發(fā)動(dòng)機(jī)挺桿自動(dòng)充磁機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

朱桂英，葉有才

（1.河北工程大學(xué)，邯鄲 056029；2.邯鄲日東機(jī)械有限公司，邯鄲 056001）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)挺桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟部件[1]，形狀如圖1所示。一般機(jī)加工工序?yàn)椋捍周?、精車、粗磨、淬火、精磨、探傷、檢查、成品入庫(kù)。由于挺桿與凸輪軸為高摩擦副，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在沖擊，要求挺桿具有高硬度、高耐磨性，其主要技術(shù)要求為[2]：冷激層深度大于等于4mm；淬火深度大于等于3mm；淬火后底面硬度HRC63-69，不得有裂紋。金相組織：石墨1～2級(jí)、滲碳體數(shù)量1～3級(jí)、滲碳體分布1～3級(jí)。由于挺桿承受交變載荷和沖擊載荷，一旦有裂紋將會(huì)造成挺桿表面疲勞、斷裂，使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，所以在挺桿生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)裂紋的檢查就非常重要。目前挺桿裂紋探傷大多采用剩磁磁粉探傷方法。采用這種方法需要靠人工將挺桿逐個(gè)放入充磁機(jī)充磁后，再放入磁粉懸浮液探傷。效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大。故挺桿生產(chǎn)中迫切需要針對(duì)挺桿的自動(dòng)充磁機(jī)，但這種機(jī)械的研發(fā)目前國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)報(bào)道。所以我們?cè)O(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了這種針對(duì)挺桿的自動(dòng)充磁機(jī)。

1 整體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，自動(dòng)充磁機(jī)的組成及各部分所起的作用有：

1)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)，其作用是完成挺桿的自動(dòng)上料、排料。主要采用電磁振動(dòng)篩2、導(dǎo)向槽3完成挺桿的分離[3]、定向排列和送料，并由定位機(jī)構(gòu)定位。定位機(jī)構(gòu)主要有定位擋板8和感應(yīng)開(kāi)關(guān)6組成。實(shí)現(xiàn)一次充磁的挺桿數(shù)量、位置的控制。當(dāng)挺桿被定位擋板擋住，停止運(yùn)動(dòng)后，由感應(yīng)開(kāi)關(guān)6完成進(jìn)入充磁機(jī)構(gòu)的數(shù)量（2～6個(gè)）的測(cè)量，并發(fā)出信號(hào)。

圖1 挺桿零件圖（mm）

圖2 充磁機(jī)總體圖

2）充磁裝置：按要求對(duì)挺桿充磁。采用直流充磁方法，主要有左電極板5、右電極板11、氣缸10組成。當(dāng)感應(yīng)開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)后，氣缸10推動(dòng)右電極板11左移，頂緊挺桿充磁。達(dá)到預(yù)定充磁時(shí)間后，氣缸10拉動(dòng)右電極板11右移。

3）以小型編程器為主的電控裝置：按照充磁要求的時(shí)間，上料的數(shù)量、間隔要求以及落料的要求，通過(guò)光電開(kāi)關(guān)等進(jìn)行檢測(cè)，用小型編程器對(duì)挺桿的上料、充磁、落料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

4）落料裝置，實(shí)現(xiàn)充磁后的挺桿自動(dòng)卸料，以便充磁機(jī)實(shí)現(xiàn)下一個(gè)循環(huán)。落料機(jī)構(gòu)的構(gòu)成如圖2,主要有落料板8和氣缸9組成，挺桿放入充磁時(shí)間到后,由時(shí)間繼電器發(fā)出信號(hào)，氣缸9后退，帶動(dòng)落料板8后退，挺桿自動(dòng)滑落集料器。

2 控制裝置設(shè)計(jì)方案

控制裝置是整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化的核心,采用目前國(guó)內(nèi)外流行的可編程控制器如單片機(jī)、PLC控制技術(shù),可以對(duì)整個(gè)充磁過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2.1 可編程控制器的選擇

綜上所述自動(dòng)充磁機(jī)系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。

圖3 挺桿自動(dòng)充磁系統(tǒng)流程圖

2.1.1 工藝要求及組成

該系統(tǒng)裝有3套執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別是上料定位機(jī)構(gòu)、充磁機(jī)構(gòu)、落料機(jī)構(gòu)，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別完成特定的動(dòng)作。

如圖2所示，定位機(jī)構(gòu)由氣缸12控制，主要完成的工藝過(guò)程為1）左移，2）右移。

充磁機(jī)構(gòu)由氣缸10控制，主要完成的工藝過(guò)程為1）前進(jìn)，2）延時(shí)，3）后退。

落料機(jī)構(gòu)由氣缸9控制，主要完成的工藝過(guò)程為1）后退，2）延時(shí)，3）前進(jìn)。

控制部分由光控開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、可編程控制器、電磁閥等組成。各控制機(jī)構(gòu)將開(kāi)關(guān)量輸入PLC，經(jīng)過(guò)其邏輯運(yùn)算，輸出電信號(hào)使電磁換向閥動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)氣缸，使各機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作。將可編程控制器及各接線端子布置在控制柜內(nèi)，外設(shè)控制面板，同時(shí)設(shè)置報(bào)警功能。

2.1.2 I/O設(shè)備端子分配

PLC的I/O設(shè)備和端子分配，如表1所示。

表1 PLC的I/O設(shè)備及端子號(hào)[5]

系統(tǒng)輸入信號(hào)有復(fù)位信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)、循環(huán)停止信號(hào)，自動(dòng)運(yùn)行方式選擇開(kāi)關(guān)，給送工件信號(hào)，定位、充磁、落料氣缸前進(jìn)、后退信號(hào)5個(gè)限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，2個(gè)光控開(kāi)關(guān)信號(hào)，計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)信號(hào)。輸入信號(hào)共22個(gè)，輸出信號(hào)共14個(gè)。

2.1.3 可編程序控制器機(jī)型選擇

可編程序控制器機(jī)型的選擇需要根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)、CPU能力、控制系統(tǒng)的類型、指令系統(tǒng)、PLC的價(jià)格性能比等具體因素進(jìn)行綜合考慮[6]?？删幊绦蚩刂破鳈C(jī)型選擇自動(dòng)充磁機(jī)屬于單機(jī)控制小型自動(dòng)化系統(tǒng)，為了技術(shù)上的可擴(kuò)展性，要求編程控制器具有多輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)特性，控制精度高，能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)環(huán)境，工作可靠，編程性好，抗干擾能力強(qiáng)[7]?；谝陨峡紤]，選用日本三菱公司生產(chǎn)的FXON-40MR型可編程控制器。

2.2 自動(dòng)充磁機(jī)回路設(shè)計(jì)

圖4 順序控制流程圖

自動(dòng)充磁機(jī)主要有三個(gè)基本回路組成：一個(gè)是送料定位回路，第二個(gè)是充磁回路,第三個(gè)是落料回路。送料定位回路的主要任務(wù)是由氣缸將來(lái)自滑道上工件定位或放行。具體的工作過(guò)程如下：首先，各元件復(fù)零位，送料定位回路中定位氣缸12在左位。當(dāng)導(dǎo)向槽內(nèi)檢測(cè)工件開(kāi)關(guān)X035為ON時(shí)[8]，計(jì)時(shí)500ms后，定位氣缸右移,給充磁機(jī)構(gòu)送工件。當(dāng)充磁槽內(nèi)檢測(cè)工件開(kāi)關(guān)X034為ON，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)500ms后,定位氣缸12左移。同時(shí)，充磁氣缸10前進(jìn)，充磁前進(jìn)限位開(kāi)關(guān)X014為ON時(shí)，開(kāi)始充磁，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)1s～2s后,充磁氣缸10后退。充磁后退限位開(kāi)關(guān)X015為ON時(shí)，落料氣缸9后退。落料后退限位開(kāi)關(guān)X033為ON，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)20ms～30ms時(shí),落料氣缸9前進(jìn)。落料前進(jìn)限位開(kāi)關(guān)X032為ON時(shí)，送料定位氣缸12右移，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。

2.3 順序控制流程圖的編制

我們根據(jù)自動(dòng)充磁機(jī)的工作特點(diǎn)，編制了充磁和落料部分的順序控制流程圖[9]，如圖4所示。系統(tǒng)一開(kāi)始首先判斷手動(dòng)還是自動(dòng)，若是手動(dòng)則轉(zhuǎn)入手動(dòng)程序，此時(shí)，每按下控制面板上的一個(gè)按鈕，系統(tǒng)便執(zhí)行相應(yīng)的上料、充磁、落料動(dòng)作，若是自動(dòng)則轉(zhuǎn)入自動(dòng)程序，此時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)按鈕，整個(gè)充磁機(jī)便自動(dòng)完成挺桿的上料、充磁、落料的動(dòng)作循環(huán)。

3 結(jié)論

我們?cè)O(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了針對(duì)挺桿的自動(dòng)充磁機(jī)，并對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了精心的布置和設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)代流行的可編程控制器技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，形成了一個(gè)機(jī)、電結(jié)合的自動(dòng)化充磁系統(tǒng)。自動(dòng)充磁機(jī)是一個(gè)比較復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備，自動(dòng)化程度高，大大提高了充磁的效率，徹底改變了手工進(jìn)料速度慢、效率低的落后面貌，在國(guó)內(nèi)充磁機(jī)械中處于領(lǐng)先地位，該系統(tǒng)一次性投資三萬(wàn)元左右，可以使單機(jī)生產(chǎn)效率提高數(shù)倍，是一種適合國(guó)情的低成本自動(dòng)充磁機(jī)械，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)以挺桿零件為充磁對(duì)象，對(duì)其他形狀尺寸相近的零件，同樣可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充磁，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和適應(yīng)性。

[1]朱桂英,朱天軍,劉振生.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)挺桿火焰淬火設(shè)備[J].金屬熱處理.2004,(29)4:65-66.

[2]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).氣門頂桿的技術(shù)要求[S].QC/T521-1999.

[3]朱桂英.應(yīng)用于挺桿的火焰淬火設(shè)備的研究[D]河北工業(yè)大學(xué),2010.

[4]第十設(shè)計(jì)研究院.自動(dòng)化機(jī)構(gòu)圖例[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社.

[5]汪濤,劉宏杰.基于PLC的鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2009,(8)5:38-39.

[6]周慶貴.用PLC改造MZ2015自動(dòng)磨床電氣系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,1999,16(3):29-31.

[7]張銀海,朱桂英,葉有才.基于三菱FXON-60MR PLC的無(wú)心磨床自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)[J].電工技術(shù),2004,(2):20-21.

[8]劉守操,劉彥鵬.基于PLC的無(wú)心磨床自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.8.

[9][日]松下電工.EP3 BASIC Type Programmable Controller Technical Manual[Z].大阪:1994,3-9.