邢忠文 趙 棟 雷呈喜

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

1 前言

汽車覆蓋件剛度是指汽車覆蓋件抵抗靜態(tài)變形的能力[1]，是反映其使用性能的重要指標(biāo)。日趨完善的工業(yè)自動(dòng)化對汽車覆蓋件剛度的測量提出了新的要求，傳統(tǒng)的手壓經(jīng)驗(yàn)式測量和人工機(jī)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(zhǔn)、方便且穩(wěn)定的自動(dòng)化剛度測控系統(tǒng)則日益重要。

要實(shí)現(xiàn)壓力加載的自動(dòng)化控制和測量數(shù)據(jù)的精確采集，需要穩(wěn)定可靠的測控系統(tǒng)完成。目前對于剛度測試儀的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化上[2,3]，而對剛度測試儀控制系統(tǒng)的研究很少涉及。陸向?qū)嶽4]用Delphi開發(fā)了剛度測試儀的控制系統(tǒng)，但是界面相對簡單，而且數(shù)據(jù)采集采用采集卡，未進(jìn)行串行通訊的時(shí)序化處理，測量結(jié)果誤差較大。

覆蓋件剛度測量的主要內(nèi)容分為測試點(diǎn)載荷信號和位移信號兩部分。本文提出的方法將VC++上位機(jī)與PLC結(jié)合，集合了PLC使用方便穩(wěn)定、編程簡單可靠的特點(diǎn)及VC++上位機(jī)通信便捷、人機(jī)界面友好的優(yōu)勢，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了汽車覆蓋件剛度的自動(dòng)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(yàn)平臺(tái)上，選擇好試件測試點(diǎn)，通過壓頭對測試點(diǎn)施加載荷，試件在壓頭壓力作用下會(huì)產(chǎn)生一定程度的撓曲變形，通過壓力傳感器和位移傳感器實(shí)時(shí)地將試件測試點(diǎn)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?shù)接?jì)算機(jī)端的上位機(jī)。通過準(zhǔn)確采集連續(xù)加載過程中每個(gè)點(diǎn)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(jù)定義，剛度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:圍內(nèi)選取曲線中合適的曲線段作為剛度評價(jià)有效段，進(jìn)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(jià)指標(biāo)

根據(jù)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(jià)指標(biāo)[5，6]為載荷-撓度曲線的斜率K、產(chǎn)生油壺效應(yīng)的臨界載荷PB、一定載荷作用下的撓度δP和產(chǎn)生一定撓度的載荷Pδ。

評價(jià)指標(biāo)中，臨界載荷PB不易獲得，如有些零件雖然產(chǎn)生了油壺效應(yīng)，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(dòng)性，很難判斷油壺效應(yīng)產(chǎn)生時(shí)載荷出現(xiàn)的位置。

檢測撓度δP和Pδ時(shí)存在以下問題:檢驗(yàn)載荷和限定位移值沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；測量時(shí)可能超出覆蓋件彈性范圍，而剛度屬于成型件彈性范圍內(nèi)的性質(zhì)，只有在彈性范圍內(nèi)才可準(zhǔn)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(nèi)；由于實(shí)際測量得到的載荷-位移曲線不是嚴(yán)格的平滑曲線，在截取相應(yīng)載荷和位移時(shí)相鄰點(diǎn)會(huì)有不規(guī)則波動(dòng)，因此會(huì)給測量結(jié)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(diǎn)斜率不同而難以統(tǒng)一，但與其它3種評價(jià)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(diǎn)，且有較大的改進(jìn)空間。

因此，汽車覆蓋件剛度測量系統(tǒng)使用的剛度評價(jià)指標(biāo)是一種由評價(jià)指標(biāo)載荷-撓度曲線的斜率K改進(jìn)后，并基于初始點(diǎn)斜率的評價(jià)方式，其評價(jià)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(nèi)進(jìn)行。對覆蓋件剛度進(jìn)行分析得出，試件測試點(diǎn)在產(chǎn)生約0.3 mm的位移時(shí)，試件沒有發(fā)生塑性變形，并且其載荷-撓度曲線沒有發(fā)生梯度改變，因此選擇壓頭開始對試件施壓至試件產(chǎn)生約0.3 mm位移時(shí)的這段曲線作為被測試件剛度分析曲線。

b.初始點(diǎn)的選取。在最初的運(yùn)行加載過程中，剛度測量設(shè)備的各機(jī)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(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)有微小的突變。而根據(jù)試驗(yàn)可知，在載荷大于1 N時(shí)可消除數(shù)據(jù)噪點(diǎn)，所以剛度分析的有效曲線從載荷大于1 N開始。同樣，將產(chǎn)生1 N載荷的曲線上的點(diǎn)作為剛度測試的初始點(diǎn)。

c.覆蓋件剛度K0的計(jì)算。對初始載荷為1 N開始至產(chǎn)生0.3 mm位移的曲線段進(jìn)行二次擬合，得到載荷和撓度的二次關(guān)系式:

對式（2）求導(dǎo)，可得到二次曲線的斜率表達(dá)式為:

2.3 剛度測控系統(tǒng)硬件組成

覆蓋件剛度測控系統(tǒng)組成如圖2所示。

測控系統(tǒng)硬件主要包括電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、壓力傳感器、位移傳感器、PLC下位機(jī)及計(jì)算機(jī)端的上位機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)需求可對相應(yīng)部件進(jìn)行選型。

2.3.1 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或直線位移的電磁機(jī)械裝置，可在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便的優(yōu)點(diǎn)，為此選擇了24 V直流供電的三相混合式步進(jìn)電機(jī)，并選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(biāo)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(yùn)動(dòng)，從而得到壓頭的位移量。壓力傳感器選擇應(yīng)變片力傳感器，量程為0～300 N，精度為0.2%。

2.3.3 PLC下位機(jī)

汽車覆蓋件剛度測量系統(tǒng)中下位機(jī)PLC為晶體管輸出類型，處理速度為0.32 μs，運(yùn)算1000步只需0.32 ms。在采集壓力傳感器的壓力信號時(shí)，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(jù)相關(guān)的接口標(biāo)準(zhǔn)對覆蓋件剛度測量設(shè)備硬件部件進(jìn)行連接和調(diào)試。

3 PLC下位機(jī)加載控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 步進(jìn)電機(jī)控制流程

在測控系統(tǒng)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(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。PLC驅(qū)動(dòng)電機(jī)以設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，從而控制測試壓頭上升、下降和停止，并使各部分協(xié)調(diào)有序且相互配合工作。PLC下位機(jī)控制流程如圖3所示。

由圖3可看出，步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)行后，在程序運(yùn)行的任意時(shí)刻按下停止按鈕可停止步進(jìn)電機(jī)工作。通過控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)可使測試壓頭實(shí)現(xiàn)下行和上行運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對覆蓋件的壓力加載和卸載。同時(shí)根據(jù)測量需要，可通過低速、中速和高速3個(gè)按鈕控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)加載的調(diào)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(gè)信號周期相同，相位差為90度，Z信號作為校準(zhǔn)信號以消除累計(jì)誤差。光柵位移傳感器安裝完成后，為避免測試壓頭移動(dòng)時(shí)讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端而損壞光柵尺，應(yīng)對其進(jìn)行限位設(shè)計(jì)，上限點(diǎn)和下限點(diǎn)分別接入XC端子和XD端子。測試壓頭移動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器的正向步進(jìn)脈沖信號負(fù)端（CW-）和反向步進(jìn)脈沖信號負(fù)端（CCW-），從而實(shí)現(xiàn)壓頭的上行和下行運(yùn)動(dòng)控制。

表1 FP-X PLC的I/O分配

3.3 下位機(jī)加載控制的實(shí)現(xiàn)指令F172

FP-X PLC控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)采用CW/CCW雙脈沖輸出控制模式，驅(qū)動(dòng)器接收兩路脈沖信號，當(dāng)其中一路（如CW）有脈沖信號時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，壓頭上行；當(dāng)另一路（如CCW）有脈沖信號時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，壓頭下行。因此，PLC下位機(jī)加載控制的核心就是通過控制輸出脈沖的頻率、數(shù)量和方向來控制測試壓頭的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)行距離和上下行方向。

利用FP-X中的高級指令F172可以實(shí)現(xiàn)對測試壓頭的運(yùn)動(dòng)控制。F172為JOG運(yùn)行，執(zhí)行條件為ON時(shí)可獲得任意輸出的JOG運(yùn)行。其指令分為控制代碼、頻率和目標(biāo)值3部分。

控制代碼為十六進(jìn)制常數(shù)。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(shè)定輸出的頻率范圍；第4位設(shè)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(shè)定目標(biāo)值模式，分為無目標(biāo)值模式（置0）和有目標(biāo)值模式（置1）。頻率設(shè)定為十進(jìn)制常數(shù)，在控制代碼的設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。目標(biāo)值為輸出脈沖數(shù)量，在指定值大于當(dāng)前值時(shí)進(jìn)行脈沖加計(jì)數(shù)，指定值小于當(dāng)前值時(shí)進(jìn)行脈沖減計(jì)數(shù)，直至與目標(biāo)值一致時(shí)停止脈沖輸出[7]。

在汽車覆蓋件剛度測量系統(tǒng)中，選用CW/CCW輸出方式，占空比選擇1/2，頻率范圍設(shè)定為1.5～9.8 Hz，頻率值存儲(chǔ)在PLC的數(shù)據(jù)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(jī)與PLC通信的實(shí)現(xiàn)

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(tǒng)的RS232C接口，一種是USB接口。PLC與計(jì)算機(jī)之間的串行通信直接采用USB端口。

4.2 FP-X通信協(xié)議

通信系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)與下位機(jī)PLC進(jìn)行通信時(shí)，需要通信協(xié)議對雙方如何交換信息建立一些規(guī)定。FP-X通信系統(tǒng)的基本協(xié)議是MEWTOCOL-COM[8]。USB電纜將計(jì)算機(jī)與PLC鏈接后，則計(jì)算機(jī)為MEWTOCOL主站，PLC為MEWTOCOL從站。針對PLC的指令稱為指令信息，從計(jì)算機(jī)端發(fā)出、由PLC返回計(jì)算機(jī)的信息稱為響應(yīng)信息，PLC收到指令信息后 （與順序程序無關(guān)）自行處理并做出響應(yīng)，計(jì)算機(jī)則可通過返回的響應(yīng)確認(rèn)指令執(zhí)行的結(jié)果。通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀分為指令幀格式（圖5）和響應(yīng)幀格式，響應(yīng)幀格式分為正常響應(yīng)幀（圖6）和錯(cuò)誤響應(yīng)幀（圖7）2種方式。

圖中，[%]和[＜]為始端代碼，其中[%]開頭一幀可以發(fā)送118個(gè)字符，[＜]開頭單一幀最多可發(fā)送2048個(gè)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(shè)計(jì)中為1:1通信，因此指定為[01]；[#]、[$]和[!]為標(biāo)識碼，標(biāo)記該幀為何種類型，其分別對應(yīng)指令幀、正常響應(yīng)幀、錯(cuò)誤響應(yīng)幀；[BCC]為校驗(yàn)碼，為2位十六進(jìn)制數(shù)，其初值為“0”，然后從起始符開始與該幀報(bào)文中每一字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算得到結(jié)果。

4.3 VC++上位機(jī)與PLC通信接口實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)與PLC進(jìn)行串行通信時(shí)，需要在計(jì)算機(jī)端設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信軟件。通信軟件使用C++語言進(jìn)行編寫[9]，開發(fā)環(huán)境選用MicrosoftVisualStudio 2008[10]。 使用VC進(jìn)行串行通信設(shè)計(jì)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(zhí)行效率低，代碼靈活度差；另一種是WIN32 API函數(shù)編程，編碼稍復(fù)雜，但靈活性高。因此選用API函數(shù)進(jìn)行串口通信設(shè)計(jì)。在串口通信設(shè)計(jì)中，提出了基于定時(shí)器的新型通信方法，利用定時(shí)器控制計(jì)算機(jī)與PLC之間通信話語權(quán)的傳遞。這種方法一是采用了主動(dòng)輪詢的方式，將通信話語權(quán)在計(jì)算機(jī)與PLC之間轉(zhuǎn)換，符合系統(tǒng)硬件通信原理；二是在數(shù)據(jù)采集時(shí)進(jìn)行可控定時(shí)操作，實(shí)現(xiàn)對測量結(jié)果的時(shí)序化穩(wěn)定采集，很大程度上提升了數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

VC++上位機(jī)與PLC通信接口實(shí)現(xiàn)分為串口設(shè)備的打開和初始化、計(jì)算機(jī)與PLC收發(fā)命令接口實(shí)現(xiàn)和時(shí)序化處理等3步驟[13]。

4.3.1 串口設(shè)備的打開和初始化

使用CreateFile（）函數(shù)打開串口，得到一個(gè)串口句柄，可以通過該句柄實(shí)現(xiàn)對串口的訪問。通常使用串口之前需要設(shè)置串口的參數(shù),使用SetupComm（）函數(shù)可以設(shè)置串口輸入、輸出緩沖區(qū)的大小，SetupCommState（）函數(shù)可以設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù)。同時(shí)在設(shè)置通信參數(shù)時(shí)需要使用DCB（Device-Control Block）設(shè)備控制塊結(jié)構(gòu)[11]。

4.3.2 計(jì)算機(jī)與PLC收發(fā)命令接口實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)與PLC的收發(fā)命令接口是通過發(fā)送命令接口和接收相應(yīng)接口兩部分組成，使用C++類CPCConnectPLC中指令來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)與PLC的通訊流程圖如圖8所示[14]。

4.3.3 時(shí)序化處理

傳統(tǒng)的串行通信多采用被動(dòng)式事件驅(qū)動(dòng)方式獲取數(shù)據(jù)，即當(dāng)串口接收緩沖區(qū)收到數(shù)據(jù)時(shí)，立即自動(dòng)執(zhí)行接收數(shù)據(jù)的函數(shù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這種方式對于反饋信號隨機(jī)到來的通信系統(tǒng)適用，而對于覆蓋件剛度測控系統(tǒng)，PLC與計(jì)算機(jī)之間話語權(quán)呈規(guī)律式互換，F(xiàn)P-X PLC的響應(yīng)延時(shí)為80 ms，所以其反饋響應(yīng)并非隨機(jī)信號。另外，覆蓋件剛度的測量要求測量數(shù)據(jù)為覆蓋件靜變形時(shí)的準(zhǔn)確值，即測量時(shí)覆蓋件承受的壓力為靜載荷。被動(dòng)式事件驅(qū)動(dòng)方式在獲取數(shù)據(jù)的同時(shí)立即進(jìn)行采集，而此時(shí)施加載荷的壓頭還處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，返回的數(shù)據(jù)必定與靜態(tài)載荷下的數(shù)據(jù)有誤差，并且測量數(shù)據(jù)正處于一個(gè)劇烈波動(dòng)的時(shí)刻，因此對數(shù)據(jù)結(jié)果造成很大影響，大大降低了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

輪詢式串口通信對計(jì)算機(jī)指令和PLC響應(yīng)都進(jìn)行了時(shí)序設(shè)計(jì)，利用實(shí)際參數(shù)進(jìn)行定時(shí)器設(shè)定，并通過延時(shí)使采集數(shù)據(jù)保持在覆蓋件靜變形時(shí)刻。

4.4 VC++上位機(jī)界面功能

為方便對試驗(yàn)進(jìn)程及結(jié)果數(shù)據(jù)的控制，需要開發(fā)上位機(jī)人機(jī)界面。利用Microsoft Visual Studio2008中對話框設(shè)計(jì)工具箱，對上位機(jī)界面進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。上位機(jī)界面包含測試壓頭的運(yùn)動(dòng)控制、步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)試件的信息錄入、剛度曲線的記錄顯示等主要功能區(qū)域。

5 試驗(yàn)測試案例

利用汽車覆蓋件剛度測量裝置，對上海寶鋼生產(chǎn)的2種不同類型的汽車左前門外板進(jìn)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(gè)不同位置的測試點(diǎn) （中間位置點(diǎn)A和邊緣位置點(diǎn)B），現(xiàn)場測試情況如圖9所示。

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

表2 汽車左前門外板剛度測試結(jié)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(diǎn)剛度均明顯高于A點(diǎn)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(gè)覆蓋件相同部位測試結(jié)果可知，板材剛度隨厚度的增大而相應(yīng)變大，試驗(yàn)測量結(jié)果符合剛度理論。

從表2中每個(gè)測試點(diǎn)的3次測量結(jié)果可知，剛度測試結(jié)果重復(fù)性強(qiáng)，說明該剛度測試裝置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。

6 結(jié)束語

通過對汽車覆蓋件剛度的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸結(jié)和分析，提出了基于載荷-位移曲線上初始曲線段進(jìn)行二次擬合并求初始點(diǎn)斜率的剛度評價(jià)方法。選擇了基于VC++上位機(jī)和FP-X型號PLC的自動(dòng)化測控系統(tǒng)，通過PLC梯形圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對剛度測量設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制，并利用VC++上位機(jī)和PLC的通信程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了覆蓋件剛度測量數(shù)據(jù)的采集。采用時(shí)序化通信設(shè)計(jì)，使覆蓋件剛度測量狀態(tài)保持在靜態(tài)變形下，保證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過汽車覆蓋件剛度重復(fù)測試試驗(yàn)，證實(shí)了基于VC++上位機(jī)和PLC的測控系統(tǒng)的穩(wěn)健性和實(shí)用性。

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14 楊永剛，楊繼東.PLC與上位機(jī)串行通信的設(shè)計(jì)及研究.國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2005,8（1）:61～64.