維修電工高級技師論文

1、國家職業(yè)資格全?。ɑ蚴校┙y(tǒng)一鑒定維修電工技師論文（國家職業(yè)資格一級）論文題目：汽車鹵素燈排氣機及控制系統(tǒng)的設(shè)計姓名：身份證號：準考證號：所在省市：江蘇省鎮(zhèn)江市所在單位：目錄.1 .1 .2.31. 3233. 445556576717273 PLC84 PLC105PLC.12141516汽車鹵素燈排氣機及控制系統(tǒng)設(shè)計姓名工作單位摘要：排氣是汽車鹵素燈生產(chǎn)過程中一道重要的工序， 在排氣過程中要完成燈泡真空、燈絲燒氫、保護氣充填等一系列操作來確保燈泡的品質(zhì)。由于傳統(tǒng)排氣的工藝較復(fù)雜，操作過程繁瑣，國內(nèi)很多中小型生產(chǎn)企業(yè)都采用傳統(tǒng)的長排型排氣臺。 它雖有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作維護方便的優(yōu)點，但不足之處

2、在于半手工操作，工藝執(zhí)行能力差，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低下。本課題就是利用 PLC 對老式排氣臺進行技術(shù)改造，提出圓型排氣機的改造方案和控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，以可編程控制器為核心的圓排機控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法，從而達到圓型排氣機能夠完成自動操作、提高工作效率、提升產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本的目的。關(guān)鍵詞： 汽車鹵素燈排氣PLC控制系統(tǒng)前言1/28鹵素燈是汽車普遍使用的前照大燈的一種，泡殼通常采用石英或康寧玻璃材料制成，由于泡內(nèi)充入的是鹵化物氣體作為燈絲保護氣，所以稱其為鹵素燈。排氣是燈泡生產(chǎn)過程中最重要的工序之一，是確保汽車前大燈產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵所在。所謂的“排氣”就是將已經(jīng)封壓好的毛泡，利用專用

3、設(shè)備，通過預(yù)留的玻璃排氣管將泡腔里面的空氣和吸附在燈泡內(nèi)壁及燈芯上面的各種雜質(zhì)抽出除掉，保證泡腔內(nèi)達到一定的真空度后再充入一定量的保護氣。燈泡通過排氣就能夠保證其燈絲在通電點亮后不容易氧化脆斷，延長燈泡的使用壽命。由于傳統(tǒng)排氣的工藝較復(fù)雜，操作過程繁瑣，國內(nèi)很多中小型生產(chǎn)企業(yè)都采用傳統(tǒng)的長排型排氣臺。它雖有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作維護方便的優(yōu)點， 不足之處在于半手工操作，每小時只能排氣 60 只左右。工藝執(zhí)行能力差，排氣效果一致性不夠，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。操作人員勞動強度較大，生產(chǎn)效率低下。老式排氣臺的使用已遠遠不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展的需要，設(shè)計出一種能夠連續(xù)運行，自動上、下燈泡，自動真空、充氣的全新

4、的排氣設(shè)備已受到燈泡生產(chǎn)行業(yè)的關(guān)注。新的排氣設(shè)備必須滿足鹵素燈泡排氣工藝的所有要求，同時在生產(chǎn)過程中還能智能判別燈泡的好壞，工作效率要遠遠高于原來的排氣設(shè)備， 要能夠適應(yīng)生產(chǎn)流水線作業(yè)。為了滿足上述要求，本人主持設(shè)計改造了 32 工位的鹵素燈圓型排氣設(shè)備， 該設(shè)備使排氣工藝的自動化程度大大提高，每小時排氣能力達到 600 只左右，既減少了操作人員，節(jié)省了動力消耗，同時排氣的質(zhì)量也大大提高，使汽車前照燈排氣工藝及設(shè)備上了一個新的水平。該圓排機的投入使用完全符合企業(yè)自動化生產(chǎn)的需求。一、圓排機的工作原理及設(shè)計方法2/281. 工作原理傳動電機通過減速箱、蝸形凸輪轉(zhuǎn)位機構(gòu)，實現(xiàn)工作盤的間隙轉(zhuǎn)位運動，

5、安裝在工作盤上的 32 個排氣工位夾頭隨之一起轉(zhuǎn)動。各真空泵通過真空管道與工作盤上的靜止盤相連，而排氣頭通過真空管與轉(zhuǎn)動盤相連，動、靜盤的相對運動使得燈泡通過排氣夾頭按照一定的工藝要求實現(xiàn)抽真空、燒氫、氬氣沖洗、檢漏、充鹵等排氣工序。在上泡工位，操作人員將壓封好的毛泡按要求放到專用的轉(zhuǎn)盤上，由于該轉(zhuǎn)盤與排氣機同步轉(zhuǎn)動，機械手會自動將毛泡夾起送到停在該工位的排氣夾頭內(nèi)，隨后夾頭夾緊，工作盤轉(zhuǎn)到下一個工位抽真空。連續(xù)幾個工位的抽真空操作，真空泵就將燈泡里的空氣和雜質(zhì)氣體全部抽除形成較高的真空。然后用真空儀檢測其真空度，達不到要求的燈泡將被拔除。合格的燈泡則轉(zhuǎn)到下一個工位進行燒氫，將燈泡內(nèi)鎢絲表面吸

6、附的雜質(zhì)全部點燃氣化后再通過抽真空排出。為了確保燈泡內(nèi)雜質(zhì)氣體盡可能少，除了抽真空以外，還采用把高純度氬氣充到燈泡內(nèi)的方法，稀釋和置換燈泡內(nèi)的雜質(zhì)氣體，進一步提高泡體內(nèi)的純凈度。在燈泡的真空度達到工藝要求后，圓排機上設(shè)有固定的工位負責給燈泡充入一定壓力的鹵素保護氣體，以便鎢絲在燈泡內(nèi)部完成鹵鎢循環(huán)反應(yīng)，增加燈絲的使用壽命。由于充氣壓力較高（ 4 個大氣壓左右），燈泡封離之前必須要用液態(tài)氮冷凍減壓至常壓。在封離工位有機械手操作已調(diào)好的火焰割槍，將已經(jīng)降至常壓的燈泡從排氣頭上熔封割離。隨后排氣夾頭被打開，排氣尾管被拔除，該排氣頭又轉(zhuǎn)到上泡工位重新下一個工作循環(huán)。2. 排氣機的工位分布汽車鹵素燈的排

7、氣工藝主要有： （1）檢漏；（2）燒氫；（3）氬氣沖洗；（4）充鹵素保護氣；（5）排管封離等。根據(jù)工藝要求 32 工位圓排機的工位分布設(shè)計按表 1.1 所示。3/28表 1.1 32位圓排機工位代號及功能工位代工位功能及關(guān)聯(lián)工位代工位功能及關(guān)聯(lián)號號1空位17抽真空2上燈泡18抽真空3有無燈泡檢測，無泡報警。19充氬氣，沖洗控制后面動作不執(zhí)行。4開真空20抽真空5真空檢測，有漏氣泡，控制21抽真空6、7 號工位動作。65 工位有漏氣泡，關(guān)真空、22有無燈泡檢測，控制 24、25、開鎖頭30 工位動作。7取廢泡23抽真空，液態(tài)氮冷凍。8有無燈泡檢測，有燈泡控制2422 工位有泡，關(guān)真空，第一后面工

8、位動作。次充鹵，液氮冷凍。9抽真空25第二次沖鹵，冷凍10抽真空26液氮冷凍11關(guān)真空、充氫氣27液氮冷凍12燈泡點亮，燒氫28液氮冷凍13燈泡點亮，燒氫29液氮冷凍14開真空3022 工位有泡，封離操作有效。15開真空31空位16充氬氣，沖洗32開真空，吹氮氣（除尾管）3. 傳動系統(tǒng)設(shè)計圓型排氣機采用蝸形凸輪間隙傳動機構(gòu)。拖動電機選用 Y2 系列三相異步電動機，該電機具有效率高、節(jié)能、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運行安全可靠等特點。蝸形凸輪的轉(zhuǎn)位角選用 60°，定位與轉(zhuǎn)位時間之比為 5:1 ，工作周期為 6 秒。與蝸形凸輪同步旋轉(zhuǎn)的分配軸上設(shè)計安裝了一個凸輪和電子式接近開關(guān)，該開關(guān)

9、的接通與斷開直接影響整個系統(tǒng)各執(zhí)行單元的工作狀況，所有執(zhí)行元件的4/28工作都是以該開關(guān)的通斷為時間軸來進行分配。4. 真空系統(tǒng)的設(shè)計本設(shè)備的真空系統(tǒng)由真空泵、擴散泵、真空管道、動靜轉(zhuǎn)盤、排氣頭等組成。真空泵全部選用成都南光機械廠的2X-4 型旋片式真空泵， 該泵抽速快，凈度好，真空度能達到1×10-2 Pa，性價比高。排氣機前級的抽真空全部由它完成。擴散泵是高凈度泵，真空度能夠達到 1 × 10-4 Pa，價格也較昂貴 ，它主要用于定量充鹵素保護氣之前的抽真空。真空泵這樣組合優(yōu)點是，在滿足真空度的前提下，最大限度降低設(shè)備成本。真空系統(tǒng)對管道的潔凈度要求很高，在充氣、抽真空

10、的管道，電磁閥和相關(guān)器件要求有非常低的泄漏率。本設(shè)備抽真空工藝還采用氬氣沖洗工藝，即把高純度氬氣（ 99.999%）充到燈泡內(nèi)，稀釋和置換燈泡內(nèi)的雜質(zhì)氣體，然后再把燈泡抽成真空。通過充氬 - 抽氣的沖洗過程反復(fù)進行三四次，就能使燈泡內(nèi)部達到高真空度和泡腔內(nèi)含雜質(zhì)氣體較少的目的。5. 定量充鹵素保護氣系統(tǒng)鹵素燈泡內(nèi)部充入一定量的鹵素保護氣是非常重要的工作。燈泡內(nèi)在質(zhì)量的好壞與充氣量多少、氣體質(zhì)量優(yōu)劣有著重要的關(guān)系。燈泡在沖鹵之前必須注意以下幾點：（ 1）充氣前燈泡腔內(nèi)及燈芯、燈絲的除氣是否徹底；（ 2） 充入的氣體純度是否達到工藝要求；（ 3）泡殼與壓板外觀是否良好，不能有炸裂現(xiàn)象。如果以上三點

11、未出現(xiàn)異常，則可以向燈泡內(nèi)充入一定量的鹵素保護氣。6. 排氣夾頭機構(gòu)的設(shè)計排氣機設(shè)計有 32 個排氣夾頭，用來夾持燈泡排管， 排管是上道壓封工序留下專為排氣而準備的，它是一段長 8CM與燈泡內(nèi)腔相連5/28的氣管。轉(zhuǎn)動排氣頭上的手柄，可以打開或鎖緊排氣夾頭，鎖緊時，通過壓緊螺母使密封橡膠下壓變形，抱緊排氣管，為后面的抽真空做準備。排氣夾頭上還設(shè)計了一個機械式閥門開關(guān)，排氣頭就是通過該閥門與靜盤上的真空管道連接，操作閥門開關(guān)可以控制排氣頭的真空開啟與關(guān)閉。實際操作中，在排氣機的固定工位，設(shè)計了一系列有氣缸組成的機械手通過 PLC 控制完成對排氣頭的打開、鎖緊或閥門的開啟、關(guān)閉操作。7. 執(zhí)行機構(gòu)

12、的設(shè)計圓排機執(zhí)行機構(gòu)有排氣頭的打開與鎖緊機構(gòu)、真空管道開啟與關(guān)閉機構(gòu)、燈泡封離機構(gòu)、拔尾管機構(gòu)等。排氣頭的打開與鎖緊機構(gòu)，自動將上有燈泡的排氣頭鎖緊，做好抽真空的準備，在燈泡溶封后要打開排氣頭為吹出尾管做準備。分離機構(gòu)主要有 PLC 控制執(zhí)行元件，將排氣好的燈泡從排氣夾頭上溶封割離下來。最后打開排氣頭閥門，瞬間通入高壓空氣將已松開的尾管吹出。為后面工位上燈泡做好準備。該機構(gòu)的投入使用可以大大減少操作工人的工作量，提高設(shè)備的利用率。由原來人工分離的 1 只/ 分鐘增加到現(xiàn)在機器分離的 10 只 / 分鐘，大幅度提高了企業(yè)的生產(chǎn)能力。真空管道閥門的開啟機構(gòu)，是為了給停在該工位的排氣頭上的燈泡抽真空

13、。而關(guān)閉機構(gòu)的作用是在控制系統(tǒng)檢測到燈泡漏氣時將此路的真空系統(tǒng)關(guān)閉。停止后面沖洗、充鹵等操作，減少不必要的浪費。二、控制系統(tǒng)的設(shè)計6/281. 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計根據(jù)鹵鎢燈的排氣工藝要求，控制系統(tǒng)以 PLC 為核心部件，結(jié)合其他的邏輯電路，實現(xiàn)主電機的啟停，燈泡真空度的檢測，燒氫電路的電壓控制，定量鹵素氣體的充入，各執(zhí)行機構(gòu)的動作順序控制等?？刂葡到y(tǒng)的組成與工作原理如圖 2.1 所示。真空規(guī)管主電機真空表系統(tǒng)真空氬沖洗真空泵真空閥充鹵電器控制柜排氣頭打 開關(guān)閉PLC電磁換向閥燈泡封離結(jié)構(gòu)冷凍槽操作燈絲點亮電電磁閥吹出尾管路通氫燒氫圖 2.1 控制系統(tǒng)的組成與工作原理2. 主要工藝過程燈泡的真空

14、度在排氣機上要進行在線檢測，在設(shè)備的關(guān)鍵工位都設(shè)有檢測點，并根據(jù)工藝要求設(shè)定真空度的值，通過真空表中的真空規(guī)管對真空度進行檢測，如燈泡漏氣，所檢測到的真空值就低于設(shè)定值，則控制系統(tǒng)發(fā)出信號給相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，切斷該工位與真空系統(tǒng)的聯(lián)系。同時通過移位控制，實現(xiàn)該工位后面的所有工藝7/28操作全部停止，一直到最后將其拔除。燈泡內(nèi)的鎢絲在排氣過程中，需要通入一定量的氫氣并在其兩端加上額定電壓點亮。目的就是要把吸附在燈絲上的雜質(zhì)和表層氧化物通過點亮加熱的方法全部氣化再抽空排出，通入氫氣是因為在高溫下鎢不會與氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而衍生其它雜質(zhì)， 保證燈絲的純凈。該工藝又稱燒氫，是保證燈絲在通電工作時不宜變形，延

15、長其使用壽命的有效手段。也是燈泡在生產(chǎn)過程中對燈絲處理的最后一道保障。燈泡在排氣過程中，經(jīng)過反復(fù)抽氣沖洗，其內(nèi)部已經(jīng)達到很純凈的環(huán)境，在封離之前一定要充入足量的鹵素氣體作為燈泡的保護氣。為了滿足工藝要求，使燈泡點亮?xí)r能夠更好地完成鹵鎢循環(huán)增加燈泡使用壽命。燈泡內(nèi)的鹵素氣壓一般達到 3.6 4 個大氣壓，燈泡在充鹵之后必須將燈泡進行低溫冷凍處理，使燈泡內(nèi)的氣壓接近 1 個大氣壓時才能用火頭割槍進行封離。在本設(shè)計中采用液態(tài)氮作為冷凍液， 將液態(tài)氮裝入圓弧形槽中，每次大盤定位時， PLC控制氣缸將液氮槽舉起， 使已充過鹵素保護氣的燈泡全部浸入液氮中冷凍。只有完全冷凍達標的燈泡才能進行或面的封離操作。

16、執(zhí)行機構(gòu)的動作順序，是通過調(diào)整凸輪與接近開關(guān)的相位角，作為周期啟動信號輸入給 PLC，實現(xiàn)開關(guān)量的邏輯運算來進行控制的。3. PLC 的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)控制系統(tǒng)輸入 / 輸出的性質(zhì)和數(shù)量， 特選用南京冠德科技有限公司為圓排機專門配置的 JH1200H可編程控制器。其繼電器輸出增大了觸頭容量（由原來的 2A 增大到 3A），同時為 PLC控制感性負載而專門設(shè)計了一組阻容保護電路，大大增加了觸頭使用壽命。而相同規(guī)格和要求的進口品牌 PLC如松下 FP 系列、三菱 FX系列或西門子 S200系列，雖然綜合性能要優(yōu)于南京冠德的產(chǎn)品， 但其價格要高 40%以上。況且圓排機在設(shè)計上基本都是以邏輯控制為主，

17、無需較復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算和特殊功能模塊控制。選用性價比較高的國8/28產(chǎn)機是一個合理的選擇。冠德公司的 JH1200H型 PLC，有 16 點輸入， 44 點輸出，內(nèi)置 8K 步 EEPROM，最大可擴展 128 點。具有結(jié)構(gòu)小巧、運行速度快、價格低廉及多功能和多用途的特點，完全能夠達到圓排機的各種控制要求。在軟件設(shè)計中，充分利用 PLC 的特點。主控程序采用模塊化設(shè)計的思想，將整個控制過程劃分成幾個相對獨立的模塊，每個模塊完成一個特定的任務(wù)。在程序執(zhí)行過程中，根據(jù)輸入端口輸入信號的不同采用邏輯運算的方法，控制不同的輸出單元。當有停機信號和異常報警信號輸入時，程序都能夠做出相應(yīng)的處理。圓排機整個控

18、制程序結(jié)構(gòu)流程示意圖如圖 2.2 所示，圖中啟動框是有外接按鈕將電平信號引入 PLC 的輸入端口，作為主程序執(zhí)行的首次命令。工況正常否判別框、初始化否判別框主要指分布在設(shè)備上的各檢測元件的狀態(tài)。 在程序執(zhí)行時，不斷判別這些傳感器的電平狀態(tài)，以確定執(zhí)行哪段程序，以完成相應(yīng)的動作。工作方式還可以選擇手動和自動兩種形式，操作人員可以根據(jù)具體情況在控制面板上進行選擇。例如某工位執(zhí)行元件是否到位的調(diào)整、封離工位機械手組合的調(diào)整等都可以選擇手動工作方式讓各執(zhí)行元件分步進行。停機信號判別框由外接按鈕信號作為輸入電平控制，該電平變化時，程序中的輸入狀態(tài)發(fā)生變化，控制執(zhí)行停機程序。主程序框是根據(jù)汽車鹵素燈排氣工

19、藝要求所編制的一系列動作控制程序。9/28啟動停機報警N工況正常？初始化Y初始化否？NYN手動嗎？工況正常否？N停機報警YY執(zhí)行主程序Y停機嗎？正常停機N執(zhí)行主程序N停機嗎？Y正常停機圖 2.2 PLC 程序結(jié)構(gòu)流程示意圖4. PLC 外部硬件接線在本設(shè)備控制系統(tǒng)中， 輸入信號是有起始控制信號、真空傳感信號、位置檢測信號、氣壓控制信號組成。共需要10 個輸入信號。輸出則控制每個相關(guān)工位的執(zhí)行元件，共需要30 個輸出點。 PLC之所以選用 16 輸入 44 點輸出，主要考慮系統(tǒng)以后的擴展和PLC維護時輸入 / 輸出點的更換。系統(tǒng)I/O 地址分配如表 2.1 所示。10/28表 2.1 PLC I

20、/O分配表輸入信號輸出信號原位接近開關(guān)X40032 位吹氮氣Y43030 工位夾鉗升降Y537SQ03 工位微動開X40132 工位開真空Y43630 工位夾鉗開閉Y030關(guān) SQ15 工位微動開X402關(guān)真空Y43230 工位夾鉗進退Y541關(guān) SQ223 工位微動開X403取廢泡開鎖頭Y433小液氮槽升降Y032關(guān) SQ3氣壓開關(guān) KA1X404取廢泡夾鉗進Y434打尖上下Y034退主電機工作傳X405取廢泡夾鉗上Y435點亮指氣缸Y035感 KA2下調(diào)整開關(guān) SA1X406大液氮槽升降Y542點亮控制Y036調(diào)整連鎖控制X40711 工位關(guān)真空Y43730 工位液化氣Y540SA2啟動

21、SB0X41011 工位充氫氣Y530真空檢測Y440停止 SB1X40014 位開真空Y531傳動電機Y44121 工位關(guān)真空Y53230 工位接泡進退Y44221 工位開真空Y53330 工位接泡開夾Y44324 工位關(guān)真空Y53430 工位打尖Y44424 工位充鹵Y535打尖進退Y03325 工位充鹵Y536控制系統(tǒng)中 PLC與現(xiàn)場器件接線方法如圖2.3 所示。11/28LNSQ0SQ1SQ2SQ3KA1KA2SA1SA2SB0SB1LLNX400X401X402X403X404X405X406X407X410X411COMJH1200HY030Y032Y034Y033Y035Y036

22、Y430Y432Y433Y434Y435Y437Y440Y441COM22030#小打打點點32#關(guān)取取取11#真?zhèn)饕簥A尖尖亮亮吹真廢廢廢工空動鉗氮上進指控氮空泡泡泡位檢信開槽下退氣制氣開夾夾關(guān)測號閉升缸鎖鉗鉗真輸降頭進上空入退下JH1200HCOMY442Y443Y444Y530Y531Y532Y533Y534Y535Y536Y537Y540Y541Y542COM22030#30#30#11#14#21#21#24#24#25#30#30#30#大接接打充開關(guān)開 關(guān)充 充夾液夾液泡泡尖氫真真真 真鹵 鹵鉗化鉗氮進開氣 空空空 空升氣進槽退夾降退升降圖 2.3 PLC 外部接線示意圖接線圖中只

23、標出排氣機在實際使用中所占用的 I/O 的地址連線，沒有標出的輸入、輸出點全部預(yù)留備用。5. PLC 控制系統(tǒng)程序的設(shè)計在整個控制系統(tǒng)中，排氣機每轉(zhuǎn)動一個工位所需要的時間實際上就是排氣過程中某道工序執(zhí)行的時間， 如果某工序執(zhí)行時間較長，則通過轉(zhuǎn)動兩個或更多的工位來補充。排氣機在運行過程中，工位12/28定位時間由前面提到的傳動系統(tǒng)決定。而定位后各工序指定的相關(guān)操作單元執(zhí)行的時間則由接近開關(guān) SQ0的通斷來決定。所有執(zhí)行元件的動作時間都是按它決定的時間軸來進行分配?？刂葡到y(tǒng)中，所有執(zhí)行元件的工作時序圖如圖 2.4 所示。0123456時間軸Y030Y032Y033Y034Y035Y036Y430Y432Y433Y434Y435Y437Y440Y442Y443Y444Y530Y531Y532Y533Y534Y535Y536Y537Y540Y541Y542圖 2.4 系統(tǒng)各操作單元工作