《控制與傳動(dòng)》2012年第2期 太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 孔強(qiáng)強(qiáng)　供稿  


1引言

　　當(dāng)前，國(guó)內(nèi)彈簧產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造工藝生產(chǎn)設(shè)備快速發(fā)展,，彈簧材料性能方面也迅速提高,，同樣對(duì)應(yīng)用彈簧的性能要求也越來越高。所以,，能實(shí)現(xiàn)彈簧性能檢測(cè)的智能化設(shè)備的開發(fā),，成為彈簧工業(yè)發(fā)展的需要和必然趨勢(shì)。近年來隨著彈簧生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量意識(shí)的提高,，越來越多的自動(dòng)化設(shè)備,，如傳感器、控制器,、智能儀表等應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的控制現(xiàn)場(chǎng)中來,。本設(shè)計(jì)涉及機(jī)械、電子,、控制及氣動(dòng)等各學(xué)科領(lǐng)域技術(shù),，裝置由機(jī)械、電氣,、軟件三部分組成,，是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的精確定位控制和計(jì)算機(jī)與PLC的串行通信,，并以專家控制方式對(duì)整個(gè)檢測(cè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,，具備智能化功能，可自動(dòng)記錄管理數(shù)據(jù),，判斷檢測(cè)結(jié)果,，分析故障原因，該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)可大大提高彈簧性能檢測(cè)的高效性和準(zhǔn)確性,。

　　2彈簧性能檢測(cè)系統(tǒng)概述

　　2.1檢測(cè)系統(tǒng)的組成[1]

　　一只彈簧有多個(gè)參數(shù)需要檢測(cè),，如負(fù)荷、剛度,、柔度等,，其中負(fù)荷是最常見的檢測(cè)指標(biāo)，它表明了在指定變形的情況下,，該彈簧所產(chǎn)生的負(fù)荷值,，用以控制自動(dòng)機(jī)械所需要的動(dòng)力，同時(shí)又不至于產(chǎn)生過大的載荷,。所以本系統(tǒng)就是通過檢測(cè)彈簧在壓縮或拉伸到一定程度,，其力值輸出是否達(dá)到系統(tǒng)要求，來對(duì)成批彈簧進(jìn)行分選檢測(cè),。彈簧性能檢測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成,，包括機(jī)械部分,、電氣控制部分,、計(jì)算機(jī)軟件部分,，檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。



　　圖1彈簧檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.2工作原理

　　檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置可完成智能化運(yùn)行,，為實(shí)現(xiàn)彈簧性能檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)過程的全自動(dòng)化,，達(dá)到智能控制要求，操作員在進(jìn)行操作前需要通過上位機(jī)軟件對(duì)整個(gè)檢測(cè)過程進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,，設(shè)置的內(nèi)容包括彈簧類型,、彈簧壓縮次數(shù)、每次壓縮行程,、合格標(biāo)準(zhǔn),、限位設(shè)置等多項(xiàng)內(nèi)容。工作原理為：通過壓力傳感器采集當(dāng)前彈簧壓縮狀態(tài)下的回彈力,，并將其轉(zhuǎn)化成4—20mA的電流型信號(hào),，傳遞給主控制器PLC的模擬量接收模塊。PLC對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換,、濾波,、整流等處理，再與上位機(jī)計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信,，把處理后的信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)的緩存區(qū)中,。伺服系統(tǒng)接收到控制信號(hào)后，可完成對(duì)伺服電機(jī)的正,、反轉(zhuǎn),，旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)速度等動(dòng)作的控制,，通過同步齒形帶將動(dòng)作再次傳遞給絲杠,，完成絲杠與彈簧座的一同上下動(dòng)作，從而使被測(cè)彈簧實(shí)現(xiàn)伸縮檢測(cè),。整個(gè)檢測(cè)過程的工作原理如圖2所示,。



　　圖2彈簧檢測(cè)裝置工作原理框圖

　　系統(tǒng)設(shè)有校驗(yàn)、手動(dòng),、自動(dòng)3種工作方式,。校驗(yàn)工作方式：每次系統(tǒng)上電開機(jī)時(shí)，設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的量程對(duì)測(cè)試機(jī)壓頭與底座之問的高度進(jìn)行校驗(yàn),，以保證測(cè)試的準(zhǔn)確性,；手動(dòng)工作方式：在設(shè)備調(diào)試或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可通過手動(dòng)方式測(cè)試彈簧參數(shù),；自動(dòng)工作方式：根據(jù)不同型號(hào)的彈簧,，自動(dòng)將伸縮力分為N等份,，在彈簧壓縮過程中，每經(jīng)過一個(gè)壓縮點(diǎn),，將壓縮力,、彈簧高度、壓縮量作為一組數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在相應(yīng)的PLC數(shù)據(jù)寄存器中,。

　　3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1機(jī)械部分設(shè)計(jì)

　　在機(jī)械部分中,，綜合考慮到技術(shù)性能要求、可靠性要求,、安全性要求和標(biāo)準(zhǔn)化要求等方面,，檢測(cè)裝置采用雙工位作業(yè)設(shè)計(jì)，可同時(shí)檢測(cè)2種不同型號(hào)的彈簧,；在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮到彈簧產(chǎn)品上下檢測(cè)臺(tái)的方便,，人性化設(shè)備的外形尺寸；在操作方面,，為使操作者能夠多角度操作,，操作箱與床身由活動(dòng)的轉(zhuǎn)向架連接，可旋轉(zhuǎn)180度的角度,；在安全作業(yè)方面,，每個(gè)待測(cè)彈簧放在帶有刪槽的彈簧樁上，防止側(cè)滑,，四周4根同定桿組成防護(hù)欄防止向外彈,，其中一根存上下貨時(shí)可拆卸；在移動(dòng)方面,，檢測(cè)裝置安裝有4個(gè)帶剎車的滑輪,，可方便地移動(dòng)與固定。

　　3.2電氣部分設(shè)計(jì)

　　檢測(cè)裝置的電氣控制部分以西門子S7-200PLC為控制核心,，每個(gè)工位配有獨(dú)立壓力傳感器,、電機(jī)、伺服系統(tǒng),、傳送帶,、控制按鈕等，可完成自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制功能,。系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(主機(jī),、顯示器、打印機(jī)),、PLC基本單元,、模擬量擴(kuò)展單元、通信模塊,、文本顯示器,、磁柵尺,、負(fù)荷傳感器等。PLC控制端口定義見表1,。

　　表1PLC輸入/輸出端口定義

　　PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定位控制主要表現(xiàn)在：PLC通過對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào),、正／反轉(zhuǎn)信號(hào)、使能信號(hào)等的控制,，從而使伺服驅(qū)動(dòng)器能夠精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,、轉(zhuǎn)角、方向等,，電機(jī)再帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng),，完成彈簧座的定位控制。在定位控制過程中,，主要影響定位精度的因素有：(1)定位控制過程中所涉及到的一系列傳動(dòng)機(jī)械誤差,，包括絲杠間隙、同步齒形帶的松緊等因素,。(2)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算的PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖信號(hào)的準(zhǔn)確度,。

在本檢測(cè)裝置中，PLC選用了SIEMENSS7—200系列PLC,，它具有高速脈沖輸出功能,，能在輸出端產(chǎn)生高速脈沖,，用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)精確控制。高速脈沖輸出有高速脈沖串輸出PT0和脈寬調(diào)制PWM兩種方式,。PT0可以輸出一串脈沖(占空比50％),，可以控制脈沖的周期和個(gè)數(shù)。脈沖周期變化范圍是10～65535us或2～65535ms,，為16位無符號(hào)數(shù)據(jù),；脈沖個(gè)數(shù)用雙字無符號(hào)數(shù)表示，取值范圍是1～4294967295之間,。PWM可以輸出連續(xù)的,、占空比可調(diào)的脈沖串，可以控制脈沖的周期和脈寬,。脈沖周期與PTO相同,，脈寬變化范圍是0～65535us或0～65535ms。PT0／PWM輸出不受PLC掃描周期的影響,，這樣可以滿足系統(tǒng)精確定位的要求,。

　　3.3控制方案設(shè)計(jì)

　　按數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)有無位置測(cè)量反饋裝置可分為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)無位置反饋,，是數(shù)控系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的伺服系統(tǒng),，其驅(qū)動(dòng)元件主要為功率步進(jìn)電機(jī)。PLC發(fā)出的指令脈沖,，通過驅(qū)動(dòng)電路放大送到步進(jìn)電機(jī),，電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)過一定的角度，再通過同步齒形帶和絲杠螺母帶動(dòng)絲杠和彈簧座上下移動(dòng),。步進(jìn)電機(jī)軸轉(zhuǎn)過的角度正比于指令脈沖的個(gè)數(shù),，旋轉(zhuǎn)速度的大小正比于指令脈沖的頻率。由于沒有檢測(cè)反饋裝置,，系統(tǒng)中各部分誤差,，如步進(jìn)電機(jī)的步距誤差、機(jī)械系統(tǒng)的誤差等綜合為系統(tǒng)的位置誤差,，所以精度較低,，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制，低速不平穩(wěn),，高速扭矩小,。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制與調(diào)整,，一般用于輕載,、負(fù)載變化不大、精度要求不高的場(chǎng)合，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床改造中使用較多,。在解彈簧檢測(cè)過程中,，壓縮尺寸精度誤差要求為0.1mm，所以在伺服系統(tǒng)控制方式上采用開環(huán)方式控制,。

　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　檢測(cè)裝置的軟件部分,，主要指測(cè)試裝置的監(jiān)控軟件和下位機(jī)ＰＬＣ控制站軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖如圖3所示,。



　　圖3上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

　　該軟件是根據(jù)彈簧的檢測(cè)工藝流程,，基于VB6.0編程軟件編制而成的．采用專家控制方式對(duì)整個(gè)檢測(cè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有彈簧壓縮參數(shù)設(shè)置,、測(cè)試數(shù)據(jù)記錄查詢,、打印報(bào)表、模擬鍵盤輸入等功能,。檢測(cè)裝置的主控制界面如圖4所示,。



　　圖4上位機(jī)主控制界面

　　監(jiān)控軟件一方面通過對(duì)計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中接收到的信息進(jìn)行解析，判斷處理,，完成彈簧檢測(cè)過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)記錄,、限位報(bào)警,、故障診斷等操作；另一方面通過對(duì)PLC發(fā)送控制信息,，完成對(duì)伺服系統(tǒng)高頻脈沖信號(hào),、開關(guān)量信號(hào)的輸入。PLC與計(jì)算機(jī)的串行通信是通過PLC控制器上的RS-485串口和計(jì)算機(jī)上的RS232串口來完成的,。PLC控制通過“校驗(yàn),、手動(dòng)、自動(dòng)”選擇開關(guān)選擇相應(yīng)的工作方式,，主程序流程圖如圖5所示,。



　　圖5主程序流程圖

　　5結(jié)語

　　本系統(tǒng)功能較強(qiáng)，采用了可靠性較高的工控計(jì)算機(jī)和PLC進(jìn)行控制,，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過程的智能化,。自動(dòng)化程度高，可靠性好,，不但排除了原有檢測(cè)過程中人為因素的影響,，使檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，而且大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,，節(jié)約了作業(yè)時(shí)間,，提高了生產(chǎn)效率。投入應(yīng)用以來，設(shè)備運(yùn)行正常,，維護(hù),、檢修工作量少，大大降低了維護(hù)檢修費(fèi)用,；另外,，其友好的人機(jī)界面，使得整個(gè)系統(tǒng)更形象直觀,，易于操作,，保證了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的安全可靠性，在彈簧工業(yè)發(fā)展中具有較高的推廣價(jià)值,。

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