（机械工程专业论文）变送器自动测漏系统的研究.pdf

摘要 变送器自动测漏系统主要是针对国内某仪器仪表公司变送器的测漏工序进 行改进的。该公司传统的测漏方法是气泡法，此方法操作简单，但是却存在着 检测精度低、检测结果受检测人员主观影响较大、检测周期长、不能实现检测 自动化、不能适应大批量生产等缺点。本方案是在传统检测的基础上，改用自 动化检测系统，检测过程切断了手工污染的途径，更重要的是自动检测系统的 检测性能稳定，检测精度高，效率快。 本课题设计的自动检测系统集机械技术、气动技术、p l c 控制技术、接口 技术等多种技术于一体，实现对被测工件的快速定位、夹紧以及垂直、水平运 行过程。该测漏系统实现了机械与电气的紧密结合，提高了检测质量和检测效 率，减少了劳动成本。该技术的应用将实现变送器测漏工序的数字化和智能化， 为自动化测漏在我国变送器方面奠定了良好的基础。 本论文的主要研究内容： 1 、综合研究了测漏的相关技术以及气动技术在生产线中的实际应用，根据 测漏工序自身的特性提出采用电气控制的方式实现对变送器壳体的检测。 2 、对整个测漏系统进行3 d 建模，并对测漏系统进行了仿真模拟。 3 、通过对所需零件和材料的选型，设计出最优的系统运行方式；利用材料 力学和理论力学，计算出满足工作要求的手爪、直线驱动器等。 4 、设计自动测漏的气动系统，对重要元件进行选型并设计出晟优气路，实 现了气动系统对各相关运动的有效控制。 5 、设计自动测漏的电气控制系统，实现了电气一体化，绘制出具体的电路 图，完成了p l c 的软硬件设计以及人机界面设计。 6 、通过将机械技术、气动技术和电子技术综合运用于一体，完成了整个测 漏系统的运行工作，并通过仿真运动进一步完善了测漏系统。 关键词：自动检测；电气控制；p l c 编程 a bs t r a c t t h ea 哪d m 撕cd e t e c t i n gs y s t e mo fn 孤s l i l i 他ri sl i l a 瑚ya i 础沮a tad o m e s t i c i 1 1 s t r i 髓e n t sc o n l p a n y0 fm e 的i 塔血t t e r1 e a l ( d e t e c t i n gp r o c e s si n l p r o v e m e n t t h e 触d i t i o 越l e a kd e t e c t i n gm 劬o do f 恤c o m p 舭) ri s 恤b u b b l e 珈i e 也o d ，t l l i sm e 廿l o d i s s i i n p l e ，b u th 嬲a1 0 to fs h o r t c o n l i n g s ，f 0 re x 锄p l ei t h a s l c1 0 wd e t e c t i i 坞 p r e c i s i o n ，l o n gd e t e c t i l l gc y c l e ，i tc a n f tr e a l i z ed e t e c t i o na u t o m a t i o n ，c 跚l i ta d a p tt 0 廿1 em 嬲sp r o d u c t i o na 1 1 dt c s tr e s l l l t sa r e 丘o mt c s 廿n gp e r s 咖e l 伊e a t e rs u 坳e c t i v e i 1 1 f l u e n c e t h es c h e r n ei ss w i t c l l i n gt 0a u t o m a t i ct e s t i r 唱s y s t e m0 nt l l eb 嬲i so f 圯 位曲矗o n a ld e t e 曲o n ，t e s tp r o c e s sc u t so 行m a m l a lp o l l 埘o nw a y s ，a n dt l l em o r c i i l l p o n a m ti st 0b et l l es t a b l ed e t e c t i o np e r f o r i n a n c eo f 踟t o m a t i cd e t e c t i o ns y s t e m ， l l i g l ld e t e c t i o na c c 咖ya n dh i g l le f f i c i e n c y t l l i sa u t o m a t i cd e t e c t i o ns ) r s t e mo ft h et o p i cs e t s m a c l l i _ i 伦r ) rt e c l l i l o l o g y ， p n e 删ct e c l l l l o l o g y ，p l cc o n t r o lt e c h n o l o g y ，i n t e r j 6 配et e c l l l l 0 1 0 9 ya 1 1 d m 锄y k i i l d so ft e c l l i l 0 1 0 9 yi i lab o d y ，i i lo r d e rt 0r e a l i z et l l eq m c h yo r i e n t 撕o i l ，c l a l 】叩i 1 1 9 锄dm ev e n i c a la n dh o r i 2 加t a lo p 删0 np r o c e s so fw o r kp i e c e t h el e a l 【d e t e c t i n g s y s t e mr c a l i z e st h em e c h a m c a l la n de l e c t r i c a lc 1 0 s ei n t e 铲_ a _ t i o 玛i l p r 0 v e s 也eq l l a l i 锣 a n de m c i e n c yo fd e t e c t i o nt e s t 锄dl o w e r sl a b o rc o s t s 1 k 印p l i c 撕o no f 圮 t e c h n o l o g ) ，城u l l i e v ed i g i t a la n di n t e l l i g e mo fl e a kd e 钯c t i n gp r o c e s so f 血e 的n s n l i 戗e ra n dl a y 血eg o o df 0 吼d a t i o nf o ra u t o i m t i cl e a l 【d e t e c t i o ni nm e 仃a n s m i 仇e ri l lo u rc o u i l t 叮 t h ei 瑚i nr c s e a r c hc o n 伦n t so ft 1 1 i sp 印e r ： 1 c o m p r e h e n s i v es t u d ym er e l e v a n tt e c l l l l 0 1 0 9 yo f t h el e a k a g ea n dt l l ep r t i c a l 印p l i c a t i o no fp n e u m a t i ct e c l l l l o l o g ) ，i np r o d u c t i o n1 i 1 1 e ，c o r d i n g t 0i t so w n c h 觚a c t e r i 蛳c so fl e a i 【d c t t i i 培p r o c e s s ，缸l ee l e 耐c a lc o n t r o l i sp u tf - 0 r 砌i i l0 r d e r t or e a l i z et h cd e t e c 廿o no f 仃锄s i i l i t t e rs h e u 2 b u i l d3 dm o d e l 内rt l l el e a kd e t e c t i l l gs y s t e m ，锄d l el e a l 【d e t i e c t i n gs y 啦m i ss 舢l a l e d 3 m o u g ht h e l e “o no ft h er e q u 沁dp a r t s 锄d 删a l s ，d e s i 口t h eo p t i r l l a l o p e r a t i o nm o d eo f 也es y s t e m ；u t i l i z em em 酏e r i a l m e c h a l l i c sa n d 也e o r e t i c a l m e c h 砌c s ，c a j c u l a t e 也ep a w s ，l 妣a r “v e ，e t co fm e e t i n g 廿l ej o br e q u n m e 珧 4 d e s i g nm l e 啪a t i cs y s t e mo fa 咖m a t i cl e a kd e t e c t i n gs y s t e m ，s e l e c tt h e i 埘【p o 呦1 tc o m p o n e n ta i l dd e s i 弘m e 叩t i i i l a lg 嬲p a _ 吐l ，r e a l i z em ee 虢c t i v ec o n 加lo f r d e ns p o r t so f t h ep n e 眦a t i c s y s t e m 5 d e s i 鲈m ee l e c 仃i c a lc o n 们ls y s t e mo fa u t o m t i cl e a kd 咖6 n g 盯s t e m ， r e a l i z et i l ee l e c t r i c 址i n t e 粤a t i o n ，d 船wo u ts p e c i f i cc 沁u i td i 楚，砒玛觚dc o m p l e t et ：h e d e s i g no ft h e s o 日：、a r ea n dh a r d w a r eo fp l ca n dt h ed e s i g no fm a n n 均【c h i n e 硫e r f k e 6 t h r o u 曲i i l 钯g r a t i l l gt h em e c l l a i l i c a lt e c l l l l o l o g y ，p n 皇眦i l a _ t i c 慨l l i l o l o g ya r n e l e c t r 0 i l i ct e c l l l l o l o g yi l lab o d y ，c o m p l e t e 也eo p e r a t i o nw o r ko ft l l e1 e a kd e t e c t i n g s y s t e l i l ，觚df h r i h e ri m p r 0 v em el e a l 【d e t e c t i n gs y s t e mt l l 】0 u g h 也es i i i m l a t i o n l n o v e m e n t k e yw b r d s ：a u t o m a t i cd e t e c t i o n ；e i e c t r i c a ic o n t m l ；p l cp r o g r a m m i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 研究背景及课题来源 作为仪器仪表工业的核心技术产品，变送器技术是现代测量和自动化系统的 重要技术之一，从宇宙开发到海底探秘，从生产的过程控制到现代文明生活， 几乎每一项技术都离不开变送器，它为我国工业的快速发展提供了有力保 证。随着人类社会进入知识经济时代、信息技术高速发展的背景下，仪器仪表及 其测量控制技术得到日益广泛应用，给仪器仪表工业的快速发展提供了良好契 机。专家分析认为仪器仪表工业的发展将呈现四大潮流趋势：1 ) 产品高科技化 2 ) 现场总线化3 ) 应用领域的进一步拓展4 ) “六高一长”和“二十化”n 1 。变 送器在仪器仪表工业中地位特殊、作用大，对国民经济有巨大倍增和拉动作用， 并且具有良好的市场需求和巨大的发展潜力，因此我国对变送器技术的开发十分 重视，并将其列为国家重点发展的行业。 国家对变送器制造业的重视和扶持，使得企业对变送器的高科技化、高质量 化、高产量化等越来越重视，企业大多面临着提高变送器制造水平的机遇与挑战。 变送器的生产过程需要经过2 0 道工序，其制造过程是一项繁琐、复杂的过程， 尤其是第二道工序测漏，它不仅影响着第一道工序，而且还对后面工序的进行 起着决定性的作用，其生产流程如图1 1 所示： 变送器自动测漏系统的研究 图1 1 变送器工艺流程图 当测漏不合格时，变送器产品就要返回到第一道工序重新装配；当测漏合格 时，产品才能进行下一道工序。因此，做好测漏这道工序是变送器生产的关键。 根据目前国内变送器的生产状况，测漏仍旧采用传统的人工检测法，这种检测方 法虽然简单可靠，但是却影响着变送器的生产质量和生产效率，为了提高变送器 的生产效率、降低劳动成本，如何实现变送器测漏的自动化是亟待解决的问题。 本课题是依据福建一家公司变送器生产的实际情况，为该公司实现变送器泄 漏检测的自动化而进行设计的。本课题研究的主要内容是：通过采用机械手、滚 珠丝杠、传送带、气缸以及各种开关实现电气的结合，从而建立行之有效的自动 化测漏系统。作者通过与该公司的技术研究人员讨论，并进行一系列的修改和校 验，最终完成了将机械技术、电气技术、传感技术等多种技术结合在一起的变送 器自动测漏系统。 1 1 2 变送器自动测漏系统的研究意义 随着国民经济的飞速发展，市场需求的增加，大规模、高效的生产变送器已 成为国产变送器的发展趋势，国产变送器已开始走向国际市场。在变送器的流水 生产线上，变送器的泄漏检测是一道至关重要的工序。当前，在大部分企业中， 变送器的测漏仍旧采用人工操作的传统检测法。传统的检测泄漏的方法多采用气 泡法，其基本原理是将密封的工件用干燥空气加压后浸入水中，在规定的时间内 2 第一章绪论 观察水面有无气泡溢出，以此判断工件是否泄漏。通过观察气泡的大小和数量， 可估计出泄漏量的大小，并可从气泡发出的部位，判断出工件的泄漏部位嘲。这 种方法操作简单，并且能直接观察到泄漏的部位和泄漏情况，但是却存在着检测 精度低、检测结果受检测人员主观影响较大、检测周期长、不能实现检测自动化、 不能适应大批量生产等缺点，而且加之劳动法生效，人力成本升高，手工检测的 优势不再。如果企业继续采用传统的检测方法，将会造成生产效率低下、次品率 高，而且对未来变送器生产技术的提高及企业的发展起着严重的制约作用。因此， 我们急需设计一套自动化检测方案来解决目前的瓶颈问题。 经调查显示，我国变送器市场需求潜力非常巨大，变送器产品市场激烈的竞 争状态和整个仪器仪表行业的竞争状况非常相似，加速推进变送器测漏的自动化 是增强企业竞争力以及维持企业生存的关键。为了适应变送器的生产规模，实现 泄漏检测的自动化，我们根据变送器测漏的实际情况以及考虑到成本的问题，在 气泡检测法的基础上并结合工厂的实际应用，设计出套全自动变送器测漏系 统。此自动测漏系统的成功研制，不但会大幅度提高变送器的产品质量及检测效 率，而且还大大地降低了生产成本和工人的劳动强度。研究变送器自动检测系统 将会为国家和企业带来极大地经济效益和社会效益，并将促进变送器技术的跨越 式发展。 1 2 国内外自动化技术的发展趋势 1 2 1 国内自动化技术的发展趋势 自动化技术是一门综合性技术，它和控制论、信息论、系统工程、计算 机技术、电子学、液压气压技术、自动控制等有着十分密切的关系，其中以 控制理论和计算机技术对自动化技术的影响最大。 随着现代应用数学新成果的推出、电子计算机的应用以及测试技术的不 断提高，自动化技术已经被广泛应用到生产的各个方面。自动化技术的应用 使得企业不断寻求和开发更高端的仪器产品来满足生产和发展的需要，同时 也使得自动化技术日臻成熟。目前，国内自动化技术的发展呈现以下趋势口1 ： 1 ) 高速、高效化 从国内外的工业发展状况来看，工业市场已经发生了巨大变化，由过去 传统、相对稳定的市场，发展为动态多变的市场。为了从市场中求生存、求 3 变送器自动测漏系统的研究 发展，提高对市场需求的应变能力，企业开始探索新的生产方式。自动化技 术的应用则为企业开辟了一条新的道路，自动化即意味着高速、高效化，高 速、高效化即意味着生产效率的提高和劳动成本的降低，这一系列的连锁反 应使得自动化技术朝着高速、高效化方向发展。 2 ) 高精度化 由于工业生产对成品质量的要求日益提高，国家的政策和法令对节能减排也 有具体的要求和规定，因此提高测量仪表与控制系统的精度就被提上了议事日 程。例如：变送器的精度，普遍从百分之零点七五提高到百分之零点零四；用于 贸易交换计量的科氏质量流量计，精度己达到百分之零点零五；部分气体超声波 流量计的准确度已达到百分之零点五，同时新一代的d c s 也以此作为一个重要的 指标h 1 。与之相适应，自动化技术的精度影响着产品的精度，因此追求自动化技 术的高精度化是实现产品的高精度化的前提和基础。 3 ) 柔性化 随着计算机技术的出现，产生了“柔性自动化技术”。柔性自动化技术， 是以数控技术为核心，将计算机技术、信息技术与生产技术有机结合在一起的技 术。其应用范围可包括产品设计、加工制造和相应的信息与管理系统。采用“柔 性自动化技术”的生产线不仅能够自动的“做”，而且一旦加工目标确定， 就知道应该“怎么做”。柔性自动化技术是当今机械制造业适应市场动态需 求，加速产品更新的主要手段。采用柔性自动化技术，不仅能够提高生产效 率、减轻劳动强度，还能提高产品质量、缩短制造周期和交货期、大幅度降 低成本，因而是各国机械制造业发展的重要趋势。 4 ) 工艺复合性和多轴化 复合加工是以减少工序、辅助时间为主要目的，目前正朝着多轴、多系列控 制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上完成一道工序 后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合 加工。 5 ) 实时智能化 智能化是由现代通信与信息技术、计算机网络技术、行业技术、智能控 制技术汇集而成的针对某一个方面的应用的智能集合。随着信息技术的不断 4 第一章绪论 发展，其技术含量及复杂程度也越来越高，智能化的应用开始逐渐渗透到各 行各业。如今，自动化技术综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等 多学科技术，自动控制系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以 自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理。 1 2 - 2 国外自动化技术的发展趋势 国外自动化技术的发展趋势是系统化、柔性化、集成化和智能化哺1 。其自动 化技术不断提高光电子、自动化控制系统、传统制造等行业的技术水平和市场竞 争力，它与光电子、计算机、信息技术的融合和创新，不断创造和形成新的行业 经济增长点，同时不断提供新的行业发展的管理战略哲理，如并行工程( c e ) 、 敏捷制造( a m ) 等。数控技术趋于模块化、网络化、多媒体和智能化；c a d c a m 系统面向产品的整个生命周期；自动控制内容发展到对产品质量的在线监测与控 制，设备运行状态的动态监测、诊断和事故处理、生产状态的监控和设备之间的 协调控制与连锁保护，以及厂级管理决策与控制等；系统网络普遍以通用计算机 网络为基础；自动化控制产品正朝着成套化、系列化、多品种方向发展；以自动 控制技术、数据通信技术、图象显示技术为一体的综合性系统装置成为国外工业 过程控制的主导产品，现场总线成为自动化控制技术发展的第一热点：可编程控 制器( p l c ) 与工业控制系统( d c s ) 的实现功能越来越接近，价格也逐步接近。 目前国外自动控制与仪器仪表领域的前沿厂商已推出了类似p c s ( p r o c e s s c o n t r 0 1s y s t e m ) 的产品。世界自动化产业发展势头迅猛，传感器技术、开放式 工业过程自动化系统、现场总线技术等自动化技术已形成一定的产业规模。 通过对比可知，国内的自动化技术正处于发展和创新阶段，与发达国家 相比还是有很大的差距，国内的自动化技术发展的并不全面，这在现在的一些 工厂里就可以体现，在我国的工厂里，大多数都是人多，先进的机器少，而国外 的工厂里，工人是非常少的，因为他们拥有全工序执行的自动化设备。对于机器 加工出来的产品，国内工厂加工出来的产品其质量远不如国外工厂加工出来的产 品，而且国内机器生产的效率远不如国外的机器。综上所知，在机械自动化这方 面我国现在还远不如国外，但随着我国政府不断加大力度发展自动化技术，在不 久的将来一定会和其他国家并驾齐驱的。 1 3 本论文的主要研究内容和工作 5 变送器自动测漏系统的研究 本论文主要是完成变送器自动测漏系统的总体设计、机械部分的设计、气动 控制系统的设计、p l c 控制系统的软、硬件设计以及人机系统的设计。 本论文的主要工作安排如下： 1 ) 通过现场考察和操作对变送器的测漏进行了解，分析和研究现有手工检 测设备，进行借鉴和参考； 2 ) 基于企业传统的检测方法，构思变送器测漏的自动化系统，并查阅相关 的资料，了解国内外测漏设备的发展和技术现状； 3 ) 设计变送器自动测漏系统的3 d 模型，对机械部分进行设计和计算，并选 取合适的机械零部件，最终完成测漏系统的完整装配； 4 ) 设计气动控制系统，选择最优气动元件、气路方案及其他辅助设备，绘 制气动系统图； 5 ) 对p l c 控制系统进行设计，并绘制相应的电路图，编写控制程序； 6 ) 对整个测漏系统进行理论分析，验证系统动作实现，对不合理地方进行 重新设计和改进； 7 ) 进一步完善系统，提高自动检测的效率和成品率。 1 4 本章小结 本章主要介绍了课题的来源及相关背景，从目前变送器的市场需求状况、企 业生产趋于自动化的战略角度出发，选取其中一道重要的工序一测漏，来实现其 检测的自动化，并对实现这一工序的意义进行了阐述。对国内外自动化技术的发 展趋势和现状进行了对比，根据企业的要求和本课题的设计要求，明确论述了该 论文所要完成的主要研究内容和工作及其实现检测自动化的现实意义。 6 第二章变送器自动测漏系统的总体设计 第二章变送器自动测漏系统的总体设计 2 1 测漏系统的总体设计目标 本课题所涉及的测漏系统的目标是实现变送器测漏的自动化。自动化是保证 获得最高生产率、最优产品质量和最低成本的最好手段，故本课题所设计的系统 将完全采用数字化、自动化加工，这对测漏系统的研发、设计以及生产是一个全 新的课题。这个课题看似容易，其在机电一体化设计系统中的实现，却要涉及到 各个学科的交叉知识。尤其是各个予系统之间的相互配合对于测漏的影响是最大 的，为了实现精确的测漏目的，在设计过程中，必须提高了系统的性能和相互配 合关系。本课题合作的企业福建某仪器仪表企业，由于各种原因，其在生产变 送器的过程巾所采用的测漏方法，仍旧是传统的检测方法气泡法。其人工测漏 过程如图2 1 所示：推力压紧一加水加压一测漏( 合格) 一泄水放气一 取出工件一初始状态。此方法检测效率低，劳动力成本高，常因检测者的主观 判断造成产品质量的不稳定。为了改变这一现状，提高企业的生产效率和产品质 量，受该企业的委托，设计一套自动测漏系统以满足生产的要求。 图2 1 交送器手工测漏图 由上图的人工测漏过程可知，要实现测漏自动化系统需要具备四个基本属性 7 ：集合性：一个系统是由多个独立存在的单元( 元件、部件、要素、了系统 等) 组成。相关性：几个单元组合在一起，仅能叫做一个“组，在这些单元 7 变送器自动测漏系统的研究 之间必须具有相互关系或相互作用，这样的组才被认为是一个系统。目的性： 一个实际的系统，它是一个整体，要完成一定的任务，或者说要达到一个或多个 目的，只要以最高的水平实现了这些目的，便可说实现了系统的优化。环境适 应性：一个具体的实际系统，必须具有对周围环境变化的适应性。依据系统的设 计流程以及基本属性，对变送器测漏的测试过程设计如图2 2 所示： i 一丑赴4 卜一一一堕型l 叫山堕巫_ 一 i 部件 系统 il 萋茎季銮嘉套ll 霁翥蓑il 秦簧誊i l 簧襄il 蓑娶 稽髓装 图2 2 变送器测漏系统的测试过程 重 在实际设计过程中，测漏系统的设计要充分考虑被测对象、测试环境等因素， 选择最合理的系统设计原则、夹紧方式，从理论计算、设计和研究到实际应用， 从零部件的选用到系统的整体运行，要进行详细地分析、计算、选型，直至最终 的确定。 2 2 工作对象及性能参数 2 2 1 工作对象的论述 本课题的主要工作对象是变送器。整个测漏系统都是围绕变送器这个工作对 象来进行选型和设计的。变送器的英文名称是t r a n s m i t t e r ，顾名思义，变送器 含有“变”和“送之意。所谓“变 ，是指将各种从传感器来的物理量，转 变为一种电信号。所谓“送”，是指将各种已变成的电信号，为了便于其他仪表 或控制装置接收和传送，又一次通过电子线路，将传感器来的电信号，统一化 ( 4 2 0 m a ) 。总的来讲就是由变送器发出一种信号来给二次仪表，使二次仪表显 示测量数据 1 。变送器根据功能的不同，可以分为：温度湿度变送器、压力变 送器、差压变送器、液位变送器、电流变送器、流量变送器等。由于变送器品种 繁多、形状各异、功能不同，因此本课题只针对其中一种变送器( 差压变送器) 来进行设计。其外形图如图2 3 所示。若涉及到其他种类的变送器，更换机械手 8 第二章变送器自动测漏系统的总体设计 即可。 图2 3 变送器外观图 目前，影响国内变送器质量的因素有随1 ：基础材料差；传感器技术落后； 专业设备配套性差：工艺基础研究跟不上；计量检测技术落后；人才分 散，协作性差，各自为战，由于这些不良因素导致了变送器产品精度不高，可靠 性和稳定性差，产品的维修率高等。随着国内工业自动化改造进程的逐渐加快， 变送器应用范围的不断拓宽，工业用户对变送器的稳定性和精度尤为关注。产品 的质量和企业生产效率对企业而言是非常重要的，因而对变送器的要求也很高。 在一些重要作业环境中，变送器的故障率直接影响着用户生产的安全性，因此工 业用户对变送器的故障率也提出了严格的要求。自动测漏系统的提出将大大改善 变送器的生产效率，提高变送器的精度。 2 2 2 系统环境及工作对象的性能参数 本项目所采用的设备的技术参数及环境参数： 1 ) 系统工作环境：常温常压： 2 ) 系统的工作动力：电气技术相结合； 3 ) 系统工作对象材料：不锈钢，耐腐蚀； 4 ) 工作对象加压压力：1 0 m p a ； 5 ) 水槽材料：不锈钢，耐腐蚀； 6 ) 工作对象运动的主要执行机构：机械手。 2 3 漏系统的总体设计方案 2 3 1 测漏系统的总体结构设计 9 变送器自动测漏系统的研究 个完整的机电一体化系统包括机械单元、动力单元、传感单元、控 制单元以及执行单元。为了建：泣测漏的自动化检测系统，根据设计目标， 并针对测漏的基本过程，选用气动机械手、双活塞杆气缸、圆形气缸、滚 珠丝杠、光电开关、传送带、p l c 等零部件来完成整个检测过程。测漏系 统的基本要求是能够快速准确的抓取和搬运工件并且高效的检测工件是 否泄漏，故依据传统的检测过程以及新方案的构思，对测漏系统的工作参 数以及相关零部件做出相应的设计： 1 ) 根据变送器的尺寸以及相关辅助元件，可以确定测漏水槽的尺寸 为： 2 5 0 m m 2 5 0 m m 1 0 0 m m 。 2 ) 根据整个工作行程，确定工作台的尺寸为：12 0 0 m m l2 0 0 m m 2 0 m m 。 3 ) 由变送器的j 七寸及设计理念，则设定传送带的宽度为：3 0 0 m m 。 4 ) 滚珠丝杠的行程则确定为：6 0 0 m m 。 5 ) 根据抓取物的形状和尺寸，选用三点式气动机械手。 6 ) 选用双活塞杆气缸和驱动滑块来确定工件的定位，两者之间采用 连接件进行连接。 7 ) 选用圆形气缸( 带耳轴) 来带动挡板压紧变送器壳体。 8 ) 选用三菱f x 2 n 一4 8 m t 一0 0 1 来控制系统的运行。 测漏自动化检测线的总体设计方案结构图，如图2 4 所示： 1 工作台2 测漏槽3 传送带4 支架( 方形钒型材)5 丝杠6 滑动块7 电直线驱动器8i 点 式气动机械于9 工件( 变送器壳体) 1 0 摄像头 图2 4 变送器自动测漏系统总体结构图 1 0 第二章变送器自动测漏系统的总体设计 如图2 4 所示：工件9 在传送带3 的带动下向前运动，当运动到一定 位置时，光电开关发出信号，此时电直线驱动器7 带动机械手8 下降并张 开，当下降到可以抓取的位置时，机械手8 夹紧工件并上升。当上升到一 定位置时停止，随后滑动块6 带动机械手向左移动；当移动到测漏槽2 的 中间位置时，机械手8 下降并将工件放置于测漏槽2 中，接着机械手8 松 开并上升：此时，圆形气缸带动挡板压紧工件，并相应的打开气阀将气体引 至变送器铝壳体内保压5 分钟，此时，摄像头l o 开始进行拍摄，如果有气 泡则机械手8 抓取工件并向右移动，并将工件放于传送带3 的右侧( 隔板 隔开) 由传送带运走，退回重装；如果没有气泡，则机械手抓取工件向右 移动，并将工件放于传送带的左侧( 隔板隔开) 由传送带运到合适的位置， 整个检测过程就此完成。该系统集机械、电气及控制等方面的相关技术， 由p l c 来控制实现被测工件的快速定位、夹紧以及运行过程中的随行功能， 达到工件测漏的高度自动化，基本实现了设计要求。 2 3 2 自动测漏系统装备组成 测漏系统装备的总体组成包括两部分：机械系统和控制系统。1 ) 机械系统 主要包括工作台和机械零部件等。2 ) 控制系统则由模块化来进行描述，模块化 是用来描述公共单元的使用，以便实现产品的的各种变型，它的主要目标就是确 定独立的、标准化的或可改变的单元来满足功能变化的要求。其理论基础来自于 麻省理工学院( m i t ) 的s u h 教授提出的公理化设计理论( a x i o m a t i cd g i g n t h e o r y ， a d t ) 。其中，a d t 公理l 独立公理( a x i o m o f i n d e p e n d e n e e ) ：保持功能的独立性， 即每个功能可以被满足而不用影响其它的功能聃1 。模块设计的方法有很多，比 较成熟的方法是基于功能结构的模块设计方法。这种方法首先是对产品进 行功能分析，此功能是系统必须完成的任务，也可以说是系统的用途口。 它是系统的输入与输出之间的总关系，各种系统都有一定的功能，功能基 本上分为两类：一种是必要功能，它包括用户要求的基本功能，这在设计 时是不能改变的；另一种是非必要功能，它不是根据用户的要求而是设计 者主观加上去的功能，故根据模块的设计方法，将控制系统分为4 大模块： 电气模块、气动模块、光电检测模块以及数据传输模块等。其系统装备的模块 组成如图2 5 所示。系统的控制部分多数集于测漏系统内部与控制柜内，控制 变送器自动测漏系统的研究 柜的外部尺寸为：5 0 0 m m 2 0 0 m m 6 0 0 m m ，关于控制柜的设计第五章会有详 细的介绍。 图2 5 自动测漏系统装备组成框图 2 3 3 自动测漏系统的目标性能参数 由变送器自动测漏系统的测漏功能以及运行过程，将自动测漏系统分为五大 机构：水平机构、定位机构、垂直导向机构、夹紧机构以及控制机构。其各个机 构的目标参数及性能如表2 1 所示： 表2 1 系统的目标参数及性能 减速比 2 5 传送带 型号 c v s a 一3 0 0 最大负载 4 5k g 水平机构滚珠丝杠 重复精度 0 0 5 衄 输出力 6 8 n 圆形气缸 行程 1 0 衄 1 2 第二章变送器自动测漏系统的总体设计 最大速度 1 皿s 双活塞杆气缸 输出力 2 4 1 n 连接方式气动连接 定位机构直线驱动滑块 工作模式双作用 测量方式漫反射传感器 光电开关 工作方式 4 0 6 0 0 咖 马达类型d c 伺服电机 垂直导向机构电直线驱动器最小速度 2 珊s 行程 1 5 0 咖 重复精度 肚n g ，f g 1 0 7 0 2 1 0 = 7 0 2 n ( 3 1 2 ) 得出f g 7 0 2 n ，对3 个手指，b 取7 1 4 ( 取b = 1 0 ) 综合机械手所要承受的重力、夹紧力的大小以及所要抓取工件的直径尺寸， 则选用三点式机械手，型号为：h g d 一5 0 a 一1 6 1 8 3 8 。其内部结构图及外观图参见 参考文献侧。 3 4 垂直导向机构的设计( 直线驱动器的选型) 当工件到达指定位置后，为了保证机械手能顺利抓取工件并能准确地完成其 特定方向的运动，这就需要垂直导向机构来完成。在测漏系统中，所选用的导向 机构就是导轨( 电直线驱动器) ，其主要作用就是支承和导向。如何设计和选用 合适的导向机构，需要考虑以下几点n 们：导向精度耐磨性疲劳和压溃刚 度低速运动平稳性结构工艺性。 1 ) 设计导轨时，要充分考虑作用力的方向和作用点的位置，依据测漏系统 的实际情况，详细分析如下：作用力f 在导轨轴线平面内，平行于导轨的轴线， 且与轴线相距h ，支点反力为f n ，和f n 2 ，摩擦力为f ，。导轨计算简图如图3 5 所 示： 一 i 5 i 苈(一o 坠奴 7 一 ，一 紧 献 第三章测漏系统机械部分的研究与设计 饧、4 比羽 0 b a 卜彭羽 l睡羽 图3 5 导轨计算简图 依据静力学平衡方程式求支点反力f 。= f n 2 = f n ，即： f n ：丝( 3 1 3 ) 三 如诱导摩擦系数为f e ，则由支点反力f n 。和f n 2 产生的摩擦力f f 为： e ：f e ( f n 。) ：2 f e 华( 3 1 4 ) 为保证推动导轨，必须满足f f f 的条件：f 2 e 旱( 3 1 5 ) 即2 c 华 1 ( 3 1 6 ) 设计时，为保证导轨运动的可能性，h l 一般取下列值 2 孕 o 5 ( 3 1 7 ) l 由于作用力f 与轴线相距h _ 0 ，故导轨一定可以运行。 2 ) 导轨所承受载荷的计算 由上个小节的计算，可知直线导轨所要承受的载荷f = 7 0 2 n ，取动载荷系数 l l = 1 5 ，故导轨的动载荷e ，= 7 0 2 1 5 = 1 0 5 3 n ( 3 1 8 ) 根据计算结果，最终选用型号为s l t e 1 6 1 5 0 l s - g 0 4 的电直线驱动器。 3 5 水平机构的设计( 滚珠丝杠的选型) 在整个测漏系统的水平运行过程中，为了保证直线运动且满足行程距离，综 合各方面考虑，确定选用滚珠丝杠，选择滚珠丝杠的优势在于n 力：传动效率高， 摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率高达0 9 2 0 9 6 ，比普通丝杠高3 4 倍； 耗费能量仅为普通丝杠的l 4 l 3 。具有可逆性，既可以从旋转运动转换成直 线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。运动平稳，无爬行现象，传动精 度高。定位精度高，刚度好。磨损小，使用寿命长。 要选择合适的丝杠，必须进行相应的计算和验算，由以上计算和选型得知： 2 l 变送器自动测漏系统的研究 水平机构所要承受的平均工作载荷f f l 0 5 n 。设计滚珠丝杠副的一般步骤是： 1 ) 求出丝杠传动的计算载荷f c f c = k f k h k l f m = 2 2 1 x 1 0 5 = 4 2 0 n ( 3 1 9 ) 式中：k 广载荷系数； k 。广硬度系数； k 广短行程系数； f 广平均工作载荷。 2 ) 额定动载荷c l 的计算 设定丝杠的平均转速n - - 1 0 0 r m i n ，使用寿命l h = 8 7 6 0 h 。 c 。= 了三号三斋k = 号：导凳芋；导2 4 2 。= 3 。4 5 c 3 2 。， 式中：c l 一额定动载荷； 禅杠的平均速度； l h 运转寿命。 根据以上计算数据，初步选择丝杠的型号为：d m e s 一4 0 一6 0 0 一k f - g k s h _ a x 3 ) 稳定性验算 稳定性的验算要求临界载荷来确定，由公式： f c r ：磐( 3 2 1 ) 耻丽烈) 式中：e 一螺杆材料的弹性模量，e = 2 0 6 g p a ； i a _ - 螺杆危险截面的轴惯性矩； u 长度系数； l 一螺杆工作长度。 经过计算和验算，由物体的重量、机械手的重量、结合整个工作台的布局、 机械手所要运行的距离以及运行过程中的动载荷，则可以得出丝杠的型号，选用 的丝杠型号是：d m e s 一4 0 6 0 0 5 3 3 7 0 1 。 3 6 水槽的设计 3 6 1 水槽箱体的设计 测漏系统中所采用的水槽是用来放置工件并进行测漏的地方，由于其在使用 第一章测漏系统机械部分的研究与设计 过程中承受着压应力及程度不同的摩擦和振动，因此设计水槽箱体时，应考虑： 在满足零件使用性能的前提下，易于制造，使零件的加工时间最短，生产成本最 低。综合考虑以上情况，水槽最终选用铸造箱体。 水槽选用铸造箱体有两个优点n 引，即：铸造方法适宜于箱体复杂结构的成 形铸造方法对材质不受限制，因此水槽所选用的材料是q 2 3 5 不锈钢。 确定了水槽箱体的材料，以下需对箱体的壁厚进行合理的设计： 1 ) 箱体的最小壁厚 合理设计水槽箱体的壁厚，既能保证水槽箱体的铸件力学性能，又能防止铸 造缺陷的产生。铸件的最小壁厚主要取决于合金的种类和铸件的大小，如表3 1 所示引： 3 1 箱体的“最小壁厚 表( 衄) 箱体尺寸 铸钢灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金 5 0 0 5 0 0 1 5 2 01 0 1 5 1 2 2 0 已知水槽的结构尺寸为：2 5 0 舢x 2 5 0 舢1 0 0 姗，所用材料为q 2 3 5 不锈钢， 因此水槽箱体最小壁厚的范围是1 0 1 2 胁。 2 ) 壁与壁之闻连接圆弧的设计 设定水槽的壁厚均相等，如图3 6 所示n 引： 图3 6 壁与壁之间圆弧设计示意图 则r ( 1 6 1 3 ) a ，r l a + r ；选取水槽壁厚a = 1 0 咖，r 2 5 嬲， r 1 1 2 5 所m 变送器门动测漏系统的研究 综合以一i ：两点，设计出水槽的箱体，其3 d 图如图3 7 所示： 图3 7 水槽箱体3 d 图 3 6 2 水槽凸台的设计 在水槽箱体上设计凸台的目的是为了加强水槽孔周围的强度、减少孔周围产 生的应力。箱体凸台的设计如图3 8 所示： 图3 8 水槽孔边缘凸台计算示意图 1 ) 凸台壁厚要低于1 5 倍的标称壁厚，如果超过5 0 会增加产生凹陷的可 能性。因此根据以上计算所得，水槽的壁厚为6 = 1 0 衄，那么凸台的壁厚应为： b = 1 0 1 5 = 1 5 m m ( 3 2 2 ) 2 ) 凸台底部的半径最小为标称壁厚的2 5 或0 4 m m 以减少应力，故凸台的 底部半径为： r = 1 0 2 5 = 2 5m m ( 3 2 3 ) 3 ) 凸台顶部的半径最小为标称壁厚的0 7 5 ，故凸台的顶部半径为： r = 1 0 0 7 5 = 7 5m m ( 3 2 4 ) 4 ) 凸台和标称壁厚的和是2 倍的标称壁厚，故h 为： 第i 章测漏系统机械部分的研究与设计 3 7 水槽受推力面的分析 由于水槽的一个面长期受到圆形气缸4 0 n 的输出力，因此，为了保证水槽受 推力面具有足够的强度和刚度，就要对其进行静力分析并优化其结构尺寸，而 h y p e r w o r k s 仿真分析恰好提供了完美的解决方案。以下是水槽受推力面静力分 析的过程。 已知性能参数：水槽的受推力面是平面薄板件，材料为q 2 3 5 不锈钢，其屈 服强度o 。= 2 3 5 m p a ，材料的弹性模量e = 2 0 6 1 0 5 m p a ，泊松比u = 0 2 5 ，密度 p = 7 8 1 0 3k g m 3 1 ) 有限元模型的建立 网格划分是有限元分析中至关重要的环节，单元类型的选择、网格划分的好 坏直接影响到计算精度及计算过程的收敛速度。单元类型的选择主要取决于结构 的几何形状，施加载荷的类型和要求计算的精度，就平面问题而言，常用的单元 有三角形单元( c t r 工a 3 e l e m e n t ) 和四边形单元( c q u a d 4 e l e m e n t ) ，对平直构件可选 用四边形单元，对于弯曲不规则构件三角形单元有较好的适应性n 引。两种单元的 位移函数表示如下： 三角形单元位移函数： f = ： = 苫品等品苫曼 【础坳w 踟伽r = 【】 占) 。) 式中，形函数胍= 要( m + k + c 纱) ( 其中k = i ，j ，m ) ； j 。为单元节点位 移的矩阵。 四边形单元位移函数： f = ： = 苫羔苫三苫是 【撕聊z 移w z 钿锄r = 【】 万 扣) 式中，形函数= 三( 1 一孝) ( 1 一刀) ，助= 丢( 1 + 善) ( 1 一刁) ，埘= 丢( 1 + 善) ( 1 + 刁) ， 万) t 为单元节点位移的矩阵。可见，三角形单元的形函数 n