摘 要：汽车制动软管(俗称刹车管)，是使用在汽车制动系统中的零部件，是燃油汽车制动系统中除管接头之外用于传输或储存液压油、气体或真空等介质用来提供汽车制动器加力的可弯曲、有一定弹性的柔性导管[1]。它的主要作用是汽车在制动过程中，通过它里面的介质流动和传递，保证汽车制动时，制动执行元件制动蹄或制动钳得到需要的制动力，使制动行为随时有效。汽车制动软管质量的好坏与汽车安全性能的高低息息相关，生产出合格的汽车制动软管中关键一环是将不定长的软管按规范裁剪成设计中要求的一定长度的管子，这环节就需要一种特制的制动软管切管机。本文介绍的是一款将一定长度的软管，按要求长度自动切割的机器的研制，怎样提高切管速度、保证保证切管精度是难点，但还有更加难的点是将定长管切割成2种要求长度，自动计算每种要求的管子裁剪数量，做到尽可能的余料（即尾料）最短，即套裁。在裁剪之前怎么计算出被裁定长管子的长度和裁剪过后2种长度的管子自动分拣是技术难点。这种设备目前市场上还是空白。基于此，本项目采用可编程控制器（PLC）作为核心控制单元，配备多种执行器件组成完整的控制系统，对实验所需的电机驱动系统、气动系统、感应器件及动作执行元件控制。在保留其各组成部分独立性的基础上，作者充分利用市场上现有成熟的可靠的功能性产品，设计出一台具有特殊功能的制动软管自动切管机。
关键词：制动软管；套裁；自动分拣；自动切管机
1.前言
1.1 定长制动软管切管机设计的起因
国内大多数汽车制动软管生产厂家基本都有有多条制动软管生产线，其中有一部分是连续橡胶硫化生产线；但绝大部分生产线还是传统方式，生产出来的每根软管定长5米。汽车的实际使用中，制动软管按车辆型号、使用要求，基本用的都是120mm---600mm的软管，这就需要将定长管进行切割。国内目前除了人工切割外，也有一些专一的切管设备，但除了精度、速度不能很好的达到要求外，就是不能将一根5米长（或其它长度）的定长管进行2种规格的套裁，以达到尾料浪费最少的设备。作者根据制动软管套裁生产需求，研制本系列定长自动制动软管切管机[2]。
1.2 定长制动软管切管机设计的理念
定长制动软管自动切管机的组成原理图如图 1所示，作者设计的自动切管机主要由机电一体化主机、伺服电机、窝轮机构、离合机构、上料机构、软管自动定位系统、软管自动装夹系统、原料周转机构、测长装置、切割机构、产品输送机构、软管上料系统、摩擦轮送件系统、夹具、触摸屏人机界面、光电传感器、废料分离装置、落料装置、电气控制系统、分拣机构以及收集筐等组成。为保证效率的提高，设计成双通道切管；为保证切管精度，作者设计第一步送料电机自带编码器初步送料，在送料过程中专门装置一个编码器精确计算，最后还采用一光纤感应开关强行定位检测。套裁威澳门尼斯人官网欢迎您采用穷举法，自动找到最经济、最实惠的一组数量比对每根定长软管进行切割。分拣结构威澳门尼斯人官网欢迎您采用光电感应判断长短管，气动抓手进行分拣。
1.3 定长制动软管切管机设计的历史背景
汽车制动软管质量的好坏与汽车安全性能的高低息息相关，怎么生产出合格的高性能的汽车制动软管是汽车配件厂要考虑的头等大事。在制动软管刚开始用在车辆上时，人们对软管进行人工裁剪，就是按设计要求的尺寸，先定位好制动软管，然后人为用力切断软管，形成一成品[3]。
人工切管效率低下，发展成为机器切管。目前市场上生产机器切管机的厂家有好多，切管机的形式也各种各样，怎样保证切管机送料速度和定位精度，各个厂家都精心研究，投入众多精力。威澳门尼斯人官网欢迎您采取的方法是两次测量，再第三次定位方法，既很好地保证了切管的精度，又没有太多浪费切管速度。在实际生产中，用自动切管机对定长制动软管裁剪时，出现一个问题，就是裁剪单一长度的制动软管，大多数尾料浪费都特别大，这就需要套裁，即把一根定长管裁剪成两种规格的产品，只要两种规格的产品占比数量分配合理，尾料就不会浪费太多。
1.4 定长制动软管自动切管机设计过程中需注意的问题
定长制动软管智能自动切管机是新研究开发的一种制动软管裁剪设备，它用于制动软管裁剪生产线上，快速、高效、安全、可靠必须保证，就其特殊要求，还得注意以下几个方面的问题：①高度自动化，最好能做到一人多机、或者无人生产，节约人工成本；②套裁功能需要高度智能化、可靠，尽可能做到尾料零浪费；③精度要求高，分拣结构可靠,任何情况下，套裁2种长度有很小区别的软管必须做到百分之百不能混淆；④操作力求方便，故障率力求低，不得影响生产，安全、噪音等问题必须注意。
2.定长制动软管自动切管机的总体设计规划
2.1 定长制动软管切管机的主要组成部分
2.1.1 支撑架
支撑架是其重要组成部分，切管机台面是工作台，软管的储存、切割等一切动作都在工作台面上进行，合理设计切管机支撑架，不仅决定生产能否完整地进行下去，还决定了生产时的操作简易程度。本切管机长度达到18米，工作台底下内部空间大，封闭起来正好可以放置电气元件、检修工具等。
2.1.2 动力系统
定长制动软管智能自动切管机的动力部分分为两大部分，一是输送定长制动软管向前移动，一是切刀及各种抓手、料筐翻转的动作。输送定长管向前移动的时候要随时检测软管的长度，选用伺服电机可靠、快速、安全，采用涡轮蜗杆带动滚轮送料；切刀等动作直接选用气动，一般工厂里都有气源，就地取材，经济实惠，采用汽缸驱动刀片直线切割软管。
2.1.3 周转储存机构
工厂生产讲究的人工效率，在自动化生产产品线上，人力是非常宝贵的，一个人完全可以操作多台机器。定长制动软管的切割生产，大多数都是机器在无人状态下生产产品，这就需要在前期原料准备过程中，需要多准备些原料在上料的地方，做到前根定长管切割完毕后，后一根定长管能自动进入上料轨道。直到预备的原料都切割完毕后，再由工人来准备第二批次的原料补充上来，做到连续生产。定长制动软管智能自动切管机的备料要求每条生产线至少需有3根备料，双通道的切管机需要准备至少6根用来周转，这样一个工人可同时操作至少5台双通道切管机。
2.1.4 分单元连接
定长制动软管智能自动切管机的各部分是独立的，但上料、切割、分拣等动作必须在一条直线上，相对位置不能有大的偏移，这就决定了各独立单元在正常生产过程中需要固定，通常的做法是在调试好机器各部分的执行动作后，用螺钉、连杆或皮带把相邻的两部分固定起来形成个整体。
2.1.5 传感器
定长制动软管智能自动切管机在生产时需要机器需要知道的条件是存储室里软管的有无、软管输送的长度、切刀的位置、成品管的长度类别及各执行元件动作有没有到位，这就需要大量的感应器件来进行监控，作者选用多种类型的光电传感器来感应。
2.1.6 人机界面及数据处理
定长制动软管智能自动切管机在生产的时候，需要对整个生产流程进行控制，参数输入、运行状态指示、执行动作位置及产品生产情况记录等，都需要人机界面来完成。还有在生产过程中，需要计算定长管的总体长度、裁剪过程中软管输送到刀口的实际长度、分拣前两种成品管的区别，都需要进行数据处理。
2.1.7 控制系统
切管机的控制部分等于人的大脑，在自动生产过程中，人们要得到合格的产品,都是靠各控制部分协调、可靠的执行动作来完成的。
2.2 定长制动软管切管机各部分的相关元件的分析和选择
2.2.1 支撑架的分析和选择
制动软管切管机的功能是自动把一定长度的制动软管按要求切割成一段段的成品软管，在下道工序中配上金属管接头制成汽车、轮船、飞机等设备上用的制动软管。切管机动力源有气动和电动两种，各部分在工作时都会造成一定的冲击力，并且是长期存在，这就需要支撑部件需要一定的刚性和足够的强度。本制动软管切管机威澳门尼斯人官网欢迎您设计用80mm*80mm的方形铝合金作为主支撑，上面布设10mm厚的钢板做台面，台面最表面布设一层1mm厚的不锈钢板，支撑架四周安装1mm厚的不锈钢板封闭、开门做成多功能柜子，储存机构采用30mm*30mm的轻质铝合金角铝。
2.2.2 动力系统的分析和选择
制动软管切管机的动力系统包含气动和电动，作者直接选工厂的高压空气作为动力源，提供给汽缸、吹嘴等器件使用；供电源为380V/50Hz，提供给电机、光电开关等器件使用。作者选择了松下3KW的伺服电机做主动力源，用涡轮蜗杆带动三对滚轮卷动送料；上料部分采用汽缸、夹爪直接送料；各个储存槽也选用汽缸翻转传料；切刀动力采用100mm*100mm的方形亚太克汽缸做主动力源。
2.2.3 周转储存机构、测长系统的分析和选择
切管机的周转储存部分设计成人工将被切软管送入最顶端带有滚动轮的U型槽中，当软管全部进入U型槽，PLC通过光电信号判断左右两边第二层是否有软管，若左右两边那一边无软管则翻入那边，当PLC检测第三层无软管时，则第二层自动翻入第三层以此类推，一直到达最低层，最低层为软管切割通道，切割通道在4.5米与1米处各放入一个光电，当软管大于4.5米，切割软管切割时最尾端离开4.5米光电时，切管机将最后一刀切完，编码器将记录离开3.5米到切割时的距离，将4.5米减去编码器记录的距离为剩下管子的总长，这样利用穷举法计算切割软管的长度。当软管小于4.5米将采集1米与3米的光电，原理同4.5米相同。
2.2.4 传感器的分析和选择
定长制动软管切管机中用到的传感器主要是计数及分辨原料有没有到位，作者选用的是1万线的线性编码器和多种光电感应开关。
2.2.5 人机界面及数据处理元件的分析和选择
定长制动软管切管机中的人机界面，是设备使用者与设备之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是设备的重要组成部分。本切管机上，简单的区分为“输入”（Input）与“输出”（Output）两种，输入指的是由人来对试验台的操作，各种指令（命令）的下达、参数的设定或保养维护等，而输出指的是由试验台自身的以及收集到的各类数据、故障、警告、操作说明提示等，人机界面会帮助试验人员更简单、更正确、更迅速的操作设备。威澳门尼斯人官网欢迎您选择2只台达型号为6AV2124-12X0TP1200面板12寸的触摸屏。
2.2.6 控制元件的分析和选择
定长制动软管切管机的控制部分主要由PLC主机模块、控制模块组成，作者选用的主要元件如下表1所示：
3.定长制动软管切管机的具体设计
由于本设计方案设计的试验平台是专一性的，没有根据某个特定的涡流管进行定性，在实际情况中，特殊情况特殊对待。根据可操作性可以适当的改变各部分元件的布局位置。
3.1 组成部件布局
3.1.1 总体布局
定长制动软管切管机的总体布局如图2所示，考虑到紧凑、可拆卸、方便接线，作者设计将一条龙式的结构。
3.1.2 软管送料传动结构布局
软管切管机的软管送料传动结构布局采用伺服电机带动涡轮蜗杆，再由三对卷轮摩擦送料。如图3所示。
3.1.3 控制元件布局
软管切管机的控制元件作者根据操作台下面空间的大小设计如图4所示，这样布局美观，检修方便。
3.1.4人机界面结构布局
软管切管机的人机界面威澳门尼斯人官网欢迎您采用可旋转竖立式安装，如图5所示。
3.1.5 上料及储存结构布局
软管切管机的上料及储存结构作者采用两边叠加式三层结构，如图5所示。如图6所示。
3.1.6 分拣结构布局
软管切管机的分拣结构如图7所示
3.2 控制程序设计
3.2.1 总体结构
试验台的控制程序由主控模块、环境温湿度测量模块、温度测量模块、压力测模块、气源压力测量压力模块、流量测量模块、测量与运行模块和数据导出（U盘）模块量模块等几部分组成，各部分彼此独立又相互联系，和控制元器件组成个统一的试验台控制系统。
3.2.2 串口通讯
本机器的各个模块与主控制器（PLC）采用串行连接，采用标准的MODBUS协议。
3.2.3 数据采集与计算程序
采用穷举法[4]，将测长机已测好长度的软管按要求进行套裁，先裁去料头30mm，再根据要裁两个规格胶管长度算出这两个规格长度分别裁管数量，实现料尾最少30mm（如要裁管长为4960mm,要裁480mm和310mm，480mm长裁5根、310mm长裁8根,（3500-30-编码器计数长度）-480*3-310*6小于50mm，计算出料尾50mm为最少。最长软管可切600mm,最短软管可切200mm[5]。
试验台的数据采集计算程序如下：
TKS K0
/*编码器检测程序*/
LD SM400
DCNT HC202 K1000000
/*编码器清零*/
LD M420
RST HC202
/*计算位移 显示位移数=(脉冲数/2000)*3.1416*D D=10mm 结果=脉冲数*0.015708=(脉冲数*15708)/1000 */
LD SM400
MUL32 HC202 K1 D22000
MUL32 D22000 K15485 D22002
DIV32 D22002 K1000 D22018
/*用户参数计算 脉冲数=2000*设定长度/(3.1416*D) 结果=设定长度*2000000/31416 */
LD SM400
* D20002 K1 D22040
MUL32 D22040 K2000000 D22006
DIV32 D22006 K30970 D22008
* D20003 K1 D22042
MUL32 D22042 K2000000 D22012
DIV32 D22012 K30970 D22014
* D22022 K1 D22044
MUL32 D22044 K2000000 D22024
DIV32 D22024 K30970 D22026
D+ D22008 D22026 D22020
D+ D22014 D22026 D22028
END
4.总结
经过两个多月的时间的设计，本课题——定长制动软管智能自动切管机主要总体设计及其说明书终于编写完成。在后面3个月的时间里,产品加工、组装、调试都陆续完工，现已投入生产。
参考文献：
[1] Application of Hydraulic Brake Hose to Motor Vehicles /汽车辆液压制动软管的应用: ANSI/SAE J1406，1993.
[2] 黄万国，一种生产操纵系统软管数控自动软管切管机的制作方法. 五金工具产品及配附件制造技术， 2019-102-306.
[3] 冯文镛，杨灿军，陈鹰. ACR原型系统的全局路径规划遗传算法研究[J]. 控制理论与应用， 2002,19(2):282-286.
[4] 顾秉廉,《算法与程序设计》，吉林工业大学出版社，1994年第3期.
[5] 叶真，可编程控制器原理及应用，《电气及PLC技术》，2002年.
