智能凸輪軸壓裝檢測系統設計與實現

黃昭縣

(山東青年政治學院信息工程學院，山東 濟南 250400)

0 引言

凸輪軸是活塞發動機的關鍵零部件，其作用是控制氣門的開啟和閉合。由于氣門運動規律關系到發動機的動力和運轉特性，凸輪軸的轉速幾乎和發動機的轉速相當，而且需要承受較大的扭矩。因此，設計時對凸輪軸在強度和支撐方面的要求很高，對裝配精度要求也較高。因此，凸輪軸設計和裝配在發動機系統中占據著十分重要的地位[1]。

對于小型發動機凸輪軸，通常采用人工手動壓入方式。一是投入少，不需要采購智能設備。二是壓裝柔性大，便于換型。但是人工壓入方式不僅需要工人有豐富的工作經驗，而且不能保證每次壓入力在合適的范圍內，壓裝合格判定標準不能量化[2]。目前，凸輪軸的裝配普遍采用自動化設備進行壓裝，過程可監控、數據可采集、標準可量化。

本文以C#為開發語言，研究設計一款凸輪軸智能壓裝檢測系統。該系統對壓裝過程中的壓力和位移數據進行采集，繪成曲線，利用區域判定方法，對壓裝結果進行判斷，以達到精密壓裝的目的；同時，存儲壓裝數據，確保數據可追溯。該系統能夠提高裝配效率和自動化程度，提高凸輪軸壓裝設備的競爭力[3]。

1 總體結構設計

整個凸輪軸壓裝系統主要包括上位機、可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)、壓裝機床三部分。凸輪軸壓裝系統總體結構如圖1所示。其中:上位機主要進行數據分析、結果判定以及數據存儲；PLC是控制單元，負責工藝流程的控制，數據采集；壓裝機床是執行機構，在PLC的控制下對凸輪軸進行壓裝。

圖1 凸輪軸壓裝系統總體結構示意圖

系統整體工作流程如下。

①上位機和設備上電后，壓裝設備自檢完畢后向上位機發送當前設備狀態(手動/自動)。計算機啟動后，向PLC發送準備就緒指令。

②設備和上位機準備就緒，操作工將工件放在工控臺上，設備自動掃描工件上的二維碼；將二維碼所代表的條碼發送到上位機，由上位機判定工件是否已壓裝，避免重復壓裝。如工件已壓裝，則通知PLC，由PLC發出聲光報警；若未壓裝，則通知PLC可以進行下一步操作。

③判定是否重復壓裝完畢后，PLC通過解讀條碼，將凸輪軸的型號發送給上位機。上位機根據型號，選擇不同的結果判定標準。

④選型完畢后，設備進入壓裝過程。首先進行鋼球的壓裝。壓裝開始后，通知上位機采集壓裝數據；壓裝結束后，上位機停止采集數據，并進行鋼球壓裝結果判定。若結果合格，則進行信號盤的壓裝。上位機在壓裝開始后采集數據，結束后進行結果判定。

⑤整個自動流程結束后，PLC將檢漏儀的結果發送給上位機；上位機將壓裝數據存儲在本地數據庫中。

2 關鍵技術介紹

2.1 上位機與PLC通信

上位機與PLC通過網口進行通信，采用OLE過程控制(OLE for process control,OPC)技術實現數據的交互操作。PLC供應商提供OPC服務器，程序開發人員無需編寫底層驅動，利用用戶軟件OPC Client實現與PLC的通信[4-5]。采用OPC協議技術，使上位機訪問PLC的方式與采用的PLC型號無關，降低系統的復雜性，提高了系統的通用性[6-7]。具體的通信技術實現細節可參考文獻[4]和文獻[5]。

設備運行過程中，上位機與PLC需要進行通信交互，以實現設備自動流程的有序進行。本系統設計了通信協議。上位機與PLC通信協議如表1所示。表1中，列舉了關鍵的通信字段的定義。

表1 上位機與PLC通信協議表

2.2 壓裝結果判定

質量判定方法是凸輪軸壓裝設備的核心組成部分。壓裝完畢后，上位機利用區域判定方法對壓裝結果進行判定[8-10]。區域判定方法包括左進右出、左進上出、左進不出、下進右出、下進上出和下進不出。具體的算法可參考文獻[8]和參考文獻[9]。

上位機判定結束后，將結果告知PLC。若不合格，PLC發出聲光報警。

2.3 數據存儲

為了確保壓裝數據可追溯，上位機將壓裝數據保存在數據庫中。

壓裝數據存儲表如表2所示。

表2 壓裝數據存儲表

3 軟件設計

3.1 系統功能設計

軟件設計是智能壓裝檢測系統設計的核心。軟件設計部分將整個系統劃分為若干模塊，包括主界面、選型設置、PLC通信、數據查詢4個功能模塊。其中:主界面包括鋼球壓力位移曲線顯示、信號盤壓力位移曲線顯示、制程能力曲線顯示；選型設置包括坐標軸設置、判定標準設置；數據查詢包括數據統計、單個工件的詳細數據查詢。系統軟件結構如圖2所示。

圖2 系統軟件結構圖

3.2 軟件界面設計

3.2.1 主界面

凸輪軸壓裝一般包括若干零部件的壓裝，例如本文所涉及的凸輪軸壓裝包括鋼球壓裝和信號盤壓裝。在主界面設計中，考慮顯示鋼球和信號盤的實時壓力位移值。在壓裝結束后，主界面能顯示壓力位移曲線，以便用戶直觀觀測壓裝結果。

壓力位移曲線如圖3所示。圖3中:虛線框為結果判斷區域。

圖3 壓力位移曲線圖

3.2.2 型號設置

凸輪軸壓裝生產線針對的是一系列產品，包含多種型號。每種型號的曲線坐標系、結果判定框以及判定方法不盡相同，需要對每種型號進行設置。在型號設置界面，可以對型號進行增加、刪除、修改等操作。針對某種具體型號，可以設置坐標系的X軸和Y軸的起始、終止數值；判定標準的壓力上下限、位移上下限、判定規則等。

3.2.3 查詢

查詢分為統計查詢和詳細查詢。統計查詢可以通過產品條碼、型號、日期時間、壓裝結果等條件查詢。詳細查詢可以查看某個產品的詳細數據，包括壓裝時間、壓裝結果、鋼球壓力值、鋼球位移值、信號盤壓力值、信號盤位移值以及詳細的過程數據曲線等。

4 調試與驗證

該系統應用于博云機械科技有限公司的凸輪軸壓裝檢測設備。出廠前進行了大量調試，主要包括上位機與PLC通信測試、壓力位移數據采集的實時性和準確性分析、壓裝結果判定方法的分析與驗證、數據的存儲與查詢等。

經過測試，上位機與PLC之間通信正常，OPC通信方式能夠滿足實時性的要求。上位機通過高速采集卡采集數據，工作中存在一定的干擾，進過濾波處理后，能夠滿足結果判定的需求。采用判定框對壓裝結果進行判定，能夠快速、準確地給出結果。利用SQL Server數據庫存儲數據，能夠滿足大量數據存儲的需求，并能正確顯示壓裝曲線。

經過一年多的運行，系統運行穩定、可靠，用戶反饋良好。

5 結論

基于C#開發的智能凸輪軸壓裝檢測系統，經過實際工程項目驗證，能夠在凸輪軸壓裝過程中對壓裝數據進行精確采集，并對結果進行判定，以實現壓裝數據可追溯。該系統運行穩定、可靠，具有一定的通用性，經過稍加改造，可廣泛應用于其他零部件壓裝工藝控制，如固定節壓裝、移動節壓裝等，具有一定的參考價值和實用性。