蝶形雙金屬片恢復(fù)溫度自動(dòng)分選線的研發(fā)

陳曙娟，李小寧，趙云文，湯建國(guó)

（1．南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2．常熟市天銀機(jī)電股份有限公司，江蘇 蘇州 215513）

0 引言

冰箱作為人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?，其安全性及可靠性成為冰箱生產(chǎn)商最重視的問(wèn)題［1］。過(guò)載保護(hù)器是冰箱壓縮機(jī)的保護(hù)裝置，當(dāng)壓縮機(jī)外接電壓過(guò)低、環(huán)境溫度過(guò)高以及由于機(jī)械故障引起的壓縮機(jī)機(jī)殼溫度過(guò)高時(shí)，過(guò)載保護(hù)器能自動(dòng)切斷電源，避免發(fā)生事故。

雙金屬片作為過(guò)載保護(hù)器的核心元件，對(duì)過(guò)載保護(hù)器的安全性和可靠性有著至關(guān)重要的影響，在對(duì)壓縮機(jī)與過(guò)載保護(hù)器進(jìn)行匹配時(shí)，過(guò)載保護(hù)器中雙金屬片恢復(fù)溫度特性是一個(gè)重要指標(biāo)，因此對(duì)雙金屬片的恢復(fù)溫度特性進(jìn)行溫度分級(jí)有著重要的意義。

雙金屬片是由兩層膨脹系數(shù)不同的金屬或合金沿著整個(gè)接觸面彼此牢固結(jié)合的復(fù)合材料，膨脹系數(shù)較大的稱為主動(dòng)層，膨脹系數(shù)較小的稱為被動(dòng)層。

雙金屬片恢復(fù)溫度分選法有很多，目前國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)都采用人工分選法，該方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，但是生產(chǎn)效率低，成本高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著科技的發(fā)展，人們先后提出了聲音分選法和圖像處理分選法。聲音分選法就是利用傳感器檢測(cè)雙金屬片突跳恢復(fù)時(shí)發(fā)出的聲音來(lái)判斷其是否恢復(fù)；圖像處理分選法是利用雙金屬片恢復(fù)狀態(tài)與翻轉(zhuǎn)狀態(tài)圖像的差異性來(lái)判斷其是否恢復(fù)。這兩種方法自動(dòng)化程度高、精度高，能滿足自動(dòng)化大批量生產(chǎn)的需要，但是分選線的成本高，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、自動(dòng)化程度高的雙金屬片分選線是保護(hù)器生產(chǎn)廠家所期盼的。據(jù)此，本文對(duì)傳統(tǒng)的人工檢測(cè)法的流程進(jìn)行分析，采用自動(dòng)化方法替代其中的加熱、檢測(cè)分級(jí)、分級(jí)取出等工序，設(shè)計(jì)了一條符合上述要求的雙金屬片分選線。

1 人工檢測(cè)法流程分析及自動(dòng)化流程設(shè)計(jì)

人工檢測(cè)法是目前保護(hù)器生產(chǎn)廠家最常用的雙金屬片恢復(fù)溫度分選方法，因此在設(shè)計(jì)自動(dòng)化分選線前對(duì)其工藝流程進(jìn)行分析是十分必要的。

圖1為人工檢測(cè)法的工藝流程。由圖1可知，人工檢測(cè)法工作時(shí)共有3個(gè)工作區(qū)間，依次是第一工作區(qū)間、第二工作區(qū)以及第三工作區(qū)間。每個(gè)工作區(qū)間有3個(gè)工作油槽：中間的為高溫油槽，溫度高于120℃，左側(cè)與右側(cè)是檢測(cè)油槽，右側(cè)的次高溫油槽溫度高于左側(cè)低溫油槽溫度，且第一工作槽低溫油槽溫度高于第二工作槽次高溫油槽溫度，第二工作槽低溫油槽溫度高于第三工作槽次高溫油槽溫度。

通過(guò)上述的人工檢測(cè)法的流程分析可知，雙金屬片恢復(fù)溫度分選中重要的檢測(cè)工藝為：給雙金屬片加熱使其翻轉(zhuǎn)；在不同溫度檢測(cè)雙金屬片是否恢復(fù)。據(jù)此設(shè)計(jì)自動(dòng)化雙金屬片分選線的關(guān)鍵工藝為加熱翻轉(zhuǎn)、分級(jí)檢測(cè)、自動(dòng)取放。

本文設(shè)計(jì)的分選線系統(tǒng)框圖如圖2所示。該分選線按功能可分為上料、加熱、檢測(cè)和取出4個(gè)功能模塊。各功能模塊通過(guò)自動(dòng)移動(dòng)的小車緊密地聯(lián)系在一起。

該系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)的流程為：首先上料，既在空的小車內(nèi)放入雙金屬片；使裝入雙金屬片的小車自動(dòng)移動(dòng)到加熱模塊中加熱翻轉(zhuǎn)；然后雙金屬片移動(dòng)到分級(jí)檢測(cè)模塊中，檢測(cè)模塊共有6個(gè)溫度遞減的檢測(cè)區(qū)，檢測(cè)雙金屬片是否發(fā)生突跳恢復(fù)，記錄下雙金屬片最先恢復(fù)的溫度區(qū)間，同時(shí)將該信號(hào)傳遞給取出模塊；最后雙金屬片進(jìn)入取出模塊，取出模塊根據(jù)檢測(cè)模塊傳遞來(lái)的恢復(fù)溫度信息，將在各溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生突跳恢復(fù)的雙金屬片分類取出，空的小車再次進(jìn)入上料裝置，進(jìn)入下一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)。

整條分選線系統(tǒng)主要包括機(jī)械部分、氣動(dòng)部分和電氣部分。

圖1 人工檢測(cè)法工作流程

圖2 雙金屬片分選線系統(tǒng)框圖

2 分選線關(guān)鍵技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

2．1 移動(dòng)裝置的研究和實(shí)現(xiàn)

雙金屬片的結(jié)構(gòu)小且復(fù)雜，質(zhì)量輕且薄，導(dǎo)磁性能良好，因此采用電磁鐵式機(jī)械手吸取的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)雙金屬片的拾取與放置。設(shè)計(jì)的電磁鐵式機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，機(jī)械手的移動(dòng)靠?jī)蓚€(gè)氣缸：上下移動(dòng)氣缸與左右移動(dòng)氣缸。因此該機(jī)械手能兩個(gè)方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將雙金屬片從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。移動(dòng)磁頭通過(guò)內(nèi)部通電的漆包線產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)拾取雙金屬片，漆包線斷電時(shí)將雙金屬片放置到指定位置。

圖3 電磁鐵式機(jī)械手結(jié)構(gòu)

2．2 檢測(cè)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

檢測(cè)雙金屬片是否恢復(fù)，首先要找出雙金屬片在兩種狀態(tài)（翻轉(zhuǎn)狀態(tài)與恢復(fù)狀態(tài)）下的不同點(diǎn)。由圖4可以看出雙金屬片上銀觸點(diǎn)在兩個(gè)狀態(tài)時(shí)位置是不同的：當(dāng)雙金屬片處于突跳狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)裝置的銅檢測(cè)頭與雙金屬銀觸點(diǎn)未接觸（見(jiàn)圖4（a））；當(dāng)雙金屬片處于恢復(fù)狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)裝置的銅檢測(cè)頭與雙金屬片的銀觸點(diǎn)相接觸（見(jiàn)圖4（b））。據(jù)此設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 雙金屬片翻轉(zhuǎn)與恢復(fù)兩種狀態(tài)的位置圖

圖5 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

2．3 氣動(dòng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．3．1 氣動(dòng)系統(tǒng)

設(shè)備的氣動(dòng)部分各執(zhí)行元件的氣路連接圖如圖6所示。執(zhí)行元件只有氣缸，各執(zhí)行氣缸通過(guò)電磁閥控制其運(yùn)動(dòng)方向。在各執(zhí)行氣缸行程的兩端都裝配有位置傳感器，設(shè)備通過(guò)PLC程序以及傳感器來(lái)控制電磁閥的通斷，從而控制各氣缸的運(yùn)動(dòng)方向［2，3］。

各執(zhí)行氣缸控制流程如下：氣缸活塞未推出時(shí)前傳感器或上傳感器發(fā)出指令，首先延遲一段時(shí)間，而后控制電磁閥打開(kāi)，氣缸前進(jìn)或下降，撞到氣缸行程后傳感器或下傳感器，延遲一段時(shí)間，發(fā)出指令使電磁閥關(guān)閉，氣缸后退或上升。

圖6 氣動(dòng)回路原理圖

2．3．2 控制系統(tǒng)

分選線中的氣缸通過(guò)PLC在不同的時(shí)間執(zhí)行相應(yīng)的前進(jìn)和后退動(dòng)作，且氣缸的前后都裝有光電耦合器作為位置傳感器，PLC通過(guò)控制與氣缸連接的電磁閥的開(kāi)合來(lái)控制氣缸的位置。

表1為分選線中某個(gè)氣缸的I／O分配表。

表1 某個(gè)氣缸PLC的I／O分配表

整條分選線中的氣缸采用循環(huán)控制，啟動(dòng)按鈕按下后，X0輸入信號(hào)，急停按鈕X1無(wú)輸入信號(hào)，氣缸前后位置的光電耦合器將氣缸的位置信號(hào)輸入到X2、X3中，PLC根據(jù)此信息進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作：如果X2有輸入信號(hào)，X3無(wú)輸入信號(hào)，則氣缸處于前端，PLC不給Y0輸出信號(hào)，電磁閥關(guān)閉；氣缸運(yùn)行到后位置，停留一段時(shí)間后，PLC給Y0輸出信號(hào)，電磁閥打開(kāi)，氣缸運(yùn)行到前位置，然后停留一段時(shí)間，重復(fù)上述動(dòng)作。

3 試驗(yàn)

圖7是按照上述設(shè)計(jì)的雙金屬片分選線實(shí)物圖，雙金屬片在分選線中能夠按照設(shè)計(jì)的流程依次進(jìn)入各功能裝置中，完成加熱、分級(jí)檢測(cè)、分級(jí)取出的功能。

圖7 自動(dòng)分選線分級(jí)取出裝置

本文設(shè)計(jì)組裝的自動(dòng)化分選線已投入到實(shí)際保護(hù)器生產(chǎn)中，整條分選線運(yùn)行狀況良好，故障率低，能夠滿足公司大批量檢測(cè)的需要。

4 結(jié)論

整條自動(dòng)化分選線采用基于PLC的自動(dòng)化控制方法，解決了人工分選法分選線成本高、效率低的問(wèn)題。設(shè)計(jì)的雙金屬片分選線一條線日產(chǎn)量大約為30 000只，比以前采用人工分選法時(shí)日產(chǎn)量提高150%，生產(chǎn)線人數(shù)由原來(lái)的40人降低到2人，減少了人工成本，同時(shí)也去除了人工分選法中油槽用油的成本。

［1］ 區(qū)子平．保護(hù)器碟片成型機(jī)的驗(yàn)證［J］．機(jī)床與液壓，2001（3）：88－91．

［2］ 王新鄉(xiāng)，胡國(guó)清．全自動(dòng)氣動(dòng)PLC控制表針加工設(shè)備的設(shè)計(jì)研究［J］．液壓與氣動(dòng)，2010（8）：39－42．

［3］ 王盼盼，呂衛(wèi)陽(yáng)，李國(guó)芹．PLC實(shí)現(xiàn)高爐上料系統(tǒng)的自動(dòng)控制［J］．自動(dòng)化博覽，2008，25（8）：61－63．