氧传感器组件装配系统设计

王璐璐，郭琳娜，邱雪峰，周 阳，邱自学

(南通大学机械工程学院，江苏南通 226019)

0 引言

氧传感器广泛应用于内燃机、发动机，尤其是汽车电喷系统中，通过测定尾气中的氧离子含量，获得混合气的空燃比信号[1-2]，将其转化成电压信号并及时反馈给电子控制单元(electronic control unit,ECU)，ECU据此对喷油时间和进气量进行修正，使混合气的浓度保持在最佳空燃比的状态，达到节约能源和净化尾气的目的[3]。

氧传感器作为检测汽车尾气中氧气含量、控制发动机燃烧比的关键部件，需求量增加[4-5]。目前国内氧传感器的组装过程主要依靠人工或半自动化的生产方式，劳动强度大，生产效率低；为满足市场需求，需分析氧传感器零部件的装配工艺、开发氧传感器自动装配设备，减少工人劳动强度、提高生产效率。

氧传感器主要由接插件组件、线束组件、金属保护罩组件等组成，其中金属保护罩组件主要包括内垫片、基座和保护罩。为提高装配效率和质量，针对金属保护罩组件的装配，设计了氧传感器组件装配机及其控制系统。氧传感器组件装配系统的研制能有效提高氧传感器的装配效率，节省人工成本和产品生产成本，为实现氧传感器的全自动化生产提供支持。

1 氧传感器零部件及装配工艺要求

内垫片、基座和保护罩是组成氧传感器的必要零部件，其结构如图1所示，三者装配完成后如图2所示，其中，基座的内锥面小端圆直径略小于内垫片的小端圆直径，基座的凸台与保护罩的凹孔过盈配合，在外力作用下紧密配合。

图1 氧传感器零部件

图2 装配完成件

根据工厂实际生产要求，确定氧传感器组件装配机的工艺要求如下：零部件出料均匀、无卡料现象；内垫片、基座和保护罩在外力作用下紧密配合在一起；连续压铆时压铆性能一致、无过压或压不牢靠现象；压铆时不能使氧传感器零部件出现开裂或机械损伤；压铆合格率高于99.5%。

2 氧传感器装配机及关键组件设计

2.1 整机设计

氧传感器组件装配系统由机械系统、传感检测系统、气动系统、PLC控制系统及图形操作终端等构成。其中，机械系统包括设备箱体、线性移动组件、支具组件、转盘上料组件、振动盘上料组件、基座送料组件、内垫片送料组件、保护罩送料组件和压铆组件，氧传感器组件装配系统的机械结构示意图如图3所示。

图3 氧传感器组件装配机示意图

氧传感器组件装配系统的工作过程如下：振动盘上料组件和转盘上料组件启动工作；内垫片送料组件通过气缸将振动盘输送的内垫片推送至支具正上方，吸盘吸取内垫片并放置于支具上；在此过程中，基座送料组件依次通过气缸和气爪将基座抓取并放置于支具上，使内垫片外锥面与基座内锥面接触；保护罩送料组件和压铆组件动作，在将保护罩预提起后，线性移动组件带动支具运动至压铆组件处；压铆组件二次动作，将保护罩与支具上的内垫片和基座装配在一起。

2.2 转盘上料组件设计

由于氧传感器基座的体积较大、质量较大，若采用振动盘上料的方式，则会产生较大噪音，干扰操作，因此设计了转盘上料组件，如图4所示，该组件主要由上料盒、拨爪、转盘、基座送料导轨、直振体和交流电机组成。

图4 转盘上料组件

交流电机的运行带动转盘转动，工人将上料盒内的基座推送至转盘上，无序的基座随转盘的转动而转动，并在拨爪的作用下被自动拨向转盘的外圆方向，依次进入基座送料导轨内，并在直振体的作用下到达气爪抓取位置。采用此方案，工人只需定时更换基座上料盒，操作简单，同时基座上料平稳，噪声小，自动化程度高。

2.3 支具组件设计

支具用于承载氧传感器内垫片、基座和保护罩。线性移动组件一般不能承受与其运动方向垂直的较大正压力，因此要求当压铆组件动作时，施加的压力不能直接作用在线性移动组件上，为此，设计了一种浮动式支具组件，如图5所示，该组件主要由承载支柱、支柱活动件、弹簧、弹簧保护罩、衬套和受力柱组成。

图5 浮动式支具组件

压铆组件运动，施加作用力于氧传感器零部件上，支柱活动件随之向下动作至受力柱顶端，使压力间接传递至机箱台面上，可以延长组件使用寿命；同时，支具组件采用分体式结构，当出现故障损伤时，易于更换。

2.4 内垫片送料组件设计

传统的内垫片送料方式为：由工人进行拾取并放置于指定工位。由于氧传感器内垫片尺寸较小，且为锥形结构，工人难以保障其抓取和放置的快速平稳性，对工人的熟练程度和操作经验要求较高，为解决上述问题，设计了内垫片送料组件，其结构如图6所示，该组件主要由内垫片推送气缸、内垫片拦挡气缸、吸盘推送气缸和吸盘组成，各气动元件在PLC的程序控制下协调动作，可以平稳地将内垫片放至支具上。

图6 内垫片送料组件

3 气动系统设计

氧传感器组件装配系统的气动控制原理图如图7所示。气源即压缩空气，由空气压缩机提供，经过气动三联件处理后达到所要求的空气质量，净化后的空气共分为9路，其中有7路经过5通先导式电磁阀和速度控制阀后分别到达相应的气缸内；一路同样通过电磁阀和速度控制阀，然后到达气爪内；还有一路通过真空发生器组件控制吸盘动作，完成对内垫片的吸取和释放。电磁阀通过PLC程序控制其通断情况，进而控制气缸的伸出与缩回动作[6]；速度控制阀采用排气节流型，对排出气流有所限制，不会造成活塞杆急速伸出或缩回，保证气缸动作的平稳性[7-8]。

图7 气动控制原理图

4 控制系统设计

控制系统通常包含信息检测单元、驱动控制单元、人机交互监控单元及电源管理单元等[9]。氧传感器装配系统采用PLC实现对各传感检测器及气缸、电机等的控制；采用图形操作终端对系统参数进行实时显示和调整。

4.1 控制系统要求

氧传感器组件装配系统对内垫片、基座和保护罩自动上料和自动装配由控制系统实现，该控制系统以PLC为核心，以触摸屏为人机交互窗口，要求具备几下功能。

(1)故障检测及报警功能：该控制系统可以自动检测各传感器工作是否正常；检测系统各执行元件，如气缸等是否到达指定位置；实时反馈和显示系统运行状态，系统非正常运行时，及时停机，并通过触摸屏和三色灯进行报警显示。

(2)状态切换功能：该控制系统包含两种控制模式，即手动控制和自动控制，并能完成两种状态间的自由切换。手动控制主要用于系统维护及调试；自动控制用于实际正常运行，实现各部件间的协调动作。

(3)停止和急停功能：分别通过“停止”按钮和“急停”按钮来实现，若按下“停止”按钮，则中断当前正在运行的动作；若按下“急停”按钮，则停止所有动作，设备停机。

4.2 PLC选型及I/O口分配

氧传感器装配系统包含25个输入点，14个输出点，总计39个点，系统的I/O口分配情况如表1所示。

根据输入、输出口数量，综合考虑PLC的性价比，选择型号为FX3U-64MT-ES-A的PLC，该款PLC自带两路高速通讯接口(RS-422和Mini-USB)，32点输入，32点输出，AC电源，220V电压，晶体管输出，能够满足设备使用要求。

4.3 PLC程序设计

PLC是一种存储程序的控制器，用户将控制程序编好并导入PLC中，PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的[10-11]。采用GX-Works2设计PLC控制程序，控制流程如图8所示。

表1 PLC的I/O分配表

图8 PLC控制流程图

4.4 图形操作终端画面设计

图形操作终端主要包括触摸屏和“启动”、“停止”和“急停”按钮[12]，用户可通过触摸屏实时进行系统状态监测和参数设定，触摸屏是简单、方便的人机交互方式[13]。

选取GS2107-WTBD型触摸屏，该型号触摸屏拥有RS422和RS232多个通信端口，能快速与PLC实现数据交换通信，满足工况使用要求。通过GT-Designer3进行触摸屏界面设计。图形操作终端的操纵界面示意图如图9所示。

图9 图形操作终端操纵界面示意图

由图9可知，氧传感器组件装配系统的图形操作终端界面共包含3层。第一层显示界面：图形操作终端通电后，2s后进入“启动界面”；第二层显示界面：“启动界面”上设计了5个触摸键，分别为“设备概要”界面、“设备调试选择”界面、“内垫片吸取”界面、“基座抓取”界面和“自动装配”界面；第三层显示界面：进入“设备调试”界面后，可根据要求进入各个界面进行点动调试，分别为“步进电机调试”界面、“交流电机调试”界面、“内垫片有无检测”界面、“基座有无检测”界面、“保护罩有无检测”界面和“三色灯调试”界面。

以步进电机的调试界面为例进行说明，其他部件的调试界面可参照设计。如图10所示，“步进电机调试”界面包括状态监测和动作调试两部分，工人可手动控制步进电机的启动和停止，从而切换和监视支具在放料工位原位与装配结束工位间的位置，若处在相应位置，则对应指示灯亮。

图10 步进电机调试界面

5 结论

(1)根据氧传感器零部件—内垫片、基座和保护罩的装配工艺要求，设计了氧传感器组件装配机及其关键组件。采用转盘上料和振动盘上料的方式，提高了氧传感器零部件的上料速率；设计了支具组件，可将压铆力间接作用于机箱台板上，延长组件使用寿命，且更换方便；设计了内垫片送料组件，可实现对薄小型垫片的平稳取放料。

(2)根据控制要求，对氧传感器组件装配机的控制系统进行设计。利用气动装置与PLC控制结合使用，便于操控，动作可靠；选取PLC FX3U-64MT-ES-A作为控制核心，触摸屏为人机交互窗口，分析PLC控制流程和触摸屏操作界面，使系统在程序控制下稳定有序地工作。

(3)目前该设备已投入实际生产使用，运行状态良好，生产效率较之前提高了52%，良品率达99.8%。