基于OMRON CPM1A PLC曲軸動平衡與否自動識別裝置研發

蒙華強

摘要：通過對曲軸生產工藝的調研和設備特點分析，結合曲軸外觀變化情況，總結分析得出不同曲軸平衡孔的共性與特性。利用平衡孔對傳感器的無差別作用來獲取信號，通過計算、分析、處理判斷出曲軸的動平衡與否狀態，進而自動發出信號，確認曲是否經過動平衡校正。

關鍵詞：曲軸 動平衡 平衡孔 自動化

1 引言

發動機作為汽車的心臟，為汽車提供動力，其性能直接影響汽車的整體性能。汽車發動機可分為五大件，分別為：缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸和連桿。曲軸作為汽車發動機中承受沖擊載荷、傳遞動力的重要零件，加工工序多，精度要求高，其質量在五大件中最難以保證并直接影響發動機的性能和壽命，因此，曲軸常常被稱為汽車心臟的心臟，這也就要求曲軸生產線各工序設備有極佳的穩定性及各工序間配合有極高的可靠性。

2 裝置的誕生

隨著發動機功率的提高及轉速高速化的應用和發展，要求發動機的曲軸轉速也在不斷提高。發動機的曲軸常常采用鍛件毛坯或鑄鐵毛坯，但無論哪種毛坯，其余量都有不均勻。由于毛坯形狀不對稱，在機械加工過程中也不可避免最終導致曲軸重心偏離旋轉中心，曲軸裝機后使發動機工作時產生振動，引起發動機噪聲大，加劇整車振動等問題。隨著轉速提升，不平衡引起的振動將會更加劇烈。因此，發動機曲軸的不平衡量大小直接影響著發動機的品質。進而關乎汽車整體性能。

每一條曲軸的生產過程中都要經過動平衡檢測和動平衡校正，為了提高加工精度和產品質量，在曲軸加工過程中甚至會出現兩次以上曲軸動平衡檢測和動平衡校正。為了保證曲軸品質，甚至在曲軸包裝之前還需再次確認曲軸是否經過動平衡校正。

曲軸做動平衡校正時，校正的位置只能選在曲柄臂上或稱之為扇形配重塊上，校正平面的位置和數量都是相對固定的。動平衡校正一般分為加重和去重方式兩種方式[1]，而發動機曲軸的動平衡校正通常采用鉆削和銑削兩種去重方法進行校正。曲軸經過鉆削，再返回經動平衡檢測，如果不達工藝要求則繼續鉆削，如此反復直至合格后方可流入下一工序。經過動平衡校正的曲軸會留下痕跡，比如扇形配重塊上經過鉆削留下的孔（稱之為平衡孔）。在后續檢查中只要扇形配重塊上存在平衡孔，我們就可以認為此曲軸已經經過動平衡校正。因此我們可以通過觀察曲軸外觀，輕易發現曲軸是否經過動平衡校正。

至此，我們已經有至少兩種以上方式判定曲軸是否經過動平衡校正，一是通過專用的曲軸動平衡檢測設備進行檢測，獲取曲軸的不平衡量數據是否在工藝范圍內；二是人工檢查曲軸外觀是否已經存在動平衡校正留下鉆削孔。采用第一種方式，需要增加設備投入，則單臺設備需要投入數萬元資金購買專用設備，若非全自動生產線，還得同時配備專門的操作者，增加人工成本，這有悖于精益生產的精神。采用第二種方式則不能排除人員疲勞后的判斷失誤問題。兩者均存在各自缺點。這就需要一種儀器（裝置）能夠替代上述兩種方式對曲軸動平衡進行檢查，既不需要投入過多的資金購買專用檢測設備，又能防止人員視覺疲勞判斷失誤。曲軸動平衡與否自動識別裝置被提出。

3 項目的技術創新性論述

3.1 裝置的基本原理

曲軸動平衡與否自動識別裝置主要通過識別曲軸扇形配重塊上的鉆削孔來判定曲軸是否經過動平衡校正。當曲軸放置到裝置上后，傳感器檢測到信號，綠燈亮，系統進入判別工作狀態。隨著曲軸的旋轉，各個扇形配重塊附近的傳感器會識別到信號，將信號送入PLC內，經過專門開發的控制程序進行分析計算，最后判斷出曲軸扇形配重塊上是否存在鉆削孔。如果有，系統繼續工作；如果沒有，系統將發出報警，并點亮紅燈，提醒員工處理曲軸，直至系統被復位。

3.2 裝置的結構和各部件功能簡述：

該裝置主要構成如圖一。它主要由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller以下簡稱PLC）、檢測傳感器、復位（急停）按鈕、運行狀態指示燈、報警器以及其他支撐部件和輔助電路組成。

該裝置與曲軸主軸各軸頸跳動檢測裝置完美結合，同時具備動平衡檢查和跳動檢查功能，員工無須增加更多的工作量，也不占用人工資源。PLC固定在專用電控箱內部，專用檢查控制程序開發完成后導入PLC，復位（急停）按鈕安裝在員工方便操作的個工作臺左側，運行狀態指示燈安裝在操作人員明顯可見位置，報警器固定在電箱側面，并保證報警信號可以傳遞到操作人員耳中，傳感器依靠定制的支架工裝固定在曲軸小頭、扁位以及各個扇形配重塊附近。各個部件通過線路與PLC的輸入或輸出點相連。傳感器1負責檢測曲軸到位狀態，曲軸到位，運行狀態的綠燈點亮，裝置正常工作，同時啟動記錄與算法程序，系統自動記錄與運算。裝置的傳感器3到傳感器10自動識別所有扇形配重塊上的平衡孔情況并存入PLC，傳感器2負責記錄曲軸旋轉圈數。

3.3 裝置的開發過程描述：

3.3.1現場調研

曲軸的動平衡檢測和校正工序之后主要以精加工為主，沒有設備兼具動平衡檢測功能，如果增加動平衡檢測設備，則曲軸需要高速旋轉，約500r/min，這種狀態極有可能對曲軸造成二次損傷，將對曲軸質量帶來巨大風險。同時也增加公司投入，包括設備采購，人員配置，輔料成本等等。

經統計，曲軸的生產過程中，沒有任何一條曲軸的原始動平衡數據是完美的，也就是說曲軸100%需要經過動平衡校正。這就意味著，每條曲軸都存在鉆削孔。如果沒有鉆削孔，該曲軸定未經過動平衡校正。對于四缸機曲軸，有8個扇形配重塊。曲軸第一主軸頸與小頭間存在2個扁位，可以作為曲軸旋轉圈數標志。在曲軸動平衡檢測和校正工序之后還有多道工序，其中跳動檢測工序需要旋轉曲軸動，這符合曲軸平衡與否檢查裝置的安裝基本條件。經過研究曲軸動平衡與否自動識別裝置與曲軸主軸各軸頸跳動檢測裝置完美結合，既不需要增加額外工序，也無需新增人員即可完成檢查。

3.3.2傳感器選型

檢測面與傳感器存在相對運動，且表面不光滑，適合選擇非接觸式傳感器。鉆削孔直徑在10mm左右，因此，為了使檢測信號穩定且準確，傳感器直徑選擇8mm，可以防止孔壁干擾，因絕大部分平衡孔深度在數毫米以上，傳感器檢測距離在3mm左右即可滿足檢測要求。

3.3.3控制器選型

裝置共需要安裝10個傳感器以及一個急停（復位）按鈕，控制器的輸入位至少11位，輸出包含運行狀態指示燈和蜂鳴報警器共4位，并保證預留10%的點位，因此可選用歐姆龍的CPM1A-40CDR PLC作為控制器即可滿足裝置硬件需求。

3.3.4 設計安裝

制作專用工裝套件，用于在每個扇形配重塊上安裝傳感器，并包含小頭兩處開關固定件，傳感器斜向上安裝，與旋轉中心垂直，所安裝部件不能影響原跳動檢驗平臺的功能，不相互干涉，也不會影響員工操作。

設計電路，裝配控制箱，安裝布線。使其具備復位，工作，停止，報警等基本功能，并能將平衡孔信號和曲軸狀態信號傳入控制器。

編輯控制器專用程序，將每個扇形配重塊的平衡孔情況進行邏輯計算分析，如果所有扇形配重塊均沒有動平衡去重，報警器發出報警，并伴有紅燈閃動，警告操作人員處理。

程序編輯與功能實現：用歐姆龍PLC編程軟件（CX-Programmer）編輯控制程序，編譯通過后下載到PLC進行運行調試。利用曲軸在線調整各個傳感器位置，保證各個信號接收穩定。然后分別用已經經過動平衡校正的曲軸和未經動平衡校正的曲軸反復驗證系統工作情況，直至穩定，交與使用。

4 裝置的性能優勢及特色

4.1該裝置與跳動檢驗平臺完美結合，無需消耗多余勞動；

4.2 控制器采用可編程邏輯控制器控制

可編程邏輯控制器應用靈活，其循環掃描的工作原理在重復的動作中具有極大優勢，而且傳感器選型范圍廣闊。它相對計算機控制系統要易于開發，且運行穩定，功耗低。選用國際知名品牌歐姆龍產品，其性能有保障。

4.3 傳感器選用圖爾克（TURCK）產品

TURCK公司是世界上第一批認識到將電子元件應用于自動化生產線控制的可能性的公司之一，圖爾克公司以其世界一流的服務使得TURCK品牌在國際工業自動化控制技術領域內，特別是傳感器制造方面贏得了極高的聲譽和領導地位。

5 裝置的科學性與創新性

裝置采用非接觸式傳感器，保證了設備運行壽命。裝置無強電輸出，也無機械動作，無需機械防護即可保證操作人員人身安全。該裝置無需啟動按鈕，曲軸到位后自動運行，裝置還將急停、復位等功能集中至同一按鈕，簡化了操作，甚至可以說無需操作。對操作人員而言，未增加任何工作量。

6 裝置的應用情況

裝置僅以四千元左右的投入即可實現判別曲軸動平衡校正狀態，成功避免了未經動平衡校正的曲軸流出廠。同樣的，其傳感器和程序經過適當增加調整，還可以適用于六缸曲軸及其他曲軸的動平衡檢查。