（机械电子工程专业论文）车用abs阀芯自动化装配单元的研究.pdf

摘要 摘要 a b s ( 防抱死制动系统) 是保证汽车安全的重要装置，而我国仅有为数不多 的企业可以生产a b s ，且主要处在中低端市场。装配在产品的成本中占有很大的 比重，因此提高我国a b s 企业的自动化装配水平对增强我国a b s 生产厂家的竞争 力具有重要的意义。本文主要对a d s 进液阀的阀芯装配进行研究，实现阀芯装配 的自动化装配；并对装配过程进行了建模与仿真，对装配完毕后阀座在阀体的作 用下的位移反弹情况，阀芯分析了各种因素对过盈配合装配中装配力的影响；并 进行了一些试验对仿真的装配过程进行了对比分析。 论文的主要研究内容如下： 第一章首先简单介绍了a b s 的现状、自动化装配的发展概况。由于a b s 阀芯 自动化装配单元采用了交流伺服系统，所以对交流伺服系统进行了概述，最后提 出了本论文研究的意义和主要内容。 第二章对阀芯装配单元的要求进行了说明，并在此基础上对整个阀芯装配单 元进行了规划。对装配单元的硬件进行选型和设计，最后对设计了自动化控制软 件和触摸屏监控软件实现了阀芯装配的自动化和简单易用。 第三章主要概述了弹塑性接触问题的有限元法。由于本装配过程是个典型的 弹塑性接触问题，而该问题属于边界非线性、几何非线性和材料非线性三种非线 性结合的问题，所以采用了解决此问题普遍使用的有限元法( f e a ) 进行求解。 第四章在上一章的基础上对阀芯的装配过程进行了建模和仿真，并具体分析 了一个典型装配过程。最后对影响装配力的各种因素( 包括过盈量、材料模型的 选择、以及摩擦系数) 进行了分析研究并探讨了各种因素对摩擦系数的影响及在 装配过程中的变化。 第五章首先介绍了试验系统的总体结构，之后介绍了p l c 与计算机的通讯并 对利用v c + + 对试验软件进行了编写。最后对试验数据进行了分析。 第六章对全文的内容进行了总结并对后续的研究工作进行了展望。 关键词： b s ，自动化装配，交流伺服系统，弹塑性接触问题，有限元，串 口通讯，面向对象 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s ( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) i sa o n eo f m o s ti m p o r t a n ts a f e t ya p p a r a t u s ，b u t f e wc h i n e s ee n t e r p r i s e sc o u l dp r o d u c ei t w h a t sm o r e ，a s s e m b l ya c c o u tf o rt h em o s t c o s to fa b s ，s oi ti so fs i g n i f i c a n c et of o ro u ra b s e n t e r p r i s e st om a k ei t sp r o d u c t i o n m o r ec o m p e t i t i v e m yr e s e a r c hw o r ki sm a i n l yo nt h ea s s e m b l yo fav a l v ew h oi si n c h a r g eo fh y d r a u l i cl i q u i de n t e r i n gi n t oa b s ，r e a l i z i n gi t sa u t o m a t i ca s s e m b l y , b u i l d i n gm a t h e m a t i cm o d e lo f a s s e m b l yp r o c e s sa n ds i m u l a t i n gt h ep r o c e s s ，a n a l y z i n g v a l v es e a t i n g sd i s p l a c e m e n tv a r i a t i o na f t e rf i n i s h i n gt h ea s s e m b l y , a n a l y z i n gt h e s o r t i ef a c t o r s i n f l u n c e st oa s s e m b l yf o r c e ，d o $ o m ee x p e r i m e n t sa n dc o m p a r et h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t hs i m u l a t i n gr e s u l t sa tl a s t t h ew h o l et h e s i si sd e s e r i b e da sf o l l o w s ： c h a p t e rlb r i e f l yi n t r o d u c e st h er e s e a r c h i n gp r o g r e s so fa b sa n da n t o m a t i e a s s e m b l yf i r s t l y b e c a u s et h ev a l v ea s s e m b l ys y s t e mi sa na cs c “c v o s y s t e m ，s oa l s o b r e f l ys t a t e st h ea cs e r v o s y s t e m a tl a s ts u n u n a r e st h em a i nr e a s a r c hw o r k c h a p t e r2f i r s t l ys t a t e st h eq u a l i f i c a t i o n so ft h ev a l v ea s s e m b l yu n i t ，a n d a c c o r d i n gt h eq u a l i f i c a t i o n sw o r ko u ta no v e r a l ld e s i g n t h e ni ti n t r o d u c ed e t a i l yt h e h a r d n e s sa n ds o f t n e s so f t h es y s t e m c h a p t e r 3s t a t e se l a s t o p l a s t i cc o n t a c t p r o b l e m s f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s f l e a ) t h ew h o l ea s s e m b l yp r o c e s si sat y p i c a le l a s t o p l a s t i cc o n t a c tp r o b l e m a n d a l s of o ri ti sq u i t ed i f f i c u l tt os o l v et h i sk i n do fp r o b l e mw i t ha n a l y s i s ，s oia d o p tt h e f e at or e s o l v et h ep r o b l e m c h a p t e r4b u i l d st h em a t h e m a t i cm o d e la n ds i m u l a t e st h ew h o l ev a l v ea s s e m b l y p r o c e s s t h e ni ta n a l y z eat y p i c a la s s e m b l yp r o c e s s ，a tl a s ta n a l y s es o m ef a c t o r s i n f l u n c e so na s s e m b l yf o r c ed u r i n gt h ew h o l ep r o c e s s ，a n da n a l y z et h ef l i c t i o n e o f f i c t i o nv a r i a t i o ni nt h ep r o c e s s c h a p t e r5f i r s t l ys t a t e st h ew h o l es t r u c t i o no f t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，a n dt h e n d e s i g n st h ee x p e r i m e n t a ls o f t w a r ei nv c + + a tl a s ta n a l y z e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s c h a p t e r6s u m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r ka n dp r e s e n t st h ep e r s p e c t i v e si nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：a b s ，a u t o m a t i ca s s e m b l y , a cs e r v o s y s t e m ，e l a s t o - p l a s f i cc o n t a c t p r o b l e m ，f e a , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，o b j e c to r i e n t e d 学号2 q 5 q 8 1 q 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎江盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：幽强签字日期 。7 年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎垄盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：巷姒 签字日期：伽口7 年石月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名； 签字日期：。7 年舌月7 日 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 车用a b s 的发展概况 2 0 0 6 年全年汽车产量将达到7 5 0 万辆左右，比2 0 0 5 年增长2 2 ；汽车销售 量占全球总销售量的比重将从2 0 0 5 年的8 7 上升到1 0 ，从而超过日本，跃居 世界第二位1 1 1 。 面对如此巨大的市场，国外著名汽车厂商蜂拥而至，到目前为止基本上所有 的国外巨头皆已在中国建立了合资公司。而此时我国的三大集团基本上沦为了外 资的加工厂，其中最主要的原因就是我国的汽车企业缺乏自主创新的能力。为了 使我国的汽车企业在国际上占有一席之地，加快汽车行业的自主研发是当务之 急，而a b s 是保证汽车安全的重要装置。 1 1 1a b s 的原理与简介技术 汽车制动防抱死系统是汽车传统制动系统的附加装置，目的是克服传统制动 系统存在的不足，防止车轮抱死，使汽车制动系统处于最理想的状态，以获得较 大的纵向、侧向附着系数和最有效的制动效果，是目前提高车辆主动安全性的一 种机电液一体化装置。装有a b s 装置的车辆在制动过程中，a b s 控制器收集各 车轮转速传感器发出的信号，计算出各车轮的滑移率，并根据内存中设定的程序， 适时地发出命令控制各增压阀和泄压阀的开闭，从而使制动系统在增压、保压和 泄压三个阶段间循环，达到防止各车轮抱死的目的。 a b s 有以下功能1 2 1 ： 1 提高汽车行驶在潮湿路面或雪地路面上的制动安全性，避免制动时汽 车侧滑或甩尾而产生安全事故。 2 提高汽车制动时的方向稳定性，即汽车在遇到障碍物时需紧急制动，可 保证汽车一边制动动一边转向，从而减少或避免安全事故的发生。 3 缩短制动距离。a b s 能保证汽车在雨后，冰雪及泥泞路面上获得较高 的制动效能。 4 减轻驾驶员的疲劳强度，不需要驾驶员“点刹”。 5 避免轮胎的局部严重磨损，延长轮胎的使用寿命。 第一章绪论 a b s 主要包括车轮轮速传感器，电子控制 器( e c u ) ，压力调节器三部分。现在压力调 节器与电子控制单元通常集成到一块，如右 图所示： 1 1 2a b s 国内外的发展状况 图1 1 压力调节器和e c u 1 9 3 6 年，德国博世公司( b o s c m 申请一项电液控制的a b s 装置专利，促进了 a b s 技术在汽车上的应用。直到7 0 年代后期，由于电子技术迅猛发展，为a b s 技 术在汽车上应用提供了可靠的技术支持。a b s 控制部分采用了电子控制，其反 应速度、控制精度和可靠性都显著提高，制动效果也明显改善，同时其体积逐步 变小，质量逐步减轻，控制与诊断功能不断增强，价格也逐渐降低。这段时期许 多家公司都相继研制了形式多样的a b s 装置。进入9 0 年代后，a b s 技术不断发 展成熟，控制精度、控制功能不断完善。现在发达国家已广泛采用a b s 技术， a b s 装置已成为汽车的必要装备。a b s 装置制造商主要有：德国博世公司 0 3 0 s c h ) ，美国德科公司( d e l c o ) ，美国本迪克斯公司( b e n d i x ) ，美国克莱斯 勒汽车采用：还有德国戴维斯公司( t e v e s ) 、德国瓦布科( w a b c o ) 、美国凯尔西 海斯公司( k e l s e y h a y e s ) 等，这些公司的a b s 产品基本垄断了当前的中高档市 场。 1 9 9 9 年我国制定的国家强制性标准g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性 能和试验方法中已把装用a b s 作为强制性法规。此后一汽大众、上海大众、重 庆长安、上海通用等均开始采用a b s 技术，但这些a b s 装置我国均没有自主的知 识产权。国内研究a b s 主要有东风汽车公司、清华大学、西安交通大学、吉林大 学、华南理工大学、合肥工业大学等单位，虽然起步较晚，也取得了一些成果。 在气压a b s 方面国内企业包括东风电子科技股份有限公司、广东科密等都已形成 了一定的生产规模。液压a b s 由于技术难度大，国外技术封锁严密，国内企业暂 时不能独立生产，但在液压a b s 方面也在做自主研发，力图突破国外跨国公司的 技术壁垒，已经取得了一些新的进展和突破。如清华大学和浙江亚太等承担的汽 车液压防抱死制动系统( a b s ) “九五”国家科技攻关课题，在a b s 控制理论与方法、 电子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重 大成果 2 - 3 1 。整体来说国内液压a b s 技术含量与国外仍有一定的差距。 1 2 自动化装配发展概况 在产品的制造过程中，产品的加工和装配是两个主要的环节。据资料介绍， 在产品制造过程中，3 0 的劳动力用于装配；产品制造总成本的5 0 7 0 消 2 第一章绪论 耗在装配作业中 4 1 。 2 0 世纪6 0 年代初，国外开始在电灯泡、萤光灯等组成部件进行装配自动化 的尝试。 早期出现的自动装配机都是一种专用机，只能适应生产固定的产品，缺乏灵 活性。由于机器本身的造价较高，为了获得较好的投资效果及经济效益，引人了 模块化系统的概念。将各个独立的单元进行编组配合的装配工程化模式，如图1 2 所示，这样自动化装配的结构核心就是零件的输运系统。为使输送系统标准化并 便于推广应用，开发了各种形式的输送装置，并将其典型化，这就将从前那种由 各家自行设计的自动装配机转变为由专门生产厂进行制造。 排 出 图1 - 2 装配工程化模式图 进k 7 0 年代随着汽车工业的发展，各汽车、发动机生产厂家先后采用先进的 自动装配技术，选用先进的机械自动化输送设备，提高物流系统的自动化水平， 把装配流水作业发展到半自动和自动装配。这时自动装配开始向着大型复杂的方 向发展，汽车发动机的装配线就是这个时候开始的。下图为发动机零件的装配线， 3 第一章绪论 图1 - 3 发动机缸盖装配 图! - 4 发动机缸体装配 8 0 年代，由于劳动力的紧张，安全质 量稳定性要求的提高，市场需求的变化， 导致产品多样化。对自动装配提出了灵活 性更高的要求，这时工业机器人进入了自 动装配作业，并随着电子技术的发展，全 部采用工业机器人替换了原先的专用装配 机，从而产生了更大规模的装配自动线。 当前主要的工业机器任生产厂商有a b b ， f a n u c ，y a s k a w a ，e m e r s o ni n d u s t r i a l 图1 - 5 螺栓拧紧机器人 a u t o m a t i o n 等企业，我国的工业机器人刚 刚起步，如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司。上图为宝马公 司1 系列与3 系列共用的装配线上的螺栓拧紧机器人。在整个装配生产线中共有 6 0 多台机器人，除了全部是全数字控制外，该装配线并且按照最先进的人体工 程学原理进行了优化。比如随行式装配输送带上，装配工人与被装配的车辆按相 同的速度运动着，由于车架和零件供应装置的位置都是可以任意调节的，由于车 架和零件供应装置的位置都是可以任意调节的，因此，装配工人可以在每一个装 配工位按照自己的习惯和舒适性自由地进行调节。 另外，由于微细n i 技术等半导体集成电路工艺的发展，出现了在微尺度上 集成机械和电子系统的微机电系统( m e m s ) ，如微型药泵、微传感器、微驱动器、 喷墨打印机喷嘴、汽车安全气囊加速度计等。由于这些微机电系统日趋复杂，因 此针对微机电系统的微装配和微操作研究日益引起重视。所谓微装配，主要指对 亚毫米尺寸( 通常在几微米到几百微米之间) 的零部件进行的装配作业【5 1 。其系统 类型大致分为远端操作方式和自动操作方式。 4 第一章绪论 下图为多伦多大学研制的通用微装配系统，图a 为此装配系统的机器人站，图 b 、c 分别为此机器人站执行端的放大图，在c 图的金属尖上焊上一个微镊子以对 微行零件进行操作， 例1 - 6 通用微装配系统( 多伦多大学) 图1 7 为此通用微装配系统装配的微线匝长和宽在1 0 0 微米左右，每个微 弹簧锁厚度为几个微米。 图l - 76 个微弹簧锁组成的 产成本，使之商业化。 1 3 交流伺服系统概述 虽然微装配技术在过去的十年里得到了 长足的发展。但是应当看到目前对有关理 论和应用的研究还远远不够，在装配机理、 新材料、测量手段、控制方法等方面都有许 多问题没有得到完全解决。可以预见，今后 一段时间微装配技术需要解决的问题有：设 计能克服或利用粘附力的稳定微夹持器：研 究视觉力混合引导装配控制策略；微自动送 料系统；微装配规划：降低微装配系统的生 伺服系统是利用反馈原理引入的一个控制行为，使输出服从于输入的一类 系统，下图为一个简单的交流伺服系统。 第一章绪论 图l _ 8 交流伺服系统框图 1 3 1 交流伺服系统与直流伺服系统的区别 伺服系统伴随着伺服电动机的发展而发展，主要经历了三个主要发展阶段： 第一个发展阶段是2 0 世纪6 0 年代以前，以步进电动机驱动的液态伺服电动 机或以功率步进电动机直接驱动为中心，伺服系统的控制为开环系统。 第二个发展阶段是2 0 世纪六七十年代，直流伺服电动机诞生并全盛发展， 由于直流电动机具有优良的调速性能，被很多高性能驱动装置采用，伺服系统的 位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。 第三个发展阶段是2 0 世纪8 0 年代至今，以机电一体化时代为背景。与其相适 应的伺服驱动装置也经历了模拟式、数模混合式和全数字化式阶段。其中数字式 交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，且调试、使用简单，因而倍受青睐。 交流伺服电机与直流电机的优缺点比较：直流电机具有调速范围宽、静差小、 动态性能小的优点，但直流电机的换向器、电刷易磨损需经常维护，换向器会产 生火花，这限制了电动机的最高转速和过载能力，且无法直接应用在易燃易爆的 工作环境中。交流电机由于近来大功率半导体器件、大规模集成电路和高速处理 器的发展，加之矢量控制、直接转矩控制等先进控制算法的应用，使交流电机逐 步实现了宽的调速范围、高的稳定精度、快的动态响应等良好的控制性能。加上 交流电机在结构上的优越性交流电机的地位正稳步提升【】。 1 3 2 交流伺服系统的控制器 交流伺服系统的控制器主要有可编程逻辑控制器( p l c ) ，i 控机，嵌入式 处理器等 1 可编程逻辑控制器( p l c ) ，是采用微机技术制造的通用的自动化 控制设备，它能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术等功能，既能控制开关 量，也能控制模拟量，控制规模从几十个点到上万个点。 a ) p l c 具有以下特点：高可靠性，能适应工业现场的高温、冲击、震动等 恶劣环境。 6 第一章绪论 b ) p l c 的应用范围： 开关量的逻辑控制，这是p l c 最基本最广泛的应用领域，p l c 取代继电器 控制系统，实现逻辑控制； 运动控制，p l c 可用于对直线运动或圆周运动的控制，早期直接用开关量 i o 模块连接位置传感器与执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块； 闭环控制，p l c 进行闭环控制主要通过p i d 算法，p l c 有两种方式进行p 1 d 控制，一种是应用p i d 子程序，一种是应用专用的p i d 模块； 通讯网络，p l c 的通讯包括p l c 之间的通讯、p l c 与上位计算机和其他 智能设备之间的通讯，目前p l c 与p l c 的通讯网络是各厂家专用的，p l c 与计 算机之间的通讯，一些p l c 生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠 拢。 c ) 主要p l c 生产厂家有西门子，三菱，欧姆龙，松下，施奈德等企业。 d ) p l c 的发展趋判钆1 1 】： 向体积更小、速度更快、功能更强、 价格更低的微型化发展，右图为松下的 f p l 0 s h 系列p l c ，扫描速度达n o 0 4 p s 步； 向大型化、复杂化、多功能、分散 图1 9 松下的f p i o s h 型、多层分布式工厂全自动网络化方向发 展； 开发各种智能模块，增强过程控制功能，智能模块主要有模拟量f o 、p i d 回 路控制、通信控制、机械运动控制等，高速计数、中断输入、b a s i c 和c 语言 组件等； 与个人计算机相结合，目前个人计算机主要用作p l c 的编程器、操作站或人 ，机接口终端，其发展趋势是使p l c 具备计算机的功能，大型p l c 采用功能很强 的微处理器和大容量存贮器，将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通讯功能紧 密结合在一起； 通讯联网功能不断增强p l c 的通讯联网功能使p l c 与p l c 之间，p l c 与计算 机之间交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制；发展新的编程语言， 增加容错功能； 不断规范化、标准化，p l c 厂家在对硬件与编程工具不断升级的同时，日 益向制造自动化协议( m a p ) 靠拢，并使p l c 的基本部件的技术规范化、标准化， 使不同产品互相兼容、易于组网，以真正方便用户，实现工厂生产的自动化。 2 工控机，英文简称i p c ，全称i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ，i 控机通俗的 说就是专门为工业现场而设计的计算机。 7 第一章绪论 a ) 工控机的基本组成：工控机由计算机基本系统和过程i o 系统组成，计 算机基本系统由系统总线、主机模板、存储器板、人机接口板与c r t 、磁盘机、 打印机等通用外围设备组成。过程f o 系统由输入信号调理板和a d 转换器将现 场传感器测量的物理信号转变为电信号，模拟量经模数转换( a i d 转换器1 ，变 成数字量输入计算机，计算机输出信号经数模( d a ) 转换和输出调理( 隔离放大) 成执行机构的功率驱动信号控制执行机构 1 2 0 1 3 】。 b ) 工控机具有以下特点：机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击 的能力；机箱内有专用底版，底版上有p c i 和i s a 插槽；机箱内有专门电源，电 源有较强的抗干扰能力。 c ) 工控机与p i , c 比较：在硬件方面，工业p c 与通用计算机的本质无太大的 区别，它需要通过各种接口与现场的检测信号、执行元件相连接；不像p l c 那样 具有较多的、适应各种控制要求的功能模块可以选择。因此其工业现场工作可靠 性与p l c 相比存在一定的差距。在软件方面，工业p c 可以像通用计算机那样使用 形式多样、功能丰富的应用软件，可以适应算法复杂、实时性强的控制场合，但 对编成人员的要求较高。p l c 的软件通俗易懂，编程方便，易于掌握，且由于内 部采用了循环扫描的工作方式，程序可靠性强。 3 嵌入式处理器。主要包括微处理器( m p u ) ，微控制器( m c u ) 即单 片机，d s p 处理器，片上系统( s o c ) 。 图卜1 0m i p s 处理器核 微处理器( m p u ) 是指由一片或几片 大规模集成电路组成的具有运算器和控制 器功能的微处理部件，微型处理器本身不 等于微型计算机，它仅仅是微型计算机的 中央处理器。以微处理器配上大规模的集 成电路制作的存储器、输入输出接口电路 及系统总线组成的计算机为微型计算机简 称m c 或u c 。芯片厂商主要基于以下四种 m p i p s ，x 8 6 ，p o w e i 冲c ，舢l m 处理器 核生产不同型号的芯片。左图为m i p s 处理 器核。 微控制器( m c u ) ，顾名思义就是将 整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核 为核心，芯片内部集成r o m e p r o m ，r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、 看门狗，f o 、串行口脉宽调制输出、a d ，d a ，f l a s h r a m ，e e p r o m 等 各种必要功能和外设。主要厂商有英特尔，飞利浦，摩托罗拉，东芝等公司。 数字信号处理器( d s p ) ，d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设 8 第一章绪论 计，使其适合于执行d s p 算法在数字滤波f f t 谱分析等方面，d s p 、编译效率较 高，指令执行速度也较高，算法正在大量进入嵌入式领域。主要的公司有德州仪 器。 片上系统( s o c ) ，随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅 速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代己来临，这就是s y s t e mo n c h i p ( s o t ) 。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其它嵌 入式系统外设一样成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等语言描 述，存储在器件库中，用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设 计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系 统大部分均可集成到一块或几块芯片中去。应用系统电路板将变得很简洁，对于 减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。产品主要有英飞凌的t r i - c o r e ，摩托罗 拉的m - c o r e ，以及飞利浦的s m a r t x a 。 1 3 3 交流伺服系统的执行机构 执行机构根据驱动的介质大体上有三类：液压式，气动式，机电式。由于执 行机构种类繁多，这里仅以几个典型的直线执行机构为例进行介绍。 1 液压式直线执行机构主要有液压缸，它是一种把液体的压力能转换位为 机械能以实现直线往复运动的能量转换装置。液压缸按结构形式可以分为活塞 缸、柱塞缸两类。 使用液压缸做为直线执行器时的优点：工作平稳；能实现无级调速，同等体 条件下比电气装置产生更多的动力。 缺点：不能保证严格的传动比；为了减少泄露，系统的液压元件在制造上制 造精度的要求会很高，这使得造价很高；需要有单独的能源；容易污染环境。 2 气动式主要有气缸，采用气缸作为直线执行器时的优点：系统的工作介 质是压缩空气，简单易用，能量不受限制；清洁；气动系统构造简单，设备成本 低；气动所产生的能量密度小，与人差不多，可以代替工业生产自动化流程中大 量的人工劳动。 缺点：压缩空气必须进行除尘、除水处理；空气的可压缩性使系统的效率低， 且使系统的刚度低，定位精度差；空气排放时的噪声较大；气动信号的传输速度 远比电信号低。 3 机电式主要有工业直线执行器( 也叫电动缸) 。下图为这种执行器的内 部的结构主要由电机，减速器，丝杠或者滚珠丝杠组成。 9 第一章绪论 图1 - 1 1 机电式工业直线执行器 这种机电式执行器的优点：机电式执行器清洁、高效，易于安装，只需使用 电力来进行驱动和定位，与来自液压液体的污染有关的问题得以消除，并可缩减 液压系统的规模。下图为丹纳赫传动( d a n a h e rm o t i o n ) 公司2 0 0 6 年1 1 月2 1 日在 中国国际工程机械、工程车辆以及设备博览会( 上海) 上展出的以挖掘机，该挖 掘机用电动缸替代了挖掘机上的液压系统。 图l 1 2 丹纳赫展出的无液压式挖掘机模型 1 4 课题的提出与内容 1 4 1 课题的提出 我国的a b s 与国外有着很大的差距( 第一节已经说明) ，而我国的汽车市 场以及汽车零配件包括a b s 的市场巨大，所以开发自主知识产权的a b s 具有重 1 0 第一章绪论 要的意义。汽车行业多年来的市场换技术的方案现在已经被证明并没有培养出自 己的有竞争力的品牌，我国的三大汽车集团一汽、上汽、东风现在基本上成了国 外企业的加工厂。 装配是工厂生产系统中的一个重要组成部分，它比机械加工复杂得多，装配 方法往往因产品而异。据资料介绍，在产品制造过程中，3 0 的劳动力用于装配； 产品制造总成本的5 0 7 0 消耗在装配作业中【4 l 。由于产品制造过程装配作业 比重的日益增大，装配自动化的落后面貌，已成为制约现代制造业发展的“瓶颈”。 解决装配自动化、柔性化，已成为进行大批量生产的现代企业面临的迫切问题。 而我国的a b s 制造企业现在只有为数不多的几家( 上面已说明) ，并且现在 刚刚起步不久，主要定位在中低端的市场，因此加快这些企业的自主研发能力， 自动化水平，以提高市场竞争力成为当务之急。 本课题就是在上述背景下产生，主要实现a b s 进液阀阀芯的自动化装配。 1 4 2 课题的内容 1 根据系统要求，综合考虑各种因素，确定a b s 阀芯自动化装配单元的方 案。 2 完成a b s 阀芯自动化装配单元硬件的设计，包括控制器的选择，执行器 的选择，以及一些外购件购买等。 3 在完成硬件的基础上，设计装配单元的控制软件和监控软件，并进行反 复调试以提高精度。 4 对阀芯装配过程进行受力分析，并对整个装配过程进行建模和仿真，采 用有限元的方法( f e a ) 对装配过程进行分析，研究各因素对装配力以及装配过 程零件应力应变的影响；并对压装完毕后阀座在阀体内的一系列变化进行仿真分 析。 5 采用v c + + 6 0 编写试验软件，搭建试验系统，进行试验并对试验数据进 行分析，对仿真结果进行验证，为进一步的理论研究和实际应用提供参考。 1 5 本章小结 本章简单介绍了a b s 和自动化装配的发展概况。由于a b s 阀芯自动化装配单 元采用了交流伺服系统，所以对交流伺服系统进行了概述，最后提出了本论文研 究的意义和主要内容。 第二章a b s 阀芯装配单元的设计 第二章a b s 阀芯装配单元的设计 2 1a b s 阀芯装配单元的要求 a b s 阀芯装配单元的主要任务主要是将阀座、弹簧、阀芯等压进阀体内。压 装阀座时最大的压力不能超过8 0 0 k g ，并且压力报警的范围可调，超过压力报警 范围时系统报警。当钢球压死阀座时( 阀芯压力不应超过3 k g ) ，阀芯要求高出 阀体又端面0 3 m m ，要求有高的定位精度( 达到微米级) 。如下图所示 图2 - 1 装配后的进液阀 2 2a b s 阀芯装配单元的总体结构 2 2 1 阀芯装配单元的总体规划 由上文可知：阀芯装配单元主要装配阀座与弹簧、阀芯等零件( 如图2 1 所 示) 。由于现在交流伺服系统以其优点正逐渐取代直流伺服系统占据主导地位， 而本系统又要求高的定位精度，所以采用了交流伺服系统。 由于装配过程是直线过程，所以采用直线执行器( 电动缸) 。上文已经分析 了液压式的、气动式的与机电式的直线执行器的优缺点。本系统的压装过程为过 盈配合的压装，压装过程存在相当大的压力，并且需要高精度的定位，所以气缸 由于刚度低的原因，所以不考虑用气缸。而液压系统又由于容易泄露与污染环境， 并且需要独立的液压源等缺点，所以不考虑采用。最后采用了电动缸作为本系统 的执行器，电动缸具有精度高，清洁无污染，机构简单，易于安装等特点。 由上文介绍知道： p l c 具有高的可靠性，它能在各种不同的工业环境下正常工作，对工作环境 的要求低，抗外部干扰的能力强，平均无故障时间长。 第二章a b s 阀芯装配单元的设计 p l c 使用方便灵活，由于大多数p l c 采用模块化的结构形式，模块的选择 可以根据实际的需要自行选择；并且近年来p l c 的功能模块越来越多，扩大了 p l c 的应用范围；并且p l c 的编程简单方便，易于掌握即使没有基本计算机知识 的人也可以非常容易的掌握。 最后综合考虑后采用p l c 作为控制器。 2 2 2 阀芯装配单元的设计 阀芯的装配需要高的定位精度，所以该装配系统采用闭环控制，即将传感器 直接检测阀芯超出阀体右面的高度，使之满足要求。闭环控制的框图如下所示： 图2 - 2 闭环控制框图 该进液阀的长为3 8 5 m m ，最大直径为1 2 8 m m ，而阀座的内径仅为2 m m ，如 果采取水平方式压装时，阀座的夹具不易设计，所以经过考虑后采用竖直压装方 式进行压装。 阀芯装配单元需要对压装力的大小进行限制，并可调节压力极限的范围，如 果超出设定范围即报警，所以系统需要一个压力传感器，对压装过程的压力进行 实时的检测，当超出压力上限时报警。 另外为了阀座压装高精度的定位，该系统采用一个高精度的传感器和一个精 度低一点的传感器。高精度传感器负责检测阀芯超出阀体右面的高度，而粗位移 传感器负责整个压装过程中的进给控制，这样就保证了系统的压装的过程控制与 压装精度的保证。 系统为了实时的显示装配过程中的压力、进给位移等参数，以及为了发出警 报显示，所以需要一个人机界面( h m i ) 以保持实时检测。系统的框图如下所示： 第二章a b s 阀芯装配单元的设计 由 r 2 变 交流伺服电机倒e 铲 频 控 制 器 弋 d ap l ca d 图2 3 阀芯压装系统框图 2 3 系统主要的硬件的设计与选择 图2 5 伺服电机与控制器的连接示意图 图2 - 6e - i i 系列伺服单元 2 电动缸的选择 1 4 第二章a b s 阀芯装配单元的设计 电动缸将电机的旋转运动转化为丝杠和丝杠副的机械运动转换为推杆的直 线运动。该装配单元的电动缸选择了天津维杰泰克自动化公司的电动缸，型号为 、e c 9 0 t 1 0 0 8 0 5 a 4 0 0 w g 0 5 。主要有以下特点：不锈钢推杆，防锈、耐腐蚀，电 机可选( 包括直流伺服电机及，交流伺服电机，步进电机，普通交流直流电机；) 最大的推力为8 0 0 公斤；单向的重复精度可达+ 0 0 2 m m ；电动缸上并配有回零和 限位传感器；并有串联式和并联式两种【1 5 】。如下图所示： 图2 - 7 并联式电动缸图2 - 8f b s 系列p l c 3 p l c 的选择 本装配单元所选择的p l c 为台湾永宏公司的f b s 2 0 m n 系列p l c ，如上图所 示。该型号p l c 具有以下特点： a ) 功能超强，整合各种尖端功能于一个晶片上，功能媲美中大型p l c 。 b ) 价格最具竞争力采用s o c 设计，大幅降低体积与成本。 c ) 平均执行时日j 0 3 3 9 s j j n 序指令。 d ) w i n d o w s 编程界面，运转中可修改程序。 c ) 最大5 1 2 点数位i o ，1 2 8 点模拟量i o 。 04 组3 2 位元硬体高速计数器，具8 种运作模式，计数频率可达9 2 0 k h z 。 曲最多5 个通讯口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、u s b 、e t h e m e t ) ，最高通讯速率 可达9 2 1 6 k b p s 。 伺服控制器对电机的速度控制需要在输入端子上输入模拟的电压值，以及传 感器的信号也是通过模拟电压传给p l c ，所以需要模拟输入与输出的模块。本单 元选择的模拟输入输出模块是永宏提供的f b s b 2 a 1 d 模拟输入输出混合扩充 板。该扩充板提供1 信道之1 2 位( 1 4 位表示式) 模拟输出信号以及可量测2 信道之1 2 位( 1 4 位表示式) 模拟输入信号。模拟输入通道c h o 使用的缓存器为i ) 4 0 7 8 ，c h l 使用的缓存为d 4 0 7 3 ，模拟输出通道使用的缓存为1 ) 4 0 7 6 。输入输出的通道的精 确度达到1 ，输入输出范围为o l o 、r o 2 0 0 m v 。下图左边为扩充板的外形， 右图为输入输出的特性( 数值大小与电压电流对应关系) 。 第二章a b s 阀芯装配单元的设计 图2 - 9 模拟扩充板外形图2 1 0 输入输出特性 4 人机界面的选择( h m d 本装配单元采用了触摸屏作为人机交换的界面。 a ) 触摸屏简介 触摸屏以其易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，越来越多 地显示其当大的优越性。触摸屏现在主要有四种产品：电阻式，超声波式，红外 线式，电容式。 电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面相匹配的多层复合薄膜，由一层 玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面 硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层透明导电层，在两层导电 层之间有许多细小( 小于千分之一英寸) 的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指触 摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一 面导电层接通y 轴方向的5 v 均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，这种 接通状态被控制器侦测到后，进行a d 转换，并将得到的电压值与5 v 相比即可 得到触摸点的y 轴坐标，同理得出x 轴的坐标，这就是所有电阻技术触摸屏共同 的最基本原理。电阻类触摸屏的关键在于材料科技。电阻屏根据引出线数多少， 分为四线、五线、六线等多线电阻触摸屏。 表面声波技术是利用声波在物体的表面进行传输，当有物体触摸到表面时， 阻碍声波的传输，换能器侦测到这个变化，反映给计算机，进而进行鼠标的模拟。 红外线触摸屏只需在显示器上加上光点距架框，无需在屏幕表面加上涂层或 接驳控制器。光点距架框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成 一个红外线网。用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的横竖两条红 外线，电脑便可即时算出触摸点的位置。 电容式触摸屏利用电容原理，当用户触摸屏幕时，由于人体电场，用户和触 摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指 从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出，并 1 6 第二章a b s 阀芯装配单元的设计 且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成 正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算， 得出触摸点的位置。 b ) 本装配单元采用的是维纶通公司的 m t 5 0 6 l v 型号的触摸屏。有两个通讯端口，c o m l ： p cr s 2 3 2 ( h m i p c i & p l c r s 4 8 5 4 2 2 ( h m i p l c ) 和c o m 2 ：p l cr s 2 3 2 ( h m i p l c ) 。外形图如右所 示： 图2 1 1m r r 5 0 6 l v 触摸屏 5 传感器的选择 传感器的精度直接影响到了装配单元的精度，本系统的传感器主要有粗位移 传感器和精位移传感器以及压力传感器。 精位移传感器选用了三丰公司的l g b 1 0 5 l 型号的传感器。该传感器的精度 达到了1 j u n ，电源电压为5 v ，输出脉冲信号。p l c 对该脉冲信号的采集使用硬体 高速计数器( h i s c ) h s c 0 。 粗位移传感器采用了n o v o t e c h n i k 公司的t r s 5 0 型号的电子尺，该电子尺 的电源电压给定为5 v ，精度达到0 0 1 m m 。 压力传感器选择了永正传感器公司的2 6 6 a h 型号的称重测力传感器。测量 范围是0 2 0 0 0 k g ，电源电压为1 0 v 。 设计好的阀芯装配单元外观图如下所示：其中精位移传感器在夹具内部。 图2 1 2 阀芯装配单元外形图 1 7 第二章a b s 阀芯装配单元的设计 2 4 阀芯装配单元p l c 控制软件设计 2 4 1 永宏p l c 的编程语言和编程软件 永宏p l c 的编程软件主要有梯形图和指令表等，而梯形图被称为p l c 的第 一编程语言。 梯形图最大的特点就是程序直观、形象，即使是对于不同厂家的p l c ，他们 的形式仍十分类似 1 7 q 8 】。梯形图的主要编程规则有：每一逻辑行总是起于左母线， 然后是触