汽車發(fā)動機氣缸蓋閥座壓裝控制系統(tǒng)設(shè)計

袁家昕+王學(xué)俊

摘 要：在發(fā)動機汽缸蓋閥座壓裝過程中，壓頭的壓力值大小與壓頭所壓入的位移之間的關(guān)系是決定壓裝結(jié)果是否合格的重要因素，目前大多數(shù)國內(nèi)的汽車發(fā)動機生產(chǎn)廠商受到技術(shù)與成本等因素的限制，在壓裝過程中依然采用無檢測系統(tǒng)的低精度壓裝機。論文在分析了汽車發(fā)動機氣缸蓋閥座壓裝控制系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，以氣缸蓋閥座壓裝機為研究對象，開發(fā)一種基于STM32f103VET6芯片的控制裝置，通過對壓頭位移以及壓頭壓力值的實時監(jiān)控，實現(xiàn)對壓裝過程進(jìn)行監(jiān)測、分析、處理，以達(dá)到壓裝過程的精確控制，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：氣缸蓋，閥座，壓裝機，stm32，伺服電機，人機界面

Design of Pressure Control System for Automotive Engine Cylinder Head Valve Seat

Yuan Jiaxin【1】 Wang Xuejun【2】

Dalian Polytechnic University【1】；National Engineering Research Center of Seafood【2】

Abstract：In cylinder head valve seat in the process of pressing， the pressure head pressure relationship between the displacement and the pressure head are pressed into the press is an important factor to determine whether the results of qualified manufacturers， at present most of the domestic automobile engine by technology and cost constraints， still low precision test system at in the process of pressing press. Based on the analysis of the automobile engine cylinder head valve seat pressure control system installed on the working principle of the cylinder head to seat pressing machine as the research object， the development of a control device based on STM32f103VET6 chip， through the real-time monitoring of the pressure head displacement and pressure head pressure， to achieve precise control of the process of pressing and monitoring analysis and processing to achieve the pressing process， improve the production efficiency of the enterprise.

Keywords： Cylinder head； Valve； Pressing machine；STM32； AC servo motor； Man-machine interface

1引言

壓裝機的工作過程，實際上就是實現(xiàn)閥座與閥座孔倆工件之間過盈連接的過程[1]。氣缸蓋通過傳送裝置到達(dá)指定壓裝工位，通過夾具將其夾緊，將閥座放入到指定的導(dǎo)向槽中，之后主控系統(tǒng)操縱伺服電機，由滾珠絲杠推動壓頭向下運動。當(dāng)壓頭接觸到閥座時，壓裝過程開始，持續(xù)到閥座完全被壓入到氣缸蓋閥座孔內(nèi)，壓頭上升，復(fù)位到原處，一次壓裝過程結(jié)束。由于在工作過程中，過盈配合會產(chǎn)生徑向壓力，導(dǎo)致兩工件產(chǎn)生形變，造成閥座壓偏或?qū)⒏咨w壓壞等情況。圖1為標(biāo)準(zhǔn)壓裝與不合格壓裝對比圖，圖1（a）所示當(dāng)壓頭壓力達(dá)到最大值時，閥座的行進(jìn)位移并沒有達(dá)到期待值，造成壓裝失敗。導(dǎo)致壓裝不合格的原因可能是由于閥座與閥座孔之間配合的過盈量過大，也可能是由于在壓裝過程中氣缸蓋由于未被完全夾緊導(dǎo)致氣缸蓋傾斜所引起。

由于在壓裝過程中壓頭的壓力值與位移是影響壓裝過程的重要依據(jù)，所以本設(shè)計主要通過在壓裝過程中，對壓頭壓力與壓頭位移的檢測與分析，判斷壓裝是否合格。壓頭壓力值通過一應(yīng)變式壓力傳感器來進(jìn)行實時采集，通過RS232串口通信方式反饋給主控制器，而壓頭所行進(jìn)的位移則是通過主控制器讀取伺服電機剩余脈沖個數(shù)來實現(xiàn)。當(dāng)壓頭壓力達(dá)到預(yù)期值，而伺服電機的剩余脈沖個數(shù)恰好為零時，表示此次壓裝成功，否則，系統(tǒng)會自動報警，提醒工作人員壓裝過程出現(xiàn)問題。

2硬件部分

本系統(tǒng)硬件部分主要由伺服交流電機、應(yīng)變式壓力傳感器、主控制器以及液晶觸摸屏構(gòu)成。其中，伺服交流電機主要負(fù)責(zé)驅(qū)動滾珠絲杠帶動壓頭對閥座進(jìn)行壓裝[2]，并將壓裝過程中的剩余脈沖數(shù)通過RS232串口通信方式反饋給主控制器，應(yīng)變式壓力傳感器主要負(fù)責(zé)對壓頭的壓力值進(jìn)行實時監(jiān)測，并將檢測到的壓頭壓力值通過RS232串口通信反饋給主控制器，主控制器通過對得到的壓頭壓力值以及壓頭所行進(jìn)的位移進(jìn)行分析[3]，判斷壓裝結(jié)果成功或失敗，液晶觸摸屏主要負(fù)責(zé)將設(shè)定的壓頭壓力值以及壓頭所行進(jìn)的位移量輸入給主控制器，并在壓裝結(jié)束后將壓裝結(jié)果展示在屏幕上，提示工作人員壓裝成功或失敗。控制系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2：

系統(tǒng)主控制器的核心是一塊STM32芯片，作為整個控制系統(tǒng)的心臟，STM32芯片主要負(fù)責(zé)將壓力傳感器得到的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以及對伺服電機的剩余脈沖進(jìn)行計算得到壓頭所走位移，通過計算兩者之間關(guān)系，得到本次壓裝過程結(jié)果，并將運算后的結(jié)果通過RS232串口通信發(fā)送給各執(zhí)行部件。系統(tǒng)動力原件選擇松下公司的Minas A4系列的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)[4][5]，主控制器通過伺服電機I/O口向電機發(fā)送脈沖，伺服電機通過滾珠絲杠帶動壓頭移動，對閥座進(jìn)行精確壓裝。在壓力檢測方面，選擇KYOWA日本協(xié)和工業(yè)的壓力應(yīng)變式傳感器，型號為LCX-A-20KN-ID，主要負(fù)責(zé)對在壓裝過程中壓頭壓力進(jìn)行檢測，并將檢測到的壓力模擬信號通過RS232串口通信發(fā)送給主控芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[6]。在人機交互部分，選擇北京迪文公司的DGUS觸摸屏，型號為DMT80600T080 -18WT。人機交互界面主要負(fù)責(zé)輸入壓頭的壓力值與壓頭位移量，并將壓裝過程中壓力與位移關(guān)系反饋給工作人員。這一部分的設(shè)計直接決定了整個系統(tǒng)的交互性與操作便捷性。DGUS觸摸屏帶有自定義圖形數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)用戶需要設(shè)計適應(yīng)于不同場合的操作界面。

3軟件部分

本系統(tǒng)軟件部分主要包括交流伺服電機控制程序、壓力模擬信號采集程序、迪文液晶觸摸屏程序三部分[7]。壓裝過程開始后，通過液晶觸摸屏輸入壓頭壓力設(shè)定值和壓頭位移距離，控制器讀取參數(shù)，通過運算，轉(zhuǎn)換成伺服電機運行時的限制轉(zhuǎn)矩和所需脈沖量，伺服電機通過滾珠絲杠帶動壓頭向下運行，過程中，伺服系統(tǒng)采用位置控制模式，系統(tǒng)對過程中壓頭壓力以及壓頭位移進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)壓頭壓力達(dá)到設(shè)定值時，若位移量也達(dá)到要求的數(shù)值，則表示壓裝過程成功，若當(dāng)壓頭壓力達(dá)到設(shè)定值時，壓頭沒有運行到預(yù)期的位移量，則表示伺服電機已經(jīng)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)矩值，發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，壓裝失敗，系統(tǒng)會通過液晶屏進(jìn)行報警。上述操作完成后，系統(tǒng)會對伺服電機脈沖數(shù)進(jìn)行清零[8]。圖3為系統(tǒng)軟件流程圖：

通過觸摸屏輸入的參數(shù)需要通過控制器轉(zhuǎn)換成伺服電機運行時的轉(zhuǎn)矩以及脈沖量。對于轉(zhuǎn)矩，

其中：Tn為電機轉(zhuǎn)矩，N*m ；Pn為電機功率，W；n為額定轉(zhuǎn)速r/min.

其中：Ta 為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，N*m ；Fa 為壓頭壓力，N ；lD為滾珠絲杠導(dǎo)程，mm ；n1： 為絲杠傳動的效率，取95%。為了確保能夠?qū)㈤y座完全壓入閥座孔中， Tn略大于Ta ，但為防止壓裝過程中因壓力過大壓壞工件，Tn不易過大，即Tn=ηTa（η=1～1.05）。

對于脈沖數(shù)，通過實驗與計算得出，

N=

其中L為壓頭位移，mm；f為伺服電機轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)；l為滾珠絲杠的導(dǎo)程。

在壓力信號采集方面，壓力傳感器將采集到的模擬信號通過RS232串口通信方式傳輸給控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。STM32采用A/D連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，當(dāng)上一次ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束立刻開啟下一次轉(zhuǎn)換，此模式有兩種啟動方式，外部觸發(fā)以及對ADC_CR2寄存器上的ADON位進(jìn)行設(shè)置，來實現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換的啟動。每一個轉(zhuǎn)換實現(xiàn)后，若是轉(zhuǎn)換了一個規(guī)則通道，則 16位ADC_DR寄存器對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，EOC（轉(zhuǎn)換結(jié)束）被標(biāo)記，若是設(shè)置了EOCIE，則會中斷；若是轉(zhuǎn)換了一個注入通道，則 16位ADC_DRJ1寄存器對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，JEOC（注入轉(zhuǎn)換結(jié)束）被標(biāo)記，如果設(shè)置了JEOCIE位，則會中斷。

觸摸屏與主控制器同樣使用RS232進(jìn)行串口通信。在界面設(shè)計中，通過DGUS配置軟件V3.4對觸摸屏界面進(jìn)行個性化設(shè)計，按照屬性要求將數(shù)據(jù)輸入到觸控按鈕屬性設(shè)置后，即可實現(xiàn)對壓頭壓力以及壓頭位移量的輸入功能。通過對Y_Central：曲線中心軸位置；VD_Central：中心軸對應(yīng)的曲線數(shù)據(jù)值；橫軸間隔：x軸間隔；等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置來確定曲線外觀[9]。圖4為系統(tǒng)工作時液晶屏顯示的壓頭壓力與壓頭位移曲線關(guān)系。

4 結(jié)論

由于汽車行業(yè)在世界范圍內(nèi)的不斷普及與發(fā)展，汽車生產(chǎn)線的自動化程度也需要相應(yīng)的提高，其智能化控制系統(tǒng)的研制與開發(fā)等方面還處于萌芽狀態(tài)。汽車的龐大需求量為汽車發(fā)動機氣缸蓋閥座壓裝機提供了良好的契機。本設(shè)計根據(jù)被控對象的特點，開發(fā)了汽車壓裝控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對壓裝信號監(jiān)測、分析、處理以達(dá)到壓裝過程的精確控制，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和壓裝精度。

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