毕业设计（论文）-汽车发动机连杆胀断系统

吉林大学本科生毕业设计论文 i 摘 要 汽车发动机连杆胀断系统 连杆胀断工艺是国际上九十年代初发展起来的一种连杆加工新技术，它从根本上改变了传统的连杆加工方法，大幅度提高了整体发动机的生产技术水平，具有十分显著的经济效益和社会效益。 本文在对胀断工艺原理、胀断主机、装配螺栓及工件自动化传送装置的详细分析的基础上，主要研究了胀断生产线的控制系统。 文中，首先确定了系统的电气控制方案并进行了必要的论证。根据电气控制方案，对具体硬件电路进行了详细设计，并做了具体的说明。 本文的研究方法与技术线路 是按胀断工艺的技术特点而确定，通过制定整体技术方案、合理确定胀断主机的结构与主要技术参数、研究并设计胀断自动化生产装备的液压、电气及微机控制系统，全面满足连杆胀断技术高精度、高质量、高效率的精益生产要求。 关键词 ：连杆胀断工艺，可编程控制器 吉林大学本科生毕业设计论文 ii Abstract The bloated and broken technology of engine connecting rod of the automobile is a new kind of processing technology of automobile connecting rod which developed at the beginning of the 1990s in the world. it changes the traditional processing method of connecting rod fundamentally, and it improves the level of technology of the whole engine by a large margin .It has very remarkable economic benefits and social benefit. This text firstly analyzes the principle of bloated disconnected craft, the bloated disconnected host machine and the automatic assembling line in detail,then the text mainly study the control systems of the production line. In the text, we give the electrical control of the system and carrie on an essential demonstration. According to control method,the text designed the hardware circuit in detail, and gave the concrete explanation. The research approach of this text and technological circuit are fixed according to the technological characteristics of the craft .By making the whole technological scheme, confirming the structure of the bloated disconnected host machine and main technical parameters, we study and design the hydraulic pressure,electrical and computer control system of the bloated disconnected automatic eqippment.The design meet the requests of high-accuracy, high quality, high-efficiency for the the bloated disconnected production line in an all-round way. Keyword: the bloated disconnected technology of engine connecting rod, the programmable logic controller , 目录 I 目录 第一章 绪论 . - 1 - 1.1 引言 . - 1 - 1.2 项目背景及研究意义 . - 1 - 1.3 本文主要完成的工作 . - 2 - 第二章 可编程控制器概述 . - 3 - 2.1 可编程控制器的发展 . - 3 - 2.2 PLC 的特点 . - 4 - 2.3 可编程控制器程序语言设计 . - 6 - 2.4 S7-200 系列 PLC 的指令系统 . - 7 - 2.6 MCGS 组态软件 . - 10 - 第三章 设计论证 . - 12 - .1 系统控制流程概述 . - 12 - .2 系统硬件设计概述 . - 12 - .2.1 胀断主机的原理与结构设计 . - 13 - .2.2 定扭矩装配螺栓装置的原理与结构设计 . - 13 - .2.3 自动化传送 装置的原理与结构设计 . - 13 - .2.4 步进梁机械手夹持定位精度与纵、横项运动精度 . - 13 - .2.5 微机控制系统的功能制定与设计 . - 13 - .2.6 微机控制系统的设计 . - 14 - .3 电动机的启动 . - 14 - 第四章 系统硬件设计 . - 17 - 4.1 系统硬件总述 . - 17 - 胀断实验装置由机械，液压，电控三部分组成；胀断主机共有 10 个液压缸，按连杆胀断工艺要求，先后顺序动作，完成胀断任务。 . - 17 - 4.3 CPM1A 的特点 . - 18 - 4.2 CPM1A 的 I/O 规格 . - 21 - 第五章 PLC 软件系统设计 . - 23 - 5.1 CPM1A 软件基础 . - 23 - 5.1.1 CPM1A 的继电器区 . - 23 - 5.1.2 CX-Programmer 软件 . - 24 - 目录 II 5.1.3 CPM1A 与上位机的连接 . - 25 - 5.2 PLC 的 I/O 分配 . - 26 - 5.2 PLC 程序 . - 27 - 5.2.1 开机启动程序 . - 27 - 总结 . - 29 - 致谢 . 31 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 引言 近年来，随着机械工业、尤其是汽车工业的飞速发展与国际竞争的激化，零部件及其设计制造过程的高质量、高效率、低成本、低能耗已成为提高产品竞争力的唯一途径。拘泥于传统、落后的加工技术的生产模式早已难以适应市场的变化，加工技术的变革成为必然的发展趋势及发展方向。许多新的工艺打破常规，以构 思新颖、操作经济、效益显著为特点应运而生。 连杆是发动机上的关键零部件，在高频率疲劳载荷下工作，对强度有较高的要求。就制造工艺而言，连杆属于较难锻造与加工的一种零件。对其制造方法与技术，国内外都给与极大的关注。连杆胀断供依旧是国际上九十年代初发展起来的一种连杆加工方法，是对传统连杆加工的一次重大变革，具有十分显著的经济效益和社会效益，同时大幅提高了整体发动机的生产技术水平。 1.2 项目背景及研究意义 该项新技术在国外发展极为迅速、应用越来越广泛。美国的福特公司、美国的通用汽车公司、德国的宝马汽车公司、德 国的大众公司、法国的雷诺汽车公司等多家汽车生产厂商采用了该种新技术。日本的研究机构与汽车生产厂商也对此项新技术进行了广泛的研究与开发，即将在多种车型上应用。而国内汽车工业、发动机行业的连杆生产厂家目前仍旧沿用落后的传统杆、盖分体加工方法，严重的阻碍了我国汽车工业、发动机行业的快速发展。面对“入世”后的挑战和市场的激烈竞争，为了缩短我国和国外在汽车、发动机制造业上的差距，在短时间内实现发动机制造关键技术的跨越，迅速开展发动机连杆胀断加工新技术的研究与开发已是刻不容缓。 本项目的目的是自行研究开发连杆胀断新工艺 及其关键技术装备。为国内连杆生产企业提供具有当今国际先进水平的脸杆胀断加工成套技术，使该项连杆制造加工的追新技术在国内得以实施、应用于推广，从根本上第一章 绪论 - 2 - 改变我国目前仍沿用的加工工艺与方法。 本项目的研制成功对我国的汽车工业、发动机行业提高产品质量与生产效率、改变行业技术结构、促进传统产结构升级、提高生产技术水平、降低生产成本、增加经济效益、增强国内外市场竞争能力具有重要意义。同时，国外同类产品的进口、填补国内空白、节约大量的外汇和资金。 1.3 本文主要完成的工作 1. 设计连杆胀断液压系统。液压系统部分设计主 要包括液压泵电机的参数选择及控制电路，液压油温度的测量及显示电路以及必要的报警电路。 2. 连杆胀断部分设计。胀断部分通过控制液压阀来控制油路，使各机械部分产生运动，机械部分的运动起始信号由接近开关标志，并且能向 PLC发出信号。 本文第二章对 PLC 控制的原理进行了叙述，以作为后文叙述的基础。 在本文的第三章对系统的工作原理进行了叙述，作为硬件设计的指导。 第四章是硬件的具体设计，包括各个硬件的参数选择，硬件电路设计的详细说明。 第二章 可编程控制器概述 - 3 - 第二章 可编程控制器概述 2.1 可编程控制器的发展 可编程控制器是以 自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，目前它已经应用于各个领域。早期的可编段控制器只能进行计数、定时以及对开关量的逻辑控制。因此，它被称为可编程逻辑控制器 (programmable Logic Conkoller)，简称 PLC。后来，可编程控制器采用微处理器作为其控制核心，它的功能已经远远超过逻辑控制的范畴，于是人们又将其称为 Programmable Controller，简称； PC。但个人计算机 (Personal computer)也常简称 PC，为了避免混淆，可编程控制器 仍被称为 PLC。 1987 年，国际电工委员会 (IEC)在可编程控制器国际标准草案第三稿中，对可编程控制器定义如下：可编被控制器是一种数字运算操作的电了系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序按制、定时、计数和算术运算 等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成 个整体、易于扩允其功能的原则设计。 PLC 是生产力发展的必然产物。 20 世纪 60 年代初，英国的汽车制造业竞争激烈，产 品更新换代的周期越来越短，其生产线必须随之频繁地变史。传统的继电器控制对频繁变动的生产线很不适应。自然，人们对控制装置提出了更高的要求，即经济、可靠、通用、易变、易修。首先提出 PLC概念的是美国最人的汽车制造厂家通用汽车公司 (GM)。 1968 年，该公司提出用一种新型控制装置替代继电器控制，这种控制装置要把计算机的通用、灵活、功能完备等优点与继电器控制的简单、易懂、操作方便、价格便宜等特点结合起来，而且要使那些不很熟悉计算机的人也能方便地使用。根据这种设想， 1969 年美国数字设备公司 (DEC)研制出了世界 上 第一台第二章 可编程控制器概述 - 4 - PLC，并在美国 GM 公司的汽事自动装配生产线上试用获得成功。 由于 PLC 优越的性能，其问世后发展极为迅速。 1971 年，日本引进了这项技术并开始生产 PLC。 1973 年，原西德和法国也研制出自己的 PLC。70 年代中期，欧美及日本的一些生产厂家，其 PLC 产品中多以微处理器及大规模集成电路芯片为其核心部件，使 PLc 的功能进一步扩展，并且有了自诊断功能，可靠性得到大大提高。随着微电子技术的迅猛发展， 80 年代中期， PLC 的处理速度和可靠性大大提高，不仅增加了多种特殊功能，而且体积进一步缩小，成本大幅度下降。到 90 年代中期之后， PLC 几乎完全计算机化，其速度更快、功能更强， PLC 的各种智能化模块不断被开发出来，一些厂家还推出了 PLC 的计算机辅助编程软件，使得许多小型 PLC的性能也不可小视。 目前世界上 些著名电器生产厂家几乎都在生产 PLC，产品功能日趋完善、换代周期越来越短。为了进一步扩大 PLC 在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要， PLC 产品大致向两个方向发展：小型 PLC 向体积缩小、功能加强、速度加快、价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制更便于实现机电一体化；大中型 PLC 向高可靠性 、高速度、多功能、网络化的方向发展，将 PLC 系统控制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模和复杂的系统进行综合性的自动控制。 2.2 PLC 的特点 PLC 优越的性能表现在以下几个方面： 1. 灵活性和通用性强 继电器控制系统的控制电路要使用大量的控制电器，需要通过人工布线、焊接、组装来完成电路的连接。其致命的缺点是，如果工艺要求稍有改变，控制电路必须随之做相应的变动，耗时且费力。 PLC 是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的，因此 PLC 控制的系统中，当控制功能改变时只需修改程序即可， PLC 外部接线改动极少，甚 至可不必改动。一台PLC 可以用于不同的控制系统中，只不过改变了其中的程序罢了。其灵活第二章 可编程控制器概述 - 5 - 性和通用性是继电器控制电路所无法比拟的。 2抗干扰能力强、可靠性高 继电器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性。继电器控制系统的维修工作不仅耗资费时，而且停产维修所造成的损失也不可估量。而在 PLC控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之 PLC在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力，故此 PLC 可以直接按装在工 业现场而稳定地工作。从国内外使用 PLC 的实际情况来看，平均无故障率可以达到几十万小时以上。因而PLC 被誉为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。 3编程语言简单易学 虽然 PLC 是以微型计算机技术为核心的控制装置，但是不要求使用者精通计算机方面复杂的硬件和软件知识。大多数 PLC 采用类似继电器控制电路的“梯形图”语言编程，清晰直观，简单易学，了解继电器控制线路的电气技术人员很容易接受。 4 PLC 与外部设备的连接简单、使用方便 用微机控制时，要在输入输出接口电路上做大量工作，才能使微机与控制现场的设备连 接起来，调试比较烦琐。而 PLC 的输入 /输出接口已经做好，其输入接口可以直接与各种输入设备 (如按钮、各种传感器等 )连接，输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等强电电器连接，接线简单，使用非常方便。 5 PLC 的功能强、功能的扩展能力强 其一， PLC 利用程序进行定时、计数、顺序、步进等控制，十分准确可靠。而用继电器控制时，需使用大量时间继电器、计数器、步进控制开关等设备，其准确性与可靠性无法与 PLC 相比。 其二， PLC 还具有 A/D 和 D/A 转换、数据运算和数据处理、运动控制等功能。因此它 既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。其中 PLC第二章 可编程控制器概述 - 6 - 具有通信联网功能，因此，它不仅可以控制一台单机、一条生产线，还可控制一个机群、多条生产线，它既可现场控制，也可远距离对生产过程进行监控。 PLC 的功能扩展极为方便，硬件配置相当灵活，根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。 6 PLC 控制系统的设计、调试周期短 由于 PLC 是通过程序实现对系统的控制，所以设计人员可以在实验室里设计和修改程序。更为方便的是可在实验室里进行系统的模拟运行调 试，使现场工作人员大为减少。而继电器控制系统是靠调整控制电路的接线来改变控制功能的，调试时费时又费力。 7 PLC 体积小、质量轻、易于实现机电一体化 由于 PLC 内部电路主要采用半导体集成电路，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低的特点；更由于它具有很强的抗干扰能力，能适应各种恶劣的环境，因而它已成为实现机电一体化十分理想的控制装置。 2.3 可编程控制器程序语言设计 在可编程控制器中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、指令助记符程序设计语言、功能表图语言、功能模块语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言是基本 程序设计语言，它通常由一系列指令主成，用这些指令可以完成一系列的简单控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展和增强指令集它也能执行其他的基本操作。功能表图语言和语句描述是高级的程序设计语言，它可以根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的打印和其它基本的设计语言无法完成的功能。功能块图语言采用功能块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组太时也常常被采用，由于它具有连接方便，操 作简单，易于掌握等特点，为广大工程设计和应用第二章 可编程控制器概述 - 7 - 人员所喜爱。 根据可编程控制器的应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言是： 梯形图程序设计语言 梯形图编程语言是一种图形语言，是若干图形符号的组合。不同厂家的 PLC 各有自己的一套梯形图符号。这种编程语言具有继电器控制电路形象、直观的优点，熟悉继电器控制的技术人员很容易掌握。因此，各种机型的 PLC 都把梯形图作为第一编程语言。 语句表编程语言 这种编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能。对同样功能的指令，不同厂家的 PLC 使用的助记符 一般不同。 指令语句是 PLC 用户程序的基础元素，多条语句的组合构成了语句表。个复杂的控制功能是用较长的语句表来描述的。语句表编程语言不如梯形图形象、直观，但是在使用简易编程器输入用户程序时，必须把梯形图程序转换成语句表才能输入。 2.4 CPMlA 系列 PLC 的指令系统 1、 指令的分类 2、 指令的格式 4指令的微分、非微分形式 2.5 基本指令 1、 常用的基本指令 2.6 OMRON 特殊功能模块 1、模拟量输入单元 C200H AD00l 结构 C200H AD 001 是 C200H PC 的模拟量输 入单元。有 4 路模拟量输入端口。其内部结构如图 1 所示。 AD001 单元将模拟量输入信号转换为二进制数字量。同时它也提供了数据换算，取平均值计算、峰值保持处理等功能。第二章 可编程控制器概述 - 8 - AD001 单元的转换处理需要预先设定的参数进行控制。当 AD001 单元上电或当 PLC 的 AR 区中与该单元对应的重新启动位激活时 PLC 将预设的参数经 I/O 总线送给 AD001 单元中的 CPU 和存贮器。该 CPU 根据这些参数及 PLC 的命令控制 A/D 转换器，完成 A/D 转换。然后持 PLC 发出读取转换结果的命令，再将转换后的数字量放到 PLC 指定的数据区。 图 2-1 A/D001 的内部结构图 模拟景输入转换的操作流程如图 1 所示、其中设备号及信号路数的指定给出外部输入信号在 AD001 单元上连接的端子号。单元的各端子号有相应的 PC 数据区所对应。该数据区中的指定通道分别存放相应输入路的数据换算用上、下限和平均数据的设定值。该数据区的数据存入方式及其与输入端子的对应关系如表 1 所示。 DM 位 位 15 00 DM1 00 输入 1 刻度值下限数据 (BCD) 第二章 可编程控制器概述 - 9 - DM1 01 输入 1 刻度值上限数据 (BCD) DM1 02 输入 2 刻度值下限数据 (BCD) DM1 03 输入 2 刻度值上限数据 (BCD) DM1 04 输入 3 刻度值下限数据 (BCD) DM1 05 输入 3 刻度值上限数据 (BCD) DM1 06 输入 4 刻度值下限数据 (BCD) DM1 07 输入 4 刻度值上限数据 (BCD) DM1 08 输入 1 整数 （ BCD） DM1 09 输入 2 整数 （ BCD） DM1 10 输入 3 整数 （ BCD） DM1 11 输入 4 整数 （ BCD） 表 2-1 DM 区参数表 PLC 根据用户在 IR 区中涉定的命令来启动和控制 AD001 的转换过程。同时， AD001 转换完成的数据亦放在 IR 区中。 2数据处理功能 模拟量单元提供下列功能：刻度值功能、平均值功能、睁值保持功能、开平方根功能的使用。由相应的程序实现。 (1)刻度值功能： 说明：刻度值功能用于对工业信号的处理。它将 12 位 的二进制数据(3 位十六进制数 )转换成 BCD 码表示的数据 4 位十进制数。刻度值位于存入 DMl 00 一 1 07 内的上、下限范围之内。当内部辅助继电器区域 1 002 1 005内的刻度值标志为 ON 时，执行此功能。 设定： 在 DMl 00-1 07 内设定每个输入通道的下、上限值。设定时， BCD数据的范围为 0-9999。 刻度值数据的设定、通过编程器上的数据改变或 3 通道监控功能实现(不能用程序设定刻度值。详细设定操作见 C200H 操作手册 )。 第二章 可编程控制器概述 - 10 - 计算： 用下列公式计算刻度值，忽略小数部分 刻 度值 =输入值 *（上限值 -下限值） /4000 +下限值 其它功能在此就不一一介绍了。 2.6 MCGS 组态软件 关于 MCGS 5.11 通用版组态软件 . MCGS 5.11 通用版组态软件是一套基于 Windows 95 和 Windows NT 平台 (或更高版本 )、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它提供了从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案。 MCGS 5.11 通用版组态软件的功能和特性如下所述： * 概念简单，易于理解和使用 * 提供了一套完整的解决 方案 * 真正的 32 位应用系统 * “以实时数据库为核心，面向窗口” 图 2-2 MCGS 界面 在 MCGS 5.11 通用版组态软件中，设备被实现成独立的构件形式，不同的设备对应于不同的构件。设备构件不仅仅包括设备驱动程序，还有不同的方法和属性供系统调用，每个设备构件都由一个独立的线程来管理。对不同的外部硬件设备，只须提供相应的设备构件，而系统的其它部分和第二章 可编程控制器概述 - 11 - 设备无关，不作任何改动。 * 以窗口为单位 * 丰富和方便的动画组态 * 充分利用面向对象技术 * 充分利用数据库技术 * 对象元件库库的日益扩大和 丰富，复杂的组态过程将会变得越来越简单。 图 2-3 实际系统界面第三章 设计论证 - 12 - 第三章 设计论证 .1 系统控制流程概述 连杆胀断新工艺与传统的连杆加工方法相比，最大不同在于：来南传统机械加工方法是对 锻件毛坯首先初铣、磨连杆两侧面，并将连杆盖与杆铣开，分别加工杆盖与杆上的螺栓孔（也含定为孔），在分别磨削连杆盖与杆不得接合面，最后对装配在一起的连杆进行精磨亮侧面、精镗大小头孔等工序。而连杆胀断加工方法由于采用了胀断工序，从而取消了连杆杆与盖的两端一级杆、盖结合面磨削这两道生产效率低的工序。同时，螺栓孔的设计与及加工也大为简化，既无需增加额外的螺栓定为孔，可省去螺栓孔的铰和镗等精加工，不仅降低了螺栓孔的加工精度和加工成本，同时也能使连杆承载能力、抗剪能力、杆与盖的定位精度以及装配质量大幅提高。 针对目前国外 的连杆胀断成套设备研制现状，并充分考虑我国的国情，确定了总体技术方案，所研究开发的连杆胀断工艺装备由机械系统、液压系统、电器及微机控制系统组成。其机械系统主要由胀断柱、定扭矩装配螺栓装置、步进梁式机械手三大部分组成： 胀断主机的功能是将步进梁机械手传递过来的连杆定位、压紧、胀断，最后再将胀断后连杆的杆和盖精确定位。 定扭矩装配螺栓主装置的功能是将步进梁机械手有胀断工位传递过来的杆、盖完全啮合的连杆进行定位、压紧穿入螺栓，并按所规定的扭矩拧紧。 步进梁式机械手为各工序的自动化传送装置，具有三工位自动传递功能。 每一尺步进动作将完成工件得上料、胀断、定扭矩装配螺栓、下料四工序的工作要求。 为满足胀断工艺的高质量、高精度、高效率的生产要求，实现发动机连杆胀断、装配螺栓两道核心工序的自动化生产过程，本项目需采用复杂的液压系统及电器、微机控制系统。 .2 系统硬件设计概述 第三章 设计论证 - 13 - 3.2.1 胀断主机的原理与结构设计 胀断主机是连杆胀断加工新技术中最为关键的核心设备。在胀断主机上，将要完成得连杆大头孔的脆性断裂，是连杆盖与连杆本体分离，然后在将分离后的连杆盖与连杆本体精确复位，实现完全啮合。按连杆胀断工序的工艺要求与主要功能， 该胀断主机主要有机架、连杆定位、压紧、滑块机构以及楔形拉杆胀断等机构组成。 3.2.2 定扭矩装配螺栓装置的原理与结构设计 定扭矩装配螺栓装置是胀断加工技术中关键工艺装备之一。连杆在胀断工序仅完成了杆、盖分离与杆、盖复位啮合，但尚未装入螺栓。在定扭矩装配螺栓装置上，要自动完成上螺栓、并将螺栓按连杆的技术要求拧紧至所要求的扭矩。 按胀断工艺的实际要求和定扭矩装配螺栓工序所要完成的工作，研究开发了定扭矩装配螺栓装置，该装置由连杆加紧机构、上螺栓机构、定扭矩扳手三大部分组成。 3.2.3 自动化传送装置的原理与结 构设计 为保证连杆胀断、装配螺栓的质量和精度，并实现连杆胀断过程的自动化，本项目在各工序间的工件的传递上，采用了复杂的步进梁式机械手，该装置主要包括机架、机械手、横移于垂直运动机构、夹钳机构。 3.2.4 步进梁机械手夹持定位精度与纵、横项运动精度 机械手夹持定位精度与运动精度是衡量机械手性能的重要指标。对于连杆胀加工技术，步进梁机械手不仅要完成个工序间连杆的自动化传递工作，而且要有很高的夹持定位精度与纵、横项运动精度，不论是在胀断前的上料工位、还是胀断、定扭矩装配螺栓工位，连杆的大小头孔内径与定位块的间隙 只有 0.1mm，因此要求步进梁机械手夹持定位精度与纵、横项运动精度要达到上下误差不超过 0.05mm. 3.2.5 微机控制系统的功能制定与设计 发动机连杆胀断加工新工艺要求较高的自动化生产程度和水平。采用第三章 设计论证 - 14 - 简单的工艺装备无法满足连杆胀断加工的高精度、高质量、高效率的生产要求。 本项目研究开发的连杆胀断自动化生产装备主要由胀断主机、定扭矩装配螺栓装置及几步进梁式自动化传送装置三大部分组成。除包括复杂的机械系统外，还含有多功能的复杂液压系统、电器及计算机控制系统。该自动化生装备的主要特点是结构复杂、功能多、执行 机构多且动作较差。为实现连杆加工的自动化生产过程，本项目采用了 PLC与人机界面控制系统，对胀断加工过程进行自动控制。 3.2.6 微机控制系统的设计 由于该自动化生产设备中仅驱动油缸就有 21个之多，加之手动、自动、工作、报警等指示灯的数量 PLC输出点合计为 75个。 为满足设计中所需的接近开关、气动、停滞、守东 /自动测试等要求，PLC的输入点数合计为 110个。为此选了 OMRON的可编程控制器 ，含一套主机，两套扩展， 外加一个扩展 I/O单元 。其主机型号规格为： CPM1A-40CDR-A,扩展型号规格为： CPM1A-20EDR。 该 plc主机和扩展系统的输入点为 112点，输出点为 112点。 为提高自动化控制水平，是连杆胀断加工过程中的工艺参数设定、修改加工过程、股长显示等数据、图形一目了然，微机控制系统中选择了日本三菱公司的人机界面，其具体型号规格为 A900GOT系列。配备 256色高亮度 TFT屏幕，可直接显示出颜色鲜艳的照片。可与三菱的 PLC系统连接。 .3 电动机的启动 直接启动： 所谓直接启动。就是利用电磁开关设备，将电动机定子绕组直接接到额定电压，额定功率的电源上 故有称全起动直接启动的优点是启动设备与操作都 比较简单，其缺点是受到故有启动性能的限制，启动电流大，启动转距小，因此，直接启动只适用于小容量的异步电动机的空载或轻载启动。 1、 Y 启动 电动机的启动电流很大，而供电电网承受的冲击电流能力是有限的，第三章 设计论证 - 15 - 因此，当电网容量不大或者电动机容量很大时，是不允许直接启动的。因为会对其他用电器的正常工作受到很大的影响。对于正常运行时的锭子绕组规定是 联接的三相异步电动机，而在启动时可以采用 Y 接法使电动机每一相所承受的电压降为额定电压的 1/ 3，故又 Y 降压启动，采用 Y 降压启动，电网供给的电流下降为启动时的 1/3。对于采用这种方法启动的电动机，要求定子绕组首尾六个接线端子都引出来，其接线原理图，如图 3-1 所示； Y 降压启动，启动转距减低的倍数与电流减低的倍数相同，这种方法一般适用于空载或者是轻载启动，由于高压电动机引出六个出线端子有困难，故 Y 启动一般仅用于 500V 以下的电压电动机，且又限于正常运行时定子绕组做接法。常见的额定电压标为 380/220V 的电动机，其意思是：当电源线电压为 380V 时用 Y 接，当线电压为 220V 时用接，显然当电源线电压为 380V 时，这类电动机就不能采用 Y 降压启动了， Y 降压启 动的优点是启动设备简单，成本低，运行比较可靠，维修方便，启动电流特性好。缺点是启动转距小只为原来的 1/3。 图： 3-1 电动机 Y-启动原理图 2、软启动器启动 当电动机额定功率过大时，用 Y-启动也可使电网受到很大的电流冲击，所以采用软启动器控制电动机启动。从 PSS 18/30至 PSS142/245的所有软启动器都可采用内接和外接的两种方法与电动机相连接。但内接的方第三章 设计论证 - 16 - 法可以连接到功率更大的电动机。如图 3-2，图 3-3，图 3-4 所示，端子1L1， 3L2， 5L3 应接电源端，而端子 2T1。 4T2， 6T3 应接 电动机一端，相序对软启动器没有影响。 第四章 系统硬件设计 - 17 - 第四章 系统硬件设计 4.1 系统硬件总述 胀断实验装置由机械，液压，电控三部分组成；胀断主机共有 10 个液压缸，按连杆胀断工艺要求，先后顺序动作，完成胀断任务。 本设计中，用到的硬件装置主要有： 1 台交流电机，总容量为 15KW。交流电机的主回路电压为 380V，控制电压为 110V 或 220V， PLC 需要电源电压 24V，照明电压 24V，信号等电压24。 为了检测机械装置的起始位置，需要用到接近开关。在本装置中，总共需要 SQ1 SQ22共 22 个接近开关。 液压系统由电磁阀进行控制，在本系统中，总共要用到 YV1 YV15总共15 个电磁阀。 系统设计要求操作方式有了两种，手动操作与自动操作。 在手动操作方式中，可以用按钮对胀断主机的每一步进行单独控制，以对系统进行调试和调整。系统的动作主要包括： 1 、杆端水平压紧 /松开； 2 、盖端水平压紧 /松开； 3 、杆端垂直锁紧 /松开； 4 、盖端垂直锁紧 /松开； 5 、胀断 /回程； 6 、动滑块水平进 /退。其中， 5 ， 6 两种动作为点动，即按则动，松则停，其余均一步到位。 在连续自动方式中，机械动作按控制顺序流程，周期循环。但由于该装置未安装上下料机械手，故工件放好后，先由人工发出信号，然后自动动作。 4.2 可编程控制器的选型 汽车连杆胀断系统是一个典型的顺序控制生产线，其控制特性非常适合于 PLC 控制，因此确定使用 PLC 作为控制主机。在输入输出点数符合现场需要的前提下，各大厂家的中、小型甚至微型 PLC 都可选用。多数情况下，只需要 PLC 做一些简单的逻辑判断，操作时序控制以及模拟量处理电第四章 系统硬件设计 - 18 - 路，这样的要求对已经相当成熟的各大厂家都有产品能够胜任。用户可以根据需要和具体情况随意选择。 真正需要注意的问题是 PLC 的价格和客户支持，一个高的性价比，一支好的客户服务队伍，都可以作为这里选择 PLC 的标准。 OMRON 公司就是世界上非常著名的几大 PC 生产与开发的厂家之一。 OMRON 的大、中、小、微型机各具特色，各有所长。在用户中的占有率位居前列，并且享有很高的声誉。之所以在连杆胀断系统的主控系统中选用 OMRON 的 CPM1A 中型机，正是由于以上的原因。 除此以外， CPM1A 本身的特点也是值得一提的。 4.3 CPM1A 的特点 1) CPM1A 分为： 10 点输入输出型 CPU 单元、 20 点输入输出型 CPU 单元、 30 点输入输出型 CPU 单元以及 40 点输入输出型 CPU 单元。 2) 输入输出端子一体化的组件型 CPU 单元中装配了 10 40 点的输入输出端子，为一体化组件型的PC。 3) 通过扩展 I/O 单元可以增设 20 点 *3 台的输入输出 对 30 点、 40 点输入输出型的 CPU 单元，最大能连接 3 台 20 点的输入输出扩展 I/O 单元。 4) 可实现平稳输入输出动作的输 入滤波器功能 为防止因输入信号抖动以及外部干扰而造成的误动作，配备了可选择输入时间常数（ 1ms/2ms/4ms/8ms/16ms/32ms/64ms/128ms）的滤波器功能。 5) 维护简单 由于采用快闪内存，无电池的内存支持得以实现，使维护简单化。 6) 外部输入中断功能 10 点输入输出型最多 2 点， 20 点、 30 点、 40 点输入输出型最多 4第四章 系统硬件设计 - 19 - 点的外部输入中断可以实现。除通常的输入中断以外，还有对外部信号进行高速计数，到一定计数值中断的计数器模式。 7) 快速响应输入功能 与周期无关，最小输入脉冲为 0.2ms 的输入。快速响应输入 与外部中断输入共用。 8) 间隔定时器中断功能 可设定 0.5 319968ms 的一个定时间隔。除到限定时间只有一次中断的单触发脉冲模式以外，还有在一定间隔内反复中断的定时中断模式。 9) 高速计数器功能 具有增减模式或者递增模式下可以使用的高速计数器在同中断功能一起使用时能进行不受循环时间影响的目标值比较控制和区域比较控制。 10) 模拟设定电位器功能 扭动电位器就可以设定值的大小。一共有两个用于模拟设定的电位器。 11) 对应上位链接通信 与个人计算机的通信，能用的上位链接通信。也可以同本公司的 PT连接。 1:1 通信，应使用 RS-232C 适配器， 1:n 通信使用 RS-422 适配