基于PLC的彈簧性能檢測系統的設計

1引言

　　當前，國內彈簧產(chǎn)品設計制造工藝生產(chǎn)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(lái)越高。所以，能實(shí)現彈簧性能檢測的智能化設備的開(kāi)發(fā)，成為彈簧工業(yè)發(fā)展的需要和必然趨勢。近年來(lái)隨著(zhù)彈簧生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量意識的提高，越來(lái)越多的自動(dòng)化設備，如傳感器、控制器、智能儀表等應用到工業(yè)生產(chǎn)的控制現場(chǎng)中來(lái)。本設計涉及機械、電子、控制及氣動(dòng)等各學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)，裝置由機械、電氣、軟件三部分組成，是一個(gè)典型的機電一體化系統，可實(shí)現數控系統的精確定位控制和計算機與PLC的串行通信，并以專(zhuān)家控制方式對整個(gè)檢測過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，具備智能化功能，可自動(dòng)記錄管理數據，判斷檢測結果，分析故障原因，該產(chǎn)品的設計開(kāi)發(fā)可大大提高彈簧性能檢測的高效性和準確性。

　　2彈簧性能檢測系統概述

　　2.1檢測系統的組成[1]

　　一只彈簧有多個(gè)參數需要檢測，如負荷、剛度、柔度等，其中負荷是最常見(jiàn)的檢測指標，它表明了在指定變形的情況下，該彈簧所產(chǎn)生的負荷值，用以控制自動(dòng)機械所需要的動(dòng)力，同時(shí)又不至于產(chǎn)生過(guò)大的載荷。所以本系統就是通過(guò)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要求，來(lái)對成批彈簧進(jìn)行分選檢測。彈簧性能檢測系統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，檢測系統結構示意圖如圖1所示。



　　圖1彈簧檢測系統結構示意圖

　　2.2工作原理

　　檢測系統根據設置可完成智能化運行，為實(shí)現彈簧性能檢測系統檢測過(guò)程的全自動(dòng)化，達到智能控制要求，操作員在進(jìn)行操作前需要通過(guò)上位機軟件對整個(gè)檢測過(guò)程進(jìn)行參數設置，設置的內容包括彈簧類(lèi)型、彈簧壓縮次數、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(guò)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(jìn)行A／D轉換、濾波、整流等處理，再與上位機計算機進(jìn)行串行通信，把處理后的信號發(fā)送到計算機的緩存區中。伺服系統接收到控制信號后，可完成對伺服電機的正、反轉，旋轉角度，旋轉速度等動(dòng)作的控制，通過(guò)同步齒形帶將動(dòng)作再次傳遞給絲杠，完成絲杠與彈簧座的一同上下動(dòng)作，從而使被測彈簧實(shí)現伸縮檢測。整個(gè)檢測過(guò)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

　　系統設有校驗、手動(dòng)、自動(dòng)3種工作方式。校驗工作方式：每次系統上電開(kāi)機時(shí)，設定的標準長(cháng)度的量程對測試機壓頭與底座之問(wèn)的高度進(jìn)行校驗，以保證測試的準確性；手動(dòng)工作方式：在設備調試或計算機系統出現故障時(shí)，可通過(guò)手動(dòng)方式測試彈簧參數；自動(dòng)工作方式：根據不同型號的彈簧，自動(dòng)將伸縮力分為N等份，在彈簧壓縮過(guò)程中，每經(jīng)過(guò)一個(gè)壓縮點(diǎn)，將壓縮力、彈簧高度、壓縮量作為一組數據儲存在相應的PLC數據寄存器中。

　　3系統硬件設計

　　3.1機械部分設計

　　在機械部分中，綜合考慮到技術(shù)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(shí)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(chǎn)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(dòng)的轉向架連接，可旋轉180度的角度；在安全作業(yè)方面，每個(gè)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(shí)可拆卸；在移動(dòng)方面，檢測裝置安裝有4個(gè)帶剎車(chē)的滑輪，可方便地移動(dòng)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(mén)子S7-200PLC為控制核心，每個(gè)工位配有獨立壓力傳感器、電機、伺服系統、傳送帶、控制按鈕等，可完成自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制功能。系統主要包括計算機系統(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(jiàn)表1。

　　表1PLC輸入/輸出端口定義

　　PLC實(shí)現系統的定位控制主要表現在：PLC通過(guò)對伺服驅動(dòng)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(dòng)器能夠精確地控制電機的轉速、轉角、方向等，電機再帶動(dòng)絲杠運動(dòng)，完成彈簧座的定位控制。在定位控制過(guò)程中，主要影響定位精度的因素有：(1)定位控制過(guò)程中所涉及到的一系列傳動(dòng)機械誤差，包括絲杠間隙、同步齒形帶的松緊等因素。(2)根據實(shí)際情況計算的PLC向伺服驅動(dòng)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(chǎn)生高速脈沖，用來(lái)驅動(dòng)負載實(shí)現精確控制。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(gè)數。脈沖周期變化范圍是10～65535us或2～65535ms，為16位無(wú)符號數據；脈沖個(gè)數用雙字無(wú)符號數表示，取值范圍是1～4294967295之間。PWM可以輸出連續的、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(mǎn)足系統精確定位的要求。

　　3.3控制方案設計

　　按數控系統的進(jìn)給伺服系統有無(wú)位置測量反饋裝置可分為開(kāi)環(huán)數控系統和閉環(huán)數控系統。開(kāi)環(huán)伺服系統無(wú)位置反饋，是數控系統中最簡(jiǎn)單的伺服系統，其驅動(dòng)元件主要為功率步進(jìn)電機。PLC發(fā)出的指令脈沖，通過(guò)驅動(dòng)電路放大送到步進(jìn)電機，電機輸出軸轉過(guò)一定的角度，再通過(guò)同步齒形帶和絲杠螺母帶動(dòng)絲杠和彈簧座上下移動(dòng)。步進(jìn)電機軸轉過(guò)的角度正比于指令脈沖的個(gè)數，旋轉速度的大小正比于指令脈沖的頻率。由于沒(méi)有檢測反饋裝置，系統中各部分誤差，如步進(jìn)電機的步距誤差、機械系統的誤差等綜合為系統的位置誤差，所以精度較低，速度也受到步進(jìn)電機性能的限制，低速不平穩，高速扭矩小。但開(kāi)環(huán)系統結構簡(jiǎn)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(chǎng)合，在經(jīng)濟型數控機床和普通機床改造中使用較多。在解彈簧檢測過(guò)程中，壓縮尺寸精度誤差要求為0.1mm，所以在伺服系統控制方式上采用開(kāi)環(huán)方式控制。

　　4系統軟件設計

　　檢測裝置的軟件部分，主要指測試裝置的監控軟件和下位機ＰＬＣ控制站軟件設計。上位機監控系統功能框圖如圖3所示。



　　圖3上位機監控系統功能框圖

　　該軟件是根據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(zhuān)家控制方式對整個(gè)檢測過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，具有彈簧壓縮參數設置、測試數據記錄查詢(xún)、打印報表、模擬鍵盤(pán)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

　　監控軟件一方面通過(guò)對計算機緩存區中接收到的信息進(jìn)行解析，判斷處理，完成彈簧檢測過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示、數據記錄、限位報警、故障診斷等操作；另一方面通過(guò)對PLC發(fā)送控制信息，完成對伺服系統高頻脈沖信號、開(kāi)關(guān)量信號的輸入。PLC與計算機的串行通信是通過(guò)PLC控制器上的RS-485串口和計算機上的RS232串口來(lái)完成的。PLC控制通過(guò)“校驗、手動(dòng)、自動(dòng)”選擇開(kāi)關(guān)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(yǔ)

　　本系統功能較強，采用了可靠性較高的工控計算機和PLC進(jìn)行控制，實(shí)現了檢測過(guò)程的智能化。自動(dòng)化程度高，可靠性好，不但排除了原有檢測過(guò)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(dòng)強度，節約了作業(yè)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。投入應用以來(lái)，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(gè)系統更形象直觀(guān)，易于操作，保證了現場(chǎng)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(jià)值。

　　參考文獻

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