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）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 24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： 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Design of an Assembly and Testing System of Turbocharger ComponentsAbstractTurbocharger 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目录1.绪论11.1 研究背景11.2 研究意义11.3 研究的主要内容21.4本章小结32. 系统方案设计42.1 系统设计概述42.2 系统装配组件介绍42.3 系统工作流程52.2 本章小结63.系统硬件介绍73.1 S7-300PLC介绍73.1.1 工作原理73.1.2 组成部分73.2 Rexroth电动螺丝刀系统83.2.1 电动螺丝刀83.2.2 螺丝刀控制器83.3 电磁阀岛93.4 电缸及控制器93.4.1 电缸控制器93.4.2 电缸103.5本章小结114. 系统硬件与电气设计124.1系统总的结构框图124.2 S7-300PLC控制器I/O设计124.2.1 S7-300PLC数字I/O分配表124.2.2 S7-300PLC的接线图134.3 电缸控制系统设计154.3.1 电缸控制系统结构分析154.3.2 电缸控制器接线154.3.3 电缸控制器的设置与地址分配164.4 螺丝刀控制系统设计184.4.1 螺丝刀系统通信184.4.2 螺丝刀控制器操作184.5系统电气设计234.6 本章小结245系统通信设计255.1系统的通信网络设计255.2 OPC通信介绍265.3 Profibus-DP现场总线265.4 Ethernet通信265.5 本章小结276.人机界面与检测技术设计286.1 人机界面设计286.1.1 人机界面概念介绍286.1.2 人机界面展示286.1.3 PLC与HMI通讯306.1.4 PLC与HMI数据关联316.2 检测技术设计326.2.1 有无检测326.2.2 尺寸检测326.3 检测流程设计336.4 本章小结347.总结、展望与影响357.1 总结357.2 展望357.3对环境及社会可持续发展的影响357.3.1 对环境可持续发展的影响357.3.2 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64附录四 系统实物图68致谢6928常熟理工学院毕业设计（论文）1.绪论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.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。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。2. 系统方案设计2.1 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）图2.1 系统装配组件示意图2.3 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。图2.2 系统工作流程图2.2 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。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 S7-300PLC3.1.1 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。3.2 Rexroth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。(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。4. 系统硬件与电气设计4.1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 S7-300PLC控制器I/O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。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workI1.0光栅复位Q1.0探孔气缸定位homeI1.1光栅旁路Q1.1补偿气缸（前）workI1.2备用Q1.2补偿气缸（前）homeI1.3光源触发信号1Q1.3补偿气缸（后）workI1.4光源触发信号2Q1.4补偿气缸（后）homeI1.5光源触发信号3Q1.5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workI3.0门吸1I4.0上下气缸定位homeI3.1门吸2I4.1左右气缸定位workI3.2门吸3I4.2左右气缸定位homeI3.3门吸4I4.3接近传感器探孔电缸I3.4门吸5I4.4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I4.74.2.2 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4.3 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。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(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3.1IAI_1_stopBOOLFALSE电缸1暂停5.4IAI_1_homeBOOLFALSE电缸1回原点5.5IAI_1_GatewayControlBOOLFALSE电缸1网关控制5.6IAI_1_son_IBOOLFALSE电缸1son5.7IAI_1_CSTR_IBOOLFALSE电缸1触发信号6.0IAI_1_jog1_IBOOLFALSE电缸1JOG+6.1IAI_1_jog2_IBOOLFALSE电缸1JOG-6.2IAI_1_PUSH_IBOOLFALSE电缸1推压模式触发6.3IAI_1_dir_IBOOLFALSE电缸1推压方向6.4IAI_1_BKRL_IBOOLFALSE电缸1刹车解除6.5IAI_1_RES_IBOOLFALSE电缸1复位6.6IAI_1_jisl_IBOOLFALSE电缸1JOG、寸动切换6.7IAI_1_EMGS_OBOOLFALSE电缸1急停输出7.0IAI_1_crdy_OBOOLFALSE电缸1准备完成7.1IAI_1_mend_OBOOLFALSE电缸1定位、HOME、推压完成7.2IAI_1_ALM_OBOOLFALSE电缸1报警信号7.3IAI_1_sv_OBOOLFALSE电缸1准备完成SV-ON7.4IAI_1_MOVE_OBOOLFALSE电缸1moving7.5IAI_1_HEND_OBOOLFALSE电缸1归原点完成7.6IAI_1_pend_OBOOLFALSE电缸1位置定位完成8IAI_TargetPosition_1_IDWORDDW#16#0电缸1Target Position12IAI_PositioningWidth_1_IDWORDDW#16#0电缸1PositioningWidth16IAI_CommandSpeed_1_IWORDW#16#0电缸1CommandSpeed18IAI_AcDc_1_IWORDW#16#0电缸1ACCELERATEDECELERATE20IAI_pressingcurrentl_1_IWORDW#16#0电缸1Pressing Current Limit22IAI_CurrentPosition_1_oDINTL#0电缸1CurrentPosition26IAI_CurrentCurrent_1_oDWORDDW#16#0电缸1CurrentCurrent30IAI_CurrentSpeed_1_oWORDW#16#0电缸1CurrentSpeed32IAI_AlarmCode_1_oWORDW#16#0电缸1AlarmCode124.0IAI_1_GatewayControl_oBOOLFALSE电缸1网关控制反馈126WANGGUANKONGZHIZIWORDW#16#0plc-电缸网关控制字128WANGGUANKONGZHIZI1WORDW#16#0电缸网关控制字-PLC130IAI_1controlziWORDW#16#0PLC-电缸1控制字132IAI_1controlzi1WORDW#16#0电缸1控制字-PLC4.4 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。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4.5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。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。5系统通信设计5.1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，然后在各个设备分别挂在DP或Ethernet通信网络上。组态完成后如图5.2所示。图5.1系统通信网络拓扑结构图5.2 OPC通信介绍OPC（OLE（对象连接与嵌入） for Process Control）是过程控制中一种基于Windows OLE的数据交换标准。OPC提供了在基于Windows平台的组态软件和基于现场控制的控制器之间的数据交换有效的实现方法。OPC工艺流程中的控制装置无论采取什么软件或着硬件，OPC将为所有这些软件或者硬件提供公共接口。组态软件可以不必了解这些硬件设备的详细信息，而是按照OPC服务器提供的接口来访问现场控制设备的数据，最终提高效率，灵活性，开放性和互操作性。本设计中采用了以LabVIEW作为OPC服务器的方式进行OPC通讯。这种方式下只需将PLC中的地址添加到OPC 服务器中便可直接获取数据，并可进行读写操作。5.3 Profibus-DP现场总线现场总线Profib