張 巍，駱 昕，林家春*

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100124;2.北京市計量檢測科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引 言

標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)作為計量的基準(zhǔn)裝置，具有復(fù)現(xiàn)和保存計量單位量值的作用，其可靠性對基準(zhǔn)裝置所要求的計量性能穩(wěn)定、長期穩(wěn)定運(yùn)行具有特殊意義[1-2]。目前，國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)基本采用砝碼靜重的加荷方式，在測量過程中能夠有效保證加載的準(zhǔn)確度。但該類硬度機(jī)多為上世紀(jì)70年代的產(chǎn)品，其原有的控制系統(tǒng)大多采用繼電器，存在接線復(fù)雜、體積龐大、功能單一且故障率高的缺點，給硬度檢定工作帶來了許多不足和不便之處[3-6]。為了改變這種現(xiàn)狀，實現(xiàn)布氏硬度靈活、高效的檢定，有必要針對原有的硬度機(jī)研制一套結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的自動控制系統(tǒng)。

目前，可編程邏輯控制器(PLC)以其積木式的硬件結(jié)構(gòu)和模塊化的軟件設(shè)計，廣泛應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，依靠強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，實現(xiàn)包括邏輯運(yùn)算、中斷控制、脈沖輸出等各種各樣的功能；其中的伺服系統(tǒng)通過接受和發(fā)送脈沖，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位控制，具有速度響應(yīng)性快、負(fù)載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的特點。

本研究將結(jié)合PLC控制技術(shù)、觸摸屏、伺服系統(tǒng)，用于研制標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)的自動控制系統(tǒng)，旨在提高標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)的準(zhǔn)確性，并實現(xiàn)布氏硬度的全自動檢測。

1 系統(tǒng)原理

1.1 硬度機(jī)原理

直接加荷式標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)主要由：機(jī)架、托盤、吊掛、砝碼、撥叉、壓頭和工作平臺等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 直接加荷式標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)

該硬度機(jī)工作原理是由砝碼的重力直接產(chǎn)生力值。其初試狀態(tài)是撥叉托住所有的砝碼，底部托盤托住吊掛。當(dāng)施加規(guī)定試驗力時，伺服電機(jī)控制硬度機(jī)底部托盤上升，從而使相應(yīng)的砝碼上升，將撥叉撥開后，再控制托盤下降；當(dāng)托盤與吊掛徹底分離的時候，砝碼與吊掛的重力全部施加在頂部壓頭上。

這種直接加荷方式使得力值加載的準(zhǔn)確度非常高，能達(dá)到萬分之一的量級；并且還具有使用時間長、穩(wěn)定性好的特點。

1.2 伺服系統(tǒng)原理

伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器組成。伺服系統(tǒng)主要依靠脈沖定位，精度能夠達(dá)到0.001 mm的量級。伺服電機(jī)帶有22位絕對位置編碼器，其分辨率可達(dá)4 194 304"。電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)，可通過設(shè)置電子齒輪的分子與分母來確定。

假設(shè)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為n，電子齒輪分子為a，分母為b，則伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)為：

(1)

1.3 PLC控制原理

PLC通過發(fā)送一定數(shù)量的脈沖，來控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。在有原點的絕對坐標(biāo)系下，脈沖數(shù)相當(dāng)于“坐標(biāo)軸”，每個脈沖都對應(yīng)固定的位置，系統(tǒng)能從當(dāng)前位置(脈沖輸出當(dāng)前值)及目標(biāo)位置，自動算出移動脈沖的量及方向。

定義原點情況下的絕對脈沖原理圖如圖2所示。

圖2 定義原點情況下的絕對脈沖

圖2中：當(dāng)前位置脈沖值為+200時，將脈沖量設(shè)定值設(shè)為+100，則伺服電機(jī)將會向反方向走100個脈沖數(shù)，直至到達(dá)+100的位置，即移動脈沖量=脈沖量設(shè)定值—指令執(zhí)行時的脈沖輸出當(dāng)前值，這時的方向會根據(jù)當(dāng)前位置脈沖量多少，進(jìn)行自動選擇。

經(jīng)過上述的分析，不難發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的IoT技術(shù)和中心化的系統(tǒng)框架已經(jīng)很難滿足未來的發(fā)展需求。針對IoT平臺的特點，區(qū)塊鏈技術(shù)能解決大量的智能設(shè)備數(shù)據(jù)在中心化的系統(tǒng)框架中會出現(xiàn)的安全和管理問題。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N集成分布式數(shù)據(jù)庫、共識機(jī)制、點對點（P2P）傳輸和非對稱加密算法等新型應(yīng)用模式，具有去中心化、開放性、自治性、匿名性和信息不可篡改的特點。本文主要對IoT平臺之一的體域網(wǎng)展開了詳細(xì)研究，結(jié)合新興的區(qū)塊鏈技術(shù)，針對傳輸?shù)陌踩阅芎蛿?shù)據(jù)傳輸性能差的特點，研究分析了適用于體域網(wǎng)的身份認(rèn)證技術(shù)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)在體域網(wǎng)平臺下設(shè)計一個新興的系統(tǒng)框架，主要解決以下問題:

系統(tǒng)行走的位移可由脈沖數(shù)來記錄。經(jīng)位移傳感器測得脈沖當(dāng)量為0.025 mm，設(shè)系統(tǒng)位移為x(mm)，走x所需的脈沖總數(shù)為N，則有：

(2)

PLC控制硬度機(jī)的流程圖如圖3所示。

圖3 PLC控制硬度機(jī)流程圖

圖3中，PLC通過控制硬度機(jī)底部托盤的升降，進(jìn)而控制砝碼的位移。每級砝碼對應(yīng)一個準(zhǔn)備位置與停止位置，由各自的脈沖數(shù)所決定。系統(tǒng)運(yùn)行速度由脈沖頻率大小決定。

在設(shè)置初試值時，將由式(1)確定合適的脈沖頻率，以及由式(2)計算出的各級砝碼準(zhǔn)備位與停止位對應(yīng)的脈沖數(shù)，置入PLC的數(shù)據(jù)寄存器D中，并顯示在觸摸屏上；由此，在觸摸屏上選擇試驗力，PLC會控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的脈沖數(shù)后自動停止，以此來實現(xiàn)硬度機(jī)砝碼的精準(zhǔn)定位。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該硬件系統(tǒng)主要由：電源模塊、可編程邏輯控制器、伺服放大器、伺服電機(jī)、人機(jī)交互界面、限位開關(guān)、接近(零點)開關(guān)、加載完成開關(guān)幾部分組成，如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)組成

圖4中，電源保證了系統(tǒng)中各個模塊的正常運(yùn)行。可編程邏輯控制器不能直接控制伺服電機(jī)，因此，需要伺服放大器作為“中介”，通過發(fā)送一定數(shù)量的脈沖控制伺服放大器，進(jìn)而控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)；限位開關(guān)保證硬度機(jī)砝碼的運(yùn)動不會超出應(yīng)有的行程范圍；接近開關(guān)是整個系統(tǒng)出發(fā)的原點；加載完成開關(guān)裝在硬度機(jī)底部托盤上，指示托盤與吊掛是否分開，確保試驗力完全加載到壓頭上；人機(jī)交互界面用于使人控制機(jī)器運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)包括PLC程序設(shè)計與人機(jī)交互界面設(shè)計兩部分，其具體組成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)組成

3.1 I/O分配表

標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)的控制系統(tǒng)有6個輸入信號和2個輸出信號，本研究選擇歐姆龍CP1H-X40DT-D型PLC即可滿足其要求，并可為后續(xù)功能的開發(fā)留有充足的余量[7-9]。

其I/O分配表如表1所示。

表1 I/O分配表

3.2 PLC程序設(shè)計

定位功能主要通過PLC給伺服放大器發(fā)送脈沖，控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。

限位保護(hù)功能主要依靠安裝在硬度機(jī)底部的兩個限位開關(guān)來實現(xiàn)，具體是通過碰撞，使其觸點吸合或斷開，來實現(xiàn)控制電路的通斷，達(dá)到控制目的。本研究將這兩個限位開關(guān)接入PLC的輸入端，當(dāng)硬度機(jī)底部托盤碰到上限位或者下限位時，限位開關(guān)觸點吸合，觸發(fā)停止脈沖輸出指令，伺服電機(jī)即刻停止旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)《GB/T 231.1-2018金屬材料布氏硬度試驗》的要求[11]，硬度機(jī)在加荷-保持相應(yīng)時間-卸荷的過程要實現(xiàn)全自動，否則會對試樣壓痕的精度造成影響。

程序設(shè)計思路如下：在觸摸屏上選擇相應(yīng)載荷后，伺服電機(jī)會按照預(yù)設(shè)的脈沖量旋轉(zhuǎn)，使砝碼達(dá)到加載完畢的停止位置；在這個過程中，將脈沖設(shè)定量與當(dāng)前脈沖量進(jìn)行實時比較，當(dāng)兩者相等時，說明載荷加載完畢，隨即觸發(fā)定時器指令，倒計時10 s后觸發(fā)返回指令，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使砝碼回到準(zhǔn)備加載位，至此，整個加卸荷過程完成。

為了使調(diào)試過程更加方便快捷，本研究在PLC程序設(shè)計中增加了在觸摸屏上修改參數(shù)的功能，即在觸摸屏上放置數(shù)值輸入元件，能夠隨時更改每級砝碼準(zhǔn)備位置和停止位置的脈沖量、脈沖頻率(電機(jī)速度)、每級砝碼的保持時間等參數(shù)，使操作更加簡便。

3.3 觸摸屏界面設(shè)計

人機(jī)交互界面(觸摸屏)主要用來控制PLC的指令語言，并檢測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

其界面設(shè)計主要分為4部分：開始界面、控制面板、測試界面和設(shè)定界面，如圖6所示。

圖6 觸摸屏界面

圖6中：(1)開始界面是系統(tǒng)的初試界面，按下“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕后，即進(jìn)入控制面板；(2)控制面板是觸摸屏界面設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，也是主要工作界面，一般測量均在該界面下進(jìn)行。選擇載荷完成試驗力加載卸載過程，按鈕上放置了指示燈，當(dāng)試驗力加載到位后，指示燈亮起，能夠?qū)崟r獲取系統(tǒng)此時的狀態(tài)信息；(3)測試界面，也是手動控制界面，能夠隨時調(diào)整砝碼的位置，還能顯示當(dāng)前脈沖數(shù)、脈沖頻率以及當(dāng)前位移等狀態(tài)信息。由于在確定砝碼設(shè)定界面的參數(shù)之后，不宜隨意更改，在測試界面增加了“密碼”，只有輸入密碼才能進(jìn)入設(shè)定界面；(4)砝碼設(shè)定界面可以設(shè)定砝碼相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

觸摸屏界面設(shè)計充分考慮了實用性和可靠性，操作人員只須在控制面板上選擇好欲加載荷，控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)自動加荷—保持—卸荷的過程，大大簡化了操作流程[12-15]；若遇到跳閘等緊急情況，重新上電后，觸摸屏上依舊會顯示斷電前硬度機(jī)的當(dāng)前位置(脈沖數(shù))，操作人員可以進(jìn)入測試界面進(jìn)行手動調(diào)試，使硬度機(jī)回到初始位置，然后再重新開始硬度塊的檢定工作。

4 實際應(yīng)用

本研究將編寫完整的程序?qū)懭隤LC，通過觸摸屏控制硬度機(jī)，對HBW 5/750、HBW 10/1 000和HBW 10/3 0003種布氏硬度試樣進(jìn)行了布氏硬度試驗。

試驗所得的硬度值及相對示值誤差如表2所示。

表2 硬度值驗證試驗數(shù)據(jù)

工作基準(zhǔn)布氏硬度機(jī)的具體修正量要求如表3所示。

表3 工作基準(zhǔn)布氏硬度機(jī)修正量要求

將上述試驗示值相對誤差與表3中的工作基準(zhǔn)布氏硬度機(jī)修正量絕對值進(jìn)行比對[16]可知，試驗硬度值全部符合標(biāo)準(zhǔn)；同時，試驗結(jié)果也表明控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠，檢測效率也得到了提高。

5 結(jié)束語

針對標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)自動控制系統(tǒng)的研制，本文應(yīng)用PLC控制伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)了精準(zhǔn)的定位控制，控制過程更加便捷；通過PLC編程實現(xiàn)了試驗力的全自動加卸載。

測試試驗結(jié)果表明：該硬度機(jī)能夠高質(zhì)量、高效率地完成標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度塊的檢定工作，所測硬度值符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對工作布氏硬度計的檢定與診斷有實際指導(dǎo)意義，具有一定的工程應(yīng)用價值。相對于繼電器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有性能可靠、調(diào)整靈活等優(yōu)點。