后橋油管氣密性檢測站的電氣設計

蒙萬才，梁增提，覃京翎，王莉莉

（柳州城市職業學院，廣西 柳州545036）

在汽車零部件生產線上，泄漏測試對保證產品的質量起著至關重要的作用。氣密性的檢測也逐漸要求智能化，并要求能適用于在線檢測[1]。通常人們將充入壓縮空氣后的被測物浸入水中，觀察產生的氣泡來判斷是否漏氣[2]。本文主要是研究如何采用LS-1863X型COSMO檢測儀器檢測產品氣密性，同時通過可編程控制器PLC的I/O接口實現外部控制，提高泄漏的檢測能力，實現檢測工位的自動化。

1 測漏量換算原理

（1）BOYLE-CHARLE定律

測出的差壓可根據BOYLE-CHARLE定律推算出的公式，換算成流量（mL/min）。BOYLE-CHARLE定律適用于壓力（P）和體積（V）的關系。BOYLECHARLE定律認為，在一定的溫度條件下氣體壓力和體積的乘積是一定的，得公式：PV為額定數值，P為絕對壓力。由BOYLE-CHARLE定律可以導出空氣泄漏量公式：泄漏量（△VL）=Ve×△P/Patm.式中Ve是等效內容積，△P是由于泄漏產生的壓力下降，Patm是大氣壓。等效容積Ve是指測試回路的內容積中包含了因容積變化等引起差壓之后的容積，在泄漏量換算時作為泄漏系數使用。

（2）等效內容積的計算公式

利用下式算出等效內容積進行泄漏量的轉換：

公式（1）中，Ve是等效內容積（mL），Vw 是測試品和配管的內容積（mL），Vm是標志品和配管的內容積（mL），Vt是檢漏儀內容積（mL），根據選用檢漏儀的規格型號，Vt=11 mL，Ks是因壓力引起的傳感器容積變化率（mL/KPa），Kw是因為壓力引起的測試容積變化率（mL/KPa），P是測試壓（mL/kPa）。現假設測試品和標志品的內容積（包含管路）相同，并且在檢出中沒有因為加壓引起內容積變化，可導出公式（2）如下：

Vw=Vm；Ks=0.005（mL/kPa）（實際測量值）；Kw=0（mL/kPa）假設測試中測試品無容積變形）；Ks× [1+（Vw+Vt）/（Vm+Vt）］+Kw=2Ks=0.01（mL/kPa）。

（3）泄漏量的換算公式

單位時間內的泄漏量與差壓之間的關系可用下面公式計算：

公式（3）中，Q 是泄漏量（mL/min），△P是壓差（Pa），Ve是等效內容積（mL），T是檢出時間（s）。檢漏儀使用標準大氣壓來進行計算，如果測試時的大氣壓是標準大氣壓1.013×105Pa、氣溫是標準的20℃，則可以算出標準狀態下的單位時間內的泄漏量。例如，測試壓P=400 mL/kPa，測試品的內容積Vw=Vm=80 mL，檢出時間T=3 s，檢漏儀內容積Vt=11 mL，檢出時壓差△P=50 Pa.根據以上測試條件，利用公式（2）和公式（3），將測出的壓差△P=50 Pa換成泄漏量，計算如下：

2 COSMO檢測儀測漏方式

COSMO檢測儀的測漏方式是通過向測試品（工件）內充入壓力空氣，測量其內部壓力差的變化測出是否有泄漏。首先準備好無泄漏的標志品，給測試品和標志品同時注入調壓后的空氣。然后，停止充氣，通過高靈敏差度傳感器（DPS）測出因泄漏導致的內部壓力差變化，即測試品與標志品之間的差壓值，其測試的基本空氣通路如圖1所示。

圖1 基本空氣回路圖

具體檢測的行程動作分5個步驟。第一步是起動，用夾具密封測試品后，輸入啟動信號。第二步是加壓（CHG），向測試品和標準品加壓。因為絕熱壓縮而升溫的空氣要達到一定程度的穩定，需要一段時間。第三步是平衡（BAL），停止加壓，隔斷測試品與標準品之間的空氣，等待壓力的穩定。大泄漏在此行程中可以測出，判斷結果為不合格。第四步是檢出（DET），進行小泄漏的檢測。也可以利用修正功能提高檢測的能力。第五步是排氣結束，輸出合格與否的信號，從排氣口排出測試品與標志品內的空氣。

在第三步平衡（BAL）和第四部是檢出（DET）行程中，泄漏引起的差壓隨時間延長而增加。在自動清零后高靈敏度差壓傳感器（DPS）的輸出為零，然后再顯示穩定后的差壓，其泄漏引起的壓差曲線如圖2所示。

圖2 泄漏引起的壓差曲線圖

3 COSMO檢測儀的IO功能

LS-1863X型COSMO檢測儀是用于檢查各種部件、成品的氣密性的差壓式空氣泄漏測試儀，可以提高泄漏的檢測能力，并通過其I/O控制接口作為輸入輸出信號，利用可編程控制器PLC等外部設備控制檢漏儀，實現生產線自動化控制，其I/O功能如表1所列。

表1 COSMO檢測儀測接口端子分配

4 檢測站的總體結構設計

后橋油管氣密性檢測站整體設計主要由壓差檢測儀器、檢測管路、正壓檢測系統和精密調整壓力閥、控制按扭、上下限數顯壓力表等組成。采用COSMO儀器和氣罐組合對零件充氣檢測，再使用兩臺LS-1863X型COSMO檢測儀器通過與NI數據采集卡、臺達PLC之間的端口通訊，以及和工控一體機的RS485端口連接，可對產品的實時檢測數據在工控一體機上動態顯示記錄下來（如圖3所示）。

圖3 電氣控制整體機構

圖4 PLC控制電路設計圖

5 PLC控制電路設計

撿漏過程借助“行程接口#0”和“行程接口#1”的組合，就能知道撿漏儀所處的行程，如表2所示。在“DL3”和“結束”行程中進行了判斷或者輸入停止信號后，此時的行程編號被保持。比如在平衡行程中判斷為NG，在結束行程中保持行程編號2。利用這一功能，能容易區分不合格產品。

表2 “行程接口#0”和“行程接口#1”的組合關系表

圖4為PLC控制電路設計圖，以工位一為例。按下啟動按鈕X0，PLC的Y32輸出信號打開充氣閥輔助檢漏儀給工件快速充壓，同時輸出儀表啟動信號Y24給檢漏儀#2端子，發出工位一運行指示燈信號Y0.檢漏儀開始充氣加壓，并返回加壓行程信號給PLC（#17->X27=OFF，#18->X30=ON）。

經過預設的加壓時間之后，檢漏儀停止充氣加壓，隔斷測試品與標準品，轉到平衡行程，返回平衡行程信號給PLC（#17->X27=ON，#18->X30=OFF，PLC斷開Y32信號停止充氣）。大泄露在此行程中檢出。平衡預設時間到之后，檢漏儀轉到檢出行程，進行小泄露的檢測，并返回行程信號給PLC（#17->X27=ON，#18->X30=ON）。

檢出行程結束后，檢漏儀#35端子輸出行程結束信號（#35->X34=ON），#14、#13#16端子輸出檢測結果信號（合格#14->X25=ON，不合格#13->X24=ON，不合格時同時發出異常信號#16->X26=ON，大泄露及標準品泄露信號也會同時給出。）給PLC.

大泄露時，檢漏儀#31端子給PLC發送信號（#31->X31=ON），同時#13端子發出不合格信號。另外由#32端子發送標準品泄露信號，#33端子發送標準品大泄露信號。

檢測結果不合格時，PLC同時發出工位報警信號Y1指示燈亮，Y40蜂鳴器響。處理不合格品后，需按工位一報警復位按鈕X2來復位報警。PLC同時發出儀表停止信號Y25給儀器#3端子進行異常清除，方能繼續檢測工作。

如果行程中途按下停止按鈕X1，則PLC輸出Y25給檢漏儀#3端子，檢漏儀將中斷各操作模式、行程動作、清除所有判斷及泄露量顯示、判斷輸出、異常輸出，并返回測試模式。

另外，檢漏儀的輸入信號公共端子#10接201+24 V，輸出公共端子#19接202 0V，PLC控制程序如圖5所示。

圖5 控制程序（部分）

6 運行結果

后橋總成油管氣密性檢測站開發后，用到裝配線上生產運行（如圖6），開展橋油管及總成產品的試漏檢測，取代原來的人工檢測，對檢測的數據能夠實時監測、動態顯示，并能記錄保存，實現了自動化檢測，確保供應產品的質量，大大提高企業生產效率。

圖6 研發產品實物

7 結束語

后橋總成油管氣密性檢測站控制的核心是PLC和COSMO檢測儀，通過COSMO檢測儀的模擬量輸出端口與NI數據采集卡、臺達PLC之間的端口通訊，構成一個實時顯示檢測系統，實現系統的多功能一體化。工作站選用中達電通DVP14SSR2型PLC，3塊8點的I/O擴展模塊。PLC與觸摸屏間采用RS485通訊，與COSMO檢測儀的模擬量輸出端口連接的通訊機制，價格優惠，性能穩定，實現檢查工位自動化，提高泄漏檢測能力，為類似裝配線的研發提供技術借鑒。