毕业设计（论文）-汽车纵梁检测装置的结构设计.doc

汽车纵梁检测装置的结构设计 structure design of auto-carling detection device 设计题设计题目：目：汽汽车纵车纵梁梁检测检测装置的装置的结结构构设计设计 学生姓名：学生姓名： 学院名称：学院名称： 机机电电工程学院工程学院 专业专业名称：名称： 机械制造及其自机械制造及其自动动化化 班班级级名称：名称： 机制机制 0831 学学 号：号： 指指导导教教师师： ： 教教师职师职称：称： 讲师讲师 完成完成时间时间： ： 2010 年年 6 月月 14 日日 长长 春春 工工 程程 学学 院院 2011 年年 6 月月 15 日日 摘摘 要要 传统汽车纵梁检测主要以人工方式进行，检测工人把纵梁和标准纵梁图纸进行 比对来检测是否有漏孔、用千分尺等工具手动测量孔心位置是否合乎要求。这种检 测方式严重依赖人工，可靠性不高，效率不高，不适应现代化工业生产的需要。为 克服这些弊端，提高生产效率，设计了一种以图像处理技术为基础的自动化检测装 置。首先对纵梁基本结构、数字图像处理技术和汽车检测技术做了简单的介绍，然 后对检测装置的总体设计方案做了详细的介绍，之后对装置的具体结构进行了设计， 并对控制系统进行设计。 控制系统使用西门子 s7-200 系列 plc 实现了检测过程的 自动化运行，并使用液压系统实现了纵梁支撑部件的运动控制。该自动化检测装置 操作简单，可靠性高，检测精度高，大大改善了生产效率。 关键词 纵梁 自动检测 可编程序控制器 液压系统 abstract detection of the traditional auto girder has been conducted primarily in the manualbasis .the worker test whether the holes is whole by compare with the standard drwing and test the position of hole whether is right using the micrometer . this approach relies serious on the workers, reliability and efficiency is low and does not meet the demand of modern industrial production. to overcome these shortcomings, improve productive efficiency, designed a automatic equipment which is base on image processing techniques. first, making a brief introduction to the basic structure of the girder basic strukture,digital image processing technology and vehicle inspection technology, then detailedly introduce the holistic design proposal of the testing equipment and make the desigen of equipment and the control system. the control system uses s7-200 series plc of siemensplc s7-200 to achieve the automation of the detection process, and uses the hydraulic system to control some of the components. the automatic detection device is simple to operate, high reliabilitiy and pricision,greatly improved production efficiency. keywords：girder, automaticalliy detected, plc, hydraulic system 目 录 1 前 言1 1.1 纵梁概述 1 12 数字图像处理技术简介 .1 13 汽车检测技术概述 .2 1.3.1 国外汽车检测技术发展概况 .2 1.3.2 国内汽车检测技术发展概况 .4 14 课题的提出与主要任务 .5 1.4.1 课题的提出 .6 4.1.2 课题的主要任务 .6 2 总体设计方案.6 2.1 纵梁拍摄方式的选择 7 2.2 摄像小车的设计 8 2.2.1 小车运动的实现 .8 2.2.2 电机的选择 .9 2.2.3 摄像机高度调节机构设计 .9 2.3 底座的设计 9 2.4 液压系统原理 .11 2.4.1 换向方式选择 11 2.4.2 调速和调压方式设计 11 2.4.3 其他辅助元件 11 2.4.4 液压系统原理图 12 2.5 系统控制方案设计 .12 2.5.1 控制器的选择 12 2.5.2 控制对象的确定 13 2.5.3 控制过程设计 13 3 硬件部分设计13 3.1 摄像小车设计 .13 3.1.1 机架的设计 14 3.1.2 摄像机支架设计 16 3.1.3 伺服电机的选用 20 3.1.4 齿轮齿条设计 22 3.2 底座设计 .24 3.2.1 滑台的设计 24 3.2.2 支撑板的设计 25 3.3 液压元件的选择 .26 3.3.1 液压缸的计算与选择 26 3.3.2 液压泵的计算与选择 27 3.3.4 管道尺寸的确定 29 3.3.5 液压油箱容积的确定 29 4 控制系统设计及编程29 4.1 主要结构与工作方式 .29 4.2 检测装置的控制要求 .30 4.3 i/o 分配31 4.4 硬件配置 .32 4.5 程序设计 .33 设计总结.37 致 谢.38 参考资料.39 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 1 1 前 言 1.1 纵梁概述 汽车纵梁是汽车中承受车身及汽车有效荷载的基础构件之一，被称为汽车的脊梁。一 般载重货车的车架，就是采用的纵梁式车架。这种车架由两根贯穿汽车前后的纵梁为主体， 中间以几根横梁相连，组成一个框架。纵梁除了起支撑整个车身的作用外，很多总成器件 都要通过纵梁安装。汽车制造行业中，纵梁的生产工艺一般为落料冲孔（钻孔）成形。由 于受人为因素及模具、设备状态的影响，每批纵梁除对张口、翼面高度检测外，还需对发 动机安装孔、钢板弹簧支架孔等重要的位置进行检测。2汽车纵梁是汽车上最长的零件， 一般是长为 5 米到 12 米之间，板厚 5 毫米到 10 毫米，板上有 200 到 500 个孔，其成型的 纵梁断面有 z 型和 u 型，3如图 1.1 所示： 1、z 型 2、u 型 图 1.1 纵梁断面形式 12 数字图像处理技术简介 数字图像处理的英文名称是“digital image processing”。所谓数字图像处理就是 利用计算机或者其他数字硬件，对从图像信息转换得来的电信号进行某些数学运算，以提 高图像的实用性。图像处理最早出现于 20 世纪 50 年代，当时的电子计算机已经发展到一 定水平，人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。数字图像处理技术处理精度比较高， 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 2 而且还可以通过改进处理软件来优化处理效果。4一个典型的数字图像处理系统主要包括 照明、镜头、相机、图像采集卡、视觉处理器五大部分。（如图 1.2 所示） 图 1.2 数字图像处理系统组成 13 汽车检测技术概述 汽车检测技术是伴随着汽车技术的发展而发展的。在汽车发展的早期，人们主要是通 过“望” 眼看)、“闻” (耳听)、“切”(手摸)的方法，凭借维修人员的经验发现汽车 的故障并作有针对性的修理。随着现代科学技术的进步，特别是随着计算机技术的进步， 汽车检测技术也飞速发展。目前人们已能依靠各种先进的仪器设备，对汽车进行不解体检 测，达到安全、迅速、准确地诊断和评价汽车性能的目的，使汽车检测设备和仪器成为汽 车维护与修理，保持汽车实用性能的不可缺少的工具。 10 1.3.1 国外汽车检测技术发展概况 从汽车检测、诊断技术与设备的发展过程来看，大致经历了 4 个同的发展 阶段： 第 1 个阶段 这个阶段的检测、 诊断设备是以机械结构为主的单机人工操作阶段。虽然检测 、诊 断设备和仪器结构较简单，测试精度也不高，但已从过去的人工定性检查进化为设备 、仪 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 3 器的定量检测，从现场或路试发展为相关性台架的试验。这小仅省时、省钱而且在检测数 据精度上，也是一个质的飞跃。 在 50 年代以前，一些工业发达国家就已开发了以故障诊断和性能调试为主的单项检 测技术和生产单项 检测设备。60 年代初期就有美国的发动机分析仪、英国的发动机点火 故障分析仪和平板式制动试验台等进入我国，这些都是发达国家早期发展的汽车检测设备 和仪器。 第 2 个阶段 这个阶段是单机机电一体化一计算机控制自动化阶段。随着科学技术的进步，国外汽 车检测设备在自动化、精确化和综合化等方面都有了新的发展，应用新技术，开拓新的检 测领域，研制出许多新型检测设备和仪器，60 年代后期，国外大量开发出应用电子、光学、 理化与机械相结合的光机电、理化机电一体化的检测、诊断设备。并与单板机、单片机或 微型计算机相结合，使检测、诊断设备首先走向单机自动化。 第 3 个阶段 这个阶段是汽车检测设备智能化，汽车检测线自动化、智能化和网络化阶段。随着电 子计算机应用技术的发展，汽车检测设备向智能化方面发展，出现了一些具有智能化功能 的检测设备，它们能对设备本身和汽车技术状况进行检测，并能判断出故障发生的部位， 引导维修人员迅速排除故障。 80 年代，随着计算机技术在汽车检测领域中的应用进一步向深度和广度发展，出现了 集检测工艺操作、数据采集和打印、存储与显示等功能于一体的系统软件，使汽车检测线 实现了全自动化。这样不仅可以避免人为的判断错误，提高检测的精确性和检测速度，而 且可以把受检车辆的技术状况储存在计算机中，既可作为车辆技术性能的档案资料备查， 也可供处理交通事故时参考。全自动汽车安全检测线、汽车维修检测系统和全自动汽车综 合性能检测线都是这方面的实例。 第 4 个阶段 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 4 这个阶段是汽车检测、诊断技术已发展到车载自诊断系统及汽车故障诊断专家系统阶 段车载自诊断系统一般是作为汽车结构的组成部分，利用安装在汽车内各个部位的传感器， 将汽车的主要技术状况经常地、自动地向驾驶员显示。显示方式有声光讯号，也有数字式 图形讯号。英国通用汽车公司的 misar 车载自诊断系统检测已采用微机控制，始终维持发 动机及汽车在最佳工况运行，并可对 50 多个检测项目的参数进行实时监控。美国凯迪拉克 轿车系列，日本丰田、本田轿车系列等均已先后采用了车载自诊断系统。 1.3.2 国内汽车检测技术发展概况 我国汽车检测技术的研究和开发起步较晚，进人 60 年代开始研究汽车检测技术，为了 满足汽车维修的需要，当时由交通部主持进行了发动机气缸漏气量检测仪、点火正时灯等 检测仪器的研究。7o 年代，汽车不解体检测技术及设备被列为国家科委开发的应用项目。 由交通部主持研制了汽车制动试验台、发动机综合检测仪和汽车性能综合检验台等。进人 80 年代，随着国民经济的发展，我国汽车工业和交通运输业发展迅猛，对汽车检测、诊断 技术和设备的需求也与日俱增。我国汽车保有量迅速增加， 汽车的运行安全性、经济性和 排放污染已成为人们越来越重视的社会问题，于是汽车的安全、节能和环保逐渐提到政府 有关部门的议事日程，因而促进了汽车检测与诊断技术的发展。与此同时又相继研制了侧 滑试验台、轴( 轮)重仪、车速表试验台、前照灯检测仪和底盘测功机等。 国家“六五”期间重点推广了汽车检测与诊断技术。“七五”期间，交通部又把“汽车检 测、诊断设备在汽车维修生产中的应用”课题列为重点新技术推广项目，组织有关单位进 行了研究和试点。经过 2 年的推广试验，首批推荐了部分国产检测、诊断设备及操作要点， 车辆技术状况的诊断方法，汽油发动机故障诊断实例等 在单台检测设备研制成功的基础上，交通部从 1980 年开始有计 划地在全国公路运输和 车辆管理部门筹建汽车检测站，检测内容以汽车的安全性能检测为主。80 年代初，交通部 在大连市建立了国内第一个汽车检测站。从工艺上提出了将各种单台检测设备安装联线 ， 构成功能齐全的汽车检测线，其检测纲领为 3 万辆次年。此后，交通部又先后要求 l0 多 个省市、自治区交通厅(局) 筹建汽车检测站，并在唐山等地建成了具有相当规模的汽车检 测站。到 80 年代中期，由于汽车监理工作由交通部转由公安部主管，原来车管所的汽车检 测站也一并划归公安车管系统。公安车管系统在已有检测站的基础上，进行了推广和发展， 到目前为止 全国已建成的汽车安全检测线(站) 达 1000 余条。与此同时，汽车的检测技 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 5 术和装备也得到了大力发展。7o 年代国内仅能生产少量简单的检测、诊断设备 。20 多年 来，汽车检测、诊断设备得到了长足的进步和发展，截止 2000 年底，设备生产企业达 1000 多家，产品有 11000 多个品种，2800 多个规格型号。交通、机械、电子、城建和高 等院校等部门都进入到汽车检测仪器和设备的研制、开发、生产和销售领域。我国已能生 产全套汽车检测设备。 14 课题的提出与主要任务 随着汽车工业的高速发展，自动化程度的不断加深，一些传统的汽车生产、检测手段 以不再适应当前的生产实际。在汽车检测方面，传统检测技术完全依靠技术人员的经验发 现故障或缺陷，然后对其进行针对性的维修。随着汽车检测技术的发展，这种传统检测手 段已经表现出了许多不足，其缺点主要有以下几方面： （1）严重依赖技术人员的经验、技术，检测结果不可靠； （2）检测精度低，检测结果不稳定； （3）检测时间长，效率低下； （4）人工现场检测，现场环境复杂，技术员易发生安全问题。 随着现代科学技术的进步，特别是随着计算机技术的进步，汽车检测技术也在飞速发 展。目前人们已经依靠各种先进的仪器设备，对汽车进行不解体检测，这样不仅克服了传 统检测方法的缺点，而且大大缩短了汽车的生产维修时间，解放了劳动力。现代汽车检测 技术的优点有很多，主要包括以下几个方面： （1）由于采用了自动化控制技术，使检测过程简单、迅速； （2）依靠计算机分析检测数据，是检测结果更为准确翔实； （3）检测精度高； （4）可进行定量分析，使人们能更加详细的了解产品信息。 虽然现代汽车检测技术有自己突出的优势，但由于采用了更多的科技产品和精密设备、 仪器，因而不可避免的增加了生产成本，使产品投资加大，同时也限制了它的应用范围。 现代汽车检测技术主要应用于如下场合： （1）大批量生产零件的检测； （2）检测精度要求较高，传统检测方法无法满足要求的场合； 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 6 （3）检测项目较多，检测过程复杂，传统方法对技术人员的数量和技术要求较高的场 合。 1.4.1 课题的提出 汽车纵梁检测是汽车检测技术的一部分。汽车纵梁在汽车结构有着重要的作用，被称 为汽车的脊梁。纵梁除了起支撑整个车身的作用外，很多总成器件都要通过纵梁安装。当 孔漏了或者孔的位置或直径错了，装配时总成安装不上，就会出现质量问题，因此需要对 纵梁上孔进行检测。 传统汽车纵梁孔位检测主要以人工方式进行：检测工人把纵梁和标准纵梁 autocad 图 纸进行比对来检测是否有漏孔、用千分尺等工具手动测量孔心位置是否合乎要求。1这种 检测方式严重依赖人工，可靠性不高，效率不高，不适应现代化工业生产的需要。现在， 随着科学技术的进步，尤其是图像处理技术和自动化技术的发展，使纵梁检测的自动化成 为可能。 4.1.2 课题的主要任务 本课题将要完成的主要任务如下: （1）完成纵梁检测装置的机械本体设计，包括运动机构和底座的设计； （2）完成纵梁检测系统自动化控制系统设计，其中包括液压系统设计，可编程控制系统设 计； 2 总体设计方案 设计的纵梁检测装置是一种适合于大批量生产的纵梁的检测装置。装置将放置在纵梁 的冲压车间，纵梁冲好后，接着对其进行检测。它可在振动强烈的环境下进行满足精度要 求的检测。 纵梁检测的原理是：应用数字图像处理技术，采用工业摄像机对纵梁进行拍摄，将纵 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 7 梁的数字图像信息采集到计算机，然后通过计算机内的图像处理算法，对纵梁上孔的信息 进行分析，并与计算机中的标准纵梁 cad 图纸进行比对，已达到检测目的。 课题主要对摄像系统硬件和摄像过程自动化控制系统进行设计，整个系统由运动模块、 摄像模块、图像采集模块和计算机组成，系统硬件模块如图 2.0 所示： 图 2.0 系统硬件模块图 设计纵梁检测装置及控制系统的原则是: （1）充分分析纵梁技术要求，拟定最合理的检测方式和控制系统的控制模式，并满足 系统功能要求和环境条件； （2） 明确各种型号的纵梁形状参数、精度要求，合理的设计装置的实际检测区间和 装置的整体尺寸，使装置可以满足各种型号的纵梁检测要求； （3）尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现 柔性转换和编程控制； （4）控制系统应操作简单； （5） 再满足检测需求的前提下，考虑尽可能降低成本。 2.1 纵梁拍摄方式的选择 纵梁是汽车上最长的零件，长 5 米到 12 米。3这么长的物体要一次拍摄下图像是不 大可能的，且这时处理的精度也是问题了。如假设纵梁长 5 米，使用分辨率为 13001030 的摄像机拍摄，那最后每个像素对应的尺寸就是 4 毫米，这样检测精度就无法保证了。为 此，我们的取图策略是将纵梁分段拍摄下来。实现分段拍摄一般有两个途径： （1）使用多个摄像机，每个摄像机只拍摄纵梁的一部分。 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 8 （2）使用一个摄像机，让纵梁和摄像机之间产生相对运动，到达指定位置就拍摄一幅 图像。 对于第一种方案虽然实现在分段拍摄时，控制策略简单，但是一般工业用的摄像机都 比较昂贵，采用多个摄像机，在经济上是不可行的，而且拍图设备体积太大，很难实现， 在工厂里也不实用。第二种方案虽然需要加上运动机构，但只用一个摄像机，非常经济。 这里我们采用第二种方案实现对纵梁的拍摄。为实现上述方案，系统应由图像传感器组成 的摄像模块、高速图像采集模块和运动模块以及计算机组成。运动模块实现摄像机和纵梁 之间的相对运动，摄像模块实现对纵梁图像的拍摄，高速图像采集模块主要将摄像模块拍 摄到的图像采集到计算机中去。 为实现上述方案，将摄像机固定于自制的小车上，把小车放在纵梁上，让其沿纵梁行 走从而产生相对运动，行走固定的距离后对纵梁进行拍摄。 2.2 摄像小车的设计 摄像小车是整个检测装置的主体部分。作为检测装置的运动机构其作用是：通过小车 沿着纵梁做直线运动来实现车载摄像机和纵梁之间的相对运动，从而实现对整个纵梁的拍 摄。主要部件有：车架、电机、控制器、摄像机等。 2.2.1 小车运动的实现 小车沿纵梁做直线运动，可以通过以下三种方式实现： 方案一：车轮-导轨式 在小车底部安装轮子，并用电机驱动轮子转动使小车沿铺设 在底座上的导轨做直线运动； 方案二：丝杠-螺母式 在小车底部安装丝杠螺母，在底座上沿纵梁长度方向安装丝 杠，并用电机驱动丝杠。这样在丝杠螺母副的驱动下小车做直线运动。 方案三：齿轮-齿条式 在小车车上安装电机，并在电机上安装齿轮，在底座上沿纵 梁长度方向上铺设齿条，通过齿轮与齿条的啮合将电机的旋转运动转化为小车的直线运动； 第一种方案虽然可以实现小车的直线运动，但小车在行驶过程中车轮与导轨之间已发 生滑动，不能对小车的位置进行精确地定位，使得摄像的间隔不稳定；第二种方案由于采 用了丝杠传动，不会存在方案一中的打滑现象，而且可以精确控制小车的运行速度和位置， 定位精度高。但丝杠加工困难，生产成本高，需要定期维护；第三种方案采用了齿轮齿条 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 9 传动，不仅不存在打滑现象而且具有较好的传动性能，定位可靠，控制简单。齿轮齿条加 工比较容易，维护方便。因此，选用第三个方案作为小车的运动机构。 2.2.2 电机的选择 1.摄像小车的电机是小车的驱动部件，根据纵梁的检测要求，必须对小车运动的速度 进行控制和对小车的位置进行精确地定位，普通异步电机显然不能满足要求。考虑到小车 运动速度，且对小车运动的稳定性要求较高，因此设计采用交流伺服电机对小车进行精确 控制。 交流伺服电机的主要特点是： （1）控制精度高 （2）矩频特性好 （3）具有过载能力 （4）加速性能好 2.支撑杆的小车是控制支撑杆的收缩的驱动部件，根据检测要求必须对支撑杆的回转 运到进行精确的控制，还需要能实现正反转，因此也选用交流伺服电机对支撑杆进行控制。 2.2.3 摄像机高度调节机构设计 由于各种型号的纵梁宽度不一样，为使摄像机获得可调的视场宽度同时又保证清晰的 数字图像，需对摄像机的工作高度进行精确调节。丝杠传动精度较高，调节方便，因此设 计拟用丝杠作为相机的高度调节机构。可将摄像机安装在支架上，并在支架上安装丝杠螺 母，在小车底座上安装丝杠，并用手轮驱动丝杠转动，进而驱动丝杠螺母带动摄像机移动， 从而达到调节目的。 2.3 底座的设计 底座即装置的机架，是整个检测装置的基本，也是整个检测装置最大的部分，其作用 主要有： （1）承载工件（纵梁）； （2）安装小车导轨，作为摄像小车的工作平台； （3）安装人工光源，以加强摄像机的摄像质量； 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 10 （4）安装液压系统。 底座（机架）设计的准则： 5 （1）工况要求 保证安装在底座上的零部件能顺利运转；设置执行某一工况所必须的平台；保证上下 料的要求、人工操作的方便安全等。 （2）刚度要求 在必须保证特定外形的条件下，对机架的主要要求是刚度。检测机构工作环境振动较 大，因此要求底座有较高的刚度。 （3）强度要求 对于一般的机架，刚度达到要求，同时也能满足强度要求。由于底座承载的重量较轻， 且小车的运动不对底座产生工作应力，故底座强度可以按刚度直接设计，不再考虑强度要 求。 （4）稳定性要求 对于细长的或薄壁的受压或受弯结构存在失稳问题，某些板壳结构也存在失稳问题或 局部失稳问题。失稳对结构产生很大的破坏。 （5）美观 目前对机器的要求不仅能完成特定的工作，还要外形美观。 （6）其他 另外，底座承载纵梁，当摄像机对纵梁进行拍摄时，底座对纵梁的支撑部分不能挡住 从下方光源射出的光。因此，要求支撑部分面积应很小。但是为适应不同尺寸的纵梁检测， 底座必须能够支撑不同宽度的纵梁，纵梁的支撑部件太小显然无法满足要求。为满足上述 两点要求，可将纵梁支撑设计成宽度可调的。 因此，可以将检测过程的支撑和装卸纵梁时的支撑分开设计。装卸时的支撑设计成支 撑杆形式，在纵梁宽度方向上全程支撑，检测过程的支撑设计成可沿纵梁宽度方向滑动的 滑台，装卸时的支撑杆由电机控制其运动，检测时的支撑由液压缸控制。当装卸工件时支 撑杆伸出、滑台收回， 待检测工件时支撑杆向下收回、滑台伸出。底座结构简图，如图 2.3 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 11 图 2.3 底座结构简图 2.4 液压系统原理 2.4.1 换向方式选择 由于滑台液压缸有两个方向的动作，故需用换向阀对其进行换向。换向阀是具有两种 以上流动形式和两个以上油口的方向控制阀。是实现液压油流的沟通、切断和换向，以及 压力卸载和顺序动作控制的阀门。可分为手动换向阀、电磁换向阀、电液换向阀等。为实 现滑台的自动控制，必须选用电磁换向阀。 电磁换向阀是用电磁铁的推力来推动阀芯运动以变换流体流动方向的控制阀，简称电 磁阀。通过变换阀心在阀体内的相对位置，使阀体各油口连通或断开，从而控制执行元件 的换向或启停。这类阀操纵方便，布置灵活，易实现动作转换的自动化，因此应用广泛。 6 2.4.2 调速和调压方式设计 为滑台的移动速度，需在液压系统中加入调速系统。为改变进入液压执行原件的流量， 采用流量控制阀调节通过流量阀的流量，即采用节流调速回路。为使滑台能独立运动，在 液压缸进油回路安装节流阀。 回路中压力不应过大，因此采用溢流阀来维持系统压力，在溢流阀有溢流时，可维持 系统压力恒定。另外，当系统超载时，溢流阀才打开，对系统起过载保护作用，而平时溢 流阀关闭。 6 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 12 2.4.3 其他辅助元件 由于滑台较重，当滑台由运动变为停止时就会有回油现象出现，因此在主进油路和滑 台液压缸进油路上安装单向阀， 2.4.4 液压系统原理图设计 图 2.4 液压系统原理图 2.5 系统控制方案设计 2.5.1 控制器的选择 控制系统主要是对整个运动系统的控制管理，包括摄像机的分段拍摄控制、小车的位 置及移动控制、液压系统控制等。设计采用可编程序控制器 (plc)进行控制。当装置的动 作流程改变时，只需改变 plc 程序即可实现，非常方便快捷。设计拟采用西门子的 s7-200 系列可编程控制器，西门子 s7-200 系列 plc 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及 控制的自动化。s7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复 杂控制功能。因此 s7-200 系列具有极高的性价比。 s7-200 系列出色表现在以下几个方面： （1）极高的可靠性 （2）极丰富的指令集 （3）易于掌握 （4）便捷的操作 滑台液压缸 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 13 （5）丰富的内置集成功能 （6）实时特性 （7）强劲的通讯能力 （8）丰富的扩展模块 s7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器 的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控 制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等 等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 2.5.2 控制对象的确定 控制系统主要对以下对象进行控制 （1）伺服电机 包括伺服电机的正反转、启动和停止、加速和减速； （2）摄像机 当摄像小车运动到一定位置时，摄像机拍摄图片； （3）支撑板电机 当装卸工件和检测开始时使支撑板伸出或收回； （4）滑台液压缸 当装卸工件和检测开始时使架杆液压缸伸出或收回； 2.5.3 控制过程设计 （1）按下启动按钮，若小车不在起始位置则小车自动回到起始位置，同时支撑板到达 b 端，滑台回到 a 端（见图 2.3）。 （2） 待纵梁放在工作台上后，按检测按钮，滑台到达 b 端将纵梁夹紧固定，之后支撑 板回到 a 端，然后小车开始向右运动，车载摄像机在规定位置拍摄采集纵梁图像。 （3） 小车运动到右限位，小车停止，检测结束。如果此时按停止按钮，支撑板到达 b 端（见图 2.3），之后滑台返回 a 端，此时可将纵梁取下。 （4）在任意位置按下停止按钮，装置将暂停工作，当把暂停按钮复位时装置将会继续 暂停前的动作继续工作； (5)在任意位置按下急停按钮，装置马上停止所有动作，急停按钮复位后必须重新将摄 像小车复位。 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 14 3 硬件部分设计 3.1 摄像小车设计 摄像小车是整个检测装置中最主要的组件，其结构设计的合理与否将直接影响到装置 的正常运行和检测结果，在整个设计中占重要的位。不合理的设计可能会导致小车强度和 刚度无法满足工作需求，造成装置整体寿命降低。另外，由于现场环境振动较大，低的刚 度必然会造成车载摄像机的振动，使其拍摄结果精度降低甚至失真。因此，小车的设计除 结构合理外，整体的强度和刚度也要符合要求，并应能承受较强振动。 摄像小车主要由机架、伺服电机、丝杠、摄像机支架、导轨滑块五部分组成。每部分 的作用分述如下： 1、 机架 小车的结构基础，其他零部件将安装在机架上； 2、 伺服电机 小车的动力源，驱动小车运动； 3、 丝杠 和丝杠螺母配合，组成摄像机的工作高度调节机构； 4、 摄像机支架 安装固定摄像机； 5、 导轨滑块 与导轨配合，保证小车沿纵梁长度方向上运动。 小车的设计应考虑以下几个问题： 1、机架的结构不能太高，以满足摄像机最大工作高度为准，而且重心应尽可能低，另 外，应该注意加强机架的刚度，以增强其抗震性。 2、 摄像机支架长度应合理，在满足摄像机视场要求的前提下应尽可能缩短其长度， 以增加系统刚度。另外应在结构设计上增加其刚度和强度。 3、在整个小车中，丝杠的装配精度应较高，以防止由于螺母间存在干涉，产生较大应 力，使丝杠的产生较大磨损，降低丝杠寿命。 4、导轨滑块安装的位置精度要足够，以放置与导轨配合使用时产生干涉，产生较大的 侧向应力，加快导轨或滑块的磨损，降低使用寿命。精度过低时甚至造成小车与导轨无法 正常配合使用。 3.1.1 机架的设计 机架是小车的基础零件，它支撑或容纳零部件的作用。机架设计的一般要求有： 5 （1）机架的重量轻，材料选择合适，成本低。 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 15 （2）结构合理，便于制造。 (3) 结构应使机架上的零部件安装、调试、修理和更换都方便。 （4）结构设计合理，工艺性好，还应使机架本身的内应力小，有温度引起的变形应力 小。 抗震性好。 （5）耐腐蚀，使机架结构在服务期限内尽量少修理。 （6）有导轨的机架要求导轨面受力合理。 机架类型选择 按制造方法，机架可分为铸造机架、焊接机架、和螺栓联接机架、或铆接机架。铸造 机架刚度和强度较好，抗振性好，但铸造过程复杂，成本较高；螺栓联接或铆接机架制造 简单，加工容易，但其刚度较差，不适合在振动较大的场合工作；焊接机架结构简单，加 工制造容易，成本较低，而且刚度和强度较高，抗振性较好，适合本检测装置的工作环境， 因此设计采用焊接机架。 机架材料选择 由于机架承受的应力较小，对材料的力学性能要求不高，但由于是焊接机架，故对材 料的焊接性能有特殊要求，应选用焊接性能较好的金属材料。低合金碳素结构钢 q395，钢 中只含有极少量的合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯、焊接及耐腐蚀性，能够 满足机架的工作要求，故机架材料采用 q395 焊接成型。 7 机架基本结构设计 机架的结构不仅应使机架上的零部件安装、调试、修理和更换都方便，而且由于现场 环境振动较大，应具有良好的抗振性，因此总体结构应具有较好的刚性， 其结构形式如下图所示 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 16 左图：侧视图 右图：俯视图 图 3.1.1 机架结构简图 结构中有三块肋板，其作用是增加机架的刚度，提高抗振性。 3.1.2 摄像机支架设计 摄像机支架由导轨滑块、滑块固定板、丝杠螺母固定板、丝杠螺母、悬梁五部分组成 （如图 3.1.2）。摄像机支架安装在小车机架的立柱上，通过导轨滑块和安装在机架立柱 上的导轨配合形成可上下移动的组件。丝杠螺母与丝杠配合使用，通过旋转丝杠达到调节 支架高度即摄像机工作距离的目的。 图 3.1.2 摄像机支架结构图 一、 导轨及导轨滑块的选用 导轨和导轨滑块选用上海仁旺机电有限公司生产的 sbc 系列直线导轨。 sbc 直线导轨系统特性： 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 17 （1）价格低廉，经济实用。 （2）精确定位，轨道摩擦系数小，具有良好的重复性。 （3）节约成本 由于 sbc 导轨摩擦系数小，可是驱动装置小型化，并同时减小电力损耗。 （4）保持高精度 通过减小滚动摩擦和热膨胀，sbc 直线导轨可以实现长时间的重复运转。 （5）安装简单 sbc 直线导轨和标准螺栓装配方式能够确保导轨的负载力和精确定位。 （6）提高机械的可靠性 根据往复次数估算机械寿命，sbc 直线导轨能够提高机械的可靠性。 对于机架和摄像机支架间的导轨，根据机架和摄像机支架的尺寸，选导轨型号为 sbg 15 fl/fll，导轨长度 340mm。对于小车和底座间的导轨，选择型号为 sbg 30 fl/fll，长 度为 3960mm（其最大长度为 4000mm），摩擦系数为 0.003。对于滑台所需导轨，由于滑 台质量较大，这里也选用动负载为 2980kgf 的 sbg 30 fl/fll 导轨，长度为 350mm（其最 大长度为 4000mm）。其主要参数和结构示意图如表 3.1.1 单位 mm 安装尺寸滑块尺寸 安装螺栓孔注油嘴型号高 度 ew2 宽度 w 长 度 l bjms l1kt 安装孔 t1 n sbg15fl242.8164758 383 0 m5m438217.2m3.54 5 sbg30fl425319098 725 2 m10m870.43712m60.758.5 10.5 表 3.1.1 导轨参数表 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 18 二、导轨精度设计 由于摄像机支架上的丝杠螺母要与垂直安装的丝杠配合，导轨的安装精度直接影响着 丝杠副的传动精度，故导轨的精度应选高一些，sbc 直线导轨的精度等级分三级，这里选 用等级 h，如表 3.1.2 表 3.1.2 导轨精度 h h 和 w的测量 2 um40 同一导轨的每一滑块上，h 和 w之间的最大差值 2 15um 平行度要求5um 三、 丝杠的选用 丝杠与螺母配合使用组成摄像机工作高度的调节系统。丝杠垂直布置，螺母安装在摄 像机支架上，因此丝杠副主要受轴向力，即摄像机支架对其造成的压力及扭矩。分析可知， 丝杠副受力较小，且仅用于手动调节，转速很低且不会频繁工作，对丝杠及其螺母的力学 性能要求较低。 米思米就精密机械贸易公司生产的梯形丝杠，其产品品种齐全，价格便宜，质量可靠， 发货期短。设计采用公司生产的梯形丝杠。 根据机架结构尺寸，试探性选用 mtsrw25 型。由于传动为低速传动，且为间歇性传动， 故可假设丝杠转速 s=100 转/min。查技术手册，动态容许推力 f=1200n。 计算接触面压 p 由 pro_e 软件可以分析出摄像机支架的总体重量为 9.27kg，则丝杠承受的轴向力 单位 mm 导轨尺寸承载性能重量 静态力矩 型号宽度 w1 高度 h1 孔间 距 h 螺栓孔 g 导轨最 大长度 动 态 c 静 态 co mrompomro 滑块导轨 sbg15fl1515604.57.55.3203000850 137 0 7550.181.5 sbg30fl28258091412204000 298 0 549 0 6050491.14.5 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 19 =9.279.8n=90.846n f p 则 p=n/mm 8 . 9 f pf 74 . 0 8 . 9 1200 846.90 计算滑动速度 v。 以转速 s=100 转/min 进给速度 1.5m/min 运动时，丝杠的齿面滑动速度按下式计算： v=10.01m/min 30 4 cos 100 5 . 2214 . 3 2 10 cos 2 0 32 nd 3 10 从 pv 值图（图 3.1.5）中可以 判断，在 p 值为 0.74n/mm 的情况下， 如果滑动速度 v 为 50m/min 或更小，则不会有 异常的磨损。 计算安全系数 s f 丝杠使用条件：平均温度 15c 0 查图 3.1.6，温度系数=1.0 t f 13.21 图 3.1.5 丝杠 pv 值图 846.90 12001 f t s p ff f 按照负荷种类，在 4 或更大时能满足 s f 强度要求，13.214 因此选择 mtsrw25 型。 mtsrw25 型丝杠是两端台阶型右螺旋 30 梯形丝杠，丝杠型号材质 s45c，表面有四 0 氧化三铁保护膜，并低温度黑铬。（参数见 图 3.1.7） 图 3.1.6 丝杠温度系数 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 20 型号指定单位 1mm dlfs v.q 选择螺距 p 有效直径 2 d 螺纹牙 根直径 螺纹升 角 mtsrw 25440 72 72 qs vf v=16 q=16 522.519.0 03 0 4 图 3.1.7 丝杠参数表 丝杠的一头与手轮配合，便于手动调节摄像机高 度，因此，在丝杠的一端追加工四平面（图 3.1.8）。 四平面参数如表 3.1.3 表 3.1.3 四方面参数表 参数值（mm） w12 a15 3.1.3伺服电机的选用 1. 小车的伺服电机的选择 小车的电机是整个检测装置的动力源，根据电机的工作条件及要求，设计选用由 富士电机集团生产的 faldic-w 系列交流伺服电机。faldic-w 系列伺服电机的特点是： （1）标准配备减振控制功能，最大限度抑制机械振动； （2）标准配备 rs-485 2 个通信接口，参数实现了一体化管理； （3）调试简单，利用简易调试功能可实现机械和伺服电机的最理想匹配； 图 3.1.8 丝杠四平面 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 21 （4）高分辨率编码器、伺服系统分析功能、运行调试等。 电机型号的选择； 决定运行方式 根据机械系统的控制内容，决定电机运行方式，启 动时间和减速时间由实际情况和机械刚度决定。 a t b t 摄像小车采取分段拍摄，每个拍摄周期小车的运动有加 速（启动）、匀速（运行）、减速（制动）、暂停（停 止）四段组成，摄像机在暂停时间进行拍摄。（如图 3.1.9） 其中=0.5s，=0.5s，=2s，4s a t b t c t 0 t 匀速运动速度0.5。 计算电机转矩均方根 图 3.1.9 小车的运动方式 工作机械频繁启动，制动时所需转矩，当工作机械作频繁启动，制动时，必须检查电 机是否过热，为此需计算在一个周期内电机转矩的均方根值，并且应使此均方根值小于电 机的额定转矩。电机的均方根值由下式给出： 0 2 2 2 2 )()( t tttttttttt t bbafbcfafa rms 式中，为加速转矩（nm）；为摩擦转矩（nm）；为在停止期间的转矩 a t f t b t （nm）； 加速及减速时的减速度值0.50.51m/s 2 由 pro-e 软件分析，小车的总质量 m=37kg，则小车加减速是的惯性力 f=371n=37n。am =fd/2=3750/2n.mm=925n.mm=0.925n.m a t =0.925n.m b t a t =m.g.u.d/2=370.027n.m f t205 . 0 003 . 0 8 . 9 则=0.801nm rms t 4 2925 . 0 5 . 0)027 . 0 925. 0 (5 . 0027 . 0 5 . 0)027 . 0 925. 0 ( 2222 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 22 选择电机型号 根据平均转矩，选择电机的额定转矩必须大于 0.925nm，查富士电机的使用手册，选 用电机型号为 gys401dc2-t2a-b(见图 3.1.10)，根据电机的额定输出，选择伺服发达器的 型号为 ryc401d3-vvt，单相 200-230v 交流电源输入，额定输出 0.4kw。 图 3.1.10 gys401dc2-t2a-b 参数 其中额定转矩为 1.27nm，大于 0.801nm。其他参数见表 3.1.4 表 3.1.4 gys401dc2-t2a-b 电机参数表 电机型号 gys401dc2-t2-b 额定输出 kw 0.4 额定转矩 n.m 1.27 静摩擦转矩 n.m 惯量 kg.m 0.27 4 10 额定电压 v0.2410 吸合时间 ms 释放时间 ms 20 消耗功率 w 重量 kg 2.3 2.支撑板电机的选择 支撑板的电机主要提供支撑板伸出和收回时的动力，在收回时由于有重力作用输出 转矩可以小些。在支撑板伸出时，电机的动力需要克服转动轴与周孔之间和支撑杆的铰链 长春工程学院 2011 届毕业设计(论文) 23 的摩擦阻力。 （1）计算电机所需的最小转矩 当支撑杆由完全收起状态伸出时所需的动力最大，此时的阻力有转动轴与轴孔之间 的摩擦力，支撑杆铰链之间的摩擦力： 由 proe 的质量分析可得转动轴和支撑杆的质量大约分别为 m1=53kg 和 m2=20kg，取刚 -刚之间的摩擦系数为=0.1 转动轴转动时的摩擦力为： f1=xm1xgx3=0.1x53x9.8x3=155.82n 当支撑杆转动时单个铰链之间的摩擦力为： f=m2xgx=20x9.8x0.1=19.6n 支撑杆处在最低位时候由连个连杆的受力平衡可知： f2=3fx cos1/ cos2=3x19.6xcos24.06/cos44.99=75.92n 伺服电机的转矩计算公式为： t=fxdxn（n 为减速比,这里为 0.02） 带入数值计算： t总=(f1xl1+f2xl2)x0.02=（f1xd/2+f2xl2)x0.02 =(155.82x0.0225+75.92x0.25)x0.02 =0.45nm 选择电机型号 根据所需的最大转矩为 0.45nm，所选电机的最大转矩必须大于 0.45nm,可以选用无锡 市德诚自动化技术有限公司的 60 系列伺服电机，根据电机的额定输出选择电机型号为 60st-m00630,额定转矩为 0.637nm。 长春工程学院 2011 届毕业设计