張緊器彈性測試的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢-畢業(yè)論文

PAGEIV摘要本文主要針對如何對汽車張緊器進行性能檢測做了研究。隨著PLC的出現(xiàn)及發(fā)展，PLC的應用越來越廣泛，具有廣闊的應用前景。本文提出了用PLC技術設計汽車張緊器靜態(tài)試驗機的系統(tǒng)的整體方案。在這篇論文中結合張緊器系統(tǒng)工作的實際情況，應用PLC技術設計一個張緊器的靜態(tài)試驗機來檢測張緊器中的柱塞彈簧的承載能力。主要完成了以下幾個方面的工作：首先對張緊器的工作原理進行了解，然后完成了張緊器靜態(tài)試驗系統(tǒng)的整體設計。在正確的器件選型及軟硬件設計的基礎上，完成了張緊器性能檢測靜態(tài)試驗的各子系統(tǒng)工作研究。張緊器性能檢測的靜態(tài)試驗分為兩個，一是檢測塞柱彈出一定距離時的最大沖力和穩(wěn)定后彈力；二是檢測彈簧被壓縮一定距離后產(chǎn)生的形變。本文以這兩個試驗內(nèi)容為基礎，應用PLC技術完成對張緊器靜態(tài)性能檢測的靜態(tài)試驗機的設計。關鍵詞：張緊器，試驗機，柱塞彈簧，系統(tǒng)設計AbstractThisarticlefocusedonhowtheautotensionerforperformancetesting.Withtheappearanceandthedevelopment,thePLCapplicationismoreandmorewidespread,whichhasthebroadapplicationprospect.ThispaperpresentstheoverallprogramPLCtechnicaldesignaboutautotensionerstatictestingmachinesystem.Thistensionersystemtotheactualsituation,usingPLCtechnologytodesignatensionerinstatictestingmachinetodetectthetensionerplungerspringloadcapacity.Thisarticlehasmainlycompletedfollowingwork:First,tounderstandtheworkingprincipleofthetensioner,andthencompletetheoveralldesignofthestatictestofthetensionersystem.Onthebasisofthecorrectselectionofdevicesandhardwareandsoftwaredesign,completetensionerperformancetestingstudyonthestatictestingofthesubsystem.Therearetwotensionerperformancetestsofthestatictest.Oneistotesttheplugcolumnpop-upofthelargestmomentumandstabilityinelasticwhenacertaindistance.Theothertestistodeformationdetectionofthespringcompressedtoacertaindistance.Inthispaperbasedonthesetwotestcontent,applicationsPLCtechnologytocompletethedesignofthestatictestofthestaticperformancetestingofthetensioner.KeyWords：tensioner，Testingmachine，Plungerspring，Systemdesign

目錄1緒論 11.1張緊器性能測試的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 11.2PLC在控制系統(tǒng)中應用現(xiàn)狀與發(fā)展 21.3系統(tǒng)主要研究內(nèi)容 42PLC控制張緊器的系統(tǒng)整體設計 62.1張緊器系統(tǒng)結構設計與工作原理 62.1.1張緊器工作原理 62.1.2張緊器靜態(tài)試驗系統(tǒng)結構設計 72.2系統(tǒng)各部分實現(xiàn)方案 92.3系統(tǒng)設計的主要器件選擇 102.3.1PLC的選型 102.3.2稱重傳感器的選擇 122.3.3光柵尺的選擇 142.3.4伺服電機的選擇 153系統(tǒng)硬件電路設計 173.1PLC與PC通訊電路 173.2稱重傳感器接口電路設計 203.3光柵接口電路設計 213.4伺服電機控制電路設計 223.5電源電路設計 254軟件系統(tǒng)設計 274.1軟件的總體設計 274.2控制系統(tǒng)主要部分的軟件設計 304.2.1PLC控制稱重傳感器的軟件設計 304.2.2PLC控制伺服電機的軟件設計 314.3Windows環(huán)境下上位機通信 344.4上位機和PLC串行通信的程序設計 355總結與展望 365.1系統(tǒng)總結 365.2系統(tǒng)展望 36致謝 38參考文獻 39附錄 42英文原文 42英語翻譯 54畢業(yè)設計（論文）專用紙PAGEPAGE611緒論本章主要介紹了張緊器彈性測試的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。除此之外，還介紹了本論文采用的主要技術，PLC在控制系統(tǒng)中應用與發(fā)展。最后概括了本論文的主要研究內(nèi)容與研究意義。1.1張緊器性能測試的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢液壓張緊器性能測試系統(tǒng)其本質(zhì)為一種位移壓力特性測試系統(tǒng)，其關鍵技術為產(chǎn)生可控位移并能提供沿輸出力方向的加載，即定位與加載。提供直線位移的機械結構包括滾動絲杠、滑動絲杠與直線導軌等，這些機構與電機配合構成直線運動機構。液壓和氣動裝置也能方便的實現(xiàn)直線位置控制，但須配備液壓源或氣源以及比例控制閥?，F(xiàn)今國內(nèi)外研究中，位移壓力特性測試技術在比例電磁鐵性能測試中應用較多。發(fā)動機機軸向凸輪軸以及其他輔助機構傳遞動力時，通常需要正時皮帶或鏈條傳動以及附件皮帶或鏈條傳動。雖然發(fā)動機噴油時刻和點火時間都是由電子控制，但是配氣相位，也就是進、排氣門開閉時間卻還是由正時皮帶或鏈條實現(xiàn)，以絕對保證發(fā)動機配氣相位的機械位置不能變化。而來自于發(fā)動機功率驅(qū)動的其他附件，如發(fā)電機、車用空調(diào)以及水泵等，均采用附件皮帶或鏈條傳動。帶傳動和鏈傳動均為具有中間撓性件的嚙合傳動。帶傳動具有結構簡單、傳動平穩(wěn)、能緩沖吸振、可在大的軸間距和多軸間傳遞動力。摩擦型帶傳動可過載打滑以實現(xiàn)自行保護，其運轉噪聲低，但傳動比不準確，同步帶傳動可保證傳動同步，但對載荷變動的吸收能力差，高速運轉有噪聲。鏈傳動兼有齒輪傳動和帶傳動的一些特點。與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造與安裝精度要求較低，鏈輪齒受力較小、強度較高、磨損也較輕，鏈傳動具有較好的緩沖、吸振性能。與帶傳動相比，鏈傳動的傳動比準確、傳動效率較高，鏈條對軸的作用力較小，鏈傳動的尺寸較緊湊，鏈條裝拆比較方便，鏈傳動能在較大傳動比和較小中心距下工作，鏈傳動對環(huán)境的適應能力強，鏈條的磨損伸長比較緩慢、張緊調(diào)節(jié)量較小，鏈傳動在有可燃氣的環(huán)境下工作安全可靠。由于磨損會導致傳動帶與鏈條在使用過程中伸長，引起松邊垂度增加，給傳動帶來振動，影響傳動性能。特別是汽車正時帶傳動和鏈傳動，它用于發(fā)動機曲軸與凸輪軸之間，由于發(fā)動機活塞行程與排氣時間有嚴格的配合，因此要求該型帶傳動或鏈傳動低振動且穩(wěn)定。張緊裝置形式很多，例如螺釘、曲柄杠桿、掛重、彈簧和液壓等，對中、高速的重要傳動應采用自動張緊裝置，其中以液壓張緊為優(yōu)，它不受松邊伸長的影響。1.2PLC在控制系統(tǒng)中應用現(xiàn)狀與發(fā)展PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程及其有關的外圍設備。這些都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?？删幊绦蚩刂破魇窃诶^電接觸器控制和計算機控制基礎上開發(fā)的工業(yè)自動控制裝置是計算機技術在工業(yè)控制領域的一種應用技術。進入二十世紀八十年代以來，隨著微機技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，極大推動了PLC在世界范圍內(nèi)的發(fā)展，其功能越來越強大，應用范圍越來越廣闊，已廣泛應用在各種機械和生產(chǎn)過程的自動控制中。PLC的程序在可編程序控制器控制系統(tǒng)的設計中，應該最大限度地滿足生產(chǎn)機械或生產(chǎn)流程對電氣控制的要求，在滿足控制要求的前提下，力求PLC控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、安全、可靠、操作和維修方便，而且應使系統(tǒng)能盡量降低使用者長期運行的成本。可編程控制器控制系統(tǒng)的設計通常包括硬件設計和軟件設計?？删幊绦蚩刂破髯鳛榭刂破鳂嫵傻淖詣涌刂葡到y(tǒng)可實現(xiàn)開關量的控制，也可實現(xiàn)模擬量的控制；可實現(xiàn)斷續(xù)控制，也可實現(xiàn)連續(xù)控制；系統(tǒng)組成可以是開環(huán)控制系統(tǒng)，也可構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的組成可分為輸入設備、輸出設備、可編程序控制器和外圍設備等幾部分。具有以下幾個特點：（1）設計上考慮了工業(yè)環(huán)境、抗干擾能力強和可靠性高。（2）編程及操作簡便易學。（3）采用模塊化結構。（4）具有功能很強的I/O模及智能接口模塊。（5）網(wǎng)絡化。（6）產(chǎn)品系列化、成本低?？删幊炭刂破髟O計的方法與步驟如圖1.1所示：圖1.1可編程序控制器設計流程圖PLC可與機械加工的數(shù)字控制及計算機控制聯(lián)成一體實現(xiàn)數(shù)值控制；可用于配置柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)等。利用這些性質(zhì)，我們可以設計一個用來檢測彈簧的承載能力的試驗機。近幾十年來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路及數(shù)字通信技術的發(fā)展，PLC發(fā)展十分迅速，而且這一種發(fā)展將進一步加速，其主要表現(xiàn)在：（1）小型機功能強化此前小型PLC的I/O點數(shù)小于128，往往只有數(shù)字量輸入輸出，且CPU和I/O為一體。隨著PLC的發(fā)展，小型PLC已經(jīng)具有模擬量處理功能、PID回路調(diào)節(jié)功能、系統(tǒng)能靈活組態(tài)等。（2）縮小與工業(yè)控制計算機的差距向大規(guī)模、大容量、強功能、高速度方向發(fā)展。目前最大的數(shù)字I/O點數(shù)可達8192點，并可進一步擴大；為提高大型機可靠性，有些產(chǎn)品采用冗余設計，PLC的存儲容量不斷增大。（3）具有豐富的I/O模版為了適應工業(yè)控制的要求，PLC的I/O模塊也進一步豐富；如數(shù)控模塊、技術模塊、語言處理模塊、定位模塊等各種智能I/O模塊不斷產(chǎn)生，使PLC在分辨率、精度、實時、通信、人機對話等方面的功能不斷得到增強。（4）表面安裝技術被采用用于微電子技術的發(fā)展，雙列直插式封裝結構已不再適合最新型的超大規(guī)模集成電路芯片扁平封裝電路可直接裝在印刷電路板表面，不需要插入印刷版插孔，縮短了引線長度，進一步縮小了PLC的體積，減小了電路的寄生電容和電感。（5）編程語言多樣化、高級化隨著PLC硬件不斷發(fā)展的同時，其編程語言朝兩個方向發(fā)展：一方面向多種語言編程方向發(fā)展，如面向過程的編程語言、梯形圖語言及控制系統(tǒng)流程圖等；另一方面向高級語言方向發(fā)展，可用BASIC、C++及匯編語言編制用戶程序。（6）向分散控制方向發(fā)展PLC的應用范圍越來越廣，對控制系統(tǒng)的要求越來越高，一方面要求能夠適應控制大型企業(yè)不同設備的需要，另一方面要求減少系統(tǒng)危險性。因此，基于分散控制的可編程序控制器得到了進一步發(fā)展。（7）向集成化方向發(fā)展主要表現(xiàn)在三個方面：PLC與計算機集成；PLC與DCS集成；PLC與計算機數(shù)控系統(tǒng)集成。（8）向網(wǎng)絡化方向發(fā)展PLC網(wǎng)絡發(fā)展的總目的是向高速度、多層次、開放性、高可靠性方向發(fā)展，并遵循國際標準IEEE802，特別是加強異種機通訊功能。1.3系統(tǒng)主要研究內(nèi)容在“PLC在汽車張緊器靜態(tài)試驗機中應用”的課題研究中，設計的內(nèi)容及要求如下：本課題要求設計、實現(xiàn)汽車張緊器靜態(tài)試驗機系統(tǒng)設計。對張緊器進行靜態(tài)性能檢測，分為兩個試驗，一是檢測塞柱中的柱塞彈簧彈出一定距離時最大沖力和穩(wěn)定后彈力；二是檢測彈簧被壓縮一定距離后產(chǎn)生的形變。對此課題的研究首先要了解張緊器結構，進而確定研究對象。在確定好研究對象后，決定使用何種方法來進行實驗探究。在硬件設計前要先進行器件選型，確定好器件后,就要開始軟件及硬件的設計，從而完成實驗任務。此研究課題要求必須用PLC技術來實現(xiàn)，盡管用單片機也可以完成實驗，但為更加了解PLC的功能、特點，更加熟悉PLC的使用方法及適用范圍，要求用PLC控制來檢測張緊器在工作過程中，其柱塞彈簧的承載能力，從而確定當張緊器工作時要以多大的油壓力才能使彈簧使用時間最長，以實現(xiàn)最終的研究目的。用PLC控制技術設計出一個適用于拉伸、壓縮彈簧在一定工作長度下的工作負荷的測試，也可用于橡膠、簧片等彈性器件的彈力負荷測試。在此課題中以彈簧的彈力負荷測試為主，通過張緊器工作時以柱塞彈簧為主要研究對象，來測試彈性器件的彈力負荷。在上位機的設計中，選擇用VisualBasic來設計上位機的程序設計。PC與PLC之間的通信的實現(xiàn)也是設計的重要內(nèi)容之一。2PLC控制張緊器的系統(tǒng)整體設計本章主要介紹了系統(tǒng)整體框架的設計以及各試驗的框架設計。在器件選擇部分，通過介紹器件的工作原理、用途、型號、規(guī)格及符號等知識，對器件進行了合理選擇。這些為后續(xù)的硬件設計和軟件設計打下了基礎。2.1張緊器系統(tǒng)結構設計與工作原理2.1.1張緊器工作原理張緊器靠發(fā)動機外部供油工作，在發(fā)動機上需布置油道，彈簧力為停機狀態(tài)預張緊鏈條的最小張緊力，工作中起主要作用的是來自發(fā)動機供油系統(tǒng)的油壓力。張緊器工作原理如下：拔掉鎖銷，柱塞在柱塞彈簧作用力下，向孔外伸出，使處于鎖止柱塞的棘爪轉動，同時，來自發(fā)動機的機油壓力將單向閥打開，機油通過供油道直接進入張緊器總成的高壓腔內(nèi)，高壓腔與低壓腔油壓相等，張緊器的張緊力為：油壓力＋彈簧力。壓縮柱塞，單向閥關閉，高壓腔的油液處于壓縮狀態(tài)，由于機油的可壓縮比小，形成較大阻尼，進而回壓過程中，柱塞阻尼較大，減小正時鏈條的振幅及傳動噪音。過剩的機油通過柱塞與殼體孔的配合間隙泄漏到總成外，起過壓保護及潤滑系統(tǒng)的作用。油壓式張緊器工作過程可以分為以下幾步：第一步：張緊器安裝在發(fā)動機正時系統(tǒng)。拔掉鎖銷，柱塞在柱塞彈簧力P的作用下，向總成外伸出，同時F1使棘爪繞棘爪軸轉動，旋轉扭力F2使棘爪彈簧壓縮。直到棘爪轉動到一定角度，柱塞齒在棘爪齒導向作用下能自由伸出，柱塞頂住正時鏈條的張緊導軌，預張緊力=彈簧力；第二步：啟動發(fā)動機，來自發(fā)動機的機油，通過供油道進入張緊器總成低壓腔內(nèi)，機油壓力克服單向閥彈簧力，推動鋼球，打開單向閥，機油進入到總成高壓腔內(nèi)；總成張緊力=油壓力+彈簧力；第三步：正時鏈條系統(tǒng)在拉力，高溫與磨損作用下伸長，柱塞隨著鏈條系統(tǒng)的伸長，繼續(xù)向總成外伸出，棘爪齒嚙合柱塞的下一個齒，進而使正時鏈條系統(tǒng)在運行過程中始終保持一個相對穩(wěn)定的張緊力，預防鏈條在磨損后出現(xiàn)脫鏈現(xiàn)象，減小鏈條振幅及噪音；第四步：當發(fā)動機轉速降低，鏈條系統(tǒng)松邊張緊力度變大,使柱塞壓縮，此時，張緊器總成的單向閥機構關閉，在高壓腔內(nèi)形成較大阻尼，以減緩鏈條的擺動來降低振幅與噪音，高壓腔內(nèi)的機油通過殼體與柱塞的間隙泄漏到總成外，進而起到過壓保護及潤滑作用。當發(fā)動機停機后，處于低溫狀態(tài)下時，正時鏈條系統(tǒng)松邊張緊力度進一步增大，而加大柱塞的回壓距離。棘爪彈簧給棘爪尾部一個旋繞力，使棘爪齒與柱塞齒始終接觸，在回壓過程中柱塞齒帶動棘爪轉動，當棘爪大齒與柱塞齒根部嚙合后，柱塞無法再向總成內(nèi)部壓縮，形成剛性張緊，這樣保證了發(fā)動機在起動瞬間，更好地抑制了鏈條強大沖擊引起的較大振幅與噪音。其柱塞齒頂部與棘爪小齒相切到棘爪大齒與柱塞齒根部嚙合，柱塞回壓的距離，稱止回距離。2.1.2張緊器靜態(tài)試驗系統(tǒng)結構設計根據(jù)油壓式張緊器的工作原理可以透徹了解張緊器的工作過程，由于要做張緊器靜態(tài)試驗，所以此處不用考慮機油壓力，只用考慮靜態(tài)時的工作狀態(tài)。對張緊器進行靜態(tài)性能檢測，分為兩個試驗，靜態(tài)試驗=1\*ROMAN1：檢測柱塞彈簧推動塞柱彈出一定距離時柱塞彈簧的最大沖力和穩(wěn)定后彈力；靜態(tài)試驗2：測柱塞彈簧被壓縮一定距離后產(chǎn)生的形變。系統(tǒng)的總體框架設計如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)整體框架圖對于一種工件在進行試驗之前需要進行一次標定，在這個實驗里可以選擇量程為50mm的光柵尺。在50mm之外由于對光柵測量的值沒有多大影響，因此開始時可以使其快速下壓，當?shù)竭_第一個接近開關時，稱重傳感器是在接近光柵的位置，此時需要緩慢下降。因為在光柵測量范圍內(nèi)如果下壓速度太快的話，光柵測量速度跟不上則會產(chǎn)生很大的誤差。在到達第二個接近開關后，稱重傳感器繼續(xù)緩慢向下運動，稱重傳感器上安裝的擋板會同時下壓光柵尺，當下壓到稱重傳感器的初始壓力約為零時，可以檢查一下是否可以自由移動插銷，直到插銷可以自由移動，電機停止，稱重傳感器不再向下運動。此時光柵可以測出下降的距離為L0。這個值就是標定值。試驗1的系統(tǒng)結構框圖如圖2.2所示：圖2.2靜態(tài)1的系統(tǒng)結構圖對于試驗1我們要做以下工作：伺服電機控制稱重傳感器向下運動，在試驗1中需要用墊塊，這里選擇一個厚度為7mm的墊塊，選擇7mm的墊塊的主要目的就是利用公式轉換計算出彈力F。在靜態(tài)1的過程中，首先氣缸插入墊塊，使墊塊到位，然后開始靜態(tài)1試驗。由于之前已經(jīng)標定好光柵下降距離為L0,現(xiàn)在又增加了一個墊塊，因此，控制光柵直接下降到L位置即可。即L=L0-7mm。當光柵被下壓Lmm時，氣缸開始動作，氣動拔銷，拔銷后柱塞彈簧會快速向外彈出，柱塞彈簧推動柱塞向外運動，從而撞擊到稱重傳感器，此時稱重傳感器測出的柱塞彈簧的最大彈力就為最大沖力，當柱塞彈簧穩(wěn)定后，塞柱對稱重傳感器還有一個壓力，這個壓力就為柱塞彈簧穩(wěn)定后的彈力。對于試驗2，在開始部分和試驗1一樣，一樣要做標定。標定過程如試驗1所示。與試驗1不同的是，試驗2不需要墊塊，因此也不需要氣缸。拔銷時是手動拔銷。試驗2的系統(tǒng)圖如下圖2.3所示：伺服電機控制稱重傳感器向下運動，在光柵檢測距離為L0時就停止向下運動。此時，進行拔銷。拔銷后，光柵收縮，伺服電機反轉，控制稱重傳感器向相反方向運動，柱塞會跟隨光柵一起向上運動，直到柱塞彈簧處于松弛的穩(wěn)定狀態(tài)。圖2.3靜態(tài)2的系統(tǒng)結構圖當柱塞彈簧處于穩(wěn)定狀態(tài)后，伺服電機正傳，開始下壓塞柱，光柵測出其下降距離為6mm時，電機停止，稱重傳感器就不在向下運動。這時再使光柵和稱重傳感器向相反方向運動，直至柱塞彈簧再次處于松弛的穩(wěn)定狀態(tài)，這時光柵測出來的數(shù)據(jù)與6mm作對比，這個差值就是柱塞彈簧所發(fā)生的形變。兩個試驗中選擇由哪一個試驗運行要用上位機來控制，這里上位機的設計采用組態(tài)網(wǎng)的形式，而PC機與PLC之間的通信則用RS-232串行通信接口來實現(xiàn)。PLC與重力傳感器之間的通信需要進行A/D轉換，PLC中的A/D模塊可以完成A/D轉換的任務，從而使PLC對重力傳感器進行控制。PLC對光柵微位移傳感器和伺服電機的控制，則通過I/O端口正確連接就可以實現(xiàn)。2.2系統(tǒng)各部分實現(xiàn)方案在系統(tǒng)總體設計中，要對上位機進行設計，還有控制部分的設計。對于上位機部分將采用組態(tài)網(wǎng)進行設計。PLC與PC機之間的通信主要采用串行異步通信，其常用的串行通信接口標準有RS-232C、RS-422A和RS-485等，在這里主要是用RS-232C來實現(xiàn)通信的。在硬件方面需要一條RS-232連接電纜，軟件方面重要是需要PLC的通訊協(xié)議，有了通訊協(xié)議，就可以用VB編制與PLC的通訊畫面。PLC以卓越的可靠性和方便的可編程性都廣泛應用于工業(yè)控制領域。實現(xiàn)PC機與PLC通信的目的是為了向用戶提供諸如工藝流程圖顯示、動態(tài)數(shù)據(jù)畫面顯示、報表顯示、窗口技術等多種功能,為PLC提供了良好的人機界面。PC機與PLC實現(xiàn)通信的條件：①帶異步通信適配器的PC機與PLC只有滿足如下條件,才能互聯(lián)通信:帶有異步通信接口的PLC才能與帶異步通信適配器的PC機互聯(lián)。還要求雙方采用的總線標準一致,否則要通過“總線標準變換單元”變換之后才能互聯(lián)。②雙方的初始化,使波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗都相同。③要對PLC的通信協(xié)議分析清楚,嚴格地按照協(xié)議的規(guī)定及幀格式編寫PC機的通信程序。PLC中配有通信機制,一般不需用戶編程。在整個控制系統(tǒng)中還需要其他的硬件設備，比如稱重傳感器，稱重變送器，光柵傳感器，伺服電機接近開關，限位開關等。PLC與上位機之間的通訊連接由RS-232來實現(xiàn)，下位機的控制由PLC控制系統(tǒng)來完成。2.3系統(tǒng)設計的主要器件選擇在本課題的研究中，需要進行硬件及軟件設計，這就必然要進行器件的選擇，在滿足各器件工作條件的同時還要使得各個器件可以相匹配，本節(jié)主要介紹各個器件的選型包括PLC，稱重傳感器，光柵測微傳感器，伺服電機等。2.3.1PLC的選型歐姆龍PLC是一種功能完善的緊湊型PLC，能為世界領先的輸送分散控制等提供高附加值機器控制；它還具有通過各種高級內(nèi)裝板進行升級的能力，大程序容量和存儲器單元，以Windows環(huán)境下高效的軟件開發(fā)能力。歐姆龍PLC也能用于包裝系統(tǒng)，并支HACCP（寄生脈沖分析關鍵控制點）過程處理標準。OMRONPLC的分類：小型：CPM1A/CPM2A/CPM2C/CQM1中型：C200H/C200Hα/CS1大型：C500/C1000H/C2000H/CVM1D在這里根據(jù)需要，小型PLC就可以滿足我們的要求。這里選擇CP1H系列小型高功能PLC(CP1H-XA40DR-A)。CP1H系列小型高功能PLC(CP1H-XA40DR-A)的性能規(guī)格如下所示：基本性能：（1）處理速度：基本指令0.1μs；特殊指令0.3μs1-21/O（2）容量：最多7個擴展單元，開關量最大320點，模擬量最大37路；程序容量：20K步；數(shù)據(jù)容量：32K字（3）機型類別：本體40點，24點輸入，16點輸出，晶體管輸出。特殊功能：（1）軸脈沖輸出：100kHz×2和30kHz×2（2）軸高速計數(shù)：單向100kHz或相位差50kHz×4（3）內(nèi)置模擬量：4輸入，2輸出3.通信功能（4）通信接口：最大2個串行通信口（RS-232A或RS-422/485任選）本體附帶一個USB編程端口（5）通信功能：上位鏈接、無協(xié)議通信、NT鏈接（1:N）、串行網(wǎng)關功能、串行PLC鏈接功能、Modbus-RTU簡易主站。其他功能：模擬量輸入手動設定；2位7段碼發(fā)光二極管顯示故障信息；支持歐姆龍中型機CJ1系列高功能模塊（最大2塊）；支持FB/ST編程，可以利用歐姆龍的SmartFB庫，與CJ1/CS1系列程序統(tǒng)一，可以互換。額定值及性能如表2.1：表2.1CP1H系列小型高功能PLC的一般規(guī)格項目AC電源型CP1H-□□□-ADC電源型CP1H-□□□-D電源電壓AC100～240V50/60HzDC24V允許電源電壓AC85～264VDC20.4～26.4V(對于四個或以上的擴展單元為21.6～26.4VDC)消耗電力100VA以下50W以下浪涌電流20A以下(AC100～120V)40A以下(AC200～240V)30A以下,20ms以下外部電源DC24V300mA無絕緣電阻AC外部端子與GR端子間20MΩ以上(500VDC)DC外部端子與GR端子間20MΩ以上(500VDC)耐電壓AC外部端子與GR端子間AC2300V50/60Hz1分鐘漏電流5mA以下DC外部端子與GR端子間AC1000V50/60Hz1分鐘漏電流5mA以下抗干擾性1EC61000-4-4標準2kV(電源線)抗震動J1SC0041標準10～57Hz振幅0.075mm57～150Hz加速度9.8m/s2X、Y、Z各方向80分鐘(時間8分鐘×次數(shù)10次=合計80分)抗沖擊J1SC0041標準147m/s2X、Y、Z各方向3次使用環(huán)境溫度0～55℃使用環(huán)境濕度10～90％RH(不結露)使用環(huán)境無腐蝕性氣體保存環(huán)境溫度-20～75℃(電池除外)電源保持時間10ms以上2ms以上外形尺寸150mm(W)×90mm(H)×85mm(D)質(zhì)量740g以下590g以下由試驗要求，可以確定CP1H-XA40DR-A的1/O口數(shù)。首先PLC要控制一個伺服電機，一個光柵微位移傳感器，一個稱重變送器，一個氣缸，為了安全考慮，還需要兩個接近開關和一個限位開關至少七個元器件。根據(jù)各元器件的輸入輸出端口數(shù)可估算PLC的1/O口數(shù)。經(jīng)估算輸入24口，輸出16口即可滿足輸入輸出所需端口數(shù)。這里是近距離傳輸，因此選擇開關量輸入模塊的輸入信號的電壓等級為24V就可滿足要求。2.3.2稱重傳感器的選擇稱重傳感器實際上是一種將物理量信號轉變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。用傳感器先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境，這點對正確選用稱重傳感器至關重要，它關系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和安全性。在稱重傳感器主要技術指標的基本概念和評價方法上，新舊國標有質(zhì)的差異。傳統(tǒng)概念上，負荷傳感器是稱重傳感器、測力傳感器的統(tǒng)稱，用單項參數(shù)評價它的計量特性。舊國標將應用對象和使用環(huán)境條件完全不同的“稱重”和“測力”兩種傳感器合二為一來考慮，對試驗和評價方法未給予區(qū)分。舊國標共有21項指標，均在常溫下進行試驗；并用非線性、滯后誤差、重復性誤差、蠕變、零點溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差6項指標中的最大誤差，來確定稱重傳感器準確度等級，分別用0.02、0.03、0.05表示。稱重傳感器能將作用在被測物體上的重力按一定比例轉換成可計量的輸出信號?？紤]到不同使用地點的重力加速度和空氣浮力對轉換的影響，稱重傳感器的性能指標主要有線性誤差、滯后誤差、重復性誤差、蠕變、零點溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質(zhì)量計量系統(tǒng)中，通常用綜合誤差帶來綜合控制傳感器準確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶聯(lián)系起來，以便選用對應于某一準確度衡器的稱重傳感器。國際法制計量組織規(guī)定，傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ的70%，稱重傳感器的線性誤差、滯后誤差以及在規(guī)定溫度范圍內(nèi)由于溫度對靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過誤差帶δ。稱重傳感器的電壓輸出范圍為0～30mV。檢測標準主要有:未受力的零點電壓U0≤5mV；20m1n前后輸出電壓變化范圍和受力過程中最大電壓和最小電壓變化不超過0.006mV，即Uoe-U0≤0.006mV，Umax-Um1n≤0.006mV；受力過程中輸出電壓每間隔5m1n的變化不超過0.003mV。整個測試過程中所有輸出電壓符合以上測試標準，則說明傳感器精確度達到要求，性能良好；否則傳感器不能準確反映出所受壓力和線性誤差大，傳感器就不合格。在此采用拉壓力均可使用的拉壓力傳感器LCS-S3。LCS-S3拉壓力傳感器采用S型柱式作為彈性體，具有精度高、強度好、穩(wěn)定性好等特點，結構緊湊、安裝使用方便，互換性好適用于吊鉤秤、配料秤、包裝秤、機電結合秤等場合的測力。同時可對傳感器放大處理，輸出4～20mA，1～5V，0～5V，0～10V信號。表2.2LCS-S3拉壓力傳感器主要技術指標機械描述材質(zhì)合金鋼或不銹鋼額定載荷5、10、20、30、100、200、300、500kg；1、2、3、5、10、15、20t電氣指標0.02～0.03%F.S精度靈敏度2.0±0.01mV/V推薦激勵電壓5～10VDC（推薦10V）最大激勵電壓15VDC電纜1.5m/Φ5.4mm蠕變(30分鐘)±0.03%F.S零點平衡±1%F.S輸入阻抗380±10Ω輸出阻抗350±3Ω絕緣電阻≥5000MΩ環(huán)境參數(shù)安全過載150%F.S極限過載200%F.S工作溫度-20～+65零點溫度影響±0.3%F.S/10輸出溫度影響±0.3%F.S/10外殼防護等級1P65LCS-S3拉壓力傳感器的測量范圍非常廣，量程從50kg～20t。表2.2中所示的技術指標是拉壓傳感器所必須具備的基本要求。稱重傳感器的接線說明如下：有四根線，分別為紅、黃、綠、白四色，其中紅色線是激勵電源正極，黃色線是輸出信號端正極，綠色線是激勵電源負極，白色線是輸出信號端負極。稱重傳感器不能把所接受到的信號直接傳給PLC，必須通過變送器將接收到的壓力信號轉換成模擬量的電壓信號后通過PLC的模擬量輸入端口傳給PLC。這里可以采用稱重變送器來完成這一任務。稱重變送器也叫做重量變送器，是一種將物理量變換成電信號，將毫伏信號經(jīng)隔離放大轉換成標準直流信號的變送器儀表。一般稱重變送器與稱重傳感器是配套使用的,這里選用的稱重變送器是BSQ-2。2.3.3光柵尺的選擇光柵測微傳感器的種類有很多，D-KB-50光柵測微傳感器，是以高精度光柵作為檢測元件的精密測量裝置。與數(shù)顯表配套，組成高精度數(shù)字化測量儀器?？梢源鏅C械式千分表、扭簧比較儀、深度尺、電感測位移和精密量塊，配以適當?shù)霓D換器，可將溫度、壓力、硬度、重量等參數(shù)轉換為數(shù)字量。用于自動化大生產(chǎn)中在線監(jiān)測及精密儀器的位置檢測。其優(yōu)點是測量值數(shù)字化顯示，精度高，穩(wěn)定可靠，讀數(shù)直觀準確。亦可把測量數(shù)據(jù)輸入計算機打印出測量數(shù)據(jù)或繪出曲線。D-KB-50光柵測微傳感器采用50線/mm或100線/mm的光柵，輸出兩路相位差90度的正弦波信號或正交方波信號，供電電壓為+5V/+12V/+24V。主要技術參數(shù)見表2.3：表2.3D-KB-50光柵測微傳感器主要技術參數(shù)柵距10um(100對線/毫米)，20um（50X對線/毫米）顯示分辨率0.5um,5um，1um準確度±1um,±2um重復精度±1個顯示值輸出信號相位依次相差90°幅值大于500mv二路或四路脈沖信號，無絕對參考零位光源紅外發(fā)光二極管接收元件組合光電二極管工作溫度0℃～儲存溫度-20℃～外形尺寸長*寬*厚=L*42*22（mm）,L0測桿伸出長度。測量范圍0～100～200～300～400～50（mm）L13016019022050（mm）L02333435363(mm)標準配置電纜長度2米表2.4兩路正弦波信號A、B參數(shù)中心電平6V（+12V供電）/2.5V（+5V供電）幅值6V（+12V供電）/2.6V（+5V供電）相差90°±10%兩路正交方波輸出占空比1∶1（±10%）11.8V（+12V供電）/TTL電平（+5V供電）表2.5傳感器引腳排列引腳1234功能0V24VA信號B信號線色褐紅綠白在進行試驗時，選擇測量范圍為0～50mm，因此長L為50mm，那么測桿伸出長度L0為63mm。A、B兩信號輸出端是高速脈沖輸出，因此，在用PLC控制光柵時，要注意應用PLC的高速計數(shù)器功能的使用。同時光柵微位移傳感器的褐色和紅色接線也要正確連接才能正常工作。這些在第三章節(jié)中將詳細講解。2.3.4伺服電機的選擇伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可用來控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能跟隨給定值的任意變化的自動控制系統(tǒng)，主要靠脈沖來定位，基本上可以理解為伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現(xiàn)位移。因為伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖。這就和伺服電機接受的脈沖形成了呼應或者叫閉環(huán)，這樣的話，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到0.001mm。這里采用松下A4系列伺服電機。表2.6松下A4系列伺服電機與驅(qū)動器型號、變壓器容量相匹配的選型表M1NASA4電機系列MSMA10ZP1UMSMA15ZP1U額定輸出功率（W）10001500適配驅(qū)動器型號MDDDT1205MDDDT2207單相驅(qū)動器外形分類BB額定轉矩（Nm）3.184.77最大轉矩（Nm）9.514.3額定轉速/最高轉速（rpm）3000/5000編碼器光電編碼器（2500PPR）質(zhì)量（制動器有/無）（Kg)5.1/4.56.5/5.1機身長度（制動器有）（mm）200+55205+55上表是松下A4系列伺服電機與驅(qū)動器型號、變壓器容量相匹配的選型表，在使用伺服電機時，要選擇相匹配的驅(qū)動器來驅(qū)動伺服電機。伺服驅(qū)動器上有幾個主要端口接線，伺服驅(qū)動器的電源輸入接口，電機接口，旋轉編碼器接口，RS-232/PLC接口。伺服電機上有兩個接線柱，一個是接伺服驅(qū)動器電源接口端，一個是帶有旋轉編碼器的接口端，這一端要作為反饋信號接入伺服驅(qū)動器。伺服電機通過這一接口把電機當前運行情況及時的反饋給伺服驅(qū)動器，以便伺服驅(qū)動器來調(diào)整控制電機，使電機準確運行。這幾個端口的相接對整個系統(tǒng)的正常運轉是非常重要的。3系統(tǒng)硬件電路設計本章主要介紹硬件的設計，通過對硬件系統(tǒng)的設計，可以更近一步了解各硬件的使用方法及使用條件，更加清楚系統(tǒng)各部分的工作及銜接。本章介紹了PLC與PC之間的通訊方式，PLC要如何控制稱重傳感器、光柵和伺服電機等。3.1PLC與PC通訊電路PLC通信主要采用串行異步通信，其常用的串行標準接口RS-232、RS-422和RS-485等。RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性走出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，可建立高層通信協(xié)議。RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會E1A制定的一種串行物理接口標準。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可以實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C一般用于20m以內(nèi)的通信。RS-485總線,在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。RS-422總線,RS-485和RS-422電路原理基本相同，都是以差動方式發(fā)送和接受，不需要數(shù)字地線。差動工作是同速率條件下傳輸距離遠的根本原因，這正是二者與RS-232的根本區(qū)別，因為RS-232是單端輸入輸出，雙工工作時至少需要數(shù)字地線。發(fā)送線和接受線三條線異步傳輸，還可以加其它控制線完成同步等功能。RS-422通過兩對雙絞線可以全雙工工作收發(fā)互不影響，而RS-485只能半雙工工作，發(fā)收不能同時進行，但它只需要一對雙絞線。RS-422和RS-485在19kpbs下能傳輸1200米。基于以上對比，RS-232通用串行接口通信即可滿足要求。PLC一般都具有RS-232，PLC通信的系統(tǒng)整體框圖如圖3.1所示：圖3.1PLC通信系統(tǒng)整體框圖目前RS-232是PC與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口，RS代表推薦標準，232是標識號。RS-232采取不平衡傳輸方式，即單端通信。收、發(fā)端的信號是相對于信號地。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約為15米，最高速的約為20Kbps。RS-232是為點對點通訊而設計的，其驅(qū)動器負載為3～7K。所以RS-232適合本地設備之間的通信。一個完整的RS-232接口有22根線，采用標準的25芯插頭座。除此之外，目前廣泛應用的還有一種9芯的RS-232接口。PC機與CP系列PLC,要經(jīng)過RS-232單元進行連接。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5～+15V，負電平在-5～-15V之間。當無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL，從開始傳輸數(shù)據(jù)到結束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作在+3～+12V與-3～-12V。由于PLC選的是歐姆龍的CP1H系列的，因此匹配的九針的RS-232與CP1H的連接如圖3.2所示：電腦側RS-232PLC側RS-232九針D形母頭九針D形公頭圖3.2PLC-上位機通信線實際應用中，通常在9針的基礎再進行簡化，只用其中的2、3、5三個管腳進行通信。這三個管腳分別是接收線、發(fā)送線和地線，在一般情況下即可滿足通訊的要求。值得注意的是，2、3兩腳是交叉互聯(lián)的，這很容易理解，因為一個設備的發(fā)送線必須聯(lián)接到另外一臺設備的接收線上，反之亦然。還需注意的是232信號的有效通訊距離是15M，接收機后面有4根線的接法：g，rx，tx，v，一邊接收機后面有5根線則從左向右起為:RXTXGNDVCC3.3VNC。表3.1顯示了9針通訊的接口管腳名稱，以下是各管腳的說明：表3.1RS-232的9針通訊的接口管腳說明舊制J1S名稱新制J1S名稱全稱說明1CDCDCarr1erDetect載波檢出，用以確認是否收到Modem的載波2RXDRDRece1vedData數(shù)據(jù)輸入線3TXDSDTransm1ttedData數(shù)據(jù)輸出線4DTRERDataTerm1nalReady告知數(shù)據(jù)終端處于待命狀態(tài)5SGSGS1gnalGround信號線的接地線（嚴格的說是信號線的零標準線）6DSRDRDataSetReady告知本機在待命狀態(tài)7RTSRSRequesttoSend要求發(fā)送數(shù)據(jù)8CTSCSCleartoSend回應對方發(fā)送的RTS的發(fā)送許可，告訴對方可以發(fā)送9FGSGFrameGround連到機器的接地線在使用過程中，一定要注意各管腳的鏈接，不同型號的PLC與九針的RS-232的連接時不同的，在試驗時要選擇好相應的PLC型號和RS-232的類型。3.2稱重傳感器接口電路設計PLC與稱重傳感器連接需要一個變送器，稱重傳感器在接受到外界信號時會把它的沖擊力傳給變送器，變送器把沖擊力轉換成電壓信號再傳送給PLC，從而使PLC來做出相應的控制。傳感器是把非電物理量如溫度、壓力、液位、物料、氣體特性等轉換成電信號或把物理量如壓力、液位等直接送到變送器。變送器則是把傳感器采集到的微弱的電信號放大以便傳送或啟動控制組件?；?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D換成電信號同時放大以便供遠方測量和控制的信號源。根據(jù)需要還可以將模擬量變換為數(shù)字量。傳感器和變送器一同構成自動控制的監(jiān)測信號源。電路圖如圖3.3所示：圖3.3PLC控制稱重傳感器電路圖如上圖所示稱重傳感器的輸出接稱重變送器的輸入，稱重變送器的輸出接入PLC的模擬量輸入端口的輸入。在PLC中有模擬量輸入模塊中選用第一對模擬量輸入端子作為模擬量信號輸入端。分析如下：稱重傳感器的接線定義如下：紅色線是激勵電源正，綠色線是激勵電源負，黃色線是輸出信號正，白色顯示輸出信號負。稱重變送器接線的輸入端是紅線接電源正，綠線接電源負，黃線接輸出正，白線接輸出負，這剛好與稱重傳感器的輸出端接線端子匹配，因此此處的接線原則就是稱重傳感器的輸出與稱重變送器的輸入相接。稱重變送器的輸出端接線是紅線接電源正，綠線接電源負，黃線接信號輸出，在與PLC中的模擬量輸入模塊連接時，黃線接1N1+，綠線接1N1-，構成一個輸入信號回路，向PLC輸入信號。LCS-S3接收到的外界信號經(jīng)過稱重變送器轉換后，把轉換后的電流1傳送給CP1H，由于LCS-S3中的電阻是已知的，可以通過公式轉換，算出壓力的大小。3.3光柵接口電路設計光柵測微傳感器采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為10～100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)四部分組成。標尺光柵相對于指示光柵移動時，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對運動速度移動，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過放大、整形、辨向和計數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號輸出，直接顯示被測的位移量。傳感器的光路形式有兩種：一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料上；另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強反射的不銹鋼金屬或玻璃鍍金屬鋁膜上。這種傳感器的優(yōu)點是量程大和精度高。光柵式傳感器應用在程控、數(shù)控機床和三坐標測量機構中，可測量靜、動態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機械振動測量、變形測量等領域也有應用。PLC控制光柵的電路如圖3.4所示：圖3.4PLC控制光柵電路圖光柵尺是通過摩爾條紋原理，通過光電轉換，以數(shù)字方式表示線性位移量的高精度位移傳感器。光柵尺是由讀數(shù)頭、主尺和接口組成。玻璃光柵上均勻地刻有透光和小透光的線條，精度為50線/mm，其光柵的柵距為0.02mm，采用四細分后便可得到分辨率為5μm的計數(shù)脈沖。一般情況下，線條數(shù)按所測精度刻制，為了判別出運動方向，線條被刻成相位上相差90°的兩路。當讀數(shù)頭運動時，接口電路的光電接收器分別產(chǎn)生A相和B相兩路相位相差90°的脈沖波輸出信號再經(jīng)過數(shù)顯系統(tǒng)細分處理,分辨率是光柵周期除以信號細分數(shù),經(jīng)過電子信號細分處理分辨率可為5um或1um光柵位移傳感器的工作原理，是由一對光柵副中的主光柵（即標尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進行相對位移時，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間（或明暗相間）的規(guī)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過光電器件轉換使黑白（或明暗）相同的條紋轉換成正弦波變化的電信號，再經(jīng)過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90o的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計數(shù)顯示。光柵測微傳感器是通過計算脈沖的個數(shù)來計量位移的。因為1mm=5000個脈沖，所以當知道脈沖的個數(shù)后就可以計算出位移量。在CX-programmer的PLC系統(tǒng)設定中，將高速計數(shù)器0到高速計數(shù)器3設定為使用，在這種情況下，相對應的通道不能作為通用輸入，輸入中斷，脈沖接收輸入來使用。可以選擇高速計數(shù)器0作為光柵的A、B兩脈沖輸入端。高數(shù)計數(shù)器0中，A相對應于PLC的08端口，B相對應于PLC的09端口，把光柵的輸出A、B分別接PLC的08、09端口。光柵通過把采集到的數(shù)據(jù)傳給PLC，PLC再傳給PC進行記錄和處理，從而完成正確的控制。綠線和白線分別是A路和B路兩路的接線，當A路的脈沖超前B路時表示光柵被下壓的距離，當A路的脈沖滯后B路的脈沖時表示光柵向外伸出的距離。褐色線和紅色線是提供其正常工作時的工作電壓的。3.4伺服電機控制電路設計伺服電機又稱為執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用做執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電機軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。伺服電機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減速齒輪組由電機驅(qū)動，其輸出端帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動電機正向或反向的轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于0，從而達到使伺服電機精確定位的目的。伺服電機內(nèi)部的轉子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到一個脈沖，就會旋轉一個脈沖對應角度，從而實現(xiàn)位移。在PLC程序中設定伺服電機旋轉速度，單位為（rpm），設伺服電機設定為1000個脈沖轉一圈。PLC輸出脈沖頻率=（速度設定值/6）*100（HZ）。假設該伺服系統(tǒng)的驅(qū)動直線定位精度為±0.1mm，伺服電機每轉一圈滾珠絲杠副移動10mm，伺服電機轉一圈需要的脈沖數(shù)為1000，故該系統(tǒng)的脈沖當量或者說驅(qū)動分辨率為0.01mm(一個絲)；PLC輸出脈沖數(shù)=長度設定值*10。以上的結論是在伺服電機參數(shù)設定完的基礎上得出的。也就是說，在計算PLC發(fā)出脈沖頻率與脈沖前，先根據(jù)機械條件，綜合考慮精度與速度要求設定好伺服電機的電子齒輪比。機械機構確定后，伺服電機轉動一圈的行走長度已經(jīng)固定（如上面所說的10mm），設計要求的定位精度為0.1mm(10個絲)。為了保證此精度，一般情況下是讓一個脈沖的行走長度低于0.1mm，如設定一個脈沖的行走長度為如上所述的0.01mm，于是電機轉一圈所需要脈沖數(shù)即為1000個脈沖。此種設定當電機速度要求為1200轉/分時，PLC應該發(fā)出的脈沖頻率為20K。一般來說，伺服電機也是不能直接與PLC相接的，因為PLC不能直接帶動伺服電機工作，必須要有伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器適是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。伺服電機的運行一般來說有兩種模式，有速度模式和位置模式，此外還有轉矩模式。一般來說會使用位置模式，也就是脈沖控制模式。指令接頭為50p1n，焊接時要注意引腳編號。圖3.5所示的接線圖中，伺服電機采用的是位置控制模式，為了安全起見，這里選用的是帶有安全功能的BRK端口，當出現(xiàn)故障時p1n10、p1n11管腳起作用。圖3.5PLC與伺服電機的連接圖p1n1，p1n2,p1n7與外部24V相接，為伺服電機提供正常電壓值，使其能正常工作。p1n4，p1n6接PLC高速輸出端口，p1n4的連接使電機正傳，可推動稱重傳感器向下運動；P1n6的連接是電機反轉，推動稱重傳感器向上運動。P1n29是伺服電機的使能端，與PLC的普通輸出端口相接，當此端口有效時伺服電機開始工作。P1n31，p1n36，p1n37為伺服電機的報警端口，p1n36為報警公共端，接外部直流電源的0V，而p1n37接PLC的普通輸入端口，伺服電機報警，p1n31接PLC的普通輸出端口，清除伺服電機的報警。如表3.2所示：表3.2PLC與伺服電機的連接圖的部分管腳說明引腳名稱接線1CW電源外部24V2CCW電源外部24V7外部電源外部24V4正轉CW接PLC高速輸出端口6反轉CCW接PLC高速輸出端口29伺服ON(伺服使能)接PLC的普通輸出端口31報警清除接PLC的普通輸出端口37伺服報警接PLC的普通輸入端口36伺服報警公共端外部直流電源的0V41信號公共端外部直流電源的0V按照伺服電機驅(qū)動器說明書上的“位置控制模式控制信號接線圖”接線：p1n3(PULS1)，p1n4(PULS2)為脈沖信號端子，PULS1連接直流電源正極(24V電源需串連2K左右的電阻),PULS2連接控制器(如PLC的輸出端子)。p1n5(S1GN1)，p1n6(S1GN2)為控制方向信號端子，S1GN1連接直流電源正極(24V電源需串連2K左右的電阻)，S1GN2連接控制器(如PLC的輸出端子)。當此端子接收信號變化時，伺服電機的運轉方向改變。實際運轉方向由伺服電機驅(qū)動器的P41，P42這兩個參數(shù)控制，p1n7(com+)與外接24V直流電源的正極相連。p1n29(SRV-0N)，伺服使能信號，此端子與外接24V直流電源的負極相連，則伺服電機進入使能狀態(tài)，通俗地講就是伺服電機已經(jīng)準備好，接收脈沖即可以運轉。上面所述的六根接線連接完畢，伺服電機即可根據(jù)控制器發(fā)出的脈沖與方向信號運轉。其他的信號端子，如伺服報警、偏差計數(shù)清零、定位完成等可根據(jù)您的要求接入控制器構成更完善的控制系統(tǒng)。PLC輸入端的COM和輸出端的COM0，COM1等全部接到24V直流電源的負端，也就是0V端。另外伺服驅(qū)動器1O線對應的0V也要接到直流電源0V端。你的伺服使能端需要控制的話就接到輸出點等，不需要的話就和0V直接接在一起。伺服驅(qū)動器的CW和CCW分別接在PLC的輸出端口0和輸出端口1。輸入端0和1分別接到兩個按鈕上。3.5電源電路設計在整個系統(tǒng)設計中，各元器件所需電壓是不同的，因此對他們的供電也是不同的。PLC的交流電壓是在100～240V，直流24V。伺服電機驅(qū)動器需要用三相電源來供電。在整個供電系統(tǒng)中既要考慮交流供電還要考慮直流供電，這就需要變壓處理和交直流轉換。電源設計電路圖如3.6所示：在這個電源設計中，系統(tǒng)由三相電源L1、L2、L3供電，N為中線，N相與L1、L2、L3任意相間的相電壓為220V，L1、L2、L3任意兩相之間的電壓為線電壓380V。斷路器QF上安裝的有熔斷器FU，主要用于電路的過負荷保護、短路、欠電壓、漏電壓保護、也用于不頻繁接通和斷開的電路，起保護作用。在三相電路中的任一相電路過載時，F(xiàn)U將會自動熔斷，把過載的那一相斷開，以免發(fā)生更大的故障。KM1是接觸器的觸點。接觸器是一種用來自動接通或斷開大電流電路的電器。它可以頻繁地接通或分斷交直流電路，并可實現(xiàn)遠距離控制。其主要控制對象是電機，還具有低電壓釋放保護功能。通過接觸器KM的自鎖環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)欠電壓、失電壓保護。當按下按鈕時接觸器線圈通電，接觸器觸點閉合，當松開后，接觸器線圈通過接觸器觸點依然可以通電，這樣就形成自鎖電路。圖3.6電源電路圖伺服電機由電網(wǎng)供電，這里選擇L3、N之間的相電壓220V的交流電壓給開關電源和PLC的交流部分供電。開關電源可以把交流轉換成直流，有5V、12V、15V、24V等電壓等級，可以為系統(tǒng)中各器件提供所需的直流電壓。4軟件系統(tǒng)設計本章主要講解軟件部分的設計，PLC是專為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，通常PLC不采用危機的編程語言，而常常采用面向控制過程、面向問題的“自言語言”編程。PLC有5種編程語言，功能表圖、梯形圖、功能塊圖、指令表、結構文本。梯形圖和功能塊圖為圖形語言，指令表和結構文本為文字語言，功能表圖是一種結構塊控制流程圖。梯形圖是使用的最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被掌握，特別適用于開關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計成為編程。本章主要用梯形圖和流程圖對系統(tǒng)軟件部分來進行設計。4.1軟件的總體設計通用PC的工作方式是等待請求，PLC則采用循環(huán)掃描工作方式，兩者的差異在于PC針對的是人，而PLC針對的是設備。兩個靜態(tài)試驗的系統(tǒng)工作過程在第二章已經(jīng)詳細介紹。在靜態(tài)1中，在正式進入試驗之前需要進行標定。程序開始到提醒拔銷之間的過程屬于標定的過程。在這個過程中，伺服電機正傳，帶動稱重傳感器向下運動。標定完之后先點擊氣缸插入墊塊，墊塊到位后，點擊靜態(tài)1，此時開始靜態(tài)1的測量。在靜態(tài)1的測量過程中，首先將光柵測量值傳給PLC，由PLC根據(jù)此值來確定稱重傳感器的當前位置，然后決定伺服電機的運行狀態(tài)是正轉還是反轉，是快速運行還是緩慢運行。PLC把指令傳給與它相接的伺服驅(qū)動器上，通過連接的伺服驅(qū)動器來控制伺服電機，電機會把它當前的狀態(tài)通過編碼器反饋給伺服驅(qū)動器，經(jīng)伺服驅(qū)動器分析，調(diào)整電機運行。當?shù)竭_目標位之后拔銷，稱重傳感器來使工作。靜態(tài)2中也需要進行標定，這個標定的過程跟靜態(tài)1一樣，只是不用加墊片，這樣的話就不用減去墊片厚度。在試驗中，最主要的就是伺服電機正反轉的控制。靜態(tài)1的流程圖如圖4.1所示：靜態(tài)2的流程圖如圖4.2所示：圖4.1靜態(tài)1試驗流程圖圖4.2靜態(tài)2試驗流程圖4.2控制系統(tǒng)主要部分的軟件設計4.2.1PLC控制稱重傳感器的軟件設計稱重傳感器是選擇的主要測力器件，由于稱重傳感器不能直接將檢測到的模擬信號傳給PLC，所以必須借助稱重變送器來完成A/D轉換，然后由稱重變送器將數(shù)字信號傳送給PLC，使PLC進行正確的控制。其控制的示意圖如圖4.3所示。圖4.3PLC控制稱重傳感器示意圖電機啟動時，稱重傳感器由伺服電機控制，稱重傳感器開始快速向下運動，當?shù)竭_第一個接近開關時，稍做延時，確定到達第一個接近開關時稱重傳感器就開始緩慢下降。當稱重傳感器下降到臨界塞柱的位置時，稱重傳感器開始顯示數(shù)據(jù)，當其顯示數(shù)據(jù)為臨界零值時，稱重傳感器停止向下運動。此時，拔銷后柱塞彈簧就推動柱塞向上運動，沖擊到稱重傳感器上，開始時沖擊力很大，這個力就是最大沖力，稱重傳感器會記錄此沖擊力，由稱重變送器把此數(shù)據(jù)傳送給PLC，當柱塞穩(wěn)定后，對稱重傳感器依然有一個壓力此壓力就是穩(wěn)定后的彈力。稱重傳感器工作的前提條件就是伺服電機得電，當伺服電機得電后，稱重傳感器就由伺服電機控制其運動方向和運動的速度。稱重傳感器在整個控制過程中都會用到，它的運動方向及運動速度都是由伺服電機來控制的。標定時光柵已經(jīng)測出了伺服電機需要下降的距離，因此，在實驗開始時稱重傳感器會迅速下降到指定值。稱重傳感器在整個試驗中主要有兩大作用，判斷其測量值是否為零和測量比較最大沖擊力或壓力。在標定和靜態(tài)2試驗中，稱重傳感器主要是用來檢測力是否為零，從而決定伺服電機是否要停車。而在靜態(tài)1試驗中主要用來測量最大沖擊力和壓力。PLC控制稱重傳感器的流程圖如圖4.4所示：圖4.4PLC控制稱重傳感器的流程圖4.2.2PLC控制伺服電機的軟件設計PLC在控制伺服電機控制中需要設置伺服電機驅(qū)動器的參數(shù)：Pr02控制模式選擇，設定Pr02參數(shù)為0位置控制模式。Pr10，Pr11,Pr12增益與積分調(diào)整，在運行中根據(jù)伺服電機的運行情況相應調(diào)整,達到伺服電機運行平穩(wěn)。Pr40指令脈沖輸入選擇，默認為光耦輸入，設為0即可。也就是選擇3(PULS1)，4(PULS2)，5(S1GN1)，6(S1GN2)這四個端子輸入脈沖與方向信號Pr41，Pr42控制伺服電機運轉方向。Pr41設為0時，Pr42設為3,則5(S1GN1)，6(S1GN2)導通時為正方向(CCW)，反之為反方向(CW)。Pr41設為1時，Pr42設為3,則5(S1GN1)，6(S1GN2)斷開時為正方向(CCW)，反之為反方向(CW)，正、反方向是相對的，正確的說法應該為CCW，CW。Pr48、Pr4A、Pr4B電子齒輪比設定。此為重要參數(shù)，其作用就是控制電機的運轉速度與控制器發(fā)送一個脈沖時電機的行走長度。伺服電機每轉一圈所需的脈沖數(shù)=編碼器分辨率×Pr4B／(Pr48×2Pr4A)。伺服電機所配編碼器如果為：2500p/r5線制增量式編碼器，則編碼器分辨率為10000p/r。如果連接伺服電機軸的絲桿間距為20mm，那么要做到控制器發(fā)送一個脈沖伺服電機行走長度為一個絲(0.01mm)。計算得伺服電機轉一圈需要2000個脈沖，每轉一圈所需脈沖確定了，脈沖頻率與伺服電機的速度的關系也就確定了。三個參數(shù)可以設定為：Pr4A=0，Pr48=10000，Pr4B=2000，約分后為：Pr4A=0，Pr48=100，Pr4B=20。從上面的敘述可知：設定Pr48、Pr4A、Pr4B這三個參數(shù)是根據(jù)我們控制器所能發(fā)送的最大脈沖頻率與工藝所要求的精度。在控制器的最大發(fā)送脈沖頻率確定后，工藝精度要求越高，則伺服電機能達到的最大速度越低。PLC控制伺服電機的流程圖如下：圖4.5標定時的PLC控制伺服電機流程圖在整個控制的過程中，伺服電機的主要作用就是控制稱重傳感器的運動方向和運動速度。實現(xiàn)速度改變的方式有使用SPED指令直接修改頻率或者使用頻率加減速控制指（ACC）實現(xiàn)速度的改變。SPED指令是直接改變脈沖頻率，而ACC可實現(xiàn)平滑的加減速過程。這里選用SPED指令直接改變脈沖頻率來改變電機的速度。梯形圖如圖4.6所示：在圖4.6中PULS指令中第一個參數(shù)為#0，所以采用端口0輸出；第二個參數(shù)為#1，所以是絕對脈沖控制；在指定絕對脈沖時，移動脈沖數(shù)等于脈沖輸出量設定值減去當前值。SPED指令中，第一個參數(shù)為#0，所以采用端口0輸出；第二個參數(shù)在正傳CW時為#10，在反轉CCW時為#11，由圖可知其輸出模式為反轉；目標頻率可根據(jù)實際情況設置，這里設置的是D202。圖4.6控制電機速度梯形圖在標定與靜態(tài)1試驗中，伺服電機正傳，使稱重傳感器向下運動。而在靜態(tài)2試驗中，伺服電機不僅要正傳而且要反轉，反轉控制稱重傳感器向相反的方向運動?？刂齐姍C正反轉的梯形圖如下所示：圖4.7PLC控制電機正反轉梯形圖圖4.7為PLC控制電機正反轉的梯形圖，開關按鈕SB10.01控制電機正傳，SB20.02控制電機反轉，SB30.00是關斷按鈕。SB1閉合時KM1100.00線圈得電，由于KM1觸點形成的自鎖作用使得電機持續(xù)正傳；當SB2閉合時KM2100.1線圈得電，由于KM2觸點形成的自鎖作用使得電機持續(xù)反轉。這里的KM1觸點與KM2觸點還構成了互鎖，避免了因接觸器KM1或KM2的主觸點熔焊引起的正反轉同時啟用。4.3W1ndows環(huán)境下上位機通信在Windows環(huán)境下，上位機與PLC實現(xiàn)串行通信，需要有軟件提供人機交互平臺，實現(xiàn)通信控制。常用的可實現(xiàn)串行通信的軟件有WinCCflex1ble組態(tài)軟件和VB程序設計軟件。由于實際工程需要的多變性及復雜性，多選用VB搭建人機交互平臺。其通信過程如圖4.8所示：VB不僅能實現(xiàn)串行通信，還能滿足各種工程實際的不同要求，設計不同的面向?qū)ο蟮墓ぷ鞔翱诮缑妗Ｋ旧硖峁┑母鞣N控件，可以方便簡易的實現(xiàn)各種設計要求。圖4.8Windows環(huán)境下上位機通信程序開始后，需要先初始化，初始化后要啟動接收函數(shù)，在正確啟動接受函數(shù)后，每當有外界信號發(fā)出時，PC成功接收到外界信號后，就會對所接收到的數(shù)據(jù)進行校驗處理，把處理后的數(shù)據(jù)進行保存、顯示，并把相應的數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，使PLC做出相應的反應，來進行正確的控制。4.4上位機和PLC串行通信的程序設計OMRONPLC的通信協(xié)議目前,隨著PLC的快速發(fā)展,越來越多的PLC生產(chǎn)廠商開發(fā)了它與計算機的通信功能，主要是利用計算機串口進行通信。我們以CPM2APLC為例。本文的通訊協(xié)議采用的是上位機鏈接通信。上位機鏈接通信通過在上位機與PLC之間交換命令和應答實現(xiàn)的。在1次通信送出的1組數(shù)據(jù)稱作“幀”,幀有少于131個字符的數(shù)據(jù)構成,送出幀的權限稱為“發(fā)送權”，HostL1nk通信是一種對話型的通信協(xié)