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工业PC/工控机 |
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基于工控机控制的轮对数控车床检测装置 |
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作者：黄冰峰 游志宇 冯常 |
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目前，车辆轮对在镟修前后的检测主要是靠传统的手工尺进行检测，然后将检测的数据手动输入数控车床系统进行车辆轮对镟修，且数控车床的对刀需靠操作工手动进行，不能实现自动对刀。由于传统方式检测方法落后，测量精度低，操作不够便捷，不适应现代化车辆轮对的加工及信息的管理与维护。为此，我们研制了一套与轮对数控车床配套的非接触式检测装置。该装置是集光学、精密机械、电控技术、数据处理、计算机技术于一体的高技术精密检测装置。采用完全非接触测量方式，实现数控车床在镟修前后对车辆轮对的在线检测，并将检测数据经工控机融合处理后传递给数控车床，以指导数控车床自动对刀，自动对车辆轮对的镟修，保证车辆轮对机械加工的外形几何尺寸及加工精度。
1、各需测参数分布
需要检测的车辆轮对几何尺寸参数及其分布如图 1所示。轮缘高度Sh，轮饼直径D，轮缘厚度Sd，轮辋宽W，轮辋内侧面到数控车床参考零点的距离Ri。重复测量的平均值误差小于±0.1mm。
图1 车辆轮对几何参数示意图
由于各车辆轮对的轮饼直径尺寸大小不一，故确定测量方法尤为重要。根据对轮对的分析及轮对数控车床镟修的特点，以选择数控车床高精度顶尖顶紧轮对轴中心孔时作为检测轮对的定位基准，通过此基准可以确定如图1所示的理论中心轴线从而得到基于此理论中心轴线及数控车床参考零点的标定值然后经过将标定值与各测量值进行融合处理换算得到所需的车辆轮对几何参数值。得到车辆轮对的几何尺寸参数后，工控机与数控车床的PLC之间进行串口通信，将数控车床镟修轮对时所需的所有参数传送给数控系统，数控系统便可根据接收到的参数实现自动镟修轮对。
2、系统的基本组成及测量控制方式
该检测装置主要包括测量与控制系统、数据采集系统、计算机处理系统等。基本结构如图2所示。
图2 系统的基本结构示意图
2.1 测量与控制系统
测量与控制系统是检测装置的核心部分，主要包括测位传感器、测量操作控制面板。
测位传感器包括激光传感器、涡流传感器及编码器。激光传感器采用检测范围为60~140mm，分辨率为0.01mm的PSD型位移传感器；涡流传感器采用工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快的电压型位移传感器；编码器采用11位绝对式编码器，提高对现场环境的抗干扰能力。另外，在安装激光传感器时为避免复杂的轮对外表面对测量的不良影响，让激光传感器倾斜一定角度，使其轮对反射面的反射角变小，尽量让漫反射光进入到接收器中，基本满足接收传感器对光通量的要求，这样可以大大提高测量精度和可靠性。
控制系统主要由测量操作控制面板与 PLC 控制系统组成，采用两者相结合的方式控制数控车床二维滑台运动，带动各传感器进行数据扫描，并将扫描的数据传输给数据采集系统。测量操作控制面板采用 AT89C51 单片机作为处理器，将各种操作信息通过 PCI 型 I/O 数据采集卡传入工控机。工控机采用研华IPC-610机箱，PCA-600LV 主板。工控机的测量软件对传入的数据及控制信号进行处理，并将处理结果传递给数控车床 PLC，由 PLC 控制数控车床二维滑台运动，实现车辆轮对的检测与自动镟修。
2.2 数据采集系统
数据采集系统是检测装置的核心部分，主要包括模拟量的采集、数字量的采集、以及数字量控制信号的输入输出等。模拟量的采集采用 PCI 型250KS/s16位 A/D 转换的数据采集卡，用于对激光传感器、涡流传感器输出信号的采集。激光传感器、涡流传感器输出的模拟信号经各自的放大器放大后直接输入 A/D 数据采集卡的模拟输入端口上，经数据采集卡 A/D 转换后从 PCI 总线输入工控机。数字量的采集采用 PCI 型96路TTL数字量 I/O 数据采集卡，用于对编码器输出信号的采集，同时也用于控制信号的输出。为了减轻工控机的工作负担，每个编码器的输出都由一个 AT89C51 单片机数据处理板对其输出信号进行预处理，输出数控车床的实时绝对位置，再由工控机通过I/O 数据采集卡从 PCI 总线读入。
2.3 计算机处理系统
计算机处理系统包括测量控制、数据处理、数据传输等。测量控制主要是工控机接收测量操作控制面板传入的控制信息，并输出相应的控制信息给测量操作控制面板。数据处理主要是各传感器输出的模拟信号经高精度 A/D 转换后，输入到计算机进行数据存储、数字滤波和进一步数据融合处理，最终将处理的数据结果显示在控制测量软件操作界面的相应位置上，供操作人员查看。并将测量的结果数据进行存储及打印。数据传输主要是工控机将测量的结果数据传输给数控车床的 PLC 控制系统，指导数控车床对车辆轮对的镟修。
3、控制测量软件设计
控制测量软件设计主要包括两部分：1)单片机控制程序设计；2)工控机的测量软件设计。
3.1 单片机控制程序
在本系统中，有两个地方使用了单片机控制，都采用AT89C51 单片机作为处理器。一个是用于测量控制操作面板，在该面板上共有5个按键，分别是“启动涡流测量”、“启动激光测量”、“测量结果确认”、“传输左轮数据”和“传输右轮数据”。每按下一个按键，其相应的LED指示灯点亮，其余按键锁定，并通过数据采集卡将该按键信息传入工控机，工控机接收到信息后执行其相应的任务，任务完成后，工控机通过数据采集卡清除按钮信息并熄灭相应的LED指示灯。
另一个是编码器数据处理板，它读入绝对式编码器的数值，判断其正反转，并实时给出编码器的圈数及其单圈读数，输出数控车床的实时绝对位置，然后传送到数字 I/O 卡上，工控机可直接从数字 I/O 卡上读取数控车床的实时位置。在圈数计算时，采用电平中断处理的方式，当编码器转到零位时，即十一位输出均为低时，单片机INT0. 引脚产生中断，再判断编码器上一个数值，是“1”则编码器反转，圈数减 1，是“2047”则编码器正转，圈数加1。单片机INT1 引脚接到工控机中的数据采集卡上，当工控机发出一个清零脉冲信号时，编码器数据清零，重新开始计数。
3.2 工控机的测量软件设计
工控机的测量软件设计是本系统中的重点，它实现了 5个功能：一是提供用户界面并接受用户输入的指令，二是提供数据的存储、显示、查询、打印等功能，三是根据扫描的数据实时绘制车 辆轮对的轮廓图形，并与标准轮对轮廓图形进行对比；四是与PCI 数据采集卡、数字 I/O 卡驱动程序通信，实现实时数据的读 入，五是与数控车床 PLC 系统通讯，实现自动测量与车辆轮对自动镟修。为此选用VC作为开发平台，进行可视化图形设计，测量软件的程序流程图如图3所示。考虑到轮对表面状况的极端差异及现场环境的干扰，在测量软件中针对轮对的不同状况进行实时的补偿，并对各种干扰进行数据融合处理，消除对测量数据的影响。软件中还对误操作、掉电等情形进行了自动诊断与保护。
图3 测量软件流程图
结束语
该设备于2005年5月研制成功，目前运行状况良好，经过实际测试，装置在测量的稳定性、可靠性、测量精度均优于设计要求。就目前情况看，这是国内第一台应用于轮对数控车床的检测装置，具有较广阔的发展前景。(end)
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(3/2/2006) |
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