【文章內容簡介】 業(yè)設計 (論文 ) 9 電機的選擇 電機是小車的驅動部件，根據縱梁的檢測要求，必須對小車運動的速度進行控制和對小車的位置進行精確地定位，普通異步電機顯然不能滿足要求 ?？紤]到小車運動速度，且對小車運動的穩(wěn)定性要求較高， 因此設計采用 交流 伺服電機對小車進行精確控制。 交流 伺服電機的主要特點是： （ 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 ，根據檢測要求必須對支撐桿的回轉運到進行精確的控制，還需要能實現正反轉，因此也選用交流伺服 電機對支撐桿進行控制。 攝 像機高度調節(jié)機構設計 由于各種型號的縱梁寬度不一樣，為使攝像機獲得可調的視場寬度同時又保證清晰的數字圖像，需對攝像機的工作高度進行精確調節(jié)。絲杠 傳動精度較高，調節(jié)方便，因此設計擬用絲杠作為相機的高度調節(jié)機構。可將攝像機安裝在支架上，并在支架上安裝絲杠螺母，在小車底座上安裝絲杠，并用手輪驅動絲杠轉動，進而驅動絲杠螺母帶動攝像機移動，從而達到調節(jié)目的。 底座 的設計 底座 即裝置的機架， 是整個檢測裝置的基本， 也是整個檢測裝置最大的部分，其作用主要有： （ 1） 承載工件（縱梁）； （ 2） 安裝小車導軌，作為攝像小車的工作平臺； （ 3） 安裝人工光源，以加強攝像機的攝像質量； （ 4） 安裝液壓系統。 底座 （機架） 設計的準則 ]5[ ： （ 1） 工況要求 保證安裝在底座上的零部件能順利運轉；設置執(zhí)行某一工況所必須的平臺；保證上下料長春工程學院 2021屆畢業(yè)設計 (論文 ) 10 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，對機架的主要要求是剛度。檢測機構工作環(huán)境 振動 較大，因此要求底座有較高的剛度。 （ 3） 強度要求 對于一般的機架，剛度達到要求，同 時也能滿足強度要求。由于底座承載的重量較輕，且 小車的運動不對底座產生工作應力，故底座強度可以按剛度直接設計，不再考慮強度要求。 （ 4） 穩(wěn)定性要求 對于細長的或薄壁的受壓或受彎結構存在失穩(wěn)問題，某些板殼結構也存在 失穩(wěn)問題或局部失穩(wěn)問題。失穩(wěn)對結構產生很大的破壞 。 （ 5） 美觀 目前對機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，當攝像機對縱梁進行拍攝時，底座對縱梁的 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很小。但是為適應不同尺寸的縱梁檢測，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。為滿足上述兩點要求，可將縱梁支撐設計成寬度可調的。 因此，可以將檢測過程的支撐和裝卸縱梁時的支撐分開設計。裝卸時的支撐設計成 支撐桿 形式，在縱梁寬度方向上全程支撐 ， 檢測過程的支撐設計成可沿縱梁寬度方向滑動的滑臺 ，裝卸時的支撐桿由電機控制其運動，檢測時的支撐由液壓缸控制 。當裝卸工件時 支撐桿 伸出、滑臺收回， 待檢測工件時 支撐桿向下 收回、滑臺伸出。 底座結構簡圖，如圖 圖 底座結構簡圖 長春工程學院 2021屆畢業(yè)設計 (論文 ) 11 液壓 系統原理 換向方式選擇 由于滑臺液壓缸有 兩個方向的動作，故需用換向閥對其進行換向。 換向閥 是具有兩種以上流動形式和兩個以上油口的方向控制閥。是實現液壓油流的溝通、切斷和換向，以及壓力卸載和順序動作控制的閥門。可分為手動換向閥、電磁換向閥、電液換向閥等。為實現滑臺的自動控制，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閥芯運動以變換流體流動方向的控制閥，簡稱電磁閥。 通過 變換閥心在閥體內的相對 位置，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，易實現動作轉換的自動化，因此應用廣泛。 ]6[ 調速和調壓方式設計 為滑臺的移動速度，需在液壓系統中加入調速系統。 為改變進入液壓執(zhí)行原件的流量，采用流量控制閥調節(jié)通過流量閥的流量，即采用節(jié)流調速回路。為使滑臺能獨立運動，在液壓缸進油回路安裝節(jié)流閥。 回路中壓力不應過大，因此采用溢流閥來維持系統壓力，在溢流閥有溢流時，可維持系統壓力恒定。另外，當系統超載時，溢流閥才打開，對系統起過載保護作用，而平時溢流閥關閉。 ]6[ 其他輔助元件 由于滑臺較重，當滑臺由運動變?yōu)?停止時就會有回油現象出現，因此在主進油路和滑臺液壓缸進油路上安裝單向閥， 長春工程學院 2021屆畢業(yè)設計 (論文 ) 12 液壓系統原理圖設計 圖 液壓系統原理圖 系統控制方案設計 控制器的選擇 控制系統 主要是對整個運動系統的控制管理，包括攝像機的分段拍攝控制、小車的位置及移動控制、 液壓 系統控制等。 設計 采用可編程序控制器 (PLC)進行控制。當 裝置 的動作流程改變時，只需改變 PLC程序即可實現，非常方便快捷。設計 擬 采用西門子的 s7200系列可編程控制器， 西門子 S7200系列 PLC 適用于各行各業(yè)，各種場合 中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。 S7200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。因此 S7200系列具有極高的性價比。 S7200系列出色表現在以下幾個方面： （ 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） 豐富的內置集成功能 （ 6） 實時特性 （ 7） 強勁的通訊能力 （ 8） 豐富的擴展模塊 滑臺液壓缸 長春工程學院 2021屆畢業(yè)設計 (論文 ) 13 S7200系列在集散自動化系統中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化 控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調，電梯控制，運動系統。 控制對象的確定 控制系統主要對以下對象進行控制 （ 1） 伺服電機 包括伺服電機的 正反轉、啟動和停止、加速和減速； （ 2） 攝像機 當攝像小車運動到一定位置時，攝像機拍攝圖片； （ 3） 支撐板電機 當裝卸工件和檢測開始時使 支撐板 伸出或收回； （ 4） 滑臺 液壓 缸 當裝卸工件和檢測開始時使架桿 液壓 缸伸出或收回； 控制過程設計 （ 1） 按下啟動按鈕，若小車不在起始位置則小車自動回到起始位置，同時 支撐板 到達 B端，滑臺回到 A端 （見圖 ） 。 （ 2） 待縱梁放在工作臺上后，按檢測按鈕，滑臺到達 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動，車載攝像機在規(guī)定位置拍攝采集縱梁圖像。 （ 3） 小車運動到右限位，小車停止，檢測結束。如果此時按停止按鈕， 支撐板 到達 B端 （見圖 ） ，之后滑臺返回 A端，此時可將縱梁取下。 （ 4） 在任意位置按下停止按鈕，裝置將暫停工作，當把暫停按鈕復位時裝置將會繼續(xù)暫停前的動作繼續(xù) 工作； (5)在任意位置按下急停按鈕，裝置馬上停止所有動作，急停按鈕復位后必須重新將攝像小車復位。 3 硬件 部分設計 攝像小 車設計 攝像小車是整個檢測裝置中最主要的組件，其結構設計的合理與否將直接影響到裝置長春工程學院 2021屆畢業(yè)設計 (論文 ) 14 的正常運行和檢測結果 ，在整個設計中占重要的位 。不合理的設計可能會導致 小車強度和剛度無法滿足工作需求，造成裝置整體壽命降低。另外，由于現場環(huán)境 振動 較大，低的剛度必然會造成車載 攝像機 的 振動 ，使其拍攝結果精度降低甚至失真。 因此，小車的設計除結構合理外，整體的強度和剛度也要符合要求，并應能承受較強 振 動 。 攝像小車主要由機架、伺服電機、絲杠、 攝像機 支架、導軌滑塊五部分組成。每部分的作用分述如下： 機架 小車的結構基礎，其他零部件將安裝在機架上； 伺服電機 小車的動力源， 驅動小車運動； 絲杠 和絲杠螺母配合，組成攝像機的工作高度調節(jié)機構； 攝像機 支架 安裝固定 攝像機 ； 導軌滑塊 與導軌配合，保證小車沿縱梁長度方向上運動。 小車的設計應 考慮 以下幾個問題 ： 機架的結構不能太高，以滿足攝像機最大工作高度為準，而且重心應盡可能低，另外，應該注意加強機架的剛度，以增強其抗震性。 攝像機 支架長度應 合理，在滿足攝像機視場要求的前提下應 盡可能縮短其長度，以增加系統剛度。另外應在結構設計上增加其剛度和強度。 在整個小車中，絲杠的裝配精度應較高，以防止由于螺母間存在干涉，產生較大應力，使絲杠的產生較大磨損，降低絲杠壽命。 導軌滑塊安裝的位置精度要足夠，以放置與導軌配合使用時產生干涉，產生較大的側向應力，加快導軌或滑塊的磨損，降低使用壽命。精度過低時甚至造成小車與導軌無法正常配合使用。 機架的設計 機架是小車的基礎零件，它支撐或容納零部件的作用。 機架設計的一般要求有 ]5[ ： （ 1） 機架的重量輕，材料選擇合適，成本低。 （ 2） 結構合理，便于制造。 (3) 結構應使機架上的零部件安裝、調試、修理和更換都方便。 （ 4） 結構設計合理，工藝性好，還應使機架本身的內應力小，有溫度引起的變形應力小。 抗震性好。 長春工程學院 2021屆畢業(yè)設計 (論文 ) 15 （ 5） 耐腐蝕，使機架結構在服務期限內盡量少修理。 （ 6） 有導軌的機架要求導軌面受力合理 。 ① 機架類型選擇 按制造方法，機架可分為鑄造機架、焊接機架、和螺栓聯接機架、或鉚接機架。鑄造機架剛度和強度較好， 抗振性好， 但鑄造過程復 雜，成本較高；螺栓聯接 或鉚接 機架制造簡單，加工容易，但其剛度較差，不適合在 振動 較大的場合工作； 焊接機架結構簡單，加工制造容易，成本較低，而且剛度和強度較高，抗振性較好，適合本檢測裝置的工作環(huán)境，因此設計采用焊接機架 。 ② 機架材料選擇 由于機架承受的應力較小，對材料的力學性能要求不高，但由于是焊接機架，故對材料的焊接性能有特殊要求，應選用焊接性能較好的金屬材料。低合金碳素結構鋼 Q395，鋼中只含有極少量的合金元素，強度不高，但有良好的塑性 、冷彎、焊接及耐腐蝕性，能夠滿足機架的工 作要求，故機架材料采用 Q395焊接成型。 ]7[ ③ 機架基本結構設計 機架的結構不僅應使機架上的零部件安裝、調試、修理和更換都方便，而且由于現場環(huán)境振動較大，應具有良好的抗振性，因此總體結構應具有較好的剛性， 其 結構形式如下圖 所示 左圖：側視圖 右圖：俯視圖 圖 機架結構簡圖 結構中有三塊肋板，其作用是增加機架的剛度，提 高抗振性。 長春工程學院 2021屆畢業(yè)設計 (論文 ) 16 攝像機支架設計 攝像機支架由導軌滑塊、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 ） 。 攝像機支架安裝在小車機架的立柱上，通過導軌滑塊和安裝在機架立柱上的導軌配合形成可上下移動的組件 。絲杠螺母與絲杠配合使用，通過旋轉絲杠達到調節(jié)支架高度即攝像機工作距離的目的。 圖 攝像機支架結構圖 一、 導軌 及導軌 滑塊的選用 導軌和導軌滑塊選用上海仁旺機電有限公司生產的 SBC系列直線導軌。 SBC直線導軌系統特性： （ 1） 價格低廉，經濟實用。 （ 2） 精確定位，軌道摩擦系數小，具有 良好的重復性。 （ 3） 節(jié)約成本 由于 SBC導軌摩擦系數小，可是驅動裝置小型化，并同時減小電力損耗。 （ 4） 保持高精度 通過減小滾動摩擦和熱膨脹， SBC直線導軌可以實現長時間的重復運轉。 （ 5） 安裝簡單 SBC直線導軌和 標準螺栓裝配方式能夠確保導軌的負載力和精確定位。 （ 6） 提高機械的可靠性 根據往復次數估算機械壽命， SBC直線導軌能夠提高機械的可靠性。 對于機架和攝像機支架間的導軌， 根據機架和攝像機支架的尺寸，選導軌型號為 SBG 15 FL/FLL， 導軌長度 340mm。 對于小車和底座間的導軌，選擇型號為 SBG 30 FL/FLL， 長度為3960mm（其最大長度為 4000mm）， 摩擦系數 ? 為 。對于滑臺所需導軌，由于滑臺質長春工程學院 2021屆畢業(yè)設計 (論文 ) 17 量較大，這里也選用動負載為 2980kgf的 SBG 30 FL/FLL導軌，長度為 350mm（其最大長度為 4000mm）。 其主要參數和結構示意圖如 表 二、導軌精度設計 由于攝像機支架上的絲杠螺母要與垂直安裝的絲杠配合，導軌的安裝精度直接影響著絲杠副的傳動精度，故導軌的精度應選高一些， SBC直線導軌的精度等級分三級，這里選用等級 H，如表 表 導軌精度 H H 和 W2 的測量