畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）汽車縱梁檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、汽車縱梁檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) structure design of auto-carling detection device 設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)題目：汽車縱梁檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)汽車縱梁檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 學(xué)院名稱：學(xué)院名稱： 機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)名稱：專業(yè)名稱： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化機(jī)械制造及其自動(dòng)化 班級(jí)名稱：班級(jí)名稱： 機(jī)制機(jī)制 08310831 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 教師職稱：教師職稱： 講師講師 完成時(shí)間：完成時(shí)間： 20102010 年年 6 6 月月 1414 日日 長長 春春 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 20112011 年年 6 6 月月

2、 1515 日日 摘摘 要要 傳統(tǒng)汽車縱梁檢測(cè)主要以人工方式進(jìn)行，檢測(cè)工人把縱梁和標(biāo)準(zhǔn)縱梁圖紙進(jìn)行 比對(duì)來檢測(cè)是否有漏孔、用千分尺等工具手動(dòng)測(cè)量孔心位置是否合乎要求。這種檢 測(cè)方式嚴(yán)重依賴人工，可靠性不高，效率不高，不適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要。為 克服這些弊端，提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了一種以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化檢測(cè)裝 置。首先對(duì)縱梁基本結(jié)構(gòu)、數(shù)字圖像處理技術(shù)和汽車檢測(cè)技術(shù)做了簡單的介紹，然 后對(duì)檢測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)方案做了詳細(xì)的介紹，之后對(duì)裝置的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)， 并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 控制系統(tǒng)使用西門子 s7-200 系列 plc 實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過程的 自動(dòng)化運(yùn)行，并使用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了縱梁支

3、撐部件的運(yùn)動(dòng)控制。該自動(dòng)化檢測(cè)裝置 操作簡單，可靠性高，檢測(cè)精度高，大大改善了生產(chǎn)效率。 關(guān)鍵詞 縱梁 自動(dòng)檢測(cè) 可編程序控制器 液壓系統(tǒng) abstract detection of the traditional auto girder has been conducted primarily in the manualbasis .the worker test whether the holes is whole by compare with the standard drwing and test the position of hole whether is right using

4、 the micrometer . this approach relies serious on the workers, reliability and efficiency is low and does not meet the demand of modern industrial production. to overcome these shortcomings, improve productive efficiency, designed a automatic equipment which is base on image processing techniques. f

5、irst, making a brief introduction to the basic structure of the girder basic strukture,digital image processing technology and vehicle inspection technology, then detailedly introduce the holistic design proposal of the testing equipment and make the desigen of equipment and the control system. the

6、control system uses s7-200 series plc of siemensplc s7-200 to achieve the automation of the detection process, and uses the hydraulic system to control some of the components. the automatic detection device is simple to operate, high reliabilitiy and pricision,greatly improved production efficiency.

7、 keywords：girder, automaticalliy detected, plc, hydraulic system 目 錄 1 前 言.1 1.1 縱梁概述 .1 12 數(shù)字圖像處理技術(shù)簡介 .1 13 汽車檢測(cè)技術(shù)概述 .2 1.3.1 國外汽車檢測(cè)技術(shù)發(fā)展概況 .2 1.3.2 國內(nèi)汽車檢測(cè)技術(shù)發(fā)展概況 .4 14 課題的提出與主要任務(wù) .5 1.4.1 課題的提出 .6 4.1.2 課題的主要任務(wù) .6 2 總體設(shè)計(jì)方案.6 2.1 縱梁拍攝方式的選擇 .7 2.2 攝像小車的設(shè)計(jì) .8 2.2.1 小車運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) .8 2.2.2 電機(jī)的選擇 .9 2.2.3 攝像機(jī)高度

8、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .9 2.3 底座的設(shè)計(jì) .9 2.4 液壓系統(tǒng)原理 .11 2.4.1 換向方式選擇 .11 2.4.2 調(diào)速和調(diào)壓方式設(shè)計(jì) .11 2.4.3 其他輔助元件 .11 2.4.4 液壓系統(tǒng)原理圖 .12 2.5 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) .12 2.5.1 控制器的選擇 .12 2.5.2 控制對(duì)象的確定 .13 2.5.3 控制過程設(shè)計(jì) .13 3 硬件部分設(shè)計(jì).13 3.1 攝像小車設(shè)計(jì) .13 3.1.1 機(jī)架的設(shè)計(jì) .14 3.1.2 攝像機(jī)支架設(shè)計(jì) .16 3.1.3 伺服電機(jī)的選用 .20 3.1.4 齒輪齒條設(shè)計(jì) .22 3.2 底座設(shè)計(jì) .24 3.2.1 滑臺(tái)的設(shè)計(jì)

9、.24 3.2.2 支撐板的設(shè)計(jì) .25 3.3 液壓元件的選擇 .26 3.3.1 液壓缸的計(jì)算與選擇 .26 3.3.2 液壓泵的計(jì)算與選擇 .27 3.3.4 管道尺寸的確定 .29 3.3.5 液壓油箱容積的確定 .29 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及編程.29 4.1 主要結(jié)構(gòu)與工作方式 .29 4.2 檢測(cè)裝置的控制要求 .30 4.3 i/o 分配.31 4.4 硬件配置 .32 4.5 程序設(shè)計(jì) .33 設(shè)計(jì)總結(jié).37 致 謝.38 參考資料.39 1 前 言 1.1 縱梁概述 汽車縱梁是汽車中承受車身及汽車有效荷載的基礎(chǔ)構(gòu)件之一，被稱為汽車的脊梁。一 般載重貨車的車架，就是采用的縱梁式車

10、架。這種車架由兩根貫穿汽車前后的縱梁為主體， 中間以幾根橫梁相連，組成一個(gè)框架?？v梁除了起支撐整個(gè)車身的作用外，很多總成器件 都要通過縱梁安裝。汽車制造行業(yè)中，縱梁的生產(chǎn)工藝一般為落料沖孔（鉆孔）成形。由 于受人為因素及模具、設(shè)備狀態(tài)的影響，每批縱梁除對(duì)張口、翼面高度檢測(cè)外，還需對(duì)發(fā) 動(dòng)機(jī)安裝孔、鋼板彈簧支架孔等重要的位置進(jìn)行檢測(cè)。2汽車縱梁是汽車上最長的零件， 一般是長為 5 米到 12 米之間，板厚 5 毫米到 10 毫米，板上有 200 到 500 個(gè)孔，其成型的 縱梁斷面有 z 型和 u 型，3如圖 1.1 所示： 1、z 型 2、u 型 圖 1.1 縱梁斷面形式 12 數(shù)字圖像處理技

11、術(shù)簡介 數(shù)字圖像處理的英文名稱是“digital image processing”。所謂數(shù)字圖像處理就是 利用計(jì)算機(jī)或者其他數(shù)字硬件，對(duì)從圖像信息轉(zhuǎn)換得來的電信號(hào)進(jìn)行某些數(shù)學(xué)運(yùn)算，以提 高圖像的實(shí)用性。圖像處理最早出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 50 年代，當(dāng)時(shí)的電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展到一 定水平，人們開始利用計(jì)算機(jī)來處理圖形和圖像信息。數(shù)字圖像處理技術(shù)處理精度比較高， 而且還可以通過改進(jìn)處理軟件來優(yōu)化處理效果。4一個(gè)典型的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)主要包括 照明、鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡、視覺處理器五大部分。（如圖 1.2 所示） 圖 1.2 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)組成 13 汽車檢測(cè)技術(shù)概述 汽車檢測(cè)技術(shù)是伴隨著汽車技術(shù)

12、的發(fā)展而發(fā)展的。在汽車發(fā)展的早期，人們主要是通 過“望” 眼看)、“聞” (耳聽)、“切”(手摸)的方法，憑借維修人員的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)汽車 的故障并作有針對(duì)性的修理。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步， 汽車檢測(cè)技術(shù)也飛速發(fā)展。目前人們已能依靠各種先進(jìn)的儀器設(shè)備，對(duì)汽車進(jìn)行不解體檢 測(cè)，達(dá)到安全、迅速、準(zhǔn)確地診斷和評(píng)價(jià)汽車性能的目的，使汽車檢測(cè)設(shè)備和儀器成為汽 車維護(hù)與修理，保持汽車實(shí)用性能的不可缺少的工具。 10 1.3.1 國外汽車檢測(cè)技術(shù)發(fā)展概況 從汽車檢測(cè)、診斷技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展過程來看，大致經(jīng)歷了 4 個(gè)同的發(fā)展 階段： 第 1 個(gè)階段 這個(gè)階段的檢測(cè)、 診斷設(shè)備是以機(jī)械結(jié)構(gòu)

13、為主的單機(jī)人工操作階段。雖然檢測(cè) 、診 斷設(shè)備和儀器結(jié)構(gòu)較簡單，測(cè)試精度也不高，但已從過去的人工定性檢查進(jìn)化為設(shè)備 、儀 器的定量檢測(cè)，從現(xiàn)場(chǎng)或路試發(fā)展為相關(guān)性臺(tái)架的試驗(yàn)。這小僅省時(shí)、省錢而且在檢測(cè)數(shù) 據(jù)精度上，也是一個(gè)質(zhì)的飛躍。 在 50 年代以前，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家就已開發(fā)了以故障診斷和性能調(diào)試為主的單項(xiàng)檢 測(cè)技術(shù)和生產(chǎn)單項(xiàng) 檢測(cè)設(shè)備。60 年代初期就有美國的發(fā)動(dòng)機(jī)分析儀、英國的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火 故障分析儀和平板式制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)等進(jìn)入我國，這些都是發(fā)達(dá)國家早期發(fā)展的汽車檢測(cè)設(shè)備 和儀器。 第 2 個(gè)階段 這個(gè)階段是單機(jī)機(jī)電一體化一計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)化階段。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國外汽 車檢測(cè)設(shè)備在自動(dòng)化、精

14、確化和綜合化等方面都有了新的發(fā)展，應(yīng)用新技術(shù)，開拓新的檢 測(cè)領(lǐng)域，研制出許多新型檢測(cè)設(shè)備和儀器，60 年代后期，國外大量開發(fā)出應(yīng)用電子、光學(xué)、 理化與機(jī)械相結(jié)合的光機(jī)電、理化機(jī)電一體化的檢測(cè)、診斷設(shè)備。并與單板機(jī)、單片機(jī)或 微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合，使檢測(cè)、診斷設(shè)備首先走向單機(jī)自動(dòng)化。 第 3 個(gè)階段 這個(gè)階段是汽車檢測(cè)設(shè)備智能化，汽車檢測(cè)線自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化階段。隨著電 子計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，汽車檢測(cè)設(shè)備向智能化方面發(fā)展，出現(xiàn)了一些具有智能化功能 的檢測(cè)設(shè)備，它們能對(duì)設(shè)備本身和汽車技術(shù)狀況進(jìn)行檢測(cè)，并能判斷出故障發(fā)生的部位， 引導(dǎo)維修人員迅速排除故障。 80 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在汽車檢測(cè)領(lǐng)域

15、中的應(yīng)用進(jìn)一步向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了 集檢測(cè)工藝操作、數(shù)據(jù)采集和打印、存儲(chǔ)與顯示等功能于一體的系統(tǒng)軟件，使汽車檢測(cè)線 實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化。這樣不僅可以避免人為的判斷錯(cuò)誤，提高檢測(cè)的精確性和檢測(cè)速度，而 且可以把受檢車輛的技術(shù)狀況儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，既可作為車輛技術(shù)性能的檔案資料備查， 也可供處理交通事故時(shí)參考。全自動(dòng)汽車安全檢測(cè)線、汽車維修檢測(cè)系統(tǒng)和全自動(dòng)汽車綜 合性能檢測(cè)線都是這方面的實(shí)例。 第 4 個(gè)階段 這個(gè)階段是汽車檢測(cè)、診斷技術(shù)已發(fā)展到車載自診斷系統(tǒng)及汽車故障診斷專家系統(tǒng)階 段車載自診斷系統(tǒng)一般是作為汽車結(jié)構(gòu)的組成部分，利用安裝在汽車內(nèi)各個(gè)部位的傳感器， 將汽車的主要技術(shù)狀況經(jīng)常地、自動(dòng)地

16、向駕駛員顯示。顯示方式有聲光訊號(hào)，也有數(shù)字式 圖形訊號(hào)。英國通用汽車公司的 misar 車載自診斷系統(tǒng)檢測(cè)已采用微機(jī)控制，始終維持發(fā) 動(dòng)機(jī)及汽車在最佳工況運(yùn)行，并可對(duì) 50 多個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。美國凱迪拉克 轎車系列，日本豐田、本田轎車系列等均已先后采用了車載自診斷系統(tǒng)。 1.3.2 國內(nèi)汽車檢測(cè)技術(shù)發(fā)展概況 我國汽車檢測(cè)技術(shù)的研究和開發(fā)起步較晚，進(jìn)人 60 年代開始研究汽車檢測(cè)技術(shù)，為了 滿足汽車維修的需要，當(dāng)時(shí)由交通部主持進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸漏氣量檢測(cè)儀、點(diǎn)火正時(shí)燈等 檢測(cè)儀器的研究。7o 年代，汽車不解體檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備被列為國家科委開發(fā)的應(yīng)用項(xiàng)目。 由交通部主持研制了汽車制動(dòng)試驗(yàn)

17、臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)綜合檢測(cè)儀和汽車性能綜合檢驗(yàn)臺(tái)等。進(jìn)人 80 年代，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國汽車工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)汽車檢測(cè)、診斷 技術(shù)和設(shè)備的需求也與日俱增。我國汽車保有量迅速增加， 汽車的運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性和 排放污染已成為人們?cè)絹碓街匾暤纳鐣?huì)問題，于是汽車的安全、節(jié)能和環(huán)保逐漸提到政府 有關(guān)部門的議事日程，因而促進(jìn)了汽車檢測(cè)與診斷技術(shù)的發(fā)展。與此同時(shí)又相繼研制了側(cè) 滑試驗(yàn)臺(tái)、軸( 輪)重儀、車速表試驗(yàn)臺(tái)、前照燈檢測(cè)儀和底盤測(cè)功機(jī)等。 國家“六五”期間重點(diǎn)推廣了汽車檢測(cè)與診斷技術(shù)?！捌呶濉逼陂g，交通部又把“汽車檢 測(cè)、診斷設(shè)備在汽車維修生產(chǎn)中的應(yīng)用”課題列為重點(diǎn)新技術(shù)推廣項(xiàng)目，組織有關(guān)單

18、位進(jìn) 行了研究和試點(diǎn)。經(jīng)過 2 年的推廣試驗(yàn)，首批推薦了部分國產(chǎn)檢測(cè)、診斷設(shè)備及操作要點(diǎn)， 車輛技術(shù)狀況的診斷方法，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷實(shí)例等 在單臺(tái)檢測(cè)設(shè)備研制成功的基礎(chǔ)上，交通部從 1980 年開始有計(jì) 劃地在全國公路運(yùn)輸和 車輛管理部門籌建汽車檢測(cè)站，檢測(cè)內(nèi)容以汽車的安全性能檢測(cè)為主。80 年代初，交通部 在大連市建立了國內(nèi)第一個(gè)汽車檢測(cè)站。從工藝上提出了將各種單臺(tái)檢測(cè)設(shè)備安裝聯(lián)線 ， 構(gòu)成功能齊全的汽車檢測(cè)線，其檢測(cè)綱領(lǐng)為 3 萬輛次年。此后，交通部又先后要求 l0 多 個(gè)省市、自治區(qū)交通廳(局) 籌建汽車檢測(cè)站，并在唐山等地建成了具有相當(dāng)規(guī)模的汽車檢 測(cè)站。到 80 年代中期，由于汽車

19、監(jiān)理工作由交通部轉(zhuǎn)由公安部主管，原來車管所的汽車檢 測(cè)站也一并劃歸公安車管系統(tǒng)。公安車管系統(tǒng)在已有檢測(cè)站的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了推廣和發(fā)展， 到目前為止 全國已建成的汽車安全檢測(cè)線(站) 達(dá) 1000 余條。與此同時(shí)，汽車的檢測(cè)技 術(shù)和裝備也得到了大力發(fā)展。7o 年代國內(nèi)僅能生產(chǎn)少量簡單的檢測(cè)、診斷設(shè)備 。20 多年 來，汽車檢測(cè)、診斷設(shè)備得到了長足的進(jìn)步和發(fā)展，截止 2000 年底，設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)達(dá) 1000 多家，產(chǎn)品有 11000 多個(gè)品種，2800 多個(gè)規(guī)格型號(hào)。交通、機(jī)械、電子、城建和高 等院校等部門都進(jìn)入到汽車檢測(cè)儀器和設(shè)備的研制、開發(fā)、生產(chǎn)和銷售領(lǐng)域。我國已能生 產(chǎn)全套汽車檢測(cè)設(shè)備。 14

20、 課題的提出與主要任務(wù) 隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，自動(dòng)化程度的不斷加深，一些傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)、檢測(cè)手段 以不再適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)實(shí)際。在汽車檢測(cè)方面，傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)完全依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)發(fā) 現(xiàn)故障或缺陷，然后對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的維修。隨著汽車檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，這種傳統(tǒng)檢測(cè)手 段已經(jīng)表現(xiàn)出了許多不足，其缺點(diǎn)主要有以下幾方面： （1）嚴(yán)重依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)，檢測(cè)結(jié)果不可靠； （2）檢測(cè)精度低，檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定； （3）檢測(cè)時(shí)間長，效率低下； （4）人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，技術(shù)員易發(fā)生安全問題。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，汽車檢測(cè)技術(shù)也在飛速發(fā) 展。目前人們已經(jīng)依靠各種先進(jìn)的儀器設(shè)

21、備，對(duì)汽車進(jìn)行不解體檢測(cè)，這樣不僅克服了傳 統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，而且大大縮短了汽車的生產(chǎn)維修時(shí)間，解放了勞動(dòng)力?，F(xiàn)代汽車檢測(cè) 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有很多，主要包括以下幾個(gè)方面： （1）由于采用了自動(dòng)化控制技術(shù)，使檢測(cè)過程簡單、迅速； （2）依靠計(jì)算機(jī)分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，是檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確翔實(shí)； （3）檢測(cè)精度高； （4）可進(jìn)行定量分析，使人們能更加詳細(xì)的了解產(chǎn)品信息。 雖然現(xiàn)代汽車檢測(cè)技術(shù)有自己突出的優(yōu)勢(shì)，但由于采用了更多的科技產(chǎn)品和精密設(shè)備、 儀器，因而不可避免的增加了生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品投資加大，同時(shí)也限制了它的應(yīng)用范圍。 現(xiàn)代汽車檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于如下場(chǎng)合： （1）大批量生產(chǎn)零件的檢測(cè)； （2）檢測(cè)精度要求較

22、高，傳統(tǒng)檢測(cè)方法無法滿足要求的場(chǎng)合； （3）檢測(cè)項(xiàng)目較多，檢測(cè)過程復(fù)雜，傳統(tǒng)方法對(duì)技術(shù)人員的數(shù)量和技術(shù)要求較高的場(chǎng) 合。 1.4.1 課題的提出 汽車縱梁檢測(cè)是汽車檢測(cè)技術(shù)的一部分。汽車縱梁在汽車結(jié)構(gòu)有著重要的作用，被稱 為汽車的脊梁?？v梁除了起支撐整個(gè)車身的作用外，很多總成器件都要通過縱梁安裝。當(dāng) 孔漏了或者孔的位置或直徑錯(cuò)了，裝配時(shí)總成安裝不上，就會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問題，因此需要對(duì) 縱梁上孔進(jìn)行檢測(cè)。 傳統(tǒng)汽車縱梁孔位檢測(cè)主要以人工方式進(jìn)行：檢測(cè)工人把縱梁和標(biāo)準(zhǔn)縱梁 autocad 圖 紙進(jìn)行比對(duì)來檢測(cè)是否有漏孔、用千分尺等工具手動(dòng)測(cè)量孔心位置是否合乎要求。1這種 檢測(cè)方式嚴(yán)重依賴人工，可靠性不高

23、，效率不高，不適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要。現(xiàn)在， 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是圖像處理技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，使縱梁檢測(cè)的自動(dòng)化成 為可能。 4.1.2 課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下: （1）完成縱梁檢測(cè)裝置的機(jī)械本體設(shè)計(jì)，包括運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和底座的設(shè)計(jì)； （2）完成縱梁檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中包括液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可編程控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)； 2 總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)的縱梁檢測(cè)裝置是一種適合于大批量生產(chǎn)的縱梁的檢測(cè)裝置。裝置將放置在縱梁 的沖壓車間，縱梁沖好后，接著對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。它可在振動(dòng)強(qiáng)烈的環(huán)境下進(jìn)行滿足精度要 求的檢測(cè)。 縱梁檢測(cè)的原理是：應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，采用工業(yè)攝像機(jī)對(duì)縱梁進(jìn)

24、行拍攝，將縱 梁的數(shù)字圖像信息采集到計(jì)算機(jī)，然后通過計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像處理算法，對(duì)縱梁上孔的信息 進(jìn)行分析，并與計(jì)算機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)縱梁 cad 圖紙進(jìn)行比對(duì)，已達(dá)到檢測(cè)目的。 課題主要對(duì)攝像系統(tǒng)硬件和攝像過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)模塊、 攝像模塊、圖像采集模塊和計(jì)算機(jī)組成，系統(tǒng)硬件模塊如圖 2.0 所示： 圖 2.0 系統(tǒng)硬件模塊圖 設(shè)計(jì)縱梁檢測(cè)裝置及控制系統(tǒng)的原則是: （1）充分分析縱梁技術(shù)要求，擬定最合理的檢測(cè)方式和控制系統(tǒng)的控制模式，并滿足 系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件； （2） 明確各種型號(hào)的縱梁形狀參數(shù)、精度要求，合理的設(shè)計(jì)裝置的實(shí)際檢測(cè)區(qū)間和 裝置的整體尺寸，使裝置可以滿足各種型

25、號(hào)的縱梁檢測(cè)要求； （3）盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn) 柔性轉(zhuǎn)換和編程控制； （4）控制系統(tǒng)應(yīng)操作簡單； （5） 再滿足檢測(cè)需求的前提下，考慮盡可能降低成本。 2.1 縱梁拍攝方式的選擇 縱梁是汽車上最長的零件，長 5 米到 12 米。3這么長的物體要一次拍攝下圖像是不 大可能的，且這時(shí)處理的精度也是問題了。如假設(shè)縱梁長 5 米，使用分辨率為 13001030 的攝像機(jī)拍攝，那最后每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的尺寸就是 4 毫米，這樣檢測(cè)精度就無法保證了。為 此，我們的取圖策略是將縱梁分段拍攝下來。實(shí)現(xiàn)分段拍攝一般有兩個(gè)途徑： （1）使用多個(gè)攝像機(jī)，每個(gè)攝像機(jī)只拍攝縱

26、梁的一部分。 （2）使用一個(gè)攝像機(jī)，讓縱梁和攝像機(jī)之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位置就拍攝一幅 圖像。 對(duì)于第一種方案雖然實(shí)現(xiàn)在分段拍攝時(shí)，控制策略簡單，但是一般工業(yè)用的攝像機(jī)都 比較昂貴，采用多個(gè)攝像機(jī)，在經(jīng)濟(jì)上是不可行的，而且拍圖設(shè)備體積太大，很難實(shí)現(xiàn)， 在工廠里也不實(shí)用。第二種方案雖然需要加上運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，但只用一個(gè)攝像機(jī)，非常經(jīng)濟(jì)。 這里我們采用第二種方案實(shí)現(xiàn)對(duì)縱梁的拍攝。為實(shí)現(xiàn)上述方案，系統(tǒng)應(yīng)由圖像傳感器組成 的攝像模塊、高速圖像采集模塊和運(yùn)動(dòng)模塊以及計(jì)算機(jī)組成。運(yùn)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)和縱梁 之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，攝像模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)縱梁圖像的拍攝，高速圖像采集模塊主要將攝像模塊拍 攝到的圖像采集到計(jì)算機(jī)中

27、去。 為實(shí)現(xiàn)上述方案，將攝像機(jī)固定于自制的小車上，把小車放在縱梁上，讓其沿縱梁行 走從而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，行走固定的距離后對(duì)縱梁進(jìn)行拍攝。 2.2 攝像小車的設(shè)計(jì) 攝像小車是整個(gè)檢測(cè)裝置的主體部分。作為檢測(cè)裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)其作用是：通過小車 沿著縱梁做直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)車載攝像機(jī)和縱梁之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)縱梁的拍 攝。主要部件有：車架、電機(jī)、控制器、攝像機(jī)等。 2.2.1 小車運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 小車沿縱梁做直線運(yùn)動(dòng)，可以通過以下三種方式實(shí)現(xiàn)： 方案一：車輪-導(dǎo)軌式 在小車底部安裝輪子，并用電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)使小車沿鋪設(shè) 在底座上的導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)； 方案二：絲杠-螺母式 在小車底部安裝絲杠螺母，在底座上

28、沿縱梁長度方向安裝絲 杠，并用電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠。這樣在絲杠螺母副的驅(qū)動(dòng)下小車做直線運(yùn)動(dòng)。 方案三：齒輪-齒條式 在小車車上安裝電機(jī)，并在電機(jī)上安裝齒輪，在底座上沿縱 梁長度方向上鋪設(shè)齒條，通過齒輪與齒條的嚙合將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為小車的直線運(yùn)動(dòng)； 第一種方案雖然可以實(shí)現(xiàn)小車的直線運(yùn)動(dòng)，但小車在行駛過程中車輪與導(dǎo)軌之間已發(fā) 生滑動(dòng)，不能對(duì)小車的位置進(jìn)行精確地定位，使得攝像的間隔不穩(wěn)定；第二種方案由于采 用了絲杠傳動(dòng)，不會(huì)存在方案一中的打滑現(xiàn)象，而且可以精確控制小車的運(yùn)行速度和位置， 定位精度高。但絲杠加工困難，生產(chǎn)成本高，需要定期維護(hù)；第三種方案采用了齒輪齒條 傳動(dòng)，不僅不存在打滑現(xiàn)象而且具有較好的

29、傳動(dòng)性能，定位可靠，控制簡單。齒輪齒條加 工比較容易，維護(hù)方便。因此，選用第三個(gè)方案作為小車的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 2.2.2 電機(jī)的選擇 1.攝像小車的電機(jī)是小車的驅(qū)動(dòng)部件，根據(jù)縱梁的檢測(cè)要求，必須對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的速度 進(jìn)行控制和對(duì)小車的位置進(jìn)行精確地定位，普通異步電機(jī)顯然不能滿足要求。考慮到小車 運(yùn)動(dòng)速度，且對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性要求較高，因此設(shè)計(jì)采用交流伺服電機(jī)對(duì)小車進(jìn)行精確 控制。 交流伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)是： （1）控制精度高 （2）矩頻特性好 （3）具有過載能力 （4）加速性能好 2.支撐桿的小車是控制支撐桿的收縮的驅(qū)動(dòng)部件，根據(jù)檢測(cè)要求必須對(duì)支撐桿的回轉(zhuǎn) 運(yùn)到進(jìn)行精確的控制，還需要能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，因此

30、也選用交流伺服電機(jī)對(duì)支撐桿進(jìn)行控制。 2.2.3 攝像機(jī)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于各種型號(hào)的縱梁寬度不一樣，為使攝像機(jī)獲得可調(diào)的視場(chǎng)寬度同時(shí)又保證清晰的 數(shù)字圖像，需對(duì)攝像機(jī)的工作高度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。絲杠傳動(dòng)精度較高，調(diào)節(jié)方便，因此設(shè) 計(jì)擬用絲杠作為相機(jī)的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。可將攝像機(jī)安裝在支架上，并在支架上安裝絲杠螺 母，在小車底座上安裝絲杠，并用手輪驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)絲杠螺母帶動(dòng)攝像機(jī)移動(dòng)， 從而達(dá)到調(diào)節(jié)目的。 2.3 底座的設(shè)計(jì) 底座即裝置的機(jī)架，是整個(gè)檢測(cè)裝置的基本，也是整個(gè)檢測(cè)裝置最大的部分，其作用 主要有： （1）承載工件（縱梁）； （2）安裝小車導(dǎo)軌，作為攝像小車的工作平臺(tái)； （3）安裝

31、人工光源，以加強(qiáng)攝像機(jī)的攝像質(zhì)量； （4）安裝液壓系統(tǒng)。 底座（機(jī)架）設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則： 5 （1）工況要求 保證安裝在底座上的零部件能順利運(yùn)轉(zhuǎn)；設(shè)置執(zhí)行某一工況所必須的平臺(tái)；保證上下 料的要求、人工操作的方便安全等。 （2）剛度要求 在必須保證特定外形的條件下，對(duì)機(jī)架的主要要求是剛度。檢測(cè)機(jī)構(gòu)工作環(huán)境振動(dòng)較 大，因此要求底座有較高的剛度。 （3）強(qiáng)度要求 對(duì)于一般的機(jī)架，剛度達(dá)到要求，同時(shí)也能滿足強(qiáng)度要求。由于底座承載的重量較輕， 且小車的運(yùn)動(dòng)不對(duì)底座產(chǎn)生工作應(yīng)力，故底座強(qiáng)度可以按剛度直接設(shè)計(jì)，不再考慮強(qiáng)度要 求。 （4）穩(wěn)定性要求 對(duì)于細(xì)長的或薄壁的受壓或受彎結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)問題，某些板殼結(jié)構(gòu)也存在

32、失穩(wěn)問題或 局部失穩(wěn)問題。失穩(wěn)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的破壞。 （5）美觀 目前對(duì)機(jī)器的要求不僅能完成特定的工作，還要外形美觀。 （6）其他 另外，底座承載縱梁，當(dāng)攝像機(jī)對(duì)縱梁進(jìn)行拍攝時(shí)，底座對(duì)縱梁的支撐部分不能擋住 從下方光源射出的光。因此，要求支撐部分面積應(yīng)很小。但是為適應(yīng)不同尺寸的縱梁檢測(cè)， 底座必須能夠支撐不同寬度的縱梁，縱梁的支撐部件太小顯然無法滿足要求。為滿足上述 兩點(diǎn)要求，可將縱梁支撐設(shè)計(jì)成寬度可調(diào)的。 因此，可以將檢測(cè)過程的支撐和裝卸縱梁時(shí)的支撐分開設(shè)計(jì)。裝卸時(shí)的支撐設(shè)計(jì)成支 撐桿形式，在縱梁寬度方向上全程支撐，檢測(cè)過程的支撐設(shè)計(jì)成可沿縱梁寬度方向滑動(dòng)的 滑臺(tái)，裝卸時(shí)的支撐桿由電機(jī)控制其

33、運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)時(shí)的支撐由液壓缸控制。當(dāng)裝卸工件時(shí)支 撐桿伸出、滑臺(tái)收回， 待檢測(cè)工件時(shí)支撐桿向下收回、滑臺(tái)伸出。底座結(jié)構(gòu)簡圖，如圖 2.3 圖 2.3 底座結(jié)構(gòu)簡圖 2.4 液壓系統(tǒng)原理 2.4.1 換向方式選擇 由于滑臺(tái)液壓缸有兩個(gè)方向的動(dòng)作，故需用換向閥對(duì)其進(jìn)行換向。換向閥是具有兩種 以上流動(dòng)形式和兩個(gè)以上油口的方向控制閥。是實(shí)現(xiàn)液壓油流的溝通、切斷和換向，以及 壓力卸載和順序動(dòng)作控制的閥門。可分為手動(dòng)換向閥、電磁換向閥、電液換向閥等。為實(shí) 現(xiàn)滑臺(tái)的自動(dòng)控制，必須選用電磁換向閥。 電磁換向閥是用電磁鐵的推力來推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)以變換流體流動(dòng)方向的控制閥，簡稱電 磁閥。通過變換閥心在閥體內(nèi)的相對(duì)位置，

34、使閥體各油口連通或斷開，從而控制執(zhí)行元件 的換向或啟停。這類閥操縱方便，布置靈活，易實(shí)現(xiàn)動(dòng)作轉(zhuǎn)換的自動(dòng)化，因此應(yīng)用廣泛。 6 2.4.2 調(diào)速和調(diào)壓方式設(shè)計(jì) 為滑臺(tái)的移動(dòng)速度，需在液壓系統(tǒng)中加入調(diào)速系統(tǒng)。為改變進(jìn)入液壓執(zhí)行原件的流量， 采用流量控制閥調(diào)節(jié)通過流量閥的流量，即采用節(jié)流調(diào)速回路。為使滑臺(tái)能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，在 液壓缸進(jìn)油回路安裝節(jié)流閥。 回路中壓力不應(yīng)過大，因此采用溢流閥來維持系統(tǒng)壓力，在溢流閥有溢流時(shí)，可維持 系統(tǒng)壓力恒定。另外，當(dāng)系統(tǒng)超載時(shí)，溢流閥才打開，對(duì)系統(tǒng)起過載保護(hù)作用，而平時(shí)溢 流閥關(guān)閉。 6 2.4.3 其他輔助元件 由于滑臺(tái)較重，當(dāng)滑臺(tái)由運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥Ｖ箷r(shí)就會(huì)有回油現(xiàn)象出現(xiàn)，因

35、此在主進(jìn)油路和滑 臺(tái)液壓缸進(jìn)油路上安裝單向閥， 2.4.4 液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì) 圖 2.4 液壓系統(tǒng)原理圖 2.5 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 2.5.1 控制器的選擇 控制系統(tǒng)主要是對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制管理，包括攝像機(jī)的分段拍攝控制、小車的位 置及移動(dòng)控制、液壓系統(tǒng)控制等。設(shè)計(jì)采用可編程序控制器 (plc)進(jìn)行控制。當(dāng)裝置的動(dòng) 作流程改變時(shí)，只需改變 plc 程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。設(shè)計(jì)擬采用西門子的 s7-200 系列可編程控制器，西門子 s7-200 系列 plc 適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及 控制的自動(dòng)化。s7-200 系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)

36、雜控制功能。因此 s7-200 系列具有極高的性價(jià)比。 s7-200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）極高的可靠性 （2）極豐富的指令集 （3）易于掌握 （4）便捷的操作 （5）豐富的內(nèi)置集成功能 （6）實(shí)時(shí)特性 （7）強(qiáng)勁的通訊能力 （8）豐富的擴(kuò)展模塊 滑臺(tái)液壓缸 s7-200 系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器 的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控 制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等 等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 2

37、.5.2 控制對(duì)象的確定 控制系統(tǒng)主要對(duì)以下對(duì)象進(jìn)行控制 （1）伺服電機(jī) 包括伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和停止、加速和減速； （2）攝像機(jī) 當(dāng)攝像小車運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，攝像機(jī)拍攝圖片； （3）支撐板電機(jī) 當(dāng)裝卸工件和檢測(cè)開始時(shí)使支撐板伸出或收回； （4）滑臺(tái)液壓缸 當(dāng)裝卸工件和檢測(cè)開始時(shí)使架桿液壓缸伸出或收回； 2.5.3 控制過程設(shè)計(jì) （1）按下啟動(dòng)按鈕，若小車不在起始位置則小車自動(dòng)回到起始位置，同時(shí)支撐板到達(dá) b 端，滑臺(tái)回到 a 端（見圖 2.3）。 （2） 待縱梁放在工作臺(tái)上后，按檢測(cè)按鈕，滑臺(tái)到達(dá) b 端將縱梁夾緊固定，之后支撐 板回到 a 端，然后小車開始向右運(yùn)動(dòng)，車載攝像機(jī)在規(guī)定位置

38、拍攝采集縱梁圖像。 （3） 小車運(yùn)動(dòng)到右限位，小車停止，檢測(cè)結(jié)束。如果此時(shí)按停止按鈕，支撐板到達(dá) b 端（見圖 2.3），之后滑臺(tái)返回 a 端，此時(shí)可將縱梁取下。 （4）在任意位置按下停止按鈕，裝置將暫停工作，當(dāng)把暫停按鈕復(fù)位時(shí)裝置將會(huì)繼續(xù) 暫停前的動(dòng)作繼續(xù)工作； (5)在任意位置按下急停按鈕，裝置馬上停止所有動(dòng)作，急停按鈕復(fù)位后必須重新將攝 像小車復(fù)位。 3 硬件部分設(shè)計(jì) 3.1 攝像小車設(shè)計(jì) 攝像小車是整個(gè)檢測(cè)裝置中最主要的組件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否將直接影響到裝置 的正常運(yùn)行和檢測(cè)結(jié)果，在整個(gè)設(shè)計(jì)中占重要的位。不合理的設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致小車強(qiáng)度和 剛度無法滿足工作需求，造成裝置整體壽命降低。

39、另外，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境振動(dòng)較大，低的剛 度必然會(huì)造成車載攝像機(jī)的振動(dòng)，使其拍攝結(jié)果精度降低甚至失真。因此，小車的設(shè)計(jì)除 結(jié)構(gòu)合理外，整體的強(qiáng)度和剛度也要符合要求，并應(yīng)能承受較強(qiáng)振動(dòng)。 攝像小車主要由機(jī)架、伺服電機(jī)、絲杠、攝像機(jī)支架、導(dǎo)軌滑塊五部分組成。每部分 的作用分述如下： 1、 機(jī)架 小車的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，其他零部件將安裝在機(jī)架上； 2、 伺服電機(jī) 小車的動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)； 3、 絲杠 和絲杠螺母配合，組成攝像機(jī)的工作高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)； 4、 攝像機(jī)支架 安裝固定攝像機(jī)； 5、 導(dǎo)軌滑塊 與導(dǎo)軌配合，保證小車沿縱梁長度方向上運(yùn)動(dòng)。 小車的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題： 1、機(jī)架的結(jié)構(gòu)不能太高，以滿足攝像機(jī)

40、最大工作高度為準(zhǔn)，而且重心應(yīng)盡可能低，另 外，應(yīng)該注意加強(qiáng)機(jī)架的剛度，以增強(qiáng)其抗震性。 2、 攝像機(jī)支架長度應(yīng)合理，在滿足攝像機(jī)視場(chǎng)要求的前提下應(yīng)盡可能縮短其長度， 以增加系統(tǒng)剛度。另外應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增加其剛度和強(qiáng)度。 3、在整個(gè)小車中，絲杠的裝配精度應(yīng)較高，以防止由于螺母間存在干涉，產(chǎn)生較大應(yīng) 力，使絲杠的產(chǎn)生較大磨損，降低絲杠壽命。 4、導(dǎo)軌滑塊安裝的位置精度要足夠，以放置與導(dǎo)軌配合使用時(shí)產(chǎn)生干涉，產(chǎn)生較大的 側(cè)向應(yīng)力，加快導(dǎo)軌或滑塊的磨損，降低使用壽命。精度過低時(shí)甚至造成小車與導(dǎo)軌無法 正常配合使用。 3.1.1 機(jī)架的設(shè)計(jì) 機(jī)架是小車的基礎(chǔ)零件，它支撐或容納零部件的作用。機(jī)架設(shè)計(jì)的一般

41、要求有： 5 （1）機(jī)架的重量輕，材料選擇合適，成本低。 （2）結(jié)構(gòu)合理，便于制造。 (3) 結(jié)構(gòu)應(yīng)使機(jī)架上的零部件安裝、調(diào)試、修理和更換都方便。 （4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝性好，還應(yīng)使機(jī)架本身的內(nèi)應(yīng)力小，有溫度引起的變形應(yīng)力 小。 抗震性好。 （5）耐腐蝕，使機(jī)架結(jié)構(gòu)在服務(wù)期限內(nèi)盡量少修理。 （6）有導(dǎo)軌的機(jī)架要求導(dǎo)軌面受力合理。 機(jī)架類型選擇 按制造方法，機(jī)架可分為鑄造機(jī)架、焊接機(jī)架、和螺栓聯(lián)接機(jī)架、或鉚接機(jī)架。鑄造 機(jī)架剛度和強(qiáng)度較好，抗振性好，但鑄造過程復(fù)雜，成本較高；螺栓聯(lián)接或鉚接機(jī)架制造 簡單，加工容易，但其剛度較差，不適合在振動(dòng)較大的場(chǎng)合工作；焊接機(jī)架結(jié)構(gòu)簡單，加 工制造容易，成本

42、較低，而且剛度和強(qiáng)度較高，抗振性較好，適合本檢測(cè)裝置的工作環(huán)境， 因此設(shè)計(jì)采用焊接機(jī)架。 機(jī)架材料選擇 由于機(jī)架承受的應(yīng)力較小，對(duì)材料的力學(xué)性能要求不高，但由于是焊接機(jī)架，故對(duì)材 料的焊接性能有特殊要求，應(yīng)選用焊接性能較好的金屬材料。低合金碳素結(jié)構(gòu)鋼 q395，鋼 中只含有極少量的合金元素，強(qiáng)度不高，但有良好的塑性、冷彎、焊接及耐腐蝕性，能夠 滿足機(jī)架的工作要求，故機(jī)架材料采用 q395 焊接成型。 7 機(jī)架基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)架的結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)使機(jī)架上的零部件安裝、調(diào)試、修理和更換都方便，而且由于現(xiàn)場(chǎng) 環(huán)境振動(dòng)較大，應(yīng)具有良好的抗振性，因此總體結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較好的剛性， 其結(jié)構(gòu)形式如下圖所示 左圖：側(cè)視

43、圖 右圖：俯視圖 圖 3.1.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)簡圖 結(jié)構(gòu)中有三塊肋板，其作用是增加機(jī)架的剛度，提高抗振性。 3.1.2 攝像機(jī)支架設(shè)計(jì) 攝像機(jī)支架由導(dǎo)軌滑塊、滑塊固定板、絲杠螺母固定板、絲杠螺母、懸梁五部分組成 （如圖 3.1.2）。攝像機(jī)支架安裝在小車機(jī)架的立柱上，通過導(dǎo)軌滑塊和安裝在機(jī)架立柱 上的導(dǎo)軌配合形成可上下移動(dòng)的組件。絲杠螺母與絲杠配合使用，通過旋轉(zhuǎn)絲杠達(dá)到調(diào)節(jié) 支架高度即攝像機(jī)工作距離的目的。 圖 3.1.2 攝像機(jī)支架結(jié)構(gòu)圖 一、 導(dǎo)軌及導(dǎo)軌滑塊的選用 導(dǎo)軌和導(dǎo)軌滑塊選用上海仁旺機(jī)電有限公司生產(chǎn)的 sbc 系列直線導(dǎo)軌。 sbc 直線導(dǎo)軌系統(tǒng)特性： （1）價(jià)格低廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 （2

44、）精確定位，軌道摩擦系數(shù)小，具有良好的重復(fù)性。 （3）節(jié)約成本 由于 sbc 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，可是驅(qū)動(dòng)裝置小型化，并同時(shí)減小電力損耗。 （4）保持高精度 通過減小滾動(dòng)摩擦和熱膨脹，sbc 直線導(dǎo)軌可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。 （5）安裝簡單 sbc 直線導(dǎo)軌和標(biāo)準(zhǔn)螺栓裝配方式能夠確保導(dǎo)軌的負(fù)載力和精確定位。 （6）提高機(jī)械的可靠性 根據(jù)往復(fù)次數(shù)估算機(jī)械壽命，sbc 直線導(dǎo)軌能夠提高機(jī)械的可靠性。 對(duì)于機(jī)架和攝像機(jī)支架間的導(dǎo)軌，根據(jù)機(jī)架和攝像機(jī)支架的尺寸，選導(dǎo)軌型號(hào)為 sbg 15 fl/fll，導(dǎo)軌長度 340mm。對(duì)于小車和底座間的導(dǎo)軌，選擇型號(hào)為 sbg 30 fl/fll，長 度為 396

45、0mm（其最大長度為 4000mm），摩擦系數(shù)為 0.003。對(duì)于滑臺(tái)所需導(dǎo)軌，由于滑 臺(tái)質(zhì)量較大，這里也選用動(dòng)負(fù)載為 2980kgf 的 sbg 30 fl/fll 導(dǎo)軌，長度為 350mm（其最 大長度為 4000mm）。其主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)示意圖如表 3.1.1 二、導(dǎo)軌精度設(shè)計(jì) 由于攝像機(jī)支架上的絲杠螺母要與垂直安裝的絲杠配合，導(dǎo)軌的安裝精度直接影響著 絲杠副的傳動(dòng)精度，故導(dǎo)軌的精度應(yīng)選高一些，sbc 直線導(dǎo)軌的精度等級(jí)分三級(jí)，這里選 用等級(jí) h，如表 3.1.2 表 3.1.2 導(dǎo)軌精度 h h 和 w的測(cè)量 2 um40 同一導(dǎo)軌的每一滑塊上，h 和 w之間的最大差值 2 15um 單

46、位 mm 安裝尺寸滑塊尺寸 安裝螺栓孔注油嘴型號(hào)高 度 ew2 寬度 w 長 度 l bjms l1kt 安裝孔 t1 n sbg15fl242.8164758 383 0 m5m438217.2m3.54 5 sbg30fl425319098 725 2 m10m870.43712m60.758.5 10.5 單位 mm 導(dǎo)軌尺寸承載性能重量 靜態(tài)力矩 型號(hào)寬度 w1 高度 h1 孔間 距 h 螺栓孔 g 導(dǎo)軌最 大長度 動(dòng) 態(tài) c 靜 態(tài) co mrompomro 滑塊導(dǎo)軌 sbg15fl1515604.57.55.3203000850 137 0 7550.181.5 sbg30fl28

47、258091412204000 298 0 549 0 6050491.14.5 表 3.1.1 導(dǎo)軌參數(shù)表 平行度要求5um 三、 絲杠的選用 絲杠與螺母配合使用組成攝像機(jī)工作高度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。絲杠垂直布置，螺母安裝在攝 像機(jī)支架上，因此絲杠副主要受軸向力，即攝像機(jī)支架對(duì)其造成的壓力及扭矩。分析可知， 絲杠副受力較小，且僅用于手動(dòng)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速很低且不會(huì)頻繁工作，對(duì)絲杠及其螺母的力學(xué) 性能要求較低。 米思米就精密機(jī)械貿(mào)易公司生產(chǎn)的梯形絲杠，其產(chǎn)品品種齊全，價(jià)格便宜，質(zhì)量可靠， 發(fā)貨期短。設(shè)計(jì)采用公司生產(chǎn)的梯形絲杠。 根據(jù)機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸，試探性選用 mtsrw25 型。由于傳動(dòng)為低速傳動(dòng)，且為間歇性傳

48、動(dòng)， 故可假設(shè)絲杠轉(zhuǎn)速 s=100 轉(zhuǎn)/min。查技術(shù)手冊(cè)，動(dòng)態(tài)容許推力 f=1200n。 計(jì)算接觸面壓 p 由 pro_e 軟件可以分析出攝像機(jī)支架的總體重量為 9.27kg，則絲杠承受的軸向力 =9.279.8n=90.846n f p 則 p=n/mm 8 . 9 f pf 74 . 0 8 . 9 1200 846.90 計(jì)算滑動(dòng)速度 v。 以轉(zhuǎn)速 s=100 轉(zhuǎn)/min 進(jìn)給速度 1.5m/min 運(yùn)動(dòng)時(shí)，絲杠的齒面滑動(dòng)速度按下式計(jì)算： v=10.01m/min 30 4 cos 100 5 . 2214 . 3 2 10 cos 2 0 32 nd 3 10 從 pv 值圖（圖 3

49、.1.5）中可以 判斷，在 p 值為 0.74n/mm 的情況下， 如果滑動(dòng)速度 v 為 50m/min 或更小，則不會(huì)有 異常的磨損。 計(jì)算安全系數(shù) s f 絲杠使用條件：平均溫度 15c 0 查圖 3.1.6，溫度系數(shù)=1.0 t f 13.21 圖 3.1.5 絲杠 pv 值圖 846.90 12001 f t s p ff f 按照負(fù)荷種類，在 4 或更大時(shí)能滿足 s f 強(qiáng)度要求，13.214 因此選擇 mtsrw25 型。 mtsrw25 型絲杠是兩端臺(tái)階型右螺旋 30 梯形絲杠，絲杠型號(hào)材質(zhì) s45c，表面有四 0 氧化三鐵保護(hù)膜，并低溫度黑鉻。（參數(shù)見 圖 3.1.7） 圖 3

50、.1.6 絲杠溫度系數(shù) 型號(hào)指定單位 1mm dlfs v.q 選擇螺距 p 有效直徑 2 d 螺紋牙 根直徑 螺紋升 角 mtsrw 25440 72 72 qs vf v=16 q=16 522.519.0 03 0 4 圖 3.1.7 絲杠參數(shù)表 絲杠的一頭與手輪配合，便于手動(dòng)調(diào)節(jié)攝像機(jī)高 度，因此，在絲杠的一端追加工四平面（圖 3.1.8）。 四平面參數(shù)如表 3.1.3 表 3.1.3 四方面參數(shù)表 參數(shù)值（mm） w12 a15 3.1.3伺服電機(jī)的選用 1. 小車的伺服電機(jī)的選擇 圖 3.1.8 絲杠四平面 小車的電機(jī)是整個(gè)檢測(cè)裝置的動(dòng)力源，根據(jù)電機(jī)的工作條件及要求，設(shè)計(jì)選用由 富

51、士電機(jī)集團(tuán)生產(chǎn)的 faldic-w 系列交流伺服電機(jī)。faldic-w 系列伺服電機(jī)的特點(diǎn)是： （1）標(biāo)準(zhǔn)配備減振控制功能，最大限度抑制機(jī)械振動(dòng)； （2）標(biāo)準(zhǔn)配備 rs-485 2 個(gè)通信接口，參數(shù)實(shí)現(xiàn)了一體化管理； （3）調(diào)試簡單，利用簡易調(diào)試功能可實(shí)現(xiàn)機(jī)械和伺服電機(jī)的最理想匹配； （4）高分辨率編碼器、伺服系統(tǒng)分析功能、運(yùn)行調(diào)試等。 電機(jī)型號(hào)的選擇； 決定運(yùn)行方式 根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的控制內(nèi)容，決定電機(jī)運(yùn)行方式，啟 動(dòng)時(shí)間和減速時(shí)間由實(shí)際情況和機(jī)械剛度決定。 a t b t 攝像小車采取分段拍攝，每個(gè)拍攝周期小車的運(yùn)動(dòng)有加 速（啟動(dòng)）、勻速（運(yùn)行）、減速（制動(dòng)）、暫停（停 止）四段組成，攝像機(jī)在

52、暫停時(shí)間進(jìn)行拍攝。（如圖 3.1.9） 其中=0.5s，=0.5s，=2s，4s a t b t c t 0 t 勻速運(yùn)動(dòng)速度0.5。 計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩均方根 圖 3.1.9 小車的運(yùn)動(dòng)方式 工作機(jī)械頻繁啟動(dòng)，制動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩，當(dāng)工作機(jī)械作頻繁啟動(dòng)，制動(dòng)時(shí)，必須檢查電 機(jī)是否過熱，為此需計(jì)算在一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的均方根值，并且應(yīng)使此均方根值小于電 機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的均方根值由下式給出： 0 2 2 2 2 )()( t tttttttttt t bbafbcfafa rms 式中，為加速轉(zhuǎn)矩（nm）；為摩擦轉(zhuǎn)矩（nm）；為在停止期間的轉(zhuǎn)矩 a t f t b t （nm）； 加速及減速時(shí)的減速度值

53、0.50.51m/s 2 由 pro-e 軟件分析，小車的總質(zhì)量 m=37kg，則小車加減速是的慣性力 f=371n=37n。am =fd/2=3750/2n.mm=925n.mm=0.925n.m a t =0.925n.m b t a t =m.g.u.d/2=370.027n.m f t205 . 0 003 . 0 8 . 9 則=0.801nm rms t 4 2925 . 0 5 . 0)027. 0925. 0 (5 . 0027 . 0 5 . 0)027 . 0 925. 0 ( 2222 選擇電機(jī)型號(hào) 根據(jù)平均轉(zhuǎn)矩，選擇電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須大于 0.925nm，查富士電機(jī)的使

54、用手冊(cè)，選 用電機(jī)型號(hào)為 gys401dc2-t2a-b(見圖 3.1.10)，根據(jù)電機(jī)的額定輸出，選擇伺服發(fā)達(dá)器的 型號(hào)為 ryc401d3-vvt，單相 200-230v 交流電源輸入，額定輸出 0.4kw。 圖 3.1.10 gys401dc2-t2a-b 參數(shù) 其中額定轉(zhuǎn)矩為 1.27nm，大于 0.801nm。其他參數(shù)見表 3.1.4 表 3.1.4 gys401dc2-t2a-b 電機(jī)參數(shù)表 電機(jī)型號(hào) gys401dc2-t2-b 額定輸出 kw 0.4 額定轉(zhuǎn)矩 n.m 1.27 靜摩擦轉(zhuǎn)矩 n.m 慣量 kg.m 0.27 4 10 額定電壓 v0.2410 吸合時(shí)間 ms 釋

55、放時(shí)間 ms 20 消耗功率 w 重量 kg 2.3 2.支撐板電機(jī)的選擇 支撐板的電機(jī)主要提供支撐板伸出和收回時(shí)的動(dòng)力，在收回時(shí)由于有重力作用輸出 轉(zhuǎn)矩可以小些。在支撐板伸出時(shí)，電機(jī)的動(dòng)力需要克服轉(zhuǎn)動(dòng)軸與周孔之間和支撐桿的鉸鏈 的摩擦阻力。 （1）計(jì)算電機(jī)所需的最小轉(zhuǎn)矩 當(dāng)支撐桿由完全收起狀態(tài)伸出時(shí)所需的動(dòng)力最大，此時(shí)的阻力有轉(zhuǎn)動(dòng)軸與軸孔之間 的摩擦力，支撐桿鉸鏈之間的摩擦力： 由 proe 的質(zhì)量分析可得轉(zhuǎn)動(dòng)軸和支撐桿的質(zhì)量大約分別為 m1=53kg 和 m2=20kg，取剛 -剛之間的摩擦系數(shù)為=0.1 轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力為： f1=xm1xgx3=0.1x53x9.8x3=155.8

56、2n 當(dāng)支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)單個(gè)鉸鏈之間的摩擦力為： f=m2xgx=20 x9.8x0.1=19.6n 支撐桿處在最低位時(shí)候由連個(gè)連桿的受力平衡可知： f2=3fx cos1/ cos2=3x19.6xcos24.06/cos44.99=75.92n 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為： t=fxdxn（n 為減速比,這里為 0.02） 帶入數(shù)值計(jì)算： t總=(f1xl1+f2xl2)x0.02=（f1xd/2+f2xl2)x0.02 =(155.82x0.0225+75.92x0.25)x0.02 =0.45nm 選擇電機(jī)型號(hào) 根據(jù)所需的最大轉(zhuǎn)矩為 0.45nm，所選電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩必須大于 0.45nm,可

57、以選用無錫 市德誠自動(dòng)化技術(shù)有限公司的 60 系列伺服電機(jī)，根據(jù)電機(jī)的額定輸出選擇電機(jī)型號(hào)為 60st-m00630,額定轉(zhuǎn)矩為 0.637nm。 參數(shù)見下表： 3.1.4 齒輪齒條設(shè)計(jì) 齒輪安裝在伺服電機(jī)上與安裝在底座上的齒條配合，組成運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)：將電機(jī)軸的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為小車的直線運(yùn)動(dòng)。 齒條相當(dāng)于半徑無限大的大齒輪，所以根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)齒輪的傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （1）選擇齒輪齒條材料和熱處理、等級(jí)精度、齒輪齒數(shù) 考慮到機(jī)構(gòu)主要用來傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)功率不大，轉(zhuǎn)矩較小，且為開式齒輪傳動(dòng)，齒輪 與齒條的材料選用綜合力學(xué)性能較好的 45#鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)后齒面硬度 220-230hbs。齒條正火， 齒面硬

58、度 190-200hbs。因?yàn)樾≤嚨亩ㄎ痪纫筝^高，故選擇齒輪精度為 9 級(jí)精度。 對(duì)小車平穩(wěn)性要求較高，故可選較多齒數(shù)，初選齒輪的齒數(shù)為 z1=25 （2）按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 開式齒輪傳動(dòng)，主要失效形式是齒面磨損，由于對(duì)磨損尚無成熟的計(jì)算方法，故只能 按彎曲強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，用增大模數(shù)來考慮磨損的影響【8】，故先按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)，驗(yàn) 算接觸強(qiáng)度。由式算出 3 2 1 1 2 f safa d yy z ykt m 確定式中各項(xiàng)數(shù)值： 因小車頻繁啟停，載荷有輕微沖擊，查得 ka =1.25，故初選載荷系數(shù) kt =2 =0.925nm 1 t rms t 725 . 1 10 25 1 2

59、 . 388 . 1 cos 11 2 . 388 . 1 21 zz a 計(jì)算出端面重合度 a=1.725 7 . 0 75 . 0 25 . 0 y 選取 =0.7 查得 yfa1=2.63 ysa1=1.59 yfa2 =2.063 ysa2=1.966 n1=60n1jla=602001（2830015）=8.64108 n2=0 差得 yn1=0.92 yn2=1.6 取 sfmin=1.25 按齒面硬度均值 220hbs。在 mq 線上查得 flim1=flim2=350mpa 1.2016.0 257.0 7.010925.05.122 ,016.0 009.0 448 966.

60、1063.2 016.0 6.257 59.163.2 448 25.1 6.1350 2 6.257 25.1 92.0350 3 2 3 3 1 11 2 1 11 1 1 11 2 22 1 11 min 22lim min 11lim 1 f safa d f safa f safa f safa f nf f nf f yy z ytk m yy yy yy mpampa s y f mpampa s y 入設(shè)計(jì)公式，求得將確定后的各項(xiàng)數(shù)值代 設(shè)計(jì)齒輪模數(shù)取 修正 1 m sm nzm v/55 . 0 100060 111 查得 kv=1.01k=1.07 k=1.2 則 k=ka