基于PLC的扭簧疲劳试验机的研制.pdf

2 0 1 3年 6月 第 4 1 卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u n e 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ．1 l D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 3 4 基于 P L C的扭簧疲劳试验机的研制 蒋明明，肖世德，李志兵，高宏力 西南交通大学机械工程学院智能机 电技术研 究所，四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要为了客观评价汽车用扭簧的性能与寿命 ，研制了基于P L C的疲劳试验机。介绍了该试验机的组成、硬件电路设 计及软件设计，并对扭簧疲劳试验过程中出现的伺服电机转向抖动过大等问题进行了探讨。试验证明该试验机能够完成 各种长时间、高重复性 、不同振幅的扭簧疲劳试验 ，运行稳定可靠。 关键词扭簧 ；P L C；伺服电机；疲劳试验机 中图分类号 U 4 6 7 ． 3 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 l 2 0 1 3 1 11 2 53 De s i g n o f t h e To r s i o n S p r i ng Fa t i g ue Te s t S y s t e m Ba s e d o n PLC J I ANG Mi n g mi n g，XI AO S h i d e ，L I Z h i b i n g ，GAO Ho n g l i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e v a l u a t e t h e p e r f o r ma n c e a n d l i f e o f t h e t o r s i o n s p ri n g ，a k i n d o f f a t i g u e t e s t ma c h i n e w a s d e s i g n e d b a s e d o n P LC ． T h e t e s t i n g ma c h i n e c o mp o s i t i o n． s y s t e m h a r d wa r e c i r c u i t d e s i g n a n d s o f t wa r e d e s i g n we r e i n t r o d u c e d ． T h e s t e e ri n g s e n o mo t o r w o b b l i n g p r o b l e m i n t e s t p r o c e s s w a s s o l v e d ． T h e e x p e rime n t r e s u h s h o w s t h a t t h i s ma c h i n e c a n b e u s e d t o p e r f o rm a v a r i e t y o f t wi s t s p r i n g f a t i g u e t e s t w i t h l o n g t i me ， h i g h r e p e a t a b i l i t y ， d i f f e r e n t a mp l i t u d e ． Th e s t a b i l i t y a n d r e l i ab i l i t y o f t h e s y s t e m are p r o v e d ． Ke y wo r d s T o rsi o n s p rin g ；P L C； S e Ⅳo mo t o r ； F a t i gu e t e s t 扭簧作为应用广泛的基础性产品，对其性能的检 测显得越来越重要。现代 自动化测量技术 日益完备 ， 除了要求能够准确、可靠地完成检测任务之外 ，还要 求能实现自动、智能化的检测⋯。P L C吸取了微电子 技术和计算机技术的最新成果，发展十分迅速 ，应 用于 自动化领域的各个方面。而 7 - 2 0 0系列 P L C是 一 种体积小 、编程 简单 、控制方 便 、价格实惠 的可编 程控制器 ，它可以较好 地实现对运动位置控制 J ，所 以作者设计一种 以 7 - 2 2 4 X P作下位机、以松下 M i ． n a s A 4系列交流伺服电机作伺服电机、以步科触摸屏 为上位机的廉价试验机方案。 1 试验机方案 扭簧疲劳试验机 的原理如图 1所示。试验开始 时 ，根据不同的扭簧选择工件套轴，用锁紧螺栓锁 紧扭簧后 ，由伺服电机低速转动将扭簧转到设置角 度 ，再根据触摸屏上人工设置的参数通过控制伺服 电机 的转动方向和速率来控制疲劳试验 的频率和振 幅。 试验中，扭矩传感器检测扭簧受外力变形的扭矩 值 ，实时反馈给 P L C进行检测；P L C根据输 出轴上 编码器信号经过处理模块转换后的值，通过计算得出 扭簧转动的速度及角度变化；触摸屏作为试验机的上 位机，接受用户 的参数设置和指令 ，通过 R S 4 8 5总 线传 送给 P L C 。P L C作为整个试验机控 制的核心 ，负 责整体的运动控制。 1 一试验机外壳2 一工件套轴3 ～盏板4 一调心轴承5 一固定螺母 6 一扭矩传感器7 一编码器8 一机架 减速器1 0 一伺服电机 l 1 一信号转换模块l 2 ～伺服驱动器l 3 一P L c l 4 一触摸屏 图 1 扭簧疲劳试验机组成示意图 2系统硬件电路设计 试验机系统的电气电路主要由外围电气电路和控 制系统电路组成。试验机系统的外围电气电路主要由 熔 断器 、空气开关 、电源 指示灯 、电源开关按钮 、急 收稿日期2 0 1 2 0 5 0 9 作者简介蒋明明 1 9 8 8 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统与工业控制。Em a i l J MM1 6 9 8 g m a i l ． t o m。 1 2 6 机床与液压 第4 1 卷 停开关按钮等组成 ，目的是保证试验机电源供电的可 靠性与安全性。其中，熔断器可以对电路过流的情况 起到一定的保护作用。 试验机控制系统的硬件电路主要包括系统的保护 电路 、电源变换 电路 、伺服 电机驱动器 电路 如 图2 所示 、P L C控制 电路 。该系统是 通过 P L C控制伺 服 驱动器进而控制伺服电机。 2 2 0V Xl X5 2 4v电源 触摸 屏 电 瀚 -_{ 圈蠹 C o M 2 4 V 电 探 - C o M ． 佰 l服 侗 R I ． I lL IC 恢入 s I 刁 I 1 输 ] e 豇 脉冲摺兮 f ． 0 品．1 红 色 X 2 尝 P U L S 2 I 臼色 电接 S I G Nl 方向指令 f 1 I 黑 色 一 銎 口 SIGN2 L 鲁 A 匕 茸 I G 翁 l K l L 图2 伺服驱动器接线示意图 主要控制线有 5根1根伺服使能信号线、2根 指令脉冲输 出信号线、2根伺服 电机旋转方向控制 线。由于采用脉冲串输出控制，根据伺服电机使用手 册 将其余信号控制电源负极相连。这几根信号线主 要是对伺服电机进行位置控制 ，通过对相应的伺服驱 动器的参数设置和程序的设计来达到要求的精度。伺 服报警信号线主要是对伺服电机的不正常运行进行保 护，比如 电机的过流、过压运行等 。通过 P L C程 序对伺服报警信号进行处理 ，保证伺服系统运行的可 靠性和稳定性。此外，该系统还安装了外部急停按钮 开关 ，便于对特殊情况进行紧急停止操作 ，以保证系 统的安全性 。 伺服电机驱动器的参数设置关系到伺服电机的正 常稳定的运行，决定电机转速和控制转动方向的脉冲 格式类型，影响程序的编写 。具体的参数设置如表1 。 表 1 Mi n a s A 4系列伺服驱动器主要设置参数 编号参数名称 设定值 功能说明 附 。 。 P p 4 冀 霎 篙 裴 。 脉 附 z s 方 P l 48 。 在P I 4 8等于。的时候， 电机每转一 o1 附 B 控制 系统 P L C采 用西 门子 公 司 C P U 2 2 4 X P晶体 管型C P U，依靠其本身集成的模拟量输入模块进行扭 簧扭矩大小的检测。P L C输入输出点数分配表定义如 表 2所示。C P U模块接线原理如图 3所示。 表 2 输入输 出点数分配表 Q C P U 2 2 4 XP 模拟量I ／ O o 丝 B MC I I _ _ 1 BRT J 一， --_ 2 2 2 o 2 o 2 丝 2 S D Z P l ， ， 一 2 S D F P _ - 一 2 S T A R T _ 一 ，． ● 一 2 一 三 2 P一一 o 2 4V 图3 C P U模块接线原理图 3系统软件设计 3 ． 1 P L C软件 设 计 P L C程序流程图如图4所示，主要功能是根据用 户设定的参数，控制伺服电机转动的方向、速度和启 停 ，并在系统运行时 ，实时检测扭 矩大小 和记 录试验 次数。 苫0 ．0 0 ． 1 _ 0 ． “ 0 ．u0 ． 4 0 ． 0 ． 0 ． “ 葛 0 l_ ． 1 ． u 4 1 ． 第 1 1期 蒋明明 等基于 P L C的扭簧疲劳试验机的研制 1 2 7 启 动 重 加 载 l 二 二 ] 二 士 二二 二 [二二 否达 到时间或＼ 、 墼 输 出 曲线数 据 主 反 向缓慢 加 载 _______-●。_。_。●●____________ _一 皇 回到 起 始位 置 停 止 图 4 P L C程序流程 图 3 ． 2触摸屏界面设计 触摸屏开 发软件采用步科公 司研 发 的 E v i e w嵌入 式组态软件 。以此软件为平台开发的用户操作软件 界面如图 5所示，可完成试验参数设定 旋转角度、 振幅角度、试验次数 ，试验状态的监测 完成次 数、旋转角度、扭矩大小 ， 试验人员的登记 ，数据记 录保存 、显示、打印，状态监控及故障报警等功能。 图 5 操作界面 4 系统存在的问题及解决办法 在设计过 程 中 ，对 伺 服 电机进 行 正 反转 空 载试 验，电机转速程序不作处理。在以 7 H z 以上频率进 行电机正反转一圈的试验 中，电机会产生剧烈 的抖 动。这在负载工况下会对电机产生损耗，影响其使用 寿命。所以在程序中，对伺服电机换向时进行加减速 处理 ，使其速度的变化尽量缓慢。部分程序如下 L D S M0． 1 R Q o ． 0 ， 1 R Q o ． 1 ， 1 MO V D 1 3 6 3 ， P e r P l u s e s S MD 7 2／ ／ 一次输出脉 冲数 ／ ／ 1 ～ 4 2 9 4 9 6 6 7 2 9 5 MOVW 2 0 0， VW4 0 MOVW 2 0． VW6 0 MOVW 0． VW7 0 MOVW 1 0 0， CwT i me VW2 0 ／ ／ 顺 时 针／ 逆 时 针 脉 冲 周 期 单 位 1 0 m s 1～ 6 5 5 3 5 MOVB 1 6 8 5． S MB6 7 MOVW 2 5 0， Pe r P l u s Ti me u s S MW6 8 ／ ／ 每个脉冲周期 单位 s 2～ 6 5 5 3 5 MOVD 1 8 0 0， P e r P l u s e s S MD7 2 ATC H I NT_0 I NT 0， 1 9 DI S I MOVB 0， VBI O R M 0 ． 7 ， 1 ／ ／ 复位 R M0 ． 0， 4 R M1 ． 0， 4 R M2 ． 3， 1 由于试验机需要达到足够的扭矩值，直接通过伺 服电机转动扭簧不合理，达不到设计要求。在设计过 程中，加入了行星减速器对伺服电机的减速和扭矩进 行放大。虽然选 用 的行 星减速器 的 回程 间隙达到 5 a r c m i n以内，但 由于该试验机在进行疲劳试验时往 往达到上百万次以上，这个误差会不断地积累，从而 影响实际系统旋转角度的精度。所以在系统设计时， 在减速器输出轴端加装了编码器。通过 7 - 2 2 4 X P提 供 的高速计数器 H S C 1 对输 出端 的编码器 脉冲进行记 录，从而计算实际的角度位置 ，形成闭环的位置控 制。当误差积累到允许误差时，进行系统的调零和纠 偏。其脉冲计数程序 如下 1 H S C 1 初始化 L D S M 0 ． 1 ／ ／首次扫描时 MOVB 1 6 F 8 S MB 4 7 ／ ／配置 H S C 1 启用计数器 ， 初始化计数器 H D E F 1 1 1 ／ ／将 H S C 1 设置为正交模式 MO V D 0 S M D 4 8 ／ ／清除 H S C 1 的当前值 MO V D1 ， S MD 5 2 ／ ／将 H S C 1 预设值设为 1 AT CH I NT 0 I NT 0， 1 3 ／ ／H S C 1当前值 预设值 事件 1 3 附加中断例 行程 序 I N T 0上 E N I ／ ／全局 中断启用 H S C 1 ／ ／程序 H S C 1 2 脉冲计数 LD S M0 ． 0 MOVD HC1， VD51 0 ∥将高速计数器 1 所记数值存储在 V D 5 1 0中 DTR VD5 1 0， VD5 2 0 ∥V D 5 1 0中的整数转化为实数， 存入 V D 5 2 0 ／ R 1 0 2 4， VD5 2 0 ∥V D 5 2 0除以 1 0 2 4存人 V D 5 2 0 ， 1 0 2 4为电机旋 转一周编码器发送脉冲数 下转第 5 6页 5 6 机床与液压 第4 1 卷 4纳米纤维 自动调匀控制流程 整个 纳 米 纤 维 自动 调 匀 控 制 系 统 核 心 为 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2的调度控制 ，流程如下所示 1 输入纳米纤维半径，T M S 3 2 0 F 2 8 1 2根据输 入的值 和公式 3 计算 出收集辊间距 。 2 获 得 推 杆 马 达 运 动 行 程 距 离 后 ， T M S 3 2 0 F 2 8 1 2不断采集光栅尺反馈的推杆马达位置、 不断进行 P I D调节修 正 ，最终实现二块推杆马达的闭 环运动控制 ，初步完成收集辊间距 的调节。 3 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2完成推杆马达初始位置控制 后快速采集激光位移传感器的值 ，并通过公式 7 计算偏振值，并按照计算的偏振值控制推杆马达 自校 准运动实现收集辊间距 的恒定控制 。 在系统运行中控 制器不 断进行第 3 个 步骤 ，在整 个校准控制中可以实现收集辊间保持恒定间距转动， 从而实现了纳米纤维半径的恒定控制 ，最终完成纳米 纤维的自动调匀 ，其中控制器F 2 8 1 2高达 1 2 0 M H z 的 处理频率有效保证了控制的实时性。 5结论 通过对纳米纤维收集辊进行运动控制建模 ，找出 影响纳米纤维直径均匀度的关键因素收集辊轮的 间距由于辊轮 自身转动而造成的偏振误差，辊轮间距 的改变直接导致纤维半径变化 ，最终造成制备的纳米 纤维直径均匀度不高；通过实时采集激光传感器数据 求出收集辊轮间距的偏离量，驱动推杆马达进行实时 控制修正辊轮间距 ，最终达到收集辊轮间距的自适应 调节，从而实现了纳米纤维 自动调匀。 参考文献 【 1 】钟用． 高速纺丝电锭的制动控制系统设计与研究[ M] ． 成都 电子科技大学， 2 0 1 0 ． 【 2 】段宏伟 ， 毕淑娟， 张玉军， 等． 基于电场结构参数化建模 的纺丝机结 构优化 [ J ] ． 哈尔滨理工大学学报， 2 0 0 9 3 1 1 71 2 1 ． 【 3 】Z H A N G D M， C H A N G J ． E l e c t r o s p i n n i n g o f T h r e e D i me n s i o n a l N a n o fi b r o u s T u b e s w i t h C o n t r o l l a b l e A r c h i t e c t u r e s [ J ] ． N A N O L e t t e r s ， 2 0 1 0 3 2 8 3 3 2 8 7 ． 【 4 】张剑烽． 特殊形态及结构电纺纳米纤维的制备[ D ] ． 北 京 北京化工大学， 2 0 1 0 ． 【 5 】罗天资， 陈卫兵， 邹豪杰． 直线电机模糊增量 P I D控制算 法的研究[ J ] ． 测控技术， 2 0 1 1 ， 3 0 2 5 6 5 9 ． 【 6 】姚金， 王彦梅． T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 在电机控制系统的设计及 应用[ J ] ． 仪表技术， 2 0 0 7 3 3 1 3 3 ． 【 7 】崔新爱， 顾汉卿． 静电纺纳米纤维支架在组织工程中的 研究进展[ J ] ． 透析与人工器官， 2 0 1 0 3 4 1 4 6 ． 【 8 】 王红莲． 电纺纳米纤维运动学建模与仿真[ D ] ． 厦门 厦 门大学， 2 0 0 9 ． 【 9 】 钟圆圆． 静电纺丝中稳态射流的建模仿真与实验研究 [ D] ． 厦门 厦门大学， 2 0 1 0 ． 【 1 0 】 孙立宁， 李腾 ， 刘延杰． 高加速精密直线电机运动平台 键合图建模与分析[ J ] ． 机器人 ， 2 0 1 1 4 4 6 7 4 7 4 ． 上接第 1 2 7页 R 3 6 0 ，V D 5 2 0 ∥V D 5 2 0乘 以 3 6 0存入 V D 5 2 0 ， 3 6 0为电机转动一圈角度值 5结论 该试验机实物照片如图6 。 图6 试验机实物照片 经过现场安装与调试，本试验机系统精度能够达 到要求 ，试验频率最高可达 1 0 H z ，试验次数最高达 3 0 0万次 ，理论最大扭矩 2 0 0 N m。它体积小，结构 简单，便于搬运，方便工厂实际试验操作，提高了评 价扭簧疲劳性能的客观性，而且价格低廉 ，减轻厂家 成本负担 。 参考文献 【 1 】 丁建军． 基于虚拟仪器的扭簧检测系统的设计 [ J ] ． 武 汉理工大学学报 交通科学与工程版， 2 0 1 0 ， 3 4 2 3 9 740 0． 【 2 】 黄菊生， 龚庆寿， 夏平， 等． 数控平台 P L C控制系统的开 发[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 4 5 6 5 8 ． 【 3 】胡佳丽， 闰宝瑞 ， 张安震 ， 等． s 7 2 0 0 P L C在伺服电机位 置控制中的应用 [ J ] ． 自动化仪表， 2 0 0 9 ， 3 0 1 2 3 8 41 ． 【 4 】 P a n a s o n i c ． M i n a s A 4 系列 A C伺服驱动器技术资料选编 [ M] ． 【 5 】陈上挺， 钱晓耀 ， 孙崎岖， 等． 基于 P L C的伺服控制系统 在密封垫圈绕制系统中的应用[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 7 3 4 1 3 4 3 ． 【 6 】 卢建刚， 陈小飙． M i n a s A 4系列交流伺服电机的P L C控 制[ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 8 ， 2 4 9 9 1 9 2 ． 【 7 】步科公司． E v i e w组态软件用户使用手册[ M] ． 【 8 】 廖常初． P L C编程及应用[ M] ． 2版． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 5 ．