汽车转向助力器皮带调节系统设计研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 25 日 作者简介：惠振兴(1986)，男，汉族，陕西汉中人，本科，电气自动化中级职称，研究方向为工业自动化设备的开发，电气系统设计，PLC 程序设计，自动化设备控制与调试。-193-汽车转向助力器皮带调节系统设计研究 惠振兴 采埃孚汽车科技（上海）有限公司，上海 201814 摘要摘要：为了避免转向助力器皮带因张紧力过大或者过小，造成人员驾车安全事故，满足转向助力器系统皮带张紧力合理设置，满足客户对不同车型转向助力器的生产，本文通过介绍西门子 S7-1500 控制的张力测试调节系统，使用英国 Clavis TYPE 系列皮带测试张力计，结合伺服驱动系统和自动拧紧系统，保证转向助力器皮带张紧力质量，确保皮带张紧力设置在合理的范围内，使设备满足不同车型转向助力器皮带张紧力的调节，提高设备的生产力。关键词：关键词：转向助力器；Clavis；SIMATIC；S7-1500；伺服系统；拧紧枪 中图分类号：中图分类号：U46 1 前景概述 电动助力转向器皮带作为汽车转向器辅助驱动系统中一个主要零部件，有着至关重要的作用，为了保证转向助力器皮带和传动系统的使用寿命，传动皮带一开始就需要保证有合适的张紧力，并且同一传动系统中所有皮带的负荷需保持一致。皮带的过分绷紧，会给轴和轴承增强不应承受的压力，导致轴和轴承的过早磨损，同时也会引起转向电机的噪音，如果皮带过松又会导致打滑，传动效率过低，也有可能会导致其他部件的损坏，甚至驾车人员安全，因此在转向助力器皮带校定一开始就需要保证合适的皮带张紧力。转向助力器皮带张紧力调节设备是转向助力器生产线上一道不可缺少的工序，其皮带张紧力是否合适，直接影响着汽车行驶过程中的安全。转向助力器皮带张紧力调节设备是通过西门子 S7-1500PLC 的 CPU 控制各个气缸，定位转向助力器，对输送线输送过来的转向助力器的皮带使用 Clavis 皮带张力计测试，伺服电机前后拉动电机调节皮带张紧力，拧紧枪拧紧电机，再使用 Clavis 皮带张力计测试，确保拧紧后皮带的张紧力与拧紧前的张紧力。2 设计难点分析（1）客户要求转向助力器皮带张紧力调节设备可以适应不同型号的车型，不同型号的车型的皮带长度，重量，要求的张紧力都不相同，而且测试位置也不相同，这就对设备的测试机构有了限制，需要采用比较灵活的伺服系统带着Clavis测试头移动到不同的位置进行测试。（2）伺服拉紧皮带测试皮带张紧力，但同一种型号的皮带之间也有重量和长度方面的差异，导致伺服拉紧皮带不是拉的太紧，就是拉的太松，因此导致皮带测试出的张紧力忽大忽小，及其不稳定，从而影响到节拍时间，调节通过率低；另外拧紧枪拧紧螺丝后可能会造成电机移动，皮带张紧力拧紧前和拧紧后的值相差过大，不在合理范围内，如何提高调节测试通过率以及设备节拍成为该设备的一大难题。3 设备设计方案 为了解决以上难点，需要从硬件选型及软件设计方面入手，分析动作流程，理解转向器皮带张紧力调节设备工作原理，使设备达到要求。3.1 转向器皮带调节设备硬件设计 本系统硬件主要包括：西门子 S7-1500 系列 PLC和 TP900 系列的触摸屏，BOSH 力士乐的伺服电机系统、IAI 电缸控制系统、WAGO 远程 IO 模块、Festo 阀岛、巴鲁夫 RFID、HBM 压力传感、BOSH 的拧紧枪，以及CALVIS 张力测试仪，PLC 与各元器件采用 Profinet 通讯和 TCP/IP 通讯，硬件组态如图 1：图 1 硬件设计（1）为了提高系统精度及稳定性，使设备能够适中国科技期刊数据库 工业 A-194-应产品多样性，用西门子 SIMATIC S7-1500 作为控制系统，SIMATIC S7-1500 是全球范围内速度最快控制器，具有高速背板总线，PROFUNET 性能和极短响应时间，CPU 命令处理时间可达 1ns，扩展能力强，具有多种通信连接，能实现复杂的运动控制，并且具有诊断功能可在生产过程中实现极高生产力，实现快速的运算，使用 SIMATIC S7-1500 能够满足设备的性能要求。（2）皮带张力测试仪作为此设备的核心仪器，使用英国Clavis皮带张力测试仪作为转向器皮带测试的仪器，Clavis 皮带张力测试仪是一种非常准确的张力检测仪器，皮带在机电锤的作用下被迫振动，振动由传感器检测，并且在信号处理之后确定振动的固有频率。在这里使用 Clavis 的 TYPE4 光学式/声学式测量仪，测量频率范围：10Hz 600Hz，显示单位为赫兹，电压 100V220V，测量装置应与皮带平行安装，传感器距离皮带表面 37mm，传感器锤子应在皮带的跨中位置撞击皮带，当锤子敲击皮带中心时可以获得最佳信号。3.2 转向器皮带张紧力调节设备结构分析 转向器皮带张力测试设备主要的就是转向器固定定位机构，以及皮带张紧力前后调节机构，皮带张紧力测试移动机构，各个机构通过 PLC 程序相互协调，最终完成皮带张紧力调节。3.2.1 转向器固定定位机构 转向器固定机构：转向器使用托盘顶升机构，托盘顶升机构用定位销保证每个托盘顶起的位置一致，托盘上转向器的外壳使用定位销确转向器位置，用气缸夹紧转向器外壳，壳体夹爪可以根据不同的产品进行更换，安装有防错传感器，如图 2：图 2 转向器固定机构 3.2.2 皮带张紧力前后调节机构 皮带张紧力调节机构：是 EPP 电机夹紧缸夹紧 EPP电机，Y 轴伺服前后运动，通过 HBM 的压传感器反馈当前拉力，整个机构安装在 W 轴伺服上，W 轴伺服上下运动，Z 轴下压丝杆伺服和下顶丝杆气缸通过上下运动，调节皮带位置，此机构采用伺服调节，可以实现不同产品不同位置皮带张紧力的调节，实现一机多用的功能，如图 3：图 3 转向器固定机构 3.2.3 皮带张紧力测试头移动机构 皮带张紧力测试移动机构是由 3 个 IAI 电缸带着Clavis 皮带张力测试仪的测试头，跟据产品的不同，实现不同位置的测试，Clavis 传感器要求距离皮带表面 37mm，测试头与皮带平行测试最佳，皮带的频率，与皮带的张力直接相关，随着皮带张力的增加，振动频率也随之增，CLAVIS 皮带张力计是通过探头传感器的敲击，使皮带产生频率，通过频率来反馈皮带张紧力的大小，频率越高，张紧力越大，频率越低，张紧力越小，IAI 电缸 X 轴，Y 轴，Z 轴 3 个方向在范围内任意点位移动，满足不同产品测试，如图 4：图 4 转向器固定机构 CLAVIS 皮带张力测量系统基于皮带的固有振动频率，该频率与皮带张力有以下关系：式中：T：皮带张力；f：皮带自振频率；中国科技期刊数据库 工业 A-195-L：跨度；m：量单位长度皮带重。3.3 动作流程分析 3.3.1 产品流入 载着转向器的托盘，通过输送线输送到本工位，产品检测传感器检测到托盘上有工件，并且通过 RFID读写头读取托盘 RFID 载体芯片内的托盘号，将 RFID内的信息传送给 MES 系统，MES 系统通过系统内比较，确认这个产品在之前的工位是否合格，不合格挡停直接放行，如果合格，MES 把上工位皮带称重的重量，传送给 PLC。3.3.2 皮带张紧力调节过程 顶升气缸将托盘顶起，产品夹爪气缸夹紧产品，上压紧气缸压紧壳体，下顶丝杠气缸伸出将丝杠顶起，Z 轴压丝杠伺服把丝杠压倒固定的位置，拧紧枪将上工位固定 EPP 电机的螺丝拧松，然后 W 轴平台上下运动伺服向下运动到避让位，Y 轴伺服运动到夹紧 EPP 电机位，W 轴平台上下运动伺服带着 EPP 电机夹紧缸夹紧EPP 电机，EPP 电机一端的齿轮连接着皮带，Y 轴伺服这时向前向后运动，EPP 电机就会起到调节皮带张紧力的作用，IAI 电缸带着 Clavis 皮带张力测试仪的测试头移动到测皮带位置，Y 轴伺服向后拉 EPP 到固定的拉力，Clavis 皮带张力测试仪开始测试 0 度时的频率，当 Clavis 皮带张力测试仪测量的值小于设定的下限，Y 轴伺服向后运动拉皮带，当 Clavis 皮带张力测试仪测量的值大于设定的上限，Y 轴伺服向前运动松皮带。当测量值在设定的范围内，Z 轴下压丝杠，使丝杠旋转带动皮带旋转，测试 0，90，180，270皮带的张紧力都在合格范围内，如果测量值大于设定设定范围的最大值，Y 轴已每次 0.1mm 运动距离向前松皮带测试，直到测量的频率小于设定范围的最大值；如果测量值小于设定范围的最小值，Y 轴已每次 0.06mm 运动距离向后拉皮带测试，直到测量的频率大于设定范围的最小值；经过上述反复测量，Y 轴将皮带调节到设定的频率范围内，拧紧枪拧紧螺丝固定当前皮带位置，当拧紧后再次测皮带当前频率，但由于各方面的原因可能会出现偏差，如偏差在范围内就判定为合格，若判定在范围外，则需要将螺丝松开，再次测试，测试 3次不合格则判定产品 NG，设备回零挡停放走托盘，设备如图 5 所示。图 5 皮带张紧力调节设备 3.3.3 设备回零 在手动模式，按设备回零按钮，3 个 IAI 电缸带着Clavis 皮带张力计的测头回到初始位，EPP 夹紧缸松开，下顶丝杠气缸缩回到初始位，W 轴伺服向下运行到避让位，Y 轴伺服回到初始位，W 轴伺服回到初始位，同时 Z 轴伺服回到初始位，上压紧气缸缩回到位，产品夹爪气缸松开产品，顶升气缸缩回。3.4 软件设计 皮带张紧力调节设备的软件采用西门子博途 V16，本文主要从读取Clavis张力计的频率和伺服电机控制两个方面设计，控制示意图如图 6：图 6 皮带张紧力调节设备控制示意图 3.4.1 Clavis 皮带张力计 Clavis 皮带张力计作为皮带张紧力调节设备的核心元器件，PLC 与 Clavis 皮带张力计之间采用开放式的 TCP/IP 通讯。通过使用西门子 TCON（建立通讯连接）指令，TSEND（通信连接发送数据）指令控制 Clavis皮带张力计测试启停，和 TRCV（通信连接接收数据）指令读取 Clavis 皮带张力计测试的频率。通过点击TCON 建立连接的指令组态，设置 PLC 端本地接口、设中国科技期刊数据库 工业 A-196-置本地连接类型、连接 ID、连接数据、设置主动建立连接本地端口号。将连接伙伴设置为未指定，设置好IP 地址，完成组态，如图 7：图 7 Clavis 皮带张力计与 S7-1500 组态 通过上述组态，使 PLC 与 Clavis 皮带张力计连接，PLC 发送指令，Clavis 测试系统开始测试。Clavis 测试命令分为单时域和重复时域两个测量模式，起初使用了单时域命令字符 S，即发送 S 命令时，敲击锤只敲击一次，发现Clavis反馈的质量系数很差，反馈的频率数据不理想，需要 PLC 多次给命令，才能完成一次测试，严重影响生产时间；于是将命令改成重复时域模式，即发送 R 命令，敲击锤持续敲击，直到 PLC 发送 T 停止命令，Clavis 反馈皮带质量系数很高，设备节拍也提高了，为了最大限度地相信测量的准确性，Clavis 反馈质量系数应该在 810 的范围内，以确保张力设置，提高设备的通过率及稳定性。在测试前应先校准 Clavis 皮带张力仪，Clavis皮带张力仪有手动校准和自动校准两种方式。手动模式：手动操作 CAL 按钮，进入 Clavis 皮带张力仪进入测量模式，应轻敲精密音叉并放置在仪表单元的光学传感器前面。将 Clavis 皮带张力计自带 250HZ 的音叉放置于测头前，音叉保持稳定，每个测量结果都将同时显示在液晶显示屏上。系统记录 249251 Hz 之间的值，显示器被设置为信号 FFT，切换到 1Hz 的分辨率的模式确认校准。自动校准模式：当命令“C”被传输到设备时，自动校准模被将调用。在这种模式下，皮带的振动信号被一个250Hz的精确校准振荡器所取代，进行测量，并始终返回 250HZ，就可以确认正确校准。3.4.2 伺服系统 伺服系统的优势在于实现了位置，速度和力矩的闭环控制，抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用。在皮带张紧力调节设备中，伺服电机起着至关重要作用，使用伺服电机可以满足设备不同位置设置，不同位置伺服移动速度设置的需求，伺服系统还起着前后调节皮带张紧力的作用，满足客户对不同产品调节张紧力的要求。在此设备中使用的是力士乐的伺服，BOSH力士乐的伺服和S7-1500之间采用Profinet通讯，伺服控制器通过 IndraWorks Ds 15V12 软件设置通讯模式，位置限制，扭矩限制，报文，编码器等，使 PLC调取做好的功能块直接控制读取伺服电机的位置，速度，如图 8：图 8 PLC 调用力士乐伺服功能块 伺服在皮带张紧力调节设备调试过程中主要就是与 Clavis 测试仪配合，伺服作为主动力，Clavis 测试仪作为反馈，伺服根据反馈向前向后调整，伺服调节张紧力程序如图 9：图 9 皮带张紧力调节程序 通过 Clavis 频率计算出张紧力，计算的当前张紧力在范围内，并且在 Clavis 测试频率质量系数大于设定的频率质量系数，调节点张紧力合格，当 Clavis 测试的当前频率大于设定范围最大值，伺服向前运行0.15mm 松皮带再次测试频率，当 Clavis 测试的当前频率小于设定范围的最小值，伺服向后运行 0.06mm 拉皮带再次测试，直到计算的当前张紧力在范围内。4 结论与建议 通过上述对转向助力器皮带调节设备的分析，伺服电机在转向助力器皮带调节设备的调节过程中占有重要的位置，利用伺服电机高精度位置控制，可以满足转向助力器皮带张紧力复杂的调节过程，亦可以满中国科技期刊数据库 工业 A-197-足客户对不同型号的车型皮带调节的需求。通过对 Clavis 皮带张力计应用研究，对皮带张紧力测试有了更深入的了解，了解皮带张紧力设置对转向辅助器产品的影响，以及皮带的振动频率和张力存在一定的关系，正确的设置皮带张紧力才能使转向器使用寿命更长，也能减少事故的发生。采用 PLC 控制的伺服系统，不仅可以满足客户对不同型号的车型皮带调节的要求，而且对后续增加其他型号车型也提供了便利，在工艺流程不变的情况下，只需要设置参数，就能快速的调试新型号，并使设备投入新型号的生产，节省了调试时间。通过对转向助力器皮带调节设备电控系统的硬件设计和软件的设计，以及设备结构的分析及调试，使设备满足设备对皮带张紧力的调试，解决皮带张紧力不稳定的问题，提高设备节拍，节约了客户的时间成本，此问题的解决不仅提高的产线的生产率与设备的稳定性，而且还为类似的设备提供了宝贵的经验。参考文献 1西门子(中国)有限公司.深入浅出西门子 S7-1200PLCJ.北京:北京航空航天大学出版社,2009(6):3.2吴中俊，黄永红.可编程控制器原理及应用J.北京：机械工业出版社,2004(5):3.3宋伯生.PLC 编程理论-算法及技巧J.北京：机械工业出版社,2005(5):6.4刘继民,黄智渊,周羽，等.张力计校准方法浅析J.仪器仪表用户,2010,17(6):7.5安兆亮,吴胜举.JJF-2009音波式皮带张力计校准规范J.音波式皮带,2011,9(5):3.