基于PLC的輪轂軸承裂紋檢測機研制*

劉國輝 雷良育,2 王國輝 張琪 荊家寶

（1.浙江農林大學；2.浙江兆豐機電股份有限公司）

汽車第3 代輪轂軸承集成度高，增加了內外圈的2 個法蘭盤，并且汽車第3 代輪轂軸承采用冷鉚翻邊工藝進行組裝，實現了免維護功能，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，導致裝配出的輪轂軸承產品不合格。為了提高輪轂軸承的產品質量，通常會在冷鉚翻邊工藝之后對輪轂軸承進行裂紋的檢測，目前輪轂軸承在線裂紋檢測方法為人工目測，試驗室采用磁粉檢測和滲透液檢測的方法。為了實現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，實現輪轂軸承裂紋的自動在線檢測。

1 輪轂軸承裂紋檢測機整體方案設計

根據軸承冷鉚過程中出現裂紋部位的概率大小，選擇渦流探頭檢測軸承部位，通過上下料機構、軸承提升機構、軸承旋轉機構、不合格產品剔除機構等，結合信號處理系統，完成軸承裂紋渦流檢測。輪轂軸承渦流裂紋檢測機除機械結構外，還包括電氣控制系統、渦流檢測系統。其總體設計方案，如圖1 所示。輪轂軸承渦流裂紋檢測機機械系統運動流程，如圖2 所示。

圖1 汽車輪轂軸承渦流裂紋檢測機整體設計方案圖

圖2 汽車輪轂軸承裂紋檢測機機械系統運動流程圖

輪轂軸承渦流裂紋檢測機的原理是：當軸承冷鉚機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，然后由機械爪氣缸向前推進托住軸承法蘭，機械爪提升氣缸收縮把軸承抬起，機械爪滑臺氣缸收縮帶動機械爪向工裝方向移動；當移動至工裝正上方時，觸發行程開關，氣缸停止移動，機械爪提升氣缸伸長，機械爪氣缸收縮，機械爪滑臺氣缸伸長，使機械爪恢復初始位置，此時軸承已經正確擺放在檢測工裝上，由軸承提升氣缸伸長；當軸承鉚合部位到達渦流探頭下方0.1 mm 處時，電機旋轉帶動軸承旋轉，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，經過處理后的信號在顯示屏上顯示出來；當有裂紋產品出現，在次品傳送至次品剔除機構傳感器感應部位時，次品剔除機構的氣缸伸長，把帶有裂紋的軸承推入次品收集區；當沒有次品出現時，會直接由傳送帶送至下一個工位。

當開始檢測時，氣缸2 伸長使機械爪伸入輪轂軸承的下方，然后氣缸3 收縮使機械爪抓起軸承；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行物料確認，若無料則會返回繼續上料，若有料，則氣缸4 伸長使軸承升起，然后電機帶動軸承旋轉，之后判斷掃描是否結束。若掃描結束則電機停轉，氣缸4 收縮，使軸承下降至原來位置，若掃描沒有結束，則繼續掃描。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 關鍵組件部分設計

2.1 軸承渦流裂紋檢測機上下料裝置

為了實現輪轂軸承整個裝配線的自動化裝配，必須為軸承渦流裂紋檢測機設計自動上下料機構。為了簡化上料和下料的動作、減少動力裝置的使用以及節約整個機器的生產成本，輪轂軸承渦流裂紋檢測機的上下料機構設計成一次動作同時完成上料和下料工序。該上下料裝置主要由機架、導軌、滑臺、機械爪、氣缸等機構組成[4]，如圖3 所示。

圖3 汽車輪轂軸承裂紋檢測機上下料裝置示意圖

該上下料裝置的工作過程為：當軸承通過傳送帶傳送至機械爪第1 個爪的位置時，傳感器感應使氣缸2伸長托住軸承的法蘭，然后氣缸3 收縮，帶動機械爪把軸承托起；當機械爪托起高度達到傳感器的位置時，氣缸3 停止收縮，氣缸1 收縮，帶動整個滑臺1 移動1 個工位，使機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，使整個裝置恢復至初始位置。當機械爪的3 個爪對應的位置都有軸承時，第1 個機械爪位置的軸承被移至待檢測工位，第2 個機械爪位置的軸承被移至檢測部位，第3 個機械爪位置的軸承被移至下料傳送帶，同時完成上下料的工作。

由于氣缸1 推動整個裝置運動，負載最大，因此氣缸直徑的計算以氣缸1 為準。氣缸1 行程為270 mm，最大負重45 kg，氣缸的工作壓力P=0.7 MPa，取導軌摩擦因數μ=0.25，氣缸平均速度v=200 mm/s，故取負載率β=0.5。由氣缸輸出負載力公式F=μmg，可以計算氣缸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系，推導出氣缸1 的直徑（D/mm）為：

經計算得出，D=21.6 mm。

根據氣缸直徑標準選擇氣缸1 直徑為25 mm。根據氣缸1 所需輸出力的大小以及氣缸運動行程，選擇某公司的MA25*300SCA 型號氣缸。氣缸1 模型及實物，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氣缸1 模型及實物圖

2.2 軸承旋轉提升裝置

圖5 示出軸承旋轉提升裝置。由于軸承裂紋可能出現在鉚合翻邊的整個圓周范圍內，渦流探頭必須對整個圓周范圍進行掃描檢測，該檢測機構設計為探頭固定，被檢測軸承旋轉。被檢測軸承是由伺服電機帶動旋轉，整個旋轉滑臺是由氣缸提升或者下降。電機和氣缸的運動是由PLC 控制。軸承旋轉提升機構的工作過程為：當被測工件被放置到旋轉電機上的工裝上時，氣缸會通過導軌帶動整個旋轉平臺上升至貼近渦流傳感器探頭的位置，然后電機帶動軸承旋轉，渦流傳感器探頭對軸承鉚合翻邊部位進行掃描并采集信號，當信號采集結束后，氣缸下降到初始位置，上下料機械爪會把已檢測完成的軸承放到傳送帶上傳至下個工位。

圖5 汽車輪轂軸承裂紋檢測機軸承旋轉提升裝置示意圖

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

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，因為探頭安裝位置不是固定不動的，而是會跟隨軸承型號的變化進行調整，故軸承安裝支架選用兩關節萬向支架。兩關節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。實際采用2 個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架頂部。

圖6 汽車輪轂軸承裂紋檢測機渦流探頭安裝裝置實物圖

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的位置配合合適的掃描運動，使渦流探頭全面覆蓋[6]。

在輪轂軸承裂紋檢測中，首先要設計合適的渦流傳感器探頭以保證傳感器對旋壓面的全覆蓋。采用的方法是根據冷鉚過程的應力分析找出裂紋出現概率的最大區域，讓渦流探頭全面覆蓋旋壓面裂紋出現概率最大的區域，配合回轉掃描運動，可實現對整個旋壓面裂紋出現區域的全覆蓋檢測。根據裂紋出現區域的范圍大小，計算出所需渦流探頭個數。設裂紋區域出現的總長度為L（L≈12 mm），單個渦流傳感器探頭的直徑為D（D=8 mm），所需探頭個數為n，渦流探頭對裂紋出現概率較大區域的覆蓋率為130%，利用公式nD=1.3 L，計算得出n=1.95，取n=2 個[7]。其探頭位置，如圖7 所示。

圖7 汽車輪轂軸承裂紋檢測機渦流探頭位置示意圖

2.4 次品剔除裝置

為了實現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，若發現有裂紋次品工件，次品剔除裝置會在裂紋軸承被機械爪放到傳送帶上時，由帶氣缸的推桿把含有裂紋的軸承推入次品通道，并且上位機會記錄裂紋軸承的個數，當被推入次品通道的數量超過3 個時，裂紋檢測機就會報警，提醒輔助工人檢查是否含有大量不合格物料。排除報警信息后，可以把記錄清零。次品剔除裝置結構，如圖8 所示。

圖8 汽車輪轂軸承裂紋檢測機次品剔除裝置結構示意圖

3 整體機械總裝設計

根據整體設計方案，首先對輪轂軸承渦流裂紋檢測機的機械系統進行設計，其整體結構，如圖9 所示。

圖9 汽車輪轂軸承渦流裂紋檢測機整體機械總裝圖

4 控制系統設計

為了實現機械部分的自動化工作，必須對機械部分進行電氣控制系統設計，以實現機械各構件之間的完美配合。輪轂軸承渦流裂紋檢測機主要對電機和傳動氣缸進行控制。 該控制系統采用歐姆龍CP1W-40EDT 型PLC[8]，主要控制電機旋轉以及氣缸伸縮；采用Samkoon SA-7A 型觸摸屏與PLC 進行通信控制[9]，實現人機交互功能。為了對突發情況進行控制操作，設計的輪轂軸承裂紋檢測機控制面板主要包括：啟動、停止、手動/自動、異常復位、緊急復位等控制按鈕，同時還提供了報警提示燈。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控制部分提供電源電壓。

輪轂軸承渦流裂紋檢測機的機械爪控制電路，如圖10 所示。

圖10 汽車輪轂軸承裂紋檢測機機械爪控制電路顯示界面

該機械爪的控制主要通過PLC 實現，由繼電器KA1～KA8 來控制機械爪的前進、后退、上升、下降、左移、右移以及電機的旋轉。各個繼電器的開關動作是由每個氣缸上的位置傳感器感應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NG 滿料、NG 復位、NG到位、料手前進、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、出料口滿的傳感器狀態。其電路連接，如圖11 所示。

圖11 汽車輪轂軸承裂紋檢測機傳感器電氣連接顯示界面

5 結論

文章以汽車輪轂軸承裂紋檢測機為研究對象，通過對冷鉚翻邊加工過程后出現的軸承裂紋位置的分析確定渦流探頭的安裝位置。根據裂紋檢測工藝路線的設計，對輪轂軸承裂紋檢測機進行了整體設計，配合PLC 控制和渦流檢測系統實現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的上下料機構設計成1 次動作同時完成上料和下料；渦流探頭選擇雙探頭掃描，實現最大限度覆蓋裂紋出現的區域；通過PLC 控制，實現了次品剔除裝置自動剔除帶有裂紋的軸承并且實現了次品滿料報警提示功能。