后橋油管氣密性檢測(cè)站的電氣設(shè)計(jì)

蒙萬(wàn)才，梁增提，覃京翎，王莉莉

（柳州城市職業(yè)學(xué)院，廣西 柳州545036）

在汽車(chē)零部件生產(chǎn)線上，泄漏測(cè)試對(duì)保證產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。氣密性的檢測(cè)也逐漸要求智能化，并要求能適用于在線檢測(cè)[1]。通常人們將充入壓縮空氣后的被測(cè)物浸入水中，觀察產(chǎn)生的氣泡來(lái)判斷是否漏氣[2]。本文主要是研究如何采用LS-1863X型COSMO檢測(cè)儀器檢測(cè)產(chǎn)品氣密性，同時(shí)通過(guò)可編程控制器PLC的I/O接口實(shí)現(xiàn)外部控制，提高泄漏的檢測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)工位的自動(dòng)化。

1 測(cè)漏量換算原理

（1）BOYLE-CHARLE定律

測(cè)出的差壓可根據(jù)BOYLE-CHARLE定律推算出的公式，換算成流量（mL/min）。BOYLE-CHARLE定律適用于壓力（P）和體積（V）的關(guān)系。BOYLECHARLE定律認(rèn)為，在一定的溫度條件下氣體壓力和體積的乘積是一定的，得公式：PV為額定數(shù)值，P為絕對(duì)壓力。由BOYLE-CHARLE定律可以導(dǎo)出空氣泄漏量公式：泄漏量（△VL）=Ve×△P/Patm.式中Ve是等效內(nèi)容積，△P是由于泄漏產(chǎn)生的壓力下降，Patm是大氣壓。等效容積Ve是指測(cè)試回路的內(nèi)容積中包含了因容積變化等引起差壓之后的容積，在泄漏量換算時(shí)作為泄漏系數(shù)使用。

（2）等效內(nèi)容積的計(jì)算公式

利用下式算出等效內(nèi)容積進(jìn)行泄漏量的轉(zhuǎn)換：

公式（1）中，Ve是等效內(nèi)容積（mL），Vw 是測(cè)試品和配管的內(nèi)容積（mL），Vm是標(biāo)志品和配管的內(nèi)容積（mL），Vt是檢漏儀內(nèi)容積（mL），根據(jù)選用檢漏儀的規(guī)格型號(hào)，Vt=11 mL，Ks是因壓力引起的傳感器容積變化率（mL/KPa），Kw是因?yàn)閴毫σ鸬臏y(cè)試容積變化率（mL/KPa），P是測(cè)試壓（mL/kPa）。現(xiàn)假設(shè)測(cè)試品和標(biāo)志品的內(nèi)容積（包含管路）相同，并且在檢出中沒(méi)有因?yàn)榧訅阂饍?nèi)容積變化，可導(dǎo)出公式（2）如下：

Vw=Vm；Ks=0.005（mL/kPa）（實(shí)際測(cè)量值）；Kw=0（mL/kPa）假設(shè)測(cè)試中測(cè)試品無(wú)容積變形）；Ks× [1+（Vw+Vt）/（Vm+Vt）］+Kw=2Ks=0.01（mL/kPa）。

（3）泄漏量的換算公式

單位時(shí)間內(nèi)的泄漏量與差壓之間的關(guān)系可用下面公式計(jì)算：

公式（3）中，Q 是泄漏量（mL/min），△P是壓差（Pa），Ve是等效內(nèi)容積（mL），T是檢出時(shí)間（s）。檢漏儀使用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓來(lái)進(jìn)行計(jì)算，如果測(cè)試時(shí)的大氣壓是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013×105Pa、氣溫是標(biāo)準(zhǔn)的20℃，則可以算出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的單位時(shí)間內(nèi)的泄漏量。例如，測(cè)試壓P=400 mL/kPa，測(cè)試品的內(nèi)容積Vw=Vm=80 mL，檢出時(shí)間T=3 s，檢漏儀內(nèi)容積Vt=11 mL，檢出時(shí)壓差△P=50 Pa.根據(jù)以上測(cè)試條件，利用公式（2）和公式（3），將測(cè)出的壓差△P=50 Pa換成泄漏量，計(jì)算如下：

2 COSMO檢測(cè)儀測(cè)漏方式

COSMO檢測(cè)儀的測(cè)漏方式是通過(guò)向測(cè)試品（工件）內(nèi)充入壓力空氣，測(cè)量其內(nèi)部壓力差的變化測(cè)出是否有泄漏。首先準(zhǔn)備好無(wú)泄漏的標(biāo)志品，給測(cè)試品和標(biāo)志品同時(shí)注入調(diào)壓后的空氣。然后，停止充氣，通過(guò)高靈敏差度傳感器（DPS）測(cè)出因泄漏導(dǎo)致的內(nèi)部壓力差變化，即測(cè)試品與標(biāo)志品之間的差壓值，其測(cè)試的基本空氣通路如圖1所示。

圖1 基本空氣回路圖

具體檢測(cè)的行程動(dòng)作分5個(gè)步驟。第一步是起動(dòng)，用夾具密封測(cè)試品后，輸入啟動(dòng)信號(hào)。第二步是加壓（CHG），向測(cè)試品和標(biāo)準(zhǔn)品加壓。因?yàn)榻^熱壓縮而升溫的空氣要達(dá)到一定程度的穩(wěn)定，需要一段時(shí)間。第三步是平衡（BAL），停止加壓，隔斷測(cè)試品與標(biāo)準(zhǔn)品之間的空氣，等待壓力的穩(wěn)定。大泄漏在此行程中可以測(cè)出，判斷結(jié)果為不合格。第四步是檢出（DET），進(jìn)行小泄漏的檢測(cè)。也可以利用修正功能提高檢測(cè)的能力。第五步是排氣結(jié)束，輸出合格與否的信號(hào)，從排氣口排出測(cè)試品與標(biāo)志品內(nèi)的空氣。

在第三步平衡（BAL）和第四部是檢出（DET）行程中，泄漏引起的差壓隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加。在自動(dòng)清零后高靈敏度差壓傳感器（DPS）的輸出為零，然后再顯示穩(wěn)定后的差壓，其泄漏引起的壓差曲線如圖2所示。

圖2 泄漏引起的壓差曲線圖

3 COSMO檢測(cè)儀的IO功能

LS-1863X型COSMO檢測(cè)儀是用于檢查各種部件、成品的氣密性的差壓式空氣泄漏測(cè)試儀，可以提高泄漏的檢測(cè)能力，并通過(guò)其I/O控制接口作為輸入輸出信號(hào)，利用可編程控制器PLC等外部設(shè)備控制檢漏儀，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線自動(dòng)化控制，其I/O功能如表1所列。

表1 COSMO檢測(cè)儀測(cè)接口端子分配

4 檢測(cè)站的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

后橋油管氣密性檢測(cè)站整體設(shè)計(jì)主要由壓差檢測(cè)儀器、檢測(cè)管路、正壓檢測(cè)系統(tǒng)和精密調(diào)整壓力閥、控制按扭、上下限數(shù)顯壓力表等組成。采用COSMO儀器和氣罐組合對(duì)零件充氣檢測(cè)，再使用兩臺(tái)LS-1863X型COSMO檢測(cè)儀器通過(guò)與NI數(shù)據(jù)采集卡、臺(tái)達(dá)PLC之間的端口通訊，以及和工控一體機(jī)的RS485端口連接，可對(duì)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)在工控一體機(jī)上動(dòng)態(tài)顯示記錄下來(lái)（如圖3所示）。

圖3 電氣控制整體機(jī)構(gòu)

圖4 PLC控制電路設(shè)計(jì)圖

5 PLC控制電路設(shè)計(jì)

撿漏過(guò)程借助“行程接口#0”和“行程接口#1”的組合，就能知道撿漏儀所處的行程，如表2所示。在“DL3”和“結(jié)束”行程中進(jìn)行了判斷或者輸入停止信號(hào)后，此時(shí)的行程編號(hào)被保持。比如在平衡行程中判斷為NG，在結(jié)束行程中保持行程編號(hào)2。利用這一功能，能容易區(qū)分不合格產(chǎn)品。

表2 “行程接口#0”和“行程接口#1”的組合關(guān)系表

圖4為PLC控制電路設(shè)計(jì)圖，以工位一為例。按下啟動(dòng)按鈕X0，PLC的Y32輸出信號(hào)打開(kāi)充氣閥輔助檢漏儀給工件快速充壓，同時(shí)輸出儀表啟動(dòng)信號(hào)Y24給檢漏儀#2端子，發(fā)出工位一運(yùn)行指示燈信號(hào)Y0.檢漏儀開(kāi)始充氣加壓，并返回加壓行程信號(hào)給PLC（#17->X27=OFF，#18->X30=ON）。

經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)的加壓時(shí)間之后，檢漏儀停止充氣加壓，隔斷測(cè)試品與標(biāo)準(zhǔn)品，轉(zhuǎn)到平衡行程，返回平衡行程信號(hào)給PLC（#17->X27=ON，#18->X30=OFF，PLC斷開(kāi)Y32信號(hào)停止充氣）。大泄露在此行程中檢出。平衡預(yù)設(shè)時(shí)間到之后，檢漏儀轉(zhuǎn)到檢出行程，進(jìn)行小泄露的檢測(cè)，并返回行程信號(hào)給PLC（#17->X27=ON，#18->X30=ON）。

檢出行程結(jié)束后，檢漏儀#35端子輸出行程結(jié)束信號(hào)（#35->X34=ON），#14、#13#16端子輸出檢測(cè)結(jié)果信號(hào)（合格#14->X25=ON，不合格#13->X24=ON，不合格時(shí)同時(shí)發(fā)出異常信號(hào)#16->X26=ON，大泄露及標(biāo)準(zhǔn)品泄露信號(hào)也會(huì)同時(shí)給出。）給PLC.

大泄露時(shí)，檢漏儀#31端子給PLC發(fā)送信號(hào)（#31->X31=ON），同時(shí)#13端子發(fā)出不合格信號(hào)。另外由#32端子發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)品泄露信號(hào)，#33端子發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)品大泄露信號(hào)。

檢測(cè)結(jié)果不合格時(shí)，PLC同時(shí)發(fā)出工位報(bào)警信號(hào)Y1指示燈亮，Y40蜂鳴器響。處理不合格品后，需按工位一報(bào)警復(fù)位按鈕X2來(lái)復(fù)位報(bào)警。PLC同時(shí)發(fā)出儀表停止信號(hào)Y25給儀器#3端子進(jìn)行異常清除，方能繼續(xù)檢測(cè)工作。

如果行程中途按下停止按鈕X1，則PLC輸出Y25給檢漏儀#3端子，檢漏儀將中斷各操作模式、行程動(dòng)作、清除所有判斷及泄露量顯示、判斷輸出、異常輸出，并返回測(cè)試模式。

另外，檢漏儀的輸入信號(hào)公共端子#10接201+24 V，輸出公共端子#19接202 0V，PLC控制程序如圖5所示。

圖5 控制程序（部分）

6 運(yùn)行結(jié)果

后橋總成油管氣密性檢測(cè)站開(kāi)發(fā)后，用到裝配線上生產(chǎn)運(yùn)行（如圖6），開(kāi)展橋油管及總成產(chǎn)品的試漏檢測(cè)，取代原來(lái)的人工檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)顯示，并能記錄保存，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測(cè)，確保供應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量，大大提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

圖6 研發(fā)產(chǎn)品實(shí)物

7 結(jié)束語(yǔ)

后橋總成油管氣密性檢測(cè)站控制的核心是PLC和COSMO檢測(cè)儀，通過(guò)COSMO檢測(cè)儀的模擬量輸出端口與NI數(shù)據(jù)采集卡、臺(tái)達(dá)PLC之間的端口通訊，構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多功能一體化。工作站選用中達(dá)電通DVP14SSR2型PLC，3塊8點(diǎn)的I/O擴(kuò)展模塊。PLC與觸摸屏間采用RS485通訊，與COSMO檢測(cè)儀的模擬量輸出端口連接的通訊機(jī)制，價(jià)格優(yōu)惠，性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)檢查工位自動(dòng)化，提高泄漏檢測(cè)能力，為類(lèi)似裝配線的研發(fā)提供技術(shù)借鑒。