基于C Sharp和PLC的聯(lián)軸節(jié)貼合率自動檢測系統(tǒng)設(shè)計

馮自立，成洪川，夏長鵬，趙 娟

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司 技術(shù)工程部，青島 266111；2.青島理工大學(xué)，青島 266033）

0 引言

在某車型轉(zhuǎn)向架中，牽引電動機主軸與齒輪箱小齒輪軸之間采用某公司生產(chǎn)的鼓形齒式聯(lián)軸節(jié)實現(xiàn)無鍵過盈連接[1]，聯(lián)軸節(jié)實物如圖1所示。

圖1 聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

為確保電機主軸和齒輪箱小齒輪軸與聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔可靠貼合，在裝配前需對聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔進行貼合率檢測。目前的檢驗方法是對涂有紅丹粉涂料的孔壁進行人工目測，來判斷聯(lián)軸節(jié)的貼合率。人工檢測容易受到主觀因素影響，檢測結(jié)果不能量化，對聯(lián)軸節(jié)加工及裝配工藝的評估、優(yōu)化形成制約，因此研發(fā)新型的聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測方法，提高聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測的自動化水平，實現(xiàn)檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)共享，對聯(lián)軸節(jié)生產(chǎn)及裝配的質(zhì)量控制具有重要意義[2,3]。

通過對南車四方股份有限公司聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測工藝的深入調(diào)研，結(jié)合目前檢測領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，我們提出了基于C Sharp和PLC的自動化聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動檢測系統(tǒng)主要包括了采用C Sharp計算機編程語言編寫的人機界面、PLC、步進和伺服電機及其驅(qū)動器、傳感器、指示燈、CCD線陣相機、檢測探頭、圖像采集卡等。自動檢測系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)軸節(jié)貼合率自動檢測系統(tǒng)原理圖

其中人機界面具有控制及監(jiān)控系統(tǒng)運行、儲存及查看檢測結(jié)果和圖像的功能；PLC采集傳感信號、與人機界面實時交互通訊并驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)及提供設(shè)備狀態(tài)指示；傳感器主要是指位置傳感器，用來實時檢測取像相機的位置；CCD線陣相機與檢測探頭組合為取像系統(tǒng)，用來提取聯(lián)軸節(jié)內(nèi)壁的圖像；伺服電機可為聯(lián)軸節(jié)提供精準、可調(diào)并與CCD線陣相機的掃描行頻相匹配的轉(zhuǎn)速；步進電機控制取像系統(tǒng)的檢測位置。

根據(jù)現(xiàn)有貼合率檢測工藝，結(jié)合自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計原理，自動檢測操作分為以下三步：

1）設(shè)備開機預(yù)熱，啟動人機界面，復(fù)位指示燈亮，安裝好待測聯(lián)軸節(jié)，打開照明光源。

2）點擊人機界面中的“開始”按鈕，啟動自動檢測。

3）檢測完成，填寫“工號”、“工件號”等相關(guān)信息，保存檢測結(jié)果和所取圖像。

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動檢測流程如圖3所示。

圖3 聯(lián)軸節(jié)貼合率自動檢測流程

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動檢測系統(tǒng)采用了機器視覺技術(shù)充分發(fā)揮了PLC在自動控制方面和C Sharp編程語言在操作界面編寫方面的優(yōu)勢。實現(xiàn)了350km/h動車組聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測的自動化進行，有效地解決了現(xiàn)有貼合率檢測工藝存在的檢測效率不高、檢測結(jié)果具有主觀性和缺乏量化評價等難題。

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，及時報警并顯示設(shè)備故障，可通過人機交互界面查詢當前運行數(shù)據(jù)。

貼合率自動檢測過程為30s～40s，量化結(jié)果及原始圖像會在每次檢測完后顯示在人機界面中，操作人員可根據(jù)實際要求選擇是否保存。

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動檢測系統(tǒng)的控制完全通過人機界面實現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

自動檢測軟件分為PLC程序軟件和C Sharp編寫的人機界面兩部分。PLC程序的主要功能是獲取輸入點的傳感器信號，進行邏輯運算，根據(jù)運算結(jié)果通過輸出點控制電機運轉(zhuǎn)和指示燈指示；人機界面一方面通過RS232數(shù)據(jù)線與PLC之間進行實時交互通訊，通過讀取和修改PLC內(nèi)部寄存器的數(shù)值獲取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)控制設(shè)備自動運轉(zhuǎn)的功能；另一方面通過PCI-E插槽獲取圖像采集卡的圖像數(shù)據(jù)并進行計算，輸出和查看檢測結(jié)果及圖像。

2.2.1 PLC程序設(shè)計

本方案采用的是三菱公司的FX3u-16M型號PLC，其具有8進8出共16個觸點，可實現(xiàn)兩軸高速脈沖輸出[4,5]，在編程之前首先根據(jù)具體功能的需要進行I/O觸點分配。

1）觸點分配

針對具體的功能要求，進行I/O輸入輸出觸點分配。如表1所示。

表1 PLC I/O觸點分配

其中X003沒有使用，可作為后續(xù)的功能擴充；電源指示燈直接接入供電電路中，不涉及邏輯控制，所以未分配觸點。

復(fù)位位置是設(shè)備的坐標原點，為使開機復(fù)位更加精確，設(shè)置了步進減速X000和步進停止X005兩個限位開關(guān)，快速復(fù)位的步進電機在接近原點位置處受到X000限制而降低速度，最終以較為緩慢的速度停止在原點X005處。

當設(shè)備長期運行后，考慮到部分傳感器會有失效的情況發(fā)生，這里設(shè)置了上超程X006和下超程X007兩個限位開關(guān)，當X005失效時，步進電機復(fù)位動作會無法停止而繼續(xù)運動直至X006接通；同樣當步進電機向另一個方向運轉(zhuǎn)而無法停止時會使X007接通。這時相應(yīng)的超程報警燈Y005和Y006就會閃爍，可采用強制開關(guān)X001和X002將步進電機調(diào)整到合理的工作范圍內(nèi)再進行維護。上下超程報警指示燈的閃爍頻率為1秒鐘一次。

復(fù)位指示燈Y003和檢測指示燈Y004在程序上使用互鎖設(shè)計，避免出現(xiàn)同時指示。

2）程序編寫

（1）開機復(fù)位

使用原點回歸指令設(shè)置開機復(fù)位功能。指令如圖4所示。

圖4 原點回歸指令

S1表示高速脈沖頻率，S2表示低速脈沖頻率，S3表示減速點信號輸入端口，D表示脈沖信號輸出端。如圖5所示，表示在執(zhí)行原點回歸時的脈沖頻率是20000Hz，在近點信號X000接入后便以7000Hz的頻率輸出脈沖，由于相對于X000接入之前速度較慢，也稱之為爬行速度，以這樣較慢的速度接近并尋找原點的定位精度較高。在X005接通后，Y000脈沖輸出口關(guān)閉。原點回歸結(jié)束，

圖5 開機復(fù)位程序段

（2）指示燈

如圖6所示，當X005接通時，說明步進電機已復(fù)位，此時復(fù)位指示燈Y003常亮，檢測指示燈Y004熄滅；當X005斷開時，說明步進電機已經(jīng)離開原點位置，正在進行檢測，此時復(fù)位指示燈Y003熄滅，檢測指示燈Y004常亮。

圖6 指示燈控制程序段

特殊輔助寄存器M8013具有頻率為1Hz通斷功能[6]，當上超程限位開關(guān)X006接通時，上超程警報燈Y005在M8013的作用下會以1Hz的頻率閃爍報警。下極限情況同理。

2.2.2 人機界面功能設(shè)計

人機界面編寫中使用了C Sharp窗體及其相關(guān)控件，極大的簡化了開發(fā)過程[7]。界面采用Windows風(fēng)格，結(jié)構(gòu)簡約，容易操作。如圖7所示為聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測專用軟件界面，其包括指令欄與圖像顯示區(qū)兩部分，指令欄的指令主要有：開始檢測指令、檢測調(diào)試指令、圖像保存指令、圖像查看與另存為指令及檢測結(jié)果顯示功能。貼合率的計算則在后臺進行。

1）檢測操作

檢測操作分為開始檢測指令、檢測調(diào)試指令兩種，如圖7所示。

為便于操作，提高貼合率檢測的效率，在實際的聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測時，只需點擊界面中的“開始”按鈕便可依次完成程序內(nèi)設(shè)定好的檢測流程，輸出檢測結(jié)果和原始圖像。

圖7 聯(lián)軸節(jié)貼合率檢測專用軟件界面

為便于設(shè)備調(diào)試，設(shè)置了檢測調(diào)試指令，點擊指令欄中的“命令”按鈕，從其下拉選項中選擇指定檢測位置，可實時觀察到對應(yīng)位置的聯(lián)軸節(jié)內(nèi)壁圖像，點擊“拍攝”按鈕，可自動獲取到圖像。

2）貼合率計算

在獲取到聯(lián)軸節(jié)內(nèi)壁完整的圖像后，進行貼合率的后臺計算，首先對圖像進行濾波、銳化、灰度化等前期處理，最后根據(jù)計算到的閾值將圖像二值化[8]，計算涂料區(qū)域像素點占整個圖像區(qū)域的面積比。

3）檢測結(jié)果的保存及查看

檢測結(jié)束后可通過圖像顯示區(qū)查看原始圖像，并在檢測結(jié)果顯示區(qū)域查看貼合率檢測量化結(jié)果，當結(jié)果高于85%時，指令欄成綠色表示合格通過；當結(jié)果低于85%時，指令欄成紅色表示不合格須剔除。點擊“保存”按鈕，在跳出的對話框中輸入“工號”和“工件號”便可將檢測結(jié)果保存。

通過“文件”下拉選項中的打開圖片命令可查看已保存的檢測結(jié)果，并可將相應(yīng)圖片通過另存為選項保存到其他路徑。

3 結(jié)論

聯(lián)軸節(jié)貼合率自動檢測系統(tǒng)很好的實現(xiàn)了聯(lián)軸節(jié)貼合率的自動化檢測，且檢測效率高，檢測結(jié)果可量化可存儲，性能穩(wěn)定，達到了預(yù)期目標。系統(tǒng)人機界面友好，操作簡單，打破了目前檢測工藝嚴重依賴技術(shù)人員經(jīng)驗的現(xiàn)狀，能更好的適應(yīng)信息化生產(chǎn)和管理的要求。

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