（精密仪器及机械专业论文）板状材料厚度自动检测及数据管理系统的开发.pdf

摘要 摘要 本系统是为某研究院在生产中所用元件板进行厚度自动测量而研制的。 其目的在于通过利用先进测量手段，使用特别设计的管理软件存储和管理所 得的数据，提高生产质量和效率。 系统以三菱f x l n 系列p l c 为控制核心，以自行设计的平台和元件安装 台为依托，以精密线性模组为传动机构，以传统的外圆主动测量仪为测量部 件，将测得的数据进行初步处理并存储于p l c 内。再用上位机编制的基于 v i s u a lb a s i c6 0 编程软件和m i c r o s o f ta c c e s s 数据库的软件将数据读取出来利 用比较测量法处理后，进行存储和管理，以达到提高测量精度和工作效率的 目的。 本文首先对板材料自动测量系统进行了需求分析，确定了系统目标，并 对系统进行了总体的结构设计。然后分别阐述了硬件详细设计、p l c 控制程 序和上位机管理软件设计、系统调试过程和结论。在硬件设计方面，从整个 硬件结构的依托部分底座开始，论述了元件安装台、x - y 运动平台、步 进电机和驱动、测量仪、p l c 和计算机的设计与选型。控制程序与软件编写 方面，详细阐述了p l c 程序的编写过程、p l c 与计算机通信、上位机管理软 件的设计思路和实现过程。 本系统通过的相关部门的验收，目前已经投入实际生产中使用，并得到 了用户的好评。 关键词：自动测量，电容传感器，p l c ，数据存储与管理 电子科技人学硕士学位论文 a b s t r a c t t l l i ss y s t e mi sd e s i g n e df o ra u t o - m e a s u r e m e n to nt h et h i c k n e s so ft h ep l a t ew h i c h w i l lb eu s e di np r o d u c ep r o c e s s u s i n ga d v a n c e dm e a s u r i n gm e a n s ，i ts t o r e sa n d m a n a g e sd a t aw i ms p e c i a l l yd e s i g n e dm a n a g e m e n ts o f t w a r ef o ri n c r e a s i n gp r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n di m p r o v i n gi t sq u a l i t i e s t h i ss y s t e mw h i c ht a k e st h em i t s u b i s h if x lns e r i e sp l ca st h ec o r e ，t h ep l a t f o r m a n df i x i n ga st h ef o u n d a t i o n , t h ep r e c i s i o nl i n e a rm o d u l e 邪t h ed r i v eo r g a n ，t h e t r a d i t i o n a le x e i r c l ei n i t i a t i v em e a s u r i n gd e v i c e 部t h em e a s u r i n gc o m p o n e n t , p r o c e s s e s t h ed a t ap r i m a r i l ya n dt h e ns t o r e st h er e s u l ti np l c s t o r a g e i nt h en e x ts t e pi tu s e st h e t a i l o r - m a d es o f t w a r ew h i c hb a s e do nt h ep r o g r a ms o f t w a r ev i s u a lb a s i c6 0a n dt h e m i c r o s o f ta c c e s sd a t a b a s et or e a dt h es t o r e d d a t a ，p r o c e s si tb yc o m p a r e m e t h o d f i n a l l y ，s t o r et h e s ed a t ai nc o m p u t e rm e m o r i e si no r d e rt om a n a g et h e m e f f i c i e n t l y t h ep u r p o s eo ft h i ss y s t e mi st oi m p r o v et h em e a s u r i n ga c c u r a c ya n dt h e w o r ke f f i c i e n c y t h i sa r t i c l ef i r s ta n a l y s e st h es y s t e mr e q u i r e m e n t ，c o n f i r m si t so b j e c t i v ea n d d e s i g n st h eg e n e r a ls t r u c t u r e s e c o n d l y ，i te x p o u n d st h ep a r t i c u l a rd e s i g no fh a r d w a r e ， t h ec o n t r o lp r o g r a md e s i g ni np l c ，t h em a n a g es o f t w a r ed e s i g no fu p p e rm o n i t o r ，t h e s y s t e md e b u gp r o c e s sa n d t h ec o n c l u s i o n o nt h eh a r d w a r ed e s i g np a r t ，t h ep a p e rb e g i n s w i t l lt h ep e d e s t a lw h i c hi st h eb a s eo ft h ei n t e g r a ls t r u c t u r e ，d i s c u s s e st h ed e s i g na n d l e c t o t y p eo ft h et h i n g sa sf o l l o w ：p l a t f o r mf o rb o a r df i x i n g ，t h ex - yp l a t f o r mf o rt h e m o v e m e n to f m e a s u r i n gh e a do fe x c i r c l ei n i t i a t i v em e a s u r i n gd e v i c e ，s t e p p e rm o t o ra n d t h ed r i v e r ，e x c i r c l ei n i t i a t i v em e a s u r i n gd e v i c e ，p l ca n dt h ec o m p u t e r o nt h ep a r to f c o n t r o lp r o g r a ma n dm a n a g es o f t w a r ew r i t i n g ，t h ep a p e re x p a t i a t et h ei d e ao ft h ed e s i g n a n da c h i e v ep r o c e s so ft h ep l cp r o g r a md e s i g n ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n d c o m p u t e r , m a n a g es o f t w a r eo nu p p e r m o n i t o r t h i ss y s t e mw a sc h e c k e da n da c c e p t e db yr e l a t e dd e p a r t m e n t s a tp r e s e n t , i th a s b e e np u ti n t ou s ea n dg o t t e nf a v o r a b l ec o m m e n to fu s e r k e y w o r d s ：a u t o m e a s u r e m e n t ，c a p a c i t i v et r a n s d u c e r ，p l c ，d a t as t o r a g e a n d m a n a g e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：茸日期：矽沤年妫巧日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 堑缸 导师签名：庶委：兰： 日期：。6 年s 月哆日 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 本课题来源于中国核动力研究设计院四所的实际生产需求，该单位生产的产 品元件由于特殊用途需严格检测及控制其各项外形尺寸参数，其中厚度参数尤为 重要。该产品在使用时都是以组件形式，需要将尺寸搭配的元件组合起来使用。 目前该单位产品的尺寸测量及测量数据管理全靠人工测量记录并保存在纸质介质 上，而在组件选配时也是由人工查数据来进行。人工测量时由于工作人员的熟练 程度不同而导致测量误差的不确定，使测量精度得不到保证；由于元件数量庞大， 人工查询选配时效率很低，也给管理上带来很大的不便。以上所述传统的生产管 理方法存在很大缺陷，既浪费人力物力生产效率又低。在长期的实际生产过程中， 工作人员己经察觉到这种方式的不足，尤其是在二十一世纪科技经济高速发展的 今天，这种传统的生产管理方法必须得到改进，于是提出了对现在的生产管理方 法进行改进。 基于以上所述，我们提出了设计一套自动化的元件厚度测量及数据管理系统 来解决现存问题。即利用现有比较成熟的技术来设计一套系统，该系统用于元件 厚度自动测量，元件在测点处的厚度数据经过计算机采集、分析处理后，保存到 数据库中，可查询、统计与管理，并可转换为m i c r o s o re x c e l 格式的表格数据文 件，元件的测试数据可打印输出。本方案中元件人工装卸，测试由计算机控制自 动完成，测头收张机构的收紧和张开动作采用计算机数字控制的电磁系统完成。 本系统建立在p l c 控制机械结构动作与计算机对数据进行管理的基础上，可消除 由工作人员的不同而带来的误差，提高测量精度，提高生产效率，减少工作人员 的工作量。 1 2 长度量测量方法概论 对材料的厚度进行测量，实际上是进行长度量的测量，度量的计量对人们从 事各领域的研究和促进科学进步有着非常重要的意义【l l ，随着科学技术的不断发 展，对长度量的测量出现了基于不周原理的多种方法。这些方法可按测量原理分 电子科技人学硕士学位论文 为几大类：声学测量技术、光学测量技术、电学测量技术、显微镜测量技术等。 1 2 1 声学测量技术 声学测量技术主要是利用超声波来测量两点间距离，其原理是靠超声在介质 中传播，遇到障碍物时反射，然后由声波在介质中的传播速度和传播时间来确定 距离。设声波在介质中传播速度为c ，从发射波到接收到反射波的时间是t ，则距 离l = c * t 2 。由于超声在空气中传播速度受空气温度、湿度及压强等因素的影响， 而受温度影响最大，在室温下温度变化一度对超声声速的影响是0 6 m s ，因此实 际测量时应该对超声传播速度进行温度补偿。超声波速与温度关系为： c = 旭州膨。其中，为气体定压热容与气体定容热容的比值，对空气是1 4 0 ；足 为气体普适常量，8 3 1 4 k g m o l 。k 一；m 为气体分子量，空气是 2 8 8 1 0 3 k g t o o l ；t 为绝对温度，2 7 3 k + t 。【2 】【3 】【4 】 1 2 2 光学测量技术 光学测量法是伴随着激光、全息等技术的发展而产生的方法，它具有非接触、 材料适应范围广、测量精度高等特点。近二十年来随着电子技术和计算机技术的 飞速发展，光学测量技术研究也取得了很多成果并应用到了工业生产领域。按使 用的光学原理不同，光学测量技术可分为激光干涉法、光杠杆法、光栅尺测量技 术等。【4 】 1 2 2 1 干涉测量法 激光干涉测量法是利用迈克尔逊干涉仪原理，如图1 1 所示，由h e n e 激光 器发出的光通过两块分光镜和平面镜后，形成两束光学特性完全相同的光，垂直 入 图1 - 1 激光干涉原理 2 瓜 第一章绪论 射到c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷藕合器件图像传感器) 上，由于两束光有一 定的光程差，所以在c c d 上形成干涉条纹。当m ，固定，m ：发生微小位移时，干 涉条纹将向内搜索或者向外发散，每移动一个条纹对应的光程差为州2 。传统的方 法是观测移动的条纹数来测量m ，的移动距离，其精度只有几分之一的条纹间隔。 若用计算机对干涉条纹进行细化处理，可得到更精确的条纹图像，使得精度大大 提高。【5 】【6 】【7 】 1 2 2 2 光杠杆法 利用光杠杆测量微小位移的原理如下图所示，主要构件有：一对平面镜m 和 m 、光源和位置敏感探测器( p s d ，p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r s ) 。由光源发出的激光 经过一对平面镜多次反射后照在p s d 上，当被测物体移动微小位移，时，平面镜 m 绕支点a 转动微小的角位移口，光束的入射角变化量也为口，经过m 和m ， 多次反射后照在p s d 上，这两次留下的光点的相距为出，前后两次光束的出射角 变化量为筇。先根据光反射原理将该系统对位移的放大系数k = 血址求出，实 际测量时只需测得厶即可根据放大系数求出微小位移，当光源发出的光束入射 到平面镜m 的入射角很小时，在平面镜之间的反射次数可达几十次，而由此带来 的放大系数更是可以达到几百。【8 】【9 】【1 0 1 【l l 】 图l - 2 光杠杆原理 1 2 2 3 光栅尺测量 当两块光栅以微小的角度相交倾斜重叠时，在光栅刻痕上方可以看见明暗交 替的莫尔条纹。当任一光栅沿垂直于刻痕的方向移动时，莫尔条纹沿着垂直于交 电子科技大学硕士学位论文 角平分线的方向移动，因此可以通过测量莫尔条纹的移动量来得到光栅的位移量， 这就是光栅尺测位移的基本原理。用这种方法来测量纳米级位移的关键在于光栅 和莫尔条纹的细分，由于加工技术的飞速发展，现在已能制造出具有6 0 0 0 1 r a m ， ( 线每毫米，l i n e m m ) 空间分辨率的全息光栅，使得用光栅技术测量微位移的精度 达到了o o l n m 的水平。【1 2 】【1 3 】 1 2 3 电学测量技术 电学测量技术有电涡流传感器测量、电容传感器测量等。 1 2 3 1 电涡流传感器测量 电涡流传感器工作原理如图4 所示，当激励线圈l 通以高频电流厶时，其周 围产生一交变磁场日，线圈靠近被测导体2 时，导体中将产生与此磁场相交链的 电涡流j ：，而此电涡流又将产生一交变磁场日：来阻碍q 的变化。由于被测导体中 存在涡流损耗和磁损耗，这种相互交链的结果，使线圈的等效电感l 发生变化。 根据等效电路，可列出方程式： 瞰码f j c o m j o g mr + j d 0 4 j 伢l 痧o j m ， l 一 【_ 厶j r 吖 整理后得线圈等效电感为： 三= 厶0 ) 一瓣( _ 0 2 m 2 厶 ( 1 - 2 ) 其中：厶为不计涡流效应只考虑磁感应时传感器线圈得电感；万为线圈激 励电流的角频率；厶为金属导体涡流回路电感；m 为线圈与导体涡流环间的互感 系数；足为金属导体涡流回路的电阻。 等效电感三受到两种效应的影响，其中第一项厶与静磁效应有关，可表示为 导磁率的函数；第二项与电涡流效应有关。一般说来，在金属导体的电阻率p 、 磁导率、线圈激励电流强度，、角频率万和线圈尺寸等参数恒定不变的前提下， 线圈等效电感三就成为位移x 的单值函数，即l = 厂( 曲。目前使用电涡流传感器已 能达到微米级的精度。【1 4 】【1 5 1 1 2 3 2 电容式传感器测量 电容传感器测量微位移原理如式c = e s 4 k r d 2 所述，其中：d 为两极板之间的 4 第一章绪论 距离，s 为极板有效面积，s 为电介质常数。当极板间距d 变化( 上下移动) ，或极 板有效面积变化( 左右移动) 时，电容c 也随之变化，根据电容的变化量就可以求出 微位移量的大小。所以电容式传感器可分为可变距离型、可变面积型和可变介质 型，目前应用较多的是前两种。早在1 9 2 0 年就已经有人利用电容器原理发明了能 分辨1 埃位移变化的超测微仪，目前用三端电容传感器已可测出5 1 0 。5 p m 的微位 移，最好的稳定性为每天漂移几个皮米。【1 6 l 1 2 4 显微镜测量技术 1 2 4 1 扫描隧道显微镜技术 扫描隧道显微镜( s t m ，s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ) 是应用了隧道效应，所 谓隧道效应是量子力学中一种粒子跃迁的现象，在隧道状态下隧道电流与隧道间 隙呈负指数关系变化，其表达式为i = b e x p ( 一2 k 西印。其中：k = 4 ：2 聊h 2j 为 常数( 5 1 2 3 1 6 5 8 8e v l 2 衄1 ) ；聊为自由电子的质量；h 为普朗克常量；咖为平 均势垒高度；曰为针尖与样品偏压圪有关的系数。当针尖与样品的间隙改变o 1 n m 引起的隧道电流改变量为l o 倍，由隧道电流随距离变化的特性，可测出探针与样 品间的距离变化。在s t m 的基础上，发展了一些探针显微镜，如光子扫描隧道显 微镜( p s t m ，p h o t os c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ) 、扫描近场光学显微镜( s n o m ， s c a n n i n gn e a r - f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p e ) 、磁力显微镜( m f m ，m a g n e t i cf o r c e m i c r o s c o p e ) 等。1 1 7 】 1 2 4 2 原子力显微镜技术 原子力显微镜( a f m ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ) 是利用了物质表面原子间力的 作用，当一个对微弱力极其敏感的微悬臂在纵向充分逼近被测样品表面时，探针 尖端的原子与样品表面的原子之间就会产生相互作用的原子力，使微悬臂发生一 定的偏转。微悬臂的偏转量与针尖到物体表面的距离成一定的曲线关系，利用这 种原理的原子力显微镜可用于非导体的微位移测量。 1 8 2 0 】 1 2 4 3 扫描电子显微镜技术 扫描电子显微镜( s e m ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 在观测物体表面微观形 态时测量精度能达到几个埃的水平。普通的s e m 放大倍数为1 5 2 0 0 0 0 0 倍，分 辨率为2 , - 一6 n m ，s e m 的放大倍数最大可达l o 1 0 0 0 0 0 0 倍，分辩率最大可达 o 5 n m 。以扫描电子显微镜为基础发展了各类电子显微镜，如透射电子显微镜 5 电子科技大学硕士学位论文 ( t e m ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 、反射电子显微镜( r e m ，r e f l e c t i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 等。【1 7 】 以上所述显微镜测量技术，其特点是可以实现原子级或者亚原子级的位移测 量和定位，观察原子结构，有的甚至能实现对单个原子的搬动，但是目前其产品 体积都比较大，只能局限在实验室研究使用，若要将这种高精度的测量技术应用 于生产现场，还需要广大科研工作者的努力。 1 2 5 其他测量方法 除了以上提到的测量技术以外，射线检测技术是直接对材料的厚度进行测量。 它是利用放射线在穿透物质时的吸收原理来进行测量的。当一定量的放射线穿过 物质后，有一部份射线被被测物质吸收，剩余的射线则被专用的射线吸收器吸收， 通过检测吸收器中的射线强度即可得出被测物质吸收的射线量。当放射源、探测 器、反射体以及周围设备相对几何位置不变时，由射线吸收器吸收到的射线强度 与被测物质厚度的就有函数关系：p x = f 【。其中v 表示感应的电压值，p 表示 被测物的密度，x 就是被测物的厚度。【2 1 1 1 3 国内外测量技术的发展现状 2 0 世纪7 0 年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展。在它们的推动下，同 时也是为适应现代化工农业生产甚至战争的新需求，测量技术与仪器不断进步， 相继诞生了智能仪器、p c 仪器、v x i ( v e mb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t ，是v e r s a m o d u lee u r o c a r d 的扩展) 仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自 动测试系统，计算机与现代仪器设备间的界限日渐模糊，测量领域和范围不断拓 宽。近1 0 年来，以i n t e r n e t 为代表的网络技术的出现以及它与其他高新科技的 相互结合，不仅己开始将智能互联网产品带入现代生活，而且也为测量与仪器技 术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化测量技术与具备网络功能的新型仪 器应运而生。【忍j 【玎】 近年来，精密测量技术发展迅速，成果喜人。例如在线测量技术，已可进行 加工状态的实时显示，及时检测是否出现异常状况，从而可大幅度提高生产效率。 对于机床控制装置，则要求高精度化、低成本和小型化。因为诸如汽车发动机等 均要求其组成零部件必须具有非常高的精度，以便减少噪声、防止环境污染和节 6 第一章绪论 省能耗，这些都是时代对制造业提出的紧迫要求。在高精度加工和质量管理过程 中，随着光机电一体化、系统化的发展，光学测量技术有了迅速的发展，相应的 测量机产品大量涌现，测量软件的开发也日益受到重视。利用光学原理开发的非 接触测量机及各种装置非常多。如m a r p o s s 公司的非接触式工具测量系统m i d a l a s e r 就是利用激光测头的新型测量机，该机可在c n c 机床保持运转的情况下，自 动对所有工具进行非接触测量，并可根据测量所得数值，对工具进行自动定位。 索尼精密工程公司的非接触形状测量机y p 2 0 2 1 也是利用半导体激光高速高精密 自动聚焦传感器的形状测量机，所有刻度尺均系标准元件，传感器和载物台均由 微型计算机控制，具有优异的操作性能和数据处理功能。y k t 公司销售的非接触三 坐标测量系统z i p 2 5 0 是一种高刚性、高速、高精密的新型测量机。该机载物台的 承载量为2 5 千克，刻度尺的分辨力( x 、y 、z 轴) 均为o 2 5 微米。机上装配了带数 码法兰盘的c c d 摄像机和最新d s p 处理器，因此，可进行高速图像处理测量，同 时，也可与接触式测头并用进行相关测量。随着工业的发展，很多行业对测量技 术的需求都越来越高，也越来越广，各种测量方法也应运而生。比如，电感式测 量，电容式测量，电涡流式测量等等，都发展得非常的迅速，能够达到的精度也 越来越高。【冽 专家们预计，2 1 世纪测量技术的发展方向大致如下： ( 1 ) 测量精度由微米级向纳米级发展，进一步提高测量分辨力； ( 2 ) 由点测量向面测量过渡，提高整体测量精度( 即由长度的精密测量扩展至 形状的精密测量) ； ( 3 ) 随着图像处理等新技术的应用，遥感技术在精密测量工程中将得到推广 和普及； ( 4 ) 随着标准化体制的确立和测量不确定度的数值化，将有效提高测量的可 靠性。 7 电子科技人学硕士学位论文 2 1 系统设计目标 第二章系统总体方案设计 在生产中，核动力研究设计院的产品元件是以组件形式来使用的，每个组件 是由若干块平整的元件组装而成。元件外形图如下图2 1 所示： 元件的形状和几何精度将关系到组件的安装和运行，其厚度参数更是影响运 行的安全性。因此，在生产过程中需要精确测量元件的厚度。根据测量要求，厚 度需沿元件的轴线方向，测量9 个板宽截面的厚度尺寸，而每个截面又需要均匀 地测量5 个测点，即每个元件需要测试4 5 个测点，采用自动化测试方法可以大幅 度提高工作效率。另外，厚度作为非电量，采用电测方法便于远距离传送、控制 和计算机处理，实现远程自动测量。本系统将用于元件厚度自动测量，元件在4 5 个测点处的厚度数据经过计算机采集、分析处理后，保存到数据库中，可查询、 统计与管理，并可转换为m i e r o s o re x c e l 格式的表格数据文件，元件的测试数据 可打印输出。本方案中元件人工装卸，测量由计算机控制自动完成，收张机构的 收紧和张开动作采用计算机数字控制的电磁系统完成。 元l f l ：板坯料 加上尺寸芯体边缘 图2 1 元件的基本形状 2 1 1 测量目标尺寸 芯体 元件( 被测零件) 矩形薄板，尺寸l x w x h 为：1 3 0 0 x 5 0 ( 0 0 5 ) x 1 9 ( o 0 3 ) ( m m ) ， 结构示意图如图2 2 所示。 第二章系统总体方案设计 u o i i 一 1 3 0 0 ( m n ) 一 图2 - 2 被测元件的结构形式( 板厚为1 9 i 0 0 3 m m ) 2 1 2 测量项目与测量点布局 测量项目是元件( 被测零件) 的板厚尺寸。元件厚度为：1 9 o 0 3 ( m m ) ，测点沿 着元件的轴线方向布局，测量9 个板宽度截面的厚度尺寸，每个截面的厚度尺寸 测量5 个测点a b c d e ，如图2 3 所示。 1 23 4567 89 2 1 3 测量精度指标 图2 - 3 测点布局 元件厚度测量的精度指标要求如下： 1 仪器量程：l m m 2 仪器分辨率：0 0 0 1 m m 3 测量精度：0 0 0 5 m m 4 重复稳定性：0 0 0 3 m m ( 2 0 0 c + 2 0 c ) 5 测力： 2 1 6 = 6 5 5 3 5 ，一个字的空间不够存储脉冲数，必须分配两个字的空间 来存储每个点的实际坐标值，所以把对应点在真实坐标系中的坐标值存储在首地 址为d ( 4 0 0 + z 1 ) 和d ( s 0 0 + z 2 ) 的两个连续地址中。在三菱p l c 中，地址d ( 4 0 0 + z 1 ) 表示为d 4 0 0 2 1 。自动测量部分程序流程图如图4 - 1 1 所示。 对本功能模块中要使用到的软继电器全部复位及为变址寄存器z 1 、z 2 赋值的 梯形图如图4 - 1 2 所示，d 1 3 0 - - - d 2 2 0 的存储空间用来存储测得的板厚度数据，也是 两个字为一个单元，m 1 l m 1 9 是本模块要用到的辅助继电器。 d l d 2 1 1 1i 1 1 9 l 【2z l k 0z 2 图禾1 2 继电器初始化 p l c 控制驱动器驱动电机使用绝对式位置控制指令，格式为：【d r v a 位置坐 标脉冲频率脉冲输出口脉冲方向】。其中位置坐标和脉冲频率可以直接输入参 数，也可以输入寄存器i d ，x 方向的位置参数存储在首地址为d 4 0 0 2 1 的连续的 两个字空间中；y 方向的位置参数存储在首地址为d 5 0 0 2 2 的连续的两个字空间中； 控制x 轴方向的电机的脉冲频率存储在首地址为d 3 9 0 的连续的两个字空间中， 其值为1 0 0 0 ；控制y 轴方向的电机的脉冲频率存储在首地址为d 4 9 0 的连续的两 个字空间中，其值为1 0 0 0 。由于被操作参数都是双字，上面所述的绝对位置控制 指令改为： d d r v a 位置坐标脉冲频率脉冲输出1 3 脉冲方向】。梯形图如图4 - 1 3 。 梯形图4 - 1 3 中，m 8 1 4 7 和m 8 1 4 8 是位置控制的到位信号，当测头到达指定的 位置以后，p l c 会在软继电器m 8 1 4 7 和m 8 1 4 8 产生一个脉冲，其中m 8 1 4 7 是x 轴向的到位信号，m 8 1 4 8 是y 轴向的到位信号。最后触发的定时器是l o o m s 定时 x 2 电子科技大学硕士学位论文 _ l - 一。 增1 4 7x 2 一l i l r e ” 1 i l 一。 r w “ 三，r 哪一嗍煳 wi l 州 r 一。 h c t ( 三：z l z 2x 脚九m 暑 l恤7 图4 1 3 电机驱动及条件判断 图4 1 4 循环条件判断 器，为了使测头到位后测量的数据更真实，需要测量五个数据，每隔5 0 0 m s 测量 第四章控制程序与管理软件设计 一次，并将这五个数据求取平均值，然后才放入指定的存储地址中。d 8 1 1 2 是特 殊寄存器，里面存储的是由a d 转换模块输入的数据；测量数据后，要进行逻辑 判断，看测量过程是否完成，若未完成，要判断下一步该测量那一个点。梯形图 如图4 1 4 所示。 4 2 3 手动测量 手动测量比较简单，不需要设置循环过程，但是这个过程中出现不同的几种 情况，需要进行判断并进行不同的控制。流程图如图4 - 1 5 所示： l 开始，待测点虚拟坐l l 标编号赋值给z l 、z 2 情况三 否 否 是 图4 1 5 手动测量流程图 逻辑判断的梯形图如下，m 2 1 、m 2 2 、m 2 3 和m 2 0 0 分别表示上面的四种情况， d 9 0 和d 9 2 分别存储的是手动测量时指定的点的x 轴向和y 轴向的虚拟坐标值， 同样是双字格式存储。四种具体情况的梯形图见附录3 。 3 7 电子科技人学硕士学位论文 4 2 4 回零 图4 1 6 情况判断 回零时，也分几种不同的情况，其流程图如图4 - 1 7 所示： 团 图4 - 1 7 回零流程图 第四章控制程序与管理软件设计 控制电机往坐标轴负方向运动，只需用脉冲输出指令向y 0 和y l 两个端口输 出脉冲，直到对应坐标轴上的近端限位开关触发为止，将y 2 和y 3 置为低电平即 可使电机反转。脉冲输出指令格式为：【p l s v 脉冲频率脉冲输出1 ：3 脉冲方向】， 跟前面所述的d d r v a 指令类似，脉冲频率可直接输入参数，也可输入寄存器i d 。 梯形图如图4 - 1 8 所示。 4 2 5 安全位置 图4 - 1 8 回零 回安全位置的命令只需将测头运行到y 坐标为零的位置上就停止，若测头本 身就处于y = 0 的位置，就立即停止运行。这里可以直接调用回零的程序，如下所 t - - f ： 图4 1 9 安全位置梯形图 3 9 墨 畸 1 1 3 0 - b l 3 2 2 3 珊 瑚 盯 百 陋 眦 耄茎 电子科技大学硕士学位论文 4 3p l c 与计算机的通信 本系统采用的通信方式是p l c 通信口与计算机专用协议通信方式，只需在计 算机一方编制相应程序对p l c 进行读写操作，而无需p l c 编程。上位机编程环境 是v i s u a lb a s i e 编程语言。计算机与p l c 进行异步串行通信，是利用v b 中的 m s c o m m 控件，在进行通信之前，需要在v b 中编写程序来设置通信的波特率、 奇偶校验、数据位、停止位，输入输出缓冲区的大小。语句如下： m s c o m m l s e t t i n g s = ”9 6 0 0 ，e , 7 ，l ”设置波特率为9 6 0 0 ，偶校验，七位数据位， 一位停止位 m s c o m m l 柚u f f e r s i z e = 1 0 2 4 设置输入缓冲区大小为1 0 2 4 m s c o m m l o u t b u f f e r s i z e = 1 0 2 4 设置输出缓冲区大小为1 0 2 4 计算机与p l c 通信，主要目的是对p l c 的各软继电器和寄存器进行读写操作， 计算机通过串口向p l c 发送命令，只需要两种格式即读和写，如表4 3 所示。 表4 3p l c 命令格式 命令命令代码目标软继电器 功能 读命令“0 ”且口a s c i i 码“3 0 h ” x ，y ，m ，s ，t ，c ，d读软继电器状态、数据 写命令“l ”即a s c i i 码“3 1 h ”x ，y ，m ，s ，t ，c ，d把数据写入软继电器 强制置位“7 ”即a s c i i 码“3 7 h ”x ，y ，m ，s ，t ，c强制让某位变为o n 强制复位“8 ”甚pa s c i i 码。3 8 h ” x ，y ，m ，s ，t ，c 强制让某位变为o f f 上表中，前两个命令是对字节进行读写，后两个命令是对位进行操作。 通信控制字符如表4 4 所列： 表4 _ 4 通信控制字符 控制字符a s c 码完成的功能 e n q 0 5 h 计算机发出请求 a c k0 6 h p l c 对e n q 的肯定回答 n a k1 5 h p l c 对e n q 的否定回答 s t x0 2 h 信息帧开始标记 e t x0 3 h信息帧结束标记 要从p l c 中读取某单元的数据，其命令格式如表4 5 所示： 第四章控制程序与管理软件设计 表秘读命令格式 始命令首地址 字节数 终 和校验 s 下j (c m dg r o u pa d d r e s sb y t ee 下) ( s u m 饲如，要读取存放数据的寄存器单元d 1 3 2 的数据，先计算d 1 3 2 的物理地址， 寄存器d i 的地址是按公式a d d r e s s = i 2 + 1 0 0 0 h 计算得到的，比如d 1 3 2 的地址 算法为：1 3 2 x 2 = 2 6 4 = 1 0 8 h ，a d d i 也s s = 1 0 8 h + 1 0 0 0 h = 1 1 0 8 h 。1 1 0 8 h 即为d 1 3 2 的物理地址。计算机向p l c 发送的字符串均以a s c i i 码的形式传送，把首地址 1 1 0 8 h 的每一位都转换为a s c i i 码为3 1 h ，3i h ，3 0 h ，3 8 h ；字节数为0 1 字节， 则字节数0 1 h 转换为a s c i i 码为3 0 h ，3 1 h ；命令中的信息帧开始标志位s t x 为 0 2 h ，命令位为3 0 h ，结束帧标志位e t x 为0 3 h ，和校验位的算法是把从信息开 始标志位的后一位开始直到信息帧结束标志位e t x 的所有位数上的a s c i i 码相 加，得到一个十六进制的数，取结果的低两位十六进制数，然后把这个十六进制 数的各位转换为相应的a s c i i 码即为校验码，s u m = c m d + + e t x 。 s u m = 3 0 h + 呈! 旦塑! 基塑q 丛3 星h + 三蛆3 1 h + 0 3 h = 1 5 e h ，本例中的校验码为：5 e h 。 转换为十六进制a s c i i 码为3 5 h4 5 h ；那么，计算机通过串口发送的字符串为： 0 2 h 3 0 h 圣! 旦三! 丛曼q h 三墨h3 q h31 h0 3 h 三5 h 堡5 h 。 p l c 中返回的字符串格式如为： l s t xi1 s t d a t ai2 n dd a t al fl a s td a t a l e t xls u m i 返回的字符串也是以十六进制的形式，假设从存储单元d 1 3 2 读到的数据是十 六进制数3 5 h ，把这个十六进制数的两位分别化为a s c i i 码得3 3 h ，3 5 h ；信息帧 开始标志位为0 2 h ，信息椟结束标志位为0 3 h ：数据为3 3 h ，3 5 h ： s u m = 3 0 h + 3 3 h + 3 5 h + 0 3 h = 9 b h ，那么和校验位为9 b h ，转换为a s c i i 码为3 9 h ， 4 2 h ，那么返回的字符串为：0 2 h3 3 h3 5 h0 3 h 3 9 h4 2 h 。 要对p l c 存储器进行写操作，串1 ：3 输出的字符串格式如下： 表4 _ 6 写命令格式 始 命令首地址字节 数据终 和校 数 验 s 下xc 如 g r o u pb y t e1 s t姗 l a s te t xs u m a d d l 之e s sd a t a d a t ad a t a 写操作时输出的字符串中的地址计算和和校验位的计算跟前面的读操作是一 4 1 电子科技大学硕+ 学位论文 样的，这里就不再敖述，对p l c 软继电器m i 进行置位和复位操作时的命令格式 为： 始命令地址终和校验 s t xc 加g r o u pa d d r e s se t xs u m 信息帧开始标志位s t x 为0 2 h ：命令位c m d 为3 7 h ( 强制置位) 或3 8 h ( 强制 复位) ；信息帧结束标志位e t x 为0 3 h ；继电器m 的物理地址由m 0 开始依次为 0 8 0 0 h ，0 8 0 1 h ，；和校验位算法不变。而从p l c 返回的字符很简单，成功返回 0 6 h ( a c k ) ，失败就返回1 5 h ( n a k ) 。 4 4 上位机管理软件设计 上位机管理程序编写使用m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c6 0 程序设计软件进 行设计。该软件具有可视化的编程界面，编程语言简单，浅显易懂等优点。存储 数据使用的数据库是m i c r o s o f to f f i c ea c c e s s 关系数据库，数据库数据导出时生成 m i c r o s o f t0 衔c ee x c e l 表格，方便用户查询。 板厚测量系统管理软件运行环境为： 1 ) 硬件：奔腾i 以上微型计算机、内存大于1 2 8 m b 、硬盘空间大于2 0 g b ； 2 ) 软件：操作系统w i n9 8 2 0 0 0 x p m e ；安装m i c r o s o f t0 伍c e2 0 0 3 。 板厚测量系统管理软件其实主要是对p l c 测量得到的数据进行存储和管理， 系统中数据流向如图4 2 0 所示： 图4 2 0 系统数据流图 4 2 第四章控制程序与管理软件设计 4 4 1 板厚测量系统管理软件系统设计 板厚测量系统管理软件要完成的功能有： 1 ) 数据采集，通过控制p l c 来采集数据，并把p l c 中存储的数据读到计算 机中保存到数据库中； 2 ) 数据管理，对采集回来的数据进行统计，提供快速查找指定材料数据的功 能，并且可将存储在数据库中的数据导出到e x c e l 表格中； 3 ) 组件管理，由于板材料最终是以组件的形式使用的，在测量后要把参数符 合条件的板组合起来使用，所以提供基本的组件配对功能； 4 ) 参数设置，对软件系统和p l c 工作的参数进行设置； 5 ) 用户和系统管理，添加用户、设定用户权限，锁定系统和解开锁定； 6 ) 帮助，软件帮助文档。 图4 - 2 1 软件结构层次图 根据以上功能需求，将本软件定位为“在对板厚度进行精确测量的基础上， 进行高效的数据管理 。因此，需要在a c c e s s 数据库中设计以下数据表： 4 3 电子科技太学硕士学位论文 t bc o m p o n e n t t bp o i n t a d d r e s s t a b l e t b 、7 酊u e a d d r e s s t a b l e t bg e t p o i n t a d d r e s s p l c a d d r e s s t bs e t p o i n t a d d r e s s p l c a d d r e s s t b _ p o i n t a d d r e s s _ l o g t b _ u s e r p r i v i l e g e t b _ m o d u l e s y s t e ml o g u s e r l r l f o 元件信息表； 向p l c 存储器d 9 0 和d 9 1 写入虚拟 坐标值需要向串口发送的字符串表； 读取各点测量数据是需要向串口发送 的字符串表； 获取p l c 中所设置的测点坐标值时需 要向串口发送的字符串表； 在p l c 中设置的测点坐标值时需要向 串口发送的字符串表： 测点坐标设置记录表； 用户权限设置表； 组件信息表； 系统登录情