氣缸氣密性檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為有效提高氣缸氣密性的檢測(cè)精度和檢測(cè)效率，該文在充分考慮設(shè)備便利性、硬件穩(wěn)定性和軟件可靠性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)出一套氣缸氣密性檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件主體設(shè)計(jì)包括工作臺(tái)、檢測(cè)儀和人機(jī)界面模塊，系統(tǒng)軟件主要包括工作臺(tái)和檢測(cè)儀主控PLC 的設(shè)計(jì)和人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該檢測(cè)臺(tái)軟件和硬件運(yùn)行可靠，在保證檢測(cè)精度的同時(shí)取得了較滿(mǎn)意的檢測(cè)效率：可將缸徑φ20-φ100 氣缸檢測(cè)時(shí)間縮短至60s/只以?xún)?nèi)，可滿(mǎn)足使用需求。

　　氣缸，作為最普遍的氣動(dòng)執(zhí)行元件，其氣密性能直接關(guān)系到產(chǎn)品的節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量提升和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全性。氣缸氣密性檢測(cè)水平的高低直接影響到生產(chǎn)效率、操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度以及產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，研發(fā)氣缸氣密性檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的泄漏檢測(cè)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。本文在充分考慮機(jī)械設(shè)計(jì)的便利性、氣缸硬件的高可靠性和軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套氣缸氣密性檢測(cè)系統(tǒng)，在保證檢測(cè)精度的同時(shí)，極大地提高了檢測(cè)效率。

1、檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　檢測(cè)系統(tǒng)的硬件主體分為三部分：工作臺(tái)、檢測(cè)儀和人機(jī)界面模塊，其各模塊的硬件結(jié)構(gòu)和功能如圖1所示。其中工作臺(tái)模塊主要由工作臺(tái)PLC 及其控制的自動(dòng)裝夾模塊、信號(hào)燈、數(shù)字壓力顯示器和繼電器構(gòu)成，可為氣缸檢測(cè)提供包括裝夾、壓力顯示、伸縮狀態(tài)控制等功能。檢測(cè)儀模塊主要由檢測(cè)儀主控PLC 及其所控電磁閥、差壓傳感器、電缸校正器和相應(yīng)的氣動(dòng)元件組成，該模塊為氣缸氣密性檢測(cè)的主體，具體測(cè)量氣缸的高壓和低壓情況下的內(nèi)漏和外漏。人機(jī)界面模塊主要由觸摸屏構(gòu)成，可滿(mǎn)足用戶(hù)的參數(shù)輸入和氣密性檢測(cè)結(jié)果的輸出。工作臺(tái)主控PLC、檢測(cè)儀PLC 和觸摸屏間通過(guò)485 通訊傳輸數(shù)據(jù)和指令，以使用戶(hù)可實(shí)時(shí)更新檢測(cè)參數(shù)，并使得檢測(cè)的結(jié)果或報(bào)警信息直觀顯示在相應(yīng)界面上。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)功能圖

1.1、工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

　　該檢測(cè)臺(tái)可滿(mǎn)足常見(jiàn)的Φ20~Φ100 范圍的標(biāo)準(zhǔn)氣缸的檢測(cè)。圖2 為工作臺(tái)實(shí)物圖。該工作臺(tái)分為上下兩個(gè)工位，可同時(shí)獨(dú)立對(duì)氣缸進(jìn)行氣密性檢測(cè)，因此進(jìn)一步提高了檢測(cè)的效率。圖3 為工作臺(tái)的自動(dòng)裝夾模塊，通過(guò)選擇工作臺(tái)面上的“下壓”、“夾緊”和“釋放”可以分別控制夾緊氣缸的上提、下壓和排氣狀態(tài)。夾緊氣缸安裝于滑軌上，并可以自由改變兩氣缸的距離以適應(yīng)不同待測(cè)氣缸的尺寸。夾緊氣缸端部通過(guò)丁腈橡膠壓頭對(duì)氣缸的進(jìn)氣口和排氣口進(jìn)行密封，同時(shí)其內(nèi)部為空氣的流道，可以保證正常的進(jìn)氣和排氣。

圖2 工作臺(tái)實(shí)物圖　　圖3 自動(dòng)裝夾模塊

1.2、檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

　　檢測(cè)儀為完成氣密性檢測(cè)的核心儀器，其結(jié)構(gòu)和功能決定氣密性檢測(cè)的精度和快速性。氣缸的氣密性檢測(cè)需分別測(cè)量有桿腔和無(wú)桿腔兩腔的泄漏，而每個(gè)容腔需完成低壓內(nèi)漏、低壓外漏、高壓內(nèi)漏、高壓外漏，故共需完成8 項(xiàng)泄漏檢測(cè)。測(cè)試過(guò)程中，檢測(cè)儀PLC 通過(guò)485 通訊接收工作臺(tái)PLC 傳輸?shù)闹噶�，以進(jìn)入相應(yīng)的測(cè)量模式(如內(nèi)漏或外漏，低壓或高壓)。隨后，檢測(cè)臺(tái)PLC 通過(guò)控制“高低壓選擇電磁閥”的狀態(tài)完成測(cè)量壓力選擇，通過(guò)控制“充排氣電磁閥”的狀態(tài)完成待測(cè)腔和標(biāo)準(zhǔn)腔的充氣和放氣的動(dòng)作。當(dāng)測(cè)量完成時(shí)，檢測(cè)儀PLC 通過(guò)485 通訊將相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果(合格不合格)傳輸給工作臺(tái)PLC 和觸摸屏，相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果顯示在觸摸屏上，以有利于工人查找泄漏處。檢測(cè)儀實(shí)物圖見(jiàn)圖4。

圖4 檢測(cè)儀實(shí)物圖

2、檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要包括工作臺(tái)和檢測(cè)儀主控PLC 的設(shè)計(jì)和人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)。針對(duì)氣缸氣密性檢測(cè)的程序具有以下特點(diǎn)：①以硬件接口為基礎(chǔ)，實(shí)用性強(qiáng)；②充分考慮現(xiàn)場(chǎng)工況，抗干擾能力強(qiáng)；③充分考慮氣缸參數(shù)和結(jié)構(gòu)差異，適應(yīng)性強(qiáng)。

2.1、工作臺(tái)和測(cè)量?jī)xPLC 程序的設(shè)計(jì)

　　工作臺(tái)PLC 程序主要具有下功能：

　　1)工作臺(tái)狀態(tài)自檢

　　自檢的內(nèi)容包括氣源壓力是否合格，以防氣源壓力過(guò)低，導(dǎo)致后續(xù)的氣密性檢測(cè)壓力無(wú)法滿(mǎn)足；工作臺(tái)減壓閥功能是否良好，輸出壓力是否正常；工作臺(tái)和檢測(cè)臺(tái)密封性是否良好，以防氣動(dòng)管道或裝夾處出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不可靠。若自檢狀態(tài)合格，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，檢測(cè)結(jié)果可靠。

　　2)氣缸裝夾動(dòng)作控制

　　按下“上提”或“釋放”按鈕，工作臺(tái)PLC 自動(dòng)切換電磁閥氣路，完成夾緊氣缸指定容腔的充氣和放氣操作。

　　3)待測(cè)氣缸氣密性檢測(cè)前預(yù)動(dòng)作控制

　　氣密性檢測(cè)前需向待測(cè)氣缸有桿腔和無(wú)桿腔交替通入公稱(chēng)壓力，使氣缸活塞桿伸出縮回3~5 次，以達(dá)到較好的潤(rùn)滑和密封效果。

　　4)待測(cè)氣缸氣密性檢測(cè)指令發(fā)送和檢測(cè)結(jié)果接受。完成上述操作后，工作臺(tái)PLC 需按照測(cè)量流程，依次向檢測(cè)儀PLC 發(fā)送8 項(xiàng)泄漏檢測(cè)指令，并等待檢測(cè)儀完成檢測(cè)后，將檢測(cè)結(jié)果反饋回工作臺(tái)PLC。

　　5)報(bào)警操作

　　當(dāng)檢測(cè)過(guò)程中遭遇非正常情況時(shí)，如氣源壓力過(guò)低、急停按鈕被按下、工人將手臂伸進(jìn)工作臺(tái)，報(bào)警燈鳴響，同時(shí)檢測(cè)過(guò)程終止。檢測(cè)儀PLC 主要完成如下功能：

　　(1)接收工作臺(tái)檢測(cè)指令，并將檢測(cè)結(jié)果反饋回觸摸屏；

　　(2)自動(dòng)完成氣缸的有桿腔和無(wú)桿腔的高低壓的內(nèi)外漏的檢測(cè)，共8 項(xiàng)；

　　(3)通過(guò)485 通訊，接收觸摸屏上測(cè)量參數(shù)的更新。

　　如圖5 所示即為檢測(cè)系統(tǒng)從開(kāi)機(jī)至完成某型號(hào)氣缸氣密性檢測(cè)的軟件流程圖。

圖5 軟件流程圖

2.2、人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)

　　人機(jī)交互軟件需完成以下兩項(xiàng)主要內(nèi)容： 檢測(cè)狀態(tài)查詢(xún)和檢測(cè)參數(shù)配置。界面設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮用戶(hù)的使用習(xí)慣，并兼具人性化和美觀的特點(diǎn)。本項(xiàng)目中觸摸屏界面通過(guò)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，并可實(shí)現(xiàn)同工作臺(tái)PLC和檢測(cè)儀PLC 的實(shí)時(shí)通訊。

　　1)檢測(cè)狀態(tài)查詢(xún)

　　圖6 為檢測(cè)狀態(tài)查詢(xún)界面，檢測(cè)狀態(tài)包括氣缸的動(dòng)作狀態(tài)和氣密性檢測(cè)的結(jié)果。其中動(dòng)作狀態(tài)為氣缸活塞桿的伸出或縮回的狀態(tài)，通過(guò)查詢(xún)?cè)摖顟B(tài)可以判斷氣缸動(dòng)作是否正確，氣缸運(yùn)行時(shí)，該檢測(cè)界面的氣缸動(dòng)作和實(shí)際動(dòng)作一致。氣密性檢測(cè)結(jié)果共8 項(xiàng)，分別列于“有桿腔”和“無(wú)桿腔”兩側(cè)，為低壓內(nèi)泄漏、低壓外泄漏、高壓內(nèi)泄漏、高壓外泄漏，各4 項(xiàng)。紅色表示該檢測(cè)項(xiàng)不合格，即泄漏量大于規(guī)定值，綠色表示檢測(cè)項(xiàng)合格。

　　2)檢測(cè)參數(shù)配置

　　氣密性檢測(cè)參數(shù)包括自檢泄漏標(biāo)準(zhǔn)、高壓外漏標(biāo)準(zhǔn)、低壓外漏標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)漏標(biāo)準(zhǔn)以及待檢測(cè)氣缸的缸徑和行程。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氣缸，通過(guò)觸摸屏輸入缸徑和行程，檢測(cè)軟件可按照國(guó)標(biāo)自動(dòng)生成檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。為滿(mǎn)足用戶(hù)提高產(chǎn)品檢測(cè)質(zhì)量的需要，也可手動(dòng)在標(biāo)準(zhǔn)處修改所需標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 檢測(cè)狀態(tài)查詢(xún)界面

3、氣密性檢測(cè)系統(tǒng)效率和精度分析

　　為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的氣密性檢測(cè)系統(tǒng)硬件和軟件的實(shí)用性和穩(wěn)定性，現(xiàn)針對(duì)某氣缸生產(chǎn)廠家的部分標(biāo)準(zhǔn)氣缸型號(hào)進(jìn)行測(cè)試，記錄該系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間，同時(shí)將該檢測(cè)結(jié)果同傳統(tǒng)的水測(cè)法相互對(duì)比，以驗(yàn)證該檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，如表1 為檢測(cè)結(jié)果。

表1 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)精度和效率對(duì)照表

　　從表1 可以得到，對(duì)于缸徑低于φ50 的中小氣缸測(cè)試時(shí)間約為100s/條，對(duì)于φ50～φ100 氣缸檢測(cè)時(shí)間約為110s/條，考慮到檢測(cè)系統(tǒng)可兩工位同時(shí)獨(dú)立檢測(cè)，則單條氣缸的氣密性檢測(cè)時(shí)間均可控制在60s/條以?xún)?nèi)，優(yōu)于人工檢測(cè)效率。

　　實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，共測(cè)試9 種型號(hào)氣缸，檢測(cè)總數(shù)為173，其中人工檢測(cè)不合格數(shù)為6 條，檢測(cè)臺(tái)檢測(cè)不合格數(shù)為7 條，且均覆蓋人工檢測(cè)不合格氣缸。其中φ100×φ200 存在一低壓內(nèi)漏氣缸，水測(cè)判定合格而檢測(cè)臺(tái)判定不合格的情況，分析該樣品時(shí)發(fā)現(xiàn)，該氣缸活塞密封圈處密封效果不理想，雖氣密性檢測(cè)前預(yù)動(dòng)作4~5 次，但其密封效果仍有缺陷，導(dǎo)致氣缸在檢測(cè)開(kāi)始后一段時(shí)間內(nèi)仍然存在輕微泄漏，隨著密封圈逐漸張緊，泄漏停止，人工檢測(cè)時(shí)，可主觀延遲一段時(shí)間檢測(cè)，導(dǎo)致人工檢測(cè)和檢測(cè)臺(tái)測(cè)試結(jié)果不吻合。檢測(cè)φ80×φ100 的氣缸時(shí)，人工水測(cè)發(fā)現(xiàn)1 條氣缸存在內(nèi)漏，檢測(cè)臺(tái)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)漏和外漏，分析其原因，在于該氣缸內(nèi)泄漏較劇烈，當(dāng)測(cè)量外泄漏時(shí)，會(huì)存在因內(nèi)泄漏造成的壓降，導(dǎo)致外泄漏誤報(bào)，在以后的研究中將對(duì)該泄漏耦合問(wèn)題進(jìn)行判斷以消除誤報(bào)現(xiàn)象。

　　綜上所述，該氣密性檢測(cè)系統(tǒng)硬件和軟件運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，檢測(cè)精度可靠，且測(cè)試效率優(yōu)于傳統(tǒng)的泄漏檢測(cè)，尤其是測(cè)量較大型號(hào)的氣缸時(shí)，該優(yōu)勢(shì)更加明顯。因此，該檢測(cè)系統(tǒng)可完全替代傳統(tǒng)的水測(cè)法或冒泡法完成氣缸的出廠氣密性檢測(cè)。

4、結(jié)論

　　本文詳述了兩工位氣缸氣密性檢測(cè)臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)，介紹了該工作臺(tái)和測(cè)量?jī)x的機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)PLC 完成了工作臺(tái)和測(cè)量?jī)x的動(dòng)作流程和檢測(cè)邏輯�；�于該檢測(cè)臺(tái)開(kāi)展氣缸氣密性快速檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)使用情況表明，該檢測(cè)臺(tái)軟件和硬件運(yùn)行可靠，在保證檢測(cè)精度的同時(shí)取得了較滿(mǎn)意的檢測(cè)效率：可將缸徑φ20-φ100 氣缸檢測(cè)時(shí)間縮短至60s/只以?xún)?nèi)，可完全滿(mǎn)足使用需求。