基于PLC的全自动空调出风口测力设备

王婳懿，乔凤斌，蔡智亮

（上海航天设备制造总厂，上海，200245）

基于PLC的全自动空调出风口测力设备

王婳懿，乔凤斌，蔡智亮

（上海航天设备制造总厂，上海，200245）

0 引言

随着汽车工业的发展，人们对汽车的要求越来越高，汽车空调出风口扇叶上滑块所受的横向滑动力和纵向摇摆力的大小直接表征了滑块安装的好坏和扇叶表面的粗糙度，因此检测空调出风口扇叶上滑块受力大小具有重要意义。

此前，空调出风口模具生产厂家采用推力计测力，这种测试方法效率低，只能抽检部分产品进行测试，一方面严重影响了企业的产能，另一方面造成了不良产品的漏检。

本文针对某空调出风口企业工件检测要求研制了一套以PLC为控制核心，具有人机界面设计的自动控制测力设备[1]。提高了测试精度，增加了企业产能。

1 设计要求与设计难点

1.1 设计要求

针对企业要求，测力设备需具有以下功能：

1）测试精度为0.1N，多次测试力值波动在20%内。

2）从工件放入检测设备到打印出测试数据时间在45s内。

3）设备安全性良好。若测力数据平均值不在1.5N～7N范围内，停机报警。

1.2 设计难点

滑块尺寸小，测力设备与滑块的接触面积为4mm×50mm，接触面积很小，要求PLC位置控制精度高，系统的机械结构运动精度高。同时为避免损伤滑块，设备与滑块的接触面要光滑。本文采用测力传感器固定夹具模拟人手拨动滑块测试阻力。夹具与滑块的接触面积小，且夹具光滑，不会损伤滑块。

滑块的位置影响测力传感器的测力角度。为避免因滑块位置不一致造成测力角度偏差，导致测力传感器砸伤工件，需先对滑块位置初始化，加入初始化到位传感器，检测初始化是否到位，保证滑块初始化后处于同一位置。

为提高系统安全性，在工件工作区域需安装安全光栅，正常工作时，打扰安全光栅，系统停机报警。通过以上设计，避免正常工作时人手伸入测试区域被机械结构砸伤，也防止了人手对初始化到位传感器的影响。

根据设计难点建立对操作平台建立模型，如图1所示。

图1 操作平台模型

在滑块位置与水平面垂直时测试得到横向滑动力。测试纵向摇摆力时，以滑块与扇叶的接触点为轴心，使得滑块前后摇摆45度，得到一个回合过程中纵向摇摆力的平均值。

设备的工作流程如下：扇叶处于导轨前端时，设备前端气缸动作，夹具拨动滑块，对滑块位置进行初始化，初始化后的滑块位置与水平面垂直。初始化到位传感器对滑块初始化位置进行判断，经初始化到位后的扇叶运行至导轨尾部，导轨尾部的电机带动后面横梁运行到所需位置，此时气缸动作，测力传感器上的夹具夹紧滑块，对左右扇叶上的滑块分别进行横向滑动力值的测试，测试完横向滑动力值，夹具在电机的带动下带动滑块前后摇摆45度进行纵向摇摆力的测试。测试完纵向摇摆力，扇叶运动到导轨前部，结束一个回合的测试。

2 控制系统设计

系统的具体配置方案如下：

1）CPU选择。为控制测试时间在45s内，需提高处理速度，采用三菱Q02HCPU，缩短测试时间[2]。

2）定位模块选择。采用QD75P4的位置控制模式，通过“脉冲信号”执行控制，实现复杂定位。

3）外围传感器选择。采用Interface扭矩传感器，精确度高达0.05%，满足系统所需0.1N精度要求。不需在外部进行扭矩换算，更直观显示力值。采用欧姆龙F3SJ-E安全光栅，增加测试安全性。采用光电开关作为初始化到位传感器。

4）数据采集卡选择。采用NI-USB-6341数据采集卡，采样率达到500kS/s。

控制系统构成如图2所示。

系统在调试中发现，数据采集卡采集的电流值较小，采集卡信号易受调试环境和传感器信号的干扰。加入放大电路对数据采集卡采集的电流进行放大。通过放大电路，干扰得到降低。

图2 系统构成图

3 系统软件设计

3.1 软件设计

系统软件部分设计包括 PLC程序设计[3]与人机界面软件设计[4]。

PLC控制系统设计了一键式复位，在停机报警后，按复位按钮，可使系统自动回到原点。PLC位置控制需满足以下要求：

保证滑块初始化后位置在垂直平面上；

保证测试横向滑动力和纵向摇摆力时气缸的位置正好处于测试所需位置，不得损坏模具；

移动工件至导轨后部和导轨前部。

在工件测试中，需对数据进行采集处理。每次采集用数字触发的方式采集一个通道，采集完毕对力值平均值进行分析。当平均值在1.5N～7N时，操作指令通过RS232串口从触摸屏送入打印机，打印出力值数据。若不在1.5N～7N阈值范围内，控制电平变化，与急停回路串联的继电器开关断开，停机报警。

为保证力传感器测试数据与采集卡采集数据同步。系统采用PLC程序和上位机程序同步化设计：

1）测试前上位机给PLC一个脉冲信号，程序处于测试等待状态。10s内按动工件测试平台启动按钮，控制平台开始运行；如超过10s，程序等待超时，需重新启动程序。

2）力传感器开始进行测试时，PLC给上位机一个脉冲，进行数据的采集，保证采集卡每个通道的采集时间与力传感器测试时间一致，从而确保测试数据的准确性。

3）测试完一个工件后，上位机处于等待状态。当力传感器再次进行测试时，PLC发给上位机的脉冲信号，上位机对第二个工件的数据进行处理，以此进行循环。

如图3所示为软件流程图，左边部分为PLC的控制流程，右边部分为人机界面软件控制流程。

图3 软件流程图

3.2 人机界面

系统采用人机界面方便灵活，如图4所示为系统人机界面，人机界面具有如下功能和特点：

1）企业可查询工人工号，方便企业进行管理。

2）配置测试阈值1.5N～7N，如不在阈值范围内，系统将报警。点击Configure，可配置阈值。

3）实时显示当前测试值，测试完毕生成打印标签。

4）工人选择保存数据，系统会按时间自动生成excel文件，便于工人操作。

图4 人机界面图

4 结束语

本设备已成功用于车间实际生产。经过运行观察，系统运行稳定，设备的测试精度高，力值的波动不超过20%。当测力数据平均值超过1.5N～7N时，设备停机报警。系统有较高的安全系数，保证了工人的安全。

同时系统操作简便，对工人零要求，并方便企业查询数据。本设备的研制改变了空调出风口模具检测仅依靠人工检测的局面，对于汽车模具行业提高产能，以及检验标准化具有极大的应用价值。

[1]王烈准.电气控制与PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2]孙振强.可编程控制器原理及应用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[4]李立宗.VB程序设计教程[M].天津:南开大学出版社,2009.

Automatic force measuring device of air conditioning vent based on PLC

WANG Hua-yi，QIAO Feng-bin，CAI Zhi-liang

采用基于PLC的位置控制模式实现对空调出风口扇叶滑块的受力检测，详细介绍了系统的硬件、软件设计和人机界面设计。本系统具有测试定位精准，运行稳定性强，操作简单，安全性良好等优点，具有重要的实用价值。

测力设备；可编程控制器；定位；人机界面

王婳懿（1987 -），女，湖北人，工程师，硕士，研究方向为PLC控制。

TP273

A

1009-0134(2013)01(下)-0136-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.01(下).39

2012-09-20