发动机气缸头垫片厚度自动检测机的设计

罗胜蓝（江南大学　机械工程学院，江苏　无锡　214122）

发动机气缸头垫片厚度自动检测机的设计

罗胜蓝
（江南大学机械工程学院，江苏无锡214122）

研究拟设计一种发动机气缸头垫片厚度自动检测机，用于发动机气缸头垫片厚度自动快速检测，以及检测后合格品和正、负超差品的物料分选。在总体设计的基础上，针对单片机控制系统、传感器检测元件、物料分选装置以及触摸屏操作元件进行了设计选用，克服了市场上一般厚度检测机的一些弊端，具有精度高，分检速度快，可靠性好等特点。

汽缸头垫片；厚度检测；传感器；触摸屏；物料分选

0　引言

汽车发动机作为汽车的动力机构，它的工作效率决定了汽车的动力性能，而其气缸头垫片的厚度在发动机设计时确定，保证气缸头垫片厚度的准确性，保障了发动机气缸的压缩比和发动机的正常工作效率，对发动机性能具有关键影响。因此对厂家生产的气缸头垫片厚度合格与否的检测十分重要，虽然市场上也有一般垫片厚度检测分选机，但汽缸头垫片的厚度检测精度较高，且要避免检测给垫片造成划伤，普通方法的垫片厚度检测并不能达到它的精度要求，不能有效地分选，而且可能对垫片造成损失，可靠性低。通过设计一种汽车发动机汽缸头垫片专用的高精度厚度检测装置，能够有效的解决这些问题。

1　设计指标和总体方案

垫片厚度的检测要求精度较高，且能有效地分组，具有良好的可靠性。为保证高效，准确地进行检测，要求在理料、送料、检测、分料的机械结构上进行改良设计，以确保其具有较好适应性。同时，检测时需要保证垫片处于水平位置，否则会出现严重错误，并且影响到系统的正常工作。机械结构上对分料也有相当高的要求，需要做到每个垫片的检测不相互影响，保证系统程序的编写适应分料的要求，要求时间和信号处理准确无误，并根据应用场合和操作性提出更进一步的功能，有手动/自动检测、单步/连续检测、有卡料和故障报警等功能。其设计指标如表1所示。

根据设计指标对各部分元件进行设计选用。转盘的转速及转矩较低，传动元件采用90BF001型三相反应式步进电机直接带动转盘，运动平稳，能保证检测平面的水平。物料分选装置只需顶起质量很轻的托盘，小功率的气缸即可实现，从质量和经济角度选择SMC自由安装型气缸，气缸分选能防止垫片两面划伤，同时设有滑道避免垫片运送时的损伤。鉴于到达位置时发生信号为电信号，采用电磁控制。同时，系统分料要求精度并不高，而检测精度要求较高，可通过提高检测元件和机床本身精度来实现，故系统的控制无需复杂，采用开环系统和单片机控制。检测元件，使用HZ891型电涡流位移传感器检测厚度以满足高精度要求。操作元件，选用SIMATIC 177系列面板作为通用面板触摸屏来进行设备操作，SIMATIC 177面板灵活性高，操作及设置简易，同时具有报警功能，能保证操作安全并监控整个操作流程，使设备在最佳状况下运行。

表1　设计指标Tab.1 Design index

图1　系统流程图Fig.1 System frame

2　分选装置的设计及动作

分选装置实现理料、送料、检测和分料的功能，机械结构部分的设计直接会影响到整个系统的精度，稳定性和可靠性。本装置集上料、检测、分组、下料为一体，共12个工位环形分布，每个工位30°，分为一个上料工位，一个检测工位和十个分组下料工位。采用带传动的方式驱动振动理料机，即纯机械的方式进行理料，这是现在使用较为普遍的方法，具有动作快，操作方便的优点，只要把垫片放一起就能将其分离。上料部分放在机器的左上侧，转盘在转动的过程中，其上的拨齿将叠起的垫片分离并传送到检测位置，保证两个垫片之间的距离能够使垫片在检测位置顺利挨个检测。这种理料直接将垫片送到检测位置，省去了专门的送料装置，用分料装置上的拨齿直接完成，降低了设计和制作成本，提高了检测效率。分料和检测时，步进电机带动转盘转动，同时送料装置约1秒送进一个垫片，保证检测速度将进入的垫片，检测工位将垫片按格分开检测，并记住分组的位置，预先位置的记录可由单片机内部查表单元功能实现。垫片到达所在分组的位置时，控制器发出信号使气缸动作，垫片顺着滑梯滑下，达到分检的效果。从信号发送到气缸动作需在1s内完成，从而保证转盘连续转动和垫片在底盘面上的正常运动。气缸动作完后，垫片由于重力的作用会从滑梯滑下，于是完成了检测和分料的过程。

需要注意的是，上料装置气缸杆伸出后会顶起托盘，使分料板转动。垫片因为重力的作用向下滑动至滑梯，气缸就会马上缩回并复位，其他组垫片也在分料盘上水平滑动，故需要保证分料板和底盘平行，垫片才能连续地被分选。

图2　分选装置三维示意图Fig.2 Graphic model of sorting mechanism

3　传感器检测元件的选用和操作元件的功能设置

电涡流位移传感器是精密微小位移量和距离检测中常用的检测元件，电涡流检测技术是采用正弦频率激励线圈，检测方法选用高频反射式涡流检测法，检测量为幅值，这种方法测量不会受到传动时上下抖动的影响，能够设备运行状态下的测量精度。出于设计指标以及经济性考虑，HZ891型电涡流位移传感器的灵敏度、分辨率、动态特性以及工作稳定性均能满足要求。

选用SIMATIC 177系列面板进行设备操作，除开其高灵活性和易操作性的优点，此外，它不同于微型面板，功能过于简单，难以满足设计需求，且相对于纯按键面板更加直观，是同时具有触摸屏与键盘的通用面板，使用之前需要对其面板进行功能设置，按键设计参考基本功能需要，在主面板上设置自动、手动、停止、急停、复位5个按键。按下手动按键时，跳转至手动模式分面板，设置理料、步进电机、检测、急停、停止、返回以及各个下料气缸电磁阀按钮，控制方式为点动。同时面板上有红、绿LED指示灯，可以结合蜂鸣器，通过软件进行设置实现报警功能。

4　电气控制原理

控制单片机选用MCS-51系列的8051单片机，通过光电耦合器驱动电机，隔离高、低频电路，防止高频电路对控制电路的干扰，差分运放电路对检测传感器的信号进行处理，转换为单片机所需信号。每个气缸有两个限位传感器，输出动作由电磁阀控制。传动带电机由控制系统调节脉冲来控制。此外根据电涡流传感器的原理，其连线也应当和电气原理图一致。

图3　电气控制流程图Fig.3 Electrical control flow chart

5　结束语

本文通过给定设计指标，在精度，工作效率，可靠性上都较一般垫片厚度检测分选机有所提高，而且避免了分选过程中垫片的损伤。同时单片机控制以及通过触摸屏，成本有所节约，操作亦简便，达到了设计预期要求。

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Design for the Automatic Thickness Detection Machine of Automobiles'Cylinder Head Gaskets

LUO Sheng-Lan
（Jiangnan University，Wuxi Jiangsu 214122，China）

The study intended to design an automatic detection machine for the thickness of automobiles'cylinder head gaskets，which requires fast detection rate and accurate sorting of qualified products and defective products.On the basis of overall design，the selection and design have been made for the SCM control system、sensor detector、sorting mechanism and touch panel.This machine has overcame a few shortcomings of regular thickness detection productions，carries the advantages of high precision，rapid sorting and high reliability.

cylinder head gasket；thickness detection；sensor；touch screen；material sorting

TH-39

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.043

1002-6673（2015）05-116-02

2015-06-17

罗胜蓝（1995-），男，湖南长沙人，本科，研究方向：机电一体化专业。