汽车消声器内组件隆脊装置设计

㊀第39卷第1期㊀㊀㊀㊀㊀佳木斯大学学报(自然科学版)㊀㊀Vol.39No.1㊀2021㊀年01月㊀㊀㊀JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition)㊀Jan.㊀2021
文章编号:1008-1402(2021)01-0090-05
汽车消声器内组件隆脊装置设计①
蒋㊀玲1ꎬ2ꎬ㊀张㊀超3
(1.芜湖职业技术学院电气工程学院ꎬ安徽芜湖241006ꎻ2.东南大学数学学院ꎬ江苏南京210096ꎻ
3.杰锋汽车动力系统股份有限公司ꎬ安徽芜湖241000)
摘㊀要:㊀汽车消声器内组件隆脊是对消声管局部金属进行拉伸变形ꎬ将隔板与消声管通过塑性变形连接在一起的内组件组装工艺ꎮ汽车消声器内组件隆脊装置是根据用户需求专门研制的ꎬ该设备采用伺服电机㊁PLC控制ꎬ提升了系统的工作可靠性㊁运行的稳定性和零件的加工精度ꎬ实现了生产自动化ꎬ提高了生产效率ꎬ减轻了工人劳动强度ꎮ内组件采用隆脊制造ꎬ消除了污染耗能的焊接工艺ꎬ真正做到了绿环保㊁节能高效的生产ꎬ既有经济效益又有社会效益ꎮ
关键词:㊀消声器ꎻ内组件ꎻ隆脊装置ꎻ伺服驱动ꎻPLC
中图分类号:㊀TP92.9㊀㊀㊀㊀文献标识码:㊀A
0㊀引㊀言
泄洪道汽车消声器的内组件目前主要采用焊接的生产方式ꎬ焊接过程中会产生电弧光和烟尘ꎬ电弧光中紫外光不仅会损伤皮肤组织ꎬ进入眼睛还会刺激结膜㊁角膜ꎬ从而引起巨痛ꎬ严重的情况下会引起白内障等眼病ꎮ焊接中产生的烟是由焊接烟尘(0.01~5μm固体微粒)及焊接气体混合组成ꎬ焊接工作者如果吸进大量的焊接烟尘或焊接气体的话ꎬ将会引起各种各样的身体疾病ꎮ在进行电弧焊接时会有飞溅及灼热的焊渣飞出ꎮ由于飞溅及焊渣溅到眼睛及皮肤上后引起的烫伤或由于不注意直接接触没有完全冷却的母材后造成的烫伤等是经常发生的事故ꎮ而消声器内组件隆脊设备利用材料塑性变形方式将两物体连接在一起ꎬ采用隆脊工艺生产消声器内组件达到了一次运行多处成型ꎬ单件生产周期能在30s内完成ꎬ极大的提升了生产效率ꎬ没有了焊接工艺ꎬ消除了焊接带来的不良影响ꎮ因此ꎬ采用隆脊方式生产消声器内组件是一种绿环保㊁高效节能㊁精确制造的生产方式ꎮ另外隆脊设备利用伺服电机作为动力源提升了产品的控制精度ꎮ隆脊生产工艺将逐步被人们所认识㊁所接受ꎬ也会成为人们重点研究和发展的方向ꎮ该设计已获得实用新型专利[1](专利号
ZL2015210825725)ꎮ
图1㊀力学模型图
1㊀隆脊工艺介绍
隆脊是将空心管件局部直径加以扩大而与另一工件进行连接固定的加工工序ꎬ管件局部胀形是在压力作用下使管件沿径向扩张的成形工艺ꎮ汽车消声器内组件隆脊就是将消声管局部金属拉伸变形ꎬ达到将隔板以及消声管两个零件固定在一起的内组件组装工艺ꎮ管件在胀形过程中ꎬ若仅对管件内壁施加径向压力(内胀力)ꎬ其胀形成形主要靠管件壁厚度的局部变薄和轴向的自由收缩(缩短)来完成ꎮ最终使管件的局部径向尺寸变大ꎬ其它部分的管径不变ꎮ在管件胀形部位局部变薄的
彩防滑面层涂料①收稿日期:2020-11-27
基金项目:安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2018A0700ꎬKJ2018A0692)ꎻ安徽省高校优秀中青年骨干人才国内外访学研修重点项目(gxfxZD2016359)ꎻ安徽省职业与成人教育学会2018年度教育科研规划课题(AGZ18041ꎬAGZ18014)ꎻ芜湖
职业技术学院教学团队(技能大赛资源成果转化教学团队)ꎻ芜湖职业技术学院科技创新团队(wzykjtd202005)ꎮ作者简介:蒋玲(1974-)ꎬ女ꎬ硕士ꎬ副教授ꎬ工程师ꎬ研究方向:控制工程
ꎬ汽车零部件生产设备的研制和技术升级改造ꎮ
第1期蒋㊀玲ꎬ等:汽车消声器内组件隆脊装置设计
同时ꎬ管件轴向上还伴随着自由收缩ꎬ从而让轴向收缩部分的材料补充到胀形部位ꎬ缓解了胀形区材料的不足[3]ꎮ
1.1㊀隆脊胀形系数和伸长率计算
隆脊胀形时的变形程度是受材料的极限伸长率的限制ꎬ胀形系数Kp一般用Kp=dmax/d0表示ꎬ其中dmax为管件隆脊胀形后最大直径ꎬd0为管件胀形前原始直径ꎮ则管件隆脊成形的胀形系数为
Kp=dmax/d0=54/50=1.08
其中ꎬdmax=54ꎬd0=50ꎬ而伸长率=(dmax-d0)/d0=4/50=8%ꎬ查阅手册可知ꎬ汽车消声器常用低铬铁素体不锈钢00Cr11Ti(409L)ꎬ其线性胀形系数为12.0ꎬ伸长率ȡ37%ꎬ即管件隆脊成形的胀形系数1.08小于线性胀形系数ꎬ管件的伸长率8%小于伸长率37%.所以汽车消声器可以通过一次隆脊成形来完成[4-5]
图2㊀
汽车内组件隆脊装置结构图
图3㊀隆脊模具
1.2㊀隆脊成形特点及扩径力
隆脊过程中ꎬ金属管件是在内压力p作用下自然胀形ꎬ其力学模型如图1所示ꎮ隆脊胀形变形区主要承受双向拉应力的平面应力状态和两向拉伸㊁一向压缩的应变状态ꎮ由于金属管件隆脊胀形区材料处于双向受拉的不利变形条件ꎬ其成形主要靠管件壁厚的变薄和管件轴向的自由收缩(缩短)来完成ꎬ故管件
隆脊胀形区管壁极易严重变薄甚至破裂ꎮ因此ꎬ控制隆脊胀形区管件壁厚的过度变薄和防止破裂ꎬ是隆脊胀形工艺需要考虑的主要问题[2-3]ꎮ丙烯运输
扩径力是指隆脊过程中施加在隆脊模具上的轴向作用力ꎬ是决定隆脊质量的一个重要参数ꎬ扩径力的分析计算对隆脊装置的设计都具有重要意义ꎮ
金属管件在扩径力作用下进行隆脊作业时ꎬ金属管件局部产生塑性变形ꎮ在金属管件隆脊成形过程中ꎬ管件的变形区㊁传力区的范围及尺寸不断变化和互相转化ꎬ当金属管件变形区或传力区有两种以上的变形时ꎬ需要变形力最小的变形方式会最先进入塑性状态ꎬ产生塑性变形ꎮ在金属管件隆脊工艺过程设计和隆脊模具设计时ꎬ优先选用要求最小的变形力就能够实现的变形方式ꎮ
佳木斯大学学报(自然科学版)
2021年
金属管件隆脊时变形区材料主要受切向拉应
力作用容易破裂ꎮ同时ꎬ在进气管零件锥形过渡部位隆脊胀形所需的扩径力作用ꎬ对管件传力区产生轴向力ꎬ该轴向力等于或超过纵向弯曲失稳时的临界力时就会造成管坯底部弯曲失稳ꎮ所以金属管件隆脊胀形的极限变形程度要受破裂条件限制和失稳条件限制ꎮ因此ꎬ为避免隆脊过程中管坯底部失稳ꎬ同时减少隆脊胀形中的开裂现象ꎬ需要考虑降低管件过渡部位扩口胀形所需的扩径力
图4㊀内组件装配夹具
2㊀隆脊装置结构组成
汽车消声器内组件隆脊装置由机架本体机构
伺服驱动机构㊁电控系统及模具组成ꎮ加工不同产品时更换模具即可ꎮ机架本体机构是该装置的最基本机构ꎬ支撑伺服驱动机构㊁模具机构㊁电控箱等ꎻ伺服驱动机构是该装置的动力驱动机构ꎬ将装配好孔管和隔板的夹持移动到隆脊的位置ꎬ然后主伺服电机带动隆脊模具径向扩张将孔管和隔板加工成一个整体部件ꎮ电控系统是该装备的中枢神经系统ꎬ对这个装备动作进行统一协调ꎬ按规定要求进行动作ꎻ模具机构根据产品的不同而采用不同的模具ꎮ[1]汽车消声器内组件隆脊装置的结构如图2所示ꎬ隆脊工作流程如下:先将所有的孔管和隔板装配到待隆脊的工装夹具上ꎬ然后按下启动按钮(为了安全起见采用双手启动)ꎬ工装自动夹持零件ꎬ定位伺服电机通过滚珠丝杠带动安装在导轨上的装配有零件的工装夹具运动到待隆脊的位置后停止ꎮ主伺服电机通过滚珠丝杠带动隆脊机构径向扩张ꎬ扩张到设定位置后ꎬ隆脊机构收缩复原ꎬ并通过计数器记录所加工产品的数量ꎻ定位伺服电机回到原位ꎬ松开压紧机构ꎬ取出工件ꎬ进入下一次循环工作过程ꎮ模具的活动座㊁固定座分别与主机的活动座㊁固定座通过卡槽方式相连接ꎮ模具的活动座和固定座之上分别安装有分瓣的凸缘隆脊模
具和支承芯轴ꎬ芯轴形式是圆锥的外表面ꎬ分瓣的凸缘隆脊模具形式为圆锥的内表面ꎮ隆脊模具和内组
件夹具分别如图3㊁图4所示ꎮ
3㊀控制系统设计
3.1㊀系统硬件设计web前端性能优化
选用伺服电机+减速机+丝杆的方案控制工装车运动ꎬ工装车移动速度:0-100mm/s可调ꎻ工装由零件定位工装+隆脊工装构成:选用伺服电机+滚珠丝杠控制隆脊机构ꎬ双作用气缸+双电控电磁阀控制夹紧机构ꎮ根据所要实现的功能要求㊁数据类型及I/O点数ꎬ本隆脊设备选用三菱FX2N-32MT的PLC作为控制器ꎬ对其I/O地址进行分配ꎬI/O分配表如表1所示[4-5]ꎮ
表1㊀I/O地址分配表
输入地址输出地址名称输入端口名称
输出端口回原点按钮
发光管X0工装移动脉冲信号Y0工装夹具原位X1隆脊机构扩张脉冲Y1隆脊机构原位
X2工装移动方向信号Y2启动1X3隆脊机构扩张方向
Y3启动2X4工件夹紧Y4工装上有工件X5工件松开Y5夹紧到位X6原点指示灯Y6急停按钮X7急停指示灯Y7工装移动X10系统就绪指示灯
Y10
工装移动方向控制X11隆脊机构扩张X12隆脊机构方向控制
X13工件夹紧X14工件松开
X15
㊀㊀伺服驱动器选用三菱MR-JE-40A驱动器㊁伺服电机选用HF-KN13J-S400AC电机ꎬ伺服电机控制采用脉冲串+方向信号脉冲输出形式ꎬ伺服驱动器的指令脉冲串输入脉冲数PP(CN1-10)和指令脉冲方向输入NP(CN1-35)与PLC输出端通过电缆相连接ꎬ伺服开启SON(CN1-15)㊁强制停止EM2(CN1-42)正转行程末端LSP(CN1-43)和反转行程末端LSN(CN1-44)与D0COM(CN1-46)通过电缆相连ꎬ外加伺服驱动器的控制回路电源接线:20(DICOM)与12(OPC)短接后ꎬ接到24VDC正极ꎬ46(DOCOM)接到0Vꎬ可实现对伺服电机的位置控制ꎮ触摸屏与PLC的RS232端口连接ꎬ实现PLC与触摸屏之间通信ꎮ[5]利用接线端
第1期蒋㊀玲ꎬ等:汽车消声器内组件隆脊装置设计
子连接外部设备与PLC的I/O端子ꎬ方便了设备接线和日常的维护ꎬ同时也起到了保护PLC的作用ꎬ规整了控制柜内接线ꎮ控制系统所需的各种逻辑控制均在PLC内部通过软件程序来实现ꎬ工作过程通过外部指示灯显示ꎮ考虑设备操作和日常维护的安全性ꎬ控制系统选用了电压类型相同的电气元器件ꎬ通过开关电源进行电压的转换ꎬ提供直流24V控制工作电压ꎬ为控制系统元器件供电ꎬ使其运行安全平稳ꎮ控制系统所选择的各元器件的电压类型相同ꎬ因此所有元器件共用一个开关电源ꎮ在系统设计时考虑调试和维修的方便性ꎬ电柜里安装与电源相连插座ꎬ方便了设备检修㊁维护
图5㊀PLC程序中的SFC
图6㊀急停程序
3.2㊀软件设计
隆脊设备的设计核心是控制程序设计ꎬ控制程
序的好坏关系到隆脊设备的性能㊁工作效率和可操
作性ꎮ程序设计不仅需要结合现场实际工作流程ꎬ
还要满足功能性㊁安全性和稳定性三大原则ꎮ隆脊
装置的程序设计能实现自动回原点㊁自动隆脊和手
动操作三种工作方式ꎮ
3.2.1㊀SFC块中自动隆脊和手动程序
在三菱GXWorks2软件中采用SFC的编程语
言来设计隆脊装置的PLC程序设计ꎬ其中自动隆
脊程序设计是根据隆脊设备的动作顺序ꎬ采用三菱
SFC块及程序步自带的互锁跳转功能ꎬ实现自动隆
脊操作ꎻ另外ꎬ为了避免双线圈输出问题出现ꎬ将手
动程序放在顺序功能图SFC的初始步S0步ꎬ也即
将手动程序和自动程序放在SFC块ꎮ隆脊装置的
顺序功能图中SFC块如图5所示
图7㊀初始化和原点指示灯程序
手动操作是一种间断而不连续的运行方式ꎬ其
用于更换工装模具时调试ꎬ便于对所设的参数和每
步动作慢速而仔细地检查ꎮ为了保证系统的安全
运行ꎬ在手动程序中应设置一些必要的连锁和互
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佳木斯大学学报(自然科学版)2021年
锁ꎬ如工件夹紧与松开是由双电控电磁阀实现的ꎬ为了避免2个线圈同时得电ꎬ因此Y4与Y5采用软件互锁措施ꎬ工装夹紧移动和隆脊机构扩张与收缩都属于伺服定位控制ꎬ分别设置了2个按钮ꎬ用于一个控制脉冲信号一个控制方向ꎮ音频信号分配器
在返回原点的定位控制程序中ꎬ为了保证能可靠地回到原点位置ꎬ可以采用设置一个很大的脉冲数ꎬ确
保到达原点之前不会停止发脉冲ꎬ将原点开关的常闭触点作为定位控制程序的驱动条件ꎬ达到原点ꎬ其常闭触点断开ꎬ使得驱动条件断开ꎬ定位控制指令不执行ꎬ从而确保在原点位置停止ꎮ
3.2.2㊀梯形图块
而PLC程序中急停功能㊁初始化程序以及原点指示灯程序则放在梯形图程序块ꎮ分别如图6㊁图7所示ꎮ
急停程序利用区间复位指令ZRST将所有步复位并将初始步S0激活ꎬ这样急停之后可以进行回原点操作或手动调整ꎮ
隆脊装置的控制程序结构清晰ꎬ调试㊁故障诊断和维修都很方便ꎮ
4㊀结㊀论
隆脊装置自投产以来ꎬ运行稳定ꎬ极好地完成汽车消声器内组件的生产ꎬ完全满足生产工艺要求ꎮ对安装在工装上的所有孔管和隔板自动一次性地完成它们之间的隆脊固定ꎬ取代了人工一点一点地焊接工作ꎮ该设备采用伺服电机㊁PLC控制ꎬ提升了系统的工作可靠性ꎬ运行的稳定性ꎬ实现了生产自动化ꎬ提高了生产效率ꎬ减轻了工人劳动强度ꎮ而且内组件隆脊制造ꎬ消除了污染耗能的焊接方式ꎬ真正做到了绿环保㊁高效节能的生产ꎮ
参考文献:
[1]㊀蒋玲ꎬ张超ꎬ刘玉婷ꎬ李成翔ꎬ徐文强ꎬ马绪标.一种汽车内组件隆脊装置ꎬ中国ꎬZL201521082572.5[P].2016-06-01. [2]㊀王跃臻ꎬ王延欣ꎬ陶阿嵘.不锈钢进气管扩口工艺设计[J].锻压装备与制作技术ꎬ2016ꎬ51(6):P84-86ꎬ83. [3]㊀王同海ꎬ孙胜管.管材胀形工艺分类及其变形力学特征[J].
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DesignofInnerComponentsRidgeLockingDeviceofAutomobileMuffler
JIANGLing1ꎬ2ꎬ㊀ZHANGChao3
(1.DepartmentofElectricalEngineeringꎬWuhuInstituteofTechnologyꎬWuhuAnhui241006ꎬChinaꎻ2.SchoolofMathematicsꎬSoutheastUniversityꎬNanjingJiangsu210096ꎬChinaꎻ3.JaphlPowertrainSystemCoꎬ.LtdꎬWuhuAnhui241000ꎬChina)Abstract:㊀Automotivemufflerinternalcomponentridgeisaninternalcomponentassemblyprocessinwhichlocalmetalofthemufflerisstretchedanddeformedandthebaffleandthemufflerareconnectedtogetherbyplasticdeformation.Theautomufflerassemblyridgedeviceisspeciallydevelopedaccordingtotheuser'sde ̄mand.ThedeviceadoptsservomotorandPLCcontroltoimprovethesystem'sworkingreliabilityꎬoperationsta ̄bilityandmachiningaccuracyꎬrealizeproductionautomationꎬimproveproductionefficiencyandreducethelaborintensityofworkers.Theinternalcomponentsaremadeofridgesꎬeliminatingthepollutionande
nergyconsump ̄tionoftheweldingprocessꎬtrulyachievegreenenvironmentalprotectionꎬenergysavingandefficientproductionꎬbotheconomicandsocialbenefits.
KeyWords:㊀mufflerꎻinnercomponentsꎻridgelockingdeviceꎻservodriveꎻPLC
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