桑 杲，周德強(qiáng),2，焦 露，王少航，魯昀溥，蔡立軍

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；3.江南大學(xué)君遠(yuǎn)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；4.無(wú)錫普瑞精密技術(shù)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214028)

0 引言

汽車檢具是用來(lái)測(cè)量和控制汽車各零部件尺寸的專用檢測(cè)設(shè)備，其對(duì)于縮短汽車項(xiàng)目周期、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。本文主要針對(duì)傳統(tǒng)汽車檢具中存在的檢測(cè)效率低、精度不高等問題，設(shè)計(jì)了一種汽車電池托盤檢具，其可以檢測(cè)電池托盤上孔的位置度，且檢測(cè)方便可靠。

1 電池托盤檢具的總體方案設(shè)計(jì)

1.1 檢具的工作原理

檢具主要由檢具體、定位機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)以及測(cè)量工具組成。測(cè)量工具主要有通用量規(guī)、檢驗(yàn)銷釘以及各類傳感器等，檢測(cè)的要素通常為工件外形、輪廓和曲面形狀以及工件表面各孔、凸緣的位置等。本文設(shè)計(jì)的檢具用來(lái)檢測(cè)電池托盤上各個(gè)孔的位置度，其采用檢驗(yàn)探頭進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)頭的直徑略小于待測(cè)孔徑，測(cè)頭的中心與電池托盤上各個(gè)孔中心在同一軸線上，檢測(cè)時(shí)，若測(cè)頭能夠伸入孔內(nèi)，則表明該孔的位置度合格，反之不合格。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的檢具能夠測(cè)量電池托盤表面各個(gè)孔的位置度是否合格，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的要求，該檢具系統(tǒng)包括機(jī)械、電氣、軟件三個(gè)部分。機(jī)械部分包括輸送裝置、上下層檢測(cè)板的檢測(cè)組件以及升降裝置等，這些組件構(gòu)成了檢具的機(jī)械本體；電氣部分包括PLC、接近開關(guān)、電磁閥等，用以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)流程的自動(dòng)運(yùn)行及數(shù)據(jù)反饋；軟件部分主要包括人機(jī)界面，能對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，并顯示在顯示器上，從而使檢測(cè)過程方便可靠。

2 檢具機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為汽車電池托盤結(jié)構(gòu)示意圖。上表面(正面)呈內(nèi)凹型，其正、反面各有幾十個(gè)直徑不同、分布不均的孔，考慮到檢具所需的自動(dòng)化、智能化等要求，該電池托盤檢具的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)包括輸送裝置、上下層檢測(cè)板的檢測(cè)組件、升降裝置以及夾緊裝置等。

圖1 汽車電池托盤結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 輸送裝置設(shè)計(jì)

輸送裝置由無(wú)桿氣缸、輥道和安裝平臺(tái)等部件組成，如圖2所示。首先通過人工將要檢測(cè)的電池托盤正面朝上放到安裝平臺(tái)上，再通過兩個(gè)方向的定位塊實(shí)現(xiàn)六點(diǎn)精確定位，然后由無(wú)桿氣缸推動(dòng)平臺(tái)，通過輥道將平臺(tái)輸送到檢測(cè)位置開始檢測(cè)，待檢測(cè)完畢后由無(wú)桿氣缸將平臺(tái)拉回到初始位置。

2.2 上下檢測(cè)板設(shè)計(jì)

由于電池托盤的正反兩面均需要檢測(cè)孔的位置度，因此檢測(cè)板分為上檢測(cè)板和下檢測(cè)板，上檢測(cè)板又分為兩塊(左、右)，分別檢測(cè)電池托盤正面左、右兩部分孔的位置度；下檢測(cè)板為一塊，檢測(cè)電池托盤背面孔的位置度。左、右兩塊上檢測(cè)板上分布有接近開關(guān)，接近開關(guān)旁邊開設(shè)通孔，金屬測(cè)量桿安裝在通孔中，并裝有彈簧使其自動(dòng)歸位。下檢測(cè)板上分布有小型檢測(cè)氣缸，測(cè)量桿安裝在氣缸活塞桿末端，并且氣缸的首末端都安裝有電磁接近開關(guān)。同時(shí)，為了使電池托盤在檢測(cè)時(shí)不產(chǎn)生晃動(dòng)，下檢測(cè)板上的4個(gè)角上安裝有4個(gè)旋轉(zhuǎn)夾緊氣缸，用以?shī)A緊電池托盤的邊緣使其固定。上、下檢測(cè)板的結(jié)構(gòu)組成如圖3、圖4所示。

1-無(wú)桿氣缸；2-定位塊一；1-左檢測(cè)板；2-金屬測(cè)量桿；3-定位塊二；4-安裝平臺(tái)；3-接近開關(guān)；4-上氣缸安裝槽；5-支座；6-底板；7-輥道 5-右檢測(cè)板；6-導(dǎo)向滑套

圖2輸送裝置圖3上檢測(cè)板

2.3 升降裝置設(shè)計(jì)

圖5為升降裝置。當(dāng)平臺(tái)由無(wú)桿氣缸輸送至檢測(cè)位置時(shí)，下大氣缸首先推動(dòng)底板，通過下導(dǎo)向滑桿使安裝平臺(tái)下降到位，此時(shí)下檢測(cè)板上的4個(gè)旋轉(zhuǎn)夾緊氣缸將電池托盤夾緊固定，接著左、右兩個(gè)上大氣缸通過上推桿分別推動(dòng)左、右兩個(gè)上檢測(cè)平臺(tái)，使其沿著上導(dǎo)向滑桿緩慢下降，上檢測(cè)板下端各個(gè)金屬測(cè)量桿分別測(cè)量電池托盤正面各個(gè)孔的位置度，然后下檢測(cè)板上的測(cè)量氣缸將安裝末端的金屬測(cè)頭頂出，并測(cè)量電池托盤背面各個(gè)孔的位置度，測(cè)量完成后，上檢測(cè)板與安裝平臺(tái)依次退回。

1-底座；2-旋轉(zhuǎn)夾緊氣缸；1-下大氣缸；2-上導(dǎo)向滑桿；3-金屬測(cè)量桿；4-檢測(cè)氣缸；3-上推桿；4-左大氣缸；5-電磁接近開關(guān)5-右大氣缸;6-上檢測(cè)板；7-安裝平臺(tái)；8-下導(dǎo)向滑桿；9-底板

圖4下檢測(cè)板圖5升降裝置

3 檢具硬件電路設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)檢具的自動(dòng)化，PLC裝置必不可少，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量控制、開關(guān)邏輯量控制、過程控制與運(yùn)動(dòng)控制等[1]。在檢具機(jī)械主體的基礎(chǔ)上，通過選用歐姆龍CP1H型PLC，設(shè)計(jì)接近開關(guān)、氣缸與傳感器的電氣控制線路，利用RS-232串口通訊線連接下位機(jī)與上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各執(zhí)行器件的順序控制以及PLC與工控機(jī)的串行通訊等功能。

3.1 接近開關(guān)的選用

接近開關(guān)是一種無(wú)需與運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)械接觸就可以檢測(cè)的位置開關(guān)，按工作原理可分為電感型、電容型、光電型、超聲波型和電磁感應(yīng)型5種[2]。當(dāng)物體接近開關(guān)的感應(yīng)面并到達(dá)動(dòng)作距離時(shí)，開關(guān)接通或斷開，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)直流電器或給PLC裝置提供控制指令。本文所設(shè)計(jì)的檢具其上、下兩個(gè)檢測(cè)板上每個(gè)檢測(cè)孔位的金屬測(cè)頭一旁均安裝有一個(gè)接近開關(guān)，用于判斷相鄰金屬測(cè)頭是否能夠伸進(jìn)孔內(nèi)，若能則說(shuō)明孔的位置度合格，反之不合格。選用的接近開關(guān)型號(hào)為歐姆龍TL-Q5MC1-F-Z，檢測(cè)距離為5 mm，檢測(cè)物體為磁性金屬，電源電壓為DC12 V～24 V，輸出電流為200 mA。

3.2 電磁閥的選用

電磁閥是一種電磁控制器件，在工業(yè)場(chǎng)合中一般用于控制流體介質(zhì)的方向、流量、速度等參數(shù)。電磁閥有很多種，常見的有單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等。本文設(shè)計(jì)的電磁閥所選用的型號(hào)為亞德客4V110-06，其為二位五通換向閥，氣壓大小為0.15 MPa～0.8 MPa，可以使各個(gè)氣缸執(zhí)行雙向的動(dòng)作。

3.3 PLC選型與各器件的電路搭建

本文所設(shè)計(jì)的檢具采用歐姆龍CP1H型PLC，具體型號(hào)為CP1H-X40DR-A。其I/O存儲(chǔ)區(qū)主要包括CIO區(qū)、工作區(qū)W、定時(shí)器區(qū)T、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)D和輔助區(qū)A等。

PLC周邊器件安裝完成后，將各檢測(cè)元件(接近開關(guān))的信號(hào)輸出線接至PLC的各個(gè)I口，PLC的O口連接各驅(qū)動(dòng)負(fù)載(氣缸)的電磁閥控制端，PLC選件板插槽1連接RS-232C選件板，通過RS-232C信號(hào)線連接至工控機(jī)電腦，檢測(cè)完成后，將各個(gè)孔位的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理。由于PLC主芯片的I/O數(shù)目小于各器件的總數(shù)，因此需要連接擴(kuò)展I/O單元，擴(kuò)展芯片型號(hào)為CP1W-40EDR。

4 檢具PLC程序設(shè)計(jì)

圖6為PLC程序流程。電池托盤安裝到位后啟動(dòng)PLC，首先無(wú)桿氣缸將安裝平臺(tái)移動(dòng)到末位，接著下大氣缸將平臺(tái)下降到位，夾緊氣缸(4個(gè))對(duì)電池托盤進(jìn)行夾緊定位，然后上大氣缸(2個(gè))將上檢測(cè)板(2個(gè))下降到檢測(cè)位置，若電池托盤正面孔的位置度合格，則上檢測(cè)板的金屬測(cè)頭不會(huì)被頂出，接近開關(guān)便輸出低電平，即孔的位置度合格，否則為不合格；隨后，下檢測(cè)板上的檢測(cè)氣缸上升，將固定在氣缸末端的測(cè)頭頂入孔中，若孔的位置度合格，則氣缸上末尾的接近開關(guān)輸出高電平，即孔的位置度合格，否則為不合格；最后通過RS-232C串行通訊線將PLC連接至各接近開關(guān)的輸入口的狀態(tài)以16進(jìn)制數(shù)的形式傳輸至上位機(jī)；檢測(cè)完畢，檢測(cè)氣缸將測(cè)頭收回，夾緊氣缸松開，上大氣缸控制上檢測(cè)板上升，下大氣缸控制平臺(tái)上升，上升到位后無(wú)桿氣缸將平臺(tái)拉回至初始位置。

圖6 PLC程序流程

5 檢具人機(jī)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件電路，運(yùn)用VB軟件繪制上位機(jī)界面，用以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示、手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)質(zhì)量保存與分析等功能。VB軟件內(nèi)部集成有各個(gè)模塊，利用MSComm等控件便能實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送串行輸入輸出數(shù)據(jù)的功能[3]。

5.1 主界面

主界面用于顯示當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)以及電池托盤各個(gè)孔位的測(cè)量結(jié)果，如圖7所示。當(dāng)點(diǎn)擊“打開串口”按鈕后，軟件便開始接收RS-232串口中PLC傳輸至上位機(jī)的數(shù)據(jù)，檢具運(yùn)行到某一步驟時(shí)，界面左側(cè)的“設(shè)備狀態(tài)”一欄內(nèi)相應(yīng)的圖標(biāo)會(huì)加亮顯示。主界面中間為測(cè)量界面，其中左側(cè)的圖片為待測(cè)電池托盤的正面，右側(cè)圖片為待測(cè)電池托盤的背面，圖片中每個(gè)待檢測(cè)孔的位置都有一個(gè)圓形標(biāo)志，檢測(cè)完畢后，不合格的孔位標(biāo)志將會(huì)加亮顯示。當(dāng)點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕后，電池托盤的檢測(cè)結(jié)果將保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中。

5.2 手動(dòng)控制界面

圖8為手動(dòng)控制界面，當(dāng)點(diǎn)擊某一個(gè)氣缸動(dòng)作的按鈕后，該按鈕上方的圓形標(biāo)志將加亮顯示，同時(shí)軟件會(huì)發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)至下位機(jī)進(jìn)行處理，而后PLC將控制該氣缸執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)論證，該檢具系統(tǒng)能夠滿足既定的檢測(cè)需求，檢測(cè)過程高效可靠。相比于傳統(tǒng)檢具，該檢測(cè)系統(tǒng)通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋，從而能對(duì)檢測(cè)流程加以監(jiān)管和控制，大大提高了檢具的智能化水平。

圖7 主界面

圖8 手動(dòng)控制界面