呂元蒙

（長春汽車檢測(cè)中心有限責(zé)任公司天津分公司）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車行業(yè)發(fā)展的也越來越快，市面上的各種新車型也是層出不窮。隨著人民生活水平的提高，除了對(duì)汽車傳統(tǒng)3大件的性能和可靠性有高的要求外，對(duì)汽車門鎖，汽車玻璃升降器及汽車座椅等汽車零部件的性能和可靠性要求也越來越高。因此汽車零部件的驗(yàn)證試驗(yàn)工作對(duì)汽車的產(chǎn)品質(zhì)量的考核也起到了非常重要的作用。面對(duì)汽車座椅試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步和提高，公司現(xiàn)有設(shè)備不能滿足汽車座椅導(dǎo)軌及操縱桿耐久試驗(yàn)的要求。為了解決這一問題，從經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單實(shí)用、能耗、研制周期角度考慮，針對(duì)座椅導(dǎo)軌及操縱桿耐久試驗(yàn)的特點(diǎn)，決定采用PLC作為控制系統(tǒng)，配合氣缸、電磁閥、座椅工裝夾具、電氣裝置及機(jī)械裝置等元件，制作成不同車型座椅可用通用性強(qiáng)的座椅導(dǎo)軌及操縱桿耐久試驗(yàn)臺(tái)，滿足各車型項(xiàng)目的開發(fā)和OTS試驗(yàn)。

1 PLC簡(jiǎn)介

1.1 可編程序控制器

早期的PLC只能做些開關(guān)量的邏輯控制，但近年來，PLC采用微處理器作為中央處理單元，不僅有邏輯控制功能，還有算術(shù)運(yùn)算、模擬量處理甚至通信聯(lián)網(wǎng)功能，正確應(yīng)稱為PC，但為了與個(gè)人計(jì)算機(jī)有所區(qū)別，仍稱其為PLC[1]。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

可編程邏輯控制器實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本組成如圖1所示。

圖1 可編程控制器基本組成

電源：電源用于將交流電轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部所需的直流電目前大部分PLC采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電。

中央處理單元（CPU）：中央處理器是PLC的控制中樞，也是PLC的核心部件，其性能決定了PLC的性能。中央處理器由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集中在一塊芯片上，通過地址總線、控制總線與存儲(chǔ)器的輸入、輸出接口電路相連。中央處理器的作用是處理和運(yùn)行用戶程序，進(jìn)行邏輯和數(shù)學(xué)運(yùn)算，控制整個(gè)系統(tǒng)使之協(xié)調(diào)。

存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路，它的作用是存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。其中系統(tǒng)程序是控制PLC實(shí)現(xiàn)各種功能的程序，由PLC生產(chǎn)廠家編寫，并固化到只讀存儲(chǔ)器（ROM）中，用戶不能訪問。

輸入單元：輸入單元是PLC與被控設(shè)備相連的輸入接口，是信號(hào)進(jìn)入PLC的橋梁，它的作用是接收主令元件、檢測(cè)元件傳來的信號(hào)。輸入的類型有直流輸入、交流輸入、交直流輸入。

輸出單元：輸出單元也是PLC與被控設(shè)備之間的連接部件，它的作用是把PLC的輸出信號(hào)傳送給被控設(shè)備，即將中央處理器送出的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備的執(zhí)行元件。輸出的類型有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘門輸出。

PLC除上述幾部分外，根據(jù)機(jī)型的不同還有多種外部設(shè)備，其作用是幫助編程、實(shí)現(xiàn)監(jiān)控以及網(wǎng)絡(luò)通信。常用的外部設(shè)備有編程器、打印機(jī)、盒式磁帶錄音機(jī)及計(jì)算機(jī)等[2]。

2 試驗(yàn)臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)的要求和任務(wù)

本試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)對(duì)汽車座椅導(dǎo)軌及操縱桿耐久進(jìn)行檢驗(yàn)控制的試驗(yàn)臺(tái)。熟悉座椅軌道和操縱桿耐久的運(yùn)動(dòng)過程，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的控制方案設(shè)計(jì)：1）根據(jù)制定的控制方案選擇合適的執(zhí)行動(dòng)作元件；2）根據(jù)座椅的安裝形式，設(shè)計(jì)制定一套通用的座椅試驗(yàn)平臺(tái)，能夠合理布置安裝座椅、電磁閥及氣缸等；3）電氣原理圖的設(shè)計(jì)；4）編寫系統(tǒng)控制軟件；5）進(jìn)行座椅耐久試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 控制方案設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，用PLC控制氣缸執(zhí)行動(dòng)作，大致可分為以下幾個(gè)步驟來進(jìn)行：1）操縱桿控制氣缸伸出使操縱桿抬起，滑軌解鎖；2）座椅前后滑動(dòng)控制氣缸伸出，座椅從前止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到后止點(diǎn)；3）操縱桿控制氣缸縮回使操縱桿放下，滑軌鎖止；4）操縱桿控制氣缸伸出使操縱桿抬起，滑軌解鎖；5）座椅前后滑動(dòng)控制氣缸縮回，座椅從后止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到前止點(diǎn)；6）操縱桿控制氣缸縮回使操縱桿放下，滑軌鎖止。

2.3 方案設(shè)計(jì)重點(diǎn)

1）小氣缸的解鎖動(dòng)作，汽車座椅要實(shí)現(xiàn)前后滑動(dòng)的前提是解鎖機(jī)構(gòu)要處于解鎖狀態(tài)，小氣缸動(dòng)作解鎖后要保持一定時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)大氣缸動(dòng)作實(shí)現(xiàn)汽車座椅的前后滑動(dòng)。這個(gè)控制邏輯就不是傳統(tǒng)的前后順利控制邏輯，編程時(shí)需要用特殊控制邏輯去實(shí)現(xiàn)。

2）小氣缸解鎖到位需要?dú)飧淄Ｖ贡３?。由于氣缸特點(diǎn)即使有限位開關(guān)觸發(fā)信號(hào)讓電磁閥閉合不給氣的情況下，氣缸還是會(huì)有一個(gè)慣性的沖擊。為了結(jié)果過沖問題，我們采用鋼絲繩來連接小氣缸和解鎖裝置，把鋼絲繩長度控制好，當(dāng)小氣缸運(yùn)動(dòng)到滿量程極限位置時(shí)，座椅解鎖機(jī)構(gòu)正好也處于解鎖極限位置，避免過開發(fā)生，使其能和實(shí)際使用工況接近，耐久壽命和實(shí)際情況相符。

3）控制前后滑動(dòng)的大氣缸同理為了避免慣性沖擊或者過開情況發(fā)生，需要設(shè)計(jì)2個(gè)位置可調(diào)的前后限位塊，根據(jù)不同型號(hào)座椅先后滑動(dòng)行程不同進(jìn)行調(diào)節(jié)限位。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

首先要設(shè)計(jì)一個(gè)通用的試驗(yàn)平臺(tái)，以便能夠進(jìn)行不同型號(hào)座椅的耐久使用含，根據(jù)控制方案要求硬件需求如下：

1）電控柜：設(shè)計(jì)成可控制3工位的控制柜，在試驗(yàn)任務(wù)多的時(shí)候可通過添加硬件來實(shí)現(xiàn)3工位同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)?？刂乒駜?nèi)包括PLC、電源開關(guān)、電源指示燈、3工位的啟動(dòng)按鈕、暫停按鈕、復(fù)位按鈕及計(jì)數(shù)器等元器件。

2）控制執(zhí)行元件：根據(jù)控制方案設(shè)計(jì)需要1個(gè)空氣調(diào)壓閥、2個(gè)電磁閥及2個(gè)氣缸。

3）座椅工裝夾具：設(shè)置制作1個(gè)通用底板，預(yù)留布置空氣調(diào)壓閥，電磁閥，氣缸及限位塊等元?dú)饧陌惭b位置。為了實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)座椅的安裝，座椅安裝位置設(shè)計(jì)成前后2塊安裝板，座椅可以和安裝板相連，安裝板再和通用底板相連。根據(jù)座椅型號(hào)不同設(shè)計(jì)不同安裝板便可實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)座椅的安裝。還需要設(shè)計(jì)一個(gè)滑動(dòng)大氣缸和座椅連接的通用工裝，滿足不同型號(hào)座椅安裝需要。

工裝設(shè)計(jì)三維圖，如圖2所示。

圖2 工裝圖

3.2 可編程控制器PLC的選擇

本試驗(yàn)臺(tái)每工位需要操縱桿氣缸伸出和縮回2路輸出，座椅前進(jìn)后退2路輸出，計(jì)數(shù)器1路輸出，3工位共15路輸出，電源指示燈1路輸出，共計(jì)需要16路輸出。

輸入為開始按鈕，暫停按鈕，復(fù)位按鈕及3工位共9路輸入。

根據(jù)輸入和輸出路數(shù)需求，本試驗(yàn)臺(tái)選擇歐姆龍的CPM1A型號(hào)PLC控制器[3]。

3.3 PLC輸入輸出點(diǎn)配置表

輸入點(diǎn)配置如表1所示，輸出點(diǎn)配置如表2所示。

表1 輸入點(diǎn)配置表

表2 輸出點(diǎn)配置表

3.4 電氣原理圖

根據(jù)已分配好的輸入輸出點(diǎn)配置表，進(jìn)行電氣原理圖的設(shè)計(jì)，左側(cè)為輸入端，右側(cè)為輸出端，如圖3所示。

圖3 電氣原理圖

4 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制方案設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了梯形圖的程序編寫。主要使用了計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)、上升沿微分、保持繼電器等程序命令。主要程序梯形圖（以1工位為例及3個(gè)工位邏輯控制相同）。

1）啟動(dòng)，如圖4所示。

圖4 啟動(dòng)圖

2）操縱桿控制氣缸伸出，如圖5所示。

圖5 氣缸伸出圖

3）座椅前后滑動(dòng)控制氣缸伸出，如圖6所示。

圖6 座椅前后滑動(dòng)控制氣缸伸出圖

4）操縱桿控制氣缸縮回，如圖7所示。

圖7 操縱桿控制氣缸縮回圖

5）座椅前后滑動(dòng)控制氣缸縮回，如圖8所示。

圖8 座椅前后滑動(dòng)控制氣缸縮回圖

6）計(jì)數(shù)，如圖9所示。

圖9 計(jì)數(shù)圖

5 系統(tǒng)驗(yàn)證和調(diào)試

將座椅和工裝按照試驗(yàn)要求安裝好，點(diǎn)擊1工位開始按鈕，小氣缸伸出使操縱桿抬起，滑軌解鎖；大氣缸伸出，座椅從前止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到了后止點(diǎn)；小氣缸縮回使操縱桿放下，滑軌鎖止；小氣缸氣缸伸出使操縱桿抬起，滑軌解鎖；大氣缸縮回，座椅從后止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到前止點(diǎn)；小氣缸氣缸縮回使操縱桿放下，滑軌鎖止。設(shè)備完全按照控制方案的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)操縱桿和滑軌的耐久試驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)備設(shè)計(jì)的要求，驗(yàn)證通過，如圖10所示。

圖10 電氣原理圖

6 結(jié)論

文章介紹了PLC可編程控制器的基本組成和工作原理。通過對(duì)座椅耐久試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的解讀，制定了試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案和要求。根據(jù)具體試驗(yàn)需求，確定了各硬件需求的數(shù)量及型號(hào)，設(shè)計(jì)了通用的工裝地板，能夠針對(duì)不同座椅型號(hào)制作連接安裝工裝進(jìn)行耐久試驗(yàn)。根據(jù)氣缸執(zhí)行的邏輯控制要求進(jìn)行了PLC程序的編寫。最后進(jìn)行了試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證能夠達(dá)到總體設(shè)計(jì)要求。PLC可編程控制器小巧便捷，價(jià)格便宜，控制程序編寫簡(jiǎn)單，配合一些執(zhí)行部件可靈活搭建成各種試驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)一些控制簡(jiǎn)單的試驗(yàn)可做到低成本高效率。廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研教學(xué)中，未來還會(huì)有更大的發(fā)展空間。