燃氣噴軌分揀裝置的設計與實現

摘要：采用PLC設計燃氣噴軌的分揀裝置，研究了機械手、氣缸的聯合控制方式，靈活處理了燃氣噴軌分揀控制的工藝流程，在實現系統自動控制的同時，有效提升了不同材質的燃氣噴軌的分揀速度與準確性，并對分揀后的工件進行了數量統計。

關鍵詞：燃氣噴軌;分揀;PLC

0 ?引言

近年來，燃氣發動機的研發與制造在國家政策的大力引導下，取得了長足的提升與發展。燃氣噴軌是燃氣發動機電控噴氣系統的關鍵裝置之一，它的動態性能與設計結構對發動機燃氣氣體的有效混合及燃燒速度的提升有著至關重要的作用。其噴嘴可采用不銹鋼和銅質兩種規格，產品分揀方式仍主要采用手工分揀。而從工時分析上看采用人工分揀的生產效率很低、人工成本較高，而且人為的失誤也是不可避免的。對產品的自動分揀可以有效的改進企業生產過程中存在的這類問題，為企業降低成本、提高效率和增強企業的綜合競爭力。

燃氣噴軌自動分揀裝置是根據燃氣噴軌生產線的噴軌分揀需求而設計的，主要基于噴嘴的材質不同而對燃氣噴軌成品進行智能分揀、計數。該裝置配置于燃氣噴軌噴嘴裝配環節之后，作為燃氣噴軌分類與計數的專用設備。在燃氣噴軌分揀裝置的設計中，基于出現的傳感器信號較多，需協調的機械裝置較復雜，在充分考慮其控制方式與機械結構的前提下，選用PLC作為系統核心，使控制系統在完成工藝要求的同時，可實現其可靠、準確的分揀與計數功能。

1 ?自動分揀裝置原理

燃氣噴軌分揀控制裝置的機械部分主要由步進電機、旋轉編碼器、空氣壓縮機、電磁閥、氣缸、傳送帶和各類傳感器等部件組成。整機配備左、右巷道分別用于分揀銅質和不銹鋼材質的燃氣噴軌，另在傳動帶尾端設置機械手，用于抓取意外混入傳送帶的其它物件。傳感器檢測部分分別由光纖、光電等傳感器檢測是否有噴軌進入，以及噴軌的材質。系統啟動后，傳送帶處于低速運行，1號光電傳感器位于分揀裝置的入料口，用于檢測噴軌是否有進入通道，一旦傳感器檢測到有噴軌進入通道，則將觸發信號傳送至PLC的輸入端口，PLC發送指令，步進電機升至高速運行。1號和2號光纖傳感器分別裝置于第1、2檢測區，作用是用來檢測燃氣噴軌是何材質，如為不銹鋼噴軌，則1號光纖傳感器輸出信號至PLC端口，PLC根據程序驅動1號氣缸推動工件入左巷道，左巷道口設置2號光電傳感器，觸發信號是PLC計數器加1;如為銅質材料，則2號光纖傳感器觸發，由PLC發出指令驅動2號氣缸將工件入推入右巷道，由右巷道口3號光電傳感器觸發信號完成計數;如1號、2號光纖傳感器都無觸發信號，工件行至第3檢測區，則由4號光電傳感器檢測工件并觸發信號，由PLC驅動機械手工作，將工件抓取放入儲料箱。從1號光電傳感器觸發到工件正確分揀完畢，為一個完整周期，當工件被判斷分揀完成后，若入料口沒有新的工件進入，則傳送帶恢復低速運行，如再有工件進入，則重復上述動作過程。燃氣噴軌分揀控制裝置結構示意圖如圖1所示。

2 ?控制系統的設計

燃氣噴軌分揀裝置控制系統由工控機、PLC、變頻器、電機和傳感器等組成。工控機作為上位機，是整條生產線控制和管理的核心，負責與 PLC 實時通信、向數據采集卡發布指令，以及進行人機界面的管理工作。系統的工作流程控制主要由PLC完成，如氣缸的伸出與退回、傳感器的材質識別、變頻器的調速控制、工件數量的計數等。其中，為了提高傳感器接收與輸出信號的可靠性，并有效降低噪聲信號干擾，系統添加了數據采集卡將采集的多段數據利用均值濾波算法取平均值，取代原始信號中的各個原始值，用于控制軟件對原始回波信號的濾波處理。燃氣噴軌分揀裝置控制系統硬件結構圖如圖2所示。

根據對燃氣噴軌分揀流程的分析，PLC的輸入信號包括單周啟動、循環啟動、急停等開關量信號，編碼器信號，入料口、左巷道、右巷道、第3檢測區的光電傳感信號，用于材質識別的2個光纖傳感信號，以及推送氣缸和機械手的各限位信號;輸出信號包括電機驅動信號，氣缸與機械手驅動信號，以及系統運行狀態指示燈和計數數字顯示信號等。

根據對輸入輸出端口的數量統計，兼顧成本節約，選擇FX2n-48MR型PLC作為控制器，該款產品的I/O點數完全能滿足燃氣噴軌分揀工作的所需要求。驅動氣缸選取CDJ2B16-15Z-B型氣缸，該款氣缸工作壓力可達1MPa，并可調緩沖，完全能滿足燃氣噴軌的推送要求。由于燃氣噴軌通過光纖傳感器時具有一定速度，因此配備的檢測光纖傳感器靈敏度要高，課題選用XUDA1NSMM8型光纖傳感器，該款傳感器的采用開路集電極輸出，響應時間在200μs以下，能很好的完成系統的材料識別需求。

3 ?系統軟件設計

根據分揀控制要求可知，當傳送帶上有工件時，傳送帶帶動工件移動至相應檢測區，根據工件材料的不同，1號氣缸、2號氣缸和機械手的分揀動作執行處于選擇狀態。因此，本系統主體采用可選擇的分支與匯合來編譯程序，具體流程圖如圖3所示。

由于程序沒有設置單步執行環節，因此，系統的初始狀態必須要求兩個氣缸與機械手應處于原始位置。如三者有其一不在原始位，可通過操控面板上的手動機械復位按鍵使其復位，系統再進入工作狀態。

4 ?分揀裝置的位置控制

為了提高分揀動作的準確性，系統必須將傳送帶的傳送速度與氣缸、機械手的動作速度匹配，同時對三個檢測區的位置與工件的檢測位置進行準確定位。系統采用的編碼器為FBQ28D-10P1-12V型增量式旋轉編碼器，其工作電源為直流12V，采用推挽HTL單端輸出，分辨率為1024線，即編碼器旋轉一周可輸出1024個脈沖。

通過實測，傳送帶主軸的直徑為39.05mm，由式（1）可得，該旋轉編碼器輸出1個脈沖時所產生的位移

量為：

由此可知，當工件在空間移動的位移量固定時，編碼器輸出的脈沖數可以通過式（1）進行測算。同理，如果在編碼器輸出脈沖數確定的情況下，同樣可以推算出工件空間移動的位移量。

以銅質噴嘴的燃氣導軌檢測為例，傳送帶上右巷道口與2號光纖傳感器裝配的距離L實測值為141mm，此時，編碼器應輸出的脈沖數W值為：

通過對分揀裝置機械本體的實地檢測，1號光纖傳感器與工件左巷道口、2號光纖傳感器與工件右巷道口、4號光電傳感器與儲料箱的實際距離分別為131mm、141mm、149mm，因此，系統最終對旋轉編碼器設定的脈沖參數分別為：1095、1179、1246。

5 ?結語

燃氣噴軌分揀裝置的控制系統采用了PLC控制，并集成變頻器、傳感器等控制技術，整機系統穩定可靠。經試運行，設計的整機系統使分揀與計數的有效率提升34.2%，誤差率0.17%，已能基本達到設計預定的工藝要求。同時，考慮到企業對生產線的實用性要求和日后技術提升，在設計時預留了部分端口，以作系統的可持續拓展。燃氣噴軌分揀裝置的設計成功給企業人力成本減負，同時能為自動化傳送系統的分揀設計提供借鑒。

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課題項目：2019年浙江省教育廳一般科研項目課題“燃氣噴軌噴嘴分揀系統設計”（課題編號：Y201941627）的研究成果。

作者簡介：余鍵（1979-），男，浙江瑞安人，高級實驗師，碩士，研究方向為控制科學與工程。