汽車轉(zhuǎn)向管柱空載力矩及間隙在線檢測(cè)設(shè)備的研制

林明安

（廣州市嘉特斯機(jī)電制造有限公司，廣東廣州510850）

0 引言

汽車產(chǎn)業(yè)是我國(guó)21世紀(jì)的重要經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一。汽車轉(zhuǎn)向管柱作為駕駛員操控汽車的重要部件之一，其安全性和可靠性顯得尤為重要。在汽車行駛過程中，任何來自轉(zhuǎn)向管柱的異響、卡滯和回正感都會(huì)給駕駛員造成很大的心理壓力，影響行車安全。為此，研制了汽車轉(zhuǎn)向管柱的在線檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備可同時(shí)實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向管柱的空載力矩（即摩擦力）以及蝸輪蝸桿嚙合間隙的測(cè)量，并判斷測(cè)量值是否在允許范圍內(nèi)，保證了轉(zhuǎn)向管柱在裝入汽車前的質(zhì)量。

在轉(zhuǎn)向管柱發(fā)展初期，其空載力矩（即摩擦力）及蝸輪蝸桿嚙合間隙是依靠人工轉(zhuǎn)動(dòng)、人工感覺松緊度來檢測(cè)是否合格的，該方法效率低并且容易出錯(cuò)，對(duì)人工感覺要求高，人工檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，無法進(jìn)行批量生產(chǎn)。針對(duì)這個(gè)問題，在線檢測(cè)設(shè)備采用了自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)分析判斷方法，并且把檢測(cè)、計(jì)算后的結(jié)果數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳到可追溯數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

設(shè)備采用單工位自動(dòng)檢測(cè)，由機(jī)架機(jī)構(gòu)、前后左右十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)、上夾緊機(jī)構(gòu)、力矩檢測(cè)機(jī)構(gòu)、間隙檢測(cè)機(jī)構(gòu)、上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾具機(jī)構(gòu)、操作箱、電氣控制柜、工控電腦、顯示器、氣動(dòng)系統(tǒng)等組成。

（1）機(jī)架機(jī)構(gòu)：采用板材焊接而成，受力強(qiáng)，防護(hù)欄采用40×40鋁型材組裝，外裝有機(jī)玻璃，起到防護(hù)作用；配置安全光柵，可保護(hù)人身安全；啟動(dòng)按鈕位于右邊，采用拔桿開關(guān)，外加保護(hù)盒，可防止人為不小心碰觸開關(guān)而啟動(dòng)設(shè)備，急停按鈕位于左邊。

（2）前后左右十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)：左右滑臺(tái)是用于力矩檢測(cè)與間隙檢測(cè)的切換，利用伺服電機(jī)帶絲桿方式控制位置；前后滑臺(tái)是用于力矩檢測(cè)與間隙檢測(cè)時(shí)套入到轉(zhuǎn)向管柱輸出軸，利用氣缸帶機(jī)械限位控制位置。

（3）上夾緊機(jī)構(gòu)：間隙檢測(cè)時(shí)，三爪氣動(dòng)卡盤夾緊轉(zhuǎn)向管柱輸出軸，確保輸出軸固定不動(dòng)。

（4）力矩檢測(cè)機(jī)構(gòu)：套筒套入到轉(zhuǎn)向管柱輸出軸，伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱轉(zhuǎn)動(dòng)，扭矩傳感器輸出力矩?cái)?shù)值，從而轉(zhuǎn)化出空載力矩。

（5）間隙檢測(cè)機(jī)構(gòu)：氣動(dòng)回轉(zhuǎn)卡盤夾緊蝸桿端，伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，扭矩傳感器輸出力矩?cái)?shù)值，角度編碼器輸出角度，從而經(jīng)過軟件處理得出間隙值（即角度值）。

（6）上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：間隙檢測(cè)時(shí)氣動(dòng)回轉(zhuǎn)卡盤夾緊塊套入到蝸桿，利用伺服電機(jī)帶絲桿方式上下運(yùn)動(dòng)控制位置。

（7）夾具機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)向管柱殼體電機(jī)定位在下方，圓周定位，外筒橫置在V形塊上定位，旋轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)夾緊塊夾緊轉(zhuǎn)向管柱殼體上方。

（8）操作箱：配置觸摸屏，所有動(dòng)作操作在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)，電源開關(guān)及復(fù)位、急停開關(guān)集中在此。可手動(dòng)操作及自動(dòng)操作，手動(dòng)操作主要是維修及出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)使用。配置三色燈，利用三色燈來指示可運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)準(zhǔn)備就緒，處于可啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)綠燈閃爍；當(dāng)運(yùn)行時(shí)綠燈亮；當(dāng)?shù)却龝r(shí)黃燈亮；當(dāng)設(shè)備故障或零件NG時(shí)紅燈亮，并伴有聲音報(bào)警。

（9）電氣控制柜：配置三菱PLC（可編程序控器）、運(yùn)動(dòng)板卡、數(shù)據(jù)采集板卡、伺服器、繼電器、空氣開關(guān)、冷卻空調(diào)等。

（10）工控電腦、顯示器：臺(tái)灣研華工控電腦，CPU處理器Intel D525 1.8 GHz，內(nèi)存4G DDR3，硬盤2.5″SATA HDD 1T，配備光驅(qū)、USB接口、網(wǎng)卡、殺毒軟件、Win7系統(tǒng)；17″DELL顯示器。用于電腦軟件的運(yùn)行和數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的處理，保證數(shù)據(jù)的可追溯性。

（11）氣動(dòng)系統(tǒng)：由SMC氣缸、三位五通電磁閥、氣動(dòng)匯流板、氣管及接頭等組成，主要用于控制設(shè)備的動(dòng)作。由PLC及電腦軟件通過氣缸的磁性開關(guān)的信號(hào)、電磁閥的切換控制整個(gè)設(shè)備的工作有序進(jìn)行。

2 工作原理

檢測(cè)轉(zhuǎn)向管柱的軸承的松緊度及有無卡滯，判定力矩是否在要求范圍內(nèi)，是否滿足產(chǎn)品的使用性能。蝸輪蝸桿裝入殼體后，檢測(cè)蝸輪與蝸桿嚙合的齒側(cè)間隙，判定間隙是否在要求范圍內(nèi)，是否滿足產(chǎn)品的使用性能。設(shè)備動(dòng)作完成后，判斷的曲線圖和計(jì)算結(jié)果采用VB語言自主編寫的工程軟件來完成，并且數(shù)據(jù)結(jié)果上傳到可追溯數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

（1）空載力矩檢測(cè)工作原理：套筒自動(dòng)套入輸出軸端，蝸桿端不加載，伺服電動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸出軸，扭矩傳感器輸出電壓值，經(jīng)過傳感器的放大器進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成力矩值，再傳送到電腦端，伺服電機(jī)的編碼器的數(shù)值傳送到電腦端后轉(zhuǎn)換成角度值。電腦軟件以扭力為縱坐標(biāo)，以角度為橫坐標(biāo)采集數(shù)據(jù)，描繪曲線。利用電腦軟件，通過數(shù)據(jù)處理計(jì)算后得出正轉(zhuǎn)力矩平均值、反轉(zhuǎn)力矩平均值、正轉(zhuǎn)波動(dòng)值、反轉(zhuǎn)波動(dòng)值，然后以此四個(gè)值作為力矩的判斷標(biāo)準(zhǔn)，四個(gè)值在設(shè)定范圍內(nèi)，軟件自動(dòng)計(jì)算得出OK值，否則得出NG值并聲光報(bào)警。

（2）間隙檢測(cè)工作原理：將轉(zhuǎn)向管柱放在夾具上，三爪氣動(dòng)卡盤抱緊輸出軸，固定不動(dòng)，蝸桿端的氣動(dòng)回轉(zhuǎn)卡盤從下方抱緊蝸桿上的蝸桿聯(lián)軸器外圓，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到規(guī)定扭力0.15 N·m，編碼器先記錄一個(gè)方向，用于規(guī)定力矩編碼器行走的角度，然后再記錄規(guī)定力矩編碼器反方向所走的角度，電腦軟件以縱坐標(biāo)為扭力，橫坐標(biāo)為角度采集這一點(diǎn)編碼器的角度，描繪出曲線，取出圖形上扭矩0.06 N·m點(diǎn)上的角度值。然后三爪氣動(dòng)卡盤松開輸出軸，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿軸旋轉(zhuǎn)60°，再重復(fù)間隙檢測(cè)的動(dòng)作，電腦軟件采集數(shù)據(jù)并描線曲線，共檢測(cè)蝸輪端的平均圓周的6點(diǎn)?？傞g隙角度值X=正角度的絕對(duì)值X1+反角度的絕對(duì)值X2。6點(diǎn)的總間隙角度值都滿足設(shè)定范圍內(nèi)的數(shù)值要求，則視為此轉(zhuǎn)向管柱合格并且得出OK值，否則得出NG值并聲光報(bào)警。

（3）設(shè)備所有動(dòng)作完成后，軟件自動(dòng)描繪的曲線及計(jì)算的結(jié)果通過IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動(dòng)上傳到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

3 工作流程

轉(zhuǎn)向管柱裝入到設(shè)備后，自動(dòng)啟動(dòng)設(shè)備，進(jìn)行一系列的動(dòng)作并用軟件采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判定。工作流程如圖1所示。

4 結(jié)語

圖1 工作流程

使用該設(shè)備的汽車轉(zhuǎn)向管柱零部件企業(yè)表明，此轉(zhuǎn)向管柱空載力矩及間隙檢測(cè)在線檢測(cè)設(shè)備極大地保證了產(chǎn)品的合格率，提高了汽車行駛的安全性，為汽車轉(zhuǎn)向管柱零部件企業(yè)后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)提供了重要的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)減少了零部件企業(yè)的售后成本，提高了生產(chǎn)效率，從而提高了經(jīng)濟(jì)效益。該檢測(cè)設(shè)備集合了機(jī)械、電氣、工業(yè)軟件、網(wǎng)絡(luò)一體化功能，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的智能化及自動(dòng)化的典型例子。

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