《控制與傳動》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。近年來隨著彈簧生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量意識的提高，越來越多的自動化設(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)場中來。本設(shè)計(jì)涉及機(jī)械、電子、控制及氣動等各學(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整個(gè)檢測過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具備智能化功能，可自動記錄管理數(shù)據(jù)，判斷檢測結(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的高效性和準(zhǔn)確性。

　　2彈簧性能檢測系統(tǒng)概述

　　2.1檢測系統(tǒng)的組成[1]

　　一只彈簧有多個(gè)參數(shù)需要檢測，如負(fù)荷、剛度、柔度等，其中負(fù)荷是最常見的檢測指標(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，用以控制自動機(jī)械所需要的動力，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，來對成批彈簧進(jìn)行分選檢測。彈簧性能檢測系統(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，檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。



　　圖1彈簧檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.2工作原理

　　檢測系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置可完成智能化運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)彈簧性能檢測系統(tǒng)檢測過程的全自動化，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)軟件對整個(gè)檢測過程進(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，傳遞給主控制器PLC的模擬量接收模塊。PLC對所采集的信號進(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)接收到控制信號后，可完成對伺服電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)速度等動作的控制，通過同步齒形帶將動作再次傳遞給絲杠，完成絲杠與彈簧座的一同上下動作，從而使被測彈簧實(shí)現(xiàn)伸縮檢測。整個(gè)檢測過程的工作原理如圖2所示。



　　圖2彈簧檢測裝置工作原理框圖

　　系統(tǒng)設(shè)有校驗(yàn)、手動、自動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)長度的量程對測試機(jī)壓頭與底座之問的高度進(jìn)行校驗(yàn)，以保證測試的準(zhǔn)確性；手動工作方式：在設(shè)備調(diào)試或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可通過手動方式測試彈簧參數(shù)；自動工作方式：根據(jù)不同型號的彈簧，自動將伸縮力分為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，檢測裝置采用雙工位作業(yè)設(shè)計(jì)，可同時(shí)檢測2種不同型號的彈簧；在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮到彈簧產(chǎn)品上下檢測臺的方便，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；在移動方面，檢測裝置安裝有4個(gè)帶剎車的滑輪，可方便地移動與固定。

　　3.2電氣部分設(shè)計(jì)

　　檢測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，可完成自動和手動兩種控制功能。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通過對伺服驅(qū)動器的脈沖信號、正／反轉(zhuǎn)信號、使能信號等的控制，從而使伺服驅(qū)動器能夠精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、方向等，電機(jī)再帶動絲杠運(yùn)動，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)動器發(fā)送脈沖信號的準(zhǔn)確度。

在本檢測裝置中，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位無符號數(shù)據(jù)；脈沖個(gè)數(shù)用雙字無符號數(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)中最簡單的伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動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絲杠和彈簧座上下移動。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)

　　檢測裝置的軟件部分，主要指測試裝置的監(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整個(gè)檢測過程進(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，完成彈簧檢測過程的實(shí)時(shí)動態(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PLC發(fā)送控制信息，完成對伺服系統(tǒng)高頻脈沖信號、開關(guān)量信號的輸入。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、自動”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)了檢測過程的智能化。自動化程度高，可靠性好，不但排除了原有檢測過程中人為因素的影響，使檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確，而且大大降低了工人的勞動強(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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