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罗拉轴自动检测装置控制系统与数据库的研究 摘要 近年来，随着计算机技术的发展，计算机在工业控制中的应用也越来越广泛。 将控制理论与计算机技术相结合的计算机测控系统，目前已成为自动控制系统的 主流。本文针对计算机测控技术在轴类零件自动检测中的具体应用进行研究，以 实际项目罗拉轴自动检测装置的研制为依托，将计算机测控系统的设计思想 引入到整个测控系统的设计过程中，构成一个实时检测与控制系统，完成跳动量 的自动检测与分拣等功能。整个系统包括硬件和软件两部分，利用传感器获得系 统的输入信息，利用数据处理软硬件对相关信息进行处理。 文中完成了罗拉轴自动检测装置的结构设计、测控方案设计、测控系统的硬 件设计和软件设计以及检测系统数据库设计。在方案设计部分，提出一个以工控 机为控制系统核心的计算机测控系统方案。在硬件设计部分，构建了硬件平台。 在软件设计部分，将控制软件划分为几个功能模块，重点对数据采集与处理程序、 步进电机控制程序设计进行论述，解决了检测系统的实时性和可靠性问题。在数 据库设计部分，建立一个p a r a d o x 类型的数据库，完成数据库系统各功能模块的 程序设计和用户界面设计。 关键词：罗拉轴自动检测实时数据库 t h er e s e a r c ho n t h ec o n t r o l s y s t e m a n dd a t a b a s e o fr o l l e ra u t o m a t i c t e s t i n ge q u i p m e n t n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o n s o f c o m p u t e r t ot h ef i e l do f i n d u s t r yc o n t r o lb e c o m em o r e a n dm o r ee x t e n s i v e c o m b i n g c o n t r o lt h e o r ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mh a sb e c o m et h e m a i n s t r e a mo f a u t oc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ep r o j e c t - t h ed e v e l o p m e n to fr o l l e ra u t o m a t i ct e s t i n ge q u i p m e n t , i n t h i sp a p e ras t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no ft h ec o m p u t e r t e s t i n ga n dc o n t r o ls y s t e m t ot h e f i e l do fa u t o m a t i ct e s t i n go fa x e si sm a d e t h r o u g hi n t r o d u c i n gt h ei d e ao f c o m p u t e r t e s t i n ga n dc o n t r o ls y s t e md e s i g ni n t o t h ew h o l ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h ec o n t r o l s y s t e m ，a r e a l - t i m e t e s t i n ga n d c o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e dt oi m p l e m e n tt h ef f m c t i o n s s u c ha sa u t o m a t i ct e s t i n g t h e s y s t e mi s m a d eu po ft h es o f f w a r ep a r ta n dt h e h a r d w a r ep a r t ，a n dg e t st h ei n p u tb ym e s n so fs e n s o r s ，a n dt h e nd e a l 谢t hr e l a t e d i n f o r m a t i o nw i t ht h ed a t a p r o c e s s i n g u n i t i nt h i sp a p e rt h ed e s i g no ft h es t r u c t u r e ，p r o j e c to f t e s t i n ga n dc o n t r o l ，h a r d w a r e ， s o f t w a r ea n dd a t a b a s eo fr o l l e ra u t o m a t i cd e t e c t i n ge q u i p m e n ti sf i n i s h e d i nt h e d e s i g no f t h ep r o j e c tp a r t ，ap r o j e c to f c o m p u t e rt e s t i n ga n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do n i n d u s t r i a lc o m p u t e ri sp r e s e n t e d i nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ep a r tan e wh a r d w a r e d e s i g np l a t f o r mi sd e v e l o p e d i nt h ed e s i g no f t h es o f t w a r ep a r t , t h ec o n t r o ls o f t w a r e i sd i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s t h ep r o g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o na n ds t e p p i n gm o t o r c o n t r o li sd i s c u s s e da n dt h er e a l - t i m ep r o b l e ma n d r e l i a b i l i t yo f t h et e s t i n gs y s t e mi s r e s o l v e d i nt h ed e s i g no ft h ed a t a b a s ep a r t ，ap a r a d o xd a t a b a s ei se s t a b l i s h e da n dt h e p r o g r a md e s i g no f e a c hf u n c t i o nm o d u l ea n d u s e ri n t e r f a c ei sf f m i s h e d k e y w o r d s ：m i l e r , a u t o m a t i ct e s t i n g ，r e a l t i m e ，d a t a b a s e 独创性声明 本人声明所里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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金e b 工些盔堂或其他教百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。 ，学位论文作者签字场倚扣魄。甲叮月习日 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒a b 工些盍堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆工业太堂可以将学位论文的全部或部分论文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适用本授权书) 学位论文者签名：缸导师签名：彳绉二誓纛 签字日期；o 丫年n 衅日 | 学位论文作者毕业后去向l 工作单位： l 通讯地址； 槲期肿7 日 致谢 在此论文完成之际，谨向我的导师柯尊忠教授表示最真诚的感谢。在我研究 生学习期间，得到导师各方面的关怀和照顾。从学习课程的选择到研究方向的确 定，从论文的选题到论文的修改和定稿的全过程，导师都倾注了大量的心血和汗 水。 在论文撰写过程中，导师一直给予悉心指导，提出了大量宝贵的修改意见。 他那严谨的学风、渊博的知识、敬业的精神和平易近人的作风，是我永远学习的 榜样。 还要特别感谢合肥工业大学机械与汽车工程学院校直机研究所的祖老师和 设计教研室的翟华老师，在课题研究过程中，他们给予了很多帮助。 在论文完成过程中，始终得到了合肥工业大学机械与汽车工程学院设计教研 室的高荣慧老师、丁曙光老师、黄康老师以及全体同志的关心和支持，在此表示 衷心的感谢。 最后，衷心地感谢我的父母! 作者胡兆稳 2 0 0 4 年4 月 1 1 计算机测控技术概述 第一章绪论 计算机技术的迅猛发展，使得计算机在工业控制中的应用也越来越广泛。以 计算机为核心的测量控制系统是计算机应用中最为活跃的一个领域。随着微电子 技术的发展，系统硬件的不断更新，测控理论和软件的不断丰富和增强，计算机 控制系统的应用也会更加深入，它对传统工业的技术改造，对发展新型加工业都 具有重大的实际意义。 1 ，1 1 工业控制计算机测控系统的组成 工业控制计算机系统是以计算机为核心的实时检测与控制系统，包括硬件和 软件两个方面“3 。 硬件方面包括主机、外部设备以及于被控对象相联系的过程输入生产设各和 人一机接口设备。软件方面包括适应工业控制的实时系统软件、通用软件和专门 软件。典型的工业控制计算机测控系统如图1 1 所示。 信 一些h 工 传 感 号 业 测 器 预 控 控 珂 制 处 对 象 计 执 信 球 算 行 号 机 机 转 、hi 换 图1 1 典型的工业控制计算机系统 工业控制计算机测控系统主要由以下三部分组成： 1 ) 控制计算机 它是整个测控系统的核心，可以对输入的现场信息和操作人员的操作信息进 行分析、处理，根据预先确定的控制规律，实时发出控制指令，实现对被控对象 的自动控制目标。控制计算机一般选用适合工业现场要求的控制计算机。 2 ) 过程输入输出系统 它是控制计算机与被控对象之间信息联系的桥梁和纽带。包括信号预处理和 a d 接口、开关量输入接口、d a 接口、开关量输出接口和信号转换部分。 过程输入设备，通过各种传感器，把反映状况和条件的物理参数、工位接点 等状况转换为电信号及时送到计算机。 过程输出设备，把主机输出的二进制信息转换为适应各种执行机构控制的相 应信号。 3 ) 人一机交互设备 它是人机对话的联系纽带。通过它，可以向计算机输入程序，修改内存数据， 显示被测参数及相关内容，发出各种控制指令等。一般由作用开关、显示器、键 盘( 功能键、数字键) 等组成。 1 1 2 工业控制计算机测控系统的分类 计算机测控系统按照系统的功能可分如下几类。： 1 ) 操作指导控制系统 它属于开环控制结构，如图1 2 所示。微机的输出不直接作用在执行机构上， 微机只是在规定的时刻采集和处理过程参数，输出一些数据，由操作人员按照这 些数据去调节给定值或直接操作执行机构。微机只起数据处理和监督作用。这种 系统比较简单，且安全可靠，特别适合于尚未摸清控制规律的系统。 图1 2 操作指导控制系统原理 2 ) 直接数字控制系统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l - - d d c ) 直接数字控制系统是用于工业生产过程控制的最典型的一种系统，它的构成 如图1 3 所示。一台计算机通过测量元件对一个或多个被控参数进行巡回检测， 2 经采样、a d 转换，将检测结果与设定值进行比较，再按p i d 规律或直接数字控 制方法进行控制运算：然后输出到执行机构对生产过程进行控制，使各个被控参 数稳定在设定值上。 由于微型计算机的速度快，存储量大，所以一台微型计算机可以代替多个模 拟调节器。另外，系统灵活性大，可靠性高，可以实现各种比较复杂的控制。 图1 3 直接数字控制系统原理 图1 - 4 计算机监督系统加直接数字控制系统原理 3 ) 计算机监督控制系统( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l s c c ) 它的构成如图1 4 所示。直接数字控制系统，是用计算机代替模拟调节器进 行控制的。而计算机监督控制系统，则是由计算机按照描述生产过程的数学模型 计算出最佳给定值送给模拟调节器或者d d c 计算机，最后由模拟调节器或d o c 计 算机控制生产过程，从而使生产过程处于最优工作状况。s c c 系统较d d c 系统更 接近生产变化的实际情况。它不仅可以进行给定值控制，还可以进行顺序控制、 最优控制以及自适应控制等，是操作指导控制系统和直接数字控制系统的综合和 发展。 4 ) 分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 分布式控制系统如图1 5 所示，它是以微型计算机为核心，把微机、工业控 制计算机、数据通讯系统、显示操作装置、输出通道等有机结合起来，实现地理 上和功能上分散的控制，又通过高速数据通道把各个分散点的信息集中监视和操 作，并实现高级复杂规律的控制。 图1 5 分布式控制系统组成 操作站 局域网 现场设备 图1 6 现场总线控制系统结构 4 1 1 2 现场总线 5 ) 现场总线控制系统 现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是分布式控制系统的 更新换代产品，并且已经成为工业生产过程自动化领域中的一个新热点。同传统 的分布式控制系统相比，它有数字化的信息传输、分散的系统结构、方便的互操 作性、开放的互联网络、多种传输媒介和拓扑结构等一些特点，其结构如图1 6 所示。 1 1 3 工业控制计算机测控系统的常用控制方法 1 ) 程序控制和顺序控制 程序控制是，被控制量是时间的函数，按照一定的、预先规定的时间函数变 化。顺序控制可以看成程序控制的扩展，它是以预先设定好的时间或条件为依据， 按照规定好的动作次序顺序工作。 2 ) 比例积分微分控制( p i d 控制) 调节器的输出是调节器输入的比例、积分、微分的函数。它是现在应用最广、 技术最成熟的控制方法。 3 ) 直接数字控制 根据采样理论，首先把被控对象的数学模型进行离散，然后由计算机根据离 散化的数字模型进行控制。这种控制方法与p i d 控制相比，针对性更强，调节品 质更好。 4 ) 利用自动控制理论建立数学模型，常用方法有： 建立被控对象的传递函数，设计出相应的数字控制器： 基于系统输入输出描述，通过试验求出控制算法： 采用模糊控制或人工神经元网络控制的智能控制技术法。 1 1 4 工业控制计算机控制系统的国内外发展概况和趋势 计算机控制的发展同计算机本身的发展有着紧密的联系，计算机每更新换代 一次，计算机控制就前进一步，上一个新台阶。 计算机控制的发展主要是在工业过程控制领域获得的。5 0 年代，美国人开 始进行化工过程计算机控制系统的可行性研究，于1 9 5 9 年3 月，世界上第一个 规模较大的过程计算机控制系统在得克萨斯州的一个炼油厂正式投入运行，这一 开创性的工作有力地推动计算机控制和计算机本身的发展。1 9 6 2 年，英国化学 工业公司成功地实现了第一个直接数字控制系统，其中数据采集量为2 4 4 个，控 制1 2 9 个阀门。但当时由于计算机造价昂贵，可靠性低，使计算机控制的应用受 至0 很大限肯0 。 在7 0 年代微型计算机出现之后，计算机在控制中的应用才真正发展起来， 出现了分布式控制系统，解决了集中控制系统整体可靠性低的问题。1 9 7 5 年， 世界主要的计算机和仪表公司，如美国的h o n e y w e l l 公司，日本的横河公司等几 乎同时推出各自的分布式控制系统产品。我国的计算机控制应用起步较晚，是从 7 0 年代末分布式控制系统兴起开始的，从这时起一些石化、冶金、电力等大型 企业陆续引进一批分布式控制系统，用于大型生产过程控制，提赢生产过程的自 动化水平。 进入9 0 年代以后，国际上工业控制计算机的现状表现为以下特点“1 ： 1 ) 单片机应用更加深入 由于单片机控肯功链强，体积小，成本低，功耗小，使用方便，可以直接安 装到仪器设备上，因此2 0 世纪8 0 年代以来，单片机发展非常迅速。目前世界上 一些著名半导体厂家投放市场的产品就有5 0 多个系列，3 0 0 多个品种。目前应 用最为广泛的是i n t e l 公司的m c 一5 l 系列和m c 一9 6 系列。 随着电子技术的发展，单片机的功能将更加完善，因而单片机的应用也更加 普及。它们在智能化仪器、家电产品、工业过程控制等方面得到更广泛的应用。 它将是智能化仪器和中、小型控制系统中应用最多的一种微型计算机。 2 ) 可编程逻辑控卷器( p ) 应用广泛 可编程逻辑控制器是2 0 世纪7 0 年代开始迅速发展起来的新一代工业控制装 置。如今的可编程逻辑控制器，其可靠性、功能、价格、体积都达到了比较成熟 和完美的境界，以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力，广泛应用于工业过程 控制中；并且p l c 还可以与上位计算机进行连接，组成分布式控制系统。国外著 名的p l c 生产厂家有a b 公司，s i e m e n s ，g e f a n u c ，m o d i c a n 电子公司，法 国t e 公司，三菱电子公司，o m r o n 电子公司。我国p l c 主要生产厂家有大连组 合机床所，苏州机床电器厂，上海起重电器厂，北京机械工业自动化所，上海工 业自动化仪表所等。 3 ) 工业p c 发展迅速 工业p c 即p c 总线工业控制机，以其丰富的硬件及软件资源，借助于局部网 ( l a n ) 可实现大规模的分布式控制系统，将各种控制单元协调起来，在工业过 程控制领域发展十分迅速，它也是我国工业控制计算机发展的主流机型。目前世 界著名的工业p c 厂家有研华、艾讯、威达工业、大众。国内专门生产工业p c 的 厂家有华远自动化公司等。 当前，计算机测控技术一个重要应用是对传统的设备和仪器进行计算机改 造。例如，文献 5 介绍了运用计算机技术，改造传统的万能工具显微镜，实现 数据自动采集与管理，大大地提高了检测的效率。 计算机测控技术在机械零件尺寸误差和形位误差的自动检测和数据处理等 方面也获得广泛应用，取代传统的手工检测。如在国内最早从事自动校直技术研 究的合肥工业大学校直技术研究所，于2 0 0 1 年研制成功国内首台自动校直设 备丫h 4 0 2 5 精密校直液压机，采用两级计算机控制系统，上位机为监督控 制级，下位机采用p l c ，接受上位机控制指令，控制执行器产生相应的动作。 此方面应用的文献报道还有，如文献 6 7 分别介绍了计算机测控技术在轴 承外圈几何参数和精密零件端面圆跳动的自动检测装置中的具体应用。 总之，计算机控制技术在钢铁、冶金、电力、航天、自动驾驶、造纸、化工、 医药、食品等行业的工业过程控制以及智能化仪表和家电产品等方面都得到广泛 的应用，并且取得了显著的成果。 计算机控制的发展同计算机技术的发展关系密切，而且与控制理论的应用和 发展也有着紧密的联系。就控制功能而言，现在大多数计算机控制系统至今仍然 采用传统的p i d 反馈控制规律，以致控制系统的性能提高和功能发挥受到较大的 限制，究其原因，一些先进控制理论和方法所附加的应用条件，在大多数工程上 难以满足，因而实际应用受到限制。 随着计算机控制技术的发展，新的控制理论和控制方法层出不穷，计算机控 制技术的发展趋势有以下几个方面： 1 ) 大力推广应用成熟的先进技术，如可编程逻辑控制器、智能调节器等的 应用。 2 ) 采用新型的集散控制系统和现场总线控制系统。 3 ) 标准化。将产品的可互换性扩展为可移植性、可重用性和可互操作性。 4 ) 测控软件的规范化。 5 ) 测控系统产品的多样化。 6 ) 各种智能测控系统的发展，如分级递推智能控制系统、模糊控制系统、 专家控制系统等。 1 2 罗拉轴径向跳动量的检测 1 2 1 跳动公差的概念 轴的径向圆跳动公差是指轴绕基准轴线回转一周时，某一截面所允许的最大 跳动量。最大跳动量，就是由位置固定的指示表在规定方向上测得的最大与最 小读数之差。径向圆跳动公差是在垂直于基准轴线的任一平面内，半径差为公差 值t ，且圆心在基准轴线上的两个同心圆之间的区域，如图1 7 所示。 轴类零件的径向圆跳动公差是圆柱面圆度误差和对基准轴线同轴度误差的 综合反映，相对于同轴度来说，跳动量测量简便，所以当满足同样功能要求时， 可以用径向跳动指标代替同轴度指标。在研究轴类零件的校直问题时，一般也都 是以跳动公差作为检测验收指标啪。 图1 7 径向圆跳动公差示意图 1 2 2 罗拉轴跳动量的手工检测方法 罗拉轴是一种在纺织机械上常用的轴类零件，目前生产厂家采用手工检测 法，检测其上6 个截面的径向跳动量。图1 8 是手工检测方法原理示意图。 顶针 零件 l2 3 456 图1 8 罗拉轴手工检测原理示意图 顶针 如图所示，沿检测工位布置6 个百分表，分别检测6 个截面的跳动量。检 测时，以两端顶针孔的轴心连线为基准轴线，手动转动罗拉轴，使其旋转一圈， 通过百分表测得每个被测截面的最大跳动量5 。进而还可以考察每个截面的弯曲 量，如某一被测截面的最大跳动量为6 ，假设此截面为一理想圆，则该截面的圆 心偏离基准轴线的数值为6 2 ，即为截面圆心相对于基准轴线的弯曲量。 手工检测方法，检测装置简单，但也存在如下不足： 1 ) 手工旋转零件，百分表显示的数值均匀性较差，容易造成检测误差； 2 ) 由于生产厂家产量很大，检测人员劳动强度非常高，检测效率低，且检 测结果易受检测人员情绪影响： 3 ) 不便于对检测结果进行记录、查询和统计分析。 由于手工检测方法存在上述缺陷，生产厂家迫切需要有一种自动检测与 分选装置来取代传统的手工检测。随着计算机测控技术和传感器技术的发展，研 制一种先进的智能检测装置的技术条件已经具备。受上海纺织专用配件厂委托， 合肥工业大学校直机研究所承担此项研制任务， 1 3 论文主要研究内容 根据微型计算机测控技术的基本理论，针对罗拉轴径向跳动误差检测的具体 要求，提出一种自动检测方法，着重研究自动检测装置总体结构、控制系统的结 构方案、硬件构成和软件实现以及检测数据管理系统，是论文研究的主要内容。 具体来说如下： 1 ) 根据用户对自动检测装置的功能需求、主要技术指标和实际的可能性、 必要性，选择一种合适的自动检测方法，并确定自动检测装置的总体结构、自动 检测系统的工艺流程、各执行机构的传动结构和运动规律；在此基础上，确定自 动检测装置计算机测控系统的控制任务、控制方法和总体控制方案，并给出控制 系统控制原理图。 2 ) 自动检测装置计算机测控系统硬件设计。主要包括：工业控制计算机的 设计和选择、位移传感器和接近开关的选择、a 固转换器的选择、数字量输入输 出接口选择、步进电机的选用、人机联系方式的设计等方面的内容。 3 ) 自动检测装置计算机测控系统软件设计。根据控制系统的控制任务，确 定控制软件需要实现的功能，划分软件功能模块，绘出程序流程图：进行控制程 序设计、用户界面设计等。 4 ) 自动检测装置数据管理系统设计。为实现对自动检测装置大量检测数据 的有效管理以及为生产管理提供决策依据，设计自动检测装置数据库系统，进行 相应的数据库系统应用程序的开发、数据库系统和控制软件的接口设计等。 第二章罗拉轴自动检测装置总体方案设计 2 1 罗拉轴自动检测装置功能要求及主要技术指标 2 1 ，1 皂动检测装置的基本要求 自动检测装置工作的工业现场环境比较恶劣，如高温、粉尘、高湿度、振动、 强电设备启动的磁场干扰等，因此，设计的自动检测装置，其计算机控制系统除 了要满足控制要求外，还需要满足如下的基本要求： 1 ) 可靠性高。 2 ) 操作性能好。 3 ) 通用性强。所设计控制系统应具有较好的开放性，容易进行功能扩充和 系统升级。 4 ) 性能价格比高。 罗拉轴自动检测装置主要用于自动检测g l 型罗拉轴的径向跳动量，应该具 备下列功毹： 1 ) 测控自动化 能够自动顺序完成送料、工件定位夹紧、旋转检测、松开、出料分选等 系列动作。自动识别检测工位有无工件等信息。 能根据6 个截面跳动量的检测结果数据和预先设定的检测标准数据，进 行质量判别，自动分拣合格品、返修品和废品，检测结果自动显示并实时记录保 存，具有历史查询、检测结果数据统计分析功能。 2 ) 测控高效化，满足厂家要求的检测工作效率。 3 ) 适当的报警功能 4 ) 带有故障诊断功能 5 ) 友好而适用的人一机交互界面。包括：各被测截面的极限跳动值设置。 用屏幕图形和数字两种方式直观显示各测点跳动值，提示送料架缺料、出料架料 满等信息。 6 ) 操作方式。自动检测装置设置手动调整和自动运行两种工作方式。手动 调整方式，是指针对不同类型的工件。检测前所做的准备工作，包括检测传感器 零点位置调整，顶尖、摩擦轮等定位装置位置的调整等。 自动运行方式，是指对同种规格的工件，检测传感器零点位置已调好，顶 尖、摩擦轮位置、压力均已调整好，按下启动按钮，自动连续循环进行大批量检 测工作。 1 0 2 1 2 自动检测装置主要技术指标 1 ) 检测点数：1 - 6 个测点 2 ) 工件定位方式：有两种方式，一种为两端中心孔，另一种为一端中心孔， 另一端外圆及端面 3 ) 检测精度： 4 ) 工作效率： 5 ) 总功率： 6 ) 主机尺寸： 0 o o g s l i n 4 0 0 件d 时 1 5 k w 1 6 0 0 x 9 0 0 x 9 0 0 m m 2 2 罗拉轴自动检测方法及原理 根据检测传感器与被测工件是否接触，轴类零件径向跳动量的检测方法般 有接触法和非接触法n ”n “。 考虑到罗拉轴被测表面为连续圆柱面，采用位移传感器和被测工件接触方式 进行测量。它具有测量精度高、采样速度快、价格低廉等优点。 罗拉轴自动检测方法和原理如图2 1 所示。 图中1 6 为位移传感器，可根据不同类型工件的需要，分别配置1 6 个检 测点。罗拉轴两端加工有顶针孔，检测时由两端顶针将轴顶紧，顶针孔轴心连线 即为检测基准轴线。首先由驱动顶针顶紧工件，再由步进电机驱动摩擦轮带动被 测轴旋转，被测轴旋转一周，传感器在每段截面采样1 8 0 点。被测截面的跳动量 经采样后变成位移传感器的互感量变化，再经过变送器转换成相应的电压值，由 多路开关分时送到a d 转换器，进行a d 转换；转换后的数字量通过接口电路送 入工业控制计算机；计算机根据给定的算法对检测数据进行处理，计算出每个被 测截面的最大跳动值，并与预先设定值进行比较，根据检测结果判别是合格、返 修或废品，进行分拣，并送到出料架，完成一根罗拉轴的检测循环。 固定顶针 甲 计 算 机 l 步进电机曰驱动器ei 。仁 图2 6 罗拉轴自动检测装置计算机控制系统结构图 整个测控系统以工业控制计算机为控制核心，由位移传感器、变送器、接近 开关、a d 转换及接口、数字量输入输出接口、执行电机及驱动器、键盘和显 示器等构成。其中： 控制计算机 工业控制计算机是控制系统的核心，对输入的操作人员的操作信息、接近开 关的状态信息和跳动量检测数据进行分析、处理、判断，并对已处理数据进行相 应的存储、显示等工作；协调机械系统各执行结构的运动，实现对检测流程的顺 序控制。 位移传感器 自动检测系统的位移量参数是被测工件6 个截面的跳动量，使用是6 个位移 传感器，通过传感器将各个被测截面的跳动量转换成正比例的模拟量信号。 接近开关 自动检测系统的开关量参数有自动检测装置各运动执行机构的行程位置信 息、被测工件的位置状态信息，以及操作人员的操作信息，如启动、停止、手动 自动等。这些表现为两种工作状态的参数检测，使用11 个接近开关和3 个操作 按钮完成，通过这些元件向控制计算机输入开关量电信号。 驱动元件 送料器、主动顶针、摩擦轮、分选器等自动检测装置各运动执行机构，定位 1 7 精度要求高，采用步进电机驱动，根据具体工作要求的不同，选用合适型号的步 进电机。 a o 转换器及输入输出( i o ) 通道 i o 通道在计算机控制系统中，完成传感器输出信号和工业控制计算机之间， 或工业控制计算机输出控制和驱动元件之间信号的转换和匹配功能，也即接口电 路。它使工业控制计算机能够正确地接收被控对象工作状态的检测信号，而且能 够实时地正确地对驱动元件进行控制。本控制系统的输入输出( i o ) 通道有： 模拟量的输入通道：6 路。其任务是把位移传感器检测到的模拟信号，转换 成二进制数字信号，经接口电路送入控制计算机进行处理。根据应用要求的不同， 模拟量输入通道有不同的结构形式。采用p c l 7 1 1 s 数据采集卡作为a d 转换及接 口电路。 数字量的输入通道：1 4 路。 数字量的输出通道：8 路，输出至步进电机控制器，驱动步进电机。 数字量输入输出接口采用p c l ? 3 0 数字量i o 板卡，它采用光电隔离电路， 隔离现场电信号与计算机内部电信号之间的电连接，起着抗干扰的作用，可保证 控制计算机安全可靠地运行。 人机联系设各 操作台采用显示器与控制面板方式，控制面板上有小键盘和操作控制按钮。 该测控系统方案，用继电器控制系统实现操作人员对机床启动、停止、急停、 手动自动等操作控制及联锁控制，继电器触点使用较多，因而系统硬接线多、 线路复杂，不利于故障检查，旦系统构成，想要改变或增加功能很困难，控制 系统灵活性和扩展性较差：且工控机任务繁重，当控制任务较多时，实时性不够 强，主要适用于中小型测控系统。 2 4 2 测控系统方案b e 较及选择 纵观上述两类测控系统方案，可以看出有以下几点不同： 1 ) 硬件结构 两种测控系统方案最大不同之处在于，方案一针对控制系统中开关量输入输 出点数较多的特点，采用可编程控制器来取代方案= 中的继电器逻辑控制部分， 进行开关量控制，这也是当今可编程控制器应用最广泛的领域。该方案简化了系 统结构，减少了系统的硬接线，解决了继电器逻辑控制中硬接线多而复杂、体积 大、功耗大、可靠性和可维护性低、系统灵活性和扩展性差等问题，在控制性能 上优于继电器逻辑控制。由于可编程控制器自身的高可靠性，并具有自检与监督 功能，可以检查出自身的故障并随时显示给操作人员，这些都大大地提高了整机 系统的可靠性和可维护性。 2 ) 实时性 由于本控制系统是顺序控制系统，工控机和可编程控制器之间的通信需要占 有系统时间，所以方案一实时性反而不如方案二。 3 ) 软件设计 方案一由于采用可编程控制器，相对于方案二来说，软件设计上不仅有上、 下位机的软件设计，还有上、下位机之间的通信软件设计，软件设计难度加大。 上位机软件设计采用高级语言，对底层的操作通过嵌入汇编代码来解决。 下位机软件的设计，根据开关量输入输出地址分配设计梯形图，再根据梯 形图编制程序清单，用编程器将程序键入到p l c 的用户存储器中并进行调试。 上下位机之间的通信软件设计。由于采用两级控制结构，为了实现测控系统 中工控机与可编程控制器之间的信息传递，必须建立合理的通信协议，即双方必 须要有一系列约定，数据何时传送、发送是否结束、数据是否收到、传送是否有 错等，以保证下位机和上位机之间信息传递的正确性和准确性。该问题解决得如 何直接影响系统的可靠性和稳定性，决定系统的成败”o “。 4 ) 价格 在满足本系统同样控制功能要求的前提下，可编程控制器在价格上要高于继 电器控制逻辑。 上述两种测控方案各有千秋，在综合考虑系统硬件结构、实时性、软件实现、 系统可靠性及成本等诸多因素的基础上，本测控系统选用方案二。 2 5 测控系统硬件选型 2 5 1 工业控制计算机选用 控制计算机除了要满足测控系统功能要求外，还要考虑其可靠往。由于罗拉 自动检测装置工作于环境相对恶劣的工业生产现场，所以要选用可靠性较高的工 业控制计算机。1 。工业控制计算机简称工控机，是指能在工业环境中可靠运行， 能和传感器、执行机构直接接口、完成测控、管理任务的微型计算机系统，是计 算机控制系统的核心，其性能直接影响到控制系统的功能实现和可靠性。适应工 业现场应用的工业控制计算机一般具有以下主要特点。： 1 ) 可靠性高。 2 ) 环境适用性强。 3 ) 具有实时响应处理能力。 4 ) 有丰富的可与工业生产现场信号相连接的工业接口。 5 ) 控制系统结构组配灵活，易于扩展。 6 ) 有先进的系统软件和应用软件，便于开发。 1 9 由于本测控系统数据运算量非常大，在综合考虑主机运行速度，可靠性、扩 展能力等诸多因素的基础上，选用台湾研华公司工业控制计算机，主板为 y p c i 一6 1 7 9 ，c p u 主频为7 3 3 m t f z ，内存1 2 8 m 。它具有强大的分析运算能力、图 形显示功能、大容量存储能力、丰富的软硬件资源等优点，充分满足控制系统对 控制计算机的性能要求。 2 5 2 传感器的选择 计算机测控系统，检测和控制的关键在于信息的提取和处理，信息采集主要 是依靠各种类型的传感器。 传感器是信号检测的工具，将被测得的物理量转换成与之相对应的、容易检 测、传输或处理的电量信号，通过中间转换器，转换成计算机能够接收的信号， 再经过工业控制机的输入接口，送到计算机，由计算机进行分析处理。 选用传感器进行机械参数检测，一般须符合以下几方面要求“”： 输入输出信号之间要求一定的函数关系。经常要求是单值、直线性的函 数关系。 有较高的灵敏度和较大的信噪比。 响应速度快又不失真。 线性范围宽。 稳定性好，抗干扰能力强。 有较高的精确度。 输出信号易与微机接口。 除了上述要求，还应兼顾结构简单，易于安装、更换和维护、价格便宜等条 件。 1 ) 位移传感器及变送器 自动检测装置选用差动变压器式位移传感器，它是种接触式传感器，为目 前应用最为广泛的位移传感器。 选用中原量仪厂d z c 差动变压器式电感传感器其主要技术指标有： 线性量程：2 m m 综合精度：0 2 工作温度：一1 0 5 0 动态频率：o 2 0 0 i - t z 负载阻抗： 2 0 k 变送器的主要作用是将位移传感器的输出信号放大、滤波，并转换成满a d 转换电路要求的0 5 v 电平信号。 2 0 2 ) 接近开关 接近开关主要用于位置检测，将机械位移变为电信号，以实现对机械运动部 件的行程控制。它是一种无触点的开关型传感器，一般有感应头、电子振荡器、 电子开关电路、供电电源等几部分组成，通过运动的金属片接近开关的感应面自 动发出检测信号，以驱动继电器或逻辑电路。 检测系统选用上海第二机床电器厂3 s g 系列3 2 3 2 d a j 3 3 - - n 型接近开关，该 产品采用全封闭结构，具有定位精度高、频率相应快、抗干扰能力强、可靠性高 等优点，满足检测控制系统的性能和工业现场环境的要求。 2 5 3a d 转换器及接口电路 位移传感器输出的电感信号，经变送器处理后变为o 5 v 模拟电压信号， 需经a d 转换为数字量，输入计算机进行处理。检测系统采用泓格公司p c l 7 1 1 s 数据采集卡作为a d 转换器及接口电路。 1 ) p c l 7 t 1 b 板简介 p c l t i i s 是一款i b mp c x t a t 总线兼容的高性价比多功能数据采集卡，广 泛应用于数据采集、过程控制、自动检测和工业自动化等领域“。 p c l t l 1 s 模拟量输入主要技术指标： 通道数： 分辨率： 输入电压范围： 转换器： 转换时间： 精度： 8 路单端输入 l 2 位 5 v ，2 5 v ，1 2 5 v ，0 6 2 5 v ，0 3 1 2 5 v a d 5 7 4 最大2 5 u s + l l s b a d 转换触发方式：软件、脉冲或外部触发 非线性度：l 位 数据传送模式：软件或中断方式 p c l t l l s 数据采集卡内部带有多路转换开关和采样保持器，将多路模拟信号 按要求分时输入，进行采样，并在a d 转换期间对采样信号进行保持。本检测系 统利用其6 路模拟量输入通道。 2 ) p c l 7 1 1 s 的i o 端口地址设置 计算机经由端口对p c l 7 1 1 s 进行操作，p c l t i i s 需要计算机中1 6 个连续的 i o 地址空间，为此要进行i o 端口地址设置。可以通过板卡上的转换开关s w l ， 来设置p c l 7 1 1 s 的i o 端口基地址。有效地址范围是0 0 0 h 到3 f o h ，不能和计算 机中任何已经存在的硬件及插卡的地址相冲突，默认的基地址是2 2 0 h ，系统采 用默认基地址。 2 l 3 ) p c l 7 1 l s 的a i d 转换编程 可以使用p c l 7 1 1 s 自带的驱动程序进行a d 转换操作，也可以编写自己的程 序进行a d 操作。自动检测装置采用后一种方式，与此有关的i l o 端口地址如下： l o c a t i o nr e a dw r i t e 2 2 4 h a d1 0 wb y t e 2 2 5 h a dh i g hb y t e 2 2 9 h g a i nc o n t r o l 2 2 a h m u l t i p l e x e rs c a nc o n t r o l 2 2 c h s o f t w a r ea d t r i g g e r a d 转换通道设定 检测系统有6 路模拟量输入，需分时输入，因此在启动a d 转换之前应设定 输入通道，将所选择的通道写到2 2 a h 端口。该端口寄存器格式如下： 表2 i a d 转换通道设置端口寄存器格式 d 7d 6 d 5 d 4 d 3d 2d id o c 2c lc o c 2c lc oc h o00 0 0ol1 010 2 o11 3 1004 l0l5 a d 转换触发方式选择 p c l t i i s 的a d 转换有三种触发方式：软件方式、内部时钟脉冲方式和外部 脉冲方式。 自动检测系统采用软件触发方式。写任何数据到2 2 c h 端口，就会产生一个 触发脉? 中，启动a d 转换。 读取转换数据 p c l 7 1 1 s 有两种方式传送a d 转换后的数据：软件查询方式和中断方式。 检测系统采用软件查询方式读取转换数据。当a d 转换被启动后，通过读端 口指令查询2 2 5 h 端口寄存器的d r d y 位，直到该位是0 ，就可以从2 2 4 h 和2 2 5 h 端口获取整个转换数据。先读高字节，后读低字节。 p c l 7 1 1 s 使用位于2 2 4 h 和2 2 5 h 端口的两个数据寄存器存储转换数据，低字 节数据存储在2 2 4 h ，高字节数据存储在2 2 5 h 。 表2 2a d 转换数据存储寄存器格式 2 2 4 h a o l o wb y t ed a t a ( r e a d ) ld 7d 6b 5d 4 d 3必b ll a d 7a d 6a d 5a d 4a d 3a d 2a d la d o 2 2 5 ha dh i g hb y t ed a t a ( r e a d ) fd 7d 6d 5d 4d 3d 2d 1d o i 0 1 o0d r d ya d l la d l da d 9 a d 8 其中： a d o a d l1 ：a d 转换数据位 d r d y：数据准备位。当a d 转换在进程中时，此位是l ；转换结束时， 变为0 ；从2 2 4 h 端口读取低字节转换数据后，又是1 。 2 5 4 数字量输入输出接口 数字量输入输出接口选用研华公司p c l 7 3 0 隔离数字量i o 卡。 p c l 7 3 0 是i s a 总线类型插卡，主要应用有工业自动化、脉冲发生、频率计 数和产生、时间延迟等。它提供1 6 路高隔离数字量输入输出通道，另外还有 1 6 路非隔离数字量输入输出通道。隔离数字量输入输出通道适用于工业环境， 检测系统使用其隔离数字量输入输出通道“。 1 ) i o 端口地址设置 p c l 7 3 0 需要8 个连续的i o 端口地址空间。基地址范围是2 0 0 h 3 f f h ，并且 不能和计算机保留的或计算机中其他插卡的i l o 地址相冲突，默认基地址是 3 0 0 h 。自动检测系统采用默认基地址，相关的i o 端口地址如下： a d d r e s sw r i t er e a d 3 0 0 hi s o l a t ed 0l o wb y t ei s o l a t ed il o wb y t e 3 0 1 hi s o l a t ed oh i g hb y t ei s o l a t ed ih i g hb y t e 表2 ，3 数字量输出寄存器与对应的数字量输出通道 i b i t765432l0 i d o7 i d 0 6i d o5 i d 04 i d 0 _ 3i d o2i d oli d g 9 3 0 0 hmm 4m 3m 3妲m 2m 1m l c c w c 霄一c c w c w -c c w c w