VC++上位機與PLC在汽車覆蓋件剛度測量中的應用

邢忠文 趙 棟 雷呈喜

（哈爾濱工業大學）

1 前言

汽車覆蓋件剛度是指汽車覆蓋件抵抗靜態變形的能力[1]，是反映其使用性能的重要指標。日趨完善的工業自動化對汽車覆蓋件剛度的測量提出了新的要求，傳統的手壓經驗式測量和人工機械加載測量因測量誤差大、可操作性差已逐步被淘汰，而研究精準、方便且穩定的自動化剛度測控系統則日益重要。

要實現壓力加載的自動化控制和測量數據的精確采集，需要穩定可靠的測控系統完成。目前對于剛度測試儀的研究主要集中在結構設計和優化上[2,3]，而對剛度測試儀控制系統的研究很少涉及。陸向寧[4]用Delphi開發了剛度測試儀的控制系統，但是界面相對簡單，而且數據采集采用采集卡，未進行串行通訊的時序化處理，測量結果誤差較大。

覆蓋件剛度測量的主要內容分為測試點載荷信號和位移信號兩部分。本文提出的方法將VC++上位機與PLC結合，集合了PLC使用方便穩定、編程簡單可靠的特點及VC++上位機通信便捷、人機界面友好的優勢，并通過試驗驗證了這種方法的有效性，實現了汽車覆蓋件剛度的自動化測量。

2 汽車覆蓋件剛度測量

2.1 剛度測量原理

式中，P為作用在部件上的外力；x為部件變形量。

汽車覆蓋件剛度測量基本原理是:將試件放在試驗平臺上，選擇好試件測試點，通過壓頭對測試點施加載荷，試件在壓頭壓力作用下會產生一定程度的撓曲變形，通過壓力傳感器和位移傳感器實時地將試件測試點所受載荷和位移分別測出，然后利用PLC采集測量信號并傳輸到計算機端的上位機。通過準確采集連續加載過程中每個點的載荷和位移，獲得1條完整的載荷-位移曲線。最后在彈性范

根據定義，剛度的數學表達式為:圍內選取曲線中合適的曲線段作為剛度評價有效段，進行二次擬合并求其斜率，即得到覆蓋件的剛度。

2.2 剛度評價指標

根據圖1所示的汽車覆蓋件剛度特性曲線，可得評定汽車覆蓋件剛度的評價指標[5，6]為載荷-撓度曲線的斜率K、產生油壺效應的臨界載荷PB、一定載荷作用下的撓度δP和產生一定撓度的載荷Pδ。

評價指標中，臨界載荷PB不易獲得，如有些零件雖然產生了油壺效應，但是載荷下降的幅度不明顯，且載荷-撓度曲線具有一定的波動性，很難判斷油壺效應產生時載荷出現的位置。

檢測撓度δP和Pδ時存在以下問題:檢驗載荷和限定位移值沒有統一標準；測量時可能超出覆蓋件彈性范圍，而剛度屬于成型件彈性范圍內的性質，只有在彈性范圍內才可準確測量，很難保證覆蓋件在一定載荷或一定位移下仍然處于彈性變形范圍內；由于實際測量得到的載荷-位移曲線不是嚴格的平滑曲線，在截取相應載荷和位移時相鄰點會有不規則波動，因此會給測量結果帶來較大誤差。

載荷-撓度曲線的斜率K雖然也有一定局限性，如載荷-撓度曲線由于各點斜率不同而難以統一，但與其它3種評價方式相比，其與剛度定義式（1）相吻合，更符合覆蓋件剛度測量的特點，且有較大的改進空間。

因此，汽車覆蓋件剛度測量系統使用的剛度評價指標是一種由評價指標載荷-撓度曲線的斜率K改進后，并基于初始點斜率的評價方式，其評價步驟如下。

a.彈性變形范圍的確定。覆蓋件剛度的測量是在其彈性變形范圍內進行。對覆蓋件剛度進行分析得出，試件測試點在產生約0.3 mm的位移時，試件沒有發生塑性變形，并且其載荷-撓度曲線沒有發生梯度改變，因此選擇壓頭開始對試件施壓至試件產生約0.3 mm位移時的這段曲線作為被測試件剛度分析曲線。

b.初始點的選取。在最初的運行加載過程中，剛度測量設備的各機械組件間有微小的間隙，開始加載后的接觸瞬間所測量的試驗點數據會有微小的突變。而根據試驗可知，在載荷大于1 N時可消除數據噪點，所以剛度分析的有效曲線從載荷大于1 N開始。同樣，將產生1 N載荷的曲線上的點作為剛度測試的初始點。

c.覆蓋件剛度K0的計算。對初始載荷為1 N開始至產生0.3 mm位移的曲線段進行二次擬合，得到載荷和撓度的二次關系式:

對式（2）求導，可得到二次曲線的斜率表達式為:

2.3 剛度測控系統硬件組成

覆蓋件剛度測控系統組成如圖2所示。

測控系統硬件主要包括電機及其驅動器、壓力傳感器、位移傳感器、PLC下位機及計算機端的上位機。根據系統需求可對相應部件進行選型。

2.3.1 電機及其驅動器

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或直線位移的電磁機械裝置，可在很寬的范圍內通過改變脈沖頻率來調速，具有結構簡單、控制方便的優點，為此選擇了24 V直流供電的三相混合式步進電機，并選擇步進電機驅動器與其配套使用。

2.3.2 位移傳感器和壓力傳感器

位移傳感器選擇直線光柵位移傳感器，直線位移最大量程為1000 mm，最小分辨率為1 μm，精度為±5 μm。將位移傳感器的標尺光柵安裝于測試壓頭上，測量開始后指示光柵與壓頭隨光桿直線上下運動，從而得到壓頭的位移量。壓力傳感器選擇應變片力傳感器，量程為0～300 N，精度為0.2%。

2.3.3 PLC下位機

汽車覆蓋件剛度測量系統中下位機PLC為晶體管輸出類型，處理速度為0.32 μs，運算1000步只需0.32 ms。在采集壓力傳感器的壓力信號時，選用PLC模擬輸入插卡的電壓輸入范圍為0～10 V，分辨率為12 bit。

依據相關的接口標準對覆蓋件剛度測量設備硬件部件進行連接和調試。

3 PLC下位機加載控制的實現

3.1 步進電機控制流程

在測控系統的壓力加載控制模塊中，選用松下FP-X型號的PLC對控制測試壓頭的步進電機進行控制。PLC驅動電機以設定的速度正轉、反轉和停止，從而控制測試壓頭上升、下降和停止，并使各部分協調有序且相互配合工作。PLC下位機控制流程如圖3所示。

由圖3可看出，步進電機開始運行后，在程序運行的任意時刻按下停止按鈕可停止步進電機工作。通過控制步進電機正轉、反轉可使測試壓頭實現下行和上行運動，從而實現對覆蓋件的壓力加載和卸載。同時根據測量需要，可通過低速、中速和高速3個按鈕控制步進電機的運行速度，實現加載的調速。

3.2 PLC的I/O分配

FP-X PLC的I/O分配如表1所列。將光柵位移傳感器的A相信號、B相信號和Z相信號分別接入PLC的X0、X1和X2端子上，A相為主信號，B相為副信號，2個信號周期相同，相位差為90度，Z信號作為校準信號以消除累計誤差。光柵位移傳感器安裝完成后，為避免測試壓頭移動時讀數頭沖撞到主尺兩端而損壞光柵尺，應對其進行限位設計，上限點和下限點分別接入XC端子和XD端子。測試壓頭移動速度分為低、中、高 3 檔，分別接入 X5、X6、X7端子。為采集壓力傳感器的壓力信號，將壓力傳感器的輸出接入AFPX-AD2的WX10端子。輸出端子Y0和Y1分別接MS電機驅動器的正向步進脈沖信號負端（CW-）和反向步進脈沖信號負端（CCW-），從而實現壓頭的上行和下行運動控制。

表1 FP-X PLC的I/O分配

3.3 下位機加載控制的實現指令F172

FP-X PLC控制步進電機時采用CW/CCW雙脈沖輸出控制模式，驅動器接收兩路脈沖信號，當其中一路（如CW）有脈沖信號時，電機正轉，壓頭上行；當另一路（如CCW）有脈沖信號時，電機反轉，壓頭下行。因此，PLC下位機加載控制的核心就是通過控制輸出脈沖的頻率、數量和方向來控制測試壓頭的運動速度、運行距離和上下行方向。

利用FP-X中的高級指令F172可以實現對測試壓頭的運動控制。F172為JOG運行，執行條件為ON時可獲得任意輸出的JOG運行。其指令分為控制代碼、頻率和目標值3部分。

控制代碼為十六進制常數。第1～2位決定脈沖是以CW/CCW方式輸出還是以Pulse/Sign方式輸出；第3位設定輸出的頻率范圍；第4位設定脈沖占空比，分為1/2占空比（置 0）和1/4占空比（置 1）；第5位設定目標值模式，分為無目標值模式（置0）和有目標值模式（置1）。頻率設定為十進制常數，在控制代碼的設定范圍內進行設置。目標值為輸出脈沖數量，在指定值大于當前值時進行脈沖加計數，指定值小于當前值時進行脈沖減計數，直至與目標值一致時停止脈沖輸出[7]。

在汽車覆蓋件剛度測量系統中，選用CW/CCW輸出方式，占空比選擇1/2，頻率范圍設定為1.5～9.8 Hz，頻率值存儲在PLC的數據寄存器DT32710中。FP-X PLC加載控制部分梯形圖代碼如圖4所示。

4 VC++上位機與PLC通信的實現

4.1 PLC通信方式

FP-X PLC提供了2種串行通信的功能接口，一種是傳統的RS232C接口，一種是USB接口。PLC與計算機之間的串行通信直接采用USB端口。

4.2 FP-X通信協議

通信系統中，計算機作為上位機與下位機PLC進行通信時，需要通信協議對雙方如何交換信息建立一些規定。FP-X通信系統的基本協議是MEWTOCOL-COM[8]。USB電纜將計算機與PLC鏈接后，則計算機為MEWTOCOL主站，PLC為MEWTOCOL從站。針對PLC的指令稱為指令信息，從計算機端發出、由PLC返回計算機的信息稱為響應信息，PLC收到指令信息后 （與順序程序無關）自行處理并做出響應，計算機則可通過返回的響應確認指令執行的結果。通信協議的數據幀分為指令幀格式（圖5）和響應幀格式，響應幀格式分為正常響應幀（圖6）和錯誤響應幀（圖7）2種方式。

圖中，[%]和[＜]為始端代碼，其中[%]開頭一幀可以發送118個字符，[＜]開頭單一幀最多可發送2048個字符；[H]和[L]分別為寫入指令接收方的站號的高位和低位，在本設計中為1:1通信，因此指定為[01]；[#]、[$]和[!]為標識碼，標記該幀為何種類型，其分別對應指令幀、正常響應幀、錯誤響應幀；[BCC]為校驗碼，為2位十六進制數，其初值為“0”，然后從起始符開始與該幀報文中每一字節進行異或運算得到結果。

4.3 VC++上位機與PLC通信接口實現

上位機與PLC進行串行通信時，需要在計算機端設計相應的通信軟件。通信軟件使用C++語言進行編寫[9]，開發環境選用MicrosoftVisualStudio 2008[10]。 使用VC進行串行通信設計的方法有兩種[11，12]，一種是MSComm控件編程，該方法編程簡單、代碼量少，但執行效率低，代碼靈活度差；另一種是WIN32 API函數編程，編碼稍復雜，但靈活性高。因此選用API函數進行串口通信設計。在串口通信設計中，提出了基于定時器的新型通信方法，利用定時器控制計算機與PLC之間通信話語權的傳遞。這種方法一是采用了主動輪詢的方式，將通信話語權在計算機與PLC之間轉換，符合系統硬件通信原理；二是在數據采集時進行可控定時操作，實現對測量結果的時序化穩定采集，很大程度上提升了數據結果的準確性和穩定性。

VC++上位機與PLC通信接口實現分為串口設備的打開和初始化、計算機與PLC收發命令接口實現和時序化處理等3步驟[13]。

4.3.1 串口設備的打開和初始化

使用CreateFile（）函數打開串口，得到一個串口句柄，可以通過該句柄實現對串口的訪問。通常使用串口之前需要設置串口的參數,使用SetupComm（）函數可以設置串口輸入、輸出緩沖區的大小，SetupCommState（）函數可以設置波特率、數據位、停止位等參數。同時在設置通信參數時需要使用DCB（Device-Control Block）設備控制塊結構[11]。

4.3.2 計算機與PLC收發命令接口實現

計算機與PLC的收發命令接口是通過發送命令接口和接收相應接口兩部分組成，使用C++類CPCConnectPLC中指令來實現。計算機與PLC的通訊流程圖如圖8所示[14]。

4.3.3 時序化處理

傳統的串行通信多采用被動式事件驅動方式獲取數據，即當串口接收緩沖區收到數據時，立即自動執行接收數據的函數并對數據進行采集。這種方式對于反饋信號隨機到來的通信系統適用，而對于覆蓋件剛度測控系統，PLC與計算機之間話語權呈規律式互換，FP-X PLC的響應延時為80 ms，所以其反饋響應并非隨機信號。另外，覆蓋件剛度的測量要求測量數據為覆蓋件靜變形時的準確值，即測量時覆蓋件承受的壓力為靜載荷。被動式事件驅動方式在獲取數據的同時立即進行采集，而此時施加載荷的壓頭還處于運動狀態，返回的數據必定與靜態載荷下的數據有誤差，并且測量數據正處于一個劇烈波動的時刻，因此對數據結果造成很大影響，大大降低了測量結果的準確性。

輪詢式串口通信對計算機指令和PLC響應都進行了時序設計，利用實際參數進行定時器設定，并通過延時使采集數據保持在覆蓋件靜變形時刻。

4.4 VC++上位機界面功能

為方便對試驗進程及結果數據的控制，需要開發上位機人機界面。利用Microsoft Visual Studio2008中對話框設計工具箱，對上位機界面進行個性化設計。上位機界面包含測試壓頭的運動控制、步進電機的參數設置、試驗試件的信息錄入、剛度曲線的記錄顯示等主要功能區域。

5 試驗測試案例

利用汽車覆蓋件剛度測量裝置，對上海寶鋼生產的2種不同類型的汽車左前門外板進行剛度測試。2種汽車覆蓋件材料分別為ST14（厚度為0.8 mm）和B180H1（厚度為0.75 mm），每種材料分別選取2個不同位置的測試點 （中間位置點A和邊緣位置點B），現場測試情況如圖9所示。

測量曲線如圖10和圖11所示。重復測量3次并對測得的剛度（初始點斜率）求平均值，結果見表2。

表2 汽車左前門外板剛度測試結果 N/mm

由表2可知，在相同約束條件下，2種材料覆蓋件的B點剛度均明顯高于A點剛度，說明同一覆蓋件不同部位的剛度是不同的，覆蓋件剛度受幾何形狀的影響。由2個覆蓋件相同部位測試結果可知，板材剛度隨厚度的增大而相應變大，試驗測量結果符合剛度理論。

從表2中每個測試點的3次測量結果可知，剛度測試結果重復性強，說明該剛度測試裝置控制系統的穩定性好。

6 結束語

通過對汽車覆蓋件剛度的評價指標進行歸結和分析，提出了基于載荷-位移曲線上初始曲線段進行二次擬合并求初始點斜率的剛度評價方法。選擇了基于VC++上位機和FP-X型號PLC的自動化測控系統，通過PLC梯形圖設計實現對剛度測量設備的運動控制，并利用VC++上位機和PLC的通信程序設計，實現了覆蓋件剛度測量數據的采集。采用時序化通信設計，使覆蓋件剛度測量狀態保持在靜態變形下，保證了試驗結果的準確性。通過汽車覆蓋件剛度重復測試試驗，證實了基于VC++上位機和PLC的測控系統的穩健性和實用性。

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