汽车踏板疲劳寿命试验台设计含3张CAD图
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摘要本次实验要求设计一个能应对各项性能参数一次检测完成的综合试验台。选用西门子公司的S7-200系列PLC为核心,运用传感器技术、光电检测技术、数据采集技术等,通过试验的方式进行采集一系列的数据并且进行处理计算,从而对汽车踏板装置的疲劳寿命做出准确的计算。本文是根据据由中华人民共和国机械工业部制定的汽车行业部标准: QC/T788- 2007(汽车踏板装置性能要求及台架实验方法)的相关规定,对试验过程进行控制与参数监测,并记录试验数据进行大量研究、设计、计算后撰写。在试验过程中,按照规定的踏板性能要求进行加载、并且能够显示实验数据。最大程度模拟真实车辆在运转过程中的真实工作环境,来对汽车踏板装置疲劳寿命进行分析。关键词: 汽车踏板 疲劳寿命 耐久性 位移 PLCIAbstractThis experiment requires the design of a comprehensive test-bed which can deal with the completion of one-time detection of various performance parameters. Siemens S7-200 series PLC is selected as the core, using sensor technology, photoelectric detection technology, data collection technology, etc. to collect a series of data and process the calculation through the test, so as to make accurate calculation of the fatigue life of the automobile pedal device. This paper is based on the relevant provisions of the standards of the Ministry of automobile industry of the peoples Republic of China: QC / t788-2007 (performance requirements of automobile pedal device and bench test method), which are formulated by the Ministry of machinery industry of the peoples Republic of China, to control and monitor the parameters of the test process, and to record the test data for large-scale research, design and calculation before writing.During the test, load according to the specified pedal performance requirements and display the test data. To simulate the real working environment of the real vehicle in the process of operation to the greatest extent, to analyze the fatigue life of the automobile pedal device. Key Word: Automobile Pedal; fatigue life ; durability test; displacement test; PLCII 目录摘要IAbstractII目录III第1章 绪 论11.1研究的目的11.2国内外研究现状11.3研究的主要内容2第2章 系统简介及方案论证32.1系统设计的主要技术指标32.2试验方法32.2.1纵向位移32.2.2侧向位移32.2.3刚度32.2.4强度32.2.5耐久性32.3设计方案的论证3第3章 系统的硬件设计63.1台架的设计63.2台架固定装置设计63.2.1固定装置的整体设计63.2.2气缸的选择83.3执行机构设计93.4动力装置选择103.5检测装置选择113.5.1位移传感器选择113.5.2光电传感器选择113.5.3限位开关选择133.6 显示方案设计13第4章 控制系统设计154.1 PLC选型154.1.1 I/O点估算154.1.2用户存储量估算154.1.3本系统PLC配置164.2驱动电路设计16第5章 系统的程序设计195.1主程序设计195.2子程序设计215.2.1加载子程序设计215.2.2步进电机控制程序设计22第6章 工程定额概算236.1 经济成本预算236.2项目管理方面236.3环境和可持续发展方面24结论25参考文献26致 谢27附 录28 IV 第1章 绪 论1.1研究的目的汽车已经成为人们生活中必不可少的出行工具,中国的车辆购买也在逐年增加,根据数据显示,中国人口众多,对汽车的市场需求量未来也应是世界最大的接受量。而汽车的行驶过程中刹车系统是司机对路况处理的最直接有效的表达。所以汽车的刹车制动是否安全直接与汽车行驶事故率挂钩,也就与我们的人身安全息息相关。汽车踏板使用时间过长难免会导致刹车制动疲劳寿命受损,汽车踏板疲劳寿命的检查就显得十分重要。据记载,约有80%以上的零件是由于疲劳引起的,其中大多数是突然断裂。随着现代机械向高速和大型化方向发展,许多零部件再高温、高压、重载和腐蚀的恶劣工况下运行,疲劳破坏事故更是层出不穷。为了避免汽车踏板因疲劳强度不足,在汽车行驶过程中出现踏板损坏、丧失使用性能,使汽车不能及时制动。因此为保障车辆行驶安全,需要对汽车的踏板做耐久性试验。针对踏板的疲劳寿命的检测,包括踏板的永久变形、耐久性等方面。如踏板耐久性试验台、踏板永久变形量检测实验台。这些都是对踏板寿命进行检测的实验装置。但由于它们都只针对一项指标进行检测,不能够满足同时对踏板各项指标的检测。如果对踏板进行综合性能检测,需要分别在多种实验台上进行实验,这不将实验变的很复杂,而且实验的成本也会大大提高。在不同实验台上进行试验还会由于装夹而引起实验误差,影响实验结果。本实验台设计主要为了实现能够在一次实验中同时完成耐久性、永久变形等指标的检测。通过控制系统控制实验台上台架的运动,及对加载过程的控制。不需要更换换实验台即可完成相应的检测,减少因踏板在不同实验台上的装夹误差引起的实验误差。1.2国内外研究现状田永福于2012年研究结果辨明:世界上早期汽车生产对汽车性能和质量把控并不是十分严格的。基本上一辆车的成产和投入使用基本都是人工检测,这种依靠人自身经验的测量方式并不能十分确保汽车的行驶制动安全。而随着汽车量产,各汽车公司都投入了专业的定制设备,这便使检测工作进入了第二个周期阶段,生产线批量化生产,以标准的机械化设备对零件的精度、尺寸进行科学化检测。不再是依靠人的主观来进行判断。不仅使检测工作变得精确,也减少了人工的工作强度。而随着计算机和电气化时代的来临,发达国家技术飞鼠发展,检测工作进入了第三阶段。检测设备不仅实现了声控、光控、电控,数据的采集也逐渐往自动化发展。利用全自动化设备高精尖稳定性,检测技术开始向前期设计阶段渗入。现阶段,大量检测试验台的应用,国外如德国大众公司已经实现十六通道的模拟试验台,在新产品的开发阶段,就可以介入分析各项指标,从而加快了新产品的开发进程,节约了设计成本,取得了经济和实用效益。魏加恩于2011年对我国汽车零部件检测技术进行相关研究发现,目前我国的汽车零部件检测技术呈现两极化状态,许多作坊式的家族企业,依然在沿用以人工检查为主,部分工具辅助的模式。部分国内规模化企业正在进行设备引进和技术引进,主动寻求科研单位同步研究,虽然也取得了极大的进步,但还较多地停留在大型科研所及国家级检测中心,与发达国家相比,在人员培养、设备应用率、数据标准共享上还有很大差距。图1-1 工作流程图1.3研究的主要内容本次实验设计选用西门子公司的S7-200系列PLC为核心,运用传感器技术、光电检测技术、数据采集技术等,设计一个能应对各项性能参数一次检测完成的综合试验台。本设计的预期目标是设计一套PLC控制系统,使该PLC系统实现对实验台的智能控制,能够调整实验台台架的位置、自动固定台架、按照规定的踏板性能要求进行加载、并且能够显示实验数据。本实验台主要有以下几部分构成:试验台架、传动系统、夹紧系统、位置检测系统、数据计算系统、动力系统、位移检测系统、显示系统。 根据踏板装置性能要求的规定,需要对踏板做位移、刚度、耐久性检验。根据实验要求的特点,可以将实验分为两大类。一类做耐久性试验,另一类做位移检测实验。通过控制系统控制台架在两部分实验之间运动实验开始后,在S7-200PLC控制下,实验台按照预先设计好的程序流程作业。对要求的性能参数进行加载检测,完成一项检测后,台架按程序转移到另一检测处。并对当前测试的参数进行加载检测。这次设计实现了多个参数一体检测,大大提高了效率,减小误差,也使实验过程简单,易于操作,可行性较高。第2章 系统简介及方案论证设计一套汽车踏板疲劳寿命试验台,要求满足 QC/T 788-2007 要求。 对试验过程进行控制与参数监测,并记录试验数据。通过模拟实际使用中可能遇到的使用环境,考核其设计制造质量。试验台实现自动计时和记数,并且该实验台拥有故障检测功能,在出现故障或者记录的次数与设定次数一样的情况,试验台会自动的停止工作并发出提示信息。主要技术参数: (1)纵向位移:对踏板施加50N的纵向力,其在这个方向的位移应该不超过2.0mm;(2)刚度:对踏板施加300N的纵向力,其在这个方向的位移需要不超过5.0mm;(3)抗扭性能:对踏板施加15N.m的扭转力时,踏板和其焊接的地方不能发生损坏; (4)强度:对踏板施加800N的纵向力时,踏板表面不可逆的变形量要不超过5.0mm,并且不能损坏; (5)耐久性:在耐久性试验进行的过程中,踏板的变形不能影响正常的使用,没有裂纹和其它不好的情况。在实验后,在50N的纵向作用力下,踏板在纵向方向的位移要小于4.0mm,在50N的侧向作用力下,其位移要小于6.0mm。2.1系统设计的主要技术指标 (1)外观:零件表面光洁,无裂痕、毛刺、划痕等缺陷;(2)工作灵活性:踏板能够正常的工作,且无异常的情况;(3)纵向位移:对踏板施加50N的纵向力,其在此方向的位移不超过2mm ;(4)刚度:对踏板施加300N的纵向力,其在此方向的位移不超过5mm ;(5)抗扭性能:对踏板施加15N.m的扭转力时,踏板和其焊接的地方不能发生损坏;(6)耐久性:在耐久性试验进行的过程中,踏板的变形不能影响正常的使用,没有裂纹和其它不好的情况。在实验后,在50N的纵向作用力下,踏板在纵向方向的位移不能大于4.0mm,在50N的侧向作用力下,其位移不能大于6.0mm;(7)强度:对踏板施加800N的纵向力时,踏板表面不可逆的变形量要不超过5.0mm,并且不能损坏。2.2试验方法2.2.1纵向位移按照实际的状态在家居上安装踏板机构的总成,并且将负载固定在踏板的输出端。将踏板臂在安装在踏板运动路线的中间位置。施加一纵向力,并让其垂直踏板的表面和通过踏板的中心,且持续10sde时间,以此来找到踏板的纵向位移测量点,在撤出此力,最后依据此点测出踏板在纵向方向的位移距离,即形变量(见图2-1)。图2-1 纵向位移示意图2.2.2侧向位移按实车的实际情况安装踏板装置。对踏板施加一平行于水平面,且通过踏板几何中心所在的位置,在预先确定的测量点测量踏板的水平位移(变形)量(见图2-2)。图2-2 横向位移示意图2.2.3刚度按实车状态固定安装踏板装置。对踏板施加一个持续1分钟,且垂直其表面和通过其几何中心的力,力的方向是纵向的。重复上过程4次,在开始第五次实验之前,首先找到踏板的纵向位移测量点,在对其施加一个持续1min的纵向力,并测量位移点移动的距离。2.2.4强度按实车规定安装固定踏板装置。首先找到踏板的纵向位移测量点,在对其施加一个持续1min的800N纵向力,并重复上述过程10次,然后测量其位移点移动的距离,即它的永久的变形量,并察看是否损坏。2.2.5耐久性按实车状态在家居上固定踏板装置,将模拟的负载固定在踏板的输出端。在对踏板施加一个垂直其表面和通过其几何中心的力P1,力的方向是纵向的,他的大小为0300N;加载次数为2.0*106次;加载频率为0.73.0Hz;加载行程为离合器踏板设计全行程的85%。2.3设计方案的论证我设计了在踏板上悬挂重物与弹簧两种模拟负载方法。实验中有耐久性检测,刚度检测,强度检测,位移检测几种实验方法,而这几种检测的方法及特点有所不同,耐久性检测需要进行多次重复实验以避免误差,而位移检测实验需要按参数施加不同的力。并保持一定的时间。如果两部分实验使用相同的检测实验装置,对实验装置损害极大,同是也影响实验准确度。所以为了使实验设计合理化,我初步设定将实验台分成两部分,一部分进行与横向位移,纵向位移相关的测试,另一部分做与耐久性相关的测试。位移检测部分需要按参数施加不同的力。并保持一定的时间。因此,为满足这样的要求,位移检测部分的加载采用气缸加载,并通过进气阀门调节气压来控制不同的加载力,通过控制电磁换向阀控制气缸的动作时间。耐久性检测部分需要在踏 板上做循环加载,如果用气缸加载,每次试验气缸需要动作上万次,气缸会有较大的磨损,而且气缸的动作频率也不能满足设计要求。考虑到以上问题,耐久性部分的加载可以采用曲柄滑块机构,将电机的转动转换成直线运动,不仅可以满足循环加载的要求,而且也可以通过控制传动比控制加载的频率。踏板的固定装置台架需要在实验台的两部分之间移动,以完成不同的检测过程。为实现台架的移动,采用步进电机控制抬台架的移动,实验台两侧采用行程开关限制台架的极限位置。第3章 系统的硬件设计3.1台架的设计台架是用于安装固定踏板的装置,需要承受加载踏板的力,所以台需要坚固稳定的结构。它的设计好坏对整个实验台使用有着重要影响。对踏板进行加载时,台架也受到力的作用,所以台架应具有稳定的结构。在实验过程中,台架所受冲击较小,台架材料可采用HT-200。为了使台架在实验台上能够左右移动,在台架地底部设置V型槽,使台架能够在电机的带动下沿着导轨移动。台架的表面加工出四处20mm*20mm*5mm的凹槽,用于对台架的夹紧。台架底部开一16mm*100mm的槽,便于让悬挂负载的钢索通过台架。结构如图3-1所示。图3-1台架结构示意图3.2台架固定装置设计3.2.1固定装置的整体设计根据参数要求,最大的加载力为800N,台架采用四处同时加紧的方案,每处加载力应该至少为200N。夹紧机构的动力源拟选择气缸或电机,同侧的压板需要同时动作,可以用一个气缸同时带动两个同侧的踏板动作。夹紧装置的结构示意图如图3-2和图3-3由于台架表面用于夹紧处是深5mm的凹槽,因此,当压板抬起后,应确保压板前端至少高于台架表面15mm,这才能保证压板不影响台架的运动。通过作图,画出压板的极限位置,如图3-4所示。图3-2 夹紧机构夹紧状态图图3-3 夹紧机构夹紧状态图图3-4 夹紧机构极限位置分析推杆的结构示意图如图3-5所示。左侧两端分别与实验台同侧的两个夹紧装置连接的C端相连,同时控制同侧压板的动作。推杆右侧与气缸相连接。气缸作用在推杆上的力至少为400N,由于推杆的结构特点,即推杆长度较长。并承受持久的加载力。要求推杆的要有足够的强度,所以推杆的材料选择图3-5 推杆结构图推杆上的载荷分布及弯矩图如图3-6所示,由弯矩图可知,在C处弯矩最大,最大弯矩为MC=200*0.08=16N*m。其惯性矩I=b3h/12=4.5*10-8 m4最大应力为t=MB*y/I=2.6MPa查阅相关资料,由计算可知,推杆的最大应力tt,故推杆的强度能够满足设计要求。图3-6 推杆载荷分布及弯矩示意图3.2.2气缸的选择气缸是将压缩气体的能量转化为机械能的机构,在选择气缸的时候,要根据负载的大小来选择气缸活塞的面积,如果选择的太小了,气缸的推力或拉力将不足,会造成装置无法正常的工作,但是选择的太大了,会造成浪费,并且增加了成本。因此,需要选择合适大小的气缸。下面是气缸理论出力的计算公式: F:气缸理论输出力(kgf) F:效率为85%时的输出力(kgf)(F=F85%) D:气缸缸径(mm) P:工作压力(kgf/cm2)在工程的实际应用中,可以依据所需的推力或拉力,从经验表中查找。缸筒内的活塞是需要沿着缸筒内壁做往复运动的,因此,缸筒的内壁要尽可能的光滑,以此来减少摩擦阻力使机械能所耗减少,从而增力,缸筒内臂表面的粗糙度至少达到Ra0.8um。对材质是钢管的缸筒,可以采用在其内壁度硬铬,来使其表面更加的光滑,以此减少它的磨损。使用空气作为气缸的工作介质,拥有工作速度快的优点,但是它的速度大小不容易被控制,而且在工作负载的变化很大的时候,它可能出现“爬行”或“自走”的情况。但是使用液压油作为气缸的工作介质,拥有速度大小容易控制的优点,但是它的反应速度会不如气缸,在工作负载的变化很大的时候,采用合适的办法,它不可能出现“爬行”或“自走”的情况,由图3-4可知夹紧机构的行程大小15mm,才能保证压板抬起的高度,因此,选择的气缸行程要大于15mm。3.3执行机构设计在耐久性试验中,由于需要连续加载50万次,所以对试验设备的耐久性、耐磨性等物理性能提出较高要求。不能采用直接加载的方式进行试验。为适应这种加载方式,可以采用由电动机带动曲柄滑块机构,将电动机的回转运动转换成滑块的直线往复运动。加载方式示意图如图3-7。图3-7加载机构示意图在位移检测试验中,要求踏板输出端固定,在踏板表面加载一定德力h,根据实验结果判断踏板是否满足性能要求。位移检测试验中的执行机构可以采用液压或气压系统。液压系统可以实现控制输出一定的加载力,并持续一定的时间。但液压系统需要独立的油箱、液压泵等。相比较而言,气压系统也可以完成以上动作,而且气压系统不需要油箱,使用起来更加方便,工作环境更加干净。所以位移检测实验采用气压系统控制气缸进行加载。根据QC/T中的规定,在侧向位移、纵向位移、刚度等检测中,对踏板施加的力并不相同,因此在位移检测试验中的加载机构应能够改变输出力的大小。对于气压系统,如想改变输出力的大小,只需要改变气压系统的工作压力即可实现。加载气压系统回路如图3-8所示,可以改变系统的压力。实现不同加载过程,输出不同的加载力。图3-8 气压系统回路3.4动力装置选择根据实验要求的检测方法,把试验台分成两部分,一部分做疲劳寿命检测,一部分做位移检测。台架需要在实验台上移动以完成以上两部分的检测。台架还需要准确的停在实验台的两侧,以实现夹紧、加载、位移检测等动作。三相异步电机在通电后转子开始旋转,断电后由于转子的惯性使转子不能立即停下。三相异步电机可以带动台架在两部分之间移动,但到达试验台极限位置后,三相异步电机由于惯性不能立即停止,使台架与实验台产生冲击,影响实验台的使用寿命。步进电机的转角和转速,分别与输入的脉冲数量或脉冲频率有关,通过控制脉冲的数量可以实现对步进电机工作角度的控制,让其停在预定点上。疲劳检测试验中,是利用曲柄滑块机构中的滑块直接作用于踏板之上,为方便下次试验,每次试验前后,都应先确保滑块位于行程的最上端。每次调整均属于小距离调整,因此要求电动机能够实现小角度转动。所以疲劳检测实验也采用步进电机。步进电机选17HS101和23HS2001,驱动器均选择SH-2H042Ma3.5检测装置选择3.5.1位移传感器选择根据GB/T788-2007中的要求,需检测踏板在一定的加载力作用后所产生的位移,要求中最小的检测量为2.0mm。在疲劳检测过程中不需要进行位移检测,只需要在位移检测中使用位移传感器,由于踏板结构的特殊,踏板的位移量不便于测量。所以采用便于测量的拉绳位移传感器。拉绳位移传感器的信号输出方式分为数字信号输出和模拟信号输出, 数字输出型可以选择增量旋转编码器、绝对值编码器等,输出信号为方波ABZ信号或格雷码信号,行程最大可以做到15000毫米,线性精度最大0.01%,分辨力根据配置不同最大可以达到0.001毫米/脉冲。 模拟输出型可以选择精密电位器、霍尔编码器、绝对值编码器等,输出信号可以为RS485,dp总线,420毫安、05伏、010伏、串行SSI和电阻信号等,最大行程可以达到15000毫米,使用环境最大可以达到IP65的防护等级,-45+105的宽温度环境下使用。几何参数如图3-9所示,接线方式如图3-10所示3.5.2光电传感器选择光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。图3-9 拉线传感器几何尺寸图3-10 位移传感器接线示意图在投射可视光的类型中,投光光束是眼睛可见的,便于对检测物体的位置进行调整。光电检测方法具精确度高,反应速度快等优点,其结构十分的简单,得到了了广泛的使用。本实验台选用的光电传感器是为了实现计数功能,所以选择遮光式光电传感器。3.5.3限位开关选择限位开关又称行程开关,可以用来限制物体运动的位置,它可被安装在不动的物体上,也可以安装在运动的物体上,在运动的物体与静止的物体相接触的时候,在接触到限位开关的驱动杆后,会使其动作,让接触点闭合或断开,由此可以改变电路的状态。在做疲劳寿命检测实验中,台架移动到实验台左侧之前,应该确定滑块位于最高处,这样才能使踏板进入加载区域。所以,在滑块的最高处需要安装一限位开关,以检测滑块是否处于最高位。在整个试验过程中,当步进电机带动台架移动到实验台左侧或者右侧时,需要让步进电机停止转动。因此,在实验台的左右两侧,分别安装一限位开关。当电动机带动台架接触限位开关时,限位开关被接通,由控制系统发出指令,电动机停止转动。在实验过程中,滑块和台架都是作直线运动,所以根据他们运动及结构的特点,本实验中限位开关均选择活塞型限位开关。3.6 显示方案设计本设计采用LED数码管进行数据的动态显示。LED数码管也称半导体数码管,是目前数字电路中最常用的显示器件。七段LED显示器由七个发光段构成,每段均是一个LED二极管,这7个发光段分别为a、b、c、d、e、 f和g,通过控制不同段的点亮和熄灭,可显示16进制数字09和A、B、C、D、E、F也能显示H、L、P等字符。有的产品还有一个小数点DP位段,用来显示小数。LED显示器以发光二极管作为显示发光部件,每段并按共阴极方式或共阳极方式连接后封装而成的。共阳极结构中,各LED二极管的阳极被连在一起,使用时要将它与+5V相连,而把各段的阴极连到器件的相应引脚上。当要点亮某一段时,只要将相应的引脚(阴极)接低电平。对于共阴极结构的LED显示器,阴极连在一起后接地,各阳极段接到器件的引脚 上,要想点亮某一段时,只要将相应引脚接高电平。LED显示器的一个段发光时,通过该段的平均电流约为10mA20mA。将一个8位并行输出口与显示器的发光二极管引脚相连,8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符,通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。共阳极与共阴极的段选码互为补数。LED显示器与显示方式:LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。LED显示器工作在静态显示方式下,共阴极或共阳极连接在一起接地或+5V;每位的段选线(ad p)与一个8位并行口相连。显示电路中,每一位可独立显示,只要在该位的段选线上保持段选码电平,该位就能保持相应的显示字符。由于每一位由一个8位输出口控制段选码,故在同一时间里每一位显示字符可以各不相同。N位静态显示器要求有N8根I/O口线,占用I/O资源较多。故在位数较多时往往采用动态显示方式。LED动态显示方式,在多位LED显示时,为了简化电路,降低成本,将所有位的段选线并联在一起,由一个8位I/O口控制,而共阴极点或共阳极点分别由相应的I/O口线控制。由PLC的Q0.0Q0.7提供段选码显示,再由Q1.0Q1.3接一个74LS138译码器的A、B、C及控制端。因为74LS138译码器输出的是低电平选通,因此译码后需要连接到集电极开路六高压正相驱动器74LS07输出低电平来驱动6个LED数码管。显示方案采用74LS138译码器进行I/O口的扩展,把需要的输出点数从14位减少到了12位,从而减少了所需要的输出点数,不需要进行额外的I/O口扩展,就能实现6个LED的动态显示。本试验台的结构见图3-11,详见附录。 图3-11 试验台结构示意图第4章 控制系统设计4.1 PLC选型控制系统可以采用单片机、可编程控制器(PLC)等,都可以实现本实验台的功能。但PLC相对于其他控制系统而言具有可靠性高、抗干扰性强、编程简单、易于掌握、灵活方便、体积小、功耗小等特点。因此,本实验台的控制系统选用可编程控制器(PLC)。在满足控制要求的情况下,应该选择最合适的,一般可以从以下几个方面考虑:4.1.1 I/O点估算I/O点数是PLC的一项重要指标,合理选择I/O点数既可以使系统满足控制要求又可以使系统总投资最低。PLC的输入输出点数和种类应根据被控制对象的模拟量、开关量、输入/输出设备状况(包括模拟量、开关量、输出类型)来确定,一般一个输入输出原件要占一个输入输出点。考虑到今后的扩充,一般应估计的总能点数再加上15%20%的备用量。本设计所占用的I/O点数计算:输入信号:开始按钮,需要一个输入点;停止按钮,需要一个输入点;三个限位开关,需要三个输入点;两个气缸磁性开关,需要两个输入点;光电传感器,需要一个输入点。 以上共需要8个信号输入点,考虑以后对系统的调整与扩充留有20%的备用点,即有8*20%=2,这样共有10个输入点。输出信号:步进电机的脉冲接入信号和方向信号各需要一个输出点,共4个输出点;电磁换向阀需要一个输出点,共2个输出点;水平、垂直加载气缸各需要一个输出点,共2个;电磁溢流阀需要一个输出点,共1个;LED显示,共12个输出点。以上共需要21个输出点,考虑以后对系统的调整与扩充留有20%的备用点,即21*20%=4,这样共有25个输出点。4.1.2用户存储量估算用户应用程序占用多少内存与许多因素有关,如I/O点数、控制要求、运算处理量、量程结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验,每个I/O点及有关功能器占用内存大致如下:开关量输入元件:1020B/点;开关量输出元件:510B/点;定时器/计数器:2B/个;通信接口:一个接口一般需要300B以上;根据上面算出总字数再加上25%左右的备用量,就可以估算出所需要的内存量,从而选择合理的PLC内存。本设计所需CPU内存的计算:开关量输入元件:10点*1020B/点=100200B;开关量输出元件:11点*510B/点=55110B;模拟量:2点*100150B/点=200300B;总序内存量:355610B;4.1.3本系统PLC配置根据本设计所需的I/O口数、PLC所需存储量,本实验台控制系统选用S7-200系列PLC的CPU的型号为CPU224(14输入/10输出,共计24个I/O点)、EM223的16点DC输入/16点DC输出和模拟量输入模块EM231。PLC的I/O口地址分配如表4-1、4-2所示表4-1 PLC输入元件地址分配明细表控制元件符号编程地址备注说明启动开关SB1I0.0停止开关SB2I0.1左限位开关SQ1I0.2检测台架位置右限位开关SQ2I0.3检测台架位置夹紧气缸1磁性开关I0.4检测夹紧装置状态夹紧气缸2磁性开关I0.5检测夹紧装置状态滑块限位开关SQ3I0.6检测滑块位置光电传感器I0.7计数器表4-2 PLC输出元件地址分配明细表控制元件编程地址备注说明步进电机1脉冲输出Q0.0脉冲输出步进电机1方向控制信号Q0.1控制电机转向步进电机2脉冲输出Q0.2脉冲输出步进电机2方向控制信号Q0.3控制电机转向电磁阀1Q0.4驱动夹紧机构电磁阀2Q0.5驱动夹紧机构垂直加载气缸电磁阀Q0.6驱动加载机构水平加载气缸电磁阀Q0.7驱动加载机构电磁比例溢流阀Q1.0控制系统压力4.2驱动电路设计如图4-1所示为步进电机的驱动电路。图中为一相的驱动电路,两相的与之相似。图中的T1三极管可以用来控制电路的通断,在三极管的基极的没有电流时,电路处于断开的状态,在基极由电流流过的时候,三极管会导通,此时电路处于闭合的状态。由 T2、T3 两个三极管组成达林顿式功放电路, 驱动步进电机的 3个绕组,使电机绕组的静态电流达到近 2A。在电路中使用了光电耦合器,来避免外界的干扰因素影响控制器的正常工作。当控制器输出低电平的时候,三极管不会导通,因此绕组中也不会由电流通过;在控制器输出高电平的时候,T1三极管导通,光电耦合器也会导通,此时绕组中会有电流流过。图4-1驱动电路示意图驱动器采用共阳极的方式连接,即将脉冲信号和方向控制信号的正端与控制器的电源正极相连,脉冲信号和方向控制信号的负端与控制器相应的端口连接,在相应端口电压为低电平时才有效。步进电机与驱动器接线图如图4-2。SH-2H042Ma型号步进电机驱动器输入信号的幅值为TTL电平,最大为5V,如果控制电源为5V则可以直接接入,否则,需要在外部连接限流电阻R,以保证给驱动器内部光耦原件提供815mA的驱动电流。PLC与SH-2H042Ma型步进电机驱动器连接时,采用共阳极连接方式,其接线图如图4-3所示。图4-2 驱动器与步进电机接线图图4-3 PLC与驱动器接线示意图图4-4 电路图 第5章 系统的程序设计本实验台的控制系统主要是控制各部分之间的运动。根据对实验台架位置的分析,确定其它机构的运动状态。5.1主程序设计当实验开始后PLC通过检测限位开关状态,控制电动机2正传,带动试验台架至试验台右侧。随后将限位开关2接通,电动机2停止转动。同时夹紧机构电磁换向阀接通,夹紧气缸动作,压板夹紧台架。气缸采用带有磁性检测开关的活塞。当气缸夹紧后,磁性开关接通。PLC调用加载子程序,完成加载过程。PLC检测实验台左侧滑块位置检测开关,检测滑块是否处于最高位。如果不在高位,控制电动机1正转,将滑块调整到最高位,接通位置检测开关。此时耐久性实验部分准备就绪。PLC控制电动机2反转,带动实验台移至左侧。至左侧后,接通限位开关1。接通电磁换向阀,将实验台架固定。进行耐久性试验时,按照预定设计程序进行加载。当加载次数到达预期值后,PLC控制电动机1,将滑块停于高位。在耐久性试验后,需要对踏板的变形量进行检测。电动机2正传将实验台台架移到试验台右侧,进行位移检测。加载过程与以上变形量检测过程一致。启动电机2加载夹紧气缸2动作台架位置检测初始化过程开始N夹紧气缸2动作滑块位置检测调整滑块N控制系统的主程序流程图如图5-1所示。Y步进电机1动作台架位置检测启动电机2YNY夹紧气缸1动作计数器计数计数器是否到达预期值NY电机2停止夹紧气缸1动作启动步进电机2夹紧气缸2动作结束加载图5-1 主程序流程图5.2子程序设计5.2.1加载子程序设计根据QC/T788-2007中的规定,在位移检测试验中,先对踏板进行纵向、侧向位移检测,再进行刚度检测。在踏板做完耐久性试验后,需要再做一次纵向、侧向位移检测。纵向、侧向位移和刚度检测时所需的加载力并不相同,纵向和侧向位移检测时需要加载50N的力。刚度检测时,需要加载300N的力。刚度检测时,需要重复加载五次。所以加载程序可以根据判断加载次数控制加载力的大小。子程序开始时,PLC控制电磁溢流阀,使系统的输出压力为50N。先启动纵向加载气缸对踏板进行纵向加载,并按照要求,保持1min后,通过预先确定的测量点,通过拉绳位移传感器,测量踏板的变形量。并通过显示系统显示踏板的变形量。侧向加载与纵向加载同时启动,由系统设置延时,在纵向加载完成后,延时完成,开始进行侧向加载。同样保持1min后,测量并显示变形量。延时70s纵向加载开始水平加载延时70s电磁溢流阀复位加载次数小于6电磁溢流阀动作 Y N 返回返回图5-2 加载子程序流程图通过气缸的磁性开关,记录加载次数。当加载次数大于1时,即完成上述加载过程一次。此时PLC控制溢流阀,改变气压系统的压力,使输出力为300N。进行刚度检测过程中,需要程序循环五次。每次过程与位移检测一致。完成加载后,测量并显示变形量。耐久性试验完成后,需要再次进行位移检测。此次是第七次加载。所以根据加载次数,选择程序的流程。加载子程序如图5-2所示5.2.2步进电机控制程序设计步进电机主要完成试验台架的移动,以及耐久性试验中的加载过程。在实验过程中,台架要能完成左右移动的过程,因此控制系统要求能够控制步进电机的正转和反转。可知试验台的移动位置,可以采用先设置一定的脉冲数量,在每给步进电机一个脉冲,就将脉冲数量减一,直到脉冲数为零,在步进电机不发生丢步的情况下,试验台就能准确的到达目的地。绝对值位置参数作为一个重要的参数,也应该被计算出来,因此,在步进电机正向运动的时候,每先前运动一步,就将电机的绝对位置加1,步进电机每反向运动一步,就将其绝对位置减1。控制流程图如图5-3所示。步数减1停机越界绝对位置加1绝对位置减1正转控制口=1改变控制口状态步数=0?纵向加载重装定时常数退出NYNNYYYNYNYYYY图5-3 步进电机控制流程图第6章 工程定额概算 6.1 经济成本预算材料选用本册实验定额中的材料用量包括直接消耗在机械设备中的使用量和合理的规定的损耗量。主材钢板所用尺寸为1600mm6000,若实际尺寸小于该规格,则另外有3的损耗量。 本设计选用材料并不复杂,标件选型应考虑经济性 实用性 稳定性等因素,系统的硬件设备要求坚固稳定,所以我选用了HT-200灰铸铁为台架,推杆等主要设施的材料。动力系统首选气缸,缸筒为铝合金或黄铜,表面粗糙度为Ra0.8um。而电子元件方面,步进电机选用17Hs10123HS2001,驱动器军选择SH-2H042Ma。 定额中对用量较少,对基价影响叫小的的零星材料和零星小型机械,并成为其他费用。 定额中对用量较少,对基价影响叫小的的零星材料和零星小型机械,并成为其他费用。单位为“元”。 汽车踏板疲劳寿命试验台各部件经济预算如表所示:表6-1 汽车踏板疲劳寿命试验台各组件估价序号组件部分数量/件估价/元1台架140002夹紧机构140003气缸1473004加载机构117005步进电机与驱动器1400006电控系统1790007总成定位工装组件1120006.2项目管理方面项目风险分析 汽车踏板疲劳寿命试验台要求我们进行许多的力学测试,耐久性试验需要并反复进行无数次。而位移试验要求实验台可以精准把控加载的力和时间。所以试验台如果不坚固稳定,强度不高,容易导致台架损耗巨大,而气缸不光滑就易使摩擦阻力影响实验精度。因此,实验过程中须保证实验设备运星稳定可靠,给加载系统较小的阻力。电器部分中,光电元件易受外接影响,电源也常会收到电磁干扰,甚至有可能出现安全问题。这就需要我们在设计电器部分时考虑到电磁屏蔽问题、光电隔离、安全防护措施,确保实验精准而顺利的进行。同时要加强实验中的测试数据保存方面的办证。使我们能精确,快速得到实验数据以更快更好的进行实验分析。所以在设计过程中可以考虑多线程实时数据采集,全过程实时监控,动态曲线自动描绘的功能,加强试验台的便捷性,精准性。 6.3环境和可持续发展方面汽车踏板疲劳寿命试验台对环境的影响本册实验结构材料选择简单,实验选用的HT-200灰铸铁、铝合金、高速钢皆为绿色材料。而一些易产生噪音的元件如步进电机在工作使高速运行,产生最低可达到35分贝超低音,完全符合分贝达标标准且实验台可循环作业,减少了污染问题,试验台工作中远离人群,改善水源循环系统的利用,促进供电,废水等基础设施建设的绿色基础设施改造,提高废水处理和循环系统的回用率。设计理念符合社会可持续发展。24结论汽车踏板疲劳寿命试验台是一个能一次性测量多个参数性能的综合性试验台,属汽车测试设备领域。结合了自动控制原理与控制技术、计算机控制技术、传感器信号处理技术等知识,与本专业课程结合紧密,对我们夯实学校知识具有极好的价值。本次试验台设计根据由中华人民共和国机械工业部制定的汽车行业部标准: QC/T788- 2007(汽车踏板装置性能要求及台架实验方法)的相关规定对汽车踏板装置疲劳寿命实验系统进行设计。采用了气缸为动力装置,由台架、夹紧机构、加载机构等组成的能很好应对测量目标的机械结构。采用了西门子PLC控制系统,并进行了I/O点估计、用户储存量估计等算法确定了PLC的内存与配置。对试验过程进行控制与参数监测,并记录试验数据进行大量研究、设计、计算,从而实现了对汽车踏板耐久性和位移两方面性能的测试。效果显著,实验结果较精确,实验过程较快捷,方便。本实验主要模拟了汽车在实际情况下的工作状态,运用传感器技术、光电检测技术、数据采集技术等,通过试验的方式进行采集一系列的数据并且进行处理计算,从而对汽车踏板装置的疲劳寿命做出准确的计算。在元件的选择上参考了前辈的经验同时又有创新,比如采用气缸作为动力装置比之前的液压缸减少了液压油的加注,减少了能源浪费。时代的发展背景下,现在的汽车踏板疲劳寿命试验台已经发展的相当成熟,从原来的繁琐单一的测量到现在测量的简便化,多个性能参数也可以同时测量。电器元件安全可靠,机械装置坚实稳定,测量精确快捷,数据自动记录,为我们的研究工作带来便利。但是我认为在汽车踏板疲劳寿命试验台的设计研究上,我们还可以继续钻研探索,更上一层楼,让本类研究更加多元化。参考文献1 刘思宁.大学生毕业设计全程指导M.成都:西安交通大学出版社,20012 常晓玲电器控制系统与可编程控制器M.北京:机械工业出版社,20043 崔继仁,王越男,张艳丽.电气控制与PLC应用技术M.北京:北京电力出版社,20104 周万珍,高鸿斌.PLC分析与应用技术M.北京:电子工业出版社,20045 熊诗波,黄长艺.机械工程测试技术基础M.北京:机械工业出版社,20066 濮良贵,纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,20067 陈奎生.液压与气压传动M.武汉:武汉理工大学出版社,20108 王晓明.电动机的单片机控制M.北京:北京航空航天大学出版社,20119 高钦和.可编程控制器应用技术与设计M.北京:人民邮电出版社,200410刘华波.西门子S7-200PLC编程及应用案例精选M.北京:机械工业出版社,200911张毅刚,彭喜元,彭宇.单片机原理及应用M.北京:高等教育出版社,201012刘宝廷,程树康.步进电机及其驱动控制系统M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,199713QC/T7882007.汽车踏板装置性能要求及台架试验方法S.北京:国家发展和改革委员会,200814Chuen Chien Lee.Fuzz Logic in contral system :Fuzzy Logic Controller-Part1.IEEE Trans,on Systems,Man,and Cybernetics,199515Chalabi ZS,Zhou W .Optimal contral methods for agricultural systems.Acta Horticulturae,199516Vishay Siliconix.3-Phase Brushless DC Motor Controller,200417TOSHIBA.TB6537 3-Phase Full-Wave Sensorless Controller For Brushless DC Motors,2006致 谢 经过十六周的工作,终于完成了本次毕业设计的内容,在此衷心感谢我的校内指导老师姜涛老师、姜殿鑫高工两位老师在百忙之中对我的指导,在老师的教导下,我从茫然的状态慢慢学会了设计的相关内容。姜老师对于我提出的问题做出详细耐心讲解,并且非常关心我的日常生活,在我眼里不仅怹是个学问渊博的老师,更是个和蔼可亲的长辈,对研究精益求精,对学术一丝不苟,在设计的完成过程中关心每个细节,从机械部分的绘制、电路和程序的设计多次对我们进行当面指导。他以自己和独到的见解为我指出了设计中的许多问题,使我受益匪浅。姜涛老师在我困惑时给予我指导,生活上对我倍加关心,老师平易近人的态度更使我倍感亲人般的温暖。作为我大学毕业之际最后引导完成设计项目的老师怹的认真负责和严格要求我们时的态度是我永远学习的榜样。同时也特别感谢同在姜老师组内的几位同学,在此之间我们并不熟悉,但是因为共同的学习目标下,大家都很快开始互相帮助,在老师的指导下共同解决问题,不仅收获了友谊,还在大学的最后时光共同学习到很多知识。在长春理工大学的学习生涯短暂而充实,期间我遇到了许多优秀的老师和同学,从他们身上我学到了很多东西,也认识了自身的许多不足。在他们身边我渐渐成长为一名合格的大学生。相信以后也会成为一个对社会有贡献,能实现个人价值的人。附 录附-1 装配示意图一附-2 装配示意图二附-3 夹紧机构示意图附-4 加载机构示意图一附-5 加载机构示意图二附-6 装配示意图三30
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