基于OMRON CPM1A PLC曲軸動(dòng)平衡與否自動(dòng)識(shí)別裝置研發(fā)

蒙華強(qiáng)

摘要：通過對曲軸生產(chǎn)工藝的調(diào)研和設(shè)備特點(diǎn)分析，結(jié)合曲軸外觀變化情況，總結(jié)分析得出不同曲軸平衡孔的共性與特性。利用平衡孔對傳感器的無差別作用來獲取信號，通過計(jì)算、分析、處理判斷出曲軸的動(dòng)平衡與否狀態(tài)，進(jìn)而自動(dòng)發(fā)出信號，確認(rèn)曲是否經(jīng)過動(dòng)平衡校正。

關(guān)鍵詞：曲軸 動(dòng)平衡 平衡孔 自動(dòng)化

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的心臟，為汽車提供動(dòng)力，其性能直接影響汽車的整體性能。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可分為五大件，分別為：缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸和連桿。曲軸作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中承受沖擊載荷、傳遞動(dòng)力的重要零件，加工工序多，精度要求高，其質(zhì)量在五大件中最難以保證并直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命，因此，曲軸常常被稱為汽車心臟的心臟，這也就要求曲軸生產(chǎn)線各工序設(shè)備有極佳的穩(wěn)定性及各工序間配合有極高的可靠性。

2 裝置的誕生

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高及轉(zhuǎn)速高速化的應(yīng)用和發(fā)展，要求發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速也在不斷提高。發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸常常采用鍛件毛坯或鑄鐵毛坯，但無論哪種毛坯，其余量都有不均勻。由于毛坯形狀不對稱，在機(jī)械加工過程中也不可避免最終導(dǎo)致曲軸重心偏離旋轉(zhuǎn)中心，曲軸裝機(jī)后使發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，引起發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲大，加劇整車振動(dòng)等問題。隨著轉(zhuǎn)速提升，不平衡引起的振動(dòng)將會(huì)更加劇烈。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的不平衡量大小直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)。進(jìn)而關(guān)乎汽車整體性能。

每一條曲軸的生產(chǎn)過程中都要經(jīng)過動(dòng)平衡檢測和動(dòng)平衡校正，為了提高加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量，在曲軸加工過程中甚至?xí)霈F(xiàn)兩次以上曲軸動(dòng)平衡檢測和動(dòng)平衡校正。為了保證曲軸品質(zhì)，甚至在曲軸包裝之前還需再次確認(rèn)曲軸是否經(jīng)過動(dòng)平衡校正。

曲軸做動(dòng)平衡校正時(shí)，校正的位置只能選在曲柄臂上或稱之為扇形配重塊上，校正平面的位置和數(shù)量都是相對固定的。動(dòng)平衡校正一般分為加重和去重方式兩種方式[1]，而發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的動(dòng)平衡校正通常采用鉆削和銑削兩種去重方法進(jìn)行校正。曲軸經(jīng)過鉆削，再返回經(jīng)動(dòng)平衡檢測，如果不達(dá)工藝要求則繼續(xù)鉆削，如此反復(fù)直至合格后方可流入下一工序。經(jīng)過動(dòng)平衡校正的曲軸會(huì)留下痕跡，比如扇形配重塊上經(jīng)過鉆削留下的孔（稱之為平衡孔）。在后續(xù)檢查中只要扇形配重塊上存在平衡孔，我們就可以認(rèn)為此曲軸已經(jīng)經(jīng)過動(dòng)平衡校正。因此我們可以通過觀察曲軸外觀，輕易發(fā)現(xiàn)曲軸是否經(jīng)過動(dòng)平衡校正。

至此，我們已經(jīng)有至少兩種以上方式判定曲軸是否經(jīng)過動(dòng)平衡校正，一是通過專用的曲軸動(dòng)平衡檢測設(shè)備進(jìn)行檢測，獲取曲軸的不平衡量數(shù)據(jù)是否在工藝范圍內(nèi)；二是人工檢查曲軸外觀是否已經(jīng)存在動(dòng)平衡校正留下鉆削孔。采用第一種方式，需要增加設(shè)備投入，則單臺(tái)設(shè)備需要投入數(shù)萬元資金購買專用設(shè)備，若非全自動(dòng)生產(chǎn)線，還得同時(shí)配備專門的操作者，增加人工成本，這有悖于精益生產(chǎn)的精神。采用第二種方式則不能排除人員疲勞后的判斷失誤問題。兩者均存在各自缺點(diǎn)。這就需要一種儀器（裝置）能夠替代上述兩種方式對曲軸動(dòng)平衡進(jìn)行檢查，既不需要投入過多的資金購買專用檢測設(shè)備，又能防止人員視覺疲勞判斷失誤。曲軸動(dòng)平衡與否自動(dòng)識(shí)別裝置被提出。

3 項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新性論述

3.1 裝置的基本原理

曲軸動(dòng)平衡與否自動(dòng)識(shí)別裝置主要通過識(shí)別曲軸扇形配重塊上的鉆削孔來判定曲軸是否經(jīng)過動(dòng)平衡校正。當(dāng)曲軸放置到裝置上后，傳感器檢測到信號，綠燈亮，系統(tǒng)進(jìn)入判別工作狀態(tài)。隨著曲軸的旋轉(zhuǎn)，各個(gè)扇形配重塊附近的傳感器會(huì)識(shí)別到信號，將信號送入PLC內(nèi)，經(jīng)過專門開發(fā)的控制程序進(jìn)行分析計(jì)算，最后判斷出曲軸扇形配重塊上是否存在鉆削孔。如果有，系統(tǒng)繼續(xù)工作；如果沒有，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警，并點(diǎn)亮紅燈，提醒員工處理曲軸，直至系統(tǒng)被復(fù)位。

3.2 裝置的結(jié)構(gòu)和各部件功能簡述：

該裝置主要構(gòu)成如圖一。它主要由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller以下簡稱PLC）、檢測傳感器、復(fù)位（急停）按鈕、運(yùn)行狀態(tài)指示燈、報(bào)警器以及其他支撐部件和輔助電路組成。

該裝置與曲軸主軸各軸頸跳動(dòng)檢測裝置完美結(jié)合，同時(shí)具備動(dòng)平衡檢查和跳動(dòng)檢查功能，員工無須增加更多的工作量，也不占用人工資源。PLC固定在專用電控箱內(nèi)部，專用檢查控制程序開發(fā)完成后導(dǎo)入PLC，復(fù)位（急停）按鈕安裝在員工方便操作的個(gè)工作臺(tái)左側(cè)，運(yùn)行狀態(tài)指示燈安裝在操作人員明顯可見位置，報(bào)警器固定在電箱側(cè)面，并保證報(bào)警信號可以傳遞到操作人員耳中，傳感器依靠定制的支架工裝固定在曲軸小頭、扁位以及各個(gè)扇形配重塊附近。各個(gè)部件通過線路與PLC的輸入或輸出點(diǎn)相連。傳感器1負(fù)責(zé)檢測曲軸到位狀態(tài)，曲軸到位，運(yùn)行狀態(tài)的綠燈點(diǎn)亮，裝置正常工作，同時(shí)啟動(dòng)記錄與算法程序，系統(tǒng)自動(dòng)記錄與運(yùn)算。裝置的傳感器3到傳感器10自動(dòng)識(shí)別所有扇形配重塊上的平衡孔情況并存入PLC，傳感器2負(fù)責(zé)記錄曲軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。

3.3 裝置的開發(fā)過程描述：

3.3.1現(xiàn)場調(diào)研

曲軸的動(dòng)平衡檢測和校正工序之后主要以精加工為主，沒有設(shè)備兼具動(dòng)平衡檢測功能，如果增加動(dòng)平衡檢測設(shè)備，則曲軸需要高速旋轉(zhuǎn)，約500r/min，這種狀態(tài)極有可能對曲軸造成二次損傷，將對曲軸質(zhì)量帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)也增加公司投入，包括設(shè)備采購，人員配置，輔料成本等等。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，曲軸的生產(chǎn)過程中，沒有任何一條曲軸的原始動(dòng)平衡數(shù)據(jù)是完美的，也就是說曲軸100%需要經(jīng)過動(dòng)平衡校正。這就意味著，每條曲軸都存在鉆削孔。如果沒有鉆削孔，該曲軸定未經(jīng)過動(dòng)平衡校正。對于四缸機(jī)曲軸，有8個(gè)扇形配重塊。曲軸第一主軸頸與小頭間存在2個(gè)扁位，可以作為曲軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)標(biāo)志。在曲軸動(dòng)平衡檢測和校正工序之后還有多道工序，其中跳動(dòng)檢測工序需要旋轉(zhuǎn)曲軸動(dòng)，這符合曲軸平衡與否檢查裝置的安裝基本條件。經(jīng)過研究曲軸動(dòng)平衡與否自動(dòng)識(shí)別裝置與曲軸主軸各軸頸跳動(dòng)檢測裝置完美結(jié)合，既不需要增加額外工序，也無需新增人員即可完成檢查。

3.3.2傳感器選型

檢測面與傳感器存在相對運(yùn)動(dòng)，且表面不光滑，適合選擇非接觸式傳感器。鉆削孔直徑在10mm左右，因此，為了使檢測信號穩(wěn)定且準(zhǔn)確，傳感器直徑選擇8mm，可以防止孔壁干擾，因絕大部分平衡孔深度在數(shù)毫米以上，傳感器檢測距離在3mm左右即可滿足檢測要求。

3.3.3控制器選型

裝置共需要安裝10個(gè)傳感器以及一個(gè)急停（復(fù)位）按鈕，控制器的輸入位至少11位，輸出包含運(yùn)行狀態(tài)指示燈和蜂鳴報(bào)警器共4位，并保證預(yù)留10%的點(diǎn)位，因此可選用歐姆龍的CPM1A-40CDR PLC作為控制器即可滿足裝置硬件需求。

3.3.4 設(shè)計(jì)安裝

制作專用工裝套件，用于在每個(gè)扇形配重塊上安裝傳感器，并包含小頭兩處開關(guān)固定件，傳感器斜向上安裝，與旋轉(zhuǎn)中心垂直，所安裝部件不能影響原跳動(dòng)檢驗(yàn)平臺(tái)的功能，不相互干涉，也不會(huì)影響員工操作。

設(shè)計(jì)電路，裝配控制箱，安裝布線。使其具備復(fù)位，工作，停止，報(bào)警等基本功能，并能將平衡孔信號和曲軸狀態(tài)信號傳入控制器。

編輯控制器專用程序，將每個(gè)扇形配重塊的平衡孔情況進(jìn)行邏輯計(jì)算分析，如果所有扇形配重塊均沒有動(dòng)平衡去重，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，并伴有紅燈閃動(dòng)，警告操作人員處理。

程序編輯與功能實(shí)現(xiàn)：用歐姆龍PLC編程軟件（CX-Programmer）編輯控制程序，編譯通過后下載到PLC進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。利用曲軸在線調(diào)整各個(gè)傳感器位置，保證各個(gè)信號接收穩(wěn)定。然后分別用已經(jīng)經(jīng)過動(dòng)平衡校正的曲軸和未經(jīng)動(dòng)平衡校正的曲軸反復(fù)驗(yàn)證系統(tǒng)工作情況，直至穩(wěn)定，交與使用。

4 裝置的性能優(yōu)勢及特色

4.1該裝置與跳動(dòng)檢驗(yàn)平臺(tái)完美結(jié)合，無需消耗多余勞動(dòng)；

4.2 控制器采用可編程邏輯控制器控制

可編程邏輯控制器應(yīng)用靈活，其循環(huán)掃描的工作原理在重復(fù)的動(dòng)作中具有極大優(yōu)勢，而且傳感器選型范圍廣闊。它相對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要易于開發(fā)，且運(yùn)行穩(wěn)定，功耗低。選用國際知名品牌歐姆龍產(chǎn)品，其性能有保障。

4.3 傳感器選用圖爾克（TURCK）產(chǎn)品

TURCK公司是世界上第一批認(rèn)識(shí)到將電子元件應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線控制的可能性的公司之一，圖爾克公司以其世界一流的服務(wù)使得TURCK品牌在國際工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，特別是傳感器制造方面贏得了極高的聲譽(yù)和領(lǐng)導(dǎo)地位。

5 裝置的科學(xué)性與創(chuàng)新性

裝置采用非接觸式傳感器，保證了設(shè)備運(yùn)行壽命。裝置無強(qiáng)電輸出，也無機(jī)械動(dòng)作，無需機(jī)械防護(hù)即可保證操作人員人身安全。該裝置無需啟動(dòng)按鈕，曲軸到位后自動(dòng)運(yùn)行，裝置還將急停、復(fù)位等功能集中至同一按鈕，簡化了操作，甚至可以說無需操作。對操作人員而言，未增加任何工作量。

6 裝置的應(yīng)用情況

裝置僅以四千元左右的投入即可實(shí)現(xiàn)判別曲軸動(dòng)平衡校正狀態(tài)，成功避免了未經(jīng)動(dòng)平衡校正的曲軸流出廠。同樣的，其傳感器和程序經(jīng)過適當(dāng)增加調(diào)整，還可以適用于六缸曲軸及其他曲軸的動(dòng)平衡檢查。