基于PCI的搖枕彈簧自動化檢測與分揀控制系統(tǒng)

王幼林

（吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院，長春 130022）

基于PCI的搖枕彈簧自動化檢測與分揀控制系統(tǒng)

王幼林

（吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院，長春 130022）

為了搖枕彈簧按高度尺寸的細化分類，提出了可分類的自動化動態(tài)測控一體化系統(tǒng)的方案。方案包含了機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中，針對測量數(shù)據(jù)采集，以LabVIEW為環(huán)境平臺，借助VISA標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口程序，通過調(diào)用底層設(shè)備驅(qū)動程序來完成測量儀器對上位機的數(shù)據(jù)自動傳輸。針對測量及分揀機械系統(tǒng)的控制，采用了PCI控制板卡+上位機的構(gòu)架，以Active.Daq控件可供可視化編程的特點，設(shè)計了數(shù)字量輸入輸出程序，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化運作。

搖枕彈簧；PCI總線；檢測與分揀；控制系統(tǒng)

0 引言

機車車輛轉(zhuǎn)向架雖為重型機械范疇，但對產(chǎn)品原始質(zhì)量的要求也在提升，搖枕彈簧的組對安裝是其中的重要環(huán)節(jié)。為保障這一環(huán)節(jié)安裝的高質(zhì)量，將搖枕組對彈簧在較大公差范圍內(nèi)實施高度細化的分類，已是必不可少的生產(chǎn)環(huán)節(jié)了。與一些典型的產(chǎn)品分類、分揀系統(tǒng)一樣，整個流程包含：測量-數(shù)據(jù)獲取-數(shù)據(jù)分析及存儲-數(shù)據(jù)的傳輸-控制系統(tǒng)的執(zhí)行等[1～4]。對于與測控一體化系統(tǒng)而言，相類似的案例及系統(tǒng)設(shè)計較為多見，尤其是利用PCI的多通道特性，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時控制有效解決了許多領(lǐng)域的實際問題。諸如：文獻[5]論述了基于LabVIEW和PCI6514的物品檢測傳送機構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，文獻[6]采用PCI+上位機的方法對多缸液壓伺服控制系統(tǒng)進行壓機位置、速度和液壓缸內(nèi)壓力的實時監(jiān)測，以及對伺服閥的控制。文獻[7]采用運動控制卡+PC作為上位控制單元，交流伺服驅(qū)動器和伺服電機作為執(zhí)行機構(gòu)，光柵尺+數(shù)據(jù)采集卡作為直線位移檢測裝置，設(shè)計了一種全閉環(huán)運動控制系統(tǒng)。本文介紹了一種利用PCI技術(shù)，針對機車搖枕彈簧測量分類系統(tǒng)實施控制的技術(shù)與方法。

1 自動分揀系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

自動分揀系統(tǒng)整體工作將彈簧進行測量后，根據(jù)各自的高度值進行實時在線分揀，其工作流程為：彈簧傳送帶→上料→定位→測量平臺傳動→測量并讀取數(shù)據(jù)→下料→測量平臺初始測量位→上位機發(fā)送分選信號→彈簧進入自動分選區(qū)→光電傳感器確定彈簧到位→氣缸推動彈簧進行自動分類（→超差彈簧直接進入廢料區(qū)）。系統(tǒng)各工位、工作流程與整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中有兩個主要工作流程：

1）物料上傳及自動檢測流程：開始測量時，位置開關(guān)檢測測量平臺是否處于初始測量位，并觸發(fā)上料機械手的上料動作。初始測量位置接近開關(guān)檢測到位后，系統(tǒng)即進入測量模式，此時儀器進行測量工作，并將數(shù)據(jù)傳送至上位機并進行數(shù)據(jù)處理和物料分類，測量平臺直線傳動到達結(jié)束測量位置，即完成一次測量動作。結(jié)束位置接近開關(guān)觸發(fā)下料機械手將測量后的搖枕彈簧搬運到自動分選傳送線上，同時測量平臺回到初始測量工位。

2）物料自動分選流程：一次測量動作完成后，上位機將分選控制信號傳送給控制板卡，同時彈簧被機械手搬運到分選傳送帶上。當(dāng)已測彈簧運行到相對檔位位置時，相對應(yīng)的光電開關(guān)被隔斷，控制板卡接收到位置信息，控制氣缸推動擋板，將彈簧推入相應(yīng)的料斗中，此時分選動作完成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)彈簧自由高度公差值，系統(tǒng)以每1mm為一個檔位進行分類。由于不同型號的彈簧分選要求也不盡相同，最大可分為七檔，所以包括廢料共設(shè)計了八個檔位。

2 控制系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)概述

測量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由上位機系統(tǒng)、PCI控制板卡系統(tǒng)、位置光電傳感器、電機及驅(qū)動器組成。上位機的主要功能是對數(shù)據(jù)進行操作，包括數(shù)據(jù)讀取和處理、數(shù)據(jù)分類并入庫。同時，上位機可以響應(yīng)操作人員的命令，向PCI板卡發(fā)送控制信號。

PCI板卡接收上位機的控制信號和光電傳感器的位置信號并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動系統(tǒng)運行?？刂葡到y(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對于系統(tǒng)的分揀段，根據(jù)常規(guī)各類搖枕彈簧的公差，將分揀機構(gòu)設(shè)置七檔，外加一個超差廢品檔。從測量進出料與分揀進出料角度考慮，測量節(jié)拍必須做到與分選節(jié)拍耦合。在一次測量動作完成時，彈簧必須傳送到相關(guān)檔位，否則若下一個彈簧進入分選區(qū)，將會打亂分選動作，導(dǎo)致分選結(jié)果錯誤。分揀檔位是根據(jù)公差大小依次按序排列的，若已測彈簧為較小檔位，分揀傳輸行程也較小，若已測彈簧為較大檔位，分揀傳輸行程則較大。根據(jù)系統(tǒng)對最終實現(xiàn)分揀時間的要求，必須對分選傳送帶的運動模式進行合理的設(shè)計。若分揀傳輸是以勻速方式運行，小檔位的分揀用時會很短，而對于大檔位的分揀用時則會相對較長。對此采取的是變速分揀傳輸模式。對于最大速度分揀傳輸速度，如果過快，彈簧工件可能會發(fā)生翻倒，因此設(shè)計一個合理的運行速度是前提。

系統(tǒng)設(shè)計的主要時間參數(shù)做如下考慮：為了保證測量精度，測量平臺的正向運行時間必須大于5s，則完成一次來回往復(fù)運動需要用時7.5s?？紤]到機械手上、下料的等待時間4s，則完成一次測量動作時間為12s左右。每一個檔位傳送距離為1m，則分選傳送帶長度為8m，傳送帶非變速情況下最小運行速率為0.67m/s。

2.2 控制系統(tǒng)流程

控制系統(tǒng)整體流程如圖3所示。設(shè)測量平臺起始位置為位置0，末位置為位置1，傳送線上每個檔位前都有一個光電開關(guān)，分別為開光1～8。系統(tǒng)初始化之后，PCI的一個數(shù)字量輸入通道接收位置傳感器信號，當(dāng)檢測到位置0時系統(tǒng)開始運行。激光掃描測量儀測量彈簧高度并將測量結(jié)果上傳至上位機，上位機軟件進行數(shù)據(jù)處理，將檢測到的高度信號進行分類，并將分類結(jié)果發(fā)送給PCI控制板卡的相應(yīng)通道。同時，機械手將已測彈簧搬運到傳送帶上。當(dāng)代表相應(yīng)檔位的通道采集到彈簧到達相應(yīng)光電開關(guān)位置的信號時，PCI板卡通過相應(yīng)的隔離繼電器輸出通道發(fā)送命令，控制氣缸推動擋板，將彈簧從分揀傳輸帶上推入相應(yīng)的料斗中。

圖3 控制系統(tǒng)整體流程圖

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)以上位機為中心，主要硬件結(jié)構(gòu)有：1）PCI-1762控制板卡；2）測量臺步進電機及步進驅(qū)動器；3）測量臺上、下料驅(qū)動電機；4）分揀傳輸帶驅(qū)動電機；5）光電開關(guān)；6）卸料氣缸等部分。下面僅就控制系統(tǒng)的PCI方法加以闡述。

3.1 PCI控制板卡

PCI（Peripheral Component Interconnect），也稱作外設(shè)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)或個人電腦接口，是一種用于高速連接計算機主板和外圍設(shè)備的局部總線標(biāo)準(zhǔn)。PCI局部總線不依附于某個具體處理器，可以看作是在原來的系統(tǒng)總線與CPU之間插入的一級總線，適合為多種外部設(shè)備提供連接口，并保持高性能。PCI局部總線支持即插即用和中斷共享功能，前者可以減少引腳數(shù)量，后者則可以方便的實現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。由于PCI支持總線主控技術(shù)和多路復(fù)用技術(shù)，可實現(xiàn)一些智能化的設(shè)備在特定情況獲得總線控制權(quán)以及在總線上存在超過一個的電子信號。

PCI總線具有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，保證了其高度兼容性，本系統(tǒng)選用了PCI-1762控制板卡。該板卡是一款PCI總線的繼電器輸出及隔離數(shù)字量輸入卡，提供16路光隔離數(shù)字量輸入，以及16個單刀雙擲繼電器，可以用作開關(guān)控制設(shè)備或小型電源斷路。電壓輸入范圍從10到50VDC，非常適合于要求12VDC 、24VDC 、48VDC的工業(yè)應(yīng)用。

為了保護系統(tǒng)和準(zhǔn)確測量，必須進行正確的信號連接。PCI-1762 提供了一個高度集成的DB-62型接口，圖4為其引腳示意圖。其中管腳1～8和22～29為隔離數(shù)字量輸入通道IDI0～IDI15（前八位為奇數(shù)通道，后八位為偶數(shù)通道）。

3.2 控制單元

控制單元的主要功能是對系統(tǒng)各部分動作進行時序分配，使執(zhí)行機構(gòu)各部分按照指定的流程和時序完成指定動作。PCI控制板卡接收光電開關(guān)位置信號，判斷何時發(fā)送控制指令；步進電機驅(qū)動器根據(jù)系統(tǒng)指令驅(qū)動測量平臺工作。上位機與激光掃描測量儀之間采用RS232串口通信，此外，借助于主板插槽PCI控制板卡主機相連，通過指定程序收發(fā)三個模塊的指令，其中有：數(shù)據(jù)采集與通訊模塊，數(shù)據(jù)分析與處理模塊，系統(tǒng)控制模塊。

當(dāng)PCI控制板卡接收到位置傳感器發(fā)送的初始位置信號時，經(jīng)過一段上料等待時間，就會發(fā)送啟動命令，控制步進電機的轉(zhuǎn)動；在接收到位置傳感器發(fā)送的測量結(jié)束位置信號后，就會向測量臺驅(qū)動器發(fā)送一個停止運行命令，測量平臺電機停止運行，下料機構(gòu)將被測彈簧移送分揀傳輸帶上，一個測量周期完成。其后，上位機在對被測數(shù)據(jù)進行分析后處理后，按照被測件分屬的檔位將信息通過PCI向分揀傳輸帶驅(qū)動電機發(fā)出指令。此階段，傳輸可采取二種形式：其一，設(shè)定為勻速傳輸，傳輸以設(shè)計的0.67m/s的速度運行。其二，傳輸帶變速運行，由于分檔位置不同，電機的傳動轉(zhuǎn)速也不同。后者可縮短分揀段的工作時間，但需要在系統(tǒng)中附加變頻器以實現(xiàn)變速。針對每個卸料位置均配置光電傳感器，一旦分揀傳輸帶上的彈簧傳輸?shù)轿粫r，位置光電傳感器被阻斷，隨即，氣缸開始工作將彈簧卸下，一輪分揀工作完成。

圖4 DB-62接口引腳示意圖

4 通信模塊與軟件設(shè)計

根據(jù)圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與圖3控制系統(tǒng)整體流程圖，構(gòu)建上位機系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。三個模塊：數(shù)據(jù)采集與通信、數(shù)據(jù)分析與處理、系統(tǒng)控制。每個模塊又分別完成一定的功能。實現(xiàn)自動化工作主要是指兩個方面，其一是測量系統(tǒng)的串行通訊的自動化，其二是數(shù)據(jù)分析與處理后對系統(tǒng)控制尤其是分揀控制的自動化。

4.1 測量系統(tǒng)的串行通訊的自動化

上位機和測量儀器的數(shù)據(jù)交流采用串行通信方式。串行通信模塊設(shè)計時，需要對波特率、設(shè)備號等參數(shù)進行設(shè)定，若參數(shù)為固定值，也可以在后臺程序中直接設(shè)置。LabVIEW軟件的串口操作均使用VISA節(jié)點，VISA是一個標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口程序，通過調(diào)用底層設(shè)備驅(qū)動程序來完成儀器控制。有兩種常用的串口數(shù)據(jù)操作，一種由儀器控制，采用一問一答的方式，即上位機發(fā)送讀取指令，下位機相應(yīng)指令并將數(shù)據(jù)返回到上位機，上位機讀取數(shù)據(jù)即完成一次通信；一種是上位機被動型，不需要發(fā)送讀指令，下位機會以一定采樣率不斷將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，本系統(tǒng)上位機與激光掃描測量儀之間的串行通信采用的就是第二種。串行通信時，發(fā)送的數(shù)據(jù)為十六進制的ASSIC碼， LabVIEW軟件提供了大量的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換控件，可以將測量值轉(zhuǎn)換成合適的十進制數(shù)據(jù)。串行通信程序框圖如圖6所示。

圖5 上位機系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

4.2 系統(tǒng)運行自動化

在圖5上位機系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)模塊3中其指令來源于模塊2數(shù)據(jù)分析與處理，在該模塊中，主要程序包：讀取測量數(shù)據(jù)最大值截取、十六位轉(zhuǎn)十位、檔位判斷數(shù)據(jù)分檔入庫等。在此工作完成后，分揀控制指令向模塊3發(fā)出。PCI-1762提供16路隔離數(shù)字量輸入通道和16路繼電器輸出通道，可以進行數(shù)字量的輸入輸出。PCI-1762的Active.Daq控件可供可視化編程使用。

圖6 串行通信程序框圖

圖7 慢速數(shù)字量輸入程序框圖

圖8 慢速數(shù)字量輸出程序框圖

在此只是簡要介紹數(shù)字量輸入模塊和輸出模塊的范例，所有的控制命令都是在此范例基礎(chǔ)上的變化。數(shù)字量輸入輸出程序有快速和慢速兩種，快速主要取決于板卡的采樣率，可將采樣時間提速到微秒級；慢速則跟硬件的性能相關(guān)，采樣時間一般為毫秒。由于系統(tǒng)對運動時間的精度要求不高，毫秒級別的慢速程序已經(jīng)可以達到系統(tǒng)要求。圖7和圖8是數(shù)字量輸入輸出程序框圖。先選定設(shè)備號，再通過條件結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)的通道號，通過Device Open.vi和Device Close.vi控制通道的開關(guān)，利用DIO Read Bit.vi子程序循環(huán)的讀取相應(yīng)通道的一位（即一個完整的方波）并顯示出讀取結(jié)果，輸出程序原理與輸入類似。

5 結(jié)束語

針對機車車輛搖枕彈簧測量分揀工作，設(shè)計采用測控一體化的自動化分揀技術(shù)，提出了基于PCI控制板卡實現(xiàn)動態(tài)檢測與分揀的方法，有效地解決了測量子系統(tǒng)，分揀子系統(tǒng)與上位機之間的協(xié)同控制。其中，在構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與通信、數(shù)據(jù)分析與處理、系統(tǒng)控制三個模塊的基礎(chǔ)上，應(yīng)用LabVIEW軟件的串口操作有效地解決了測量數(shù)據(jù)自動傳輸；同時，利用PCI-1762的Active. Daq件實現(xiàn)系統(tǒng)分揀段的多工位控制。

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Control system for bolster spring automatic inspection and sorting based on PCI

WANG You-lin

TP202

：A

1009-0134(2017)03-0035-05

2016-12-01

王幼林（1959 -），男，江蘇海安人，本科，主要從事電工電子技術(shù)的教學(xué)與工業(yè)自動化方面的研究工作。