力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

康博，馮利民，張弘，陳守強(qiáng)

(1.安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南安陽(yáng)455000;2.洛陽(yáng)中硅高科技有限公司，河南洛陽(yáng)471003;3.西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川成都610039)

力基準(zhǔn)機(jī)通過某種特定的方式將規(guī)定的力值復(fù)現(xiàn)在負(fù)荷傳感器上，從而用來檢測(cè)負(fù)荷傳感器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。為此，力基準(zhǔn)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)直接影響負(fù)荷傳感器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，甚至影響整個(gè)國(guó)家的計(jì)量技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

現(xiàn)階段我國(guó)各計(jì)量機(jī)構(gòu)和部門使用的力基準(zhǔn)機(jī)很多都是20世紀(jì)的產(chǎn)品，其加載設(shè)備和控制系統(tǒng)都很落后，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代傳感器的高效率、高精度和高穩(wěn)定的要求。近年來，國(guó)內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)研究的一些加碼方式和控制系統(tǒng)雖然使得力基準(zhǔn)機(jī)的性能有了一定的提升，但是從測(cè)試效果來看，其力值加載呈階梯變化，對(duì)傳感器的沖擊較大。作者在此基礎(chǔ)上提出了一種力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼的方法，用有限的砝碼組合實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)無(wú)級(jí)的加載過程，保證加載過程平穩(wěn)運(yùn)行，較好地解決了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究存在的問題，使得加載過程平穩(wěn)，沖擊小，從而使得測(cè)試精度有了一定的提高。在此基礎(chǔ)上，采用PLC 和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼的自動(dòng)控制，使得力基準(zhǔn)機(jī)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、高效性等均有了較大幅度的提高。

1 獨(dú)立連續(xù)加碼的設(shè)備和工作過程

1.1 獨(dú)立連續(xù)加碼的設(shè)備

為了保證力基準(zhǔn)機(jī)的每個(gè)砝碼都能獨(dú)立、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地完成加碼過程，同時(shí)要保證每個(gè)砝碼都能實(shí)現(xiàn)從零到自身重力最大值的無(wú)限加載過程。為此，設(shè)計(jì)力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼方法和加碼裝置如圖1所示。

圖1 力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼原理圖

如圖1所示，該方法利用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿，蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪上固定有螺母，螺母隨著蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)絲桿實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。絲桿通過砝碼支撐板進(jìn)而帶動(dòng)砝碼完成升降運(yùn)動(dòng)。在砝碼支撐板上安裝彈簧裝置，由于彈簧提供的支撐力可以實(shí)現(xiàn)從零到彈簧極限力值的連續(xù)變化，這樣也就可以使得力基準(zhǔn)機(jī)的砝碼加(卸)載過程實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)加載。彈簧安裝的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 彈簧安裝的結(jié)構(gòu)圖

在彈簧的下端安裝力值傳感器，可以檢測(cè)砝碼加載的力值，實(shí)時(shí)將測(cè)量的力值傳給控制系統(tǒng)，以便于控制系統(tǒng)對(duì)力值的實(shí)時(shí)控制。

圖3 獨(dú)立連續(xù)加碼裝置的結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)彈簧是彈性裝置，可以大大減輕砝碼加(卸)載時(shí)力基準(zhǔn)機(jī)對(duì)被測(cè)傳感器的沖擊。利用伺服電動(dòng)機(jī)可以方便、精確地控制砝碼升降時(shí)的速度和位置。每個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)前驅(qū)動(dòng)蝸桿蝸輪和絲桿螺母的升降裝置都帶動(dòng)兩個(gè)彈簧裝置，這樣可以增大支撐砝碼的接觸面積，其原理圖如圖3所示。在每個(gè)砝碼的左右兩側(cè)均有一套這樣的機(jī)構(gòu)，并且嚴(yán)格保證這兩套機(jī)構(gòu)關(guān)于吊掛中心對(duì)稱，這樣就可以使砝碼在升降過程中受力均勻、不產(chǎn)生偏心。

1.2 獨(dú)立連續(xù)加碼的工作過程

力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼的具體工作過程是:

(1)初始狀態(tài)。絲桿支撐砝碼支撐板連同砝碼處于頂部極限位置，兩側(cè)的升降托架把砝碼支撐住，力基準(zhǔn)機(jī)的中心吊桿則處于不受力的自由狀態(tài)，中心吊桿上的托盤與砝碼之間有一定的降落距離。

(2)加載砝碼。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿升降機(jī)，使絲桿下降，帶動(dòng)升降托架向下運(yùn)動(dòng)，升降托架上放置的砝碼也隨之下降，直到砝碼與中心吊桿上的托盤接觸并拖住，隨后升降托架繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，使其完全脫離砝碼。

(3)卸載砝碼。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿升降機(jī)，使絲桿上升，帶動(dòng)升降托架向上運(yùn)動(dòng)，直到升降托架與放置在中心吊桿上的砝碼接觸并把砝碼托起，隨后升降托架帶動(dòng)砝碼繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)直至最頂端位置。

采用上述加碼方式時(shí)，多層砝碼可以根據(jù)需要同時(shí)或者分開進(jìn)行加卸載。每個(gè)砝碼下的4 個(gè)力值傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)砝碼的力值，控制系統(tǒng)根據(jù)力值控制伺服電機(jī)，從而控制升降托架的速度。升降托架的位置由行程開關(guān)和編碼器共同控制，這樣就可以保證砝碼升降位置足夠精確。同時(shí)每塊砝碼左右兩側(cè)的伺服電機(jī)在控制上要保證同步性。伺服電機(jī)能夠保證加卸砝碼的速度均勻、平穩(wěn)。通過不同的砝碼自由組合，實(shí)現(xiàn)最大限度的負(fù)荷級(jí)數(shù)，從而擴(kuò)大檢測(cè)范圍。

2 力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼的控制系統(tǒng)

2.1 力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼方法的控制系統(tǒng)由PC機(jī)、PLC、傳感器信號(hào)、行程開關(guān)等輸入設(shè)備和顯示器、伺服電動(dòng)機(jī)等輸出設(shè)備組成。

PC 機(jī)作為上位機(jī)，從PLC 讀取數(shù)據(jù)，向PLC 發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)指令，并且完成力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼工作情況的監(jiān)視功能。PC 機(jī)可以為用戶提供較好的人機(jī)界面;可以使系統(tǒng)的工作情況及時(shí)、有效、形象地展示出來;用戶可以直接在PC 機(jī)上完成對(duì)力基準(zhǔn)機(jī)的控制;當(dāng)用戶有錯(cuò)誤的輸入時(shí)，可以及時(shí)有效地提示用戶，避免了錯(cuò)誤信號(hào)的輸入，增強(qiáng)了力基準(zhǔn)機(jī)工作的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí)，PC 機(jī)有豐富的接口資源，能夠和PLC 進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，完成數(shù)據(jù)的交換，能夠?qū)崿F(xiàn)力基準(zhǔn)機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

在力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼控制系統(tǒng)中，在PC 機(jī)上安裝運(yùn)行組態(tài)軟件，利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控。并且，通過RS-232 接口完成PC 機(jī)與PLC 間的通訊，從而通過控制PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制過程。

在力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼控制系統(tǒng)，控制砝碼上下運(yùn)動(dòng)位置的準(zhǔn)確度是至關(guān)重要的，而砝碼上下運(yùn)動(dòng)是由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，因此，為了更加精準(zhǔn)地獲得砝碼的運(yùn)動(dòng)位置，就需要對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。該系統(tǒng)采用力值傳感器反饋的力值信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)位置的控制。如圖2所示，在彈簧的底部安裝有力值傳感器，在加載過程中，隨著彈簧壓縮程度的改變，其加載的力值也發(fā)生變化，力值傳感器實(shí)時(shí)地將加載的力值傳遞給PLC，PLC 通過運(yùn)算比較，確定是否繼續(xù)加(卸)載，若加載的重力達(dá)到預(yù)定的重力，則停止加載，否則繼續(xù)加載，其控制過程圖如圖4。圖4 中，在砝碼的兩端共有4 個(gè)力值傳感器，同時(shí)得到4 個(gè)傳感器信號(hào)，傳感器信號(hào)1 和傳感器信號(hào)2 經(jīng)過處理經(jīng)加法器Ⅰ得到的信號(hào)A 與傳感器信號(hào)3 和傳感器信號(hào)4 經(jīng)過處理經(jīng)加法器Ⅱ得到的信號(hào)B 經(jīng)過比較器比較得到信號(hào)C，如果信號(hào)A的值大于信號(hào)B 的值，說明砝碼在加載的過程中重心向右邊偏斜，則PLC 應(yīng)當(dāng)控制伺服電動(dòng)機(jī)1 的速度大于伺服電動(dòng)機(jī)2 的速度，直至信號(hào)A 和信號(hào)B相同，再控制兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)以相同的速度運(yùn)動(dòng);如果信號(hào)A 的值小于信號(hào)B 的值，則情況正好相反;如果信號(hào)A 和信號(hào)B 的值相同，則只需要控制兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)以相同的速度運(yùn)動(dòng)即可。并且，信號(hào)A和信號(hào)B 經(jīng)過加法器Ⅲ得到信號(hào)D 傳遞給PLC，PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)D 的值，如果信號(hào)D 的值達(dá)到需要的值，則表明加載重力符合要求，就控制兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。

圖4 伺服電動(dòng)機(jī)控制過程圖

2.2 力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)

力基準(zhǔn)機(jī)是精密度較高的專業(yè)化設(shè)備，其操作專業(yè)性較強(qiáng)并且較復(fù)雜。因此，為了使力基準(zhǔn)機(jī)的操作更大眾化、簡(jiǎn)單化，需要將力基準(zhǔn)機(jī)的操作和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖形化、可視化。這樣既可以使力基準(zhǔn)機(jī)的操作變得簡(jiǎn)單，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)力基準(zhǔn)機(jī)運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控。各種監(jiān)控組態(tài)軟件有各自不同的特點(diǎn)，經(jīng)過分析和比較，在力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼控制系統(tǒng)中采用北京九思易自動(dòng)化軟件有限公司生產(chǎn)的易控組態(tài)軟件，它具有操作簡(jiǎn)便、組態(tài)方式靈活多樣等特點(diǎn)。

2.2.1 力基準(zhǔn)機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)界面及動(dòng)畫的設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)中，首先需要進(jìn)行組態(tài)界面的設(shè)計(jì)，力基準(zhǔn)機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)界面如圖5所示。

控制系統(tǒng)的組態(tài)中，力基準(zhǔn)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)過程通過界面中的顏色變化、位置移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和閃爍燈動(dòng)畫表示出來，下面就以砝碼和砝碼支撐板的狀態(tài)變化進(jìn)行舉例說明:

圖5 控制系統(tǒng)界面

圖6 砝碼和砝碼支撐板的狀態(tài)變化圖

砝碼隨著砝碼支撐板運(yùn)動(dòng)。當(dāng)砝碼支撐板支撐砝碼在初始位置時(shí)，砝碼和砝碼支撐板的顏色分別為黃色和紫色，如圖6(a)所示。當(dāng)砝碼支撐板帶動(dòng)砝碼運(yùn)動(dòng)但未接觸中心吊桿上的小托盤時(shí)，砝碼和砝碼支撐板的顏色分別變化為紅色和綠色，如圖6(b)所示。當(dāng)砝碼支撐板帶動(dòng)砝碼運(yùn)動(dòng)接觸中心吊桿上的小托盤但加載未結(jié)束時(shí)，砝碼和砝碼支撐板的顏色仍然為紅色和綠色，中心吊桿上的小托盤顏色變化為藍(lán)色，如圖6(c)所示。當(dāng)砝碼支撐板帶動(dòng)砝碼運(yùn)動(dòng)接觸中心吊桿上的小托盤，砝碼支撐板繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，但未完全脫離砝碼、加載重力已經(jīng)達(dá)到要求、加載結(jié)束時(shí)，砝碼和砝碼支撐板的顏色分別變化為黃色和紫色，如圖6(d)所示。當(dāng)砝碼接觸中心吊桿上的小托盤后，砝碼支撐板繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)直至完全脫離砝碼、加載過程結(jié)束時(shí)，砝碼和砝碼支撐板的顏色分別變化為黃色和紫色，如圖6(e)所示。并且在各種狀態(tài)時(shí)，砝碼和砝碼支撐板在移動(dòng)的過程中，顏色還可以不停地閃爍。

2.2.2 聯(lián)機(jī)調(diào)試

連接上位PC 機(jī)和下位PLC，根據(jù)力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼工作過程中的各種要求進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試運(yùn)行，完全可以滿足力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼工作的要求，同時(shí)，力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼力值的變化較之前的方法更穩(wěn)定和精確。

3 總結(jié)

對(duì)力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼過程的自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)踐證明:該控制系統(tǒng)的方案合理、可行，提高了原力基準(zhǔn)機(jī)的效率、精度和平穩(wěn)性。對(duì)于同類力基準(zhǔn)機(jī)的改造和開發(fā)具有一定的工程借鑒價(jià)值。

【1】蒲良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2001:377－381.

【2】周長(zhǎng)明.力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控問題的研究與應(yīng)用［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院，2006.

【3】王永華，現(xiàn)代電氣控制及PLC 應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005:100－102.

【4】姚進(jìn)輝.力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)控制系統(tǒng)的電子化改造［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2006(7):66－67.

【5】石雪松.可編程序控制器在力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上的應(yīng)用［J］.宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，1995(2):61－64.

【6】于麗娟，張學(xué)成，馬雁，等.靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005(3):31－33.

【7】王斌，宋華.疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2008(11):42－45.

【8】劉濤.力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立加碼及砝碼交換問題的研究與應(yīng)用［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院，2007.