大型工件檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊榮建，吳明暉

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

大型零件是大型設(shè)備（如航空航天、造船、能源和電力）的基本組件。在大型工件的生產(chǎn)過(guò)程中，由于加工過(guò)程導(dǎo)致工件產(chǎn)生形變，尺寸精度變差，無(wú)法滿足裝配要求，將直接導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格以及后續(xù)的加工無(wú)法進(jìn)行，因此在加工前后，大型工件都會(huì)有針對(duì)不同工況的檢測(cè)，以確定其是否符合加工標(biāo)準(zhǔn)，能否運(yùn)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中。精密檢測(cè)技術(shù)作為機(jī)械制造業(yè)的“眼睛”，可對(duì)制品的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程，以及產(chǎn)出結(jié)果進(jìn)行全面檢測(cè)與監(jiān)控，是機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)之一[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，如何提高大型零件制造行業(yè)的精度、效率和可靠性一直是技術(shù)難題。提高加工質(zhì)量和效率不僅取決于加工技術(shù)，而且還取決于檢驗(yàn)技術(shù)。檢測(cè)方式主要分為接觸式和非接觸式。

對(duì)于接觸測(cè)量，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是廣泛使用的測(cè)量?jī)x器[2]。在操作過(guò)程中，主監(jiān)視探頭和真實(shí)對(duì)象之間的接觸以獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行零件尺寸的測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高；零件粗糙度與反射性能對(duì)其影響程度不大；可以直接測(cè)量工件的幾何特征。缺點(diǎn)是測(cè)量速度慢；對(duì)測(cè)頭的要求高；該方法不可應(yīng)用于深孔、小孔和窄縫[3]。

對(duì)于非接觸式測(cè)量，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)具有相對(duì)較高的頻率。例如，通過(guò)激光三角測(cè)量和結(jié)構(gòu)化光來(lái)測(cè)量零件[4]。原理是反射光源的圖像和圖像傳感器接收的光，其中表面上的每個(gè)點(diǎn)都有實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量速度快；可測(cè)量柔軟、易碎的工件；不會(huì)損傷工件表面精度。缺點(diǎn)是：測(cè)量精度較差；無(wú)法測(cè)定幾何特征；無(wú)法測(cè)量陡峭面；測(cè)量精度主要取決于工件表面質(zhì)量?jī)?yōu)劣[5-6]。

鑒于非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，順應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)全自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，本項(xiàng)目擬搭建一套試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具備非接觸式測(cè)量與激光傳感器的優(yōu)點(diǎn)，大大增強(qiáng)了測(cè)量的可靠性?？刂撇糠值闹饕^(guò)程是上位機(jī)（PC）向下位機(jī)（PLC）發(fā)送控制命令，下位機(jī)根據(jù)該命令解釋相應(yīng)的同步信號(hào)，直接控制設(shè)備。相應(yīng)地，它讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后將其返回給主機(jī)。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，采集激光傳感器在工件各處測(cè)得的數(shù)據(jù)，三維重構(gòu)形成曲面。通過(guò)對(duì)工件的模型數(shù)字化重建，根據(jù)分析理論模型，得出誤差大小、整體變形情況。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，為我們提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)以進(jìn)一步改進(jìn)流程。

1 大型工件檢測(cè)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)過(guò)程的各種檢驗(yàn)應(yīng)用中，檢測(cè)系統(tǒng)采用激光、機(jī)械結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)合起來(lái)的方法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)檢測(cè)裝置的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主體結(jié)構(gòu)的組成部分：主體支架、支撐平臺(tái)、龍門架。檢測(cè)裝置床身總長(zhǎng)3.5 m，寬1.6 m，高2 m。另有設(shè)單獨(dú)的檢測(cè)裝置控制臺(tái)。

檢測(cè)裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)由伺服電機(jī)帶動(dòng)的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，沿安裝在主體支架上的導(dǎo)軌使龍門架進(jìn)行橫向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，來(lái)達(dá)到讓與龍門架固定的激光傳感器實(shí)現(xiàn)往復(fù)掃描工件的目的。

檢測(cè)裝置的主體結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件都是由符合GB/T 6728-2002 的冷彎空心型鋼組成，具有壁厚均勻、表面光潔、尺寸精確、經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)，平臺(tái)間的連接由焊接配合螺栓固定完成，如圖1所示。

圖1 大型工件檢測(cè)裝置組成Fig.1 Composition of large workpiece detection device

完成主體結(jié)構(gòu)零件建模后，建立檢測(cè)裝置虛擬模型，并檢查整個(gè)裝配體是否存在干涉。在完成建模后，對(duì)所有模型進(jìn)行了分析和簡(jiǎn)化，并改進(jìn)一些不合理的尺寸，如圓角、倒角、螺栓直徑等。

2 大型工件檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)用于大型工件檢測(cè)裝置的定位移動(dòng)和系統(tǒng)運(yùn)行狀況顯示。如圖2 所示，控制系統(tǒng)的主要硬件由PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏組成。用戶通過(guò)發(fā)送脈沖控制伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成龍門架的運(yùn)動(dòng)，所使用的伺服電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移量的執(zhí)行元件，電機(jī)的輸出量與輸入的脈沖數(shù)成正比，不會(huì)隨著電壓等條件變化而變化，穩(wěn)定可靠。

圖2 控制系統(tǒng)方案圖Fig.2 Control system scheme diagram

通過(guò)伺服電機(jī)編碼器與PLC 相配合，達(dá)到精準(zhǔn)定位的功能，伺服電機(jī)的光電編碼器將角位移換成脈沖值，輸出給PLC，通過(guò)對(duì)比PLC 發(fā)送脈沖個(gè)數(shù)和接收到的脈沖個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位控制。其精準(zhǔn)度可以達(dá)到1 μm，滿足檢測(cè)裝置的要求。用戶可通過(guò)交互界面設(shè)置所需要的參數(shù)，通過(guò)PLC 發(fā)出脈沖信號(hào)控制伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)裝置龍門架完成預(yù)定的動(dòng)作。

2.2 PLC 程序控制

PLC 控制龍門架進(jìn)行移動(dòng)主要有4 部分功能：（1）通過(guò)觸摸屏按鈕控制龍門架自由地沿檢測(cè)平臺(tái)X 軸移動(dòng)，并設(shè)定其移動(dòng)速度。同時(shí)能手動(dòng)控制伺服電機(jī)的電源防止意外的發(fā)生；（2）為完成對(duì)大型工件的掃描，通過(guò)設(shè)置檢測(cè)平臺(tái)初始原點(diǎn)為絕對(duì)原點(diǎn)，使龍門架相對(duì)于絕對(duì)原點(diǎn)移動(dòng)一定距離，并能在運(yùn)行結(jié)束后返回絕對(duì)原點(diǎn)循環(huán)運(yùn)行；（3）可通過(guò)PLC 程序加載龍門架所處任意位置為相對(duì)原點(diǎn)，再控制龍門架距相對(duì)原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一段距離，此功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件的局部掃描。后兩者其主要原理都是通過(guò)PLC 程序判斷是否移動(dòng)到指定點(diǎn)完成。（4）當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)將分類別處理。其運(yùn)行流程圖如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖Fig.3 Control system flow chart

Kinco HMIware 作為組態(tài)軟件，提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互設(shè)置、用戶交互畫(huà)面編輯、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊設(shè)置、復(fù)雜邏輯編寫、組態(tài)工程下載、終端設(shè)備管理等功能。通過(guò)編輯觸摸屏程序中每個(gè)元件的數(shù)值輸入屬性，就可以對(duì)應(yīng)地更改與觸摸屏連接的PLC 中相應(yīng)寄存器的參數(shù)。

觸摸屏主要的運(yùn)行界面如圖4。界面上分別有龍門架當(dāng)前相對(duì)于原點(diǎn)的位置顯示，其根據(jù)龍門架實(shí)時(shí)位置不斷變化，通過(guò)點(diǎn)擊觸摸屏中的對(duì)話框可以更改手動(dòng)運(yùn)行速度、自動(dòng)運(yùn)行速度及自動(dòng)運(yùn)行的定位距離，其中位置的單位精度達(dá)0.001 mm；另外，界面中還設(shè)置有手動(dòng)控制龍門架運(yùn)行的左右移動(dòng)按鈕，以及控制伺服供電的按鈕，同時(shí)還設(shè)有指示燈，用來(lái)反饋龍門架運(yùn)行狀況。

圖4 運(yùn)行界面Fig.4 Operation interface

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于工控機(jī)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、過(guò)程輸入輸出配套好及及時(shí)性好等特點(diǎn)，所以選擇工控機(jī)作為上位機(jī)(Win CE 系統(tǒng))。

因?yàn)閂isual C#與Windows 緊密結(jié)合，用戶可以根據(jù)編程的需要定義相應(yīng)的類，因此Visual C#在使用API 等方面和Windows 聯(lián)系最為緊密，而且還具有強(qiáng)大的類庫(kù)支持、類改造能力與高效的運(yùn)行速度[7]，所以決定采用Visual C++編程。

3.1 程序流程設(shè)計(jì)

如圖5 所示，首先進(jìn)入程序后第一個(gè)流程是故障復(fù)位，故障復(fù)位的按鈕主要功能是恢復(fù)強(qiáng)制伺服斷電后產(chǎn)生的參數(shù)變化，而在強(qiáng)制斷電后程序直接進(jìn)行至結(jié)束，故障復(fù)位在下一個(gè)程序開(kāi)始時(shí)執(zhí)行，這等效于初始化操作。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

在程序正式開(kāi)始前要進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的身份認(rèn)證，身份驗(yàn)證成功后，檢測(cè)PLC 連接狀態(tài)。連接成功是數(shù)據(jù)通訊的必要前提，如果連接不成功將跳出提示信息，提示用戶檢測(cè)硬件連接是否正確，用戶可通過(guò)修改IP 地址、端口號(hào)或檢查硬件連接是否正確通過(guò)檢測(cè)等方式解決連接問(wèn)題。

在整個(gè)主程序中，有一個(gè)最重要的斷電保護(hù)環(huán)節(jié)，即伺服斷電，作為處理應(yīng)急事件的手段。一旦程序接收到了伺服斷電信號(hào)，無(wú)論程序執(zhí)行至何處，都會(huì)被強(qiáng)制中斷，就相當(dāng)于熔斷，該中斷的優(yōu)先級(jí)是最高的。

手動(dòng)控制子程序如圖6 所示，其功能是控制龍門架水平移動(dòng)。首先，將移動(dòng)速度錄入指定文本框，按下手動(dòng)速度設(shè)定按鈕后，程序自動(dòng)獲取文本框內(nèi)信息，并根據(jù)輸入數(shù)據(jù)規(guī)范進(jìn)行檢查。如果符合規(guī)范，即進(jìn)入下一流程，如果不符合規(guī)范，彈出提示框。在成功設(shè)定移動(dòng)速度后，可根據(jù)需求點(diǎn)擊不同按鍵選擇向左或向右運(yùn)動(dòng)。按下按鈕后，龍門架開(kāi)始根據(jù)之前設(shè)定的速度運(yùn)動(dòng)，直到按下手動(dòng)停車按鈕，龍門架停止運(yùn)動(dòng)。

圖6 手動(dòng)控制子程序流程圖Fig.6 Flow chart of manual control subprogram

定位運(yùn)行子程序如圖7 所示。有兩種運(yùn)行模式：（1）手動(dòng)設(shè)定位置與速度。按下定位運(yùn)動(dòng)按鈕后，龍門架將自行運(yùn)動(dòng)，并且程序內(nèi)部不斷對(duì)龍門架當(dāng)前位置數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，直到實(shí)際值=設(shè)定值，運(yùn)動(dòng)將自行停止；（2）原點(diǎn)復(fù)位。工作原理與第一種基本相似，但位置與速度已在系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)設(shè)置。按下復(fù)位按鈕后，龍門架將自行回到起始位置。此外，用戶在原點(diǎn)復(fù)位中也可以自定義，這涉及到一個(gè)名稱為“裝載當(dāng)前位置為原點(diǎn)”的按鈕，一旦按下該按鈕，則將當(dāng)前的位置設(shè)置為初始位置，但是不會(huì)覆蓋系統(tǒng)中的默認(rèn)零點(diǎn)，運(yùn)行模式類似第一種。

圖7 定位運(yùn)行子程序流程圖Fig.7 Flow chart of positioning operation subprogram

使用多線程，CPU 同一時(shí)刻并列執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，可為主線程分擔(dān)壓力，程序運(yùn)行效率明顯提升。將之前使用計(jì)時(shí)器timer 類的部分，替換使用thread 類，將其實(shí)例化后，可創(chuàng)建多個(gè)線程，只要滿足觸發(fā)條件，該子線程中的代碼將會(huì)被執(zhí)行，只要加入一個(gè)循環(huán)判斷條件，即可像之前timer 類一樣，同時(shí)進(jìn)行多功能的使用。在使用多線程后，軟件卡死的問(wèn)題基本得到了解決。

3.2 軟件界面設(shè)計(jì)

圖8 是軟件的主界面，大多數(shù)功能可以從主界面的按鈕中獲得。圖8 中是上位機(jī)尚未與PLC取得通訊的狀態(tài)，此時(shí)可操作的僅有IP 地址和連接按鈕，輸入正確IP 地址并點(diǎn)擊連接后，其余操作按鈕則會(huì)亮起，變成可交互狀態(tài)。主界面大致分為5 塊區(qū)域：最上面是與PLC 連接所需要的工具以及檢測(cè)連接的狀態(tài)欄；左上是手動(dòng)控制部分，包括了在手動(dòng)控制過(guò)程中需要的工具；右上是運(yùn)行狀態(tài)顯示，分為數(shù)據(jù)顯示和指示燈顯示，對(duì)應(yīng)了不同操作，可以使得用戶實(shí)時(shí)了解機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)，方便做出調(diào)整；左下是定位運(yùn)行部分，包括了定位運(yùn)行所需工具，以及可以打開(kāi)采集卡數(shù)據(jù)顯示界面的按鍵，之所以將該按鈕放置在定位運(yùn)行這一分區(qū)內(nèi)是因?yàn)榭紤]到在實(shí)際測(cè)量大型工件的過(guò)程中，龍門架的運(yùn)動(dòng)由定位運(yùn)行控制，運(yùn)行的同時(shí)需要采集數(shù)據(jù)，這兩者是相輔相成；右下主要存放了一些用于初始化的按鍵，能夠用于故障調(diào)試以及方便多次測(cè)量。主界面不僅做了區(qū)域劃分，在每個(gè)按鍵上也都標(biāo)明了按鍵功能，使得用戶一目了然，并且當(dāng)用戶在不適時(shí)按了不該按的按鈕或者輸入的數(shù)據(jù)格式有誤，該程序?qū)⒆詣?dòng)顯示對(duì)話框消息，提醒用戶該怎么做。

圖8 軟件主界面Fig.8 Software main interface

圖9 是采集卡的數(shù)據(jù)顯示界面，啟動(dòng)和停止兩個(gè)功能通過(guò)一個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)。當(dāng)按下開(kāi)始采集后，開(kāi)始采集鍵將變?yōu)榻K止采集，按鍵顏色改變；與此同時(shí)，連接狀態(tài)對(duì)話框?qū)⑻崾緜鞲衅魇欠衽c采集卡連接成功，如果成功連接，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)在電壓和距離文本框內(nèi)，已讀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度會(huì)顯示在已讀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的文本框內(nèi)。由于程序中設(shè)定自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，故在界面中沒(méi)有設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按鍵，用戶不需要手動(dòng)操作，可以直接從文件路徑中調(diào)出存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可以控制龍門架的水平運(yùn)動(dòng)并采集各個(gè)時(shí)刻傳感器的數(shù)據(jù)。

圖9 采集卡數(shù)據(jù)顯示界面Fig.9 Data display interface of acquisition card

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的大型工件檢測(cè)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，目的在于研究工件平面度是否滿足加工要求。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以PLC 為控制器，通過(guò)設(shè)計(jì)，使PLC 控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和觸摸屏在整個(gè)檢測(cè)裝置的控制系統(tǒng)中有機(jī)結(jié)合，更加靈活使用。為使功能最大化，設(shè)計(jì)了完整的運(yùn)行監(jiān)控體系，完成閉環(huán)伺服系統(tǒng)建立。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，使用Visual Studio C#編程，C#進(jìn)行可視化編程制作界面，調(diào)用大量第三方庫(kù)。在編程過(guò)程中將單線程變?yōu)槎嗑€程加快程序響應(yīng)速度的方法；創(chuàng)建窗體程序，使用控件，在其中畫(huà)柵格，并在柵格中繪制點(diǎn)和線的方法。大型工件檢測(cè)裝置是一項(xiàng)重大的研究課題，由于個(gè)人時(shí)間和能力有限，本文只設(shè)計(jì)了相關(guān)的控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還不是十分完善。