熱力膨脹閥感溫包剛度測試系統(tǒng)設(shè)計

章 樸,蔣 慶,徐三輝,劉 鵬

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，杭州 310018)

熱力膨脹閥感溫包剛度測試系統(tǒng)設(shè)計

章 樸,蔣 慶,徐三輝,劉 鵬

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，杭州 310018)

針對工業(yè)中熱力膨脹閥感溫包剛度測試自動化程度低，檢測效率低，結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點，設(shè)計了一套以PLC為核心控制器的新型熱力膨脹閥感溫包剛度測試系統(tǒng)；提出了測試系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)闡述了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計；實驗結(jié)果表明：各項參數(shù)均達到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和工位間一致性。

熱力膨脹閥；剛度測試；準(zhǔn)確性

0 引言

目前汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中的節(jié)流裝置主要是熱力膨脹閥，其根據(jù)蒸發(fā)器出口處的制冷劑溫度變化自動調(diào)節(jié)閥口的開度，從而調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器的制冷劑流量[1]。熱力膨脹閥感溫包內(nèi)制冷劑充注量的準(zhǔn)確性直接影響了整個汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)。為了滿足企業(yè)“零次品”要求，對于每一個充注完成的感溫包，都要進行剛度檢測，測試其壓力梯度，以確保其制冷劑充注量的準(zhǔn)確性。

目前，企業(yè)中主要采用微機控制彈簧支吊架試驗機來測試感溫包的剛度。這種測試方法依靠人工裝夾，而且測試周期較長，只適用于產(chǎn)品抽樣檢測，無法滿足現(xiàn)在企業(yè)自動化、大批量、高精度的檢測要求[2]。因此，設(shè)計與開發(fā)一臺自動化程度高、測試周期短的熱力膨脹閥感溫包剛度測試系統(tǒng)，對于企業(yè)提高生產(chǎn)效率具有重大意義。

1 工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

結(jié)構(gòu)剛度計算公式如下：

(1)

式中,k是一個結(jié)構(gòu)的剛度，P是作用于結(jié)構(gòu)的恒力，δ是由于力而產(chǎn)生的形變。

由式(1)可知，確定一個結(jié)構(gòu)的剛度，有兩種方式。第一種是施加一定恒力，測出其形變。第二種是使之產(chǎn)生恒定形變，測出其力。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是該測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)主要包括控制單元、抓取單元、檢測單元和溫控單元。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制單元：實現(xiàn)抓取單元、檢測單元、溫控單元等的控制, 完成各種人機交互、MES信息交互等 。

抓取單元：自動對物料盤中的產(chǎn)品進行上、下料，以及次品的自動分揀。

檢測單元：完成對測試工位上的產(chǎn)品的剛度檢測。共有4個測試工位，可同時測試兩個工位，另外兩個工位為待測工位。

溫控單元：實現(xiàn)整個測試系統(tǒng)空間中恒溫控制。

該測試系統(tǒng)主要工作流程如下：采用全自動化上下料測試模式。工人放置裝有感溫包的物料盤，抓取單元自動夾取物料盤中的感溫包到檢測單元的測試工位進行剛度測試，同時，抓取單元將夾取下一組產(chǎn)品到待測工位。測試工位上的感溫包測試完畢，待測工位上的產(chǎn)品將馬上進行測試，抓取單元將測試完畢的產(chǎn)品下料，并上料下一組產(chǎn)品到待測工位，依次循環(huán)。物料盤中所有產(chǎn)品測試結(jié)束后，工人取走物料盤。

1.3 技術(shù)要求

熱力膨脹閥感溫包剛度測試系統(tǒng)主要技術(shù)要求如下：

1)剛度測試力的范圍0～350N，測試力精度要求1%。

2)軸向壓縮位移控制范圍0～0.8mm，位移精度±0.015mm。

3)剛度檢測周期要求平均10s/個。

4)測試環(huán)境溫度要求30 ℃，溫度控制精度±1 ℃。

5)保證次品的自動分揀。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制單元

控制單元主要包括可編程邏輯控制器、人機交互、條碼掃描三部分。

系統(tǒng)采用歐姆龍CP1H系列PLC，自帶RS232通訊接口和AD采集模塊。RS232串口與人機交互單元進行通訊，實現(xiàn)工況實時監(jiān)控。CP1H自帶4路AD采集通道，其分辨率達到了1/6000[3]，用來采集兩路力傳感器(4～20mA)的模擬輸入信號。

該測試系統(tǒng)選用MCGS作為人機交互，它自帶RS485通訊接口，實現(xiàn)與條碼槍數(shù)據(jù)傳輸。MCGS主要功能包括：實時顯示現(xiàn)場工況，測試系統(tǒng)手動操作調(diào)試，設(shè)置測試參數(shù)，數(shù)據(jù)報表儲存和導(dǎo)出等。

2.2 抓取單元

抓取單元主要由伺服系統(tǒng)、滾珠絲杠滑臺、抓取模塊組成。

物料盤X軸，Y軸方向規(guī)格為445 mm*310 mm，Z軸方向與抓取單元距離63 mm。抓取單元需要X，Y，Z三向驅(qū)動控制實現(xiàn)產(chǎn)品抓取。

X軸，Y軸采用步進電機絲杠滑臺。選用松下伺服電機和伺服電機驅(qū)動器。伺服電機配合滾珠絲杠，絲杠導(dǎo)程為10 mm。X軸行程640 mm，Y軸行程450 mm，定位精度可達±0.02 mm，重復(fù)定位精度可達±0.01 mm。伺服電機最高轉(zhuǎn)速能達到5 000 r/min，抓取單元最高移動速度可達0.8 m/s，從上料到下料只需要1.5 s。

Z軸采用抓取模塊，由抓取氣缸、壓力開關(guān)、真空發(fā)生器和真空吸盤組成。抓取氣缸行程為80 mm。上料時，抓取氣缸下壓，真空發(fā)生器電磁線圈閉合，配合真空吸盤，吸取產(chǎn)品。下料時，抓取氣缸下壓，真空發(fā)生器電磁線圈斷開，產(chǎn)品掉落。壓力開關(guān)用于判斷真空吸盤是否吸住產(chǎn)品。

2.3 檢測單元

檢測單元是本測試系統(tǒng)的核心，剛度測試的準(zhǔn)確性直接決定了該測試系統(tǒng)的工作性能。如圖2所示，檢測單元由伺服系統(tǒng)、滾珠絲杠滑臺、力傳感器、力傳感器變送器組成。

圖2 剛度檢測

根據(jù)設(shè)計要求，剛度測試是以力傳感器剛接觸到感溫包傳動片作為起始點，檢測0.4 mm和0.8 mm兩個軸向壓縮位移量下的反作用力F1和F2。為了保證軸向壓縮位移精度，伺服電機采用17位型增量式編碼器，配合滾珠絲杠，絲杠導(dǎo)程為2 mm。力傳感器載臺軸向行程為20 mm，定位精度可達±0.01 mm，重復(fù)定位精度為±0.008 mm。

在0.8 mm軸向壓縮位移量下，感溫包傳動片產(chǎn)生的最大反作用力為350 N。由于尋找力傳感器和感溫包傳動片接觸起始點是一個動態(tài)過程，為了保證測試精度，拉壓雙向動態(tài)力傳感器作為力的信號采集，其精度為0.25%F.S.，量程為50 kg。該力傳感器輸出的電流信號不是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號，因此外接力傳感器變送器，轉(zhuǎn)化成4～20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號，便于PLC采集。

2.4 溫控單元

溫控單元主要由恒溫控制器、加熱組件、溫度傳感器、散熱風(fēng)機和溫度保護器組成。

恒溫控制器選用歐姆龍溫控器，控制加熱組件進行溫度加熱。散熱風(fēng)機實現(xiàn)整個測試空間的空氣循環(huán)，保證空間溫度均勻。為了確保溫度控制的準(zhǔn)確性，安裝多個溫度傳感器，實時監(jiān)測各個空間點的溫度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3為剛度測試系統(tǒng)自動運行主流程圖。

圖3 自動運行主流程圖

圖4為剛度測試部分的流程圖。大致可分為以下4個部分。

1)裝夾：抓取單元上料完成后，氣動元件動作，夾緊產(chǎn)品。

2)尋找起始點：根據(jù)工藝要求，以力傳感器剛剛接觸感溫包傳動片作為起始點。為了程序判斷，我們規(guī)定力傳感器示數(shù)達到F0=10 N時，作為起始點。力傳感器載臺軸向前進直至傳感器示數(shù)達到設(shè)定起始點F0后停止，記錄當(dāng)前位置為起始點。

3)剛度測試：在起始點位置，載臺高速軸向前進位移δ1，記錄力傳感器值F1；載臺高速軸向前進位移δ2，記錄力傳感器值F2。

4)卸工件：測試結(jié)束，載臺返回原點，氣動元件動作，到達待測工位，等待程序測試指令進行下一次測試。抓取單元下料測試工位的產(chǎn)品。

圖4 剛度檢測流程圖

4 測試結(jié)果分析

為了滿足熱力膨脹閥生產(chǎn)過程質(zhì)量的控制要求，剛度測試系統(tǒng)必須在保證生產(chǎn)效率的前提下具有良好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和工位間的一致性。我們選取一個標(biāo)準(zhǔn)感溫包，在30℃恒溫條件下，其在0.4 mm壓縮位移下，反作用力F1=199.3 N，在0.8 mm壓縮位移下，反作用力F2=299.6 N。

為了驗證其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，我們將標(biāo)準(zhǔn)感溫包在工位1上，在3天內(nèi)，不同時段中，總共做50次，獲得兩組測試數(shù)據(jù)，如圖5和圖6所示。圖5為壓縮位移δ1=0.4 mm下，50次重復(fù)性測試出的反作用力F1。圖6為壓縮位移δ2=0.8 mm下，50次重復(fù)性測試出的反作用力F2。

由圖5可以看出，在壓縮位移δ1=0.4 mm 下，相對于標(biāo)準(zhǔn)值，最大偏差為1.5 N，最大相對誤差為0.7%。

圖5 測試力F1

由圖6可以看出，在壓縮位移δ2=0.8 mm下，最大偏離為1.73 N，最大相對誤差為0.58%。

圖6 測試力F2

為了驗證工位間一致性，之后我們再將此標(biāo)準(zhǔn)感溫包分別放在4個工位上，在3天內(nèi)，不同時段中，重復(fù)性測試，結(jié)果如表1所示。由于4個工位是設(shè)備的整體，其調(diào)節(jié)工況和功能都一樣，因此將4個工位的數(shù)據(jù)當(dāng)做整個系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)對該系統(tǒng)進行性能評定[4]。已知以下幾個參數(shù)的計算公式：

(2)

(3)

在壓縮位移δ1=0.4 mm下，F(xiàn)1最大值與最小值偏差為1.2 N，其標(biāo)準(zhǔn)偏差S=0.292 5，則求得Cmk為1.97>1.67。在壓縮位移δ2=0.8 mm下，F(xiàn)2最大值與最小值偏差為1.8 N，其標(biāo)準(zhǔn)偏差S=0.471 9，Cmk為2.11>1.67。從而證明該系統(tǒng)能力較好，可靠性強。

表1 4個工位檢測與分析結(jié)果 N

通過生成現(xiàn)場統(tǒng)計，在一天8個工時內(nèi)，總共檢測了3 764個感溫包，平均檢測周期為7.7 s/個。次品有98個，自動被分揀到廢料盒中。

5 結(jié)束語

通過上述數(shù)據(jù)處理與分析，系統(tǒng)生產(chǎn)節(jié)拍和測試精度符合設(shè)計要求，同時擁有良好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和各個工位間一致性。該系統(tǒng)已投入某企業(yè)運行生產(chǎn)6個月，有效提高了生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制和生產(chǎn)效率。

[1] 徐 博，江挺候，陳江平，等. 熱力膨脹閥感溫元件特性試驗研究[J]. 制冷學(xué)報，2011,32(2): 217-222.

[2] 郭傳欣，李征濤，葉學(xué)敏，等. H型汽車空調(diào)用熱力膨脹閥開度試驗臺的研制[J]. 制冷與空調(diào)，2009,9(1):50-52.

[3] 余海慶，張 炎，蔣 慶，等. 一種新型膨脹閥自動擰緊系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 自動化與儀表，2012,27(12):34-37.

[4] 謝 斌，蔣 慶. 湯建斌，等. 基于二分尋值法的熱力膨脹閥自動調(diào)定系統(tǒng)的研制[J]. 制造業(yè)自動化，2015,8(37):25-28.

[5] 黃建新，劉建群. 觸摸屏與PLC組成的伺服電機控制系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2005(2):44-46.

[6] 張 璽，蔣 慶，邵建文，等. 電子膨脹閥流量特性測試臺的設(shè)計與開發(fā)[A].傳感器與微系統(tǒng)，2012,6(1):116-118.

[7] 丁 浩，谷小紅，來雨菲，等. 汽車空調(diào)用熱力膨脹閥性能測試系統(tǒng)的研制[J]. 機電工程，2015,6(6):817-820.

Design of Thermo-bulb of Thermal Expansion Valve Stiffness Test System

Zhang Pu，Jiang Qing，Xu Sanhui，Liu Peng

(College of Metrology &Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018，China)

A new thermo-bulb of thermal expansion valve stiffness test system based on PLC is put forward to solve the problems of low degree of automation, low measure efficiency and poor result accuracy. This paper describes the design target and system structure, then expounds the hardware structure and software design method. The test results show that indexes meet the technical requirements of the system parameters, and has good accuracy, stability and consistency.

thermal expansion valve; stiffness test; accuracy

2016-04-07；

2016-06-21。

章 樸(1992-)，男，浙江溫州人，碩士研究生，主要從事檢測自動化方向的研究。

蔣 慶(1970-)，男，教授，主要從事生產(chǎn)過程的自動測控技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)02-0023-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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