陳　靜，孔德仁，顧廷煒

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

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基于PLC高速計數(shù)器的重錘落速測量方法研究

陳靜，孔德仁，顧廷煒

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

落錘裝置可用于傳感器系統(tǒng)的準靜態(tài)校準、塑性測壓器具的準動態(tài)標定、材料沖擊性能測試以及發(fā)射藥、炸藥等爆炸材料的撞擊感度測試等.在實驗過程中，重錘由于摩擦阻力等影響可能無法正常下落，因而導致實驗結果異常.本文簡要介紹了落錘裝置，基于PLC控制系統(tǒng)，針對重錘下落速度測量的特殊性，采用定距測時法，控制高速計數(shù)器發(fā)出時間間隔為0.01 ms的高速脈沖，將重錘上的凸臺經(jīng)過測速環(huán)時產(chǎn)生的上升沿信號作為中斷觸發(fā)信號，通過記錄兩個凸臺經(jīng)過測速環(huán)時發(fā)出的高速脈沖個數(shù)可得到時間間隔，從而實現(xiàn)落速的測量，證明了該方法可解決因PLC掃描周期引起的測速結果不準確或無法測速等問題.

落錘裝置；控制系統(tǒng)；光電測速系統(tǒng)；定距測時法；高速計數(shù)器

落錘裝置應用廣泛，它在傳感器系統(tǒng)的準靜態(tài)校準、塑性測壓器具的準動態(tài)標定、材料沖擊性能測試[1]以及發(fā)射藥、炸藥等爆炸材料的撞擊感度測試[2]等方面都發(fā)揮著重要的作用.

采用落錘液壓標定裝置進行壓電式壓力測量系統(tǒng)的準靜態(tài)校準試驗[3]時，重錘沿導桿自由下落并打擊活塞，使造壓油缸內(nèi)的壓力增大，重錘反彈，造壓油缸內(nèi)便形成了半正弦型壓力脈沖.由于導桿的加工精度和安裝時的垂直度不高等問題，會使得重錘與導向系統(tǒng)之間有阻尼，甚至出現(xiàn)卡滯等現(xiàn)象，可能造成重錘下落不靈活，無法做自由落體運動，導致其動能值與落高的對應關系不穩(wěn)定，測試系統(tǒng)所采集到的壓力值異常.采用抗沖強度落錘試驗儀[4]測量粒狀發(fā)射藥的抗沖強度時，便是使重錘自由下落撞擊側臥的被試發(fā)射藥藥粒.藥粒在沖擊載荷的作用下會被破壞，經(jīng)大量實驗統(tǒng)計，用重錘重量和下落高度的乘積表示抗沖強度.在采用錘重不同，落高相同的方法來造成能量間距時，理論上不同質(zhì)量的重錘在同一高度下落的末速度相同，但由于實驗裝置放置情況(是否呈水平狀態(tài))、實驗人員操作情況、重錘下落是否受阻等問題，可能會影響重錘自由下落.

由此可見，為檢驗實驗結果異常是否與重錘下落受阻有關，測量重錘的落速是很有必要的.本文針對重錘下落速度測量的特殊性，介紹了一種自行設計的基于PLC高速計數(shù)器指令(HDEF和HSC)的重錘落速測量方法，并通過試驗對落錘在正常情況和施加阻尼兩種不同狀態(tài)下運動的速度進行監(jiān)測，結果表明該方法用來判斷重錘沿導向系統(tǒng)運動的情況是可行的.

1　落錘裝置

1.1落錘裝置的工作原理

圖1　落錘裝置結構示意圖Fig.1　The diagram of the quasi-static calibration device structure

簡單的落錘測量裝置包括步進電機、重錘定位組件、提錘機構、托錘機構、重錘組件等，如圖1所示落錘裝置結構示意圖.

提錘機構與重錘定位組件的移動副連接，由步進電機驅動滾珠絲杠帶動，可精確定位在指定高度.正常工作時，氣缸供氣使托錘機構提升重錘組件向上運動至重錘上端吸盤與提錘機構底端電磁鐵接觸，此時氣缸停止供氣，電磁鐵通電并帶動重錘定位到指定高度.當托錘機構復位后，由計算機發(fā)送指令，電磁鐵釋放重錘，重錘沿豎直導向系統(tǒng)自由下落，為防止對試樣二次打擊，托錘機構可自動接錘，由測試系統(tǒng)采集得到相應數(shù)據(jù)[5].

常用的導向裝置有滑動導軌和滾動導軌，重錘沿滑動導軌運動時受到的摩擦阻力大，為確保重錘下落時運動靈活，速度與落高的對應關系穩(wěn)定，重錘與導軌之間采用高精度的滾珠導套，雖然該機構可在一定程度上減小摩擦力，但仍無法避免其對測量結果的影響.

1.2重錘落速測量的特殊性

常用的速度測量方法為區(qū)截裝置測速法[6]，即在運動體的運動軌跡上設置多個區(qū)截裝置，通過測量各區(qū)截裝置之間的間距和運動體通過相鄰兩區(qū)截面的時間τ，利用公式u=s/τ計算出運動體的平均速度.但是，落錘裝置結構復雜，重錘與導軌之間采用高精度的滾珠導套，即重錘組件在下落過程中始終與導向系統(tǒng)相接觸，在其運動軌跡上設置區(qū)截裝置會影響重錘的運動，因此，常規(guī)的測速方法是難以實現(xiàn)的.

隨著科技的進步，落錘裝置由手動控制逐步發(fā)展為自動控制系統(tǒng)，目前國內(nèi)外大多數(shù)的落錘實驗裝置是由PLC控制的.在不影響重錘沿導向系統(tǒng)自由運動的前提下，如何借助于控制系統(tǒng)PLC準確地測量重錘的下落速度是值得研究的.

2　重錘下落速度測量方法

2.1錘頭及測速環(huán)結構設計

借助于區(qū)截裝置測速的原理，鑒于上述重錘下落速度測量的特殊性，可在運動體重錘的錘頭上設計兩個距離為L的凸臺結構做為區(qū)截裝置，如圖2所示.

根據(jù)上述分析，采用定距測時的測速方法，若想得到落錘沿導向系統(tǒng)運動的速度，需得到時間間隔.在圖1所示落錘裝置的定位臺面中央位置上安裝一測速環(huán)，在測速環(huán)的對稱位置上設置兩個孔放置光電二極管，設計距離應既能保證輸入到PLC的信號電壓足夠大，又能確保重錘下落時可以擋住發(fā)射端的光線，其結構如圖3所示.

圖2　重錘錘頭結構Fig.2　The structure of the hammer

圖3　測速環(huán)結構 Fig.3　The structure of the speed detector

圖4　光電傳感器電路圖Fig.4　The diagram of photoelectric sensor circuit

2.2光電測速系統(tǒng)的原理

正常情況下，光電傳感器的發(fā)射端向接收端發(fā)射光線，接收端輸出高電平信號至PLC的輸入端口，重錘下落時，錘頭上的兩個凸臺先后擋住發(fā)光端的光線，接收端輸出兩個低電平信號，由此產(chǎn)生兩個脈沖信號.PLC記錄兩個脈沖信號的時間間隔，已知錘頭兩個凸臺結構的距離L，根據(jù)速度計算公式v=L/t計算得到重錘的下落速度.電路圖如圖4所示，其中電阻用來避免光電傳感器因電流過大而燒毀.

2.3脈沖信號時間間隔測量方法

采用PLC測量脈沖時間間隔時，若重錘從高度為1.5 m的位置下落，根據(jù)自由落體運動的公式重錘的末速度v≈5.421 m/s，若凸臺距離為5 mm，則錘頭上的兩個凸臺通過測速環(huán)的時間間隔t≈0.922 ms，而PLC的掃描周期T=3 ms>t，導致其未及時甚至無法掃描到脈沖信號，造成測時結果不準確或無法測時等問題.

常規(guī)的時間間隔測量方法一般采用PLC的定時器指令，由于其時間基準最小為1 ms，則系統(tǒng)最大只能測vmax=5 m/s的速度，即重錘落高最高為hmax≈1.28 m，則該方法只能測限定高度內(nèi)重錘下落的速度，兩個凸臺間的距離需根據(jù)落高的不同進行調(diào)節(jié)，具有一定的局限性.此外，普通定時器的時間基準過大亦會導致測量速度結果分辨率太低、準確度不高等問題.

針對以上所述的問題，本文提出了采用s7-200中的高速計數(shù)器指令(HDEF和HSC)測量脈沖信號時間間隔的方法.該方法即利用高速輸出脈沖指令(PLS)持續(xù)發(fā)送頻率為100 kHz的脈沖信號，并啟動高速計數(shù)器的模式12(即HSC0和HSC3分別計數(shù)Q0.0,Q0.1所發(fā)脈沖數(shù)目)，當重錘上的兩個凸臺經(jīng)過測速環(huán)時產(chǎn)生兩個上升沿信號，將該信號作為中斷觸發(fā)信號，且兩個中斷程序分別執(zhí)行讀取高速計數(shù)器記錄脈沖數(shù)的當前值的命令，兩次讀取的差值與發(fā)送的脈沖信號的周期(0.01 ms)的乘積即為脈沖信號的時間間隔.該方法實現(xiàn)了0.01 ms的時間分辨率，在很大程度上提高了速度測量的精度，解決了因PLC掃描周期引起的測速結果不準確或無法測時等問題.

3　測試系統(tǒng)驗證

表1　重錘落速的理論值和實驗數(shù)據(jù)對比

從表1中可看出，實際情況下重錘下落速度的測量值偏小，這是由于重錘沿導向系統(tǒng)運動時因為摩擦力的影響不能做理想的自由落體運動.通過分析重錘從不同高度下落時速度測量值相對于理論值的誤差可知，基于PLC高速計數(shù)器的重錘落速測量方法是可行的.

此外，通過試驗可知，重錘受到的阻尼越大，其速度越小，重錘的動能也越小，與落高的對應關系也越不準確，若在這種狀態(tài)下對傳感器進行準靜態(tài)校準，會導致造壓油缸內(nèi)產(chǎn)生的壓力值偏??；若測量粒狀發(fā)射藥的抗沖強度，會導致撞擊能量偏低，試驗計算得到的抗沖強度變高.因此，當重錘速度異常時，裝置所產(chǎn)生的能量是無法滿足試驗要求的，需對其進行適當?shù)恼{(diào)整.

4　結　論

本文針對重錘下落速度測量的特殊性，借助于控制系統(tǒng)的PLC裝置，設計了光電測速系統(tǒng)，提出了利用s7-200的高速計數(shù)器指令來實現(xiàn)重錘落速測量的方法，目的是根據(jù)重錘速度的大小判斷其是否正常下落.該方法可有效提高測速精度，同時解決了因PLC掃描周期引起的測速結果不準確等問題.針對不同落高開展了多次測速試驗，并將重錘做自由落體運動獲得的速度作為理論值與測試數(shù)據(jù)進行對比，證明了該方法的可行性.此外，重錘受到的阻尼越大，其速度越小，在此狀態(tài)下對傳感器進行準靜態(tài)校準、對塑性測壓器件進行準動態(tài)校準以及測量發(fā)射藥等爆炸材料的撞擊感度時，其試驗結果是不準確的，需對裝置進行適當?shù)卣{(diào)整.

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[3]孔德仁，朱明武，李永新，等.基于落錘動標裝置的傳感器準靜態(tài)絕對校準方法[J].南京理工大學學報(自然科學版)，2002，26(1)：48-51.

Kong Deren，Zhu Mingwu，Li Yongxin，et al.Means of quasi-static absolute calibration of pressure-measuring transducers based on the drop-hammer dynamic pressure calibration system[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology，2002，26(1)：48-51.(in Chinese)

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Study of Methods of Measuring the Velocity of the Hammer Based on PLC High-Speed Counter

CHEN Jing,KONG Deren,GU Tingwei

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

The drop hammer device can be used for the quasi-static calibration of the sensor system,the quasi-dynamic calibration of the plastic pressure-measuring elements,the impact resistance properties tests and the sensitivity of the explosive material such as propellant and charge.In the experimental process,the hammer may not be able to moving downwards normally because of the influence of the friction.which will lead to the abnormal monitoring data from the experiments.The working principle of the drop hammer device are introduced briefly in the essay.The method of measuring the velocity by determining the distance is used aiming at its particularity,which is based on the PLC controlling system.The high-speed pulse ,the time interval is 0.01ms,is generated by the high-speed counter which is controlled by the system.When two convex plates of the hammer pass the speed detector,the pulse which is used as the interrupt trigger signal will be produced.The PLC high-speed counter will record the number of the pulse and the difference can be considered as the internal.The experiment show that the method can solve the problem of result is inaccuracy caused by the frequency of PLC.

drop hammer device; controlling system; photoelectric velocity measurement system; method of measuring time determining the distance; high-speed counter

1671-7449(2016)05-0438-04

2016-01-05

國家自然科學基金資助項目(11372143)

陳靜(1992-)，女，碩士生，主要從事壓電式電測系統(tǒng)絕對式準靜態(tài)校準方法研究.

TH824

Adoi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.013