鍛壓鋼球自動分揀熱處理裝置設計和控制

摘 要：鍛壓鋼球自動分揀熱處理裝置是在全面總結鍛壓鋼球熱處理工藝要求的基礎上，研發的一種鋼球待溫自動分揀裝置。該裝置為機-電-氣技術的結合體，當待測鋼球進入該裝置并到達指定位置時，可實現紅外線傳感器的自動測溫。采用PLC控制系統，實現鋼球分離目的，有效保證和控制鋼球淬火前入水的溫度，提高鋼球熱處理質量和生產效率。

關鍵詞：鍛壓鋼球；淬火處理；自動分揀裝置；紅外線傳感器；PLC；步進電機

引言

鍛造鋼球有著廣泛的用途，其具有表面質量好，抗沖擊性好，韌性強，耐磨性好和不易破碎等特點。目前使用的鋼球一般是高碳鋼，先將毛坯加熱到1200℃左右，然后鍛造成型，待鋼球溫度降至800～850℃之間后，投入淬火池中進行淬火處理。而且鍛后淬火多為人工操作，溫度控制不嚴，易出現溫度偏高或偏低現象，表面溫度分布不均勻，形成很高的組織應力和熱應力，若未及時回火予以消除就會造成鋼球破裂的嚴重現象。因此，如何準確控制鋼球淬火前的最佳溫度范圍（800～850℃），是保證鋼球成品質量的關鍵。

針對上述問題，設計此鍛壓鋼球自動分揀熱處理裝置，對鋼球在淬火處理前進行在線測溫，把溫度不達標的鋼球分離開來，徹底解決了因人為等不確定性因素而造成的鋼球表面硬度不均勻等一系列問題。同時，采用機—電—氣一體化技術，大大提高了生產效率，使產品質量得到了有效的控制和保證。

1 鍛壓鋼球自動分揀熱處理裝置設計

1.1 自動分揀裝置結構

鍛壓鋼球熱處理裝置結構如圖1所示：

轉盤上設定16個撥叉，可同時容納16個待檢鋼球。轉盤上的軌道由固定軌道以及活動軌道組成，當待測鋼球進入裝置，可在轉盤撥叉的驅動下沿著軌道滾動。在自動分揀裝置的第2、4、8、12、16（由受料口逆時針計數）撥叉位置分別設置5個測溫裝置，每個測溫裝置下對應一個氣動閥開合機構。其中第一個為廢球開合機構，當溫度偏低時第一個氣動閥向外打開；另外4個氣動閥為好球開合機構，只有在待測鋼球溫度合適才向外打開。在廢球開合機構下方設置了廢球溜道，使溫度偏低的待測的鋼球順著廢球溜道進入升溫裝置重新升溫；在好球開合機構下方設置好球溜道，使鋼球可以沿著好球溜道進入淬火池。

1.2 測溫裝置

鍛壓鋼球要有一定的硬度和耐磨性，所以在鋼球生產過程中要進行淬火處理。如果淬火前鋼球溫度控制不嚴，溫度偏高或偏低都會影響鋼球成品的質量。準確控制鋼球最佳淬火溫度范圍，是保證鋼球質量合格的關鍵。

由于所測鋼球溫度高、溫度變化范圍較大（大約700℃～1200℃），所以需要測溫裝置能夠快速、準確、高效地測得鋼球溫度，并將所測數據傳遞給控制系統；另外由于環境溫度較高，因此選用IRt/c系列紅外線溫度傳感器，其工作環境溫度可達200℃且測量范圍能夠滿足該系統的要求，可以精確地測定鋼球進入淬火池前的溫度。

1.3 電機選定

轉盤呈間歇式轉動，在轉盤上共有16個撥叉，每次轉動角度為22.5°，選用步進式電動機帶動轉盤轉動。步進電機可以將電脈沖信號變換成相應的角位移，每當接受一個電脈沖時，其輸出軸便轉過一定角度，能夠很好地滿足該裝置的要求。

采用步進電機直接帶動轉盤不僅可以降低成本，而且在轉盤的旋轉速度并不是很快的情況下采用這種結構進行傳動相對來說比較穩定。鍛壓鋼球待溫自動分揀裝置的轉盤轉速為1～3r/min。考慮到實用性，采用57BYG250型兩相混合式步進電機，其步進角為0.9°。

2 鍛壓鋼球自動分揀裝置的控制系統

2.1 控制系統的組成

鍛壓鋼球自動分揀裝置結合了機—電—氣技術，對高溫鋼球實時監測和控制，使工人準確了解鋼球的溫度變化情況，有效地控制了鋼球的淬火溫度，提高鍛壓鋼球的生產質量。

該裝置需要實現自動測溫、氣動閥的開合、轉盤的間歇式運動等功能，所以電氣控制系統主要由紅外線溫度傳感器、PLC、氣動閥、步進驅動器和步進電機幾個部分組成。

2.2 鍛壓鋼球自動分揀裝置的控制原理

當待檢鋼球到達每個測溫位置時，紅外線溫度傳感器會立刻接收到溫度信號，并將接收到的溫度信號傳遞PLC，通過PLC判斷氣動閥的開合，實現鍛造鋼球淬火溫度的自動檢測與控制。圖2為鍛壓鋼球自動分揀裝置的控制流程圖，描述如下：（1）鍛造后的高溫鋼球在受料口中自動形成有序排列，步進電機啟動帶動轉盤轉動，鋼球依次進入轉盤撥叉。（2）待溫鋼球隨轉盤轉至第一個測溫位置，溫度傳感器即刻接收溫度信號，并將溫度信號轉化為電流信號傳遞給PLC對比。（3）如果溫度太低，廢球開合機構向外打開，并將鋼球落入廢球溜道進入升溫裝置進行升溫處理。如果溫度合適或溫度過高，廢球開合機構不工作，待測鋼球繼續在轉盤撥叉的驅動下沿著軌道滾動旋轉至下一個測溫位置，在該測溫口若測得的鋼球溫度合適，則通過電氣控制系統將好球開合機構向外打開，落入好球溜道滾至淬火池。若在該測溫口待檢鋼球溫度高于淬火溫度時，好球開合機構不打開，高溫鋼球隨轉盤傳至下一個測溫口，直到該鋼球降至適合的溫度。

2.3 PLC控制系統

鍛壓鋼球自動分揀裝置中包括5個氣動閥、5個紅外線溫度傳感器、步進驅動器以及步進電機。為實現待溫鋼球的自動化分揀以及裝置的啟動、停止和急停，且要求控制系統具有使用方便、可靠性高、抗干擾能力強等特點，所以裝置的控制選用PLC控制。

鍛壓鋼球自動分揀裝置的控制系統采用了西門子公司生產的S7-200 CPU224型PLC為控制器，擴展了2個EM231CN模擬輸入量模塊。CPU224帶有 14 個輸入和 10 個輸出數字量模塊，擴展的EM231CN 具有4個模擬量輸入端口，完全滿足系統的需求。

PLC在對步進電機控制時，由于PLC輸出的信號功率小于步進電機所需要信號的功率，常常需要驅動電機的步進驅動器來放大PLC輸出的信號。驅動器選用與57BYG250步進電機對應的2HB024M型步進驅動器，而且，用PLC對步進電機進行控制，必須利用Q0.0或Q0.1作為脈沖輸出點。圖3所示的是PLC接口連接圖。

EM253位控模板是S7-200的特殊功能模塊，可以產生高速脈沖實現對步進電機的開環速度、位置的控制，廣泛用于步進電機的速度、位置控制，可以滿足更高的控制要求。圖中，位控模板EM253通過S7-200PLC的擴展接口EM231CN與CPU通訊。

3 結束語

文章主要對鍛壓鋼球待溫自動分揀裝置的設計和控制進行了研究。該裝置采用機—電—氣一體化技術，實現了當待測高溫鋼球進入該裝置并到達指定位置時，紅外線傳感器自動測溫，并通過PLC設定好的程序控制氣動閥的開合，實現對鋼球快速、準確的分類，有效地控制了鋼球進入淬火池時的溫度，從而大大地提高了鋼球熱處理質量和生產效率。

參考文獻

[1]李秋生，劉體龍，李蒙，等.轉盤式球磨鋼球待溫自動分揀裝置：中國，CNIO4889069A[P].2015-09-09.

[2]鮑丙豪，周燕，許楨英，等.傳感器手冊（第一版）[M].北京：化學工業出版社，2008：425.

[3]高云婷，李攀峰.滾動式鋼球淬火系統設計[J].制造業自動化，2011，8：120-123.

[4]毛昀，楊峰.基于PLC的步進電機控制系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2014，4：87-89+98.

[5]徐智，杜逸鳴，熊田忠.基于西門子S7-200PLC控制步進電機的設計及應用[J].知識經濟，2009，17：113-114.

[6]喬橋.基于s7-200系列PLC及EM235模塊的谷物烘干設備研制[J].中國農機化，2012，4：107-109+113.

[7]李寧.PLC在準確定位控制系統中的應用[J].現代電子技術，2011，

34（11）：195-198.

[8]李英輝.基于PLC的步進電機綜合控制[J].中小企業管理與科技，2014，6：207.

[9]洪祖太，王剛.基于PLC的物料分揀控制系統設計[J].中國科技信息，2013（10）：176-177.