柔性平台（精选七篇）
柔性平台 篇1
刚性平台一般由承重桁架、檩条和铺板组成, 具有刚度好、承载能力大、利于水平度控制、方便纠偏和灵活堆料等优点, 用钢量大;而柔性平台则用钢量小、组装与拆除方便、施工荷载反映敏感、投资少及工期短, 易产生偏移和扭转等现象。刚性平台常用于结构断面小矩形结构, 而柔性操作平台常用于大直径圆形结构。
在煤矿井塔施工中, 一般采用双层、单层刚性操作平台施工, 随着井塔断面尺寸加大, 刚性操作平台缺点逐步显现出来。为节约材料, 减少一次性投资, 缩短施工工期, 将柔性平台引用于井塔滑模施工中。采用柔性平台先后施工了龙固煤矿、金川集团二矿区井塔, 取得了良好效益。
以金川集团二矿区主井井塔为例, 对柔性平台施工进行叙述。
金川集团二矿区主井井塔为钢筋混凝土框架剪力墙结构, 平面尺寸16.0 mm×21 m, 建筑高度86.2 m, 共10层。井塔墙壁下部厚度400 mm, 上部250 mm, 设有10根壁柱, 2根1 000 mm×1 000 mm独立柱, 混凝土强度等级为C35。
该井塔采用“滑一打一, 逐层跟进”方法进行施工, 即先滑升井塔墙壁及壁柱至第一层楼板以上, 保证提升架立柱低部高于楼板, 停止滑升, 拆除吊挂脚手架, 然后进行楼板施工。在墙体楼板位置预留梁窝、板槽, 以保证楼板与墙体连接。第一层楼板施工结束后进行墙壁滑升, 至第二层楼板以上, 停止滑升, 进行第二层楼板施工, 依次循环。
1 柔性平台系统设计与构造
柔性操作平台沿墙壁条形设置, 其支撑结构为三角架式, 内外双向外伸, 每侧外伸宽度2.5 m, 以此满足侧向稳定和材料堆放的要求, 吊挂脚手架立杆挂在三角架和提升架立柱上。柔性平台示意图如图1所示。
柔性平台由挑架、铺板组成。挑架形式为三角形, 由型钢制作, 并设置在提升架上, 为减少平台变形, 一是增加提升架刚度, 加大立柱断面尺寸;二是挑架与提升架作刚性连接。挑架端部设置护栏, 铺板采用50 mm厚木板, 绑扎在挑架横杆上, 铺板表面与模板上口平齐。
由于柔性平台沿墙壁直线布置, 模板侧向刚度小, 需要采取加强措施:一是围圈采用槽钢;二是在提升架横梁上设置连系梁, 将提升架连结为一整体;三是在挑架横梁端部设置槽钢, 并焊接。
在模板组装时, 应适当加大模板锥度, 以部分抵消柔性平台上荷载对模板锥度的影响。平台上荷载尽量靠近提升架均匀放置。
2 液压提升及模板系统设计
2.1 液压提升系统设计
在电梯井位置布置1台YKJ-36型液压控制台, 采用CYD-60型滚珠式液压千斤顶。支撑杆采用φ48×3.5 mm脚手架钢管, φ34 mm短管对接;千斤顶油路采用并联形式, 分组编号。
2.2 模板系统设计
2.2.1 提升架布置
提升架为“开字形”, 由立柱、横梁组成, 螺栓连接。提升架外侧连系梁沿墙壁通长设置, 内侧连系梁在壁柱、角柱位置断开, 便于柱钢筋绑扎。
2.2.2 模板
采用定型组合钢模板, 宽度200 mm, 高度1 200 mm, “U”卡连接, 模板与围圈之间采用钩头螺栓连接, 阴、阳角模板为特制定型模板。
3 滑模施工细部问题处理
3.1 梁窝板槽留设及处理
3.1.1 梁窝留设及处理
梁窝分主梁梁窝和次梁梁窝, 主梁梁窝位于框架柱上, 次梁梁窝位于墙壁上。梁窝应做成暗梁窝, 梁端部于墙壁之间浇筑100 mm厚混凝土, 保证墙壁外表面混凝土质量。梁窝侧面及顶面安装钢筋网片, 然后敷上钢丝网, 阻挡混凝土进入梁窝。梁窝出模后要及时清理, 保证梁窝几何尺寸。梁窝上表面应高出梁顶面200 mm, 以便于浇筑混凝土, 待混凝土终凝后利用膨胀混凝土将空隙浇筑密实, 如图2所示。
3.1.2 板槽留设及处理
板槽为暗槽, 其下部应低于楼板下表面20 mm, 上部应高出楼板上表面100 mm, 暗槽端部及顶面留设及处理方法同梁窝。板槽范围内水平钢筋应进行调整, 便于绑扎楼板钢筋。
梁窝板槽留设应征求设计人员意见。
3.2 框架柱钢筋绑扎
壁柱及角柱钢筋先绑扎至一定高度, 与墙壁钢筋错开, 达到均衡施工。塔内独立柱可与墙壁滑模平行施工。
3.3 操作平台水平度控制
支撑杆上安装限位卡, 通过千斤顶调整平台高差控制。限位卡安装高度400 mm, 即两个浇筑层调整一次。
3.4 纠扭措施
采用支撑杆导向法进行纠扭。切断支撑杆, 使支撑杆反向偏位, 然后将千斤顶底座垫实紧固。支撑杆反向偏位不宜过大, 要缓慢进行。
油管沿辅助平台均匀布置, 油路及千斤顶要进行编号。
4 结论
采用柔性平台进行煤矿井塔滑模施工方案可行, 能节省材料和人工, 又能缩短施工工期;模板系统侧向刚度加强后变形小, 井塔墙壁表面平整顺直;梁窝板槽采取措施后, 形状方正, 几何尺寸能够满足施工要求;梁窝板槽空隙采用膨胀混凝土浇筑振实, 能够保证结构质量。
摘要：通过金川集团二矿区主井井塔滑模施工, 对柔性模板、操作平台、液压提升系统设计及细部问题处理等方面进行了总结, 指出煤矿井塔滑模采用柔性平台施工, 可行有效。
柔性平台 篇2
关键词：开放式 柔性教学平台 知识结构平台 网络化教学
一、引言
电气自动化技术是一个综合性很强的学科，是集电工电子技术、电机拖动、计算机技术、自动控制技术、传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术和网络控制技术于一体，是适用性、实践性很强的一门学科。在传统的教学过程中，由于种种原因，每个学生的独立动手操作机会很少，实验教学只能按老师的要求和实验台的功能进行，实验的数量和质量受到极大限制，无法根据社会对人才的需求来培养适销对路的人才。在整个实验教学中缺少一个贯穿于整个自动化控制技术领域中实验、培训、开发的环境，很难实现综合素质较强的电气自动化方面高技能人才的培养目标。
针对于电气自动化专业培养模式的局限性，基于开放式电气自动化控制技术所涉及到的技术层面和社会对电气自动化专业人才规格的要求，建立和完善一个柔性实验教学平台——可反复重构的硬件、软件构成积木式柔性实验教学平台，为学生营造一个开放式电气自动化控制技术实验教学平台。学生可以根据教学要求进行基础性的实验，基本操作技能的训练，专业操作技能的训练与考核，电气自动化系统的开发与设计等。柔性教学平台可根据人才的规格要求和学分制的要求进行不同层次的组合。
二、电气自动化专业人才培养的层次和能力要求
根据技术发展的规律和需求，电气自动化专业人才和其他技术人才一样，人才的培养是根据社会、企业不同的需求而分层次的。由于电气自动化控制技术的复杂性，一般来讲，电气自动化专业人才根据企业需求分两个层次，如图1所示。
图1 电气自动化专业人才规格及知识能力要求
1、“蓝领层”电气自动化专业人才
这一层次的人才要求能够承担电气自动控制模块（PLC、单片机等设备）的简单编程，自动控制设备的安装、维护与调试。要求掌握电气专业知识和一定的机械知识，掌握主要电气控制系统的特点、接口技术、PLC、变频器和单片机等相关知识，具备电气自动控制设备安装、调试和维修的能力。
2、“金领层”电气自动化专业人才
这一层次的人才要求在掌握安装、维修和调试的基础上，能根据需要对具体的电气自动控制系统进行必要的二次开发和改进，使原有系统的功能更加完善。精通PLC、单片机等的编程以及电气自动控制系统的设计，掌握电气自动控制系统联网通讯及联调的方法。具备自行完成电气自动控制系统的设计、材料选型、设备的安装与调试、维修和管理的能力。
三、柔性实验教学平台的建立
在电气自动化专业人才的培养过程中，实验、实训教学起着决定性的作用，学生操作技能的形成离不开实验室的支撑。在一些高校，教师基本上都是以实验室为单位来划分工作职能的。因此，搭建电气自动化技术柔性实验教学平台显得非常重要，本文从硬件和软件两方面来论述如何搭建柔性实验教学平台。
1、电气自动化专业人才知识结构平台
首先根据人才培养规格来设计理论知识结构模块，然后在此基础上来建立实验硬件平台、软件评价平台，具体内容如图2所示。
图2电气自动化专业人才知识结构平台
知识结构平台中各模块的作用：
（1）文化基础知识模块：主要是培养专业技术人才的文化基本素质，是学好专业理论知识和技能形成的基础，也是个人提升层次、转岗、变岗的基础，应保证打好文化基础。
（2）机械基础知识模块：主要是学习机械方面相关的专业基础知识，它包括机械基础、机电工程制图、气压与液压知识、机械加工等方面的知识。
（3）计算机应用知识模块：主要学习计算机基本知识、WINDOWS操作系统、计算机网络、数据库管理系统和WORD文字处理系统的使用。
（4）专业基础知识模块：主要包括电气控制的基础知识、电工基础、模拟电子技术、数字电子技术、电机与变压器知识、传感检测应用技术、单片机应用技术等方面的知识。
（5）电气控制技术模块：主要包括交直流调速技术、工厂供配电技术、PLC应用技术、变频器应用技术、电工EDA技术、自动控制基础等方面知识。
（6）电气设备维护与维修模块：主要包括常用电气设备维修、数控机床维修技术、设备大修工艺的编制等知识。
（7）电气控制系统开发与设计模块：主要包括PLC、变频器控制系统的软硬件设计、单片机系统的开发、人机界面的开发、普通机床的数控化改造等知识。
（8）网络软件技术应用模块：主要介绍局域网的开发应用知识、局域网管理知识、工业控制软件（如组态软件）的应用知识、PLC等控制设备网络通讯（以太网、局域网）等知识。
2、硬件实验平台的搭建
通过对上述人才知识结构的分析，便可构建柔性实验教学硬件结构平台，如图3所示。
实验教学平台中各实训室与实验室的功能及组成：
（1）金工实训室：由台虎钳、普通钻床、普通车床、常用的工量具等组成，学生可以进行钳工技能训练，学会锯、锉、钻、铰、攻丝等技能，学会钻床、车床的基本操作技能，工量具的使用方法等知识。
（2）电工基础实验室：主要由电工实验台、电工基础实验模块、电工仪表等组成，学生可以进行电工技术相关的实验操作。
（3）电子技术实验室：主要由实验台、模拟电路实验箱、数字电路实验箱、示波器、信号发生器等组成，为学生提供模拟电子、数字电子技术的实验、电子制作等实训操作。
图3实验教学硬件结构平台
（4）电机与变压器实验室：主要由实验台、交直流电机实验装置、变压器实验装置、电工仪表等组成，为学生提供交直流电机、变压器等实验。
（5）计算机应用实训室：由若干台计算机和一台投影机组成，为学生提供常用操作系统和基本软件的使用训练、计算机组装训练、计算机程序设计训练、网络维护训练和CAD软件使用训练等。
（6）液压气动实验室：主要由液压传动实验台、气压实验台等组成。为学生提供液压、气压控制技术训练。
（7）电工基本技能实训室：主要由电力拖动实训台、电器控制电路板、电机等组成，为学生提供电气控制线路安装、电子技术安装等训练。
（8）电子EDA模块：由若干台计算机、一台投影机、EDA虚拟电子工作平台系统、印制电路板制作系统组成，为学生提供常用电子EDA软件的使用训练、电子线路的设计、模拟调试及电路板制作等。
（9）电气控制模块：主要由PLC实验室、变频器实验室、单片机实验室、传感器实验室、数控实训室、工业过程控制实验室、故障检修实训室等组成。为学生提供PLC、单片机、变频器、传感器、数控技术等专业技能训练，学习工业过程控制知识，学习组态软件等知识。
（10）MPS实验室：主要由MPS柔性生产线、计算机等组成。为学生提供机电一体化技术综合实习，学生可以学习PLC控制技术传感检测技术、气动控制技术、软件编程技术、接口技术、通讯技术等多种控制技术有机结合的应用技术。
（11）电气技术开发实验室：由计算机和一些电气控制元件、接口板、控制卡、驱动单元、步进和伺服电机、工业软件等组成，主要为教师和水平较高的学生提供开发、设计、改造电气系统的场所，同时可进行一些光机电一体化实验。
四、柔性实验教学软件结构平台搭建
為了保证人才培养方案的顺利实施以及硬件实验平台的正常运转，做到统一协调，有条不紊，柔性实验教学软件平台包括以下内容。如图4所示。
图4柔性实验教学软件平台结构图
软件结构平台中各种软件的功能：
（1）电气教学管理软件：负责理论与实践教学计划的管理，监督整个柔性实验教学平台的运转情况，检查一体化教学执行的情况。每个实验室的工作计划在学期开始之前就输入到管理系统中。
（2）专业应用软件：根据电气技术人才规格培养的要求，应配套相关的正版专业软件，如AutoCAD、EWB、Protel 99SE、组态软件等。
（3）仿真系统软件：根据教学需要配套相关的电气控制技术中仿真系统软件，利用计算机仿真技术以及多媒体技术，通过软件的仿真调试与操作，使学生可以对PLC、单片机等进行仿真调试，从而减少设计周期。
（4）学生考核评价软件：本软件主要负责学生考核成绩的管理。根据不同层次人才规格及学分制的要求，给学生建立个人档案，建立一种新型的培养质量评价方法，尽量采取计算机统一考试、统一评分，现场测试、操作、现场打分的考试办法，着重考核学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。
（5）网络管理软件：负责管理局域网的正常运行。
五、结束语
柔性实验教学平台的设计与实现 篇3
1系统需求分析
实验教学平台要为学生提供一个自主、交互、协作的空间, 也为实验教学提供了丰富的软硬件资源,实现实验教学方式的多元化,使得实验教学为高校教学做出更好的服务[1]。本实验教学平台突出“柔性化”设计,用户可以根据自己的需要形成有自己特色的学习或教学方案。
1.1功能需求
本实验教学平台的核心功能主要包括以下几个模块:
1)创建培养方案库,研究所所长根据教学计划和学期特点,调整每学期所开始的课程。
2)创建实验项目库,教师根据自己课程的要求和自己的授课特点,选择合适的实验项目,生成实验大纲。
3)创建开放实验项目库,实现开放实验的实验预约制,使学生自主设计开放实验的实验项目和实验指导书,不断丰富实验项目库。
4)学生除了完成必修的实验课程外,还可以根据兴趣选择开放实验,形成有自己特色的实验培养方案。
1.2性能需求
实验教学平台涉及全院所有的教师和学生,并发用户较多,安全性要求很严格,对应用程序性能的要求比较高。具体要求如下:
1)系统在校园网上运行,对全院师生提供实验教学和学习的服务,在使用过程中会产生访问量和信息量较大的情况。为保证给用户提供方便有效的服务,整个系统采用.NET框架设计,提高系统的响应速度。由于平均在线师生比较多,所以要求应用程序对内存有足够的优化,不允许出现程序系统死机或响应迟缓。搜索时间最大不超过5妙,平均时间在1~3秒内。
2)数据库容量:正常教学和学习活动所需业务数据不低于80G。
3)系统用户容量:教师容量静态在250以上,动态在150以上。
4)运行时间要求:该实验教学平台的持续运行时间不低于7*24小时。
5)并发用户在500以上。
6)为了保证数据处理速度,提供了历史数据备份处理功能,这样可以减轻数据处理量,提高响应速度
2系统设计
2.1体系结构设计
实验教学平台采用MVC架构,如图1所示:将系统的业务应用分为表现层、业务逻辑层和数据访问层,将业务应用按照Model、View、Controller的方式分离。这样使得系统具有易用、 以维护、可扩展等优点[2]。
根据MVC架构图可知,实验教学平台是由数据库服务器、 Web服务器及用户终端浏览器组成,它们之间通过IInntteerrnneett等网络设备连接。用户通过浏览器向业务逻辑层提出信息请求,Web Server根据请求类型决定是否需要访问数据层,若需要,则对数据访问层发出请求;数据访问层将处理后的数据请求返回给Web Server,然后有Web Server将结果返回给浏览器。MVC架构可以将数据同终端用户分离开来,满足了系统对数据安全性的要求。而且将业务逻辑层单独提取出来,有利于系统的扩展和维护[3]。
2.2功能模块设计
为满足实验教学的需要,本实验教学平台包括了实验教学所需的各个模块,功能模块图如下:
其中的实验体系模块和实验预约管理模块集中体现了“柔性化”的思想。下面将对这两个模块做进一步的描述。
为了实现实验体系的柔性和动态组合,我们将GBOM的思想引入实验体系的构建中。如图3所示,系统将所有的实验项目按照知识点单独保存,实验项目和课程没有直接的关联。任课老师可以根据自己的授课特点和课程的知识点从实验项目库中选择合适的实验项目,形成自己的实验大纲。这样,即使同一门课在同一个学期中也可能会存在多个版本的实验大纲。研究所所长根据培养方案选择本学期的课程,最终形成本专业的课程体系和实验体系,所有专业的实验体系构成了整个的实验体系。由于,研究所所长可以根据培养方案灵活地选择课程,任课教师可以根据自己的授课特点动态的组合实验项目,所以最终形成的实验体系也是动态的,整个系统体现出了柔性化设计。
上述过程的整个数据流图可以如图4所示:信息员在系统中录入学院所有的实验课程以及每门课的任课候选教师。任课教师可以添加实验项目,学生自己设计的实验项目经审核后也可以进入实验项目库。每学期初,研究所所长选择本学期本专业的课程以及上课教师。任课教师从实验项目表中选择合适实验项目组成自己的实验大纲,形成一个新版本的实验大纲,供本学期实验教学使用。最终,所有教师的实验大纲组合成本学期的实验体系。
实验预约模块:实验室主要对开放实验进行实验预约。实验室将开放的实验资源和实验室的时间占用情况在系统前台网站发布,学生根据实验室提供的实验资源和自己的兴趣设计实验项目并在实验教学平台上预约实验时间。实验管理老师对学生提交的实验项目和实验指导书进行审核,如果审核通过,则将实验项目添加到实验项目库,供以后实验教学使用。 如果学生预约时间和实验室的时间没有冲突,则预约成功,实验室根据实验需要安排实验老师进行指导。实验预约的时序图如图5所示。
3数据库设计
3.1数据库设计原则
数据库设计是指对于一个给定的应用环境,构造最优的数据库模式,建立数据库及其应用系统,使之能够有效地存储数据,满足各种用户的应用需求(信息要求和处理要求)。
在软件系统开发中,数据库设计应遵循必要的数据库范式理论,以减少冗余、保证数据的完整性与正确性[4]。只有在合适的数据库产品上设计出合理的数据库模型,才能降低整个系统的编程和维护难度,提高系统的实际运行效率。
在本系统数据库设计中,遵循以下原则:
1)遵守三个规范式的设计要求,以达到数据库表设计的合理化。
2)在适当考虑编程的方便性同时,尽量使数据库结构更加规范并减少冗余。
3)为了保证数据的一致性和完整性,要为数据库表设计相应的关键字、识别和缺省等信息。
4)为使用户录入规范、方便,所有标准化的内容都写入数据库,方便程序提取数据在客户端以列表形式显示,以供用户选择。
5)并发控制。设计中应进行并发控制,即对于同一个库表,在同一时间只有一个人有控制权,其他人只能进行查询。
6)必要的讨论。数据库设计完成后,数据小组应与相关人员进行讨论,通过讨论来熟悉数据库,从而对设计中存在的问题进行控制或从中获取数据库设计的必要信息。
7)头文件处理。每次数据修改后,数据小组要对相应的头文件进行修改(可由管理软件自动完成),并通知相关的开发人员,以便进行相应的程序修改。
3.2数据库的表结构
根据以上原则对数据库进行了设计,下面列举几个关键表的表结构:
3.3存储过程设计
存储过程是Transact—SQL语句的集合,可以用于降低网络流量,存储过程代码直接存储于数据库中,所以不会产生大量Transact—SQL语句的代码流量;而且它的可维护性高,更新存储过程通常比更改、测试以及重新部署程序集需要较少的时间和精力[5]。因此,使用存储过程不仅可以极大地降低应用程序的实现难度,而且还可以极大地提高系统的运行速度、效率。存储过程的设计一定要符合逻辑业务规则和要求,根据实际,对一些常规、频繁使用的查询、插入数据操作使用存储过程来完成。
本实验教学平台采用了许多存储过程,但由于篇幅所限, 仅列出一个学生添加实验报告的存储过程为例。
4模块实现
本文以教师选择实验项目组合成自己的实验大纲为例,阐述该模块的实现。
教师登录系统后,可看到本学期所带的实验课程,界面如图6所示:
点击【实验项目设置】,可以打开该课程所有的实验项目列表页,选中实验项目后点击【更新】按钮,即可完成实验大纲的制定。界面如图7所示:
页面关键代码如下:
5结束语
本文设计的柔性实验教学平台是对传统教学平台的进行改革的一次尝试,使全体学生和教师一起参与设计实验项目, 教师可以根据自己的授课特点设计自己的实验大纲、学生可以根据兴趣和学科要求形成自己的实验培养方案,大大提高了学生的学习热情,提升了实验教学的教学质量。但由于本实验教学平台还处于摸索中,有些功能还不完善,这都有待以后做进一步的研究。
摘要：实验教学平台建设发挥着越来越重要的作用,该文对实验教学平台进行了需求分析、系统设计、数据库设计和模块的实现,构建了一个柔性实验教学平台,使全体教师和学生共同参与实验项目的设计和建设,实现了教师动态组合实验大纲、学生动态制定实验培养方案。
智能分布式电动车辆柔性化系统平台 篇4
为更好地解决汽车节能与安全问题，电动汽车和智能汽车的交叉与集成研究受到了重视[1,2]。李克强等[3]提出了智能环境友好型车辆（intelligent environment-friendly vehicle,i-EFV）的概念并做了大量研究工作。随着电动汽车技术的发展和智能技术的进步，分布式电驱动、自动驾驶、车-车（路）通信等技术愈发受到重视，搭建一个纯电动智能平台来开展电机驱动车辆主动安全控制、智能技术以及车联网技术的研究是十分必要的。
由于实验平台需求的特殊性及复杂性，在现有汽车上改造的难度与工作量较大，因此很多大学和研究机构选用桁架结构作为车辆主体。Nagai等[4]应用丰田开发的后轮轮毂电机驱动电动汽车NOVLE，研究驱动力分配，提高了车辆操控性与稳定性，并在车辆前部安装激光雷达等传感器，实现主动避障等功能。Sumiya等[5]开发了四轮独立电驱动平台车FPEV2-Kanon，来研究节能驾驶、车辆状态估计、稳定性控制。Gerdes等[6]搭建P1、X1平台来研究线控转向、极限工况操稳性、自动驾驶。日本NTN公司基于桁架结构开发实验平台车来验证轮毂电机驱动系统。国内，同济大学开发了“春晖”系列微型电动车，进行了路面附着系数与四轮独立驱动电动车车辆状态估计的研究[7]。中国科学院深圳研究院开发了四轮轮毂电机驱动车辆，研究了基于四轮驱动力矩分配的节能控制方法[8]。基于桁架结构的实验平台空间开放，便于安装设备和实验操作。另外，桁架平台车设计难度适中，且不依赖复杂的加工设备，成本较低，其开发逐渐成为一种趋势。
上述平台在满足动力学实验、智能汽车功能验证方面做了大量工作，但在设计之初对柔性、可扩展和可升级性能考虑不足。结合分布式驱动、分布式液压制动、车-车（路）通信等功能的平台尚不存在，即集成清洁能源动力、信息交互与电控化底盘的新型结构还不存在。因此将智能控制技术和电驱动技术结合在一起进行系统集成化创新的研究还有待深入。
本文致力于搭建一个开放式、可扩展、可升级、柔性化的分布式电驱动智能平台，综合考虑i-EFV清洁能源动力、电控化底盘和智能信息交互集成的特性，使机械参数的改变和电气设备的接入都变得更容易，从而有助于验证新功能，不断提升车辆性能。为此，首先对可扩展柔性试验平台进行需求分析，基于现有i-EFV架构的四轮独立电驱动车辆开放式总体结构和车载总线技术，提出了柔性可扩展电气方案。在此基础上，开展模块的研制工作，包括分布式驱动、分布式液压制动、电控转向、智能传感器、车-车（路）通信等各子系统的设计和试制。最终，搭建了四轮独立电驱动智能车辆系统平台，并进行了面向信息融合与控制协同技术的轨迹跟踪、制动/驱动协调、车-车通信等功能的仿真与实验。
1 面向研究的可扩展柔性平台设计
柔性包含两层意思，即机械系统柔性和电气系统柔性。柔性平台的搭建使得机械参数的改变和电气设备的接入都变得更容易，从而有助于设计的快速实现和验证。智能分布式电动平台作为柔性系统平台，应能易于进行结构调整和设备扩展，完成智能安全控制相关实验，为实现上述要求，设计车辆的总体布置方案与电气系统方案。
1.1 总体方案与布置
柔性平台车在主体结构上，采用桁架结构车身（整车空间开放，便于安装设备、布线及连接操作）；在机械结构上，采用模块化设计（方便部件替换与升级）。为此设计图1所示的柔性底盘机械系统。
上述设计在结构与功能上至少（但不限于）支持以下功能扩展与升级：
(1）机械转向与线控转向的切换。结构设计上，为实现机械转向与线控转向系统的切换，转向盘与转向拉杆之间的机械连接部分设计成方便拆卸的同步带传动结构（图1a）。电气系统设计上，将转角与转矩传感器、转向电机控制器挂载在CAN总线上，修改系统控制软件即可实现扩展。
(2）被动悬架升级为主动悬架。常规车辆，从被动悬架升级为主动悬架，改造工作量是极大的。但对于柔性平台，在设计之初就已经为悬架改造预留了空间，在机械接口一致的情况下，只需要将减震弹簧与阻尼器替换掉，接入主动式空气或液压弹簧即可实现升级（图1b）。
(3）前轮转向升级为四轮转向。为将前轮转向升级为四轮转向，前后轮模块的设计应保持一致，即选用相同的悬架、羊角。为使底盘容易模块化并且紧凑，采用双横臂独立悬架设计，轮毂电机通过羊角连接在悬架上（图1c）。这样只需在两后轮间添加相同的转向拉杆即可构成四轮转向系统（图1d）。模块化设计在实现结构共用的同时，方便功能扩展。
此外，柔性平台作为动力学实验平台，尤其是四轮独立电驱动实验平台，至少应具备四轮驱动转矩独立控制、转向主动控制、四轮制动力独立控制等功能。由于存在高速转弯、侧滑等试验工况，所以质量中心应尽量贴近地面，防止车辆侧翻。此外，柔性平台对车速、加速度、制动距离、安全性等有一定要求，因此设计车辆的基本参数与性能指标如下：最高车速70km/h,0～40km/h加速时间小于12s,50km/h制动距离小于20m。
1.2 电气系统方案
电气上，对应柔性平台的要求，设计电气系统连接结构（图2），设备采用总线连接，以便于信息共享与融合。图2中的…为扩展点，设备接入时，只需连接2根电源线、2根通信线即可完成。
电气系统采用独立模块化设计，包括整车控制器、传感器局域网和执行器局域网。传感器局域网包括智能摄像头、智能雷达等部件；执行器局域网主要包括轮毂电机控制器和轮毂电机、制动控制器和电磁阀、转向控制器和转向电机等部件。
为了保证电源电压对不同电器的兼容性，提供5V、12V、48V等的电压。为了避免总线负载过高的情况发生，将整车划分为传感器局域网、执行器局域网及其与控制器构成的总线网。传感设备挂载在总线上，传感器局域网负责内部设备信息的采集、处理，在信息来源上保证信息融合的便捷性，并将结果打包通过网关发送给控制器。执行器局域网接受控制器的信号，将信号解析为可执行命令发送给各执行器。子网之间通过CAN总线进行通信，实现信息共享。整车控制器包括上位机和下位机两部分，上位机将Simulink编写的控制算法程序进行编译，生成可执行文件并下载到下位机。下位机采用dSPACE公司的Micro-Autobox实时控制系统。实验时，先将程序由上位机编译下载到下位机，然后整车控制器根据期望目标、车辆及环境状态对电动车转向电机、轮毂电机及制动电磁阀进行控制。
2 平台子系统设计
为实现上述方案，进行子系统选型与设计。本文主要讨论分布式驱动系统、分布式液压制动系统、电控转向系统、环境感知系统和基于车联网技术的信息交互系统。
2.1 分布式驱动系统
永磁无刷电机具有功率密度高、效率高、体积小、输出转矩大、可控性好等一系列优点。从驱动方式上看，永磁无刷电机可分为永磁同步电机（PMSM）和永磁无刷直流电机（BLDC）。PMSM由正弦波驱动，需要连续位置反馈实现控制。BLDC由方波驱动，需要离散位置反馈实现控制，控制更为简单。选用4个额定功率为2kW、额定转矩为30N·m、峰值转矩为100N·m的BLDC轮毂电机作为驱动电机。通过经验公式，推算电机转矩，实现转矩闭环控制。
电机扭矩与输入电压的关系为[9]
式中，Tm为电机扭矩；Kt为电机常数；Rm为电机电阻；Lm为电机电感；Um为输入电压。
测量电机的输入电压，采用电压反馈即可精确控制动/驱动转矩。
2.2 分布式液压制动系统
分布式制动系统一般由电子机械制动（EMB）实现。限于技术水平，目前EMB尚未成熟，本平台采用4个车载液压控制单元（electrohydraulic brakes,EHB）模拟分布式制动系统，参考文献[10]中的制动力控制方法，对图3所示的系统建模并简化，以实现对液压制动力的主动控制。
2.3 电控转向系统
在平台车上实现图1a所示的结构与系统连接。控制系统开发时，为了达到快速开发的目的，需要在Simulink环境下搭建相应的模型。待软件功能仿真验证后，下载到Micro-Autobox系统来执行控制。
转向盘转角闭环控制的原理是，输入模块负责采集转向盘转角传感器信号，控制模块负责根据采集的转角信号计算得到电机控制脉宽调制信号，输出模块使能脉宽调制（pulse width modulation,PWM）端口，输出相应占空比的PWM方波来驱动电机[11]。
2.4 环境感知系统
环境感知系统由（但不限于）雷达、超声波距离传感器、智能摄像头、全球定位系统（global positioning system,GPS）构成。
各系统挂载在总线上，雷达、超声波传感器将距离信息发送至总控制器，智能摄像头将车道线、车辆与行人识别结果发送至总控制器，车辆位置从GPS获取。
2.5 信息交互系统
信息交互系统是实现车联网的基础系统，包括车-车网、车-路网甚至车辆与手机的联网。专用短程通信（dedicated short range communications,DSRC）系统是实现车-车（路）通信的手段之一。DSRC发送和接收本车与旁车、本车与道路的交互信息，其联网系统如图4所示。搭建的短程通信系统总体硬件包括车载通信单元（OBU）、GPS模块、路侧通信单元（RSU）以及显示与处理设备，使用DSRC达到整个系统互通的目的[12]。
3 功能与性能测试
搭建完成的平台车如图5所示，通过仿真与实验来验证平台车功能。
3.1 基本性能测试
对车辆进行基本性能测试，得到如下结果：最高车速为70km/h,0～40km/h加速时间为10s，最小转向半径为6m，最大爬坡度为10%，续驶里程为50km。
3.2 轨迹跟踪测试
激活GPS、驱动自动控制系统、制动自动控制系统、电控转向系统，就可以将车辆配置成一个最简单的自动驾驶车辆。
在开阔的场地，设计弧形轨迹，验证基于GPS的车辆轨迹跟踪系统功能。系统首先获取车辆位置，通过计算当前位置与期望轨迹的偏差，计算出车辆下一时刻的行进方向，从而控制转向、驱动与制动系统，实现轨迹跟踪，结果如图6所示。从图6可以看出，整体跟踪效果良好，但由于GPS信号有跳动，轨迹会有一定的偏差和抖动。
3.3 制动/驱动协调控制
四轮独立电驱动汽车具备四轮驱动力和制动力独立控制的特点，可以实现常规车辆无法实现的控制，进一步提升车辆稳定性。
转向过程车辆失稳时，需要对制动/驱动进行协调控制，此时激活四轮独立驱动系统、分布式制动系统、自车姿态传感系统就可以实现先进的稳定性控制系统。
图7对应转向盘转角正弦输入工况仿真结果，即转向盘转角连续在-90°～90°之间以正弦规律变化。
通过横摆角速度响应（图7a）可以看出，进行制动/驱动控制时，横摆响应更加精确和快速，能较好地跟随驾驶员输入；不进行控制时，角速度有20%左右的偏差，且有明显滞后。质心侧偏角（图7b）在有控制时更小。
3.4 车车通信
城市环境中，驾驶员视线经常被交叉路口盲点遮挡，因此在交叉路口引入基于DSRC的安全警示系统非常必要。激活DSRC系统、开放整车总线信息，就可以实现一个基本的车-车（路）通信系统。
设计实验，测试交叉路口DSRC数据通信质量，交叉路口为图8中圆点区域，车辆与基站处于路口两侧，但互相不在可视范围之内。实验取设备与交叉口的距离分别为5m、10m、15m[12]。
通过设备监测信号丢包率与强度，并统计结果，如表1所示。从表中数据可以看出，搭建的信息交互系统具有信号传输延迟低、丢包率低的特性，能够达到车-车（路）信息交互与车辆控制的要求。
4 结论
(1)搭建的开放式、可扩展、柔性化纯电动平台体现了i-EFV所应具备的清洁能源动力、信息交互与电控化底盘配置。(2)柔性平台的搭建使得机械参数的改变和电气设备的接入都变得更容易，有助于验证新功能，不断提升性能。(3)具备分布驱动、分布液压制动、智能传感器等新型结构的系统平台，能够方便地配置成各种系统形态，进行智能车、底盘集成控制、车-车（路）通信相关实验。
摘要：为解决现有实验平台车可扩展和可升级性能不强、对智能技术与电动汽车技术集成程度不高的问题,提出了一种可扩展、柔性化电动汽车系统平台建立方法。该柔性化平台具有开放式结构、模块化部件,容易实现功能的扩展和部件的升级,使得机械参数的改变和电气设备的接入都变得更容易,有助于快速实现和验证设计。仿真和实验表明,具备新型结构的电动车平台满足基本性能要求,能够方便地配置成各种系统形态,并进行相关实验。
关键词：纯电动汽车,智能环境友好型车辆,分布式驱动电动汽车,柔性化平台设计
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柔性平台 篇5
大型飞机机体结构最显著的特点是尺寸大、高可靠性、长寿命, 在制造技术上要求实现轻重量、全寿命周期低成本、快速研制和生产等。飞机装配是飞机制造中的重要环节, 工作量和成本约占整个飞机制造的40%~50%, 民机批产、“四性” (安全性、经济性、舒适性和环保性) 和“适航认证”对装配质量、柔性和效率提出很高要求[4~5], 必须采用数字化柔性装配技术得以保证。飞机数字化柔性装配技术涉及数字化装配设计技术、柔性装配工装、自动化装配系统、自动制孔、自动钻铆、无型架装配、数字化装配检测与试验、先进装配方法、长寿命连接、先进装配管理技术等方面。
现代飞机的安全使用寿命要求日益提高, 军机寿命、干线飞机寿命分别要求达到8000、50000飞行小时以上, 而飞机结构所承载荷通过连接部位传递, 形成连接处应力集中。据统计, 而飞机机体疲劳失效事故的70%是源于结构连接部位, 其中80%的疲劳裂纹产生于连接孔处, 因此连接质量极大地影响着飞机的寿命, 而手工铆接由于受工人熟练程度和体力等因素的限制, 难以保证稳定的高质量连接[6~10]。
我国飞机装配目前还主要依赖于手工装配, 而手工铆接由于受工人熟练程度和体力等因素的限制, 难以保证稳定的高质量连接, 大量采用成套的专用装配型架, 成本高, 装配效率低, 装配已经成为我国飞机研制生产的瓶颈之一。其次, 飞机制造及装配过程中, 钻孔、铰孔、锪窝等占用了大量的流程时间, 先进机器人等自动化技术的引进将提高制孔的效率、改善制孔的精度、降低制孔的成本、提高制孔参数选择的灵活性等, 因而在大批量生产中提高生产效率, 采用自动钻铆系统是必然的要求。自动钻铆技术是新一代飞机研制的关键技术, 对于提高我国的飞机制造水平, 增强国防能力具有深远的意义。
基于精益系统和精益制造的理念, 机器人系统已在汽车制造业及家电制造业得到广泛应用, 近几年在航空制造业中也逐渐看到机器人的“身影”。国内外各大机器人厂商也将航空制造业作为工业机器人应用的又一主要领域, 机器人技术已在飞机大型零部件的自动钻铆、激光焊接、表面材料涂覆、复合材料加工、自动化装配中得到初步应用[11~14], 并已开始显现效益。
飞机制造与装配过程中, 实现制孔自动化的同时又降低成本是极其重要的。因此, 低成本、柔性且满足高质量制孔要求的自动化航空制孔系统, 与配有大量刀具的复杂结构自动钻铆系统相比极具竞争优势, 具有确切的市场需求与应用前景。
如何使得学生能够深入理解飞机柔性装配过程中采用自动钻铆与机器人技术相结合的设计方法和具体操作, 有效掌握自动制孔的关键参数和控制流程, 是飞机柔性装配实验教学中的一个新问题。鉴于此, 本文设计了一套基于柔性轨道的航空制孔实验系统, 并成功应用到教学科研实践中。
1 航空制孔实验平台实验环境结构设计
1.1 总体结构设计
航空制孔实验平台如图1所示, 主要包括工装托架、柔性吸盘、末端执行器、激光检测模块、压紧与废屑回收装置、X轴、Y轴等部分组成。
末端执行器沿着X、Y方向导轨进行平面移动到达带加工区域, Z轴实现竖直方向的移动, Z轴电机通过同步带带动2个丝杠旋转, 进而推动主轴上下移动, 下压气缸带动下压头作上下运动压紧蒙皮, 最后主轴电机带动主轴以最高6000转/分钟的转速旋转实现高精度钻销。
1.2 X、Y、Z轴及柔性轨道吸盘结构设计
X轴采用齿轮齿条传动, 齿轮采用7级磨制齿轮;定制8级磨制齿轮。Y轴导向采用导向槽轮结构, 内侧固定, 外侧采用偏心轮结构压紧。采用安装防松螺母涂螺纹密封胶等方式防止松脱。2对导向轮间距350 mm, 可以布置4个真空吸盘。Z轴采用滚珠丝杠配直线滑轨结构, 和齿轮齿条配直线滑轨, 滚珠丝杠采用C7级。
对于航空制孔实验平台, 完成可靠的吸附和平稳的移动功能是其最基本、最主要的功能要求。真空吸盘采用60~140/60~180的吸盘, 在1 MPa压力下可以实现40公斤的吸附力。该实验平台的120个吸盘可以实现4800公斤吸附力。局部每320 mm布置8个吸盘单向向外延伸2个吸盘, 共有16个真空吸盘在一次钻孔中起作用, 可实现640公斤的吸附力, XZ轴总重预计小于50公斤, 剩余590公斤的吸附力用于抵消钻孔进给的切削力。
1.3 末端执行器结构和功能设计
末端执行器共分为4部分:框架及Z轴模块、视觉检测模块、钻孔模块、压紧吸屑模块。如图2所示。
1.3.1 框架及Z轴模块
由滚珠丝杠、两根直线滑轨、框架三部分组成, 由400 W伺服电机提供动力, 可产生1000 N的钻销力。采用高刚性框架和直线滑轨, 以保证钻孔动作的准确性和稳定性。
1.3.2 钻孔模块
采用进口钻卡头磨制主轴, 高精度轴承, 以保证优质的钻孔质量和表面光洁度。采用750 W伺服电机提供3000 r/min转速和2 Nm的扭矩。
1.3.3 在线检测模块
由CCD摄像头相机、光源和安装架组成, 整体安装在钻头相同的平面上, 以方便计算孔距。为保证视觉效果最佳, 将吸屑部分和Z轴传动部分后移, 保证前面没有遮挡物。
在线检测模块通过三个激光测距传感器, 实现钻头周围三点与加工表面的精确测距, 进而通过算法实现法向检测的垂直度偏差值计算。
1.3.4 压紧吸屑模块
由气缸、连接杆、压紧主体、吸屑连接器等部分组成, 气缸输出1000 N (气压0.4 MP时) 的向下压紧力, 此压紧力可压紧3层蒙皮, 并还可根据需求增加。压紧模块的最下面用特殊材质制作, 确保不会在蒙皮上压出印迹;吸屑通道开在压紧接触面上方, 可吸出长达4 cm的钻屑。
压力脚采用定长压紧, 两侧气缸同步压紧, 距离可调节, 调节一次完成后锁定。主要针对钻孔处不同的板厚、下面有无附着加强筋、不同时间段气压变化等不同情况的压变形进行设计, 即下压气缸行程会有所不同, 差别达到0.5 mm以上就会造成钻窝孔深度变化, 进而形成应力集中, 故控制该部分变形量相等是设计该机构的目的。
综上, 可确定同时工作吸盘数量16个, 每排8个, 可满足下半圆垂直吸附钻孔使用。真空系统采用每个吸盘一套真空系统的方式设计, 如果实际使用中某个吸盘吸附范围内有裂纹或者孔, 这个吸盘不发挥作用也不影响其他吸盘的正常工作。
真空吸屑装置, 采用大流量真空发生器作为真空源, 设计过滤器过滤金属屑。整体集成到末端执行器中, 其中将压紧部件与钻孔模块钻夹头之间的间隙减到最小以增加吸力。
2 航空制孔实验平台控制体系结构设计
借鉴国内外先进的航空制造平台控制系统体系结构, 本文提出了分层多智能体的控制体系结构, 包含三层结构:用户规划与控制层、下位机控制层、检测与执行控制层。用户规划与控制层包含用户人机接口、制孔参数设置、控制系统启/停、运行状态健康等智能体;下位机控制层由检测与反馈调整控制分系统、末端执行器PMAC控制分系统两部分组成, 包含视觉定位、法向调整、误差补偿等智能体;检测与执行控制层包含视觉检测与定位、激光传感器法线测量、压力脚压紧、丝杠进给控制、限位阀检测、真空吸盘控制、主轴运动控制等智能体。各个智能体模块之间互相独立, 由实时通讯接口将各部分有机融合在一起, 通过对任务模块的划分和优化, 使得系统具有可灵活配置、模块化、通用性、开放性和可移植性的特点, 且能保持系统实现所需要的操作和任务流调控。
3 航空制孔平台实验流程
柔性导轨自动制孔设备主要由带有真空吸盘柔性导轨、带有主轴箱的移动小车等部分组成。工作时, 由柔性导轨安装器进行安装, 通过真空吸盘将导轨固定在机身或机翼表面。移动小车可以沿导轨进行X向和垂直于导轨的Y向运动。通过X、Y向移动, 定位制孔位置;为了保证钻孔垂直度的压紧和测量装置等。制孔组件在垂直工件表面的方向上进给, 实现制孔加工[15]。
参数设置功能包括设置各轴运动参数和行程限制、加工坐标系设置、压紧力设置等;回零功能将各运动轴进行回零操作, 并回到设备坐标系零位;手动控制功能实现设备各个运动轴的点动控制、压紧、法向垂直、照相测量等功能, 并允许用户输入控制指令, 执行单一指令;自动控制功能读入指令文件, 按顺序逐条执行指令文件中的控制指令, 指令文件分为照相测量指令文件和孔位加工指令文件。执行照相测量指令文件时, 系统移动到指定的工艺孔位, 执行照相测量功能, 并反馈孔位偏差。执行孔位加工程序时, 系统移动到指定的孔位, 按点啄式钻孔指令执行钻孔循环[16~17]。
航空制孔实验平台控制系统由一台工控机、一台多轴控制管理器、多台智能数字伺服驱动器、多台交流伺服电机组成, 外围连接有各种辅助设备和输入输出开关等。
其中, 多轴管理器和数字伺服驱动器都提供专用用户编程开发环境, 同时也提供C++动态连接库, 允许用户用工控机进行编程, 实现对设备的控制。外围辅助设备 (如:压紧气缸、真空吸盘等) 采用MODBUS接口进行控制, 照相测量设备直接通过TCP/IP方式进行数据的传送。
为了使用户方便使用, 控制设备正常运行, 开发了运行在工控机上交互式的设备控制软件, 通过TCP/IP方式实现对多轴管理器、驱动器以及其他辅助设备的控制。
4 实验测试
将4 mm厚的合金板放置在直径4 m的航空制孔实验平台的弧形托架上进行固定, 以模拟飞机机身的加工表面。将柔性轨道通过真空吸盘, 吸附在该弧形加工面上, 并启动真空气源进行吸附。
通过真空吸盘将导轨固定在机身表面, 移动小车沿导轨进行X向和垂直于导轨的Y向运动。通过X、Y向移动, 到达钻孔位置。为了保证钻孔垂直度, 主轴箱调整钻头与加工表面的法向垂直;然后通过下压头对加工表面按照预先设定的压紧力进行下压。
下压头对加工表面进行压紧后, 主轴电机启动, 按照加工工艺参数设定的转速进行旋转, 同时Z轴电机启动带动丝杠进给, 直至钻头到达加工表面。
钻头达到加工表面后, Z轴按照钻孔进给参数输出进给力, 同时主轴按照钻孔的转速要求进行钻孔, 废屑回收装置启动, 对加工过程中产生的铝屑进行及时回收。当Z轴完成进给, 同时钻孔钻透铝合金蒙皮后, 根据Z轴进给量和力传感器返回值进行判断, 已完成钻孔的进给。
钻孔完成后, Z轴反向进给, 进而抬起钻头, 返回到初始位置, 并使用视觉系统对所加工孔进行定位识别和检测。
实际加工效果, 第一次采用1000转/分钟的转速进行实验, 由于铝合金材料的硬度较低等特点, 采用低转速造成毛刺较多, 孔的光洁度较低;然后在进给速度不变的情况下, 将主轴转速提到2800转/分钟, 孔的光洁度明显提高, 达到了3.2。从而初步实现了柔性轨道制孔机器人系统的钻孔加工。
5 结语
柔性平台 篇6
关键词：挖掘机,柔性夹具,定位钢圈,加强筋
0 前言
各类挖掘机的回转主体平台结构,又称上车架,属于大型焊接结构件,不同规格的上车架形状不同且不规则,加工内容多,加工精度要求高,该部件生产品质的稳定性和加工效率直接决定了整车装配的生产效率和稳定性。通常对于不同规格的主回转平台结构的加工,需要设计和制造不同的夹具。在制造成本中,夹具的设计和制造成本占到了10%～20%,为了降低总的制造系统的成本,夹具应当能尽量设计成适应于尽可能多的加工工件[1]。传统的夹具设计是针对一种特定的零件或者一种特定的装夹,当制造工艺发生变化或者零件被修改后,不得不对其重新设计和制造。要做到真正的柔性制造,其所有的部分都应该是柔性的,包括其夹具[2]。柔性夹具是指用同一夹具系统,完成形状尺寸变化的多种工件装夹的装备[3]。Bijan Shirinzadeh[4]对不同类型柔性夹具,包括模块化程序控制式夹具,可调整夹具,成组夹具级组合夹具,自适应夹具等给出了其设计方法和原理。对于挖掘机回转主体平台结构的加工,一般采用龙门式加工中心进行加工或者数控卧式镗铣床进行加工,在加工40t以上大型挖掘机时,由于受到工作台承受重量和主轴箱行程范围的影响,不适合采用后者的加工方法[5]。采用龙门动梁式数控五轴加工中心,如荷兰Unisign厂家生产的Uniport7[6],可以实现被加工工件在完成一次装卡后,除安装面以外其他所有五个面的加工。
考虑到上车架的左右上下面都需要进行机械加工,为保证其加工精度,提高生产效率,并能适应批量生产,必须要选择一次粗基准后完成全部加工内容;同时为了满足不同规格的上车架加工,需要考虑夹具的柔性。通过在夹具中采用液压缸驱动翻转板实现工件的垂直翻转,同时在翻转板结构中设计一种可替换的不同宽度的定位钢圈,在钢圈上灵活配置相应的定位和卡紧元件,可以满足对于多种规格的上车架的机械加工要求。另外,考虑到上车架质量很大,对于翻转夹具的翻转板进行了加筋处理,以满足翻转夹具自身的强度和刚度要求,从而避免在翻转过程中由于工装发生变形产生装配应力导致工件定位偏移甚至可能出现局部塑性变形的情况。本文中所包含的全部几何模型和计算模型及其结果均通过CERO软件及其Mechanica模块完成。
1 翻转夹具的总体构成
翻转夹具整体长6m,宽3.5m,高约3.4m,由底架、垂直靠架和翻转板组件构成,如图1所示。其中底架和垂直靠架均为焊接组合结构件。为了保证车架的加工精度,在装配时,要求底架下平面的平面度误差小于1mm,翻转板上表面平面度误差小于0.2mm。上表面与底座下表面基准的平行度误差小于0.2mm。
1—垂直靠架; 2—翻转板组件; 3—平台横向矫正座; 4—底架组件; 5—定位钢圈;6—转臂油缸; 7—纵向定位块
2 翻转机构
2.1 翻转机构的构成
加工挖掘机上车架有两个工作位置,平行于底座的位置和垂直于底座的位置。如图2所示,通过布置在底座两侧的液压油缸推动固连在翻转板组件上的翻转支架,实现垂直翻转。翻转板处于水平位置时,翻转板组件及其上面的工件的重力对转轴的力臂最长。考虑加工大型机的上车架,在翻转一开始处于水平位置的工况,对转轴建立力矩平衡方程,可算出液压缸的最大工作推力,从而确定液压缸的内径。从垂直工位过渡到水平工位初期,工件的重力会对转轴产生一个较大的阻力矩,因此,宜采用兼具液压推力和拉力的双作用式液压缸[7]。
1—翻转支架;2—油缸; 3—翻转板组件;4—底架组件;5—转轴
2.2 转轴的分析计算
在翻转过程中,图2中的转轴将承受很大的剪切力,因此必须校核其强度。考虑1.2m3大型机回转主体结构的自重及翻转板组件的自重形成的荷载,初选转轴的直径为80mm,通过有限元分析,按第四强度理论得到轴的最大相当应力为126MPa,其危险点位于转轴和支架的交界面上。有限元分析的模型和结果如图3所示。
3 翻转板组件
翻转板组件包括翻转板、定位钢圈及各种布置在定位钢圈上的定位和压紧组件。为了适应不同机种上车架的加工,采用了可替换的钢圈设计。中小型机种,由于其回转主体结构较小,定位和压紧组件的布置距离孔中心较近,因此需要宽度较大的钢圈。大型机,则定位及压紧组件的位置离孔中心较远。需要采用宽度较窄的钢圈。
3.1 定位钢圈
为了能自由更替定位钢圈,不同规格的定位钢圈具有相同的外径,通过24个螺钉固定到翻转板组件上,如图4所示。对于不同规格的回转主平台结构,采用了两种定位钢圈。对于中,小机种,即0.6m3小型机和0.8m3中型机,采用同一种定位钢圈,其主要部件如图4所示。在定位钢圈上布置四个承台支承工件,其中三个是固定在钢圈上,另外一个是位置可调承台,可适应不同机种的回转主平台结构。四个滑块和前端的纵向定位块用来定位工件,四个转臂油缸用于压紧工件。对于大型机,即1.2m3规格而言,由于只针对一种机种,因此无需布置滑块。在处理小型机及中型机加工时,只需要对滑块和可调承台、转臂油缸的位置进行调整即可完成装卡。将钢圈更换掉,就可以完成对大型机回转主体结构的加工。由此可以实现快速换模,快速定位,减少工装更换的时间。进一步而言,对于新规格的挖掘机回转主体结构,考虑其加工时,只需要重新设计可装配进总体夹具的定位钢圈,而无须对整个翻转夹具进行重新设计。
1—可调承台;2—定位钢圈;3—固定承台; 4—转臂油缸;5—滑块;6—安装螺钉
3.2 翻转板组件的刚度分析
当工件在水平位置进行加工时,由于底架组件中包含了辅助支撑的钢梁结构,因此翻转板的变形很小,不会对加工的精度造成影响。然而在开始翻转以后,由于失去了底部的辅助支撑,整个翻转板及其上部的工件就形成了一种类似悬臂的结构,从而造成翻转板产生较大的弹性变形。这种弹性变形有可能导致工件在翻转板上的定位发生偏移,甚至可能使工件局部产生很大的装配应力从而导致出现局部塑性变形,这都是加工过程中所不允许的。因此必须要充分考虑翻转板组件自身的刚度。
考虑大机种情况,翻转刚开始的水平位置情况下,作用在翻转板组件上的荷载达到70kN。对于不采用任何加强措施的翻转板组件,在满足强度条件下设计的板厚取80mm时,通过有限元分析,发现其最大垂直位移达到15mm之多。减小弹性变形可以通过增加翻转板厚度、加高定位钢圈或在翻转板上设置加强筋来实现。简单起见,在翻转板的悬臂端和两侧增加等高等厚的加强筋。图5给出了翻转板组件的一种有限元计算模型及其结果。表1给出了在不同加强筋几何尺度情况下的最大位移的计算数值。
从计算结果看出,在不干涉加工位置的前提下加强筋能够有效地提高翻转板组件的刚度,减小最大位移。翻转板在受载情况下沿y轴方向可视为悬臂,而沿x轴可视为简支。其变形包括绕x轴的弯曲和绕y轴的弯曲,因此其最大挠度发生在悬臂端的中点位置,即图5的点A。在悬臂端中点附近对加强筋实施加高处理,增加其绕长度方向的截面惯性矩Iy,可以有效地减小绕y轴的弯曲变形。然而,在加强筋高度达到一定程度后,便不能有效地提高翻转板组件的刚度,如表1的模型3和模型4_a的结果,同时也可能对加工位置形成干涉。因此可以在设计时,针对大型机情况,对可替换定位钢圈进行加高。表1中计算模型4_b采用了加高钢圈,将4_a中的钢圈高度从80mm增加到170mm。其计算结果令人满意。
4 结论
挖掘机回转平台主体结构在采用龙门式加工中心加工时,其加工精度和生产效率很大程度上依赖于翻转夹具的设计。按照柔性夹具设计的思想,采用可替换的定位钢圈,可以在不重新设计夹具整体的基础上,满足不同机种的挖掘机回转平台主体结构的加工定位。尽管采用的是传统的可调式和组合式夹具[8],但已经可以满足生产实践的需要,并能有效地提高生产效率。随着挖掘机设计和生产技术水平的提高,更具柔性的适应于现代加工的夹具的设计和制造还有待于进一步的研究。
对于翻转夹具的翻转板组件,可以采用配置加强筋或者加高定位钢圈来提高其刚度。然而,本文中仅限于最简单的等高等厚度加强筋的配置,加强筋的最优尺寸及其在满足不干涉条件下处于翻转板上的最优位置,这是一个多目标的结构优化问题,也有待于进一步的研究。
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柔性平台 篇7
柔性自动生产线是能实现产品生产过程自动化的一种机器体系。通过采用一套能自动进行加工、检测、装卸、运输的机器设备,组成高度连续的、完全自动化的生产线,来实现产品的生产,从而提高工作效率、降低生产成本、提高加工质量、快速更换产品。在各个不同的应用领域,不同种类的自动线的结构不同,大小也不同,功能也不同。它们基本都包含检测、机械本体、CPU信息处理、(输入、输出)接口部分以及执行机构五部分。
PLC(可编程逻辑控制器)是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。PLC的广泛使用,使得控制规模不断扩大,开放性和互操作性大大发展;使得工业系统可以实现远程化、自动化、控制信息化及智能化。尤其在运动控制、模拟量控制及驱动控制更是成为系统工作自动化中最有效的工具之一。
2 生产线实验仿真系统总体设计
生产线实验仿真系统平台由供料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元五个单元组成。其中,每一工作单元都可自成一个独立的系统,同时也都是一个机电一体化的系统。
输送单元是将指定单元的物料台精确定位,再抓取该物料台上物料,然后送到指定工作站放下。供料单元按照需要把料仓中要加工的工件自动推出到供料物料台上,便于输送单元的机械手装置能把工件抓取送到其他工作单元。加工单元把物料台上的由输送单元的抓取机械手装置送来的工件送到冲压机构的底下,进行一次冲压加工,接下来再返回到物料台上,等待输送单元的抓取机械手装置来抓取。装配单元实现料仓中黑色或白色小工件装配到已加工过的工件中的工作过程。分拣单元将装配好的工件进行分拣,实现不同颜色的装配工件从不同的料槽中分拣出来。
3 部分功能性子系统详细设计
3.1 输送单元
输送单元是本实验仿真系统平台中最重要的一个工作单元,承担着比较繁重的任务。主要功能是通过机械手精确定位指定单元的物料台,然后在物料台上将工件输送到指定的地点。这个单元里的主要零部件有:抓取机械手装置、步进电机传动组件、PLC模块、按钮/指示灯模块接线端子排等。
输送单元需要完成网络控制、抓取机械手装置控制和步进电机定位控制三个方面的任务。它的工作流程和系统、框图如图2、图3所示。
根据输送单元控制要求,PLC控制系统原理图如图3所示。
机械手动作顺序为:
启动→复位→前进→夹紧→上升→后退→整体移动→前进→下降→松开→后退→待加工完成→前进→夹紧→上升→后退→整体移动→前进→下降→松开→后退→待装配完成→前进→夹紧→上升→后退→整体移动→旋转90o→前进→下降→松开→复位→结束。
本生产线实验仿真系统采用集成化驱动器来实现步进电机的驱动。采用的步进电机是Kinco三相步进电机3S57Q-04056,并且选驱动器为Kinco 3M458三相步进电机驱动器。该驱动器具有其他驱动器没有特点:内部的直流驱动电压可达4OV,高速性能更好;交流伺服驱动,有交流伺服运转特性,输出为三相正弦电流;细分功能最高可达10000步/转,可以通过拨动开关设定细分;电机静态锁紧状态下具有自动半流功能,大大降低了电机的发热;几乎没有步进电机常见的爬行和共振区,通过拨动开关设定输出相电流;控制信号的输入电路是选用光祸隔离的。
3.2 其他代表性的单元
3.2.1 供料单元
供料单元是实验仿真系统平台的起始工作单元,他主要是按照需要将放置在料仓中待加工工件(原料)自动地推出到物料台上,以便输送单元的机械手将其抓取,输送到其他单元上。本文中供料单元的组成为:工件推出与支撑,工件漏斗,阀组,端子排组件,PLC急停按钮和启动/停止按钮,走线槽、底板等。工件推出与支撑及漏斗部分用于储存工件原料,并在需要时将料仓中最下层的工件推出到物料台上。它主要由大工件装料管、推料气缸、顶料气缸、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。
本单元的PLC控制器中,传感器信号占用7个输入点,留出1个点提供给启/停按钮作本地主令信号,则所需的PLCI/O点数为8点输入2点输出。本单元采用西门子57-222主单元,共8点输入和6点继电器输出。
本单元中采用RS485串行通信实现的网络控制,系统的主令信号均从连接到输送站PLC(主站)的按钮/指示灯模块发出,经输送站PLC程序处理后,把控制要求存储到其发送缓冲区,通过调用NET--EXE子程序,向各从站发送控制要求,以实现各站的复位、启动、停止等等操作。供料、加工、装配、分拣各从站单元在运行过程中的状态信号,存储到该单元PLC规划好的数据缓冲区,等待主站单元的读取而回馈到系统,以实现整个系统的协调运行。按主站单元发送的控制要求,存放在供料单元VB1000处,而供料单元运行过程中需要回馈到系统的状态信号则应写入到VB1010处。VB1000和VB1010的具体内容以及控制程序如何编制,取决于系统工艺过程的要求。
3.2.2 加工单元
加工单元结构组成设计为:物料台及滑动机构,加工(冲压)机构,电磁阀组,接线端口,PLC模块,急停按钮和启动/停止按钮,底板等。移动料台伸出和返回到位的位置是通过调整伸缩气缸上两个磁性开关位置来定位的。要求缩回位置位于加工冲头正下方;伸出位置应与输送单元的抓取机械手装置配合,确保输送单元的抓取机械手能顺利地把待加工工件放到料台上。
滑动物料台采用的工作原理:滑动物料台在系统正常工作后的初始状态为伸缩气缸伸出,物料台气动手爪张开的状态,当输送机构把物料送到料台上,物料检测传感器检测到工件后,PLC控制程序驱动气动手指将工件夹紧,物料台回到加工区域冲压气缸下方,冲压气缸活塞杆向下伸出冲压工件,完成冲压动作后向上缩回,物料台重新伸出,到位后气动手指松开,完成工件加工工序,并向系统发出加工完成信号。下一次工件到来加工做准备。在移动料台上安装为一个漫射式光电开关。只要物料台上没有工件,则漫射式光电开关均处于常态;若物料台上有工件,则光电接近开关动作,表明物料台上已有工件。该光电传感器的输出信号送到加工单元PLC的输入端,用以判别物料台上是否有工件需进行加工;当加工过程结束,物料台伸出到初始位置。同时,PLC通过通信网络,把加工完成信号回馈给系统,以协调控制。
加工单元的传感器信号占用6个输入点,留出2个点提供给提供给急停按钮和启/停按钮作本地主令信号,则所需的PLC1/0点数为8点输入,3点输出,采用的西门子57一222AC心C瓜LY主单元,共8点输入和6点继电器输出。
加工单元的主程序在每一扫描周期调用2个子程序,一个是启动/停止子程序,其功能是在读取主站发送来的控制命令以及把本站状态信号写到通信数据存储区。另一个加工子程序则是完成加工工艺控制功能。
4 结论
为了确保自动生产线实验仿真系统平台是否符合我们的设计要求,仿真系统作整体调试工作,以验证设计结果。系统调试可分为硬件电路的连接与调试、PLC程序功能实现的调试及生产线网络功能实现网络连接与数据传输调试等。现场调试时需要对设备出现的各种故障(主要为电器部分)进行分析及诊断,并且找出故障部位所在,再用正常的备件替代,使得系统恢复正常的运行。其中最关键的是对故障进行分析,对外围线路或系统进行正常检测,来确定故障的有无,同时对故障定位找到故障的具体位置。
本仿真系统吸取了国内处自动机械手生产线的优点,采用气缸驱动机械手和PLC、气动控制生产线相结合,设计了一款新颖的、具有高稳定性的、适用于教学实验的自动生产线实验仿真系统平台。它与实际的生产线非常贴近,可根据教学的需要来重新设计和选择,并且可以在教学使用中根据需要设置故障,应用到教学上非常直观。该实验平台系统可有效地结合教学和实验,验证了整个设计方案的可行性。
摘要：柔性自动生产线是一整套完全自动化的机器设备生产线,大大提高了工作效率,降低了生产成本,但过去的柔性生产线仍然存在些缺点。本文在吸收世界最先进的全自动化机械手的生产技术上,采用本气缸驱动机械手,将PLC、气动控制应用于自动化生产线上,设计了一款新颖的、具有高稳定性的自动化生产线实验仿真系统,为教学实验仿真提供了良好的平台。
关键词：PLC,柔性自动生产线,实验仿真系统
参考文献
[1]祝恒云,严潮红,李靖谊.基于Web的自动化生产教学实验仿真系统的平台设计[J].南京工业职业技术学院学报,2003,3(4):6-8,24.
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