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滑块厚度综合检测平台系统总体设计
摘要
空气调节机的滑块厚度精度要求很高，相比传统的手工测量方法，采用自动检测系统可极大地降低人的劳动强度，提高检测效率，并能大大地减少检测出错率。
根据滑块厚度检测的精度要求及特殊的翻面检测工序，设计了一套全自动的检测平台。
文中详细介绍了检测平台的总体设计方案，该综合检测平台分成四大部分：
控制平台分料机构、传感器、采集系统及控制系统。
针对上述四大部分探讨了检测平台、分料机构及控制系统的功能要求、工作原理、设计方法、实现方法及可行性，并对各分系统的关键件进行了选型分析。
按课题要求对全系统分别进行了设计、加工、调试，经联调检测证明了系统的设计是符合要求的。
关键词：
自动检测平台滑块厚度总体设计
Abstract
Theslipper,whichisoneofthesignificantaccessoryofanaircondition,hasagreatstrictrequirementindimensionalprecision.Inordertoimprovetheefficiency,decreasetheerroreffectivelyandreducetheintensityoflabor,itisimportanttodevelopanautomaticmeasuringsystemtosubstitutefortraditionalhandwork.Accordingtosomeparticularprocedureandthedemandforstrictprecision,thisfully-automaticmeasuringplatformwasdesigned.Thispaperintroducesthewholedesignprogramindetail.Thesyntheticalmeasuringiscomposedoffourparts:
measuringsystem,sortingmechanism,sensorandselectingsystem,controlsystem.Inconnectionwiththefourparts,notonlythemeasuringsystem,sortingmechanismandthefunctionrequirementbutalsoworkingprinciple,thewayofdesignandrealizationweretouched.Themodelofimportantapparatuswereselectedbyanalysisandcalculation.Onthebasisofrequirementofthetask,theworkofdesign,processandshakedowntestweredone.Itprovedthatthedesignofmeasuringplatformwasconformedtotheinitialrequirement
Keywords:
automaticmeasuringplatform,slipper,thickness,generaldesign
目次
1绪论
1．1概述
滑块是空气调节机中的关键部件之一，其几何尺寸、表面粗糙度、形位公差等精度的高低直接关系到空气调节机性能的好坏，所以对它的精度要求相当地高。
其中，滑块的厚度/平行度作为一个关键的技术参数，直接决定着滑块应用的有效性，并影响着空调的性能和质量。
随着空气调节机产量的日益增加，滑块的需求量也急剧上升。
传统的手工检测已远远不能跟上生产的节奏，成为制约生产效率的一个瓶颈。
虽然国外有相关的自动检测设备可以进口，可以克服人工方式的种种缺陷，但同样有存在价格高，设备维护与升级费用大等不良因素。
针对市场对能够自动地进行质量评价、快速而正确地进行品质分选的高性价比滑块分选设备的迫切需求，南京理工大学与宁波市科技局合作研制一套滑块厚度综合检测平台。
采用这套自动化测量设备不仅可以缩短时间，使得测量速度与生产节拍相吻合，提高生产率，而且可以提高测量精度，节省人力，消除人为误差，避免重复单调的劳动操作，减少费用，还便于显示及反馈等。
在传统的受控机械系统的设计过程中，机械设计和控制设计往往分开进行,机械设计人员和控制人员分别使用不同的设计工具和方法处理同一个研究目标，他们分别采用各自的思路和方法，进行独立的验证和测试。
直到在物理样机试验时，两种设计才被放在一起。
在测试过程中，一旦控制和机械的交互作用不能取得令人满意的效果，机械和控制则分别需要从新细化,然后再测试,如此反复,直到满意为止，这样的设计方法显然缺乏竞争力和总体性。
课题组成员组成了团队，针对设计任务，分别负责机械部分设计、控制部分软件部分设计、控制部分硬件设计等等。
本文主要针对总体设计进行阐述。
1．2国内外发展和研究状况
1.南京理工大学研制的机车转向综合测试平台用于对机车加载，并实时对四轮载荷分布及轴位移进行检测。
整个加载系统采用可编程控制器（PLC）和工控机作为控制系统的主体，通过组成单回路反馈控制系统，在加载过程中准确控制对转向架施加的压力。
当对转向架加载和卸载力时，实时监测四轮受力和变形的关系。
车轮的形变体现纵向和横向发生变化，因此需要使用精密位移传感器测量其二维变化。
具体要求有：
4路水平位移检测：
量程：
0～50mm，相对不确定度优于1%；6路竖直位移检测：
量程0～100mm，相对不确定度优于1%。
整个系统能够自动控制，自动报警，随时切换到安全状态，可节省大量人力，减少设计成本。
采用可编程控制器和计算机联合控制，使得整个控制过程可靠灵活。
2.浙江大学现代制造工程研究所研制的基于ARM核芯片的轴瓦壁厚/平行度自动检测系统。
采用了功能强大的16/32位的嵌入式微处理器和占先式的实时操作系统构成中心测控系统，以PLC为现场控制模块，应用光栅尺获取基础数据，实现了对轴瓦壁厚和平行度的实时、在线以及高精度测量（光栅分辨率为0.1μm）
3.德国生产的铟瓦线尺测距仪DISTINVAR，应变仪DISTERMETERISETH，石英伸缩仪，各种光学应变计，位移与振动激光快速遥测仪等。
采用多谱勒效应的双频激光干涉仪，能在数十米范围内达到0.01μm的计量精度，成为重要的长度检校和精密测量设备；采用CCD线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度，它们使距离测量精度从毫米、微米级进入到纳米级世界。
4.德国Grecon公司生产的TMNC型激光测厚仪，采用模块式设计的多处理机系统，使系统功能易于扩展，易于维修，可以方便地修改和增补各种功能软件。
处理机计算厚度的平均值，进行统计分析，超差时发出警报。
在CRT上，可以清楚地看到三对测定头测得的板厚分度情况。
该装置可以方便地贮存数据，需要时按要求打印报告，检测精度为±0.1mm，检测范围为0～100mm。
1.3研究方向和研究手段
随着科学技术的不断发展，人们要求检测设备自动化进行以提高试验效率，同时对检测结果的可信赖性和精确性要求也越来越高，智能化是检测技术的发展方向，同时也是滑块厚度综合检测平台的努力方向。
滑块厚度综合检测平台广泛采用自动化控制技术，滑块的上下料、滑块的传送，滑块厚度的检测等动作全部自动化进行，不仅能够使测试效率大大提高，还能减少测试人员的主观因素对测试结果可信赖性的影响。
比较设计了检测平台分料机构，对传动系统进行设计分析。
执行装置采用了四通公司的步进电机；出口分料处的滑块分类通过电磁铁的通电放电及步进电机的转角来实现；采用可编程序控制器（PLC）作为系统的控制核心，通过串行通讯与工控机组成上位机监控系统，实现对滑块检测、分料过程的实时监视和自动控制。
1.4本文的主要工作
本文主要做了如下工作：
第一章绪论部分介绍了滑块厚度综合检测平台的相关概念以及国内外在该课题方面的研究现状，说明我们课题研究的目标以及研究手段。
第二章对系统总体方案从机械部分、控制部分、检测部分等进行了论证与设计。
第三章介绍了检测平台投料、分料机构的设计，对关键件的设计和选取进行了理论分析。
第四章详细地介绍了控制系统，包括测控方案及其功能设计，以及PLC控制软件的设计。
第五章介绍了滑块厚度检测系统及上位机的功能。
第六章介绍了部分联调情况，并对系统进行可行性分析。
最后对全文进行了总结。
2系统总体方案论证
滑块厚度综合检测平台由自动分料机构、自动检测系统、自动控制系统、检测平台等组成，可以达到实现自动检测滑块尺寸的目的。
按照要求，该系统应该能够快速地检测出滑块的厚度和平行度，并且根据所得数据进行自动分类。
宁波市科技局提出的具体要求有：
1）检测误差允许范围为δ≤0.1μm；
2）垂直公差≤1丝；
3）平行公差≤1%mm；
4）精度要求≤10-7m；
5）每台机器一个工作日检测应至少达到20000个滑块。
2．1滑块厚度检测现有工序分析
目前，滑块厚度的检测仍然依靠手工操作。
工厂女工利用千分尺等测量工具对厚度进行检测，然后人工做出判断，对滑块是否合格进行分类。
这种检测方法严重制约了滑块的生产效率，而且劳动强度大，易受主观因素影响，无法得到精确的数据，可靠性也不高。
因此，设计一台自动化程度高的滑块厚度检测平台显得尤为重要。
2．2滑块厚度综合检测平台总体设计
振动
1.首先，为了明确设计对象的功能和约束条件，我们运用了“黑箱法”将设计任务
抽象化。
我们有意识地按照设计活动自身的内在规律进行，应用发散式的、以功能设计为主的设计思维，并在此基础上强调抽象的设计构思，极好地防止了过早地进入实体结果分析，从而使结果既在系统的工作原理和结构有关的本质上有所创新，又能结合实际，达到预期的设计目标。
对于我们所要设计的滑块厚度综合检测平台，在求解之前，犹如一个不知其内部结构的“黑箱”。
给“黑箱”输入物料、能量、信息以及外界的影响，则经“黑箱”后产生输出量以及“黑箱”对外界的影响。
图2.1为滑块厚度综合检测平台的“黑箱”示意图。
左边的输入量由被测工件滑块、驱动能和检测要求，右边的输出量为检测结果和滑块分类，上边为该检测平台对外界环境的影响，下边为环境对检测平台的影响因素。
滑块厚度综合检测平台的总功能是检测出滑块的厚度并对滑块进行分类。
2.确定了总功能后，就可寻求功能解，即实现功能的技术物理效应和功能载体。
据此，我们将总功能分解成复杂程度较低的分功能，并相应找出各分功能的解。
滑块厚度综合检测平台本身由许多子系统组成，所以在此，我们可按照各子系统进行分解（各子系统的分解功能图本文从略），如图2.2所示。
图2.2滑块厚度综合检测平台功能结构图
检测平台
3.经过分析讨论，确定设计要求：
1）分别以滑块的两个面为定位基准，测出两组数据；
2）每个面需要测多个点，并且这些点能够决定一个平面；
3）能够自动处理检测数据，并按照要求把其分成七类，从七个不同的出口滑出；
4）能够实时显示检测到的滑块数据，及滑块检测数量及每个分类口分出的滑块数；
5）系统具备较高的精度、可靠性和稳定性，在工作中能给出精确数据。
6）具有一定的容错能力，即使出现滑块卡位、不能完成正确分类，也不会出现系统崩溃或误分类等现象；
7）设计方案应力求简单。
4.功能实现途径：
滑块厚度综合检测平台是一个分布式的测控系统，由三大部分组成：
以C++Builder为基础的中心测控单元，基于PLC的现场模块和采用光栅传感器的厚度/平行度原始数据检测装置。
中心测控单元和现场控制模块之间的协调通过I/O予以完成。
1）机械传动流程图（如图2.3所示）
滑块从入料口进入内夹具中
槽道位置尺寸变化，滑块转动相应角度，测出另一对角线上各点的厚度
经过某一传感器时，滑块某一对角线上厚度被测
进入下一循环
在下侧轨道上测出另外一个面的两条对角线上各点的厚度
滑块从出料口漏出，夹具随带进入上轨道
滑块在带的拐角处翻转
图2.3滑块厚度综合检测平台流程图
图2.4滑块厚度综合检测平台控制系统组成示意图
2）控制系统组成（如图2.4所示）
3）出口分料设计（如图2.5所示）
图2.5出口分料结构示意图
其中，3为传动装置的出料槽口，其余七个口为分料口，滑块利用加速度由传动装置的出料槽口滑入转盘的槽道内，转盘根据信号，转动向相应的角度即可从对应的分料口分类出去。
2．3机械部分总体设计
机械部分的设计是整个检测平台的基础，其设计好坏直接影响到整个系统的检测精度、检测速度等等。
1.传送装置的选择
传送装置是自动线结构中的运动件及工件的承载体。
它把工件按照一定的节拍或
速度从一个工位送到下一个工位，从结构上把机械装置与其他设备联结成一个整体。
传送装置的种类比较多，有滚轴式、滚轴链式、链板式、悬挂链条式、带式传送装置、传送螺旋、滚轮式、推杆滑道式、搓板推动式等等。
鉴于滑块的尺寸较小，驱动力矩小等原因，结构简单的带式传送装置即可满足设计的要求。
2.滑块转弯、转向传送装置
目前，转弯、转向传送装置一般分为锥輥传送装置，90°环带、随行夹具式、升降转盘、升降托盘等等。
滑块厚度综合检测平台的机械装置具有一定的定向要求，同时为了尽可能地把装置简单化。
因选择了用随行夹具式传送装置。
3.滑块厚度综合检测平台机械结构
由于滑块需要平稳地向前移动，所以我们对带式传送装置进行了改良，如图2.6所示。
2.6滑块厚度综合检测平台机械结构示意图
采用同步齿形带9，一面与相应类型的带轮2配合、另一面的齿槽中套接滑块外夹具4的长柄，外夹具随同步带一起移动。
滑块内夹具5与外夹具间隙配合，其中间开孔放置被测滑块6，内夹具的两个销耳7在导轨槽道8中滑动以限制内夹具的方向，这样内夹具、滑块一面随外夹具移动，一面随两条导轨槽的距离变化发生转动。
槽道的形状与尺寸将决定滑块对角线与其移动方向的夹角。
为了使传送装置具有良好的稳定性，设计压带轮部件，以压带轮的弹性来减弱外部环境的振动。
夹具布满整个工作导轨，并随传动带循环运动，当滑块从入料口进入时，在某一时刻必定有一内夹具与之配合，滑块即进入测量循环轨道，并在出料口滑出。
通过改变导轨的形状来使滑块旋转一个固定的角度（如图2.7所示），从而实现检测滑块同一个面两条对角线上点的目的。
图2.7滑块厚度综合检测平台导轨形状示意图
2．4控制部分总体设计
1.控制部分的组成
滑块厚度综合检测平台的控制系统主要包括工控机、PLC、数采卡、传感器探头、位置检测传感器和各控制及执行元件。
2.各部分功能
1）工控机：
作为整个系统的监控、调度中心，通过PLC间接地控制、监测系统运行的状态；
2）PLC作为系统的控制核心，直接完成对各部件动作的协调控制以及各运动位置检测；
3）检测系统由传感器、数采卡和工控机等组成，通过对滑块的几何量的测量、计算，作为分类产品判断的依据；
4）位置检测传感器和各控制及执行元件：
主要完成对系统状态的检测以及各部件动作的协调执行，给系统施于动力源。
3.控制部分所能实现功能
1）控制系统完成滑块在流水线上平稳传送；
2）控制两个步进电机的转动；
3）完成滑块厚度检测全过程，根据所得数据对滑块进行正确分类；
4）具有一定的容错能力。
即使是出现滑块卡位、不能完成正确分类也不会出现系统崩溃或误分类现象等。
如果出现错误，系统明确指出错误来自哪个方位，即使不能指明错误来源，也能检测到流水线的某个大致位置，以方便维护，及时排除故障。
2．5检测部分及上位机功能设计
在本课题中，检测平台的垂直公差要求为1丝，平行公差要求为1%mm，精度要求为0.1μm。
选用JGX系列的密封式光栅位移传感器，它的测量分辨率为0.025μm（400线/mm），可以满足精度要求。
检测平台的检测速度为2万/天，针对这一效率要求，应该全面考虑其自动化程度，如微机控制，自动上下料，自动传送工作，自动检测等。
另外还要考虑可行性等等。
检测平台的上位机运用C++Builder编程，能够对传感器所得到的数据进行分析处理，并能够将分类信号实时传给PLC，从而控制滑块的正确分类。
系统第一次运行或者运行时间过长都应该重新标定。
一旦发生滑块堆积、分类错误、系统运行错误，上位机都能够发出警报，给予工作人员提醒。
3检测平台投料、分料机构设计
3．1检测平台设计
1.检测时序图
传感器1234
滑块1
2st/s
传感器1234
滑块2滑块1
t/s
4s
传感器1234
滑块3滑块2滑块1
t/s
6s
传感器1234
滑块4滑块3滑块2滑块1
t/s
t/s
8s
传感器1234
滑块5滑块4滑块3滑块2滑块1
t/s
10s
图3.1检测时序图
由上图可以看出:
滑块在检测平台上处于并发流水线式检测。
通过安装在传感器旁的感应开关，可告知传感器滑块已经到达可以检测，当工作人员没有定时添加滑块时，系统等待。
2.传动机构
为了保证传送过程中的平稳性，避免传动机构的震动引入附加的测量误差，造成测量结果的失真，传动机构采用了分体结构的设计，将检测工作台与传动机构分离，从而大大减少了传动机构对检测过程的影响。
滑块的每一表面要测量两条对角线上共五个点（中心交叉处可看作一个），因此,滑块在流水线上不但要做90度旋转，还要翻转180度。
通过在测量平台上刻画合适的曲线使滑块能够按照预先设定的轨迹作适当的角度旋转。
滑块的180度翻转，则通过设计流水线的空间结构来实现。
3.驱动机构
1）电机选择思路
本平台共需两台电动机，一台用来带动传送带，一台带动圆盘转动。
电机的选择一般包括选择电动机的类型、电动机的功率及额定转矩等。
其具体思路如下：
首先，选择电动机的类型，然后比较电动机的机械特性与负载特性，看它们是否吻合，并在此基础上检查是否满足调速范围与精度，顺便考虑一下经济性的问题，如果以上各个方面均满足，接下来，我们便可以开始计算电动机功率，进行起动转矩过载倍数及加速转矩校验、发热校验等。
如过发热校验不通过，可以减小功率数或改用FSN小的电机。
或者，在满足加速度要求下，看能否通过减小加速转矩来满足上述要求。
最后，再作出具体决定。
2）电机类型的选择（以分料口的电机为例）
在自动控制系统中，经常会使用一些小功率电机用于信号的检测、变换和传递，作执行元件或信号元件，这类电机称为控制电机。
常用的控制电动机乳汁流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电机等等。
控制电机一般具有的特点：
1）快速性好，即加速转矩大频响特性好；2）位置控制精度高、调速范围宽，低速运行平稳无爬行现象，分辨率高，振动噪声小；3）适应起、停频繁的工作要求；4）可靠性高，寿命长。
对起停频率高（如数百次/分），但不要求低速平稳性的产品，选用电机主要性能指标为高比功率。
在额定输出功率相同的情况下，交流伺服电机的比功率最高，直流伺服电机次之，步进电机最低。
本课题要求的电机起停频率低，但要求低速平稳，扭矩脉动小，在整个测速范围内均可稳定运动的机械，功率密度为主要的性能指标。
这时，步进电机为最佳的选择。
其中，功率密度为P/G，电动机的比功率为T2N/Jm（TN为电机的额定转矩，Jm为电机转子的转动惯量）。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件，每外加一个控制脉冲，电机就运行一步。
与其他驱动元件相比，步进电机及其控制系统有几个明显的优点1）通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制；2）输出的转角或位移精度高，误差不会累积；3）控制系统结构简单，与数字设备兼容，价格便宜。
选择步进电机的计算：
1）计算齿轮的减速比；
2）计算电机轴上的惯量；
3）计算电机输出的总力矩M；
4）负载起动频率估算。
经过计算，选用四通公司的56BGY系列250C电机。
其保持转矩为1.04NM，定位转矩为0.04NM，空载起动频率为2.8KHz。
为了提高工作可靠性，步进电机的驱动器采用商品化的整体结构，选用北京四通电机公司的SH-20806B，其采用数字式升频升压驱动方式，并结合了恒电流控制技术，采用80V交流电源供电，输入控制信号为TTL电平信号，且提供过流保护、过压保护、步距角切换、双/单脉冲控制模式切换和试机等功能。
减速器原则上希望是1/2,但市场上一般的减速器为1/5，考虑也能满足要求，故选用1/5的减速器。
3．2入料机构设计
使工人只需在一个位置投料，无需测量、校准。
投料的速度不会对系统的检测效率带来任何影响，见图3.2a。
为使滑块顺利进入内夹具孔中，不出现未入孔就随夹具滑出投料装置的情况，安装时有如下技术要求：
h0其中：
h1----内夹具厚度；
h0----滑块厚度；
h-----入料口与导轨之间距离（如图3.2b）。
a
1-平台导轨，2-外夹具，3-内夹具，4-滑块，5-投料装置
b
图3.2入料口
3.3分料机构设计
图3.3分料口
1．分料口的工作流程
1）当滑块从传动循环系统滑出，经过一段斜坡的加速后便进入圆盘的槽道内，感应器将滑块到达信号送至控制CPU。
2）CPU给出命令，控制电机带动圆盘转动相应角度（由数据处理后的分类信号决定），电机停，电磁铁失电。
3）滑块被电磁铁从某个出口k弹出。
4）接近开关IO．K接受到滑块弹出信息，并给CPU发信号，驱动电机反转至初始位置。
2.接近开关
接近开关是传感器家族中众多种类中的一个。
它是利用电磁工作原理，用先进的工艺制成的，是一种位置传感器，它能通过传感器与物体之间的位置关系变化，将非电量或电磁量转化为所希望的电信号，从而达到控制或测量的目的。
在分料口，共需使用十个接近开关。
一个产生定位信号，一个产生滑块堆积信号，一个产生滑块到位信号，剩下七个为分类信号。
由于需要对滑块实现定位、数目检测、料位控制等功能，故均选用电感式接近开关。
电感式接近开关（GDKG）属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器、信号触发器和开关放大器组成。
振荡电路的线圈产生高频交流磁场，该磁场经由传感器的感应面释放出来。
当有金属物体接近这个能产生电磁场的振荡感应头，就会使该金属物体内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，当信号触发器探测到这一衰减现象，便把它转换成开关信号，由此识别出有无金属物体接近开关，进而控制开关的通或断。
本课题中，电感式传感器的检测方式为埋入式，在安装上为齐平安装型。
3.分料机构
若使用斜面导轨形式，在导轨侧面开七个口，当滑块滑到相对应的出料口时，由电磁铁将滑块推出，以实现分类，这样做将增大设备体积，且无法保证滑块到了分类口时不继续下滑，从而造成滑块不能准确地从分料口分类出去的后果；若采用曲柄滑块机构，则滑块推出动作较慢，很难满足快速的任务要求。
本课题采用圆盘分料，既节约了空间，又保证了时间。
步进电机带动圆盘旋转过一定角度后，由电磁铁将滑块推出。
分类结束后步进电机回到起始状态，等待下一个滑块的到来。
4.分料盘的设计
由于电感式接近开关所能检测的物体只可以是金属体，所以，分料盘的材料就不能使用金属体，故选用安装方便的塑料盘。
由于塑料盘
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