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20150512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。针对这样的现状，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最为重要的课题。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，本设计将结合涡轮增压器装配的特点，集成应用S7300PLC、OPC、PROFIBUSDP、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。经实践证明，该设计有助于提高装配效率以及质量，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S7300PLCLABVIEWOPCPROFIBUSDP图像处理ADESIGNOFASSEMBLYANDTESTINGSYSTEMOFTURBOCHARGERCOMPONENTSABSTRACTTURBOCHARGERASADEVICETOIMPROVETHEPOWER,ENERGYSAVINGANDEMISSIONREDUCTION,ISBEINGAPPLIEDMOREANDMORETOAVARIETYOFMODERNCARBECAUSEOFTHIS,THEDEMANDFORTHETURBOCHARGERISALSOGROWINGINVIEWOFTHISSITUATION,TOIMPROVEEFFICIENCYANDQUALITYOFTURBOCHARGERASSEMBLYWILLBECOMETHEMOSTIMPORTANTISSUEFORTHETURBOCHARGERASSEMBLYINORDERTOIMPROVETHESYSTEMTOADAPTTOCHANGESINTHEASSEMBLYPROCESSCAPABILITYANDSTRENGTHENTHERELIABILITYOFASSEMBLYSYSTEMS,THISDESIGNWILLCOMBINETHECHARACTERISTICSOFTHETURBOCHARGERASSEMBLY,INTEGRATEDANDAPPLIEDS7300PLC,OPC,PROFIBUSDP,ETHERNET,LABVIEW,INDUSTRIALCONTROLMACHINEANDIMAGEPROCESSINGANDOTHERRELATEDTECHNOLOGIESDESIGNASSEMBLYANDTESTINGSYSTEMOFTURBOCHARGERCOMPONENTSTOEFFICIENTLYACHIEVEASSEMBLYTASKTHEPRACTICEPROVEDTHATTHEDESIGNISHELPFULTOIMPROVEASSEMBLYEFFICIENCYANDQUALITY,EFFECTIVELYREDUCETHECOSTOFPRODUCTION,ANDINDIRECTLYIMPROVETHEINDUSTRIALEFFICIENCYINTHEACTUALAPPLICATIONPROCESS,THEDESIGNMEETSTHEPRACTICALNEEDSKEYWORDSTURBOCHARGERS7300PLCLABVIEWOPCPROFIBUSDPIMAGEPROCESSING目录1绪论811研究背景812研究意义913研究的主要内容914本章小结102系统方案设计1121系统设计概述1122系统装配组件介绍1123系统工作流程1222本章小结133系统硬件介绍1431S7300PLC介绍14311工作原理14312组成部分14313特点1532REXROTH电动螺丝刀系统16321电动螺丝刀16322螺丝刀控制器1633SMC电磁阀岛1834IAI电缸及控制器18341电缸控制器18342电缸1935本章小结204硬件设计2141系统总的结构框图2142S7300PLC控制器I/O设计21421S7300PLC数字I/O分配表21422S7300PLC的接线图2243电缸控制系统设计24431电缸控制系统结构分析24432电缸控制器接线24433电缸控制器的设置与地址分配2544螺丝刀控制系统设计27441螺丝刀系统通信27442螺丝刀控制器操作2745本章小结325系统通信设计3351系统的通信网络设计3352OPC通信介绍3453PROFIBUSDP现场总线3454ETHERNET通信3555本章小结356人机界面与检测技术设计3661人机界面设计36611人机界面概念介绍36612人机界面展示36613PLC与HMI通讯38614PLC与HMI数据关联有无检测3962检测技术设计40621有无检测40622尺寸检测4064本章小结417总结与展望4271总结4272展望42参考文献43附录44附录一系统气路图44附录二系统主电源回路设计图45附录三系统实物图47致谢481绪论11研究背景涡轮增压器是一种利用内燃机运作所产生的废气通过由定子和转子组成的结构驱动之空气压缩机。与机械增压器功能相若，两者都可增加进入内燃机或锅炉的空气流量，从而令机器效率提升。常见用于汽车引擎中，透过利用排出废气的热量及流量，涡轮增压器能提升内燃机的马力输出。自从上世纪初涡轮增压出现以来，掀开了内燃机发展史上的新篇章。在提高内燃机的比功率和燃油经济性、降低排放等方面，涡轮增压技术发挥了重要的作用，被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑。尽管最初在车用发动机上是否采用涡轮增压曾产生过广泛争论，但是随着涡轮增压器效率的提高和匹配技术的发展，60年代涡轮增压开始在车用发动机领域得到广泛使用。特别是上世纪70年代汽油机增压技术取得突破后，涡轮增压更是得到了突飞猛进的发展，至今依然保持着强劲的发展势头。目前，美国、欧洲、日本等国家和地区的重型柴油机已100采用增压器，中小型汽车柴油机采用增压器达80，最明显的是轿车柴油机和汽油机越来越多地采用涡轮增压。而国内目前汽车发动机的增压化率还很低，主要是在一些大中型汽车柴油机上采用，轻型车也有部分采用增压发动机，例如南京IVECO采用的SOFIM发动机装备的就是K14型增压器。但是近几年，国内增压器市场发展很快，自89年以来，我国增压器需求约以每年30的速度递增。根据我国汽车发动机市场现状和2000年汽车发展规划设想，到2000年主机配套和维修配件及出口的增压器之和约为115万台。因此，涡轮增压技术在车用发动机领域的应用前景非常广阔，采用增压技术是内燃机工业在“九五”期间的一项主要发展方向和技术政策。随着汽车工业的不断发展，市场竞争和环境保护对车用发动机的动力性、经济性以及废气、噪声排放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不断向更高水平发展。为适应这种要求，不但需要发展各种增压系统，更重要的是研究出效率高、流量范围广、与发动机匹配良好的涡轮增压器。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。12研究意义近年来发动机所使用的涡轮增压技术越来越得应用到许多类型的汽车上，随之而来的是市场对涡轮增压器的大量需求。更何况涡轮增压器具有以下优点1提高发动机升功率。在发动机排量不变的情况下可以通过增加进气密度，让发动机可以多喷油，从而提高发动机的功率，加装增压器后的发动机的功率及扭矩要增大2030。反之在同样的功率输出的要求下可以降低发动机的缸径，缩小发动机的体积和重量。部分高海拔地区，海拔越高，空气越稀薄，带涡轮增压器的发动机就可以克服因高原空气稀薄导致的发动机的功率下降。2提到燃烧率。涡轮增压器发动机通过改善发动机的燃烧效率，减少发动机废气中颗粒物和氮氧化物等有害成分的排量。涡轮增压器是柴油发动机达到欧二以上排放标准不可缺少的配置。提供高原补偿的功能。3提高燃油经济性，降低油耗。由于带涡轮增压器的发动机燃烧性能更好，可以节省燃油35。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，因此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。所以研究涡轮增压器的装配与检测系统设计显得至关重要13研究的主要内容本课题基于自动化控制技术以及测试与检测技术设计一种涡轮增压器组件的装配与检测系统设计，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S7300PLC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，对论文内容分为下述几章来详述。第一章为绪论，主要介绍了本设计的研究背景、研究意义以及研究的主要内容，并概述了设计报告的章节安排。第二章进行设计方案的介绍，将经过根据生产装配要求而研讨论证的方案进行叙述，并介绍了系统的装配组件以及系统工作的流程。第三章介绍了系统的部分硬件设备，这些设备将担负设备运行的重任。第四章主要讲述了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。第五章将主要叙述了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、PROFIBUSDP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。第七章总结与展望，对本次设计进行总结，并对还可完善之处进行展望。14本章小结本章首先对涡轮增压器进行了介绍，通过对其背景与研究的意义进行的深入了解，认识到对于提高涡轮增压器的生产效率以及降低生产成本的重要性。这对本次设计的必要性有了更加清晰的认识。针对本设计也做了论文叙述的行文安排。2系统方案设计21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S7300PLC，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，S7300PLC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等相关知识。并将检测结果告知S7300PLC。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PROFIBUSDP通信以及ETHERNET通信方式,并采用OPC技术进行数据交换。其中S7300PLC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S7300PLC之间则是通过网线连接进行OPC通信。22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下图所示）轴承（BEARING）护罩（SHROUD）活塞环（PISTONRING简称RING）定位栓（PINLOCATING简称PIN）中心壳体（CENTERHOUSING简称CH）轴轮组件（SHAFTWHEELASSEMBLY简称SWA）推入式定位组件（THRUSTSPACERASSEMBLY简称TSA）图21系统装配组件示意图23系统工作流程将设备上电，下载设备所生产产品的参数，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，完成后打印电缸、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22所示。启动设备上电上位机下载参数（手动状态下）启动、复位按钮系统工作在初状态切换到自动状态放置SWA、CH、BEARING、TSA、PIN在相应夹具上触摸屏不提示通过检测SHROUD是否正确检测SWA是否正确将SHROUD放置在CH上将SWA放置在夹具上按双手按钮相机检测SWA、PIN、SHROUD判断SWA有无RINGCH上有无SHROUDPIN型号提示相应错误进行人为纠正取出SWA按单手按钮电缸进行走位置放置SWA按双手按钮X1/Z1气缸下压电缸走位置提示错误更换BEARING相机1检测BEARING相机1检测TSAX1/Z1电缸走位置提示错误更换TSAX1/Z1电缸走位置插入BEARINGBEARING下面压力传感器是否超限设备报警按复位按钮检查产品及结构Y1/X2电缸走位置位移传感器探孔通过位移判断BEARING和CH孔是否一致按复位按钮手动调节相关位置Y1/X2电缸到打螺丝位打螺丝操作X1/Z1电缸走位置插入TSAX1/Z1电缸归初始位Y1/X2电缸归初始位下压气缸归初始位流程结束按双手按钮按双手按钮设备报警打印条码图22系统工作流程图22本章小结通过研究生产要求，针对生产过程并经过多次修改论证后进行上述设计方案，在这过程中对整个设计的流程更加清楚，在编写程序时也将更加得心应手。对于后面的调试工作也有着巨大帮助。也为真正实现后面的设计工作提供了最为重要的理论基础。3系统硬件介绍本设计采用S7300PLC作为控制核心，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S7300PLC、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。31S7300PLC介绍S7300是德国西门子公司生产的可编程序控制器PLC系列产品之一。其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，使其在广泛的工业控制领域中，成为一种既经济又切合实际的解决方案。S7300在本系统中起核心控制作用。S7300PLC如图31所示。图31S7300PLC311工作原理PLC采用循环执行用户程序的方式。OB1是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1中可以调用其它逻辑块FB,SFB,FC或SFC。循环程序处理过程可以被某些事件中断。在循环程序处理过程中，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU内部的输入/输出过程映像区（在CPU的系统存储区）。312组成部分西门子S7300的基本组成部件有如下几部分1电源模块（PS）将市电电压（AC120/230V）转换为DC24V，为CPU和24V直流负载电路（信号模块、传感器、执行器等）提供直流电源。输出电流有2A、5A、10A三种2CPU模块各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUSDP等通信接口。CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒（有的CPU没有）3信号模块（SM）（1）数字量输入模块24VDC，120/230VAC；（2）数字量输出模块24VDC，继电器（3）模拟量输入模块电压，电流，电阻，热电偶（4）模拟量输出模块电压，电流4功能模块FM功能模块主要用于对时间要求苛刻、存储器容量要求较大的过程信号处理任务。5计数计数器模块6定位快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块等7闭环控制闭环控制模块8工业标识系统接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等。9接口模块IM接口模块用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。S7300通过分布式的主机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。10通讯处理器CP扩展中央处理单元的通讯任务,其接网方式点到点连接；PROFIBUS；工业以太网。313特点循环周期短、处理速度高指令集功能强大（包含350多条指令），可用于复杂功能产品设计紧凑，可用于空间有限的场合模块化结构，设计更加灵活有不同性能档次的CPU模块可供选用功能模块和I/O模块可选择有可在露天恶劣条件下使用的模块类32REXROTH电动螺丝刀系统基于以太网的现场总线，如ETHERNET/IP、MODBUSTCP和PROFINET。带有依照IEC611313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。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。321电动螺丝刀REXROTH电动螺丝刀配置有控制器。装有调节和限制扭矩的机构，用于拧紧和旋松螺钉用的电动工具。该电动工具，主要用于装配线，是大部分生产企业必备的工具之一。电动螺丝刀作为机械部件，正常工作离不开电源，电批电源为电动螺丝刀提供能量及相关控制功能。带动马达的转动。由于电动螺丝刀马达的参数不一样，在电批电源输出同等功率的情况下，转速会不一样。电动螺丝刀分为直杆式，手枪式，安装式三类，本项目中采用直杆式。REXROTH电动螺丝刀有如下特点1高品质，高可用性ERGOSPIN手持扳手和力士乐的紧缩主轴的在更多的耐力测试，测试在超过一百万TIGHTENINGS满载无需维护。2REXROTH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。322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ENISO13849“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IEC611313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；升紧缩结果一目了然；升坚固IP54，EMC级别IV；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IEC611313标准，整个紧固过程用户有可无数的自动化选项。图32螺丝刀控制器33SMC电磁阀岛阀岛是新一代气电一体化控制元器件，已从最初带多针接口的阀岛发展为带现场总线的阀岛，继而出现可编程阀岛及模块式阀岛。阀岛技术和现场总线技术相结合，不仅确保了电控阀的布线容易，而且也大大地简化了复杂系统的调试、性能的检测和诊断及维护工作。借助现场总线高水平一体化的信息系统，使两者的优势得到充分发挥，具有广泛的应用前景。34IAI电缸及控制器341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123高度115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、CCLINKPROFIBUSDP、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。6日历功能可准确记录报警发生的日程时刻搭载的日历功能（时钟功能），可以准确记录报警发生的日程时刻等历史信息，使故障原因的解析更加方便。（可保存最近10天内的报警信息。）图33电缸控制器342电缸电缸原理电缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点精确转速控制，精确转数控制，精确扭矩控制转变成精确速度控制，精确位置控制，精确推力控制；实现高精度直线运动系列的全新革命性产品。电缸特点闭环伺服控制，控制精度达到001MM；精密控制推力，增加压力传感器，控制精度可达1；很容易与PLC等控制系统连接，实现高精密运动控制。噪音低，节能，干净，高刚性，抗冲击力，超长寿命，操作维护简单。电缸可以在恶劣环境下无故障，防护等级可以达到IP66。长期工作，并且实现高强度，高速度，高精度定位，运动平稳，低噪音。所以可以广泛的应用在造纸行业，化工行业，汽车行业，电子行业，机械自动化行业，焊接行业等。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34电缸35本章小结本章介绍了介绍了选取的器件以及设计中需要运用到的部分功能进行了介绍。对于运用的器件和功能的认识，将有助于我们对下面硬件的设计原理与软件仿真的实现，以及电路的功能的实现有更好的理解。帮助读者在接下来的设计中更容易弄清其起到的作用。这也就是为什么将本章放在本设计前面进行介绍。4硬件设计41系统总的结构框图S7300PLC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S7300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41所示。S7300电缸驱动器X1水平运料电缸前后运送组件Z1轴压入位电缸垂直运送组件X2轴水平运动电缸螺丝刀水平运动Y1轴前后运动电缸螺丝刀前后运动触摸屏工控机对射传感器压力传感器安全光栅位移传感器气缸运动螺丝刀控制器螺丝刀拧紧螺丝SMC集成阀岛控制电磁阀相机与光源图41系统结构框图42S7300PLC控制器I/O设计421S7300PLC数字I/O分配表根据系统的方案设计，对S7300PLC的I/进行了以下的分配设计如表41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41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41数字I/O分配表符号地址符号地址启动I00复位灯Q00复位I01启动灯Q01暂停I02暂停灯Q02急停I03三色灯红Q03手自动I04三色灯绿Q04双手按钮左I05三色灯黄Q05双手按钮右I06蜂鸣器Q06安全光栅I07备用Q07探孔气缸定位WORKI10光栅复位Q10探孔气缸定位HOMEI11光栅旁路Q11补偿气缸（前）WORKI12备用Q12补偿气缸（前）HOMEI13光源触发信号1Q13补偿气缸（后）WORKI14光源触发信号2Q14补偿气缸（后）HOMEI15光源触发信号3Q15接近传感器I16日光灯Q16对射传感器（SWA）I17备用Q17上下气缸定位WORKI30门吸1I40上下气缸定位HOMEI31门吸2I41左右气缸定位WORKI32门吸3I42左右气缸定位HOMEI33门吸4I43接近传感器探孔电缸I34门吸5I44接近传感器上下电缸I35气源报警I45备用I36备用I46备用I37备用I47422S7300PLC的接线图本系统中，给S7300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。S7300各个模块的接线图如下图所示。I00I02I03I04I05I06I07I10I11I12I13I14I15I01M复位暂停急停手自动双手按钮左双手按钮右安全光栅启动DI3224VI16I17DC24VDC24VI20I22I23I24I25I26I27I21I30I32I33I34I35I36I37I31M探孔气缸定位WORK补偿气缸（前）WORK补偿气缸（前）HOME补偿气缸（后）WORK补偿气缸（后）HOME接近传感器对射传感器SWA探孔气缸定位HOME上下气缸定位WORK左右气缸定位WORK左右气缸定位HOME接近传感器探孔电缸回原点接近传感器上下电缸回原点备用备用上下气缸定位HOME备用备用备用备用备用备用备用备用图4232位数字量输入模块接线图备用备用备用备用MDI1624VDC24V备用备用备用备用I40I42I41I44I43I45I46I47I50I52I51I54I53I55I56I57M门吸1门吸3门吸4门吸2门吸5气源报警备用备用图4316位数字量输入模块接线图DC24V1LQ00Q01Q022MQ12Q13Q14Q16Q17Q15Q11Q10DC24V2LQ03Q04Q05Q061M复位灯暂停灯三色灯红三色灯绿三色灯黄蜂鸣器启动灯光栅复位备用光源触发信号1光源触发信号2光源触发信号3日光灯备用光栅旁路DO3224V图4432位数字量输出模块接线图SM331AI212BITV0M0SM331AI212BIT激光位移传感器信号1I0M0I1M1压力传感器信号激光位移传感器信号2位移传感器信号V1M1图4512位双通道模拟量输入模块接线图43电缸控制系统设计431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PROFIBUSDP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44所示。X1轴水平运料电缸X2轴水平运动螺丝刀电缸Y1轴前后探孔打螺丝电缸Z1轴竖直压入电缸图46电缸控制系统的拓扑图432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42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。CPROFIBUSDP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47电缸控制器接线图433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（DIRECTINDICATIONMODE），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43所示。图48PLC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10001039。那么10001007是分配给网关控制的，10081015是分配给第1根轴的，10161023是分配给第2根轴的，10242031是分配给第3根轴的，10321039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TARGETPOSITION单位001MM；1010,1011两个WORD组合是位置宽幅（POSITIONINGWIDTH），单位001MM，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001G，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CONTROLSIGNAL，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42所示。表42电缸1在DB2的地址地址名称类型初始值注释31IAI_1_STOPBOOLFALSE电缸1暂停54IAI_1_HOMEBOOLFALSE电缸1回原点55IAI_1_GATEWAYCONTROLBOOLFALSE电缸1网关控制56IAI_1_SON_IBOOLFALSE电缸1SON57IAI_1_CSTR_IBOOLFALSE电缸1触发信号60IAI_1_JOG1_IBOOLFALSE电缸1JOG61IAI_1_JOG2_IBOOLFALSE电缸1JOG62IAI_1_PUSH_IBOOLFALSE电缸1推压模式触发63IAI_1_DIR_IBOOLFALSE电缸1推压方向64IAI_1_BKRL_IBOOLFALSE电缸1刹车解除65IAI_1_RES_IBOOLFALSE电缸1复位66IAI_1_JISL_IBOOLFALSE电缸1JOG、寸动切换67IAI_1_EMGS_OBOOLFALSE电缸1急停输出70IAI_1_CRDY_OBOOLFALSE电缸1准备完成71IAI_1_MEND_OBOOLFALSE电缸1定位、HOME、推压完成72IAI_1_ALM_OBOOLFALSE电缸1报警信号73IAI_1_SV_OBOOLFALSE电缸1准备完成SVON74IAI_1_MOVE_OBOOLFALSE电缸1MOVING75IAI_1_HEND_OBOOLFALSE电缸1归原点完成76IAI_1_PEND_OBOOLFALSE电缸1位置定位完成8IAI_TARGETPOSITION_1_IDWORDDW160电缸1TARGETPOSITION12IAI_POSITIONINGWIDTH_1_IDWORDDW160电缸1POSITIONINGWIDTH16IAI_COMMANDSPEED_1_IWORDW160电缸1COMMANDSPEED18IAI_ACDC_1_IWORDW160电缸1ACCELERATEDECELERATE20IAI_PRESSINGCURRENTL_1_IWORDW160电缸1PRESSINGCURRENTLIMIT22IAI_CURRENTPOSITION_1_ODINTL0电缸1CURRENTPOSITION26IAI_CURRENTCURRENT_1_ODWORDDW160电缸1CURRENTCURRENT30IAI_CURRENTSPEED_1_OWORDW160电缸1CURRENTSPEED32IAI_ALARMCODE_1_OWORDW160电缸1ALARMCODE1240IAI_1_GATEWAYCONTROL_OBOOLFALSE电缸1网关控制反馈126WANGGUANKONGZHIZIWORDW160PLC电缸网关控制字128WANGGUANKONGZHIZI1WORDW160电缸网关控制字PLC130IAI_1CONTROLZIWORDW160PLC电缸1控制字132IAI_1CONTROLZI1WORDW160电缸1控制字PLC44螺丝刀控制系统设计441螺丝刀系统通信本设计中螺丝刀控制器分别进行PROFIBUSDP现场总线与ETHERNET通信，因此S7300PLC可以通过PROFIBUSDP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。PROFIBUSDPETHERNET图49螺丝刀控制器通信示意图442螺丝刀控制器操作1双击打开桌面图标。图49螺丝刀控制器软件图标2在项目栏中选择PC，点击“接口（N）”，如下图所示。图4103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4114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，如下图所示。图4125点击“拧紧程序”按钮，出现拧紧程序窗口，如下图所示。图4136编写螺丝枪程序。（1）选中程序号，如下图所示；图414（2）例如选择程序号6，点击插入拧紧步骤，如下图所示；图415（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，如下图所示。图4167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”，如下图所示。图4178输入密码ROBERT，点击确认，如下图所示。图4189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，如下图所示。图41910发送完成后，可以点击“顺序测试”进行程序测试，如下图所示。图42011选中程序号，点击“启动”按钮，测试该程序号，如下图所示。（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42112一切设置无误后，点击项目栏“管理”，选中“登录及注销”，进行注销，如下图所示。图42245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S7300PLC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，这对认识各个功能硬件与整个系统的关系有着十分重要的作用。5系统通信设计51系统的通信网络设计本设计采用PROFIBUSDP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PROFIBUSDP通信。对于整个系统设计的网络拓扑结构如图51所示。工控机IP192168010PLCIP19216801DP2电缸控制器DP10电磁阀岛DP12螺丝枪控制器IP192168035DP4触摸屏DP3PROFIBUSDPETHERNET图51系统通信网络拓扑结构图采用以上方式进行通信，针对S7300PLC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52所示。图51系统通信网络拓扑结构图52OPC通信介绍OPC（过程控制的对象连接与嵌入技术）是过程控制中的一种数据交换标准，它是基于WINDOWS的OLE（对象连接与嵌入），COM（组件对象模型）和DCOM（分布式组件对象模型）技术的通信标准，包括了一整套的标准接口，属性和方法，用于过程控制和制造自动化系统，为其对于不同的软件和硬件设备的交互式数据访问提供了可能性。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。53PROFIBUSDP现场总线现场总线PROFIBUS是一种国际开放与独立的设备制造商的现场总线标准。它广泛应用于制造业等领域的过程自动化，工业自动化。现场总线PROFIBUS由三个相互兼容标准部分组成，即PROFIBUSDP，PROFIBUSPA，PROFIBUSFMS。它是一种用于工厂自动化车间级监控，数据通信和现场设备层控制的现场总线技术。PROFIBUSDP用于现场级的高速数据转换，其主要特点是中央控制站（主站）周期性地读取从站的输入信息，并周期性地发送输出信息从站。在这种总线访问方式中主站之间的通信是通过令牌环，和主站与从站之间的通信是通过主从方式。PROFIBUSDP是允许单个主站或多主站的系统。多达126站可以连接到同一总线。系统配置的描述包括站号，站地址，输入/输出数据，输入/输出数据格式，格式和诊断信息的总线参数。每个PROFIBUSDP现场总线系统都可以包括以下三种类型的设备。第一DP主站1（DPM1）DP主站1是中央控制器，它与DP从站的预定信息的周期内交换信息。第二DP主站2（DPM2）DP主站车站是一个程序员，配置设备或操作面板，它是用于DP系统的配置中，并完成系统的运行和达到监控的目的。第三DP从站DP从站是外围设备收集和发送信息的输入输出。54ETHERNET通信ETHERNET是适合工业环境应用的协议体系。它是基于CIPCONTROLANDINFORMATIONPROTOCOL协议的网络。它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式控制的实时I/O信息和显式信息包括用于组态、参数设置、诊断等的有效传输。ETHERNET采用带冲突检测的载波帧听多路访问（CSMA/CD）机制。ETHERNET中节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，可以说ETHERNET是一种广播网络。ETHERNET通信的工作过程如下当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行1、监听信道上是否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续监听，直到信道空闲为止。2、若没有监听到任何信号，就传输数据3、传输的时候继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤1（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送会返回到监听信道状态。55本章小结本章主要阐述了本设计的通信网络的构成，并展示了整个通信网络的拓扑图。对OPC通信技术以及ETHERNET通信和PROFIBUSPD现场总线做了一定的介绍。通过这一章，将会对整个系统的通信技术有所了解，并对系统的主控制器如何与各个功能模块进行通信有所认识，这对认识整个系统的运作方式有着重要作用。6人机界面与检测技术设计61人机界面设计611人机界面概念介绍WINCCFLEXIBLE，西门子公司工业全集成自动化（TIA）的子产品，是一款面向机器的自动化概念的HMI软件。WINCCFLEXIBLE用于组态用户界面以及操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。本设计的控制界面采用西门子触摸屏为显示和控制平台，便采用WINCCFLEXIBLE来进行人机界面开发。612人机界面展示根据实际生产需求，分别设计了手动模式界面以及自动模式界面。其中手动模式下，控制画面主要由主画面、X1/Z1电缸调试界面、Y1/X2电缸调试界面、气缸调试界面、螺丝刀系统界面等构成。手动界面主要是设备处在调试状态时使用，在该界面下可以控制设备的工作状态并得到相关传感器的检测信息，以及电缸的当前位置信息等。在手动状态下还有个重要界面就是报警界面，这些报警信息提示设备不在正常状态下，一旦出现报警情况，报警画面将弹出，并显示报警信息。出现报警，设备将停止动作，这时需要通过复位操作来将设备回归初始正常状态。在手动模式下的主要的功能画面如下图所示。图61手动主画面图62X1/Z1电缸调试界面图63气缸调试界面图64用户管理界面图65螺丝刀系