浅谈机电液结合高速冲槽机的运动控制论文

浅谈机电液结合高速冲槽机的运动控制论文

　　随着我国整体经济水平的提高，汽车消费拉动汽车制造业迅速发展，使得液力自动变速器( 简称AT) 的需求量不断攀升。液力耦合器是AT 中的关键零部件，到目前为止，其核心技术一直为国外公司所掌握，AT 的配套问题已成为制约国产汽车制造业进一步发展的瓶颈，而主要技术难题之一就是高速冲槽工艺。高速冲槽机是实现液力耦合器涡轮盘片冲槽工艺的专用加工设备，技术关键点是需要保证高速、高精度的自动间歇分度装置与冲槽运动实现精准配合，才能获得高质量的成品。

　　在呈圆弧形的轮盘圆周上，均匀分布着27 个窄槽，窄槽尺寸为1. 5 mm × 10 mm。在对其进行高速冲压的过程中，对涡轮轮盘的分度精度、冲头的运动精度、冲头的材料及其热处理硬度以及涡轮轮盘的分度动作与冲头动作之间的互锁都有着严格的要求，高速冲槽机既要控制涡轮轮盘进行高速间歇分度运动，又要在每个分度停歇时间内实现准确而迅速的冲槽运动。同时，随着液力耦合器型号的变化，涡轮轮盘片参数有相应变化，设备要求能通过调整设置，适应于不同要求下的盘片加工。在以往的高速冲槽机设计中，常见于单方面倚重电气控制或机械设计来解决分度与冲槽的运动控制，其结果是: 偏重机械结构的实现法，不能做到对产品变化的灵活适应; 偏重计算机实现运动控制的方案，可靠性和制造成本制约了技术应用。为了能够既满足高效性与经济性的共同要求，又能可靠实现工艺要求的加工运动，在新型高速冲槽机的设计中，提出采用机械、电气、液压相结合控制的方案，实现设备的运动控制。

　　1 间歇机构的选型与设计

　　根据生产纲领要求，液力耦合器涡轮轮盘片的分度与冲槽频率要达到54 次/min，间歇机构的动静比为1∶ 1，相邻槽的分度角为15. 652°，间歇机构必须满足高速、高精度、小分度角等技术要求。在各类机械中，能够将主动件的连续运动转换成从动件有规律的停歇运动的机构称为间歇运动机构。间歇机构能够实现周期性的运动和停歇，以实现液力耦合器涡轮轮盘片的分度运动，为凸模的冲槽动作创造工作时间。

　　常用的间歇运动机构有4 种: 棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮式间歇运动机构。轮齿式棘轮机构运动可靠，但是存在空程和冲击，且不能实现自锁，在高速时尤其严重，而摩擦式棘轮机构虽然运动平稳，但是运动准确性差，因此棘轮机构不宜用于运动速度且精度要求高的分度场合; 槽轮机构结构相对简单，并且效率高，能准确控制转角，运动较平稳，但是槽轮结构的分度角不宜过小，且不适用于高速场合; 不完全齿轮机构难以实现小的分度角，也不适用于高速、高精度运行场合; 凸轮间歇运动机构与以上3 种常用机构相比较，具有运动速度高、传动精度高的特点，可以在较大范围内实现不同运动规律和分度角，是较为理想的间歇运动机构。对于高速、高精度间歇分度运动，可采用弧面凸轮分度机构来实现。

　　弧面凸轮分度机构是把连续回转运动转化为步进动作的新型传动机构，它具有高速性能好、运转平稳、定位时自锁、结构紧凑、体积小、噪声低、寿命长等显著优点，是代替槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构等传统间歇机构的理想功能部件。作者根据液力耦合器涡轮轮盘片分度数以及最佳滚子直径分布，新设计了中心距为150 mm、滚子直径19 mm、分度数为27、动静比为1 ∶ 1 的弧面凸轮分度机构。

　　2 分度运动与冲击动作的配合

　　涡轮轮盘的冲槽动作，需要较大的冲击力，并能在弧面凸轮分度机构的短暂间歇期内迅速完成，因此，需要采用专用冲击油缸来实现，冲击动作必须干脆利落，要求与凸轮分度动作严格互锁。也就是说，在对涡轮轮盘上均匀分布的窄槽进行冲压的过程中，分度动作没有完成时，液压冲击油缸不能进行冲槽动作; 同样，液压冲击缸的冲槽动作没有完成，冲头没有归位时，分度动作禁止进行，否则就会损坏冲头或造成凸轮分度机构故障。为此，采用检测装置结合控制系统实施多点互锁，很好地解决了高速分度运动与高速冲槽运动之间的互锁联动问题，其原理见图3: 图中以圆周归位检测传感器SQ1 作为涡轮盘圆周运动的始末监测点，标定零件冲槽周期;分度检测传感器SQ3 的显性信号脉宽标定冲击动作时隙( > 500 ms); 冲头检测传感器SQ2 指示冲头归位状态。在此设计下: (1) 冲击动作条件为“SQ2ON”& “SQ3 OFF→ON”，即分度到位，进行冲击;(2) 分度运动限制条件为“SQ2 OFF”，即冲击未结束，禁止进行分度运动。作为安全保护措施，这种连锁关系是运动配合设计的一个关键问题，由于分度间歇时隙由凸轮机构实现，主动电机在正常工作时是连续运行的，所以当分度运动限制条件出现时，控制系统需要分两种情况来处理，以判断调用不同的紧急故障处理程序:(1) SQ3 OFF: 立即停止主动电机;(2) SQ3 ON: SQ3 上升沿信号0. 5 s 后，停止主动电机。

　　3 控制系统组成与功能

　　电气控制系统在高速冲槽机中有两方面的作用:一方面实现冲槽运动与间歇运动的互锁控制，另一方面实现设备的人机交互操作。根据控制任务的需求与经济性，系统控制核心采用台达二代标准薄型主机DVPSS2，以检测传感器信息、控制执行电器动作，并保证设备小型化的设计要求;设计触摸屏作为人机交互界面，提供操作平台，取代传统按键指示灯操作面板，使设备外观简洁、参数调节易于实现，同时可以提供更全面的系统信息，包括系统计数、工位状态图示、故障类型及详细处理信息等。与凸轮机构配合的系统工作流程以圆周归位检测传感器SQ1 有效信号为起始，即当有涡轮轮盘被放入并夹紧后，激活触摸屏上加工启动按钮，系统开始运行，分度机构电机启动并带动凸轮旋转，涡轮轮盘随凸轮机构一起实现动静比为1 ∶ 1 的间歇运动，控制系统通过SQ2 记录冲槽次数，待SQ1 再次有效，且冲槽计数正确(计数值= 27)两个条件同时满足时，结束一个加工周期，分度电机停止、压盘释放，触摸屏声光提示加工完成。在加工过程中，任何不符合正常信号时序的状态，一经控制系统检测到，立即终止当前加工，报警并显示故障描述;操作者也可以通过与PLC 连接的急停操作按钮，在紧急情况下，人为终止加工进程，系统同样给出故障描述，以作为进一步故障分析的基础。

　　4 结束语

　　作为液力耦合器制造中的关键设备，倚重先进的凸轮设计技术优势，采用机、电、液结合的控制方案，理想地解决了高速冲槽机的互锁控制问题，实现了设备高速、高精度、安全、稳定的运行，确保了液力耦合器涡轮轮盘片的加工质量和生产效率，为该领域提供了新的实践应用。该系统经过近一年的运行，证明该系统具有分度精度高、加工效率高、产品质量高、设备运行稳定等特点，为汽车液力自动变速器的国产化提供了关键设备。

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