韓以倫，王敬，王倩倩，焦振廣

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266510)

鋼球直徑直接影響軸承的動態(tài)工作特性，因此，安裝前檢測鋼球直徑并對其進行分選對球軸承具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]。以往主要采用人工對鋼球進行分選，勞動強度大，工作效率低，分選精度差。下文針對直徑為(9±0.003) mm的軸承鋼球自動檢測、分選裝置的設(shè)計進行詳細介紹。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

鋼球自動測量、分選裝置如圖1所示，主要包括氣壓傳動裝置、電感測微裝置、電磁翻板裝置和PLC控制系統(tǒng)。利用氣壓傳動裝置將鋼球送到相應(yīng)的測試工作臺，選擇電感傳感器作為信號拾取源，通過電感測微裝置內(nèi)部測量電路檢測出鋼球直徑的微位移信號并轉(zhuǎn)換成便于傳輸、處理和顯示的電壓信號。根據(jù)不同的電壓信號，PLC控制收料箱的對應(yīng)電磁鐵通電，打開對應(yīng)的料箱翻板，使鋼球落入收料箱，達到高效、精確地分選鋼球的目的。

1—氣缸;2—擋塊;3—電感測微裝置;4—彈簧擋板;5—料箱翻板;6—電磁鐵

2 機械控制部分設(shè)計

2.1 動力機構(gòu)

鑒于設(shè)計要求能夠連續(xù)精密的測量鋼球直徑，即要求動力機構(gòu)能不斷給測量機構(gòu)傳送鋼球。這種傳動機構(gòu)有電氣和氣動兩類，電氣傳動不太平穩(wěn)，而氣動傳動中的固定式氣缸傳動適合精密測量，因此選用單活塞桿雙作用氣缸[3]。根據(jù)安裝方式不同氣缸又分為活塞桿固定式和缸筒固定式，考慮設(shè)計裝置對體積的要求，采用腳座式缸筒固定式氣缸。

如圖1所示，氣缸活塞桿與擋塊相連，鋼球從出料口出來落入擋塊的槽內(nèi)，借助于工作臺的彈簧擋板將鋼球固定；此時擋塊向前移動不但擋住出料口，而且將鋼球向前推進，到達測量位置進行檢測；測量完成后，氣缸繼續(xù)推動擋塊至彈簧擋板不能擋住鋼球，鋼球落入對應(yīng)的收料箱；氣缸退回，彈簧擋板自動回復至初始狀態(tài)。

2.2 自動測量裝置

自動測量裝置主要由電感式傳感器和測量電路組成。該裝置選用線性差動式電感傳感器，其主要由可活動銜鐵、一次繞組和2個二次繞組等組成。由于銜鐵的上下移動，一、二次繞組間的互感會隨之變化。使用時應(yīng)將2個二次繞組反向串接，以實現(xiàn)差動方式輸出。兩次級線圈的磁路尺寸與參數(shù)應(yīng)相等。

差動式電感傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測量物理量轉(zhuǎn)換成線圈互感系數(shù)的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓的變化量輸出,實現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換成電量[4-5]。

當銜鐵在中間位置時，2個二次繞組有相同的互感，因而一次側(cè)激勵得到相同的感應(yīng)電動勢。由于2個二次繞組反向串接，所以得到的差動輸出電動勢為零。將此位置設(shè)為檢測的標準位置，即安裝電感測微裝置時，此位置檢測為直徑9 mm的標準鋼球。當測量鋼球直徑大于9 mm時，銜鐵將上移，因此上部的二次繞組互感大于下部的二次繞組，上部二次繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢也大于下部的二次繞組，差動輸出電動勢不為零，每個電動勢值對應(yīng)一定直徑的鋼球，從而測出鋼球直徑。同理，當鋼球直徑小于9 mm時，銜鐵將下移，因此下部的二次繞組互感大于上部的二次繞組，下部二次繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢也大于上部的二次繞組，差動輸出電動勢也不為零，測出鋼球直徑。

2.3 自動分選裝置

收料箱裝置(圖2)的上表面有一與水平面成30°的滾道，兩側(cè)有擋板，鋼球依靠自重沿滾道滾落。以直徑9 mm的鋼球為標準，以 1 μm為規(guī)值間隔分成8個組別，分別為-3，-2，-1，0，1，2，3 μm及不合格品，每個組別對應(yīng)一個收料箱口，每個收料箱口的翻板都由一個電磁鐵控制(開/關(guān))。 當電感測微裝置輸出的電壓信號送到PLC控制器時，PLC會控制對應(yīng)的電磁鐵通電，打開對應(yīng)的料箱翻板。

1—電磁鐵; 2—連桿; 3—料箱翻板; 4—兩側(cè)擋板

電磁鐵選用MQD06系列電子型牽引電磁鐵[6]，電磁鐵主要由電磁扼、銜鐵、線圈和控制電器等部分組成，當線圈通電時，吸合銜鐵，通過連桿帶動其所控制的料箱翻板打開；線圈斷電后，電磁鐵本身無復位裝置，翻板由于自身重力下落，從而通過連桿帶動銜鐵復位，恢復額定行程內(nèi)工作。

3 PLC控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)設(shè)計包括硬件和軟件兩大部分。電氣控制系統(tǒng)包括氣動系統(tǒng)電磁閥、限位開關(guān)、電感測微裝置、電磁鐵和各控制開關(guān)等[7]。

3.1 硬件系統(tǒng)

結(jié)合測量、分選裝置工作流程(圖3)及工作特點，對輸入輸出點數(shù)進行估算，根據(jù)被控對象統(tǒng)計的輸入點數(shù)為21個，輸出點數(shù)為11個，考慮10%～20%的可擴展余量后對輸入輸出點數(shù)圓整，確定為輸入輸出各24個。再根據(jù)存儲容量的計算，最后確定PLC選用整體型，電源選用220 V交流電源，I/O總點數(shù)為48個，選用晶體管輸出型。最后考慮經(jīng)濟性等因素,此裝置的PLC選用三菱FX2N-48MT-001，考慮到電感傳感器電路輸出的電壓信號，還需要選用模擬量模塊FX2N-2AD。測量的電氣原理及PLC輸入、輸出如圖4、圖5所示。

圖3 測量、分選裝置工作流程

圖4 電氣原理圖

圖5 PLC輸入、輸出圖

3.2 軟件系統(tǒng)

編寫PLC運行程序[8]：

(1)初始化程序；

(2)主程序；

(3)中斷子程序；

(4)檢測、故障診斷和顯示等程序；

(5)保護和互鎖程序。

4 結(jié)束語

該測量、分選裝置采用電感傳感器對鋼球直徑進行高精度測量，采用電磁翻板裝置進行準確分選，結(jié)合PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鋼球直徑檢測和分選的自動化，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、合理，測量、分選精度高，工作效率提高?；诖斯ぷ髟恚ㄟ^改進設(shè)計可以進行不同直徑鋼球的檢測、分選，從而使應(yīng)用范圍擴大。