)基準(zhǔn)面，支架垂直度≤0.015mm。軸承取樣壓緊部件將軸承壓入行星軸端面中心孔內(nèi)，壓入深度及垂直度由工裝進(jìn)行保證。激光打印工位完成行星軸承的型號(hào)打印。各工位支架應(yīng)保證足夠的剛度。

1.液壓回轉(zhuǎn)臺(tái) 2.取銷預(yù)壓部件 3.銷釘壓緊部件 4.軸承取樣壓緊部件 5.激光打印工位

圖5 總裝實(shí)物圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為完成高精度的定位，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)、絲杠、氣缸、液壓缸、精密液壓旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、PLC控制器和上位機(jī)等組成壓裝機(jī)定位系統(tǒng)。圖6所示為控制系統(tǒng)示意圖。

圖6 控制系統(tǒng)組成

圖6中上位機(jī)主要起參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)監(jiān)控。下位機(jī)采用S7-200 CPU 224，其穩(wěn)定可靠，且利于與總線進(jìn)行通信[5]，有利于壓裝機(jī)在生產(chǎn)線中應(yīng)用。PLC控制器采用晶體管輸出方式，以輸出端口Q0.0和Q0.1作為線性高速脈沖輸出端口[6]，用來控制42步進(jìn)電機(jī)和45步進(jìn)電機(jī)。 EM253為高速定位模塊，其輸出脈沖為差分形式[7-8]，用來控制57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。45步進(jìn)電機(jī)和57步進(jìn)電機(jī)結(jié)合絲杠回程誤差檢測(cè)和補(bǔ)償方法[9]實(shí)現(xiàn)運(yùn)銷板和吸附頭的精確定位。

3.1 接料軸取銷定位控制策略

旋轉(zhuǎn)的接料軸將來自震動(dòng)料盤的銷接入軸內(nèi)各定位孔中，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。通孔位置與真空吸附頭端面的三個(gè)盲孔位置一一對(duì)應(yīng)，其取決于行星軸端面三個(gè)通孔位置。銷從落銷孔中能否落入接料軸的定位通孔中，決定于各定位孔與落銷孔是否滿足同軸度要求。

采用步進(jìn)電機(jī)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)接料軸，為避免步進(jìn)電機(jī)失步和振動(dòng)，應(yīng)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩頻率特性圖選擇細(xì)分驅(qū)動(dòng)器輸入脈沖，并調(diào)整好起停加減速時(shí)間[10]。

圖7 接料軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖7中的傳感器1處于接料軸初始位置，即原點(diǎn)，保證定位孔1與落銷孔同一中心線。傳感器2將接料軸的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向反饋給控制器。采用絕對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)接料軸上各通孔與落銷孔的一一對(duì)應(yīng)。

圖8 自動(dòng)尋找原點(diǎn)穿越圖

圖8為自動(dòng)尋找原點(diǎn)穿越圖，旋轉(zhuǎn)軸表示速度為零的初始位置，其上表示電機(jī)順時(shí)針運(yùn)行方向，即正向，其下表示電機(jī)逆時(shí)針運(yùn)行方向，即負(fù)向。反向傳感器信號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于圖7中的傳感器2，原點(diǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)于傳感器1。起點(diǎn)表示電機(jī)未運(yùn)動(dòng)前的初始隨機(jī)位置，由圖8所示，其位置點(diǎn)相對(duì)原點(diǎn)可能位于原點(diǎn)的左、右和重合三種情況。電機(jī)的起動(dòng)速度方向和最終停止方向都為負(fù)方向。根據(jù)圖8所示的穿越圖，實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)自尋控制。

3.2 相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析

由圖7所示，接料軸的初始位置原點(diǎn)確定后，接料軸以負(fù)方向旋轉(zhuǎn)幾個(gè)中心角后，實(shí)現(xiàn)其它定位孔與落銷孔的中心對(duì)準(zhǔn)，其運(yùn)動(dòng)過程稱為相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為避免與自尋原點(diǎn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)相干涉，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，須屏蔽傳感器1和傳感器2，且為避免定位誤差的傳遞和累積，其運(yùn)動(dòng)過程如圖9所示，原點(diǎn)定位完成后，步進(jìn)電機(jī)須以相反的方向以相對(duì)脈沖數(shù)1和相對(duì)脈沖數(shù)2之和作為相對(duì)脈沖數(shù)，使定位孔1再次回到原點(diǎn)，為下次相對(duì)運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備。

圖9 相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程

3.3 PLC端口地址分配

PLC主要的輸入/輸出端口地址分配如表2所示。表中輸入主要是來自按鈕和各位置傳感器的開關(guān)量信號(hào)，輸出主要是控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

表2 PLC I/O地址分配及功能表

4 運(yùn)行結(jié)果

根據(jù)圖8所示的控制策略，表3為采用圖7所示的接料軸取銷時(shí)，通過上位機(jī)獲得的三孔原點(diǎn)定位數(shù)據(jù)。表中電機(jī)參數(shù)是根據(jù)電機(jī)矩頻特性及接料軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩察阻力矩等參數(shù)選取。表中Vmax為電機(jī)的最大速度，Vmin為最小速度，即為起動(dòng)速度，V為目標(biāo)速度，即為運(yùn)行速度，ΔTmax為最大加速時(shí)間，ΔT為電機(jī)起動(dòng)速度和運(yùn)行速度之間的加減速時(shí)間。

表3 三孔原點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3所示，最小速度為620脈沖數(shù)/s，相對(duì)脈沖數(shù)為530時(shí)，定位孔2原點(diǎn)位置誤差為0.01mm，精度較高，驗(yàn)證了圖9所示的控制策略正確。表中當(dāng)前脈沖R是對(duì)當(dāng)前脈沖A清零的結(jié)果，目的是避免將當(dāng)前脈沖A帶入下次相對(duì)運(yùn)動(dòng)定位過程中，從而帶來較大的誤差。改變表中相對(duì)脈沖1和相對(duì)脈沖2的數(shù)值，可實(shí)現(xiàn)不均勻分布孔的定位。

圖10所示數(shù)據(jù)曲線圖是由徑向回轉(zhuǎn)精度為0.001mm的偏擺檢查儀對(duì)隨機(jī)抽取的二十個(gè)已壓入銷的行星軸進(jìn)行三個(gè)銷的徑向圓跳動(dòng)檢測(cè)獲得。檢測(cè)方法是將壓入的銷其中一個(gè)作為基準(zhǔn)零點(diǎn)，其它兩個(gè)銷分別稱之為1位銷和2位銷，相對(duì)于基準(zhǔn)銷的圓跳動(dòng)對(duì)應(yīng)為1位銷圓跳動(dòng)和2位銷圓跳動(dòng)。圖10中的圓跳動(dòng)公差為三個(gè)銷的徑向圓跳動(dòng)之間的最大差值，由圖示可以看出，最大差值在0.034mm～0.055mm之間，滿足精度要求。

圖10 行星軸端面銷圓跳動(dòng)數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié)束語

分析了壓裝精度不高的原因，完成了主要部件的機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)基于PLC的數(shù)控定位策略進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)了壓裝機(jī)的全自動(dòng)化。該機(jī)對(duì)不同類型的行星減速軸壓裝時(shí)，只須更換接料套，有效提高了其柔性制造能力。運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)自動(dòng)化程度和壓裝精度高，控制策略正確且效果良好。

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(編輯 李秀敏)

Design and Implementation for Press Machine based on automotive starter planetary shaft

ZHANG Ya-fenga,b,MENG Feib,ZHANG Mei-fengb,CAI Jian-wenb

(a.Jiangsu Key Lab of Numeric Electrochemical Machining;b.School of Electrical and Photoelectronic Engineering, Changzhou Institute of Technology, Changzhou Jiangsu 213002,China)

In order to realize auto press pin and bearing for the planetary shaft of the auto starter, designed a pressing machine. Analyzed the causes for the press pin error, presented a method of Pre pressing and full pressing and porous positioning control strategy for taking pin structure components. The system was designed with digital equal hydraulic rotary device as platform, PLC for main controller, position sensor for the feedback unit, hydraulic cylinder and air cylinder for actuator, and designed main mechanical components and control system. The running result shows that porous positioning control strategy is correct, and the system operation is stable and reliable.

planetary reduction shaft; auto press pin; PLC; press machine

1001-2265(2016)11-0134-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.036

2015-12-26；

2016-01-23

張亞鋒(1976—)，男，江蘇泰興人，常州工學(xué)院講師，博士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化及其控制技術(shù)，(E-mail)yafeng6911@126.com。

TH132;TG65

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