1、I摘 要本文主要针对如何对汽车张紧器进行性能检测做了研究。随着 PLC 的出现及发展，PLC 的应用越来越广泛，具有广阔的应用前景。本文提出了用 PLC 技术设计汽车张紧器静态试验机的系统的整体方案。在这篇论文中结合张紧器系统工作的实际情况，应用 PLC 技术设计一个张紧器的静态试验机来检测张紧器中的柱塞弹簧的承载能力。主要完成了以下几个方面的工作：首先对张紧器的工作原理进行了解，然后完成了张紧器静态试验系统的整体设计。在正确的器件选型及软硬件设计的基础上，完成了张紧器性能检测静态试验的各子系统工作研究。张紧器性能检测的静态试验分为两个，一是检测塞柱弹出一定距离时的最大冲力和稳定后弹力；二是检
2、测弹簧被压缩一定距离后产生的形变。本文以这两个试验内容为基础，应用 PLC 技术完成对张紧器静态性能检测的静态试验机的设计。关键词：张紧器，试验机，柱塞弹簧，系统设计IIAbstractThis article focused on how the auto tensioner for performance testing. With the appearance and the development, the PLC application is more and more widespread, which has the broad application prospect. Thi
3、s paper presents the overall program PLC technical design about auto tensioner static testing machine system.This tensioner system to the actual situation, using PLC technology to design a tensioner in static testing machine to detect the tensioner plunger spring load capacity .This article has main
4、ly completed following work:First, to understand the working principle of the tensioner, and then complete the overall design of the static test of the tensioner system. On the basis of the correct selection of devices and hardware and software design, complete tensioner performance testing study on
5、 the static testing of the subsystem.There are two tensioner performance tests of the static test .One is to test the plug column pop-up of the largest momentum and stability in elastic when a certain distance. The other test is to deformation detection of the spring compressed to a certain distance
6、. In this paper based on these two test content, applications PLC technology to complete the design of the static test of the static performance testing of the tensioner.Key Words：tensioner，Testing machine，Plunger spring，System designIII目 录1 绪论 .11.1 张紧器性能测试的发展现状与趋势 .11.2 PLC 在控制系统中应用现状与发展 .21.3 系统主
7、要研究内容 .42 PLC 控制张紧器的系统整体设计 .62.1 张紧器系统结构设计与工作原理 .62.1.1 张紧器工作原理 .62.1.2 张紧器静态试验系统结构设计 .72.2 系统各部分实现方案 .92.3 系统设计的主要器件选择 .102.3.1 PLC 的选型 .102.3.2 称重传感器的选择 .122.3.3 光栅尺的选择 .142.3.4 伺服电机的选择 .153 系统硬件电路设计 .173.1 PLC 与 PC 通讯电路 .173.2 称重传感器接口电路设计 .203.3 光栅接口电路设计 .213.4 伺服电机控制电路设计 .223.5 电源电路设计 .254 软件系统设
8、计 .274.1 软件的总体设计 .274.2 控制系统主要部分的软件设计 .304.2.1 PLC 控制称重传感器的软件设计 .304.2.2 PLC 控制伺服电机的软件设计 .314.3 Windows 环境下上位机通信 .344.4 上位机和 PLC 串行通信的程序设计 .35IV5 总结与展望 .365.1 系统总结 .365.2 系统展望 .36致谢 .38参考文献 .39附录 .42英文原文 .42英语翻译 .54毕业设计（论文）专用纸1 1 绪论本章主要介绍了张紧器弹性测试的发展现状与趋势。除此之外，还介绍了本论文采用的主要技术，PLC 在控制系统中应用与发展。最后概括了本论文的
9、主要研究内容与研究意义。1.1 张紧器性能测试的发展现状与趋势液压张紧器性能测试系统其本质为一种位移压力特性测试系统，其关键技术为产生可控位移并能提供沿输出力方向的加载，即定位与加载。提供直线位移的机械结构包括滚动丝杠、滑动丝杠与直线导轨等，这些机构与电机配合构成直线运动机构。液压和气动装置也能方便的实现直线位置控制，但须配备液压源或气源以及比例控制阀。现今国内外研究中，位移压力特性测试技术在比例电磁铁性能测试中应用较多。发动机机轴向凸轮轴以及其他辅助机构传递动力时，通常需要正时皮带或链条传动以及附件皮带或链条传动。虽然发动机喷油时刻和点火时间都是由电子控制，但是配气相位，也就是进、排气门开闭
10、时间却还是由正时皮带或链条实现，以绝对保证发动机配气相位的机械位置不能变化。而来自于发动机功率驱动的其他附件，如发电机、车用空调以及水泵等，均采用附件皮带或链条传动。带传动和链传动均为具有中间挠性件的啮合传动。带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可在大的轴间距和多轴间传递动力。摩擦型带传动可过载打滑以实现自行保护，其运转噪声低，但传动比不准确，同步带传动可保证传动同步，但对载荷变动的吸收能力差，高速运转有噪声。链传动兼有齿轮传动和带传动的一些特点。与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度要求较低，链轮齿受力较小、强度较高、磨损也较轻，链传动具有较好的缓冲、吸振性能。与带传动相比，链传动的传
11、动比准确、传动效率较高，链条对轴的作用力较小，链传动的尺寸较紧凑，链条装拆比较方便，链传动能在较大传动比和较小中心距下工作，链传动对环境的适应能力强，链条的磨损伸长比较缓慢、张紧调节量较小，链传动在有可燃气的环境下工作安全毕业设计（论文）专用纸2 可靠。由于磨损会导致传动带与链条在使用过程中伸长，引起松边垂度增加，给传动带来振动，影响传动性能。特别是汽车正时带传动和链传动，它用于发动机曲轴与凸轮轴之间，由于发动机活塞行程与排气时间有严格的配合，因此要求该型带传动或链传动低振动且稳定。张紧装置形式很多，例如螺钉、曲柄杠杆、挂重、弹簧和液压等，对中、高速的重要传动应采用自动张紧装置，其中以液压张紧
12、为优，它不受松边伸长的影响。1.2 PLC 在控制系统中应用现状与发展PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程及其有关的外围设备。这些都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。可编程序控制器是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术。进入二十世纪八十年代以来，随着微机技术和微电子技术的迅猛发展，极大推动了 PLC 在世界范
13、围内的发展，其功能越来越强大，应用范围越来越广阔，已广泛应用在各种机械和生产过程的自动控制中。PLC 的程序在可编程序控制器控制系统的设计中，应该最大限度地满足生产机械或生产流程对电气控制的要求，在满足控制要求的前提下，力求 PLC 控制系统简单、经济、安全、可靠、操作和维修方便，而且应使系统能尽量降低使用者长期运行的成本。可编程控制器控制系统的设计通常包括硬件设计和软件设计。可编程序控制器作为控制器构成的自动控制系统可实现开关量的控制，也可实现模拟量的控制；可实现断续控制，也可实现连续控制；系统组成可以是开环控制系统，也可构成闭环控制系统。该系统的组成可分为输入设备、输出设备、可编程序控制器
14、和外围设备等几部分。具有以下几个特点：（1）设计上考虑了工业环境、抗干扰能力强和可靠性高。（2）编程及操作简便易学。（3）采用模块化结构。（4）具有功能很强的 I/O 模及智能接口模块。（5）网毕业设计（论文）专用纸3 络化。（6）产品系列化、成本低。可编程控制器设计的方法与步骤如图 1.1 所示： N NY图 1.1 可编程序控制器设计流程图PLC 可与机械加工的数字控制及计算机控制联成一体实现数值控制；可用于配置柔性制造系统和计算机集成制造系统等。利用这些性质，我们可以设计一个用来检测弹簧的承载能力的试验机。近几十年来，随着大规模和超大规模集成电路及数字通信技术的发展，PLC发展十分迅速，
15、而且这一种发展将进一步加速，其主要表现在：（1）小型机功能强化此前小型 PLC 的 I/O 点数小于 128，往往只有数字量输入输出，且 CPU 和I/O 为一体。随着 PLC 的发展，小型 PLC 已经具有模拟量处理功能、PID 回路调节功能、系统能灵活组态等。毕业设计（论文）专用纸4 （2）缩小与工业控制计算机的差距向大规模、大容量、强功能、高速度方向发展。目前最大的数字 I/O 点数可达 8192 点，并可进一步扩大；为提高大型机可靠性，有些产品采用冗余设计，PLC 的存储容量不断增大。（3）具有丰富的 I/O 模版为了适应工业控制的要求，PLC 的 I/O 模块也进一步丰富；如数控模块
16、、技术模块、语言处理模块、定位模块等各种智能 I/O 模块不断产生，使 PLC 在分辨率、精度、实时、通信、人机对话等方面的功能不断得到增强。（4）表面安装技术被采用用于微电子技术的发展，双列直插式封装结构已不再适合最新型的超大规模集成电路芯片扁平封装电路可直接装在印刷电路板表面，不需要插入印刷版插孔，缩短了引线长度，进一步缩小了 PLC 的体积，减小了电路的寄生电容和电感。（5）编程语言多样化、高级化随着 PLC 硬件不断发展的同时，其编程语言朝两个方向发展：一方面向多种语言编程方向发展，如面向过程的编程语言、梯形图语言及控制系统流程图等；另一方面向高级语言方向发展，可用 BASIC、C+及
17、汇编语言编制用户程序。（6）向分散控制方向发展PLC 的应用范围越来越广，对控制系统的要求越来越高，一方面要求能够适应控制大型企业不同设备的需要，另一方面要求减少系统危险性。因此，基于分散控制的可编程序控制器得到了进一步发展。（7）向集成化方向发展主要表现在三个方面：PLC 与计算机集成；PLC 与 DCS 集成；PLC 与计算机数控系统集成。（8）向网络化方向发展PLC 网络发展的总目的是向高速度、多层次、开放性、高可靠性方向发展，并遵循国际标准 IEEE802，特别是加强异种机通讯功能。毕业设计（论文）专用纸5 1.3 系统主要研究内容在“PLC 在汽车张紧器静态试验机中应用”的课题研究中
18、，设计的内容及要求如下：本课题要求设计、实现汽车张紧器静态试验机系统设计。对张紧器进行静态性能检测，分为两个试验，一是检测塞柱中的柱塞弹簧弹出一定距离时最大冲力和稳定后弹力；二是检测弹簧被压缩一定距离后产生的形变。对此课题的研究首先要了解张紧器结构，进而确定研究对象。在确定好研究对象后，决定使用何种方法来进行实验探究。在硬件设计前要先进行器件选型，确定好器件后,就要开始软件及硬件的设计，从而完成实验任务。此研究课题要求必须用 PLC 技术来实现，尽管用单片机也可以完成实验，但为更加了解 PLC 的功能、特点，更加熟悉 PLC 的使用方法及适用范围，要求用 PLC 控制来检测张紧器在工作过程中，
19、其柱塞弹簧的承载能力，从而确定当张紧器工作时要以多大的油压力才能使弹簧使用时间最长，以实现最终的研究目的。用 PLC 控制技术设计出一个适用于拉伸、压缩弹簧在一定工作长度下的工作负荷的测试，也可用于橡胶、簧片等弹性器件的弹力负荷测试。在此课题中以弹簧的弹力负荷测试为主，通过张紧器工作时以柱塞弹簧为主要研究对象，来测试弹性器件的弹力负荷。在上位机的设计中，选择用 Visual Basic 来设计上位机的程序设计。PC 与 PLC 之间的通信的实现也是设计的重要内容之一。毕业设计（论文）专用纸6 2 PLC 控制张紧器的系统整体设计本章主要介绍了系统整体框架的设计以及各试验的框架设计。在器件选择部
20、分，通过介绍器件的工作原理、用途、型号、规格及符号等知识，对器件进行了合理选择。这些为后续的硬件设计和软件设计打下了基础。2.1 张紧器系统结构设计与工作原理2.1.1 张紧器工作原理张紧器靠发动机外部供油工作，在发动机上需布置油道，弹簧力为停机状态预张紧链条的最小张紧力，工作中起主要作用的是来自发动机供油系统的油压力。张紧器工作原理如下：拔掉锁销，柱塞在柱塞弹簧作用力下，向孔外伸出，使处于锁止柱塞的棘爪转动，同时，来自发动机的机油压力将单向阀打开，机油通过供油道直接进入张紧器总成的高压腔内，高压腔与低压腔油压相等，张紧器的张紧力为：油压力弹簧力。压缩柱塞，单向阀关闭，高压腔的油液处于压缩状态，由于机油的可压缩比小，形成较大阻尼，进而回压过程中，柱塞阻尼较大，减小正时链条的振幅及传动噪音。过剩的机油通过柱塞与壳体孔的配合间隙泄漏到总成外，起过压保护及润滑系统的作用。油压式张紧器工作过程可以分为以下几步：第一步：张紧器安装在发动机正时系统。拔掉锁销，柱塞在柱塞弹簧力 P的作用下，向总成外伸出，同时 F1 使棘爪绕棘爪轴转动，旋转扭力 F2 使棘爪
