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汽車檢測裝置及機械手的控制系統的設計

添加時間:2020/07/21 來源:長春工業大學 作者:魯冠宏
在企業實際項目的支持下對蓋總成檢測線進行布局設計及平衡性改善,對檢測裝置的裝夾機械手進行結構設計、仿真分析,對檢測裝置及機械手的控制系統等內容進行設計.
以下為本篇論文正文:

摘 要

  汽車離合器蓋總成是離合器的核心部件,蓋總成的負載能力、分離能力及其穩定性能的好壞直接關系到傳動系統甚至是整車的使用安全,同時蓋總成也是易損部件,為了保證其安全性,相關的標準要求其在出廠前必須進行檢測,國外的測試設備價格昂貴,企業很難承擔,國內的測試設備技術尚未完全成熟,因此,離合器蓋總成檢測設備有著極為廣泛的應用空間和前景。在企業實際項目的支持下對蓋總成檢測線進行布局設計及平衡性改善,對檢測裝置的裝夾機械手進行結構設計、仿真分析,對檢測裝置及機械手的控制系統等內容進行設計,具體工作如下:

  首先,對國內外檢測線及檢測設備進行對比,分析了現今檢測線布局形式和檢測裝置的不足及各檢測工位節拍不平衡的問題,通過對檢測線布局的設計、上下工件裝置的改進、檢測線裝置的設計以及對瓶頸工序(平衡、去重及打標)的作業內容進行分解與合并的研究,最終確定了一套平衡性改善方案,解決了原檢測線自動化程度低、檢測節拍長、平衡性差、勞動強度大、檢測效率低等問題。

  其次,分析了檢測裝置工作原理和檢測線的有效工作空間,為了模擬推式離合器蓋總成在真實工況下分離軸承對膜片彈簧的真實作用,設計了分離軸承裝夾機械手,此設計機構解決了現行抓取機構結構龐大、靈巧性差、抓取節拍長及難以自動鎖緊等問題。應用 CATIA 軟件對機械手進行建模與虛擬裝配,并結合實際工況對機械手關鍵零部件進行有限元分析,利用 HyperMesh 軟件對幾何模型進行有限元網格劃分,通過施加相應的約束和載荷,得到開合鎖板應力應變與位移圖解,結果表明工件設計合理,能夠滿足強度要求,同時對夾爪進行模態分析,結果表明夾爪與檢測設備不會發生共振,驗證了機械手設計的合理性。

  最后,對檢測設備控制系統的總體方案進行設計,對各控制模塊部分進行選型與研究,確定檢測設備的硬件型號,對檢測裝置的裝夾機械手進行控制系統的設計,搭建氣動控制回路,并在此基礎上開展機械手 PLC 控制系統和控制程序的研究,以達到控制系統精度的要求,為方便對機械手進行控制和排查,設計了手動/自動控制模塊和故障報警模塊,滿足了生產的需要。

  關鍵詞:離合器蓋總成 檢測線 平衡性分析 機械手 有限元分析 控制系統

汽車檢測裝置

Abstract

  The automobile clutch cover assembly is the core component of the clutch. The load capacity, separation capacity and stability of the cover assembly are directly related to the safety of the transmission system and even the whole vehicle. At the same time, the cover assembly is also a vulnerable component. To ensure its safety, the relevant standards require that it must be tested before leaving the factory. The foreign test equipment is expensive, the enterprise is difficult to bear, and the domestic test equipment technology is not yet fully mature. Therefore, the clutch cover assembly inspection device has an extremely wide application space and prospects. With the support of the actual project of the enterprise, we carry out layout design and balance improvement on the inspection line of the cover assembly, design the structure, simulation analysis of the clamping mechanism of the detection device, and design the control system and the control system of the robot.

  The work is as follows:

  Firstly, the domestic and international test lines and testing equipment are compared, and the problems of the current layout line layout and detection devices and the imbalance of the test stations are analyzed. Through the study of the design of the test line layout, the improvement of the upper and lower workpiece devices, the design of the test line device, and the decomposition and merging of the work contents of the bottleneck process (balance, deduplication and marking)。 Finally, a set of balance improvement schemes was determined, which solved the problems of low automation degree, long test tempo, poor balance, high labor intensity and low detection efficiency.

  Secondly, the working principle of the detecting device and the effective working space of the detecting line are analyzed. In order to simulate the true effect of the push-type clutch cover assembly on the diaphragm spring under the real working condition, a separate bearing clamping manipulator is designed. This design mechanism solves the problems of the current structure of the grabbing mechanism being large, the dexterity is poor, the grasping of the beat is long, and it is difficult to automatically lock. The CATIA software is used to model and virtualize the manipulator, and the finite element analysis of the key components of the manipulator is carried out in combination with the actual working conditions. The finite element meshing of the geometric model is carried out by using HyperMesh software. The stress and strain and displacement diagram of the opening and closing lock plate are obtained by applying the corresponding constraints and loads. The results show that the workpiece design is reasonable and can meet the strength requirements. The modal analysis of the jaws shows that the jaws do not resonate with the detection device, verification of the rationality of the robot design.

  Finally, the overall scheme of the detection equipment control system is designed, the selection and research of each control module part is carried out, and the hardware model of the detection equipment is determined, designing a control system for the clamping robot of the detecting device, and constructing a pneumatic control circuit. Based on this, the research on the robot control system and control program is carried out to meet the requirements of the control system accuracy. In order to facilitate the control and troubleshooting of the manipulator, a manual/automatic control module and a fault alarm module were designed to meet the production needs.

  Key words: Clutch lid assembly Detection line Balance analysis Manipulator Finite element analysis Control system

目 錄

  第 1 章 緒 論

  1.1 論文選題來源及背景

  1.1.1 選題來源

  本課題來源于吉林省科技廳重大科技招標專項,項目名稱是"汽車離合器蓋總成生產線成套檢測設備的研制",合同編號為:20150203017GX.

  1.1.2 研究背景及意義

  隨著人們對汽車的依賴程度越來越高,汽車產業的發展已經成為國家發展水平和科技競爭力的體現[1].汽車已成為人們日常生活中不可或缺的代步工具,但汽車在實際操作過程中的問題卻不斷出現,例如零件磨損,發動機問題等。而離合器作為汽車傳動系統最重要的部件之一,其性能的好壞直接關系到整車的安全性,F在每年都有各式各樣的新款車型上市,隨著汽車的需求量越來越多,汽車相應零部件(如離合器蓋總成)的需求量也與日俱增,再加上勞動力成本的不斷上漲,使得離合器蓋總成生產線的市場需求日益旺盛,產業化前景廣闊[2].

  離合器蓋總成是離合器最重要的組成部分。汽車離合器的新產品研發、產品優化改進及檢驗都需要對汽車離合器蓋總成進行性能檢測。通過測量汽車離合器蓋總成的分離特性曲線和負荷特性曲線,并與國家相關標準中的《汽車干摩擦式離合器技術條件》QC/T25-2014 進行對比分析,可以得出生產的離合器蓋總成是否達到基本的使用要求,同時可以大幅度提高蓋總成的生產合格率,降低產品的危險性[3].檢測的結果也會使蓋總成生產廠家對其生產的工件性能有著更好地分析,對離合器蓋總成的結構設計、生產流程和裝配方式進行優化指導,進而協助蓋總成生產廠家在保證產品安全使用的前提下,提高效率,降低成本,最終使企業具有更好的市場競爭力。

  汽車產業是資金密集型產業的代表,檢測裝置與設備在汽車理論研究、結構設計、部件生產及產品維護等多個環節都有著巨大作用。本課題研究的蓋總成檢測線能夠對離合器蓋總成進行自動化檢測,提高檢測效率,降低用工人數,提高企業產能,滿足離合器產量需求;減少檢測成本、增強離合器生產企業的市場競爭力,為我國今后的汽車檢測裝置的研制奠定基礎,以期達到甚至超過國外同類先進產品,這對于提高我國汽車制造業的生產和檢測水平具有深遠的意義[4].不僅可以吸收國外汽車離合器蓋總成柔性生產線先進的檢測方法,提高我國離合器蓋總成檢測的技術,而且還可以通過技術改進降低產品的價格,增加我國在汽車產業的國際競爭力,對完成我省老工業基地的改造有著積極推動作用。

  綜上,研制開發出價格合理、檢測效率及自動化程度高的離合器蓋總成檢測線有著廣闊的發展前景。

  1.2 國內外研究現狀

  1.2.1 國外研究現狀

  20 世紀 90 年代,國外對離合器蓋總成檢測設備就已經展開了相關的研究。經過幾代人的不懈努力,研究出的離合器蓋總成檢測設備已經相當成熟,蓋總成檢測線已達到全自動化的標準,其檢測精度與測試速度均具有很好的保證。

  現今,國外汽車行業相關檢測設備的發展已相當成熟。在汽車離合器蓋總成檢測設備技術方面,法國的 VALEO 公司、美國的 Green 公司、德國的 Schenck 公司等都研制了高精度的蓋總成檢測裝置。如圖 1.1 為德國 Schenck 公司研制的離合器蓋總成平衡機。

  關于成套檢測設備方面,主要廠家有意大利捷菲特、日本愛思帝,這些廠家技術成熟,檢測精度和速度都處于領先水平。這些廠家研制的蓋總成成套檢測設備,將原有的液壓加載方式通過伺服電機進行替代,伺服系統可以很好的控制檢測設備的運動情況和負載的加減,具有很好的測試精度、控制精度和重復精度[5].由于檢測設備對位移運動的精度要求較高,采用永磁同步的交流伺服電機可以使檢測設備得到更快的響應速度和更高的運動精度,既能降低驅動成本,又能擔負起較大的載荷[6].如圖 1.2為意大利捷菲特公司研制的蓋總成檢測設備。

  通過調查研究發現,大多數國外檢測設備產品能夠準確模擬各類離合器蓋總成的實際工作狀態。檢測線上檢測設備大多應用基于 PC 的控制系統和數據采集系統,相比于原始的檢測系統,提高了其開發效率,實現了控制系統的快速性、實時性與多任務性; PC 的數據采集系統縮短了開發周期,降低了造價成本,提高了復雜條件下檢測裝置的檢測精度和控制精度[7].

  1.2.2 國內研究現狀

  我國在自主研發汽車檢測儀器與設備產業方面起步較晚,但是在技術發展過程中可借鑒的空間和提升的空間很大,在我國汽車工業飛速發展的帶動下,檢測設備技術水平也得到了迅速提升,近年來已經逐步建立了科學儀器設備自主創新原理研究、技術開發、產業化研究和應用示范的較為完整的鏈條。如今,我國汽車自主研制開發的檢測技術已經推廣應用,從單一性能測試到汽車安全性能測試,再到汽車綜合性能測試,設備的開發和生產得到了迅速發展[8].

  在國內,汽車干摩擦式離合器蓋總成的檢測遵循 QC/T25-2014 這一標準。隨著國內汽車行業的進步,國內汽車檢測技術同樣發展迅速,在離合器檢測設備方面,中國的許多大學和企業,如上海交通大學、廣西大學、長春中聯汽車檢測設備有限公司、重慶創和有限責任公司、濟南華興有限公司等對離合器蓋總成檢測設備進行了大量的研究。

  這些高校和企業都是在離合器檢測領域開展了相應的研究工作并取得了一定的科研成果。如上海交通大學胡勝華等人聯合設計的試驗臺采用雙閉環控制,采用PMAC 運動控制卡和伺服電機驅動器實現對伺服電機的雙閉環控制,效率高、響應快,并用 VC6.0 進行了測試系統軟件的開發[9] ;廣西大學機械工程學院姚啟紅、趙艷珍等人采用 LabVIEW 圖形化軟件開發平臺,通過數據采集卡 PCI-6024E 聯系采集壓力和位移信號來完成測試數據的采集、顯示等,最終研制出一套滿足國家行業標準要求的蓋總成負荷特性測試系統[10];天津大學機械工程學院劉鎮忠、趙連玉等人設計了離合器蓋總成綜合性能試驗臺測控系統,它采用工控機為上位機,運動控制卡為下位機的形式進行設計,結果表明,該控制系統能實現單一設備對推式離合器蓋總成及拉式離合器蓋總成兩種形式蓋總成綜合性能的檢測,其檢測精度和自動化程度都得到提高[11];由長春工業大學及長春中聯設備有限公司設計的離合器蓋總成檢測試驗臺已經由原來液壓加載方式升級為伺服加載方式,設計了蓋總成檢測試驗臺的主機結構及控制系統,應用液壓及氣動的形式對檢測機的夾具進行設計,并用 VC 開發了功能強大的用戶界面,實現了蓋總成分離特性和負荷特性的測試[12];錦州萬德企業曾慶東設計的微機測控蓋總成性能試驗臺是通過應用機械和液壓技術相結合的方式,設計出一套機電一體化的試驗設備,利用 C++對其進行數據的采集和分析[13] ;重慶創和有限公司以計算機 sxP Embedded 為實時操作系統,同樣采用機械和液壓相結合的方式,設計了一套蓋總成檢測機。如圖 1.3 是國內檢測設備生產廠家的產品外觀圖片。


  近些年,國內檢測設備經過不斷的發展,已經取得了較大的進步,與國外檢測設備的差距逐漸減小,雖然在可靠性和自動化程度上都還有一定差距,但在檢測設備價格上遠遠低于國外的檢測設備價格,并且國內目前的離合器檢測設備滿足"QC/T25-2014 汽車干摩擦式離合器總成技術條件"要求,所以研究開發高精度、高可靠性、自動化程度高、價格合理、性能優良的國內產品必將有著廣闊的發展前景。

  1.3 論文研究的主要內容

 。1)離合器蓋總成檢測線的布局設計對檢測線的現狀從多方面進行分析,提出檢測線布局形式和檢測設備的不足及各檢測工位節拍不平衡的問題。針對檢測線自動化程度低、檢測節拍長、勞動強度大、檢測效率低等情況,研究了一套解決問題的方案。通過對上下工件裝置的改進、檢測線裝置的設計以及對瓶頸工序的作業內容進行分解與合并的設計,來解決檢測線現存的問題,以提高檢測線的平衡率。

 。2)檢測裝置的分離軸承裝夾機械手設計分析了檢測裝置工作原理和檢測線的工作環境,通過與現今流行的機械手進行對比分析,確定了裝夾式機械手的設計方案。為了解決放置和夾緊分離機構同步化進行的問題,加快檢測時間,提高檢測效率,對機械手的鎖緊機構進行設計;同時,為了減小鎖緊過程摩擦產生的振動,在結構上設置導軌和滑塊來進行移動鎖緊。在對檢測線的空間進行分析后,確定了機械手的尺寸,最后對機械手進行三維建模和虛擬裝配。

 。3)機械手末端結構關鍵零部件有限元分析對機械手末端結構的關鍵零部件進行有限元分析。對模型進行有限元模型的建立,之后通過施加載荷與約束,賦予材料屬性,分析其應力及變形情況,驗證設計的結構是否滿足強度需求;之后分析夾爪的模態屬性,驗證其 1 階頻率是否高于檢測設備的激振頻率,避免共振現象的產生。

 。4)檢測裝置及機械手的控制系統設計對檢測裝置控制系統的總體方案進行設計研究,對各控制模塊部分進行選型與研究,進而確定檢測設備的硬件型號。對檢測裝置的裝夾機械手進行控制系統的設計,搭建氣動控制回路,并在此基礎上開展機械手 PLC 控制系統和控制程序的研究,以達到控制系統精度的要求,并設計機械手自動/手動控制程序及故障報警模塊,以得到更優的控制效果。




  第 2 章 離合器蓋總成檢測線的布局設計與研究
  2.1 離合器蓋總成檢測線現狀分析
  2.1.1 生產線布局形式分析
  2.1.2 離合器蓋總成檢測線問題分析
  2.2 離合器蓋總成檢測線布局設計
  2.2.1 精益化思想的背景及意義
  2.2.2 蓋總成檢測線的改善目標
  2.2.3 蓋總成檢測線的方案設計
  2.2.4 改善后檢測線的工藝流程
  2.3 離合器蓋總成檢測線的平衡性對比分析
  2.4 本章小結

  第 3 章 蓋總成檢測裝置裝夾機械手結構設計
  3.1 蓋總成檢測裝置的結構和工作原理
  3.2 裝夾機械手的工作過程與作業空間
  3.2.1 機械手工作過程
  3.2.2 機械手作業空間
  3.3 裝夾機械手的設計目標與方案分析
  3.3.1 裝夾機械手的設計目標
  3.3.2 裝夾機械手方案的對比分析

  3.4 裝夾機械手的結構設計
  3.4.1 機械手的運動方式選擇及設計方案
  3.4.2 機械手的底座支架設計
  3.4.3 機械手的主體機構設計
  3.4.4 機械手的末端裝夾機構設計
  3.4.5 特定分離軸承裝置的結構設計
  3.5 機械手三維模型建立
  3.6 本章小結

  第 4 章 基于 HyperMesh 的機械手末端結構有限元分析
  4.1 有限元分析流程
  4.2 機械手末端結構關鍵零部件有限元分析
  4.2.1 基于 HyperMesh 的有限元模型建立
  4.2.2 材料屬性的設置與工況載荷的施加
  4.2.3 應力計算結果與數據分析
  4.3 末端夾持器關鍵零部件模態分析
  4.3.1 有限元模型建立
  4.3.2 模態分析結果
  4.4 本章小結

  第 5 章 蓋總成檢測裝置控制系統設計
  5.1 控制系統設計總體方案
  5.2 檢測設備硬件系統選型
  5.2.1 運動控制模塊
  5.2.2 伺服控制模塊
  5.3 檢測裝置的裝夾機械手控制系統設計
  5.3.1 氣動機械手動作過程
  5.3.2 機械手氣動系統設計
  5.3.3 機械手 PLC 控制系統設計
  5.3.4 機械手 PLC 控制程序設計

  5.4 機械手功能模塊設計
  5.4.1 機械手觸摸屏控制界面設計
  5.4.2 故障報警模塊設計
  5.5 檢測裝置的人機交互界面設計
  5.6 離合器蓋總成檢測線的測試試驗
  5.7 本章小結

第 6 章 結 論

  6.1 總結

  離合器蓋總成是離合器的關鍵組成部分,在其出廠前必須經過各項指標的測試,其檢測工作重要且繁瑣,并且各檢測項目節拍不同,所以在檢測過程中大大限制了檢測線的檢測效率。為此,本文通過對原檢測線的分析,進行了檢測線布局設計、平衡性改善和檢測裝置裝夾機械手的設計與研究,工作總結如下:

 。1)分析了離合器蓋總成檢測線的現狀,針對檢測線存在的問題和不足,結合精益化的思想對檢測線的平衡性進行改善,增加了機器人全自動上下工件裝置、設計了合格、不合格產品自動分揀裝置,實現了檢測線的全自動化,減少了搬運路徑、縮短了檢測節拍、減輕了勞動強度、減少了用工人數、提高其自動化程度;并對瓶頸工序的作業內容進行分解與合并,提高了檢測線平衡率,使平衡率由原先的 70.42%提升到 92.26%,改善后的自動檢測線為企業節約了大量的資金,有效避免了浪費情況的發生。

 。2)分析了蓋總成檢測裝置的結構與工作原理,結合檢測線實際需求,設計了一種可以自動抓取分離軸承并能夠使分離軸承自動夾緊在檢測裝置上的裝夾機械手;解決了放置和夾緊分離機構不能同時進行的問題,實現多個步驟同步化,縮短了檢測時間,抓取及夾緊的過程僅需 4 秒左右,此設計將原綜合性能檢測工位的檢測節拍降低了 8s 左右,且生產成本遠低于原檢測設備,提高了檢測效率,保證了檢測節拍和設備的可靠性。最后,運用 CATIA 軟件建立了機械手的三維模型。

 。3)通過 HyperMesh 軟件對機械手末端結構的關鍵零部件進行了有限元分析。

  通過分析結果可知,裝夾結構末端裝置的開合鎖板所受的最大應力值遠小于其材料的許用應力值,說明該設計滿足自身強度要求,設計合理;同時通過模態分析獲得機械手夾爪的前6階固有頻率和振型,結果表明夾爪的第1階頻率高于檢測機的激振頻率,排除共振發生可能性,保證了檢測過程的穩定性和可靠性。

 。4)根據檢測線的特點進行控制系統總體方案的研究,對設備各硬件進行選型研究,然后對檢測裝置的機械手進行控制系統設計,并搭建出機械手的氣動控制回路,接著在此基礎上開展機械手 PLC 控制系統和控制程序的研究,設計了機械手自動控制程序及手動控制程序;為方便對機械手進行控制和排查,設計了手動/自動控制模塊和故障報警模塊,獲得了較好的控制效果。

  6.2 展望

  本文雖然對蓋總成檢測線進行了優化,并且對檢測裝置的裝夾機械手進行設計和分析,最后又對其控制系統進行設計,但研究的內容在具體實施應用的時候還有許多問題,本課題還需進一步深入研究以下幾個方面:

 。1)本文制定的檢測線設計方案,需在實際中不斷細化、完善,并將此種改善方案的思想應用到各個生產線中[77]. (2)機械手運動過程的軌跡規劃研究,運用連桿機構尺度綜合的方法對機械手機構進行系統的改進,使抓取及裝夾過程更快、更平穩。

致 謝

  歲月如歌,三年時光如白駒過隙,轉瞬即逝,那一幕幕仿佛發生在昨天,讓人感受到青春和美好的回憶。在碩士的三年學習生涯當中,我有幸遇到了我的恩師,王占禮教授,在整個研究生求學過程中都得到了王老師的悉心指導,王老師始終關注著我的生活情況和科研情況,并為我指點迷津,幫助我開拓研究思路,精心點撥,熱忱鼓勵,老師的耐心教誨和嚴格要求,使我各方面有了長足的進步,經師易得,人師難求,師恩難以言謝。同時,在此感謝我的另一位導師張邦成教授這三年來的孜孜教導,張老師在我專心科研迷茫的時候給了我很好的指引和幫助,百忙之中還一次又一次給我提建議,張老師面對工作和同學們從來沒有懈怠過,始終堅持著嚴謹負責的態度,為我們傳道解惑。在此,向兩位老師表示由衷的敬意與感謝。

  青蔥年華,在最美好的時光與課題組的一眾老師、師兄、師姐、師弟們度過是多么難忘啊。在此特別感謝同課題組的孫建偉老師、陳延偉老師、李靜老師、胡艷娟老師、高智老師、龐在祥老師,感謝尹曉靜師姐、高墨堯師兄、郜思洋師兄給予我的幫助與支持,感謝與同窗李爽、季春天的相識,感謝你們的幫助,你們是我人生中的最重要的老師和同學,謝謝你們三年來的關照與寬容,與你們一起走過繽紛時代,將會是我一生最珍貴的回憶。

  在此,我還要感謝培養我長大含辛茹苦的父母,養育之恩,無以為報,希望你們永遠健康幸福。最后,十分感謝在百忙之中抽出寶貴時間為我審閱論文的專家和老師,謝謝你們,你們辛苦了!

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