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)
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]。
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。
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
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。
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
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
3.2.1 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。
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。
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。