数字化控制提升发动机冷试台架柔性

杨明川 陈 鑫 李志遥 齐远飞

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

1 研究背景

北京奔驰发动机工厂冷试台架需要对发动机的机械位置、点火系统以及传感器系统等进行测试并判定发动机状态[1-2]。传统的发动机冷试台架无法兼容和匹配不同车型和高度的发动机曲轴，不仅需要每年花费大量时间进行人工维护和更换备件，还需要二次处理测试不合格的发动机，造成了大量浪费[3]。

发动机冷试台架主轴与待测发动机通过曲轴拧紧螺栓连接。配合台架按照既定的测试程序对发动机进行测试。测试完成后，发动机与测试台架主轴分离，由支撑机构支撑主轴。冷试主轴支撑机构为尼龙垫块，不具备柔性，且无法实现数字化控制，长期与主轴接触会发生磨损[4]。发生磨损后，主轴与发动机曲轴水平高度不一致，无法实现接合测试，并会中断发动机测试流程，造成发动机测试不合格。

2 冷试主轴支撑机构设计

2.1 承压能力计算及材料选择

当冷试台架完成对待测发动机的测试后，发动机与冷试台架分离，此时需要支撑机构对主轴进行支撑，如图1 所示。支撑机构与主轴直接接触且二者之间相互作用力较大，因此支撑结构对材料要求较高，不能使用金属材质，以免对主轴造成损伤。此外，支撑机构容易受到加工过程中各种因素的影响而产生变形。支撑机构在加工过程中容易受到多次装夹、多次换刀、机床产生的误差或者刀具磨损等因素的影响，因此设计使用3D 打印技术制作新的气囊结构，作为发动机冷试主轴的支撑机构。

图1 主轴支撑机构

支撑机构最重要的功能是承载整个发动机冷试台架主轴的重量，设计时需要确保其有足够的强度和承压能力。

支撑机构所承受的压力F为

式中：m为发动机冷试台架主轴质量，为50 kg；g为重力常数，这里取9.8 N·kg-1。因此，主轴支撑机构所承受的压力F为490 N。

发动机冷试台架主轴为圆柱体，故其侧面积S1为

式中：r为冷试台架主轴直径，为28 cm；h为冷试台架主轴高度，为7 cm。因此，冷试台架主轴侧面积为615.44 cm2。

发动机冷试主轴支撑机构的实际安装场景，如图2 所示。主轴支撑机构与主冷试台架主轴侧面接触，其与主轴侧面接触角度为140°，故冷试台架主轴与支撑机构的接触面积S2为239.34 cm2，主轴支撑机构单位面积所承受的压强p为

图2 发动机冷试主轴支撑机构的安装场景

经计算，p为205 021 Pa，意味着全新的主轴支撑机构单位面积承受压强能力需要不低于205 021 Pa。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）材料因具有良好的热熔性、冲击强度，成为通过熔融沉积3D 打印的首选工程塑料。将ABS预制成丝、粉末化后，打印发动机冷试台架主轴支撑机构。

2.2 3D 建模及3D 打印

3D 打印是快速成型技术的一种，又称增材制造，需要以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式构造物体[5-6]。在3D 打印前需要进行3D 建模，这里使用Solidworks 3D 建模软件创建一个数字化的主轴垫块3D 模型。最终建模成功的发动机冷试主轴支撑机构及安装细节，如图3 所示。

图3 3D 打印的发动机冷试主轴支撑机构及安装细节

首先将建立的3D 模型输入3D 打印机，生成一系列薄层切片信息；其次根据切片信息，逐层将材料加热或喷射；最后逐层堆叠，形成一个完整的主轴垫块3D 模型。打印过程中，3D 打印机根据预设的参数对材料进行加工和控制，预留M6 气管安装接头和安装固定孔，方便打印完成后安装固定支撑机构并连接气动管路。最后，对打印的主轴垫块模型进行后处理，包括去除支架、修整表面等。3D 打印可以大大缩短生产周期，降低成本，提高了生产效率和精度。

3 数字化控制系统设计

为提高发动机冷试台架的柔性化和智能化水平，通过数字化的控制方式对传统设备进行改造，利用先进的3D 打印技术制作新的主轴支撑机构，并采用新的材质与工艺，将尼龙垫块更换为3D 打印气囊结构，使其能够兼容和匹配不同车型和高度的发动机曲轴。同时，编写可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）程序，利用数字化方法实现自动化、智能化控制。在主轴与曲轴对接和分离阶段，通过程序自动控制压缩空气对气囊充气，使其膨胀至需要的高度，满足主轴与曲轴对接需求，使其能够兼容和匹配不同车型和高度的发动机曲轴。

3.1 硬件选择及设计

发动机冷试台架主轴支撑机构的控制系统设计开发了自动控制和手动控制两种模式。控制系统的构建依托PLC。软硬件的选配具有开放性、网络化和分布式的特点。系统控制设备由上下到位传感器、压力计、电磁阀、气动元件、现场控制单元、PLC 以及通信模块等组成。测试终端、PLC、现场执行器共同协作，实现对主轴支撑机构的实时监测和控制。PLC 通过以太网通信交换机接收测试终端发布的测试流程，并将其分配到各个执行单元，如图4 所示。现场位置检测传感设备采集现场数据，如主轴前进到位、主轴上下到位等信息。PLC通过输入/输出（Input/Output，I/O）及其扩展模块完成与现场各参数检测信号的联系，实现对主轴支撑机构的控制。

图4 控制系统硬件选择及设计

3.2 控制逻辑设计

发动机冷试台架主轴支撑机构的控制逻辑基于STEP7 开发完成，包括控制系统的程序编写、调试等相关操作。

在发动机测试过程中，在主轴与发动机曲轴对接和分离阶段，当PLC 收到测试终端发送的发动机曲轴与主轴需要对接的命令时，通过编写的PLC 程序自动控制主轴前进到与发动机对接位置。当主轴前进位置检测传感器检测到主轴到位信号后，PLC 控制电磁阀打开阀岛，使得压缩空气通过气动管路对气囊充气。当主轴高度位置检测传感器检测到主轴高度到位信号后，将此信号发送给PLC，随后发动机曲轴与主轴开始对接。主轴对接完成后向PLC 发送对接完成信号，PLC 向电磁阀发送关闭信号停止充气。为了不影响发动机测试，PLC 控制电磁阀将阀岛切换到排气状态，控制主轴支撑机构气囊排气。当PLC 收到测试终端发送的发动机测试结束信号后，发动机曲轴与主轴分离。PLC 程序重复上述命令，主轴支撑机构气囊再次充气，满足主轴与曲轴分离时的需求。主轴与发动机曲轴分离完成后，主轴支撑机构气囊再次排气，使其回落到需要的高度，如图5 所示。

图5 3D 打印主轴支撑机构

为了便于工作人员及时发现问题、排除故障，系统增加了主轴支撑机构状态指示、故障报警、掉电报警等信息反馈机制。当发动机冷试台架主轴支撑机构发生故障时，人机界面会有相关信息提示，设备也会有故障提示。

4 实际应用与验证

该主轴支撑机构的设计方案及数字化控制系统成功应用于北京奔驰发动机工厂冷试台架。经过6 个月的序列化生产验证和超过10 000 台发动机的测试，该设计方案很好地满足了现场设备自动化生产的需求，运行稳定，且大大提高了发动机冷试台架的柔性，可以实现不同发动机产品、不同高度曲轴之间的柔性切换，无须人工干预调整，无须硬件更改或者更换。该主轴支撑结构设计合理，产品加工工艺性能良好，很好地改善了设备工况，避免了大量停机，提高了发动机的测试合格率，大大降低了人工维护成本，减少了备件的消耗。

5 结语

文章主要针对传统的发动机冷试台架故障率高、柔性低、维护成本高等问题进行研究，通过数字化的控制方式优化传统设备。首先，计算发动机冷试台架主轴支撑机构所需要承载的压力。其次，选择相应的材质与工艺设计全新的气囊结构，利用先进的3D 打印技术制作新的主轴支撑机构，使其能够兼容和匹配不同车型和高度的发动机曲轴。最后，编写PLC 程序，利用数字化方法实现自动化控制。在主轴与曲轴对接和分离阶段，通过程序自动控制压缩空气对气囊充气，使其膨胀至需要的高度，满足主轴与曲轴对接时的需求，使其能够兼容和匹配不同车型和高度的发动机曲轴，大大提高了发动机冷试台架的柔性，同时避免了大量停机，提高了发动机的测试成功率。整套系统兼具柔性化和数字化特点，运行稳定，实现了预期的控制目标，对发动机台架的设计具有良好的借鉴意义，能够有效提高工厂自动化水平和生产效率。