周兵 趙景輝 宋艷麗 / 遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

0 引言

壓力表自動(dòng)檢定裝置根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表》設(shè)計(jì)制造而成，適用于一般壓力表、壓力真空表和真空表（以下簡(jiǎn)稱壓力表）的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢定[1][2]。裝置主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）實(shí)時(shí)顯示檢定裝置的壓力值和動(dòng)態(tài)工作情況。

2）設(shè)置和修改參數(shù)。

3）利用可編程邏輯控制器、相機(jī)、視覺控制器等自動(dòng)實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)檢定規(guī)程的要求處理和保存數(shù)據(jù)。

4）自動(dòng)填寫檢定數(shù)據(jù)表，打印檢定證書。

1 檢定裝置的硬件設(shè)計(jì)原理

1.1 檢定裝置工作原理

1.1.1 壓力表視覺讀取示值硬件

利用相機(jī)、視覺控制器和視覺軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)壓力表示值的形態(tài)信息的準(zhǔn)確獲取、儀表示值識(shí)別算法，達(dá)到指針式壓力表示值的正確讀取。

1.1.2 壓力表數(shù)據(jù)采集表殼輕敲機(jī)構(gòu)與自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)壓力表數(shù)據(jù)采集表殼輕敲機(jī)構(gòu)圖1所示。

圖1 壓力表數(shù)據(jù)采集表殼輕敲機(jī)構(gòu)原理

壓力表表殼輕敲機(jī)構(gòu)由光電開關(guān)G、汽缸Q、相機(jī)X、壓力表Y組成。其中，壓力表是數(shù)據(jù)采集對(duì)象；光電開關(guān)控制相機(jī)對(duì)輕敲前和輕敲后的被檢壓力表壓力值采集；汽缸用來輕敲壓力表表殼。當(dāng)汽缸桿推出，輕敲壓力表表殼，推出的汽缸桿通過遮擋光電開關(guān)，產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位電平，至視覺控制器，觸發(fā)相機(jī)拍攝一次壓力表的壓力值，這個(gè)壓力值就是輕敲前檢定點(diǎn)的壓力值。當(dāng)控制汽缸桿退回汽缸的過程中，光電開關(guān)由被汽缸桿遮擋變?yōu)椴徽趽?，又產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)至視覺控制器，觸發(fā)相機(jī)再一次拍攝壓力表的壓力值，這個(gè)壓力值即為輕敲后檢定點(diǎn)的壓力值。由此通過壓力表表殼輕敲機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集檢定點(diǎn)輕敲前和輕敲后壓力表的壓力值。

壓力表數(shù)據(jù)采集自動(dòng)控制電路原理由光電開關(guān)控制電路、繼電器及視覺控制器電路組成。

1.1.3 壓力表視覺讀取示值軟件

彈簧管壓力表表盤如圖2所示。

圖2 彈簧管壓力表表盤

首先，對(duì)壓力表表盤進(jìn)行分析，以彈簧管壓力表為例，儀表量程為60 MPa，0～60 MPa之間分為6等份，共占270°，沒有分度值的表盤占90°。因此，表盤 1°=60 MPa/270°=0.222 22 MPa。1 MPa=270°/60 MPa=4.5°。

壓力表視覺讀取示值軟件設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 壓力表視覺讀取示值軟件設(shè)計(jì)原理

首先，通過相機(jī)對(duì)被檢表進(jìn)行圖像采集，完成后對(duì)壓力表表盤圖像進(jìn)行預(yù)處理、特征提取、示值識(shí)別，最后輸出壓力表示值。

（1）算法

數(shù)學(xué)運(yùn)算1計(jì)算結(jié)果：

<數(shù)學(xué)運(yùn)算_1計(jì)算結(jié)果>=(<兩直線夾角_1 夾角>*60)/270

數(shù)學(xué)運(yùn)算2計(jì)算結(jié)果：

<數(shù)學(xué)運(yùn)算_2計(jì)算結(jié)果>= (360-<兩直線夾角_1 夾角>)*60/270

壓力表表盤中心與0 MPa之間的連線為基準(zhǔn)線，輪廓定位線與基準(zhǔn)線的夾角為

<兩直線夾角_1 夾角>

0～40 MPa之間的連線與基準(zhǔn)線的夾角為

<兩直線夾角_3 夾角>

<輪廓定位_1角度> <= <兩直線夾角_3 夾角>?<數(shù)學(xué)運(yùn)算_1 計(jì)算結(jié)果>:<數(shù)學(xué)運(yùn)算_2 計(jì)算結(jié)果>

如果輪廓定位1角度小于兩直線夾角3的夾角，壓力表的示值就是數(shù)學(xué)運(yùn)算1計(jì)算結(jié)果，反之，壓力表的示值就是數(shù)學(xué)運(yùn)算2計(jì)算結(jié)果。

（2）壓力值輸出轉(zhuǎn)換

"壓力值："+ToString(<數(shù)學(xué)運(yùn)算_1 計(jì)算結(jié)果>,"f1")+" "+ "MPa"

將壓力表的顯示值保留一位小數(shù)。

1.2.4 檢定裝置

檢定裝置原理如圖4所示。

圖4 檢定裝置原理

檢定裝置由傳動(dòng)齒輪、活塞泵、步進(jìn)電機(jī)、油杯、標(biāo)準(zhǔn)表（壓力變送器）、快速夾表機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、視覺控制器、被檢壓力表、視覺采集裝置（相機(jī)等）、電磁閥手動(dòng)閥等組成?？梢酝瑫r(shí)檢定十個(gè)壓力表，檢定效率高。檢定裝置采用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)活塞壓力泵造壓，提高造壓速度，滿足多個(gè)壓力表同時(shí)檢定的需求。其中，一臺(tái)活塞壓力泵處于造壓階段時(shí)（即向油路注油），另一臺(tái)處于造壓準(zhǔn)備階段（即從油杯吸油）。兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和相應(yīng)的電磁閥由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制，同時(shí)工作交替造壓。檢定裝置采用相機(jī)等視覺采集裝置和視覺控制器自動(dòng)讀取被檢壓力表的示值，實(shí)現(xiàn)檢定過程的完全自動(dòng)化。

采用兩臺(tái)壓力泵同時(shí)工作的關(guān)鍵問題為換泵過程中避免產(chǎn)生壓力波動(dòng)。油路的切換采用五個(gè)電磁閥控制，優(yōu)點(diǎn)是密閉性好，保證了系統(tǒng)有較高的造壓速度和靜態(tài)壓力穩(wěn)定性。其中，五個(gè)電磁閥分別控制兩臺(tái)壓力泵與油杯、被檢表、標(biāo)準(zhǔn)表之間油路的通斷。另一個(gè)電磁閥安裝在被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表油路間，用于造壓換泵前切斷被檢表油路與造壓油路間的聯(lián)系。待換泵完成，且造壓油路重新恢復(fù)換泵前壓力時(shí)，再打開電磁閥，這樣可消除換泵過程中可能產(chǎn)生的壓力波動(dòng)。

1.2 檢定裝置硬件電氣原理

1.2.1 可編程邏輯控制器與電磁閥

電路如圖5、圖6所示。可編程邏輯控制器選用歐姆龍CP1H-XA40DR-A[3]。電源電壓：220 VAC；輸入點(diǎn)數(shù)：24點(diǎn)；輸出點(diǎn)數(shù)：16點(diǎn)；輸出形式：繼電器。內(nèi)置模擬輸入4點(diǎn)（占用CH數(shù)4CH）。輸入信號(hào)量程：1-5 VDC；分辨力：1/16 000或1/12 000。

圖5 可編程邏輯控制器主機(jī)輸出與電磁閥、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線

圖6 可編程邏輯控制器內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器接線

1.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用Q3HB64MA，為等角度恒力矩細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電壓DC12-40 V，電流在5.8 A以下。內(nèi)部采用類似伺服控制原理的電路，使電機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，無震動(dòng)和噪聲，電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)力矩大大高于二相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)。定位精度最高可達(dá)60 000 步/轉(zhuǎn)。

PU：步進(jìn)脈沖信號(hào)輸入端，DR：方向信號(hào)控制端，MF：電機(jī)使能信號(hào)端（高電平使能），SM：細(xì)分信號(hào)選擇端（高電平按D0-D3設(shè)定細(xì)分運(yùn)行）。工作時(shí)設(shè)置為500個(gè)脈沖/轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)選用三相混合式BSHB386。采用交流伺服控制原理,三相正弦電流驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)移動(dòng)距離5 mm。1 mm=100道。

由此，主軸電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，即線圈每繞一圈，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)走一步為1道。

1.2.3 可編程邏輯控制器內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器電路

此時(shí)，可編程邏輯控制器將采集到的標(biāo)準(zhǔn)壓力表的數(shù)據(jù)與相機(jī)、視覺采集裝置和視覺控制器采集到的被檢壓力表的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完畢后再送至計(jì)算機(jī)，得到相應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的基本誤差、回程誤差、輕敲位移，并依次進(jìn)行其他檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)。當(dāng)所有檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)完畢，計(jì)算機(jī)將最終的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理并打印。

可編程邏輯控制器程序如圖7所示。

圖7 可編程邏輯控制器程序

2 檢定裝置軟件

2.1 檢定裝置組態(tài)

組態(tài)軟件選用北京亞控科技發(fā)展有限公司的組態(tài)王軟件7.55。它是運(yùn)行于WindowsNT/2000/XP中文操作系統(tǒng)的一種組態(tài)軟件，具有完善的圖形界面生成功能，可以形象逼真地描繪工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。提供了功能齊全的控件和控件函數(shù)以及多種I/O驅(qū)動(dòng)程序[4]。

組態(tài)王通信參數(shù)和設(shè)備配置：

1）通信參數(shù)

波特率：9 600；數(shù)據(jù)位：7；奇偶效驗(yàn)：偶效驗(yàn)；停止位：2；通信超時(shí)：3 000 ms；通信方式：RS232。

2）設(shè)備配置

（1）歐姆龍PLC

設(shè)備生產(chǎn)廠家：歐姆龍Hostlink；設(shè)備邏輯名稱：PLC；設(shè)備地址：0；通信方式：串口（COM1）。

（2）視覺控制器

設(shè)備生產(chǎn)廠家：北京亞控生產(chǎn)串口數(shù)據(jù)發(fā)送；設(shè)備邏輯名稱：視覺控制器；通信方式：串口（COM2）。

2.2 檢定裝置主控制界面

檢定裝置檢定界面如圖8所示[5][6]。由檢定裝置控制流程、電磁閥控制開關(guān)、檢定點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)壓力值、已檢定點(diǎn)數(shù)、待檢定點(diǎn)數(shù)、允許誤差值、回差允許值、允許變動(dòng)量輸入等組成。具體命令語言編程略。

圖8 檢定裝置檢定界面

2.3 檢定裝置檢定記錄表

檢定裝置檢定記錄表界面如圖9所示，由報(bào)表控件組成，包括：數(shù)據(jù)填表、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)記錄、打印檢定記錄表等按鈕。保證檢定數(shù)據(jù)正確地填入記錄表中，完成檢定任務(wù)。

圖9 檢定裝置檢定記錄表界面

2.4 檢定裝置檢定證書界面

檢定證書設(shè)計(jì)及操作按鈕[5][6]由報(bào)表控件、操作按鈕組成，包括：增加、存表、讀表、打印設(shè)置、列表式組合框。完成檢定裝置檢定證書的打印。

3 結(jié)語

壓力表自動(dòng)檢定裝置采用先進(jìn)的可編程控制器、組態(tài)軟件技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)，性能指標(biāo)完全達(dá)到JJG 52-2013的要求，有效避免了在檢定壓力表中人為因素造成的不必要誤差，提高了檢定的效率和準(zhǔn)確性。