汽车检测装置及机械手的控制系统的设计

摘 要

　　汽车离合器盖总成是离合器的核心部件，盖总成的负载能力、分离能力及其稳定性能的好坏直接关系到传动系统甚至是整车的使用安全，同时盖总成也是易损部件，为了保证其安全性，相关的标准要求其在出厂前必须进行检测，国外的测试设备价格昂贵，企业很难承担，国内的测试设备技术尚未完全成熟，因此，离合器盖总成检测设备有着极为广泛的应用空间和前景。在企业实际项目的支持下对盖总成检测线进行布局设计及平衡性改善，对检测装置的装夹机械手进行结构设计、仿真分析，对检测装置及机械手的控制系统等内容进行设计，具体工作如下：

　　首先，对国内外检测线及检测设备进行对比，分析了现今检测线布局形式和检测装置的不足及各检测工位节拍不平衡的问题，通过对检测线布局的设计、上下工件装置的改进、检测线装置的设计以及对瓶颈工序（平衡、去重及打标）的作业内容进行分解与合并的研究，最终确定了一套平衡性改善方案，解决了原检测线自动化程度低、检测节拍长、平衡性差、劳动强度大、检测效率低等问题。

　　其次，分析了检测装置工作原理和检测线的有效工作空间，为了模拟推式离合器盖总成在真实工况下分离轴承对膜片弹簧的真实作用，设计了分离轴承装夹机械手，此设计机构解决了现行抓取机构结构庞大、灵巧性差、抓取节拍长及难以自动锁紧等问题。应用 CATIA 软件对机械手进行建模与虚拟装配，并结合实际工况对机械手关键零部件进行有限元分析，利用 HyperMesh 软件对几何模型进行有限元网格划分，通过施加相应的约束和载荷，得到开合锁板应力应变与位移图解，结果表明工件设计合理，能够满足强度要求，同时对夹爪进行模态分析，结果表明夹爪与检测设备不会发生共振，验证了机械手设计的合理性。

　　最后，对检测设备控制系统的总体方案进行设计，对各控制模块部分进行选型与研究，确定检测设备的硬件型号，对检测装置的装夹机械手进行控制系统的设计，搭建气动控制回路，并在此基础上开展机械手 PLC 控制系统和控制程序的研究，以达到控制系统精度的要求，为方便对机械手进行控制和排查，设计了手动/自动控制模块和故障报警模块，满足了生产的需要。

　　关键词：离合器盖总成 检测线 平衡性分析 机械手 有限元分析 控制系统

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 录

　　第 1 章 绪 论

　　1.1 论文选题来源及背景

　　1.1.1 选题来源

　　本课题来源于吉林省科技厅重大科技招标专项，项目名称是"汽车离合器盖总成生产线成套检测设备的研制",合同编号为：20150203017GX.

　　1.1.2 研究背景及意义

　　随着人们对汽车的依赖程度越来越高，汽车产业的发展已经成为国家发展水平和科技竞争力的体现[1].汽车已成为人们日常生活中不可或缺的代步工具，但汽车在实际操作过程中的问题却不断出现，例如零件磨损，发动机问题等。而离合器作为汽车传动系统最重要的部件之一，其性能的好坏直接关系到整车的安全性。现在每年都有各式各样的新款车型上市，随着汽车的需求量越来越多，汽车相应零部件（如离合器盖总成）的需求量也与日俱增，再加上劳动力成本的不断上涨，使得离合器盖总成生产线的市场需求日益旺盛，产业化前景广阔[2].

　　离合器盖总成是离合器最重要的组成部分。汽车离合器的新产品研发、产品优化改进及检验都需要对汽车离合器盖总成进行性能检测。通过测量汽车离合器盖总成的分离特性曲线和负荷特性曲线，并与国家相关标准中的《汽车干摩擦式离合器技术条件》QC/T25-2014 进行对比分析，可以得出生产的离合器盖总成是否达到基本的使用要求，同时可以大幅度提高盖总成的生产合格率，降低产品的危险性[3].检测的结果也会使盖总成生产厂家对其生产的工件性能有着更好地分析，对离合器盖总成的结构设计、生产流程和装配方式进行优化指导，进而协助盖总成生产厂家在保证产品安全使用的前提下，提高效率，降低成本，最终使企业具有更好的市场竞争力。

　　汽车产业是资金密集型产业的代表，检测装置与设备在汽车理论研究、结构设计、部件生产及产品维护等多个环节都有着巨大作用。本课题研究的盖总成检测线能够对离合器盖总成进行自动化检测，提高检测效率，降低用工人数，提高企业产能，满足离合器产量需求；减少检测成本、增强离合器生产企业的市场竞争力，为我国今后的汽车检测装置的研制奠定基础，以期达到甚至超过国外同类先进产品，这对于提高我国汽车制造业的生产和检测水平具有深远的意义[4].不仅可以吸收国外汽车离合器盖总成柔性生产线先进的检测方法，提高我国离合器盖总成检测的技术，而且还可以通过技术改进降低产品的价格，增加我国在汽车产业的国际竞争力，对完成我省老工业基地的改造有着积极推动作用。

　　综上，研制开发出价格合理、检测效率及自动化程度高的离合器盖总成检测线有着广阔的发展前景。

　　1.2 国内外研究现状

　　1.2.1 国外研究现状

　　20 世纪 90 年代，国外对离合器盖总成检测设备就已经展开了相关的研究。经过几代人的不懈努力，研究出的离合器盖总成检测设备已经相当成熟，盖总成检测线已达到全自动化的标准，其检测精度与测试速度均具有很好的保证。

　　现今，国外汽车行业相关检测设备的发展已相当成熟。在汽车离合器盖总成检测设备技术方面，法国的 VALEO 公司、美国的 Green 公司、德国的 Schenck 公司等都研制了高精度的盖总成检测装置。如图 1.1 为德国 Schenck 公司研制的离合器盖总成平衡机。

　　关于成套检测设备方面，主要厂家有意大利捷菲特、日本爱思帝，这些厂家技术成熟，检测精度和速度都处于领先水平。这些厂家研制的盖总成成套检测设备，将原有的液压加载方式通过伺服电机进行替代，伺服系统可以很好的控制检测设备的运动情况和负载的加减，具有很好的测试精度、控制精度和重复精度[5].由于检测设备对位移运动的精度要求较高，采用永磁同步的交流伺服电机可以使检测设备得到更快的响应速度和更高的运动精度，既能降低驱动成本，又能担负起较大的载荷[6].如图 1.2为意大利捷菲特公司研制的盖总成检测设备。

　　通过调查研究发现，大多数国外检测设备产品能够准确模拟各类离合器盖总成的实际工作状态。检测线上检测设备大多应用基于 PC 的控制系统和数据采集系统，相比于原始的检测系统，提高了其开发效率，实现了控制系统的快速性、实时性与多任务性。基于 PC 的数据采集系统缩短了开发周期，降低了造价成本，提高了复杂条件下检测装置的检测精度和控制精度[7].

　　1.2.2 国内研究现状

　　我国在自主研发汽车检测仪器与设备产业方面起步较晚，但是在技术发展过程中可借鉴的空间和提升的空间很大，在我国汽车工业飞速发展的带动下，检测设备技术水平也得到了迅速提升，近年来已经逐步建立了科学仪器设备自主创新原理研究、技术开发、产业化研究和应用示范的较为完整的链条。如今，我国汽车自主研制开发的检测技术已经推广应用，从单一性能测试到汽车安全性能测试，再到汽车综合性能测试，设备的开发和生产得到了迅速发展[8].

　　在国内，汽车干摩擦式离合器盖总成的检测遵循 QC/T25-2014 这一标准。随着国内汽车行业的进步，国内汽车检测技术同样发展迅速，在离合器检测设备方面，中国的许多大学和企业，如上海交通大学、广西大学、长春中联汽车检测设备有限公司、重庆创和有限责任公司、济南华兴有限公司等对离合器盖总成检测设备进行了大量的研究。

　　这些高校和企业都是在离合器检测领域开展了相应的研究工作并取得了一定的科研成果。如上海交通大学胡胜华等人联合设计的试验台采用双闭环控制，采用PMAC 运动控制卡和伺服电机驱动器实现对伺服电机的双闭环控制，效率高、响应快，并用 VC6.0 进行了测试系统软件的开发[9] ;广西大学机械工程学院姚启红、赵艳珍等人采用 LabVIEW 图形化软件开发平台，通过数据采集卡 PCI-6024E 联系采集压力和位移信号来完成测试数据的采集、显示等，最终研制出一套满足国家行业标准要求的盖总成负荷特性测试系统[10];天津大学机械工程学院刘镇忠、赵连玉等人设计了离合器盖总成综合性能试验台测控系统，它采用工控机为上位机，运动控制卡为下位机的形式进行设计，结果表明，该控制系统能实现单一设备对推式离合器盖总成及拉式离合器盖总成两种形式盖总成综合性能的检测，其检测精度和自动化程度都得到提高[11];由长春工业大学及长春中联设备有限公司设计的离合器盖总成检测试验台已经由原来液压加载方式升级为伺服加载方式，设计了盖总成检测试验台的主机结构及控制系统，应用液压及气动的形式对检测机的夹具进行设计，并用 VC 开发了功能强大的用户界面，实现了盖总成分离特性和负荷特性的测试[12];锦州万德企业曾庆东设计的微机测控盖总成性能试验台是通过应用机械和液压技术相结合的方式，设计出一套机电一体化的试验设备，利用 C++对其进行数据的采集和分析[13] ;重庆创和有限公司以计算机 sxP Embedded 为实时操作系统，同样采用机械和液压相结合的方式，设计了一套盖总成检测机。如图 1.3 是国内检测设备生产厂家的产品外观图片。

　　近些年，国内检测设备经过不断的发展，已经取得了较大的进步，与国外检测设备的差距逐渐减小，虽然在可靠性和自动化程度上都还有一定差距，但在检测设备价格上远远低于国外的检测设备价格，并且国内目前的离合器检测设备满足"QC/T25-2014 汽车干摩擦式离合器总成技术条件"要求，所以研究开发高精度、高可靠性、自动化程度高、价格合理、性能优良的国内产品必将有着广阔的发展前景。

　　1.3 论文研究的主要内容

　　（1）离合器盖总成检测线的布局设计对检测线的现状从多方面进行分析，提出检测线布局形式和检测设备的不足及各检测工位节拍不平衡的问题。针对检测线自动化程度低、检测节拍长、劳动强度大、检测效率低等情况，研究了一套解决问题的方案。通过对上下工件装置的改进、检测线装置的设计以及对瓶颈工序的作业内容进行分解与合并的设计，来解决检测线现存的问题，以提高检测线的平衡率。

　　（2）检测装置的分离轴承装夹机械手设计分析了检测装置工作原理和检测线的工作环境，通过与现今流行的机械手进行对比分析，确定了装夹式机械手的设计方案。为了解决放置和夹紧分离机构同步化进行的问题，加快检测时间，提高检测效率，对机械手的锁紧机构进行设计；同时，为了减小锁紧过程摩擦产生的振动，在结构上设置导轨和滑块来进行移动锁紧。在对检测线的空间进行分析后，确定了机械手的尺寸，最后对机械手进行三维建模和虚拟装配。

　　（3）机械手末端结构关键零部件有限元分析对机械手末端结构的关键零部件进行有限元分析。对模型进行有限元模型的建立，之后通过施加载荷与约束，赋予材料属性，分析其应力及变形情况，验证设计的结构是否满足强度需求；之后分析夹爪的模态属性，验证其 1 阶频率是否高于检测设备的激振频率，避免共振现象的产生。

　　（4）检测装置及机械手的控制系统设计对检测装置控制系统的总体方案进行设计研究，对各控制模块部分进行选型与研究，进而确定检测设备的硬件型号。对检测装置的装夹机械手进行控制系统的设计，搭建气动控制回路，并在此基础上开展机械手 PLC 控制系统和控制程序的研究，以达到控制系统精度的要求，并设计机械手自动/手动控制程序及故障报警模块，以得到更优的控制效果。

　　第 2 章 离合器盖总成检测线的布局设计与研究
　　2.1 离合器盖总成检测线现状分析
　　2.1.1 生产线布局形式分析
　　2.1.2 离合器盖总成检测线问题分析
　　2.2 离合器盖总成检测线布局设计
　　2.2.1 精益化思想的背景及意义
　　2.2.2 盖总成检测线的改善目标
　　2.2.3 盖总成检测线的方案设计
　　2.2.4 改善后检测线的工艺流程
　　2.3 离合器盖总成检测线的平衡性对比分析
　　2.4 本章小结

　　第 3 章 盖总成检测装置装夹机械手结构设计
　　3.1 盖总成检测装置的结构和工作原理
　　3.2 装夹机械手的工作过程与作业空间
　　3.2.1 机械手工作过程
　　3.2.2 机械手作业空间
　　3.3 装夹机械手的设计目标与方案分析
　　3.3.1 装夹机械手的设计目标
　　3.3.2 装夹机械手方案的对比分析

　　3.4 装夹机械手的结构设计
　　3.4.1 机械手的运动方式选择及设计方案
　　3.4.2 机械手的底座支架设计
　　3.4.3 机械手的主体机构设计
　　3.4.4 机械手的末端装夹机构设计
　　3.4.5 特定分离轴承装置的结构设计
　　3.5 机械手三维模型建立
　　3.6 本章小结

　　第 4 章 基于 HyperMesh 的机械手末端结构有限元分析
　　4.1 有限元分析流程
　　4.2 机械手末端结构关键零部件有限元分析
　　4.2.1 基于 HyperMesh 的有限元模型建立
　　4.2.2 材料属性的设置与工况载荷的施加
　　4.2.3 应力计算结果与数据分析
　　4.3 末端夹持器关键零部件模态分析
　　4.3.1 有限元模型建立
　　4.3.2 模态分析结果
　　4.4 本章小结

　　第 5 章 盖总成检测装置控制系统设计
　　5.1 控制系统设计总体方案
　　5.2 检测设备硬件系统选型
　　5.2.1 运动控制模块
　　5.2.2 伺服控制模块
　　5.3 检测装置的装夹机械手控制系统设计
　　5.3.1 气动机械手动作过程
　　5.3.2 机械手气动系统设计
　　5.3.3 机械手 PLC 控制系统设计
　　5.3.4 机械手 PLC 控制程序设计

　　5.4 机械手功能模块设计
　　5.4.1 机械手触摸屏控制界面设计
　　5.4.2 故障报警模块设计
　　5.5 检测装置的人机交互界面设计
　　5.6 离合器盖总成检测线的测试试验
　　5.7 本章小结

第 6 章 结 论

　　6.1 总结

　　离合器盖总成是离合器的关键组成部分，在其出厂前必须经过各项指标的测试，其检测工作重要且繁琐，并且各检测项目节拍不同，所以在检测过程中大大限制了检测线的检测效率。为此，本文通过对原检测线的分析，进行了检测线布局设计、平衡性改善和检测装置装夹机械手的设计与研究，工作总结如下：

　　（1）分析了离合器盖总成检测线的现状，针对检测线存在的问题和不足，结合精益化的思想对检测线的平衡性进行改善，增加了机器人全自动上下工件装置、设计了合格、不合格产品自动分拣装置，实现了检测线的全自动化，减少了搬运路径、缩短了检测节拍、减轻了劳动强度、减少了用工人数、提高其自动化程度；并对瓶颈工序的作业内容进行分解与合并，提高了检测线平衡率，使平衡率由原先的 70.42%提升到 92.26%,改善后的自动检测线为企业节约了大量的资金，有效避免了浪费情况的发生。

　　（2）分析了盖总成检测装置的结构与工作原理，结合检测线实际需求，设计了一种可以自动抓取分离轴承并能够使分离轴承自动夹紧在检测装置上的装夹机械手；解决了放置和夹紧分离机构不能同时进行的问题，实现多个步骤同步化，缩短了检测时间，抓取及夹紧的过程仅需 4 秒左右，此设计将原综合性能检测工位的检测节拍降低了 8s 左右，且生产成本远低于原检测设备，提高了检测效率，保证了检测节拍和设备的可靠性。最后，运用 CATIA 软件建立了机械手的三维模型。

　　（3）通过 HyperMesh 软件对机械手末端结构的关键零部件进行了有限元分析。

　　通过分析结果可知，装夹结构末端装置的开合锁板所受的最大应力值远小于其材料的许用应力值，说明该设计满足自身强度要求，设计合理；同时通过模态分析获得机械手夹爪的前6阶固有频率和振型，结果表明夹爪的第1阶频率高于检测机的激振频率，排除共振发生可能性，保证了检测过程的稳定性和可靠性。

　　（4）根据检测线的特点进行控制系统总体方案的研究，对设备各硬件进行选型研究，然后对检测装置的机械手进行控制系统设计，并搭建出机械手的气动控制回路，接着在此基础上开展机械手 PLC 控制系统和控制程序的研究，设计了机械手自动控制程序及手动控制程序；为方便对机械手进行控制和排查，设计了手动/自动控制模块和故障报警模块，获得了较好的控制效果。

　　6.2 展望

　　本文虽然对盖总成检测线进行了优化，并且对检测装置的装夹机械手进行设计和分析，最后又对其控制系统进行设计，但研究的内容在具体实施应用的时候还有许多问题，本课题还需进一步深入研究以下几个方面：

　　（1）本文制定的检测线设计方案，需在实际中不断细化、完善，并将此种改善方案的思想应用到各个生产线中[77]. （2）机械手运动过程的轨迹规划研究，运用连杆机构尺度综合的方法对机械手机构进行系统的改进，使抓取及装夹过程更快、更平稳。

致 谢

　　岁月如歌，三年时光如白驹过隙，转瞬即逝，那一幕幕仿佛发生在昨天，让人感受到青春和美好的回忆。在硕士的三年学习生涯当中，我有幸遇到了我的恩师，王占礼教授，在整个研究生求学过程中都得到了王老师的悉心指导，王老师始终关注着我的生活情况和科研情况，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨，热忱鼓励，老师的耐心教诲和严格要求，使我各方面有了长足的进步，经师易得，人师难求，师恩难以言谢。同时，在此感谢我的另一位导师张邦成教授这三年来的孜孜教导，张老师在我专心科研迷茫的时候给了我很好的指引和帮助，百忙之中还一次又一次给我提建议，张老师面对工作和同学们从来没有懈怠过，始终坚持着严谨负责的态度，为我们传道解惑。在此，向两位老师表示由衷的敬意与感谢。

　　青葱年华，在最美好的时光与课题组的一众老师、师兄、师姐、师弟们度过是多么难忘啊。在此特别感谢同课题组的孙建伟老师、陈延伟老师、李静老师、胡艳娟老师、高智老师、庞在祥老师，感谢尹晓静师姐、高墨尧师兄、郜思洋师兄给予我的帮助与支持，感谢与同窗李爽、季春天的相识，感谢你们的帮助，你们是我人生中的最重要的老师和同学，谢谢你们三年来的关照与宽容，与你们一起走过缤纷时代，将会是我一生最珍贵的回忆。

　　在此，我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，养育之恩，无以为报，希望你们永远健康幸福。最后，十分感谢在百忙之中抽出宝贵时间为我审阅论文的专家和老师，谢谢你们，你们辛苦了！

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