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目前,車輛輪對在鏇修前后的檢測主要是靠傳統(tǒng)的手工尺進(jìn)行檢測,然后將檢測的數(shù)據(jù)手動輸入數(shù)控車床系統(tǒng)進(jìn)行車輛輪對鏇修 ,且數(shù)控車床的對刀需靠操作工手動進(jìn)行,不能實現(xiàn)自動對刀。由于傳統(tǒng)方式檢測方法落后,測量精度低,操作不夠便捷,不適 應(yīng)現(xiàn)代化車輛輪對的加工及信息的管理與維護(hù)。為此,我們研制了一套與輪對數(shù)控車床配套的非接觸式檢測裝置。該裝置是集光 學(xué)、精密機械、電控技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、計算機技術(shù)于一體的高技術(shù)精密檢測裝置。采用*非接觸測量方式,實現(xiàn)數(shù)控車床在鏇 修前后對車輛輪對的在線檢測,并將檢測數(shù)據(jù)經(jīng)工控機融合處理后傳遞給數(shù)控車床,以指導(dǎo)數(shù)控車床自動對刀,自動對車輛輪對 的鏇修,保證車輛輪對機械加工的外形幾何尺寸及加工精度。
1、各需測參數(shù)分布
需要檢測的車輛輪對幾何尺寸參數(shù)及其分布如圖 1所示。輪緣高度Sh,輪餅直徑D,輪緣厚度Sd,輪輞寬W,輪輞內(nèi)側(cè)面到數(shù)控車 床參考零點的距離Ri。重復(fù)測量的平均值誤差小于±0.1mm。
由于各車輛輪對的輪餅直徑尺寸大小不一,故確定測量方法尤為重要。根據(jù)對輪對的分析及輪對數(shù)控車床鏇修的特點,以選擇數(shù) 控車床高精度*頂緊輪對軸中心孔時作為檢測輪對的定位基準(zhǔn),通過此基準(zhǔn)可以確定如圖1所示的理論中心軸線從而得到基于 此理論中心軸線及數(shù)控車床參考零點的標(biāo)定值然后經(jīng)過將標(biāo)定值與各測量值進(jìn)行融合處理換算得到所需的車輛輪對幾何參數(shù)值。 得到車輛輪對的幾何尺寸參數(shù)后,工控機與數(shù)控車床的PLC之間進(jìn)行串口通信,將數(shù)控車床鏇修輪對時所需的所有參數(shù)傳送給數(shù) 控系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng)便可根據(jù)接收到的參數(shù)實現(xiàn)自動鏇修輪對。
2、系統(tǒng)的基本組成及測量控制方式
該檢測裝置主要包括測量與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機處理系統(tǒng)等。基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.1 測量與控制系統(tǒng)
測量與控制系統(tǒng)是檢測裝置的核心部分,主要包括測位傳感器、測量操作控制面板。
測位傳感器包括激光傳感器、渦流傳感器及編碼器。激光傳感器采用檢測范圍為60~140mm,分辨率為0.01mm的PSD型位移傳感器; 渦流傳感器采用工作可靠性好、靈敏度高、抗*力強、非接觸測量、響應(yīng)速度快的電壓型位移傳感器;編碼器采用11位 式編碼器,提高對現(xiàn)場環(huán)境的抗*力。另外,在安裝激光傳感器時為避免復(fù)雜的輪對外表面對測量的不良影響,讓激光傳感 器傾斜一定角度,使其輪對反射面的反射角變小,盡量讓漫反射光進(jìn)入到接收器中,基本滿足接收傳感器對光通量的要求,這樣 可以大大提高測量精度和可靠性。
控制系統(tǒng)主要由測量操作控制面板與 PLC 控制系統(tǒng)組成,采用兩者相結(jié)合的方式控制數(shù)控車床二維滑臺運動,帶動各傳感器進(jìn) 行數(shù)據(jù)掃描,并將掃描的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測量操作控制面板采用 AT89C51 單片機作為處理器,將各種操作信息通過 PCI 型 I/O 數(shù)據(jù)采集卡傳入工控機。工控機采用研華IPC-610機箱,PCA-600LV 主板。工控機的測量軟件對傳入的數(shù)據(jù)及控制信 號進(jìn)行處理,并將處理結(jié)果傳遞給數(shù)控車床 PLC,由 PLC 控制數(shù)控車床二維滑臺運動,實現(xiàn)車輛輪對的檢測與自動鏇修。
2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是檢測裝置的核心部分,主要包括模擬量的采集、數(shù)字量的采集、以及數(shù)字量控制信號的輸入輸出等。模擬量的采 集采用 PCI 型250KS/s16位 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡,用于對激光傳感器、渦流傳感器輸出信號的采集。激光傳感器、渦流傳感 器輸出的模擬信號經(jīng)各自的放大器放大后直接輸入 A/D 數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端口上,經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡 A/D 轉(zhuǎn)換后從 PCI 總線 輸入工控機。數(shù)字量的采集采用 PCI 型96路TTL數(shù)字量 I/O 數(shù)據(jù)采集卡,用于對編碼器輸出信號的采集,同時也用于控制信號 的輸出。為了減輕工控機的工作負(fù)擔(dān),每個編碼器的輸出都由一個 AT89C51 單片機數(shù)據(jù)處理板對其輸出信號進(jìn)行預(yù)處理,輸出 數(shù)控車床的實時位置,再由工控機通過I/O 數(shù)據(jù)采集卡從 PCI 總線讀入。
2.3 計算機處理系統(tǒng)
計算機處理系統(tǒng)包括測量控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。測量控制主要是工控機接收測量操作控制面板傳入的控制信息,并輸出 相應(yīng)的控制信息給測量操作控制面板。數(shù)據(jù)處理主要是各傳感器輸出的模擬信號經(jīng)高精度 A/D 轉(zhuǎn)換后,輸入到計算機進(jìn)行數(shù)據(jù) 存儲、數(shù)字濾波和進(jìn)一步數(shù)據(jù)融合處理,終將處理的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在控制測量軟件操作界面的相應(yīng)位置上,供操作人員查看。 并將測量的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及打印。數(shù)據(jù)傳輸主要是工控機將測量的結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)控車床的 PLC 控制系統(tǒng),指導(dǎo)數(shù)控車 床對車輛輪對的鏇修。
3、控制測量軟件設(shè)計
控制測量軟件設(shè)計主要包括兩部分:1)單片機控制程序設(shè)計;2)工控機的測量軟件設(shè)計。
3.1 單片機控制程序
在本數(shù)控車床的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,有兩個地方使用了單片機控制,都采用AT89C51 單片機作為處理器。一個是用于測量控制操作 面板,在該面板上共有5個按鍵,分別是“啟動渦流測量”、“啟動激光測量”、“測量結(jié)果確認(rèn)”、“傳輸左輪數(shù)據(jù)”和“傳 輸右輪數(shù)據(jù)”。每按下一個按鍵,其相應(yīng)的LED指示燈點亮,其余按鍵鎖定,并通過數(shù)據(jù)采集卡將該按鍵信息傳入工控機,工控 機接收到信息后執(zhí)行其相應(yīng)的任務(wù),任務(wù)完成后,工控機通過數(shù)據(jù)采集卡清除按鈕信息并熄滅相應(yīng)的LED指示燈。
另一個是編碼器數(shù)據(jù)處理板,它讀入式編碼器的數(shù)值,判斷其正反轉(zhuǎn),并實時給出編碼器的圈數(shù)及其單圈讀數(shù),輸出數(shù)控車 床的實時位置,然后傳送到數(shù)字 I/O 卡上,工控機可直接從數(shù)字 I/O 卡上讀取數(shù)控車床的實時位置。在圈數(shù)計算時,采用 電平中斷處理的方式,當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)到零位時,即十一位輸出均為低時,單片機INT0. 引腳產(chǎn)生中斷,再判斷編碼器上一個數(shù)值, 是“1”則編碼器反轉(zhuǎn),圈數(shù)減 1,是“2047”則編碼器正轉(zhuǎn),圈數(shù)加1。單片機INT1 引腳接到工控機中的數(shù)據(jù)采集卡上,當(dāng)工 控機發(fā)出一個清零脈沖信號時,編碼器數(shù)據(jù)清零,重新開始計數(shù)。
3.2 工控機的測量軟件設(shè)計
工控機的測量軟件設(shè)計是本系統(tǒng)中的重點,它實現(xiàn)了 5個功能:一是提供用戶界面并接受用戶輸入的指令,二是提供數(shù)據(jù)的存儲 、顯示、查詢、打印等功能,三是根據(jù)掃描的數(shù)據(jù)實時繪制車 輛輪對的輪廓圖形,并與標(biāo)準(zhǔn)輪對輪廓圖形進(jìn)行對比;四是與PCI 數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字 I/O 卡驅(qū)動程序通信,實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的讀入,五是與數(shù)控車床 PLC 系統(tǒng)通訊,實現(xiàn)自動測量與車輛輪對自動 鏇修。為此選用VC作為開發(fā)平臺,進(jìn)行可視化圖形設(shè)計??紤]到輪對表面狀況的差異及現(xiàn)場環(huán)境的干擾,在測量軟件中針對 輪對的不同狀況進(jìn)行實時的補償,并對各種干擾進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理,消除對測量數(shù)據(jù)的影響。數(shù)控車床的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中還對誤 操作、掉電等情形進(jìn)行了自動診斷與保護(hù)。
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