李華昌 *，邱繼紅

（1.駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 駐馬店 463000；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

【工藝開(kāi)發(fā)】

低溫鍍鐵自動(dòng)修復(fù)曲軸的裝置設(shè)計(jì)

李華昌1,*，邱繼紅2

（1.駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 駐馬店 463000；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

為解決低溫鍍鐵修復(fù)曲軸效率低的問(wèn)題，研制了一種可實(shí)現(xiàn)低溫鍍鐵工藝優(yōu)化控制的機(jī)械裝置和控制系統(tǒng)。該裝置利用機(jī)械手協(xié)調(diào)上下料和鍍鐵工藝流程，以S7-1200 PLC(可編程邏輯控制器)為核心，提供便于交互的人機(jī)系統(tǒng)，在線監(jiān)測(cè)和控制施鍍過(guò)程的工藝參數(shù)。該系統(tǒng)易于控制曲軸鍍鐵修復(fù)質(zhì)量和效率，大幅提高了低溫鍍鐵的自動(dòng)化水平。

低溫鍍鐵；曲軸；修復(fù)；自動(dòng)化；機(jī)械手；可編程邏輯控制器

曲軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要承受連桿周期性傳遞的作用力，如果軸承與軸頸間缺乏潤(rùn)滑，容易造成軸頸磨損、軸瓦表層疲勞剝落等多種形式的表面損傷。低溫鍍鐵是再制造修復(fù)磨損曲軸的有效手段[1-2]。通過(guò)分析曲軸表面的磨損狀況，利用直流激勵(lì)可促使陰極表層析出耐磨、硬度高和膜基結(jié)合力強(qiáng)的鍍鐵層。但該工藝受鐵離子濃度、pH、電流密度、溫度等因素影響，主要依靠對(duì)曲軸修復(fù)經(jīng)驗(yàn)的積累，所用設(shè)備過(guò)于簡(jiǎn)單，鍍鐵效率低，且不利于控制曲軸的再制造質(zhì)量。

為優(yōu)化控制磨損曲軸的再制造工藝，研制了一種能根據(jù)鍍鐵工藝參數(shù)和磨損位置、磨損量等表面特征自動(dòng)修復(fù)曲軸損傷的機(jī)械裝置。以S7-1200 PLC(可編程邏輯控制器)為下位機(jī)，在線監(jiān)測(cè)和控制鍍鐵溫度、電流密度、pH、曲軸與陽(yáng)極間距等工藝參數(shù)，利用機(jī)械手上、下料及精確調(diào)整曲軸鍍覆位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸修復(fù)過(guò)程的精確控制。

1 曲軸低溫鍍鐵修復(fù)工藝流程

曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含軸頸、曲柄、平衡塊等部件，基本結(jié)構(gòu)如圖 1。修復(fù)前，利用磁力探傷機(jī)對(duì)曲軸進(jìn)行無(wú)損探傷，以確保軸體無(wú)橫向裂紋，縱向裂紋未延伸至軸頸圓角和油孔，人工測(cè)量主軸頸的圓度和圓柱度，確保圓度和圓柱度誤差均不大于1.5 mm，并檢查基體的磨損狀況，進(jìn)一步確定采用低溫鍍鐵得以修復(fù)的可能性。曲軸修復(fù)選擇環(huán)保型無(wú)刻蝕鍍鐵工藝，其流程為：除油→水洗→酸洗→水洗→對(duì)稱(chēng)交流活化→不對(duì)稱(chēng)交流起鍍→不對(duì)稱(chēng)交流過(guò)渡鍍→直流鍍→水洗→中和→水洗→烘干。

(1) 除油：電石漿除油，直至曲軸表面布滿均勻的水膜。

(2) 酸洗：浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% ～ 30%的鹽酸溶液中2 min。

(3) 對(duì)稱(chēng)交流活化：溶液組成為 300 ～ 400 g/L FeCl2·4H2O，pH 為 0.5 ～ 1.0，水浴溫度 20 ～ 45 °C，陽(yáng)極/陰極面積比大于2，極間距40 ～ 60 mm，電流密度7 A/dm2，時(shí)間2 ～ 3 min。

圖1 曲軸的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram showing the structure of crankshaft

(4) 不對(duì)稱(chēng)交流起鍍：溶液組成、pH、水浴溫度、陽(yáng)極/陰極面積比同(3)，正半波電流密度8 A/dm2，負(fù)半波電流密度6 ～ 7 A/dm2，不對(duì)稱(chēng)比β滿足1.1≤β≤1.3，時(shí)間15 min。

(5) 不對(duì)稱(chēng)交流過(guò)渡鍍：溶液組成、pH、水浴溫度、陽(yáng)極/陰極面積比同(3)，正半波電流密度在5 ～6 min 內(nèi)升至 5 ～ 10 A/dm2，對(duì)應(yīng)負(fù)半波電流密度在 8 ～ 10 min 內(nèi)降至 2 ～ 3 A/dm2。

(6) 直流鍍：溶液組成、pH、水浴溫度、陽(yáng)極/陰極面積比同(3)，直流電流密度10 ～ 20 A/dm2，施鍍時(shí)間依要求的鍍層厚度而定。

2 低溫鍍鐵工藝優(yōu)化裝置設(shè)計(jì)

2.1 低溫鍍鐵工藝裝置

優(yōu)化的曲軸低溫鍍鐵工藝裝置如圖2所示，各槽位按工藝流程布置，設(shè)置工藝限位SQ1?SQ7，利用機(jī)械手橫移、升降和開(kāi)合來(lái)實(shí)現(xiàn)磨損曲軸的上下料以及鍍覆位置的精確控制。

圖2 優(yōu)化的低溫鍍鐵工藝裝置Figure 2 Optimized equipments for low-temperature iron plating

機(jī)械手采用三坐標(biāo)四自由度(4-DOF)模型結(jié)構(gòu)，可協(xié)調(diào)配合其他修復(fù)工藝裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫鍍鐵過(guò)程的自動(dòng)控制。如圖3所示，O1點(diǎn)具有1個(gè)自由度，控制機(jī)械手沿Z1軸往復(fù)橫移(行程為SQ1→SQ7)。O2點(diǎn)具有2個(gè)自由度，控制機(jī)械手沿X2軸升降、腰部繞Z2關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ1的范圍是?90° ～ 180°。O3點(diǎn)具有1個(gè)自由度，控制機(jī)械手開(kāi)合來(lái)抓取磨損曲軸，腕部繞Z3關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整與陽(yáng)極的相對(duì)距離，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ2的范圍是?150° ～ 180°。O1位置往復(fù)平移，串聯(lián)上料、除油、酸洗、鍍鐵、水洗、中和、下料等工位，調(diào)整O2和O3位姿(即相對(duì)于O1的位置和姿態(tài)角)可實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸磨損位置的精確控制。

機(jī)械手橫移部O1、腰部O2的末端執(zhí)行器為步進(jìn)電機(jī)，利用滾珠絲杠將步進(jìn)旋轉(zhuǎn)控制轉(zhuǎn)化為直線Z1和 X2方向的平移。Z2和 Z3軸關(guān)節(jié)的末端執(zhí)行器為伺服電機(jī)，根據(jù)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角控制伺服輸出。設(shè)曲軸的磨損位置為O4，根據(jù)機(jī)械手O1、O2、O3點(diǎn)的位姿關(guān)系，調(diào)整施鍍槽陽(yáng)極與O4的相對(duì)位置和距離。具體控制思路為：利用觸摸屏輸入曲軸待修復(fù)位置與陽(yáng)極的相對(duì)距離，通過(guò)PLC控制待修復(fù)位置各坐標(biāo)末端執(zhí)行器 O1、O2、O3的位姿關(guān)系；PLC輸出控制指令，O1、O2末端執(zhí)行器沿 Z1、X2方向平移，使 O1、O2處于鍍鐵位置O4的頂端；調(diào)整O3點(diǎn)的關(guān)節(jié)，使有效鍍點(diǎn)垂直于待修復(fù)位置；調(diào)整O2點(diǎn)關(guān)節(jié)，控制曲軸與陽(yáng)極的相對(duì)距離為40 ～ 60 mm。

圖3 鍍鐵用機(jī)械手裝置Figure 3 Manipulator for iron plating

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低溫鍍鐵工藝優(yōu)化控制采用Siemens S7-1200型PLC，電氣硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。CPU 1215C上集成了用于編程、用戶(hù)界面通信和PLC間通信的總線接口(PROFINET)，支持TCP/IP協(xié)議、串口P–P通信，適于中小型自動(dòng)化群控應(yīng)用[3]。CPU 1215C有4個(gè)脈沖串輸出PTO1?4[4]，可用于控制機(jī)械手Z2和Z3軸關(guān)節(jié)伺服電機(jī)以及 Z1和 X2平移步進(jìn)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)磨損曲軸上下料及鍍覆位置的橫移、升降和開(kāi)合抓取的精確控制。S7-1200配置CM1243-5現(xiàn)場(chǎng)總線模塊，利用PROFIBUS-DP總線將分布輸入輸出模塊ET 200M、機(jī)械手控制電機(jī)、觸摸屏等接入低溫鍍鐵工藝控制網(wǎng)絡(luò)。S7-1200配置以太網(wǎng)模塊CSM1277，允許計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控鍍鐵工藝過(guò)程。

圖4 低溫鍍鐵工藝的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 4 Hardware structure for low-temperature iron plating

施鍍條件在線監(jiān)測(cè)采用ET 200M分布I/O終端，按鍍鐵工藝流程和參數(shù)要求，采集施鍍過(guò)程機(jī)械手位置SQ1?SQ7、電源狀態(tài)、pH、水浴溫度等特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鍍鐵工藝的自動(dòng)控制，降低施鍍過(guò)程中工藝參數(shù)變化對(duì)鍍鐵效率和質(zhì)量的影響。鍍鐵用機(jī)械手控制狀態(tài)包含3個(gè)速度環(huán)和1個(gè)曲軸損傷位置識(shí)別位。S7-1200 PLC的脈沖輸出端口PTO1?4對(duì)應(yīng)機(jī)械手橫移、升降、開(kāi)合抓取曲軸等動(dòng)作。當(dāng)確定磨損曲軸的損傷位置O4后，與陽(yáng)極的相對(duì)位置設(shè)定為目標(biāo)位姿，S7-1200計(jì)算機(jī)械手當(dāng)前位姿與目標(biāo)位姿的動(dòng)作次序，通過(guò)PTO1?4輸出脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)包含轉(zhuǎn)角(位移)和位置，光電編碼器反饋實(shí)際輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各自通過(guò)獨(dú)立的速度環(huán)閉環(huán)控制機(jī)械手位置。

觸摸屏為定量監(jiān)控和設(shè)定鍍鐵工藝參數(shù)提供便利。如圖5所示，它能根據(jù)鍍鐵工藝流程在線設(shè)置工藝時(shí)間、溫度限值、pH等參數(shù)，又能反饋和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍍鐵工藝參數(shù)、狀態(tài)等的變化情況。

圖5 操作界面Figure 5 Operation interface

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要面向磨損曲軸的低溫鍍鐵修復(fù)工藝，其程序部分包括 S7-1200PLC以太網(wǎng)通信控制、中斷控制、上電初始化和鍍鐵工藝主程序(包括了機(jī)械手橫移、升降和上下料，施鍍條件監(jiān)測(cè)等工藝程序)。西門(mén)子S7-1200 PLC的控制程序由TIA Protal/STEP 7軟件開(kāi)發(fā)，其中OB1模塊開(kāi)發(fā)主程序、OB30模塊開(kāi)發(fā)循環(huán)中斷、OB100模塊開(kāi)發(fā)上電初始化。通過(guò)機(jī)械手協(xié)調(diào)的低溫鍍鐵工藝主程序由步進(jìn)平移和伺服轉(zhuǎn)角控制組成，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠沿Z1(橫移)和X2(升降)運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角繞Z3(開(kāi)合)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)抓取曲軸，通過(guò)擴(kuò)展指令MC控制PLC的PTO脈沖輸出，并轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的軸向運(yùn)動(dòng)。在TIA Protal平臺(tái)上激活S7-1200 PLC的PTO，并在“軸”上定義運(yùn)動(dòng)控制指令MC來(lái)調(diào)整機(jī)械手的位移或轉(zhuǎn)角。以曲軸和陽(yáng)極相對(duì)位置控制為例，如圖6所示，利用“MC_Power”控制關(guān)節(jié)軸Z3，由PLC計(jì)算O4點(diǎn)坐標(biāo)，按標(biāo)定位SQ4橫移設(shè)定的相對(duì)距離，利用MC_MoveAbsolute指令計(jì)算關(guān)節(jié)軸Z3原位與O4點(diǎn)之間的脈沖，光電編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)計(jì)數(shù)，與PTO4的高速計(jì)數(shù)器HSC4比較，使關(guān)節(jié)軸處的伺服驅(qū)動(dòng)加速到O4點(diǎn)位置。鍍鐵結(jié)束后，設(shè)置MC_Home的模式(Mode)為3，使關(guān)節(jié)軸Z3主動(dòng)返回原位，等待后續(xù)動(dòng)作。

圖6 鍍鐵位置控制程序Figure 6 Program for position control in iron plating

3 應(yīng)用效果分析

以?25 mm × 60 mm的球鐵QT450試樣為例，利用稱(chēng)重法測(cè)定表層鍍覆1、2和5 h時(shí)低溫鍍鐵工藝裝置及控制系統(tǒng)的效率。其中，1#試樣和2#試樣采用人工鍍鐵方式，1#試樣的工藝參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制，2#試樣采用優(yōu)化的鍍鐵工藝參數(shù)，3#試樣采用優(yōu)化的鍍鐵工藝裝置。由圖7可以看出，3#試樣的平均鍍速最高，約為0.189 5 mm/h，1#試樣和2#試樣的鍍速非常接近。這進(jìn)一步說(shuō)明優(yōu)化的低溫鍍鐵工藝裝置及控制系統(tǒng)具有更顯著的修復(fù)效率。

圖7 采用不同方式鍍鐵時(shí)鍍速與施鍍時(shí)間的關(guān)系Figure 7 Relationship between deposition rate and time when iron plating by different methods

[1]孫凱, 楊森, 安寧.低溫鍍鐵技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].電鍍與環(huán)保, 2011, 31 (5): 1-3.

[2]戴善生.柴油機(jī)曲軸低溫鍍鐵修復(fù)工藝[J].機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝, 2005 (3): 12-13, 24.

[3]王鴻博, 李建東, 崔曉暉, 等.基于工業(yè)機(jī)器人的分揀生產(chǎn)線群控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床, 2016 (3): 93-98.

[4]王仁祥, 王不曼.西門(mén)子S7-1200 PLC編程方法與工程應(yīng)用[M].北京: 中國(guó)電力出版社, 2011.

Design of equipment for automatic repairing of crankshaft by low-temperature iron plating

LI Hua-chang*,QIU Ji-hong

A machinery equipment and a control system which can be used to realize the optimization of low-temperature iron plating was developed to solve the problem of low efficiency when repairing crankshaft by low-temperature iron plating.The equipment coordinates the loading/unloading operation and iron plating process via manipulators.A convenient humanmachine interface is provided based on S7-1200 PLC (programmable logic controller), realizing the online monitoring and control of process parameters during plating.The quality and efficiency of crankshaft repairing is easily to be controlled, and the automation level of low-temperature iron plating is increased greatly by using the system.

low-temperature iron plating; crankshaft; repair; automatization; manipulator; programmable logic controller

Zhumadian Vocational and Technical College, Zhumadian 463000, China

TQ153.19

A

1004 – 227X (2017) 21 – 1132 – 05

10.19289/j.1004-227x.2017.21.004

2017–08–08

2017–10–16

國(guó)家自然科學(xué)基金（51175001）。

李華昌（1976–），男，河南西平人，本科，講師，主要從事電鍍修復(fù)工藝及裝備的優(yōu)化研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) infejoker911@163.com。

[ 編輯：周新莉 ]