李林霞，周洪超，馬紅斌，侯興哲，胡天鏈

（1. 重慶市電力公司 電力科學(xué)研究院，重慶 401123；2. 重慶市區(qū)供電局，重慶 400013；3. 綿陽固創(chuàng)科技有限責(zé)任公司，綿陽 529533）

0 引言

重慶電能計(jì)量中心對重慶市電能表進(jìn)行入網(wǎng)前檢定，每年電能表產(chǎn)量為單相電能表200萬只，三相電能表8萬只，其采用現(xiàn)代化的物流設(shè)備，在全國各電能計(jì)量中心中具有標(biāo)桿作用。計(jì)量中心的電能表基本生產(chǎn)流程為：誤差檢定與走字耐壓——鉛封——掃描——裝箱——組盤。其中電能表鉛封是其中一項(xiàng)比較繁瑣和費(fèi)時(shí)的工作。

電能計(jì)量中心對電能表加鉛封是一種加封鎖住的含義，是防竊電的技術(shù)措施。鉛封技術(shù)經(jīng)過發(fā)展，已由傳統(tǒng)的鋁殼鉛芯結(jié)構(gòu)發(fā)展為目前多種結(jié)構(gòu)，重慶電能計(jì)量中心采用的是塑殼智能防偽鉛封。目前，對電能表加鉛封采用如下的手工方式操作：1）取長度適當(dāng)?shù)姆饨z穿過欲封件內(nèi)孔；2）將該封絲的兩個(gè)端頭分別對穿鉛封塑料外殼的兩孔，任意一面穿進(jìn)，對面孔穿出即可；3）用手指或?qū)Ｓ玫氖謮恒Q將自鎖插件頭部壓入鉛封塑料外殼中，聽到明顯的到位聲響后，操作完成。

隨著電能表數(shù)量的持續(xù)上升，采用人工操作的方式進(jìn)行電能表鉛封，工作效率較低，自動化程度不高，與整個(gè)物流系統(tǒng)自動化程度不匹配，無法滿足目前和將來電能表鉛封的高效率要求。因此，需要開發(fā)新型的自動化設(shè)備，提高電能表鉛封效率。本文針對該實(shí)際應(yīng)用需求，結(jié)合精密機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)與先進(jìn)電氣控制技術(shù)，研究電能表鉛封自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。最后，通過實(shí)際的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及分析，證實(shí)設(shè)計(jì)的可靠性和先進(jìn)性。

1 電能表自動鉛封設(shè)備的本體設(shè)計(jì)

本節(jié)首先對電能表自動鉛封設(shè)備的機(jī)械本體進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，然后分別介紹送料機(jī)構(gòu)、送表及定位機(jī)構(gòu)以及穿線和壓封機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)。

1.1 總體設(shè)計(jì)

通過分析電能表鉛封的手工操作過程，可知基本工藝流程如圖1所示。根據(jù)圖1，自動鉛封設(shè)備應(yīng)具備如下三個(gè)關(guān)鍵機(jī)械部件：送料機(jī)構(gòu)、送表及定位機(jī)構(gòu)以及穿線和壓封機(jī)構(gòu)。以下部分分別對這三個(gè)關(guān)鍵機(jī)械部件的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2 送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

送料機(jī)構(gòu)首先接收來自振動盤的鉛封，并最終把鉛封輸送至穿線壓封機(jī)構(gòu)。圖2所示為該送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖。由圖可見，送料機(jī)構(gòu)主要由四個(gè)氣缸、兩個(gè)光電開關(guān)式傳感器（以下簡稱光電傳感器）、打標(biāo)機(jī)、閱讀器和轉(zhuǎn)盤電機(jī)以及入料滑道構(gòu)成。

該送料機(jī)構(gòu)工作原理如下：按下啟動按鈕，鉛封振動盤啟動，鉛封通過軌道進(jìn)入鉛封入料口；若鉛封檢測傳感器檢測到鉛封，則推料氣缸啟動；當(dāng)推料氣缸位置傳感器檢測到信號，則進(jìn)料和去料氣缸啟動，經(jīng)適當(dāng)延時(shí)后，進(jìn)料、去料和推料氣缸復(fù)位；然后轉(zhuǎn)盤電機(jī)啟動，同時(shí)激光打標(biāo)機(jī)對鉛封進(jìn)行打標(biāo)；閱讀器對已打標(biāo)鉛封進(jìn)行檢測當(dāng)轉(zhuǎn)盤電機(jī)轉(zhuǎn)過一圈時(shí)，轉(zhuǎn)角檢測傳感器檢測到信號，延時(shí)一段時(shí)間后轉(zhuǎn)盤電機(jī)停止；如果閱讀器無報(bào)錯(cuò)，則下料氣缸啟動，適當(dāng)延時(shí)后馬上復(fù)位。此后鉛封將沿著入料滑道進(jìn)入穿線壓封機(jī)構(gòu)。當(dāng)穿線壓封完成后，該機(jī)構(gòu)重新開始下一輪的工作。

圖1 自動鉛封設(shè)備工藝流程

1.3 送表及定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

送表及定位機(jī)構(gòu)主要功能是將傳送帶上的待鉛封電能表準(zhǔn)確及時(shí)地輸送至穿線壓封機(jī)構(gòu)中。如圖3所示，該機(jī)構(gòu)主要由九個(gè)氣缸、四個(gè)交流電機(jī)和一個(gè)光電傳感器構(gòu)成。

送表及定位機(jī)構(gòu)的工作原理如下：按下啟動按鈕，則輸送電機(jī)、刷表電機(jī)啟動，輸送電能表，此時(shí)平臺處于下降狀態(tài)，等待電能表的到來；當(dāng)電能表檢測光電管檢測到電能表，經(jīng)適當(dāng)延時(shí)，輸送和刷表電機(jī)停止，筆形定位氣缸、壓表氣缸啟動，固定電能表，原鉛封調(diào)整氣缸啟動，調(diào)整電能表進(jìn)入鉛封穿線壓封機(jī)構(gòu)；當(dāng)鉛封穿線壓封完成后，平臺升降氣缸啟動，平臺上升，同時(shí)筆形定位氣缸、壓表氣缸、原鉛封調(diào)整氣缸復(fù)位松開，輸送電機(jī)啟動，送走已完成鉛封的電能表；當(dāng)電能表光電管檢測到下降沿信號時(shí)，平臺下降，等待下一個(gè)電能表的到來，開始下一個(gè)循環(huán)。

1.4 穿線和壓封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

穿線和壓封機(jī)構(gòu)是本系統(tǒng)中的精密部件，是實(shí)現(xiàn)電能表鉛封的關(guān)鍵。該機(jī)構(gòu)主要由七個(gè)氣缸、一個(gè)壓封油缸和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，如圖4所示。

圖3 送表及定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

穿線和壓封機(jī)構(gòu)的工作原理如下：當(dāng)電能表和鉛封到達(dá)該機(jī)構(gòu)后，升降氣缸啟動，平臺下降，鉛封固定氣缸、接料氣缸和鉛封下推氣缸啟動；接著步進(jìn)電機(jī)啟動，正向送線約2cm后停止，夾線氣缸啟動后步進(jìn)電機(jī)再次啟動，正向送絲約8cm后停止；然后固線鉗氣缸啟動，實(shí)現(xiàn)對封線的箝位固定，切線氣缸啟動后步進(jìn)電機(jī)啟動反向抽絲2mm后停止，同時(shí)壓封油缸啟動，延時(shí)一段時(shí)間后壓封油缸和鉛封下推氣缸復(fù)位；經(jīng)適當(dāng)延時(shí)后穿線機(jī)構(gòu)氣缸總復(fù)位，然后平臺上升，完成鉛封的電能表被送走。最后平臺下降，等待下一個(gè)電能表。

圖 4 穿線及壓封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 電能表自動鉛封設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的電能表自動鉛封設(shè)備的機(jī)械機(jī)構(gòu)本體，每個(gè)獨(dú)立的機(jī)械部件都具備較為精密的定位操作功能，但是各部件之間的運(yùn)動協(xié)調(diào)必須通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?；谛逝c可靠性考慮，采用PLC設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動鉛封設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)。

2.1 電氣控制流程設(shè)計(jì)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械本體以及鉛封工藝流程，電氣控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理如圖5所示。其中，過程控制的所有反饋信號（即觸發(fā)信號）來自于光電傳感器。與機(jī)械本體相對應(yīng)，需要進(jìn)行精密控制的幾個(gè)過程是送表定位、鉛封入庫和穿線壓封。因此，整個(gè)控制系統(tǒng)的核心電氣控制單元包括送料機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)、送表及定位機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)和穿線壓封機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)。

2.2 送料機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

對電能表進(jìn)行鉛封所使用的材料是鉛封塊和封絲。因此，在設(shè)備運(yùn)行過程中必須通過控制送料機(jī)構(gòu)及時(shí)輸送這些材料。圖6所示是該送料機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)控制流程。

圖5 鉛封設(shè)備控制系統(tǒng)總體原理圖

圖 6 送料機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

2.3 送表及定位機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

送表及定位過程的控制與送料過程的控制是并行進(jìn)行的，控制系統(tǒng)流程如圖7所示。該電氣控制系統(tǒng)只要檢測到光電傳感器的觸發(fā)信號，就馬上啟動履帶電機(jī)，將電能表送至鉛封設(shè)備上的穿線壓封機(jī)構(gòu)，然后停止履帶電機(jī)。整個(gè)過程循環(huán)反復(fù)進(jìn)行，直至整個(gè)鉛封設(shè)備停止運(yùn)行為止。

圖 7 送表及定位機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

2.4 穿線和壓封機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

穿線和壓封過程的控制是整個(gè)控制系統(tǒng)中最重要和最復(fù)雜的核心控制環(huán)節(jié)。該電氣控制系統(tǒng)須根據(jù)穿線壓封流程和機(jī)械本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)，得到的相應(yīng)電氣控制系統(tǒng)如圖8所示。其中送線和抽線的長度都是通過精密步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

圖 8 穿線和壓封機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及結(jié)果分析

通過機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，得到一臺電能表自動鉛封設(shè)備物理樣機(jī)，通過對整個(gè)自動鉛封系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電聯(lián)調(diào)，著重解決系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性問題。

實(shí)際聯(lián)調(diào)時(shí)，先分別對三個(gè)核心機(jī)構(gòu)，即送料機(jī)構(gòu)、送表及定位機(jī)構(gòu)以及穿線壓封機(jī)構(gòu)，進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，調(diào)試完后再整合成總體的PLC電氣控制系統(tǒng)。通過這種調(diào)試方法，基本上系統(tǒng)組裝起來就能正常運(yùn)行，但是電能表鉛封的成功率只有約80%，所以需要提高穿線壓封的成功率。經(jīng)實(shí)際檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致穿線壓封過程出問題的主要原因在于穿線平臺提升機(jī)構(gòu)和送線機(jī)構(gòu)不同步。通過調(diào)整PLC控制程序中的相應(yīng)軟件延時(shí)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)機(jī)構(gòu)的同步運(yùn)動。經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，調(diào)整后的鉛封設(shè)備對電能表自動鉛封的成功率達(dá)到約99%，進(jìn)一步優(yōu)化后可達(dá)到工業(yè)級應(yīng)用水平。

4 結(jié)論

本文基于電能表鉛封行業(yè)需求，采用機(jī)電一體化技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對電能表進(jìn)行自動鉛封的生產(chǎn)設(shè)備。通過PLC控制系統(tǒng)對機(jī)械本體的協(xié)調(diào)控制，該鉛封設(shè)備能自動實(shí)現(xiàn)送表、送料以及穿線壓封等電能表鉛封的自動化處理過程。對物理樣機(jī)的調(diào)試結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的鉛封設(shè)備具有很高的可靠性，進(jìn)一步優(yōu)化和測試后可推廣應(yīng)用到實(shí)際的電能表鉛封工作中，完全替代傳統(tǒng)的手工操作方式，從而提高生產(chǎn)效率，為我國智能電網(wǎng)技術(shù)整體水平的提高做出較大貢獻(xiàn)。

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