张紧器弹性测试的发展现状与趋势_毕业论文.doc

摘要本文主要针对如何对汽车张紧器进行性能检测做了研究。随着PLC的出现及发展，PLC的应用越来越广泛，具有广阔的应用前景。本文提出了用PLC技术设计汽车张紧器静态试验机的系统的整体方案。在这篇论文中结合张紧器系统工作的实际情况，应用PLC技术设计一个张紧器的静态试验机来检测张紧器中的柱塞弹簧的承载能力。主要完成了以下几个方面的工作：首先对张紧器的工作原理进行了解，然后完成了张紧器静态试验系统的整体设计。在正确的器件选型及软硬件设计的基础上，完成了张紧器性能检测静态试验的各子系统工作研究。张紧器性能检测的静态试验分为两个，一是检测塞柱弹出一定距离时的最大冲力和稳定后弹力；二是检测弹簧被压缩一定距离后产生的形变。本文以这两个试验内容为基础，应用PLC技术完成对张紧器静态性能检测的静态试验机的设计。关键词：张紧器，试验机，柱塞弹簧，系统设计AbstractThis article focused on how the auto tensioner for performance testing. With the appearance and the development, the PLC application is more and more widespread, which has the broad application prospect. This paper presents the overall program PLC technical design about auto tensioner static testing machine system.This tensioner system to the actual situation, using PLC technology to design a tensioner in static testing machine to detect the tensioner plunger spring load capacity .This article has mainly completed following work:First, to understand the working principle of the tensioner, and then complete the overall design of the static test of the tensioner system. On the basis of the correct selection of devices and hardware and software design, complete tensioner performance testing study on the static testing of the subsystem.There are two tensioner performance tests of the static test .One is to test the plug column pop-up of the largest momentum and stability in elastic when a certain distance. The other test is to deformation detection of the spring compressed to a certain distance. In this paper based on these two test content, applications PLC technology to complete the design of the static test of the static performance testing of the tensioner.Key Words：tensioner，Testing machine，Plunger spring，System design目 录1 绪论11.1 张紧器性能测试的发展现状与趋势11.2 PLC在控制系统中应用现状与发展21.3 系统主要研究内容42 PLC控制张紧器的系统整体设计62.1张紧器系统结构设计与工作原理62.1.1 张紧器工作原理62.1.2 张紧器静态试验系统结构设计72.2 系统各部分实现方案92.3 系统设计的主要器件选择102.3.1 PLC的选型102.3.2 称重传感器的选择122.3.3 光栅尺的选择142.3.4 伺服电机的选择153 系统硬件电路设计173.1 PLC与PC通讯电路173.2 称重传感器接口电路设计203.3光栅接口电路设计213.4伺服电机控制电路设计223.5 电源电路设计254 软件系统设计274.1软件的总体设计274.2 控制系统主要部分的软件设计304.2.1 PLC控制称重传感器的软件设计304.2.2 PLC控制伺服电机的软件设计314.3 Windows环境下上位机通信344.4 上位机和PLC串行通信的程序设计355 总结与展望365.1 系统总结365.2 系统展望36致谢38参考文献39附录42英文原文42英语翻译54IV毕业设计（论文）专用纸1 绪论本章主要介绍了张紧器弹性测试的发展现状与趋势。除此之外，还介绍了本论文采用的主要技术，PLC在控制系统中应用与发展。最后概括了本论文的主要研究内容与研究意义。1.1 张紧器性能测试的发展现状与趋势液压张紧器性能测试系统其本质为一种位移压力特性测试系统，其关键技术为产生可控位移并能提供沿输出力方向的加载，即定位与加载。提供直线位移的机械结构包括滚动丝杠、滑动丝杠与直线导轨等，这些机构与电机配合构成直线运动机构。液压和气动装置也能方便的实现直线位置控制，但须配备液压源或气源以及比例控制阀。现今国内外研究中，位移压力特性测试技术在比例电磁铁性能测试中应用较多。发动机机轴向凸轮轴以及其他辅助机构传递动力时，通常需要正时皮带或链条传动以及附件皮带或链条传动。虽然发动机喷油时刻和点火时间都是由电子控制，但是配气相位，也就是进、排气门开闭时间却还是由正时皮带或链条实现，以绝对保证发动机配气相位的机械位置不能变化。而来自于发动机功率驱动的其他附件，如发电机、车用空调以及水泵等，均采用附件皮带或链条传动。带传动和链传动均为具有中间挠性件的啮合传动。带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可在大的轴间距和多轴间传递动力。摩擦型带传动可过载打滑以实现自行保护，其运转噪声低，但传动比不准确，同步带传动可保证传动同步，但对载荷变动的吸收能力差，高速运转有噪声。链传动兼有齿轮传动和带传动的一些特点。与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度要求较低，链轮齿受力较小、强度较高、磨损也较轻，链传动具有较好的缓冲、吸振性能。与带传动相比，链传动的传动比准确、传动效率较高，链条对轴的作用力较小，链传动的尺寸较紧凑，链条装拆比较方便，链传动能在较大传动比和较小中心距下工作，链传动对环境的适应能力强，链条的磨损伸长比较缓慢、张紧调节量较小，链传动在有可燃气的环境下工作安全可靠。由于磨损会导致传动带与链条在使用过程中伸长，引起松边垂度增加，给传动带来振动，影响传动性能。特别是汽车正时带传动和链传动，它用于发动机曲轴与凸轮轴之间，由于发动机活塞行程与排气时间有严格的配合，因此要求该型带传动或链传动低振动且稳定。张紧装置形式很多，例如螺钉、曲柄杠杆、挂重、弹簧和液压等，对中、高速的重要传动应采用自动张紧装置，其中以液压张紧为优，它不受松边伸长的影响。1.2 PLC在控制系统中应用现状与发展PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程及其有关的外围设备。这些都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。可编程序控制器是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术。进入二十世纪八十年代以来，随着微机技术和微电子技术的迅猛发展，极大推动了PLC在世界范围内的发展，其功能越来越强大，应用范围越来越广阔，已广泛应用在各种机械和生产过程的自动控制中。PLC的程序在可编程序控制器控制系统的设计中，应该最大限度地满足生产机械或生产流程对电气控制的要求，在满足控制要求的前提下，力求PLC控制系统简单、经济、安全、可靠、操作和维修方便，而且应使系统能尽量降低使用者长期运行的成本。可编程控制器控制系统的设计通常包括硬件设计和软件设计。可编程序控制器作为控制器构成的自动控制系统可实现开关量的控制，也可实现模拟量的控制；可实现断续控制，也可实现连续控制；系统组成可以是开环控制系统，也可构成闭环控制系统。该系统的组成可分为输入设备、输出设备、可编程序控制器和外围设备等几部分。具有以下几个特点：（1）设计上考虑了工业环境、抗干扰能力强和可靠性高。（2）编程及操作简便易学。（3）采用模块化结构。（4）具有功能很强的I/O模及智能接口模块。（5）网络化。（6）产品系列化、成本低。可编程控制器设计的方法与步骤如图1.1所示：图1.1 可编程序控制器设计流程图PLC可与机械加工的数字控制及计算机控制联成一体实现数值控制；可用于配置柔性制造系统和计算机集成制造系统等。利用这些性质，我们可以设计一个用来检测弹簧的承载能力的试验机。近几十年来，随着大规模和超大规模集成电路及数字通信技术的发展，PLC发展十分迅速，而且这一种发展将进一步加速，其主要表现在：（1）小型机功能强化此前小型PLC的I/O点数小于128，往往只有数字量输入输出，且CPU和I/O为一体。随着PLC的发展，小型PLC已经具有模拟量处理功能、PID回路调节功能、系统能灵活组态等。（2）缩小与工业控制计算机的差距向大规模、大容量、强功能、高速度方向发展。目前最大的数字I/O点数可达8192点，并可进一步扩大；为提高大型机可靠性，有些产品采用冗余设计，PLC的存储容量不断增大。（3）具有丰富的I/O模版为了适应工业控制的要求，PLC的I/O模块也进一步丰富；如数控模块、技术模块、语言处理模块、定位模块等各种智能I/O模块不断产生，使PLC在分辨率、精度、实时、通信、人机对话等方面的功能不断得到增强。（4）表面安装技术被采用用于微电子技术的发展，双列直插式封装结构已不再适合最新型的超大规模集成电路芯片扁平封装电路可直接装在印刷电路板表面，不需要插入印刷版插孔，缩短了引线长度，进一步缩小了PLC的体积，减小了电路的寄生电容和电感。（5）编程语言多样化、高级化随着PLC硬件不断发展的同时，其编程语言朝两个方向发展：一方面向多种语言编程方向发展，如面向过程的编程语言、梯形图语言及控制系统流程图等；另一方面向高级语言方向发展，可用BASIC、C+及汇编语言编制用户程序。（6）向分散控制方向发展PLC的应用范围越来越广，对控制系统的要求越来越高，一方面要求能够适应控制大型企业不同设备的需要，另一方面要求减少系统危险性。因此，基于分散控制的可编程序控制器得到了进一步发展。（7）向集成化方向发展主要表现在三个方面：PLC与计算机集成；PLC与DCS集成；PLC与计算机数控系统集成。（8）向网络化方向发展PLC网络发展的总目的是向高速度、多层次、开放性、高可靠性方向发展，并遵循国际标准IEEE802，特别是加强异种机通讯功能。1.3 系统主要研究内容在“PLC在汽车张紧器静态试验机中应用”的课题研究中，设计的内容及要求如下：本课题要求设计、实现汽车张紧器静态试验机系统设计。对张紧器进行静态性能检测，分为两个试验，一是检测塞柱中的柱塞弹簧弹出一定距离时最大冲力和稳定后弹力；二是检测弹簧被压缩一定距离后产生的形变。对此课题的研究首先要了解张紧器结构，进而确定研究对象。在确定好研究对象后，决定使用何种方法来进行实验探究。在硬件设计前要先进行器件选型，确定好器件后,就要开始软件及硬件的设计，从而完成实验任务。此研究课题要求必须用PLC技术来实现，尽管用单片机也可以完成实验，但为更加了解PLC的功能、特点，更加熟悉PLC的使用方法及适用范围，要求用PLC控制来检测张紧器在工作过程中，其柱塞弹簧的承载能力，从而确定当张紧器工作时要以多大的油压力才能使弹簧使用时间最长，以实现最终的研究目的。用PLC控制技术设计出一个适用于拉伸、压缩弹簧在一定工作长度下的工作负荷的测试，也可用于橡胶、簧片等弹性器件的弹力负荷测试。在此课题中以弹簧的弹力负荷测试为主，通过张紧器工作时以柱塞弹簧为主要研究对象，来测试弹性器件的弹力负荷。在上位机的设计中，选择用Visual Basic来设计上位机的程序设计。PC与PLC之间的通信的实现也是设计的重要内容之一。2 PLC控制张紧器的系统整体设计本章主要介绍了系统整体框架的设计以及各试验的框架设计。在器件选择部分，通过介绍器件的工作原理、用途、型号、规格及符号等知识，对器件进行了合理选择。这些为后续的硬件设计和软件设计打下了基础。2.1张紧器系统结构设计与工作原理2.1.1 张紧器工作原理张紧器靠发动机外部供油工作，在发动机上需布置油道，弹簧力为停机状态预张紧链条的最小张紧力，工作中起主要作用的是来自发动机供油系统的油压力。张紧器工作原理如下：拔掉锁销，柱塞在柱塞弹簧作用力下，向孔外伸出，使处于锁止柱塞的棘爪转动，同时，来自发动机的机油压力将单向阀打开，机油通过供油道直接进入张紧器总成的高压腔内，高压腔与低压腔油压相等，张紧器的张紧力为：油压力弹簧力。压缩柱塞，单向阀关闭，高压腔的油液处于压缩状态，由于机油的可压缩比小，形成较大阻尼，进而回压过程中，柱塞阻尼较大，减小正时链条的振幅及传动噪音。过剩的机油通过柱塞与壳体孔的配合间隙泄漏到总成外，起过压保护及润滑系统的作用。油压式张紧器工作过程可以分为以下几步：第一步：张紧器安装在发动机正时系统。拔掉锁销，柱塞在柱塞弹簧力P的作用下，向总成外伸出，同时F1使棘爪绕棘爪轴转动，旋转扭力F2使棘爪弹簧压缩。直到棘爪转动到一定角度，柱塞齿在棘爪齿导向作用下能自由伸出，柱塞顶住正时链条的张紧导轨，预张紧力=弹簧力；第二步：启动发动机，来自发动机的机油，通过供油道进入张紧器总成低压腔内，机油压力克服单向阀弹簧力，推动钢球，打开单向阀，机油进入到总成高压腔内；总成张紧力=油压力+弹簧力；第三步：正时链条系统在拉力，高温与磨损作用下伸长，柱塞随着链条系统的伸长，继续向总成外伸出，棘爪齿啮合柱塞的下一个齿，进而使正时链条系统在运行过程中始终保持一个相对稳定的张紧力，预防链条在磨损后出现脱链现象，减小链条振幅及噪音；第四步：当发动机转速降低，链条系统松边张紧力度变大,使柱塞压缩，此时，张紧器总成的单向阀机构关闭，在高压腔内形成较大阻尼，以减缓链条的摆动来降低振幅与噪音，高压腔内的机油通过壳体与柱塞的间隙泄漏到总成外，进而起到过压保护及润滑作用。当发动机停机后，处于低温状态下时，正时链条系统松边张紧力度进一步增大，而加大柱塞的回压距离。棘爪弹簧给棘爪尾部一个旋绕力，使棘爪齿与柱塞齿始终接触，在回压过程中柱塞齿带动棘爪转动，当棘爪大齿与柱塞齿根部啮合后，柱塞无法再向总成内部压缩，形成刚性张紧，这样保证了发动机在起动瞬间，更好地抑制了链条强大冲击引起的较大振幅与噪音。其柱塞齿顶部与棘爪小齿相切到棘爪大齿与柱塞齿根部啮合，柱塞回压的距离，称止回距离。2.1.2 张紧器静态试验系统结构设计根据油压式张紧器的工作原理可以透彻了解张紧器的工作过程，由于要做张紧器静态试验，所以此处不用考虑机油压力，只用考虑静态时的工作状态。对张紧器进行静态性能检测，分为两个试验，静态试验1：检测柱塞弹簧推动塞柱弹出一定距离时柱塞弹簧的最大冲力和稳定后弹力；静态试验2：测柱塞弹簧被压缩一定距离后产生的形变。系统的总体框架设计如图2.1所示。图2.1 系统整体框架图对于一种工件在进行试验之前需要进行一次标定，在这个实验里可以选择量程为50mm的光栅尺。在50mm之外由于对光栅测量的值没有多大影响，因此开始时可以使其快速下压，当到达第一个接近开关时，称重传感器是在接近光栅的位置，此时需要缓慢下降。因为在光栅测量范围内如果下压速度太快的话，光栅测量速度跟不上则会产生很大的误差。在到达第二个接近开关后，称重传感器继续缓慢向下运动，称重传感器上安装的挡板会同时下压光栅尺，当下压到称重传感器的初始压力约为零时，可以检查一下是否可以自由移动插销，直到插销可以自由移动，电机停止，称重传感器不再向下运动。此时光栅可以测出下降的距离为L0。这个值就是标定值。试验1的系统结构框图如图2.2所示： 图2.2 静态1的系统结构图对于试验1我们要做以下工作：伺服电机控制称重传感器向下运动，在试验1中需要用垫块，这里选择一个厚度为7mm的垫块，选择7mm的垫块的主要目的就是利用公式转换计算出弹力F。在静态1的过程中，首先气缸插入垫块，使垫块到位，然后开始静态1试验。由于之前已经标定好光栅下降距离为L0,现在又增加了一个垫块，因此，控制光栅直接下降到L位置即可。即L= L0-7mm。当光栅被下压Lmm时，气缸开始动作，气动拔销，拔销后柱塞弹簧会快速向外弹出，柱塞弹簧推动柱塞向外运动，从而撞击到称重传感器，此时称重传感器测出的柱塞弹簧的最大弹力就为最大冲力，当柱塞弹簧稳定后，塞柱对称重传感器还有一个压力，这个压力就为柱塞弹簧稳定后的弹力。对于试验2，在开始部分和试验1一样，一样要做标定。标定过程如试验1所示。与试验1不同的是，试验2不需要垫块，因此也不需要气缸。拔销时是手动拔销。试验2的系统图如下图2.3所示：伺服电机控制称重传感器向下运动，在光栅检测距离为L0时就停止向下运动。此时，进行拔销。拔销后，光栅收缩，伺服电机反转，控制称重传感器向相反方向运动，柱塞会跟随光栅一起向上运动，直到柱塞弹簧处于松弛的稳定状态。图2.3 静态2的系统结构图当柱塞弹簧处于稳定状态后，伺服电机正传，开始下压塞柱，光栅测出其下降距离为6mm时，电机停止，称重传感器就不在向下运动。这时再使光栅和称重传感器向相反方向运动，直至柱塞弹簧再次处于松弛的稳定状态，这时光栅测出来的数据与6mm作对比，这个差值就是柱塞弹簧所发生的形变。两个试验中选择由哪一个试验运行要用上位机来控制，这里上位机的设计采用组态网的形式，而PC机与PLC之间的通信则用RS-232串行通信接口来实现。PLC与重力传感器之间的通信需要进行A/D转换，PLC中的A/D模块可以完成A/D转换的任务，从而使PLC对重力传感器进行控制。PLC对光栅微位移传感器和伺服电机的控制，则通过I/O端口正确连接就可以实现。2.2 系统各部分实现方案在系统总体设计中，要对上位机进行设计，还有控制部分的设计。对于上位机部分将采用组态网进行设计。PLC与PC机之间的通信主要采用串行异步通信，其常用的串行通信接口标准有RS-232C、RS-422A和RS-485等，在这里主要是用RS-232C来实现通信的。在硬件方面需要一条RS-232连接电缆，软件方面重要是需要PLC的通讯协议，有了通讯协议，就可以用VB编制与PLC的通讯画面。PLC 以卓越的可靠性和方便的可编程性都广泛应用于工业控制领域。实现PC机与PLC通信的目的是为了向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表显示、窗口技术等多种功能, 为PLC 提供了良好的人机界面。PC机与PLC 实现通信的条件：带异步通信适配器的PC机与PLC 只有满足如下条件, 才能互联通信: 带有异步通信接口的PLC 才能与带异步通信适配器的PC机互联。还要求双方采用的总线标准一致, 否则要通过“总线标准变换单元”变换之后才能互联。双方的初始化, 使波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验都相同。要对PLC 的通信协议分析清楚, 严格地按照协议的规定及帧格式编写PC机的通信程序。PLC 中配有通信机制, 一般不需用户编程。在整个控制系统中还需要其他的硬件设备，比如称重传感器，称重变送器，光栅传感器，伺服电机接近开关，限位开关等。PLC与上位机之间的通讯连接由RS-232来实现，下位机的控制由PLC控制系统来完成。2.3 系统设计的主要器件选择在本课题的研究中，需要进行硬件及软件设计，这就必然要进行器件的选择，在满足各器件工作条件的同时还要使得各个器件可以相匹配，本节主要介绍各个器件的选型包括PLC，称重传感器，光栅测微传感器，伺服电机等。2.3.1 PLC的选型欧姆龙PLC是一种功能完善的紧凑型PLC，能为世界领先的输送分散控制等提供高附加值机器控制；它还具有通过各种高级内装板进行升级的能力，大程序容量和存储器单元，以Windows环境下高效的软件开发能力。欧姆龙PLC也能用于包装系统，并支HACCP（寄生脉冲分析关键控制点）过程处理标准。OMRON PLC的分类：小型：CPM1A/CPM2A/CPM2C/CQM1中型：C200H/C200H/CS1大型：C500/C1000H/C2000H/CVM1D在这里根据需要，小型PLC就可以满足我们的要求。这里选择CP1H系列小型高功能PLC(CP1H-XA40DR-A)。CP1H系列小型高功能PLC(CP1H-XA40DR-A)的性能规格如下所示：基本性能 ：（1）处理速度：基本指令0.1s；特殊指令0.3s 1-2 1/O （2）容量： 最多7个扩展单元，开关量最大320点，模拟量最大37路 ；程序容量：20K步 ；数据容量：32K字 （3）机型类别：本体40点，24点输入，16点输出，晶体管输出。特殊功能：（1）轴脉冲输出：100kHz2和30 kHz2（2）轴高速计数：单向100kHz或相位差50 kHz4（3）内置模拟量： 4输入，2输出3.通信功能 （4）通信接口：最大2个串行通信口（RS-232A或RS-422/485任选） 本体附带一个USB编程端口 （5）通信功能：上位链接、无协议通信、NT链接（1:N）、串行网关功能、串行PLC链接功能、 Modbus-RTU简易主站。其他功能：模拟量输入手动设定 ；2位7段码发光二极管显示故障信息 ；支持欧姆龙中型机CJ1系列高功能模块（最大2块） ；支持FB/ST编程，可以利用欧姆龙的Smart FB库，与CJ1/CS1系列程序统一，可以互换。额定值及性能如表2.1：表2.1 CP1H系列小型高功能PLC的一般规格 项目AC电源型 CP1H-ADC电源型 CP1H-D 电源电压 AC100240V 50/60Hz DC24V 允许电源电压 AC85264V DC 20.426.4V (对于四个或以上的扩展单元为21.626.4 VDC ) 消耗电力 100VA以下 50W以下 浪涌电流 20A以下(AC100120V) 40A以下(AC200240V) 30A以下, 20 ms 以下 外部电源 DC24V 300mA 无 绝缘电阻 AC外部端子与GR端子间 20M以上(500VDC) DC外部端子与GR端子间 20M以上(500VDC) 耐电压 AC外部端子与GR端子间 AC2300V 50/60Hz 1分钟 漏电流5mA以下 DC外部端子与GR端子间 AC1000V 50/60Hz 1分钟 漏电流5mA以下 抗干扰性 1EC61000-4-4标准 2kV(电源线) 抗震动 J1S C0041标准 1057Hz 振幅0.075mm 57150Hz 加速度9.8m/s2 X、 Y、 Z各方向80分钟(时间8分钟次数10次=合计80分) 抗冲击 J1S C0041标准 147m/s2 X、 Y、 Z各方向3次 使用环境温度 055 使用环境湿度 1090RH(不结露) 使用环境 无腐蚀性气体 保存环境温度 -2075(电池除外) 电源保持时间 10ms以上 2ms以上 外形尺寸 150mm(W) 90mm(H) 85mm(D) 质量 740g以下 590g以下由试验要求，可以确定CP1H-XA40DR-A的1/O口数。首先PLC要控制一个伺服电机，一个光栅微位移传感器，一个称重变送器，一个气缸，为了安全考虑，还需要两个接近开关和一个限位开关至少七个元器件。根据各元器件的输入输出端口数可估算PLC的1/O口数。经估算输入24口，输出16口即可满足输入输出所需端口数。这里是近距离传输，因此选择开关量输入模块的输入信号的电压等级为24V就可满足要求。2.3.2 称重传感器的选择称重传感器实际上是一种将物理量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。传统概念上，负荷传感器是称重传感器、测力传感器的统称，用单项参数评价它的计量特性。旧国标将应用对象和使用环境条件完全不同的“称重”和“测力”两种传感器合二为一来考虑，对试验和评价方法未给予区分。旧国标共有21项指标，均在常温下进行试验；并用非线性、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差6项指标中的最大误差，来确定称重传感器准确度等级，分别用0.02、0.03、0.05表示。称重传感器能将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号。考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。在各种衡器和质量计量系统中，通常用综合误差带来综合控制传感器准确度，并将综合误差带与衡器误差带联系起来，以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。国际法制计量组织规定，传感器的误差带占衡器误差带的70%，称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围内由于温度对灵敏度的影响所引起的误差等的总和不能超过误差带。称重传感器的电压输出范围为030mV。检测标准主要有:未受力的零点电压U05mV；20m1n前后输出电压变化范围和受力过程中最大电压和最小电压变化不超过0.006mV，即Uoe-U00.006mV，Umax-Um1n0.006mV；受力过程中输出电压每间隔5m1n的变化不超过0.003mV。整个测试过程中所有输出电压符合以上测试标准，则说明传感器精确度达到要求，性能良好；否则传感器不能准确反映出所受压力和线性误差大，传感器就不合格。在此采用拉压力均可使用的拉压力传感器LCS-S3。LCS-S3拉压力传感器采用S型柱式作为弹性体，具有精度高、强度好、稳定性好等特点，结构紧凑、安装使用方便，互换性好适用于吊钩秤、配料秤、包装秤、机电结合秤等场合的测力。同时可对传感器放大处理，输出420mA，15V，05V，010V信号。表2.2 LCS-S3拉压力传感器主要技术指标机械描述材质合金钢或不锈钢额定载荷5、10、20、30、100、200、300、500kg；1、2、3、5、10、15、20t电气指标0.020.03%F.S精度灵敏度2.00.01mV/V推荐激励电压510V DC（推荐10V）最大激励电压15V DC电缆1.5m/5.4mm蠕变(30分钟)0.03%F.S零点平衡1%F.S输入阻抗38010输出阻抗3503绝缘电阻5000M环境参数安全过载150%F.S极限过载200%F.S工作温度-20+65零点温度影响0.3%F.S/10输出温度影响0.3%F.S/10外壳防护等级1P65LCS-S3拉压力传感器的测量范围非常广，量程从50kg20t。表2.2中所示的技术指标是拉压传感器所必须具备的基本要求。称重传感器的接线说明如下：有四根线，分别为红、黄、绿、白四色，其中红色线是激励电源正极，黄色线是输出信号端正极，绿色线是激励电源负极，白色线是输出信号端负极。称重传感器不能把所接受到的信号直接传给PLC，必须通过变送器将接收到的压力信号转换成模拟量的电压信号后通过PLC的模拟量输入端口传给PLC。这里可以采用称重变送器来完成这一任务。称重变送器也叫做重量变送器，是一种将物理量变换成电信号，将毫伏信号经隔离放大转换成标准直流信号的变送器仪表。一般称重变送器与称重传感器是配套使用的,这里选用的称重变送器是BSQ-2。2.3.3 光栅尺的选择光栅测微传感器的种类有很多，D-KB-50光栅测微传感器，是以高精度光栅作为检测元件的精密测量装置。与数显表配套，组成高精度数字化测量仪器。可以代替机械式千分表、扭簧比较仪、深度尺、电感测位移和精密量块，配以适当的转换器，可将温度、压力、硬度、重量等参数转换为数字量。用于自动化大生产中在线监测及精密仪器的位置检测。其优点是测量值数字化显示，精度高，稳定可靠，读数直观准确。亦可把测量数据输入计算机打印出测量数据或绘出曲线。D-KB-50光栅测微传感器采用50线/mm或100线/mm的光栅，输出两路相位差90度的正弦波信号或正交方波信号，供电电压为+5V/+12V/+24V。主要技术参数见表2.3：表2.3 D-KB-50光栅测微传感器主要技术参数栅 距10um(100对线/毫米)，20um（50X对线/毫米）显示分辨率0.5um,5um，1um准 确 度1um, 2um重复精度1个显示值输出信号相位依次相差90幅值大于500mv二路或四路脉冲信号，无绝对参考零位光 源红外发光二极管接收元件组合光电二极管工作温度040储存温度-2070外形尺寸长*宽*厚=L*42*22（mm）,L0测杆伸出长度。测量范围010 020 030 040 050（mm）L130 160 190 220 50（mm）L023 33 43 53 63(mm)标准配置电缆长度2米表2.4 两路正弦波信号A、B参数中心电平6V（+12V供电）/ 2.5V（+5V供电）幅 值6V（+12V供电）/ 2.6V（+5V供电）相 差9010%两路正交方波输出占空比 11（10%） 11.8V（+12V供电）/ TTL电平（+5V供电）表2.5 传感器引脚排列引脚1234功能0V24VA信号B信号线色褐红绿白在进行试验时，选择测量范围为050mm，因此长L为50mm，那么测杆伸出长度L0为63mm。A、B两信号输出端是高速脉冲输出，因此，在用PLC控制光栅时，要注意应用PLC的高速计数器功能的使用。同时光栅微位移传感器的褐色和红色接线也要正确连接才能正常工作。这些在第三章节中将详细讲解。2.3.4 伺服电机的选择伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可用来控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能跟随给定值的任意变化的自动控制系统，主要靠脉冲来定位，基本上可以理解为伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移。因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲。这就和伺服电机接受的脉冲形成了呼应或者叫闭环，这样的话，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。这里采用松下A4系列伺服电机。表2.6 松下A4系列伺服电机与驱动器型号、变压器容量相匹配的选型表M1NAS A4 电机系列MSMA 10ZP1UMSMA 15ZP1U额定输出功率（W）10001500适配驱动器型号MDDDT1205MDDDT2207单相驱动器外形分类BB额定转矩（Nm）3.184.77最大转矩（Nm）9.514.3额定转速/最高转速（rpm）3000/5000编码器光电编码器（2500PPR）质量（制动器有/无）（Kg)5.1/4.56.5/5.1机身长度（制动器有）（mm）200+55205+55上表是松下A4系列伺服电机与驱动器型号、变压器容量相匹配的选型表，在使用伺服电机时，要选择相匹配的驱动器来驱动伺服电机。伺服驱动器上有几个主要端口接线，伺服驱动器的电源输入接口，电机接口，旋转编码器接口，RS-232/PLC接口。伺服电机上有两个接线柱，一个是接伺服驱动器电源接口端，一个是带有旋转编码器的接口端，这一端要作为反馈信号接入伺服驱动器。伺服电机通过这一接口把电机当前运行情况及时的反馈给伺服驱动器，以便伺服驱动器来调整控制电机，使电机准确运行。这几个端口的相接对整个系统的正常运转是非常重要的。3 系统硬件电路设计本章主要介绍硬件的设计，通过对硬件系统的设计，可以更近一步了解各硬件的使用方法及使用条件，更加清楚系统各部分的工作及衔接。本章介绍了PLC与PC之间的通讯方式，PLC要如何控制称重传感器、光栅和伺服电机等。3.1 PLC与PC通讯电路PLC通信主要采用串行异步通信，其常用的串行标准接口RS-232、RS-422和RS-485等。RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性走出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，可建立高层通信协议。RS-232-C是美国电子工业协会E1A制定的一种串行物理接口标准。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可以实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C一般用于20m以内的通信。RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。RS-422总线,RS-485和RS-422电路原理基本相同，都是以差动方式发送和接受，不需要数字地线。差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因，这正是二者与RS-232的根本区别，因为RS-232是单端输入输出，双工工作时至少需要数字地线 。发送线和接受线三条线异步传输，还可以加其它控制线完成同步等功能。RS-422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响，而RS-485只能半双工工作，发收不能同时进行，但它只需要一对双绞线。RS-422和RS-485在19kpbs下能传输1200米。基于以上对比，RS-232通用串行接口通信即可满足要求。PLC一般都具有RS-232，PLC通信的系统整体框图如图3.1所示：图3.1 PLC通信系统整体框图目前RS-232是PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，RS代表推荐标准，232是标识号。RS-232采取不平衡传输方式，即单端通信。收、发端的信号是相对于信号地。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约为15米，最高速的约为20Kbps。RS-232是为点对点通讯而设计的，其驱动器负载为37 K。所以RS-232适合本地设备之间的通信。一个完整的RS-232接口有22根线，采用标准的25芯插头座。除此之外，目前广泛应用的还有一种9芯的RS-232接口。PC机与CP系列PLC,要经过RS-232单元进行连接。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15V之间。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传输数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作在+3+12V与-3-12V。由于PLC选的是欧姆龙的CP1H系列的，因此匹配的九针的RS-232与CP1H的连接如图3.2所示：电脑侧RS-232 PLC侧RS-232 九针D形母头 九针D形公头图3.2 PLC-上位机通信线实际应用中，通常在9针的基础再进行简化，只用其中的2、3、5三个管脚进行通信。这三个管脚分别是接收线、发送线和地线，在一般情况下即可满足通讯的要求。值得注意的是，2、3两脚是交叉互联的，这很容易理解，因为一个设备的发送线必须联接到另外一台设备的接收线上，反之亦然。还需注意的是232信号的有效通讯距离是15M，接收机后面有4根线的接法：g，rx，tx，v，一边接收机后面有5根线则从左向右起为:RX TX GND VCC3.3V NC。表3.1显示了9针通讯的接口管脚名称，以下是各管脚的说明：表3.1 RS-232的9针通讯的接口管脚说明旧制J1S名称新制J1S名称全 称说 明1 CDCDCarr1er Detect载波检出，用以确认是否收到Modem的载波2 RXDRDRece1ved Data数据输入线3 TXDSDTransm1tted Data数据输出线4 DTRERData Term1nal Ready告知数据终端处于待命状态5 SGSGS1gnal Ground信号线的接地线（严格的说是信号线的零标准线）6 DSRDRData Set Ready告知本机在待命状态7 RTSRSRequest to Send要求发送数据8 CTSCSClear to Send回应对方发送的RTS的发送许可，告诉对方可以发送9 FGSGFrame Ground连到机器的接地线在使用过程中，一定要注意各管脚的链接，不同型号的PLC与九针的RS-232的连接时不同的，在试验时要选择好相应的PLC型号和RS-232的类型。3.2 称重传感器接口电路设计PLC与称重传感器连接需要一个变送器，称重传感器在接受到外界信号时会把它的冲击力传给变送器，变送器把冲击力转换成电压信号再传送给PLC，从而使PLC来做出相应的控制。传感器是把非电物理量如温度、压力、液位、物料、气体特性等转换成电信号或把物理量如压力、液位等直接送到变送器。变送器则是把传感器采集到的微弱的电信号放大以便传送或启动控制组件。或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源。根据需要还可以将模拟量变换为数字量。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。电路图如图3.3所示：图3.3 PLC控制称重传感器电路图如上图所示称重传感器的输出接称重变送器的输入，称重变送器的输出接入PLC的模拟量输入端口的输入。在PLC中有模拟量输入模块中选用第一对模拟量输入端子作为模拟量信号输入端。分析如下：称重传感器的接线定义如下：红色线是激励电源正，绿色线是激励电源负，黄色线是输出信号正，白色显示输出信号负。称重变送器接线的输入端是红线接电源正，绿线接电源负，黄线接输出正，白线接输出负，这刚好与称重传感器的输出端接线端子匹配，因此此处的接线原则就是称重传感器的输出与称重变送器的输入相接。称重变送器的输出端接线是红线接电源正，绿线接电源负， 黄线接信号输出，在与PLC中的模拟量输入模块连接时，黄线接1N1+，绿线接1N1-，构成一个输入信号回路，向PLC输入信号。LCS-S3接收到的外界信号经过称重变送器转换后，把转换后的电流1传送给CP1H，由于LCS-S3中的电阻是已知的，可以通过公式转换，算出压力的大小。3.3光栅接口电路设计光栅测微传感器采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为 10100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。传感器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的不锈钢金属或玻璃镀金属铝膜上。这种传感器的优点是量程大和精度高。光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。PLC控制光栅的电路如图3.4所示： 图3.4 PLC控