摘要:介紹了一種適用于生產(chǎn)線的稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)使自動(dòng)化檢測(cè)過(guò)程代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)操作檢測(cè)過(guò)程,提高了檢測(cè)效率.系統(tǒng)使用可編程控制器(PLC)控制機(jī)械手完成壓力加載過(guò)程,利用工控機(jī)通過(guò)高精度采集卡采集32路傳感器的輸出電壓數(shù)據(jù),并開發(fā)了專用軟件用于自動(dòng)判斷檢測(cè)結(jié)果.該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)集高精度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、搬運(yùn)機(jī)械手控制功能于一身,避免了人為誤差,實(shí)現(xiàn)了傳感器檢測(cè)流程的自動(dòng)化.
關(guān)鍵詞:稱重傳感器;高精度A/D采集卡;自動(dòng)檢測(cè)
稱重傳感器是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的稱量器件之一.隨著科技的發(fā)展,對(duì)工業(yè)衡量、稱量技術(shù)和器材的要求日漸提高,在稱重傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中,其精確度的檢測(cè)變得越來(lái)越重要.傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是使用高精度萬(wàn)用表測(cè)量稱重傳感器的輸出電壓,再由人工記錄檢測(cè)數(shù)據(jù),操作復(fù)雜而且速度慢、誤差大.本文介紹的稱重傳感器高精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),使用可編程控制器(PLC)控制機(jī)械手完成檢測(cè)過(guò)程中的壓力加載和卸載動(dòng)作,并利用工控機(jī)通過(guò)高精度數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù),能高速檢測(cè)32路稱重傳感器的輸出電壓,實(shí)現(xiàn)了稱重傳感器檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化.
1 高精度稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
1.1 稱重傳感器的測(cè)試原理
稱重傳感器的測(cè)試流程如圖1所示.稱重傳感器的電壓輸出范圍為0～30mV.檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要有:未受力的零點(diǎn)電壓U0≤5mV;20min前后輸出電壓變化范圍和受力過(guò)程中最大電壓和最小電壓變化不超過(guò)0.006mV,即Uoe-U0≤0.006mV,Umax-Umin≤0.006mV;受力過(guò)程中輸出電壓每間隔5min的變化不超過(guò)0.003mV.整個(gè)測(cè)試過(guò)程中所有輸出電壓符合以上測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),則說(shuō)明傳感器精確度達(dá)到要求,性能良好;否則,傳感器不能準(zhǔn)確反映出所受壓力,線性誤差大,傳感器不合格.
1.2 稱重傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)分析
在傳統(tǒng)檢測(cè)中,通常使用高精度萬(wàn)用表測(cè)量傳感器的輸出電壓,工作人員讀表記錄數(shù)據(jù).其最大缺點(diǎn)是每次只能讀取一支傳感器的數(shù)據(jù),而且每次切換測(cè)試機(jī)臺(tái)時(shí),萬(wàn)用表需要3s的穩(wěn)定時(shí)間才能讀數(shù),記錄數(shù)據(jù)需要1s時(shí)間.導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生很大的時(shí)間誤差,進(jìn)而影響了合格品的判定.例如當(dāng)讀取U5時(shí),1號(hào)機(jī)臺(tái)讀取到的是1號(hào)傳感器5min時(shí)的精確值,而讀到32號(hào)機(jī)臺(tái)時(shí),實(shí)際時(shí)間已經(jīng)進(jìn)行到了(3s+1s)×32路+5min=422s,也就是說(shuō)32號(hào)機(jī)臺(tái)上的傳感器的U5并不是5min時(shí)的電壓,而是422s的電壓.從第1路到第32路,產(chǎn)生了122s的時(shí)間誤差.稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)使用多路數(shù)據(jù)采集卡,可將每路輸出電壓的平均讀取時(shí)間降低到幾秒鐘之內(nèi),解決了傳統(tǒng)檢測(cè)中的時(shí)間誤差問(wèn)題.
圖1 稱重傳感器測(cè)試流程圖
由測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可以看出,稱重傳感器的輸出模擬信號(hào)變化范圍較小,模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)精度較高,為1μV(10-6V).因此,必須使用高精度及性能穩(wěn)定的A/D采集卡,A/D分辨率位數(shù)x由2x≥1/10-6解得x≥19.93.即采集卡的A/D分辨率位數(shù)要在20位以上.因此選用24位的高精度采集卡可滿足稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)需要.
1.3 對(duì)稱重傳感器的加載壓力與卸載壓力過(guò)程
對(duì)傳感器加載和卸載壓力是整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中必不可少的工作程序.如果使用人工施力和卸力,操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而搬運(yùn)機(jī)械手能模擬人手臂的部分動(dòng)作,按照設(shè)定的程序?qū)来a進(jìn)行抓取、搬運(yùn)操作,不受砝碼重量的限制,能在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)完成加載和卸載過(guò)程.機(jī)械手的移動(dòng)使用電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn),其操作是加載時(shí)將砝碼搬至傳感器測(cè)試機(jī)臺(tái)上,卸載時(shí)將砝碼搬回原處.搬運(yùn)機(jī)械手加載壓力的工藝流程如圖2,圖中的小方塊代表各個(gè)方向的限位開關(guān),當(dāng)機(jī)械手移動(dòng)時(shí)遇到限位開關(guān)停止當(dāng)前的運(yùn)動(dòng),進(jìn)行下一步的運(yùn)動(dòng).1)～8)是加載壓力過(guò)程中搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)步驟.卸載壓力過(guò)程的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)類似.
圖2 壓力加載流程示意圖
1.4 檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理
稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能一次對(duì)32路機(jī)臺(tái)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè),30min內(nèi)完成全部檢測(cè)過(guò)程,生產(chǎn)線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,一天的檢測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)400個(gè)記錄,一年的檢測(cè)數(shù)據(jù)約10萬(wàn)條.本系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理龐大的檢測(cè)數(shù)據(jù),可以對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)組合查詢、合格率統(tǒng)計(jì),或?qū)⒉樵兊慕Y(jié)果打印成報(bào)表輸出.
2 稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 稱重傳感器檢測(cè)系統(tǒng)硬件選擇
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)比較容易存在粉塵、高溫、潮濕、噪聲、沖擊、振動(dòng)、各種電磁信號(hào)干擾、輻射、腐蝕,要求計(jì)算機(jī)必須能長(zhǎng)期、無(wú)故障地連續(xù)運(yùn)行,一旦發(fā)生故障,能較快地修復(fù).工控機(jī)能提供多個(gè)板卡插槽,其較高的防磁、防塵、防沖擊、抗干擾能力,滿足了工業(yè)生產(chǎn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的高穩(wěn)定性的要求.因此本系統(tǒng)選用研華工控機(jī)作為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī).
系統(tǒng)需同時(shí)檢測(cè)32路傳感器的輸出電壓,而高精度高分辨率采集卡的數(shù)據(jù)采樣通道一般為4路,系統(tǒng)選用8塊雙諾公司生產(chǎn)的PCI總線系列A/D采集卡AC6040,該采集卡技術(shù)指標(biāo)如下:
1)4路雙端模擬差分輸入,24位的高A/D分辨率;
2)可選采樣頻率10Hz、25Hz、50Hz、100Hz,4通道時(shí)A/D最大通過(guò)率=(采樣頻率/4);
3)可選增益:1、2、4、8、16、32、64、128倍,對(duì)應(yīng)輸入幅度為:±2500mV、±1250mV、±625mV、±312.5mV、±156.25mV、±78.125mV、±39.0625mV、±19.53125mV.
因?yàn)橄到y(tǒng)要求檢測(cè)分辨率<1μV,所以對(duì)于AC6040選用10Hz的采樣頻率和128倍增益.AC6040的4個(gè)通道同時(shí)工作時(shí),單通道采樣頻率為2.5Hz,忽略工控機(jī)對(duì)8塊AC6040采集數(shù)據(jù)的處理時(shí)間,整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取速度約為2.5Hz,滿足系統(tǒng)的工藝要求.
由于PLC具有可靠性高、程序設(shè)計(jì)周期短、順控功能強(qiáng)、使用方便和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),可以方便地控制機(jī)械手完成施加和卸載壓力的工藝流程,系統(tǒng)選用OMRON公司的微型PLC-CPM2A(I/O點(diǎn)數(shù)60點(diǎn))控制機(jī)械手.
2.2 稱重傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖與技術(shù)指標(biāo)
高精度稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示.高精度稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下:
1)系統(tǒng)主機(jī)配置:研華工控機(jī)一臺(tái)(PCA-6180E全長(zhǎng)CPU卡,PCA-6114P12無(wú)源底板);OMRON微型PLC-CPM2A一臺(tái).
2)多路數(shù)據(jù)采集:8塊24位A/D采集卡AC6040;同時(shí)處理32路機(jī)臺(tái)的輸出模擬量,檢測(cè)機(jī)臺(tái)路數(shù)可擴(kuò)充至64路,128路.
3)載荷范圍和檢測(cè)范圍:最大荷載壓力200kg,檢測(cè)電壓范圍30mV.
4)系統(tǒng)速度和系統(tǒng)精度:系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取頻率2.5Hz,模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)24位,分辨率1μV,誤差0.05%.
5)系統(tǒng)工作環(huán)境:溫度-10～50℃,220V/50Hz.
圖3 稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)框圖
2.3 稱重傳感器檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該檢測(cè)系統(tǒng)選用VB語(yǔ)言作為軟件開發(fā)工具.VB提供的串行通信控件Mscomm可以方便地通過(guò)串口控制PLC,進(jìn)而控制機(jī)械手的加載卸載操作,其ADO(ActiveDataObject)編程模型還擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)處理能力.根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件選用和系統(tǒng)功能分析,軟件部分可以分成幾個(gè)功能模塊分別實(shí)現(xiàn).主要的功能模塊如下:
圖4 電壓檢測(cè)模塊流程圖
1)機(jī)械手控制模塊
對(duì)傳感器施加和卸載壓力時(shí),該模塊工作.通過(guò)RS232端口向PLC發(fā)送監(jiān)控命令.
2)電壓檢測(cè)模塊
電壓檢測(cè)模塊是系統(tǒng)軟件的核心模塊,主要功能為采集傳感器各時(shí)間段的輸出電壓,并判斷傳感器是否合格.VB不能直接訪問(wèn)I/O端口,采集卡生產(chǎn)商雙諾公司提供了用于高級(jí)語(yǔ)言直接訪問(wèn)AC6040的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)acpci.dll,在安裝采集卡驅(qū)動(dòng)程序時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件同時(shí)被安裝在系統(tǒng)目錄下.acpci.dll中提供了多個(gè)用于數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用程序接口(API)函數(shù),其中AC_6040_INIT函數(shù)初始化AC6040,獲得采集卡AC6040的數(shù)量和識(shí)別ID,AC_6040_CH函數(shù)用于切換AD采樣通道,AC_6040_AD函數(shù)用于讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值.
工控機(jī)通過(guò)這些函數(shù)讀取到的數(shù)值與實(shí)際傳感器的輸出電壓的轉(zhuǎn)換公式如下:U=2500*(Data-800 000H)/800 000H/G(mV)其中，Data:采集卡采集的數(shù)據(jù),G:系統(tǒng)設(shè)置的放大倍率(在此G=128),U:傳感器實(shí)際輸出電壓為了保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,我們?cè)诿總€(gè)時(shí)間段都讀取10個(gè)電壓值,去掉最大值和最小值后取算術(shù)平均值作為輸出電壓值,則得到的電壓值為:U=(∑8i=1Ui)/8.
系統(tǒng)對(duì)32路數(shù)據(jù)讀取頻率為2.5Hz,讀取10個(gè)電壓值的時(shí)間為[1/(2.5Hz)]×10=4s.對(duì)比傳統(tǒng)檢測(cè)方法,該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)不但提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確性,而且將每次的檢測(cè)時(shí)間從原來(lái)的122s縮短到4s,減小了時(shí)間誤差.系統(tǒng)還考慮了意外斷電情況,設(shè)置了斷點(diǎn)保護(hù)功能模塊.如意外斷電,續(xù)電后可以繼續(xù)未正常結(jié)束的檢測(cè)過(guò)程,從斷點(diǎn)處重新開始數(shù)據(jù)采集和檢測(cè).電壓檢測(cè)模塊流程設(shè)計(jì)如圖4.
3)數(shù)據(jù)查詢模塊
該模塊完成檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢功能,用戶可以對(duì)產(chǎn)品型號(hào)、生產(chǎn)日期、檢測(cè)日期、合格情況等各項(xiàng)信息進(jìn)行組合查詢,打印查詢結(jié)果或輸出報(bào)表.系統(tǒng)還可定期將備份數(shù)據(jù)導(dǎo)出到后備硬盤或光盤,使歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)不慎被破壞時(shí)可以恢復(fù).
2.4 系統(tǒng)軟件主界面設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件主界面設(shè)計(jì)如圖5所示.
圖5 系統(tǒng)軟件主界面
3 結(jié)束語(yǔ)
我們?yōu)槟彻S研制的稱重傳感器高精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)集高精度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、搬運(yùn)機(jī)械手控制功能于一身,提高了傳感器的檢測(cè)效率,避免了人為誤差,節(jié)約了人力資源,實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)流程的自動(dòng)化;系統(tǒng)軟件界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單、功能完善,為檢測(cè)人員帶來(lái)了操作上的很大便利.該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)目前已正常運(yùn)行5個(gè)月,在生產(chǎn)實(shí)踐中表現(xiàn)出了其高效性、高可靠性和高穩(wěn)定性.
