王小芍，吳玉國(guó)，張良安，秦海波

（安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，馬鞍山 243002）

0 引言

查閱相關(guān)資料，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于圓柱體最大直徑的檢測(cè)多采用非接觸式檢測(cè)方法，存在著諸如對(duì)專業(yè)知識(shí)要求高、成本較高等一系列問題，無法滿足大規(guī)模的檢測(cè)要求[1]?；谶@種現(xiàn)狀，本課題設(shè)計(jì)了一種接觸式測(cè)量方法，以PLC為控制核心，對(duì)被測(cè)圓柱體進(jìn)行有步驟的輸送定位，配合光柵檢測(cè)系統(tǒng)，以流水線測(cè)量的方式對(duì)圓柱體的最大直徑進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，是一種全新的測(cè)量裝置系統(tǒng)。

1 測(cè)量裝置

圖1為圓柱直徑測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖，被測(cè)圓柱體在板與固定板之間旋轉(zhuǎn)一周，通過測(cè)量此期間兩板之間的最大距離，得到被測(cè)圓柱體的最大直徑。本文主要針對(duì)此測(cè)量方法制定出了一種合理的測(cè)量方案，并重點(diǎn)對(duì)對(duì)此方案的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

該檢測(cè)裝置主要包括傳送模塊、檢測(cè)模塊和分組模塊。

傳送模塊要實(shí)現(xiàn)傳送帶按照一定的速度勻速前進(jìn)，由一個(gè)運(yùn)行指示燈顯示其運(yùn)行狀態(tài)。

檢測(cè)模塊一方面要實(shí)現(xiàn)擋板對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制，完成其帶動(dòng)被測(cè)圓柱體滾動(dòng)前進(jìn)的任務(wù)；另一方面，利用光柵傳感器測(cè)量圓柱體直徑，通過測(cè)量彈簧的壓縮量來間接得到擋板與固定板之間的距離，即可知圓柱體直徑。檢測(cè)模塊主要由擋板、光柵尺、光電傳感器和四個(gè)行程開關(guān)構(gòu)成。

圖1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

分組模塊由四個(gè)噴槍、幾個(gè)光電傳感器構(gòu)成。此模塊中PLC分別控制四個(gè)噴槍對(duì)分組后相對(duì)應(yīng)的圓柱體噴料，以不同顏色標(biāo)示，完成分組。

2 測(cè)量裝置控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量裝置控制系統(tǒng)的控制要求

根據(jù)對(duì)測(cè)量裝置各模塊的分析，對(duì)其控制系統(tǒng)也提出了相應(yīng)的控制要求：

1)初始狀態(tài)：擋板處于原點(diǎn)位置；工作指示燈熄滅；傳送帶處于靜止?fàn)顟B(tài)。

2)選擇一個(gè)小型交流電機(jī)帶動(dòng)傳送帶勻速運(yùn)行，用一個(gè)啟動(dòng)/停止開關(guān)來控制電機(jī)的啟停。

3) PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)器控制交流伺服電動(dòng)機(jī)，通過設(shè)定Pr0.06（指令脈沖極性設(shè)置）參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，從而控制擋板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其行程路徑由四個(gè)行程開關(guān)控制。

4)通過數(shù)據(jù)處理電路對(duì)光柵傳感器的測(cè)得的尺寸脈沖進(jìn)行細(xì)分、辨向等處理，以滿足本系統(tǒng)的測(cè)量精度要求。

5)對(duì)圓柱體進(jìn)行分組，尺寸區(qū)間值為(299.0,29 9.5),(299.5,300.0),(300.0,300.5),(300.5,301.0)，依次為A、B、C、D四組，若尺寸小于299.0mm或者大于301.0mm，則為不合格。

6)A、B、C、D四組分別對(duì)應(yīng)四個(gè)可以噴出不同顏色的噴槍，不合格的圓柱體不噴。在每個(gè)噴槍的前后安裝兩個(gè)光電開關(guān)，用來控制噴槍的啟停，準(zhǔn)確控制噴槍的工作時(shí)間。

2.2 伺服控制系統(tǒng)

本課題的主要任務(wù)就是要完成對(duì)檢測(cè)模塊的控制，完成擋板在X、Y兩個(gè)方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以及光柵尺對(duì)圓柱最大尺寸的測(cè)量。采用以PLC為控制核心的伺服控制系統(tǒng)，主要包括PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器和伺服電動(dòng)機(jī)。綜合考慮該系統(tǒng)的控制要求，查閱相關(guān)說明書，最終選擇的伺服驅(qū)動(dòng)器為松下A5系列MADHT1507，配套使用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為MSME022G1[2]。

圖2 松下A5伺服系統(tǒng)接線圖

圖2 中，SRV-ON口接PLC輸出繼電器控制，控制伺服驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)、停止。PULS1為指令脈沖輸入端口，SING1為方向信號(hào)輸入端口，分別由PLC發(fā)出控制信號(hào)，來控制伺服機(jī)的運(yùn)行的步數(shù)及運(yùn)行方向。

松下A5伺服驅(qū)動(dòng)器有三種控制模式：伺服電機(jī)有三種控制模式：速度控制模式，位置控制模式，轉(zhuǎn)矩控制模式[3,4]。基于本設(shè)計(jì)所要完成的任務(wù)和精度要求，本設(shè)計(jì)中伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)采用位置控制模式。上圖即為位置控制模式下的制信號(hào)接線圖。

在位置控制模式下，伺服驅(qū)動(dòng)器接收PLC發(fā)出的位置指令信號(hào)脈沖/方向，送入脈沖列形態(tài)，經(jīng)電子齒輪分/陪頻后，在偏差可逆計(jì)數(shù)器中與反饋脈沖信號(hào)比較后形成偏差信號(hào)。反饋脈沖是由光電編碼器檢測(cè)到電機(jī)實(shí)際所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，經(jīng)四倍頻后產(chǎn)生的。位置偏差信號(hào)經(jīng)位置環(huán)的復(fù)合前饋控制器調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號(hào)。速度指令信號(hào)與速度反饋信號(hào)與位置檢測(cè)裝置相同比較后的偏差信號(hào)經(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號(hào)，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后，由SPWM輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機(jī)的運(yùn)行。

2.3 光柵尺測(cè)量電路

光柵是一種數(shù)字式位移傳感器,由于其具有高精確度、高分辨率、大量程、較強(qiáng)抗干擾能力、較高測(cè)量速度等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量、自動(dòng)測(cè)試和數(shù)字顯示功能,目前已廣泛應(yīng)用于位移精密測(cè)量和精密定位控制領(lǐng)域[5]。根據(jù)采集到的運(yùn)動(dòng)方向和信號(hào)變化的周期用計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),就可以測(cè)出總的位移量。

圖3為該測(cè)量裝置的測(cè)量原理示意圖，圖3（a）圖所示擋板還處于原點(diǎn)位置，兩板之間的距離為H0,原長(zhǎng)L0。彈簧被測(cè)圓柱到位后，電機(jī)1正轉(zhuǎn)，直到行程開關(guān)動(dòng)作時(shí)停止前進(jìn)，此時(shí)兩板之間的距離為H1，如圖3（b）。指示光柵固定在與彈簧相連的軸上，保證了指示光柵和標(biāo)尺光柵的相對(duì)位移與彈簧的伸縮量一致。圓柱體在滾動(dòng)前進(jìn)的過程中，圓柱體直徑由小變大時(shí)，彈簧被壓縮，圓柱直徑由大變小時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)。彈簧的壓縮和伸長(zhǎng)即對(duì)應(yīng)著指示光柵的運(yùn)動(dòng)，通過測(cè)量指示光柵相對(duì)于標(biāo)尺光柵的相對(duì)位移，即可得到彈簧的最大壓縮量，從而便可得到圓柱體的最大直徑Dmax。圖3（c）所示為測(cè)量圓柱位于最大直徑處，此時(shí)測(cè)得彈簧的最大壓縮量為L(zhǎng)max=(L0-L2)，圓柱最大直徑即為：

圖3 測(cè)量原理示意圖

本設(shè)計(jì)預(yù)采用北京正開儀器有限公司生產(chǎn)的MC-JCXF系列小型位移光柵光感器，用于測(cè)量彈簧壓縮位移量。其可以輸出A、B兩路相位差為90°的方波信號(hào)，經(jīng)辨向及計(jì)數(shù)電路處理后即可獲得與彈簧變形呈正比的計(jì)數(shù)脈沖[6]。

四倍頻專用集成電路 QA740210可以用于對(duì)光柵傳感器方波信號(hào)的處理?？梢詫陕氛坏姆讲ㄟM(jìn)行四倍頻后產(chǎn)生兩路加、減計(jì)數(shù)信號(hào)，可送加減計(jì)數(shù)輸入雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)，也可直接送微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖4所示，將集成電路獲得的兩路加減脈沖輸入到PLC的加減計(jì)數(shù)器，PLC最終通過脈沖計(jì)數(shù)得到彈簧的最大壓縮量，完成本次測(cè)量。

圖4 光柵傳感器測(cè)量硬件原理圖

2.4 分組系統(tǒng)

圖5 所示為本設(shè)計(jì)中分組模塊的噴槍安裝示意圖。四個(gè)噴槍依次排列在流水線上，每個(gè)噴槍前后各安裝一個(gè)光電開關(guān)，用于檢測(cè)噴槍開始工作和停止工作的時(shí)間。PLC依照通過光柵尺測(cè)量得到的圓柱直徑尺寸，對(duì)噴槍發(fā)送工作命令，完成對(duì)圓柱體噴料，實(shí)現(xiàn)分組[7]。

圖5 噴槍安裝示意圖

2.5 I/O分配及控制接線圖

根據(jù)該控制系統(tǒng)的控制要求和對(duì)該裝置控制過程的分析，列出圓柱體直徑測(cè)量裝置PLC控制系統(tǒng)的I/O端口分配如表1所示。

表1 輸入端子分配

表2 輸出端子分配

由表1和表2中PLC的I/O地址分配可知，系統(tǒng)共有18個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，12個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)，根據(jù)以上分析，考慮能夠達(dá)到以上要求并且性價(jià)比較高的因素，最終為本系統(tǒng)選擇的PLC型號(hào)為西門子公司S7-226系列。該型號(hào)有24個(gè)輸入接口，16個(gè)輸出接口，可滿足輸入輸出要求。

首先要設(shè)置PLC 的啟動(dòng)/停止控制，保證PLC必須是在一切就緒的情況下工作，同時(shí)在發(fā)生緊急情況下，可以人工控制程序的停止運(yùn)行。如圖，I0.0為程序的啟動(dòng)按鈕，I0.3是緊急停止按鈕。按下I0.0，中間繼電器M0.0自鎖，保證后續(xù)程序的執(zhí)行。緊急情況下，按下I0.3，切斷M0.0，這樣后續(xù)的程序全部停止，保證安全。PLC協(xié)調(diào)各設(shè)備之間有序地完成對(duì)圓柱體最大直徑的檢測(cè)與分組，圖6所示為測(cè)量裝置的PLC控制系統(tǒng)接線圖。

圖6 測(cè)量裝置PLC控制系統(tǒng)接線圖

3 測(cè)量裝置控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，完成對(duì)PLC程序的設(shè)計(jì)。

3.1 分組計(jì)算

PLC根據(jù)采集到的運(yùn)動(dòng)方向和信號(hào)變化的周期,用計(jì)數(shù)器C20對(duì)光柵尺輸入的加減脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),最終計(jì)數(shù)值乘以每個(gè)脈沖信號(hào)代表的移動(dòng)距離，即為指示光柵和標(biāo)尺光柵的最大相對(duì)位移，即彈簧的最大壓縮量。

本題選用的光柵傳感器的柵距為0.02mm(50線/mm)[8]。對(duì)光柵傳感器信號(hào)四細(xì)分后，每個(gè)脈沖信號(hào)代表的移動(dòng)距離為0.005mm，若擋板和固定板之間的初始距離H0設(shè)為285mm，根據(jù)對(duì)圓柱體直徑的分組要求，其分組情況如下：

若1200

若1100

若1000≤C20≤110，則為C組；

若1300

若C20<1000，或 C20>1400，則不合格。

當(dāng)C20完成一次測(cè)量計(jì)數(shù)后，將其計(jì)數(shù)值保存在寄存器VW0中，同時(shí)C20復(fù)位，等待下一次測(cè)量計(jì)數(shù)。

3.2 控制流程圖

在進(jìn)行系統(tǒng)的程序編寫之前，必須要知道系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)流程，流程是根據(jù)系統(tǒng)的功能制定的。本系統(tǒng)以雙工作臺(tái)流水線上的圓柱體為對(duì)象，人工完成上料、下料，PLC完成定位、測(cè)量和分組的功能。

光電傳感器SQ0接收到工件到位信息后，PLC控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，同時(shí)光柵傳感器開始測(cè)量，最終脈沖計(jì)數(shù)器C20的值被保存在寄存器VW0中；擋板在電機(jī)的帶動(dòng)下在X、Y兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)路徑分別由四個(gè)行程開關(guān)控制。測(cè)量完成后，將計(jì)數(shù)器清零繼續(xù)下一輪的測(cè)量，然后對(duì)VW0的值進(jìn)行比較，對(duì)尺寸值分組。當(dāng)圓柱體到達(dá)滿足要求的噴碼槍位置是，PLC控制噴槍工作，對(duì)圓柱體噴上對(duì)應(yīng)的顏色，完成分組。這就完成了整個(gè)控制流程，如圖7所示。

PLC作為整個(gè)檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)核心，承擔(dān)著設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能，同時(shí)還承擔(dān)著尺寸測(cè)量的運(yùn)算功能。系統(tǒng)控制流程圖完成之后，根據(jù)流程圖所要完成的功能，完成PLC程序梯形圖、調(diào)試并運(yùn)行。

圖7 PLC控制流程圖

4 結(jié)束語

本課題設(shè)計(jì)的基于PLC的圓柱體最大直徑檢測(cè)裝置的控制系統(tǒng)，具有如下成果：

1)完成傳送、檢測(cè)、分組的自動(dòng)化，節(jié)省了大量的人力勞動(dòng)。

2)與以往的人工測(cè)量相比，光柵測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用提高了測(cè)量精度。

3)不同分組的圓柱體使用不同顏色進(jìn)行標(biāo)示，為以后的裝配配對(duì)工作提供了方便。

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