氣密性檢測技術在工裝中的應用

摘要： 為滿足殼體件自動化大批量生產中的檢測需求，設計了一種裝夾到位氣密性檢測工裝。該工裝結構簡潔，維護成本低，廣泛適用于多種殼體件。通過實驗法調整夾持鐵屑高度，統計氣密性檢測結果，選取最優參數并驗證30 余天，確保滿足生產要求。批量檢測結果顯示合格，滿足自動化生產需求。此工裝設計原理對解決未來工業自動化線中放置到位檢測及自動檢測反饋問題具有參考價值，提升了生產效率與質量。

關鍵詞：殼體件；自動化生產；氣密檢測

中圖分類號：U466 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.03.009

0 引言

近年來，隨著“中國制造2025”制造強國戰略的深入實施，制造業作為國民經濟的主體，其重要性不言而喻，被譽為“立國之本、興國之器、強國之基”。制造業正肩負著國家強盛與民族復興的艱巨使命。在這一過程中，傳統制造業對“人口紅利”的依賴逐漸減弱，并向對“高技術人才、高科技設備”的依賴轉變，實現了從量變到質變的飛躍。AI 人工智能、智能制造、自動化控制等技術逐漸成為制造業轉變的大勢所向，與此相關的自動識別、PLC 控制、自動加工、在線測量、無線測量等新興技術得到了前所未有的發展［1］。

我單位積極響應這一趨勢，引入了某型號機器人，實現了從自動上料到下料入庫的制造全過程自動化。該自動線專為加工特定類型的殼體類零件而設計，其加工流程包括上料、機械加工、打標記、自動清洗、下料及入庫等環節。在這一過程中，機器人不僅負責產品的抓取、搬運，還實現了與加工機床之間的信息交互。但在機器人將工件放入夾具的環節中，我們面臨著一個關鍵的技術難題：即如何準確檢測工件放置位置的正確性。

原加工工藝方案依賴于人工操作，包括使用氣吹槍清理裝夾定位面，再由人工100% 目視確認工裝定位面上無鐵屑后，手動將工件裝夾到工裝上，并調用相應的加工程序進行加工。隨著自動線的引入，這種依賴人工目視確認的方式已無法滿足生產需求，需要實現自動化檢測與確認，以確保工件與工裝定位面的貼合狀態，并實現信息反饋交互功能。如何設計并實現這一自動檢測與反饋系統，成為我們當前亟待解決的關鍵問題。

1 解決方案

1.1 設計氣密檢測工裝

為解決機器人機械手將工件放入夾具時工件放置位置正確性的檢測難題，我們設計了一套氣密檢測工裝。該工裝通過集成氣體壓力傳感器（ 如圖1 所示） 來實現對工件與夾具之間密封性的實時監測。氣體壓力傳感器能夠捕捉氣密檢測過程中氣體壓力的變化，這一變化程度即靈敏度［2］，是評估密封性的關鍵指標。靈敏度值越高則變化越劇烈，密封性越差［3］。通過氣體壓力傳感器采集的靈敏度值與氣體壓力傳感器設置的靈敏度值進行比較，若采集靈敏度值高于設定值，機床報警。若采集靈敏度值低于設定值則程序正常運行。

靈敏度是一種衡量系統性能的重要指標，它反映了系統對輸入變化的敏感程度［4］。這一指標能夠直接指示系統對外界變化的響應快慢和程度，是系統設計、控制和優化的重要依據。靈敏度計算是建立在輸入變量和輸出變量之間函數關系基礎上的［5］。簡單來說，靈敏度是指輸入變量發生微小變化時，輸出變量相應變化的程度，具體表現為輸出變化量與輸入變化量的比值。靈敏度計算公式通常表述為：

S=（ △Y / △X ）×（Y /X ）

其中，S——表示靈敏度；

△Y——表示輸出變量的變化量；

△X ——表示輸入變量的變化量；

Y——表示輸出變量；

X ——表示輸入變量；

通過PLC 進行電信號的轉換，我們能夠準確地發出氣密檢測的識別信號。具體如下：

氣密檢測通過時PLC 信號為：“1003=1”；

氣密檢測不通過PLC 信號為：“1003 =0 ”。

1.2 PLC 設計

通過設備系統PLC 設計，將接收到的氣密性檢測信號分為2 種（ 如圖2）：接收到氣密檢測信號為#1003=1 時，機床“氣密檢測通過”上電，程序繼續運行；#1003=0 時，機床“氣密檢測不通過”上電，機床報警。加工人在操作面板上復位機床程序，確認工裝定位面與工件定位面之間是否有鐵屑或雜物，若存在鐵屑和雜物，清理后重新運行程。

邏輯過程：#1003 信號為單一信號，每次被識別時其值唯一確定，即#1003=1 或#1003=0。當系統判定#1003=1 時，表示氣密檢測通過，此時機床將繼續進行加工操作。相反，如果系統判定#1003=0，則表示氣密檢測未通過，機床將立即停止加工，并觸發報警機制。通過這樣的邏輯控制，實現了對差速器殼體進行自動批量加工的功能，有效解決了自動化連續加工過程中可能遇到的氣密性檢測問題。

1.3 邏輯編程

將機床信號判斷寫入M 代碼中，通過程序運行對M 代碼中的信號進行判斷。若判斷通過時，則繼續加工；如若判斷未通過，則停止機械加工，機床報警。

1.4 工裝設計

加工工裝采用了氣密檢測的方式來驗證殼體與工裝結構之間的貼合性，這是為了確保在氣密檢測過程中，在達到0.2MPa 的壓力條件下，殼體與工裝之間能夠緊密無隙，從而避免漏氣現象，保證檢測數據［6］的準確性和可靠性。針對自動化立式加工中心自動化生產流程中的核心工裝，我們采用了如圖3所示的結構設計。

支撐塊與底座間的密封采用了標準的O 形圈來實現，這種密封方式通過底座上專門設計的槽來固定O 形圈［7］，確保了密封的穩固性。從設計原理上來看，這種方案是可行的，并且在實際使用中表現理想。在使用過程中，O 形圈彈性變形良好，密封效果穩定。經過幾百件以上的氣密檢測使用后，有效地提升了生產節拍，設計工作相當成功。圖4 直觀地展示了這一設計方案的實施情況。

2 試驗過程

2.1 驗證過程

本次試驗采用控制變量法，對工裝的氣密性進行了嚴格的檢測。試驗過程中，使用塞尺模擬鐵屑，并將其放置于工件與該氣密性檢測裝夾到位工裝的定位面之間，輸入0.2 MPa 的工業氣體，以檢測工裝在承受此壓力下的密封性能。為了準確評估工裝的密封效果，我們對氣體壓力傳感器的靈敏度值進行了詳細統計，結果如表1 所示。

2.2 驗證結論

該工裝用控制變量法對該氣密性檢測裝夾到位工裝進行了氣密性試驗檢測。試驗過程中，使用了厚度為0.1 mm 的塞尺來模擬實際加工中可能產生的0.1 mm 厚鐵屑，以此進行氣密性檢測試驗。驗證結果顯示，氣體壓力傳感器的靈敏度數值穩定地保持在52～ 56 范圍內。根據現實工作需求，我們要求定位面與氣密性檢測裝夾到位工裝之間的間隙≤ 0.1 mm。為了確保這一要求的實現，我們將靈敏度設定為50，確保在放置過程中定位面與氣密性檢測裝夾到位工裝間隙≤ 0.1 mm。

3 效果

該成果成功突破了自動線上自動確認加工的瓶頸，實現了對不同產品的自動化檢測與加工，為“自動識別工件裝夾是否到位”的問題提供了一種創新且有效的解決思路。成果的應用極大地減輕了操作者的勞動強度，將他們從煩瑣的目視識別裝夾工作中解放出來，推動了該殼體生產線的全面自動化。自成果應用以來，由于識別錯誤導致的撞機事故及因此造成的加工廢品發生率已降至“0”，顯著提升了生產效率和產品質量。

4 結束語

該工裝成功解決了殼體件在大批量自動化生產中的檢測到位需求，其設計結構簡潔，使用與維護成本低廉，能夠覆蓋本類產品的所有殼體件加工需求。在調試過程中，采用了控制變量法，對實驗的輸入條件進行了遞增變更，并對輸出結果進行了細致的統計與分析，最終根據統計結果選取了最優參數應用于實際生產中。這一工裝充分滿足了殼體件在自動化生產中的使用需求。該工裝的使用原理對于未來工業自動化生產線中遇到的自動化生產放置到位檢測需求及自動檢測反饋問題具有重要的參考價值。經過實際生產中的批量加工驗證，該成果已被證明是自動化領域中確認工件裝夾到位的一個優秀參考案例，可持續應用于各類機械行業的自動化加工過程中，為工件裝夾到位的自動識別提供有力支持。

參考文獻

［1］彭光正，紀春華，葛楠．氣密性檢測技術現狀及發展趨勢[J] .機床與液壓，2008（11）：172-174.

［2］周錫文．汽車零部件氣密性檢測技術國內發展現狀綜述[J] .內燃機與配件，2021（06） ：116-117.

［3］胡喜鳳，劉沛明．理想氣體狀態方程在工業測量中的應用[J] .中國高新技術企業，2014（19） ：46-48.

［4］胡雪楊，史旭光，趙立博，等．利用理想氣體狀態方程測量大氣壓強[J].物理教學，2018，40（03） ：37-38.

［5］王哲，陳莉津，肖愛玲，等．塑料密度的測定—理想氣體狀態方程法[J].塑料工業，2006（S1） ：247-248+255.

［6］姜國微，王利敏，陳蒙南．基于理想氣體狀態方程的氣動執行機構氣密性檢測方法[J] .閥門，2023（05）：564-566.

［7］張全厚，宋林紅，張文良，等．閥用波紋管耐壓及氣密性試驗檢測工裝設計[J] .閥門，2023（05）：630-632+639.