基于PLC和觸摸屏的汽車轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機控制系統(tǒng)設(shè)計*

鄭天池，王 莉，夏 超

（1.工業(yè)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(lǐng)新場景科技有限公司，江蘇蘇州 215011）

0 引言

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件包括汽車轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)等，在轉(zhuǎn)向器部分，汽車轉(zhuǎn)向臂軸是最重要的零件[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者對汽車轉(zhuǎn)向臂軸已開展了廣泛的研究，Alexandru P 等[4]在轉(zhuǎn)向器中，通過應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)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(chuàng)新應(yīng)用余弦函數(shù)，對傳動比進行過渡，實現(xiàn)傳動比曲線的一階可導(dǎo)，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(shù)移距變位用于消除齒輪的根切、增大齒厚和調(diào)整傳動中心距，有效改善齒厚分布和根切現(xiàn)象，其變位系數(shù)為事先設(shè)定的余弦變化的變位系數(shù)函數(shù)。

在實際生產(chǎn)過程中，汽車轉(zhuǎn)向臂軸的生產(chǎn)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(xiàn)臂軸的清洗及表面保護。目前，多數(shù)生產(chǎn)型制造業(yè)企業(yè)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(chǎn)生的油霧會對人體造成傷害、污染外部環(huán)境；二是噴油精度差，質(zhì)量難以保障[8]。以上噴油方式只能一個一個噴油，存在生產(chǎn)效率不高、自動化程度偏低、人工強度過大、作業(yè)安全難以保障等突出問題。

為實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向臂軸噴油工序的高自動化、優(yōu)產(chǎn)品質(zhì)量，依據(jù)汽車轉(zhuǎn)向臂軸的生產(chǎn)工藝，研制了汽車轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機，并設(shè)計了汽車轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N規(guī)格的汽車轉(zhuǎn)向臂軸，實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定和修改，同時，能夠滿足多個汽車轉(zhuǎn)向臂軸的自動連續(xù)噴油的生產(chǎn)要求。

1 環(huán)形噴油機的整機方案及控制要求

1.1 整機方案及生產(chǎn)流程

汽車轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機由機械結(jié)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)及圖形操作終端等構(gòu)成。其中，機械結(jié)構(gòu)由自動噴油裝置、動力環(huán)形滾筒線、防護罩等組成；液壓控制系統(tǒng)由節(jié)流閥、減壓閥、電磁閥、油泵、油箱、過濾器、壓力表等組成。環(huán)形噴油機整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中，汽車轉(zhuǎn)向臂軸的輸送，通過動力環(huán)形滾筒線實現(xiàn)；汽車轉(zhuǎn)向臂軸的自動噴油，通過液壓控制系統(tǒng)控制自動噴油裝置實現(xiàn)；液壓控制系統(tǒng)通過控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)噴油和停止噴油的相互切換。

圖1 環(huán)形噴油機整體結(jié)構(gòu)

環(huán)形噴油機的工作流程為：

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

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

（3）噴油工序完成后，動力環(huán)形滾筒線自動將汽車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向臂軸；

（4）重復(fù)以上步驟，實現(xiàn)對多規(guī)格、多尺寸的汽車轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形自動噴油。

1.2 控制要求

設(shè)計的汽車轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對多規(guī)格、多尺寸的汽車轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形自動噴油，在保障控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運行，還需具備以下功能要求[9-10]。

（1）實現(xiàn)自動噴油：通過控制交流電機、液壓控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對多規(guī)格、多尺寸的汽車轉(zhuǎn)向臂軸自動噴油。

（2）實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定和修改：設(shè)計的控制系統(tǒng)要滿足對多規(guī)格汽車轉(zhuǎn)向臂軸的直徑和長度參數(shù)設(shè)定和修改的功能要求，進而調(diào)整噴油量及噴油時間。

（3）實現(xiàn)系統(tǒng)運行模式的切換：系統(tǒng)運行模式要包括手動和自動兩種，兩種運行模式要能實現(xiàn)自由切換；手動運行模式用于環(huán)形噴油機的調(diào)試、檢測和維護；自動運行模式用于環(huán)形噴油機的連續(xù)運行，實現(xiàn)控制系統(tǒng)中各運動部件的協(xié)同運動。

（4）實現(xiàn)系統(tǒng)的故障檢測、報警：控制系統(tǒng)能夠檢測環(huán)形噴油機各執(zhí)行機構(gòu)及檢測部件的故障并及時報警，能夠?qū)崟r監(jiān)測并顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

2 環(huán)形噴油機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

環(huán)形噴油機控制系統(tǒng)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(huán)形噴油機控制系統(tǒng)的硬件接線如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件接線圖

2.1 PLC型號確定及I/O口分配

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

依據(jù)所設(shè)計的控制系統(tǒng)I∕O 口的數(shù)量需求，在綜合考慮系統(tǒng)使用性能、預(yù)留端口的基礎(chǔ)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(shù)為14、輸出點數(shù)為10，輸出方式為晶體管，軸定位軸數(shù)為2，擁有RS422&USB兩種高速通訊接口。

環(huán)形噴油機控制系統(tǒng)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(shù)設(shè)定與修改、系統(tǒng)運行的操作平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)、故障信息、報警信息的顯示，系統(tǒng)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?qū)⒂脩舻牟僮髦噶顚崟r傳向PLC。

2.3 傳感器型號確定

傳感器是控制系統(tǒng)運行信號的輸入源，能夠保障設(shè)備的運行安全。本系統(tǒng)使用歐姆龍的磁性接近傳感器、神視的接近傳感器等，實現(xiàn)對環(huán)形噴油機的工作狀態(tài)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(huán)形噴油機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

環(huán)形噴油機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩部分，分別是PLC控制程序設(shè)計和觸摸屏界面設(shè)計。

3.1 PLC控制程序設(shè)計

采用編程軟件GX-Works2 實現(xiàn)對PLC 控制程序的設(shè)計。GX-Works2主要是應(yīng)用PC機對PLC各類程序進行編程。PLC 控制程序設(shè)計采用模塊化模式，應(yīng)用梯形圖來實現(xiàn)。根據(jù)環(huán)形噴油機的實際運行工作要求，PLC 控制程序的設(shè)計包括手動和自動控制兩個程序，手動控制主要實現(xiàn)環(huán)形噴油機的調(diào)試、檢測、維護及運行過程的單一演示，自動控制主要實現(xiàn)環(huán)形噴油機的自動連續(xù)運行。使用USB 通訊模式，將PC 機編寫的程序?qū)隤LC 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(shè)計

觸摸屏能夠集成系統(tǒng)的手動運行和自動運行，實時監(jiān)控和顯示環(huán)形噴油機的運行狀態(tài)，并根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向臂軸的規(guī)格和尺寸進行參數(shù)的設(shè)定和修改。采用GT-Designer2 軟件編寫，實現(xiàn)對觸摸屏界面的設(shè)計。GT-Designer2 軟件具有簡單、高效、易于上手等優(yōu)點，使自動化過程更加透明、組態(tài)更加簡單、反應(yīng)更加迅速[12]。

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

圖4 觸摸屏程序設(shè)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(huán)形噴油機的主界面，如圖5所示，主界面包括“設(shè)備概要”界面、“設(shè)備調(diào)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(yīng)的界面。點擊環(huán)形噴油機的“設(shè)備調(diào)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(diào)試”界面、“噴油調(diào)試”界面、“三色燈調(diào)試”界面、“防護罩門檢測”界面，主要用于環(huán)形噴油機的調(diào)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(yīng)的界面。

圖5 主界面

圖6 設(shè)備調(diào)試界面

點擊環(huán)形噴油機的“自動噴油”界面，即可進入如圖7所示的界面?！白詣訃娪汀苯缑姘ā霸O(shè)備狀態(tài)”、“參數(shù)設(shè)定”、“運行狀態(tài)監(jiān)測”三欄，具體如下。

（1）設(shè)備狀態(tài)欄：能夠?qū)崟r顯示交流電機是否開啟、汽車轉(zhuǎn)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(shù)設(shè)定欄：能夠?qū)崿F(xiàn)對多規(guī)格多尺寸汽車轉(zhuǎn)向臂軸參數(shù)設(shè)定，主要包括“直徑”和“長度”兩個參數(shù)。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)值不同，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)噴油時間、噴油量，進而實現(xiàn)對多規(guī)格多尺寸汽車轉(zhuǎn)向臂軸的精確噴油，提升臂軸的噴油質(zhì)量。

（3）運行狀態(tài)監(jiān)測欄：用于實時監(jiān)測并顯示環(huán)形噴油機的運行狀態(tài)。

4 應(yīng)用情況分析

設(shè)計的汽車轉(zhuǎn)向臂軸環(huán)形噴油機控制系統(tǒng)已開展系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性、安全性的運行測試，測試結(jié)果良好，能夠無故障連續(xù)運行。目前，該系統(tǒng)已在多家生產(chǎn)性制造業(yè)企業(yè)實際運用，通過企業(yè)的運行結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：本系統(tǒng)連續(xù)運行周期為5 s，生產(chǎn)效率提高65%，產(chǎn)品噴油質(zhì)量提高40%，系統(tǒng)無故障連續(xù)運行率達99.99%，滿足企業(yè)高自動化、高效率、無故障連續(xù)運行的要求。同時，本系統(tǒng)具有檢測功能，有效避免因無汽車轉(zhuǎn)向臂軸造成空噴油，用流量節(jié)省30%。

5 結(jié)束語

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

（2）該系統(tǒng)具有高可靠性、穩(wěn)定性、安全性，能夠?qū)崿F(xiàn)對多規(guī)格多尺寸的汽車轉(zhuǎn)向臂軸自動噴油，無故障連續(xù)運行率高，噴油性能一致性和精準(zhǔn)性高。

（3）該系統(tǒng)操作靈活、界面可視化強、參數(shù)設(shè)置和調(diào)整方便，滿足高效率、高柔性化、高質(zhì)量的生產(chǎn)要求，為汽車生產(chǎn)企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益，具有較好的推廣和工程應(yīng)用價值。