大型工件檢測裝置控制系統及數據采集系統設計

楊榮建，吳明暉

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

大型零件是大型設備（如航空航天、造船、能源和電力）的基本組件。在大型工件的生產過程中，由于加工過程導致工件產生形變，尺寸精度變差，無法滿足裝配要求，將直接導致產品質量不合格以及后續的加工無法進行，因此在加工前后，大型工件都會有針對不同工況的檢測，以確定其是否符合加工標準，能否運用于實際工業生產中。精密檢測技術作為機械制造業的“眼睛”，可對制品的生產設備、生產過程，以及產出結果進行全面檢測與監控，是機械制造業發展的基礎之一[1]。長期以來，如何提高大型零件制造行業的精度、效率和可靠性一直是技術難題。提高加工質量和效率不僅取決于加工技術，而且還取決于檢驗技術。檢測方式主要分為接觸式和非接觸式。

對于接觸測量，三坐標測量機是廣泛使用的測量儀器[2]。在操作過程中，主監視探頭和真實對象之間的接觸以獲取坐標數據，從而進行零件尺寸的測量。優點是測量精度高；零件粗糙度與反射性能對其影響程度不大；可以直接測量工件的幾何特征。缺點是測量速度慢；對測頭的要求高；該方法不可應用于深孔、小孔和窄縫[3]。

對于非接觸式測量，機器視覺檢測技術具有相對較高的頻率。例如，通過激光三角測量和結構化光來測量零件[4]。原理是反射光源的圖像和圖像傳感器接收的光，其中表面上的每個點都有實際位置相對應。優點是：測量速度快；可測量柔軟、易碎的工件；不會損傷工件表面精度。缺點是：測量精度較差；無法測定幾何特征；無法測量陡峭面；測量精度主要取決于工件表面質量優劣[5-6]。

鑒于非接觸式測量的優點，順應檢測系統全自動化的發展趨勢，本項目擬搭建一套試驗平臺，該平臺的結構設計具備非接觸式測量與激光傳感器的優點，大大增強了測量的可靠性。控制部分的主要過程是上位機（PC）向下位機（PLC）發送控制命令，下位機根據該命令解釋相應的同步信號，直接控制設備。相應地，它讀取設備狀態數據，將其轉換為數字量，然后將其返回給主機。通過軟件設計，采集激光傳感器在工件各處測得的數據，三維重構形成曲面。通過對工件的模型數字化重建，根據分析理論模型，得出誤差大小、整體變形情況。通過數據分析，為我們提供基準數據以進一步改進流程。

1 大型工件檢測裝置機械結構設計

在生產過程的各種檢驗應用中，檢測系統采用激光、機械結構和軟件結合起來的方法來進行檢測。對檢測裝置的主體結構進行設計，主體結構的組成部分：主體支架、支撐平臺、龍門架。檢測裝置床身總長3.5 m，寬1.6 m，高2 m。另有設單獨的檢測裝置控制臺。

檢測裝置的傳動機構是通過由伺服電機帶動的齒輪齒條機構，沿安裝在主體支架上的導軌使龍門架進行橫向的往復運動，來達到讓與龍門架固定的激光傳感器實現往復掃描工件的目的。

檢測裝置的主體結構等關鍵部件都是由符合GB/T 6728-2002 的冷彎空心型鋼組成，具有壁厚均勻、表面光潔、尺寸精確、經濟合理等特點，平臺間的連接由焊接配合螺栓固定完成，如圖1所示。

圖1 大型工件檢測裝置組成Fig.1 Composition of large workpiece detection device

完成主體結構零件建模后，建立檢測裝置虛擬模型，并檢查整個裝配體是否存在干涉。在完成建模后，對所有模型進行了分析和簡化，并改進一些不合理的尺寸，如圓角、倒角、螺栓直徑等。

2 大型工件檢測裝置控制系統設計

2.1 控制系統總體方案

本文設計的控制系統用于大型工件檢測裝置的定位移動和系統運行狀況顯示。如圖2 所示，控制系統的主要硬件由PLC、伺服驅動器、觸摸屏組成。用戶通過發送脈沖控制伺服驅動器來驅動電機完成龍門架的運動，所使用的伺服電機是將脈沖信號轉換成位移量的執行元件，電機的輸出量與輸入的脈沖數成正比，不會隨著電壓等條件變化而變化，穩定可靠。

圖2 控制系統方案圖Fig.2 Control system scheme diagram

通過伺服電機編碼器與PLC 相配合，達到精準定位的功能，伺服電機的光電編碼器將角位移換成脈沖值，輸出給PLC，通過對比PLC 發送脈沖個數和接收到的脈沖個數實現精準定位控制。其精準度可以達到1 μm，滿足檢測裝置的要求。用戶可通過交互界面設置所需要的參數，通過PLC 發出脈沖信號控制伺服電機，驅動檢測裝置龍門架完成預定的動作。

2.2 PLC 程序控制

PLC 控制龍門架進行移動主要有4 部分功能：（1）通過觸摸屏按鈕控制龍門架自由地沿檢測平臺X 軸移動，并設定其移動速度。同時能手動控制伺服電機的電源防止意外的發生；（2）為完成對大型工件的掃描，通過設置檢測平臺初始原點為絕對原點，使龍門架相對于絕對原點移動一定距離，并能在運行結束后返回絕對原點循環運行；（3）可通過PLC 程序加載龍門架所處任意位置為相對原點，再控制龍門架距相對原點運動一段距離，此功能實現了對工件的局部掃描。后兩者其主要原理都是通過PLC 程序判斷是否移動到指定點完成。（4）當控制系統出現異常報警時，系統將分類別處理。其運行流程圖如圖3 所示。

圖3 控制系統流程圖Fig.3 Control system flow chart

Kinco HMIware 作為組態軟件，提供系統數據交互設置、用戶交互畫面編輯、現場設備通訊設置、復雜邏輯編寫、組態工程下載、終端設備管理等功能。通過編輯觸摸屏程序中每個元件的數值輸入屬性，就可以對應地更改與觸摸屏連接的PLC 中相應寄存器的參數。

觸摸屏主要的運行界面如圖4。界面上分別有龍門架當前相對于原點的位置顯示，其根據龍門架實時位置不斷變化，通過點擊觸摸屏中的對話框可以更改手動運行速度、自動運行速度及自動運行的定位距離，其中位置的單位精度達0.001 mm；另外，界面中還設置有手動控制龍門架運行的左右移動按鈕，以及控制伺服供電的按鈕，同時還設有指示燈，用來反饋龍門架運行狀況。

圖4 運行界面Fig.4 Operation interface

3 數據采集系統軟件設計

由于工控機具有環境適應性強、可靠性高、過程輸入輸出配套好及及時性好等特點，所以選擇工控機作為上位機(Win CE 系統)。

因為Visual C#與Windows 緊密結合，用戶可以根據編程的需要定義相應的類，因此Visual C#在使用API 等方面和Windows 聯系最為緊密，而且還具有強大的類庫支持、類改造能力與高效的運行速度[7]，所以決定采用Visual C++編程。

3.1 程序流程設計

如圖5 所示，首先進入程序后第一個流程是故障復位，故障復位的按鈕主要功能是恢復強制伺服斷電后產生的參數變化，而在強制斷電后程序直接進行至結束，故障復位在下一個程序開始時執行，這等效于初始化操作。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

在程序正式開始前要進行一個簡單的身份認證，身份驗證成功后，檢測PLC 連接狀態。連接成功是數據通訊的必要前提，如果連接不成功將跳出提示信息，提示用戶檢測硬件連接是否正確，用戶可通過修改IP 地址、端口號或檢查硬件連接是否正確通過檢測等方式解決連接問題。

在整個主程序中，有一個最重要的斷電保護環節，即伺服斷電，作為處理應急事件的手段。一旦程序接收到了伺服斷電信號，無論程序執行至何處，都會被強制中斷，就相當于熔斷，該中斷的優先級是最高的。

手動控制子程序如圖6 所示，其功能是控制龍門架水平移動。首先，將移動速度錄入指定文本框，按下手動速度設定按鈕后，程序自動獲取文本框內信息，并根據輸入數據規范進行檢查。如果符合規范，即進入下一流程，如果不符合規范，彈出提示框。在成功設定移動速度后，可根據需求點擊不同按鍵選擇向左或向右運動。按下按鈕后，龍門架開始根據之前設定的速度運動，直到按下手動停車按鈕，龍門架停止運動。

圖6 手動控制子程序流程圖Fig.6 Flow chart of manual control subprogram

定位運行子程序如圖7 所示。有兩種運行模式：（1）手動設定位置與速度。按下定位運動按鈕后，龍門架將自行運動，并且程序內部不斷對龍門架當前位置數據進行獲取，并與設定值進行對比，直到實際值=設定值，運動將自行停止；（2）原點復位。工作原理與第一種基本相似，但位置與速度已在系統內自動設置。按下復位按鈕后，龍門架將自行回到起始位置。此外，用戶在原點復位中也可以自定義，這涉及到一個名稱為“裝載當前位置為原點”的按鈕，一旦按下該按鈕，則將當前的位置設置為初始位置，但是不會覆蓋系統中的默認零點，運行模式類似第一種。

圖7 定位運行子程序流程圖Fig.7 Flow chart of positioning operation subprogram

使用多線程，CPU 同一時刻并列執行多個任務，可為主線程分擔壓力，程序運行效率明顯提升。將之前使用計時器timer 類的部分，替換使用thread 類，將其實例化后，可創建多個線程，只要滿足觸發條件，該子線程中的代碼將會被執行，只要加入一個循環判斷條件，即可像之前timer 類一樣，同時進行多功能的使用。在使用多線程后，軟件卡死的問題基本得到了解決。

3.2 軟件界面設計

圖8 是軟件的主界面，大多數功能可以從主界面的按鈕中獲得。圖8 中是上位機尚未與PLC取得通訊的狀態，此時可操作的僅有IP 地址和連接按鈕，輸入正確IP 地址并點擊連接后，其余操作按鈕則會亮起，變成可交互狀態。主界面大致分為5 塊區域：最上面是與PLC 連接所需要的工具以及檢測連接的狀態欄；左上是手動控制部分，包括了在手動控制過程中需要的工具；右上是運行狀態顯示，分為數據顯示和指示燈顯示，對應了不同操作，可以使得用戶實時了解機構運行狀態，方便做出調整；左下是定位運行部分，包括了定位運行所需工具，以及可以打開采集卡數據顯示界面的按鍵，之所以將該按鈕放置在定位運行這一分區內是因為考慮到在實際測量大型工件的過程中，龍門架的運動由定位運行控制，運行的同時需要采集數據，這兩者是相輔相成；右下主要存放了一些用于初始化的按鍵，能夠用于故障調試以及方便多次測量。主界面不僅做了區域劃分，在每個按鍵上也都標明了按鍵功能，使得用戶一目了然，并且當用戶在不適時按了不該按的按鈕或者輸入的數據格式有誤，該程序將自動顯示對話框消息，提醒用戶該怎么做。

圖8 軟件主界面Fig.8 Software main interface

圖9 是采集卡的數據顯示界面，啟動和停止兩個功能通過一個按鍵實現。當按下開始采集后，開始采集鍵將變為終止采集，按鍵顏色改變；與此同時，連接狀態對話框將提示傳感器是否與采集卡連接成功，如果成功連接，數據會出現在電壓和距離文本框內，已讀數據長度會顯示在已讀數據長度的文本框內。由于程序中設定自動存儲數據，故在界面中沒有設置數據存儲按鍵，用戶不需要手動操作，可以直接從文件路徑中調出存儲數據文件。通過軟件設計可以控制龍門架的水平運動并采集各個時刻傳感器的數據。

圖9 采集卡數據顯示界面Fig.9 Data display interface of acquisition card

4 結語

本文設計的大型工件檢測控制和數據采集系統，目的在于研究工件平面度是否滿足加工要求。本文設計的控制系統以PLC 為控制器，通過設計，使PLC 控制器、伺服驅動器和觸摸屏在整個檢測裝置的控制系統中有機結合，更加靈活使用。為使功能最大化，設計了完整的運行監控體系，完成閉環伺服系統建立。在設計數據采集系統中，使用Visual Studio C#編程，C#進行可視化編程制作界面，調用大量第三方庫。在編程過程中將單線程變為多線程加快程序響應速度的方法；創建窗體程序，使用控件，在其中畫柵格，并在柵格中繪制點和線的方法。大型工件檢測裝置是一項重大的研究課題，由于個人時間和能力有限，本文只設計了相關的控制系統以及數據采集系統，還不是十分完善。