鋼球自動分選裝置的設計

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、分選裝置的設計進行詳細介紹。

1 結構及工作原理

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。利用氣壓傳動裝置將鋼球送到相應的測試工作臺，選擇電感傳感器作為信號拾取源，通過電感測微裝置內部測量電路檢測出鋼球直徑的微位移信號并轉換成便于傳輸、處理和顯示的電壓信號。根據不同的電壓信號，PLC控制收料箱的對應電磁鐵通電，打開對應的料箱翻板，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 機械控制部分設計

2.1 動力機構

鑒于設計要求能夠連續精密的測量鋼球直徑，即要求動力機構能不斷給測量機構傳送鋼球。這種傳動機構有電氣和氣動兩類，電氣傳動不太平穩，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，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，氣缸繼續推動擋塊至彈簧擋板不能擋住鋼球，鋼球落入對應的收料箱；氣缸退回，彈簧擋板自動回復至初始狀態。

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。使用時應將2個二次繞組反向串接，以實現差動方式輸出。兩次級線圈的磁路尺寸與參數應相等。

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

當銜鐵在中間位置時，2個二次繞組有相同的互感，因而一次側激勵得到相同的感應電動勢。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，上部二次繞組內的感應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，下部二次繞組內的感應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)。 當電感測微裝置輸出的電壓信號送到PLC控制器時，PLC會控制對應的電磁鐵通電，打開對應的料箱翻板。

1—電磁鐵; 2—連桿; 3—料箱翻板; 4—兩側擋板

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，恢復額定行程內工作。

3 PLC控制系統

控制系統設計包括硬件和軟件兩大部分。電氣控制系統包括氣動系統電磁閥、限位開關、電感測微裝置、電磁鐵和各控制開關等[7]。

3.1 硬件系統

結合測量、分選裝置工作流程(圖3)及工作特點，對輸入輸出點數進行估算，根據被控對象統計的輸入點數為21個，輸出點數為11個，考慮10%～20%的可擴展余量后對輸入輸出點數圓整，確定為輸入輸出各24個。再根據存儲容量的計算，最后確定PLC選用整體型，電源選用220 V交流電源，I/O總點數為48個，選用晶體管輸出型。最后考慮經濟性等因素,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

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，結合PLC控制系統，實現了對鋼球直徑檢測和分選的自動化，設計結構簡單、合理，測量、分選精度高，工作效率提高?；诖斯ぷ髟?，通過改進設計可以進行不同直徑鋼球的檢測、分選，從而使應用范圍擴大。