毕业设计：涡轮增压器组件的装配与检测系统设计

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 题目 涡轮增压器组件的装配与检测系统设计 学 院 电气与自动化工程学院 年 级 2011 级 专 业 自动化 班 级 自动化 113 学 号 160111126 学生姓名 俞雷 校内导师 毛丽民 职 称 实验师 校外导师 朱广海 职 称 工程师 论文提交日期 2015-05-12 常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书 本人郑重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文)， 是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 本人签名： 日期： 常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明 本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的 规定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常 熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许毕业设计(论文)被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(论文) 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编毕业设计（论文） ，并且本人电子文档和纸质论文 的内容相一致。 保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。 本人签名： 日期： 导师签名： 日期： II 涡轮增压器组件的装配与检测系统设计 摘 要 涡轮增压器作为提高功率、节能减排的装置，正被越来越多的应用到各种各样的现代 汽车中，正因为如此，对涡轮增压器的需求量也越来越大。 针对目前的现状，提高对涡轮增压器的装配效率以及装配质量必将成为涡轮增压器装 配的重要研究方向。为了提高装配系统对装配流程变化的适应能力，加强装配系统的可靠 性，本课题将结合涡轮增压器装配的特点，集成应用 S7-300PLC、OPC、PROFIBUS-DP、 Ethernet、LabVIEW、工业控制机以及图像处理等相关技术。设计出对涡轮增压器组件的 装配与检测系统，以高效地实现装配任务。本课题将主要研究如何有效地装配涡轮增压器 的以下组件：Bearing、Shroud、Pin、SWA（Shaft Wheel Assembly)、TSA（Shaft Wheel Assembly）等。 经实践证明，本文设计的涡轮增压器组件的装配与检测系统提高了装配效率以及质 量，有效地降低了生产的成本，间接地提高了产业效益。该设计也在实际应用过程中满足 了现实需求。 关键词：涡轮增压器 S7-300PLC LabVIEW OPC PROFIBUS-DP 图像处理 III Design of an Assembly and Testing System of Turbocharger Components Abstract Turbocharger as a device to improve the power, energy saving and emission reduction, is being applied more and more to a variety of modern car. Because of this, the demand for the turbocharger is also growing. In view of the current situation, to improve efficiency and quality of turbocharger assembly will become an important research direction of turbocharger assembly. In order to improve the system to adapt to changes in the assembly process capability and strengthen the reliability of assembly systems, this design will combine the characteristics of the turbocharger assembly, integrated and applied S7-300PLC, OPC, PROFIBUS-DP, Ethernet, LabVIEW, industrial control machine and image processing and other related technologies. Design assembly and testing system of turbocharger components to efficiently achieve assembly task. This paper will mainly study how to effectively assembly turbocharger with the following components: Bearing, shroud, Pin, SWA (Shaft Wheel Assembly), TSA (Shaft Wheel Assembly), and so on. The practice proved that the assembly and testing system of turbocharger components designed in this paper improves the assembly efficiency and quality, effectively reduce the cost of production, and indirectly improve the industrial efficiency. In the actual application process, the design meets the practical needs. Key words: Turbocharger; S7-300PLC; LabVIEW; OPC; PROFIBUS-DP; image processing IV 目录 1.绪论1 1.1 研究背景 1 1.2 研究意义 1 1.3 研究的主要内容 2 1.4 本章小结 3 2. 系统方案设计4 2.1 系统设计概述 4 2.2 系统装配组件介绍 4 2.3 系统工作流程 5 2.2 本章小结 6 3.系统硬件介绍7 3.1 S7-300PLC 介绍 7 3.1.1 工作原理 7 3.1.2 组成部分 7 3.2 Rexroth 电动螺丝刀系统 8 3.2.1 电动螺丝刀 8 3.2.2 螺丝刀控制器 8 3.3 电磁阀岛 9 3.4 电缸及控制器 9 3.4.1 电缸控制器 9 3.4.2 电缸 . 10 3.5 本章小结 . 11 4. 系统硬件与电气设计12 V 4.1 系统总的结构框图 . 12 4.2 S7-300PLC 控制器 I/O 设计 . 12 4.2.1 S7-300PLC 数字 I/O 分配表 12 4.2.2 S7-300PLC 的接线图 13 4.3 电缸控制系统设计. 15 4.3.1 电缸控制系统结构分析 . 15 4.3.2 电缸控制器接线 . 15 4.3.3 电缸控制器的设置与地址分配 . 16 4.4 螺丝刀控制系统设计. 18 4.4.1 螺丝刀系统通信 . 18 4.4.2 螺丝刀控制器操作 . 18 4.5 系统电气设计 . 23 4.6 本章小结. 24 5系统通信设计.25 5.1 系统的通信网络设计 . 25 5.2 OPC 通信介绍 . 26 5.3 Profibus-DP 现场总线 . 26 5.4 Ethernet 通信 26 5.5 本章小结. 27 6.人机界面与检测技术设计28 6.1 人机界面设计. 28 6.1.1 人机界面概念介绍 . 28 6.1.2 人机界面展示 . 28 6.1.3 PLC 与 HMI 通讯 30 6.1.4 PLC 与 HMI 数据关联 31 VI VII 6.2 检测技术设计. 32 6.2.1 有无检测 . 32 6.2.2 尺寸检测 . 32 6.3 检测流程设计. 33 6.4 本章小结. 34 7.总结、展望与影响35 7.1 总结. 35 7.2 展望. 35 7.3 对环境及社会可持续发展的影响 . 35 7.3.1 对环境可持续发展的影响 . 35 7.3.2 对社会可持续发展的影响 . 35 参考文献.37 附录.38 附录一 系统气路图 38 附录二 系统主电源回路设计图 39 附录三 PLC 主程序 63 附录四 系统实物图 67 致谢.68 常熟理工学院毕业设计（论文） 1.绪论 1.1 研究背景 1.1 研究背景 涡轮增压技术的出现，可谓是掀开了内燃机发展史上的新篇章。涡轮增压技术在许多 方面发挥了重要的作用，其作用体现在对于节能减排、提高内燃机的功率以及提升燃油的 经济性等方面。 然而在涡轮增压技术出现后的一段时间里并没有应用到车用发动机上。而是随着涡轮 增压器在效率方面的提升以及与涡轮增压技术相关技术的发展，涡轮增压技术逐渐开始在 车用发动机方面得以应用。尤其在汽油机的涡轮增压技术取得巨大飞跃时，涡轮增压凭借 技术突破的势头广泛的应用到汽车领域。 涡轮增压器是一种压缩机，其结构由定子和转子组成，通过这种结构进行驱动，并以 此压缩由内燃机在爆燃后所产生的废气。涡轮增压器在功能上功能与机械增压器的功能相 似，都是以达到增加进入内燃机的空气流量来提高整个机器运作效率的目的。涡轮增压器 为了增加内燃机的马力输出，充分的利用了废气的热量及其流量，起到了很大节能减排作 用。 目前在重型柴油机领域，美国、欧洲等发达国家和地区已经完全采用涡轮增压器，在 中小型汽车柴油机领域也已经达到百分之八十，并且汽油机领域也市场的应用率不断增 高。近年来，国内目前汽车发动机的增压化率也开始不断提高，与过去主要是在一些大中 型汽车柴油机上采用增压技术，很少有轻型车采用增压发动机的情况有了很大不同。根据 我国汽车发动机市场现状和汽车发展规划设想，可以想象的到主机配套和维修配件及出口 的增压器将是一个巨大的市场。因此，在车用发动机领域，涡轮增压技术将会有一个非常 广阔的应用前景，采用增压技术现如今已然是内燃机工业一项主要发展方向和技术政策。 随着汽车工业的不断发展，因为环境保护以及市场竞争针对汽车发动机的废气利用、 降噪减排、动力性能甚至经济性等方面提出了越来越高的要求，因而也就促使涡轮增压技 术向更高的技术水平不断发展。 为适应这些严苛的技术要求， 这便需要发展各种增压系统。 然而更为重要的是研究出效率高、适用范围广、经济效益高、能源利用率高的涡轮增压器。 随着研究的不断深入， 涡轮增压技术已经逐渐成熟， 加上如今国内家用汽车市场不断扩大， 对于涡轮增压器的生产提出了新要求提高生产效率以及生产成本。 1.2 研究意义研究意义 近年来发动机所使用的涡轮增压技术越来越多应用到许多类型的汽车上，加大了市场 对涡轮增压器的需求。更何况涡轮增压器具有以下优点: 1 常熟理工学院毕业设计（论文） 1.提升发动机的功率。提高发动机的功率可以通过在保证发动机排量不变的情况下， 增加发动机的进气的密度来获得更多的喷油。其他条件不变的情况下，发动机的功率及扭 矩由于安装了涡轮增压器而将增大五分之一。因此，通过安装增压器可以在同样的功率输 出要求下，可以降低发动机的缸径，这有利于减小发动机的体积与质量。 2.提升燃油的燃烧率，改善尾气排放。涡轮增压器通过利用燃烧后的废气的热量与流 量，来改善燃烧率。提高发动机的燃烧效率将有效的减少发动机废气中颗粒物以及氮氧化 物等有害成分的产生，有利于环境保护。因此涡轮增压器也是为了达到相关排放标准不可 缺少的配备。 3.提高燃油经济性，降低油耗。由上述第 2 点可以得知，在相同条件下，安装涡轮增 压器的发动机的燃油性能更加出众，因而具有节省燃油的效果。为了给涡轮增压器的组装 设计更加高效的自动化生产设备，需要设计汽车涡轮增压器组件的组装系统，用以提高涡 轮增压器的生产效率、产品合格率、降低生产成本。 随着现代技术的发展，涡轮增压器应用的越来越广泛，市场对涡轮增压器的需求也越 来越大，面对市场的需求，催生了对于涡轮增压器加速生产，提高产品合格率的需求。因 此研究涡轮增压器的装配与检测系统设计显得至关重要！ 1.3 研究的主要内容研究的主要内容 本课题基于自动化控制技术以及检测技术，设计一种涡轮增压器组件的装配与检测系 统，用来实现涡轮增压器组件的组装，包括 SWA、CH、Bearing、TSA、Pin、Shroud 的检 测与组装。 汽车涡轮增压器组件的装配与检测系统以 S7-300PLC 为控制核心， 以 LabVIEW 为上位机，用西门子触摸屏控制整个流程的执行。整个系统大致可以分为视觉检测部分， 涡轮增压器装配部分，位移传感器校准部分，三部分完成涡轮增压器的检测与组装。按照 上述对于该设计的系统的介绍，对论文内容分为以下几章来详述。 第一章为绪论，主要介绍了本设计关于涡轮增压器的相关研究背景、研究意义，通过 这些来反映 以及研究的主要内容，并概述论文的章节安排。 第二章主要是设计方案的介绍，将经过根据生产装配要求而研讨论证的方案进行叙 述，并介绍系统的装配组件以及系统工作的流程。 第三章介绍系统的部分硬件设备，通过对这些设备的控制来完成整个系统的装配与检 测任务。 第四章主要讲述关于硬件部分的设计情况，包含了整个系统的架构、主控制器 I/0 分 配，以及详述关于对电缸的控制和螺丝刀系统的控制。 2 常熟理工学院毕业设计（论文） 第五章主要叙述关于系统的通信设计，对系统的通信网络进行叙述，并具体介绍 OPC 技术、Profibus-DP 总线以及 Ethernet 通信。这些通信构成了整个系统的脉络。 第六章以控制界面以及检测技术设计进行描述，并对主要运用的图像处理技术进行叙 述，以及讲述 HMI 的设计。 第七章总结、展望与影响，对本次设计进行总结，并对还可完善之处进行展望。在影 响中主要讲述对环境以及社会可持续发展的影响。 1.4 本章小结本章小结 本章首先对涡轮增压器进行了介绍，讲述了背景与研究意义，阐述了提高涡轮增压器 的生产效率以及降低生产成本的重要性。同时对论文结构做了安排。 3 常熟理工学院毕业设计（论文） 2. 系统方案设计 2.1 系统设计概述系统设计概述 该系统的设计主要分为以下几个部分： 1 作为整个装配系统的控制核心 S7-300PLC， 通过控制螺丝刀以及电缸与气缸的运动 负责控制涡轮增压器的各个组件的安装。其中对于螺丝刀的控制，是通过对螺丝刀控制器 进行控制；对于电缸的控制，是通过对电缸控制器进行控制；对于气缸的控制，是通过阀 岛进行控制。同时，S7-300PLC 通过多种传感器传感器进行探孔、校准等工作。 2. 作为整个检测系统的控制核心 LabVIEW，通过工业相机对涡轮增压器组件进行拍 照与所建立好的模板进行匹配检测。整个检测过程主要运用了图像处理的相关知识。并将 检测结果告知 S7-300PLC。在系统完成装配与检测工作后，控制打印机打印相关条形码。 3. 整个系统的通信方式， 主要分为 PROFIBUS-DP 通信以及 Ethernet 通信方式,并采用 OPC 技术进行数据交换。其中 S7-300PLC 与电缸控制器、螺丝刀控制器、触摸屏 HMI、 阀岛之间通过 DP 总线进行通信，而工业控制机与 S7-300PLC 之间则是通过网线连接进行 OPC 通信。 2.2 系统装配组件介绍系统装配组件介绍 本系统设计组装以下这些涡轮增压器的组件（系统装配组件示意图如图 2.1 所示）： 轴承（Bearing） 护罩（Shroud） 活塞环（Piston Ring 简称 Ring） 定位栓（Pin Locating 简称 Pin） 中心壳体（Center Housing 简称 CH） 轴轮组件（Shaft Wheel Assembly 简称：SWA） 推入式定位组件（Thrust Spacer Assembly 简称：TSA） 4 常熟理工学院毕业设计（论文） 图 2.1 系统装配组件示意图 2.3 系统工作流程系统工作流程 将设备上电，配置设备所生产产品型号的参数，按复位按钮进行复位操作。将放置 SWA、CH、Bearing、TSA、PIN 在相应夹具上。用位移传感器检测 Shroud 是否正确,夹具 检测 SWA 直径与否。按双手按钮（启动按钮），用位移传感器检测 Shroud 的直径是否正 确， 将正确的 Shroud 放置在 CH 上。 按启动按钮， 相机 1 拍照检测 SWA， 相机 2 检测 shroud 是否放置在 CH 上，相机 3 检测 pin。一切均正确无误后，取下 SWA，按单手按钮，X1/Z1 电缸走位置（SWA 夹具运动至 CH 正下方），放置 SWA，气缸下压。X1/Z1 电缸分别运 动至 Bearing、TSA 检测位，相机 1 进行检测。无误后，X1/Z1 电缸运动将 Bearing 插入 CH，X2/Y1 电缸运动进行探孔，再次运动并进行打螺丝，最后将 TSA 插入 CH，完成后电 缸、气缸进行回初始位置状态，打印条码，完成此次流程。系统工作流程如图 2.2 所示。 5 常熟理工学院毕业设计（论文） 图 2.2 系统工作流程图 2.2 本章小结本章小结 通过研究生产要求，针对生产过程而设计了系统的实施方案。通过对整个系统的实施 方案的工作流程的设计，进一步完善了整个系统的方案设计工作，为接下来的方案实施打 下了基础。 6 常熟理工学院毕业设计（论文） 3.系统硬件介绍 本设计采用 S7-300PLC 作为整个设备的控制核心， 通过 DP 总线方式控制电缸控制器、 阀岛以及螺丝刀控制器来实现对涡轮增压器组件的装配。在本章中将会对 S7-300PLC、电 缸、气缸、电缸控制器、阀岛、以及螺丝刀控制器进行简单介绍。 3.1 S7-300PLC介绍 S7-300PLC介绍 S7-300PLC 作为一种可编程序控制器是由西门子公司生产的 PLC 系列产品之一。 S7-300PLC 具有以下特点：分布式的配置易于实现、模块化结构、高性价比、电磁兼容性 强等，以上这些性能上的优势使其在工业控制领域中具有广泛的应用，因此 S7-300PLC 在 工业应用中成为一种既经济又可靠的解决方案。 结合上述叙述， 在本系统中采用 S7-300PLC 作为设备的控制核心。S7-300PLC 如图 3.1 所示。 图 3.1 S7-300PLC 3.1.1 工作原理 PLC 是以一种循环运行的方式， 来执行用户的程序。 其中 OB1 程序块是作为循环执行 程序的组织块（即整个用户程序的主程序）。在 OB1 程序块中既可以调用逻辑块，也可以 被中断程序中断。当 S7-300 起动完成后，将不断地循环执行 OB1 程序块，然后在 OB1 中 调用其它逻辑块。在这循环执行程序的过程中，进行相应的中断处理程序。 3.1.2 组成部分 在本次设计中运用 S7-300 以下几个基本组成模块： 1.电源模块：将日常生活中的 220V 交流电转换为 24V 的直流电，为整个 S7-300PLC 的 CPU、信号模块、功能模块以及相关的执行器等提供直流电源。 2.CPU 模块：对于不同的 CPU，便具有不同的性能。CPU 模块可以集成数字量和模拟 量输入/输出点，也可以集成 PROFIBUSDP 等通信接口。在本设计中便采用集成具有通 信接口的 CPU 模块。 3.信号模块：信号模块主要由数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块（电 压，电流，电阻，热电偶）、模拟量输出模块（电压，电流）这四种单独构成或组合构成。 除了以上模块以外，S7-300PLC 还可以配置功能模块、定位模块、接口模块等。 7 常熟理工学院毕业设计（论文） 3.2 Rexroth电动螺丝刀系统电动螺丝刀系统 Rexroth 电动螺丝刀系统是基于以太网的现场总线，如 Ethernet/IP、ModbusTCP 和 PROFINET。带有自由可编程逻辑的拧紧系统可为用户对整个拧紧过程提供无数自动化选 项。 Rexroth 电动螺丝刀系统的操作软件保证所有拧紧过程编程清晰且方便， 并提供多个诊 断和测试功能。根据上述可知，Rexroth 电动螺丝刀系统可以轻松地集成到整个系统中。 3.2.1 电动螺丝刀 Rexroth 电动螺丝刀是一种用于拧紧和旋松螺钉用的电动工具， 并配有控制器， 可以调 节和限制扭矩。电动螺丝刀主要用于生产装配线，是大部分生产企业必备的工具之一。电 动螺丝刀作为电动工具，依靠电批电源为之进行供电并以此实现相关控制功能。在电批电 源输出同等功率的情况下，电动螺丝刀马达的参数不一样，其转速也就不同。电动螺丝刀 分为：直杆式，手枪式，安装式三类，在本设计中将采用直杆式电动螺丝刀。 Rexroth 电动螺丝刀有如下特点: (1) 高品质，高可用性 力士乐的紧缩主轴可进行大量的耐力测试，测试在超过一百万次满载 tightenings（拧 紧操作）后无需进行维护。 (2) Rexroth 电动螺丝刀系统可实现可靠的紧缩过程。 清晰的系统结构，优化操作和显示的排列单位，方便，灵活的参数化。从控制器到该 工具允许直观的操作。安全调试增加，对新的任务适应的灵活性。 3.2.2 螺丝刀控制器 Rexroth 电动螺丝刀系统可实现所有重要的拧紧和监控功能，例如扭矩、转向角、屈服 点和拧紧监控，有助于安全地控制螺栓连接。实现多步骤互连拧紧过程，该过程可以轻松 地进行调整。 Rexroth 电动螺丝刀系统的清晰而灵活的模块化设计保证可以轻松而用户友好 地安装模块，并根据手头上的任务精确调整拧紧系统。此模块化设计还确保了可以简单而 快速地扩展系统以符合变化的需求和信息。标准组件已经过一百万负载循环的测试以保证 高等级信任度和系统可靠性。 Rexroth 电动螺丝刀系统的电气、 电子和可编程系统组件不包 含机械指令 2006/42/EC 意义上的任何安全组件。因此，标准 EN ISO 13849“ 安全相关 的控制部件” 不包含这些组件。模块化拧紧轴仅通过一根连接电缆连接到电子元件，并 配有扭矩和转向角传感器以始终监控拧紧。可以通过一个通信设备对最多带有 40 个拧紧 通道的拧紧系统进行控制。可以通过根据需要安装的各种接口模块从外部连接拧紧系统。 Rexroth 电动螺丝刀系统支持现场总线，如 PROFIBUS 和 DeviceNet，以及基于以太网的 8 常熟理工学院毕业设计（论文） 现场总线，如 EtherNet/IP、ModbusTCP 和 PROFINET。带有依照 IEC 61131-3 集成的自 由可编程逻辑的拧紧系统可为用户对整个拧紧过程提供无数自动化选项。 Rexroth 电动螺丝 刀系统可以轻松地集成到整个系统中：卡架区是针对控制柜中的使用而设计的，配有卡架 区的系统机箱可在不含控制柜的情况下操作。 Rexroth 电动螺丝刀系统的操作软件保证所有 拧紧过程编程清晰且方便，并提供多个诊断和测试功能。 （1）紧凑，功能强大；安全和快速调试；升紧缩；升坚固；升 USB 和基于以太网的 总线系统。 （2）集成的逻辑。随着灵活的集成符合可编程逻辑 IEC 61131-3 标准，整个紧固过程 用户有可无数的自动化选项。 图 3.2 螺丝刀控制器 3.3 电磁阀岛 电磁阀岛 阀岛是一种集电输入/输出部件、 气动电磁阀以及具有多种接口控制器于一体的系统控 制单元。由于将这三者（电输入/输出部件、气动电磁阀以及控制器）集成在一起，所以可 以通过 PLC 与控制器进行 DP 通信的方式对电磁阀进行电气控制。在本设计中便是充分利 用阀岛控制器带有现场总线这一特性而进行通信控制的。这样既充分利用阀岛控制器自带 的 I/O 口，也为 S7-300PLC 节省了大量的 I/O 口。 3.4 电缸及控制器 电缸及控制器 3.4.1 电缸控制器 本系统选用 SEP 系列 8 轴联控型电缸用定位型控制器。该控制器有如下特点： （1）更精巧的体形 MSEP 控制器最多可控制 8 轴，但尺寸仅幅宽 123mm高度 115mm 的小体积。与以 往控制器比，尺寸缩小了约 60%，大大缩减控制柜中占用空间。 (2)可通过现场网络总线，直接指定坐标、速度等数据移动,支持 DeviceNet、CC-Link、 PROFIBUS-DP、MECHATROLINK、CompoNet、EtherCAT、EtherNet/IP 等主流的现场网 络总线规格。 9 常熟理工学院毕业设计（论文） (3)兼容脉冲马达/ 伺服马达 MSEP 支持在 1 台控制器上控制脉冲马达型电缸和伺服马达型电缸，当需要组合使用 不同系列的驱动轴时，可以大幅减少配线、设置、安装所需工时，并且进一步提高控制器 性价比。 (4)支持绝对型控制方式 支持使用电池作为备份电源，可以在控制器断电时保存位置数据，所以无需原点复位 操作即可恢复动作。紧急停止或瞬间断电等原因造成的断电情况发生时，可以立刻恢复设 备动作。 (5)支持对移动次数和移动距离的计数，实现生产数量与稼动率的常时把握，确定维护 作业的时机。计算驱动轴的总行走距离与移动次数并记录在控制器中，当超过预设值后可 向外部输出信号。通过这一功能，使包括加注润滑脂、定期检查等作业的时机得到量化， 提高维护效率。 图 3.3 电缸控制器 3.4.2 电缸 电缸原理：电缸是将伺服电机与丝杠作为一个整体进行设计的模块化产品。充分利用 伺服电机可以精确控制转速的特点来进行精确的位置控制。当然，这需要将伺服电机的旋 转运动转换成所需要的直线运动。电缸的出现实现了高精度直线运动控制这一革命性突 破。 电缸特点： 由于采用闭环伺服控制原理， 可实现控制直线运动的精度可以达到0.01mm； 通过压力传感器的配合，可以使控制推力的精度达到 1%；通过电缸控制器，很好的实现 与 PLC 进行连接，由此实现高精密运动控制。 低成本维护：电缸在复杂的环境下工作只需要定期的注脂润滑，并无易损件需要维护 更换，将比液压系统和气压系统减少了大量的售后服务成本。 液压缸和气缸的最佳替代品： 电缸可以完全替代液压缸和气缸， 并且实现环境更环保， 更节能，更干净的优点，很容易与 PLC 等控制系统连接，实现高精密运动控制。 配置灵活性：可以提供非常灵活的安装配置，全系列的安装组件：安装前法兰，后法 10 常熟理工学院毕业设计（论文） 兰，侧面法兰，尾部铰接，耳轴安装，导向模块等；可以与伺服电机直线安装，或者平行 安装；可以增加各式附件：限位开关，行星减速机，预紧螺母等；驱动可以选择交流制动 电机，直流电机，步进电机，伺服电机。 图 3.4 电缸 3.5 本章小结本章小结 本章介绍了选取的器件以及设计中需要运用到的部分功能。对于运用的器件和功能的 研究，将有助于我们对下面硬件的设计原理与软件仿真的实现，以及对电路的功能的实现 有很大的帮助。 11 常熟理工学院毕业设计（论文） 4. 系统硬件与电气设计 4.1 系统总的结构框图系统总的结构框图 S7-300PLC 作为整个系统的控制核心， 通过与 HMI 触摸屏以及工控机相互通信， 并采 集来自传感器信号，将处理结果发送给阀岛、相机、螺丝枪、电缸等功能模块，以实现该 系统的正常运行功能。 其中 S7-300 还将会不断的读取螺丝刀控制器反馈回来的扭力值以及 旋转的角度，同时也会读取电缸控制器反馈回来的电缸当前位置等信息。 系统的结构框图如图 4.1 所示。 图 4.1 系统结构框图 4.2 S7300PLC控制器控制器I/O设计设计 4.2.1 S7-300PLC数字I/O分配表 根据系统的方案设计，对 S7-300PLC 的 I/进行了以下的分配设计如表 4.1 所示。通过 这样的设计获取设备运行状态并给设备发出相应的处理结果，最终实现该系统的功能。表 4.1 只介绍了数字 I/O 的分配， 对于通过螺丝刀控制器、 电磁阀岛等扩展的 I/O 以及模拟 I/O 口未进行说明。 12 常熟理工学院毕业设计（论文） 表 4.1 数字 I/O 分配表 符号 地址 符号 地址 启动 I0.0 复位灯 Q0.0 复位 I0.1 启动灯 Q0.1 暂停 I0.2 暂停灯 Q0.2 急停 I0.3 三色灯-红 Q0.3 手自动 I0.4 三色灯-绿 Q0.4 双手按钮左 I0.5 三色灯-黄 Q0.5 双手按钮右 I0.6 蜂鸣器 Q0.6 安全光栅 I0.7 备用 Q0.7 探孔气缸定位 work I1.0 光栅复位 Q1.0 探孔气缸定位 home I1.1 光栅旁路 Q1.1 补偿气缸（前）work I1.2 备用 Q1.2 补偿气缸（前）home I1.3 光源触发信号 1 Q1.3 补偿气缸（后）work I1.4 光源触发信号 2 Q1.4 补偿气缸（后）home I1.5 光源触发信号 3 Q1.5 接近传感器 I1.6 日光灯 Q1.6 对射传感器（SWA） I1.7 备用 Q1.7 上下气缸定位 work I3.0 门吸 1 I4.0 上下气缸定位 home I3.1 门吸 2 I4.1 左右气缸定位 work I3.2 门吸 3 I4.2 左右气缸定位 home I3.3 门吸 4 I4.3 接近传感器探孔电缸 I3.4 门吸 5 I4.4 接近传感器上下电缸 I3.5 气源报警 I4.5 备用 I3.6 备用 I4.6 备用 I3.7 备用 I4.7 4.2.2 S7-300PLC的接线图 本系统中，给 S7-300 配置了 32 位数字量输入模块、16 位数字量输入模块、32 位数字 量输出模块各一个，以及两个 12 位双通道模拟量输入模块。每个模块对应着连接不同的 对象。S7-300 各个模块的接线图如图 4.2 至图 4.5 所示。 图 4.2 32 位数字量输入模块接线图 13 常熟理工学院毕业设计（论文） 图 4.3 16 位数字量输入模块接线图 图 4.4 32 位数字量输出模块接线图 图 4.5 12 位双通道模拟量输入模块接线图 14 常熟理工学院毕业设计（论文） 4.3 电缸控制系统设计电缸控制系统设计 4.3.1 电缸控制系统结构分析 本系统采用 IAI 的 SEP 系列 MSEP 的电缸控制器，该控制器最多可以控制 8 台电缸。 本设计中将控制 4 台电缸。电缸控制器通过 PROFIBUS-DP 现场总线与 PLC 进行通信。本 系统中的四个电缸两两组合成两个独立模块，一个用于运送组件进行装配，另一个用于探 孔打螺丝。其中 X1/Z1 为一组，X2/Y1 为一组。四个电缸与电缸控制器具体的拓扑图如图 4.6 所示。 图 4.6 电缸控制系统的拓扑图 4.3.2 电缸控制器接线 电缸控制器的接线分为以下几块（接线示意图如图 4.6 所示）： A.电缸控制器的电源插口，按照电源插口上的标志接 0V,24V 及 GND。 B.将电缸控制器的急停插口，任意选其中一组线连接到急停开关。 C. PROFIBUS-DP 接口自然是连接到 PLC。 D.将 4 根电缸上带有马达编码器的电缆，连接到控制器上的插口上。 注：接线图中的 PC 与电缸控制器的连线主要用于电缸控制器的配置以及单独进行软 件控制时采用的接线方式。 15 常熟理工学院毕业设计（论文） 图 4.7 电缸控制器接线图 4.3.3 电缸控制器的设置与地址分配 通过 PC 用软件设置电缸控制器的参数，在网关中设定 4 根有效轴，并选择 4 根轴的 模式都为直接数值模式（Direct Indication Mode），并在 PLC 导入 EDS 文件，进行组态， 在 PLC 上设定字节数。由于采用的是直接数值模式以及控制 4 根轴（四台电缸），所以需 要分配 40 个字，其中前八个字用于配置网关，后面每根轴配置 8 个字。直接数值模式下 PLC 与电缸控制器通过 DP 通信的数据传送示意图如图 4.7 所示。 图 4.8 PLC 与电缸控制器数据通信示意图 配置每根轴的 8 个字又可进行细分。下面假设 PLC 分配的字是 1000-1039。那么 1000-1007 是分配给网关控制的，1008-1015 是分配给第 1 根轴的，1016-1023 是分配给第 2 根轴的，1024-2031 是分配给第 3 根轴的，1032-1039 是分配给第 4 根轴的。 再以第一轴为例 1008，1009 两个 word 组合就是目标位置(Target Position) 单位 0.01mm；1010,1011 两个 word 组合是位置宽幅（Positioning Width），单位 0.01mm，这个 默认给 10 的数值就可以了；1012 是运动速度(Speed)，单位 1mm/s；1013 是加减速 16 常熟理工学院毕业设计（论文） (Acceleration/ Deceleration)，单位 0.01G，默认请给 30 的数值；1014 是推压力(Push)，特 殊动作使用，正常移动不必给数值；1015 是控制信号(Control Signal)，需单独分开配置， 都各有具体意义。电缸 1 在 PLC 中开辟的地址如表 4.2 所示。 表 4.2 电缸 1 在 DB2 的地址 地址 名称 类型初始值注释 3.1 IAI_1_stop BOOLFALSE 电缸 1 暂停 5.4 IAI_1_home BOOLFALSE 电缸 1 回原点 5.5 IAI_1_GatewayControl BOOLFALSE 电缸 1 网关控制 5.6 IAI_1_son_I BOOLFALSE 电缸 1son 5.7 IAI_1_CSTR_I BOOLFALSE 电缸 1 触发信号 6.0 IAI_1_jog1_I BOOLFALSE 电缸 1JOG+ 6.1 IAI_1_jog2_I BOOLFALSE 电缸 1JOG- 6.2 IAI_1_PUSH_I BOOLFALSE 电缸 1 推压模式触发 6.3 IAI_1_dir_I BOOLFALSE 电缸 1 推压方向 6.4 IAI_1_BKRL_I BOOLFALSE 电缸 1 刹车解除 6.5 IAI_1_RES_I BOOLFALSE 电缸 1 复位 6.6 IAI_1_jisl_I BOOLFALSE 电缸 1JOG、寸动切换 6.7 IAI_1_EMGS_O BOOLFALSE 电缸 1 急停输出 7.0 IAI_1_crdy_O BOOLFALSE 电缸 1 准备完成 7.1 IAI_1_mend_O BOOLFALSE 电缸 1 定位、HOME、推压完成 7.2 IAI_1_ALM_O BOOLFALSE 电缸 1 报警信号 7.3 IAI_1_sv_O BOOLFALSE 电缸 1 准备完成 SV-ON 7.4 IAI_1_MOVE_O BOOLFALSE 电缸 1moving 7.5 IAI_1_HEND_O BOOLFALSE 电缸 1 归原点完成 7.6 IAI_1_pend_O BOOLFALSE 电缸 1 位置定位完成 8 IAI_TargetPosition_1_I DWORDDW#16#0电缸 1Target Position 12 IAI_PositioningWidth_1_IDWORDDW#16#0电缸 1PositioningWidth 16 IAI_CommandSpeed_1_I WORDW#16#0电缸 1CommandSpeed 18 IAI_AcDc_1_I WORDW#16#0电缸 1ACCELERATEDECELERATE 20 IAI_pressingcurrentl_1_IWORDW#16#0电缸 1Pressing Current Limit 22 IAI_CurrentPosition_1_o DINTL#0 电缸 1CurrentPosition 26 IAI_CurrentCurrent_1_o DWORDDW#16#0电缸 1CurrentCurrent 30 IAI_CurrentSpeed_1_o WORDW#16#0电缸 1CurrentSpeed 32 IAI_AlarmCode_1_o WORDW#16#0电缸 1AlarmCode 124.0 IAI_1_GatewayControl_o BOOLFALSE 电缸 1 网关控制反馈 126 WANGGUANKONGZHIZI WORDW#16#0plc-电缸网关控制字 128 WANGGUANKONGZHIZI1 WORDW#16#0电缸网关控制字-PLC 130 IAI_1controlzi WORDW#16#0PLC-电缸 1 控制字 132 IAI_1controlzi1 WORDW#16#0电缸 1 控制字-PLC 17 常熟理工学院毕业设计（论文） 4.4 螺丝刀控制系统设计螺丝刀控制系统设计 4.4.1 螺丝刀系统通信 本设计中螺丝刀控制器分别进行 Profibus-DP 现场总线与 Ethernet 通信，因此 S7-300PLC 可以通过 Profibus-DP 进行控制螺丝刀控制器， 调用其中的程序号进行打螺丝控 制。同时可以运用上位机进行 Ethernet 通信，对控制器进行程序的编写与测试。 图 4.9 螺丝刀控制器通信示意图 4.4.2 螺丝刀控制器操作 1.双击打开桌面图标，如图 4.9 所示。 图 4.9 螺丝刀控制器软件图标 2.在项目栏中选择 PC，点击“接口（N）”，如图 4.10 所示。 图 4.10 点击“接口（N） ” 3.点击扩展，配置拧紧控制单元，输入螺丝枪控制器 IP 地址、拧紧控制单元名，根据 需要添加一定注释，完成后点击插入。对已经插入的，可以选中进行修改甚至删除。完成 配置后点击保存，并确认。 18 常熟理工学院毕业设计（论文） 图 4.11 配置地址 4.在已经配置好的拧紧控制单元中选择需要控制的对象，也可以直接输入对应螺丝枪 控制器的 IP 地址。完成后，点击确认，如图 4.12 所示。 图 4.12 选择拧紧单元 5.点击“拧紧程序”按钮，出现拧紧程序窗口，如图 4.13 所示。 图 4.13 打开拧紧程序窗口 19 常熟理工学院毕业设计（论文） 6.编写螺丝枪程序。 （1）选中程序号，如图 4.14 所示； 图 4.14 选择程序号 （2）例如选择程序号 6，点击插入拧紧步骤，如图 4.15 所示； 图 4.15 插入拧紧步骤 （3）双击添加的拧紧步骤，进行该步骤程序设定，设定该步骤名称，扭矩，转速， 时间等参数，如图 4.16 所示。 图 4.16 设定拧紧参数 20 常熟理工学院毕业设计（论文） 7.按 6 中步骤设置好每个程序号后，点击项目栏“管理”，选中“登录及注销”，如 图 4.17 所示。 图 4.17 打开登录界面 8.输入密码 Robert，点击确认，如图 4.18 所示。 图 4.18 输入登录密码 9.登录后，点击“发送”按钮，将设定的程序号发送至螺丝枪控制器，如图 4.19 所示。 图 4.19 发送配置程序 21 常熟理工学院毕业设计（论文） 10.发送完成后，可以点击“顺序测试”进行程序测试，如图 4.20 所示。 图 4.20 在线测试 11.选中程序号，点击“启动”按钮，测试该程序号，如图 4.21 所示。（注：顺序测 试阶段，螺丝枪控制器不受 PLC 控制，只受螺丝枪控制器控制） 图 4.21 测试程序号 12.一切设置无误后，点击项目栏“管理”，选中“登录及注销”，进行注销，如图 4.22 所示。 图 4.22 注销登录 22 常熟理工学院毕业设计（论文） 4.5 系统电气设计系统电气设计 系统中将需要用到 220VAC、24VDC、5VDC 这三种电源，根据现场提供的三相电进 行了以下主电源回路设计： L1 为电柜箱外面的设备提供 220VAC 外部插座， 主要用于工业 控制机、工业相机、打印机等设备供电；L1 同时也为电柜箱中的相机光源、内置风扇、照 明设备进行供电；L2 主要用于给 5V 开关电源、内部插座进行供电；L3 用于 PLC 供电以 及 24V 开关电源供电。针对整个系统不同线路配备不同型号的断路器。 为了确保设备的安全生产，设计中采用两个安全继电器进行电路设计。第一个安全继 电器采用双通道短路保护机制，主要用于设备运行过程中突然打开门或按下急停状态下， 将设备 24VDC 控制电源进行断电操作，运行设备将停止运行。在图 4.23 中，S11 与 S12 构成一条短路保护通道，S21 与 S22 构成第二调保护通道，两条通道分别连入急停、设备 5 个门开关的常闭开关，一旦其中一条出现断开状况，图中 24V2 将失电（24V2 用于设备 运行控制）。继电器 KA6 一个常开触点将用于安全继电器的复位。 图 4.23 安全继电器 1 第二个安全继电器主要用于设备处于自动运行状态下以及设备复位过程中，安全光幕 报警（图 4.24 中 OSSD1 与 OSSD2 失电），控制设备运行的 24V2 将进行断电。 23 常熟理工学院毕业设计（论文） 图 4.24 安全继电器 2 设备的安全回路即急停按钮与设备五个门开关所构成的的设备安全保障回路。安全回 路设计为双通道型，分别由急停按钮与门开关提供的常闭触点串接而成。运用双通道主要 为了确保设备的安全运行，提高设备的安全性。如图 4.25 所示： 图 4.25 安全回路 4.6 本章小结本章小结 本章主要介绍第三章所介绍的硬件所进行的设计，其中主要介绍本设计系统控制核心 S7-300PLC 的设计、电缸控制系统的设计依据螺丝刀系统的硬件设计。通过整个系统框图 的展现，对整个系统的整体架构将有所认识与了解。 24 常熟理工学院毕业设计（论文） 5系统通信设计 5.1 系统的通信网络设计系统的通信网络设计 本设计采用Profibus-DP现场总线与Ethernet通信方式相结合的通信方式进行整个系统 的通信。在以 Ethernet 通信的基础上采用 OPC 技术完成数据的交换。其中工控机与 PLC 以网线连接的方式进行 OPC 通信，上位机可以通过 Ethernet 通信方式控制螺丝刀控制器。 PLC 与电缸控制器、电磁阀岛、螺丝刀控制器以及触摸屏 HIM 进行以 PLC 为主站的 Profibus-DP 通信。对于整个系统设计的网络拓扑结构如图 5.1 所示。 图 5.1 系统通信网络拓扑结构图 采用以上方式进行通信，针对 S7-300PLC 还需要进行硬件组态。首先需要在 STEP7 软件中安装螺丝刀控制器、SMC 电磁阀岛、电缸控制器的 GSD 文件，