毕业设计(论文)-汽车发动机连杆胀断系统

摘要
汽车发动机连杆胀断系统
连杆胀断工艺是国际上九十年代初发展起来的一种连杆加工新技术，它从根本上改变了传统的连杆加工方法，大幅度提高了整体发动机的生产技术水平，具有十分显著的经济效益和社会效益。

本文在对胀断工艺原理、胀断主机、装配螺栓及工件自动化传送装置的详细分析的基础上，主要研究了胀断生产线的控制系统。

文中，首先确定了系统的电气控制方案并进行了必要的论证。

根据电气控制方案，对具体硬件电路进行了详细设计，并做了具体的说明。

本文的研究方法与技术线路是按胀断工艺的技术特点而确定，通过制定整体技术方案、合理确定胀断主机的结构与主要技术参数、研究并设计胀断自动化生产装备的液压、电气及微机控制系统，全面满足连杆胀断技术高精度、高质量、高效率的精益生产要求。

关键词：连杆胀断工艺，可编程控制器
Abstract
The bloated and broken technology of engine connecting rod of the automobile is a new kind of processing technology of automobile connecting rod which developed at the beginning of the 1990s in the world. it changes the traditional processing method of connecting rod fundamentally, and it improves the level of technology of the whole engine by a large margin .It has very remarkable economic benefits and social benefit.
This text firstly analyzes the principle of bloated disconnected craft, the bloated disconnected host machine and the automatic assembling line in detail,then the text mainly study the control systems of the production line.
In the text, we give the electrical control of the system and carrie on an essential demonstration. According to control method,the text designed the hardware circuit in detail, and gave the concrete explanation.
The research approach of this text and technological circuit are fixed according to the technological characteristics of the craft .By making the whole technological scheme, confirming the structure of the bloated disconnected host machine and main technical parameters, we study and design the hydraulic pressure,electrical and computer control system of the bloated disconnected automatic eqippment.The design meet the requests of high-accuracy, high quality, high-efficiency for the the bloated disconnected production line in an all-round way.
Keyword: the bloated disconnected technology of engine connecting rod, the programmable logic controller ,
目录
第一章绪论..................................................................................................................... - 1 -
1.1 引言................................................................................................................. - 1 -
1.2 项目背景及研究意义..................................................................................... - 1 -
1.3 本文主要完成的工作........................................................................................ - 2 - 第二章可编程控制器概述....................................................................................... - 3 -
2.1 可编程控制器的发展........................................................................................ - 3 -
2.2 PLC的特点 ........................................................................................................ - 4 -
2.3可编程控制器程序语言设计............................................................................. - 6 -
2.4 S7-200系列PLC的指令系统.......................................................................... - 7 -
2.6 MCGS组态软件................................................................................................ - 10 - 第三章设计论证..................................................................................................... - 12 - ３.1 系统控制流程概述....................................................................................... - 12 - ３.2 系统硬件设计概述....................................................................................... - 12 - ３.2.1 胀断主机的原理与结构设计........................................................... - 13 -
３.2.2 定扭矩装配螺栓装置的原理与结构设计....................................... - 13 -
３.2.3 自动化传送装置的原理与结构设计............................................... - 13 -
３.2.4 步进梁机械手夹持定位精度与纵、横项运动精度 ....................... - 13 -
３.2.5 微机控制系统的功能制定与设计................................................... - 13 -
３.2.6 微机控制系统的设计....................................................................... - 14 - ３.3 电动机的启动................................................................................................ - 14 - 第四章系统硬件设计........................................................................................... - 17 -
4.1 系统硬件总述................................................................................................. - 17 -
胀断实验装置由机械，液压，电控三部分组成；胀断主机共有10个液压缸，按连杆胀断工艺要求，先后顺序动作，完成胀断任务。

..................................... - 17 -
4.3 CPM1A的特点.................................................................................................. - 18 -
4.2 CPM1A的I/O规格.......................................................................................... - 21 - 第五章 PLC软件系统设计............................................................................................ - 23 -
5.1 CPM1A软件基础.............................................................................................. - 23 -
5.1.1 CPM1A的继电器区.............................................................................. - 23 -
5.1.2 CX-Programmer软件.......................................................................... - 24 -
5.1.3 CPM1A与上位机的连接...................................................................... - 25 -
5.2PLC的I/O分配 ........................................................................................ - 26 -
5.2 PLC程序.......................................................................................................... - 27 -
5.2.1 开机启动程序..................................................................................... - 27 - 总结 ................................................................................................................................ - 29 - 致谢 (31)
第一章绪论
1.1 引言
近年来，随着机械工业、尤其是汽车工业的飞速发展与国际竞争的激化，零部件及其设计制造过程的高质量、高效率、低成本、低能耗已成为提高产品竞争力的唯一途径。

拘泥于传统、落后的加工技术的生产模式早已难以适应市场的变化，加工技术的变革成为必然的发展趋势及发展方向。

许多新的工艺打破常规，以构思新颖、操作经济、效益显著为特点应运而生。

连杆是发动机上的关键零部件，在高频率疲劳载荷下工作，对强度有较高的要求。

就制造工艺而言，连杆属于较难锻造与加工的一种零件。

对其制造方法与技术，国内外都给与极大的关注。

连杆胀断供依旧是国际上九十年代初发展起来的一种连杆加工方法，是对传统连杆加工的一次重大变革，具有十分显著的经济效益和社会效益，同时大幅提高了整体发动机的生产技术水平。

1.2 项目背景及研究意义
该项新技术在国外发展极为迅速、应用越来越广泛。

美国的福特公司、美国的通用汽车公司、德国的宝马汽车公司、德国的大众公司、法国的雷诺汽车公司等多家汽车生产厂商采用了该种新技术。

日本的研究机构与汽车生产厂商也对此项新技术进行了广泛的研究与开发，即将在多种车型上应用。

而国内汽车工业、发动机行业的连杆生产厂家目前仍旧沿用落后的传统杆、盖分体加工方法，严重的阻碍了我国汽车工业、发动机行业的快速发展。

面对“入世”后的挑战和市场的激烈竞争，为了缩短我国和国外在汽车、发动机制造业上的差距，在短时间内实现发动机制造关键技术的跨越，迅速开展发动机连杆胀断加工新技术的研究与开发已是刻不容缓。

本项目的目的是自行研究开发连杆胀断新工艺及其关键技术装备。

为国内连杆生产企业提供具有当今国际先进水平的脸杆胀断加工成套技术，使该项连杆制造加工的追新技术在国内得以实施、应用于推广，从根本上
改变我国目前仍沿用的加工工艺与方法。

本项目的研制成功对我国的汽车工业、发动机行业提高产品质量与生产效率、改变行业技术结构、促进传统产结构升级、提高生产技术水平、降低生产成本、增加经济效益、增强国内外市场竞争能力具有重要意义。

同时，国外同类产品的进口、填补国内空白、节约大量的外汇和资金。

1.3 本文主要完成的工作
1. 设计连杆胀断液压系统。

液压系统部分设计主要包括液压泵电机的参数选择及控制电路，液压油温度的测量及显示电路以及必要的报警电路。

2. 连杆胀断部分设计。

胀断部分通过控制液压阀来控制油路，使各机械部分产生运动，机械部分的运动起始信号由接近开关标志，并且能向PLC 发出信号。

本文第二章对PLC控制的原理进行了叙述，以作为后文叙述的基础。

在本文的第三章对系统的工作原理进行了叙述，作为硬件设计的指导。

第四章是硬件的具体设计，包括各个硬件的参数选择，硬件电路设计的详细说明。

第二章可编程控制器概述
2.1 可编程控制器的发展
可编程控制器是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，目前它已经应用于各个领域。

早期的可编段控制器只能进行计数、定时以及对开关量的逻辑控制。

因此，它被称为可编程逻辑控制器(programmable Logic Conkoller)，简称PLC。

后来，可编程控制器采用微处理器作为其控制核心，它的功能已经远远超过逻辑控制的范畴，于是人们又将其称为Programmable Controller，简称；PC。

但个人计算机(Personal computer)也常简称PC，为了避免混淆，可编程控制器仍被称为PLC。

1987年，国际电工委员会(IEC)在可编程控制器国际标准草案第三稿中，对可编程控制器定义如下：可编被控制器是一种数字运算操作的电了系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序按制、定时、计数和算术运算
等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成—个整体、易于扩允其功能的原则设计。

PLC是生产力发展的必然产物。

20世纪60年代初，英国的汽车制造业竞争激烈，产品更新换代的周期越来越短，其生产线必须随之频繁地变史。

传统的继电器控制对频繁变动的生产线很不适应。

自然，人们对控制装置提出了更高的要求，即经济、可靠、通用、易变、易修。

首先提出PLC 概念的是美国最人的汽车制造厂家通用汽车公司(GM)。

1968年，该公司提出用一种新型控制装置替代继电器控制，这种控制装置要把计算机的通用、灵活、功能完备等优点与继电器控制的简单、易懂、操作方便、价格便宜等特点结合起来，而且要使那些不很熟悉计算机的人也能方便地使用。

根据这种设想，1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了世界—上第一台
PLC，并在美国GM公司的汽事自动装配生产线上试用获得成功。

由于PLC优越的性能，其问世后发展极为迅速。

1971年，日本引进了这项技术并开始生产PLC。

1973年，原西德和法国也研制出自己的PLC。

70年代中期，欧美及日本的一些生产厂家，其PLC产品中多以微处理器及大规模集成电路芯片为其核心部件，使PLc的功能进一步扩展，并且有了自诊断功能，可靠性得到大大提高。

随着微电子技术的迅猛发展，80年代中期，PLC的处理速度和可靠性大大提高，不仅增加了多种特殊功能，而且体积进一步缩小，成本大幅度下降。

到90年代中期之后，PLC几乎完全计算机化，其速度更快、功能更强，PLC的各种智能化模块不断被开发出来，一些厂家还推出了PLC的计算机辅助编程软件，使得许多小型PLC 的性能也不可小视。

目前世界上—些著名电器生产厂家几乎都在生产PLC，产品功能日趋完善、换代周期越来越短。

为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要，PLC产品大致向两个方向发展：小型PLC向体积缩小、功能加强、速度加快、价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制更便于实现机电一体化；大中型PLC向高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，将PLC系统控制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模和复杂的系统进行综合性的自动控制。

2.2 PLC的特点
PLC优越的性能表现在以下几个方面：
1.灵活性和通用性强
继电器控制系统的控制电路要使用大量的控制电器，需要通过人工布线、焊接、组装来完成电路的连接。

其致命的缺点是，如果工艺要求稍有改变，控制电路必须随之做相应的变动，耗时且费力。

PLC是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的，因此PLC控制的系统中，当控制功能改变时只需修改程序即可，PLC外部接线改动极少，甚至可不必改动。

一台PLC可以用于不同的控制系统中，只不过改变了其中的程序罢了。

其灵活
性和通用性是继电器控制电路所无法比拟的。

2．抗干扰能力强、可靠性高
继电器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性。

继电器控制系统的维修工作不仅耗资费时，而且停产维修所造成的损失也不可估量。

而在PLC 控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之PLC 在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力，故此PLC可以直接按装在工业现场而稳定地工作。

从国内外使用PLC的实际情况来看，平均无故障率可以达到几十万小时以上。

因而PLC被誉为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。

3．编程语言简单易学
虽然PLC是以微型计算机技术为核心的控制装置，但是不要求使用者精通计算机方面复杂的硬件和软件知识。

大多数PLC采用类似继电器控制电路的“梯形图”语言编程，清晰直观，简单易学，了解继电器控制线路的电气技术人员很容易接受。

4．PLC与外部设备的连接简单、使用方便
用微机控制时，要在输入／输出接口电路上做大量工作，才能使微机与控制现场的设备连接起来，调试比较烦琐。

而PLC的输入/输出接口已经做好，其输入接口可以直接与各种输入设备(如按钮、各种传感器等)连接，输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等强电电器连接，接线简单，使用非常方便。

5．PLC的功能强、功能的扩展能力强
其一，PLC利用程序进行定时、计数、顺序、步进等控制，十分准确可靠。

而用继电器控制时，需使用大量时间继电器、计数器、步进控制开关等设备，其准确性与可靠性无法与PLC相比。

其二，PLC还具有A/D和D/A转换、数据运算和数据处理、运动控制等功能。

因此它既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。

其中PLC
具有通信联网功能，因此，它不仅可以控制一台单机、一条生产线，还可控制一个机群、多条生产线，它既可现场控制，也可远距离对生产过程进行监控。

PLC的功能扩展极为方便，硬件配置相当灵活，根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。

6．PLC控制系统的设计、调试周期短
由于PLC是通过程序实现对系统的控制，所以设计人员可以在实验室里设计和修改程序。

更为方便的是可在实验室里进行系统的模拟运行调试，使现场工作人员大为减少。

而继电器控制系统是靠调整控制电路的接线来改变控制功能的，调试时费时又费力。

7．PLC体积小、质量轻、易于实现机电一体化
由于PLC内部电路主要采用半导体集成电路，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低的特点；更由于它具有很强的抗干扰能力，能适应各种恶劣的环境，因而它已成为实现机电一体化十分理想的控制装置。

2.3可编程控制器程序语言设计
在可编程控制器中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、指令助记符程序设计语言、功能表图语言、功能模块语言及结构化语句描述语言等。

梯形图语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令主成，用这些指令可以完成一系列的简单控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展和增强指令集它也能执行其他的基本操作。

功能表图语言和语句描述是高级的程序设计语言，它可以根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的打印和其它基本的设计语言无法完成的功能。

功能块图语言采用功能块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组太时也常常被采用，由于它具有连接方便，操作简单，易于掌握等特点，为广大工程设计和应用
人员所喜爱。

根据可编程控制器的应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言是：
梯形图程序设计语言
梯形图编程语言是一种图形语言，是若干图形符号的组合。

不同厂家的PLC各有自己的一套梯形图符号。

这种编程语言具有继电器控制电路形象、直观的优点，熟悉继电器控制的技术人员很容易掌握。

因此，各种机型的PLC都把梯形图作为第一编程语言。

语句表编程语言
这种编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能。

对同样功能的指令，不同厂家的PLC使用的助记符一般不同。

指令语句是PLC用户程序的基础元素，多条语句的组合构成了语句表。

个复杂的控制功能是用较长的语句表来描述的。

语句表编程语言不如梯形图形象、直观，但是在使用简易编程器输入用户程序时，必须把梯形图程序转换成语句表才能输入。

2.4 CPMlA系列PLC的指令系统
1、指令的分类
2、指令的格式
4．指令的微分、非微分形式
2.5 基本指令
1、常用的基本指令
2.6 OMRON特殊功能模块
1、模拟量输入单元
C200H AD00l结构
C200H AD 001是C200H PC的模拟量输入单元。

有4路模拟量输入端口。

其内部结构如图1所示。

AD001单元将模拟量输入信号转换为二进制数字量。

同时它也提供了数据换算，取平均值计算、峰值保持处理等功能。

AD001单元的转换处理需要预先设定的参数进行控制。

当AD001单元上电或当PLC的AR区中与该单元对应的重新启动位激活时．PLC将预设的参数经I/O总线送给AD001单元中的CPU和存贮器。

该CPU根据这些参数及PLC的命令控制A/D转换器，完成A/D转换。

然后持PLC发出读取转换结果的命令，再将转换后的数字量放到PLC指定的数据区。

图2-1 A/D001 的内部结构图
模拟景输入转换的操作流程如图1所示、其中设备号及信号路数的指定给出外部输入信号在AD001单元上连接的端子号。

单元的各端子号有相应的PC数据区所对应。

该数据区中的指定通道分别存放相应输入路的数据．换算用上、下限和平均数据的设定值。

该数据区的数据存入方式及其与输入端子的对应关系如表1 所示。

15 00
DM位
位
DM1 ×02 输入2 刻度值下限数据(BCD)
DM1 ×03 输入2 刻度值上限数据(BCD)
DM1 ×04 输入3 刻度值下限数据(BCD)
DM1 ×05 输入3 刻度值上限数据(BCD)
DM1 ×06 输入4 刻度值下限数据(BCD)
DM1 ×07 输入4 刻度值上限数据(BCD)
DM1 ×08 输入1 整数（BCD）
DM1 ×09 输入2 整数（BCD）
DM1 ×10 输入3 整数（BCD）
DM1 ×11 输入4 整数（BCD）
表2-1 DM区参数表
PLC根据用户在IR区中涉定的命令来启动和控制AD001的转换过程。

同时，AD001转换完成的数据亦放在IR区中。

2．数据处理功能
模拟量单元提供下列功能：刻度值功能、平均值功能、睁值保持功能、开平方根功能的使用。

由相应的程序实现。

(1)刻度值功能：
①说明：刻度值功能用于对工业信号的处理。

它将12位的二进制数据(3位十六进制数)转换成BCD码表示的数据〔4位十进制数〕。

刻度值位于存入DMl×00一1×07内的上、下限范围之内。

当内部辅助继电器区域〔1×002—1×005〕内的刻度值标志为ON时，执行此功能。

②设定：
在DMl×00-1×07内设定每个输入通道的下、上限值。

设定时，BCD 数据的范围为0-9999。

刻度值数据的设定、通过编程器上的数据改变或3通道监控功能实现(不能用程序设定刻度值。

详细设定操作见C200H操作手册)。

③计算：
用下列公式计算刻度值，忽略小数部分
刻度值=输入值*（上限值-下限值）/4000 +下限值
其它功能在此就不一一介绍了。

2.6 MCGS组态软件
关于MCGS 5.11通用版组态软件.
MCGS 5.11通用版组态软件是一套基于Windows 95和Windows NT平台(或更高版本)、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它提供了从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案。

MCGS 5.11通用版组态软件的功能和特性如下所述：
* 概念简单，易于理解和使用
* 提供了一套完整的解决方案
* 真正的32位应用系统
* “以实时数据库为核心，面向窗口”
图2-2 MCGS界面
在MCGS 5.11通用版组态软件中，设备被实现成独立的构件形式，不同的设备对应于不同的构件。

设备构件不仅仅包括设备驱动程序，还有不同的方法和属性供系统调用，每个设备构件都由一个独立的线程来管理。

对不同的外部硬件设备，只须提供相应的设备构件，而系统的其它部分和
设备无关，不作任何改动。

* 以窗口为单位
* 丰富和方便的动画组态
* 充分利用面向对象技术
* 充分利用数据库技术
* 对象元件库库的日益扩大和丰富，复杂的组态过程将会变得越来越简单。

图2-3 ＭＣＧＳ实际系统界面
第三章设计论证
３.1 系统控制流程概述
连杆胀断新工艺与传统的连杆加工方法相比，最大不同在于：来南传统机械加工方法是对锻件毛坯首先初铣、磨连杆两侧面，并将连杆盖与杆铣开，分别加工杆盖与杆上的螺栓孔（也含定为孔），在分别磨削连杆盖与杆不得接合面，最后对装配在一起的连杆进行精磨亮侧面、精镗大小头孔等工序。

而连杆胀断加工方法由于采用了胀断工序，从而取消了连杆杆与盖的两端一级杆、盖结合面磨削这两道生产效率低的工序。

同时，螺栓孔的设计与及加工也大为简化，既无需增加额外的螺栓定为孔，可省去螺栓孔的铰和镗等精加工，不仅降低了螺栓孔的加工精度和加工成本，同时也能使连杆承载能力、抗剪能力、杆与盖的定位精度以及装配质量大幅提高。

针对目前国外的连杆胀断成套设备研制现状，并充分考虑我国的国情，确定了总体技术方案，所研究开发的连杆胀断工艺装备由机械系统、液压系统、电器及微机控制系统组成。

其机械系统主要由胀断柱、定扭矩装配螺栓装置、步进梁式机械手三大部分组成：
胀断主机的功能是将步进梁机械手传递过来的连杆定位、压紧、胀断，最后再将胀断后连杆的杆和盖精确定位。

定扭矩装配螺栓主装置的功能是将步进梁机械手有胀断工位传递过来的杆、盖完全啮合的连杆进行定位、压紧穿入螺栓，并按所规定的扭矩拧紧。

步进梁式机械手为各工序的自动化传送装置，具有三工位自动传递功能。

每一尺步进动作将完成工件得上料、胀断、定扭矩装配螺栓、下料四工序的工作要求。

为满足胀断工艺的高质量、高精度、高效率的生产要求，实现发动机连杆胀断、装配螺栓两道核心工序的自动化生产过程，本项目需采用复杂的液压系统及电器、微机控制系统。

３.2 系统硬件设计概述
3.2.1 胀断主机的原理与结构设计
胀断主机是连杆胀断加工新技术中最为关键的核心设备。

在胀断主机上，将要完成得连杆大头孔的脆性断裂，是连杆盖与连杆本体分离，然后在将分离后的连杆盖与连杆本体精确复位，实现完全啮合。

按连杆胀断工序的工艺要求与主要功能，该胀断主机主要有机架、连杆定位、压紧、滑块机构以及楔形拉杆胀断等机构组成。

3.2.2 定扭矩装配螺栓装置的原理与结构设计
定扭矩装配螺栓装置是胀断加工技术中关键工艺装备之一。

连杆在胀断工序仅完成了杆、盖分离与杆、盖复位啮合，但尚未装入螺栓。

在定扭矩装配螺栓装置上，要自动完成上螺栓、并将螺栓按连杆的技术要求拧紧至所要求的扭矩。

按胀断工艺的实际要求和定扭矩装配螺栓工序所要完成的工作，研究开发了定扭矩装配螺栓装置，该装置由连杆加紧机构、上螺栓机构、定扭矩扳手三大部分组成。

3.2.3 自动化传送装置的原理与结构设计
为保证连杆胀断、装配螺栓的质量和精度，并实现连杆胀断过程的自动化，本项目在各工序间的工件的传递上，采用了复杂的步进梁式机械手，该装置主要包括机架、机械手、横移于垂直运动机构、夹钳机构。

3.2.4 步进梁机械手夹持定位精度与纵、横项运动精度
机械手夹持定位精度与运动精度是衡量机械手性能的重要指标。

对于连杆胀加工技术，步进梁机械手不仅要完成个工序间连杆的自动化传递工作，而且要有很高的夹持定位精度与纵、横项运动精度，不论是在胀断前的上料工位、还是胀断、定扭矩装配螺栓工位，连杆的大小头孔内径与定位块的间隙只有0.1mm，因此要求步进梁机械手夹持定位精度与纵、横项运动精度要达到上下误差不超过0.05mm.
3.2.5 微机控制系统的功能制定与设计
发动机连杆胀断加工新工艺要求较高的自动化生产程度和水平。

采用。