陳曙娟，李小寧，趙云文，湯建國

（1．南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2．常熟市天銀機電股份有限公司，江蘇 蘇州 215513）

0 引言

冰箱作為人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵罚浒踩约翱煽啃猿蔀楸渖a(chǎn)商最重視的問題［1］。過載保護器是冰箱壓縮機的保護裝置，當壓縮機外接電壓過低、環(huán)境溫度過高以及由于機械故障引起的壓縮機機殼溫度過高時，過載保護器能自動切斷電源，避免發(fā)生事故。

雙金屬片作為過載保護器的核心元件，對過載保護器的安全性和可靠性有著至關(guān)重要的影響，在對壓縮機與過載保護器進行匹配時，過載保護器中雙金屬片恢復(fù)溫度特性是一個重要指標，因此對雙金屬片的恢復(fù)溫度特性進行溫度分級有著重要的意義。

雙金屬片是由兩層膨脹系數(shù)不同的金屬或合金沿著整個接觸面彼此牢固結(jié)合的復(fù)合材料，膨脹系數(shù)較大的稱為主動層，膨脹系數(shù)較小的稱為被動層。

雙金屬片恢復(fù)溫度分選法有很多，目前國內(nèi)大部分企業(yè)都采用人工分選法，該方法簡單、實用，但是生產(chǎn)效率低，成本高，工人勞動強度大。隨著科技的發(fā)展，人們先后提出了聲音分選法和圖像處理分選法。聲音分選法就是利用傳感器檢測雙金屬片突跳恢復(fù)時發(fā)出的聲音來判斷其是否恢復(fù)；圖像處理分選法是利用雙金屬片恢復(fù)狀態(tài)與翻轉(zhuǎn)狀態(tài)圖像的差異性來判斷其是否恢復(fù)。這兩種方法自動化程度高、精度高，能滿足自動化大批量生產(chǎn)的需要，但是分選線的成本高，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。

針對上述問題，研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、自動化程度高的雙金屬片分選線是保護器生產(chǎn)廠家所期盼的。據(jù)此，本文對傳統(tǒng)的人工檢測法的流程進行分析，采用自動化方法替代其中的加熱、檢測分級、分級取出等工序，設(shè)計了一條符合上述要求的雙金屬片分選線。

1 人工檢測法流程分析及自動化流程設(shè)計

人工檢測法是目前保護器生產(chǎn)廠家最常用的雙金屬片恢復(fù)溫度分選方法，因此在設(shè)計自動化分選線前對其工藝流程進行分析是十分必要的。

圖1為人工檢測法的工藝流程。由圖1可知，人工檢測法工作時共有3個工作區(qū)間，依次是第一工作區(qū)間、第二工作區(qū)以及第三工作區(qū)間。每個工作區(qū)間有3個工作油槽：中間的為高溫油槽，溫度高于120℃，左側(cè)與右側(cè)是檢測油槽，右側(cè)的次高溫油槽溫度高于左側(cè)低溫油槽溫度，且第一工作槽低溫油槽溫度高于第二工作槽次高溫油槽溫度，第二工作槽低溫油槽溫度高于第三工作槽次高溫油槽溫度。

通過上述的人工檢測法的流程分析可知，雙金屬片恢復(fù)溫度分選中重要的檢測工藝為：給雙金屬片加熱使其翻轉(zhuǎn)；在不同溫度檢測雙金屬片是否恢復(fù)。據(jù)此設(shè)計自動化雙金屬片分選線的關(guān)鍵工藝為加熱翻轉(zhuǎn)、分級檢測、自動取放。

本文設(shè)計的分選線系統(tǒng)框圖如圖2所示。該分選線按功能可分為上料、加熱、檢測和取出4個功能模塊。各功能模塊通過自動移動的小車緊密地聯(lián)系在一起。

該系統(tǒng)實際工作時的流程為：首先上料，既在空的小車內(nèi)放入雙金屬片；使裝入雙金屬片的小車自動移動到加熱模塊中加熱翻轉(zhuǎn)；然后雙金屬片移動到分級檢測模塊中，檢測模塊共有6個溫度遞減的檢測區(qū)，檢測雙金屬片是否發(fā)生突跳恢復(fù)，記錄下雙金屬片最先恢復(fù)的溫度區(qū)間，同時將該信號傳遞給取出模塊；最后雙金屬片進入取出模塊，取出模塊根據(jù)檢測模塊傳遞來的恢復(fù)溫度信息，將在各溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生突跳恢復(fù)的雙金屬片分類取出，空的小車再次進入上料裝置，進入下一個生產(chǎn)循環(huán)。

整條分選線系統(tǒng)主要包括機械部分、氣動部分和電氣部分。

圖1 人工檢測法工作流程

圖2 雙金屬片分選線系統(tǒng)框圖

2 分選線關(guān)鍵技術(shù)研究及實現(xiàn)

2．1 移動裝置的研究和實現(xiàn)

雙金屬片的結(jié)構(gòu)小且復(fù)雜，質(zhì)量輕且薄，導(dǎo)磁性能良好，因此采用電磁鐵式機械手吸取的方式來實現(xiàn)雙金屬片的拾取與放置。設(shè)計的電磁鐵式機械手結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，機械手的移動靠兩個氣缸：上下移動氣缸與左右移動氣缸。因此該機械手能兩個方向移動，實現(xiàn)將雙金屬片從一個位置移動到另一個位置。移動磁頭通過內(nèi)部通電的漆包線產(chǎn)生的磁場來拾取雙金屬片，漆包線斷電時將雙金屬片放置到指定位置。

圖3 電磁鐵式機械手結(jié)構(gòu)

2．2 檢測裝置的機械結(jié)構(gòu)

檢測雙金屬片是否恢復(fù)，首先要找出雙金屬片在兩種狀態(tài)（翻轉(zhuǎn)狀態(tài)與恢復(fù)狀態(tài)）下的不同點。由圖4可以看出雙金屬片上銀觸點在兩個狀態(tài)時位置是不同的：當雙金屬片處于突跳狀態(tài)時，檢測裝置的銅檢測頭與雙金屬銀觸點未接觸（見圖4（a））；當雙金屬片處于恢復(fù)狀態(tài)時，檢測裝置的銅檢測頭與雙金屬片的銀觸點相接觸（見圖4（b））。據(jù)此設(shè)計的檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 雙金屬片翻轉(zhuǎn)與恢復(fù)兩種狀態(tài)的位置圖

圖5 檢測裝置結(jié)構(gòu)

2．3 氣動控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

2．3．1 氣動系統(tǒng)

設(shè)備的氣動部分各執(zhí)行元件的氣路連接圖如圖6所示。執(zhí)行元件只有氣缸，各執(zhí)行氣缸通過電磁閥控制其運動方向。在各執(zhí)行氣缸行程的兩端都裝配有位置傳感器，設(shè)備通過PLC程序以及傳感器來控制電磁閥的通斷，從而控制各氣缸的運動方向［2，3］。

各執(zhí)行氣缸控制流程如下：氣缸活塞未推出時前傳感器或上傳感器發(fā)出指令，首先延遲一段時間，而后控制電磁閥打開，氣缸前進或下降，撞到氣缸行程后傳感器或下傳感器，延遲一段時間，發(fā)出指令使電磁閥關(guān)閉，氣缸后退或上升。

圖6 氣動回路原理圖

2．3．2 控制系統(tǒng)

分選線中的氣缸通過PLC在不同的時間執(zhí)行相應(yīng)的前進和后退動作，且氣缸的前后都裝有光電耦合器作為位置傳感器，PLC通過控制與氣缸連接的電磁閥的開合來控制氣缸的位置。

表1為分選線中某個氣缸的I／O分配表。

表1 某個氣缸PLC的I／O分配表

整條分選線中的氣缸采用循環(huán)控制，啟動按鈕按下后，X0輸入信號，急停按鈕X1無輸入信號，氣缸前后位置的光電耦合器將氣缸的位置信號輸入到X2、X3中，PLC根據(jù)此信息進行相應(yīng)的動作：如果X2有輸入信號，X3無輸入信號，則氣缸處于前端，PLC不給Y0輸出信號，電磁閥關(guān)閉；氣缸運行到后位置，停留一段時間后，PLC給Y0輸出信號，電磁閥打開，氣缸運行到前位置，然后停留一段時間，重復(fù)上述動作。

3 試驗

圖7是按照上述設(shè)計的雙金屬片分選線實物圖，雙金屬片在分選線中能夠按照設(shè)計的流程依次進入各功能裝置中，完成加熱、分級檢測、分級取出的功能。

圖7 自動分選線分級取出裝置

本文設(shè)計組裝的自動化分選線已投入到實際保護器生產(chǎn)中，整條分選線運行狀況良好，故障率低，能夠滿足公司大批量檢測的需要。

4 結(jié)論

整條自動化分選線采用基于PLC的自動化控制方法，解決了人工分選法分選線成本高、效率低的問題。設(shè)計的雙金屬片分選線一條線日產(chǎn)量大約為30 000只，比以前采用人工分選法時日產(chǎn)量提高150%，生產(chǎn)線人數(shù)由原來的40人降低到2人，減少了人工成本，同時也去除了人工分選法中油槽用油的成本。

［1］ 區(qū)子平．保護器碟片成型機的驗證［J］．機床與液壓，2001（3）：88－91．

［2］ 王新鄉(xiāng)，胡國清．全自動氣動PLC控制表針加工設(shè)備的設(shè)計研究［J］．液壓與氣動，2010（8）：39－42．

［3］ 王盼盼，呂衛(wèi)陽，李國芹．PLC實現(xiàn)高爐上料系統(tǒng)的自動控制［J］．自動化博覽，2008，25（8）：61－63．