摘 要：鍛壓鋼球自動(dòng)分揀熱處理裝置是在全面總結(jié)鍛壓鋼球熱處理工藝要求的基礎(chǔ)上，研發(fā)的一種鋼球待溫自動(dòng)分揀裝置。該裝置為機(jī)-電-氣技術(shù)的結(jié)合體，當(dāng)待測鋼球進(jìn)入該裝置并到達(dá)指定位置時(shí)，可實(shí)現(xiàn)紅外線傳感器的自動(dòng)測溫。采用PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋼球分離目的，有效保證和控制鋼球淬火前入水的溫度，提高鋼球熱處理質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：鍛壓鋼球；淬火處理；自動(dòng)分揀裝置；紅外線傳感器；PLC；步進(jìn)電機(jī)

引言

鍛造鋼球有著廣泛的用途，其具有表面質(zhì)量好，抗沖擊性好，韌性強(qiáng)，耐磨性好和不易破碎等特點(diǎn)。目前使用的鋼球一般是高碳鋼，先將毛坯加熱到1200℃左右，然后鍛造成型，待鋼球溫度降至800～850℃之間后，投入淬火池中進(jìn)行淬火處理。而且鍛后淬火多為人工操作，溫度控制不嚴(yán)，易出現(xiàn)溫度偏高或偏低現(xiàn)象，表面溫度分布不均勻，形成很高的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，若未及時(shí)回火予以消除就會造成鋼球破裂的嚴(yán)重現(xiàn)象。因此，如何準(zhǔn)確控制鋼球淬火前的最佳溫度范圍（800～850℃），是保證鋼球成品質(zhì)量的關(guān)鍵。

針對上述問題，設(shè)計(jì)此鍛壓鋼球自動(dòng)分揀熱處理裝置，對鋼球在淬火處理前進(jìn)行在線測溫，把溫度不達(dá)標(biāo)的鋼球分離開來，徹底解決了因人為等不確定性因素而造成的鋼球表面硬度不均勻等一系列問題。同時(shí)，采用機(jī)—電—?dú)庖惑w化技術(shù)，大大提高了生產(chǎn)效率，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了有效的控制和保證。

1 鍛壓鋼球自動(dòng)分揀熱處理裝置設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)分揀裝置結(jié)構(gòu)

鍛壓鋼球熱處理裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示：

轉(zhuǎn)盤上設(shè)定16個(gè)撥叉，可同時(shí)容納16個(gè)待檢鋼球。轉(zhuǎn)盤上的軌道由固定軌道以及活動(dòng)軌道組成，當(dāng)待測鋼球進(jìn)入裝置，可在轉(zhuǎn)盤撥叉的驅(qū)動(dòng)下沿著軌道滾動(dòng)。在自動(dòng)分揀裝置的第2、4、8、12、16（由受料口逆時(shí)針計(jì)數(shù)）撥叉位置分別設(shè)置5個(gè)測溫裝置，每個(gè)測溫裝置下對應(yīng)一個(gè)氣動(dòng)閥開合機(jī)構(gòu)。其中第一個(gè)為廢球開合機(jī)構(gòu)，當(dāng)溫度偏低時(shí)第一個(gè)氣動(dòng)閥向外打開；另外4個(gè)氣動(dòng)閥為好球開合機(jī)構(gòu)，只有在待測鋼球溫度合適才向外打開。在廢球開合機(jī)構(gòu)下方設(shè)置了廢球溜道，使溫度偏低的待測的鋼球順著廢球溜道進(jìn)入升溫裝置重新升溫；在好球開合機(jī)構(gòu)下方設(shè)置好球溜道，使鋼球可以沿著好球溜道進(jìn)入淬火池。

1.2 測溫裝置

鍛壓鋼球要有一定的硬度和耐磨性，所以在鋼球生產(chǎn)過程中要進(jìn)行淬火處理。如果淬火前鋼球溫度控制不嚴(yán)，溫度偏高或偏低都會影響鋼球成品的質(zhì)量。準(zhǔn)確控制鋼球最佳淬火溫度范圍，是保證鋼球質(zhì)量合格的關(guān)鍵。

由于所測鋼球溫度高、溫度變化范圍較大（大約700℃～1200℃），所以需要測溫裝置能夠快速、準(zhǔn)確、高效地測得鋼球溫度，并將所測數(shù)據(jù)傳遞給控制系統(tǒng)；另外由于環(huán)境溫度較高，因此選用IRt/c系列紅外線溫度傳感器，其工作環(huán)境溫度可達(dá)200℃且測量范圍能夠滿足該系統(tǒng)的要求，可以精確地測定鋼球進(jìn)入淬火池前的溫度。

1.3 電機(jī)選定

轉(zhuǎn)盤呈間歇式轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)盤上共有16個(gè)撥叉，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度為22.5°，選用步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)可以將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移，每當(dāng)接受一個(gè)電脈沖時(shí)，其輸出軸便轉(zhuǎn)過一定角度，能夠很好地滿足該裝置的要求。

采用步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤不僅可以降低成本，而且在轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度并不是很快的情況下采用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)相對來說比較穩(wěn)定。鍛壓鋼球待溫自動(dòng)分揀裝置的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為1～3r/min?？紤]到實(shí)用性，采用57BYG250型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其步進(jìn)角為0.9°。

2 鍛壓鋼球自動(dòng)分揀裝置的控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)的組成

鍛壓鋼球自動(dòng)分揀裝置結(jié)合了機(jī)—電—?dú)饧夹g(shù)，對高溫鋼球?qū)崟r(shí)監(jiān)測和控制，使工人準(zhǔn)確了解鋼球的溫度變化情況，有效地控制了鋼球的淬火溫度，提高鍛壓鋼球的生產(chǎn)質(zhì)量。

該裝置需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測溫、氣動(dòng)閥的開合、轉(zhuǎn)盤的間歇式運(yùn)動(dòng)等功能，所以電氣控制系統(tǒng)主要由紅外線溫度傳感器、PLC、氣動(dòng)閥、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)幾個(gè)部分組成。

2.2 鍛壓鋼球自動(dòng)分揀裝置的控制原理

當(dāng)待檢鋼球到達(dá)每個(gè)測溫位置時(shí)，紅外線溫度傳感器會立刻接收到溫度信號，并將接收到的溫度信號傳遞PLC，通過PLC判斷氣動(dòng)閥的開合，實(shí)現(xiàn)鍛造鋼球淬火溫度的自動(dòng)檢測與控制。圖2為鍛壓鋼球自動(dòng)分揀裝置的控制流程圖，描述如下：（1）鍛造后的高溫鋼球在受料口中自動(dòng)形成有序排列，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼球依次進(jìn)入轉(zhuǎn)盤撥叉。（2）待溫鋼球隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)至第一個(gè)測溫位置，溫度傳感器即刻接收溫度信號，并將溫度信號轉(zhuǎn)化為電流信號傳遞給PLC對比。（3）如果溫度太低，廢球開合機(jī)構(gòu)向外打開，并將鋼球落入廢球溜道進(jìn)入升溫裝置進(jìn)行升溫處理。如果溫度合適或溫度過高，廢球開合機(jī)構(gòu)不工作，待測鋼球繼續(xù)在轉(zhuǎn)盤撥叉的驅(qū)動(dòng)下沿著軌道滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)至下一個(gè)測溫位置，在該測溫口若測得的鋼球溫度合適，則通過電氣控制系統(tǒng)將好球開合機(jī)構(gòu)向外打開，落入好球溜道滾至淬火池。若在該測溫口待檢鋼球溫度高于淬火溫度時(shí)，好球開合機(jī)構(gòu)不打開，高溫鋼球隨轉(zhuǎn)盤傳至下一個(gè)測溫口，直到該鋼球降至適合的溫度。

2.3 PLC控制系統(tǒng)

鍛壓鋼球自動(dòng)分揀裝置中包括5個(gè)氣動(dòng)閥、5個(gè)紅外線溫度傳感器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器以及步進(jìn)電機(jī)。為實(shí)現(xiàn)待溫鋼球的自動(dòng)化分揀以及裝置的啟動(dòng)、停止和急停，且要求控制系統(tǒng)具有使用方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，所以裝置的控制選用PLC控制。

鍛壓鋼球自動(dòng)分揀裝置的控制系統(tǒng)采用了西門子公司生產(chǎn)的S7-200 CPU224型PLC為控制器，擴(kuò)展了2個(gè)EM231CN模擬輸入量模塊。CPU224帶有 14 個(gè)輸入和 10 個(gè)輸出數(shù)字量模塊，擴(kuò)展的EM231CN 具有4個(gè)模擬量輸入端口，完全滿足系統(tǒng)的需求。

PLC在對步進(jìn)電機(jī)控制時(shí)，由于PLC輸出的信號功率小于步進(jìn)電機(jī)所需要信號的功率，常常需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來放大PLC輸出的信號。驅(qū)動(dòng)器選用與57BYG250步進(jìn)電機(jī)對應(yīng)的2HB024M型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，而且，用PLC對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，必須利用Q0.0或Q0.1作為脈沖輸出點(diǎn)。圖3所示的是PLC接口連接圖。

EM253位控模板是S7-200的特殊功能模塊，可以產(chǎn)生高速脈沖實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)速度、位置的控制，廣泛用于步進(jìn)電機(jī)的速度、位置控制，可以滿足更高的控制要求。圖中，位控模板EM253通過S7-200PLC的擴(kuò)展接口EM231CN與CPU通訊。

3 結(jié)束語

文章主要對鍛壓鋼球待溫自動(dòng)分揀裝置的設(shè)計(jì)和控制進(jìn)行了研究。該裝置采用機(jī)—電—?dú)庖惑w化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)待測高溫鋼球進(jìn)入該裝置并到達(dá)指定位置時(shí)，紅外線傳感器自動(dòng)測溫，并通過PLC設(shè)定好的程序控制氣動(dòng)閥的開合，實(shí)現(xiàn)對鋼球快速、準(zhǔn)確的分類，有效地控制了鋼球進(jìn)入淬火池時(shí)的溫度，從而大大地提高了鋼球熱處理質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]李秋生，劉體龍，李蒙，等.轉(zhuǎn)盤式球磨鋼球待溫自動(dòng)分揀裝置：中國，CNIO4889069A[P].2015-09-09.

[2]鮑丙豪，周燕，許楨英，等.傳感器手冊（第一版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：425.

[3]高云婷，李攀峰.滾動(dòng)式鋼球淬火系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，8：120-123.

[4]毛昀，楊峰.基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014，4：87-89+98.

[5]徐智，杜逸鳴，熊田忠.基于西門子S7-200PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].知識經(jīng)濟(jì)，2009，17：113-114.

[6]喬橋.基于s7-200系列PLC及EM235模塊的谷物烘干設(shè)備研制[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012，4：107-109+113.

[7]李寧.PLC在準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，

34（11）：195-198.

[8]李英輝.基于PLC的步進(jìn)電機(jī)綜合控制[J].中小企業(yè)管理與科技，2014，6：207.

[9]洪祖太，王剛.基于PLC的物料分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國科技信息，2013（10）：176-177.