基于PLC的彈簧性能檢測系統的設計

1引言

　　當前，國內彈簧產品設計制造工藝生產設備快速發展，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越高。所以，能實現彈簧性能檢測的智能化設備的開發，成為彈簧工業發展的需要和必然趨勢。近年來隨著彈簧生產企業質量意識的提高，越來越多的自動化設備，如傳感器、控制器、智能儀表等應用到工業生產的控制現場中來。本設計涉及機械、電子、控制及氣動等各學科領域技術，裝置由機械、電氣、軟件三部分組成，是一個典型的機電一體化系統，可實現數控系統的精確定位控制和計算機與PLC的串行通信，并以專家控制方式對整個檢測過程進行實時監控，具備智能化功能，可自動記錄管理數據，判斷檢測結果，分析故障原因，該產品的設計開發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]

　　一只彈簧有多個參數需要檢測，如負荷、剛度、柔度等，其中負荷是最常見的檢測指標，它表明了在指定變形的情況下，該彈簧所產生的負荷值，用以控制自動機械所需要的動力，同時又不至于產生過大的載荷。所以本系統就是通過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，來對成批彈簧進行分選檢測。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，為實現彈簧性能檢測系統檢測過程的全自動化，達到智能控制要求，操作員在進行操作前需要通過上位機軟件對整個檢測過程進行參數設置，設置的內容包括彈簧類型、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：通過壓力傳感器采集當前彈簧壓縮狀態下的回彈力，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對所采集的信號進行A／D轉換、濾波、整流等處理，再與上位機計算機進行串行通信，把處理后的信號發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，旋轉速度等動作的控制，通過同步齒形帶將動作再次傳遞給絲杠，完成絲杠與彈簧座的一同上下動作，從而使被測彈簧實現伸縮檢測。整個檢測過程的工作原理如圖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、自動3種工作方式。校驗工作方式：每次系統上電開機時，設定的標準長度的量程對測試機壓頭與底座之問的高度進行校驗，以保證測試的準確性；手動工作方式：在設備調試或計算機系統出現故障時，可通過手動方式測試彈簧參數；自動工作方式：根據不同型號的彈簧，自動將伸縮力分為N等份，在彈簧壓縮過程中，每經過一個壓縮點，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設計，可同時檢測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的轉向架連接，可旋轉180度的角度；在安全作業方面，每個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可拆卸；在移動方面，檢測裝置安裝有4個帶剎車的滑輪，可方便地移動與固定。

　　3.2電氣部分設計

　　檢測裝置的電氣控制部分以西門子S7-200PLC為控制核心，每個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，可完成自動和手動兩種控制功能。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控制端口定義見表1。

　　表1PLC輸入/輸出端口定義

　　PLC實現系統的定位控制主要表現在：PLC通過對伺服驅動器的脈沖信號、正／反轉信號、使能信號等的控制，從而使伺服驅動器能夠精確地控制電機的轉速、轉角、方向等，電機再帶動絲杠運動，完成彈簧座的定位控制。在定位控制過程中，主要影響定位精度的因素有：(1)定位控制過程中所涉及到的一系列傳動機械誤差，包括絲杠間隙、同步齒形帶的松緊等因素。(2)根據實際情況計算的PLC向伺服驅動器發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，能在輸出端產生高速脈沖，用來驅動負載實現精確控制。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數。脈沖周期變化范圍是10～65535us或2～65535ms，為16位無符號數據；脈沖個數用雙字無符號數表示，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

　　按數控系統的進給伺服系統有無位置測量反饋裝置可分為開環數控系統和閉環數控系統。開環伺服系統無位置反饋，是數控系統中最簡單的伺服系統，其驅動元件主要為功率步進電機。PLC發出的指令脈沖，通過驅動電路放大送到步進電機，電機輸出軸轉過一定的角度，再通過同步齒形帶和絲杠螺母帶動絲杠和彈簧座上下移動。步進電機軸轉過的角度正比于指令脈沖的個數，旋轉速度的大小正比于指令脈沖的頻率。由于沒有檢測反饋裝置，系統中各部分誤差，如步進電機的步距誤差、機械系統的誤差等綜合為系統的位置誤差，所以精度較低，速度也受到步進電機性能的限制，低速不平穩，高速扭矩小。但開環系統結構簡單，易于控制與調整，一般用于輕載、負載變化不大、精度要求不高的場合，在經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環方式控制。

　　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．采用專家控制方式對整個檢測過程進行實時監控，具有彈簧壓縮參數設置、測試數據記錄查詢、打印報表、模擬鍵盤輸入等功能。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對計算機緩存區中接收到的信息進行解析，判斷處理，完成彈簧檢測過程的實時動態顯示、數據記錄、限位報警、故障診斷等操作；另一方面通過對PLC發送控制信息，完成對伺服系統高頻脈沖信號、開關量信號的輸入。PLC與計算機的串行通信是通過PLC控制器上的RS-485串口和計算機上的RS232串口來完成的。PLC控制通過“校驗、手動、自動”選擇開關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

　　本系統功能較強，采用了可靠性較高的工控計算機和PLC進行控制，實現了檢測過程的智能化。自動化程度高，可靠性好，不但排除了原有檢測過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強度，節約了作業時間，提高了生產效率。投入應用以來，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，使得整個系統更形象直觀，易于操作，保證了現場運行的安全可靠性，在彈簧工業發展中具有較高的推廣價值。

　　參考文獻

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　　[2]章彬宏，王琳．基于PLC的彈簧測試機控制系統[J].科技論壇，2003(9).

　　[3]廖常初.PLC編程及應用[M].北京:機械工業出版社.2005.

　　[4]許萬里.智能彈簧檢測裝置的研制[J].應用科技.2001，28(7).