基于PLC高速计数器的重锤落速测量方法研究

陈　静，孔德仁，顾廷炜

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)



基于PLC高速计数器的重锤落速测量方法研究

陈静，孔德仁，顾廷炜

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

落锤装置可用于传感器系统的准静态校准、塑性测压器具的准动态标定、材料冲击性能测试以及发射药、炸药等爆炸材料的撞击感度测试等.在实验过程中，重锤由于摩擦阻力等影响可能无法正常下落，因而导致实验结果异常.本文简要介绍了落锤装置，基于PLC控制系统，针对重锤下落速度测量的特殊性，采用定距测时法，控制高速计数器发出时间间隔为0.01 ms的高速脉冲，将重锤上的凸台经过测速环时产生的上升沿信号作为中断触发信号，通过记录两个凸台经过测速环时发出的高速脉冲个数可得到时间间隔，从而实现落速的测量，证明了该方法可解决因PLC扫描周期引起的测速结果不准确或无法测速等问题.

落锤装置；控制系统；光电测速系统；定距测时法；高速计数器

落锤装置应用广泛，它在传感器系统的准静态校准、塑性测压器具的准动态标定、材料冲击性能测试[1]以及发射药、炸药等爆炸材料的撞击感度测试[2]等方面都发挥着重要的作用.

采用落锤液压标定装置进行压电式压力测量系统的准静态校准试验[3]时，重锤沿导杆自由下落并打击活塞，使造压油缸内的压力增大，重锤反弹，造压油缸内便形成了半正弦型压力脉冲.由于导杆的加工精度和安装时的垂直度不高等问题，会使得重锤与导向系统之间有阻尼，甚至出现卡滞等现象，可能造成重锤下落不灵活，无法做自由落体运动，导致其动能值与落高的对应关系不稳定，测试系统所采集到的压力值异常.采用抗冲强度落锤试验仪[4]测量粒状发射药的抗冲强度时，便是使重锤自由下落撞击侧卧的被试发射药药粒.药粒在冲击载荷的作用下会被破坏，经大量实验统计，用重锤重量和下落高度的乘积表示抗冲强度.在采用锤重不同，落高相同的方法来造成能量间距时，理论上不同质量的重锤在同一高度下落的末速度相同，但由于实验装置放置情况(是否呈水平状态)、实验人员操作情况、重锤下落是否受阻等问题，可能会影响重锤自由下落.

由此可见，为检验实验结果异常是否与重锤下落受阻有关，测量重锤的落速是很有必要的.本文针对重锤下落速度测量的特殊性，介绍了一种自行设计的基于PLC高速计数器指令(HDEF和HSC)的重锤落速测量方法，并通过试验对落锤在正常情况和施加阻尼两种不同状态下运动的速度进行监测，结果表明该方法用来判断重锤沿导向系统运动的情况是可行的.

1　落锤装置

1.1落锤装置的工作原理

图1　落锤装置结构示意图Fig.1　The diagram of the quasi-static calibration device structure

简单的落锤测量装置包括步进电机、重锤定位组件、提锤机构、托锤机构、重锤组件等，如图1所示落锤装置结构示意图.

提锤机构与重锤定位组件的移动副连接，由步进电机驱动滚珠丝杠带动，可精确定位在指定高度.正常工作时，气缸供气使托锤机构提升重锤组件向上运动至重锤上端吸盘与提锤机构底端电磁铁接触，此时气缸停止供气，电磁铁通电并带动重锤定位到指定高度.当托锤机构复位后，由计算机发送指令，电磁铁释放重锤，重锤沿竖直导向系统自由下落，为防止对试样二次打击，托锤机构可自动接锤，由测试系统采集得到相应数据[5].

常用的导向装置有滑动导轨和滚动导轨，重锤沿滑动导轨运动时受到的摩擦阻力大，为确保重锤下落时运动灵活，速度与落高的对应关系稳定，重锤与导轨之间采用高精度的滚珠导套，虽然该机构可在一定程度上减小摩擦力，但仍无法避免其对测量结果的影响.

1.2重锤落速测量的特殊性

常用的速度测量方法为区截装置测速法[6]，即在运动体的运动轨迹上设置多个区截装置，通过测量各区截装置之间的间距和运动体通过相邻两区截面的时间τ，利用公式u=s/τ计算出运动体的平均速度.但是，落锤装置结构复杂，重锤与导轨之间采用高精度的滚珠导套，即重锤组件在下落过程中始终与导向系统相接触，在其运动轨迹上设置区截装置会影响重锤的运动，因此，常规的测速方法是难以实现的.

随着科技的进步，落锤装置由手动控制逐步发展为自动控制系统，目前国内外大多数的落锤实验装置是由PLC控制的.在不影响重锤沿导向系统自由运动的前提下，如何借助于控制系统PLC准确地测量重锤的下落速度是值得研究的.

2　重锤下落速度测量方法

2.1锤头及测速环结构设计

借助于区截装置测速的原理，鉴于上述重锤下落速度测量的特殊性，可在运动体重锤的锤头上设计两个距离为L的凸台结构做为区截装置，如图2所示.

根据上述分析，采用定距测时的测速方法，若想得到落锤沿导向系统运动的速度，需得到时间间隔.在图1所示落锤装置的定位台面中央位置上安装一测速环，在测速环的对称位置上设置两个孔放置光电二极管，设计距离应既能保证输入到PLC的信号电压足够大，又能确保重锤下落时可以挡住发射端的光线，其结构如图3所示.

图2　重锤锤头结构Fig.2　The structure of the hammer

图3　测速环结构 Fig.3　The structure of the speed detector

图4　光电传感器电路图Fig.4　The diagram of photoelectric sensor circuit

2.2光电测速系统的原理

正常情况下，光电传感器的发射端向接收端发射光线，接收端输出高电平信号至PLC的输入端口，重锤下落时，锤头上的两个凸台先后挡住发光端的光线，接收端输出两个低电平信号，由此产生两个脉冲信号.PLC记录两个脉冲信号的时间间隔，已知锤头两个凸台结构的距离L，根据速度计算公式v=L/t计算得到重锤的下落速度.电路图如图4所示，其中电阻用来避免光电传感器因电流过大而烧毁.

2.3脉冲信号时间间隔测量方法

采用PLC测量脉冲时间间隔时，若重锤从高度为1.5 m的位置下落，根据自由落体运动的公式重锤的末速度v≈5.421 m/s，若凸台距离为5 mm，则锤头上的两个凸台通过测速环的时间间隔t≈0.922 ms，而PLC的扫描周期T=3 ms>t，导致其未及时甚至无法扫描到脉冲信号，造成测时结果不准确或无法测时等问题.

常规的时间间隔测量方法一般采用PLC的定时器指令，由于其时间基准最小为1 ms，则系统最大只能测vmax=5 m/s的速度，即重锤落高最高为hmax≈1.28 m，则该方法只能测限定高度内重锤下落的速度，两个凸台间的距离需根据落高的不同进行调节，具有一定的局限性.此外，普通定时器的时间基准过大亦会导致测量速度结果分辨率太低、准确度不高等问题.

针对以上所述的问题，本文提出了采用s7-200中的高速计数器指令(HDEF和HSC)测量脉冲信号时间间隔的方法.该方法即利用高速输出脉冲指令(PLS)持续发送频率为100 kHz的脉冲信号，并启动高速计数器的模式12(即HSC0和HSC3分别计数Q0.0,Q0.1所发脉冲数目)，当重锤上的两个凸台经过测速环时产生两个上升沿信号，将该信号作为中断触发信号，且两个中断程序分别执行读取高速计数器记录脉冲数的当前值的命令，两次读取的差值与发送的脉冲信号的周期(0.01 ms)的乘积即为脉冲信号的时间间隔.该方法实现了0.01 ms的时间分辨率，在很大程度上提高了速度测量的精度，解决了因PLC扫描周期引起的测速结果不准确或无法测时等问题.

3　测试系统验证

表1　重锤落速的理论值和实验数据对比

从表1中可看出，实际情况下重锤下落速度的测量值偏小，这是由于重锤沿导向系统运动时因为摩擦力的影响不能做理想的自由落体运动.通过分析重锤从不同高度下落时速度测量值相对于理论值的误差可知，基于PLC高速计数器的重锤落速测量方法是可行的.

此外，通过试验可知，重锤受到的阻尼越大，其速度越小，重锤的动能也越小，与落高的对应关系也越不准确，若在这种状态下对传感器进行准静态校准，会导致造压油缸内产生的压力值偏小；若测量粒状发射药的抗冲强度，会导致撞击能量偏低，试验计算得到的抗冲强度变高.因此，当重锤速度异常时，装置所产生的能量是无法满足试验要求的，需对其进行适当的调整.

4　结　论

本文针对重锤下落速度测量的特殊性，借助于控制系统的PLC装置，设计了光电测速系统，提出了利用s7-200的高速计数器指令来实现重锤落速测量的方法，目的是根据重锤速度的大小判断其是否正常下落.该方法可有效提高测速精度，同时解决了因PLC扫描周期引起的测速结果不准确等问题.针对不同落高开展了多次测速试验，并将重锤做自由落体运动获得的速度作为理论值与测试数据进行对比，证明了该方法的可行性.此外，重锤受到的阻尼越大，其速度越小，在此状态下对传感器进行准静态校准、对塑性测压器件进行准动态校准以及测量发射药等爆炸材料的撞击感度时，其试验结果是不准确的，需对装置进行适当地调整.

[1]李林安，王世斌，张敏，等.微纳米薄膜冲击力学性能落锤测量装置[P].中国专利：CN101776511A,2010-07-14.

[2]徐洪涛，孔德仁，胡宏伟，等.火炸药药柱撞击感度试验装置及方法[J].火炸药学报，2010,34(3)：30-33.

Xu Hongtao，Kong Deren，Hu Hongwei，et al.Impact sensitivity test system and test method of explosives column[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants，2010,34(3)：30-33.(in Chinese)

[3]孔德仁，朱明武，李永新，等.基于落锤动标装置的传感器准静态绝对校准方法[J].南京理工大学学报(自然科学版)，2002，26(1)：48-51.

Kong Deren，Zhu Mingwu，Li Yongxin，et al.Means of quasi-static absolute calibration of pressure-measuring transducers based on the drop-hammer dynamic pressure calibration system[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology，2002，26(1)：48-51.(in Chinese)

[4]刑浴仁.粒状发射药抗冲击强度落锤试验方法[J].火炸药学报，1994,18(2)：12-18.

Xing Yuren.Drop hammer test for the impact strength of granular propellant[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology，1994,18(2)：12-18.(in Chinese)

[5]孔德仁，狄长安，范启胜.塑性测压技术[M].北京：兵器工业出版社，2006.

[6]宋斌，杨润泽，张治，等.破片区截测速方法发展现状及趋势[J].科技致富向导，2013(30)：57.

Song Bin，Yang Runze，Zhang Zhi，et al.State and trend of the area cutting speed measuring method for the fragment[J].Guide of Sci-tech Magazine，2013(30)：57.(in Chinese)

Study of Methods of Measuring the Velocity of the Hammer Based on PLC High-Speed Counter

CHEN Jing,KONG Deren,GU Tingwei

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

The drop hammer device can be used for the quasi-static calibration of the sensor system,the quasi-dynamic calibration of the plastic pressure-measuring elements,the impact resistance properties tests and the sensitivity of the explosive material such as propellant and charge.In the experimental process,the hammer may not be able to moving downwards normally because of the influence of the friction.which will lead to the abnormal monitoring data from the experiments.The working principle of the drop hammer device are introduced briefly in the essay.The method of measuring the velocity by determining the distance is used aiming at its particularity,which is based on the PLC controlling system.The high-speed pulse ,the time interval is 0.01ms,is generated by the high-speed counter which is controlled by the system.When two convex plates of the hammer pass the speed detector,the pulse which is used as the interrupt trigger signal will be produced.The PLC high-speed counter will record the number of the pulse and the difference can be considered as the internal.The experiment show that the method can solve the problem of result is inaccuracy caused by the frequency of PLC.

drop hammer device; controlling system; photoelectric velocity measurement system; method of measuring time determining the distance; high-speed counter

1671-7449(2016)05-0438-04

2016-01-05

国家自然科学基金资助项目(11372143)

陈静(1992-)，女，硕士生，主要从事压电式电测系统绝对式准静态校准方法研究.

TH824

Adoi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.013