蝶形雙金屬片恢復溫度自動分選線的研發

陳曙娟，李小寧，趙云文，湯建國

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

0 引言

冰箱作為人們日常生活的必需品，其安全性及可靠性成為冰箱生產商最重視的問題［1］。過載保護器是冰箱壓縮機的保護裝置，當壓縮機外接電壓過低、環境溫度過高以及由于機械故障引起的壓縮機機殼溫度過高時，過載保護器能自動切斷電源，避免發生事故。

雙金屬片作為過載保護器的核心元件，對過載保護器的安全性和可靠性有著至關重要的影響，在對壓縮機與過載保護器進行匹配時，過載保護器中雙金屬片恢復溫度特性是一個重要指標，因此對雙金屬片的恢復溫度特性進行溫度分級有著重要的意義。

雙金屬片是由兩層膨脹系數不同的金屬或合金沿著整個接觸面彼此牢固結合的復合材料，膨脹系數較大的稱為主動層，膨脹系數較小的稱為被動層。

雙金屬片恢復溫度分選法有很多，目前國內大部分企業都采用人工分選法，該方法簡單、實用，但是生產效率低，成本高，工人勞動強度大。隨著科技的發展，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雙金屬片突跳恢復時發出的聲音來判斷其是否恢復；圖像處理分選法是利用雙金屬片恢復狀態與翻轉狀態圖像的差異性來判斷其是否恢復。這兩種方法自動化程度高、精度高，能滿足自動化大批量生產的需要，但是分選線的成本高，限制了其在工業中的應用。

針對上述問題，研發一種結構簡單、成本低廉、自動化程度高的雙金屬片分選線是保護器生產廠家所期盼的。據此，本文對傳統的人工檢測法的流程進行分析，采用自動化方法替代其中的加熱、檢測分級、分級取出等工序，設計了一條符合上述要求的雙金屬片分選線。

1 人工檢測法流程分析及自動化流程設計

人工檢測法是目前保護器生產廠家最常用的雙金屬片恢復溫度分選方法，因此在設計自動化分選線前對其工藝流程進行分析是十分必要的。

圖1為人工檢測法的工藝流程。由圖1可知，人工檢測法工作時共有3個工作區間，依次是第一工作區間、第二工作區以及第三工作區間。每個工作區間有3個工作油槽：中間的為高溫油槽，溫度高于120℃，左側與右側是檢測油槽，右側的次高溫油槽溫度高于左側低溫油槽溫度，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。

通過上述的人工檢測法的流程分析可知，雙金屬片恢復溫度分選中重要的檢測工藝為：給雙金屬片加熱使其翻轉；在不同溫度檢測雙金屬片是否恢復。據此設計自動化雙金屬片分選線的關鍵工藝為加熱翻轉、分級檢測、自動取放。

本文設計的分選線系統框圖如圖2所示。該分選線按功能可分為上料、加熱、檢測和取出4個功能模塊。各功能模塊通過自動移動的小車緊密地聯系在一起。

該系統實際工作時的流程為：首先上料，既在空的小車內放入雙金屬片；使裝入雙金屬片的小車自動移動到加熱模塊中加熱翻轉；然后雙金屬片移動到分級檢測模塊中，檢測模塊共有6個溫度遞減的檢測區，檢測雙金屬片是否發生突跳恢復，記錄下雙金屬片最先恢復的溫度區間，同時將該信號傳遞給取出模塊；最后雙金屬片進入取出模塊，取出模塊根據檢測模塊傳遞來的恢復溫度信息，將在各溫度區間內發生突跳恢復的雙金屬片分類取出，空的小車再次進入上料裝置，進入下一個生產循環。

整條分選線系統主要包括機械部分、氣動部分和電氣部分。

圖1 人工檢測法工作流程

圖2 雙金屬片分選線系統框圖

2 分選線關鍵技術研究及實現

2．1 移動裝置的研究和實現

雙金屬片的結構小且復雜，質量輕且薄，導磁性能良好，因此采用電磁鐵式機械手吸取的方式來實現雙金屬片的拾取與放置。設計的電磁鐵式機械手結構圖如圖3所示，機械手的移動靠兩個氣缸：上下移動氣缸與左右移動氣缸。因此該機械手能兩個方向移動，實現將雙金屬片從一個位置移動到另一個位置。移動磁頭通過內部通電的漆包線產生的磁場來拾取雙金屬片，漆包線斷電時將雙金屬片放置到指定位置。

圖3 電磁鐵式機械手結構

2．2 檢測裝置的機械結構

檢測雙金屬片是否恢復，首先要找出雙金屬片在兩種狀態（翻轉狀態與恢復狀態）下的不同點。由圖4可以看出雙金屬片上銀觸點在兩個狀態時位置是不同的：當雙金屬片處于突跳狀態時，檢測裝置的銅檢測頭與雙金屬銀觸點未接觸（見圖4（a））；當雙金屬片處于恢復狀態時，檢測裝置的銅檢測頭與雙金屬片的銀觸點相接觸（見圖4（b））。據此設計的檢測裝置結構如圖5所示。

圖4 雙金屬片翻轉與恢復兩種狀態的位置圖

圖5 檢測裝置結構

2．3 氣動控制結構設計

2．3．1 氣動系統

設備的氣動部分各執行元件的氣路連接圖如圖6所示。執行元件只有氣缸，各執行氣缸通過電磁閥控制其運動方向。在各執行氣缸行程的兩端都裝配有位置傳感器，設備通過PLC程序以及傳感器來控制電磁閥的通斷，從而控制各氣缸的運動方向［2，3］。

各執行氣缸控制流程如下：氣缸活塞未推出時前傳感器或上傳感器發出指令，首先延遲一段時間，而后控制電磁閥打開，氣缸前進或下降，撞到氣缸行程后傳感器或下傳感器，延遲一段時間，發出指令使電磁閥關閉，氣缸后退或上升。

圖6 氣動回路原理圖

2．3．2 控制系統

分選線中的氣缸通過PLC在不同的時間執行相應的前進和后退動作，且氣缸的前后都裝有光電耦合器作為位置傳感器，PLC通過控制與氣缸連接的電磁閥的開合來控制氣缸的位置。

表1為分選線中某個氣缸的I／O分配表。

表1 某個氣缸PLC的I／O分配表

整條分選線中的氣缸采用循環控制，啟動按鈕按下后，X0輸入信號，急停按鈕X1無輸入信號，氣缸前后位置的光電耦合器將氣缸的位置信號輸入到X2、X3中，PLC根據此信息進行相應的動作：如果X2有輸入信號，X3無輸入信號，則氣缸處于前端，PLC不給Y0輸出信號，電磁閥關閉；氣缸運行到后位置，停留一段時間后，PLC給Y0輸出信號，電磁閥打開，氣缸運行到前位置，然后停留一段時間，重復上述動作。

3 試驗

圖7是按照上述設計的雙金屬片分選線實物圖，雙金屬片在分選線中能夠按照設計的流程依次進入各功能裝置中，完成加熱、分級檢測、分級取出的功能。

圖7 自動分選線分級取出裝置

本文設計組裝的自動化分選線已投入到實際保護器生產中，整條分選線運行狀況良好，故障率低，能夠滿足公司大批量檢測的需要。

4 結論

整條自動化分選線采用基于PLC的自動化控制方法，解決了人工分選法分選線成本高、效率低的問題。設計的雙金屬片分選線一條線日產量大約為30 000只，比以前采用人工分選法時日產量提高150%，生產線人數由原來的40人降低到2人，減少了人工成本，同時也去除了人工分選法中油槽用油的成本。

［1］ 區子平．保護器碟片成型機的驗證［J］．機床與液壓，2001（3）：88－91．

［2］ 王新鄉，胡國清．全自動氣動PLC控制表針加工設備的設計研究［J］．液壓與氣動，2010（8）：39－42．

［3］ 王盼盼，呂衛陽，李國芹．PLC實現高爐上料系統的自動控制［J］．自動化博覽，2008，25（8）：61－63．