基于PLC及PT的高精度转动惯量测量系统的设计.pdf

自动化 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 9 4 9 2 ． 2 0 1 2 ． 0 9 ． 0 1 1 基于P L C及P T的高精度转动惯量测量系统的设计 葛 静 ，张磊乐，游广飞 郑州机械研 究所 ， 河 南郑 州 I 4 5 0 0 5 2 摘要介绍 了 ， 高精度转动惯量测量系统的设计 、研究与应_l丰 j 。通 过提高测 量摆动周期精度 的方法 ，从而实现 了高精度转动惯量 的测量。 关键词 周期测量 ；转动惯量 ；可编程控制器 ；触摸屏 中图分类号 1 “ P 2 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2f 2 0 1 2 1 0 90 0 3 60 3 Me a s u r i n g S y s t e m De s i g n 0 f Hi g h P r e c i s i 0 n Ro t a t i o n a l I n e r t i a Ba s e d o n PLC a nd PT GE J i n g ，Z HANG L e i - l e ，YOU G u a n g - i Z h e n g z h o u R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Z h e n g z h o u 4 5 o 0 5 2 ，C h i n a Abs t r a c t A h i g h pr e c i s i o n me a s u r i n g s y s t e m o f r o t a t i o n a l i n e r t i a i s i n t r o d u c e d， i n c l u d i n g t h e d e s i g n， t h e r e s e a r c h a n d t h e a p pl i c a t i o n a n d t h e h i g h me a s u r e p r e c i s i o n o f r o t a t i o n a l i n e r t i a i s a c h i e v e d b y t h e w a y o f i mp r o v i n g t h e me a s u r e p r e c i s i o n o f t h e p e r i o d o f 【 ls -i l l a l i 1n ． Ke y wo r ds p e r i o d me a s u r e me n t ； r o t a t i o n a l i n e rti a；PL C； t o u c h s c r e e n 0引言 转动惯量是物体在旋转和飞行 的过程中必要 的测量参数 。根据转动惯量的大小来设计物体旋 转 时的动力。转动惯量是刚体绕轴转动惯性 的度 量 转动惯量 ，又称惯性矩 ，通常以 表示 ，S I 位为 k g I n ，可说是一个物体对于旋转运动 的 惯 性 。对 于一 个质 点 ，．， r ，其 中 m是 其质 懂，r 是质点和转轴的垂直距离。转 陨量只决定 于 刚体的形状 、质量分布和转轴的位置 ，而同刚 体绕轴的转动状态 如角速度 的大小无关 。规 则 形状 的均质 刚体 ，其 转动惯量 可直接计 算得 到。不规则刚体或非均质刚体 的转动惯量 ，一般 实验法测定 1系统的功能及原理 高精度 转动惯 量测 量 系统是可 以测量 不 规 则刚体或非均质刚体的转动惯量的 自动控制系 统 。该 系统通 过测量 已知转动惯 量物体 和被测 物 体 的摆动周期 ，即可 计算 出被测物体 的转动 惯量 。所 以 ，精确测量 物体 的摆动周期 ，是保 证本 系统精度的关键 。 2 机械 系统设计 2 ． 1 测量原 理 机械系统采用常用 的转动惯量测量方法 扭摆法 ，利用扭杆作 为弹性恢复元件构建单 自由 度扭摆振动系统 ，使被测物体产生摆动运动 ，其 运动方程为 c 警 0 1 其 中‘ p 为扭转角 ，．， 为转动惯量 ，C 为阻尼 系 数 ，k 为扭转刚度 ，由此方程解得 粤 一 2 j 4 r “ 式 2 中 A为一常数。实际测量中阻尼系数 C一般很小，基本可以忽略，则 ．， 3 由式 3 可得 出以下三个公式 J o _k l o ， 葛 静 等基亏P L C及P T 的高精度转动惯量测量系统的设计 工业自 t ， ． ， ， 。 J 一。 ／ L ／ L 联立求解方程组可得式 一 ， ． 、 ■ 4 分别测量待测物体 J 的摆动周期 、已知 标 准 体J 的 摆 动周 期 及 空 台 的摆 动 周 期 可 比对得出被测物体的转动惯量u 。 2 ． 2机械结构设计 测量系统结构如图 1 所示 ，测量 系统 由主机 座 、精 密摆动 轴系 、设 备工装 、扭 杆 、测量 工 装 、摆动触发机构 、阻尼机构及开关量传感器组 成 。精密摆动轴系 、扭杆 以及测量工装组成单 自 由度扭摆振动系统 ， 精密摆动轴系选取高精度轴 承 ，阻尼很小 ，摆动 触发机 构触发 扭摆 系统振 动 ，开关量传感器测取振动信号经可编程控制器 采集得 出扭摆周期 ，测量完成后 ，P L C控制阻尼 机构使摆动停摆 ，开始下一次周期测量 ，经多次 测量取得摆动周期均值。通过被测物体与标准样 件摆动周期 比对 ，计算出物体的转动惯量 。 图1 测量系统机械部分结构示意图 3电控 系统设计 3 ． 1 电控设计原理 摆动机构控制系统是 由触摸屏 P T 、可编 程控制器 P L C 、三相 电机 、步进电机 、周期信 号采集 电路 、电源及其保护电路组成。 由触摸屏 给出测量控制信号 ，P L C 接收到信号后驱动摆动 机构 ，摆动机构开始摆动 ，摆动机构通过光耦产 生周期信号 ；P L C的高速计数模块读取周期信号 并计数 ，共采集 5 次周 期信号 ，求其平均值。当 测量结束后 ，阻尼机构开始动作 ，使摆动机构停 止摆动 。根据已知样件摆动周期值及转动惯量和 被测物体 的摆动周期值 P L C计算 出转动惯量值 。 由式 4 计算得出转动惯量。 控制系统原理框图见图2 。 图 2 控制 系统原理框 图 3 ． 2可编程控制器系统的设计 可编 程控 制器 的选型 为欧姆 龙公 司生产 的 P L C 。其 C P U选型为C J 2 M C P U1 3 ，计数模块选型 为 C J 1 W N C 2 3 4 ，输入输出分别为C J 1 W I D 2 1 1 和 C J 1 W O D 2 1 1 ，电源模块选型为C J 1 W P A 2 0 2 。这 里介绍一 下 C J 1 W N C 2 3 4 高速计数单元 ，且计数 的最大范 围为 3 2 位二进制 ，可接收 1 MH z 的输 入 频率 ，以便能精确控制快速运动。单元对 于来 自 C P U单元的指令在0 ． 1 ms 内做出响应 12 1 。 3 ． 3 触摸屏设计 触摸屏选型为欧姆龙N S 1 2 T S 0 0 B E C V 2 。N S 系列 P T有 一个触摸 屏面板。P T可 以用来显示系 统和设备 的运行状态等信息 ，可通过点击显示屏 上的按钮和其他功能对象进行操作 。读取 主机数 据或 向主机发送数据。P T屏幕上对象的显示状态 可进行更 改。P T允许用户在 P L C区域 内分配字 、 字节内容和字节状态 ，以及在P T 屏幕上修改功能 对象的显示状态和控制告知P T 状态。 4软件设计系统 软件设计包括 P L C和触摸屏两个部分 ，通过 点击显示屏上的按钮和其他功能对象，发出控制 命令 。P L C接收到命令后 ，控制其端 口及执行机 构 ，实现测量功能。 4 ． 1 P L C软件设计 P L C的软件设计采用模 块化结构 ，方便调试 及 维护 。整个 软件共包 括初始 化 、摆 动机构控 。 A 一H 、 曩曩| 一毫 毒 3／ 。 0 一 。 、 E ． ． ‘ ． ． ． i - ． ． ． ‘ ． ． ‘ - ． L ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． j ． 。 ． ‘ ． ． _ ． ． ．