基于PLC控制的扭矩檢測系統(tǒng)設(shè)計

1、摘 要隨著市場競爭的日益激烈，客戶對鉸鏈類產(chǎn)品的可靠性檢測提出了更高的要求，并且考慮到人工成本不斷增加，通過利用諸如PLC、步進(jìn)電機(jī)和高精度傳感器等組成的檢測系統(tǒng)替代以往的檢測方式已經(jīng)成為必然。本文對扭矩檢測系統(tǒng)進(jìn)行研究，將扭矩傳感器、步進(jìn)電機(jī)與PLC結(jié)合起來，通過利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)同步帶動扭矩傳感器，實現(xiàn)系統(tǒng)的扭矩檢測功能。有效地解決了傳統(tǒng)人工檢測所造成的人力、財力浪費和效率低下的問題。同時又重點分析了如何利用歐姆龍PLC控制三個步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)鉸鏈類產(chǎn)品的扭矩檢測。本文的實質(zhì)是對扭矩檢測進(jìn)行自動化改進(jìn)，對如何進(jìn)行扭矩檢測進(jìn)行簡單的分析研究，對歐姆龍PLC和扭矩檢測傳感器的性能參

2、數(shù)進(jìn)行介紹，以實現(xiàn)簡單、穩(wěn)定、高效的扭矩檢測，但是仍有改進(jìn)的空間。其次介紹了整體的設(shè)計過程，從系統(tǒng)控制方案的研究到實際的電路接線圖，再到PLC程序設(shè)計，軟件界面設(shè)計。最后通過分析提出更好控制方案的可能。關(guān)鍵詞： 扭矩檢測；PLC；步進(jìn)電機(jī)AbstractAs is known to all that the Labor costs is increasing all the time, and with the fierce market competition, a new testing system of hinge products has to be bring up for the

3、 Hinge department. This article states how to use PLC, stepping motor and torque sensor to complete the automatic testing system. Then we can effectively solve the waste and inefficiency problems caused by traditional manual detection. At the same time we main analysis how to use Omron PLC to c

4、ontrol the three stepping motors.The essence of this article is to automate the torque testing equipment, and analysis how to achieve this target. Besides, introduce the performance parameter of PLC and torque sensor, stepping motor. Then we can make a better torque testing system to meet custo

5、mer requirements. Of course there is still some room for improvement.Then introduce the whole process of this design, from the program of system control to the circuit wiring diagram and PLC programming. At last through analysis better control is put forward, and introduces the advantages of this co

6、ntrol, etc.Key words: Torque testing; PLC; Stepping motor目 錄摘 要Abstract第一章 緒論11.1課題的研究背景與來源11.1.1課題研究背景11.1.2課題研究來源21.2扭矩測量發(fā)展現(xiàn)狀21.3課題研究的內(nèi)容和方法31.3.1課題研究內(nèi)容31.3.2 課題研究方法5第二章 主要電氣元器件敘述62.1可編程邏輯控制器62.2步進(jìn)電機(jī)72.3扭矩傳感器9第三章 硬件電路設(shè)計103.1扭矩檢測工作過程及控制要求103.2電機(jī)驅(qū)動設(shè)置133.3 PLC選型和設(shè)置133.4主電路圖153.5電氣布局圖及元器件清單17第四章 系統(tǒng)軟件部分

7、設(shè)計184.1 I/O程序段184.2初始化程序段194.3 Auto程序段234.4操作界面簡介28第五章 總結(jié)30參考文獻(xiàn)31致 謝33浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 緒論1.1課題的研究背景與來源1.1.1課題研究背景扭矩是鉸鏈類產(chǎn)品的重要工作參數(shù)，而扭矩測量已經(jīng)成為機(jī)械量測量中一個重要組成部分。若能準(zhǔn)確、可靠、方便地測出受試鉸鏈產(chǎn)品的平均或瞬時的扭矩值、轉(zhuǎn)速和功率，這將有利于改進(jìn)和提高其性能。同時，裝置測試系統(tǒng)可作鉸鏈類產(chǎn)品模擬日常運行、壽命測試的監(jiān)視裝置，起到故障診斷或可用作自動控制系統(tǒng)的檢測裝置1。扭矩測量是各種機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)研究、測試分析、質(zhì)量檢驗、型式鑒定和節(jié)能、安全或

8、優(yōu)化控制等工作中必不可少的內(nèi)容。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，扭矩測量技術(shù)已充分引起人們的重視，成為測試技術(shù)的一個新分支。扭矩已成為眾多機(jī)械量測量中的一個主要參數(shù)2。近年來，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼探討出許多扭矩測試新技術(shù)，研制、生產(chǎn)出較多的新穎扭矩測量設(shè)備。改革開放以來，我們走技術(shù)引進(jìn)、自主創(chuàng)新之路，極大的推動了扭矩測量技術(shù)的發(fā)展。在高新技術(shù)中，扭矩測量技術(shù)是綜合應(yīng)用機(jī)械、電子、物理、計算機(jī)等多方面知識的一門學(xué)科。扭矩測量應(yīng)用范圍很廣泛，它滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、航天航空、國防、能源等各個領(lǐng)域3。由于微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測

9、試?yán)碚?、測試方法、測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化4。在這種背景下，八十年代末美國率先研制成功虛擬儀器，虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計算機(jī)，加上特殊設(shè)計的儀器硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔、低價的新型儀器，虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步產(chǎn)生不可估量的影響5。1.1.2課題研究來源本課題來源于公司自動化部門為鉸鏈部門所提供的鉸鏈類產(chǎn)品測量解決方案靜態(tài)扭矩檢測裝置設(shè)計, 采用高精度扭矩傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)

10、據(jù)采集分析技術(shù)設(shè)計小量程的靜態(tài)扭矩檢測裝置，具有一定的先進(jìn)性。扭矩檢測是一種常規(guī)的機(jī)械產(chǎn)品性能指標(biāo)檢測方法，也是科研試驗中經(jīng)常用到的一種檢測手段。但市售的成熟產(chǎn)品價格昂貴，或者采用懸掛砝碼的方式檢測，精度不高并且操作不便。本課題主要設(shè)計一種方便易用的靜態(tài)扭矩的檢測裝置。1.2扭矩測量發(fā)展現(xiàn)狀在生產(chǎn)和科研中，對機(jī)械設(shè)備扭矩的測量已經(jīng)越來越重要，通過對扭矩的測量可以對機(jī)械設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計取得重要的現(xiàn)場參數(shù)，為改進(jìn)設(shè)計取得全面的一手資料。其對生產(chǎn)及科研具有相當(dāng)?shù)闹匾饬x。目前，扭矩測量儀大致可分為以下幾種：應(yīng)變扭矩測量儀，相位差扭矩測量儀，振弦式、電容式、磁彈性式測量儀6。由于各種扭矩測量儀的測

11、試方式不同，使得其應(yīng)用范圍不同。扭矩測量技術(shù)的發(fā)展取決于傳感器、信號傳輸和測量儀的研究。目前，由于微機(jī)的應(yīng)用，扭矩測量儀性能大大提高，而傳感器的研究與測量儀相比稍有遜色。因此必須加強(qiáng)傳感器的研究，這就要從傳感器種類、精度、規(guī)格、安裝、信號傳遞等方面加以研究7。目前傳感器主要發(fā)展動向為：傳感器從介入式發(fā)展成不介入式。以往扭矩傳感器大部分屬于介入式，即必須作為傳動軸一部分才能使用，這樣限制了它的應(yīng)用范圍，一般用于實驗室、臺架測量?，F(xiàn)在逐漸推廣的卡環(huán)式應(yīng)變型扭矩傳感器，即為不介入式扭矩傳感器，只要將傳感器卡在軸上或安裝在軸邊，無須斷開軸系，這樣給實際工況測量扭矩帶來很大的方便8。再如振弦式傳感器、磁

12、彈性傳感器都屬于不介入式扭矩傳感器。對新型扭矩傳感器的研究的同時并對經(jīng)典扭矩傳感器加以改進(jìn)。隨著新原理、新材料的發(fā)現(xiàn)和微細(xì)加工、微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，正在促進(jìn)傳統(tǒng)傳感器的變革，新型磁彈性傳感器和光纖扭矩傳感器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，代表扭矩傳感器的新動向9。在信號傳輸方面，以往采用的是接觸式滑環(huán)傳輸，這種傳輸方式易磨損、需常清洗、安裝難，容易引入干擾信號。近期推出的傳感器一般均為無接觸式傳輸。如感應(yīng)方式或遙測體制，它克服了接觸式傳輸?shù)娜秉c10。隨著檢測變換集成化和多功能化，將過去先檢測傳輸、后對信號進(jìn)行變換處理的概念演變?yōu)橄葯z測變換處理，后再進(jìn)行傳輸，這一變更已成為可能。扭矩測量儀的智能化、

13、微機(jī)化是當(dāng)今測量儀變革的主流，單片微機(jī)和軟件的開發(fā)應(yīng)用已使信號的檢測、采集、比較、相關(guān)、數(shù)字濾波、域間變換、邏輯和函數(shù)運算、程序給定和反饋控制等功能由儀器本身來實現(xiàn)成為可能11。軟件擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)的性能限制，并使儀器具有智能化。既能適應(yīng)被測參數(shù)的變化來自選量程、自動補(bǔ)償、自動校正、人機(jī)對話、自尋故障，并能方便的與總線接口，進(jìn)行多臺聯(lián)機(jī)通信及控制12。在扭矩傳感器信號傳輸及測量儀的總成上，工業(yè)化扭矩儀研制的呼聲愈來愈高，一改以往扭矩測量儀多半應(yīng)用于實驗室臺架測量的情景。工業(yè)化扭矩儀的要求是必需滿足苛刻的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，即可靠性要高，重復(fù)性要好，價格要低廉，與機(jī)器匹配，安裝方便，但精度要求不高，用其作為

14、指導(dǎo)生產(chǎn)、保護(hù)機(jī)械不受損傷的有效手段13。虛擬儀器利用個人計算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能14。目前，虛擬儀器在設(shè)計、生產(chǎn)、使用已經(jīng)十分普及，很多企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流15。1.3課題研究的內(nèi)容和方法1.3.1課題研究內(nèi)容擬采用高精度扭矩傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、PLC控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計靜態(tài)扭矩檢測設(shè)備，主要設(shè)計內(nèi)容包括：（1）檢測裝置

15、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮傳感器的選型、傳感器的固定安裝結(jié)構(gòu)，檢測系統(tǒng)與被測件的接口設(shè)計；在滿足功能要求的前提下，兼顧機(jī)械機(jī)構(gòu)的外觀造型和易操作性。傳感器采用Futek公司的TFF400型反作用力（靜態(tài)）扭矩傳感器，TFF400反作用力型（靜態(tài)）扭矩傳感器是將專用的測扭矩應(yīng)變片粘貼在被測彈性軸上，組成應(yīng)變橋，向應(yīng)變橋供電，然后即可測量出扭矩的大小值。具體過程是沿扭力軸的軸向±45°方向分別粘貼4個應(yīng)變片，組成全橋電路的四個橋臂，用以感受同向的最大正向應(yīng)變。當(dāng)扭力軸旋轉(zhuǎn)時，應(yīng)變片的電阻率發(fā)生變化，電阻的變化通過電橋輸出與外加扭矩成正比的電壓信號，然后經(jīng)適當(dāng)?shù)姆绞綄⒃撾妷旱男盘栆觯?/p>

16、通過處理后便可計算出外加扭矩16。這種扭矩傳感器使用范圍廣，能測量瞬時扭矩及起動扭矩(動態(tài)測量)，而且結(jié)構(gòu)簡單，測量準(zhǔn)確度高；但抗干擾能力較差,溫度、濕度以及粘接劑等對準(zhǔn)確度都有影響。（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計基于凌華科技的PCI-9524數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)字濾波電路構(gòu)建扭矩信號采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由待測量、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)等組成。凌華PCI-9524數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)置24位高分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器，并可提供2.5V或10V兩種激勵電壓的選擇，整合自動歸零、遠(yuǎn)程感測以及數(shù)字濾波技術(shù)，可達(dá)到200000 counts 以上的精確度和穩(wěn)定性17。為滿足基于稱重傳感器的材料測量機(jī)（MTS）的復(fù)雜

17、的精密測量及控制需求，其同時提供六大功能，包含4通道24位高精度稱重傳感器輸入、4通道24位通用模擬量輸入、3軸馬達(dá)編碼器輸入、3通道PWM輸出、16通道帶隔離數(shù)字輸出入與2通道16位模擬輸出，可提供完整的高精度測量、伺服控制及運動控制的整合接口18。此次扭矩檢測所用的為其中的4通道24位高精度稱重傳感器輸入部分。（3）PLC控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計通過歐姆龍CP1H系列PLC的脈沖輸出對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)所要求的電機(jī)轉(zhuǎn)速、方向、旋轉(zhuǎn)角度等控制。同時根據(jù)不同的要求，進(jìn)行不同的設(shè)備選型和控制。在空轉(zhuǎn)工位1、2上由于控制要求不高選用漢德保的ASD545R驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)，組成步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)；

18、在檢測工位上由于附帶扭矩傳感器并需要高精度控制和測量，選用飛仕寶EzM-42XL-A驅(qū)動和電機(jī)，其內(nèi)部通過編碼器反饋和電機(jī)驅(qū)動構(gòu)成內(nèi)閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外能夠根據(jù)用戶的要求，實現(xiàn)設(shè)備的自動化或半自動化運行。1.3.2 課題研究方法本扭矩檢測設(shè)備首先根據(jù)鉸鏈類產(chǎn)品特性，對新的鉸鏈產(chǎn)品進(jìn)行在空轉(zhuǎn)1、2工位的空轉(zhuǎn)以增加靈活度，提高鉸鏈的旋轉(zhuǎn)能力。然后將產(chǎn)品一段放在扭矩傳感器上的固定治具上，另一端放在氣缸前頂?shù)闹尉呱?，起到固定作用。通過飛仕寶電機(jī)帶動扭矩傳感器的來回旋轉(zhuǎn)擺動，將傳感器數(shù)據(jù)由9524數(shù)據(jù)采集卡采集，輸入工控機(jī)，并通過VB制作用戶操作界面對產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析和研究。第二章 主要電氣元器件敘

19、述2.1可編程邏輯控制器PLC即可編程邏輯控制器（可編程控制器件）?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破魇巧鲜兰o(jì)60年代末在繼電器系統(tǒng)上發(fā)展起來的，作可編程邏輯控制器，其簡稱PLC19?？删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)生和發(fā)展與繼電器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼電器是一種用弱電信號控制強(qiáng)電信號的電磁開關(guān)，但在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，故障的查找和排除非常困難，不適應(yīng)于工藝要求發(fā)生變化的場合。由此

20、，產(chǎn)生了可編程控制器，它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)，用面向控制過程、面向用戶的簡單編程語句，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，是簡單易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制器，是當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一?？删幊炭刂破骶哂胸S富的輸入/輸出接口，并具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力，其靈活標(biāo)準(zhǔn)的配置能夠適應(yīng)工業(yè)上的各種控制。日本歐姆龍公司是世界上著名PLC生產(chǎn)廠商之一，歐姆龍公司的PLC小型機(jī)與其他日本品牌的小型機(jī)一樣非常有特色，某些歐美中大型機(jī)能實現(xiàn)的控制功能，用歐姆龍小型機(jī)就可以實現(xiàn)20。小型機(jī)：我國早期使用較多的歐姆龍小型PLC主要有CPM1A、CPM2A系列，其性價比高、社會擁有量大

21、，現(xiàn)在已組建被功能更加強(qiáng)大的升級產(chǎn)品CP1H、CP1L系列小型PLC取代。因考慮扭矩檢測系統(tǒng)的I/O口數(shù)目、系統(tǒng)要求及成本等原因我們使用的是歐姆龍CP-1H系列可編程控制器（CP1H-X40DT_D），它是歐姆龍的小型PLC系統(tǒng)，能滿足普通性能要求的應(yīng)用，擁有四軸脈沖輸出、四個高速脈沖輸入，具有性價比高、社會擁有量大的特點。因此，扭矩檢測系統(tǒng)以歐姆龍CP1H系列PLC作為控制器，采用其脈沖輸出功能控制兩個空轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)（漢德保）和一個檢測步進(jìn)電機(jī)（飛仕寶）運行，再配合扭矩檢測傳感器進(jìn)行對鉸鏈類產(chǎn)品的扭矩檢測。此外通過編碼器的反饋，電機(jī)驅(qū)動對檢測電機(jī)（飛仕寶）的脈沖收取量與具體執(zhí)行量進(jìn)行比較調(diào)節(jié)，

22、構(gòu)成檢測電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。表2-1 CP1H-X40DT_D部分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)類型標(biāo)準(zhǔn)脈沖輸出端口4個電源電壓DC24V通用內(nèi)置輸出晶體管（漏型）1輸出6點擴(kuò)展系統(tǒng)最大可擴(kuò)展7個CPM1A系列I/O或擴(kuò)展單元最大開關(guān)能力DC 4.530V 300mA/點 0.9A/公共 3.6A/單元最小開關(guān)能力DC 4.530V 1mAON 響應(yīng)時間0.1ms 以下OFF 響應(yīng)時間0.1ms 以下殘留電壓100.00100.07在0.6V以下；101.00101.07在1.5V以下2.2步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖

23、信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)分為永磁式、反應(yīng)式、混合式，按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細(xì)分驅(qū)動器后效果良好21。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動器后，步距角減少為0.9°，配上細(xì)

24、分驅(qū)動器后其步距角可細(xì)分達(dá)256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進(jìn)電機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動器以改變精度和效果。本次扭矩檢測項目，我們對于空轉(zhuǎn)電機(jī)1、2選用上述的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)（漢德保）；檢測電機(jī)由于精度和穩(wěn)定性要求更高，則選用飛仕寶步進(jìn)閉回路伺服電機(jī)，其結(jié)合了步進(jìn)電機(jī)在低速下輸出轉(zhuǎn)矩大和伺服電機(jī)精度高的特點。韓國Fastech（飛仕寶）創(chuàng)新的閉回路步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，利用高分辨率編碼器每25微秒一次確認(rèn)并更新馬達(dá)位置。使用高性能DSP（DigitalSignalProcessor）及軟件技術(shù)，能讓驅(qū)動的位置更精確，運動順暢不抖動。對于檢測

25、系統(tǒng)的應(yīng)用是最適合不過的選擇22。1.無需調(diào)整PID值、整定時間短2.快速、精準(zhǔn)定位，適用于皮帶、快速分速盤定位3.依負(fù)載智能型調(diào)整電流裝置4.成功應(yīng)用在晶圓取放之機(jī)械手臂5.實時讀取編碼器做補(bǔ)償，快速定位而且不會失步圖2-1 飛仕寶閉環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)2.3扭矩傳感器扭矩傳感器，（又稱力矩傳感器、扭力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、扭矩儀分為動態(tài)和靜態(tài)兩大類，其中動態(tài)扭矩傳感器又可叫做轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、非接觸扭矩傳感器、旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器等。 扭矩傳感器是對各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測23。扭矩傳感器將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號。扭矩傳感器可以應(yīng)用在制造粘度計，電動（氣動，液力

26、）扭力扳手，它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優(yōu)點。圖2-2 Futek反作用力扭矩傳感器本次扭矩檢測系統(tǒng)，我們選用美國Futek的反作用力（靜態(tài)型）扭矩檢測產(chǎn)品TFF400（cap:160in_oz）具有外型美觀、結(jié)構(gòu)堅固、工藝精湛等特點。表2-2 Futek反作用力扭矩傳感器類型標(biāo)準(zhǔn)量程1.2 Nm額定輸出1.5-2 mV/V非線性度± 0.2 %R.O.遲滯性± 0.2 %R.O.安全過載300,150 %R.O.工作溫度-5093 激勵(DC/AC)18 V有無過載保護(hù)有第三章 硬件電路設(shè)計3.1扭矩檢測工作過程及控制要

27、求在扭矩檢測系統(tǒng)中，首先在PLC上電第一個掃描周期或者按下復(fù)位按鈕時，PLC執(zhí)行初始化段指令，使空轉(zhuǎn)1、2工位和檢測工位電機(jī)尋找原點并回到起始角位置準(zhǔn)備開始工作，所有氣缸復(fù)位到原點位置。將鉸鏈產(chǎn)品放在治具上并觸碰啟動傳感器1或2后，對應(yīng)氣缸前頂固定住產(chǎn)品，同時空轉(zhuǎn)1或2工位帶動鉸鏈開始來回旋轉(zhuǎn)一定角度，增加其鉸鏈產(chǎn)品開合能力。將經(jīng)過空轉(zhuǎn)1或2工位旋轉(zhuǎn)開合過的鉸鏈產(chǎn)品置于檢測工位，接觸啟動傳感器后，檢測工位飛仕寶電機(jī)開始帶動扭矩傳感器來回旋轉(zhuǎn)，并由9524數(shù)據(jù)采集卡完成扭矩和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度同步高精度采集。通過在工控機(jī)上VB編寫的用戶界面中，可以直觀地觀察到每個產(chǎn)品的扭矩和角度相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行合格評

28、判。在檢測工位進(jìn)行檢測時，不能觸碰檢測工位部件，以免造成不必要的干擾誤差。在首輪檢測不合格的產(chǎn)品，可以統(tǒng)一放置于一處，進(jìn)行第二輪空轉(zhuǎn)到檢測的過程，依然不合格產(chǎn)品按要求進(jìn)行另外處理。扭矩檢測系統(tǒng)流程圖：急停按鈕氣缸1.2.3回原點并延時空轉(zhuǎn)1.2和檢測電機(jī)回原點電機(jī)順時針快速回到原點電機(jī)逆時針回退一定角度電機(jī)順時針慢速回到原點電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)到起始角初始化完成分別給出Ready信號PLC第一個掃描周期或按下復(fù)位按鈕時空轉(zhuǎn)1啟動傳感器ON氣缸1前頂?shù)轿荒鏁r針旋轉(zhuǎn)20°順時針旋轉(zhuǎn)120°逆時針旋轉(zhuǎn)120°順時針旋轉(zhuǎn)30°逆時針退回10°氣缸1復(fù)位，電機(jī)

29、在原點空轉(zhuǎn)2啟動傳感器ON氣缸2前頂?shù)轿荒鏁r針旋轉(zhuǎn)20°順時針旋轉(zhuǎn)120°逆時針旋轉(zhuǎn)120°順時針旋轉(zhuǎn)30°氣缸2復(fù)位，電機(jī)在原點檢測電機(jī)啟動傳感器ON氣缸3前頂?shù)轿荒鏁r針旋轉(zhuǎn)20°順時針旋轉(zhuǎn)120°順時針旋轉(zhuǎn)30°逆時針退回10°氣缸3復(fù)位，電機(jī)在原點TO 扭矩 測傳感器TO工控機(jī)逆時針退回10°逆時針旋轉(zhuǎn)120°TO 9524數(shù)據(jù)采集卡3.2電機(jī)驅(qū)動設(shè)置空轉(zhuǎn)1、2工位漢德保ASRD545R驅(qū)動設(shè)置：圖3-1 漢德保電機(jī)驅(qū)動撥碼圖根據(jù)驅(qū)動說明書我們把SW1、SW2、SW3分別撥到OFF、OFF

30、、ON狀態(tài)，此時驅(qū)動輸出電流為2.2A。SW4為ON，輸出90%電流。SW 5、SW6、SW7、SW8分別OFF、ON、OFF、ON使細(xì)分為6400。檢測工位飛仕寶EzM-42XL-A驅(qū)動撥碼設(shè)置：1）位置到達(dá)值：02）解析度：93）位置控制增益：34）驅(qū)動編碼器輸出信號接到9524數(shù)據(jù)采集卡CN2上紅線：ENCO_A+(Pin25) 綠線：ENCO_A-( Pin 59)黃線：ENCO_B+( Pin 24) 白線：ENCO_B-( Pin 58)3.3 PLC選型和設(shè)置根據(jù)I/O口數(shù)目和所控制電機(jī)要求，選用公司常用的歐姆龍CP1H系列PLC，具體型號為Omron CP1H-X40DT_D。

31、此PLC擁有24個輸入口，16個輸出口，最大4軸脈沖輸出，為晶體管漏型輸出，能夠滿足扭矩檢測系統(tǒng)的控制要求。故選用Omron CP1H系列PLC24。對于步進(jìn)電機(jī)控制方式選用脈沖加方向的方式。對于電機(jī)的原點位置我們使用松下GXF8A傳感器作為原點處。歐姆龍CP1H系列PLC以脈沖+方向的方式脈沖輸出0對應(yīng)的端子是100.00和100.0225；脈沖輸出1對應(yīng)的端子是100.01和100.03；脈沖輸出2對應(yīng)的是100.04和100.05；脈沖輸出3對應(yīng)的是100.06和100.07。我們選用脈沖輸出0、2、3這三個口。此次所用歐姆龍PLC具體的I/O分配如下圖所示，接線時按照圖中線號進(jìn)行標(biāo)記和

32、接線。圖3-2 PLC I/O列表3.4主電路圖圖3-3 主電路圖1圖3-4 主電路圖23.5電氣布局圖及元器件清單圖3-5 布局圖圖3-6 電氣元器件清單圖第四章 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計4.1 I/O程序段由于該扭矩檢測系統(tǒng)的三個工位電機(jī)都是由PLC發(fā)脈沖控制，且動作相同，功能相似，不同之處只是檢測工位電機(jī)上有扭矩傳感器。故只列出檢測電機(jī)程序，空轉(zhuǎn)1、2工位的運行程序相似，考慮到篇幅有限不予列出。從此I/O程序段可以清晰的看出扭矩檢測項目所用PLC對應(yīng)的各個輸入輸出端口，并將其輸入輸出狀態(tài)同步于輔助繼電器中，方便后面的程序直接調(diào)用輔助繼電器對其進(jìn)行控制。同時輸入輸出點對應(yīng)的輔助繼電器點位都相同，利

33、于記憶和使用。圖4-1 I/O程序段4.2初始化程序段這一初始化程序段作用是讓電機(jī)和氣缸在PLC 上電第一個掃描周期或者按下復(fù)位按鈕時回到原點或者初始化狀態(tài)。其中電機(jī)有4個旋轉(zhuǎn)步驟。圖4-2 初始化程序段1圖4-3 初始化程序段2圖4-4 初始化程序段3初始化程序段步驟說明：1）第0條：在按下復(fù)位或者PLC上電后第一個掃描周期時將氣缸復(fù)位，并將W40.00輔助繼電器置位。2）第1條：在W40.00導(dǎo)通，急停未按下并且電機(jī)為處于初始化過程中時，將W40.01置位，同時復(fù)位W40.00。3）第2條：在W40.01導(dǎo)通時，判斷檢測電機(jī)位置是否處于原點位置（W0.09）。若不在原點位置時將W40.02

34、置位；若處于原點位置則將W40.03置位。最后復(fù)位W40.01。4）第3條：在W40.02導(dǎo)通時，脈沖輸出端口0開始按照D10、D18中的參數(shù)發(fā)脈沖給電機(jī)驅(qū)動，使電機(jī)動作（電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)到原點位置）。脈沖結(jié)束后復(fù)位W40.02，置位W40.03。5）第4條：在W40.03導(dǎo)通時，脈沖輸出端口0開始按照D20、D28中的參數(shù)發(fā)脈沖給電機(jī)驅(qū)動，使電機(jī)動作（電機(jī)逆時針退回）。脈沖結(jié)束后復(fù)位W40.03，置位W40.04。6）第5條：在W40.04導(dǎo)通時，脈沖輸出端口0開始按照D30、D38中的參數(shù)發(fā)脈沖給電機(jī)驅(qū)動，使電機(jī)動作（電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)到原點）。用INI指令建立內(nèi)部原點，模式選擇0002H（變更

35、當(dāng)前值），并將數(shù)據(jù)儲存于D800中。脈沖結(jié)束后復(fù)位W40.04，置位W40.05。7）第6條：在W40.05導(dǎo)通時，脈沖輸出端口0開始按照D40、D48中的參數(shù)發(fā)絕對脈沖給電機(jī)驅(qū)動，使電機(jī)動作（電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)到起偏角）。脈沖結(jié)束后復(fù)位W40.05。8）第7條：在檢測電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)碰到原點或者按下急停時，使用INI指令停止脈沖輸出，模式為003H。9）第8條：在檢測電機(jī)初始化過程中，W40.11不導(dǎo)通，作為一個狀態(tài)標(biāo)識。4.3 Auto程序段此段程序是設(shè)備初始化后，觸碰啟動傳感器后運行的內(nèi)容。首先一直讀取脈沖并將數(shù)據(jù)儲存于D500中，然后在檢測到啟動傳感器的上升沿且電機(jī)不在運行初始化指令時，將W

36、61.00（檢測電機(jī)啟動）置位，對應(yīng)氣缸前頂并保持前頂狀態(tài)。而后電機(jī)運行分5個階段，分別是逆時針旋轉(zhuǎn)20°，順時針旋轉(zhuǎn)120°，逆時針旋轉(zhuǎn)120°，順時針旋轉(zhuǎn)30°，逆時針旋轉(zhuǎn)10°。完成后即在初始化位置，并氣缸復(fù)位，準(zhǔn)備下一次運行。圖4-5 Auto程序段1圖4-6 Auto程序段2圖4-7 Auto程序段3圖4-8 Auto程序段4Auto程序段步驟分析：1）第0條：一直讀取脈沖輸出0的脈沖數(shù)并將數(shù)據(jù)儲存于D500中。2）第1條：電機(jī)旋轉(zhuǎn)步驟每完成一步時W6.01觸發(fā)一個上升沿，使從W6逐個導(dǎo)通到W61.07結(jié)束，每個導(dǎo)通一次。3）第2條：

37、當(dāng)檢測到啟動傳感器導(dǎo)通且電機(jī)不處于初始化或工作狀態(tài)時，將W61.00置位（檢測電機(jī)啟動）。4）第3條：檢測電機(jī)啟動到動作結(jié)束期間，將W101.02保持，即氣缸前頂。5）第4條：將電機(jī)旋轉(zhuǎn)分為7個步驟，每個步驟完成后W6.01導(dǎo)通一次。觸發(fā)移位寄存器，使其運行下一個步驟。6）第5條：檢測氣缸是否前頂，若未檢測到前頂則再次發(fā)指令使其前頂。7）第6條：在W61.01導(dǎo)通時，脈沖輸出端口0開始按照D110、D118中的參數(shù)發(fā)脈沖給電機(jī)驅(qū)動，使電機(jī)動作（電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)）。8）第7條：在W61.02導(dǎo)通時，脈沖輸出端口0開始按照D120、D128中的參數(shù)發(fā)脈沖給電機(jī)驅(qū)動，使電機(jī)動作（電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)）。9）

38、第8條：在W61.03導(dǎo)通時，脈沖輸出端口0開始按照D130、D138中的參數(shù)發(fā)脈沖給電機(jī)驅(qū)動，使電機(jī)動作（電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)）。10）第9條：在W61.04導(dǎo)通時，脈沖輸出端口0開始按照D140、D148中的參數(shù)發(fā)脈沖給電機(jī)驅(qū)動，使電機(jī)動作（電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)）。11）第10條：在W61.05導(dǎo)通時，脈沖輸出端口0開始按照D150、D158中的參數(shù)發(fā)脈沖給電機(jī)驅(qū)動，使電機(jī)動作（電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)）。12）第11條：檢測氣缸是否復(fù)位，若氣缸未復(fù)位則再次發(fā)指令使其復(fù)位。13）第12條：檢測電機(jī)動作時，W161.15不導(dǎo)通，起電機(jī)狀態(tài)標(biāo)識作用。數(shù)據(jù)寄存器參數(shù)：電機(jī)驅(qū)動細(xì)分 ：32 (6400) 減速電機(jī)比率：

39、10:1旋轉(zhuǎn)1°所需脈沖數(shù)：6400÷360*10177.778旋轉(zhuǎn)20°： 3555.556 旋轉(zhuǎn)30°：5333.333旋轉(zhuǎn)120°：21333.333 旋轉(zhuǎn)10°：1777.778根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度和速率要求，在相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中的寫入?yún)?shù)，并通過實際運行狀況進(jìn)行調(diào)整和修改。4.4操作界面簡介由于扭矩檢測設(shè)備運行時需要客戶自己進(jìn)行操作及為了后期便于維護(hù)，使用VB制作了此力矩檢測程序。并給用戶開放了部分簡單參數(shù)的設(shè)置，同時給工程師開放了后臺參數(shù)修改功能，方便后續(xù)改進(jìn)和調(diào)整。此操作界面主要包含了參數(shù)設(shè)置、檢測標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)讀取、扭矩圖像化

40、顯示、數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入和調(diào)出等功能。用戶只需要讀取標(biāo)準(zhǔn)扭矩數(shù)據(jù)后將鉸鏈產(chǎn)品空轉(zhuǎn)，然后放置于檢測工位進(jìn)行檢測，程序即自動會根據(jù)扭矩和角度繪制XY軸曲線，同時和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比判斷出產(chǎn)品是否合格。具有界面簡潔、操作簡單、利于理解等特點。其中具體有分為采樣角度設(shè)置、PLC參數(shù)修改、扭矩傳感器校對、運行參數(shù)設(shè)置、效驗參數(shù)設(shè)置、圖形參數(shù)設(shè)置功能。在需要進(jìn)行檢測時，首先打開此軟件，再單擊Read Data調(diào)用檢測參數(shù)，將鉸鏈產(chǎn)品放置于檢測工位，然后點擊開始按鈕，檢測電機(jī)就會帶動鉸鏈轉(zhuǎn)動，扭矩大小和角度可以直觀的實時顯示在坐標(biāo)系中。在旋轉(zhuǎn)結(jié)束回到初始位置時，將采樣數(shù)據(jù)與檢測參數(shù)對比判斷是否合格，合格輸出OK；不合格輸

41、出NG。圖4-9 扭矩檢測界面圖因為Futek直接從國外采購，精度較高，隨著溫度、濕度和環(huán)境可能發(fā)生些許誤差，在投入使用前需要進(jìn)行效驗。同時因為目前國內(nèi)Futek扭矩傳感器，沒有專業(yè)的機(jī)構(gòu)可以校驗和標(biāo)稱，故由我們設(shè)計方自行進(jìn)行檢定，確以保精度和性能達(dá)標(biāo)。首先將扭矩檢測設(shè)備通過水平儀不斷調(diào)整位置使其置于水平狀態(tài)，在保證周圍環(huán)境沒有大的干擾源的情況下，開始效驗扭矩傳感器。在扭矩傳感器上不放置物品時，點擊開始，讓檢測電機(jī)開始工作。此時得到的數(shù)據(jù)記錄下來。1.在扭矩傳感器上放置20g砝碼，運行扭矩檢測系統(tǒng)，測得數(shù)據(jù)，并記錄。2.在扭矩傳感器上放置50g砝碼，運行扭矩檢測系統(tǒng)，測得數(shù)據(jù)，并記錄。3.在扭

42、矩傳感器上放置100g砝碼，運行扭矩檢測系統(tǒng)，測得數(shù)據(jù)，并記錄。4.在扭矩傳感器上放置200g砝碼，運行扭矩檢測系統(tǒng)，測得數(shù)據(jù)，并記錄。5.在扭矩傳感器上放置500g砝碼，運行扭矩檢測系統(tǒng)，測得數(shù)據(jù)，并記錄。6.通過傳感器清零和計算，得到扭矩傳感器的工作參數(shù)，并導(dǎo)入到軟件中使用。圖4-10 扭矩傳感器效驗第五章 總結(jié)以鉸鏈類產(chǎn)品的扭矩檢測系統(tǒng)設(shè)計作為研究對象，從了解設(shè)備所需功能、要求到最終的方案完成，主要完成的工作與結(jié)論如下：1）通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)和對前人研究成果的借鑒，獲得了扭矩檢測的相關(guān)資料，確定了設(shè)備的電氣結(jié)構(gòu)關(guān)系，提出了相關(guān)方案。2）具體完成了對電氣元器件布局、電路接線圖等硬件

43、設(shè)計，并對電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行了撥碼設(shè)定以達(dá)到設(shè)計要求。3）根據(jù)輸入輸出信號確定I/O對應(yīng)端口，并根據(jù)動作要求使用歐姆龍CX-Programmer進(jìn)行PLC編程以及對相應(yīng)的數(shù)據(jù)儲存器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。4）簡單介紹數(shù)據(jù)采集卡采集扭矩傳感器后輸入工控機(jī)后，在PC上建立的操作界面。今后需進(jìn)一步開展如下研究：1）本文只是簡單介紹了操作界面，今后仍需使用VB和數(shù)據(jù)庫開發(fā)出完整的軟件界面，并擁有工程界面和客戶界面，能進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理。2）程序中，仍有許多不足之處可以優(yōu)化，比如使用原點搜索（ORG）指令進(jìn)行初始化過程。也可以根據(jù)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計。參考文獻(xiàn)1 曾國華. 旋轉(zhuǎn)軸扭矩測量方法研

44、究J. 機(jī)械加工與自動化, 2002, 16(7): 26-272 汪諍, 潘麗華. 扭矩測量技術(shù)淺談J. 甘肅科技, 2005, 21(3): 99-1003 梁衛(wèi)華, 常漢寶, 劉鎮(zhèn). 基于多傳感器信息融合的旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭矩測量方法的研究J. 上海海事大學(xué)學(xué)報, 2008, 29(2): 39-424 Kang J, Tao S, Mao M. Research on Direct Torque Control System Based on Induction Motor D. Shanghai: Journal of Shanghai Jiaotong University, 20035

45、陳兵, 王東興, 吳永根. 旋轉(zhuǎn)軸扭矩測量裝置研究J. 煙臺大學(xué)學(xué)報, 2009, 22(1): 72-756 陳立劍, 張麗于, 海寧. 扭矩轉(zhuǎn)速測試平臺的研究及應(yīng)用J. 船電技術(shù), 2009, 10(7): 38-417 Hu J, Peng Z, Yuan S. Drag Torque Prediction Model for the Wet Clutches J. Chinese journal of mechanical engineering, 2009, 6(2): 238-2438 朱春梅, 王朝霞, 胡嘯峰. 回轉(zhuǎn)機(jī)械扭矩測量系統(tǒng)設(shè)計J. 煤礦機(jī)械, 2008, 29(12): 133-1359 家全. 用靜態(tài)扭矩測試儀測試動力工具的方法J.