【正文】 調(diào) 整 硬 件 調(diào) 整 軟 件N NY 圖 可編程序控制器設(shè)計(jì)流程圖 PLC 可與機(jī)械加工的數(shù)字控制 及計(jì)算機(jī)控制聯(lián)成一體實(shí)現(xiàn)數(shù)值 控制；可用于配置柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等。利用這些性質(zhì)，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)用來檢測(cè)彈簧的承載能力的試驗(yàn)機(jī)。 近幾十年來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路及數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展， PLC發(fā)展十分迅速，而且這一種發(fā)展將進(jìn)一步加速，其主要表現(xiàn)在： （ 1）小型機(jī)功能強(qiáng)化 此前小型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)小于 128， 往往只有數(shù)字量輸入輸出，且 CPU 和 I/O為一體。隨著 PLC 的發(fā)展，小型 PLC 已經(jīng)具有模擬量處理功能、 PID 回路調(diào)節(jié)功能、系統(tǒng)能靈活組態(tài)等。 （ 2）縮小與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的差距向大規(guī)模、大容量、強(qiáng)功能、高速度方向發(fā)展。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 4 目前最大的數(shù)字 I/O 點(diǎn)數(shù)可達(dá) 8192 點(diǎn)，并可進(jìn)一步擴(kuò)大；為提高大型機(jī)可靠性，有些產(chǎn)品采用冗余設(shè)計(jì)， PLC的存儲(chǔ) 容量不斷增大。 （ 3）具有豐富的 I/O模版 為了適應(yīng)工業(yè)控制的要求， PLC的 I/O 模塊也進(jìn)一步豐富；如數(shù)控模塊、技術(shù)模塊、語言處理模塊、定位模塊等各種智能 I/O 模塊不斷產(chǎn)生，使 PLC 在分辨率、精度、實(shí)時(shí)、通信、人機(jī)對(duì)話等方面的功能不斷得到增強(qiáng)。 （ 4）表面安裝技術(shù)被采用 用于微電子技術(shù)的發(fā)展，雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)已不再適合最新型的超大規(guī)模集成電路芯片扁平封裝電路可直接裝在印刷電路板表面，不需要插入印刷版插孔，縮短了引線長(zhǎng)度，進(jìn)一步縮小了 PLC 的體積，減小了電路的寄生電容和電感。 （ 5）編程語言多樣化、高級(jí)化 隨著 PLC 硬件不斷發(fā)展的同時(shí)，其編程語言朝兩個(gè)方向發(fā)展：一方面向 多種語言編程方向發(fā)展 ，如面向過程的編程語言、梯形圖語言及控制系統(tǒng)流程圖等；另一方面向 高級(jí)語言方向發(fā)展，可用 BASIC、 C++及匯編語言編制用戶程序。 （ 6）向分散控制方向發(fā)展 PLC 的應(yīng)用范圍越來越廣，對(duì) 控制系統(tǒng)的要求越來越高，一方面要求能夠適應(yīng)控制大型企業(yè) 不同設(shè)備的 需要，另一方面要求減少系統(tǒng)危險(xiǎn)性。因此，基于分散控制 的可編程序控制器得到了進(jìn)一步發(fā)展。 （ 7）向集成化方向發(fā)展 主要表現(xiàn)在三個(gè)方面： PLC與計(jì)算機(jī)集成； PLC 與 DCS 集成 ； PLC與 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)集成。 （ 8）向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 PLC 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的總目的是向高速度、多層次、開放性、高可靠性方向發(fā)展，并遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEEE802， 特別是加強(qiáng)異種機(jī)通訊功能。 系統(tǒng)主要研究?jī)?nèi)容 在“ PLC 在汽車張緊器靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)中應(yīng)用”的課題研究中，設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求如下： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 5 本課題要求設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)汽車張緊器靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)張緊器進(jìn)行靜態(tài)性能檢測(cè)，分為兩個(gè)試驗(yàn)，一是檢測(cè)塞柱中的柱塞彈簧彈出一定距離時(shí)最大沖力和穩(wěn)定后彈力；二是檢測(cè)彈簧被壓縮一定距離后產(chǎn)生的形變。 對(duì)此課題的研究首先要了解張緊器結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確定 研究對(duì)象。在確定好研究對(duì)象后，決定使用何種方法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。在硬件設(shè)計(jì)前要先進(jìn)行器件選型，確定好器件后 ,就要開始軟件及硬件的設(shè)計(jì)，從而完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。 此研究課題要求必須用 PLC 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，盡管用單片機(jī)也可以完成實(shí)驗(yàn)，但為更加了解 PLC 的功能、特點(diǎn)，更加熟悉 PLC的使用方法及適用范圍，要求用PLC 控制來檢測(cè)張緊器在工作過程中，其柱塞彈簧的承載能力，從而確定當(dāng)張緊器工作時(shí)要以多大的油壓力才能使彈簧使用時(shí)間最長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)最終的研究目的。用 PLC 控制技術(shù)設(shè)計(jì)出一個(gè)適用于拉伸、壓縮彈簧在一定工作長(zhǎng)度下的工作負(fù)荷的測(cè) 試 ，也可用于橡膠、簧片等彈性器件的彈力負(fù)荷測(cè)試。在此課題中 以彈簧的彈力負(fù)荷測(cè)試為主，通過張緊器工作時(shí)以柱塞彈簧為主要研究對(duì)象，來測(cè)試彈性器件的彈力負(fù)荷。在上位機(jī)的設(shè)計(jì)中，選擇用 Visual Basic 來設(shè)計(jì) 上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)。 PC與 PLC 之間的通信的實(shí)現(xiàn)也是設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 6 2 PLC控制張緊器的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 本章主要介紹了系統(tǒng)整體框架的設(shè)計(jì)以及各試驗(yàn)的框架設(shè)計(jì)。在器件選擇部分，通過介紹器件的工作原理、用途、型號(hào)、規(guī)格及符號(hào)等知識(shí)，對(duì)器件進(jìn)行了合理選擇。 這些 為后續(xù)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè) 計(jì)打下了基礎(chǔ)。 張緊器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理 張緊器工作原理 張緊器靠發(fā)動(dòng)機(jī)外部供油工作，在發(fā)動(dòng)機(jī)上需布置油道，彈簧力為停機(jī)狀態(tài)預(yù)張緊鏈條的最小張緊力，工作中起主要作用的是來自發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)的油壓力。 張緊器工作原理如下： 拔掉鎖銷，柱塞在柱塞彈簧作用力下，向孔外伸出，使處于鎖止柱塞的棘爪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，來自發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力將單向閥打開，機(jī)油通過供油道直接進(jìn)入張緊器總成的高壓腔內(nèi)，高壓腔與低壓腔油壓相等，張緊器的張緊力為：油壓力＋彈簧力。壓縮柱塞，單向閥關(guān)閉，高壓腔的油液處于壓縮狀態(tài)，由于機(jī)油的 可壓縮比小，形成較大阻尼，進(jìn)而回壓過程中，柱塞阻尼較大，減小正時(shí)鏈條的振幅及傳動(dòng)噪音。過剩的機(jī)油通過柱塞與殼體孔的配合間隙泄漏到總成外，起過壓保護(hù)及潤(rùn)滑系統(tǒng)的作用。 油壓式張緊器工作過程可以分為以下幾步： 第一步：張緊器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)。拔掉鎖銷，柱塞在柱塞彈簧力 P的作用下，向總成外伸出，同時(shí) F1 使棘爪繞棘爪軸轉(zhuǎn)動(dòng)， 旋轉(zhuǎn)扭力 F2使棘爪彈簧壓縮。直到棘爪轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度，柱塞齒在棘爪齒導(dǎo)向作用下能自由伸出，柱塞頂住正時(shí)鏈條的張緊導(dǎo)軌，預(yù)張緊力 =彈簧力； 第二步：?jiǎn)?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，來自發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油，通過供油道進(jìn)入張 緊器總成低壓腔內(nèi)，機(jī)油壓力克服單向閥彈簧力，推動(dòng)鋼球，打開單向閥，機(jī)油進(jìn)入到總成高壓腔內(nèi)；總成張緊力 =油壓力 +彈簧力； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 7 第三步：正時(shí)鏈條系統(tǒng)在拉力，高溫與磨損作用下伸長(zhǎng)，柱塞隨著鏈條系統(tǒng)的伸長(zhǎng)，繼續(xù)向總成外伸出，棘爪齒嚙合柱塞的下一個(gè)齒，進(jìn)而使正時(shí)鏈條系統(tǒng)在運(yùn)行過程中始終保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的張緊力，預(yù)防鏈條在磨損后出現(xiàn)脫鏈現(xiàn)象，減小鏈條振幅及噪音； 第四步：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，鏈條系統(tǒng)松邊張緊力度變大 ,使柱塞壓縮，此時(shí)，張緊器總成的單向閥機(jī)構(gòu)關(guān)閉，在高壓腔內(nèi)形成較大阻尼，以減緩鏈條的擺動(dòng)來降低振幅與噪音，高壓腔 內(nèi)的機(jī)油通過殼體與柱塞的間隙泄漏到總成外，進(jìn)而起到過壓保護(hù)及潤(rùn)滑作用。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，處于低溫狀態(tài)下時(shí)，正時(shí)鏈條系統(tǒng)松邊張緊力度進(jìn)一步增大，而加大柱塞的回壓距離。棘爪彈簧給棘爪尾部一個(gè)旋繞力，使棘爪齒與柱塞齒始終接觸，在回壓過程中柱塞齒帶動(dòng)棘爪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)棘爪大齒與柱塞齒根部嚙合后，柱塞無法再向總成內(nèi)部壓縮，形成剛性張緊，這樣保證了發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)瞬間，更好地抑制了鏈條強(qiáng)大沖擊引起的較大振幅與噪音。其柱塞齒頂部與棘爪小齒相切到棘爪大齒與柱塞齒根部嚙合，柱塞回壓的距離，稱止回距離。 張緊器靜態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 根據(jù)油壓式張緊器的工作原理可以透徹了解張緊器的工作過程，由于 要做 張緊器靜態(tài)試驗(yàn)， 所以此處不用考慮機(jī)油壓力，只用考慮靜態(tài)時(shí)的工作狀態(tài)。對(duì)張緊器進(jìn)行靜態(tài)性能檢測(cè)，分為兩個(gè)試驗(yàn)，靜態(tài)試驗(yàn) 1：檢測(cè)柱塞彈簧推動(dòng)塞柱彈出一定距離時(shí)柱塞彈簧的最大沖力和穩(wěn)定后彈力；靜態(tài)試驗(yàn) 2：測(cè)柱塞彈簧被壓縮一定距離后產(chǎn)生的形變。系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)如圖 。 P CC P 1 H靜 態(tài) 1 靜 態(tài) 2 數(shù) 據(jù) 采 集 安 全 設(shè) 施 圖 系統(tǒng)整體框架圖 對(duì)于一種工件在進(jìn)行試驗(yàn)之前需要進(jìn)行一次標(biāo)定，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里可以 選擇量程為 50mm 的光柵尺。在 50mm 之外由于對(duì)光柵測(cè)量的值沒有多大影響，因此開始畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 8 時(shí)可以使其快速下壓，當(dāng)?shù)竭_(dá)第一個(gè)接近開關(guān) 時(shí)，稱重傳感器是在接近光柵的位置，此時(shí)需要緩慢下降。因?yàn)樵诠鈻?測(cè)量范 圍內(nèi)如果下壓速度太快的話，光柵 測(cè)量速度跟不上則會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。在到達(dá)第二個(gè)接近開關(guān)后，稱重傳感器繼續(xù)緩慢向下運(yùn)動(dòng)，稱重傳感器上安裝的擋板會(huì)同時(shí)下壓光柵尺，當(dāng)下壓到稱重傳感器的初始?jí)毫s為零時(shí)，可以檢查一下是否可以自由移動(dòng)插銷，直到插銷可以自由移動(dòng)，電機(jī)停止，稱重傳感器不再向下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)光柵可以測(cè)出下降的距離為L(zhǎng)0。這個(gè) 值就是標(biāo)定值。試驗(yàn) 1 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： P CC P 1 H伺 服 電 機(jī) 稱 重 傳 感 器 光 柵 尺 氣 缸 接 近 開 關(guān) 限 位 開 關(guān) 圖 靜態(tài) 1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 對(duì)于試驗(yàn) 1我們要做以下工作：伺服電機(jī)控制稱重傳感器向下運(yùn)動(dòng)，在試驗(yàn)1中需要用墊塊，這里選擇一個(gè)厚度為 7mm 的墊塊，選擇 7mm 的墊塊的主要目的就是利用公式轉(zhuǎn)換計(jì)算出彈力 F。 在 靜態(tài) 1的過程 中 ，首先氣缸插入墊塊，使墊塊到位，然后開始靜態(tài) 1試驗(yàn)。由于之前已經(jīng)標(biāo)定好光柵下降距離為 L0,現(xiàn)在又增加了一個(gè)墊塊，因此，控制光柵直接下降 到 L位置即可。即 L= L07mm。當(dāng)光柵被下壓 Lmm 時(shí)，氣缸開始動(dòng)作，氣動(dòng)拔銷，拔銷后柱塞彈簧會(huì)快速向外彈出，柱塞彈簧推動(dòng)柱塞向外運(yùn)動(dòng)，從而撞擊到稱重傳感器，此時(shí)稱重傳感器測(cè)出的柱塞彈簧的最大 彈 力就為最大沖力，當(dāng)柱塞彈簧穩(wěn)定后，塞柱對(duì)稱重傳感器還有一個(gè)壓力，這個(gè)壓力就為柱塞彈簧穩(wěn)定后的彈力。 對(duì)于試驗(yàn) 2，在開始部分和 試驗(yàn) 1一樣，一樣要做標(biāo)定。標(biāo)定過程如試驗(yàn) 1所示。與試驗(yàn) 1不同的是，試驗(yàn) 2不需要墊塊，因此也不需要?dú)飧?。拔銷時(shí)是手動(dòng)拔銷。 試驗(yàn) 2的系統(tǒng)圖如下 圖 所示 ： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 9 伺服電機(jī)控制稱重傳感器向下運(yùn)動(dòng)，在光 柵檢測(cè)距離為 L0 時(shí)就停止向下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，進(jìn)行拔銷。拔銷后，光柵收縮，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，控制稱重傳感器向相反方向運(yùn)動(dòng)，柱塞會(huì)跟隨光柵一起向上運(yùn)動(dòng)，直到柱塞彈簧處于松弛的穩(wěn)定狀態(tài)。 P CC P 1 H伺 服 電 機(jī) 稱 重 傳 感 器 光 柵 尺 接 近 開 關(guān) 限 位 開 關(guān) 圖 靜態(tài) 2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)柱塞彈簧處于穩(wěn)定狀態(tài)后，伺服電機(jī)正傳，開始下壓塞柱，光柵測(cè)出其下降距離為 6mm 時(shí)，電機(jī)停止，稱重傳感器就不在向下運(yùn)動(dòng)。這時(shí)再使光柵和稱重傳感器向相反方向運(yùn)動(dòng)，直至柱塞彈簧再次處于松弛的穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)光柵測(cè)出來的數(shù)據(jù)與 6mm 作對(duì) 比，這個(gè)差值就是柱塞彈簧所發(fā)生 的形變。 兩個(gè)試驗(yàn)中選擇由哪一個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行要用上位機(jī)來控制，這里上位機(jī)的設(shè)計(jì)采用組態(tài)網(wǎng)的形式，而 PC 機(jī)與 PLC 之間的通信則用 RS232 串行通信接口來實(shí)現(xiàn)。PLC 與重力傳感器之間的通信需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換， PLC 中的 A/D 模塊 可以完成 A/D轉(zhuǎn)換的任務(wù)，從而使 PLC 對(duì)重力傳感器進(jìn)行控制。 PLC 對(duì)光柵微位移傳感器和伺服電機(jī)的控制，則通過 I/O 端口正確連接就可以實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)各部分實(shí)現(xiàn)方案 在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中，要對(duì)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還有控制部分的設(shè)計(jì)。對(duì)于上 位機(jī)部分 將采用組態(tài)網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 PLC與 PC 機(jī)之間的通信主要 采用串行異步通信，其常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)有 RS232C、 RS422A 和 RS485 等，在這里 主要 是 用RS232C 來 實(shí)現(xiàn)通信的。在 硬件方面需要一條 RS232 連接電纜 ， 軟件方面重要是需要 PLC 的通訊協(xié)議，有了通訊協(xié)議， 就 可以用 VB編制與 PLC 的通訊畫面。PLC 以卓越的可靠性和方便的可編程性都廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與 PLC 通信的目的是為了向用戶提供諸如工藝流程圖顯示、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)畫面顯示、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 10 報(bào)表顯示、窗口技術(shù)等多種功能 , 為 PLC 提供了良好的人機(jī)界面。 PC 機(jī)與 PLC 實(shí)現(xiàn)通信的條件： ①帶異步 通信適配器的 PC機(jī)與 PLC 只有滿足如下條件 , 才能互聯(lián)通信 : 帶有異步通信接口的 PLC 才能與帶異步通信適配器的 PC機(jī)互聯(lián)。還要求雙方采用的總線標(biāo)準(zhǔn)一致 , 否則要通過“總線標(biāo)準(zhǔn)變換單元”變換之后才能互聯(lián)。 ②雙方的初始化 , 使波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)都相同。 ③要對(duì) PLC 的通信協(xié)議分析清楚 , 嚴(yán)格地按照協(xié)議的規(guī)定及幀格式編寫 PC機(jī)的通信程序。 PLC 中配有通信機(jī)制 , 一般不需用戶編程。 在整個(gè)控制系統(tǒng)中 還需要其他的硬件設(shè)備，比如稱重傳感器，稱重變送器，光柵傳感器，伺服電機(jī)接近開關(guān)，限位開關(guān)等 。 PLC 與上位機(jī)之間的通訊連接由RS232 來實(shí)現(xiàn)，下位機(jī)的控制由 PLC 控制系統(tǒng)來完成。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要器件選擇 在本課題的研究中，需要進(jìn)行硬件及軟件設(shè)計(jì)，這就必然要進(jìn)行器件的選擇，在滿足各器件工作條件的同時(shí)還要使得各個(gè)器件可以相匹配，本節(jié)主要介紹各個(gè)器件的選型包括 PLC， 稱重傳感器，光柵測(cè)微傳感器，伺服電機(jī)等。 PLC 的選型 歐姆龍 PLC 是一種功能完善的緊湊型 PLC，能為世 界領(lǐng)先的輸送分散控制等提供高附加值機(jī)器控制；它還具有通過各種高級(jí)內(nèi)裝板進(jìn)行升級(jí)的能力，大程序容量和存儲(chǔ)器單元，以 Windows 環(huán)境下高效的軟件開發(fā)能力。歐姆龍 PLC 也能用于包裝系統(tǒng)，并支 HACCP（寄生脈沖分析關(guān)鍵控制點(diǎn)）過程處理標(biāo)準(zhǔn)。 OMRON PLC的分類： 小型： CPM1A/CPM2A/CPM2C/CQM1 中型： C200H/C200Hα /CS1 大型： C50