VC++上位機(jī)與PLC在汽車覆蓋件剛度測量中的應(yīng)用

邢忠文 趙 棟 雷呈喜

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

1 前言

汽車覆蓋件剛度是指汽車覆蓋件抵抗靜態(tài)變形的能力[1]，是反映其使用性能的重要指標(biāo)。日趨完善的工業(yè)自動化對汽車覆蓋件剛度的測量提出了新的要求，傳統(tǒng)的手壓經(jīng)驗式測量和人工機(jī)械加載測量因測量誤差大、可操作性差已逐步被淘汰，而研究精準(zhǔn)、方便且穩(wěn)定的自動化剛度測控系統(tǒng)則日益重要。

要實現(xiàn)壓力加載的自動化控制和測量數(shù)據(jù)的精確采集，需要穩(wěn)定可靠的測控系統(tǒng)完成。目前對于剛度測試儀的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化上[2,3]，而對剛度測試儀控制系統(tǒng)的研究很少涉及。陸向?qū)嶽4]用Delphi開發(fā)了剛度測試儀的控制系統(tǒng)，但是界面相對簡單，而且數(shù)據(jù)采集采用采集卡，未進(jìn)行串行通訊的時序化處理，測量結(jié)果誤差較大。

覆蓋件剛度測量的主要內(nèi)容分為測試點載荷信號和位移信號兩部分。本文提出的方法將VC++上位機(jī)與PLC結(jié)合，集合了PLC使用方便穩(wěn)定、編程簡單可靠的特點及VC++上位機(jī)通信便捷、人機(jī)界面友好的優(yōu)勢，并通過試驗驗證了這種方法的有效性，實現(xiàn)了汽車覆蓋件剛度的自動化測量。

2 汽車覆蓋件剛度測量

2.1 剛度測量原理

式中，P為作用在部件上的外力；x為部件變形量。

汽車覆蓋件剛度測量基本原理是:將試件放在試驗平臺上，選擇好試件測試點，通過壓頭對測試點施加載荷，試件在壓頭壓力作用下會產(chǎn)生一定程度的撓曲變形，通過壓力傳感器和位移傳感器實時地將試件測試點所受載荷和位移分別測出，然后利用PLC采集測量信號并傳輸?shù)接嬎銠C(jī)端的上位機(jī)。通過準(zhǔn)確采集連續(xù)加載過程中每個點的載荷和位移，獲得1條完整的載荷-位移曲線。最后在彈性范

根據(jù)定義，剛度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:圍內(nèi)選取曲線中合適的曲線段作為剛度評價有效段，進(jìn)行二次擬合并求其斜率，即得到覆蓋件的剛度。

2.2 剛度評價指標(biāo)

根據(jù)圖1所示的汽車覆蓋件剛度特性曲線，可得評定汽車覆蓋件剛度的評價指標(biāo)[5，6]為載荷-撓度曲線的斜率K、產(chǎn)生油壺效應(yīng)的臨界載荷PB、一定載荷作用下的撓度δP和產(chǎn)生一定撓度的載荷Pδ。

評價指標(biāo)中，臨界載荷PB不易獲得，如有些零件雖然產(chǎn)生了油壺效應(yīng)，但是載荷下降的幅度不明顯，且載荷-撓度曲線具有一定的波動性，很難判斷油壺效應(yīng)產(chǎn)生時載荷出現(xiàn)的位置。

檢測撓度δP和Pδ時存在以下問題:檢驗載荷和限定位移值沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；測量時可能超出覆蓋件彈性范圍，而剛度屬于成型件彈性范圍內(nèi)的性質(zhì)，只有在彈性范圍內(nèi)才可準(zhǔn)確測量，很難保證覆蓋件在一定載荷或一定位移下仍然處于彈性變形范圍內(nèi)；由于實際測量得到的載荷-位移曲線不是嚴(yán)格的平滑曲線，在截取相應(yīng)載荷和位移時相鄰點會有不規(guī)則波動，因此會給測量結(jié)果帶來較大誤差。

載荷-撓度曲線的斜率K雖然也有一定局限性，如載荷-撓度曲線由于各點斜率不同而難以統(tǒng)一，但與其它3種評價方式相比，其與剛度定義式（1）相吻合，更符合覆蓋件剛度測量的特點，且有較大的改進(jìn)空間。

因此，汽車覆蓋件剛度測量系統(tǒng)使用的剛度評價指標(biāo)是一種由評價指標(biāo)載荷-撓度曲線的斜率K改進(jìn)后，并基于初始點斜率的評價方式，其評價步驟如下。

a.彈性變形范圍的確定。覆蓋件剛度的測量是在其彈性變形范圍內(nèi)進(jìn)行。對覆蓋件剛度進(jìn)行分析得出，試件測試點在產(chǎn)生約0.3 mm的位移時，試件沒有發(fā)生塑性變形，并且其載荷-撓度曲線沒有發(fā)生梯度改變，因此選擇壓頭開始對試件施壓至試件產(chǎn)生約0.3 mm位移時的這段曲線作為被測試件剛度分析曲線。

b.初始點的選取。在最初的運行加載過程中，剛度測量設(shè)備的各機(jī)械組件間有微小的間隙，開始加載后的接觸瞬間所測量的試驗點數(shù)據(jù)會有微小的突變。而根據(jù)試驗可知，在載荷大于1 N時可消除數(shù)據(jù)噪點，所以剛度分析的有效曲線從載荷大于1 N開始。同樣，將產(chǎn)生1 N載荷的曲線上的點作為剛度測試的初始點。

c.覆蓋件剛度K0的計算。對初始載荷為1 N開始至產(chǎn)生0.3 mm位移的曲線段進(jìn)行二次擬合，得到載荷和撓度的二次關(guān)系式:

對式（2）求導(dǎo)，可得到二次曲線的斜率表達(dá)式為:

2.3 剛度測控系統(tǒng)硬件組成

覆蓋件剛度測控系統(tǒng)組成如圖2所示。

測控系統(tǒng)硬件主要包括電機(jī)及其驅(qū)動器、壓力傳感器、位移傳感器、PLC下位機(jī)及計算機(jī)端的上位機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)需求可對相應(yīng)部件進(jìn)行選型。

2.3.1 電機(jī)及其驅(qū)動器

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或直線位移的電磁機(jī)械裝置，可在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便的優(yōu)點，為此選擇了24 V直流供電的三相混合式步進(jìn)電機(jī)，并選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與其配套使用。

2.3.2 位移傳感器和壓力傳感器

位移傳感器選擇直線光柵位移傳感器，直線位移最大量程為1000 mm，最小分辨率為1 μm，精度為±5 μm。將位移傳感器的標(biāo)尺光柵安裝于測試壓頭上，測量開始后指示光柵與壓頭隨光桿直線上下運動，從而得到壓頭的位移量。壓力傳感器選擇應(yīng)變片力傳感器，量程為0～300 N，精度為0.2%。

2.3.3 PLC下位機(jī)

汽車覆蓋件剛度測量系統(tǒng)中下位機(jī)PLC為晶體管輸出類型，處理速度為0.32 μs，運算1000步只需0.32 ms。在采集壓力傳感器的壓力信號時，選用PLC模擬輸入插卡的電壓輸入范圍為0～10 V，分辨率為12 bit。

依據(jù)相關(guān)的接口標(biāo)準(zhǔn)對覆蓋件剛度測量設(shè)備硬件部件進(jìn)行連接和調(diào)試。

3 PLC下位機(jī)加載控制的實現(xiàn)

3.1 步進(jìn)電機(jī)控制流程

在測控系統(tǒng)的壓力加載控制模塊中，選用松下FP-X型號的PLC對控制測試壓頭的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。PLC驅(qū)動電機(jī)以設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，從而控制測試壓頭上升、下降和停止，并使各部分協(xié)調(diào)有序且相互配合工作。PLC下位機(jī)控制流程如圖3所示。

由圖3可看出，步進(jìn)電機(jī)開始運行后，在程序運行的任意時刻按下停止按鈕可停止步進(jìn)電機(jī)工作。通過控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)可使測試壓頭實現(xiàn)下行和上行運動，從而實現(xiàn)對覆蓋件的壓力加載和卸載。同時根據(jù)測量需要，可通過低速、中速和高速3個按鈕控制步進(jìn)電機(jī)的運行速度，實現(xiàn)加載的調(diào)速。

3.2 PLC的I/O分配

FP-X PLC的I/O分配如表1所列。將光柵位移傳感器的A相信號、B相信號和Z相信號分別接入PLC的X0、X1和X2端子上，A相為主信號，B相為副信號，2個信號周期相同，相位差為90度，Z信號作為校準(zhǔn)信號以消除累計誤差。光柵位移傳感器安裝完成后，為避免測試壓頭移動時讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端而損壞光柵尺，應(yīng)對其進(jìn)行限位設(shè)計，上限點和下限點分別接入XC端子和XD端子。測試壓頭移動速度分為低、中、高 3 檔，分別接入 X5、X6、X7端子。為采集壓力傳感器的壓力信號，將壓力傳感器的輸出接入AFPX-AD2的WX10端子。輸出端子Y0和Y1分別接MS電機(jī)驅(qū)動器的正向步進(jìn)脈沖信號負(fù)端（CW-）和反向步進(jìn)脈沖信號負(fù)端（CCW-），從而實現(xiàn)壓頭的上行和下行運動控制。

表1 FP-X PLC的I/O分配

3.3 下位機(jī)加載控制的實現(xiàn)指令F172

FP-X PLC控制步進(jìn)電機(jī)時采用CW/CCW雙脈沖輸出控制模式，驅(qū)動器接收兩路脈沖信號，當(dāng)其中一路（如CW）有脈沖信號時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，壓頭上行；當(dāng)另一路（如CCW）有脈沖信號時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，壓頭下行。因此，PLC下位機(jī)加載控制的核心就是通過控制輸出脈沖的頻率、數(shù)量和方向來控制測試壓頭的運動速度、運行距離和上下行方向。

利用FP-X中的高級指令F172可以實現(xiàn)對測試壓頭的運動控制。F172為JOG運行，執(zhí)行條件為ON時可獲得任意輸出的JOG運行。其指令分為控制代碼、頻率和目標(biāo)值3部分。

控制代碼為十六進(jìn)制常數(shù)。第1～2位決定脈沖是以CW/CCW方式輸出還是以Pulse/Sign方式輸出；第3位設(shè)定輸出的頻率范圍；第4位設(shè)定脈沖占空比，分為1/2占空比（置 0）和1/4占空比（置 1）；第5位設(shè)定目標(biāo)值模式，分為無目標(biāo)值模式（置0）和有目標(biāo)值模式（置1）。頻率設(shè)定為十進(jìn)制常數(shù)，在控制代碼的設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。目標(biāo)值為輸出脈沖數(shù)量，在指定值大于當(dāng)前值時進(jìn)行脈沖加計數(shù)，指定值小于當(dāng)前值時進(jìn)行脈沖減計數(shù)，直至與目標(biāo)值一致時停止脈沖輸出[7]。

在汽車覆蓋件剛度測量系統(tǒng)中，選用CW/CCW輸出方式，占空比選擇1/2，頻率范圍設(shè)定為1.5～9.8 Hz，頻率值存儲在PLC的數(shù)據(jù)寄存器DT32710中。FP-X PLC加載控制部分梯形圖代碼如圖4所示。

4 VC++上位機(jī)與PLC通信的實現(xiàn)

4.1 PLC通信方式

FP-X PLC提供了2種串行通信的功能接口，一種是傳統(tǒng)的RS232C接口，一種是USB接口。PLC與計算機(jī)之間的串行通信直接采用USB端口。

4.2 FP-X通信協(xié)議

通信系統(tǒng)中，計算機(jī)作為上位機(jī)與下位機(jī)PLC進(jìn)行通信時，需要通信協(xié)議對雙方如何交換信息建立一些規(guī)定。FP-X通信系統(tǒng)的基本協(xié)議是MEWTOCOL-COM[8]。USB電纜將計算機(jī)與PLC鏈接后，則計算機(jī)為MEWTOCOL主站，PLC為MEWTOCOL從站。針對PLC的指令稱為指令信息，從計算機(jī)端發(fā)出、由PLC返回計算機(jī)的信息稱為響應(yīng)信息，PLC收到指令信息后 （與順序程序無關(guān)）自行處理并做出響應(yīng)，計算機(jī)則可通過返回的響應(yīng)確認(rèn)指令執(zhí)行的結(jié)果。通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀分為指令幀格式（圖5）和響應(yīng)幀格式，響應(yīng)幀格式分為正常響應(yīng)幀（圖6）和錯誤響應(yīng)幀（圖7）2種方式。

圖中，[%]和[＜]為始端代碼，其中[%]開頭一幀可以發(fā)送118個字符，[＜]開頭單一幀最多可發(fā)送2048個字符；[H]和[L]分別為寫入指令接收方的站號的高位和低位，在本設(shè)計中為1:1通信，因此指定為[01]；[#]、[$]和[!]為標(biāo)識碼，標(biāo)記該幀為何種類型，其分別對應(yīng)指令幀、正常響應(yīng)幀、錯誤響應(yīng)幀；[BCC]為校驗碼，為2位十六進(jìn)制數(shù)，其初值為“0”，然后從起始符開始與該幀報文中每一字節(jié)進(jìn)行異或運算得到結(jié)果。

4.3 VC++上位機(jī)與PLC通信接口實現(xiàn)

上位機(jī)與PLC進(jìn)行串行通信時，需要在計算機(jī)端設(shè)計相應(yīng)的通信軟件。通信軟件使用C++語言進(jìn)行編寫[9]，開發(fā)環(huán)境選用MicrosoftVisualStudio 2008[10]。 使用VC進(jìn)行串行通信設(shè)計的方法有兩種[11，12]，一種是MSComm控件編程，該方法編程簡單、代碼量少，但執(zhí)行效率低，代碼靈活度差；另一種是WIN32 API函數(shù)編程，編碼稍復(fù)雜，但靈活性高。因此選用API函數(shù)進(jìn)行串口通信設(shè)計。在串口通信設(shè)計中，提出了基于定時器的新型通信方法，利用定時器控制計算機(jī)與PLC之間通信話語權(quán)的傳遞。這種方法一是采用了主動輪詢的方式，將通信話語權(quán)在計算機(jī)與PLC之間轉(zhuǎn)換，符合系統(tǒng)硬件通信原理；二是在數(shù)據(jù)采集時進(jìn)行可控定時操作，實現(xiàn)對測量結(jié)果的時序化穩(wěn)定采集，很大程度上提升了數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

VC++上位機(jī)與PLC通信接口實現(xiàn)分為串口設(shè)備的打開和初始化、計算機(jī)與PLC收發(fā)命令接口實現(xiàn)和時序化處理等3步驟[13]。

4.3.1 串口設(shè)備的打開和初始化

使用CreateFile（）函數(shù)打開串口，得到一個串口句柄，可以通過該句柄實現(xiàn)對串口的訪問。通常使用串口之前需要設(shè)置串口的參數(shù),使用SetupComm（）函數(shù)可以設(shè)置串口輸入、輸出緩沖區(qū)的大小，SetupCommState（）函數(shù)可以設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù)。同時在設(shè)置通信參數(shù)時需要使用DCB（Device-Control Block）設(shè)備控制塊結(jié)構(gòu)[11]。

4.3.2 計算機(jī)與PLC收發(fā)命令接口實現(xiàn)

計算機(jī)與PLC的收發(fā)命令接口是通過發(fā)送命令接口和接收相應(yīng)接口兩部分組成，使用C++類CPCConnectPLC中指令來實現(xiàn)。計算機(jī)與PLC的通訊流程圖如圖8所示[14]。

4.3.3 時序化處理

傳統(tǒng)的串行通信多采用被動式事件驅(qū)動方式獲取數(shù)據(jù)，即當(dāng)串口接收緩沖區(qū)收到數(shù)據(jù)時，立即自動執(zhí)行接收數(shù)據(jù)的函數(shù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這種方式對于反饋信號隨機(jī)到來的通信系統(tǒng)適用，而對于覆蓋件剛度測控系統(tǒng)，PLC與計算機(jī)之間話語權(quán)呈規(guī)律式互換，F(xiàn)P-X PLC的響應(yīng)延時為80 ms，所以其反饋響應(yīng)并非隨機(jī)信號。另外，覆蓋件剛度的測量要求測量數(shù)據(jù)為覆蓋件靜變形時的準(zhǔn)確值，即測量時覆蓋件承受的壓力為靜載荷。被動式事件驅(qū)動方式在獲取數(shù)據(jù)的同時立即進(jìn)行采集，而此時施加載荷的壓頭還處于運動狀態(tài)，返回的數(shù)據(jù)必定與靜態(tài)載荷下的數(shù)據(jù)有誤差，并且測量數(shù)據(jù)正處于一個劇烈波動的時刻，因此對數(shù)據(jù)結(jié)果造成很大影響，大大降低了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

輪詢式串口通信對計算機(jī)指令和PLC響應(yīng)都進(jìn)行了時序設(shè)計，利用實際參數(shù)進(jìn)行定時器設(shè)定，并通過延時使采集數(shù)據(jù)保持在覆蓋件靜變形時刻。

4.4 VC++上位機(jī)界面功能

為方便對試驗進(jìn)程及結(jié)果數(shù)據(jù)的控制，需要開發(fā)上位機(jī)人機(jī)界面。利用Microsoft Visual Studio2008中對話框設(shè)計工具箱，對上位機(jī)界面進(jìn)行個性化設(shè)計。上位機(jī)界面包含測試壓頭的運動控制、步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置、試驗試件的信息錄入、剛度曲線的記錄顯示等主要功能區(qū)域。

5 試驗測試案例

利用汽車覆蓋件剛度測量裝置，對上海寶鋼生產(chǎn)的2種不同類型的汽車左前門外板進(jìn)行剛度測試。2種汽車覆蓋件材料分別為ST14（厚度為0.8 mm）和B180H1（厚度為0.75 mm），每種材料分別選取2個不同位置的測試點 （中間位置點A和邊緣位置點B），現(xiàn)場測試情況如圖9所示。

測量曲線如圖10和圖11所示。重復(fù)測量3次并對測得的剛度（初始點斜率）求平均值，結(jié)果見表2。

表2 汽車左前門外板剛度測試結(jié)果 N/mm

由表2可知，在相同約束條件下，2種材料覆蓋件的B點剛度均明顯高于A點剛度，說明同一覆蓋件不同部位的剛度是不同的，覆蓋件剛度受幾何形狀的影響。由2個覆蓋件相同部位測試結(jié)果可知，板材剛度隨厚度的增大而相應(yīng)變大，試驗測量結(jié)果符合剛度理論。

從表2中每個測試點的3次測量結(jié)果可知，剛度測試結(jié)果重復(fù)性強，說明該剛度測試裝置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。

6 結(jié)束語

通過對汽車覆蓋件剛度的評價指標(biāo)進(jìn)行歸結(jié)和分析，提出了基于載荷-位移曲線上初始曲線段進(jìn)行二次擬合并求初始點斜率的剛度評價方法。選擇了基于VC++上位機(jī)和FP-X型號PLC的自動化測控系統(tǒng)，通過PLC梯形圖設(shè)計實現(xiàn)對剛度測量設(shè)備的運動控制，并利用VC++上位機(jī)和PLC的通信程序設(shè)計，實現(xiàn)了覆蓋件剛度測量數(shù)據(jù)的采集。采用時序化通信設(shè)計，使覆蓋件剛度測量狀態(tài)保持在靜態(tài)變形下，保證了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過汽車覆蓋件剛度重復(fù)測試試驗，證實了基于VC++上位機(jī)和PLC的測控系統(tǒng)的穩(wěn)健性和實用性。

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