国家职业资格全省（或市）统一鉴定
维修电工技师论文
（国家职业资格一级）
论文题目： 汽车卤素灯排气机及
控制系统的设计
姓 名： 身份证号： 准考证号： 所在省市： 江 苏 省 镇 江 市 所在单位：
目 录
摘要 ………… ……………………………………………………….1 关键词 ……… ……………………………………………………….1 前言 …………………………………… …………………………….2 一 排机的工作原理及设计方案 ……… ………………………….3 1 工作原理 … …… …………………… … ………………………. 3 2 排气机的工位分布…… ……………… … ……………………… 3 3 传动系统的设计……………………… …… ……………………. 4 4 真空系统的设计…………… …… ……… ……………………… 5 5 定量充卤素保护气系统 ………………… … ……………………5 6 排气夹头结构的设计 ………………………… ………………… 5 7 执行机构的设计 ……………………………… ………………… 6 二 控制系统的设计…………… ………………… …………………7 1 控制系统的总体设计………………………………………………7 2 主要工艺过程………………………………………………………7 3 PLC的程序结构设计………………………………………………8 4 PLC的外部接线……………………………………………………10 5 PLC控制系统程序设计………………… ……………. ………… 12 结束语 ……………………………………………………………… 14 参考文献 ………………………… …………………………………15
附录…………………… … …… … ………………………………16
汽车卤素灯排气机及控制系统设计
姓名 工作单位
摘要：排气是汽车卤素灯生产过程中一道重要的工序，在排气过程中要完成灯泡真空、灯丝烧氢、保护气充填等一系列操作来确保灯泡的品质。由于传统排气的工艺较复杂，操作过程繁琐，国内很多中小型生产企业都采用传统的长排型排气台。它虽有设备结构简单，操作维护方便的优点，但不足之处在于半手工操作，工艺执行能力差，产品质量不稳定，生产效率低下。本课题就是利用PLC对老式排气台进行技术改造，提出圆型排气机的改造方案和控制系统的设计要求，以可编程控制器为核心的圆排机控制系统的软硬件设计方法，从而达到圆型排气机能够完成自动操作、提高工作效率、提升产品品质、降低生产成本的目的。
关键词：汽车卤素灯 排气 PLC 控制系统
前 言
卤素灯是汽车普遍使用的前照大灯的一种，泡壳通常采用石英或康宁玻璃材料制成，由于泡内充入的是卤化物气体作为灯丝保护气，所以称其为卤素灯。
排气是灯泡生产过程中最重要的工序之一，是确保汽车前大灯产品质量的关键所在。所谓的“排气”就是将已经封压好的毛泡，利用专用设备，通过预留的玻璃排气管将泡腔里面的空气和吸附在灯泡内壁及灯芯上面的各种杂质抽出除掉，保证泡腔内达到一定的真空度后再充入一定量的保护气。灯泡通过排气就能够保证其灯丝在通电点亮后不容易氧化脆断，延长灯泡的使用寿命。
由于传统排气的工艺较复杂，操作过程繁琐，国内很多中小型生产企业都采用传统的长排型排气台。它虽有设备结构简单，操作维护方便的优点，不足之处在于半手工操作，每小时只能排气60只左右。工艺执行能力差，排气效果一致性不够，造成产品质量不稳定。操作人员劳动强度较大，生产效率低下。老式排气台的使用已远远不能适应现代生产发展的需要，设计出一种能够连续运行，自动上、下灯泡，自动真空、充气的全新的排气设备已受到灯泡生产行业的关注。新的排气设备必须满足卤素灯泡排气工艺的所有要求，同时在生产过程中还能智能判别灯泡的好坏，工作效率要远远高于原来的排气设备，要能够适应生产流水线作业。为了满足上述要求，本人主持设计改造了32工位的卤素灯圆型排气设备，该设备使排气工艺的自动化程度大大提高，每小时排气能力达到600只左右，既减少了操作人员，节省了动力消耗，同时排气的质量也大大提高，使汽车前照灯排气工艺及设备上了一个新的水平。该圆排机的投入使用完全符合企业自动化生产的需求。
一、 圆排机的工作原理及设计方法
1. 工作原理
传动电机通过减速箱、蜗形凸轮转位机构，实现工作盘的间隙转位运动，安装在工作盘上的32个排气工位夹头随之一起转动。各真空泵通过真空管道与工作盘上的静止盘相连，而排气头通过真空管与转动盘相连，动、静盘的相对运动使得灯泡通过排气夹头按照一定的工艺要求实现抽真空、烧氢、氩气冲洗、检漏、充卤等排气工序。
在上泡工位，操作人员将压封好的毛泡按要求放到专用的转盘上，由于该转盘与排气机同步转动，机械手会自动将毛泡夹起送到停在该工位的排气夹头内，随后夹头夹紧，工作盘转到下一个工位抽真空。连续几个工位的抽真空操作，真空泵就将灯泡里的空气和杂质气体全部抽除形成较高的真空。然后用真空仪检测其真空度，达不到要求的灯泡将被拔除。合格的灯泡则转到下一个工位进行烧氢，将灯泡内钨丝表面吸附的杂质全部点燃气化后再通过抽真空排出。为了确保灯泡内杂质气体尽可能少，除了抽真空以外，还采用把高纯度氩气充到灯泡内的方法，稀释和置换灯泡内的杂质气体，进一步提高泡体内的纯净度。在灯泡的真空度达到工艺要求后，圆排机上设有固定的工位负责给灯泡充入一定压力的卤素保护气体，以便钨丝在灯泡内部完成卤钨循环反应，增加灯丝的使用寿命。由于充气压力较高（4个大气压左右），灯泡封离之前必须要用液态氮冷冻减压至常压。在封离工位有机械手操作已调好的火焰割枪，将已经降至常压的灯泡从排气头上熔封割离。随后排气夹头被打开，排气尾管被拔除，该排气头又转到上泡工位重新下一个工作循环。
2. 排气机的工位分布
汽车卤素灯的排气工艺主要有：（1）检漏；（2）烧氢；（3）氩气冲洗；（4）充卤素保护气；（5）排管封离等。根据工艺要求32工位圆排机的工位分布设计按表1.1所示。
3. 传动系统设计
圆型排气机采用蜗形凸轮间隙传动机构。拖动电机选用Y2系列三相异步电动机，该电机具有效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠等特点。蜗形凸轮的转位角选用60°，定位与转位时间之比为5:1，工作周期为6秒。与蜗形凸轮同步旋转的分配轴上设计安装了一个凸轮和电子式接近开关，该开关的接通
与断开直接影响整个系统各执行单元的工作状况，所有执行元件的工作都是以该开关的通断为时间轴来进行分配。
4. 真空系统的设计
本设备的真空系统由真空泵、扩散泵、真空管道、动静转盘、排气头等组成。
真空泵全部选用成都南光机械厂的2X-4型旋片式真空泵，该泵抽速快，净度好，真空度能达到1×10-2Pa，性价比高。排气机前级的抽真空全部由它完成。扩散泵是高净度泵，真空度能够达到 1×10-4Pa，价格也较昂贵 ，它主要用于定量充卤素保护气之前的抽真空。真空泵这样组合优点是，在满足真空度的前提下，最大限度降低设备成本。
真空系统对管道的洁净度要求很高，在充气、抽真空的管道，电磁阀和相关器件要求有非常低的泄漏率。
本设备抽真空工艺还采用氩气冲洗工艺，即把高纯度氩气（99.999%）充到灯泡内，稀释和置换灯泡内的杂质气体，然后再把灯泡抽成真空。通过充氩--抽气的冲洗过程反复进行三四次，就能使灯泡内部达到高真空度和泡腔内含杂质气体较少的目的。
5. 定量充卤素保护气系统
卤素灯泡内部充入一定量的卤素保护气是非常重要的工作 。灯泡内在质量的好坏与充气量多少、气体质量优劣有着重要的关系。灯泡在冲卤之前必须注意以下几点：
（1）充气前灯泡腔内及灯芯、灯丝的除气是否彻底； （2） 充入的气体纯度是否达到工艺要求； （3）泡壳与压板外观是否良好，不能有炸裂现象。
如果以上三点未出现异常，则可以向灯泡内充入一定量的卤素保护气。
6. 排气夹头机构的设计
排气机设计有32个排气夹头，用来夹持灯泡排管，排管是上道
压封工序留下专为排气而准备的，它是一段长8CM与灯泡内腔相连的气管。转动排气头上的手柄，可以打开或锁紧排气夹头，锁紧时，通过压紧螺母使密封橡胶下压变形，抱紧排气管，为后面的抽真空做准备。
排气夹头上还设计了一个机械式阀门开关，排气头就是通过该阀门与静盘上的真空管道连接，操作阀门开关可以控制排气头的真空开启与关闭。实际操作中，在排气机的固定工位，设计了一系列有气缸组成的机械手通过PLC控制完成对排气头的打开、锁紧或阀门的开启、关闭操作。
7. 执行机构的设计
圆排机执行机构有排气头的打开与锁紧机构、真空管道开启与关闭机构、灯泡封离机构、拔尾管机构等。
排气头的打开与锁紧机构，自动将上有灯泡的排气头锁紧，做好抽真空的准备，在灯泡溶封后要打开排气头为吹出尾管做准备。
分离机构主要有PLC控制执行元件，将排气好的灯泡从排气夹头上溶封割离下来。最后打开排气头阀门，瞬间通入高压空气将已松开的尾管吹出。为后面工位上灯泡做好准备。该机构的投入使用可以大大减少操作工人的工作量，提高设备的利用率。由原来人工分离的1只/分钟增加到现在机器分离的10只/分钟，大幅度提高了企业的生产能力。
真空管道阀门的开启机构，是为了给停在该工位的排气头上的灯泡抽真空。而关闭机构的作用是在控制系统检测到灯泡漏气时将此路的真空系统关闭。停止后面冲洗、充卤等操作，减少不必要的浪费。
二、 控制系统的设计
1. 控制系统的总体设计
根据卤钨灯的排气工艺要求，控制系统以PLC为核心部件，结合其他的逻辑电路，实现主电机的启停，灯泡真空度的检测，烧氢电路的电压控制，定量卤素气体的充入，各执行机构的动作顺序控制等。控制系统的组成与工作原理如图2.1所示。
图2.1 控制系统的组成与工作原理
2. 主要工艺过程
灯泡的真空度在排气机上要进行在线检测，在设备的关键工位都设有检测点，并根据工艺要求设定真空度的值，通过真空表中的真空规管对真空度进行检测，如灯泡漏气，所检测到的真空值就低于设定值，则控制系统发出信号给相应的执行机构，切断该工位与
真空系统的联系。同时通过移位控制，实现该工位后面的所有工艺操作全部停止，一直到最后将其拔除。
灯泡内的钨丝在排气过程中，需要通入一定量的氢气并在其两端加上额定电压点亮。目的就是要把吸附在灯丝上的杂质和表层氧化物通过点亮加热的方法全部气化再抽空排出，通入氢气是因为在高温下钨不会与氢发生化学反应而衍生其它杂质，保证灯丝的纯净。该工艺又称烧氢，是保证灯丝在通电工作时不宜变形，延长其使用寿命的有效手段。也是灯泡在生产过程中对灯丝处理的最后一道保障。
灯泡在排气过程中，经过反复抽气—冲洗，其内部已经达到很纯净的环境，在封离之前一定要充入足量的卤素气体作为灯泡的保护气。为了满足工艺要求，使灯泡点亮时能够更好地完成卤钨循环增加灯泡使用寿命。灯泡内的卤素气压一般达到3.6∽4个大气压，灯泡在充卤之后必须将灯泡进行低温冷冻处理，使灯泡内的气压接近1个大气压时才能用火头割枪进行封离。
在本设计中采用液态氮作为冷冻液，将液态氮装入圆弧形槽中，每次大盘定位时，PLC控制气缸将液氮槽举起，使已充过卤素保护气的灯泡全部浸入液氮中冷冻。只有完全冷冻达标的灯泡才能进行或面的封离操作。
执行机构的动作顺序，是通过调整凸轮与接近开关的相位角，作为周期启动信号输入给PLC，实现开关量的逻辑运算来进行控制的。
3. PLC的程序结构设计
根据控制系统输入/输出的性质和数量，特选用南京冠德科技有限公司为圆排机专门配置的JH1200H可编程控制器。其继电器输出增大了触头容量（由原来的2A增大到3A），同时为PLC控制感性负载而专门设计了一组阻容保护电路，大大增加了触头使用寿命。
而相同规格和要求的进口品牌PLC如松下FP系列、三菱FX系列或西门子S200系列，虽然综合性能要优于南京冠德的产品，但其价格要高40%以上。况且圆排机在设计上基本都是以逻辑控制为主，
无需较复杂的数据运算和特殊功能模块控制。选用性价比较高的国产机是一个合理的选择。
冠德公司的JH1200H型PLC，有16点输入，44点输出，内置8K步EEPROM，最大可扩展128点。具有结构小巧、运行速度快、价格低廉及多功能和多用途的特点，完全能够达到圆排机的各种控制要求。
在软件设计中，充分利用PLC的特点。主控程序采用模块化设计的思想，将整个控制过程划分成几个相对独立的模块，每个模块完成一个特定的任务。
在程序执行过程中，根据输入端口输入信号的不同采用逻辑运算的方法，控制不同的输出单元。当有停机信号和异常报警信号输入时，程序都能够做出相应的处理。
圆排机整个控制程序结构流程示意图如图2.2所示，图中启动框是有外接按钮将电平信号引入PLC的输入端口，作为主程序执行的首次命令。
工况正常否判别框、初始化否判别框主要指分布在设备上的各检测元件的状态。在程序执行时，不断判别这些传感器的电平状态，以确定执行哪段程序，以完成相应的动作。
工作方式还可以选择手动和自动两种形式，操作人员可以根据具体情况在控制面板上进行选择。例如某工位执行元件是否到位的调整、封离工位机械手组合的调整等都可以选择手动工作方式让各执行元件分步进行。
停机信号判别框由外接按钮信号作为输入电平控制，该电平变化时，程序中的输入状态发生变化，控制执行停机程序。
主程序框是根据汽车卤素灯排气工艺要求所编制的一系列动作控制程序。
图2.2 PLC程序结构流程示意图
4. PLC外部硬件接线
在本设备控制系统中，输入信号是有起始控制信号、真空传感信号、位置检测信号、气压控制信号组成。共需要10个输入信号。输出则控制每个相关工位的执行元件，共需要30个输出点。PLC之所以选用16输入44点输出，主要考虑系统以后的扩展和PLC维护时输入/输出点的更换。系统I/O地址分配如表2.1所示。
控制系统中PLC与现场器件接线方法如图2.3所示。
L
N
SQ0SQ1SQ2SQ3KA1KA2SA1SA2SB0SB1
30# 夹钳 开闭
30#接 泡进 退
小液氮槽升降
打尖上下打尖进退
点亮指气缸
点亮控制32#吹氮气
关真空
取废泡开锁头
取废泡夹钳进退取废泡夹钳上下
11#工位关真空
真空检测
传动信号输入
30#30#11#14#21#21#24#24#25#
充开接打关开关充充氢真泡尖真真真卤卤气空开空空空
夹30#夹钳升降
30#30#大
夹液液
钳氮化
进槽气
退升
降
图2.3 PLC外部接线示意图
接线图中只标出排气机在实际使用中所占用的I/O的地址连线，没有标出的输入、输出点全部预留备用。
5. PLC控制系统程序的设计
在整个控制系统中，排气机每转动一个工位所需要的时间实际上就是排气过程中某道工序执行的时间，如果某工序执行时间较长，
则通过转动两个或更多的工位来补充。排气机在运行过程中，工位定位时间由前面提到的传动系统决定。而定位后各工序指定的相关操作单元执行的时间则由接近开关SQ0的通断来决定。所有执行元件的动作时间都是按它决定的时间轴来进行分配。控制系统中，所有执行元件的工作时序图如图2.4所示。 0
1
2
3
4
5
6
时间轴 Y030 Y032Y033 Y034 Y035 Y036Y430 Y432 Y433 Y434Y435 Y437 Y440Y442 Y443 Y444 Y530Y531 Y532
Y533Y534 Y535 Y536 Y537Y540 Y541
Y542
图2.4 系统各操作单元工作时序图
整个圆排机控制系统的PLC梯形图程序如后所附。
结 束 语
目前国内汽车灯泡的生产，相比其他高新技术产业还有一定的差距，部分产品的生产设备还比较落后，规模化的生产仍依靠大量的人力来完成，这已经不能适应现代化生产的要求。对现有生产设备的技术改造，向自动化、智能化、高效化发展是必然的趋势。
汽车卤素灯的排气工艺从手工排气台到自动圆排机的转变，是汽车灯泡行业传统生产工艺及设备技术改造的成功举措。厦泰公司自09年10月对老式排气台的成功改造后，生产能力得到了极大的
由表中对比可以看出，该设备的生产效率提高近10倍，大大减少了操作工人的劳动强度，而且产品合格率也排除了人为因素而得到提高，生产成本也大大降低。
管圆排机的设计改造还存在不足之处，还需要在今后的生产实践中加以改进和完善，但其设计思路与改造理念可在其他设备革新改造时提供一点参考和借鉴。
参考文献：
（1） 蔡祖泉 电光源工艺 复旦大学出版社 1997 （2） 达道安 真空设计手册 国防工业出版社 1991 （3） 常斗南 可编程控制器原理、应用、实验
机械工业出版社 2002 （4） 戴明宏 电气控制与PLC应用
北京航空航天大学出版社 2007 （5） JH1200H可编程控制器编程、使用手册
南京冠德科技有限公司 2003
附 录
厦泰照明电器有限公司32工位圆型排气机PLC梯形图控制程序
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附 录
厦泰照明电器有限公司32工位圆型排气机PLC梯形图控制程序
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（国家职业资格一级）
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控制系统的设计
姓 名： 身份证号： 准考证号： 所在省市： 江 苏 省 镇 江 市 所在单位：
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摘要 ………… ……………………………………………………….1 关键词 ……… ……………………………………………………….1 前言 …………………………………… …………………………….2 一 排机的工作原理及设计方案 ……… ………………………….3 1 工作原理 … …… …………………… … ………………………. 3 2 排气机的工位分布…… ……………… … ……………………… 3 3 传动系统的设计……………………… …… ……………………. 4 4 真空系统的设计…………… …… ……… ……………………… 5 5 定量充卤素保护气系统 ………………… … ……………………5 6 排气夹头结构的设计 ………………………… ………………… 5 7 执行机构的设计 ……………………………… ………………… 6 二 控制系统的设计…………… ………………… …………………7 1 控制系统的总体设计………………………………………………7 2 主要工艺过程………………………………………………………7 3 PLC的程序结构设计………………………………………………8 4 PLC的外部接线……………………………………………………10 5 PLC控制系统程序设计………………… ……………. ………… 12 结束语 ……………………………………………………………… 14 参考文献 ………………………… …………………………………15
附录…………………… … …… … ………………………………16
汽车卤素灯排气机及控制系统设计
姓名 工作单位
摘要：排气是汽车卤素灯生产过程中一道重要的工序，在排气过程中要完成灯泡真空、灯丝烧氢、保护气充填等一系列操作来确保灯泡的品质。由于传统排气的工艺较复杂，操作过程繁琐，国内很多中小型生产企业都采用传统的长排型排气台。它虽有设备结构简单，操作维护方便的优点，但不足之处在于半手工操作，工艺执行能力差，产品质量不稳定，生产效率低下。本课题就是利用PLC对老式排气台进行技术改造，提出圆型排气机的改造方案和控制系统的设计要求，以可编程控制器为核心的圆排机控制系统的软硬件设计方法，从而达到圆型排气机能够完成自动操作、提高工作效率、提升产品品质、降低生产成本的目的。
关键词：汽车卤素灯 排气 PLC 控制系统
前 言
卤素灯是汽车普遍使用的前照大灯的一种，泡壳通常采用石英或康宁玻璃材料制成，由于泡内充入的是卤化物气体作为灯丝保护气，所以称其为卤素灯。
排气是灯泡生产过程中最重要的工序之一，是确保汽车前大灯产品质量的关键所在。所谓的“排气”就是将已经封压好的毛泡，利用专用设备，通过预留的玻璃排气管将泡腔里面的空气和吸附在灯泡内壁及灯芯上面的各种杂质抽出除掉，保证泡腔内达到一定的真空度后再充入一定量的保护气。灯泡通过排气就能够保证其灯丝在通电点亮后不容易氧化脆断，延长灯泡的使用寿命。
由于传统排气的工艺较复杂，操作过程繁琐，国内很多中小型生产企业都采用传统的长排型排气台。它虽有设备结构简单，操作维护方便的优点，不足之处在于半手工操作，每小时只能排气60只左右。工艺执行能力差，排气效果一致性不够，造成产品质量不稳定。操作人员劳动强度较大，生产效率低下。老式排气台的使用已远远不能适应现代生产发展的需要，设计出一种能够连续运行，自动上、下灯泡，自动真空、充气的全新的排气设备已受到灯泡生产行业的关注。新的排气设备必须满足卤素灯泡排气工艺的所有要求，同时在生产过程中还能智能判别灯泡的好坏，工作效率要远远高于原来的排气设备，要能够适应生产流水线作业。为了满足上述要求，本人主持设计改造了32工位的卤素灯圆型排气设备，该设备使排气工艺的自动化程度大大提高，每小时排气能力达到600只左右，既减少了操作人员，节省了动力消耗，同时排气的质量也大大提高，使汽车前照灯排气工艺及设备上了一个新的水平。该圆排机的投入使用完全符合企业自动化生产的需求。
一、 圆排机的工作原理及设计方法
1. 工作原理
传动电机通过减速箱、蜗形凸轮转位机构，实现工作盘的间隙转位运动，安装在工作盘上的32个排气工位夹头随之一起转动。各真空泵通过真空管道与工作盘上的静止盘相连，而排气头通过真空管与转动盘相连，动、静盘的相对运动使得灯泡通过排气夹头按照一定的工艺要求实现抽真空、烧氢、氩气冲洗、检漏、充卤等排气工序。
在上泡工位，操作人员将压封好的毛泡按要求放到专用的转盘上，由于该转盘与排气机同步转动，机械手会自动将毛泡夹起送到停在该工位的排气夹头内，随后夹头夹紧，工作盘转到下一个工位抽真空。连续几个工位的抽真空操作，真空泵就将灯泡里的空气和杂质气体全部抽除形成较高的真空。然后用真空仪检测其真空度，达不到要求的灯泡将被拔除。合格的灯泡则转到下一个工位进行烧氢，将灯泡内钨丝表面吸附的杂质全部点燃气化后再通过抽真空排出。为了确保灯泡内杂质气体尽可能少，除了抽真空以外，还采用把高纯度氩气充到灯泡内的方法，稀释和置换灯泡内的杂质气体，进一步提高泡体内的纯净度。在灯泡的真空度达到工艺要求后，圆排机上设有固定的工位负责给灯泡充入一定压力的卤素保护气体，以便钨丝在灯泡内部完成卤钨循环反应，增加灯丝的使用寿命。由于充气压力较高（4个大气压左右），灯泡封离之前必须要用液态氮冷冻减压至常压。在封离工位有机械手操作已调好的火焰割枪，将已经降至常压的灯泡从排气头上熔封割离。随后排气夹头被打开，排气尾管被拔除，该排气头又转到上泡工位重新下一个工作循环。
2. 排气机的工位分布
汽车卤素灯的排气工艺主要有：（1）检漏；（2）烧氢；（3）氩气冲洗；（4）充卤素保护气；（5）排管封离等。根据工艺要求32工位圆排机的工位分布设计按表1.1所示。
3. 传动系统设计
圆型排气机采用蜗形凸轮间隙传动机构。拖动电机选用Y2系列三相异步电动机，该电机具有效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠等特点。蜗形凸轮的转位角选用60°，定位与转位时间之比为5:1，工作周期为6秒。与蜗形凸轮同步旋转的分配轴上设计安装了一个凸轮和电子式接近开关，该开关的接通
与断开直接影响整个系统各执行单元的工作状况，所有执行元件的工作都是以该开关的通断为时间轴来进行分配。
4. 真空系统的设计
本设备的真空系统由真空泵、扩散泵、真空管道、动静转盘、排气头等组成。
真空泵全部选用成都南光机械厂的2X-4型旋片式真空泵，该泵抽速快，净度好，真空度能达到1×10-2Pa，性价比高。排气机前级的抽真空全部由它完成。扩散泵是高净度泵，真空度能够达到 1×10-4Pa，价格也较昂贵 ，它主要用于定量充卤素保护气之前的抽真空。真空泵这样组合优点是，在满足真空度的前提下，最大限度降低设备成本。
真空系统对管道的洁净度要求很高，在充气、抽真空的管道，电磁阀和相关器件要求有非常低的泄漏率。
本设备抽真空工艺还采用氩气冲洗工艺，即把高纯度氩气（99.999%）充到灯泡内，稀释和置换灯泡内的杂质气体，然后再把灯泡抽成真空。通过充氩--抽气的冲洗过程反复进行三四次，就能使灯泡内部达到高真空度和泡腔内含杂质气体较少的目的。
5. 定量充卤素保护气系统
卤素灯泡内部充入一定量的卤素保护气是非常重要的工作 。灯泡内在质量的好坏与充气量多少、气体质量优劣有着重要的关系。灯泡在冲卤之前必须注意以下几点：
（1）充气前灯泡腔内及灯芯、灯丝的除气是否彻底； （2） 充入的气体纯度是否达到工艺要求； （3）泡壳与压板外观是否良好，不能有炸裂现象。
如果以上三点未出现异常，则可以向灯泡内充入一定量的卤素保护气。
6. 排气夹头机构的设计
排气机设计有32个排气夹头，用来夹持灯泡排管，排管是上道
压封工序留下专为排气而准备的，它是一段长8CM与灯泡内腔相连的气管。转动排气头上的手柄，可以打开或锁紧排气夹头，锁紧时，通过压紧螺母使密封橡胶下压变形，抱紧排气管，为后面的抽真空做准备。
排气夹头上还设计了一个机械式阀门开关，排气头就是通过该阀门与静盘上的真空管道连接，操作阀门开关可以控制排气头的真空开启与关闭。实际操作中，在排气机的固定工位，设计了一系列有气缸组成的机械手通过PLC控制完成对排气头的打开、锁紧或阀门的开启、关闭操作。
7. 执行机构的设计
圆排机执行机构有排气头的打开与锁紧机构、真空管道开启与关闭机构、灯泡封离机构、拔尾管机构等。
排气头的打开与锁紧机构，自动将上有灯泡的排气头锁紧，做好抽真空的准备，在灯泡溶封后要打开排气头为吹出尾管做准备。
分离机构主要有PLC控制执行元件，将排气好的灯泡从排气夹头上溶封割离下来。最后打开排气头阀门，瞬间通入高压空气将已松开的尾管吹出。为后面工位上灯泡做好准备。该机构的投入使用可以大大减少操作工人的工作量，提高设备的利用率。由原来人工分离的1只/分钟增加到现在机器分离的10只/分钟，大幅度提高了企业的生产能力。
真空管道阀门的开启机构，是为了给停在该工位的排气头上的灯泡抽真空。而关闭机构的作用是在控制系统检测到灯泡漏气时将此路的真空系统关闭。停止后面冲洗、充卤等操作，减少不必要的浪费。
二、 控制系统的设计
1. 控制系统的总体设计
根据卤钨灯的排气工艺要求，控制系统以PLC为核心部件，结合其他的逻辑电路，实现主电机的启停，灯泡真空度的检测，烧氢电路的电压控制，定量卤素气体的充入，各执行机构的动作顺序控制等。控制系统的组成与工作原理如图2.1所示。
图2.1 控制系统的组成与工作原理
2. 主要工艺过程
灯泡的真空度在排气机上要进行在线检测，在设备的关键工位都设有检测点，并根据工艺要求设定真空度的值，通过真空表中的真空规管对真空度进行检测，如灯泡漏气，所检测到的真空值就低于设定值，则控制系统发出信号给相应的执行机构，切断该工位与
真空系统的联系。同时通过移位控制，实现该工位后面的所有工艺操作全部停止，一直到最后将其拔除。
灯泡内的钨丝在排气过程中，需要通入一定量的氢气并在其两端加上额定电压点亮。目的就是要把吸附在灯丝上的杂质和表层氧化物通过点亮加热的方法全部气化再抽空排出，通入氢气是因为在高温下钨不会与氢发生化学反应而衍生其它杂质，保证灯丝的纯净。该工艺又称烧氢，是保证灯丝在通电工作时不宜变形，延长其使用寿命的有效手段。也是灯泡在生产过程中对灯丝处理的最后一道保障。
灯泡在排气过程中，经过反复抽气—冲洗，其内部已经达到很纯净的环境，在封离之前一定要充入足量的卤素气体作为灯泡的保护气。为了满足工艺要求，使灯泡点亮时能够更好地完成卤钨循环增加灯泡使用寿命。灯泡内的卤素气压一般达到3.6∽4个大气压，灯泡在充卤之后必须将灯泡进行低温冷冻处理，使灯泡内的气压接近1个大气压时才能用火头割枪进行封离。
在本设计中采用液态氮作为冷冻液，将液态氮装入圆弧形槽中，每次大盘定位时，PLC控制气缸将液氮槽举起，使已充过卤素保护气的灯泡全部浸入液氮中冷冻。只有完全冷冻达标的灯泡才能进行或面的封离操作。
执行机构的动作顺序，是通过调整凸轮与接近开关的相位角，作为周期启动信号输入给PLC，实现开关量的逻辑运算来进行控制的。
3. PLC的程序结构设计
根据控制系统输入/输出的性质和数量，特选用南京冠德科技有限公司为圆排机专门配置的JH1200H可编程控制器。其继电器输出增大了触头容量（由原来的2A增大到3A），同时为PLC控制感性负载而专门设计了一组阻容保护电路，大大增加了触头使用寿命。
而相同规格和要求的进口品牌PLC如松下FP系列、三菱FX系列或西门子S200系列，虽然综合性能要优于南京冠德的产品，但其价格要高40%以上。况且圆排机在设计上基本都是以逻辑控制为主，
无需较复杂的数据运算和特殊功能模块控制。选用性价比较高的国产机是一个合理的选择。
冠德公司的JH1200H型PLC，有16点输入，44点输出，内置8K步EEPROM，最大可扩展128点。具有结构小巧、运行速度快、价格低廉及多功能和多用途的特点，完全能够达到圆排机的各种控制要求。
在软件设计中，充分利用PLC的特点。主控程序采用模块化设计的思想，将整个控制过程划分成几个相对独立的模块，每个模块完成一个特定的任务。
在程序执行过程中，根据输入端口输入信号的不同采用逻辑运算的方法，控制不同的输出单元。当有停机信号和异常报警信号输入时，程序都能够做出相应的处理。
圆排机整个控制程序结构流程示意图如图2.2所示，图中启动框是有外接按钮将电平信号引入PLC的输入端口，作为主程序执行的首次命令。
工况正常否判别框、初始化否判别框主要指分布在设备上的各检测元件的状态。在程序执行时，不断判别这些传感器的电平状态，以确定执行哪段程序，以完成相应的动作。
工作方式还可以选择手动和自动两种形式，操作人员可以根据具体情况在控制面板上进行选择。例如某工位执行元件是否到位的调整、封离工位机械手组合的调整等都可以选择手动工作方式让各执行元件分步进行。
停机信号判别框由外接按钮信号作为输入电平控制，该电平变化时，程序中的输入状态发生变化，控制执行停机程序。
主程序框是根据汽车卤素灯排气工艺要求所编制的一系列动作控制程序。
图2.2 PLC程序结构流程示意图
4. PLC外部硬件接线
在本设备控制系统中，输入信号是有起始控制信号、真空传感信号、位置检测信号、气压控制信号组成。共需要10个输入信号。输出则控制每个相关工位的执行元件，共需要30个输出点。PLC之所以选用16输入44点输出，主要考虑系统以后的扩展和PLC维护时输入/输出点的更换。系统I/O地址分配如表2.1所示。
控制系统中PLC与现场器件接线方法如图2.3所示。
L
N
SQ0SQ1SQ2SQ3KA1KA2SA1SA2SB0SB1
30# 夹钳 开闭
30#接 泡进 退
小液氮槽升降
打尖上下打尖进退
点亮指气缸
点亮控制32#吹氮气
关真空
取废泡开锁头
取废泡夹钳进退取废泡夹钳上下
11#工位关真空
真空检测
传动信号输入
30#30#11#14#21#21#24#24#25#
充开接打关开关充充氢真泡尖真真真卤卤气空开空空空
夹30#夹钳升降
30#30#大
夹液液
钳氮化
进槽气
退升
降
图2.3 PLC外部接线示意图
接线图中只标出排气机在实际使用中所占用的I/O的地址连线，没有标出的输入、输出点全部预留备用。
5. PLC控制系统程序的设计
在整个控制系统中，排气机每转动一个工位所需要的时间实际上就是排气过程中某道工序执行的时间，如果某工序执行时间较长，
则通过转动两个或更多的工位来补充。排气机在运行过程中，工位定位时间由前面提到的传动系统决定。而定位后各工序指定的相关操作单元执行的时间则由接近开关SQ0的通断来决定。所有执行元件的动作时间都是按它决定的时间轴来进行分配。控制系统中，所有执行元件的工作时序图如图2.4所示。 0
1
2
3
4
5
6
时间轴 Y030 Y032Y033 Y034 Y035 Y036Y430 Y432 Y433 Y434Y435 Y437 Y440Y442 Y443 Y444 Y530Y531 Y532
Y533Y534 Y535 Y536 Y537Y540 Y541
Y542
图2.4 系统各操作单元工作时序图
整个圆排机控制系统的PLC梯形图程序如后所附。
结 束 语
目前国内汽车灯泡的生产，相比其他高新技术产业还有一定的差距，部分产品的生产设备还比较落后，规模化的生产仍依靠大量的人力来完成，这已经不能适应现代化生产的要求。对现有生产设备的技术改造，向自动化、智能化、高效化发展是必然的趋势。
汽车卤素灯的排气工艺从手工排气台到自动圆排机的转变，是汽车灯泡行业传统生产工艺及设备技术改造的成功举措。厦泰公司自09年10月对老式排气台的成功改造后，生产能力得到了极大的
由表中对比可以看出，该设备的生产效率提高近10倍，大大减少了操作工人的劳动强度，而且产品合格率也排除了人为因素而得到提高，生产成本也大大降低。
管圆排机的设计改造还存在不足之处，还需要在今后的生产实践中加以改进和完善，但其设计思路与改造理念可在其他设备革新改造时提供一点参考和借鉴。
参考文献：
（1） 蔡祖泉 电光源工艺 复旦大学出版社 1997 （2） 达道安 真空设计手册 国防工业出版社 1991 （3） 常斗南 可编程控制器原理、应用、实验
机械工业出版社 2002 （4） 戴明宏 电气控制与PLC应用
北京航空航天大学出版社 2007 （5） JH1200H可编程控制器编程、使用手册
南京冠德科技有限公司 2003
附 录
厦泰照明电器有限公司32工位圆型排气机PLC梯形图控制程序
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