基于PROFINET通信的激光位移傳感器在汽車前懸外傾角檢測(cè)中的應(yīng)用

梁增提　王莉莉　趙佳萌　覃京翎　曾慶文　林峻鋒

摘 要

為了檢測(cè)汽車前懸總成的外傾角，介紹了使用基恩士IL激光位移傳感器和西門子S7-1215C PLC進(jìn)行PROFINET通信，將前懸減震支柱前后高度數(shù)據(jù)讀入PLC中，進(jìn)而計(jì)算出前懸總成外傾角的方法。實(shí)現(xiàn)了前懸外傾角的實(shí)時(shí)、非接觸、高精度檢測(cè)和數(shù)字化處理，為汽車前懸總成外傾角檢測(cè)及追溯系統(tǒng)提供了參考。

關(guān)鍵詞

激光位移傳感器;PROFINET通信;前懸外傾角

中圖分類號(hào)： G633.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.71

0 引言

車輪外傾角，是轉(zhuǎn)向輪定位中的重要參數(shù)之一[1]。偏離設(shè)計(jì)值的車輪外傾角，容易導(dǎo)致汽車跑偏，轉(zhuǎn)向沉重，輪胎異常磨損，降低機(jī)械零件的使用壽命。在汽車的裝配制造過(guò)程中，影響整車前車輪外傾角的重要參數(shù)是前懸總成外傾角（簡(jiǎn)稱前懸外傾角）。通常，對(duì)前懸外傾角的檢測(cè)，主要采取線下角度尺或三坐標(biāo)測(cè)量的方式。前者精度低、誤差大，后者效率低、成本高。兩種方式均無(wú)法做到100%的高精度在線檢測(cè)，既不能保證產(chǎn)品的合格率，也不方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和追溯等操作。因此，在線、實(shí)時(shí)、高精度和數(shù)字化檢測(cè)前懸總成外傾角就具有了非常重要的意義。

1 檢測(cè)原理

汽車前懸外傾角θ是減振支柱與制動(dòng)角總成安裝端面的夾角。檢測(cè)時(shí)，將前懸總成固定于定位機(jī)構(gòu)上，通過(guò)氣缸將平行于制動(dòng)角總成安裝端面的連接板下推，使兩個(gè)測(cè)量頭下壓接觸減振支柱。使用安裝于連接板上的兩個(gè)激光位移傳感器對(duì)前后兩個(gè)測(cè)量頭進(jìn)行測(cè)距，得到高度值h1和h2。將h2減去h1得到的高度差除以傳感器的安裝間距L，即可得到前懸外傾角的正切值。最后，對(duì)正切值進(jìn)行反正切運(yùn)算，就能得出前懸外傾角的角度。檢測(cè)機(jī)構(gòu)如圖1所示，外傾角的計(jì)算原理如圖2所示。

2 總體方案

采用兩個(gè)檢測(cè)范圍為200mm至1000mm的基恩士IL-600激光位移傳感器對(duì)測(cè)量頭進(jìn)行測(cè)距，分別經(jīng)IL-1000主放大器單元和IL-1050擴(kuò)展放大器單元放大處理后，通過(guò)基恩士DL-PN1模塊以PROFINET通信的方式將測(cè)量值傳送給西門子S7-1215C PLC。PLC將兩個(gè)距離數(shù)據(jù)進(jìn)行解析計(jì)算，得出前懸外傾角的角度值，并于西門子TP1200觸摸屏中進(jìn)行顯示，總體方案如圖3所示。

其中，基恩士激光位移傳感器搭載多功能放大器，能進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)顯示以及NPN/PNP判斷和模擬量輸出。配合通信模塊選件，還可以進(jìn)行EtherCAT、CC-Link、DeviceNet、EtherNet/IP、ProfiNet等通信。激光位移傳感器常用于工業(yè)領(lǐng)域中對(duì)厚度、高度、振動(dòng)等方面的高精度、高穩(wěn)定性和非接觸式測(cè)量。

3 硬件組態(tài)

3.1 安裝設(shè)備描述（GSD）文件

IL-600激光位移傳感器通過(guò)DL-PN1通信模塊（IO設(shè)備），即可連接到工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET網(wǎng)絡(luò)），與西門子PLC（IO控制器）進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)I/O通信。

IO設(shè)備的屬性以GSD（General Station Description）文件的形式描述[2]。作為第三方IO設(shè)備的DL-PN1模塊，只有安裝它的GSD文件（如圖4所示），才能將模塊的信息添加到TIA PORTAL軟件的硬件目錄中。

3.2 組態(tài)通信網(wǎng)絡(luò)

在設(shè)備“網(wǎng)絡(luò)視圖”中，添加DL-PN1模塊（硬件目錄：其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備>PROFINET IO>Sensors>KEYENCE COR.），并指定通過(guò)“PLC_1.PROFINET接口_1”連接IO控制器（CPU 1215C），組態(tài)PROFINET的通信網(wǎng)絡(luò)（如圖5所示）。

3.3 組態(tài)IO數(shù)據(jù)地址

在DL-PN1模塊的“設(shè)備概覽”中，添加“IL-1***”傳感器放大器模塊，軟件自動(dòng)分配模塊的IO數(shù)據(jù)地址（如圖6所示），此地址可由用戶自定義。從圖6中可知：放大器1的輸入數(shù)據(jù)地址范圍是IB18至IB24;放大器2的輸入數(shù)據(jù)地址范圍是IB25至IB31;每個(gè)傳感器放大器共有7個(gè)字節(jié)的輸入數(shù)據(jù)。

3.4 設(shè)定通信參數(shù)

查看或設(shè)定現(xiàn)場(chǎng)模塊的信息，在“在線訪問(wèn)”下鏈接現(xiàn)場(chǎng)模塊進(jìn)行操作。在DL-PN1模塊的屬性頁(yè)中，確定模塊的IP地址、IO更新周期和IO設(shè)備名稱與現(xiàn)場(chǎng)模塊信息一致，否則將導(dǎo)致通信失敗。

4 軟件編程

4.1 軟元件映射

各傳感器放大器模塊輸入到PLC的通信軟元件映射如表1所示。結(jié)合圖6的模塊IO數(shù)據(jù)地址和表1的模塊軟元件映射可知：各個(gè)激光位移傳感器的測(cè)量值為32位的整型數(shù)據(jù)（INT32），映射在放大器模塊7個(gè)字節(jié)輸入數(shù)據(jù)的最后4個(gè)字節(jié)中;傳感器1的測(cè)量值數(shù)據(jù)地址為ID21;傳感器2的測(cè)量值數(shù)據(jù)地址為ID28。

其中，P.V.判斷值在不使用內(nèi)部保持功能、段差計(jì)數(shù)濾波器和計(jì)算功能時(shí)，和內(nèi)部測(cè)量值相同。此外，根據(jù)容差設(shè)定，傳感器放大器的判斷值無(wú)效、超出范圍及小于范圍時(shí)不會(huì)更新值，而是保持上一次的值。在想要確認(rèn)當(dāng)前值是否正常時(shí)使用判斷值狀態(tài)屬性。

4.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

IL傳感器的實(shí)際測(cè)量值數(shù)據(jù)范圍為-999.99mm至+999.99mm，通過(guò)PROFINET通信輸入至PLC的數(shù)據(jù)為32位整型數(shù)據(jù)（即-99999至+99999）。因此，需將通信輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，然后除以100，才能得到傳感器的實(shí)際測(cè)量值，轉(zhuǎn)換程序如圖7所示。其中，變量"傳感器1輸入數(shù)據(jù)"為32位的雙整型數(shù)據(jù)（Dint）。

4.3 外傾角計(jì)算

對(duì)兩個(gè)傳感器的實(shí)際測(cè)量值按圖2所示的公式進(jìn)行計(jì)算，即可得出前懸外傾角的角度值，程序如圖8所示。其中，兩個(gè)激光位移傳感器的安裝間距為101mm。由于反正切運(yùn)算指令（ATAN）的運(yùn)算結(jié)果是外傾角的弧度值，1弧度約為57.296度，故須將弧度值運(yùn)算結(jié)果乘以57.296，才能得到正確的外傾角角度值。

5 檢測(cè)試驗(yàn)

安裝檢測(cè)機(jī)構(gòu)、傳感器和各臺(tái)設(shè)備，完成硬件組態(tài)、軟件編程和觸摸屏畫(huà)面組態(tài)后，對(duì)一個(gè)經(jīng)三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)測(cè)出外傾角為7.60°的前懸總成進(jìn)行外傾角檢測(cè)，如圖9所示。PLC監(jiān)視數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果如圖10所示，觸摸屏監(jiān)視畫(huà)面如圖11所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，PLC正確通過(guò)PROFINET通信獲取了激光位移傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)量頭的測(cè)距結(jié)果分別為200.10mm和213.57mm，前懸外傾角的計(jì)算結(jié)果為7.596532°，計(jì)算結(jié)果正確，和三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)的測(cè)量結(jié)果誤差很小。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于PROFINET通信的激光位移傳感器已在汽車前懸總成外傾角的檢測(cè)中通過(guò)了試驗(yàn)，并已在工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。本方案免去了傳感器I/O信號(hào)線的連接工作，降低了系統(tǒng)維修成本和編程開(kāi)發(fā)的難度。也實(shí)現(xiàn)了外傾角的數(shù)字化實(shí)時(shí)檢測(cè)，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，為后續(xù)的數(shù)據(jù)追溯、質(zhì)量分析和工藝優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。將本方案稍做修改，即可應(yīng)用于類似的其他場(chǎng)合中，具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]莫立權(quán)，蘇萍.車輪外傾角偏差影響因素的分析研究[J].裝備制造技術(shù)，2010（05）：24-25.

[2]張永德，李鑫.PROFINET的組成及其應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2006（01）：25-28.