汽車電池托盤檢具裝置設計

桑 杲，周德強,2，焦 露，王少航，魯昀溥，蔡立軍

(1.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122；3.江南大學君遠學院，江蘇 無錫 214122；4.無錫普瑞精密技術有限公司，江蘇 無錫 214028)

0 引言

汽車檢具是用來測量和控制汽車各零部件尺寸的專用檢測設備，其對于縮短汽車項目周期、提高生產效率和產品質量具有重要意義。本文主要針對傳統汽車檢具中存在的檢測效率低、精度不高等問題，設計了一種汽車電池托盤檢具，其可以檢測電池托盤上孔的位置度，且檢測方便可靠。

1 電池托盤檢具的總體方案設計

1.1 檢具的工作原理

檢具主要由檢具體、定位機構、夾緊機構以及測量工具組成。測量工具主要有通用量規、檢驗銷釘以及各類傳感器等，檢測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。本文設計的檢具用來檢測電池托盤上各個孔的位置度，其采用檢驗探頭進行檢測，測頭的直徑略小于待測孔徑，測頭的中心與電池托盤上各個孔中心在同一軸線上，檢測時，若測頭能夠伸入孔內，則表明該孔的位置度合格，反之不合格。

1.2 總體方案設計

本文設計的檢具能夠測量電池托盤表面各個孔的位置度是否合格，為了實現自動化、智能化的要求，該檢具系統包括機械、電氣、軟件三個部分。機械部分包括輸送裝置、上下層檢測板的檢測組件以及升降裝置等，這些組件構成了檢具的機械本體；電氣部分包括PLC、接近開關、電磁閥等，用以實現檢測流程的自動運行及數據反饋；軟件部分主要包括人機界面，能對采集到的信號進行處理，并顯示在顯示器上，從而使檢測過程方便可靠。

2 檢具機械結構設計

圖1為汽車電池托盤結構示意圖。上表面(正面)呈內凹型，其正、反面各有幾十個直徑不同、分布不均的孔，考慮到檢具所需的自動化、智能化等要求，該電池托盤檢具的機械結構應包括輸送裝置、上下層檢測板的檢測組件、升降裝置以及夾緊裝置等。

圖1 汽車電池托盤結構示意圖

2.1 輸送裝置設計

輸送裝置由無桿氣缸、輥道和安裝平臺等部件組成，如圖2所示。首先通過人工將要檢測的電池托盤正面朝上放到安裝平臺上，再通過兩個方向的定位塊實現六點精確定位，然后由無桿氣缸推動平臺，通過輥道將平臺輸送到檢測位置開始檢測，待檢測完畢后由無桿氣缸將平臺拉回到初始位置。

2.2 上下檢測板設計

由于電池托盤的正反兩面均需要檢測孔的位置度，因此檢測板分為上檢測板和下檢測板，上檢測板又分為兩塊(左、右)，分別檢測電池托盤正面左、右兩部分孔的位置度；下檢測板為一塊，檢測電池托盤背面孔的位置度。左、右兩塊上檢測板上分布有接近開關，接近開關旁邊開設通孔，金屬測量桿安裝在通孔中，并裝有彈簧使其自動歸位。下檢測板上分布有小型檢測氣缸，測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。同時，為了使電池托盤在檢測時不產生晃動，下檢測板上的4個角上安裝有4個旋轉夾緊氣缸，用以夾緊電池托盤的邊緣使其固定。上、下檢測板的結構組成如圖3、圖4所示。

1-無桿氣缸；2-定位塊一；1-左檢測板；2-金屬測量桿；3-定位塊二；4-安裝平臺；3-接近開關；4-上氣缸安裝槽；5-支座；6-底板；7-輥道 5-右檢測板；6-導向滑套

圖2輸送裝置圖3上檢測板

2.3 升降裝置設計

圖5為升降裝置。當平臺由無桿氣缸輸送至檢測位置時，下大氣缸首先推動底板，通過下導向滑桿使安裝平臺下降到位，此時下檢測板上的4個旋轉夾緊氣缸將電池托盤夾緊固定，接著左、右兩個上大氣缸通過上推桿分別推動左、右兩個上檢測平臺，使其沿著上導向滑桿緩慢下降，上檢測板下端各個金屬測量桿分別測量電池托盤正面各個孔的位置度，然后下檢測板上的測量氣缸將安裝末端的金屬測頭頂出，并測量電池托盤背面各個孔的位置度，測量完成后，上檢測板與安裝平臺依次退回。

1-底座；2-旋轉夾緊氣缸；1-下大氣缸；2-上導向滑桿；3-金屬測量桿；4-檢測氣缸；3-上推桿；4-左大氣缸；5-電磁接近開關5-右大氣缸;6-上檢測板；7-安裝平臺；8-下導向滑桿；9-底板

圖4下檢測板圖5升降裝置

3 檢具硬件電路設計

要實現檢具的自動化，PLC裝置必不可少，其廣泛應用于工業自動化等領域，能夠實現模擬量控制、開關邏輯量控制、過程控制與運動控制等[1]。在檢具機械主體的基礎上，通過選用歐姆龍CP1H型PLC，設計接近開關、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與上位機，實現對各執行器件的順序控制以及PLC與工控機的串行通訊等功能。

3.1 接近開關的選用

接近開關是一種無需與運動部件進行機械接觸就可以檢測的位置開關，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型5種[2]。當物體接近開關的感應面并到達動作距離時，開關接通或斷開，進而驅動直流電器或給PLC裝置提供控制指令。本文所設計的檢具其上、下兩個檢測板上每個檢測孔位的金屬測頭一旁均安裝有一個接近開關，用于判斷相鄰金屬測頭是否能夠伸進孔內，若能則說明孔的位置度合格，反之不合格。選用的接近開關型號為歐姆龍TL-Q5MC1-F-Z，檢測距離為5 mm，檢測物體為磁性金屬，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，在工業場合中一般用于控制流體介質的方向、流量、速度等參數。電磁閥有很多種，常見的有單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調節閥等。本文設計的電磁閥所選用的型號為亞德客4V110-06，其為二位五通換向閥，氣壓大小為0.15 MPa～0.8 MPa，可以使各個氣缸執行雙向的動作。

3.3 PLC選型與各器件的電路搭建

本文所設計的檢具采用歐姆龍CP1H型PLC，具體型號為CP1H-X40DR-A。其I/O存儲區主要包括CIO區、工作區W、定時器區T、數據存儲區D和輔助區A等。

PLC周邊器件安裝完成后，將各檢測元件(接近開關)的信號輸出線接至PLC的各個I口，PLC的O口連接各驅動負載(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信號線連接至工控機電腦，檢測完成后，將各個孔位的數據發送至上位機進行處理。由于PLC主芯片的I/O數目小于各器件的總數，因此需要連接擴展I/O單元，擴展芯片型號為CP1W-40EDR。

4 檢具PLC程序設計

圖6為PLC程序流程。電池托盤安裝到位后啟動PLC，首先無桿氣缸將安裝平臺移動到末位，接著下大氣缸將平臺下降到位，夾緊氣缸(4個)對電池托盤進行夾緊定位，然后上大氣缸(2個)將上檢測板(2個)下降到檢測位置，若電池托盤正面孔的位置度合格，則上檢測板的金屬測頭不會被頂出，接近開關便輸出低電平，即孔的位置度合格，否則為不合格；隨后，下檢測板上的檢測氣缸上升，將固定在氣缸末端的測頭頂入孔中，若孔的位置度合格，則氣缸上末尾的接近開關輸出高電平，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連接至各接近開關的輸入口的狀態以16進制數的形式傳輸至上位機；檢測完畢，檢測氣缸將測頭收回，夾緊氣缸松開，上大氣缸控制上檢測板上升，下大氣缸控制平臺上升，上升到位后無桿氣缸將平臺拉回至初始位置。

圖6 PLC程序流程

5 檢具人機界面設計

根據設計的硬件電路，運用VB軟件繪制上位機界面，用以實現設備運行狀態顯示、手動點動控制、數據質量保存與分析等功能。VB軟件內部集成有各個模塊，利用MSComm等控件便能實現接收和發送串行輸入輸出數據的功能[3]。

5.1 主界面

主界面用于顯示當前的運行狀態以及電池托盤各個孔位的測量結果，如圖7所示。當點擊“打開串口”按鈕后，軟件便開始接收RS-232串口中PLC傳輸至上位機的數據，檢具運行到某一步驟時，界面左側的“設備狀態”一欄內相應的圖標會加亮顯示。主界面中間為測量界面，其中左側的圖片為待測電池托盤的正面，右側圖片為待測電池托盤的背面，圖片中每個待檢測孔的位置都有一個圓形標志，檢測完畢后，不合格的孔位標志將會加亮顯示。當點擊“保存數據”按鈕后，電池托盤的檢測結果將保存至數據庫中。

5.2 手動控制界面

圖8為手動控制界面，當點擊某一個氣缸動作的按鈕后，該按鈕上方的圓形標志將加亮顯示，同時軟件會發送一串數據至下位機進行處理，而后PLC將控制該氣缸執行相應的動作。

6 結語

經過反復試驗論證，該檢具系統能夠滿足既定的檢測需求，檢測過程高效可靠。相比于傳統檢具，該檢測系統通過人機交互界面實現實時反饋，從而能對檢測流程加以監管和控制，大大提高了檢具的智能化水平。

圖7 主界面

圖8 手動控制界面