基于PLC的標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)*

張 巍，駱 昕，林家春*

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100124;2.北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引 言

標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)作為計(jì)量的基準(zhǔn)裝置，具有復(fù)現(xiàn)和保存計(jì)量單位量值的作用，其可靠性對(duì)基準(zhǔn)裝置所要求的計(jì)量性能穩(wěn)定、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行具有特殊意義[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)基本采用砝碼靜重的加荷方式，在測(cè)量過(guò)程中能夠有效保證加載的準(zhǔn)確度。但該類硬度機(jī)多為上世紀(jì)70年代的產(chǎn)品，其原有的控制系統(tǒng)大多采用繼電器，存在接線復(fù)雜、體積龐大、功能單一且故障率高的缺點(diǎn)，給硬度檢定工作帶來(lái)了許多不足和不便之處[3-6]。為了改變這種現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)布氏硬度靈活、高效的檢定，有必要針對(duì)原有的硬度機(jī)研制一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

目前，可編程邏輯控制器(PLC)以其積木式的硬件結(jié)構(gòu)和模塊化的軟件設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，依靠強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)包括邏輯運(yùn)算、中斷控制、脈沖輸出等各種各樣的功能；其中的伺服系統(tǒng)通過(guò)接受和發(fā)送脈沖，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位控制，具有速度響應(yīng)性快、負(fù)載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

本研究將結(jié)合PLC控制技術(shù)、觸摸屏、伺服系統(tǒng)，用于研制標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，旨在提高標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)的準(zhǔn)確性，并實(shí)現(xiàn)布氏硬度的全自動(dòng)檢測(cè)。

1 系統(tǒng)原理

1.1 硬度機(jī)原理

直接加荷式標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)主要由：機(jī)架、托盤、吊掛、砝碼、撥叉、壓頭和工作平臺(tái)等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 直接加荷式標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)

該硬度機(jī)工作原理是由砝碼的重力直接產(chǎn)生力值。其初試狀態(tài)是撥叉托住所有的砝碼，底部托盤托住吊掛。當(dāng)施加規(guī)定試驗(yàn)力時(shí)，伺服電機(jī)控制硬度機(jī)底部托盤上升，從而使相應(yīng)的砝碼上升，將撥叉撥開后，再控制托盤下降；當(dāng)托盤與吊掛徹底分離的時(shí)候，砝碼與吊掛的重力全部施加在頂部壓頭上。

這種直接加荷方式使得力值加載的準(zhǔn)確度非常高，能達(dá)到萬(wàn)分之一的量級(jí)；并且還具有使用時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

1.2 伺服系統(tǒng)原理

伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器組成。伺服系統(tǒng)主要依靠脈沖定位，精度能夠達(dá)到0.001 mm的量級(jí)。伺服電機(jī)帶有22位絕對(duì)位置編碼器，其分辨率可達(dá)4 194 304"。電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)，可通過(guò)設(shè)置電子齒輪的分子與分母來(lái)確定。

假設(shè)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為n，電子齒輪分子為a，分母為b，則伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)為：

(1)

1.3 PLC控制原理

PLC通過(guò)發(fā)送一定數(shù)量的脈沖，來(lái)控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。在有原點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)系下，脈沖數(shù)相當(dāng)于“坐標(biāo)軸”，每個(gè)脈沖都對(duì)應(yīng)固定的位置，系統(tǒng)能從當(dāng)前位置(脈沖輸出當(dāng)前值)及目標(biāo)位置，自動(dòng)算出移動(dòng)脈沖的量及方向。

定義原點(diǎn)情況下的絕對(duì)脈沖原理圖如圖2所示。

圖2 定義原點(diǎn)情況下的絕對(duì)脈沖

圖2中：當(dāng)前位置脈沖值為+200時(shí)，將脈沖量設(shè)定值設(shè)為+100，則伺服電機(jī)將會(huì)向反方向走100個(gè)脈沖數(shù)，直至到達(dá)+100的位置，即移動(dòng)脈沖量=脈沖量設(shè)定值—指令執(zhí)行時(shí)的脈沖輸出當(dāng)前值，這時(shí)的方向會(huì)根據(jù)當(dāng)前位置脈沖量多少，進(jìn)行自動(dòng)選擇。

經(jīng)過(guò)上述的分析，不難發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的IoT技術(shù)和中心化的系統(tǒng)框架已經(jīng)很難滿足未來(lái)的發(fā)展需求。針對(duì)IoT平臺(tái)的特點(diǎn)，區(qū)塊鏈技術(shù)能解決大量的智能設(shè)備數(shù)據(jù)在中心化的系統(tǒng)框架中會(huì)出現(xiàn)的安全和管理問(wèn)題。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N集成分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、共識(shí)機(jī)制、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）傳輸和非對(duì)稱加密算法等新型應(yīng)用模式，具有去中心化、開放性、自治性、匿名性和信息不可篡改的特點(diǎn)。本文主要對(duì)IoT平臺(tái)之一的體域網(wǎng)展開了詳細(xì)研究，結(jié)合新興的區(qū)塊鏈技術(shù)，針對(duì)傳輸?shù)陌踩阅芎蛿?shù)據(jù)傳輸性能差的特點(diǎn)，研究分析了適用于體域網(wǎng)的身份認(rèn)證技術(shù)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)在體域網(wǎng)平臺(tái)下設(shè)計(jì)一個(gè)新興的系統(tǒng)框架，主要解決以下問(wèn)題:

系統(tǒng)行走的位移可由脈沖數(shù)來(lái)記錄。經(jīng)位移傳感器測(cè)得脈沖當(dāng)量為0.025 mm，設(shè)系統(tǒng)位移為x(mm)，走x所需的脈沖總數(shù)為N，則有：

(2)

PLC控制硬度機(jī)的流程圖如圖3所示。

圖3 PLC控制硬度機(jī)流程圖

圖3中，PLC通過(guò)控制硬度機(jī)底部托盤的升降，進(jìn)而控制砝碼的位移。每級(jí)砝碼對(duì)應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)備位置與停止位置，由各自的脈沖數(shù)所決定。系統(tǒng)運(yùn)行速度由脈沖頻率大小決定。

在設(shè)置初試值時(shí)，將由式(1)確定合適的脈沖頻率，以及由式(2)計(jì)算出的各級(jí)砝碼準(zhǔn)備位與停止位對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，置入PLC的數(shù)據(jù)寄存器D中，并顯示在觸摸屏上；由此，在觸摸屏上選擇試驗(yàn)力，PLC會(huì)控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的脈沖數(shù)后自動(dòng)停止，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)硬度機(jī)砝碼的精準(zhǔn)定位。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該硬件系統(tǒng)主要由：電源模塊、可編程邏輯控制器、伺服放大器、伺服電機(jī)、人機(jī)交互界面、限位開關(guān)、接近(零點(diǎn))開關(guān)、加載完成開關(guān)幾部分組成，如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)組成

圖4中，電源保證了系統(tǒng)中各個(gè)模塊的正常運(yùn)行?？删幊踢壿嬁刂破鞑荒苤苯涌刂扑欧姍C(jī)，因此，需要伺服放大器作為“中介”，通過(guò)發(fā)送一定數(shù)量的脈沖控制伺服放大器，進(jìn)而控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)；限位開關(guān)保證硬度機(jī)砝碼的運(yùn)動(dòng)不會(huì)超出應(yīng)有的行程范圍；接近開關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)出發(fā)的原點(diǎn)；加載完成開關(guān)裝在硬度機(jī)底部托盤上，指示托盤與吊掛是否分開，確保試驗(yàn)力完全加載到壓頭上；人機(jī)交互界面用于使人控制機(jī)器運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包括PLC程序設(shè)計(jì)與人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)兩部分，其具體組成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)組成

3.1 I/O分配表

標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)的控制系統(tǒng)有6個(gè)輸入信號(hào)和2個(gè)輸出信號(hào)，本研究選擇歐姆龍CP1H-X40DT-D型PLC即可滿足其要求，并可為后續(xù)功能的開發(fā)留有充足的余量[7-9]。

其I/O分配表如表1所示。

表1 I/O分配表

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

定位功能主要通過(guò)PLC給伺服放大器發(fā)送脈沖，控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

限位保護(hù)功能主要依靠安裝在硬度機(jī)底部的兩個(gè)限位開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體是通過(guò)碰撞，使其觸點(diǎn)吸合或斷開，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電路的通斷，達(dá)到控制目的。本研究將這兩個(gè)限位開關(guān)接入PLC的輸入端，當(dāng)硬度機(jī)底部托盤碰到上限位或者下限位時(shí)，限位開關(guān)觸點(diǎn)吸合，觸發(fā)停止脈沖輸出指令，伺服電機(jī)即刻停止旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)《GB/T 231.1-2018金屬材料布氏硬度試驗(yàn)》的要求[11]，硬度機(jī)在加荷-保持相應(yīng)時(shí)間-卸荷的過(guò)程要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)，否則會(huì)對(duì)試樣壓痕的精度造成影響。

程序設(shè)計(jì)思路如下：在觸摸屏上選擇相應(yīng)載荷后，伺服電機(jī)會(huì)按照預(yù)設(shè)的脈沖量旋轉(zhuǎn)，使砝碼達(dá)到加載完畢的停止位置；在這個(gè)過(guò)程中，將脈沖設(shè)定量與當(dāng)前脈沖量進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，當(dāng)兩者相等時(shí)，說(shuō)明載荷加載完畢，隨即觸發(fā)定時(shí)器指令，倒計(jì)時(shí)10 s后觸發(fā)返回指令，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使砝碼回到準(zhǔn)備加載位，至此，整個(gè)加卸荷過(guò)程完成。

為了使調(diào)試過(guò)程更加方便快捷，本研究在PLC程序設(shè)計(jì)中增加了在觸摸屏上修改參數(shù)的功能，即在觸摸屏上放置數(shù)值輸入元件，能夠隨時(shí)更改每級(jí)砝碼準(zhǔn)備位置和停止位置的脈沖量、脈沖頻率(電機(jī)速度)、每級(jí)砝碼的保持時(shí)間等參數(shù)，使操作更加簡(jiǎn)便。

3.3 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面(觸摸屏)主要用來(lái)控制PLC的指令語(yǔ)言，并檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

其界面設(shè)計(jì)主要分為4部分：開始界面、控制面板、測(cè)試界面和設(shè)定界面，如圖6所示。

圖6 觸摸屏界面

圖6中：(1)開始界面是系統(tǒng)的初試界面，按下“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕后，即進(jìn)入控制面板；(2)控制面板是觸摸屏界面設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，也是主要工作界面，一般測(cè)量均在該界面下進(jìn)行。選擇載荷完成試驗(yàn)力加載卸載過(guò)程，按鈕上放置了指示燈，當(dāng)試驗(yàn)力加載到位后，指示燈亮起，能夠?qū)崟r(shí)獲取系統(tǒng)此時(shí)的狀態(tài)信息；(3)測(cè)試界面，也是手動(dòng)控制界面，能夠隨時(shí)調(diào)整砝碼的位置，還能顯示當(dāng)前脈沖數(shù)、脈沖頻率以及當(dāng)前位移等狀態(tài)信息。由于在確定砝碼設(shè)定界面的參數(shù)之后，不宜隨意更改，在測(cè)試界面增加了“密碼”，只有輸入密碼才能進(jìn)入設(shè)定界面；(4)砝碼設(shè)定界面可以設(shè)定砝碼相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

觸摸屏界面設(shè)計(jì)充分考慮了實(shí)用性和可靠性，操作人員只須在控制面板上選擇好欲加載荷，控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加荷—保持—卸荷的過(guò)程，大大簡(jiǎn)化了操作流程[12-15]；若遇到跳閘等緊急情況，重新上電后，觸摸屏上依舊會(huì)顯示斷電前硬度機(jī)的當(dāng)前位置(脈沖數(shù))，操作人員可以進(jìn)入測(cè)試界面進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試，使硬度機(jī)回到初始位置，然后再重新開始硬度塊的檢定工作。

4 實(shí)際應(yīng)用

本研究將編寫完整的程序?qū)懭隤LC，通過(guò)觸摸屏控制硬度機(jī)，對(duì)HBW 5/750、HBW 10/1 000和HBW 10/3 0003種布氏硬度試樣進(jìn)行了布氏硬度試驗(yàn)。

試驗(yàn)所得的硬度值及相對(duì)示值誤差如表2所示。

表2 硬度值驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

工作基準(zhǔn)布氏硬度機(jī)的具體修正量要求如表3所示。

表3 工作基準(zhǔn)布氏硬度機(jī)修正量要求

將上述試驗(yàn)示值相對(duì)誤差與表3中的工作基準(zhǔn)布氏硬度機(jī)修正量絕對(duì)值進(jìn)行比對(duì)[16]可知，試驗(yàn)硬度值全部符合標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也表明控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠，檢測(cè)效率也得到了提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制，本文應(yīng)用PLC控制伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的定位控制，控制過(guò)程更加便捷；通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)力的全自動(dòng)加卸載。

測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明：該硬度機(jī)能夠高質(zhì)量、高效率地完成標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度塊的檢定工作，所測(cè)硬度值符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工作布氏硬度計(jì)的檢定與診斷有實(shí)際指導(dǎo)意義，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。相對(duì)于繼電器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有性能可靠、調(diào)整靈活等優(yōu)點(diǎn)。