劉國輝 雷良育,2 王國輝 張琪 荊家寶

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)；2.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司）

汽車第3 代輪轂軸承集成度高，增加了內(nèi)外圈的2 個(gè)法蘭盤，并且汽車第3 代輪轂軸承采用冷鉚翻邊工藝進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)功能，并提高了使用性能。但是在冷鉚翻邊過程中汽車輪轂軸承會有裂紋出現(xiàn)，導(dǎo)致裝配出的輪轂軸承產(chǎn)品不合格。為了提高輪轂軸承的產(chǎn)品質(zhì)量，通常會在冷鉚翻邊工藝之后對輪轂軸承進(jìn)行裂紋的檢測，目前輪轂軸承在線裂紋檢測方法為人工目測，試驗(yàn)室采用磁粉檢測和滲透液檢測的方法。為了實(shí)現(xiàn)對輪轂軸承裂紋的自動在線檢測，采用渦流探傷原理的檢測方法[1-2]，通過可編程控制器（PLC）的控制，實(shí)現(xiàn)輪轂軸承裂紋的自動在線檢測。

1 輪轂軸承裂紋檢測機(jī)整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)軸承冷鉚過程中出現(xiàn)裂紋部位的概率大小，選擇渦流探頭檢測軸承部位，通過上下料機(jī)構(gòu)、軸承提升機(jī)構(gòu)、軸承旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、不合格產(chǎn)品剔除機(jī)構(gòu)等，結(jié)合信號處理系統(tǒng)，完成軸承裂紋渦流檢測。輪轂軸承渦流裂紋檢測機(jī)除機(jī)械結(jié)構(gòu)外，還包括電氣控制系統(tǒng)、渦流檢測系統(tǒng)。其總體設(shè)計(jì)方案，如圖1 所示。輪轂軸承渦流裂紋檢測機(jī)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動流程，如圖2 所示。

圖1 汽車輪轂軸承渦流裂紋檢測機(jī)整體設(shè)計(jì)方案圖

圖2 汽車輪轂軸承裂紋檢測機(jī)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動流程圖

輪轂軸承渦流裂紋檢測機(jī)的原理是：當(dāng)軸承冷鉚機(jī)完成軸承的翻邊鉚合后，由傳送帶把軸承傳送至裂紋檢測機(jī)，然后由機(jī)械爪氣缸向前推進(jìn)托住軸承法蘭，機(jī)械爪提升氣缸收縮把軸承抬起，機(jī)械爪滑臺氣缸收縮帶動機(jī)械爪向工裝方向移動；當(dāng)移動至工裝正上方時(shí)，觸發(fā)行程開關(guān)，氣缸停止移動，機(jī)械爪提升氣缸伸長，機(jī)械爪氣缸收縮，機(jī)械爪滑臺氣缸伸長，使機(jī)械爪恢復(fù)初始位置，此時(shí)軸承已經(jīng)正確擺放在檢測工裝上，由軸承提升氣缸伸長；當(dāng)軸承鉚合部位到達(dá)渦流探頭下方0.1 mm 處時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動軸承旋轉(zhuǎn)，渦流探頭掃描軸承翻邊部位1 圈，然后把采集到的信號傳輸至信號處理系統(tǒng)，經(jīng)過處理后的信號在顯示屏上顯示出來；當(dāng)有裂紋產(chǎn)品出現(xiàn)，在次品傳送至次品剔除機(jī)構(gòu)傳感器感應(yīng)部位時(shí)，次品剔除機(jī)構(gòu)的氣缸伸長，把帶有裂紋的軸承推入次品收集區(qū)；當(dāng)沒有次品出現(xiàn)時(shí)，會直接由傳送帶送至下一個(gè)工位。

當(dāng)開始檢測時(shí)，氣缸2 伸長使機(jī)械爪伸入輪轂軸承的下方，然后氣缸3 收縮使機(jī)械爪抓起軸承；氣缸1收縮，氣缸3 下降使軸承放置到待檢測位置。接著氣缸1 伸長回到初始位置，然后對待檢測位置進(jìn)行物料確認(rèn)，若無料則會返回繼續(xù)上料，若有料，則氣缸4 伸長使軸承升起，然后電機(jī)帶動軸承旋轉(zhuǎn)，之后判斷掃描是否結(jié)束。若掃描結(jié)束則電機(jī)停轉(zhuǎn)，氣缸4 收縮，使軸承下降至原來位置，若掃描沒有結(jié)束，則繼續(xù)掃描。下一步則是檢測軸承是否含有裂紋，若含有裂紋，則推手氣缸伸長，剔除次品軸承，若無裂紋則返回[3]。

2 關(guān)鍵組件部分設(shè)計(jì)

2.1 軸承渦流裂紋檢測機(jī)上下料裝置

為了實(shí)現(xiàn)輪轂軸承整個(gè)裝配線的自動化裝配，必須為軸承渦流裂紋檢測機(jī)設(shè)計(jì)自動上下料機(jī)構(gòu)。為了簡化上料和下料的動作、減少動力裝置的使用以及節(jié)約整個(gè)機(jī)器的生產(chǎn)成本，輪轂軸承渦流裂紋檢測機(jī)的上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成一次動作同時(shí)完成上料和下料工序。該上下料裝置主要由機(jī)架、導(dǎo)軌、滑臺、機(jī)械爪、氣缸等機(jī)構(gòu)組成[4]，如圖3 所示。

圖3 汽車輪轂軸承裂紋檢測機(jī)上下料裝置示意圖

該上下料裝置的工作過程為：當(dāng)軸承通過傳送帶傳送至機(jī)械爪第1 個(gè)爪的位置時(shí)，傳感器感應(yīng)使氣缸2伸長托住軸承的法蘭，然后氣缸3 收縮，帶動機(jī)械爪把軸承托起；當(dāng)機(jī)械爪托起高度達(dá)到傳感器的位置時(shí)，氣缸3 停止收縮，氣缸1 收縮，帶動整個(gè)滑臺1 移動1 個(gè)工位，使機(jī)械爪托起的軸承移動至軸承裂紋待檢測工位，然后氣缸3 伸長，把軸承放置到待檢測工位，氣缸2收縮，氣缸1 伸長，使整個(gè)裝置恢復(fù)至初始位置。當(dāng)機(jī)械爪的3 個(gè)爪對應(yīng)的位置都有軸承時(shí)，第1 個(gè)機(jī)械爪位置的軸承被移至待檢測工位，第2 個(gè)機(jī)械爪位置的軸承被移至檢測部位，第3 個(gè)機(jī)械爪位置的軸承被移至下料傳送帶，同時(shí)完成上下料的工作。

由于氣缸1 推動整個(gè)裝置運(yùn)動，負(fù)載最大，因此氣缸直徑的計(jì)算以氣缸1 為準(zhǔn)。氣缸1 行程為270 mm，最大負(fù)重45 kg，氣缸的工作壓力P=0.7 MPa，取導(dǎo)軌摩擦因數(shù)μ=0.25，氣缸平均速度v=200 mm/s，故取負(fù)載率β=0.5。由氣缸輸出負(fù)載力公式F=μmg，可以計(jì)算氣缸1所需的輸出力（F0/N）[5]。

因F0＞F，滿足氣缸使用要求。因此，可由氣缸1 的直徑和氣缸輸出力間的關(guān)系，推導(dǎo)出氣缸1 的直徑（D/mm）為：

經(jīng)計(jì)算得出，D=21.6 mm。

根據(jù)氣缸直徑標(biāo)準(zhǔn)選擇氣缸1 直徑為25 mm。根據(jù)氣缸1 所需輸出力的大小以及氣缸運(yùn)動行程，選擇某公司的MA25*300SCA 型號氣缸。氣缸1 模型及實(shí)物，如圖4 所示。同理分別選出氣缸2 和氣缸3。

圖4 汽車輪轂軸承裂紋檢測機(jī)氣缸1 模型及實(shí)物圖

2.2 軸承旋轉(zhuǎn)提升裝置

圖5 示出軸承旋轉(zhuǎn)提升裝置。由于軸承裂紋可能出現(xiàn)在鉚合翻邊的整個(gè)圓周范圍內(nèi)，渦流探頭必須對整個(gè)圓周范圍進(jìn)行掃描檢測，該檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為探頭固定，被檢測軸承旋轉(zhuǎn)。被檢測軸承是由伺服電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，整個(gè)旋轉(zhuǎn)滑臺是由氣缸提升或者下降。電機(jī)和氣缸的運(yùn)動是由PLC 控制。軸承旋轉(zhuǎn)提升機(jī)構(gòu)的工作過程為：當(dāng)被測工件被放置到旋轉(zhuǎn)電機(jī)上的工裝上時(shí)，氣缸會通過導(dǎo)軌帶動整個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺上升至貼近渦流傳感器探頭的位置，然后電機(jī)帶動軸承旋轉(zhuǎn)，渦流傳感器探頭對軸承鉚合翻邊部位進(jìn)行掃描并采集信號，當(dāng)信號采集結(jié)束后，氣缸下降到初始位置，上下料機(jī)械爪會把已檢測完成的軸承放到傳送帶上傳至下個(gè)工位。

圖5 汽車輪轂軸承裂紋檢測機(jī)軸承旋轉(zhuǎn)提升裝置示意圖

其中工裝可以根據(jù)生產(chǎn)軸承的型號進(jìn)行更換，工裝與電機(jī)主軸的連接方式采用螺母連接。電機(jī)采用齒輪減速電機(jī)，主要根據(jù)探頭信號的采集頻率進(jìn)行電機(jī)選型，由于軸承本身質(zhì)量較重，故該電機(jī)不僅需要提供轉(zhuǎn)速，還要提供一定大小的扭矩。故選擇調(diào)速范圍為70%～100%的5IK90RGU 型號的齒輪減速電機(jī)。

2.3 渦流探頭安裝裝置

2.3.1 渦流探頭安裝支架

渦流探頭安裝在軸承提升裝置工裝位置的正上方，因?yàn)樘筋^安裝位置不是固定不動的，而是會跟隨軸承型號的變化進(jìn)行調(diào)整，故軸承安裝支架選用兩關(guān)節(jié)萬向支架。兩關(guān)節(jié)萬向支架不僅可以改變自由度，而且可以改變探頭的高度以保證探頭和軸承翻邊鉚合部位的距離。實(shí)際采用2 個(gè)渦流探頭分別采集冷鉚翻邊上弧面和下弧面。探頭安裝裝置，如圖6 所示。渦流探頭安裝支架安裝在機(jī)架頂部。

圖6 汽車輪轂軸承裂紋檢測機(jī)渦流探頭安裝裝置實(shí)物圖

2.3.2 渦流探頭安裝位置確定

渦流探頭安裝要滿足以下2 個(gè)要求：1）保證渦流探頭和軸承鉚合翻邊面之間有一定的距離，這是由探頭萬向安裝支架來保證。渦流探頭和被測面之間的距離不能太大，如果超出渦流探頭的提離高度，則會影響探頭的精度。2）要保證裂紋可能出現(xiàn)的位置配合合適的掃描運(yùn)動，使渦流探頭全面覆蓋[6]。

在輪轂軸承裂紋檢測中，首先要設(shè)計(jì)合適的渦流傳感器探頭以保證傳感器對旋壓面的全覆蓋。采用的方法是根據(jù)冷鉚過程的應(yīng)力分析找出裂紋出現(xiàn)概率的最大區(qū)域，讓渦流探頭全面覆蓋旋壓面裂紋出現(xiàn)概率最大的區(qū)域，配合回轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)旋壓面裂紋出現(xiàn)區(qū)域的全覆蓋檢測。根據(jù)裂紋出現(xiàn)區(qū)域的范圍大小，計(jì)算出所需渦流探頭個(gè)數(shù)。設(shè)裂紋區(qū)域出現(xiàn)的總長度為L（L≈12 mm），單個(gè)渦流傳感器探頭的直徑為D（D=8 mm），所需探頭個(gè)數(shù)為n，渦流探頭對裂紋出現(xiàn)概率較大區(qū)域的覆蓋率為130%，利用公式nD=1.3 L，計(jì)算得出n=1.95，取n=2 個(gè)[7]。其探頭位置，如圖7 所示。

圖7 汽車輪轂軸承裂紋檢測機(jī)渦流探頭位置示意圖

2.4 次品剔除裝置

為了實(shí)現(xiàn)輪轂軸承裂紋檢測的自動化，在對輪轂軸承冷鉚翻邊面檢測之后，若發(fā)現(xiàn)有裂紋次品工件，次品剔除裝置會在裂紋軸承被機(jī)械爪放到傳送帶上時(shí)，由帶氣缸的推桿把含有裂紋的軸承推入次品通道，并且上位機(jī)會記錄裂紋軸承的個(gè)數(shù)，當(dāng)被推入次品通道的數(shù)量超過3 個(gè)時(shí)，裂紋檢測機(jī)就會報(bào)警，提醒輔助工人檢查是否含有大量不合格物料。排除報(bào)警信息后，可以把記錄清零。次品剔除裝置結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。

圖8 汽車輪轂軸承裂紋檢測機(jī)次品剔除裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 整體機(jī)械總裝設(shè)計(jì)

根據(jù)整體設(shè)計(jì)方案，首先對輪轂軸承渦流裂紋檢測機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其整體結(jié)構(gòu)，如圖9 所示。

圖9 汽車輪轂軸承渦流裂紋檢測機(jī)整體機(jī)械總裝圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械部分的自動化工作，必須對機(jī)械部分進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械各構(gòu)件之間的完美配合。輪轂軸承渦流裂紋檢測機(jī)主要對電機(jī)和傳動氣缸進(jìn)行控制。 該控制系統(tǒng)采用歐姆龍CP1W-40EDT 型PLC[8]，主要控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)以及氣缸伸縮；采用Samkoon SA-7A 型觸摸屏與PLC 進(jìn)行通信控制[9]，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。為了對突發(fā)情況進(jìn)行控制操作，設(shè)計(jì)的輪轂軸承裂紋檢測機(jī)控制面板主要包括：啟動、停止、手動/自動、異常復(fù)位、緊急復(fù)位等控制按鈕，同時(shí)還提供了報(bào)警提示燈。該電氣控制采用380 V供電線路，然后通過斷路器和控制變壓器為各個(gè)控制部分提供電源電壓。

輪轂軸承渦流裂紋檢測機(jī)的機(jī)械爪控制電路，如圖10 所示。

圖10 汽車輪轂軸承裂紋檢測機(jī)機(jī)械爪控制電路顯示界面

該機(jī)械爪的控制主要通過PLC 實(shí)現(xiàn)，由繼電器KA1～KA8 來控制機(jī)械爪的前進(jìn)、后退、上升、下降、左移、右移以及電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。各個(gè)繼電器的開關(guān)動作是由每個(gè)氣缸上的位置傳感器感應(yīng)到氣缸的行程位置而做出的動作，傳感器通過PLC 的信號傳輸來控制繼電器。傳感器SQ100～SQ110 分別對應(yīng)NG 滿料、NG 復(fù)位、NG到位、料手前進(jìn)、料手后退、料手上位、料手下位、料手左移、料手右移、料手有料確認(rèn)、出料口滿的傳感器狀態(tài)。其電路連接，如圖11 所示。

圖11 汽車輪轂軸承裂紋檢測機(jī)傳感器電氣連接顯示界面

5 結(jié)論

文章以汽車輪轂軸承裂紋檢測機(jī)為研究對象，通過對冷鉚翻邊加工過程后出現(xiàn)的軸承裂紋位置的分析確定渦流探頭的安裝位置。根據(jù)裂紋檢測工藝路線的設(shè)計(jì)，對輪轂軸承裂紋檢測機(jī)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，配合PLC 控制和渦流檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輪轂軸承裂紋的自動在線檢測，解決了人工目檢效率低的問題。輪轂軸承渦流裂紋檢測機(jī)的上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成1 次動作同時(shí)完成上料和下料；渦流探頭選擇雙探頭掃描，實(shí)現(xiàn)最大限度覆蓋裂紋出現(xiàn)的區(qū)域；通過PLC 控制，實(shí)現(xiàn)了次品剔除裝置自動剔除帶有裂紋的軸承并且實(shí)現(xiàn)了次品滿料報(bào)警提示功能。