（材料加工工程专业论文）基于mcgs的拨叉装配计算机检测系统的研究.pdf

摘要 拨叉类零件是汽车变速器中挂档的重要零件，拨叉装配是汽车零部件开发 中的重要环节，装配品质的好坏、对错直接反映在整车的性能和品质上。人们 对汽车的安全性能要求比任何其他行业都突出。而性能的保证，不仅在合理的 设计，高精度加工，更在于装配的精度和稳定性、测量检测手段的先进性和可靠 性。在需要兼顾效率的前提下，以上这些要求强化了这个行业对装配测试自动 化广泛的需求。可以说，装配自动化检测系统在几乎所有的汽车零部件企业都 得到了不同程度的应用。 一本文所研究的专用拨叉零件形状复杂且各片零件形状相似，其人工半自动 化装配检测过程是容易出错的。所以本课题要求研究设计出的装配检测机器能 严格符合实际生产的需要。本论文所阐述的装配检测机能够一次将所有会出现 的可能问题快速准确检验，检验效率较高，保证了装配后的零件经检验后能够 很快入库。对汽车零部件厂商有着重要的经济价值，对提高国内汽车零部件生 产厂商的竞争力，提高国内企业对汽车关键技术的掌握都有着重要的意义。 由于可编程控制器( p l c ) ，使操作简便，工作可靠，体积小等诸多优点，在 拨叉装配检测机中可编程控制器( p l c ) 成为了控制系统的核心。 本文涉及到材料加工装配和检测控制工程的两个主要领域，对拨叉装配检 测机的工作原理进行了阐述，并在此基础上研究了基于m c g s 拨叉装配检测机的 计算机控制系统。主要包括下面几个方面： ( 1 ) 介绍了拨叉装配检测机的工作原理、特性以及检测过程。 ( 2 ) 根据拨叉装配检测机的工作过程和控制要求，研究了拨叉装配检测机 的p l c 控制系统。 ( 3 ) 利用g l c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ) 组态软件实现了 p l c 和上位机的串口通信，在实现数据采集和处理功能的基础上，开发了拨叉装 配检测机实时监视与控制系统。 ( 4 ) 利用m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ) 组态软件实现了 对生产线各工位可能出现的装配错误的显示与报警，并能够详细记录报警信息、 装配信息、登录信息等，为整个生产过程的管理提供了全面的数据资料。 关键宇：拨叉，装配与检测，m c g s ，自动检测 a b s t r a c t f o r k e dp a r t si sa l li m p o r t a n tp a r to fa u t o m o b i l eg e a r b o x f o r k e dp a r t sa s s e m b l y c o n s t i t u t e sa l li m p o r t a n tl i n ki nt h ep a r t sd e v e l o p m e n tp r o c e s s ，a n da s s e m b l yq u a l i t y h a sd i r e c ti n f l u e n c eo nt h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e p e o p l ed e m a n da u t o m o b i l ef o r h i g h e rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n tt h a no t h e rp r o d u c t s ，s oi tm u s th a sr a t i o n a ld e s i g n ， h i g h a c c u r a c ym a c h i n i n g , h i g h s t a b i l i t y i nt h ea s s e m b l yp r o c e s s s t a b i l i t ya n d d e p e n d a b i l i t yo ft h ed e t e c t i o nm e t h o d o nt h ep r e m i s eo ft a k i n ga c c o u n to fe f f i c i e n c y , t h e s ed e m a n d se n h a n c et h et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i o nt e s ts y s t e m t h es y s t e mo ft e s t a n da s s e m b l ya u t o m a t i o nh a sb e e nu s e di na l lo u ra u t o m o t i v ep a r t se n t e r p r i s e s f o r k e dp a r t si nt h i sp a p e ra r ec o m p l i c a t e da n dp a r t sw e r es i m i l 缸， m a n u a l a s s e m b l yi sa b a l da n df a l l i b l ep r o c e s s b e i n ga c c u r a t ea n df a s t ，t h i sa s s e m b l ya n dt e s t m e t h o dc a nm e e tt h ed e m a n d so fp r a c t i c a lp r o d u c t i o n t h em e t h o di nt h i sp a p e rw a s f a s t 、a c c u r a t ea n dh i g h e f f i c i e n c y t h es y s t e mh a s g o o de c o n o m i cp r o f i t t o a u t o m o t i v ep a r t se n t e r p r i s e s ；i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o re n h a n c i n gt h ec o r e c o m p e t e n c ea n dk e yt e c h n o l o g yo na u t o m o b i l eo fc o r p o r a t i o n p r o g r a m m a b l el o - g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) h a st h ea d v a n t a g eo fs m a l l e rv o l u m e ， h i g h e f f i c i e n c ye a s i n e s st oo p e r a t e ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dl o wc o s te ta l ，s op l c t ob e u s e df o rc o n t r o lc e n t e ri nt h i sm a c h i n e t h i sp a p e r ，b a s e du p o nt w ot e c h n i c a lf i e l d s m a t e r i a le n g i n e e f i n ga n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g ，p r o c e e d st oe x p o u n dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h ef o r k e dp a r t sa s s e m b l ya n d l e s t b a s e du p o nt h i sp r i n c i p l e ，s t u d yt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo ft h ef o r k e dp a r t s a s s e m b l ya n dt e s t ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： ( 1 ) i n t r o d u c et h ew o r kp r i n c i p l e ，s t r u c t u r ep e c u l i a r i t ya n di d e n t i t yo ft h ef o r k e d p a r t sa s s e m b l ya n dt e s t ( 2 ) b a s e du p o nt h ew o r k i n gp r o c e s sa n dc o n t r o l l i n gd e m a n do fp a r t sa s s e m b l y a n dt e s t ir e s e a r c ht h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ef o r k c dp a r t sa s s e m b l ya n dt e s t ( 3 ) t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dc o m p u t e rh a sb e e nc o m p l e t e d w i t hu s i n gt h es o f t w a r em c g s ( m o n i t o ra n dc o n 仃o lg e n e r a t e ds y s t e m ) h o wt o c o l l e c ta n dd i s p o s ed a t ai ss t a t e ds i m p l y w i t ht h i sa b o v e ，t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo f t h ef o r k e dp a r t sa s s e m b l ya n dt e s ti sd e v e l o p e d ( 4 ) t h i sd e s i g na c h i e v e sa s s e m b l yi n f o r m a t i o nd i s p l a yi nt h ep r o d u c t i o nl i n e u s i n gt h es o f t w a r em c g sf m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ) t h i ss y s t e m 啪 r e c o r da l e r ti n f o r m a t i o n 、a s s e m b l yi n f o r m a t i o n 、l o g i ni n f o r m a t i o na n do t h e rd e t a i l i n f o r m a t i o n ，i to f f e r sa ns t a t i s t i c sd a t af o rm a n a g e m e n tm o d e r n i z a t i o no ft h e p r o d u c t i o nl i n e k e yw o r d s ：f o r k e dp a r t s ，a s s e m b l ya n dt e s t ，i i c g s ，a u t o m a t i o nt e s t 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武 汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 研究生签名： 衅 日期丝立：! ! ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名： 婢 竹张拉慨少刁协 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 针对汽车零部件的检测设备已经有许多，但是一般都是对成品的检测试验 台，很少有应用到生产过程中去的自动化在线检测设备。而在线检测可以提高 生产的效率，发现问题并及时处理，也免去了后续装配工作材料和时间的浪费。 总结出常用物理量如行程、力、力矩、气密性等参数的适应性检测技术，达到 一定的通用性，应对不同型号产品的生产任务。本文基于厂方的要求和实际状 况，介绍了一种w i n d o w s 环境下基于m c g s 组态软件的拨叉装配机计算机控制系 统的研究与开发，对于指导生产有着重要的实际意义。 1 2 研究和设计拨叉装配机的必要性 拨叉类零件是汽车变速器中挂档的重要零件。本课题的拨叉零件形状复杂 且各片零件形状相似，所以其人工半自动化装配检测过程是容易出错的，装配 完的零件不能全部符合图纸要求，但终检必须百分之百合格。用万能方法百分 之百检验，每片零件都要一一检验，劳动强度大，误差大，效率低；使用专用 装配检测装置能够一次将所有会出现的可能问题快速准确检查出，检验效率较 高，保证装配出的零件经检验后能够很快入库。对汽车零部件厂商有着重要的 经济价值，对提高国内汽车零部件生产厂商的竞争力，提高国内企业对汽车关 键技术的掌握都有着重要的意义。 装配是产品开发中的重要环节，装配品质的好坏、对错直接反映在产品的 性能和品质上。据统计在工业发达国家制造业中，大约有1 3 的人力在从事产 品装配有关活动，3 0 9 6 5 0 9 6 的生产费用用于产品的装配检测和调试，产品装配 所需工时占产品生产制造总工时的4 0 9 6 6 0 9 6 。可见，要想实现整个制造技术体 系的集成和优化，就必须使装配检测技术得到发展。 传统的检测系统使用人= 或半自动操作，操作流程复杂，检定过程中的数 据手工记录，还存在速度慢，效率低，出错率高等问题，限制了劳动生产率的 提高。本装配检测系统采用m c g s 工控组态软件，应用现代化控制技术，实现了 武汉理工人学硕士学位论文 装配检测系统的控制、数据采集、处理、分析、存储的自动化。 1 2 1 自动检测与自动检测系统 1 2 1 1 概述 在整个检测过程中，对比、示差、平衡和读数四个基本动作以及检验过程， 不需要或仅需要很少的人工干预，由系统自动完成，称为自动检测。自动检测 的任务主要有两种：一是将被测参数直接测量并显示出来，反应被测对象的变化 情况，即通常而言的自动检测；二是用作自动控制系统的前端系统，以便根据 参数的变化情况做出相应的控制决策实施自动控制。实现自动检测，可以减 少人为干扰因素和差错，提高生产过程或设备的可靠性及运行效率。由于测量 领域不断扩大，参数范围也在不断延伸，另外，很多情况下需要测试的信息往 往与其它背景物理量掺杂在一起，用简单的测量很难完成任务。这时需要用测 量仪器、仪表，以及附加设备来构成一个有机的整体，才能完成检测任务，这 就构成了检测系统”1 。 检测系统应能完成对被测对象检测、变换、分析、处理、判断、比较、存 储、控制、显示等功能，即一个完整的检测系统应包括4 大部分：信息的获取部 分，信息的变换、处理部分，信息的传输、记录或显示部分，附加设备( 如电源、 控制部分等) 。 1 2 1 2 检测技术在机电工程中的应用 检测技术在机电工程中主要应用“。”于以下几个方面： ( 1 ) 机电设备的控制在机电一体化装置与系统中，设备状态检测是参数显示 与反馈控制的依据和先导。只有获得准确实时的状态数据，才能实现预想的运 动。在测量装置和某些分类机械中，检测是装置和设备的核心。例如自动分拣 机要实现将工件按尺寸要求放在不同位置的功能，就必须具有尺寸检测单元。 ( 2 ) 设备运行状态检测与故障诊断为了保证机电设备安全可靠地运行，经常 要求对主要参数进行监测。例如，数控机床可利用切削力信号、振动情号或声 发射信号监测刀具的工作状态，当刀具破损或发生严重磨损时，及时发出报警。 ( 3 ) 制造质量检测与控制，在机械制造过程中，为保证加工零件的质量而进 行的检测。基于质量控制的检测又分为离线检测和在线检测。离线检测是在加 武汉理工大学硕士学位论文 工或装配完成时对零件或产品进行检测，确定加工零件是否合格，剔除不合格 零件，或者通过绘制控制图发现加工过程的异常趋势。在线检测是在加工或装 配过程中进行检测，例如，外圆磨削自动检测仪可在磨削过程中利用气动量仪 或电感测头自动检测工件尺寸，输出检测信息，以对机床进行补充调节或显示 报警。 ， 1 2 2 检测与控制3 现代工程中检测与控制的联系日益紧密，如前所述，检测是控制的组成环 节，没有实时准确的状态参数检测，就不可能正确地确定控制模式和控制参数， 更谈不上准确地控制。同时，在检测过程中也必须进行控制。检测中的控制主 要表现在以下三个方面： 1 ) 在自动检测系统中除了数据采集与信号处理系统之外，还要有工件定位 系统、传感器运动系统和输出打印系统等，以保证测量的顺利进行和测量精度。 传感器运动系统将传感器组件送入测量位置并进行测量旋转运动：输出打印系 统将测量结果打印输出，并在工件上作标记，这些运动都需要精确地控制。 2 ) 精密检测中环境干扰是测量误差的重要束源，因此对环境( 温度、噪音、 振动等) 的控制就成为测量系统的重要组成部分。 3 ) 某些测量器件或精确的检测方法本身就是一个控制系统，例如伺服加速 度计、平衡式称重系统。 自动控制技术的发展促进了检测技术的发展，如今，检测与控制已成为密 不可分的两部分，不少文献中已将二者合称为测控系统“。”。本文所研究的拨叉 装配自动检侧系统就是自动控制技术与检测技术相结合的产物。 1 3 汽车零部件装配检测装置的发展现状 进入2 1 世纪后，世界汽车业已出现了几种新趋向，包括零部件采购全球化、 生产装配模块化、汽车底盘通用化、开发周期缩短化。随着全球化竞争的日益 加剧，世界发达国家的汽车产业发生了新变化，促使汽车零部件行业也呈现出 组织集团化、技术高新化、供货系统化和经营全球化等新特点。世界各大汽车 公司纷纷改革供应制，实行全球生产、全球采购，即由向多个汽车零部件商采 购转变为向少数系统供应商采购；由单个汽车零部件采购转变为模块化采购； 武汉理工大学硕士学位论文 由实行国内采购转变为全球采购。整车厂商采购体制的变革，使汽车零部件新 技术产品的研发正在向零部件企业转移，要求汽车零部件厂商不断地与之相适 应，不但要求生产企业增强自己的实力，提高产品开发能力，做到系统开发、 系统供应，同时还要求其缩短开发周期，提供质优价廉的产品。整个汽车工业 将上升为全面的品牌竞争，进行系统化、模块化的生产方式，这一变革推进了 全世界汽车零部件行业并购、重组的进程。 汽车行业的特点是大批量生产，这样即使是国际知名厂家也不是自己制造 所有零件，而是掌握重要技术含量高的部分，其他大部分零部件委托供应商生 产，这既有利于集中精力发展关键技术、开发新产品，也有利于降低成本提高 效率也培养了大批量的零部件供应商。目前我国已经出现了一大批这样的中小 企业，在为国内外提供零部件。但是我国进行汽车零部件生产企业的装备却很 落后，大多数还处于简单、低级的手工作坊式生产，在加工零部件及其产品上 很难满足质量的一致性和大批量生产要求，难以得到知名整车厂商的青睐，大 的定单也无能力承接，因此他们迫切需要提高产品档次，增产扩能，力争取得 稳固的产业地位，他们急需现代化的生产线。研制出汽车零部件的自动化装配 生产线的关键技术对于发展我国汽车经济具有重要的意义，也具有很大的应用 前景。 人们对汽车的安全性能要求比任何其他行业都突出。而性能的保证，不仅 在合理的设计，高精度加工，更在于装配的精度和稳定性、测量检测手段的先进 性和可靠性。在需要兼顾效率的前提下，以上这些要求强化了这个行业对装配 测试自动化广泛的需求。可以说，装配自动化系统在几乎所有的汽车零部件企 业都得到了不同程度的应用。 在零部件生产方面，国外从7 0 年代开始在零部件及各大总成装配上逐步采 用柔性装配线，而国内大多仍以手工操作为主，有少量装配专机或机器人，装 配劳动量占到生产劳动总量的4 0 以上。企业已具有一定的国际市场竞争力，产 品销往海外市场。在上海、浙江、江苏、湖北、重庆、广东、吉林、辽宁、天 津、福建、安徽等地，形成了我国汽车零部件工业基地”1 。 1 4 国内外研究现状 检测技术主要包括传感器技术、信号处理技术和仪器仪表技术三个方面。 武汉理工大学硕士学位论文 检测技术是综合运用多学科原理和技术，同时也直接为各专业学科服务的一门 技术学科。各专业学科的发展不断地向检测技术提出新的要求，推动检测技术 的发展，同时，检测技术也在迅速吸取各学科的新成就中得到发展。十余年来， 检测技术的发展在如下两个方面最为突出： 1 传感器技术的迅速发展 材料科学是传感器技术的重要基础。材料科学的迅速发展使越来越多的物 理和化学现象被应用，并可按人们所要求的性能来设计、配方和制作敏感元件。 各类新型传感器的丌发，不仅使传感器的性能得到一步的加强，也使可测参量 大大增多。如用各种配方的半导体氧化物制造各种气体传感器，应用光导纤维， 液晶和生物功能材料制造光纤传感器、液晶传感器和生物传感器，用稀土超磁 致伸缩材料制造微位移传感器等。微电子学、微细加工技术及集成化工艺的发 展，使传感器逐渐小型化、集成化、智能化和多功能化。如用微细加工可使被 加工的半导体材料尺寸达到光的波长级；集成化工艺将同一功能的多个敏感元 件排列成线型、面型的传感器，同时进行同一参数的多点测量，或将不同功能 的多个敏感元件集成为一体，组成可同时测量多种参数的传感器：或将传感器与 预处理电路甚至微处理器集成为一体，成为有初等智能的所谓智能化传感器。 2 检测仪器微机化、智能化 数字信号处理方法、计算机技术和信息处理技术的迅速发展，使检测仪器 发生了根本性的变革，以微处理器为核心的数字式仪器能大大提高检测系统精 度、速度、检测能力和工作效率，有高的性能价格比及可靠性。已成为当前检 测仪器的主流。目前数字式仪器正向标准接口总线的模块化插件式发展，向具 有逻辑决断、自校准、自适应控制和自动补偿能力的智能化仪器发展，向用户 自己构造所需功能的所谓虚拟仪器发展。 工程领域的各个方面，包括产品设计、开发、性能试验、自动化生产、智 能制造、质量控制、加工动态过程的深入研究、机电设备状态监测、故障诊断 和智能维修等都以先进的检测技术为重要支撑。测试技术的先进性已是一个地 区、一个国家科技发达程度的重要标志之一，检测技术已是一个企业、一个国 家参与国内、国际市场竞争的一项重要基础技术。可以肯定，检测技术的作用 和地位在今后将更加重要和突出。中国正在逐步成为世界上的产品制造中心， 国外的先进制造技术和检测技术日益冲击着国内的相关行业。由于在应用技术 领域和国外存在的差距，以及行业内较多的企业对产品质量和检测、控制和维 武汉理工大学硕士学位论文 护方面认识不够，造成目前国内的检测技术仍然与国外的同类先进企业存在着 较大的差距。为弥补检测技术领域与国外先进技术方面存在的不足，同时也为 了适应国民经济需要，降低国内对国外检测技术和产品的依赖程度，以及从根 本上控制检测和技改成本，改变过去高精度检测仪器或设备只能从国外进口的 局面，就需要我们在各方面都加以改善，并针对先进制造技术，提高已有产品 可靠性和稳定性，降低维护成本两个方面齐头并进，进行专项突破，更好迎合 国内的实际需要no m 。 1 5 组态软件的发展现状 随着计算机技术的迅速发展，检测装置的自动化水平在不断提高，对自动 化检测的计算机控制系统提出更高的要求，传统的工业控制软件已不能满足用 户的各种需求。通用组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的问题， 使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的计算机控制系 统。 目前中国市场上的组态软件产品按厂商可为致划分为三类，即国外专业软 件厂商提供的产品( 例如：美国w o n d e r v a r e 公司的i n t o u c h 软件、美国 i n t e l l u t i o n 公司的f i x 软件、澳大利亚c i t 公司的c i t e c t 软件、德国西门子 公司的w i n c c 软件等) ，国外硬件或系统厂商提供的产品( 例如：美国g e 公司的 c i m p l i c i t y 软件、美国a b 公司( r o c k w e l l 自动化) 的r s v i e w 软件等) ，以及国 内白行开发的国产化产品( 例如：m c g s ，s y n a l l 、组态王、天工、c o n t r o l x 、虎 翼、力控等) 。从近几年的调查结果来看，国外几家组态软件如：f i x 、i n t o u c h 等。这些软件在功能完备性、产品包装、市场推广等方面具有一定优势，但并 非所有方面都尽善尽美。国外许多优秀通用组态软件是在英文状态下开发的， 它也具有用户界面不理想、不支持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备、组 态软件本身费用和组态软件培训费用高昂等缺点，这些也正是国外通用组态软 件在国内不能广泛应用的原因“。国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势， 其中北京昆仑通态公司m c g s 以其独特的思想，丰富的多媒体界面，开放式的结 构和良好的可扩充性等优点被应用于本检测装置中。 武汉理工人学硕士学位论文 1 6 本课题的研究背景 对有着大量的零件检测工作和新产品研制过程中的实验工作者来说，一套 高效、可靠的拨叉装配检测装置对科研和生产活动都具有重要的意义，尤其对 于拨叉的制造企业，它带来的将是企业强有力的竞争力。 在实际工业应用中，一种有效的方法是将零件自身的特点机械卡位检测法 和机械动作碰撞物位检测法综合在一套机械装置中，这样就可以综合利用两种 方法各自的优点，能更好地检测组件装配过程中可能出现的任何问题。 本课题采用组态软件m c g s 编程实现了对整个装配装置的适时监控。整个系 统软件的编制和构件设计本着稳定、可靠、结构化的原则，实现了对检测过程 信息的显示、报警和管理。 1 7 本课题的任务及工作 1 7 1 本课题的功能和特点 本课题利用现有的自动化和计算机技术，为拨叉装配检测机装置研究开发 了一套计算机检测控制系统，它具有以下功能和特点： 1 人机界面友好，便于操作人员使用； 2 操作步骤严格遵照相应检测程序的要求，不需要操作人员的参与，便能 自动完成拨叉的检测； 3 能迅速地检测出零件装配后的各种错误，并及时地给与提示和报警； 4 便于零件的库存和管理； 5 方便对每台装配机械上的工作量、装配出错率的统计和历史数据的查找； 1 7 2 本课题的任务 本课题主要完成了以下任务 1 装配检测装置的系统方案设计； 2 应用p l c 实现自动控制和实时数据的采集； 3 用m c g s 组态软件开发了简单、易学的人机界面； 4 通过m c g s 编程实现了检测信息及时显示、及时报警，数据存储，历史数 据查询，报表打印等多种功能； 武汉理工大学硕士学位论文 5 系统在实际装置下的实验研究及性能测试； 1 8 本课题的创新点 1 本机器集装配与检测于一身，很大地提高了拨叉组件装配的生产效率。 ，2 将机械卡位检测法和机械动作碰撞物位检测法综合在一套检测装置中， 综合利用两种方法各自的优点，提高了检测效率。 3 用m c g s 的组态环境开发出合理的、便捷的信息处理和显示系统，及时 地，准确地显示出装配线上出现的各种复杂问题，并能用3 d 图象显示出错的零 件，直观准确地给用户以提示。多工位的设计便于对整个生产进行管理和处理。 1 9 本文的组织结构 本文共分为七章。 第1 章概述部分，介绍建立拨叉装配检测装置的必要性和它的发展状况， 以及组态软件的发展现状，同时阐述了本课题的实际意义及本文的组织结构。 第2 章拨叉装配检测机的功能分析和总体设计，介绍本装配检测装置的工 作原理和系统设计方案分析，并介绍了本系统的硬件和软件的组成结构及其特 点。 第3 章监测组态系统部分，主要介绍了本装配检测装置检测部分的原理、 功能、界面的特点及相关检定规程程序流程的实现，以及m c g s 组态软件的特点 及软件设计的实现过程等。在本部分重点介绍了装配检测系统的实现。 第4 章p l c 的选用与程序设计部分，从硬件和软件两个方面介绍了本系统 中运用p l 上实现控制的信息采集的原理及相关实现过程等。 第5 章历史数据查询与驱动构件丌发，介绍本流量标准装置的历史数据查 询部分的具体软件实现和m c g s 的数据库使用中遇到的问题。同时介绍了本计 算机控制系统的设备驱动构件和策略构件的开发过程。 第6 章设备连接部分，介绍设备接线，软件串口设置部分的特点及调试的 实现过程，并简单介绍了系统性能。 第7 章总结与展望部分，总结了本课题设计过程中的思路，并提出以后研 究工作的建议。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章拨叉装配检测机的功能分析和总体设计 2 1 拨叉装配自动检测系统设计步骤“” 根据拨叉装配自动检测系统的开发要求，考虑采用由方案设计、理论计算 到最后实验的设计方法。在整个设计过程中，融入了整机自动化和以人为本的 设计理念，通过不同方案的对比分析与实验不断改进设计方案，最终克服了现 有拨叉装配检测方法存在的检测质量低，自动化程度不高等缺陷，达到了比较 理想的效果。本系统的设计步骤如下： ( 1 ) 需求分析 在该过程中，主要参与人员是系统的使用者和设计者，目的是使用者和技 术人员进行交流，让设计者充分了解拨又装配自动检测系统的使用需要，明确 设计要求和实际使用中的各种工作环境。在这一阶段，主要是完成各种信息的 搜集，不仅要了解检测的要求，还应该了解检测中有待解决的问题和使用者对 这些问题提出的建议。 ( 2 ) 总体方案设计 当设计目的明确后，下一步是进行总体设计。在拨叉装配检测系统设计过 程中，通过查阅大量资料，对现有各种装配检测工具与系统进行了研究。根据 武汉迪克精冲厂实际生产的需要，从整机结构、定位检测机构系统、控制系统 设计等方面提出了几套方案。 ( 3 ) 在众多方案中选择出最优方案 方案选择不仅需要丰富的理论知识还要有丰富的实践经验。所以在选择方 案时，我们由多位经验丰富的设计人员共同讨论，综合考虑各种因素，最终达 成了一个统一的最为合适的方案。即整机采用多传感器检测结构：检测采用特 殊结构传感器：控制方法采用p i c 核心控制，并且引入组态监控技术。 ( 4 ) 理论设计 这一阶段主要是根据选择的方案进行设计计算，从理论上检验设计方案的 可行性。机器整体结构以及传感器开关的设计都应该源于需求分析和总体方案 设计，这样才能保证拨叉装配机设计的合理，才能更好地对拨叉组件进行装配 武汉理工大学硕士学位论文 和检测。 ( 5 ) 制造与实验 当经过了理论验证方案的可行性之后，就需要在总体方案设计的基础上设 计零部件，绘制图纸，根据图纸加工生产制造。实验的目的是检查设计是否达 到了用户的要求。分析中得到的实验要根据需求生产实践需要，模拟各种出错 可能反复进行试验装配检测。实验的目的是为了发现设计中的不足。任何设计 都不可能尽善尽美，肯定存在一些问题，实验就是要发现这些问题以便加以改 善。 ( 6 ) 检验与验收 当设计基本完成后，应该由使用者同设计者共同来检验，最后还要由设计 者进行最后的验收。对于设计应该满足以下要求： 1 ) 满足功能方面的需要，能实现预期的运动，满足使用者的要求和设计者 的设想： 2 ) 有良好的经济性、尽量降低成本，应该保证可靠性，尽量节约能源，结 构简单工作效率高： 3 ) 操作方便、安全可靠便于维修： 4 ) 符合人机工程学，造型美观，便于包装和运输： 5 ) 在工艺上，应该重视零部件的制造与装配工艺性，尽量降低其复杂性， 以保证在满足功能需要的前提下尽量降低成本，选择的材料、热处理方式、精 度等级、加工手段和设备应该合理。 2 2 检测需求分析 拨又是变速箱中的重要部件( 当然也是被经常更换的部件) 之一，换档拨叉 的装配检测，在我国目前很多厂家是装配后再利用夹具进行人工检验。众所周 知，汽车已经是大众人民生活的消费品，市场对它的换挡拨叉需求量非常大， 据调查，按a d , 时工作制，一个熟练技术人员- - 4 , 时最多只能检测1 0 2 0 个汽 车换档拨叉，这种低效率、低效益、低可靠性、低精度的人工检验方式已经不 能满足生产和生产管理的需要。所以研究拨叉装配的自动化检测，对于提高我 国汽车零部件装配检测水平有着重要的意义“。 拨叉组件的各零件都为精冲产品，精度高，在变速箱中起着拨动变速齿轮 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 啮合的作用。拨叉装配图和爆炸图如图2 - 1 拨叉3 d 图形，在组件的的装配过 程中必须按照图2 - i 中b 图的顺序，不能漏装，不能多装，不能错装，否则就 为不合格产品。 a 装配后拨叉组件b 拨叉装配顺序爆炸图 图2 - 1 拨叉3 d 图形 2 2 1 拨叉装配组件检测要求 根据武汉换档拨叉生产装配厂家的要求，换档拨叉( 本文之后所述的换档拨 叉均指汽车换档拨叉) 自动检测系统必须检测出完全合格的拨叉组件，对于不合 格的产品必须百分百要求不予通过并提示错误发生零件，装配到检测的每件完 成时间也要求小于6 0 秒。 拨叉组件零件序号图如下图2 2 所示：在本检测系统中，1 、7 号零件外形 相似，但却存在着极其微小的差别，人工检测不出对错，但是拨叉组件本身又 能出现装配错误，经过分析研究，在本系统中1 、7 号零件采取机械卡位检测法， 其余2 、3 、4 、5 、片状零件和6 号垫圈零件都采取碰撞检测法检测。在碰撞检 测法中要检测的有：垫圈的有无，是否有多装情况，片状零件是否出现左右、 前否倒装、位置互换等装配错误。经过缜密的研究，我们采取了高精度距离和 碰撞相结合的检测模式来检测垫圈的有无和多少；利用传感器来检测片状零件 的状态和位置。这些检测器通过与电接触的组合，可诊断出零件的装配状态。 在本装置中一共有1 2 个检测传感器。经过实际的千百次验证，零件的各种装配 错误都能一一反应出来，符合了生产的需求。各个零件装配检测方法及要求如 武汉理工人学硕士学位论文 错误都能一一反应出来，符合了生产的需求。装配检测方法及要求如表2 1 所 示： 2 2 2 检测特征分析 图2 - 2 汽车离合器拨叉组件 拨叉组件各个零件属于精冲产品，各零件形状各异但也有很多相似之处， 所以需要分析其特征，清楚各零件的精度要求，检测要求和最终的检测方法， 为下一步的设计开发做相应的准备，分析结果如下表2 - 1 所示： 表2 - 1 检测特征分析 零件 l 、7 号2 号3 号 4 号5 号6 号 序号 精度 a = 3 3 m m t = 0 1 m mt = 0 1 m mt = 0 1 m mt = 0 i m mt = 0 0 5 m 要求 检测i 、7 零件 不能与其他不能与其他不能与其他 不能与其他零件间垫垫片 任何一个零任何个零任何一个零任何一个零一块不能多 要求 不能互换 件互换件互换件互换件互换放，不能少放 检测 柱销卡位 传感器检传感器检传感器检传感器检 传感器检 测，使用检测 方法 测 测 测测 片插入法 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 拨叉装配检测机的组成 拨叉装配检测机的主要组成部分为：工作台、物位检测传感器、动力、p l c 电路、报警电路、计算机控制系统等。本章介绍拨叉装配检测装置，并简要说 明其组成和工作原理。 、 2 3 1 拨叉装配检测机的工作原理 本装配检测机利用人机工程学，图形学和机、电、气、仪一体化技术，研 究出一套安全可靠、使用方便，具有自动化程度的装配检测控制管理系统，为 自动检测提供良好的用户界面，合理地处理和显示所采集到的拨叉装配信息。 图2 - 3 是典型工业检测仪表控制系统结构l 墨i ，他是一个闭合回路控制系统， 为了突出被控对象和操作人员在控制系统中的地位，对传统意义上的回路结构 作了适当的调整。 图2 3 控制系统结构图 在此装配检测系统中，利用各个零件各自特征、差异、位置的不同等设计 不同的检测传感器来检测其装配关系正确与否，检测传感器检测到的信息通过 接口电路传到p l c 中，再通过计算机的组态软件把检测到的装配信息显示给操 作人员，同时通过报警单元给予提示，在此过程中p l c 通过传感器得到的信息 来对检测过程进行反馈控制。 2 3 2 检测单元的设计原理 本课题研究的是拨叉装配检测系统，它用于汽车离合器拨叉组件的在线检 测。目前，汽车离合器拨叉组件是在一般的工作台上装配的，装配后检测主要 是通过人为来检测，其缺点是：1 、装配速度慢。2 、易漏检。3 、检测速度慢。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 其主要原因是：组件形状复杂。拨叉组件中零件较多，每个零件上下左右 方向装错不易看出。存在两对相似零件，他们之间很难辨别。每个档位之 间需要装垫圈，不易看出是否漏装。 为了克服这种组件装配速度慢，装配后人为检测速度慢，易漏检等不足， 本课题研究了一种装配装置，在装配线上，不仅装配速度快，还能在线检测出 每件每项的装配是否正确，在线显示装配信息，从开始装配到检测完成一套组 件，所需时间小于6 0 秒。 拨叉组件如图2 - 4 所示，检测这样的拨叉组件所采取的技术方案是：根据 拨叉组件的形状特征，在装配机上设置了固定定位销、档块、定位块、自动夹 紧块、自动压紧块等，这些装置是为装配定位提供方便，而且为在线检测提供 技术保证。在装配机上设置了汽缸，汽缸驱动定位销、自动夹紧块、自动压紧 块动作。在汽缸的带动下，传感器完成对装配组件的在线检测。检测控制主机 为可编程控制器( p l c ) ，p l c 按编制的控制程序顺序控制汽缸动作，当装配组件 在装配机上完成后，按下检测启动按钮，在汽缸的驱动下，传感器自动顺序进 行检测，p l c 得到传感器反馈的信息后，按设计程序进行处理、分析、评判装配 对错，并且在计算机上实时显示装配信息，有出错情况时系统会进行轰鸣报警， 并配有三维画面提示，在m c g s 的组态监控软件上会保存装配过程中的所有信息， 包括装配总数目、出错个数、出错零件、出错率等等。 图2 - 4 拨叉组件检测示意图 1 4 - 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 机械卡位检测法检测零件的装配对错 图2 - 5 是拨叉组件的俯视图，其标注尺寸是图2 7 中l 、7 号零件的细微差 别，也是其检测方法的来源，在装配工作台上的定位销上设置出两零件的差别， 所以在装配过程中如果发生错装现象，检测台的定位销将两零件区别开来，出 现无法进一步装配的情况，实物示意图如图2 - 6 图2 - 5 拨叉组件俯视图 图2 - 61 、7 号零件定位示意图 1 5 武汉理工人学硕士学位论文 ( 2 ) 机械动作碰撞物位检测法检测零件装配对错“” 在图2 7 中2 5 号零件的检测都采取的是机械动作碰撞物位检测法，其具体方 法是通过对的突起部分特征，的缺少部分特征，的缺少部分特征的方 角特征，的圆角特征进行分析研究，设计出符合本系统的检测传感器，使得 本检测系统应用这些传感器能检测出百分百合格的拨叉组件。 图2 - 7 拨叉零件区分检测分析图 其中两个典型的检测开关外观示意图如图2 - 8 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 8 检测开关外观示意图 2 4 本课题拨叉装配检测机的系统设计 根据具体分析后，拨叉装配检测装置有两部分组成，人工半自动装配阶段 和全自动检测阶段。在人工装配周期中，机械卡位装置就能辨别出1 、7 零件的 装配对与错的情况，为下一步奠定了基础。在全自动检测阶段，传感器检测装 置在气动系统的驱动下，依据可编程序控制器( p l c ) 的逻辑程序一次动作，进 行逐个检测，当发现有一处错误出现时声音报警提示，并在计算机中由组态软 件m c g s 检测系统显示并记录具体出错零件。在检测过程中一有出现错误并报警 的现象时，检测就不再进行，这一设计是为了避免无谓的检测，并延长检测设 备的使用寿命，假如拨叉装配正确，那么通过传感器三次动作检测后不会出现 报警状况，为合格产品。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1 检测装配装置的硬件系统f l b 。刎 本装配检测装置的硬件系统主要由上位机、p l c 、控制柜、现场信号源和被 控对象组成。其组成结构如图2 9 所示。 上位机选用计算机，处理来自p l c 串口的数字信息，选择计算机机是因为 其既具有高性能又具有高可靠性、良好的显示功能和抗干扰能力，还能便于企 业的现场总线的后续发展，保证控制系统的可靠性和稳定性。p l c 部分实现现场 数据的采集和控制信号的输出。控制柜主要由电源部分、继电器、电磁阀组成， 完成现场电源的提供、信号转换等功能。 图2 - 9 装配检测装置的硬件系统主要构成 2 4 2 装配检测装置的软件系统 本装配检测装置的监测系统是采用m c g s 组态软件实现的，具有界面直观、 友好、易操作的特点，该软件系统不仅能实现对装配检测中检测出来的信号进 - 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 行显示分析，对第一阶段人工装配时出现的错误进行自动报警提示，还能进行 数据管理等一系列功能。 监测软件系统是由系统管理、信息显示、信息报警和历史数据查询几部分 组成的，其组成结构如图2 1 0 所示。监测系统组成的每个功能模块都是根据管 理要求列出的相应技术要求，按照检定规程的流程编制程序。检测过程中，操 作人员只需根据按下检测按钮，系统便能按照流程自动检测，当报警产生时， 只需要把当前装配组件放进次品区，使检定过程简单易操作，减少了操作人员 的工作难度，提高了检测效率。检测结束可以选择是否将数据存