電動汽車水冷機殼螺旋砂芯自動涂覆系統(tǒng)設計

韓偉，劉楚生，張建強，劉建光

（華南理工大學廣州學院， 廣東廣州 510800）

電動汽車水冷機殼螺旋砂芯自動涂覆系統(tǒng)設計

韓偉，劉楚生，張建強，劉建光

（華南理工大學廣州學院， 廣東廣州 510800）

應用現(xiàn)代控制技術設計低壓鑄造電動汽車機殼水道砂芯表面涂料自動化涂覆設備，通過步進電機驅(qū)動懸掛在導軌上的砂芯連續(xù)進入帶有攪拌裝置的涂覆箱內(nèi)，并經(jīng)傳感器反饋信號調(diào)節(jié)控制涂覆系統(tǒng)自動運轉過程和速度，改變以往運用手工逐個進行砂芯涂料涂刷的方法，達到快速均勻地涂料涂覆目的，加快生產(chǎn)效率，提高和穩(wěn)定砂芯生產(chǎn)質(zhì)量。

螺旋砂芯；涂覆裝置；傳感信號；攪拌裝置

0 引言

電動汽車的電動機機殼屬于新能源汽車動力系統(tǒng)結構零件，具有承載動力系統(tǒng)的重要作用。電動機長時間高速運轉時需要持續(xù)循環(huán)冷卻降低溫度，循環(huán)冷卻的效果決定了電動汽車功率以及整車續(xù)航能力。廣東省惠州市威盛工業(yè)公司采用了低壓鑄造鋁合金的方法生產(chǎn)水冷機殼，機殼圓筒內(nèi)壁設計成能夠接入循環(huán)冷卻液的中空螺旋水道，如圖1所示，機殼循環(huán)冷卻水道的內(nèi)部形狀由砂芯形成；低壓鑄造過程中砂芯要經(jīng)受710 ℃以上高溫的鋁合金液體熱沖擊，因此需要螺旋水道砂芯具有足夠的強度才能保證低壓鑄造過程順利進行，如果在低壓鑄造過程砂芯發(fā)生斷裂或損壞，則會在機殼內(nèi)部造成水道堵塞不暢通而造成產(chǎn)品報廢；為提高砂芯強度性能，傳統(tǒng)的做法是逐個在砂芯表面涂刷石墨涂料，在螺旋水道砂芯上形成一層保護層，使砂芯不會受高溫鋁合金液沖擊損壞斷裂等；同時涂料還能起到降低砂芯表面粗糙度、防止機殼鑄件粘砂、加固砂型表面、填塞空隙等保護作用，并產(chǎn)生屏蔽熱作用使鑄件表面合金化和晶粒細化并調(diào)節(jié)鑄件凝固溫度場，改善機殼鑄件局部表面性能和內(nèi)在結晶品質(zhì)。

圖1 水冷機殼螺旋砂芯圖

由于電動汽車低壓鑄造電動機機殼的技術發(fā)展時間較短，目前惠州市威盛工業(yè)公司使用的涂覆方法是手工操作，工人手工將砂芯逐個放入涂料桶中攪拌涂掛；這種方法除了勞動強度大、效率低之外，還很難保證涂覆均勻及品質(zhì)穩(wěn)定的要求；此外制備成形的螺旋砂芯呈半圓弧拱形，強度有限，頻繁的手工搬運容易造成損壞，生產(chǎn)效率低而且不能保證品質(zhì)穩(wěn)定；因此生產(chǎn)中急需要設計應用自動化涂覆設備替代手工操作，實現(xiàn)快速均勻涂料涂覆，充分發(fā)揮涂料功能，增強砂芯強度，提升和穩(wěn)定砂芯品質(zhì)和生產(chǎn)效率，從而提高企業(yè)電機螺旋水冷機殼的低壓鑄造生產(chǎn)效率。

1 砂芯涂裝自動化設備結構和工作流程。

根據(jù)水冷機殼的結構形狀以及砂芯生產(chǎn)工藝，結合企業(yè)具體的場地設備條件，我們設計了如圖2所示的螺旋砂芯涂料自動化涂覆設備；通過自動化機械設備和自動感應控制手段實現(xiàn)砂芯表面涂料涂覆自動化，提高了生產(chǎn)效率并穩(wěn)定砂芯品質(zhì)。

圖2 砂芯涂料自動化涂裝設備圖

1.1 系統(tǒng)結構組成

如圖2所示，傳送帶外形設計成環(huán)形，這樣方便連續(xù)循環(huán)作業(yè)，系統(tǒng)由涂覆箱、導軌、步進電機和傳送帶等部件組成，涂料自動化涂覆設備的頂部裝有驅(qū)動步進電機，電機驅(qū)動懸掛系統(tǒng)和導軌連續(xù)運轉，每間隔1.5米懸掛一件螺旋砂芯，系統(tǒng)啟動后開始進行連續(xù)涂掛作業(yè)。由于砂芯是由砂粒經(jīng)射芯機射制而成，其強度有限，而且螺旋水道砂芯的形狀復雜，涂覆過程中稍微碰撞即容易損壞，故需專門根據(jù)螺旋水道砂芯的形狀設計專用的自動化吊裝運轉機構，使用專用的卡裝吊具運載著砂芯連續(xù)運轉，替代工人手工放入涂料桶內(nèi)進行人工涂裝的傳統(tǒng)做法。其中涂覆箱設計成開口結構，箱內(nèi)裝滿配制好的涂料液體，砂芯浸入涂料液體內(nèi)進行涂覆，涂覆箱的底部安裝了攪拌葉輪，通過葉輪旋轉攪動使具有一定粘稠度的涂料液體在工作時始終處于攪動狀態(tài)，阻止石墨涂料沉淀，也持續(xù)保持了石墨涂料液體的濃度不發(fā)生變化，并替代人的手工涂刷動作。

系統(tǒng)工控箱界面如圖3所示，每當系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常時報警燈會亮起，便于操作者隨時做出反應。傳送帶的運轉速度和攪拌葉輪的轉速可由操作者根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)變化。當需要增加砂芯停留在涂覆箱內(nèi)的時間時，則調(diào)慢運轉速度，反之則調(diào)快運轉速度。

圖3 工控箱外觀圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)啟動工作時，步進電機帶動旋轉軸轉動，旋轉軸帶動主動鏈輪轉動使得由從動鏈輪、驅(qū)動軸和驅(qū)動鏈輪組成的導向機構運動，導向機構驅(qū)使吊具運動。在導軌上設置多個導向輪并掛置數(shù)個吊具，當導向機構運動到涂覆箱上方時，吊具和砂芯在斜面導軌的導向作用下進入到涂覆箱內(nèi)進行涂裝作業(yè)；此時PLC控制進入涂覆箱的砂芯在箱內(nèi)停留10~20秒時間進行涂覆；隨著傳動件的運動，砂芯連續(xù)不斷的從涂覆箱通過，提高了涂覆的效率，涂裝時不會受到人為操作因素的影響，涂覆的質(zhì)量能夠得到保證。具體的工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

2 控制系統(tǒng)工作原理和程序設計

系統(tǒng)工作控制由攪拌機調(diào)速控制、傳送帶驅(qū)動控制和PLC控制三部分組合而成，安置在不同位置的傳感器隨時反饋運轉情況，攪拌機調(diào)速控制使用變頻器控制，傳送帶驅(qū)動由步進電機完成。PLC選用三菱FX1N-24MR；攪拌機電機選用鵬丞YS7132-750W型，額定電流為6 A,對于普通粘度的液體，選擇750 W的電機就可以滿足生產(chǎn)需求。

2.1 PLC控制和檢測系統(tǒng)

系統(tǒng)一共使用了三個傳感器，其中導軌傳感器X11安置在導軌上，其作用是檢測一定的時間內(nèi)是否有砂芯工件運轉經(jīng)過并進入涂覆箱，并感應檢測系統(tǒng)傳送帶是否在順利運轉；位置傳感器X6安置在涂掛箱頂部，其作用是檢測涂料液體水位高低，判斷是否能充分完全浸沒砂芯；顏色傳感器X10檢查從涂掛箱內(nèi)出來的砂芯是否由原先的黃色變成了黑色，即砂芯是否順利進行了涂掛。具體的工作程序分成以下三個階段：

（1）獨立運行部分?？傞_關X0為ON后，X1可以隨時控制傳送帶電機的運行或者斷開，X2可以隨時控制攪拌機電機的運行或者斷開。X3和X4可以隨時設置工件在水槽浸泡涂料的時間，浸泡時間最少設置為5秒。

（2）程序主體部分?？傞_X0為ON時，對系統(tǒng)參數(shù)進行復位，設置工件在水槽浸泡涂料的時間D0為10秒，X1,X2為ON ，分別使得傳送帶Y0以及涂料攪拌機Y1運行，當工件到達水槽指定位置，X5為ON，則傳送帶Y0停止運行，等待一段時間(由D0存儲的數(shù)據(jù)決定) 涂上涂料后,傳送帶Y0繼續(xù)運行。

（3）系統(tǒng)檢測部分。在傳送帶Y0運行時，若每隔50秒內(nèi)，沒有產(chǎn)品通過檢測位置X11（X11一直為OFF），則Y2報警，表示傳送帶故障或者沒有傳送帶上沒有掛上工件；當水槽水位低于限定位置X6時，則Y3報警，提醒應該添加涂料；當工件經(jīng)過檢測位置X7時，如果傳感器X11沒有反應，則Y4報警，表示產(chǎn)品不合格。當解決故障后，按復位開關X12，則系統(tǒng)繼續(xù)運行。

2.2 PLC程序

X11、X6和X10為三個分別安裝在自動化涂掛線不同位置的傳感器，傳感信號傳至系統(tǒng)PLC時，PLC根據(jù)不同情況做出控制反應，驅(qū)動系統(tǒng)動作，PLC程序和檢測控制接線圖如圖5所示。

其中控制器航空插頭上的7根線:1.2為220 V輸入，3.4接調(diào)速電機上的勵磁線圈,5.6.7接調(diào)速電機上的測速發(fā)電機。

表1 工作控制表

圖5 系統(tǒng)PLC程序

圖6 檢測控制接線圖

2.3 攪拌裝置結構和控制方法

系統(tǒng)運轉過程中，安裝在涂覆箱底部的攪拌葉輪旋轉攪動，以免涂料發(fā)生沉淀，同時通過不斷旋轉攪動的涂料液體，使浸泡在箱內(nèi)的砂芯進一步達到均勻涂覆的目的。

圖7 涂覆箱示意圖

這樣的設計使得螺旋砂芯涂料能夠均勻涂覆在砂芯上，涂料液體的配比通過螺旋槳旋轉攪動達到持續(xù)均勻，并替代人的手工涂刷動作，從而達到提高穩(wěn)定砂芯質(zhì)量的目的。在涂覆箱的最底部還設置了一個排污閥，當需要更換另一種涂料時，可以打開排污閥排出所有涂料液體，重新裝入其它種類或配比的涂料。

綜上所述，應用調(diào)速器、傳感器和PLC等自動控制元器件可以實現(xiàn)螺旋砂芯涂料涂覆生產(chǎn)過程的自動運轉和狀態(tài)監(jiān)視操作，改變手工操作的不穩(wěn)定性及多次搬運，減少螺旋砂芯后續(xù)報廢，達到提高和穩(wěn)定電動汽車水冷機殼砂芯質(zhì)量和產(chǎn)量的目的。同時，在新能源汽車零部件制造生產(chǎn)領域中，仍有許多處于初級開發(fā)階段的落后生產(chǎn)方法和工藝，需要我們廣大技術人員不斷發(fā)現(xiàn)問題，充分運用現(xiàn)代智能控制技術和手段，開拓創(chuàng)新，才能實現(xiàn)新能源汽車大批量穩(wěn)定生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標。

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Design of automatic coating system of spiral sand core coating for electric vehicle water-cooling chassis

HAN Wei,LIU ChuSheng,ZHANG JianQiang,LIU JianGuang
(Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou 510800,Guangdong, China)

Using modern control technology of low pressure casting to design the automatic coating equipment for electric vehicle chassis channel sand core surface, by applying the stepper motor to continuously drive the sand core suspended on a guide rail into the coating box with stirring device, and then get the feedback signal of the sensor control system, to adjust and control the automatic running process and speed of coating system, so as to change the way we use manual one by one for sand core coating. Finally, it can achieve the purpose of rapid and uniform coating, accelerate the production effi ciency, improve and stabilize the quality of sand core production.

spiral sand core; coating device; sensor signal; stirring device

TG233+.7；TH164；

A；

1006-9658（2017）04-0076-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.023

2017-01-07

稿件編號:1701-1634

韓偉（1963—），男，高級實驗師，主要研究方向為有色合金鑄造技術及裝備.