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汽车差减速器检测控制系统设计,汽车,减速器,检测,控制系统,设计
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长春理工大学光电信息学院毕业设计编号 本科生毕业设计汽车差减速器检测控制系统设计Automobile differential gear reducer detection control system design学 生 姓 名专 业机械电子工程学 号指 导 教 师分 院机电工程分院2013年 6 月摘 要汽车后桥差减速器的装配质量是影响整个汽车性能的一个重要因素。汽车后桥的装配质量主要受两个因数影响，一个是主齿总成的装配质量，另一个是差减速器内主、被动齿轮是否啮合良好。后桥差速器壳体结构复杂，不便测量，传统的测量方法是手动测量及一些专用检具来进行测量，并且一套测量系统只能检测某种车型的的装配尺寸。而且测量方法有精度低、测量速度慢，干扰因素多等缺点。为了缩短测量时间，提高测量精度，提高测量的可靠性，本文提出了一种全自动高柔性的自动测量方法及其控制系统，并编制了实用的软件。经过理论分析与实际程序的在线调试，证明此测量方法和控制系统能够实现自动测量装配主齿总成隔套垫片和主减速器壳体所需的装配尺寸，而且具有智能化、通用性强的特点。 关键词： 汽车；后桥差减速器；装配；自动检测 AbstractThe assembly quality of Automotive rear axle differential reducer is an important factor for the entire car performance。The automobile rear axle of cars assembly quality mainly two factor influences, one is the cusp unit assembly quality, another is in the difference reduction gear main, the driven gear whether to mesh good. The rear axle of car differential device shell structure is complex, the inconvenient survey, the traditional measuring technique is the manual survey and some special-purpose examines has carries on the survey, and a set of measurement system can only examine some kind of vehicle type assembly size. Moreover the measuring technique has the precision to be low, the survey speed is slow, disturbance factor many and so on shortcomings. In order to reduce the measuring time, increases the measuring accuracy, enhanced the survey the reliability, this article proposed one completely automatic high flexible automatic sizing method and the control system, and have compiled the practical software. After the theoretical analysis and the actual procedures online debugging, proved that this measuring technique and the control system can realize the automatic sizing assembly cusp unit to separate the assembly size which a set of filling piece and the main gear box shell need, and has the intellectualization, the versatile strong characteristic.Keywords: Automobile；Rear axle of car difference reduction gear；Assembly；Automatic detection目录第一章 绪论.11.1课题设计的意义11.2汽车工业的现状和面临的挑战11.3装配的概念21.3.1装配系统图21.3.2装配精度与装配尺寸链31.4装配的组织形式31.4.1不同生产规模下装配工作的特点31.4.2确定装配的自动化程度时一般应考虑的因素41.5装配方法41.5.1互换装配法41.5.2分组装配法51.5.3修配装配法51.5.4调整装配法5第二章 设计原理.52.1汽车工作原理62.2汽车差速器62.3汽车后桥差速器检测原理72.4同类或相仿零件的检测原理与方法72.5后桥差速器装配尺寸链9第三章 制定方案及总体设计.113.1装配尺寸自动检测仪方案选择113.2总体设计113.2.1检测部分113.2.2随行夹具部分13第四章 机械结构设计及零部件选择.154.具体结构设计154.1气缸移动结构设计154.2检测气缸活塞杆固定件结构设计184.3随行夹具检测时横向移动机构设计184.4液压夹紧抬起机构液压缸的选择194.5止口定位件及气缸支撑件设计19第五章 控制系统设计及控制元件选择.205.1控制系统总体设计205.1.1 控制系统的总体结构205.1.2 MCS-51单片机引脚及8031总线结构和引脚功能205.2单片机外部总线的扩展245.2.1外部程序储存器的扩展245.2.2外部数据储存器的扩展265.2.3 8255可编程并行I/O接口扩展285.2.4人机联系接口技术305.3传感器的选择35总 结.38参考文献.39致 谢.40第一章 绪论1.1课题设计的意义机器的装配是机器制造过程中最后一个环节，它包括装配、调整、检验和试验等工序。汽车后桥主减速器总成是汽车最关键的部件之一，其装配质量直接影响汽车的运行平稳性、噪声、寿命及能耗，因而提高桥减速器装配线自动化程度，保证装配质量势在必行，如何提高后桥主减速器装配质量成为摆在我们面前迫切需要解决的课题。本课题就是检测控制系统设计，它使机器达到自动化控制的效果，从而提高机器效率以及提高与检测精度。1.2汽车工业的现状和面临的挑战汽车工业是一个国家的支柱产业之一，汽车工业的发展可带动一个国家的机械、电子、化工等许多行业的发展。近几年我国汽车的产销量不仅保持了1999年以来持续的高速增长态势，而且经济效益有明显改观。2001年一汽、东风、上汽三大集团的市场占有率接近50%，年产量5万辆以上的企业集团为12家，生产集中度己达87%。根据提供的统计资料显示，中国汽车产业和汽车市场近10年平均增长10%以上，而全球平均增长率仅为1.5%。到2005年，年汽车销量已超过450万辆，如此庞大的生产量的后面必然有一个庞大的消费市场，当前汽车消费需求结构已经从以往的群体消费转变为私人购车为主体，目前这种私人购车的生力军还将不断地发展扩大，所以可以毫不夸张地说，中国将是世界上最大的汽车潜在市场。但中国汽车工业整体水平仍很脆弱，中国1540家零部件厂支撑着国内15家轿车公司的生产，其中产量超过10万辆的只有5家，它们分散在全国各地，各自为政，并不能发挥整体优势。整个国家工业体系仍处在“粗放型”延长线上2。国内“民族汽车产业”还面临着世界上各大汽车生产国的强大攻击，他们都想抢占中国汽车市场，倾销自己的产品。随着中国加入WTO，中国汽车业的形势将更加严峻。全球著名的汽车厂商、零部件厂商纷纷抢滩中国市场，在中国投资建厂实现就地生产，以降低成本，提高市场占有率，因而国内汽车制造企业面临非革新不可的境地。用户一方面要求产品拥有一流的质量，另一方面又不希望产品的价格过高。为了迎合用户的要求和提高自身在国际市场中的竞争优势，各企业还必须在提高产品质量、降低生产成本等方面加大投资力度。“质量是产品的生命”，任何忽视产品质量的厂家都将会被竟争的市场无情地淘汰。统计资料表明，汽车质量故障近20%产生于后桥。汽车后桥差减速器总成是汽车最关键的部件之一，其装配质量直接影响汽车的运行平稳性、噪声、寿命及能耗。因此提高后桥差减速器装配线自动化程度，保证装配质量势在必行，如何提高汽车后桥差减速器装配质量成为摆在我们面前迫切需要解决的课题。国外公司如日本丰田、韩国现代等，在差减速器总成装配线上，广泛采用测控技术和设备，进行在线测量；对垫片厚度、齿侧间隙等进行现场测量调试；其装配精度高、噪声低、寿命长，差减速器装配工艺标准明显高于国内。代表国内差减速器装配水平的有一汽、二汽车桥厂，上汽集团车桥厂。其中上汽车桥厂差减速器总成装配线较先进，它们是从德国引进的，采用自动传输，广泛应用在线测量，基本都是进口设备。单线造价2000万以上，且只能装配一种规格的减速器，柔性化程度很差，投资也不是一般企业所能承受的，其大批量单品种的生产能力也不符合中国实际。二汽车桥厂最先进的差减速器装配线是八十年代末产品，其采用的选片机曾获国家科技进步三等奖。但由于受当时条件的限制，仅有的一台测量设备的测控技术已丧失原有的先进性，其性能己满足不了现代汽车工业的高要求5。汽车后桥差减速器的装配质量是影响整个汽车性能的一个重要因素。然而到目前为止，为了满足差减速器内主齿总成的装配质量要求，大部分厂家先通过经验选择垫片种类及片数，再由压装后检测预紧力矩来确定垫片选择的正确性，如果预紧力矩过大或过小，都应拆卸主齿总成反复试装；而为了满足差减速器内主、被动齿轮的啮合要求，大部分厂家选片方法多数采用涂粉、试垫，再由装配后检查啮合印痕是否正常，以确定选择的垫片是否能保证主、被动齿啮合良好，否则应反复试装进行调整。这些方法过程繁琐，效率低下，不适应汽车行业的发展。本课题就是要解决这个问题。1.3装配的概念根据规定的技术要求，将零件或部件进行配合和连接，使之成为半成品或成品的过程，称为装配。机器的装配是机器制造过程中最后一个环节，它包括装配、调整、检验和试验等工序。机器的结构越复杂，精度要求越高，则装配工艺过程也越复杂，工作量也越大6。机器质量最终是通过装配保证的，装配质量在很大程度上决定了机器的最终质量，装配工艺过程在机械制造中占有十分重要的地位。而确定一个零件是否合格尚需通过相关检测才能做出判断，对于大批量的零件生产，一个高效率、高度自动化的检测设备是必不可少的。可见，在生产中检测设施的工作性能、效率、以及自动化程度对生产的影响也是很大的。因此，装配尺寸自动检测仪的设计也因得到高度重视4。1.3.1装配系统图在装配工艺规程中，常用装配工艺系统图表示零件、部件的装配流程和零、部件间相互装配关系。在装配工艺系统图上，每一个单元用一个长方形框表示，标明零件、套间、组件和部件的名称、编号及数量。图1.1、1.2、1.3分别给出了组装、部装和总装的装配工艺系统图，如图所示7。图1.1 组件装配工艺系统图图1.2 部件装配工艺系统图图1.3 总体装配工艺系统图1.3.2装配精度与装配尺寸链在根据机器的装配精度要求来设计机器零部件尺寸及其精度时，必须考虑装配方法的影响，装配方法不同，解算装配尺寸链的方法截然不同，所得结果差异甚大。对于某一给定的机器结构，设计师可以根据装配精度要求和所采用的装配方法，通过解算装配尺寸链相关数据来确定零部件有关尺寸的精度等级和极限偏差12。1.4装配的组织形式装配的组织形式与被装配产品的尺寸、精度和生产批量有关。不同的组织形式用不同的生产条件12。1.4.1不同生产规模下装配工作的特点装配的组织形式主要是随生产规模的不同而有所差异。不同的生产规模有各自装配工作的特点18：（1）单件小批量生产 同一类品种的生产缺乏连续性和稳定性，品种多又无重复性。手工操作的各工序都不固定在一定的台位上进行，工作台位很少专业化，装配对象固定不动。（2）成批生产 生产品种规格有限，产品周期的变换在一定的时期内重复，但又不是长期重复。是常用的一种生产模式，装配工人有时在工作中实现专业化。（3）大批量生产 由于产品稳定，主要产品连续生产。每个工位固定着一定形式的装配工作，采用装配对象从一个工位向另一个工位传递的移动方式装配14。1.4.2确定装配的自动化程度时，一般应考虑一下因素（1） 产品生产批量和品种批量，零部件的通用化，标准化程度；（2） 需求市场的稳定性和产品的生存期；（3） 产品的生产率和产品的生存期；（4） 装配工作的精度要求和复杂程度；（5） 零部件的制造质量和稳定性；（6） 装配的劳动条件，劳动量和劳动强度；（7） 技术上的可靠性；（8） 投资上的经济效果15。1.5装配方法 一台机器所能达到的装配精度既与零部件的加工质量有关，还与所采用的装配方法有关16。生产中有四种保证装配精度的装配方法，现分述如下： 1.5.1互换装配法采用互换装配法时，被装配的每一个零件不需做任何挑选、修配和调整就能达到规定的装配精度要求。用互换法装配，其装配精度主要取决于零件的制造精度。根据零件的互换程度，互换法装配可分为完全互换法装配和统计互换法装配，现分述如1）. 完全互换装配法采用完全互换法装配时，应用机械制造技术基础书中公式（5-9）至（5-15）所表示极值法计算装配尺寸链。完全互换装配的优点是：（1） 装配质量稳定可靠；（2） 装配过程简单，装配效率高；（3） 易于实现自动装配；（4） 产品维修方便。 不足之处是：当装配精度要求较高时，尤其是在组成环数较多，组成环的制造公差规定的较严，零件制造困难，加工成本高。所以，完全互换装配法适于在成批生产、大量生产中装配那些组成环数较少或组成环数虽然多，但装配精度要求不高的机器结构。2）. 统计互换装配法用完全互换法装配，装配过程虽然简单，但它是根据增环、减环同时出现极值情况来建立封闭环与组成环之间的尺寸关系的，由于组成环分得的制造公差过小常使零件加工产生困难。实际上，在一个稳定的工艺系统中进行成批生产和大量生产时，零件尺寸出现极值的可能性极小；在装配时由于随机拿取的可装配零件制造误差的大小是各自独立发生的随机数，所有增环同时接近最大（或最小），而所有减环又同时接近最小（或最大）的可能性极小，实际上可以忽略不计。完全互换法以提高零件加工精度为代价来换取完全互换装配有时是不经济的。互换装配法又称不完全互换装配法，其实质是将组成环的制造公差适当放大，使零件加工容易，这会使极少数产品的装配精度超出规定的要求，但这种事件是小概率事件，很少发生，从总的经济效果分析，仍然是经济可行的。统计互换装配法的优点是:（1）扩大了组成环的制造公差，零件制造成本低；（2）装配过程简单，生产效率高。不足之处是：装配后有极少数产品达不到规定的装配精度要求，需采取另外的返修措施。统计互换装配法适用于大批大量生产中装配那些装配精度要求较高且组成环数又多的机器结构。1.5.2分组装配法在大批大量生产中，装配那些精度要求特别高同时又不便于采用调整装置的零部件，若用互换装配法装配，组成环的制造公差过小，加工很困难或很不经济，此时可以采用分组装配法装配。采用分组装配法装配时，组成环按加工经济精度制造，然后测量组成环的实际尺寸并按尺寸范围分成若干组，装配时被装零件按对应组号进行装配，达到装配精度要求。采用分组法装配最好能使两相配件的尺寸分布曲线具有完全相同的对称分布曲线，如果尺寸分布曲线不相同或不对称，则将造成各组相配零件数不等而不能完全配套，造成浪费。采用分组法装配时，零件的分组数不宜太多，否则会因零件测量、分类、保管、运输工作量的增大而使生产组织工作变得相当复杂。分组法装配的主要优点是：（1） 零件的制造精度不高，但却可过得很高的装配精度；（2） 组内零件可以互换，装配效率高。分组装配法适用于在大批大量生产中装配那些组成环数较少而装配精度又要求特别高的机器结构。1.5.3修配装配法在单件生产、小批量生产中装配那些装配公差要求高、组成环数又多的机器结构时，常用修配法装配。采用修配法装配时，各组成环均按该生产条件下经济可行得精度等级加工，装配时封闭环所积累的误差，势必会超出规定的装配精度要求；为了达到规定的装配精度，装配时必须修正装配尺寸链中某一组成环的尺寸。为减少修配工作量，应选择那些便于进行修配的组成环作修配环。在采用修配发装配时，要求修配环必须留有足够但又不是太大的修配量。修配装配法的主要优点是: 组成环均能以加工经济精度制造，但却可获得很高的装配精度。1.5.4调整装配法采用调整装配法时用改变调整件在机器结构中的相对位置或选用合适的调整来达到装配精度的装配方法，它有可动调整法、固定调整法、和误差调整法等三种7。机器质量最终是通过装配保证的，装配质量在很大程度上决定了机器的最终质量，装配工艺过程在机械制造中占有十分重要的地位，而学生对装配法的学习却属于抽象知识而不能得到深刻理解和掌握。此装配尺寸自动检测装置的控制系统设计就是为了在学习课本以后重新回顾四种装配方法并对其中的调整装配法中的可动调整装配法和固定调整装配法加深认识。41第二章 设计原理2.1汽车工作原理 图2.1 汽车工作原理图汽车发动机的动力经离合器、变速器、传动轴，最后传送到驱动桥再左右分配给半轴驱动车轮，在这条动力传送途径上，驱动桥是最后一个总成，它的主要部件是减速器和差速器。减速器的作用就是减速增矩，这个功能完全靠齿轮与齿轮之间的啮合完成【10】。2.2汽车差速器图2.2 汽车后桥差速器1-轴承；2-左外壳；3-垫片；4-半轴齿轮；5-垫圈；6-行星齿轮；7-从动齿轮；8-右外壳；9-十字轴；10-螺栓1）、差速器(简称DIF)对汽车来说非常重要,没有DIF的车几乎没办法顺利转向,所以第一辆汽车就有DIF。汽车差速器是驱动轿的主件。它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。2）、工作原理汽车在拐弯时车轮的轨线是圆弧，如果汽车向左转弯，圆弧的中心点在左侧，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。 如果后轮轴做成一个整体，就无法做到两侧轮子的转速差异，也就是做不到自动调整普通差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）17。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速减小，外侧轮转速增加当转弯时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑转的现象，两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异【11】。2.3汽车后桥差速器检测原理装配尺寸自动检测仪检测对象是1046轻型车差减速器的，要求能够在流水生产线上自动检测差速器壳体装配尺寸，根据所检测出的尺寸选择垫片。因而检测装置的设计目的就是针对差减速器总成装配时用到的可动调整装配法和固定装配法进行检测。针对差速器的总成的装配特点，主要是对采用固定调整装配法进行装配检测。因而检测仪所要实现的两个主要功能是在其上可应用固定调整装配法知识进行检测并选择垫片。用固定装配法进行装配时，必须知道装配调整环的尺寸，也就是差速器装配过程中垫片厚度与数量的选择。2.4同类或相仿零件的检测原理与方法1）汽车后桥中差速器壳尺寸及形位误差检测设备如图2.3该测量仪是检测汽车后桥中差速器壳（分A、B壳）尺寸及形位误差的专用检测设备。它与高档工业控制微机测量系统（选用进口工业控制微型计算机）配套使用，具有高精度、高效率，微机处理数据，屏幕显示并自动打印结果等特点。图2.3 汽车后桥中差速器壳尺寸及形位误差检测设备2）牙嵌式自由轮差速器的检测方法1、牙嵌式自由轮差速器结构及原理牙嵌式自由轮差速器由以十字轴两侧完全对称的部件组成，包括十字轴组件、驱动离合器组件、弹簧、弹簧保持器、边齿轮等。其中十字轴组件由中心环和十字轴组成；驱动离合器组件由驱动离合器、外推环等组成，见图2.2。当车辆向前或向后直行时驱动离合器组件与十字轴组件处于啮合状态（嵌入），两侧轮子以同一转速转动，如果其中某一侧轮子打滑或悬空，另一侧轮子仍能牵引车辆继续行驶。图2.4 十字轴左侧组成示意图1、边齿轮； 2、驱动离合器组件； 3、十字轴组件； 4、弹簧保持器； 5、弹簧2、检测方法先在A、B两根轴上沿顺时针方向同时加力，但不致轴发生转动，然后进行下列步骤。（1）A轴顺时针加力，B轴逆时针加力，在听到差速器内发出轻微响声后，B轴如能自由转动，表明十字轴组件与B侧驱动离合器已分离，此时为正常；图2.5 差速器检测工装（2）A轴顺时针加力，B轴也顺时针加力，听到差速器内发出轻微响声后，B轴不能再转动，表明十字轴组件与B侧驱动离合器已啮合，此时即为正常；在进行步骤（1）和（2）时，要注意确保A轴受力，如B轴不出现（1）、（2）所述的运动状况，则说明差速器B侧修理或装配有问题，需打开检查。（3）B轴顺时针加力，A轴逆时针加力，在听到差速器内轻微的响声后，A轴能自由转动，表明十字轴组件与A侧驱动离合器已分离，此时即为正常；（4）B轴顺时针加力，A轴也顺时针加力，在听到差速器内轻微的响声后，A轴不能再转动，表明十字轴组件与A侧驱动离合器已啮合，此时即为正常。在进行步骤（3）和（4）时，要注意确保B轴受力。如A轴不出现（3）、（4）所述的运动状况，则说明差速器A侧修理或装配有问题，需打开检查。在A、B两根轴上沿逆时针方向同时加力，但不致轴转动，重复。2.5后桥差速器装配尺寸链垫片厚度尺寸环是尺寸链的封闭环。垫片的选择要求最薄垫片的厚度为A0尺寸的精度。而垫片最小厚度为0.05mm ，所以A0尺寸精度高于0.05mm。由图尺寸链知相关组成环包括大小向心圆锥滚子、轴承厚度及其内圈厚度、套筒长度、壳体内两轴承被限位壁之间的距离尺寸和主动锥齿轮中心距。如下图2.6所示，有两处要进行垫片选择：一处在主动锥齿轮锥背处，调节锥齿轮的轴向位移以使其与从动锥齿轮更好啮合；另一处在大圆锥磙子轴承与套筒相接处，用于调节轴承的预紧刚度、强度。第一处在测出大轴承限位壁到从动锥齿轮中心线距离和大轴承厚度以及主动锥齿轮中心距就可得出垫片厚度.第二处需要测出大小轴承厚度及其内圈厚度及套筒长度。需要测定的尺寸集中在壳体、大小轴承、套筒和主动锥齿轮上，按测量性质进行分类：壳体尺寸（内部尺寸）、轴套尺寸（外部尺寸）和主动锥齿轮（间接测量）。图2.6 汽车后桥差速器检测尺寸链示意图1）测量出所装配的差速器零件的实际尺寸A1、A2、A3、A4、A5、A6、B1、B2、B3。 2）按图2-3所示两个尺寸链计算出能够保证要求的调整环尺寸Ak、Bk。Akmax= A1+ A2+ A3- A4- A5- A6- A0minAkmin= A1+ A2+ A3- A4- A5- A6- A0maxBkmax= B1- B2- B3- B0minBkmin= B1- B2- B3- B0max 3)将不同厚度的垫片组合成Ak、Bk，然后进行装配。第三章 制定方案及总体设计3.1装配尺寸自动检测仪方案选择由于汽车后桥差速器的特点以及其重要性，且采用固定调整装配法来保证装配精度。又针对设计的要求：1）自动化2）精度0.01mm 3）自动化控制对差速器壳体检测做出如下几套方案：方案一： 1）采用电机作为动力装置 2）采用齿轮减速器 3）采用丝杠螺母机械传动4）差动变压器式高精度位移传感器5）固定位置柜台式检测方案二： 1）采用气压马达作为动力装置 2）采用特定气缸19作为执行元件 3）差动变压器式高精度位移传感器 4）运用随行夹具跟随壳体检测 5）悬臂式流水线上自行检测仪针对上面两种方案，在考虑都能实现上述功能的前提下：方案一由于电机工作时必须长时间无间断工作，齿轮减速器在这种情况下发热量大，消耗能量多，且机械装置润滑较为复杂，安装不方便。方案二可以顺利解决方案一的问题，且更易于实现自动化和计算机控制。因此方案二更合适。3.2总体设计3.2.1检测部分（1）定位部分设计对壳体的测量需要一个基准，由于壳体外表面尺寸加工精度较高的仅有壳体的止口和耳孔，所以利用止口和耳孔定位。由于差动变压器式高精度位移传感器触头必须深入壳体内部，则测量时必须保持壳体内主动锥齿轮轴线平行。可采用止口及耳孔限制壳体在水平方向上的移动和沿水平方向轴的转动。而如何保持壳体水平则需要利用止口与垂直的定位板来实现。 图3.1 定位板剖视图 图3.2 定位机构的俯视图图3.3 定位机构向视图（2）检测部分设计由于圆形止口中心线与耳孔中心线及从动锥齿轮中心线重合，测量时可作为基准。测量A2和B1时要求探测头从三个方向伸入，采用在壳体大端两个探测头检测B1相对尺寸，另一探头从小端深入即可，并且在到达指定检测位置后能够固定。采用从壳体两端伸入探测头，可减少探测头伸入长度以提高测量精度。图3.4 检测汽缸简图（3）夹紧部分设计被检测件（壳体）在检测位置是处于水平的，根据壳体的特点及检测时所需夹紧力较小，可选用气缸作为夹紧器件。 图3.5 夹紧汽缸4）检测完成回位装置 检测完成后只需较小力便可实现回位功能，在考虑易于实现自动化及计算机控制等前提下，采用气缸机构作为回位装置较为合理。3.2.2随行夹具部分1）定位夹紧部分设计根据壳体的前后端皆为圆形面，可用两个V型块定位，由定位原理可知为限制剩余的自由度可采用两个定位销定位壳体环行面。2）随行部分设计 对沿流水线作业的随行夹具，为能实现作业，在夹具底部设计滚轮，支撑采用轮槽，检测时夹具随壳体一起上升，壳体夹紧定位时夹具与壳体产生水平方向位移。图3.6 随行夹具（3）随行夹具行动机构采用链条循环推动机构，链条带拖动板在滚槽底部循环运动，当随行夹具运动到一定位置时拖动板便可推动夹具运动。 （4）抬起检测机构运用液压夹紧及导向机构在随行夹具被链条拖动机构带到检测位置时装置运作进行相应的工作。图3.7 抬起检测机构第四章 机械结构设计及零部件选择4.具体结构设计4.1气缸移动结构设计 1）检测气缸移动结构设计及检测汽缸的选用由于检测要求的精度较高，在使用气缸作为检测执行机构时，考虑到气缸的特殊性，且气缸要作为传感器承载件，在气缸结构部分设计时可采用气缸活塞杆不动，气缸体带动传感器移动检测的方式来实现。这样可使传感器易于安装且检测精度可以提高。移动部分要求精度高，且根据气缸的特殊性，考虑采用燕尾槽结构连接支撑气缸件和气缸。这样的机构移动精度能满足要求。根据功能及结构的要求，选择Rexroth bosch Group公司生产的PRA系列气缸，内径具体尺寸如图：表4.1 汽缸系列表图4.1 汽缸主要尺寸根据要求选择检测汽缸头部检测汽缸：D=29 L=55 =8 M=6 型号R480040989;中间检测汽缸：D=46 L=146 =16 M=14 型号R480147972;尾部检测汽缸：D=33 L=72 =10 M=8 型号R480040989。其中D汽缸尺寸、L为汽缸行程、为活塞杆直径、M活塞杆外螺纹直径。2）夹紧及回位气缸移动结构设计及选用夹紧和回位气缸要求不像检测气缸要求的高精度，只要能实现功能便可，因此气缸安装可采用普通安装模式。为了加大接触面积，可以在活塞杆前端安装一个面积适当的物块，易于实现功能。图4.2 汽缸夹紧状态图4.3 回位气缸回位状态（1）夹紧汽缸的选用因为为夹紧汽缸在水平线上器固定作用，要保证精度不可使用过大的预紧力。根据尺寸汽缸尺寸D36，行程S=70，选择Rexroth bosch Group公司生产公司生产的kpz系列汽缸822390008。图4.4 夹紧汽缸参数图4.5 夹紧汽缸系列（2）回位气缸的选用因为回位汽缸要实现检测完回位功能，因此也不要求太大的作用力。为了方便实现计算机控制要求因此和夹紧汽缸同系列汽缸，外形尺寸上外径D=34,行程S=65，根据上图选择型号08223902084.2检测气缸活塞杆固定件结构设计检测气缸采用活塞杆不动，缸体运动的特点，活塞杆端有螺纹，固可采用螺纹联结将活塞杆固定住。考虑到仪器的安装问题，气缸在安装到燕尾槽上之后不方便转动，因此采用一个小型带有螺纹且能自由转动的小部件，使得气缸能被顺利的固定好。而这个小部件同样可以被固定在支撑气缸的支撑板上。如图所示：图4.6 活塞杆固定机构4.3随行夹具检测时横向移动机构设计随行夹具在壳体未检测时装载壳体随流水作业线作业，在运动到检测位置时，被液压夹紧抬起机构抬起后进入检测定位时要有一个横向相对位移，由于位移量相对较小，可采用燕尾槽长槽块固定在检测位置，随行夹具运行到检测位置后，随行夹具上燕尾和燕尾槽块正好配合，液压夹紧抬起机构夹紧燕尾槽块上升进入检测位置，这样在检测定位夹紧时横向位移可由燕尾槽来提供，且燕尾槽精度较高，可满足检测精度要求。在检测完成后，为了使回位较为准确，在底部可以设置几个定位销，使回位再检测准确定位。结构如图所示：图4.7 随行夹具横向移动机构链条循环推动机构，链条带拖动板在滚槽底部循环运动，当随行夹具运动到一定位置时拖动板便可推动夹具运动。链传动机构的传动链：电机减速器链传动轴承其中各级机械效率以为是个模拟范围所以通过查询机械手册估得：减速器机械效率：n1= 95%链传动的机械效率：n2=95%抬起机构传动轮轴承：n3=0.97%因为是链条拖动拖动板在滚槽底部循环运动，因为抬起机构以及差速器的主要材料为灰铸铁ht200密度7t/m3体积大概为0.0435 m3，故重力大概为G=pvg=3045N. (4.1)设链条循环机构速度V=0.2m/s滚动摩擦因数：=0.005电机功率计算：P=FV/n1/n2/n3=30450.295%95%97%0.7kw (4.2)根据机械手册差得查询的电机型号为：Y96L-64.4液压夹紧抬起机构液压缸的选择当夹紧及导向机构在随行夹具被链条拖动机构带到检测位置时装置运作进行相应的工作。液压缸缸径D=80mm,液压缸活塞缸d=25mm,行程L=200mm液压缸的载荷为F4KN根据机械手册查得选用标准液压缸系列型号：CD250C40/20-200A10/01CADMT4.5止口定位件及气缸支撑件设计气缸支撑件可以有很多种形式，例如。利用杆状或者板状都可以。但考虑到精度和刚度方面问题，采用支撑板系统的刚性较好，检测精度相应的也较高，联结可采用螺纹联结装置。第五章 控制系统设计及控制元件选择5.1控制系统总体设计5.1.1 控制系统的总体结构随着计算机技术的发展，单片机技术已经成为计算机技术中的一个独立分支，单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中起着极其重要的作用。而本设计的测量控制系统就是用单片机作为控制系统，以实现自动化控制。单片机的基本组成CPU、ROM/RAM、I/O接口、实时控制器件。本设计控制系统硬件接口机构简图如图5-1所示图5.1 控制系统硬件机构简图5.1.2 MCS-51单片机引脚及8031总线结构和引脚功能一、MCS-51系列单片机包括8031、8051、8751等。其中8051、8751是片内自身集成4KROM或EPROM的单片机，一般来说，用户选用8051或8751的目的是不再用再扩展EPROM，否则会失去选用8051或8071的优越性。但考虑到成本及实用性8031也可通过外部扩展EPROM，因此本控制系统设计选用8031作为单片机控制系统CPU。具体管脚如图5-1所示。图5.2 MCS-51系列单片机管脚图MCS单片机都采用40引脚的双列直插封装方式。图5.1为引脚排列图， 40条引脚说明如下：1、主电源引脚Vss和Vcc Vss接地 Vcc正常操作时为+5伏电源2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/，和/Vpp RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。 ALE/ 正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。 对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（功能） 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。同样可以驱动八LSTTL输入。 /Vpp 、 /Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当/Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。4、输入/输出引脚P0.0 - P0.7，P1.0 - P1.7，P2.0 - P2.7，P3.0 - P3.7。 P0口（P0.0 - P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。 P1口（P1.0 - P1.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。 P2口（P2.0 - P2.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。 P3口（P3.0 - P3.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。P3口还用于第二功能请参看表2-1MCS-51扩展的三总线结构如图5.3：图5.3 MCS-51外部三总线示意图图5.4 8031 引脚功能分类二、地址锁存器用于单片机地址所存器有两类芯片：一类是8D触发器，如74LS273；另一类是8位锁存器，如74LS373、8282等。图5.3是本设计用到的8位锁存器74LS373，其管脚图及结构原理如图所示：图5.5 74LS373引脚图及结构原理(a)引脚图;(b)结构原理由图5.5中（a）可知，1D-8D为数据输入端，接P0口；1Q-8Q为数据输出端，作为地址总线低8位输出。OE：三态门控端。OE=0时，允许Q端输出；OE=1时，三态门关闭，输出Q对外呈高阻状态。作为地址所存器时，OE=0（接地），三态门一直开通，用户只控制G端。G：锁存允许控制端。当G输入1时，输入1D8D和输出1Q8Q状态相同；当G端从1返回到0时，1D-8D上的数据被所存，此时锁存器的输入端是高阻状态，输出端为锁存输入的地址数据。5.2单片机外部总线的扩展单片机中虽然已经集成了CPU、ROM/RAM、I/O接口、定时器、中断系统、存储器等计算机的基本部件（即系统资源），但是对一些较复杂应用系统来说,有时感到以上资源中的一种或几种不够用，这就需要在单片机芯片外加相应的芯片、电路，使得有关功能得以扩充，得以实现我我们控制的目的，我们称为系统扩展（即系统资源的扩充）。系统扩展和接口技术一般有以下几方面内容：1.外部总线的扩展2.外部存储器的扩展3.输入、输出接口的扩展4.管理功能部件（如定时/计数器、键盘/显示器等）的扩展5.A/D和D/A的接口技术MCS51系列单片机数据存储器和程序存储器的地址空间是相互独立的。MCS51系列单片机具有64K的程序存储器寻址空间和64K的片外数据存储器寻址空间。如果系统需要用到的存储器超过了单片机本身具有的容量，就要进行片外程序存储器或者数据存储器的扩展。 5.2.1外部程序储存器的扩展1、程序存储器的扩展要解决的几个问题：（1）程序存储器的作用 存放程序代码或常数表格（2）扩展时所用芯片 一般用只读型存储器芯片（可以是EPROM、E2PROM、 FLASH芯片等）。（3）扩展电路连接 用EPROM 2716、2732、2764等扩展程序存储器。（4）存储器地址分析单片机输出什么地址值时，可以指向存储器中的某一单元。2、 外部程序存储器ROM的扩展原理与时序分析 MCS - 51 单片机程序存储器的扩展原理及时序分析如图5.6和图5.7 图5.6 MCS - 51 单片机程序存储器的扩展原理图5.7 读外部程序ROM时序3、EPROM扩展芯片2764 外部程序存储器2764紫外线可擦除存储器，存储量为8位*8K。通过电写入程序，并固化。外围28芯双列式直插。他的管脚图如图5.8所示图5.8 EPROM2764管脚引线 他的28条引脚中：A0-A7为地址线，D0-D7为数据线，CE为片选线，OE为数据输出选通线，VPP为编程电源，VCC为主电源。他与CPU8031的硬件接口如图5.9所示：图5.9 8031与2764的硬件接口5.2.2外部数据储存器的扩展1、MCS-51单片机外部数据存储器的扩展方法及时序如图5.10和图5.11所示图5.10 MCS-51 数据存储器的扩展示意图图5.11 读外部数据RAM时序2、 静态RAM芯片6264 6264是8K*8位静态随机存储器芯片，采用COMS工艺制造，单一+5V供电，额定功耗200mW，典型存取时间200ns，28双列直插式封装。其管脚图如图5.12所示图5.12 6264管脚图他的28条引脚中：A0-A12为地址线，I/O0-I/O7为数据线，CE、CE1为片选线，OE为输出选使能，WE为写入使能，VCC、GND为电源。他与CPU8031的硬件接口如图5.13所示：图5.13 8031与EPROM6264的硬件接口6264的8 KB地址范围不唯一（因为A14A13可为任意值）, 6000H7FFFH是一种地址范围。当向该片6000H单元写一个数据DATA时, 可用如下指令: MOV A, DATA MOV DPTA, 6000H MOVX DPTR, A从7FFFH单元读一个数据时, 可用如下指令: MOV DPTR, 7FFFH MOVX A, DPTR 5.2.3 8255可编程并行I/O接口扩展8255具有 3 个 8 位并行I/O口, 称为PA口、 PB口和PC口。 其中PC口又分为高 4 位和低 4 位, 通过控制字设定可以选择三种工作方式: 基本输入/输出; 选通输入/输出; PA口为双向总线。 8255管脚图如5.14所示：图5.14 8255管脚脚线图8255引脚功能说明： RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。 PA0PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。 PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。 CS:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯。 RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。 WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写8255。 D0D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。其具体管脚功能图如图5.15所示图5.15 8255管脚功能图5.2.4人机联系接口技术对于一个以单片机为核心构成的应用系统，经常使用简单的键盘和显示器完成信息的输入/输出操作。数据、命令和指令机器码都可以通过键盘输入。最简单的显示器是发光二极管，LED。将几个LED显示器组合起来可以显示数据、地址、标志。可以完成人机联系的对话功能。人机联系设备的大小和单片机应用系统的类型、用途有关。如智能仪器仪表、实时控制系统、数据采集系统的等等。本系统在8031外部扩展8279外接俩个74LS138芯片译码，使系统能同时完成键盘和显示器两种控制功能。74LS138与8279管脚图如图5.16和图5.17所示：图5.16 74LS138管脚图1、译码器译码器是将输入的二进制代码翻译成相应的输出信号以表示编码时所赋予原意的电路。常用的集成译码器、二十进制译码器和BCD7段译码器。74LS138是一种常用的二进制译码器，通常用作地址译码，它有3个输入端A、B、C接受二进制编码，输出端Y0Y7共8条译码输出线，其引脚如图3-1所示。其中，G1、G2A受二进制编码，输出端Y0Y7Y共8条译码输出线，其引脚如图5.16所示。其中，G1、G2A、G2B为3个控制器，只有当G1为“1”且G2A、G2B都为“0”时译码器才能进行译码输出，否则译码器的8个输出全部为高阻状态。具体使用时，G1、G2A、G2B、既可直接接+5V(电源端)或接地，也可以参与地址译码，但其关系必须为100。需要时也可以通过反相器使信号满足要求。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。2、8279可编程设置型键盘/显示器图5.17 8279管脚图1）8279特点(1)可同时进行键盘扫描及文字显示；(2)键盘扫描模式(Scanned Keyboard Mode)；(3)传感器扫描模式(Scanned Sensor Mode)；(4)激发输入模式(Strobe Input Entry Mode)；(5)8乘8键盘FIFO(先进先出)；(6)具有接点消除抖动，2键锁定及N键依此读出模式；(7)双排8位数或双排16位数的显示器；(8)右边进入或左边进入。16位字节显示存储器。2）8279引脚说明DB0DB7：双向数据总线。在CPU与8279间做数据与命令传送。CLK：8279的系统时钟，100Hz为最佳选择。RESET：复位输入线。输入HI时可复位8279。CS：芯片选择信号线。当这个输入引脚为低电平时，可将命令写入8279或读取8279的数据。A0：缓冲器地址选择线。A0=0时，读写一般数据；A0=1时，读取状态标志位或写入命令。RD：读取控制线。RD=0时，8279输送数据到外部总线。WR：写入控制线。WR=0时，8279从外部总线接收数据。IRQ：中断请求。平常IRQ为LO，在键盘模式下，每次读取FIFO/SENSOR RAM的数据时，IRQ变为HI，读取后转为LO；在传感器模式下，只要传感器一有变化，就会使IRQ变为HI，读取后转为LO。SL0SL3：扫描按键开关或传感器矩阵及显示器，可以是编码模式(16对1)或解码模式(4对1)。RL0RL7：键盘/传感器的返回线。无按键被按时，返回线为HI；有按键被按时，该按键的返回线为LO。在激发输入模式时，为8位的数据输入。SHIFT：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与其它按键的状态一同储存(在BIT6)，内部有上拉电阻，未按时为HI，按时为LO。CNTL/STB：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与SHIFT以及其它按键的状态同一储存，内部有上拉电阻，未按时为HI，按时为LO。在激发输入模式时，作为返回线8位数据的使能引脚。OUTA0OUTA3：动态扫描显示的输出口(高4位)。OUTB0OUTB3：动态扫描显示的输出口(低4位)。BD：消隐输出线。3）8279与单机片的硬件接口（如图5.18）及应用程序设计图5.18 8031与8279接口连接框图（1）硬件设计采用8行*4列=32个键盘。数字键为0-9，命令键采用A、B、C、D、E、F。双键互锁。键值与键号相同：00H-3BH。显示器采用8位8段LED，编码扫描（8中取1）。8279的B0-B3依次连接显示器段选端a、b、c、d；A4-A3依次连接显示器e、f、g、dp段。这样可保证显示器所需要的选段选码表相一致。电路如图5-13所示。在图6-86中，SL2SL0经3-8译码器输出作为LED显示器的位选码，同时Y0、Y作为键盘行扫描输出线。键盘与CPU采用中断方式交换信息。CNTL、SHIFI接地，这是进入FIFORAM的键值高2位（D6D7）为0。8279的A0连接8031的P0.0;CS连接P2.7。因此，CPU分配给8279的命令字、状态字口地址为7FFFH;数据输入/输出口地址为7FFEH。8031采用12MHz时钟，ALE=2MHz，连接8279的CLK端，经过20分钟后，得100kHz时钟作为8279片内时钟。（2）软件设计软件程序包括；8279初始化程序。清楚命令字。本命令码为D1H,D7D6D5=110为特征；D4=1为清除显示有效。D4=1为全清，包括:显示RAM、显示器熄灭。设置显示器/键盘工作方式字。本命令子吗为00H。选择8为LED显示器，左入口、双键互锁。时钟编程命令字。由ALE输入到CLK端为2MHz，则分频系数为N=2MHz/100kHz=20,因此本命令字为24H。允许INTo中断。根据上述分析，8279初始化程序框图如图5.19所示。图5.19 8279初始化程序图8279键盘中断程序。若操作员有按键则键值自动进入中断程序中，CPU先向8279写入读FIFO RAM命令字40H，再读出键值送A中。中断返回后执行键盘分类程序。8279键盘中断程序框图如图6-88所示。图5.3 8279键盘中断程序框图8279显示子程序。8279显示子程序包括：1）写显示RAM命令字90H；2）取待显示数据转换为段选码写入8279显示RAM中;3)一次写入8个待显示数据计数器等。程序框图如图6-89所示图5.4 显示字程序框图5.3传感器的选择根据检测的特点及检测精度的要求，选用差动变压器式高精度位移传感器方便有效。1、工作原理LVDT位移传感器由同心分布在线圈骨架上一初级线圈P，二个级线圈S1和S2组成，线圈组件内有一个可自由移动的杆装磁芯（铁芯），当铁芯在线圈内移动时，改变了空间的磁场分布，从而改变了初次级线圈之间的互感量M，当初级线圈供给一定频率的交变电压时，次级线圈就产生了感应电动势，随着铁芯的位置不同，次级产生的感应电动势也不同，这样，就将铁芯的位移量变成了电压信号输出。为了提高传感器灵敏度改善线性度，实际工作时是将两个次级线圈反串接，故两个次级线圈电压极性相反，于是，传感器的输出是两个次级线圈电压之差，其电压差值与位移量成线性关系。原理图如下：图5.5 LVDT位移传感器原理图2、外形图及尺寸图电缆 线夹测头测杆导向壳 体 传感器外型示意图图5.6 传感器外型示意图3、用途及特点差动变压器式（LVDT）位移传感器具有良好的环境适应性、使用寿命长、灵敏度和分辨率高的特点。使用时只要把LVDT的壳体夹固在参照物上，其测杆顶（或夹固）在被测点上，就可以直接测量物体间的相对变位。广泛用于测量预先被变成位移的各种物理量。把LVDT的电测线路采用微电子技术全部封装入LVDT的壳体内。输入电压9V15V，输出信号5V或05V或010V或420mA的信号，可与四位半数显表配合使用，该仪器便于携带和在无交流电源的环境中使用。DCLVDT具有较强的抗干扰能力，可在潮湿，大电流或强磁场等恶劣环境下工作，适宜遥测。4、使用注意事项传感器测杆应与被测物垂直接触。请别让活动的铁芯和测杆受大的侧向力而造成变形弯曲，否则会严重影响测杆的活动灵活性。传感器不可敲打、跌落
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