后桥油管气密性检测站的电气设计

蒙万才，梁增提，覃京翎，王莉莉

（柳州城市职业学院，广西 柳州545036）

在汽车零部件生产线上，泄漏测试对保证产品的质量起着至关重要的作用。气密性的检测也逐渐要求智能化，并要求能适用于在线检测[1]。通常人们将充入压缩空气后的被测物浸入水中，观察产生的气泡来判断是否漏气[2]。本文主要是研究如何采用LS-1863X型COSMO检测仪器检测产品气密性，同时通过可编程控制器PLC的I/O接口实现外部控制，提高泄漏的检测能力，实现检测工位的自动化。

1 测漏量换算原理

（1）BOYLE-CHARLE定律

测出的差压可根据BOYLE-CHARLE定律推算出的公式，换算成流量（mL/min）。BOYLE-CHARLE定律适用于压力（P）和体积（V）的关系。BOYLECHARLE定律认为，在一定的温度条件下气体压力和体积的乘积是一定的，得公式：PV为额定数值，P为绝对压力。由BOYLE-CHARLE定律可以导出空气泄漏量公式：泄漏量（△VL）=Ve×△P/Patm.式中Ve是等效内容积，△P是由于泄漏产生的压力下降，Patm是大气压。等效容积Ve是指测试回路的内容积中包含了因容积变化等引起差压之后的容积，在泄漏量换算时作为泄漏系数使用。

（2）等效内容积的计算公式

利用下式算出等效内容积进行泄漏量的转换：

公式（1）中，Ve是等效内容积（mL），Vw 是测试品和配管的内容积（mL），Vm是标志品和配管的内容积（mL），Vt是检漏仪内容积（mL），根据选用检漏仪的规格型号，Vt=11 mL，Ks是因压力引起的传感器容积变化率（mL/KPa），Kw是因为压力引起的测试容积变化率（mL/KPa），P是测试压（mL/kPa）。现假设测试品和标志品的内容积（包含管路）相同，并且在检出中没有因为加压引起内容积变化，可导出公式（2）如下：

Vw=Vm；Ks=0.005（mL/kPa）（实际测量值）；Kw=0（mL/kPa）假设测试中测试品无容积变形）；Ks× [1+（Vw+Vt）/（Vm+Vt）］+Kw=2Ks=0.01（mL/kPa）。

（3）泄漏量的换算公式

单位时间内的泄漏量与差压之间的关系可用下面公式计算：

公式（3）中，Q 是泄漏量（mL/min），△P是压差（Pa），Ve是等效内容积（mL），T是检出时间（s）。检漏仪使用标准大气压来进行计算，如果测试时的大气压是标准大气压1.013×105Pa、气温是标准的20℃，则可以算出标准状态下的单位时间内的泄漏量。例如，测试压P=400 mL/kPa，测试品的内容积Vw=Vm=80 mL，检出时间T=3 s，检漏仪内容积Vt=11 mL，检出时压差△P=50 Pa.根据以上测试条件，利用公式（2）和公式（3），将测出的压差△P=50 Pa换成泄漏量，计算如下：

2 COSMO检测仪测漏方式

COSMO检测仪的测漏方式是通过向测试品（工件）内充入压力空气，测量其内部压力差的变化测出是否有泄漏。首先准备好无泄漏的标志品，给测试品和标志品同时注入调压后的空气。然后，停止充气，通过高灵敏差度传感器（DPS）测出因泄漏导致的内部压力差变化，即测试品与标志品之间的差压值，其测试的基本空气通路如图1所示。

图1 基本空气回路图

具体检测的行程动作分5个步骤。第一步是起动，用夹具密封测试品后，输入启动信号。第二步是加压（CHG），向测试品和标准品加压。因为绝热压缩而升温的空气要达到一定程度的稳定，需要一段时间。第三步是平衡（BAL），停止加压，隔断测试品与标准品之间的空气，等待压力的稳定。大泄漏在此行程中可以测出，判断结果为不合格。第四步是检出（DET），进行小泄漏的检测。也可以利用修正功能提高检测的能力。第五步是排气结束，输出合格与否的信号，从排气口排出测试品与标志品内的空气。

在第三步平衡（BAL）和第四部是检出（DET）行程中，泄漏引起的差压随时间延长而增加。在自动清零后高灵敏度差压传感器（DPS）的输出为零，然后再显示稳定后的差压，其泄漏引起的压差曲线如图2所示。

图2 泄漏引起的压差曲线图

3 COSMO检测仪的IO功能

LS-1863X型COSMO检测仪是用于检查各种部件、成品的气密性的差压式空气泄漏测试仪，可以提高泄漏的检测能力，并通过其I/O控制接口作为输入输出信号，利用可编程控制器PLC等外部设备控制检漏仪，实现生产线自动化控制，其I/O功能如表1所列。

表1 COSMO检测仪测接口端子分配

4 检测站的总体结构设计

后桥油管气密性检测站整体设计主要由压差检测仪器、检测管路、正压检测系统和精密调整压力阀、控制按扭、上下限数显压力表等组成。采用COSMO仪器和气罐组合对零件充气检测，再使用两台LS-1863X型COSMO检测仪器通过与NI数据采集卡、台达PLC之间的端口通讯，以及和工控一体机的RS485端口连接，可对产品的实时检测数据在工控一体机上动态显示记录下来（如图3所示）。

图3 电气控制整体机构

图4 PLC控制电路设计图

5 PLC控制电路设计

捡漏过程借助“行程接口#0”和“行程接口#1”的组合，就能知道捡漏仪所处的行程，如表2所示。在“DL3”和“结束”行程中进行了判断或者输入停止信号后，此时的行程编号被保持。比如在平衡行程中判断为NG，在结束行程中保持行程编号2。利用这一功能，能容易区分不合格产品。

表2 “行程接口#0”和“行程接口#1”的组合关系表

图4为PLC控制电路设计图，以工位一为例。按下启动按钮X0，PLC的Y32输出信号打开充气阀辅助检漏仪给工件快速充压，同时输出仪表启动信号Y24给检漏仪#2端子，发出工位一运行指示灯信号Y0.检漏仪开始充气加压，并返回加压行程信号给PLC（#17->X27=OFF，#18->X30=ON）。

经过预设的加压时间之后，检漏仪停止充气加压，隔断测试品与标准品，转到平衡行程，返回平衡行程信号给PLC（#17->X27=ON，#18->X30=OFF，PLC断开Y32信号停止充气）。大泄露在此行程中检出。平衡预设时间到之后，检漏仪转到检出行程，进行小泄露的检测，并返回行程信号给PLC（#17->X27=ON，#18->X30=ON）。

检出行程结束后，检漏仪#35端子输出行程结束信号（#35->X34=ON），#14、#13#16端子输出检测结果信号（合格#14->X25=ON，不合格#13->X24=ON，不合格时同时发出异常信号#16->X26=ON，大泄露及标准品泄露信号也会同时给出。）给PLC.

大泄露时，检漏仪#31端子给PLC发送信号（#31->X31=ON），同时#13端子发出不合格信号。另外由#32端子发送标准品泄露信号，#33端子发送标准品大泄露信号。

检测结果不合格时，PLC同时发出工位报警信号Y1指示灯亮，Y40蜂鸣器响。处理不合格品后，需按工位一报警复位按钮X2来复位报警。PLC同时发出仪表停止信号Y25给仪器#3端子进行异常清除，方能继续检测工作。

如果行程中途按下停止按钮X1，则PLC输出Y25给检漏仪#3端子，检漏仪将中断各操作模式、行程动作、清除所有判断及泄露量显示、判断输出、异常输出，并返回测试模式。

另外，检漏仪的输入信号公共端子#10接201+24 V，输出公共端子#19接202 0V，PLC控制程序如图5所示。

图5 控制程序（部分）

6 运行结果

后桥总成油管气密性检测站开发后，用到装配线上生产运行（如图6），开展桥油管及总成产品的试漏检测，取代原来的人工检测，对检测的数据能够实时监测、动态显示，并能记录保存，实现了自动化检测，确保供应产品的质量，大大提高企业生产效率。

图6 研发产品实物

7 结束语

后桥总成油管气密性检测站控制的核心是PLC和COSMO检测仪，通过COSMO检测仪的模拟量输出端口与NI数据采集卡、台达PLC之间的端口通讯，构成一个实时显示检测系统，实现系统的多功能一体化。工作站选用中达电通DVP14SSR2型PLC，3块8点的I/O扩展模块。PLC与触摸屏间采用RS485通讯，与COSMO检测仪的模拟量输出端口连接的通讯机制，价格优惠，性能稳定，实现检查工位自动化，提高泄漏检测能力，为类似装配线的研发提供技术借鉴。