水泵轴承液压压装机技术改造实践
发布时间：2013-09-30杨孟涛1 张勇2 金红伟3 王晓梅1
（1.重庆科技学院；2.重庆工商大学；3.农业部农业机械试验鉴定总站）
（1.重庆科技学院；2.重庆工商大学；3.农业部农业机械试验鉴定总站）
摘 要：对原有的水泵轴承液压压装机进行改造，采用了一种新型的压装行程精度控制的方法，设计了压装力检测和报警系统，通过基于PLC和交互式人机界面的方式实现控制功能。实施后应用效果良好。
关键词：水泵；轴承；液压压装机；行程控制；PLC；人机界面
1 引言
发动机水泵是发动机冷却系统中非常关键的部件。由于发动机水泵通常使用离心式水泵，旋转轴轴承的装配是水泵加工中的重要工序。大多数工厂采用液压压装机进行装配。但国内很多工厂的相关液压压装机仍存在较多问题，主要表现在：
（1）控制系统原始，多采用继电器、接触器组成的硬件控制系统，存在线路复杂、系统体积大、耗电多，且由于继电器触点为机械触点，工作频率较低，在频繁动作情况下寿命较短，系统故障率较高、可靠性差，当生产工艺发生变化，必须重新设计，改变硬件结构，造成时间和资金的浪费；[1]
（2）控制精度不高，虽然部分设备使用了高精度的传感器能基本达到要求，但成本很高；
（3）缺乏足够的检测、报警功能等，不能对加工、装配过程中的故障进行实时监控、报警。 针对这些问题，我们对长安马自达发动机水泵轴承液压压装机进行了技术改造，设备改造后使用至今已有三年多，效果良好、稳定。现就改造实践过程中的经验和心得与业界同仁分享，大家共同提高。
2 压装机液压系统
改造后的压装机液压原理图如图1所示。油泵主油路压力由调压溢流阀控制，它可以安装在液压压装机操作面板上，方便操作人员调整液压系统的压力。安全溢流阀调定压力高于调压溢流阀，主要起保护作用，保证液压机的压力不过载。保压溢流阀调定压力要足够低，使工件压装到位后进入保压状态时，仅提供较小的保压压力，确保液压压装机的下压动作停止。三位四通电磁阀控制压装动作的上升和下降，二位二通电磁阀控制系统是否进入保压。系统对回程过程作了处理，先让调压压力阀起作用，这时压力较大，回程较快，然后让保压调压阀起作用，一直到上限位。这时压力较小，避免了回程冲击。
关键词：水泵；轴承；液压压装机；行程控制；PLC；人机界面
1 引言
发动机水泵是发动机冷却系统中非常关键的部件。由于发动机水泵通常使用离心式水泵，旋转轴轴承的装配是水泵加工中的重要工序。大多数工厂采用液压压装机进行装配。但国内很多工厂的相关液压压装机仍存在较多问题，主要表现在：
（1）控制系统原始，多采用继电器、接触器组成的硬件控制系统，存在线路复杂、系统体积大、耗电多，且由于继电器触点为机械触点，工作频率较低，在频繁动作情况下寿命较短，系统故障率较高、可靠性差，当生产工艺发生变化，必须重新设计，改变硬件结构，造成时间和资金的浪费；[1]
（2）控制精度不高，虽然部分设备使用了高精度的传感器能基本达到要求，但成本很高；
（3）缺乏足够的检测、报警功能等，不能对加工、装配过程中的故障进行实时监控、报警。 针对这些问题，我们对长安马自达发动机水泵轴承液压压装机进行了技术改造，设备改造后使用至今已有三年多，效果良好、稳定。现就改造实践过程中的经验和心得与业界同仁分享，大家共同提高。
2 压装机液压系统
改造后的压装机液压原理图如图1所示。油泵主油路压力由调压溢流阀控制，它可以安装在液压压装机操作面板上，方便操作人员调整液压系统的压力。安全溢流阀调定压力高于调压溢流阀，主要起保护作用，保证液压机的压力不过载。保压溢流阀调定压力要足够低，使工件压装到位后进入保压状态时，仅提供较小的保压压力，确保液压压装机的下压动作停止。三位四通电磁阀控制压装动作的上升和下降，二位二通电磁阀控制系统是否进入保压。系统对回程过程作了处理，先让调压压力阀起作用，这时压力较大，回程较快，然后让保压调压阀起作用，一直到上限位。这时压力较小，避免了回程冲击。
1、保压溢流阀；2、二位二通电磁阀；3、液压缸；4、三位四通电磁阀；5、安全溢流阀；6、调压溢流阀
图1 液压原理图
3 压装行程精度控制
原有设备采用的方法是在液压压装机上设置限位柱等硬限位。如图2中的轴承压装机通过限位柱限制液压油缸的行程来保证装配精度。但如果压装件本身的精度不高时，由于限位柱的高度是恒定的，可能造成较大的装配误差。
原有设备采用的方法是在液压压装机上设置限位柱等硬限位。如图2中的轴承压装机通过限位柱限制液压油缸的行程来保证装配精度。但如果压装件本身的精度不高时，由于限位柱的高度是恒定的，可能造成较大的装配误差。
图2 限位柱控制压装行程
其它控制压装精度的方法有：
（1）机械式行程开关、无触点式的接近开关等，这种方法简单、可靠、操作方便，但其控制精度低，无法满足高精度压装加工的要求；
（2）使用直线位移传感器等高精度测试器件（如：电阻式、电磁感应式、光电式、 磁致伸缩式、超声测距式、磁栅式等）【2】，虽然可以满足精确检测控制的要求，但传感器和相应控制系统的成本较高，而且在压装件本身精度不高的情况下，仍不能满足压装精度要求，限制了应用的范围。
我们在改装的液压压装机上使用新型的行程控制装置，如图3所示。发讯弹片是其中Z关键的部件，当压装到位后，发讯弹片向PLC输入一个开关量的信号，精确控制液压系统的上、下动作，保证轴承压入水泵壳的深度。
（1）机械式行程开关、无触点式的接近开关等，这种方法简单、可靠、操作方便，但其控制精度低，无法满足高精度压装加工的要求；
（2）使用直线位移传感器等高精度测试器件（如：电阻式、电磁感应式、光电式、 磁致伸缩式、超声测距式、磁栅式等）【2】，虽然可以满足精确检测控制的要求，但传感器和相应控制系统的成本较高，而且在压装件本身精度不高的情况下，仍不能满足压装精度要求，限制了应用的范围。
我们在改装的液压压装机上使用新型的行程控制装置，如图3所示。发讯弹片是其中Z关键的部件，当压装到位后，发讯弹片向PLC输入一个开关量的信号，精确控制液压系统的上、下动作，保证轴承压入水泵壳的深度。
1、油缸活塞杆；2、压机上模；3、轴承；4、水泵壳体；5、压机下模；6、绝缘块；7、发讯弹片；8、信号线
图3 装置原理图
具体控制原理：
（1）下模、水泵壳体、液压机机身应是导电材料，它们应可靠接地；
（2）发讯弹片选用锰钢等弹性导电材料，厚度保持在0.5mm左右，这样保证其既有足够的弹性又不易变形；
（3）绝缘块可采用绝缘胶木等材料经机械加工而成。在轴承没压装到位前，保证发讯弹片悬空；
（4）当液压机上模向下运动把轴承压装到位后，发讯弹片与水泵壳体接触，如下图4，相当于发讯弹片接地，这样通过信号线输入到PLC的信号为低电平， PLC输出控制信号使液压机上模下压动作停止。
（1）下模、水泵壳体、液压机机身应是导电材料，它们应可靠接地；
（2）发讯弹片选用锰钢等弹性导电材料，厚度保持在0.5mm左右，这样保证其既有足够的弹性又不易变形；
（3）绝缘块可采用绝缘胶木等材料经机械加工而成。在轴承没压装到位前，保证发讯弹片悬空；
（4）当液压机上模向下运动把轴承压装到位后，发讯弹片与水泵壳体接触，如下图4，相当于发讯弹片接地，这样通过信号线输入到PLC的信号为低电平， PLC输出控制信号使液压机上模下压动作停止。
图4 工件压装到位的状态
该装置能满足液压机行程精确控制的要求，精度可达到±20μm以下。具体应用在压装加工时，特别适合于装配部件本身的重复尺寸精度不高的情况。该装置控制精度高、简单耐用、成本低、安装调试方便。该技术已获得实用新型专利证书（专利号：ZL 2008 20098323.9）【3】。
4 压装力检测系统
如图5所示改造后的液压压装机的效果图。我们采用S型拉压力传感器作压装力的检测。把传感器安装在油缸活塞和上模具之间。由于初始时，传感器承受上模具的重力，需要预先调零。在把轴承压入水泵壳体的过程中，传感器实时检测压装力，并通过人机界面显示出来。如果压力超出上、下限，将及时报警，并停止压装。
4 压装力检测系统
如图5所示改造后的液压压装机的效果图。我们采用S型拉压力传感器作压装力的检测。把传感器安装在油缸活塞和上模具之间。由于初始时，传感器承受上模具的重力，需要预先调零。在把轴承压入水泵壳体的过程中，传感器实时检测压装力，并通过人机界面显示出来。如果压力超出上、下限，将及时报警，并停止压装。
图5 压装力机械结构效果图
在压机床身上设置了两个接近开关，如图5所示。上限位接近开关控制油缸活塞上升的上限位。压装力检测点接近开关安装在相对上模具下限位稍高的位置，作用是当活塞带动上模具下行，到达该接近开关位置。
5 电气控制系统
5.1 控制系统的构成
如图6、7所示是系统的电气原理图和PLC的I/O电气接口图，PLC采用台达时，停止压装力的检测。这是因为如果没有该接近开关，系统将一直检测和比较压装力，由于上模具上升过程中，没有压力，如果仍作检测、判断，会产生错误报警。
5 电气控制系统
5.1 控制系统的构成
如图6、7所示是系统的电气原理图和PLC的I/O电气接口图，PLC采用台达时，停止压装力的检测。这是因为如果没有该接近开关，系统将一直检测和比较压装力，由于上模具上升过程中，没有压力，如果仍作检测、判断，会产生错误报警。
图6 电气原理图
图7 PLC的I/O电气接口图
DVP32ES00R2【4】，人机界面采用TD220小型交互式人机界面。人机界面和PLC采用RS-232通信。
图8是人机界面的压装力显示界面，它可以显示压装机的实时压装力，通过上面的“SET”键可以进入相应的参数设定界面。
图8是人机界面的压装力显示界面，它可以显示压装机的实时压装力，通过上面的“SET”键可以进入相应的参数设定界面。
图8 压装力显示界面
图9是压装力上下限设定界面，通过该界面设定压装力的上下限，当检测的实时压装力超限，PLC发出声光报警指令，并停止压装动作。
图9 压装力上下限设定界面
图10是压装时间设定界面，分别设定压装过程中的下压、保压，以及回程时的压力切换时间。参数的设定以实际的工艺要求而定。【5】
人机界面上用于设定和显示的各参数命名为数据寄存器（D），从而与PLC控制程序建立联系。
6 结论
针对原有水泵轴承液压压装机的不足之处，提出了新型的行程精度控制方法，采用了基于PLC的电气系统和交互式人机界面控制方法实现了压装行程的精确测量、压装力的自动检测、报警等功能。对于相关设备的设计和改造具有很好的指导和借鉴作用，能有效的缩短开发周期和成本，快速提升设备的自动化水平、运行精度和效率等。
参考文献
[1]郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术.东南大学出版社.2003.6
[2]邓飙,邱义,张宝生.液压缸行程检测技术研究现状.液压与气动,2008（11）
[3]杨孟涛,唐佳兵,杨波.液压机行程控制装置.实用新型专利,专利号:ZL 2008 20098323.9
[4]台达DVP系列可编程控制器实用说明书,2003.1
[5]天津罗升企业有限公司,TD220可编程操作显示器操作手册
人机界面上用于设定和显示的各参数命名为数据寄存器（D），从而与PLC控制程序建立联系。
6 结论
针对原有水泵轴承液压压装机的不足之处，提出了新型的行程精度控制方法，采用了基于PLC的电气系统和交互式人机界面控制方法实现了压装行程的精确测量、压装力的自动检测、报警等功能。对于相关设备的设计和改造具有很好的指导和借鉴作用，能有效的缩短开发周期和成本，快速提升设备的自动化水平、运行精度和效率等。
参考文献
[1]郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术.东南大学出版社.2003.6
[2]邓飙,邱义,张宝生.液压缸行程检测技术研究现状.液压与气动,2008（11）
[3]杨孟涛,唐佳兵,杨波.液压机行程控制装置.实用新型专利,专利号:ZL 2008 20098323.9
[4]台达DVP系列可编程控制器实用说明书,2003.1
[5]天津罗升企业有限公司,TD220可编程操作显示器操作手册
来源：《制造技术与机床》2010年11期