韓偉，劉楚生，張建強(qiáng)，劉建光

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院， 廣東廣州 510800）

電動(dòng)汽車(chē)水冷機(jī)殼螺旋砂芯自動(dòng)涂覆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓偉，劉楚生，張建強(qiáng)，劉建光

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院， 廣東廣州 510800）

應(yīng)用現(xiàn)代控制技術(shù)設(shè)計(jì)低壓鑄造電動(dòng)汽車(chē)機(jī)殼水道砂芯表面涂料自動(dòng)化涂覆設(shè)備，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)懸掛在導(dǎo)軌上的砂芯連續(xù)進(jìn)入帶有攪拌裝置的涂覆箱內(nèi)，并經(jīng)傳感器反饋信號(hào)調(diào)節(jié)控制涂覆系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程和速度，改變以往運(yùn)用手工逐個(gè)進(jìn)行砂芯涂料涂刷的方法，達(dá)到快速均勻地涂料涂覆目的，加快生產(chǎn)效率，提高和穩(wěn)定砂芯生產(chǎn)質(zhì)量。

螺旋砂芯；涂覆裝置；傳感信號(hào)；攪拌裝置

0 引言

電動(dòng)汽車(chē)的電動(dòng)機(jī)機(jī)殼屬于新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)零件，具有承載動(dòng)力系統(tǒng)的重要作用。電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要持續(xù)循環(huán)冷卻降低溫度，循環(huán)冷卻的效果決定了電動(dòng)汽車(chē)功率以及整車(chē)?yán)m(xù)航能力。廣東省惠州市威盛工業(yè)公司采用了低壓鑄造鋁合金的方法生產(chǎn)水冷機(jī)殼，機(jī)殼圓筒內(nèi)壁設(shè)計(jì)成能夠接入循環(huán)冷卻液的中空螺旋水道，如圖1所示，機(jī)殼循環(huán)冷卻水道的內(nèi)部形狀由砂芯形成；低壓鑄造過(guò)程中砂芯要經(jīng)受710 ℃以上高溫的鋁合金液體熱沖擊，因此需要螺旋水道砂芯具有足夠的強(qiáng)度才能保證低壓鑄造過(guò)程順利進(jìn)行，如果在低壓鑄造過(guò)程砂芯發(fā)生斷裂或損壞，則會(huì)在機(jī)殼內(nèi)部造成水道堵塞不暢通而造成產(chǎn)品報(bào)廢；為提高砂芯強(qiáng)度性能，傳統(tǒng)的做法是逐個(gè)在砂芯表面涂刷石墨涂料，在螺旋水道砂芯上形成一層保護(hù)層，使砂芯不會(huì)受高溫鋁合金液沖擊損壞斷裂等；同時(shí)涂料還能起到降低砂芯表面粗糙度、防止機(jī)殼鑄件粘砂、加固砂型表面、填塞空隙等保護(hù)作用，并產(chǎn)生屏蔽熱作用使鑄件表面合金化和晶粒細(xì)化并調(diào)節(jié)鑄件凝固溫度場(chǎng)，改善機(jī)殼鑄件局部表面性能和內(nèi)在結(jié)晶品質(zhì)。

圖1 水冷機(jī)殼螺旋砂芯圖

由于電動(dòng)汽車(chē)低壓鑄造電動(dòng)機(jī)機(jī)殼的技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，目前惠州市威盛工業(yè)公司使用的涂覆方法是手工操作，工人手工將砂芯逐個(gè)放入涂料桶中攪拌涂掛；這種方法除了勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低之外，還很難保證涂覆均勻及品質(zhì)穩(wěn)定的要求；此外制備成形的螺旋砂芯呈半圓弧拱形，強(qiáng)度有限，頻繁的手工搬運(yùn)容易造成損壞，生產(chǎn)效率低而且不能保證品質(zhì)穩(wěn)定；因此生產(chǎn)中急需要設(shè)計(jì)應(yīng)用自動(dòng)化涂覆設(shè)備替代手工操作，實(shí)現(xiàn)快速均勻涂料涂覆，充分發(fā)揮涂料功能，增強(qiáng)砂芯強(qiáng)度，提升和穩(wěn)定砂芯品質(zhì)和生產(chǎn)效率，從而提高企業(yè)電機(jī)螺旋水冷機(jī)殼的低壓鑄造生產(chǎn)效率。

1 砂芯涂裝自動(dòng)化設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作流程。

根據(jù)水冷機(jī)殼的結(jié)構(gòu)形狀以及砂芯生產(chǎn)工藝，結(jié)合企業(yè)具體的場(chǎng)地設(shè)備條件，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2所示的螺旋砂芯涂料自動(dòng)化涂覆設(shè)備；通過(guò)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備和自動(dòng)感應(yīng)控制手段實(shí)現(xiàn)砂芯表面涂料涂覆自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率并穩(wěn)定砂芯品質(zhì)。

圖2 砂芯涂料自動(dòng)化涂裝設(shè)備圖

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

如圖2所示，傳送帶外形設(shè)計(jì)成環(huán)形，這樣方便連續(xù)循環(huán)作業(yè)，系統(tǒng)由涂覆箱、導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)和傳送帶等部件組成，涂料自動(dòng)化涂覆設(shè)備的頂部裝有驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)懸掛系統(tǒng)和導(dǎo)軌連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，每間隔1.5米懸掛一件螺旋砂芯，系統(tǒng)啟動(dòng)后開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)涂掛作業(yè)。由于砂芯是由砂粒經(jīng)射芯機(jī)射制而成，其強(qiáng)度有限，而且螺旋水道砂芯的形狀復(fù)雜，涂覆過(guò)程中稍微碰撞即容易損壞，故需專(zhuān)門(mén)根據(jù)螺旋水道砂芯的形狀設(shè)計(jì)專(zhuān)用的自動(dòng)化吊裝運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使用專(zhuān)用的卡裝吊具運(yùn)載著砂芯連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，替代工人手工放入涂料桶內(nèi)進(jìn)行人工涂裝的傳統(tǒng)做法。其中涂覆箱設(shè)計(jì)成開(kāi)口結(jié)構(gòu)，箱內(nèi)裝滿配制好的涂料液體，砂芯浸入涂料液體內(nèi)進(jìn)行涂覆，涂覆箱的底部安裝了攪拌葉輪，通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)使具有一定粘稠度的涂料液體在工作時(shí)始終處于攪動(dòng)狀態(tài)，阻止石墨涂料沉淀，也持續(xù)保持了石墨涂料液體的濃度不發(fā)生變化，并替代人的手工涂刷動(dòng)作。

系統(tǒng)工控箱界面如圖3所示，每當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警燈會(huì)亮起，便于操作者隨時(shí)做出反應(yīng)。傳送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和攪拌葉輪的轉(zhuǎn)速可由操作者根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)變化。當(dāng)需要增加砂芯停留在涂覆箱內(nèi)的時(shí)間時(shí)，則調(diào)慢運(yùn)轉(zhuǎn)速度，反之則調(diào)快運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

圖3 工控箱外觀圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)啟動(dòng)工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)使得由從動(dòng)鏈輪、驅(qū)動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)鏈輪組成的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)驅(qū)使吊具運(yùn)動(dòng)。在導(dǎo)軌上設(shè)置多個(gè)導(dǎo)向輪并掛置數(shù)個(gè)吊具，當(dāng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到涂覆箱上方時(shí)，吊具和砂芯在斜面導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下進(jìn)入到涂覆箱內(nèi)進(jìn)行涂裝作業(yè)；此時(shí)PLC控制進(jìn)入涂覆箱的砂芯在箱內(nèi)停留10~20秒時(shí)間進(jìn)行涂覆；隨著傳動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)，砂芯連續(xù)不斷的從涂覆箱通過(guò)，提高了涂覆的效率，涂裝時(shí)不會(huì)受到人為操作因素的影響，涂覆的質(zhì)量能夠得到保證。具體的工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

2 控制系統(tǒng)工作原理和程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作控制由攪拌機(jī)調(diào)速控制、傳送帶驅(qū)動(dòng)控制和PLC控制三部分組合而成，安置在不同位置的傳感器隨時(shí)反饋運(yùn)轉(zhuǎn)情況，攪拌機(jī)調(diào)速控制使用變頻器控制，傳送帶驅(qū)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)完成。PLC選用三菱FX1N-24MR；攪拌機(jī)電機(jī)選用鵬丞YS7132-750W型，額定電流為6 A,對(duì)于普通粘度的液體，選擇750 W的電機(jī)就可以滿足生產(chǎn)需求。

2.1 PLC控制和檢測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)一共使用了三個(gè)傳感器，其中導(dǎo)軌傳感器X11安置在導(dǎo)軌上，其作用是檢測(cè)一定的時(shí)間內(nèi)是否有砂芯工件運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)并進(jìn)入涂覆箱，并感應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)傳送帶是否在順利運(yùn)轉(zhuǎn)；位置傳感器X6安置在涂掛箱頂部，其作用是檢測(cè)涂料液體水位高低，判斷是否能充分完全浸沒(méi)砂芯；顏色傳感器X10檢查從涂掛箱內(nèi)出來(lái)的砂芯是否由原先的黃色變成了黑色，即砂芯是否順利進(jìn)行了涂掛。具體的工作程序分成以下三個(gè)階段：

（1）獨(dú)立運(yùn)行部分?？傞_(kāi)關(guān)X0為ON后，X1可以隨時(shí)控制傳送帶電機(jī)的運(yùn)行或者斷開(kāi)，X2可以隨時(shí)控制攪拌機(jī)電機(jī)的運(yùn)行或者斷開(kāi)。X3和X4可以隨時(shí)設(shè)置工件在水槽浸泡涂料的時(shí)間，浸泡時(shí)間最少設(shè)置為5秒。

（2）程序主體部分?？傞_(kāi)X0為ON時(shí)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行復(fù)位，設(shè)置工件在水槽浸泡涂料的時(shí)間D0為10秒，X1,X2為ON ，分別使得傳送帶Y0以及涂料攪拌機(jī)Y1運(yùn)行，當(dāng)工件到達(dá)水槽指定位置，X5為ON，則傳送帶Y0停止運(yùn)行，等待一段時(shí)間(由D0存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)決定) 涂上涂料后,傳送帶Y0繼續(xù)運(yùn)行。

（3）系統(tǒng)檢測(cè)部分。在傳送帶Y0運(yùn)行時(shí)，若每隔50秒內(nèi)，沒(méi)有產(chǎn)品通過(guò)檢測(cè)位置X11（X11一直為OFF），則Y2報(bào)警，表示傳送帶故障或者沒(méi)有傳送帶上沒(méi)有掛上工件；當(dāng)水槽水位低于限定位置X6時(shí)，則Y3報(bào)警，提醒應(yīng)該添加涂料；當(dāng)工件經(jīng)過(guò)檢測(cè)位置X7時(shí)，如果傳感器X11沒(méi)有反應(yīng)，則Y4報(bào)警，表示產(chǎn)品不合格。當(dāng)解決故障后，按復(fù)位開(kāi)關(guān)X12，則系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。

2.2 PLC程序

X11、X6和X10為三個(gè)分別安裝在自動(dòng)化涂掛線不同位置的傳感器，傳感信號(hào)傳至系統(tǒng)PLC時(shí)，PLC根據(jù)不同情況做出控制反應(yīng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作，PLC程序和檢測(cè)控制接線圖如圖5所示。

其中控制器航空插頭上的7根線:1.2為220 V輸入，3.4接調(diào)速電機(jī)上的勵(lì)磁線圈,5.6.7接調(diào)速電機(jī)上的測(cè)速發(fā)電機(jī)。

表1 工作控制表

圖5 系統(tǒng)PLC程序

圖6 檢測(cè)控制接線圖

2.3 攪拌裝置結(jié)構(gòu)和控制方法

系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，安裝在涂覆箱底部的攪拌葉輪旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)，以免涂料發(fā)生沉淀，同時(shí)通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)的涂料液體，使浸泡在箱內(nèi)的砂芯進(jìn)一步達(dá)到均勻涂覆的目的。

圖7 涂覆箱示意圖

這樣的設(shè)計(jì)使得螺旋砂芯涂料能夠均勻涂覆在砂芯上，涂料液體的配比通過(guò)螺旋槳旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)達(dá)到持續(xù)均勻，并替代人的手工涂刷動(dòng)作，從而達(dá)到提高穩(wěn)定砂芯質(zhì)量的目的。在涂覆箱的最底部還設(shè)置了一個(gè)排污閥，當(dāng)需要更換另一種涂料時(shí)，可以打開(kāi)排污閥排出所有涂料液體，重新裝入其它種類(lèi)或配比的涂料。

綜上所述，應(yīng)用調(diào)速器、傳感器和PLC等自動(dòng)控制元器件可以實(shí)現(xiàn)螺旋砂芯涂料涂覆生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和狀態(tài)監(jiān)視操作，改變手工操作的不穩(wěn)定性及多次搬運(yùn)，減少螺旋砂芯后續(xù)報(bào)廢，達(dá)到提高和穩(wěn)定電動(dòng)汽車(chē)水冷機(jī)殼砂芯質(zhì)量和產(chǎn)量的目的。同時(shí)，在新能源汽車(chē)零部件制造生產(chǎn)領(lǐng)域中，仍有許多處于初級(jí)開(kāi)發(fā)階段的落后生產(chǎn)方法和工藝，需要我們廣大技術(shù)人員不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，充分運(yùn)用現(xiàn)代智能控制技術(shù)和手段，開(kāi)拓創(chuàng)新，才能實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)大批量穩(wěn)定生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)。

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Design of automatic coating system of spiral sand core coating for electric vehicle water-cooling chassis

HAN Wei,LIU ChuSheng,ZHANG JianQiang,LIU JianGuang
(Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou 510800,Guangdong, China)

Using modern control technology of low pressure casting to design the automatic coating equipment for electric vehicle chassis channel sand core surface, by applying the stepper motor to continuously drive the sand core suspended on a guide rail into the coating box with stirring device, and then get the feedback signal of the sensor control system, to adjust and control the automatic running process and speed of coating system, so as to change the way we use manual one by one for sand core coating. Finally, it can achieve the purpose of rapid and uniform coating, accelerate the production effi ciency, improve and stabilize the quality of sand core production.

spiral sand core; coating device; sensor signal; stirring device

TG233+.7；TH164；

A；

1006-9658（2017）04-0076-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.023

2017-01-07

稿件編號(hào):1701-1634

韓偉（1963—），男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)橛猩辖痂T造技術(shù)及裝備.