鋼球自動(dòng)分選裝置的設(shè)計(jì)

韓以倫，王敬，王倩倩，焦振廣

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266510)

鋼球直徑直接影響軸承的動(dòng)態(tài)工作特性，因此，安裝前檢測(cè)鋼球直徑并對(duì)其進(jìn)行分選對(duì)球軸承具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。以往主要采用人工對(duì)鋼球進(jìn)行分選，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，分選精度差。下文針對(duì)直徑為(9±0.003) mm的軸承鋼球自動(dòng)檢測(cè)、分選裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

鋼球自動(dòng)測(cè)量、分選裝置如圖1所示，主要包括氣壓傳動(dòng)裝置、電感測(cè)微裝置、電磁翻板裝置和PLC控制系統(tǒng)。利用氣壓傳動(dòng)裝置將鋼球送到相應(yīng)的測(cè)試工作臺(tái)，選擇電感傳感器作為信號(hào)拾取源，通過電感測(cè)微裝置內(nèi)部測(cè)量電路檢測(cè)出鋼球直徑的微位移信號(hào)并轉(zhuǎn)換成便于傳輸、處理和顯示的電壓信號(hào)。根據(jù)不同的電壓信號(hào)，PLC控制收料箱的對(duì)應(yīng)電磁鐵通電，打開對(duì)應(yīng)的料箱翻板，使鋼球落入收料箱，達(dá)到高效、精確地分選鋼球的目的。

1—?dú)飧?2—擋塊;3—電感測(cè)微裝置;4—彈簧擋板;5—料箱翻板;6—電磁鐵

2 機(jī)械控制部分設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力機(jī)構(gòu)

鑒于設(shè)計(jì)要求能夠連續(xù)精密的測(cè)量鋼球直徑，即要求動(dòng)力機(jī)構(gòu)能不斷給測(cè)量機(jī)構(gòu)傳送鋼球。這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有電氣和氣動(dòng)兩類，電氣傳動(dòng)不太平穩(wěn)，而氣動(dòng)傳動(dòng)中的固定式氣缸傳動(dòng)適合精密測(cè)量，因此選用單活塞桿雙作用氣缸[3]。根據(jù)安裝方式不同氣缸又分為活塞桿固定式和缸筒固定式，考慮設(shè)計(jì)裝置對(duì)體積的要求，采用腳座式缸筒固定式氣缸。

如圖1所示，氣缸活塞桿與擋塊相連，鋼球從出料口出來落入擋塊的槽內(nèi)，借助于工作臺(tái)的彈簧擋板將鋼球固定；此時(shí)擋塊向前移動(dòng)不但擋住出料口，而且將鋼球向前推進(jìn)，到達(dá)測(cè)量位置進(jìn)行檢測(cè)；測(cè)量完成后，氣缸繼續(xù)推動(dòng)擋塊至彈簧擋板不能擋住鋼球，鋼球落入對(duì)應(yīng)的收料箱；氣缸退回，彈簧擋板自動(dòng)回復(fù)至初始狀態(tài)。

2.2 自動(dòng)測(cè)量裝置

自動(dòng)測(cè)量裝置主要由電感式傳感器和測(cè)量電路組成。該裝置選用線性差動(dòng)式電感傳感器，其主要由可活動(dòng)銜鐵、一次繞組和2個(gè)二次繞組等組成。由于銜鐵的上下移動(dòng)，一、二次繞組間的互感會(huì)隨之變化。使用時(shí)應(yīng)將2個(gè)二次繞組反向串接，以實(shí)現(xiàn)差動(dòng)方式輸出。兩次級(jí)線圈的磁路尺寸與參數(shù)應(yīng)相等。

差動(dòng)式電感傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量物理量轉(zhuǎn)換成線圈互感系數(shù)的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓的變化量輸出,實(shí)現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換成電量[4-5]。

當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)，2個(gè)二次繞組有相同的互感，因而一次側(cè)激勵(lì)得到相同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于2個(gè)二次繞組反向串接，所以得到的差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)為零。將此位置設(shè)為檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)位置，即安裝電感測(cè)微裝置時(shí)，此位置檢測(cè)為直徑9 mm的標(biāo)準(zhǔn)鋼球。當(dāng)測(cè)量鋼球直徑大于9 mm時(shí)，銜鐵將上移，因此上部的二次繞組互感大于下部的二次繞組，上部二次繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也大于下部的二次繞組，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)不為零，每個(gè)電動(dòng)勢(shì)值對(duì)應(yīng)一定直徑的鋼球，從而測(cè)出鋼球直徑。同理，當(dāng)鋼球直徑小于9 mm時(shí)，銜鐵將下移，因此下部的二次繞組互感大于上部的二次繞組，下部二次繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也大于上部的二次繞組，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)也不為零，測(cè)出鋼球直徑。

2.3 自動(dòng)分選裝置

收料箱裝置(圖2)的上表面有一與水平面成30°的滾道，兩側(cè)有擋板，鋼球依靠自重沿滾道滾落。以直徑9 mm的鋼球?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，以 1 μm為規(guī)值間隔分成8個(gè)組別，分別為-3，-2，-1，0，1，2，3 μm及不合格品，每個(gè)組別對(duì)應(yīng)一個(gè)收料箱口，每個(gè)收料箱口的翻板都由一個(gè)電磁鐵控制(開/關(guān))。 當(dāng)電感測(cè)微裝置輸出的電壓信號(hào)送到PLC控制器時(shí)，PLC會(huì)控制對(duì)應(yīng)的電磁鐵通電，打開對(duì)應(yīng)的料箱翻板。

1—電磁鐵; 2—連桿; 3—料箱翻板; 4—兩側(cè)擋板

電磁鐵選用MQD06系列電子型牽引電磁鐵[6]，電磁鐵主要由電磁扼、銜鐵、線圈和控制電器等部分組成，當(dāng)線圈通電時(shí)，吸合銜鐵，通過連桿帶動(dòng)其所控制的料箱翻板打開；線圈斷電后，電磁鐵本身無復(fù)位裝置，翻板由于自身重力下落，從而通過連桿帶動(dòng)銜鐵復(fù)位，恢復(fù)額定行程內(nèi)工作。

3 PLC控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩大部分。電氣控制系統(tǒng)包括氣動(dòng)系統(tǒng)電磁閥、限位開關(guān)、電感測(cè)微裝置、電磁鐵和各控制開關(guān)等[7]。

3.1 硬件系統(tǒng)

結(jié)合測(cè)量、分選裝置工作流程(圖3)及工作特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估算，根據(jù)被控對(duì)象統(tǒng)計(jì)的輸入點(diǎn)數(shù)為21個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為11個(gè)，考慮10%～20%的可擴(kuò)展余量后對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)圓整，確定為輸入輸出各24個(gè)。再根據(jù)存儲(chǔ)容量的計(jì)算，最后確定PLC選用整體型，電源選用220 V交流電源，I/O總點(diǎn)數(shù)為48個(gè)，選用晶體管輸出型。最后考慮經(jīng)濟(jì)性等因素,此裝置的PLC選用三菱FX2N-48MT-001，考慮到電感傳感器電路輸出的電壓信號(hào)，還需要選用模擬量模塊FX2N-2AD。測(cè)量的電氣原理及PLC輸入、輸出如圖4、圖5所示。

圖3 測(cè)量、分選裝置工作流程

圖4 電氣原理圖

圖5 PLC輸入、輸出圖

3.2 軟件系統(tǒng)

編寫PLC運(yùn)行程序[8]：

(1)初始化程序；

(2)主程序；

(3)中斷子程序；

(4)檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序；

(5)保護(hù)和互鎖程序。

4 結(jié)束語

該測(cè)量、分選裝置采用電感傳感器對(duì)鋼球直徑進(jìn)行高精度測(cè)量，采用電磁翻板裝置進(jìn)行準(zhǔn)確分選，結(jié)合PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼球直徑檢測(cè)和分選的自動(dòng)化，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，測(cè)量、分選精度高，工作效率提高?；诖斯ぷ髟恚ㄟ^改進(jìn)設(shè)計(jì)可以進(jìn)行不同直徑鋼球的檢測(cè)、分選，從而使應(yīng)用范圍擴(kuò)大。