基于PLC的圆柱最大直径测量装置控制系统的设计

王小芍，吴玉国，张良安，秦海波

（安徽工业大学 机械工程学院，马鞍山 243002）

0 引言

查阅相关资料，目前国内外对于圆柱体最大直径的检测多采用非接触式检测方法，存在着诸如对专业知识要求高、成本较高等一系列问题，无法满足大规模的检测要求[1]。基于这种现状，本课题设计了一种接触式测量方法，以PLC为控制核心，对被测圆柱体进行有步骤的输送定位，配合光栅检测系统，以流水线测量的方式对圆柱体的最大直径进行自动检测，是一种全新的测量装置系统。

1 测量装置

图1为圆柱直径测量装置结构示意简图，被测圆柱体在板与固定板之间旋转一周，通过测量此期间两板之间的最大距离，得到被测圆柱体的最大直径。本文主要针对此测量方法制定出了一种合理的测量方案，并重点对对此方案的控制系统进行设计与研究。

该检测装置主要包括传送模块、检测模块和分组模块。

传送模块要实现传送带按照一定的速度匀速前进，由一个运行指示灯显示其运行状态。

检测模块一方面要实现挡板对机械运动的控制，完成其带动被测圆柱体滚动前进的任务；另一方面，利用光栅传感器测量圆柱体直径，通过测量弹簧的压缩量来间接得到挡板与固定板之间的距离，即可知圆柱体直径。检测模块主要由挡板、光栅尺、光电传感器和四个行程开关构成。

图1 测量装置结构示意简图

分组模块由四个喷枪、几个光电传感器构成。此模块中PLC分别控制四个喷枪对分组后相对应的圆柱体喷料，以不同颜色标示，完成分组。

2 测量装置控制系统的硬件设计

2.1 测量装置控制系统的控制要求

根据对测量装置各模块的分析，对其控制系统也提出了相应的控制要求：

1)初始状态：挡板处于原点位置；工作指示灯熄灭；传送带处于静止状态。

2)选择一个小型交流电机带动传送带匀速运行，用一个启动/停止开关来控制电机的启停。

3) PLC控制伺服驱动器控制交流伺服电动机，通过设定Pr0.06（指令脉冲极性设置）参数就可以实现正反转，从而控制挡板的往复运动，其行程路径由四个行程开关控制。

4)通过数据处理电路对光栅传感器的测得的尺寸脉冲进行细分、辨向等处理，以满足本系统的测量精度要求。

5)对圆柱体进行分组，尺寸区间值为(299.0,29 9.5),(299.5,300.0),(300.0,300.5),(300.5,301.0)，依次为A、B、C、D四组，若尺寸小于299.0mm或者大于301.0mm，则为不合格。

6)A、B、C、D四组分别对应四个可以喷出不同颜色的喷枪，不合格的圆柱体不喷。在每个喷枪的前后安装两个光电开关，用来控制喷枪的启停，准确控制喷枪的工作时间。

2.2 伺服控制系统

本课题的主要任务就是要完成对检测模块的控制，完成挡板在X、Y两个方向上的往复运动，以及光栅尺对圆柱最大尺寸的测量。采用以PLC为控制核心的伺服控制系统，主要包括PLC、伺服驱动器、编码器和伺服电动机。综合考虑该系统的控制要求，查阅相关说明书，最终选择的伺服驱动器为松下A5系列MADHT1507，配套使用的电动机型号为MSME022G1[2]。

图2 松下A5伺服系统接线图

图2 中，SRV-ON口接PLC输出继电器控制，控制伺服驱动器启动、停止。PULS1为指令脉冲输入端口，SING1为方向信号输入端口，分别由PLC发出控制信号，来控制伺服机的运行的步数及运行方向。

松下A5伺服驱动器有三种控制模式：伺服电机有三种控制模式：速度控制模式，位置控制模式，转矩控制模式[3,4]。基于本设计所要完成的任务和精度要求，本设计中伺服驱动器对伺服电动机采用位置控制模式。上图即为位置控制模式下的制信号接线图。

在位置控制模式下，伺服驱动器接收PLC发出的位置指令信号脉冲/方向，送入脉冲列形态，经电子齿轮分/陪频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数，经四倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号与位置检测装置相同比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由SPWM输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。

2.3 光栅尺测量电路

光栅是一种数字式位移传感器,由于其具有高精确度、高分辨率、大量程、较强抗干扰能力、较高测量速度等特点,可实现动态测量、自动测试和数字显示功能,目前已广泛应用于位移精密测量和精密定位控制领域[5]。根据采集到的运动方向和信号变化的周期用计数器进行计数,就可以测出总的位移量。

图3为该测量装置的测量原理示意图，图3（a）图所示挡板还处于原点位置，两板之间的距离为H0,原长L0。弹簧被测圆柱到位后，电机1正转，直到行程开关动作时停止前进，此时两板之间的距离为H1，如图3（b）。指示光栅固定在与弹簧相连的轴上，保证了指示光栅和标尺光栅的相对位移与弹簧的伸缩量一致。圆柱体在滚动前进的过程中，圆柱体直径由小变大时，弹簧被压缩，圆柱直径由大变小时，弹簧伸长。弹簧的压缩和伸长即对应着指示光栅的运动，通过测量指示光栅相对于标尺光栅的相对位移，即可得到弹簧的最大压缩量，从而便可得到圆柱体的最大直径Dmax。图3（c）所示为测量圆柱位于最大直径处，此时测得弹簧的最大压缩量为Lmax=(L0-L2)，圆柱最大直径即为：

图3 测量原理示意图

本设计预采用北京正开仪器有限公司生产的MC-JCXF系列小型位移光栅光感器，用于测量弹簧压缩位移量。其可以输出A、B两路相位差为90°的方波信号，经辨向及计数电路处理后即可获得与弹簧变形呈正比的计数脉冲[6]。

四倍频专用集成电路 QA740210可以用于对光栅传感器方波信号的处理。可以将两路正交的方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号，可送加减计数输入双时钟可逆计数器进行加、减计数，也可直接送微型计算机进行数据处理。图4所示，将集成电路获得的两路加减脉冲输入到PLC的加减计数器，PLC最终通过脉冲计数得到弹簧的最大压缩量，完成本次测量。

图4 光栅传感器测量硬件原理图

2.4 分组系统

图5 所示为本设计中分组模块的喷枪安装示意图。四个喷枪依次排列在流水线上，每个喷枪前后各安装一个光电开关，用于检测喷枪开始工作和停止工作的时间。PLC依照通过光栅尺测量得到的圆柱直径尺寸，对喷枪发送工作命令，完成对圆柱体喷料，实现分组[7]。

图5 喷枪安装示意图

2.5 I/O分配及控制接线图

根据该控制系统的控制要求和对该装置控制过程的分析，列出圆柱体直径测量装置PLC控制系统的I/O端口分配如表1所示。

表1 输入端子分配

表2 输出端子分配

由表1和表2中PLC的I/O地址分配可知，系统共有18个开关量输入点，12个开关量输出点，根据以上分析，考虑能够达到以上要求并且性价比较高的因素，最终为本系统选择的PLC型号为西门子公司S7-226系列。该型号有24个输入接口，16个输出接口，可满足输入输出要求。

首先要设置PLC 的启动/停止控制，保证PLC必须是在一切就绪的情况下工作，同时在发生紧急情况下，可以人工控制程序的停止运行。如图，I0.0为程序的启动按钮，I0.3是紧急停止按钮。按下I0.0，中间继电器M0.0自锁，保证后续程序的执行。紧急情况下，按下I0.3，切断M0.0，这样后续的程序全部停止，保证安全。PLC协调各设备之间有序地完成对圆柱体最大直径的检测与分组，图6所示为测量装置的PLC控制系统接线图。

图6 测量装置PLC控制系统接线图

3 测量装置控制系统的软件设计

系统的软件设计主要是根据生产工艺要求，完成对PLC程序的设计。

3.1 分组计算

PLC根据采集到的运动方向和信号变化的周期,用计数器C20对光栅尺输入的加减脉冲进行计数,最终计数值乘以每个脉冲信号代表的移动距离，即为指示光栅和标尺光栅的最大相对位移，即弹簧的最大压缩量。

本题选用的光栅传感器的栅距为0.02mm(50线/mm)[8]。对光栅传感器信号四细分后，每个脉冲信号代表的移动距离为0.005mm，若挡板和固定板之间的初始距离H0设为285mm，根据对圆柱体直径的分组要求，其分组情况如下：

若1200

若1100

若1000≤C20≤110，则为C组；

若1300

若C20<1000，或 C20>1400，则不合格。

当C20完成一次测量计数后，将其计数值保存在寄存器VW0中，同时C20复位，等待下一次测量计数。

3.2 控制流程图

在进行系统的程序编写之前，必须要知道系统的运动流程，流程是根据系统的功能制定的。本系统以双工作台流水线上的圆柱体为对象，人工完成上料、下料，PLC完成定位、测量和分组的功能。

光电传感器SQ0接收到工件到位信息后，PLC控制两个电机的正反转，同时光栅传感器开始测量，最终脉冲计数器C20的值被保存在寄存器VW0中；挡板在电机的带动下在X、Y两个方向运动，其运动路径分别由四个行程开关控制。测量完成后，将计数器清零继续下一轮的测量，然后对VW0的值进行比较，对尺寸值分组。当圆柱体到达满足要求的喷码枪位置是，PLC控制喷枪工作，对圆柱体喷上对应的颜色，完成分组。这就完成了整个控制流程，如图7所示。

PLC作为整个检测装置控制系统核心，承担着设备的运动功能，同时还承担着尺寸测量的运算功能。系统控制流程图完成之后，根据流程图所要完成的功能，完成PLC程序梯形图、调试并运行。

图7 PLC控制流程图

4 结束语

本课题设计的基于PLC的圆柱体最大直径检测装置的控制系统，具有如下成果：

1)完成传送、检测、分组的自动化，节省了大量的人力劳动。

2)与以往的人工测量相比，光栅测量技术的应用提高了测量精度。

3)不同分组的圆柱体使用不同颜色进行标示，为以后的装配配对工作提供了方便。

[1]向际鹰.低分辨率CCD进行高精度边缘检测的一种新方法[J].仪表技术与传感器,1997.(9):37-40.

[2]陶权,韦瑞录.PLC控制系统设计、安装与调试(第2版)[M].北京：北京理工大学出版社,2011.20-27.

[3]K S Low;K W Lim;M F Rahman A microprocessor based fully digital AC servo drive[J]1997(20) doi:10.1016/S0141-9331(97)01118-6.

[4]PANASONIC交流伺服电机驱动器MINAS A5系列使用说明书[Z].

[5]毕军志.现代传感器技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2010.31-33.

[6]王永华,金友泉.现代电器控制及PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.46-54.

[7]印浩.用PLC 实现静电喷枪间隙控制[J].设备管理与维护,2002(6):22-24.

[8]颜正国,许广赓,张德俊.光栅位移传感器细分技术的新方法[J].吉林工业大学学报,1995(1):95-101.