發動機挺桿自動充磁機控制系統的設計研究

朱桂英，葉有才

（1.河北工程大學，邯鄲 056029；2.邯鄲日東機械有限公司，邯鄲 056001）

0 引言

發動機挺桿是發動機的心臟部件[1]，形狀如圖1所示。一般機加工工序為：粗車、精車、粗磨、淬火、精磨、探傷、檢查、成品入庫。由于挺桿與凸輪軸為高摩擦副，并且在發動機高速運轉時存在沖擊，要求挺桿具有高硬度、高耐磨性，其主要技術要求為[2]：冷激層深度大于等于4mm；淬火深度大于等于3mm；淬火后底面硬度HRC63-69，不得有裂紋。金相組織：石墨1～2級、滲碳體數量1～3級、滲碳體分布1～3級。由于挺桿承受交變載荷和沖擊載荷，一旦有裂紋將會造成挺桿表面疲勞、斷裂，使發動機發生故障，所以在挺桿生產過程中對裂紋的檢查就非常重要。目前挺桿裂紋探傷大多采用剩磁磁粉探傷方法。采用這種方法需要靠人工將挺桿逐個放入充磁機充磁后，再放入磁粉懸浮液探傷。效率低下、勞動強度大。故挺桿生產中迫切需要針對挺桿的自動充磁機，但這種機械的研發目前國內還未見報道。所以我們設計、開發了這種針對挺桿的自動充磁機。

1 整體結構

如圖2所示，自動充磁機的組成及各部分所起的作用有：

1)自動上料機構，其作用是完成挺桿的自動上料、排料。主要采用電磁振動篩2、導向槽3完成挺桿的分離[3]、定向排列和送料，并由定位機構定位。定位機構主要有定位擋板8和感應開關6組成。實現一次充磁的挺桿數量、位置的控制。當挺桿被定位擋板擋住，停止運動后，由感應開關6完成進入充磁機構的數量（2～6個）的測量，并發出信號。

圖1 挺桿零件圖（mm）

圖2 充磁機總體圖

2）充磁裝置：按要求對挺桿充磁。采用直流充磁方法，主要有左電極板5、右電極板11、氣缸10組成。當感應開關發出信號后，氣缸10推動右電極板11左移，頂緊挺桿充磁。達到預定充磁時間后，氣缸10拉動右電極板11右移。

3）以小型編程器為主的電控裝置：按照充磁要求的時間，上料的數量、間隔要求以及落料的要求，通過光電開關等進行檢測，用小型編程器對挺桿的上料、充磁、落料實現自動控制。

4）落料裝置，實現充磁后的挺桿自動卸料，以便充磁機實現下一個循環。落料機構的構成如圖2,主要有落料板8和氣缸9組成，挺桿放入充磁時間到后,由時間繼電器發出信號，氣缸9后退，帶動落料板8后退，挺桿自動滑落集料器。

2 控制裝置設計方案

控制裝置是整個系統自動化的核心,采用目前國內外流行的可編程控制器如單片機、PLC控制技術,可以對整個充磁過程進行實時控制。

2.1 可編程控制器的選擇

綜上所述自動充磁機系統的流程圖如圖3所示。

圖3 挺桿自動充磁系統流程圖

2.1.1 工藝要求及組成

該系統裝有3套執行機構，分別是上料定位機構、充磁機構、落料機構，各執行機構分別完成特定的動作。

如圖2所示，定位機構由氣缸12控制，主要完成的工藝過程為1）左移，2）右移。

充磁機構由氣缸10控制，主要完成的工藝過程為1）前進，2）延時，3）后退。

落料機構由氣缸9控制，主要完成的工藝過程為1）后退，2）延時，3）前進。

控制部分由光控開關、限位開關、可編程控制器、電磁閥等組成。各控制機構將開關量輸入PLC，經過其邏輯運算，輸出電信號使電磁換向閥動作，驅動氣缸，使各機構實現不同的動作。將可編程控制器及各接線端子布置在控制柜內，外設控制面板，同時設置報警功能。

2.1.2 I/O設備端子分配

PLC的I/O設備和端子分配，如表1所示。

表1 PLC的I/O設備及端子號[5]

系統輸入信號有復位信號，自動啟動、循環停止信號，自動運行方式選擇開關，給送工件信號，定位、充磁、落料氣缸前進、后退信號5個限位開關信號，2個光控開關信號，計數開關信號。輸入信號共22個，輸出信號共14個。

2.1.3 可編程序控制器機型選擇

可編程序控制器機型的選擇需要根據輸入輸出點數、CPU能力、控制系統的類型、指令系統、PLC的價格性能比等具體因素進行綜合考慮[6]?？删幊绦蚩刂破鳈C型選擇自動充磁機屬于單機控制小型自動化系統，為了技術上的可擴展性，要求編程控制器具有多輸入點和輸出點特性，控制精度高，能適應工業現場的振動環境，工作可靠，編程性好，抗干擾能力強[7]。基于以上考慮，選用日本三菱公司生產的FXON-40MR型可編程控制器。

2.2 自動充磁機回路設計

圖4 順序控制流程圖

自動充磁機主要有三個基本回路組成：一個是送料定位回路，第二個是充磁回路,第三個是落料回路。送料定位回路的主要任務是由氣缸將來自滑道上工件定位或放行。具體的工作過程如下：首先，各元件復零位，送料定位回路中定位氣缸12在左位。當導向槽內檢測工件開關X035為ON時[8]，計時500ms后，定位氣缸右移,給充磁機構送工件。當充磁槽內檢測工件開關X034為ON，計時器計時500ms后,定位氣缸12左移。同時，充磁氣缸10前進，充磁前進限位開關X014為ON時，開始充磁，計時器計時1s～2s后,充磁氣缸10后退。充磁后退限位開關X015為ON時，落料氣缸9后退。落料后退限位開關X033為ON，計時器計時20ms～30ms時,落料氣缸9前進。落料前進限位開關X032為ON時，送料定位氣缸12右移，開始下一個循環。

2.3 順序控制流程圖的編制

我們根據自動充磁機的工作特點，編制了充磁和落料部分的順序控制流程圖[9]，如圖4所示。系統一開始首先判斷手動還是自動，若是手動則轉入手動程序，此時，每按下控制面板上的一個按鈕，系統便執行相應的上料、充磁、落料動作，若是自動則轉入自動程序，此時啟動自動按鈕，整個充磁機便自動完成挺桿的上料、充磁、落料的動作循環。

3 結論

我們設計、開發了針對挺桿的自動充磁機，并對其控制系統進行了精心的布置和設計，采用現代流行的可編程控制器技術，對系統的硬件、軟件進行了設計，形成了一個機、電結合的自動化充磁系統。自動充磁機是一個比較復雜的機電一體化設備，自動化程度高，大大提高了充磁的效率，徹底改變了手工進料速度慢、效率低的落后面貌，在國內充磁機械中處于領先地位，該系統一次性投資三萬元左右，可以使單機生產效率提高數倍，是一種適合國情的低成本自動充磁機械，具有較大的推廣應用價值。該系統以挺桿零件為充磁對象，對其他形狀尺寸相近的零件，同樣可實現自動充磁，具有較強的實用性和適應性。

[1]朱桂英,朱天軍,劉振生.汽車發動機挺桿火焰淬火設備[J].金屬熱處理.2004,(29)4:65-66.

[2]國家標準委員會.氣門頂桿的技術要求[S].QC/T521-1999.

[3]朱桂英.應用于挺桿的火焰淬火設備的研究[D]河北工業大學,2010.

[4]第十設計研究院.自動化機構圖例[M].北京:國防工業出版社.

[5]汪濤,劉宏杰.基于PLC的鉆床控制系統設計[J].漯河職業技術學院學報.2009,(8)5:38-39.

[6]周慶貴.用PLC改造MZ2015自動磨床電氣系統[J].機電工程,1999,16(3):29-31.

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[8]劉守操,劉彥鵬.基于PLC的無心磨床自動進料系統[M].北京:機械工業出版社,2006.8.

[9][日]松下電工.EP3 BASIC Type Programmable Controller Technical Manual[Z].大阪:1994,3-9.