基于PLC的圆柱最大直径测量装置控制系统的设计.pdf

务l 匐 化 基于P L C 的圆柱最大直径测量装置控制系统的设计 Desi gn of cont r ol s ys t em of t he bi ggest di am et er m easur em ent devi ce of t he c yl i nder b ased on PLC 王小芍，吴玉国，张良安，秦海波 WANG Xi a o ． s h a o，W U Yu g u o，ZHANG L i a n g a n，QI N Ha i - b o 安徽工业大学 机械工程学院，马鞍山2 4 3 0 0 2 摘要为实现陶瓷圆柱体最大直径测量的自动检测和分组，本文设计了一种基于P L O 的接触式自动检 测控制系统， 系统由传送、检测、分组三部分组成。整个系统以P L O 技术为核心，实现伺服电 动机的正反转来控制挡板的往复运动，处理光栅尺测得圆柱直径尺寸，最后P L C 控制四个喷枪 喷料，实现对圆柱体的分组。 关键词；P L C；圆柱直径 ；接触式测量；光栅尺；自动分组 中田分类号。T P 2 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 3 0 2 下 -0 1 0 3 - 0 5 D o i ； 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． 1 s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 2 下 ． 2 7 0 引言 查 阅相关资料 ，目前 国内外对于 圆柱体最大 直径 的检测多采用非 接触式检 测方法 ，存在着诸 如对专 业知识要求高 、成本较高等一 系列 问题 ， 无法满足大规模的检测要求I” 。基于这种现状，本 课题设计 了一种接触式测量方法，以P L C为控制核 心 ，对被测圆柱体进行有步骤 的输 送定位 ，配合 光栅 检测系统，以流水线测量 的方 式对 圆柱体 的 最 大直 径进行 自动检 测，是一种全新 的测量装置 系统。 1 测量装置 图l 为圆柱直径测量装置结构示意简图，被测 圆柱体 在板 与固定板之 间旋转一周 ，通过测量此 期 间两板之 间的最大距离 ，得到被测 圆柱体的最 大直径 。本文主要针对此测量方法制定 出了一种 合理的 测量方案 ，并重点对对此方案的控制系统 进行设计与研 究。 该检 测装置主 要包括传送模 块、检测模块 和 分组模块。 传送模块要实现传送带按照一 定的速 度匀速 前进 ，由一个运行指示灯显示其运行状态。 检测模块一方面要实现挡板对机械运动 的控 制 ，完成其带动被 测圆柱体滚动前进 的任务 ；另 一 方 面 ，利用光栅传感器测量圆柱体直径 ，通过 测量弹簧的压缩量来 间接得到挡板与固定板之 间 的距离 ，即可知圆柱体直径 。检测模块主要由挡 1 ． Y轴电动机1 2 ．Y轴运动托盘3 ．X轴运动托盘4 ．弹簧 5 - 被谰圆柱体6 ． 传送带7 、8 、1 0 ． 光电开关 9 ． 喷枪1 1 ．挡板1 2 ． X轴电动机2 图1 测量装置结构示意简 图 板、光栅尺、光电传感器和四个行程开关构成。 分组 模 块 由四个 喷枪 、 几个 光 电传 感器 构 成。此模块中P L C 分别控制四个喷枪对分组后相对 应的圆柱体喷料，以不同颜色标示，完成分组 。 2 测量装置控制系统的硬件设计 2 ． 1测量装置控制系统的控制要求 收稿日期2 0 1 2 -1 0 -1 4 作者简介王小芍 1 9 8 7 一，女，山东菏泽人，硕士，主要从事机电一体化方向的研究。 第3 5 卷第2 期2 0 1 3 0 2 下 [ 1 0 3 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 勺 似 根据对 测量装置各模块的分析， 统也提 出了相应的控制要求 1 初始状态挡板处于原点位置； 熄灭；传送带处于静止状态。 对其控制 系 工作指示灯 2 选择 一个小型交流电机带动传送带匀速运 行，用一个启动／ 停止开关来控制电机的启停 。 3 P L C 控制伺服驱动器控制交流伺服电动机 ， 通过设定P r O ． 0 6 指令脉冲极性设置参数就可 以 实现正反转 ，从 而控制挡板的往复运动 ，其行程 路径 由四个行程开关控制。 4 通过数据处理电路对光栅传感器的测得的尺 寸脉冲进行细分、辨 向等处理 ，以满足本 系统 的 测量精度要求。 5 对圆柱体进行分组 ，尺寸区间值为 2 9 9 ． 0 ， 2 9 9 ． 5 ， 2 9 9 ． 5 ， 3 0 0 ． 0 ， 3 0 0 ． 0 ， 3 0 0 ． 5 ， 3 0 0 ． 5 ， 3 0 1 ． 0 ，依次 为A、B、C、D四组 ，若尺寸小于2 9 9 ． 0 mm或者大 于3 0 1 ． 0 mm，则为不合格。 6 A、B、C、D四组分别对应四个可以喷出不 同颜色的喷枪 ，不合格 的圆柱体不喷。在每个喷 枪 的前后安装两个光电开关 ，用来控制 喷枪 的启 停 ，准确控制喷枪的工作时间。 2 ． 2伺服控制系统 本课题 的主要任务就是要完成对检测模块 的 控制 ，完成挡板在X、Y两个方 向上的往复运动， 以及光栅尺对圆柱最大尺寸的测量。采用以P L C为 控制核心的伺服控制 系统 ，主要包括P L C、伺服驱 动器、编码器和伺服电动机 。综合考虑该 系统的 控制要求，查 阅相关说明书，最终选择的伺服驱 动器为松下A5 系列MADHT1 5 0 7 ，配套使用的电 动机型号为MS ME 0 2 2 G1 。 QF u x4 IPULS I PLC L 2 L I C S I G N 2 io ≮ L 1 l 主 脉 冲 序 列输 入 眭 抽 榆由 ㈠ t ． 。i 信 控制 ⋯ ⋯ 蝴 l S Q 1P E S R V O N S Q P O T ． 船 一 、 右 限 位 开 关 } 叫 ‰ I 。／ 肋 E 5 V 5 V 伺 服电 栅 输 入 端口 P s I P s 、 Ms ME 0 2 2 、 ＼I P S。1 P S 图2 松下A5 伺服系统接线图 [ 1 0 4 1 第3 5 卷第2 期2 0 1 3 0 2 下 图2 中，S RV- O N口接P L C 输 出继 电器控制 ， 控制伺服驱动器启动 、停止 。P UL S 1 为指令脉冲 输 入端 口，S I NG1 为方 向信号输入端 口，分别 由 P L C 发出控制信号，来控制伺服机的运行的步数及 运行方向。 松下A5 伺服驱动器有三种控制模式 伺服 电 机有三种控制模式 速度控制模式 ，位置控制模 式，转矩控制模式 。基于本设计所要完成的任 务和精度要求 ，本设计 中伺服驱动器对伺服 电动 机采用位置控制模式。上图即为位置控制模式下 的制信号接线图。 在 位置控制模 式下，伺服 驱动器 接收P LC 发 出的位置指令信号脉冲／ 方向，送入脉冲列形态， 经 电子齿 轮分／ 陪频 后 ，在偏 差可逆计数 器 中与 反馈脉冲信号 比较后形 成偏差信号 。反馈脉冲是 由光电编码器检测到电机 实际所产生的脉冲数 ， 经四倍频后产生的 。位 置偏差信号经位置环 的复 合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度 指令信号与速度反馈信号与位置检测装置相 同比 较 后的偏差信号经速度环 比例积分控制器调节后 产生 电流指令信号 ，在电流环中经矢量变换后 ， 由S P WM输 出转矩 电流 ，控制交流伺服 电机的运 行。 2 ． 3 光栅尺测量电路 光栅是一种数字式位移传感器， 由于其具有高 精确度 、高分辨率、大量程 、较强抗干扰能力 、 较高测量速度等特点， 可实现动态测量 、自动测试 和数字显示功能， 目前 已广泛应用于位移精密测量 和精密定位控制领域 。根据采集到的运动方向和 信号变化的周期用计数器进行计数， 就可以测 出总 的位移量。 图3 为该 测量 装置 的 测量原 理示 意 图 ，图3 a 图所示挡板 还处于原 点位 置 ，两板之 间的 距 离为H。 ， 原 长L 。 。弹簧被 测圆柱 到位后 ，电机 1 正转 ，直到行程开关动 作时停止前进 ，此时两 板 之 间的距离 为H ，如图3 b。指示 光栅 固 定在与弹簧相连的轴上，保证了指示光栅和标尺 光栅 的相对位移与弹簧 的伸缩量一致。圆柱体在 滚动前进的过程 中，圆柱体直径 由小变 大时，弹 簧被压缩 ，圆柱直径由大变小时 ，弹簧伸长。弹 簧 的压缩 和伸 长 即对应 着指示 光栅 的运 动 ，通 过 测量 指示光 栅相 对于 标尺光 栅 的相对 位移 ， 即可 得 到弹簧 的最 大压 缩量 ，从 而便 可得到 圆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 訇 似 柱体 的最大 直径D⋯ 。图3 c 所示为 测量 圆柱 位于最大直径处 ，此时测得弹簧的最 大压缩量为 L ma x L 0 一 L 2 ，圆柱最大直径即为 ￡ 一 1 a b c X y 图3 测量原理 示意图 本设计预采用北京正开仪器有限公 司生产 的 MC- J C XF 系Y ,J 4 , 型位移光栅光感器 ，用于测量弹 簧压 缩位移量 。其 可以输 出A、B两路 相位差为 9 0 。的方波信号 ，经辨向及计数 电路处理 后即可 获得与弹簧变形呈正比的计数脉冲 】 。 四倍频专 用集成 电路 QA7 4 0 2 1 0 可 以用于 对 光栅传感器方波信号的处理 。可以将两 路正交的 方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号 ，可 送加减计数输入双时钟可逆计数器进行加 、减计 数 ，也可直接送微型计算机进行数据处理 。图4 所 示，将集成电路获得的两路加减脉冲输入到P L C的 加减计数器 ，P L C最终通过脉冲计数得到弹簧的最 大压缩量 ，完成本次测量。 图4 光栅传感器测量硬件原理图 2 ． 4 分组系统 图5 所示为本设计中分组模块 的喷枪安装示意 图 。四个 喷枪依次排列在流水线上 ，每个喷枪前 后各安装一个光 电开关 ，用于检测喷枪开始工作 和停止工作的时间。P L C依照通过光栅尺测量得到 的圆柱直径 尺寸 ，对喷枪发送工作命令 ，完成对 圆柱体喷料，实现分组 。 图5 喷枪安装示意图 2 ．5 I／ O 分配及控制接线图 根据该 控制系统 的控 制要求和对该 装置控制 过程的分析，列出圆柱体直径测量装置P L C 控制系 统的I ／ O 端 口分配如表1 所示 。 表1 输入端子分配 名 称 输入 名 称 输入 启动按钮S B1 1 0 ． 0 喷枪2 停 止光电传感器S Q 4 I 1 ． 2 停止按钮S B 2 I O ． 1 喷枪3 开始光电传感器S Q5 I 1 -3 复位S B 3 1 0 ． 2 喷枪3 停止光电传感器S Q6 I 1 ．4 急停按钮 1 0 ． 3 喷枪4 开始光电传感器S Q 7 I 1 ． 5 到位检测光电 1 0 ．4 喷枪4 停止 光电传感器S Q8 I 1 ． 6 传感器S Q0 光栅 正脉冲 1 0 ． 5 Y 行程开关S Q 9 I 1 ． 7 光栅负脉冲 1 0 ． 6 X行程开关S Q1 0 1 2 ． O 喷枪1 开始光 电 I O ．7 - Y 行程开关S Q1 1 I 2 ． 1 传感器S Q1 喷枪1 停止光电 I 1 ．0 X行程开关S Q1 2 I 2 ． 2 开关S Q 2 喷枪2 开始光 电 I 1 ．1 传感器S Q3 第3 5 卷第2 期9 0 1 3 - 0 2 下 I 1 0 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 匐 似 表2 输出端子分配 名 称 输出 名 称 输出 工作指示灯 Q0 ．o X轴驱动S I G N Q 0 ． 6 警报指示灯 Qo ． 1 传送带K M0 QI ． o 警报蜂鸣器 Q 0 ． 2 喷枪1 KM1 Q1 ． 1 Y 轴驱动P U L S Q0 ． 3 喷枪2 K M2 Q1 ． 2 Y轴驱动S I G N Q0 ． 4 喷枪3 K M3 Q1 ． 3 x 轴驱动P U L S Q 0 ． 5 喷枪4 KM4 Q1 ． 4 由表1 和表2 中P L C的I ／ O地址分配可知，系统 共有 1 8 4 - 开关量输 入点，1 2 个开关量输 出点 ，根 据 以上分析 ，考虑能够达到 以上要求并且性价 比 较高的因素 ，最终为本 系统选择的P L C 型号为西门 子公司S 7 2 2 6 系列 。该型号有2 4 个输入接 口，1 6 个输出接口，可满足输入输出要求。 首先要设置P L C的启动／ 停止控制 ，保证P L C 必须是 在 一切就 绪 的情况 下工 作 ，同时 在发生 紧急情况下 ，可以人工控制程序的停止运行 。如 图 ，1 0 ． 0 为程 序的启动按钮 ，1 0 ． 3 是紧急停止按 钮。按下1 0 ． 0 ，中间继电器M0 ． 0 自锁 ，保证后续程 序的执行 。紧急情况下，按下1 0 ． 3 ，切断M0 ． 0 ，这 样后续的程序全部停止，保证安全 。P L C 协调各设 备之间有序地 完成对 圆柱体最大 直径 的检测与分 组，图6 所示为测量装置的P L C 控制系统接线图。 图6 测量装置P L C 控制 系统接线图 1 1 0 6 1 第3 5 卷第2 期2 0 1 3 0 2 下 3 测量装置控制系统的软件设计 系统 的软件设计主要是根据生产工艺要求 ， 完成对P L C 程序的设计。 3 ． 1 分组计算 P L C 根 据采集到的运 动方 向和信号变化 的周 期， 用计数器C2 0 对光栅尺输入 的加减脉冲进行计 数 ， 最终计数值 乘 以每个脉冲信 号代表 的移动距 离 ，即为指示光栅和标尺光栅 的最大相对位移 ， 即弹簧的最大压缩量 。 本题选用的光栅传感器的栅 距为0 ． 0 2 mm 5 0 线／ mm 。对光栅传感器信号四细分后，每个脉冲 信号代表的移动距离为0 ． 0 0 5 m m，若挡板和固定板 之间的初始距离H0 设为2 8 5 mm，根据对圆柱体直 径的分组要求，其分组情况如下 若 1 2 0 0 C 2 0 1 3 0 0，则为A组； 若 1 l O O C 2 0 1 2 0 0，则为B组 ； 若 1 0 0 0 ≤C 2 o 1 1 0，则为C 组； 若 1 3 0 0 C 2 。 ≤1 4 0 0，则为D组； 若C 2 0 1 4 0 0 ，则不合格。 当C 。 完成一次测量计数后，将其计数值保存 在寄存器VW0 中，同时C 。 复位，等待下一次测量 计数。 3 ． 2 控制流程图 在进行 系统的程序编 写之前 ，必须要知道系 统 的运动流程 ，流程 是根据 系统的功能制定的 。 本系统 以双工作台流水线上的圆柱体为对象 ，人 工完成上料、下料 ，P L C完成定位、测量和分组的 功能 。 光电传感器S Q0 接收到工件到位信息后，P L C 控制两个电机的正反转，同时光栅传感器开始测 量，最终脉冲计数器C 。 的值被保存在寄存器VW0 中；挡板在电机的带动下在X、Y两个方向运动， 其运动路径分 别由四个行程开关控制 。测量完成 后 ，将计 数器 清零 继续下 一轮 的测 量 ，然 后对 V W0 的值进行比较 ，对尺寸值分组。当圆柱体到 达满足要求的喷码枪位置是，P L C 控制喷枪工作， 对 圆柱体喷上对应 的颜色 ，完成分组 。这就完成 了整个控制流程，如图7 所示。 P L C 作为整个检测装置控制系统核心，承担着 设备的运动功能，同时还承担着尺寸测量的运算功 能。系统控制流程图完成之后，根据流程图所要完 成的功能，完成P L C 程序梯形图、调试并运行。 【 下转第1 1 3 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图7 桥架自动化装配后的空间布置示意图 点击 “ 装配体 ”，打开 自动化装配后 的桥架 空 间布置示意图如图7 所示，修改局部零件参数尺 寸 后，整个产 品都 自适应地 随之变更，避 免了再 逐个修改其他零部件并重新 装配等繁琐工作 ，大 幅缩短了设计周期 ，提高了效率。 4 结束语 本文提 出一种 采用二次 开发的方法及其构 架 形式对产品进行 自适 应变型设计 ，步骤 中应用了 自动化装配技 术，减 少了变型设计时间，提高 了 设计效率 ，从 而提 高企业市场竞争力 。经企业实 际应用验证了文 中所提方法和技术的有效性 ，达 到了理想的效果。 参考文献 【 1 】赵利平， 王宗彦， 秦慧斌， 董良， 面向大规模定制的堆垛机快 速设计系统研究【 J 】 ， 中国机械工程， 2 0 0 8 ， 1 9 1 8 2 1 6 1 2 1 6 5 ． 【 2 】舒立， 陈静平． 三维软件在电缆桥架设计中的应用[ J 】 ． 湖 南电力， 2 0 1 0 ， 3 0 6 3 4 3 6 ． 【 3 ]王晓林， 唐良宝． 基于三维模型的参数化设计方法研究与 应用[ J ] ． 机械设计 与制造， 2 0 0 7 ， 8 7 3 7 5 ． [ 4 】P a r a me t r i c T e c h n o l o g y Co r p o r a t i o n ． P r o ／ T OOL KI T Us e r ’S G u i d e [ M] ． U S AP T C ，2 0 0 7 ． 【 5 】顾翠， 张利强， 项钦之． 基于P r o ／ E - 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