引言
在動平衡機(jī)測試領(lǐng)域,數(shù)據(jù)采集采用的是單片機(jī)或計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的方式。采用單片機(jī)和計算機(jī)需要具備電子專業(yè)知識和上位機(jī)編程能力,隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展,在PLC內(nèi)也可以增加腳本程序,這樣就具有了強(qiáng)大的靈活性和擴(kuò)展性,并且PLC控制電機(jī)相對簡捷,因此本文選用基恩士PLC。對于單片機(jī)控制電機(jī)不僅需要自己編寫控制電機(jī)的加速和減速程序,還需要編寫電機(jī)定速和定長程序,對于計算機(jī)則需要使用運(yùn)動控制卡來控制電機(jī)。
另外,隨著PLC的發(fā)展,PLC可以外接很多模塊,例如AD模塊、運(yùn)動模塊、Io模塊等,并且AD模塊采樣頻率和精度越來越高,程序越來越簡捷。
基于KEYENCEPLC的電機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡測試系統(tǒng),其開發(fā)原因首先是PLC可以寫腳本程序,這樣數(shù)據(jù)的分析和處理就可以直接在PLC上完成,再就是PLC可以外接AD模塊,這樣就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集工作。另外,目前計算機(jī)版本的電機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡測試系統(tǒng)構(gòu)成部分過多,windows系統(tǒng)文件的損壞會導(dǎo)致后期維修成本過高,影響產(chǎn)品質(zhì)量,而基于PLC的電機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡測試系統(tǒng)軟件相對簡單,為后期維護(hù)升級提供了方便,并且二者成本相差不大。
1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理
1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
如圖1所示,動平衡測試系統(tǒng)由基恩士PLC和AD模塊、工業(yè)組態(tài)屏、濾波板、測試擺架、電機(jī)和驅(qū)動器（步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)）組成。測試擺架用于支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子并將電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中的離心力傳送給傳感器,工業(yè)組態(tài)屏用于界面顯示、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)存儲等,為提高測量精度而專門設(shè)計了高精度濾波板,步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)通過皮帶驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2主要原理
電機(jī)轉(zhuǎn)子放置在測試擺架上,步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)通過皮帶驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力作用到擺架上,并傳送到傳感器上,傳感器將位移量轉(zhuǎn)換為電信號,電信號再通過AD模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。PLC采集這些信號后,經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理,計算出動不平衡的量值和角度,PLC再將數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送到工業(yè)屏上顯示出來,PLC根據(jù)角度值控制電機(jī)來進(jìn)行定位[2]。
設(shè)計的實際局部電路布局圖如圖2所示。
圖2電路布局圖
動平衡數(shù)據(jù)流向簡介:工件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力二擺架二傳感器二傳感器的模擬信號二濾波板二AD模塊LPLC采集計算L觸摸屏顯示。
1.3系統(tǒng)測量內(nèi)容
系統(tǒng)主要測試電機(jī)轉(zhuǎn)子的雙面動不平衡量和角度,根據(jù)數(shù)據(jù)對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行加重或去重修正,使電機(jī)轉(zhuǎn)子動不平衡量降低到合格范圍。主要測試項目如圖3所示,包括左側(cè)動不平衡量及角度、右側(cè)動不平衡量及角度、合成值及角度計算、槽差和角度差計算。
2數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)
2.1濾波板的設(shè)計
設(shè)計主要思路:采集數(shù)據(jù)需要在一定頻率下進(jìn)行,這樣能夠保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和真實性:需要選定相適應(yīng)的濾波芯片:合理設(shè)計信號放大電路:選定AD模塊。
圖3測量界面
(1）采樣多個4位二進(jìn)制同步可逆計數(shù)器M74HC193BIR進(jìn)行分頻,如圖4所示,將4MHz的晶振分頻到需要的采樣頻率,例如工件轉(zhuǎn)速2000r/min,則將4MHz分頻到3.33Hz(說明:濾波芯片需要的頻率是實際頻率的1/10）。
(2）信號放大后進(jìn)入到濾波芯片LTC1060,如圖5所示。
LTC1060包含兩個高性能的開關(guān)電容濾波器,每個濾波器連同2～5個電阻器能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同的二階濾波器功能,例如低通、帶通、高通陷波和全通。這些濾波器的中心頻率可由內(nèi)部電阻比和一個外部時鐘來調(diào)諧。高達(dá)4階的全雙二階濾波功能可通過級聯(lián)兩個濾波器部件來實現(xiàn),可以形成任何經(jīng)典的濾波器配置,比如:巴特沃斯(Butterworth）、切比雪夫(Chebyshev）、貝塞爾(Bessel）、橢圓(Cauer）。
LTC1060采用單電源或±(2.37～8）V的雙電源供電運(yùn)行。當(dāng)使用低電源(即單5V電源）時,濾波器通常消耗12mP功率,并能采用高達(dá)10wHz中心頻率工作。當(dāng)采用±5V電源時,頻率范圍擴(kuò)展至30wHz,而且還能獲得非常高的O值。
圖4分頻電路
圖5濾波芯片周圍電路
LTC1060采用凌力爾特的先進(jìn)LTCMosTM硅柵工藝制造,因此獲得了低偏移、高動態(tài)范圍、高中心頻率O乘積和卓越的溫度穩(wěn)定性
)3）信號濾波后再進(jìn)行一次放大,然后進(jìn)入AD模塊,如圖6所示
圖6AD模塊內(nèi)部轉(zhuǎn)換
1）模擬轉(zhuǎn)換單元內(nèi)部,對載入的模擬信號實施數(shù)字轉(zhuǎn)換,作為數(shù)值自動存儲到PLC軟元件。另外,無須單位轉(zhuǎn)換的梯形圖程序,便可將載入的值轉(zhuǎn)換為任意值)定標(biāo)）。
2）可以進(jìn)行溫度漂移修正,確保所采集數(shù)據(jù)的真實性和準(zhǔn)確性。
2.2某一頻率采集的實現(xiàn)
（1）首先需要一個可設(shè)置的頻率輸出使用PLC高速計數(shù)器作為脈沖輸出,并把需要輸出的頻率設(shè)置在一個軟元件內(nèi),采用指令PLsoUT。
（2）將脈沖輸出點接入到中斷輸入請求。當(dāng)來一個脈沖后中斷請求,PLC停止掃描直接進(jìn)入到中斷程序,在中斷中只運(yùn)行讀取數(shù)據(jù),這樣就可以實現(xiàn)對信號的定頻采集。
（3）將中斷輸入設(shè)置為高速輸入,如圖7所示。
（4）根據(jù)參數(shù)設(shè)置輸出頻率,如圖8所示。
（5）使用高速計數(shù)器實現(xiàn)脈沖輸出,如圖9所示。
（6）中斷采樣程序如圖10所示。
圖7高速輸入設(shè)置
圖8輸出頻率設(shè)置
圖9脈沖輸出指令
圖10中斷采樣指令
2.3旋轉(zhuǎn)中電機(jī)轉(zhuǎn)子原點記憶的實現(xiàn)
（1）電機(jī)轉(zhuǎn)子沒有槽時,則在轉(zhuǎn)子上人為畫一個記號,使用光電傳感器在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中記錄這個記號,并把傳感器的信號接入到PLC的輸入,由于這個記號是人為畫上去的,即便是PLC在中斷程序中這個記號也不會丟失。
(2）電機(jī)轉(zhuǎn)子有槽時,則需要記錄轉(zhuǎn)子的槽數(shù),可以將轉(zhuǎn)子啟動時第一個脈沖來時(從沒有槽到有槽）記錄為第一個槽,再一個脈沖來時記錄為第二個槽,依次類推,一直到轉(zhuǎn)子對應(yīng)的槽數(shù)即為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周,在轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)時只需每個槽對應(yīng)一個數(shù)字(當(dāng)前槽數(shù)）,一直連續(xù)記錄,這樣原點可以指定任何一個槽,如圖11所示。
圖11高速計數(shù)器設(shè)置
3電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)及自動定位的實現(xiàn)
3.1電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)
(1）可以通過設(shè)置定位參數(shù)來實現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和加減速控制,如圖12所示。
圖12電機(jī)參數(shù)設(shè)置
(2）可以通過程序來設(shè)置電機(jī)的加減速和轉(zhuǎn)速,如圖13所示。
圖13運(yùn)動參數(shù)設(shè)置
(3）工件從速度0加速到設(shè)置轉(zhuǎn)速,如圖14所示。
圖14電機(jī)旋轉(zhuǎn)指令
(4）工件運(yùn)動中的換速如圖15所示。
圖15電機(jī)換速指令
(5）工件從運(yùn)動中到停止,采用的是先從高速換速到低速,再執(zhí)行停止指令。在這里使用的是緊急停止,沒有用減速停止,原因是減速停止時給出指令后工件還會旋轉(zhuǎn)一定位置,對自動定位功能來說會產(chǎn)生一定位置的偏差。
3.2電機(jī)轉(zhuǎn)子定位的實現(xiàn)
對于有槽的轉(zhuǎn)子來說,通過高速計數(shù)器可以記錄轉(zhuǎn)子的當(dāng)前槽數(shù),這樣就可以將任意一個槽作為原點。為什么要找個原點呢?第一,數(shù)據(jù)采樣時起始位置可以確定,連續(xù)多次采樣時起始位置確定后,每個數(shù)據(jù)對應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置就確定了:第二,測量數(shù)據(jù)計算出的動不平衡量的角度也是相對于原點計算的:第三,轉(zhuǎn)子只有先知道原點,才能根據(jù)測量的角度換算成電機(jī)控制脈沖來實現(xiàn)自動定位。
(1）使用PLC的高速計數(shù)器記錄轉(zhuǎn)子的當(dāng)前槽。設(shè)置高速計數(shù)器參數(shù),包括計數(shù)器循環(huán)計數(shù)范圍,例如轉(zhuǎn)子是12槽,則計數(shù)器從1計數(shù)到12然后再從1開始計數(shù):還包括高速計數(shù)器的記錄方式,是使用內(nèi)部時鐘還是使用外部信號,內(nèi)部時鐘包括50ns、1us、10us、100us,外部信號最好設(shè)置為高速信號,設(shè)置完成后高速計數(shù)器可以不受PLC掃描周期的影響,自行循環(huán)計數(shù),這樣轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中,只要讀取當(dāng)前槽數(shù)就可以知道轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到哪個位置,不論對轉(zhuǎn)子是做加速、減速還是換速動作都不影響高速計數(shù)器的記錄。
(2）自動定位是根據(jù)測量數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)子的動不平衡量定位到指定位置,這就需要將測量的角度轉(zhuǎn)換成驅(qū)動電機(jī)的脈沖,之前的思路是首先計算出電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)所需要的脈沖數(shù),然后將電機(jī)轉(zhuǎn)子從高速換到低速,找到原點信號,再根據(jù)測量角度換算成脈沖數(shù),隨后檢測步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)是否完成這些脈沖,最后停止旋轉(zhuǎn)。之前的問題在于當(dāng)找到原點信號后檢測步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)脈沖數(shù)時如果電機(jī)轉(zhuǎn)子打滑,則最終定位的位置可能是錯誤的。目前的思路是先根據(jù)測量的角度換算得到這個角度是在哪個槽內(nèi),將電機(jī)轉(zhuǎn)子從高速換到低速后再去尋找這個槽。例如,電機(jī)轉(zhuǎn)子為12槽時,剛到第一個槽時為09,剛到第二個槽時為309,依次類推。當(dāng)測量角度為32.49時,則只需要先找到第二個槽,然后將2.49轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的脈沖數(shù),再檢測脈沖、停運(yùn)電機(jī),相比之前的方式,此種定位方法的準(zhǔn)確性要高很多。
(3）自動定位是對減速停止和緊急停止的選擇,在初期采用的是減速停止,在加減速時間確定、工作轉(zhuǎn)速及低速轉(zhuǎn)速確定后減速停止的方案是可行的,但是有一定的局限性,因為參數(shù)設(shè)定好后減速停止指令執(zhí)行時,電機(jī)轉(zhuǎn)子從指令發(fā)出到完全停止所旋轉(zhuǎn)過的位置是個定值,當(dāng)用戶更改加減速時間或低速轉(zhuǎn)速后,這種停止方式就有一定的定位誤差,需要重新校正。使用緊急停止方式則可解決上述問題,但是需要進(jìn)行報警清除,因為PLC認(rèn)為緊急停止是出現(xiàn)了某種錯誤狀況,所以需要每次啟動前清除報警。
4動平衡測試系統(tǒng)的測試
4.l采集數(shù)據(jù)對比
計算機(jī)版本的轉(zhuǎn)子測量數(shù)據(jù)如圖16所示。
圖l6計算機(jī)版本轉(zhuǎn)子測量數(shù)據(jù)
PLC版本的轉(zhuǎn)子測量數(shù)據(jù)如圖17所示。
圖17PLC版本轉(zhuǎn)子測量數(shù)據(jù)
4.2測試結(jié)果分析
(1）高精度濾波板和AD模塊的使用,使數(shù)據(jù)重復(fù)性從原來的±3mg降低到目前的±1mg。
(2）更改加減速時間或低速轉(zhuǎn)速后自動定位時位置不變,更加簡化了操作。
(3）設(shè)備維修率大幅降低,計算機(jī)版本的動平衡測試系統(tǒng)由計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動控制卡、濾波板等組成,不穩(wěn)定因素相對較多,例如計算機(jī)系統(tǒng)、計算機(jī)主板、CPU、內(nèi)存、硬盤等等。而PLC版本的動平衡測試系統(tǒng)僅由PLC和濾波板組成。
5結(jié)語
本系統(tǒng)是基于KEYENCEPLC實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)子動不平衡量和角度的測量,測量數(shù)據(jù)的重復(fù)性、自動定位重復(fù)性都大幅提高,操作更加簡潔。另外,由于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高,售后維修費用大幅降低,產(chǎn)量也有所提高。
