旋转编码器和PLC高速计数器在冲击试验机数据测量中的设计应用.pdf

1 訇 化 旋转编码器和P L C 高速计数器在冲击试验机数据 测量中的设计应用 Desi gn appl i cat i on of r ot ar y enc oder and PLC hi gh- speed count er t o dat a m easur i n g of i m pact t es t i ng m achi ne 叶园伟’ ，郑 勇 ，王金丽 ，邓怡国 ，王 刚 ，张 劲 YE Yu a n ． we i ’ ， ZHENG Y o n g ， WANG J i n ． I i ， DENG Yi gu o ，W ANG Ga n g ， ZHANG J i n 1 ． 海南大学 机电工程学院，儋州 5 7 1 7 3 7 ；2 ． 中国热带农业科学院 农业机械研究所，湛江 5 2 4 0 9 1 摘要传统的简支梁冲击试验机的测量数据一般采用刻度盘指针式显示，易造成读数误差、操作不便 等缺点。本设计将旋转编码器 O P L O高速计数器等电控装置及其功能应用于； 中击试验机的测 量系统中，分别对硬件电路和控制程序进行设计和编程，使试验机冲击测量结果由刻度盘的 指针显示转化为数字显示，从而达到提高冲击试验机测量精度和使用方便性之目的。 关键词冲击试验机；旋转编码器 ；P L C高速计数器 中图分类号T H 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 2 o 5 上 -0 0 4 4 -0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 5 上 ． 1 4 0 引言 简支梁冲击 试验机适用于各种 非金属材料和 农 业物料的冲击韧性 测试 ，是科研机构 、大专院 校 、相关厂矿进行 质量 检验和农业原料性能研 究 测试 的常用设备 。传统 简支梁冲击试验机 的测量 结 果数 据一般采用 刻度盘指针式显示 。这种刻度 盘 是通过机械式转换 方式进行显示 ，受摩擦 力和 人 为读取数据 等因素影响 ，易造成 测量数据误 差 和读 数 误差 。 为 了解 决以上 问题 ，本 文根据旋转编码 器、 P L C 高速计数器的工作原理和扩展功能，对冲击试 验机 的数据 测量系统进行改进 ，以提 高测量结果 的准确性 。旋 转编码器通过光 电转换 ，可将输 出 轴 的角位 移、角速度等物理量转换 成相应的 电脉 冲 以数 字 量 输 出 ，其 在 精 密 定位 、 速 度 、长 度 、 加速 度、振动等方面得到广泛 的应用 ，特别是在 数控机床 的精密定位方面使用较多⋯。可编程序控 制器 简称为P L C，是一种具有数字运算操作功 能 的电子装置 。它采 用可以编程 的存储器 ，执行 逻辑运 算、顺序运算 、计时、计数和算术运算 等 操作指 令 ，通过高速 脉冲计数功能 ，可 以连接编 码器脉 冲信号并进行 处理 ，是 当代工业 自动化过 程 中 的主 要 控制 装 置之 一 。 收稿日期 基金项 目 作者简介 1 冲击试验机测量原理 根据国标口 对能量指示装置的要求 ，冲击试验 机既可 以用升 角标度 ，也可 以用吸收 的冲击能量 标 度 ，二 者 的关 系式 如下 W M H c o s a R C O S o 1 式 中 一 冲 击 能 量 ， 单 位 为 焦 耳 J ； H一 摆 锤 的水平 力矩 ，单位 为 牛 顿 米 Nm； 一 起 始角，单位 为度 0 ； 一升角 ，单位 为度 。 。 由公式 1 可 以看 出，冲击能量与摆锤 的水 平力矩、起始角和升 角三者 有关 。对于合格 出厂 的冲击试验机来说 ，摆锤 的水平力矩 ，起始 角 出 厂时都 已给定 ，是一定值 ，故冲击能量 只与升角 有关 ，如果能精确 测量升 角值 ，就能准确计 算冲 击能 量 。 2 增量式旋转编码器及在冲击测量中 的应用 旋转编 码器是一种 集光、机 、电为一体的数 字化检 测装置 ，它具有分辨率及精 度高 、结构 简 单 、使 用可靠、性价 比高等优 点，广泛应用于 工 业领域 的速度或角度 位置 的检测 。增量式光 电编码 器是旋转编码器 的一种 ，主要 由光源 、码 盘 、检测光栅 、光 电检测器件 和转换电路组成 。 2 0 l I - 1 1 -2 2 2 0 1 1 年引进国际先进农业科学技术计划 农业部9 4 8 项 目2 0 1 1 - Z1 4 ；中国热带农业科学院热带沼气研究平台 1 6 3 0 0 1 2 0 1 1 0 0 4 ；2 0 1 1 if - 农村能源综合建设项 目 0 3 1 ；公益性行业 农业 科研专项 2 0 1 2 0 3 0 7 2 叶园伟 1 9 8 5 一，男，湖北随州人，在读硕士，研究方向为热带农业机械化技术与装备。 【 4 4 J 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 - 0 5 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 訇 化 ／ ＼ ／ 刻度盘 ＼ 摆锤冲 间轴转动 旋转编码器角度 信号传送 I I P L C 高 速 计 数 器 计 数 ＼ ／ ’ 击 摆 动 转 换 为 脉 冲 l 、 1 ／ 信 号 传 送上 R S 2 3 2 通 信 I l T D 2 0 0 显 示 器 P L C 能 量 计 算 程 序 摆锤冲击试验机 图 1 硬 件 系 统 框图 增量式光 电编码器输 出A、B两相互差9 0 度 电度角 的脉冲信号 即所谓的两组正交输出信号，根据 正交信号的先后顺序，可方便地判断出旋转方向。 增量编 码器是一种将角位移转换为一连 串数 字脉冲信号 的旋转 式传感 器，其 中角位 移的转换 采用光 电扫描原理 ，其转换 系统 以由交替 的透光 窗 口和不透光窗 口构成 的径 向分度盘 码盘 的 旋转为依据 ，同时被一个红外光源垂直照射 ，光 把码盘的图像投射到表面 覆盖着 一层衍射光栅 ， 并具有和码盘相 同的窗 口宽度接收器表面上。 利用 以上特 点，在 冲击试验 中，当锤转轴带 动编码器码盘转轴 同轴转动时 ，接收器感 受码盘 转动所产生 的变化 ，然后将光变化转换成相应 的 电变化 ，并通过 电子 电路处理后 以高 、低电平交 替的形式输 出标准方形脉冲信号 。为提高 测量 系 统的稳定性 ，输 出信号传输采用差分方式 ，有效 消除 了干扰 ，可精确记录摆锤 的角度 。增量编码 器输 出的正交信号可分为A、B两通道 ，其中一个 通道给 出与转速相关的信息 ，同时 ，通过两个通 道信号进行顺序对比，得到旋转方向的信息 J 。 3 P L C CP U 2 2 4 的高速计数器及在 冲击测量中的应用 西 门 子 公 司 的 S 7 2 0 0 系列 可 编 程 序 控 制 器 P L C 具有模拟量处理 、通讯联 网、系统诊断、中 断处理和高速计数等功能 。CP U 2 2 4是s 7 ． 2 0 0系 I| P L C 中的典型产 品， 其具有 1 3 KB 程序 和数据存 储空间； 基本单元有1 4点输入和l O点输 出， 最大扩 展到1 6 8 路数字量I ／ O点或3 5 路模拟量I ／ O6 ／ b 独 立的3 0 KH z 高速计数器，支持 1方式的正交脉冲 AB相 输入，支持 4方式的正交脉冲 AB相 输 入， 支持具有内／ 外部方向控制的单相输入及具有两 个时钟输入的双相输入等1 2 种模式的计数 功能 具有1 个R S 一 4 8 5 通信／ 编程 口，是S 7 2 0 0 系列中应用 最广的产品∞ 。 高速计数器常用于对C P U扫描速度无法控制 的 高速事 件 进行 计数 。每 次旋 转 的指 定计 数脉 冲 ，作为高速计数 器的输入 ，故在工程上 ，通常 把高速计数器 与增量式编码器 结合用于角度 位 置的测量 J 。 在进行冲击试验时，用编码器提供标准方形脉 冲信号，高速计数器对脉冲信号计数 ，通过相关程 序计算出能量值 ，并显示在T D2 0 0 文本显示器上。 4 应用设计 运用旋转编码器和P L C 高速计数器对传统机械 刻度盘指示冲击试 验机进行数字化 改造 ，可分为 硬件电路设计及高速计数器等相关程序的设计 。 4 ． 1硬件 电路设计 硬 件 系统组 成 方 框 图 ，如 图 1 所示 ，编 码器 使 用P L C提供的2 4 V直流电源，其输 出信号可不经脉 冲信号放大直接接入P L C的高速计数器输入端子进 行处理 。处理后的数据T D2 0 0 文本显示设备，直接 显示冲击后的能量值。 4 ． 2 程序设计 4 ． 2 ． 1 程 序框 图 如 图2 所示 4 ． 2 ． 2程序 代码及 注释 L D S M0 ． 0／ ／ 首 次 扫描 标 志 位 S M0 ． 1 1 ， 仅 在初次扫描时有效。 MO VB 1 6 F 8 ， S M3 7／ ／ 装载HS C 0 的控制位 ，激 活HS C 0 ，可更新CV和P V，可改变方 向，计数与 编码器旋转方 向有关 ，HS C指令用这些控制位要 第3 4 卷第5 期2 0 3 2 - 0 5 上 【 4 5 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 生 匐 化 l 首 次 扫 描 启 动 高 速 计 数 器 高速计数器方向改变 中断 有效时，进行数据转存 能量计算与显示 a 主程序流程 图 图 2 主程序和 中断 服务 流程图 组 态HS C。 MoV D 0 ， S MD3 8／ ／ HS C 0 当前值 C V为O HDE F 0 ， 1 0／ ／ HS C 0 定为模式1 0 ，4 正交计数 E NI ／ ／ 全局允许 中断 HS C 0／ ／ 按初始组态特征 ，启动HS C 0 L D M0 ． 0／ ／ 摆锤准备好标志位 AT CH I NT2 ， 2 7／ ／ 把 中断程序2 高速计 数 器方 向改变 中断 分配给事件2 7 HC 0 的方向改 变 L D M0 ． 1 ／ ／ 能 量 计算 标 志位 MOVR VD1 3 ， L D4／ ／ 以下程序段代码 按公式 1 把转存的最大冲击角度值计算为能量值 R 0． 01 7 4 5． LD4 COS LD4． LD4 M oVR LD4． AC0 一R 0 ． 93 97， AC0 M oVR AC0． VD 1 7 R 7 ． 7 3 3 ， VD1 7／ ／ 能量值存于变量VD1 7 中，用 于在T D2 0 0 文本显示器中显示。 E ND／ ／ 主 程 序 结束 高速计数 器方 向改变 中断服务程序 中断程 序2 1 4 6 1 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 - 0 5 上 b 中断服务流程 图 L D M0 ． 2／ ／ 方向改变 中断服务程序执行标志位 MoVD V D4 ， VD1 3／ ／ 冲击后最大升角值转存到 V D1 3 中，用于主程序中的能量值计算 。 DT CH 2 7／ ／ 断开中断事件2 7 与中断程序2 的联 系 。 R E T I ／ ／ 中断程序2 结束。 5 结论 在简支梁冲击试验机上 应用增量式旋 转编码 器和 高速计数 器 ，把编码器提供 的转 轴脉冲作为 高 速计 数 器 的输 入 信号 ，充分 利 用 了编 码器 的 时 间、 角度 高分 辨 率特 性 和高 速 计数 器 的时 效 性 ，避免 了刻度盘指针式读数对 测量结果带来 的 误差 ，从而实现 了冲击试验机冲击 能量的高精度 测量 。本设计进一步扩展 了增量式 旋转编码器和 高 速计数器的应用领域 ，为 简支梁 冲击试验机 冲 击 测试系统设计及工程实验方法提 供 了实用 的参 考 。 参考文献 【 l 】刘文魁， 石建玲 ． 光电旋转编码器在 角度测量 中的应用【 J 】 ． 现代制造工程， 2 0 0 6 ， 1 1 9 0 9 1 ． 【 2 】廖常初． P L C基础及应用【 M】 ． 第二版． 北京机械工业出 【 下转第5 3 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1三种算法识别率比较 B P S ⅧP S 0 B P 图5三种 算法的时间柱状图 从表 1 和图5 可看 出，BP 神经 网络 的识别率要 明显低于支持向量机S VM和P S O B P 算法 ，支持向 量机S V M和P S O B P 算法识别率比较相近 ，但是从 直方图上可 以看 出，由于使用支持 向量机优化 了 B P 神经网络 的各参数 ，因此降低了算法 的训练时 间。 5 结束语 本文提出了基于Ga b o r d , 波变换的人脸特征提 取方法 ，并采用DC T离散余 弦变换 对特征向量 进 行压缩 ，在有效地保存 了图像 的低频 部分重要信 的 同时降低 了图像特征 向量 的维数 ，并提 出了采 用粒子群算法优化B P 神经网络 ，使用其对人脸表 情分类进行训练 ，最终实现人脸表情识别 ，为 了 说明本文算法 的有效性 ，还比较 了仅使用BP 神经 网络或仅 使用支持 向量机S VM算法的识 别率 ，仿 真实验表明本文算法的有效性以及优越性 。 参考文献 【 1 】 张翠平， 苏广大 ． 人脸识 别技术综述 【 J ] ． 中国图像图形学 报， 2 0 0 0 ， 5 1 1 8 8 5 8 9 4 ． 【 2 】 刘晓， 章毓晋． 基于Ga b o r 直方图特征 和MV B o o s t 的人 脸 表情 识别【 J 】 ． 计算机研 究与发展， 2 0 0 7 ， 4 4 7 1 0 8 9 - 1 0 9 6 ． [ 3 】 R B r u n e l l ， T P o g g i o ． F e a t u r e r e c o g n i t i o n f e a t u r e s v e r s u s t e mp l a t e s 【 J】 ． I E E E T r a n s P a t t e r n A n a l y s i s a n d Ma c h i n e I n t e l l i g e n c e ， 1 9 9 3 ， 1 5 1 0 1 0 4 21 0 5 2 ． 【 4 】 M T u r k , AP e n t l a n d ． E i g e n f a c e s f o r r e c o g n i t i o n 【 J 】 JC o g n i t i v e Ne u r o s c i ， 1 9 9 1 ， 3 1 7 18 6 ． 【 5 】 T ENLL ADO C， GOMEZ J I , S E T OAI N J ， e t a 1 ． I mp r o v i n g f a c e r e c og ni t i on b y c o mbi n a t i on of na t u r a l a n d Ga b o r f a c e s 【 J 】 ． P a t t e r n R e c o g n i ti o n L e t t e r s， 2 0 1 0 ， 3 1 1 1 1 4 5 3 1 4 6 0 ． 【 6 】 Lo r i s Na n n， Da r i o Ma i o ． W e i g h t e d s u b Ga b o r f o r f a c e r e c o g n i t i o n[ J 】 ． Pa t t e rn Re c o g n i t i o n Le R e r s ， 2 0 0 7 ， 2 8 4 4 8 7 4 9 2 ． 【 7 】 S HE N Li n l i n ， J i Zh e n ． Ga b o r wa v e l e t l e c ti o n and S VM c l a s s i fi c a t i o n f o r o b j e c t r e c o g n i t i o n【 J 】 ． Ac t a A u t o ma t i c a S i n i c a ， 2 0 0 9 ， 3 5 4 3 5 0 3 5 5 ． 【 8 】 Li u D， La m K， S h e n L． Op t i ma l s a mp l i n g o f g a b o r f e a t u r e for f a c e r e c o g n i t i o n【 J 】 ． P a Re rn Re c o g i t i o n Le t t e r s ， 2 0 0 4 ， 2 5 2 2 6 7 2 7 6 ． 【 9 】KAO W e n - c h u ang ， Hs u Mi n g c h a i ， Ya n g y u e h y i i n g ． L o c a l c ont r a s t en ha nc eme nt a nd a da pt i ve f ea t u r e e xt r ac t i on f o r i l l u mi na t i o n - i n v a r i a n t f a c e r e c o g n i t i o n【 J 】 ． P a R e r n Re c o g n i t i o n ， 2 0 1 0 ， 4 3 5 1 7 3 6 1 7 4 7 ． 【 1 0 ]黎奎，宋字， 邓建奇， 等． 基于 特征 脸 和B P 神 经网络的人脸 识别 [ J ] ． 计算机应用研 究， 2 0 0 5 ， 2 2 6 2 3 6 2 3 7 ． 【 l 1 】汪世义， 陶亮， 王华 彬． 支持 向量机 和遗传算法的人脸识 别方法 【 J 】 ． 计算机工程 与应 用， 2 0 0 9 ， 4 5 1 2 1 6 4 1 6 6 ． 童 {矗‘ {矗‘ {矗‘ 矗● 鑫● 重● 矗- ● 重 ●矗 ． I j‘I ．{重‘ |叠‘ 奠 重‘出． {‘ ．●岛● {童● 鼻● {矗● I ． 【 上接第4 6 页 】 版 社 ． 【 3 】G B ／ T 2 1 1 8 9 2 0 0 7 ， 塑料简支梁 、悬臂梁 和拉 伸冲击实验 用摆锤冲击试验机 的检 验【 S 】 ． 【 4 】蒋晶， 蒋东方， 高航． 高可靠性增量式光电编码器接口电路 设计【 J 】 ． 测控技术， 2 0 0 9 ， 2 8 2 1 - 4 ． 【 5 】常春， 胡瑜， 董彬 ． 光 电旋转编码器 的研 究与应用【 J 】 ． 仪表 技术与传感器， 2 0 0 1 ， 1 2 3 4 3 5 ． 【 6 】赵光． 西 门子S 7 2 0 0 系列P L C 应用实例详解【 M】 ． 北京 化 学工业 出版社， 2 0 1 0 ． 【 7 】张立新， 吴 明捷， 张晓燕． 可编程控制器 P L C的高速计 数器的应用 【 J 】 ． 北京石 油化 工 学院学报， 2 0 0 1 ， 9 1 4 8 4 9． 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 - 0 5 上 [ 5 3 1 ∞ ∞ 如 ∞ 如 加 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m