基于PLC的彈簧性能檢測系統(tǒng)的設計

1引言

　　當前，國內彈簧產品設計制造工藝生產設備快速發(fā)展，彈簧材料性能方面也迅速提高，同樣對應用彈簧的性能要求也越來越高。所以，能實現(xiàn)彈簧性能檢測的智能化設備的開發(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企業(yè)質量意識的提高，越來越多的自動化設備，如傳感器、控制器、智能儀表等應用到工業(yè)生產的控制現(xiàn)場中來。本設計涉及機械、電子、控制及氣動等各學科領域技術，裝置由機械、電氣、軟件三部分組成，是一個典型的機電一體化系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的精確定位控制和計算機與PLC的串行通信，并以專家控制方式對整個檢測過程進行實時監(jiān)控，具備智能化功能，可自動記錄管理數(shù)據(jù)，判斷檢測結果，分析故障原因，該產品的設計開發(fā)可大大提高彈簧性能檢測的高效性和準確性。

　　2彈簧性能檢測系統(tǒng)概述

　　2.1檢測系統(tǒng)的組成[1]

　　一只彈簧有多個參數(shù)需要檢測，如負荷、剛度、柔度等，其中負荷是最常見的檢測指標，它表明了在指定變形的情況下，該彈簧所產生的負荷值，用以控制自動機械所需要的動力，同時又不至于產生過大的載荷。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，其力值輸出是否達到系統(tǒng)要求，來對成批彈簧進行分選檢測。彈簧性能檢測系統(tǒng)由上位機和下位機組成，包括機械部分、電氣控制部分、計算機軟件部分，檢測系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。



　　圖1彈簧檢測系統(tǒng)結構示意圖

　　2.2工作原理

　　檢測系統(tǒng)根據(jù)設置可完成智能化運行，為實現(xiàn)彈簧性能檢測系統(tǒng)檢測過程的全自動化，達到智能控制要求，操作員在進行操作前需要通過上位機軟件對整個檢測過程進行參數(shù)設置，設置的內容包括彈簧類型、彈簧壓縮次數(shù)、每次壓縮行程、合格標準、限位設置等多項內容。工作原理為：通過壓力傳感器采集當前彈簧壓縮狀態(tài)下的回彈力，并將其轉化成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對所采集的信號進行A／D轉換、濾波、整流等處理，再與上位機計算機進行串行通信，把處理后的信號發(fā)送到計算機的緩存區(qū)中。伺服系統(tǒng)接收到控制信號后，可完成對伺服電機的正、反轉，旋轉角度，旋轉速度等動作的控制，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，從而使被測彈簧實現(xiàn)伸縮檢測。整個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)設有校驗、手動、自動3種工作方式。校驗工作方式：每次系統(tǒng)上電開機時，設定的標準長度的量程對測試機壓頭與底座之問的高度進行校驗，以保證測試的準確性；手動工作方式：在設備調試或計算機系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，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，每經過一個壓縮點，將壓縮力、彈簧高度、壓縮量作為一組數(shù)據(jù)儲存在相應的PLC數(shù)據(jù)寄存器中。

　　3系統(tǒng)硬件設計

　　3.1機械部分設計

　　在機械部分中，綜合考慮到技術性能要求、可靠性要求、安全性要求和標準化要求等方面，檢測裝置采用雙工位作業(yè)設計，可同時檢測2種不同型號的彈簧；在機械結構設計上考慮到彈簧產品上下檢測臺的方便，人性化設備的外形尺寸；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向架連接，可旋轉180度的角度；在安全作業(yè)方面，每個待測彈簧放在帶有刪槽的彈簧樁上，防止側滑，四周4根同定桿組成防護欄防止向外彈，其中一根存上下貨時可拆卸；在移動方面，檢測裝置安裝有4個帶剎車的滑輪，可方便地移動與固定。

　　3.2電氣部分設計

　　檢測裝置的電氣控制部分以西門子S7-200PLC為控制核心，每個工位配有獨立壓力傳感器、電機、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)主要包括計算機系統(tǒng)(主機、顯示器、打印機)、PLC基本單元、模擬量擴展單元、通信模塊、文本顯示器、磁柵尺、負荷傳感器等。PLC控制端口定義見表1。

　　表1PLC輸入/輸出端口定義

　　PLC實現(xiàn)系統(tǒng)的定位控制主要表現(xiàn)在：PLC通過對伺服驅動器的脈沖信號、正／反轉信號、使能信號等的控制，從而使伺服驅動器能夠精確地控制電機的轉速、轉角、方向等，電機再帶動絲杠運動，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)實際情況計算的PLC向伺服驅動器發(fā)送脈沖信號的準確度。

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，能在輸出端產生高速脈沖，用來驅動負載實現(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控制方案設計

　　按數(shù)控系統(tǒng)的進給伺服系統(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)，其驅動元件主要為功率步進電機。PLC發(fā)出的指令脈沖，通過驅動電路放大送到步進電機，電機輸出軸轉過一定的角度，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。步進電機軸轉過的角度正比于指令脈沖的個數(shù)，旋轉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，如步進電機的步距誤差、機械系統(tǒng)的誤差等綜合為系統(tǒng)的位置誤差，所以精度較低，速度也受到步進電機性能的限制，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小。但開環(huán)系統(tǒng)結構簡單，易于控制與調整，一般用于輕載、負載變化不大、精度要求不高的場合，在經濟型數(shù)控機床和普通機床改造中使用較多。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)軟件設計

　　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ＰＬＣ控制站軟件設計。上位機監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。



　　圖3上位機監(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檢測過程進行實時監(jiān)控，具有彈簧壓縮參數(shù)設置、測試數(shù)據(jù)記錄查詢、打印報表、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上位機主控制界面

　　監(jiān)控軟件一方面通過對計算機緩存區(qū)中接收到的信息進行解析，判斷處理，完成彈簧檢測過程的實時動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)記錄、限位報警、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、開關量信號的輸入。PLC與計算機的串行通信是通過PLC控制器上的RS-485串口和計算機上的RS232串口來完成的。PLC控制通過“校驗、手動、自動”選擇開關選擇相應的工作方式，主程序流程圖如圖5所示。



　　圖5主程序流程圖

　　5結語

　　本系統(tǒng)功能較強，采用了可靠性較高的工控計算機和PLC進行控制，實現(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，使檢測結果更加準確，而且大大降低了工人的勞動強度，節(jié)約了作業(yè)時間，提高了生產效率。投入應用以來，設備運行正常，維護、檢修工作量少，大大降低了維護檢修費用；另外，其友好的人機界面，使得整個系統(tǒng)更形象直觀，易于操作，保證了現(xiàn)場運行的安全可靠性，在彈簧工業(yè)發(fā)展中具有較高的推廣價值。

　　參考文獻

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　　[2]章彬宏，王琳．基于PLC的彈簧測試機控制系統(tǒng)[J].科技論壇，2003(9).

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