汽車踏板疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)含3張CAD圖,汽車,踏板,疲勞,壽命,試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì),cad 摘要 本次實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)能應(yīng)對(duì)各項(xiàng)性能參數(shù)一次檢測(cè)完成的綜合試驗(yàn)臺(tái)。選用西門子公司的S7-200系列PLC為核心，運(yùn)用傳感器技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)等，通過(guò)試驗(yàn)的方式進(jìn)行采集一系列的數(shù)據(jù)并且進(jìn)行處理計(jì)算,從而對(duì)汽車踏板裝置的疲勞壽命做出準(zhǔn)確的計(jì)算。 本文是根據(jù)據(jù)由中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部制定的汽車行業(yè)部標(biāo)準(zhǔn): QC/T788- 2007(汽車踏板裝置性能要求及臺(tái)架實(shí)驗(yàn)方法）的相關(guān)規(guī)定，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制與參數(shù)監(jiān)測(cè)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量研究、設(shè)計(jì)、計(jì)算后撰寫。 在試驗(yàn)過(guò)程中，按照規(guī)定的踏板性能要求進(jìn)行加載、并且能夠顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最大程度模擬真實(shí)車輛在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的真實(shí)工作環(huán)境，來(lái)對(duì)汽車踏板裝置疲勞壽命進(jìn)行分析。 關(guān)鍵詞： 汽車踏板 疲勞壽命 耐久性 位移 PLC I Abstract This 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 people's 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 people's 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; PLC II 目錄 摘要 I Abstract II 目錄 III 第1章 緒 論 1 1.1研究的目的 1 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3研究的主要內(nèi)容 2 第2章 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及方案論證 3 2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo) 3 2.2試驗(yàn)方法 3 2.2.1縱向位移 3 2.2.2側(cè)向位移 3 2.2.3剛度 3 2.2.4強(qiáng)度 3 2.2.5耐久性 3 2.3設(shè)計(jì)方案的論證 3 第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 6 3.1臺(tái)架的設(shè)計(jì) 6 3.2臺(tái)架固定裝置設(shè)計(jì) 6 3.2.1固定裝置的整體設(shè)計(jì) 6 3.2.2氣缸的選擇 8 3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 3.4動(dòng)力裝置選擇 10 3.5檢測(cè)裝置選擇 11 3.5.1位移傳感器選擇 11 3.5.2光電傳感器選擇 11 3.5.3限位開關(guān)選擇 13 3.6 顯示方案設(shè)計(jì) 13 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 4.1 PLC選型 15 4.1.1 I/O點(diǎn)估算 15 4.1.2用戶存儲(chǔ)量估算 15 4.1.3本系統(tǒng)PLC配置 16 4.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 16 第5章 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) 19 5.1主程序設(shè)計(jì) 19 5.2子程序設(shè)計(jì) 21 5.2.1加載子程序設(shè)計(jì) 21 5.2.2步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì) 22 第6章 工程定額概算 23 6.1 經(jīng)濟(jì)成本預(yù)算 23 6.2項(xiàng)目管理方面 23 6.3環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展方面 24 結(jié)論 25 參考文獻(xiàn) 26 致 謝 27 附 錄 28 IV 第1章 緒 論 1.1研究的目的 汽車已經(jīng)成為人們生活中必不可少的出行工具，中國(guó)的車輛購(gòu)買也在逐年增加，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)人口眾多，對(duì)汽車的市場(chǎng)需求量未來(lái)也應(yīng)是世界最大的接受量。而汽車的行駛過(guò)程中剎車系統(tǒng)是司機(jī)對(duì)路況處理的最直接有效的表達(dá)。所以汽車的剎車制動(dòng)是否安全直接與汽車行駛事故率掛鉤，也就與我們的人身安全息息相關(guān)。汽車踏板使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)難免會(huì)導(dǎo)致剎車制動(dòng)疲勞壽命受損，汽車踏板疲勞壽命的檢查就顯得十分重要。據(jù)記載，約有80%以上的零件是由于疲勞引起的，其中大多數(shù)是突然斷裂。隨著現(xiàn)代機(jī)械向高速和大型化方向發(fā)展，許多零部件再高溫、高壓、重載和腐蝕的惡劣工況下運(yùn)行，疲勞破壞事故更是層出不窮。為了避免汽車踏板因疲勞強(qiáng)度不足，在汽車行駛過(guò)程中出現(xiàn)踏板損壞、喪失使用性能，使汽車不能及時(shí)制動(dòng)。因此為保障車輛行駛安全，需要對(duì)汽車的踏板做耐久性試驗(yàn)。 針對(duì)踏板的疲勞壽命的檢測(cè)，包括踏板的永久變形、耐久性等方面。如踏板耐久性試驗(yàn)臺(tái)、踏板永久變形量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。這些都是對(duì)踏板壽命進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置。但由于它們都只針對(duì)一項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，不能夠滿足同時(shí)對(duì)踏板各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)。如果對(duì)踏板進(jìn)行綜合性能檢測(cè)，需要分別在多種實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這不將實(shí)驗(yàn)變的很復(fù)雜，而且實(shí)驗(yàn)的成本也會(huì)大大提高。在不同實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)還會(huì)由于裝夾而引起實(shí)驗(yàn)誤差，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)主要為了實(shí)現(xiàn)能夠在一次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)完成耐久性、永久變形等指標(biāo)的檢測(cè)。通過(guò)控制系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)上臺(tái)架的運(yùn)動(dòng)，及對(duì)加載過(guò)程的控制。不需要更換換實(shí)驗(yàn)臺(tái)即可完成相應(yīng)的檢測(cè)，減少因踏板在不同實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的裝夾誤差引起的實(shí)驗(yàn)誤差。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 田永福于2012年研究結(jié)果辨明：世界上早期汽車生產(chǎn)對(duì)汽車性能和質(zhì)量把控并不是十分嚴(yán)格的?；旧弦惠v車的成產(chǎn)和投入使用基本都是人工檢測(cè)，這種依靠人自身經(jīng)驗(yàn)的測(cè)量方式并不能十分確保汽車的行駛制動(dòng)安全。而隨著汽車量產(chǎn)，各汽車公司都投入了專業(yè)的定制設(shè)備，這便使檢測(cè)工作進(jìn)入了第二個(gè)周期階段，生產(chǎn)線批量化生產(chǎn)，以標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械化設(shè)備對(duì)零件的精度、尺寸進(jìn)行科學(xué)化檢測(cè)。不再是依靠人的主觀來(lái)進(jìn)行判斷。不僅使檢測(cè)工作變得精確，也減少了人工的工作強(qiáng)度。而隨著計(jì)算機(jī)和電氣化時(shí)代的來(lái)臨，發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)飛鼠發(fā)展，檢測(cè)工作進(jìn)入了第三階段。檢測(cè)設(shè)備不僅實(shí)現(xiàn)了聲控、光控、電控，數(shù)據(jù)的采集也逐漸往自動(dòng)化發(fā)展。利用全自動(dòng)化設(shè)備高精尖穩(wěn)定性，檢測(cè)技術(shù)開始向前期設(shè)計(jì)階段滲入?，F(xiàn)階段，大量檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用，國(guó)外如德國(guó)大眾公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)十六通道的模擬試驗(yàn)臺(tái)，在新產(chǎn)品的開發(fā)階段，就可以介入分析各項(xiàng)指標(biāo)，從而加快了新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，取得了經(jīng)濟(jì)和實(shí)用效益。魏加恩于2011年對(duì)我國(guó)汽車零部件檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)的汽車零部件檢測(cè)技術(shù)呈現(xiàn)兩極化狀態(tài)，許多作坊式的家族企業(yè)，依然在沿用以人工檢查為主，部分工具輔助的模式。部分國(guó)內(nèi)規(guī)?；髽I(yè)正在進(jìn)行設(shè)備引進(jìn)和技術(shù)引進(jìn)，主動(dòng)尋求科研單位同步研究，雖然也取得了極大的進(jìn)步，但還較多地停留在大型科研所及國(guó)家級(jí)檢測(cè)中心，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在人員培養(yǎng)、設(shè)備應(yīng)用率、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)共享上還有很大差距。 圖1-1 工作流程圖 1.3研究的主要內(nèi)容 本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選用西門子公司的S7-200系列PLC為核心，運(yùn)用傳感器技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)等，設(shè)計(jì)一個(gè)能應(yīng)對(duì)各項(xiàng)性能參數(shù)一次檢測(cè)完成的綜合試驗(yàn)臺(tái)。 本設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)是設(shè)計(jì)一套PLC控制系統(tǒng)，使該P(yáng)LC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的智能控制，能夠調(diào)整實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架的位置、自動(dòng)固定臺(tái)架、按照規(guī)定的踏板性能要求進(jìn)行加載、并且能夠顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要有以下幾部分構(gòu)成：試驗(yàn)臺(tái)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、位置檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、位移檢測(cè)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)。 根據(jù)踏板裝置性能要求的規(guī)定，需要對(duì)踏板做位移、剛度、耐久性檢驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的特點(diǎn)，可以將實(shí)驗(yàn)分為兩大類。一類做耐久性試驗(yàn)，另一類做位移檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)控制系統(tǒng)控制臺(tái)架在兩部分實(shí)驗(yàn)之間運(yùn)動(dòng) 實(shí)驗(yàn)開始后，在S7-200PLC控制下，實(shí)驗(yàn)臺(tái)按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序流程作業(yè)。對(duì)要求的性能參數(shù)進(jìn)行加載檢測(cè)，完成一項(xiàng)檢測(cè)后，臺(tái)架按程序轉(zhuǎn)移到另一檢測(cè)處。并對(duì)當(dāng)前測(cè)試的參數(shù)進(jìn)行加載檢測(cè)。這次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)參數(shù)一體檢測(cè)，大大提高了效率，減小誤差，也使實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，易于操作，可行性較高。 第2章 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及方案論證 設(shè)計(jì)一套汽車踏板疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)，要求滿足 QC/T 788-2007 要求。 對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制與參數(shù)監(jiān)測(cè)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)模擬實(shí)際使用中可能遇到的使用環(huán)境，考核其設(shè)計(jì)制造質(zhì)量。試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)和記數(shù)，并且該實(shí)驗(yàn)臺(tái)擁有故障檢測(cè)功能，在出現(xiàn)故障或者記錄的次數(shù)與設(shè)定次數(shù)一樣的情況，試驗(yàn)臺(tái)會(huì)自動(dòng)的停止工作并發(fā)出提示信息。 主要技術(shù)參數(shù)： （1）縱向位移：對(duì)踏板施加50N的縱向力，其在這個(gè)方向的位移應(yīng)該不超過(guò)2.0mm； （2）剛度：對(duì)踏板施加300N的縱向力，其在這個(gè)方向的位移需要不超過(guò)5.0mm； （3）抗扭性能：對(duì)踏板施加15N.m的扭轉(zhuǎn)力時(shí)，踏板和其焊接的地方不能發(fā)生損壞； （4）強(qiáng)度：對(duì)踏板施加800N的縱向力時(shí)，踏板表面不可逆的變形量要不超過(guò)5.0mm,并且不能損壞； （5）耐久性：在耐久性試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中，踏板的變形不能影響正常的使用，沒(méi)有裂紋和其它不好的情況。在實(shí)驗(yàn)后，在50N的縱向作用力下，踏板在縱向方向的位移要小于4.0mm,在50N的側(cè)向作用力下，其位移要小于6.0mm。 2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo) （1）外觀：零件表面光潔，無(wú)裂痕、毛刺、劃痕等缺陷；（2）工作靈活性：踏板能夠正常的工作，且無(wú)異常的情況；（3）縱向位移：對(duì)踏板施加50N的縱向力，其在此方向的位移不超過(guò)2mm ；（4）剛度：對(duì)踏板施加300N的縱向力，其在此方向的位移不超過(guò)5mm ；（5）抗扭性能：對(duì)踏板施加15N.m的扭轉(zhuǎn)力時(shí)，踏板和其焊接的地方不能發(fā)生損壞；（6）耐久性：在耐久性試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中，踏板的變形不能影響正常的使用，沒(méi)有裂紋和其它不好的情況。在實(shí)驗(yàn)后，在50N的縱向作用力下，踏板在縱向方向的位移不能大于4.0mm,在50N的側(cè)向作用力下，其位移不能大于6.0mm；（7）強(qiáng)度：對(duì)踏板施加800N的縱向力時(shí)，踏板表面不可逆的變形量要不超過(guò)5.0mm，并且不能損壞。 2.2試驗(yàn)方法 2.2.1縱向位移 按照實(shí)際的狀態(tài)在家居上安裝踏板機(jī)構(gòu)的總成，并且將負(fù)載固定在踏板的輸出端。將踏板臂在安裝在踏板運(yùn)動(dòng)路線的中間位置。施加一縱向力，并讓其垂直踏板的表面和通過(guò)踏板的中心，且持續(xù)10sde時(shí)間，以此來(lái)找到踏板的縱向位移測(cè)量點(diǎn)，在撤出此力，最后依據(jù)此點(diǎn)測(cè)出踏板在縱向方向的位移距離，即形變量（見圖2-1）。 圖2-1 縱向位移示意圖 2.2.2側(cè)向位移 按實(shí)車的實(shí)際情況安裝踏板裝置。對(duì)踏板施加一平行于水平面，且通過(guò)踏板幾何中心所在的位置，在預(yù)先確定的測(cè)量點(diǎn)測(cè)量踏板的水平位移（變形）量（見圖2-2）。 圖2-2 橫向位移示意圖 2.2.3剛度 按實(shí)車狀態(tài)固定安裝踏板裝置。對(duì)踏板施加一個(gè)持續(xù)1分鐘，且垂直其表面和通過(guò)其幾何中心的力，力的方向是縱向的。重復(fù)上過(guò)程4次，在開始第五次實(shí)驗(yàn)之前，首先找到踏板的縱向位移測(cè)量點(diǎn)，在對(duì)其施加一個(gè)持續(xù)1min的縱向力，并測(cè)量位移點(diǎn)移動(dòng)的距離。 2.2.4強(qiáng)度 按實(shí)車規(guī)定安裝固定踏板裝置。首先找到踏板的縱向位移測(cè)量點(diǎn)，在對(duì)其施加一個(gè)持續(xù)1min的800N縱向力，并重復(fù)上述過(guò)程10次，然后測(cè)量其位移點(diǎn)移動(dòng)的距離，即它的永久的變形量，并察看是否損壞。 2.2.5耐久性 按實(shí)車狀態(tài)在家居上固定踏板裝置，將模擬的負(fù)載固定在踏板的輸出端。在對(duì)踏板施加一個(gè)垂直其表面和通過(guò)其幾何中心的力P1，力的方向是縱向的，他的大小為0~300N；加載次數(shù)為2.0*10^6次；加載頻率為0.7~3.0Hz；加載行程為離合器踏板設(shè)計(jì)全行程的85%。 2.3設(shè)計(jì)方案的論證 我設(shè)計(jì)了在踏板上懸掛重物與彈簧兩種模擬負(fù)載方法。 實(shí)驗(yàn)中有耐久性檢測(cè)，剛度檢測(cè)，強(qiáng)度檢測(cè)，位移檢測(cè)幾種實(shí)驗(yàn)方法，而這幾種檢測(cè)的方法及特點(diǎn)有所不同，耐久性檢測(cè)需要進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)以避免誤差，而位移檢測(cè)實(shí)驗(yàn)需要按參數(shù)施加不同的力。并保持一定的時(shí)間。如果兩部分實(shí)驗(yàn)使用相同的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置損害極大，同是也影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度。所以為了使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理化，我初步設(shè)定將實(shí)驗(yàn)臺(tái)分成兩部分，一部分進(jìn)行與橫向位移，縱向位移相關(guān)的測(cè)試，另一部分做與耐久性相關(guān)的測(cè)試。 位移檢測(cè)部分需要按參數(shù)施加不同的力。并保持一定的時(shí)間。因此，為滿足這樣的要求，位移檢測(cè)部分的加載采用氣缸加載，并通過(guò)進(jìn)氣閥門調(diào)節(jié)氣壓來(lái)控制不同的加載力，通過(guò)控制電磁換向閥控制氣缸的動(dòng)作時(shí)間。 耐久性檢測(cè)部分需要在踏 板上做循環(huán)加載，如果用氣缸加載，每次試驗(yàn)氣缸需要?jiǎng)幼魃先f(wàn)次，氣缸會(huì)有較大的磨損，而且氣缸的動(dòng)作頻率也不能滿足設(shè)計(jì)要求。考慮到以上問(wèn)題，耐久性部分的加載可以采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，不僅可以滿足循環(huán)加載的要求，而且也可以通過(guò)控制傳動(dòng)比控制加載的頻率。 踏板的固定裝置——臺(tái)架需要在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的兩部分之間移動(dòng)，以完成不同的檢測(cè)過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)臺(tái)架的移動(dòng)，采用步進(jìn)電機(jī)控制抬臺(tái)架的移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)兩側(cè)采用行程開關(guān)限制臺(tái)架的極限位置。  第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1臺(tái)架的設(shè)計(jì) 臺(tái)架是用于安裝固定踏板的裝置，需要承受加載踏板的力，所以臺(tái)需要堅(jiān)固穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。它的設(shè)計(jì)好壞對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用有著重要影響。對(duì)踏板進(jìn)行加載時(shí)，臺(tái)架也受到力的作用，所以臺(tái)架應(yīng)具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，臺(tái)架所受沖擊較小，臺(tái)架材料可采用HT-200。 為了使臺(tái)架在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上能夠左右移動(dòng)，在臺(tái)架地底部設(shè)置V型槽，使臺(tái)架能夠在電機(jī)的帶動(dòng)下沿著導(dǎo)軌移動(dòng)。臺(tái)架的表面加工出四處20mm*20mm*5mm的凹槽，用于對(duì)臺(tái)架的夾緊。臺(tái)架底部開一16mm*100mm的槽，便于讓懸掛負(fù)載的鋼索通過(guò)臺(tái)架。結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 圖3-1臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意圖 3.2臺(tái)架固定裝置設(shè)計(jì) 3.2.1固定裝置的整體設(shè)計(jì) 根據(jù)參數(shù)要求，最大的加載力為800N，臺(tái)架采用四處同時(shí)加緊的方案，每處加載力應(yīng)該至少為200N。夾緊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源擬選擇氣缸或電機(jī)，同側(cè)的壓板需要同時(shí)動(dòng)作，可以用一個(gè)氣缸同時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)同側(cè)的踏板動(dòng)作。夾緊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-2和圖3-3 由于臺(tái)架表面用于夾緊處是深5mm的凹槽，因此，當(dāng)壓板抬起后，應(yīng)確保壓板前端至少高于臺(tái)架表面15mm，這才能保證壓板不影響臺(tái)架的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)作圖，畫出壓板的極限位置，如圖3-4所示。 圖3-2 夾緊機(jī)構(gòu)夾緊狀態(tài)圖 圖3-3 夾緊機(jī)構(gòu)夾緊狀態(tài)圖 圖3-4 夾緊機(jī)構(gòu)極限位置分析 推桿的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-5所示。左側(cè)兩端分別與實(shí)驗(yàn)臺(tái)同側(cè)的兩個(gè)夾緊裝置連接的C端相連，同時(shí)控制同側(cè)壓板的動(dòng)作。推桿右側(cè)與氣缸相連接。 氣缸作用在推桿上的力至少為400N，由于推桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即推桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)。并承受持久的加載力。要求推桿的要有足夠的強(qiáng)度，所以推桿的材料選擇 圖3-5 推桿結(jié)構(gòu)圖 推桿上的載荷分布及彎矩圖如圖3-6所示，由彎矩圖可知，在C處彎矩最大，最大彎矩為MC=200*0.08=16N*m。其慣性矩 I=b^3h/12=4.5*10^-8 m^4 最大應(yīng)力為 Бt=MB*y/I=2.6MPa 查閱相關(guān)資料，由計(jì)算可知，推桿的最大應(yīng)力Бt<[бt]，故推桿的強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。 圖3-6 推桿載荷分布及彎矩示意圖 3.2.2氣缸的選擇 氣缸是將壓縮氣體的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)構(gòu)，在選擇氣缸的時(shí)候，要根據(jù)負(fù)載的大小來(lái)選擇氣缸活塞的面積，如果選擇的太小了，氣缸的推力或拉力將不足，會(huì)造成裝置無(wú)法正常的工作，但是選擇的太大了，會(huì)造成浪費(fèi)，并且增加了成本。因此，需要選擇合適大小的氣缸。 下面是氣缸理論出力的計(jì)算公式： 　　F：氣缸理論輸出力(kgf) 　　F′：效率為85%時(shí)的輸出力(kgf)－－(F′=F×85%） 　　D：氣缸缸徑(mm) 　　P：工作壓力(kgf/cm2) 在工程的實(shí)際應(yīng)用中，可以依據(jù)所需的推力或拉力，從經(jīng)驗(yàn)表中查找。 缸筒內(nèi)的活塞是需要沿著缸筒內(nèi)壁做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，因此，缸筒的內(nèi)壁要盡可能的光滑，以此來(lái)減少摩擦阻力使機(jī)械能所耗減少，從而增力，缸筒內(nèi)臂表面的粗糙度至少達(dá)到Ra0.8um。對(duì)材質(zhì)是鋼管的缸筒，可以采用在其內(nèi)壁度硬鉻，來(lái)使其表面更加的光滑，以此減少它的磨損。 使用空氣作為氣缸的工作介質(zhì)，擁有工作速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是它的速度大小不容易被控制，而且在工作負(fù)載的變化很大的時(shí)候，它可能出現(xiàn)“爬行”或“自走”的情況。但是使用液壓油作為氣缸的工作介質(zhì)，擁有速度大小容易控制的優(yōu)點(diǎn)，但是它的反應(yīng)速度會(huì)不如氣缸，在工作負(fù)載的變化很大的時(shí)候，采用合適的辦法，它不可能出現(xiàn)“爬行”或“自走”的情況，由圖3-4可知夾緊機(jī)構(gòu)的行程大小15mm，才能保證壓板抬起的高度，因此，選擇的氣缸行程要大于15mm。 3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在耐久性試驗(yàn)中，由于需要連續(xù)加載50萬(wàn)次，所以對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的耐久性、耐磨性等物理性能提出較高要求。不能采用直接加載的方式進(jìn)行試驗(yàn)。 為適應(yīng)這種加載方式，可以采用由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成滑塊的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。加載方式示意圖如圖3-7。 圖3-7加載機(jī)構(gòu)示意圖 在位移檢測(cè)試驗(yàn)中，要求踏板輸出端固定，在踏板表面加載一定德力h，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷踏板是否滿足性能要求。 位移檢測(cè)試驗(yàn)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以采用液壓或氣壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制輸出一定的加載力，并持續(xù)一定的時(shí)間。但液壓系統(tǒng)需要獨(dú)立的油箱、液壓泵等。相比較而言，氣壓系統(tǒng)也可以完成以上動(dòng)作，而且氣壓系統(tǒng)不需要油箱，使用起來(lái)更加方便，工作環(huán)境更加干凈。所以位移檢測(cè)實(shí)驗(yàn)采用氣壓系統(tǒng)控制氣缸進(jìn)行加載。 根據(jù)QC/T中的規(guī)定，在側(cè)向位移、縱向位移、剛度等檢測(cè)中，對(duì)踏板施加的力并不相同，因此在位移檢測(cè)試驗(yàn)中的加載機(jī)構(gòu)應(yīng)能夠改變輸出力的大小。對(duì)于氣壓系統(tǒng)，如想改變輸出力的大小，只需要改變氣壓系統(tǒng)的工作壓力即可實(shí)現(xiàn)。 加載氣壓系統(tǒng)回路如圖3-8所示，可以改變系統(tǒng)的壓力。實(shí)現(xiàn)不同加載過(guò)程，輸出不同的加載力。 圖3-8 氣壓系統(tǒng)回路 3.4動(dòng)力裝置選擇 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的檢測(cè)方法，把試驗(yàn)臺(tái)分成兩部分，一部分做疲勞壽命檢測(cè)，一部分做位移檢測(cè)。臺(tái)架需要在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上移動(dòng)以完成以上兩部分的檢測(cè)。臺(tái)架還需要準(zhǔn)確的停在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的兩側(cè)，以實(shí)現(xiàn)夾緊、加載、位移檢測(cè)等動(dòng)作。 三相異步電機(jī)在通電后轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，斷電后由于轉(zhuǎn)子的慣性使轉(zhuǎn)子不能立即停下。三相異步電機(jī)可以帶動(dòng)臺(tái)架在兩部分之間移動(dòng)，但到達(dá)試驗(yàn)臺(tái)極限位置后，三相異步電機(jī)由于慣性不能立即停止，使臺(tái)架與實(shí)驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生沖擊，影響實(shí)驗(yàn)臺(tái)的使用壽命。 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，分別與輸入的脈沖數(shù)量或脈沖頻率有關(guān)，通過(guò)控制脈沖的數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)工作角度的控制，讓其停在預(yù)定點(diǎn)上。 疲勞檢測(cè)試驗(yàn)中，是利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊直接作用于踏板之上，為方便下次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)前后，都應(yīng)先確?；瑝K位于行程的最上端。每次調(diào)整均屬于小距離調(diào)整，因此要求電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)小角度轉(zhuǎn)動(dòng)。所以疲勞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)也采用步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)選17HS101和23HS2001，驅(qū)動(dòng)器均選擇SH-2H042Ma 3.5檢測(cè)裝置選擇 3.5.1位移傳感器選擇 根據(jù)GB/T788-2007中的要求，需檢測(cè)踏板在一定的加載力作用后所產(chǎn)生的位移，要求中最小的檢測(cè)量為2.0mm。在疲勞檢測(cè)過(guò)程中不需要進(jìn)行位移檢測(cè)，只需要在位移檢測(cè)中使用位移傳感器，由于踏板結(jié)構(gòu)的特殊，踏板的位移量不便于測(cè)量。所以采用便于測(cè)量的拉繩位移傳感器。 拉繩位移傳感器的信號(hào)輸出方式分為數(shù)字信號(hào)輸出和模擬信號(hào)輸出， 數(shù)字輸出型可以選擇增量旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對(duì)值編碼器等，輸出信號(hào)為方波ABZ信號(hào)或格雷碼信號(hào)，行程最大可以做到15000毫米，線性精度最大0.01%，分辨力根據(jù)配置不同最大可以達(dá)到0.001毫米/脈沖。 模擬輸出型可以選擇精密電位器、霍爾編碼器、絕對(duì)值編碼器等，輸出信號(hào)可以為RS485,dp總線，4－20毫安、0－5伏、0－10伏、串行SSI和電阻信號(hào)等，最大行程可以達(dá)到15000毫米，使用環(huán)境最大可以達(dá)到IP65的防護(hù)等級(jí)，-45℃～+105℃的寬溫度環(huán)境下使用。 幾何參數(shù)如圖3-9所示，接線方式如圖3-10所示 3.5.2光電傳感器選擇 光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 圖3-9 拉線傳感器幾何尺寸 圖3-10 位移傳感器接線示意圖 在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)行調(diào)整。 光電檢測(cè)方法具精確度高，反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)十分的簡(jiǎn)單，得到了了廣泛的使用。 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)選用的光電傳感器是為了實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，所以選擇遮光式光電傳感器。 3.5.3限位開關(guān)選擇 限位開關(guān)又稱行程開關(guān)，可以用來(lái)限制物體運(yùn)動(dòng)的位置，它可被安裝在不動(dòng)的物體上，也可以安裝在運(yùn)動(dòng)的物體上，在運(yùn)動(dòng)的物體與靜止的物體相接觸的時(shí)候，在接觸到限位開關(guān)的驅(qū)動(dòng)桿后，會(huì)使其動(dòng)作，讓接觸點(diǎn)閉合或斷開，由此可以改變電路的狀態(tài)。 在做疲勞壽命檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，臺(tái)架移動(dòng)到實(shí)驗(yàn)臺(tái)左側(cè)之前，應(yīng)該確定滑塊位于最高處，這樣才能使踏板進(jìn)入加載區(qū)域。所以，在滑塊的最高處需要安裝一限位開關(guān)，以檢測(cè)滑塊是否處于最高位。 在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)臺(tái)架移動(dòng)到實(shí)驗(yàn)臺(tái)左側(cè)或者右側(cè)時(shí)，需要讓步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的左右兩側(cè)，分別安裝一限位開關(guān)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)臺(tái)架接觸限位開關(guān)時(shí)，限位開關(guān)被接通，由控制系統(tǒng)發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，滑塊和臺(tái)架都是作直線運(yùn)動(dòng)，所以根據(jù)他們運(yùn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)中限位開關(guān)均選擇活塞型限位開關(guān)。 3.6 顯示方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。LED數(shù)碼管也稱半導(dǎo)體數(shù)碼管，是目前數(shù)字電路中最常用的顯示器件。七段LED顯示器由七個(gè)發(fā)光段構(gòu)成，每段均是一個(gè)LED二極管，這7個(gè)發(fā)光段分別為a、b、c、d、e、 f和g,通過(guò)控制不同段的點(diǎn)亮和熄滅,可顯示16進(jìn)制數(shù)字0～9和A、B、C、D、E、F也能顯示H、L、P等字符。有的產(chǎn)品還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)DP位段，用來(lái)顯示小數(shù)。 LED顯示器以發(fā)光二極管作為顯示發(fā)光部件，每段并按共陰極方式或共陽(yáng)極方式連接后封裝而成的。共陽(yáng)極結(jié)構(gòu)中，各LED二極管的陽(yáng)極被連在一起，使用時(shí)要將它與+5V相連，而把各段的陰極連到器件的相應(yīng)引腳上。當(dāng)要點(diǎn)亮某一段時(shí)，只要將相應(yīng)的引腳（陰極）接低電平。對(duì)于共陰極結(jié)構(gòu)的LED顯示器，陰極連在一起后接地，各陽(yáng)極段接到器件的引腳 上，要想點(diǎn)亮某一段時(shí)，只要將相應(yīng)引腳接高電平。LED顯示器的一個(gè)段發(fā)光時(shí)，通過(guò)該段的平均電流約為10mA～20mA。 將一個(gè)8位并行輸出口與顯示器的發(fā)光二極管引腳相連，8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符，通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。共陽(yáng)極與共陰極的段選碼互為補(bǔ)數(shù)。 LED顯示器與顯示方式: LED顯示器有靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。 LED顯示器工作在靜態(tài)顯示方式下，共陰極或共陽(yáng)極連接在一起接地或+5V；每位的段選線（a～d p）與一個(gè)8位并行口相連。顯示電路中，每一位可獨(dú)立顯示，只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。由于每一位由一個(gè)8位輸出口控制段選碼，故在同一時(shí)間里每一位顯示字符可以各不相同。N位靜態(tài)顯示器要求有N×8根I/O口線，占用I/O資源較多。故在位數(shù)較多時(shí)往往采用動(dòng)態(tài)顯示方式。 LED動(dòng)態(tài)顯示方式，在多位LED顯示時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I/O口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽(yáng)極點(diǎn)分別由相應(yīng)的I/O口線控制。 由PLC的Q0.0～Q0.7提供段選碼顯示，再由Q1.0～Q1.3接一個(gè)74LS138譯碼器的A、B、C及控制端。因?yàn)?4LS138譯碼器輸出的是低電平選通，因此譯碼后需要連接到集電極開路六高壓正相驅(qū)動(dòng)器74LS07輸出低電平來(lái)驅(qū)動(dòng)6個(gè)LED數(shù)碼管。 顯示方案采用74LS138譯碼器進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展，把需要的輸出點(diǎn)數(shù)從14位減少到了12位，從而減少了所需要的輸出點(diǎn)數(shù)，不需要進(jìn)行額外的I/O口擴(kuò)展，就能實(shí)現(xiàn)6個(gè)LED的動(dòng)態(tài)顯示。 本試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)見圖3-11，詳見附錄。 圖3-11 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 PLC選型 控制系統(tǒng)可以采用單片機(jī)、可編程控制器（PLC）等，都可以實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能。但PLC相對(duì)于其他控制系統(tǒng)而言具有可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、易于掌握、靈活方便、體積小、功耗小等特點(diǎn)。因此，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)選用可編程控制器（PLC）。 在滿足控制要求的情況下，應(yīng)該選擇最合適的，一般可以從以下幾個(gè)方面考慮： 4.1.1 I/O點(diǎn)估算 I/O點(diǎn)數(shù)是PLC的一項(xiàng)重要指標(biāo)，合理選擇I/O點(diǎn)數(shù)既可以使系統(tǒng)滿足控制要求又可以使系統(tǒng)總投資最低。PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)和種類應(yīng)根據(jù)被控制對(duì)象的模擬量、開關(guān)量、輸入/輸出設(shè)備狀況（包括模擬量、開關(guān)量、輸出類型）來(lái)確定，一般一個(gè)輸入輸出原件要占一個(gè)輸入輸出點(diǎn)。考慮到今后的擴(kuò)充，一般應(yīng)估計(jì)的總能點(diǎn)數(shù)再加上15%~20%的備用量。 本設(shè)計(jì)所占用的I/O點(diǎn)數(shù)計(jì)算： 輸入信號(hào)：開始按鈕，需要一個(gè)輸入點(diǎn)；停止按鈕，需要一個(gè)輸入點(diǎn)；三個(gè)限位開關(guān)，需要三個(gè)輸入點(diǎn)；兩個(gè)氣缸磁性開關(guān)，需要兩個(gè)輸入點(diǎn)；光電傳感器，需要一個(gè)輸入點(diǎn)。 以上共需要8個(gè)信號(hào)輸入點(diǎn)，考慮以后對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整與擴(kuò)充留有20%的備用點(diǎn)，即有8*20%=2，這樣共有10個(gè)輸入點(diǎn)。 輸出信號(hào)：步進(jìn)電機(jī)的脈沖接入信號(hào)和方向信號(hào)各需要一個(gè)輸出點(diǎn)，共4個(gè)輸出點(diǎn)；電磁換向閥需要一個(gè)輸出點(diǎn)，共2個(gè)輸出點(diǎn)；水平、垂直加載氣缸各需要一個(gè)輸出點(diǎn)，共2個(gè)；電磁溢流閥需要一個(gè)輸出點(diǎn)，共1個(gè)；LED顯示，共12個(gè)輸出點(diǎn)。以上共需要21個(gè)輸出點(diǎn)，考慮以后對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整與擴(kuò)充留有20%的備用點(diǎn)，即21*20%=4，這樣共有25個(gè)輸出點(diǎn)。 4.1.2用戶存儲(chǔ)量估算 用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如I/O點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量、量程結(jié)構(gòu)等。因此在程序設(shè)計(jì)之前只能粗略的估算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)I/O點(diǎn)及有關(guān)功能器占用內(nèi)存大致如下： 開關(guān)量輸入元件：10~20B/點(diǎn)； 開關(guān)量輸出元件：5~10B/點(diǎn)； 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：2B/個(gè)； 通信接口：一個(gè)接口一般需要300B以上； 根據(jù)上面算出總字?jǐn)?shù)再加上25%左右的備用量，就可以估算出所需要的內(nèi)存量，從而選擇合理的PLC內(nèi)存。 本設(shè)計(jì)所需CPU內(nèi)存的計(jì)算： 開關(guān)量輸入元件：10點(diǎn)*10~20B/點(diǎn)=100~200B； 開關(guān)量輸出元件：11點(diǎn)*5~10B/點(diǎn)=55~110B； 模擬量：2點(diǎn)*100~150B/點(diǎn)=200~300B； 總序內(nèi)存量：355~610B； 4.1.3本系統(tǒng)PLC配置 根據(jù)本設(shè)計(jì)所需的I/O口數(shù)、PLC所需存儲(chǔ)量，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)選用S7-200系列PLC的CPU的型號(hào)為CPU224（14輸入/10輸出，共計(jì)24個(gè)I/O點(diǎn)）、EM223的16點(diǎn)DC輸入/16點(diǎn)DC輸出和模擬量輸入模塊EM231。 PLC的I/O口地址分配如表4-1、4-2所示 表4-1 PLC輸入元件地址分配明細(xì)表 控制元件 符號(hào) 編程地址 備注說(shuō)明 啟動(dòng)開關(guān) SB1 I0.0 停止開關(guān) SB2 I0.1 左限位開關(guān) SQ1 I0.2 檢測(cè)臺(tái)架位置 右限位開關(guān) SQ2 I0.3 檢測(cè)臺(tái)架位置 夾緊氣缸1磁性開關(guān) I0.4 檢測(cè)夾緊裝置狀態(tài) 夾緊氣缸2磁性開關(guān) I0.5 檢測(cè)夾緊裝置狀態(tài) 滑塊限位開關(guān) SQ3 I0.6 檢測(cè)滑塊位置 光電傳感器 I0.7 計(jì)數(shù)器 表4-2 PLC輸出元件地址分配明細(xì)表 控制元件 編程地址 備注說(shuō)明 步進(jìn)電機(jī)1脈沖輸出 Q0.0 脈沖輸出 步進(jìn)電機(jī)1方向控制信號(hào) Q0.1 控制電機(jī)轉(zhuǎn)向 步進(jìn)電機(jī)2脈沖輸出 Q0.2 脈沖輸出 步進(jìn)電機(jī)2方向控制信號(hào) Q0.3 控制電機(jī)轉(zhuǎn)向 電磁閥1 Q0.4 驅(qū)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu) 電磁閥2 Q0.5 驅(qū)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu) 垂直加載氣缸電磁閥 Q0.6 驅(qū)動(dòng)加載機(jī)構(gòu) 水平加載氣缸電磁閥 Q0.7 驅(qū)動(dòng)加載機(jī)構(gòu) 電磁比例溢流閥 Q1.0 控制系統(tǒng)壓力 4.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 如圖4-1所示為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。圖中為一相的驅(qū)動(dòng)電路，兩相的與之相似。圖中的T1三極管可以用來(lái)控制電路的通斷，在三極管的基極的沒(méi)有電流時(shí)，電路處于斷開的狀態(tài)，在基極由電流流過(guò)的時(shí)候，三極管會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)電路處于閉合的狀態(tài)。由 T2、T3 兩個(gè)三極管組成達(dá)林頓式功放電路， 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的 3個(gè)繞組，使電機(jī)繞組的靜態(tài)電流達(dá)到近 2A。在電路中使用了光電耦合器，來(lái)避免外界的干擾因素影響控制器的正常工作。當(dāng)控制器輸出低電平的時(shí)候，三極管不會(huì)導(dǎo)通，因此繞組中也不會(huì)由電流通過(guò)；在控制器輸出高電平的時(shí)候，T1三極管導(dǎo)通，光電耦合器也會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)繞組中會(huì)有電流流過(guò)。 圖4-1驅(qū)動(dòng)電路示意圖 驅(qū)動(dòng)器采用共陽(yáng)極的方式連接，即將脈沖信號(hào)和方向控制信號(hào)的正端與控制器的電源正極相連，脈沖信號(hào)和方向控制信號(hào)的負(fù)端與控制器相應(yīng)的端口連接，在相應(yīng)端口電壓為低電平時(shí)才有效。步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線圖如圖4-2。 SH-2H042Ma型號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)的幅值為TTL電平，最大為5V，如果控制電源為5V則可以直接接入，否則，需要在外部連接限流電阻R，以保證給驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部光耦原件提供8~15mA的驅(qū)動(dòng)電流。 PLC與SH-2H042Ma型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接時(shí)，采用共陽(yáng)極連接方式，其接線圖如圖4-3所示。 圖4-2 驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)接線圖 圖4-3 PLC與驅(qū)動(dòng)器接線示意圖 圖4-4 電路圖  第5章 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)主要是控制各部分之間的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架位置的分析，確定其它機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 5.1主程序設(shè)計(jì) 當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始后PLC通過(guò)檢測(cè)限位開關(guān)狀態(tài)，控制電動(dòng)機(jī)2正傳，帶動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架至試驗(yàn)臺(tái)右側(cè)。隨后將限位開關(guān)2接通，電動(dòng)機(jī)2停止轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)夾緊機(jī)構(gòu)電磁換向閥接通，夾緊氣缸動(dòng)作，壓板夾緊臺(tái)架。氣缸采用帶有磁性檢測(cè)開關(guān)的活塞。當(dāng)氣缸夾緊后，磁性開關(guān)接通。PLC調(diào)用加載子程序，完成加載過(guò)程。PLC檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)左側(cè)滑塊位置檢測(cè)開關(guān)，檢測(cè)滑塊是否處于最高位。如果不在高位，控制電動(dòng)機(jī)1正轉(zhuǎn)，將滑塊調(diào)整到最高位，接通位置檢測(cè)開關(guān)。此時(shí)耐久性實(shí)驗(yàn)部分準(zhǔn)備就緒。PLC控制電動(dòng)機(jī)2反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)移至左側(cè)。至左側(cè)后，接通限位開關(guān)1。接通電磁換向閥，將實(shí)驗(yàn)臺(tái)架固定。 進(jìn)行耐久性試驗(yàn)時(shí)，按照預(yù)定設(shè)計(jì)程序進(jìn)行加載。當(dāng)加載次數(shù)到達(dá)預(yù)期值后，PLC控制電動(dòng)機(jī)1，將滑塊停于高位。在耐久性試驗(yàn)后，需要對(duì)踏板的變形量進(jìn)行檢測(cè)。電動(dòng)機(jī)2正傳將實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架移到試驗(yàn)臺(tái)右側(cè)，進(jìn)行位移檢測(cè)。加載過(guò)程與以上變形量檢測(cè)過(guò)程一致。 啟動(dòng)電機(jī)2 加載 夾緊氣缸2動(dòng)作 臺(tái)架位置檢測(cè) 初始化過(guò)程 開始 N 夾緊氣缸2動(dòng)作 滑塊位置檢測(cè) 調(diào)整滑塊 N 控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5-1所示。 Y 步進(jìn)電機(jī)1動(dòng)作 臺(tái)架位置檢測(cè) 啟動(dòng)電機(jī)2 Y N Y 夾緊氣缸1動(dòng)作 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù) 計(jì)數(shù)器是否到達(dá)預(yù)期值 N Y 電機(jī)2停止 夾緊氣缸1動(dòng)作 啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2 夾緊氣缸2動(dòng)作 結(jié)束 加載 圖5-1 主程序流程圖 5.2子程序設(shè)計(jì) 5.2.1加載子程序設(shè)計(jì) 根據(jù)QC/T788-2007中的規(guī)定，在位移檢測(cè)試驗(yàn)中，先對(duì)踏板進(jìn)行縱向、側(cè)向位移檢測(cè)，再進(jìn)行剛度檢測(cè)。在踏板做完耐久性試驗(yàn)后，需要再做一次縱向、側(cè)向位移檢測(cè)。縱向、側(cè)向位移和剛度檢測(cè)時(shí)所需的加載力并不相同，縱向和側(cè)向位移檢測(cè)時(shí)需要加載50N的力。剛度檢測(cè)時(shí)，需要加載300N的力。剛度檢測(cè)時(shí)，需要重復(fù)加載五次。所以加載程序可以根據(jù)判斷加載次數(shù)控制加載力的大小。 子程序開始時(shí)，PLC控制電磁溢流閥，使系統(tǒng)的輸出壓力為50N。先啟動(dòng)縱向加載氣缸對(duì)踏板進(jìn)行縱向加載，并按照要求，保持1min后，通過(guò)預(yù)先確定的測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)拉繩位移傳感器，測(cè)量踏板的變形量。并通過(guò)顯示系統(tǒng)顯示踏板的變形量。側(cè)向加載與縱向加載同時(shí)啟動(dòng)，由系統(tǒng)設(shè)置延時(shí)，在縱向加載完成后，延時(shí)完成，開始進(jìn)行側(cè)向加載。同樣保持1min后，測(cè)量并顯示變形量。 延時(shí)70s 縱向加載 開始 水平加載 延時(shí)70s 電磁溢流閥復(fù)位 加載次數(shù)小于6 電磁溢流閥動(dòng)作 Y N 返回 返回 圖5-2 加載子程序流程圖 通過(guò)氣缸的磁性開關(guān)，記錄加載次數(shù)。當(dāng)加載次數(shù)大于1時(shí)，即完成上述加載過(guò)程一次。此時(shí)PLC控制溢流閥，改變氣壓系統(tǒng)的壓力，使輸出力為300N。進(jìn)行剛度檢測(cè)過(guò)程中，需要程序循環(huán)五次。每次過(guò)程與位移檢測(cè)一致。完成加載后，測(cè)量并顯示變形量。耐久性試驗(yàn)完成后，需要再次進(jìn)行位移檢測(cè)。此次是第七次加載。所以根據(jù)加載次數(shù)，選擇程序的流程。 加載子程序如圖5-2所示 5.2.2步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)主要完成試驗(yàn)臺(tái)架的移動(dòng)，以及耐久性試驗(yàn)中的加載過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，臺(tái)架要能完成左右移動(dòng)的過(guò)程，因此控制系統(tǒng)要求能夠控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 可知試驗(yàn)臺(tái)的移動(dòng)位置，可以采用先設(shè)置一定的脈沖數(shù)量，在每給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖，就將脈沖數(shù)量減一，直到脈沖數(shù)為零，在步進(jìn)電機(jī)不發(fā)生丟步的情況下，試驗(yàn)臺(tái)就能準(zhǔn)確的到達(dá)目的地。 絕對(duì)值位置參數(shù)作為一個(gè)重要的參數(shù)，也應(yīng)該被計(jì)算出來(lái)，因此，在步進(jìn)電機(jī)正向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，每先前運(yùn)動(dòng)一步，就將電機(jī)的絕對(duì)位置加1，步進(jìn)電機(jī)每反向運(yùn)動(dòng)一步，就將其絕對(duì)位置減1?？刂屏鞒虉D如圖5-3所示。 步數(shù)減1 停機(jī) 越界 絕對(duì)位置加1 絕對(duì)位置減1 正轉(zhuǎn) 控制口=1 改變控制口狀態(tài) 步數(shù)=0？ 縱向加載 重裝定時(shí)常數(shù) 退出 N Y N N Y Y Y N Y N Y Y Y Y 圖5-3 步進(jìn)電機(jī)控制流程圖 第6章 工程定額概算 6.1 經(jīng)濟(jì)成本預(yù)算 材料選用 本冊(cè)實(shí)驗(yàn)定額中的材料用量包括直接消耗在機(jī)械設(shè)備中的使用量和合理的規(guī)定的損耗量。主材鋼板所用尺寸為1600mm×6000，若實(shí)際尺寸小于該規(guī)格，則另外有3％的損耗量。 本設(shè)計(jì)選用材料并不復(fù)雜，標(biāo)件選型應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性 實(shí)用性 穩(wěn)定性等因素，系統(tǒng)的硬件設(shè)備要求堅(jiān)固穩(wěn)定，所以我選用了HT-200灰鑄鐵為臺(tái)架，推桿等主要設(shè)施的材料。動(dòng)力系統(tǒng)首選氣缸，缸筒為鋁合金或黃銅，表面粗糙度為Ra0.8um。而電子元件方面，步進(jìn)電機(jī)選用17Hs10123HS2001，驅(qū)動(dòng)器軍選擇SH-2H042Ma。 定額中對(duì)用量較少，對(duì)基價(jià)影響叫小的的零星材料和零星小型機(jī)械，并成為其他費(fèi)用。 定額中對(duì)用量較少，對(duì)基價(jià)影響叫小的的零星材料和零星小型機(jī)械，并成為其他費(fèi)用。單位為“元”。 汽車踏板疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)各部件經(jīng)濟(jì)預(yù)算如表所示: 表6-1 汽車踏板疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)各組件估價(jià) 序號(hào) 組件部分 數(shù)量/件 估價(jià)/元 1 臺(tái)架 1 4000 2 夾緊機(jī)構(gòu) 1 4000 3 氣缸 1 47300 4 加載機(jī)構(gòu) 1 1700 5 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器 1 40000 6 電控系統(tǒng) 1 79000 7 總成定位工裝組件 1 12000 6.2項(xiàng)目管理方面 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分析 汽車踏板疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)要求我們進(jìn)行許多的力學(xué)測(cè)試，耐久性試驗(yàn)需要并反復(fù)進(jìn)行無(wú)數(shù)次。而位移試驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以精準(zhǔn)把控加載的力和時(shí)間。所以試驗(yàn)臺(tái)如果不堅(jiān)固穩(wěn)定，強(qiáng)度不高，容易導(dǎo)致臺(tái)架損耗巨大，而氣缸不光滑就易使摩擦阻力影響實(shí)驗(yàn)精度。因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中須保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)星穩(wěn)定可靠，給加載系統(tǒng)較小的阻力。電器部分中，光電元件易受外接影響，電源也常會(huì)收到電磁干擾，甚至有可能出現(xiàn)安全問(wèn)題。這就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)電器部分時(shí)考慮到電磁屏蔽問(wèn)題、光電隔離、安全防護(hù)措施，確保實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)而順利的進(jìn)行。同時(shí)要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試數(shù)據(jù)保存方面的辦證。使我們能精確，快速得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以更快更好的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以考慮多線程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)曲線自動(dòng)描繪的功能，加強(qiáng)試驗(yàn)臺(tái)的便捷性，精準(zhǔn)性。 6.3環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展方面 汽車踏板疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)對(duì)環(huán)境的影響 本冊(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)材料選擇簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)選用的HT-200灰鑄鐵、鋁合金、高速鋼皆為綠色材料。而一些易產(chǎn)生噪音的元件如步進(jìn)電機(jī)在工作使高速運(yùn)行，產(chǎn)生最低可達(dá)到35分貝超低音，完全符合分貝達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)且實(shí)驗(yàn)臺(tái)可循環(huán)作業(yè)，減少了污染問(wèn)題，試驗(yàn)臺(tái)工作中遠(yuǎn)離人群，改善水源循環(huán)系統(tǒng)的利用，促進(jìn)供電，廢水等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施改造，提高廢水處理和循環(huán)系統(tǒng)的回用率。設(shè)計(jì)理念符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。 24 結(jié)論 汽車踏板疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)能一次性測(cè)量多個(gè)參數(shù)性能的綜合性試驗(yàn)臺(tái)，屬汽車測(cè)試設(shè)備領(lǐng)域。結(jié)合了自動(dòng)控制原理與控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器信號(hào)處理技術(shù)等知識(shí)，與本專業(yè)課程結(jié)合緊密，對(duì)我們夯實(shí)學(xué)校知識(shí)具有極好的價(jià)值。 本次試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)根據(jù)由中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部制定的汽車行業(yè)部標(biāo)準(zhǔn): QC/T788- 2007(汽車踏板裝置性能要求及臺(tái)架實(shí)驗(yàn)方法）的相關(guān)規(guī)定對(duì)汽車踏板裝置疲勞壽命實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用了氣缸為動(dòng)力裝置，由臺(tái)架、夾緊機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)等組成的能很好應(yīng)對(duì)測(cè)量目標(biāo)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。采用了西門子PLC控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了I/O點(diǎn)估計(jì)、用戶儲(chǔ)存量估計(jì)等算法確定了PLC的內(nèi)存與配置。對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制與參數(shù)監(jiān)測(cè)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量研究、設(shè)計(jì)、計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車踏板耐久性和位移兩方面性能的測(cè)試。效果顯著，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較精確，實(shí)驗(yàn)過(guò)程較快捷，方便。 本實(shí)驗(yàn)主要模擬了汽車在實(shí)際情況下的工作狀態(tài)，運(yùn)用傳感器技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)等，通過(guò)試驗(yàn)的方式進(jìn)行采集一系列的數(shù)據(jù)并且進(jìn)行處理計(jì)算,從而對(duì)汽車踏板裝置的疲勞壽命做出準(zhǔn)確的計(jì)算。在元件的選擇上參考了前輩的經(jīng)驗(yàn)同時(shí)又有創(chuàng)新，比如采用氣缸作為動(dòng)力裝置比之前的液壓缸減少了液壓油的加注，減少了能源浪費(fèi)。 時(shí)代的發(fā)展背景下，現(xiàn)在的汽車踏板疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，從原來(lái)的繁瑣單一的測(cè)量到現(xiàn)在測(cè)量的簡(jiǎn)便化，多個(gè)性能參數(shù)也可以同時(shí)測(cè)量。電器元件安全可靠，機(jī)械裝置堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，測(cè)量精確快捷，數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，為我們的研究工作帶來(lái)便利。但是我認(rèn)為在汽車踏板疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究上，我們還可以繼續(xù)鉆研探索，更上一層樓，讓本類研究更加多元化。 參考文獻(xiàn) [1] 劉思寧.大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)全程指導(dǎo)[M].成都：西安交通大學(xué)出版社，2001 [2] 常曉玲電器控制系統(tǒng)與可編程控制器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [3] 崔繼仁，王越男，張艷麗.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京電力出版社，2010 [4] 周萬(wàn)珍，高鴻斌.PLC分析與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004 [5] 熊詩(shī)波，黃長(zhǎng)藝.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006 [6] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006 [7] 陳奎生.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010 [8] 王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011 [9] 高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2004 [10]劉華波.西門子S7-200PLC編程及應(yīng)用案例精選[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009 [11]張毅剛，彭喜元，彭宇.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2010 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經(jīng)過(guò)十六周的工作，終于完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，在此衷心感謝我的校內(nèi)指導(dǎo)老師姜濤老師、姜殿鑫高工兩位老師在百忙之中對(duì)我的指導(dǎo)，在老師的教導(dǎo)下，我從茫然的狀態(tài)慢慢學(xué)會(huì)了設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。姜老師對(duì)于我提出的問(wèn)題做出詳細(xì)耐心講解，并且非常關(guān)心我的日常生活，在我眼里不僅怹是個(gè)學(xué)問(wèn)淵博的老師，更是個(gè)和藹可親的長(zhǎng)輩，對(duì)研究精益求精，對(duì)學(xué)術(shù)一絲不茍，在設(shè)計(jì)的完成過(guò)程中關(guān)心每個(gè)細(xì)節(jié)，從機(jī)械部分的繪制、電路和程序的設(shè)計(jì)多次對(duì)我們進(jìn)行當(dāng)面指導(dǎo)。他以自己和獨(dú)到的見解為我指出了設(shè)計(jì)中的許多問(wèn)題，使我受益匪淺。姜濤老師在我困惑時(shí)給予我指導(dǎo)，生活上對(duì)我倍加關(guān)心，老師平易近人的態(tài)度更使我倍感親人般的溫暖。作為我大學(xué)畢業(yè)之際最后引導(dǎo)完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目的老師怹的認(rèn)真負(fù)責(zé)和嚴(yán)格要求我們時(shí)的態(tài)度是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣。 同時(shí)也特別感謝同在姜老師組內(nèi)的幾位同學(xué)，在此之間我們并不熟悉，但是因?yàn)楣餐膶W(xué)習(xí)目標(biāo)下，大家都很快開始互相幫助，在老師的指導(dǎo)下共同解決問(wèn)題，不僅收獲了友誼，還在大學(xué)的最后時(shí)光共同學(xué)習(xí)到很多知識(shí)。 在長(zhǎng)春理工大學(xué)的學(xué)習(xí)生涯短暫而充實(shí)，期間我遇到了許多優(yōu)秀的老師和同學(xué)，從他們身上我學(xué)到了很多東西，也認(rèn)識(shí)了自身的許多不足。在他們身邊我漸漸成長(zhǎng)為一名合格的大學(xué)生。相信以后也會(huì)成為一個(gè)對(duì)社會(huì)有貢獻(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)個(gè)人價(jià)值的人。 附 錄 附-1 裝配示意圖一 附-2 裝配示意圖二 附-3 夾緊機(jī)構(gòu)示意圖 附-4 加載機(jī)構(gòu)示意圖一 附-5 加載機(jī)構(gòu)示意圖二 附-6 裝配示意圖三 30