汽車踏板疲勞壽命試驗臺設計含3張CAD圖,汽車,踏板,疲勞,壽命,試驗臺,設計,cad 摘要 本次實驗要求設計一個能應對各項性能參數一次檢測完成的綜合試驗臺。選用西門子公司的S7-200系列PLC為核心，運用傳感器技術、光電檢測技術、數據采集技術等，通過試驗的方式進行采集一系列的數據并且進行處理計算,從而對汽車踏板裝置的疲勞壽命做出準確的計算。 本文是根據據由中華人民共和國機械工業(yè)部制定的汽車行業(yè)部標準: QC/T788- 2007(汽車踏板裝置性能要求及臺架實驗方法）的相關規(guī)定，對試驗過程進行控制與參數監(jiān)測，并記錄試驗數據進行大量研究、設計、計算后撰寫。 在試驗過程中，按照規(guī)定的踏板性能要求進行加載、并且能夠顯示實驗數據。最大程度模擬真實車輛在運轉過程中的真實工作環(huán)境，來對汽車踏板裝置疲勞壽命進行分析。 關鍵詞： 汽車踏板 疲勞壽命 耐久性 位移 PLC I Abstract This experiment requires the design of a comprehensive test-bed which can deal with the completion of one-time detection of various performance parameters. Siemens S7-200 series PLC is selected as the core, using sensor technology, photoelectric detection technology, data collection technology, etc. to collect a series of data and process the calculation through the test, so as to make accurate calculation of the fatigue life of the automobile pedal device. This paper is based on the relevant provisions of the standards of the Ministry of automobile industry of the people's Republic of China: QC / t788-2007 (performance requirements of automobile pedal device and bench test method), which are formulated by the Ministry of machinery industry of the people's Republic of China, to control and monitor the parameters of the test process, and to record the test data for large-scale research, design and calculation before writing. During the test, load according to the specified pedal performance requirements and display the test data. To simulate the real working environment of the real vehicle in the process of operation to the greatest extent, to analyze the fatigue life of the automobile pedal device. Key Word: Automobile Pedal; fatigue life ; durability test; displacement test; PLC II 目錄 摘要 I Abstract II 目錄 III 第1章 緒 論 1 1.1研究的目的 1 1.2國內外研究現狀 1 1.3研究的主要內容 2 第2章 系統(tǒng)簡介及方案論證 3 2.1系統(tǒng)設計的主要技術指標 3 2.2試驗方法 3 2.2.1縱向位移 3 2.2.2側向位移 3 2.2.3剛度 3 2.2.4強度 3 2.2.5耐久性 3 2.3設計方案的論證 3 第3章 系統(tǒng)的硬件設計 6 3.1臺架的設計 6 3.2臺架固定裝置設計 6 3.2.1固定裝置的整體設計 6 3.2.2氣缸的選擇 8 3.3執(zhí)行機構設計 9 3.4動力裝置選擇 10 3.5檢測裝置選擇 11 3.5.1位移傳感器選擇 11 3.5.2光電傳感器選擇 11 3.5.3限位開關選擇 13 3.6 顯示方案設計 13 第4章 控制系統(tǒng)設計 15 4.1 PLC選型 15 4.1.1 I/O點估算 15 4.1.2用戶存儲量估算 15 4.1.3本系統(tǒng)PLC配置 16 4.2驅動電路設計 16 第5章 系統(tǒng)的程序設計 19 5.1主程序設計 19 5.2子程序設計 21 5.2.1加載子程序設計 21 5.2.2步進電機控制程序設計 22 第6章 工程定額概算 23 6.1 經濟成本預算 23 6.2項目管理方面 23 6.3環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展方面 24 結論 25 參考文獻 26 致 謝 27 附 錄 28 IV 第1章 緒 論 1.1研究的目的 汽車已經成為人們生活中必不可少的出行工具，中國的車輛購買也在逐年增加，根據數據顯示，中國人口眾多，對汽車的市場需求量未來也應是世界最大的接受量。而汽車的行駛過程中剎車系統(tǒng)是司機對路況處理的最直接有效的表達。所以汽車的剎車制動是否安全直接與汽車行駛事故率掛鉤，也就與我們的人身安全息息相關。汽車踏板使用時間過長難免會導致剎車制動疲勞壽命受損，汽車踏板疲勞壽命的檢查就顯得十分重要。據記載，約有80%以上的零件是由于疲勞引起的，其中大多數是突然斷裂。隨著現代機械向高速和大型化方向發(fā)展，許多零部件再高溫、高壓、重載和腐蝕的惡劣工況下運行，疲勞破壞事故更是層出不窮。為了避免汽車踏板因疲勞強度不足，在汽車行駛過程中出現踏板損壞、喪失使用性能，使汽車不能及時制動。因此為保障車輛行駛安全，需要對汽車的踏板做耐久性試驗。 針對踏板的疲勞壽命的檢測，包括踏板的永久變形、耐久性等方面。如踏板耐久性試驗臺、踏板永久變形量檢測實驗臺。這些都是對踏板壽命進行檢測的實驗裝置。但由于它們都只針對一項指標進行檢測，不能夠滿足同時對踏板各項指標的檢測。如果對踏板進行綜合性能檢測，需要分別在多種實驗臺上進行實驗，這不將實驗變的很復雜，而且實驗的成本也會大大提高。在不同實驗臺上進行試驗還會由于裝夾而引起實驗誤差，影響實驗結果。 本實驗臺設計主要為了實現能夠在一次實驗中同時完成耐久性、永久變形等指標的檢測。通過控制系統(tǒng)控制實驗臺上臺架的運動，及對加載過程的控制。不需要更換換實驗臺即可完成相應的檢測，減少因踏板在不同實驗臺上的裝夾誤差引起的實驗誤差。 1.2國內外研究現狀 田永福于2012年研究結果辨明：世界上早期汽車生產對汽車性能和質量把控并不是十分嚴格的?；旧弦惠v車的成產和投入使用基本都是人工檢測，這種依靠人自身經驗的測量方式并不能十分確保汽車的行駛制動安全。而隨著汽車量產，各汽車公司都投入了專業(yè)的定制設備，這便使檢測工作進入了第二個周期階段，生產線批量化生產，以標準的機械化設備對零件的精度、尺寸進行科學化檢測。不再是依靠人的主觀來進行判斷。不僅使檢測工作變得精確，也減少了人工的工作強度。而隨著計算機和電氣化時代的來臨，發(fā)達國家技術飛鼠發(fā)展，檢測工作進入了第三階段。檢測設備不僅實現了聲控、光控、電控，數據的采集也逐漸往自動化發(fā)展。利用全自動化設備高精尖穩(wěn)定性，檢測技術開始向前期設計階段滲入?，F階段，大量檢測試驗臺的應用，國外如德國大眾公司已經實現十六通道的模擬試驗臺，在新產品的開發(fā)階段，就可以介入分析各項指標，從而加快了新產品的開發(fā)進程，節(jié)約了設計成本，取得了經濟和實用效益。魏加恩于2011年對我國汽車零部件檢測技術進行相關研究發(fā)現，目前我國的汽車零部件檢測技術呈現兩極化狀態(tài)，許多作坊式的家族企業(yè)，依然在沿用以人工檢查為主，部分工具輔助的模式。部分國內規(guī)模化企業(yè)正在進行設備引進和技術引進，主動尋求科研單位同步研究，雖然也取得了極大的進步，但還較多地停留在大型科研所及國家級檢測中心，與發(fā)達國家相比，在人員培養(yǎng)、設備應用率、數據標準共享上還有很大差距。 圖1-1 工作流程圖 1.3研究的主要內容 本次實驗設計選用西門子公司的S7-200系列PLC為核心，運用傳感器技術、光電檢測技術、數據采集技術等，設計一個能應對各項性能參數一次檢測完成的綜合試驗臺。 本設計的預期目標是設計一套PLC控制系統(tǒng)，使該PLC系統(tǒng)實現對實驗臺的智能控制，能夠調整實驗臺臺架的位置、自動固定臺架、按照規(guī)定的踏板性能要求進行加載、并且能夠顯示實驗數據。本實驗臺主要有以下幾部分構成：試驗臺架、傳動系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)、數據計算系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、位移檢測系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)。 根據踏板裝置性能要求的規(guī)定，需要對踏板做位移、剛度、耐久性檢驗。根據實驗要求的特點，可以將實驗分為兩大類。一類做耐久性試驗，另一類做位移檢測實驗。通過控制系統(tǒng)控制臺架在兩部分實驗之間運動 實驗開始后，在S7-200PLC控制下，實驗臺按照預先設計好的程序流程作業(yè)。對要求的性能參數進行加載檢測，完成一項檢測后，臺架按程序轉移到另一檢測處。并對當前測試的參數進行加載檢測。這次設計實現了多個參數一體檢測，大大提高了效率，減小誤差，也使實驗過程簡單，易于操作，可行性較高。 第2章 系統(tǒng)簡介及方案論證 設計一套汽車踏板疲勞壽命試驗臺，要求滿足 QC/T 788-2007 要求。 對試驗過程進行控制與參數監(jiān)測，并記錄試驗數據。通過模擬實際使用中可能遇到的使用環(huán)境，考核其設計制造質量。試驗臺實現自動計時和記數，并且該實驗臺擁有故障檢測功能，在出現故障或者記錄的次數與設定次數一樣的情況，試驗臺會自動的停止工作并發(fā)出提示信息。 主要技術參數： （1）縱向位移：對踏板施加50N的縱向力，其在這個方向的位移應該不超過2.0mm； （2）剛度：對踏板施加300N的縱向力，其在這個方向的位移需要不超過5.0mm； （3）抗扭性能：對踏板施加15N.m的扭轉力時，踏板和其焊接的地方不能發(fā)生損壞； （4）強度：對踏板施加800N的縱向力時，踏板表面不可逆的變形量要不超過5.0mm,并且不能損壞； （5）耐久性：在耐久性試驗進行的過程中，踏板的變形不能影響正常的使用，沒有裂紋和其它不好的情況。在實驗后，在50N的縱向作用力下，踏板在縱向方向的位移要小于4.0mm,在50N的側向作用力下，其位移要小于6.0mm。 2.1系統(tǒng)設計的主要技術指標 （1）外觀：零件表面光潔，無裂痕、毛刺、劃痕等缺陷；（2）工作靈活性：踏板能夠正常的工作，且無異常的情況；（3）縱向位移：對踏板施加50N的縱向力，其在此方向的位移不超過2mm ；（4）剛度：對踏板施加300N的縱向力，其在此方向的位移不超過5mm ；（5）抗扭性能：對踏板施加15N.m的扭轉力時，踏板和其焊接的地方不能發(fā)生損壞；（6）耐久性：在耐久性試驗進行的過程中，踏板的變形不能影響正常的使用，沒有裂紋和其它不好的情況。在實驗后，在50N的縱向作用力下，踏板在縱向方向的位移不能大于4.0mm,在50N的側向作用力下，其位移不能大于6.0mm；（7）強度：對踏板施加800N的縱向力時，踏板表面不可逆的變形量要不超過5.0mm，并且不能損壞。 2.2試驗方法 2.2.1縱向位移 按照實際的狀態(tài)在家居上安裝踏板機構的總成，并且將負載固定在踏板的輸出端。將踏板臂在安裝在踏板運動路線的中間位置。施加一縱向力，并讓其垂直踏板的表面和通過踏板的中心，且持續(xù)10sde時間，以此來找到踏板的縱向位移測量點，在撤出此力，最后依據此點測出踏板在縱向方向的位移距離，即形變量（見圖2-1）。 圖2-1 縱向位移示意圖 2.2.2側向位移 按實車的實際情況安裝踏板裝置。對踏板施加一平行于水平面，且通過踏板幾何中心所在的位置，在預先確定的測量點測量踏板的水平位移（變形）量（見圖2-2）。 圖2-2 橫向位移示意圖 2.2.3剛度 按實車狀態(tài)固定安裝踏板裝置。對踏板施加一個持續(xù)1分鐘，且垂直其表面和通過其幾何中心的力，力的方向是縱向的。重復上過程4次，在開始第五次實驗之前，首先找到踏板的縱向位移測量點，在對其施加一個持續(xù)1min的縱向力，并測量位移點移動的距離。 2.2.4強度 按實車規(guī)定安裝固定踏板裝置。首先找到踏板的縱向位移測量點，在對其施加一個持續(xù)1min的800N縱向力，并重復上述過程10次，然后測量其位移點移動的距離，即它的永久的變形量，并察看是否損壞。 2.2.5耐久性 按實車狀態(tài)在家居上固定踏板裝置，將模擬的負載固定在踏板的輸出端。在對踏板施加一個垂直其表面和通過其幾何中心的力P1，力的方向是縱向的，他的大小為0~300N；加載次數為2.0*10^6次；加載頻率為0.7~3.0Hz；加載行程為離合器踏板設計全行程的85%。 2.3設計方案的論證 我設計了在踏板上懸掛重物與彈簧兩種模擬負載方法。 實驗中有耐久性檢測，剛度檢測，強度檢測，位移檢測幾種實驗方法，而這幾種檢測的方法及特點有所不同，耐久性檢測需要進行多次重復實驗以避免誤差，而位移檢測實驗需要按參數施加不同的力。并保持一定的時間。如果兩部分實驗使用相同的檢測實驗裝置，對實驗裝置損害極大，同是也影響實驗準確度。所以為了使實驗設計合理化，我初步設定將實驗臺分成兩部分，一部分進行與橫向位移，縱向位移相關的測試，另一部分做與耐久性相關的測試。 位移檢測部分需要按參數施加不同的力。并保持一定的時間。因此，為滿足這樣的要求，位移檢測部分的加載采用氣缸加載，并通過進氣閥門調節(jié)氣壓來控制不同的加載力，通過控制電磁換向閥控制氣缸的動作時間。 耐久性檢測部分需要在踏 板上做循環(huán)加載，如果用氣缸加載，每次試驗氣缸需要動作上萬次，氣缸會有較大的磨損，而且氣缸的動作頻率也不能滿足設計要求?？紤]到以上問題，耐久性部分的加載可以采用曲柄滑塊機構，將電機的轉動轉換成直線運動，不僅可以滿足循環(huán)加載的要求，而且也可以通過控制傳動比控制加載的頻率。 踏板的固定裝置——臺架需要在實驗臺的兩部分之間移動，以完成不同的檢測過程。為實現臺架的移動，采用步進電機控制抬臺架的移動，實驗臺兩側采用行程開關限制臺架的極限位置。  第3章 系統(tǒng)的硬件設計 3.1臺架的設計 臺架是用于安裝固定踏板的裝置，需要承受加載踏板的力，所以臺需要堅固穩(wěn)定的結構。它的設計好壞對整個實驗臺使用有著重要影響。對踏板進行加載時，臺架也受到力的作用，所以臺架應具有穩(wěn)定的結構。在實驗過程中，臺架所受沖擊較小，臺架材料可采用HT-200。 為了使臺架在實驗臺上能夠左右移動，在臺架地底部設置V型槽，使臺架能夠在電機的帶動下沿著導軌移動。臺架的表面加工出四處20mm*20mm*5mm的凹槽，用于對臺架的夾緊。臺架底部開一16mm*100mm的槽，便于讓懸掛負載的鋼索通過臺架。結構如圖3-1所示。 圖3-1臺架結構示意圖 3.2臺架固定裝置設計 3.2.1固定裝置的整體設計 根據參數要求，最大的加載力為800N，臺架采用四處同時加緊的方案，每處加載力應該至少為200N。夾緊機構的動力源擬選擇氣缸或電機，同側的壓板需要同時動作，可以用一個氣缸同時帶動兩個同側的踏板動作。夾緊裝置的結構示意圖如圖3-2和圖3-3 由于臺架表面用于夾緊處是深5mm的凹槽，因此，當壓板抬起后，應確保壓板前端至少高于臺架表面15mm，這才能保證壓板不影響臺架的運動。通過作圖，畫出壓板的極限位置，如圖3-4所示。 圖3-2 夾緊機構夾緊狀態(tài)圖 圖3-3 夾緊機構夾緊狀態(tài)圖 圖3-4 夾緊機構極限位置分析 推桿的結構示意圖如圖3-5所示。左側兩端分別與實驗臺同側的兩個夾緊裝置連接的C端相連，同時控制同側壓板的動作。推桿右側與氣缸相連接。 氣缸作用在推桿上的力至少為400N，由于推桿的結構特點，即推桿長度較長。并承受持久的加載力。要求推桿的要有足夠的強度，所以推桿的材料選擇 圖3-5 推桿結構圖 推桿上的載荷分布及彎矩圖如圖3-6所示，由彎矩圖可知，在C處彎矩最大，最大彎矩為MC=200*0.08=16N*m。其慣性矩 I=b^3h/12=4.5*10^-8 m^4 最大應力為 Бt=MB*y/I=2.6MPa 查閱相關資料，由計算可知，推桿的最大應力Бt<[бt]，故推桿的強度能夠滿足設計要求。 圖3-6 推桿載荷分布及彎矩示意圖 3.2.2氣缸的選擇 氣缸是將壓縮氣體的能量轉化為機械能的機構，在選擇氣缸的時候，要根據負載的大小來選擇氣缸活塞的面積，如果選擇的太小了，氣缸的推力或拉力將不足，會造成裝置無法正常的工作，但是選擇的太大了，會造成浪費，并且增加了成本。因此，需要選擇合適大小的氣缸。 下面是氣缸理論出力的計算公式： 　　F：氣缸理論輸出力(kgf) 　　F′：效率為85%時的輸出力(kgf)－－(F′=F×85%） 　　D：氣缸缸徑(mm) 　　P：工作壓力(kgf/cm2) 在工程的實際應用中，可以依據所需的推力或拉力，從經驗表中查找。 缸筒內的活塞是需要沿著缸筒內壁做往復運動的，因此，缸筒的內壁要盡可能的光滑，以此來減少摩擦阻力使機械能所耗減少，從而增力，缸筒內臂表面的粗糙度至少達到Ra0.8um。對材質是鋼管的缸筒，可以采用在其內壁度硬鉻，來使其表面更加的光滑，以此減少它的磨損。 使用空氣作為氣缸的工作介質，擁有工作速度快的優(yōu)點，但是它的速度大小不容易被控制，而且在工作負載的變化很大的時候，它可能出現“爬行”或“自走”的情況。但是使用液壓油作為氣缸的工作介質，擁有速度大小容易控制的優(yōu)點，但是它的反應速度會不如氣缸，在工作負載的變化很大的時候，采用合適的辦法，它不可能出現“爬行”或“自走”的情況，由圖3-4可知夾緊機構的行程大小15mm，才能保證壓板抬起的高度，因此，選擇的氣缸行程要大于15mm。 3.3執(zhí)行機構設計 在耐久性試驗中，由于需要連續(xù)加載50萬次，所以對試驗設備的耐久性、耐磨性等物理性能提出較高要求。不能采用直接加載的方式進行試驗。 為適應這種加載方式，可以采用由電動機帶動曲柄滑塊機構，將電動機的回轉運動轉換成滑塊的直線往復運動。加載方式示意圖如圖3-7。 圖3-7加載機構示意圖 在位移檢測試驗中，要求踏板輸出端固定，在踏板表面加載一定德力h，根據實驗結果判斷踏板是否滿足性能要求。 位移檢測試驗中的執(zhí)行機構可以采用液壓或氣壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)可以實現控制輸出一定的加載力，并持續(xù)一定的時間。但液壓系統(tǒng)需要獨立的油箱、液壓泵等。相比較而言，氣壓系統(tǒng)也可以完成以上動作，而且氣壓系統(tǒng)不需要油箱，使用起來更加方便，工作環(huán)境更加干凈。所以位移檢測實驗采用氣壓系統(tǒng)控制氣缸進行加載。 根據QC/T中的規(guī)定，在側向位移、縱向位移、剛度等檢測中，對踏板施加的力并不相同，因此在位移檢測試驗中的加載機構應能夠改變輸出力的大小。對于氣壓系統(tǒng)，如想改變輸出力的大小，只需要改變氣壓系統(tǒng)的工作壓力即可實現。 加載氣壓系統(tǒng)回路如圖3-8所示，可以改變系統(tǒng)的壓力。實現不同加載過程，輸出不同的加載力。 圖3-8 氣壓系統(tǒng)回路 3.4動力裝置選擇 根據實驗要求的檢測方法，把試驗臺分成兩部分，一部分做疲勞壽命檢測，一部分做位移檢測。臺架需要在實驗臺上移動以完成以上兩部分的檢測。臺架還需要準確的停在實驗臺的兩側，以實現夾緊、加載、位移檢測等動作。 三相異步電機在通電后轉子開始旋轉，斷電后由于轉子的慣性使轉子不能立即停下。三相異步電機可以帶動臺架在兩部分之間移動，但到達試驗臺極限位置后，三相異步電機由于慣性不能立即停止，使臺架與實驗臺產生沖擊，影響實驗臺的使用壽命。 步進電機的轉角和轉速，分別與輸入的脈沖數量或脈沖頻率有關，通過控制脈沖的數量可以實現對步進電機工作角度的控制，讓其停在預定點上。 疲勞檢測試驗中，是利用曲柄滑塊機構中的滑塊直接作用于踏板之上，為方便下次試驗，每次試驗前后，都應先確?；瑝K位于行程的最上端。每次調整均屬于小距離調整，因此要求電動機能夠實現小角度轉動。所以疲勞檢測實驗也采用步進電機。 步進電機選17HS101和23HS2001，驅動器均選擇SH-2H042Ma 3.5檢測裝置選擇 3.5.1位移傳感器選擇 根據GB/T788-2007中的要求，需檢測踏板在一定的加載力作用后所產生的位移，要求中最小的檢測量為2.0mm。在疲勞檢測過程中不需要進行位移檢測，只需要在位移檢測中使用位移傳感器，由于踏板結構的特殊，踏板的位移量不便于測量。所以采用便于測量的拉繩位移傳感器。 拉繩位移傳感器的信號輸出方式分為數字信號輸出和模擬信號輸出， 數字輸出型可以選擇增量旋轉編碼器、絕對值編碼器等，輸出信號為方波ABZ信號或格雷碼信號，行程最大可以做到15000毫米，線性精度最大0.01%，分辨力根據配置不同最大可以達到0.001毫米/脈沖。 模擬輸出型可以選擇精密電位器、霍爾編碼器、絕對值編碼器等，輸出信號可以為RS485,dp總線，4－20毫安、0－5伏、0－10伏、串行SSI和電阻信號等，最大行程可以達到15000毫米，使用環(huán)境最大可以達到IP65的防護等級，-45℃～+105℃的寬溫度環(huán)境下使用。 幾何參數如圖3-9所示，接線方式如圖3-10所示 3.5.2光電傳感器選擇 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。 圖3-9 拉線傳感器幾何尺寸 圖3-10 位移傳感器接線示意圖 在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調整。 光電檢測方法具精確度高，反應速度快等優(yōu)點，其結構十分的簡單，得到了了廣泛的使用。 本實驗臺選用的光電傳感器是為了實現計數功能，所以選擇遮光式光電傳感器。 3.5.3限位開關選擇 限位開關又稱行程開關，可以用來限制物體運動的位置，它可被安裝在不動的物體上，也可以安裝在運動的物體上，在運動的物體與靜止的物體相接觸的時候，在接觸到限位開關的驅動桿后，會使其動作，讓接觸點閉合或斷開，由此可以改變電路的狀態(tài)。 在做疲勞壽命檢測實驗中，臺架移動到實驗臺左側之前，應該確定滑塊位于最高處，這樣才能使踏板進入加載區(qū)域。所以，在滑塊的最高處需要安裝一限位開關，以檢測滑塊是否處于最高位。 在整個試驗過程中，當步進電機帶動臺架移動到實驗臺左側或者右側時，需要讓步進電機停止轉動。因此，在實驗臺的左右兩側，分別安裝一限位開關。當電動機帶動臺架接觸限位開關時，限位開關被接通，由控制系統(tǒng)發(fā)出指令，電動機停止轉動。 在實驗過程中，滑塊和臺架都是作直線運動，所以根據他們運動及結構的特點，本實驗中限位開關均選擇活塞型限位開關。 3.6 顯示方案設計 本設計采用LED數碼管進行數據的動態(tài)顯示。LED數碼管也稱半導體數碼管，是目前數字電路中最常用的顯示器件。七段LED顯示器由七個發(fā)光段構成，每段均是一個LED二極管，這7個發(fā)光段分別為a、b、c、d、e、 f和g,通過控制不同段的點亮和熄滅,可顯示16進制數字0～9和A、B、C、D、E、F也能顯示H、L、P等字符。有的產品還有一個小數點DP位段，用來顯示小數。 LED顯示器以發(fā)光二極管作為顯示發(fā)光部件，每段并按共陰極方式或共陽極方式連接后封裝而成的。共陽極結構中，各LED二極管的陽極被連在一起，使用時要將它與+5V相連，而把各段的陰極連到器件的相應引腳上。當要點亮某一段時，只要將相應的引腳（陰極）接低電平。對于共陰極結構的LED顯示器，陰極連在一起后接地，各陽極段接到器件的引腳 上，要想點亮某一段時，只要將相應引腳接高電平。LED顯示器的一個段發(fā)光時，通過該段的平均電流約為10mA～20mA。 將一個8位并行輸出口與顯示器的發(fā)光二極管引腳相連，8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數據即可獲得不同的數字或字符，通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數據稱為段選碼。共陽極與共陰極的段選碼互為補數。 LED顯示器與顯示方式: LED顯示器有靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種方式。 LED顯示器工作在靜態(tài)顯示方式下，共陰極或共陽極連接在一起接地或+5V；每位的段選線（a～d p）與一個8位并行口相連。顯示電路中，每一位可獨立顯示，只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應的顯示字符。由于每一位由一個8位輸出口控制段選碼，故在同一時間里每一位顯示字符可以各不相同。N位靜態(tài)顯示器要求有N×8根I/O口線，占用I/O資源較多。故在位數較多時往往采用動態(tài)顯示方式。 LED動態(tài)顯示方式，在多位LED顯示時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個8位I/O口控制，而共陰極點或共陽極點分別由相應的I/O口線控制。 由PLC的Q0.0～Q0.7提供段選碼顯示，再由Q1.0～Q1.3接一個74LS138譯碼器的A、B、C及控制端。因為74LS138譯碼器輸出的是低電平選通，因此譯碼后需要連接到集電極開路六高壓正相驅動器74LS07輸出低電平來驅動6個LED數碼管。 顯示方案采用74LS138譯碼器進行I/O口的擴展，把需要的輸出點數從14位減少到了12位，從而減少了所需要的輸出點數，不需要進行額外的I/O口擴展，就能實現6個LED的動態(tài)顯示。 本試驗臺的結構見圖3-11，詳見附錄。 圖3-11 試驗臺結構示意圖 第4章 控制系統(tǒng)設計 4.1 PLC選型 控制系統(tǒng)可以采用單片機、可編程控制器（PLC）等，都可以實現本實驗臺的功能。但PLC相對于其他控制系統(tǒng)而言具有可靠性高、抗干擾性強、編程簡單、易于掌握、靈活方便、體積小、功耗小等特點。因此，本實驗臺的控制系統(tǒng)選用可編程控制器（PLC）。 在滿足控制要求的情況下，應該選擇最合適的，一般可以從以下幾個方面考慮： 4.1.1 I/O點估算 I/O點數是PLC的一項重要指標，合理選擇I/O點數既可以使系統(tǒng)滿足控制要求又可以使系統(tǒng)總投資最低。PLC的輸入輸出點數和種類應根據被控制對象的模擬量、開關量、輸入/輸出設備狀況（包括模擬量、開關量、輸出類型）來確定，一般一個輸入輸出原件要占一個輸入輸出點?？紤]到今后的擴充，一般應估計的總能點數再加上15%~20%的備用量。 本設計所占用的I/O點數計算： 輸入信號：開始按鈕，需要一個輸入點；停止按鈕，需要一個輸入點；三個限位開關，需要三個輸入點；兩個氣缸磁性開關，需要兩個輸入點；光電傳感器，需要一個輸入點。 以上共需要8個信號輸入點，考慮以后對系統(tǒng)的調整與擴充留有20%的備用點，即有8*20%=2，這樣共有10個輸入點。 輸出信號：步進電機的脈沖接入信號和方向信號各需要一個輸出點，共4個輸出點；電磁換向閥需要一個輸出點，共2個輸出點；水平、垂直加載氣缸各需要一個輸出點，共2個；電磁溢流閥需要一個輸出點，共1個；LED顯示，共12個輸出點。以上共需要21個輸出點，考慮以后對系統(tǒng)的調整與擴充留有20%的備用點，即21*20%=4，這樣共有25個輸出點。 4.1.2用戶存儲量估算 用戶應用程序占用多少內存與許多因素有關，如I/O點數、控制要求、運算處理量、量程結構等。因此在程序設計之前只能粗略的估算。根據經驗，每個I/O點及有關功能器占用內存大致如下： 開關量輸入元件：10~20B/點； 開關量輸出元件：5~10B/點； 定時器/計數器：2B/個； 通信接口：一個接口一般需要300B以上； 根據上面算出總字數再加上25%左右的備用量，就可以估算出所需要的內存量，從而選擇合理的PLC內存。 本設計所需CPU內存的計算： 開關量輸入元件：10點*10~20B/點=100~200B； 開關量輸出元件：11點*5~10B/點=55~110B； 模擬量：2點*100~150B/點=200~300B； 總序內存量：355~610B； 4.1.3本系統(tǒng)PLC配置 根據本設計所需的I/O口數、PLC所需存儲量，本實驗臺控制系統(tǒng)選用S7-200系列PLC的CPU的型號為CPU224（14輸入/10輸出，共計24個I/O點）、EM223的16點DC輸入/16點DC輸出和模擬量輸入模塊EM231。 PLC的I/O口地址分配如表4-1、4-2所示 表4-1 PLC輸入元件地址分配明細表 控制元件 符號 編程地址 備注說明 啟動開關 SB1 I0.0 停止開關 SB2 I0.1 左限位開關 SQ1 I0.2 檢測臺架位置 右限位開關 SQ2 I0.3 檢測臺架位置 夾緊氣缸1磁性開關 I0.4 檢測夾緊裝置狀態(tài) 夾緊氣缸2磁性開關 I0.5 檢測夾緊裝置狀態(tài) 滑塊限位開關 SQ3 I0.6 檢測滑塊位置 光電傳感器 I0.7 計數器 表4-2 PLC輸出元件地址分配明細表 控制元件 編程地址 備注說明 步進電機1脈沖輸出 Q0.0 脈沖輸出 步進電機1方向控制信號 Q0.1 控制電機轉向 步進電機2脈沖輸出 Q0.2 脈沖輸出 步進電機2方向控制信號 Q0.3 控制電機轉向 電磁閥1 Q0.4 驅動夾緊機構 電磁閥2 Q0.5 驅動夾緊機構 垂直加載氣缸電磁閥 Q0.6 驅動加載機構 水平加載氣缸電磁閥 Q0.7 驅動加載機構 電磁比例溢流閥 Q1.0 控制系統(tǒng)壓力 4.2驅動電路設計 如圖4-1所示為步進電機的驅動電路。圖中為一相的驅動電路，兩相的與之相似。圖中的T1三極管可以用來控制電路的通斷，在三極管的基極的沒有電流時，電路處于斷開的狀態(tài)，在基極由電流流過的時候，三極管會導通，此時電路處于閉合的狀態(tài)。由 T2、T3 兩個三極管組成達林頓式功放電路， 驅動步進電機的 3個繞組，使電機繞組的靜態(tài)電流達到近 2A。在電路中使用了光電耦合器，來避免外界的干擾因素影響控制器的正常工作。當控制器輸出低電平的時候，三極管不會導通，因此繞組中也不會由電流通過；在控制器輸出高電平的時候，T1三極管導通，光電耦合器也會導通，此時繞組中會有電流流過。 圖4-1驅動電路示意圖 驅動器采用共陽極的方式連接，即將脈沖信號和方向控制信號的正端與控制器的電源正極相連，脈沖信號和方向控制信號的負端與控制器相應的端口連接，在相應端口電壓為低電平時才有效。步進電機與驅動器接線圖如圖4-2。 SH-2H042Ma型號步進電機驅動器輸入信號的幅值為TTL電平，最大為5V，如果控制電源為5V則可以直接接入，否則，需要在外部連接限流電阻R，以保證給驅動器內部光耦原件提供8~15mA的驅動電流。 PLC與SH-2H042Ma型步進電機驅動器連接時，采用共陽極連接方式，其接線圖如圖4-3所示。 圖4-2 驅動器與步進電機接線圖 圖4-3 PLC與驅動器接線示意圖 圖4-4 電路圖  第5章 系統(tǒng)的程序設計 本實驗臺的控制系統(tǒng)主要是控制各部分之間的運動。根據對實驗臺架位置的分析，確定其它機構的運動狀態(tài)。 5.1主程序設計 當實驗開始后PLC通過檢測限位開關狀態(tài)，控制電動機2正傳，帶動試驗臺架至試驗臺右側。隨后將限位開關2接通，電動機2停止轉動。同時夾緊機構電磁換向閥接通，夾緊氣缸動作，壓板夾緊臺架。氣缸采用帶有磁性檢測開關的活塞。當氣缸夾緊后，磁性開關接通。PLC調用加載子程序，完成加載過程。PLC檢測實驗臺左側滑塊位置檢測開關，檢測滑塊是否處于最高位。如果不在高位，控制電動機1正轉，將滑塊調整到最高位，接通位置檢測開關。此時耐久性實驗部分準備就緒。PLC控制電動機2反轉，帶動實驗臺移至左側。至左側后，接通限位開關1。接通電磁換向閥，將實驗臺架固定。 進行耐久性試驗時，按照預定設計程序進行加載。當加載次數到達預期值后，PLC控制電動機1，將滑塊停于高位。在耐久性試驗后，需要對踏板的變形量進行檢測。電動機2正傳將實驗臺臺架移到試驗臺右側，進行位移檢測。加載過程與以上變形量檢測過程一致。 啟動電機2 加載 夾緊氣缸2動作 臺架位置檢測 初始化過程 開始 N 夾緊氣缸2動作 滑塊位置檢測 調整滑塊 N 控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5-1所示。 Y 步進電機1動作 臺架位置檢測 啟動電機2 Y N Y 夾緊氣缸1動作 計數器計數 計數器是否到達預期值 N Y 電機2停止 夾緊氣缸1動作 啟動步進電機2 夾緊氣缸2動作 結束 加載 圖5-1 主程序流程圖 5.2子程序設計 5.2.1加載子程序設計 根據QC/T788-2007中的規(guī)定，在位移檢測試驗中，先對踏板進行縱向、側向位移檢測，再進行剛度檢測。在踏板做完耐久性試驗后，需要再做一次縱向、側向位移檢測?？v向、側向位移和剛度檢測時所需的加載力并不相同，縱向和側向位移檢測時需要加載50N的力。剛度檢測時，需要加載300N的力。剛度檢測時，需要重復加載五次。所以加載程序可以根據判斷加載次數控制加載力的大小。 子程序開始時，PLC控制電磁溢流閥，使系統(tǒng)的輸出壓力為50N。先啟動縱向加載氣缸對踏板進行縱向加載，并按照要求，保持1min后，通過預先確定的測量點，通過拉繩位移傳感器，測量踏板的變形量。并通過顯示系統(tǒng)顯示踏板的變形量。側向加載與縱向加載同時啟動，由系統(tǒng)設置延時，在縱向加載完成后，延時完成，開始進行側向加載。同樣保持1min后，測量并顯示變形量。 延時70s 縱向加載 開始 水平加載 延時70s 電磁溢流閥復位 加載次數小于6 電磁溢流閥動作 Y N 返回 返回 圖5-2 加載子程序流程圖 通過氣缸的磁性開關，記錄加載次數。當加載次數大于1時，即完成上述加載過程一次。此時PLC控制溢流閥，改變氣壓系統(tǒng)的壓力，使輸出力為300N。進行剛度檢測過程中，需要程序循環(huán)五次。每次過程與位移檢測一致。完成加載后，測量并顯示變形量。耐久性試驗完成后，需要再次進行位移檢測。此次是第七次加載。所以根據加載次數，選擇程序的流程。 加載子程序如圖5-2所示 5.2.2步進電機控制程序設計 步進電機主要完成試驗臺架的移動，以及耐久性試驗中的加載過程。在實驗過程中，臺架要能完成左右移動的過程，因此控制系統(tǒng)要求能夠控制步進電機的正轉和反轉。 可知試驗臺的移動位置，可以采用先設置一定的脈沖數量，在每給步進電機一個脈沖，就將脈沖數量減一，直到脈沖數為零，在步進電機不發(fā)生丟步的情況下，試驗臺就能準確的到達目的地。 絕對值位置參數作為一個重要的參數，也應該被計算出來，因此，在步進電機正向運動的時候，每先前運動一步，就將電機的絕對位置加1，步進電機每反向運動一步，就將其絕對位置減1?？刂屏鞒虉D如圖5-3所示。 步數減1 停機 越界 絕對位置加1 絕對位置減1 正轉 控制口=1 改變控制口狀態(tài) 步數=0？ 縱向加載 重裝定時常數 退出 N Y N N Y Y Y N Y N Y Y Y Y 圖5-3 步進電機控制流程圖 第6章 工程定額概算 6.1 經濟成本預算 材料選用 本冊實驗定額中的材料用量包括直接消耗在機械設備中的使用量和合理的規(guī)定的損耗量。主材鋼板所用尺寸為1600mm×6000，若實際尺寸小于該規(guī)格，則另外有3％的損耗量。 本設計選用材料并不復雜，標件選型應考慮經濟性 實用性 穩(wěn)定性等因素，系統(tǒng)的硬件設備要求堅固穩(wěn)定，所以我選用了HT-200灰鑄鐵為臺架，推桿等主要設施的材料。動力系統(tǒng)首選氣缸，缸筒為鋁合金或黃銅，表面粗糙度為Ra0.8um。而電子元件方面，步進電機選用17Hs10123HS2001，驅動器軍選擇SH-2H042Ma。 定額中對用量較少，對基價影響叫小的的零星材料和零星小型機械，并成為其他費用。 定額中對用量較少，對基價影響叫小的的零星材料和零星小型機械，并成為其他費用。單位為“元”。 汽車踏板疲勞壽命試驗臺各部件經濟預算如表所示: 表6-1 汽車踏板疲勞壽命試驗臺各組件估價 序號 組件部分 數量/件 估價/元 1 臺架 1 4000 2 夾緊機構 1 4000 3 氣缸 1 47300 4 加載機構 1 1700 5 步進電機與驅動器 1 40000 6 電控系統(tǒng) 1 79000 7 總成定位工裝組件 1 12000 6.2項目管理方面 項目風險分析 汽車踏板疲勞壽命試驗臺要求我們進行許多的力學測試，耐久性試驗需要并反復進行無數次。而位移試驗要求實驗臺可以精準把控加載的力和時間。所以試驗臺如果不堅固穩(wěn)定，強度不高，容易導致臺架損耗巨大，而氣缸不光滑就易使摩擦阻力影響實驗精度。因此，實驗過程中須保證實驗設備運星穩(wěn)定可靠，給加載系統(tǒng)較小的阻力。電器部分中，光電元件易受外接影響，電源也常會收到電磁干擾，甚至有可能出現安全問題。這就需要我們在設計電器部分時考慮到電磁屏蔽問題、光電隔離、安全防護措施，確保實驗精準而順利的進行。同時要加強實驗中的測試數據保存方面的辦證。使我們能精確，快速得到實驗數據以更快更好的進行實驗分析。所以在設計過程中可以考慮多線程實時數據采集，全過程實時監(jiān)控，動態(tài)曲線自動描繪的功能，加強試驗臺的便捷性，精準性。 6.3環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展方面 汽車踏板疲勞壽命試驗臺對環(huán)境的影響 本冊實驗結構材料選擇簡單，實驗選用的HT-200灰鑄鐵、鋁合金、高速鋼皆為綠色材料。而一些易產生噪音的元件如步進電機在工作使高速運行，產生最低可達到35分貝超低音，完全符合分貝達標標準且實驗臺可循環(huán)作業(yè)，減少了污染問題，試驗臺工作中遠離人群，改善水源循環(huán)系統(tǒng)的利用，促進供電，廢水等基礎設施建設的綠色基礎設施改造，提高廢水處理和循環(huán)系統(tǒng)的回用率。設計理念符合社會可持續(xù)發(fā)展。 24 結論 汽車踏板疲勞壽命試驗臺是一個能一次性測量多個參數性能的綜合性試驗臺，屬汽車測試設備領域。結合了自動控制原理與控制技術、計算機控制技術、傳感器信號處理技術等知識，與本專業(yè)課程結合緊密，對我們夯實學校知識具有極好的價值。 本次試驗臺設計根據由中華人民共和國機械工業(yè)部制定的汽車行業(yè)部標準: QC/T788- 2007(汽車踏板裝置性能要求及臺架實驗方法）的相關規(guī)定對汽車踏板裝置疲勞壽命實驗系統(tǒng)進行設計。采用了氣缸為動力裝置，由臺架、夾緊機構、加載機構等組成的能很好應對測量目標的機械結構。采用了西門子PLC控制系統(tǒng)，并進行了I/O點估計、用戶儲存量估計等算法確定了PLC的內存與配置。對試驗過程進行控制與參數監(jiān)測，并記錄試驗數據進行大量研究、設計、計算，從而實現了對汽車踏板耐久性和位移兩方面性能的測試。效果顯著，實驗結果較精確，實驗過程較快捷，方便。 本實驗主要模擬了汽車在實際情況下的工作狀態(tài)，運用傳感器技術、光電檢測技術、數據采集技術等，通過試驗的方式進行采集一系列的數據并且進行處理計算,從而對汽車踏板裝置的疲勞壽命做出準確的計算。在元件的選擇上參考了前輩的經驗同時又有創(chuàng)新，比如采用氣缸作為動力裝置比之前的液壓缸減少了液壓油的加注，減少了能源浪費。 時代的發(fā)展背景下，現在的汽車踏板疲勞壽命試驗臺已經發(fā)展的相當成熟，從原來的繁瑣單一的測量到現在測量的簡便化，多個性能參數也可以同時測量。電器元件安全可靠，機械裝置堅實穩(wěn)定，測量精確快捷，數據自動記錄，為我們的研究工作帶來便利。但是我認為在汽車踏板疲勞壽命試驗臺的設計研究上，我們還可以繼續(xù)鉆研探索，更上一層樓，讓本類研究更加多元化。 參考文獻 [1] 劉思寧.大學生畢業(yè)設計全程指導[M].成都：西安交通大學出版社，2001 [2] 常曉玲電器控制系統(tǒng)與可編程控制器[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004 [3] 崔繼仁，王越男，張艷麗.電氣控制與PLC應用技術[M].北京：北京電力出版社，2010 [4] 周萬珍，高鴻斌.PLC分析與應用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004 [5] 熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006 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經過十六周的工作，終于完成了本次畢業(yè)設計的內容，在此衷心感謝我的校內指導老師姜濤老師、姜殿鑫高工兩位老師在百忙之中對我的指導，在老師的教導下，我從茫然的狀態(tài)慢慢學會了設計的相關內容。姜老師對于我提出的問題做出詳細耐心講解，并且非常關心我的日常生活，在我眼里不僅怹是個學問淵博的老師，更是個和藹可親的長輩，對研究精益求精，對學術一絲不茍，在設計的完成過程中關心每個細節(jié)，從機械部分的繪制、電路和程序的設計多次對我們進行當面指導。他以自己和獨到的見解為我指出了設計中的許多問題，使我受益匪淺。姜濤老師在我困惑時給予我指導，生活上對我倍加關心，老師平易近人的態(tài)度更使我倍感親人般的溫暖。作為我大學畢業(yè)之際最后引導完成設計項目的老師怹的認真負責和嚴格要求我們時的態(tài)度是我永遠學習的榜樣。 同時也特別感謝同在姜老師組內的幾位同學，在此之間我們并不熟悉，但是因為共同的學習目標下，大家都很快開始互相幫助，在老師的指導下共同解決問題，不僅收獲了友誼，還在大學的最后時光共同學習到很多知識。 在長春理工大學的學習生涯短暫而充實，期間我遇到了許多優(yōu)秀的老師和同學，從他們身上我學到了很多東西，也認識了自身的許多不足。在他們身邊我漸漸成長為一名合格的大學生。相信以后也會成為一個對社會有貢獻，能實現個人價值的人。 附 錄 附-1 裝配示意圖一 附-2 裝配示意圖二 附-3 夾緊機構示意圖 附-4 加載機構示意圖一 附-5 加載機構示意圖二 附-6 裝配示意圖三 30