片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊路超，郭琳娜，陳 嘯，沈婷婷，邱自學(xué)

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019)

0 引言

氧傳感器分為管式氧傳感器和片式氧傳感器。其中，片式氧傳感器因其起效快、發(fā)熱功率小和響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[1]，逐漸成為市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。

芯片技術(shù)是片式氧傳感器的核心技術(shù)，目前，國(guó)內(nèi)片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)主要依靠人工檢測(cè)，需要工人將陶瓷芯片逐個(gè)進(jìn)行識(shí)別，并按照指定擺放形式連接到檢測(cè)裝置，完成電阻檢測(cè)。這種依靠人工檢測(cè)的方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)效率低，難以滿足生產(chǎn)要求。

針對(duì)陶瓷芯片檢測(cè)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并結(jié)合陶瓷芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際工藝要求，設(shè)計(jì)了片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，生產(chǎn)效率高，滿足企業(yè)生產(chǎn)要求。

1 片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)設(shè)備

1.1 片式氧傳感器陶瓷芯片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

片式氧傳感器陶瓷芯片為集成式感應(yīng)與加熱一體化芯片[2]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 陶瓷芯片外形結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 設(shè)備功能要求

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)要求，片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)設(shè)備需實(shí)現(xiàn)以下功能：陶瓷芯片出料均勻，無(wú)卡料現(xiàn)象；能快速、準(zhǔn)確地識(shí)別陶瓷芯片擺放狀態(tài)；能將陶瓷芯片調(diào)整到指定擺放狀態(tài)(陶瓷芯片正面朝上、反面朝下、后端與加熱裝置同側(cè)、前端與接插件同側(cè))。

1.3 設(shè)備總體方案

為實(shí)現(xiàn)上述功能要求，設(shè)計(jì)了片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)設(shè)備，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由上料識(shí)別機(jī)構(gòu)、吸盤(pán)抓取機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、芯片檢測(cè)機(jī)構(gòu)、合格品收料盒和不合格品收料盒等組成。

圖2 陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中，上料識(shí)別機(jī)構(gòu)主要由上料筒、送料板、圖像識(shí)別傳感器和送料氣缸組成。工人將陶瓷芯片放入上料筒，設(shè)備啟動(dòng)后，送料氣缸動(dòng)作帶動(dòng)送料板經(jīng)過(guò)上料筒和圖像識(shí)別傳感器完成陶瓷芯片的取料及其擺放狀態(tài)識(shí)別。吸盤(pán)抓取機(jī)構(gòu)中的吸盤(pán)通過(guò)吸盤(pán)氣缸實(shí)現(xiàn)上升和下降，再由線性模組驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)陶瓷芯片各工位間的切換。吸盤(pán)抓取機(jī)構(gòu)通過(guò)反饋的陶瓷芯片擺放狀態(tài)信息，將陶瓷芯片送至相應(yīng)的調(diào)整機(jī)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)擺動(dòng)氣缸帶動(dòng)芯片擺臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°實(shí)現(xiàn)陶瓷芯片前后端調(diào)整；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)氣動(dòng)滑臺(tái)帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°實(shí)現(xiàn)陶瓷芯片正反面調(diào)整。芯片檢測(cè)機(jī)構(gòu)用于陶瓷芯片加熱電阻的檢測(cè)，主要由加熱裝置、芯片檢測(cè)臺(tái)、接插件和接插件氣缸組成；吸盤(pán)抓取機(jī)構(gòu)將調(diào)整到指定擺放狀態(tài)的陶瓷芯片送至芯片檢測(cè)臺(tái)，加熱裝置對(duì)陶瓷芯片后端加熱，陶瓷芯片前端與接插件連接，接插件與檢測(cè)儀表連接實(shí)時(shí)檢測(cè)陶瓷芯片的電阻值。將檢測(cè)到的加熱電阻與理論阻值比較，判斷其是否合格，再由吸盤(pán)抓取機(jī)構(gòu)送至合格品收料盒以及不合格品收料盒進(jìn)行分類(lèi)收集。

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)系統(tǒng)的氣動(dòng)控制原理如圖3所示。氣源即壓縮空氣，經(jīng)過(guò)氣動(dòng)三聯(lián)件處理后共分為6路，其中有5路經(jīng)過(guò)5通先導(dǎo)式電磁閥和速度控制閥后分別到達(dá)相應(yīng)的氣缸內(nèi);有1路通過(guò)真空發(fā)生器組件控制吸盤(pán)動(dòng)作，完成對(duì)陶瓷芯片的吸取和釋放。電磁閥通過(guò)PLC程序控制其通斷情況，進(jìn)而控制氣缸的伸出與縮回動(dòng)作[3];速度控制閥采用排氣節(jié)流型，對(duì)排出氣流有所限制，不會(huì)造成活塞桿急速伸出或縮回，保證氣缸動(dòng)作的平穩(wěn)性[4-5]。

圖3 氣動(dòng)控制原理圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)系統(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感檢測(cè)器及氣缸、電機(jī)等的控制;采用人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和調(diào)整[6]。

3.1 傳感檢測(cè)模塊

為了保證裝置能夠正常運(yùn)行，控制系統(tǒng)利用了圖像識(shí)別傳感器、接近傳感器、光纖傳感器、磁性開(kāi)關(guān)等來(lái)監(jiān)測(cè)裝置的工作狀態(tài)[7]。其中，圖像識(shí)別傳感器用于記錄陶瓷芯片的擺放狀態(tài)特征，反饋給PLC系統(tǒng)。

根據(jù)檢測(cè)要求和性?xún)r(jià)比，選用型號(hào)為IV-HG500MA的圖像識(shí)別傳感器。利用IV-Navigator軟件進(jìn)行傳感器設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷芯片擺放狀態(tài)信息的識(shí)別和判定。采用2次面積工具為判斷工具，檢測(cè)到的陶瓷芯片擺放狀態(tài)共有4種可能，如圖4所示：

狀態(tài)一：擺放狀態(tài)正確，可直接送至芯片檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)；

狀態(tài)二：擺放狀態(tài)錯(cuò)誤，需由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行前后端調(diào)整才可送至芯片檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)；

狀態(tài)三：擺放狀態(tài)錯(cuò)誤，需由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行正反面翻轉(zhuǎn)才可送至芯片檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)；

狀態(tài)四：擺放狀態(tài)錯(cuò)誤，需依次經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)前后端調(diào)整和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)正反面翻轉(zhuǎn)才可送至芯片檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 PLC選型及I/O口分配

根據(jù)實(shí)際使用要求及系統(tǒng)輸入、輸出端口的數(shù)量，綜合考慮后選用型號(hào)為FX3U-64MT/ES-A的PLC，該型號(hào)PLC采用了直流24 V輸入電壓，晶體管輸出(漏型)，可提供32個(gè)輸入點(diǎn)，32個(gè)輸出點(diǎn)，同時(shí)自帶2路高速通訊接口(RS422&USB)，方便了上位機(jī)、PLC及觸摸屏之間的通訊及調(diào)試。

片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)系統(tǒng)共含有24個(gè)輸入點(diǎn)，11個(gè)輸出點(diǎn)，共計(jì)35個(gè)點(diǎn)，其I/O口分配表如表1所示。

(a)狀態(tài)一

(c)狀態(tài)三

(b)狀態(tài)二

(d)狀態(tài)四

表1 PLC的I/O口分配表

3.3 系統(tǒng)控制流程圖

片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)設(shè)備控制系統(tǒng)采用GXWorks2進(jìn)行PLC的程序設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)備的實(shí)際工作情況，設(shè)計(jì)了如圖5所示的PLC自動(dòng)控制程序流程。

圖5 PLC控制流程圖

3.4 觸摸屏畫(huà)面設(shè)計(jì)

觸摸屏是人機(jī)交互的窗口，用戶可通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和參數(shù)設(shè)定[8]。選擇型號(hào)為GS2107-WTBD型的觸摸屏，該型號(hào)觸摸屏擁有RS422和RS232等多個(gè)通信端口，能快速與PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換通信，滿足工況使用要求。利用GT-Designer3進(jìn)行觸摸屏界面設(shè)計(jì)，觸摸屏操作界面示意圖如圖6所示。

(a)主界面

(b)設(shè)備調(diào)試界面

(c)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控界面圖6 觸摸屏界面

觸摸屏界面主要包括以下幾部分：

(1)主界面。如圖6(a)所示，由“設(shè)備調(diào)試”、“芯片檢測(cè)”和“設(shè)備概要”組成，手動(dòng)按下即可進(jìn)入相應(yīng)的界面。

(2)設(shè)備調(diào)試界面。如圖6(b)所示，由“吸盤(pán)抓取模塊調(diào)試”、“上料識(shí)別模塊調(diào)試”、“旋轉(zhuǎn)模塊調(diào)試”、“翻轉(zhuǎn)模塊調(diào)試”、“檢測(cè)模塊調(diào)試”和“警報(bào)模塊調(diào)試”組成，手動(dòng)按下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)、氣缸、三色燈等進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制。

(3)設(shè)備運(yùn)行界面。在主界面點(diǎn)擊“芯片檢測(cè)”即開(kāi)始芯片自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)觸摸屏進(jìn)入設(shè)備運(yùn)行界面，如圖6(c)所示。

圖6(c)中，設(shè)備運(yùn)行界面包括系統(tǒng)狀態(tài)指示欄和運(yùn)行監(jiān)控指示欄。系統(tǒng)狀態(tài)指示欄能夠?qū)崟r(shí)顯示上料筒陶瓷芯片是否充足、收料盒是否已滿、各工位有無(wú)工件；運(yùn)行監(jiān)控指示欄能夠?qū)崟r(shí)顯示各部件運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前陶瓷芯片初始擺放狀態(tài)、當(dāng)前陶瓷芯片電阻值、已完成檢測(cè)數(shù)、合格品數(shù)以及不合格品數(shù)[9]。

4 結(jié)論

根據(jù)片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻的檢測(cè)工藝，設(shè)計(jì)了片式氧傳感器陶瓷芯片加熱電阻檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于PLC控制，能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷芯片的自動(dòng)上料、擺放狀態(tài)識(shí)別、擺放狀態(tài)調(diào)整、電阻值檢測(cè)、分類(lèi)收集等工序的自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)已投入實(shí)際生產(chǎn)使用，運(yùn)行狀態(tài)良好，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品檢測(cè)效率。