智能凸輪軸壓裝檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃昭縣

(山東青年政治學(xué)院信息工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250400)

0 引言

凸輪軸是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，其作用是控制氣門的開(kāi)啟和閉合。由于氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和運(yùn)轉(zhuǎn)特性，凸輪軸的轉(zhuǎn)速幾乎和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相當(dāng)，而且需要承受較大的扭矩。因此，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)凸輪軸在強(qiáng)度和支撐方面的要求很高，對(duì)裝配精度要求也較高。因此，凸輪軸設(shè)計(jì)和裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中占據(jù)著十分重要的地位[1]。

對(duì)于小型發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸，通常采用人工手動(dòng)壓入方式。一是投入少，不需要采購(gòu)智能設(shè)備。二是壓裝柔性大，便于換型。但是人工壓入方式不僅需要工人有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，而且不能保證每次壓入力在合適的范圍內(nèi)，壓裝合格判定標(biāo)準(zhǔn)不能量化[2]。目前，凸輪軸的裝配普遍采用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行壓裝，過(guò)程可監(jiān)控、數(shù)據(jù)可采集、標(biāo)準(zhǔn)可量化。

本文以C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，研究設(shè)計(jì)一款凸輪軸智能壓裝檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)壓裝過(guò)程中的壓力和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，繪成曲線，利用區(qū)域判定方法，對(duì)壓裝結(jié)果進(jìn)行判斷，以達(dá)到精密壓裝的目的；同時(shí)，存儲(chǔ)壓裝數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)可追溯。該系統(tǒng)能夠提高裝配效率和自動(dòng)化程度，提高凸輪軸壓裝設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)凸輪軸壓裝系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)、壓裝機(jī)床三部分。凸輪軸壓裝系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中:上位機(jī)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、結(jié)果判定以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；PLC是控制單元，負(fù)責(zé)工藝流程的控制，數(shù)據(jù)采集；壓裝機(jī)床是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在PLC的控制下對(duì)凸輪軸進(jìn)行壓裝。

圖1 凸輪軸壓裝系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)整體工作流程如下。

①上位機(jī)和設(shè)備上電后，壓裝設(shè)備自檢完畢后向上位機(jī)發(fā)送當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)(手動(dòng)/自動(dòng))。計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，向PLC發(fā)送準(zhǔn)備就緒指令。

②設(shè)備和上位機(jī)準(zhǔn)備就緒，操作工將工件放在工控臺(tái)上，設(shè)備自動(dòng)掃描工件上的二維碼；將二維碼所代表的條碼發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)判定工件是否已壓裝，避免重復(fù)壓裝。如工件已壓裝，則通知PLC，由PLC發(fā)出聲光報(bào)警；若未壓裝，則通知PLC可以進(jìn)行下一步操作。

③判定是否重復(fù)壓裝完畢后，PLC通過(guò)解讀條碼，將凸輪軸的型號(hào)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)型號(hào)，選擇不同的結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)。

④選型完畢后，設(shè)備進(jìn)入壓裝過(guò)程。首先進(jìn)行鋼球的壓裝。壓裝開(kāi)始后，通知上位機(jī)采集壓裝數(shù)據(jù)；壓裝結(jié)束后，上位機(jī)停止采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行鋼球壓裝結(jié)果判定。若結(jié)果合格，則進(jìn)行信號(hào)盤的壓裝。上位機(jī)在壓裝開(kāi)始后采集數(shù)據(jù)，結(jié)束后進(jìn)行結(jié)果判定。

⑤整個(gè)自動(dòng)流程結(jié)束后，PLC將檢漏儀的結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)將壓裝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。

2 關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 上位機(jī)與PLC通信

上位機(jī)與PLC通過(guò)網(wǎng)口進(jìn)行通信，采用OLE過(guò)程控制(OLE for process control,OPC)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互操作。PLC供應(yīng)商提供OPC服務(wù)器，程序開(kāi)發(fā)人員無(wú)需編寫底層驅(qū)動(dòng)，利用用戶軟件OPC Client實(shí)現(xiàn)與PLC的通信[4-5]。采用OPC協(xié)議技術(shù)，使上位機(jī)訪問(wèn)PLC的方式與采用的PLC型號(hào)無(wú)關(guān)，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的通用性[6-7]。具體的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]。

設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)與PLC需要進(jìn)行通信交互，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)流程的有序進(jìn)行。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通信協(xié)議。上位機(jī)與PLC通信協(xié)議如表1所示。表1中，列舉了關(guān)鍵的通信字段的定義。

表1 上位機(jī)與PLC通信協(xié)議表

2.2 壓裝結(jié)果判定

質(zhì)量判定方法是凸輪軸壓裝設(shè)備的核心組成部分。壓裝完畢后，上位機(jī)利用區(qū)域判定方法對(duì)壓裝結(jié)果進(jìn)行判定[8-10]。區(qū)域判定方法包括左進(jìn)右出、左進(jìn)上出、左進(jìn)不出、下進(jìn)右出、下進(jìn)上出和下進(jìn)不出。具體的算法可參考文獻(xiàn)[8]和參考文獻(xiàn)[9]。

上位機(jī)判定結(jié)束后，將結(jié)果告知PLC。若不合格，PLC發(fā)出聲光報(bào)警。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

為了確保壓裝數(shù)據(jù)可追溯，上位機(jī)將壓裝數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

壓裝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表如表2所示。

表2 壓裝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是智能壓裝檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。軟件設(shè)計(jì)部分將整個(gè)系統(tǒng)劃分為若干模塊，包括主界面、選型設(shè)置、PLC通信、數(shù)據(jù)查詢4個(gè)功能模塊。其中:主界面包括鋼球壓力位移曲線顯示、信號(hào)盤壓力位移曲線顯示、制程能力曲線顯示；選型設(shè)置包括坐標(biāo)軸設(shè)置、判定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置；數(shù)據(jù)查詢包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、單個(gè)工件的詳細(xì)數(shù)據(jù)查詢。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 軟件界面設(shè)計(jì)

3.2.1 主界面

凸輪軸壓裝一般包括若干零部件的壓裝，例如本文所涉及的凸輪軸壓裝包括鋼球壓裝和信號(hào)盤壓裝。在主界面設(shè)計(jì)中，考慮顯示鋼球和信號(hào)盤的實(shí)時(shí)壓力位移值。在壓裝結(jié)束后，主界面能顯示壓力位移曲線，以便用戶直觀觀測(cè)壓裝結(jié)果。

壓力位移曲線如圖3所示。圖3中:虛線框?yàn)榻Y(jié)果判斷區(qū)域。

圖3 壓力位移曲線圖

3.2.2 型號(hào)設(shè)置

凸輪軸壓裝生產(chǎn)線針對(duì)的是一系列產(chǎn)品，包含多種型號(hào)。每種型號(hào)的曲線坐標(biāo)系、結(jié)果判定框以及判定方法不盡相同，需要對(duì)每種型號(hào)進(jìn)行設(shè)置。在型號(hào)設(shè)置界面，可以對(duì)型號(hào)進(jìn)行增加、刪除、修改等操作。針對(duì)某種具體型號(hào)，可以設(shè)置坐標(biāo)系的X軸和Y軸的起始、終止數(shù)值；判定標(biāo)準(zhǔn)的壓力上下限、位移上下限、判定規(guī)則等。

3.2.3 查詢

查詢分為統(tǒng)計(jì)查詢和詳細(xì)查詢。統(tǒng)計(jì)查詢可以通過(guò)產(chǎn)品條碼、型號(hào)、日期時(shí)間、壓裝結(jié)果等條件查詢。詳細(xì)查詢可以查看某個(gè)產(chǎn)品的詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括壓裝時(shí)間、壓裝結(jié)果、鋼球壓力值、鋼球位移值、信號(hào)盤壓力值、信號(hào)盤位移值以及詳細(xì)的過(guò)程數(shù)據(jù)曲線等。

4 調(diào)試與驗(yàn)證

該系統(tǒng)應(yīng)用于博云機(jī)械科技有限公司的凸輪軸壓裝檢測(cè)設(shè)備。出廠前進(jìn)行了大量調(diào)試，主要包括上位機(jī)與PLC通信測(cè)試、壓力位移數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性分析、壓裝結(jié)果判定方法的分析與驗(yàn)證、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢等。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，上位機(jī)與PLC之間通信正常，OPC通信方式能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求。上位機(jī)通過(guò)高速采集卡采集數(shù)據(jù)，工作中存在一定的干擾，進(jìn)過(guò)濾波處理后，能夠滿足結(jié)果判定的需求。采用判定框?qū)貉b結(jié)果進(jìn)行判定，能夠快速、準(zhǔn)確地給出結(jié)果。利用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠滿足大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求，并能正確顯示壓裝曲線。

經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，用戶反饋良好。

5 結(jié)論

基于C#開(kāi)發(fā)的智能凸輪軸壓裝檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)際工程項(xiàng)目驗(yàn)證，能夠在凸輪軸壓裝過(guò)程中對(duì)壓裝數(shù)據(jù)進(jìn)行精確采集，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行判定，以實(shí)現(xiàn)壓裝數(shù)據(jù)可追溯。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，具有一定的通用性，經(jīng)過(guò)稍加改造，可廣泛應(yīng)用于其他零部件壓裝工藝控制，如固定節(jié)壓裝、移動(dòng)節(jié)壓裝等，具有一定的參考價(jià)值和實(shí)用性。