无人加油机器人自动加油枪的设计

董志强

(哈工大机器人(中山)无人装备与人工智能研究院，广东 中山 528400)

0 引言

截止2021年6月，全国机动车保有量达3.84亿辆，其中汽车2.92亿辆，全国的加油站数量已经超过10万座，传统的加油站以现金支付等线下方式为主，其交易时间长、效率很低、安全监控程度不高，往往对潜在风险不能实现智能预警，通过人工智能化转型实现加油站的安全高效管理已成为油气行业改革的必经之路。智能无人加油技术在汽车加油过程中降低了加油站的人工和运营成本，提高了加油站的工作效率，在优化用户体验的同时，提高了加油站的附加收益，更标准化的智能服务也能够有效提高加油站的服务质量。

目前市场上的加油枪多为手动操作或电控控制，而且每个油枪只能单独加一种标号的油，无法实现同一把油枪加不同标号的油。电动控制的加油枪在加油过程中存在一定的安全隐患，采用气动加油不仅能够很好地完成加油动作，而且能够保证加油过程的安全性。目前自动加油过程中大多采用一把油枪匹配一个机器人，这样的设计造成产品成本增加。本产品设计可实现气动控制加油枪自动加油，一把油枪可以输出两种型号的油，保证了加油过程的安全性，实现一个机器人可完成不同类型的加油服务，提升了加油效率，降低了产品成本。

1 自动加油枪设计思路

1.1 保留现有的感压系统

在自动加油枪的设计过程中首先保留了现有的自封加油枪感压系统，以提升产品设计效率，保证产品的可靠性，降低产品总体成本。目前自封加油枪具有一个与枪身融为一体且独立密闭的感压工作系统，现有的感压系统结构成熟、操作可靠，加油枪可在0.3 s内完成自封关闭动作。

1.2 能够统计不同档位加油误差数据

目前手动油枪的加油分为快速、中速和慢速3个档位，这三个档位加油都有上下浮动的误差，但误差数值可忽略不计。加油站使用的加油机是利用流量计进行油量测算的，其额定流量一般都在4.5 L/min～45 L/min，按照JJG443-2015《燃油加油机检定规程》的规定，正负0.3%之内为符合要求。基于现有统计数据的分析，为了提升加油效率，自动加油枪在设计中采用最大档位加油，以保证机器人加油时与人工最大档位效果一致，同时满足国家法规的规定。

1.3 满足加油机器人连接要求

自动加油枪采用了油气回收技术，它与普通自封油枪最大的区别便是油枪上带有油气回收口，并配有封气罩。为了能在加油的同时回收油气，加油枪使用过程中首先要与机器人进行连接固定，另外需要加入CCD识别，目前市场上的油气回收油枪结构布局不能满足机器人操作使用的要求，因此该自动加油枪在设计过程中对油气回收部分进行了结构改造，达到了与机器人连接的要求，保证了机器人的操作空间，使整体更简约化。

1.4 满足日常维护要求

加油枪是整个加油站内加油输出的终端，日常需要对其进行不断的维护，以保证其使用的安全性。本产品的维护性设计主要指日常的定期导通测试，即每间隔1个月就需要加油人员检测1次～2次，以确认油枪的功能效果。因此，自动加油枪设计中预留了手动检测孔位，以保证后期人工检测过程的方便、快捷。

1.5 满足产品外观要求

加油站工作环境苛刻，温差变化大、灰尘严重及使用者污渍接触等因素都会导致枪套老化，而顾客的消费心理和操作习惯都会受到加油站设备外观和形象的影响。因此，对原有的扳手部分进行了密封设计，将油气回收部件、气动执行系统、气动管路等全部放置在该密封壳体内，管路布置在壳体内部，对外只露出快速接口，方便使用以及后期维修，壳体分为左、右两部分，方便拆卸和日常检测。

2 自动加油枪设计

该自动加油系统分为气动系统和自动加油枪两部分。其中气动系统采用常用气动回路实现气缸的运动，气动系统的设计较为简单，采用常用的往返运动系统就可以满足要求。自动加油枪气动系统如图1所示，选用3位5通电磁阀，气缸选用往复运动微型气缸，气源部分直接通过原有加油站的加油机提供，满足气动部分的压力要求。

图1 自动加油枪气动系统

2.1 油路切换机构

如图2所示，油路切换机构利用加油过程中不同位置的压力差来实现不同油路之间的切换，不同标号油通过单向阀1或者单向阀2进行加油，单向阀1或者单向阀2分别与装有不同标号油的油管连接，切换部件4左边与油枪连接，右边与单向阀1、单向阀2连接，密封圈3起到密封作用，密封部分应根据设计尺寸进行测试。单向阀1、单向阀2的设定压力与选型需要根据加油机的不同规格进行选配，保证加油机的输出压力足以打开单向阀1、单向阀2，同时保证流动速度满足加油要求。

1，2-单向阀；3-密封圈；4-切换部件

2.2 自动加油枪结构

自动加油枪结构如图3所示，油气分离器1与油枪本体9通过螺纹连接；检测孔2与油枪本体9、气缸7与钣金件3、气缸7与扳手8均通过螺钉连接；油气出口4与油枪本体9通过气动接口连接，油气出口4通过外壳卡紧；油气进气或者出气口5、6与气缸7通过气缸结构连接。

1-油气分离器;2-检测孔;3-钣金件;4-油气出口;5，6-进气或出气口;7-微型气缸;8-专用扳手;9-油枪本体

该油枪的整体机构采用了现有的油气分离油枪机构部分，保证了正常的加油跳枪机构运动，并对油枪动力部分进行了改进设计，即将原有的手动扳手部分替换为气动部分实现加油推动动作，并改变油气回收的管路布置，使机器人的衔接更牢固、整体机构更紧凑，方便实现油气回收和油枪的安全检测。具体的改进设计如下：

(1) 对原有油枪的手动扳手进行了技术改造，在扳手8的端部与气缸7连接部分采用U型孔设计，保证扳手8在绕轴端部转动过程中与气缸7的推杆连接部分留有一定的角度余量0～5°，以保证气缸在推动过程中动作流畅，使扳手在转动过程中顺利上升和返回原始位置，另外在测试过程中需要将扳手8推动到行程的中间位置附近。

(2) 原有手动油枪在加油过程中，油枪开到最大时扳手运动距离为5 cm～7 cm。在对该机构设计改进过程中保留了原有的整体结构参数要求，尽量减小油枪的结构，使得微型气缸部分选用了较小尺寸的气动元件，微型气缸推动扳手运动距离控制在3 cm～5 cm，从而使改进后的油枪整体尺寸与原油枪一致，还满足了加油过程中流量和加油速度的要求。

(3) 气动回收部分主要对油气分离器1进行了改进，保证了原有内部结构不变，改变了油气的输出位置，将油气的输出位置改到下端，同时改变原有的螺纹长度，保证安装位置能使输出口在图3所示位置，保证出口及气动管路接口在便捷的安装位置。

(4) 检测孔2的设计主要是固定微型气缸和满足检测的要求，其结构上留有孔位，用于安装外部壳体或检测过程中插入专用机构，检测过程中主要对扳手位置进行限定，使得加油油枪全开或者部分打开，以测试不同档位下油枪的工作状况，便于对设备状况进行分析判断。

3 自动加油枪工作过程

该产品设计改造后其工作过程中主要满足如下3个工况：

3.1 加油过程

(1) 加满：加油机启动气缸推动扳手8使得油枪打开进行加油，当油加满，油枪跳枪后，气缸返回到初始位置，油气回收装置正常进行油气回收。

(2) 定额或定量加油：当加完固定金额或者一定升数的油后，油枪回到初始位置，加油过程中油气通过油气出口4进入油气回收管道，油气回收装置进行油气回收；如果该状态下加油出现加满状况，则后续操作与加满时工作状态一致。

3.2 检测过程

检测过程中需要使用专用工具插入检测孔2，通过气缸推动扳手8，达到一定的位置后被固定，此时油枪处于中速档位状态，检测油流动及油气回收是否正常，用于判断油枪的功能效果。

3.3 油路切换过程

通过改变输油管的油路压力进行不同油路之间的切换，主要通过油路压力打开单向阀，油路切换机构应定期对机构进行压力测试。

4 测试

目前该自动加油枪机构已申请专利并完成初步原理机构验证测试，初步测试结论如下：

(1) 油枪扳手推动距离为3 cm～5 cm时与人工加油效果一致，选择了几款加油枪，并对其结构进行设计改装及测试，能够满足加油过程要求，并能保证通断流畅。

(2) 油枪扳手推动距离在2 cm～3 cm左右时与人工测试效果一致，选择了几款加油枪，并对结构进行设计改装及测试，能够满足检测要求。

(3) 油枪能够自行切换不同标号的油。但是存在不同标号的油部分混合的现象，混合量是否影响使用及对车辆是否会造成影响，有待于进一步测试确认，遗留问题待解决。

(4) 油气导通路径改变后油气分离效果不变。该部分改变了油气的流通路径，其他部分未改变。

5 结论

通过对无人自动加油枪的设计及测试，确定了无人加油枪的核心结构参数，验证了无人加油枪的技术可行性，为无人加油系统的总体技术实现奠定了基础。