（机械工程专业论文）轴瓦精密在线测量与质量控制.pdf

摘要 ( 随着汽车工业在我国迅速发展，作为汽车发动机摩擦副关键零件轴瓦的 产量和质量也要求同步发展和提高。国内外一些著名的汽车和发动机制造商要求 轴瓦供应商必须通过对轴瓦壁厚进行高精度检测将轴瓦按规定分组，以便于进 行分组装配。国内目前轴瓦壁厚检测均是采用人工检测手段，如果不用自动化测 量线根本无法对大量的轴瓦进行测量分组。因此，研究开发一种机电一体化的高 精度、高效率的轴瓦壁厚自动测量分选机，对企业占领市场提高产品质量，提 高生产效率，降低生产成本及提高企业的生产能力和经济效益，有着显著的作用卜y 一 本课题的目的是研究开发一种机电一体化的高效率的轴瓦壁厚皂型捌量分选机 进行在线测量并有效地进行质量控制。本课题的研究丌发对于提高我国汽车零部 件产品质量和水平、打破国外的技术垄断具有重要意义。 r 实现对轴瓦的自动化精密测量，要求测量精确、安全、高效。其中精密测量 和上下位机的通信、控制及测量的重复性和再现性要求是问题的关键和难点。针 对国内第一台轴瓦壁厚自动测量分选机研制。体文主要研究工作和成果如下： 测量传感器测量数据高精度、高效率采样：、测量传感器的测量数据采样涉及 测量速度和测量精度的矛盾以及系统振动的影响，我们通过精心的软件设计、机 械结构设计和实验很好地解决了这一问题。 有效的机械定位系统：机械定位系统的性能主要影响测量的准确度以及测量 的重复性和再现性。机械定位我们采用具有对中和定位双重功能的v 型块定位并 辅以运动减震措施，很好地保证了工件的定位精度，这样在反复测量同一片轴瓦 时，测量点几乎没有变化，有效保证了测量的重复性和再现性。 零部件的变形计算与考虑：零部件的变形直接影响到测量结果的准确与否以 及测量的重复性和再现性。通过计算被测量轴瓦自身的变形和定位部分机械装置 的变形，采取了设计特殊结构及合理的零件热处理方式尽量减少变形，同时对测 量结果采取补偿，达到了很好的效果。 测量时序的控$ 1 h 通过上下位机的多次软握手串行口通信，保证了控制的可 靠性。 研制了一台轴瓦壁厚自动测量分选机：包括一条自动测量流水线设计制造，气 动系统，控制系统，用p l c 实现了对所有气缸的合理控制，开发了界面友好、功 能全面、安全可靠的控制应用软件，并且用上位机实现了高速测量数据采集与处 理。 轴瓦在线测量与质量控制：研制的测量系统具有优秀重复性和再现性指标，能 对加工的轴瓦进行现场检测，然后通过统计过程分析( s p c ) ， 息与质量控制信息反馈给加工生产过程，大大提高了产品生产 关键词：轴武厚度检i 贝杉p l c 控制，重复性和再现性，p c p l c 通信，统计过程分析( s p c ) ，质量控制v a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yi no u rc o u n t r y , t h e o u t p u ta n dt h eq u a l i t yo fb e a r i n 2u s e df o ra u t o m o b i l e ，t h ek e ye l e m e n to f a u t o m o b i l e e n g i n ef r i c t i o nf i t n e e dt og r o wa n di m p r o v ei n p h a s e s o m ef a m o u sm a n u f a c t u r e r s o fa u t o m o b i l ea th o m ea n da b r o a da s kb e a r i n gp r o v i d e rm u s tc a r r yo nh i g hp r e c i s i o n m e a s u r eo nb e a r i n g sw a l lt h i c k n e s s ，a n dt h e ng r o u p i n gb e a r i n g sa c c o r d i n gs o m e r e g u l a t i o n s ，t h i si sc o n v e n i e n tf o ra s s e m b l i n gi ng r o u p s ，a n dl o w c o s tf o rp r o d u c t i o n n o wi no u rc o u n t r y , a l lm e a r i so fd e t e c t i n go nb e a r i n g sw a l lt h i c k n e s sa r em a n u a l w o r k ，i ti st o od i f f i c u l t yt om e a s u r es ol a r g en u m b e r so fb e a r i n g sa n dt og r o u pa ta 1 1 t h u s ，i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o pat y p eo f a u t o m a t i cm e a s u r i n ga n d p i c k i n gm a c h i n eo nb e a r i n g sw a l lt h i c k n e s s o f i n t e g r a t i v ee l e c t r o m e c h a n i c a ld e v i c e w i t h h i g hp r e c i s i o n a n dh i g h e f f i c i e n e y t h i s m a c h i n ei sr e m a r ka b l et o h e l p c o r p o r a t i o n s t o o c c u p yt h em a r k e t ，i m p r o v et h eq u a l i t y o fp r o d u c t ，i n c r e a s et h e e 舔c i e n c y o fm a n u f a c t u r i n g r e d u c et h e c o s to f p r o d u c t i o n a n d e n h a n c et h e t h r o u g h p u ta n de c o n o m y b e n e f i t o f e n t e r p r i s e 0 u rt a s ki st or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h i st y p eo fa u t o m a t i cm e a s u r i n ga n d p i c k i n gm a c h i n eo nb e a r i n g sw a ut h i c k n e s s a n db yt h i sm a c h i n e e a r l yo no n l i n e d e t e c t i n g a n d q u a l i t y c o n t r o l e f f i c i e n c y o u r w o r kh a v e s i g n i 母i n gm e a n i n g t o i m p r o v ep r o d u c t sq u a l i t ya n d l e v e lo fo u rc o u n t r y sm o t o r c a rp a r t s ，a n dt ob r e a kt h e t e e h n o l o g ym o n o p o l y o f b r o a di nt h i st e c h n o l o g y c a r r y i n go u ta u t o m a t e dm e a s u r en e e d sp r e c i s i o n ，s a f e t ya n de f f i c i e n c y a m o n g t h e m ，t h ep r e c i s i o n ，t h ec o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o lb e t w e e ns e v e ra n dc l i e n tc o m p u t e r , t h er e q u e s to fr e p e t i t i v e n e s sa n dr e a p p e a r a n c eo fd e t e c t i n ga r et h ek e y s ，t h e ya r e d i 街c u l tt o c o p e w i t h a i ma tf o r d e v e l o p i n g t h ef i r s tm a c h i n eo fa u t o m a t i c m e a s u r i n ga n dp i c k i n go nb e a r i n g sw a l lt h i c k n e s si no u rc o u n t r y , t h em a i ns t u d i e s a n dr e s u l t so f t h i sp a p e ra sf o l l o w i n g ： s a m p l i n gf o rd a t ao fm e a s u r es e n s o rb yh i g hp r e c i s i o na n dh i g he f f i c i e n c y m e t h o d s ：s a m p l i n gf o rm e a s u r e s e n s o r sd a t ai sr e l a t e dt om e a s u f e s p e e da n dm e a s u r e p r e c i s i o n w j h a v es o l v e dt h i s p r o b l e mw e l lb yo u re l a b o r a t e s o f t w a r ed e s i g n m e c h a n i s ms t r u c t u r ed e s i g na n de x p e r i m e n t e 仃e c t i v em e c h a n i s mp o s i t i o ns y s t e m ：t h ec a p a b i l i t yo fm e c h a n i s mp o s i t i o n s y s t e ma f f e c t st h em e a s u r ep r e c i s i o na n dr e p e t i t i v e n e s sa n dr e a p p e a r a n c eo f m e a s u r e o nt h em e c h a n i s m ，w ea d o p tvs h a p eb l o c kp o s i t i o nm e a n sw h i c hh a v ed o u b l e f u n c t i o no fc e n t e r i n ga n dp o s i t i o n ，a n dw ec o m p l e m e n tt h es t e po fm o v ed a m p i n g t h i sc o m m e n d a b l yg u a r a n t e et h ep a r t so r i e n t a t i o np r e c i s i o n ，b yt 1 1 i sw a y ，w h e nt h e s a m ep i e c e w o r ki sm e a s u r e dr e p e a t e d l y , t h ep o i n tm e a s u r e dh a sh a r d l ya n yc h a n g e ， t h i sa s s u r e st h er e p e t i t i v e n e s sa n d r e a p p e a r a n c eo f m e a s u r e a c c o u n ta n dc a l c u l a t eo nt h ed e f o r m a t i o no fp i e c e w o r k ：t h ed e f o r m a t i o no f p i e c e w o r kd i r e c t l y e f f e c t st h em e a s u r e p r e c i s i o n a n dt h e r e p e t i t i v e n e s s a n d r e a p p e a r a n c eo fm e a s u r e b yc a l c u l a t i n gt h ed e f o r m a t i o no ft h em e a s u r e db e a n 2 w h e nt o u c h e d f o rt h em e c h a n i s mo f p o s i t i o nd e v i c e ，w ed e s i g nas p e c i a ls t r u c t u r e ， a n dr a t i o n a lh e a tt r e a t m e n tm a n n e ro fe l e m e n t sa r ea i d e dt or e d u c ed i s t o r t i o na n d d e f o r m a t i o na sf a ra sp o s s i b l e f u r t h e r m o r e ，w et a k ec o m p e n s a t et om e a s u r er e s u l t a 1 lt h o s eo b t a i na g o o d e f r e c t t h ec o n t r o lo fm e a s u r et i m es e q u e n c e ：b ys e v e r a lt i m e ss o f th a n d c l a s po n s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ns e v e ra n dc l i e n tc o m p u t e ra s s u r e st h er e l i a b i l i t y o fc o n t r o lf u n c t i o n s r e s e a r c ha n dd e v e l o pa na u t o m a t i cm e a s u r i n ga n dp i c k i n gm a c h i n eo n b e a r i n g s w a nt h i c k n e s s ：i n c l u d ea na u t o m a t i cm e a s u r ef l o wl i n e ，p n e u m a t i c s y s t e m c o n t r o ls y s t e m ，a n di m p l e m e n t t h er a t i o n a lc o n t r o lo na l lc y l i n d e rw i t hp l c ， e x p l o i tc o n t r o ls o f t w a r ew h o s ei n t e r f a c en e i l g h b o r , f u n c t i o n s a r ec o m p r e h e n s i v e ，s a f e a n dd e p e n d a b l e b e s i d e s ，s e v e rc o m p u t e rc a r r i e s o u t h i g h l ys p e e dm e a s t l r e d a t a c o l l e c t i o na n d d i s p o s a l b e a r i n g so n l i n em e a s u r ea n dq u a l i t yc o n t r o l ：t h em e a s u r es y s t e md e v e l o p e d b yu s c a l lp r o v i d ew i t he x c e l l e n tr e p e t i t i v e n e s sa n dr e a p p e a r a n c e t h ed a t am e a s u r e d o n l i n ec a nr e f l e c tt h es p o t sa n ds t a t u st om a n u f a c t u r e db e a r i n g ，t h e no v e r p a s st h e s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n s t r u e ( s p c ) ，f e e d h a c kt h ea c c u r a t em e a s u r ei n f o r m a t i o na n d t h eq u a l i t yc o n t r o li n f o r m a t i o nt om a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i o n ，t h i si n c r e a s eg r e a t l yt h e b e n e f i ta n de 衔c i e n c yo fp r o d u c tm a n u f a c t u r ei nl a r g es c a l e k e y w o r d s ：b e a r i n g ，w a l l ，t h i c k n e s sm e a s u r i n g , p l c c o n t r o l ， r e p e t i t i v e n e s sa n dr e a p p e a r a n c e , p c - p l cc o m m u n i c a t i o n ，s t a t i s t i c a lp r o c e s s c o n s t r u e ( s e e ) ，q u a l i t yc o n t r o l l i i 海交通人学顾l 论文2 0 0 i 1 课题的目的和意义 第一章综述 精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件，精密、超精密加工首先 立足于精密测量，两者关系极为密切，不可分离。这已经被生产发展的历史所 确认。从生产发展历史来看，机械加工精度的提高总是与测量技术的发展水平紧 密相关的。1 9 世纪中叶，由于有了千分尺类量具，使加工精度达到了0 0 1 r a m ； 2 0 世纪3 0 年代和4 0 年代，是各种计量仪器发明的黄会时代，扭簧比较仪、气 动量仪、电接触式和电感式测微仪、各种工具显微镜和光干涉仪器相继问世，有 了测微比较仪，使加工精度达到l m 左右：2 0 世纪5 0 年代，有了圆度仪，使加 工精度达到0 1 m ，2 0 世纪6 0 年代激光技术和光栅技术的突破性发展及电子技 术的飞速发展，打破了5 0 年代计量仪器发展缓慢的状念，一代新型的激光和光 栅原理的计量仪器问世，有了激光干涉仪，可使加工精度达到o 0 1 u m 。目前国 际上机床的加工水平已能稳定的达到1 “m 的精度，正在向着稳定精度为0 1 0 1 m 的加工水平发展，表面粗糙度的测量则向0 0 0 1 h m 的水平发展 2 , 3 1 ，使得 以三坐标测量机为代表的各种智能化量仪成为人们青睐的对象，向0 0 1 u m 和 0 0 0 1 p m 进军已成为二十世纪术的目标【6 j 。有人认为材料、精密加工、精密测量 与控制是现代精密工程( 包括宇航) 的三大支柱。对于科学技术来说，测量与控 制是使其发展的促进因素，测量的精度和效率在一定程度上决定着科学技术的水 平。测量技术而是随着科学技术发展而发展的。直到2 0 世纪初，大部分测量仍 然使用机械式测量器具，5 0 年代后，随着科学技术的进步，便采用了光学和电 动量仪，而后又逐渐应用了光学显微镜、投影仪，光波干涉仪等。目前，随着激 光、光栅、感应同步器和微处理机、智能等新技术发展和迅速应用于测量技术中， 测量技术实现了自动化、程控化，以及误差补偿和误差分离【5 i 。但这些新技术、 新量仪的应用还不普遍，还远远满足不了“四化”建设的需要，有待我们根据我 国实际情况研究新的测量方法，丌发新技术，制造新量仪。 工业用轴瓦等薄壁型零件，通常尺寸精度要求高。虽然用一些高精度生产设 备也能达到精度要求，但产品的成本必然随之增加。因此在工程应用中现在多采 用种叫做分组互换装配法来解决这个问题。分组互换装配法的内容是，在生产 时将精度放大到经济精度，用一般的生产设备也能达到，然后采用精密测量仪器， 在测量时将产品按尺寸分成若干组，装配时按照尺寸精度束装配，这样较低的生 产成本也能达到高的装配精度。通常要求测量精度高达0 5 m i 岫，并且要求 1 0 0 检测，检测速度为片3 秒。 随着汽车工业在我国迅速发展，作为汽车发动机摩擦副关键零件轴瓦的 产量和质量也要求同步发展和提高。为了适应大规模生产的要求，国内一些著名 的汽车和发动机制造商，如上海大众和上海通用，对轴瓦采用分组选配的方式进 行装配。这就要求轴瓦供应商在供货前必须将轴瓦按规定的分组要求预先分组。 今年，上海大众的汽车年产量可达2 3 万辆，上海通用刚起步，今年将突破5 万 辆，以后将逐年增加。而且我们应该预见到国内的其他发动机厂为提高发动机质 量，也将逐步采用这种装配方式。由此可见，无论是当前还是潜在的市场，分组 轴瓦的需求量是巨大的。 国内目前轴瓦壁厚检测均是采用人工检测手段，根本无法对如此大量的轴瓦 海交通人学颁i 论文2 0 0 进行测量分组，也就失去了供货能力。一个具有一定规模效益的轴瓦厂每年至少 要生产几千万个要求1 0 0 检测的轴瓦，如果不用自动化测量线，用传统人工检 测方法根本无法达到要求。由于轴瓦的加工精度要求很高，加工成本很高，加之 检测仪器的精度限制，人工检测的误检率很大，严重影响了效益。 因此，运用计算机技术、信息技术、通讯技术、传感器技术，研究开发一种 机电一体化的高效率的轴瓦壁厚自动测量分选机，从而拥有高效、高精度的大批 量测量能力，是当务之急。这对企业占领市场，提高产品质量，提高生产效率， 降低生产成本及提高企业的生产能力和经济效益，有着显著的作用。本课题的目 的是研究丌发一种机电一体化的高效率的轴瓦壁厚自动测量分选机。所以，本课 题的研究丌发对于提高我国汽车零部件产品质量和水平、打破国外的技术垄断具 有重要意义。 1 2 内外现状综述 1 2 1 测量技术 可实现自动化技术测量长度的传感器是多种多样的，例如，电位式传感器、 直线感应同步器、磁栅尺、激光干涉仪、增量式直线光栅测长仪( 光栅传感器) 等。我国的计量测试科学技术，在建立计量基准、标准方面，在某些高精度零部 件的测试与仪器的研制等方面，有些项目已达到或接近国际先进水平【4 】。清华大 学精密测试技术及仪器国家重点实验室的程晓辉【7 】通过精心设计和加工f p 标 准具、腔镜和干涉仪结构，采用折叠式f p 腔、共焦f p 腔等形式，采用控温 系统和补偿技术等方法能够建立起稳定可靠的高精度测量系统，应用在纳米测量 中，收到了很好的效果；清华大学博士生韩劲松隅l 在“大型精密离心机静态臂长 测量系统”的研究中采用半导体激光二极管和f p 干涉仪系统配合进行高精度 定位的研究取得了很好的成果，零点动念定位精度达到0 0 5um ；大连理工大 学的任传波一j 用衍射原理和图象处理技术对细丝直径进行了测量；赵光辉研究 了x 射线测量板厚问题；朱沙i j 驯研究了电容传感器应用于薄型带材厚度检测的 问题：陈丽红研究了液压轧机厚度的测量与控制问题；王祖文研究了亚微 米数显光栅测长仪及其显示误差的测定的问题；梁鸿生【l6 】研究了电涡流传感器 应用于电缆铝护套厚度在线测量的问题；樊玉铭【l7 】研究了精密电容式测微仪及 其应用问题：宋元鹤【i8 j 研究了面阵cm os 图像传感器应用于覆铜板厚度检测 的光电式非接触测量问题；姚广仁卅研究了电感传感器应用于余属基体上非磁 性涂层厚度测量问题；王俊强1 2 圳研究了光纤传感器应用于油膜厚度的检测问题； 牟强1 2 i j 研究了应用光纤测厚传感器进行纸张等薄型物体的厚度测定问题；吴小 津吲研究了应用电容式传感器进行胶带纸胶层厚度在线检测问题；何亚飞【2 3 】研 究了应用传感器进行铜带厚度测量问题：马秦生【2 4 】利用激光器、图像传感器进 行非接触厚度自动测量的原理进行了测量实验。 我国在高精度、高效率的自动化测量方面总体上与国际先进水平相比，还存 在很大的差距i l l 。例如，国外生产制造的l d m 2t e t r a m e t e r ，其精度可达 0 t m m + o 1 p p m ，利用多普勒频移效应测定位移的双频激光干涉仪h p 5 5 2 6 a 及 h p 5 5 2 5 b 的精度可达0 j “m 1 4 。l ，现在，由德国海德汉公司制造并投入使用的部 分光栅编码器，测量精度高达0 0 l “m i j 。”j ，而我国的这类产品，还在实验室的研 究完善阶段。在测量手段的研究上，美国和r 本处于世界领先地位。在美国斯坦 福犬学的一家国家实验室早，研究人员借助圆度仪研制了一套球度测量装置，使 海交通人学坝i j 论文2 0 0 陔装置的测量精度高达2 5 n m i l o l 。 作为发动机主要摩擦副的轴瓦是决定发动机性能的关键零件之一。除了轴瓦 的材料外，轴瓦的几何结构和尺寸对发动机的使用寿命、振动强弱、噪音大小及 极限功率大小起着重要的作用。而轴瓦的壁厚又是关键尺寸。目f j 仃，在国内轴瓦 生产企业中，绝大多数是采用千分尺手工测量或采用电感式壁厚测量仪测量l 。 这两种测量方式，不但存在着仪器误差和人为误差，而且生产效率极低，只适合 对轴瓦进行抽检，而不适合1 0 0 检验。因此，不能满足大规模批量生产的要求。 国外先进的轴瓦生产企业，除了实验室、检测部门和研究机构拥有先进的功能强 大的精密测量仪器外，生产中普遍采用专用的高效率精密测量机进行在线测量， 从而确保产品质量，满足主机厂的要求。 轴瓦壁厚自动测量分选机研制目前在国内是一个空白，它本质上是一个高精 度、高效的长度测量与控制问题。目前国内外实现高精度长度测量的方法多不胜 数，但许多方法只适合在实验室中使用。或者能在生产现场但测量效率又十分低 下，只适合抽检，不适合于大规模批量检测。对于一个高精度、高效的长度测量 任务只能针对具体问题研究其相应的解决方案。考虑到我们所需研制的自动测量 分选机的测量精度、测量速度及测量的重复性和再现性要求，采用激光干涉仪和 增量式直线光栅测长仪弘6 ，3 7 3 9 a o a i ( 光栅传感器) 更为可行。激光干涉仪是利用 激光的特殊优点来工作的，它的测量精度在目阿测长仪器中精度是较高的，但它 对环境条件的要求比较严格，且价格昂贵。在相同的测量精度条件下光栅传感器 远比激光干涉仪经济得多。 1 2 2 质量控制方法 早在2 0 世纪2 0 年代，美国的休哈特博士( w a s h e w h a r t ) 提出了“预防和 控制”的观点，应用概率论和数理统计理论，设计了监控生产过程的工具控制图， 1 9 3 1 年发表了专著e c o n o m i cc o n t r o l o fq u a l i t ya n d 案m a n u f a c t u r e d p r o d u c t s ，标志着质量控制时代的丌始p “。 对于任何生产部门来说，质量控制都是一个非常关键的方面。质量控制做不 好，生产效率不高，对于建立在现代企业制度下的企业来说，很难在今天同趋激 烈的竞争中站住脚。提高产品质量是企业生存的前提和发展的保证，产品质量是 经济效益的基础，提高产品质量的过程也是全面提高企业素质的过程，提高产品 质量有利于丌拓国际市场，增强我国产品竞争能力。f 所谓“以质量求生存，以 效益求发展”。 质量控制经历了传统质量控制阶段、统计质量控制阶段和全面质量控制阶 段，目前已经进入了计算机辅助质量控制( c o m p u t e r a i d e d q u a l i t y c o n l r o l ，c a q c ) 新阶段。质量控制( q u a l i t yc o n t r o l ，q c ) 由“事后把关”发展成 了“事自口预防”。对质量的含义也由原来狭义的产品质量拓宽成了广义的质量， 即包括产品质量和工作质量两个组成部分的全面质量。就产品质量而言，也由原 来的主要关心其功能、经济性发展成为包括功能、经济性、可靠性、时阳j 性以及 适应性等六大指标的综合要求【3 3 6 7 。6 1 。现代质量管理已广泛应用于各个领域，质 量控制方法也在不断完善和更新。从同本、美国丌展质量管理的实践及我国近年 束取得的成果证明，全面质量管理的理论和方法是科学的、有效的。我国对质量 控制的研究起步比较晚，直到建国后5 0 年代中期才丌始，比国外晚了3 0 多年， 虽然部分领域的质量控制已经接近或达到国际先进水平，计算机辅助质量控制也 进行了部分研究，例如，北京航空航天大学的徐哲p l j 对计算机辅助质量控制图 进行了一定的研究，陈庆新”1 对基于分层递阶模型的质量控制系统进行了研究丌 海交通人学颁i ：论义2 0 0 发，但总体水平与欧美发达国家还有不小的差距：并且，我国对质量控制的研究 基本集中在具体如何应用方面以及对产品的质量控制方面。至于对质量控制理论 体系的研究，以及对测量器具的质量控制，我国涉足较浅口”。现在，对质量控 制的研究最深入和先进的有美国、同本和德国。其中，在精密测量设备的质量控 制理论及应用方面，美国走在世界的前列，在美国质量控制协会( a s q c ) 汽车部及 汽车工业行动集团( a i a g ) 主持下 7 5 , 7 6 1 ，由克莱斯勒、福特和通用汽车公司供方质 量要求特别认可的测量系统分析( m s a ) 工作组编写测量系统分析( m s a ) 手册 【2 ”，是精密测量设备的质量控制理论方面公认的权威。 1 3 本课题所做主要工作和取得的主要成果 ( 1 ) 研究了测量系统中的若干关键技术 主要包括： 测量传感器测量数据采集； 机械定位系统； 零部件的变形分析； 测量时序的控制； 通过对上述关键技术的研究，丌发出了轴瓦自动在线测量系统( 包括软、硬 件) ，各方面指标均达到或超过预期要求，甚至超过了国外同类产品的水平。 ( 2 ) 自动测量流水线研制 a ) 研制了一条自动测量流水线。铝合金型才轻便美观，采用封闭式连接，机 械强度高，刚度好。 b ) 机械部分中，为了确保测量精度最后达到一个微米，对测量精度影响大的 安装光栅尺部分零件的结构、表面质量、热处理工艺等主要因素，在设计时 进行了周密的考虑。 c ) 气动部分：设计了一套完整的气路图。 d ) 控制部分：用p l c 实现了对所有气缸的合理控制，开发了界面友好、功 能全面、安全可靠的控制应用软件，并且用上位机实现了高速测量数据采集 与处理。其中上位机的应用软件与下位机p l c 的联系是通过串行口通信实现 的。 e ) 丌发出了一套性能优良的轴瓦自动在线测量系统。 ( 3 ) 轴瓦在线测量与质量控制 在研究和对比当今世界流行的质量控制理论的基础上，最后应用权威的 美国克莱斯勒、福特和通用三大汽车公司制定的测量系统分析m s a ) ) 理 论与测量标准，对我们丌发的这套测量系统进行了质量控制方面的论证。结 论证明：这套系统的适用性、经济性、可靠性以及重复性和再现性等质量指 标均达到甚至超过要求，测量系统的r & r ( 重复性和再现性) 为4 8 7 ( 3 0 不可使用) ，具有极大的推广 应用价值。同时，应用这套测量系统，对加工的轴瓦进行现场检测，然后把 精确的测量信息反馈给加工生产过程，大大提高了产品的合格率，增加了生 产效益，经过四个多月的使用证明，经济和社会效益明显。 海交通人学顾f 论文2 0 0 第二章测量系统方案 2 1 机械系统方案 针对测量要求，轴瓦壁厚自动精密测量线受控元件有控制气缸运动的电磁阀 1 6 个，生产线驱动电机3 个，接近开关2 个，磁性丌关3 2 个，测量光栅1 个， 操作面板丌关1 0 个。如图2 1 所示。其中，c l c 1 6 是1 6 个气缸，每个气缸上 面有两个磁性丌关，并由一个电磁阀控制；电磁阀和p l c 在控制柜内：此自动 线的用途就是自动精密测量输送线上传过来的轴瓦，并按照尺寸大小分组。那么 如何实现这样一个精密测量并合理分组的过程，是自动线设计的主要问题。整个 测量系统的机械和局示意图如图1 1 ： 图2 - 1轴瓦壁厚自动精密测量系统方案 测量过程工序如f ： 轴瓦由输送线送到气缸l 和气缸2 处，气缸1 和气缸2 联合运动，从而控制输送 线上轴瓦的传输速度，将一起送来的一堆轴瓦一片一片地分离丌。轴瓦碰到4 5 。挡板后滑到第二条传送线上。如图，当送到c 3 处时，c 3 可以在需要的时候将 轴瓦全部挡住，在c 3 、c o 、c ；、c 6 的友好合作下，当测好一片轴瓦的尺寸后， 便放另一片轴瓦通过，进行测量。c 5 、c 6 和c 7 的协作关系更为密切，如图所示， 当一片轴瓦刚刚测完的时候，c 6 的拨叉处于图上位置，这时c 5 将待测量轴瓦送 到拨叉l 上，然后后撤，c 7 是一个无杆气缸，它紧接着带动c 6 水平移动一段距 离，恰好让拨叉2 带动己测好的轴瓦运动到图中虚线所示的位置，而拨叉1 将一 待测量轴瓦送到测量立柱处。完成这个动作后，c 6 便退回到原先的位置上等待 下一片轴瓦，然后周而复始进行测量过程的循环。这一组动作是整个自动线中比 较重要的部分，几个分解动作需要有足够的精密度，不然，产生错乱，将严重损 坏测量系统的很多硬件设备。c 8 c t 是分选气缸，根据测量立柱的测量范围把 海交通人学坝l 。论史2 0 0 轴瓦分成六组，测量好的轴瓦在传送线上继续向自口运动，它的尺寸属于哪一组 那组的气缸就把轴瓦从传送带上推到平台上，整个过程就结束了。 围2 2测量立挂安排示意圈 除了这1 3 个气缸以外，测量立柱上还有3 个气缸。示意图见图2 - 2 。这三个气缸中两 个是竖直运动的，个是水平运动的。当轴 瓦送到工作台上时，气缸1 带动与之相连的 零件和气缸2 、气缸3 一起向下运动，等移 动到规定的位置时，气缸3 水平运动，带动 测量臂，与传感器配合，测出轴瓦上一个测 量点的厚度。然后气缸2 再带动与之相连的 零件和气缸3 一起向下运动，等移动到规定 的另一位置时，气缸3 再水平运动，带动测 量臂，与传感器配合，测出轴瓦上另一个测 量点的厚度。上面所说是针对每一片轴瓦测 量两个点的情况，对于测量单点，只要气缸 l 向下运动一次就可以了，不需要气缸2 的 动作。 为了使整个流水线轻便、美观、实用，选 用铝合会型材作为整个流水线框架的基本材料。 2 2 气动系统方案 考虑到测量效率，轴瓦在自动线上的运动采用皮带输送与气动相结合，气动部分 方案设计的主要问题是气路设计，包括气压设计，传感控制、过滤、稳压、减震、 定位及气动元件选型等【4 ”。此测量系统是精密测量仪器，所以气缸的动作必须 有足够的运动精度。轴瓦送到测量立柱处必须有定位装置以保证定位精度，气缸 必须有合适的减震装置，处理得不合适，势必会影响测量的精度。气缸工作气压 也必须精心设计以免薄壁轴瓦产生过大变形影响测量精度。另外气缸的精度、重 量、大小必须选择合适，因为这关系到与气缸相连的零件的尺寸、机械特性等； 鉴于s m c 公司1 25 2 6 i m x s 系列气缸具有下述优点： + 采用双缸设计，2 倍出力，体积薄； + 结合气缸即工作台，另整体尺寸减少： + 采用凸轮轴承设计，摩擦力小，没有空隙存在气缸与工作台之f 1 | ：； + 三面安装选择。 因此最终我们选择了s m c 公司的m x s 系列气缸。 2 3 测量与控制系统方案 考虑到所要研制的自动测量分选机的测量精度要求为一个微米以下，以及测 量精度、测量效率、测量的重复性和再现性要求问题，测量传感器采用气动增量 式直线光栅测长仪。控制部分方案设计的关键是确定采用何种类型的控制硬件和 丌发怎样的控制软件来实施有效的控制。可作为控制用的硬件多种多样，现在工 业上常用的有：单片机、p l c ( 可编程逻辑控制器p r o g r a r i i i l a b l al o g i c a l c o n t r o ll e r ) 、s t d 总线工业控制机、工业p c 机以及个人p c 等。p l c 是早期的继 6 海交通人学硕f 论文2 0 0 电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合的产物。它吸收了微电子技术和微型 计算机技术的最新成果，发展十分迅速。如今的p l c 几乎无一例外地采用微处理 器作为主控制器，而采用大规模集成电路作为存储器及i o 接口，因而使其可靠 性、灵活性、功能、价格、体积和使用方便性都达到了比较成熟和完美的境界。 并以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力得到了广泛的应用，受到工业界人士 的瞩目。目前，从设备检测到设备监测【4 6 48 ，”j 6 2 6 ”j ，单机自动化到工厂生产 线自动化1 47 - 4 9 0 酬，从柔性制造系统、机器人到工业局部网络无不有它的踪影 4 5 , 5 1 】。 从可靠性和逻辑控制方面考虑，p l c 无疑是控制硬件家族中性能非常优越的。现 在，p l c 发展到今天，功能已经越来越完善，用p l c 丌发控制软件方便易操作， 易于调试，p l c 作为我们作为这个项目的控制硬件，应该是个不错的选择。不过， p l c 对数据的处理能力不强，更致命的是，它对界面简赢就是无能为力。考虑到 我们这个项目要控制的点很多，要求人机界面友好，操作简便可靠，对测量的数 据能进行有效的处理并进行质量监控，故采用p l c 和p c 机来实现要求的目标。 利用p l c 实现对外围现场设备的时序及运动控制，用p c 实现良好的人机界面及 测量数据的处理。其中，p l c 作为下位机，p c 作为上位机。控制软件部分，上位 机采用v i s u a lc + + 6 0 开发控制软件，下位机采用德国西门子的p l c ，故用西门 子的s t e p 7 ”1 编程。其中p c 与p l c 间如何通过“握手通信”实现友好的合作， 成了丌发控制软件的关键之一。 通常，微机与下位机问的通信方式有并行和串行两种 3 4 , 3 5 , 3 8 , 5 4 , 5 5 , 6 3 , 6 4 , 6 7 l 。并行 通信的优点是传输数据量大，传输速度快，接口简单，传输的是t t l 电平，易于 处理。但它有明显的缺陷，不适合于远距离通讯。串行通信的优点是数据传输距 离远，抗干扰能力强，与并行通信比较起来，它不能并行处理数据，因而一次传 输的数据量相对较少，传输速度相对较慢。所以，在远距离通信中，都用串行通 信技术。采用标准的r s 一2 3 2 c 串行接口通信时，主要考虑的问题是接口方法、 传输介质及电平转换等。现在已经颁布了很多种标准总线，如r s 一2 3 2 c 、r s 一4 2 2 、r s 一4 8 5 和2 0 m a 电流环等等。与之相配套的，还研制出适合于各种标准 接口总线使用的各种芯片。现在我们的个人电脑标准配置中就有适用于r s 一2 3 2 c 的芯片，故p c 的串口为r s 一2 3 2 c 通信协议。选择串行标准总线和接口芯 片的原则是：可靠性要高；电气特性要满足要求，即满足可靠传输时的最大通讯 速度和最远传输距离要符合要求；通道的抗干扰能力要适合具体的工作环境。 考虑到测量的环境在生产现场，通信距离也不远，而且p c 机上支持标准的 r s 一2 3 2 c 通信协议，我们用的西门子p l c 也支持这一协议，故可选用标准的 r s 一2 3 2 一c 协议进行通信。但可能有不足。主要可能是传输速率不够快，以及 接口处各信号问容易产生串扰。r s 一2 3 2 c 规定为2 0 0 0 0 波特，虽然这种传送 速率与异步通信可以很好的匹配( 通常异步通信限制为1 9 2 0 0 波特，或更少) ， 但对某些同步系统，其传输速率却不能得到满足。由于p c 与p l c 间通信有三个 过程：p c 发指令给p l c ，p l c 处理，p l c 反馈信息给p c ，每个过程都要消耗掉一 定的时间，通过这个协议进行通信，实现完全实时地自动测量，可能会有些问题。 但是，将w i n d o w s 多线程机制应用在本测量系统l z ，用v i s u a lc + + 编程，可实 现较好的实时性。并且串口通信的抗干扰能力强、传输距离远、易于形成控制网 络，因此扩展性能好，环境适应性强，很容易在现有的基础上扩展其他的功能模 块。还有一个很直接的优点是：现在几乎所有的p c 机、工控机、单片机、p l c 上都有标准串口，不需要其他的硬件设备即可进行即插