臥式環(huán)氧絕緣層涂敷機(jī)工件掉落檢測(cè)功能的開發(fā)*

倫釗強(qiáng)，張宜鋼，陳秋華，謝石柱，王勝雷

（廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州 510635）

0 引言

近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，微特電機(jī)的需求量日益增長(zhǎng)，生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備不斷革新。國(guó)內(nèi)大型企業(yè)，特別是大型合資企業(yè)對(duì)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備的要求越來越高，對(duì)設(shè)備安全的重視程度越來越高。

現(xiàn)國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)臥式轉(zhuǎn)子絕緣層涂敷機(jī)是直接通過開關(guān)控制接觸器閉合，實(shí)現(xiàn)涂敷機(jī)設(shè)備的啟停，對(duì)生產(chǎn)過程中冷卻水、壓縮空氣和轉(zhuǎn)子傾斜等會(huì)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生不良甚至危及操作人員安全的因素沒有實(shí)時(shí)的檢測(cè)[1-3]。根據(jù)這種狀況，我所開發(fā)出一種基于PLC集中控制的新型臥式涂敷機(jī)，此設(shè)備實(shí)現(xiàn)觸摸屏集中控制，具備了對(duì)冷卻水流量、壓縮空氣和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀況的檢測(cè)，特別是對(duì)轉(zhuǎn)子在刮粉區(qū)和加熱區(qū)域的運(yùn)動(dòng)狀況檢測(cè)，能有效的消除由于夾具松動(dòng)后，轉(zhuǎn)子接觸高頻感應(yīng)器導(dǎo)致起火的情況，大大提高了整機(jī)的安全性能。

1 功能意義和算法

在轉(zhuǎn)子涂敷的生產(chǎn)過程中，由于工裝夾具和傳動(dòng)螺桿的正常磨損，特別是在硅鋼片刮粉時(shí)，容易出現(xiàn)工裝夾具松動(dòng)、傾斜甚至脫落，進(jìn)而導(dǎo)致夾具在高頻感應(yīng)加熱過程中著火?；谏鲜鲈?，開發(fā)出一種基于接近傳感器和PLC的轉(zhuǎn)子傾斜和掉落報(bào)警的功能，當(dāng)檢測(cè)到傾斜和掉落時(shí)停機(jī)報(bào)警。

如圖1，涂敷機(jī)轉(zhuǎn)子通過螺桿傳動(dòng)，轉(zhuǎn)子的間隔時(shí)間定義為t1、t2、t3。在正常連續(xù)生產(chǎn)的情況下，轉(zhuǎn)子進(jìn)出檢測(cè)區(qū)域的間隔時(shí)間都是t1in、t2in、t3in和 t1out、t2out、t3out。

圖1 螺桿傳動(dòng)轉(zhuǎn)子示意圖

通過進(jìn)出該區(qū)域的接近傳感器記錄時(shí)間間隔并按順序存儲(chǔ)在PLC控制器的內(nèi)存中，比較進(jìn)出的時(shí)間，若滿足公式1，即可以認(rèn)為沒有發(fā)生掉落。

當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子2掉落，t1out的時(shí)間間隔變長(zhǎng)，通過比較進(jìn)出的接近開關(guān)按順序記錄間隔時(shí)間，若滿足公式（2），可以判斷轉(zhuǎn)子是否出現(xiàn)掉落。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還需要解決下面兩種情況：

（1）進(jìn)入加熱區(qū)的第一個(gè)轉(zhuǎn)子；

（2）連續(xù)生產(chǎn)中停機(jī)的恢復(fù)。

進(jìn)加熱區(qū)的第一個(gè)轉(zhuǎn)子，通過計(jì)算它在加熱區(qū)的行走時(shí)間ty，判斷它是否在允許的時(shí)間內(nèi)到達(dá)加熱區(qū)出口檢測(cè)傳感器。

當(dāng)停機(jī)時(shí)檢測(cè)區(qū)域中還留有轉(zhuǎn)子，在重新啟動(dòng)后對(duì)出該區(qū)域的接近開關(guān)進(jìn)行屏蔽，屏蔽時(shí)間是正常行走時(shí)間ty-tp，tp應(yīng)小于設(shè)備設(shè)計(jì)的最短節(jié)拍時(shí)間。

2 傳感器選擇和比較

接近傳感器是一種用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和控制的開關(guān)器件。特點(diǎn)有工作可靠、壽命長(zhǎng)、功耗低、復(fù)定位精度高、操作頻率高以及適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境等。選擇接近傳感器作為微電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)入各工位區(qū)域的檢測(cè)工具，反饋信號(hào)至PLC進(jìn)行處理[4]。

接近傳感器按檢測(cè)的原理可分為電容式、電感式、電磁式、機(jī)械式和光電式。表1是各類型傳感器的特征對(duì)比。

表1 各類型傳感器特征對(duì)比

分析和比較上述類型接近傳感器的特點(diǎn)及在涂敷機(jī)高溫、高頻、靜電和粉末的使用環(huán)境，首先排除了電磁式接近傳感器，因?yàn)槲㈦姍C(jī)轉(zhuǎn)子是非磁性金屬。對(duì)電感式、電容式、機(jī)械式和光電式接近傳感器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）電感式和電容式傳感器受高頻加熱電源干擾，頻繁出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)；

（2）機(jī)械式傳感器能準(zhǔn)確檢測(cè)到轉(zhuǎn)子接近的信號(hào)，但粉塵容易進(jìn)入傳感器軸承，出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)傾斜；

（3）光電式傳感器能準(zhǔn)確檢測(cè)到轉(zhuǎn)子接近的信號(hào)，但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行粉末可能遮擋感應(yīng)頭。通過增加吹掃器，在感應(yīng)頭加上正壓空氣，能有效防止粉末遮擋。

因此，吹掃器的反射式光電傳感器作為刮粉區(qū)和加熱區(qū)檢測(cè)的工具。圖2從左至右分別是電感式傳感器、機(jī)械式傳感器和帶吹掃器的反射式光電傳感器試驗(yàn)圖片。

圖2 傳感器試驗(yàn)

3 軟件開發(fā)

3.1 檢測(cè)區(qū)域行走時(shí)間計(jì)算

我所設(shè)計(jì)研發(fā)的臥式轉(zhuǎn)子環(huán)氧絕緣層涂敷機(jī)采用螺桿傳動(dòng)，改變變頻器的頻率控制螺桿的轉(zhuǎn)速。改變變頻器的頻率，記錄上粉區(qū)、刮粉區(qū)和加熱固化區(qū)不同運(yùn)行頻率下行走時(shí)間的試驗(yàn)，擬合行走時(shí)間和頻率的曲線，可以自動(dòng)適應(yīng)用戶設(shè)置的頻率，計(jì)算對(duì)應(yīng)區(qū)域的行走時(shí)間，為進(jìn)入?yún)^(qū)域的第一個(gè)轉(zhuǎn)子和急停后復(fù)位再啟動(dòng)情況下掉落的判斷提供參數(shù)。表2是不同頻率與各區(qū)行走時(shí)間的數(shù)據(jù)表。

表2 不同頻率與行走時(shí)間數(shù)據(jù)

基于上述數(shù)據(jù)，利用Excel軟件中一次方程進(jìn)行擬合并顯示決定系數(shù)R2，得到下列公式：

（1）上粉區(qū)中不同頻率轉(zhuǎn)子的行走時(shí)間

其中X為頻率，Y1為上粉區(qū)行走時(shí)間，決定系數(shù)R2數(shù)值大小可以反映趨勢(shì)線的估計(jì)值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，決定系數(shù)越接近1，擬合程度越高，趨勢(shì)線的可靠性就越高。

（2）刮粉區(qū)中不同頻率轉(zhuǎn)子的行走時(shí)間

其中X為頻率，Y2為刮粉區(qū)行走時(shí)間。

（3）加熱區(qū)中不同頻率轉(zhuǎn)子的行走時(shí)間

其中X為頻率，Y3為加熱區(qū)行走時(shí)間

3.2 轉(zhuǎn)子行走時(shí)間間隔記錄程序

我所研制的新型涂敷機(jī)基于西門子PLC，轉(zhuǎn)子掉落功能開發(fā)基于下面幾個(gè)功能塊。

（1）變頻器不同頻率時(shí)，上粉區(qū)、刮粉區(qū)和加熱固化區(qū)轉(zhuǎn)子行走時(shí)間計(jì)算。此參數(shù)連續(xù)生產(chǎn)中停機(jī)的恢復(fù)，防止出入轉(zhuǎn)子時(shí)間間隔的混亂。

（2）轉(zhuǎn)子進(jìn)出區(qū)域的時(shí)間間隔記錄。為了盡量減少記錄時(shí)間間隔數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存，減少PLC的資源耗費(fèi)，記錄轉(zhuǎn)子進(jìn)出的時(shí)間間隔，各設(shè)置一個(gè)含20個(gè)時(shí)間變量的結(jié)構(gòu)體內(nèi)存[5]。采用輪詢的方式保存數(shù)據(jù)，圖3是結(jié)構(gòu)體內(nèi)存序號(hào)輪詢?cè)L問的部分程序，當(dāng)傳感器檢測(cè)到工件，在上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法運(yùn)算，當(dāng)判斷序號(hào)達(dá)到20，自動(dòng)將序號(hào)保存的內(nèi)存置0，重新計(jì)算。圖4是結(jié)構(gòu)體出上粉區(qū)轉(zhuǎn)子時(shí)間間隔保存時(shí)間數(shù)據(jù)。

圖3 結(jié)構(gòu)體內(nèi)存序號(hào)輪詢?cè)L問

圖4 出上粉區(qū)轉(zhuǎn)子時(shí)間間隔保存時(shí)間數(shù)據(jù)

（3）進(jìn)出時(shí)間參數(shù)比較。如前所述，進(jìn)出時(shí)間參數(shù)比較應(yīng)包含兩部分：一是第一個(gè)轉(zhuǎn)子在該區(qū)域行走時(shí)間大于正常行走時(shí)間；二是連續(xù)運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔不在允許的時(shí)間范圍內(nèi)。如圖5，滿足上述情況之一，即判斷該區(qū)域出現(xiàn)工件的掉落。

4 使用效果和結(jié)論

轉(zhuǎn)子掉落檢測(cè)功能，能有效的檢測(cè)生產(chǎn)過程中由于夾具松動(dòng)導(dǎo)致工件的掉落，進(jìn)而控制設(shè)備停止，提示操作者檢測(cè)相應(yīng)區(qū)域，能大大減少由于掉落工件引起的刮粉裝置損壞，及夾具在高頻感應(yīng)過程中因過熱而起火的危險(xiǎn)情況，大大提高了設(shè)備的安全性能。

圖5 工件掉落判斷

［1］周錦添，梁志峰.微電機(jī)槽絕緣自動(dòng)涂敷設(shè)備及涂敷技術(shù)［J］.機(jī)械開發(fā)，1998（3）：12-16.

［2］梁志峰，周錦添.微電機(jī)轉(zhuǎn)定子內(nèi)槽粉末涂敷設(shè)備的研究［J］.機(jī)械開發(fā)，2001（5）：58-61.

［3］陳易廳.嵌入式LED熒光粉涂敷機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［4］王衛(wèi)兵，張宏，金飛虎，等.傳感器技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［5］廖常初.S7-1200 PLC編程及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.