摘 要：針對鐵路貨車制動缸緩解彈簧檢測工藝的技術(shù)要求，文章在數(shù)控測控方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和分析，并研制出了一種以西門子S7-200系列 PLC為控制核心的檢測裝置，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的精確定位控制。采用VB6.0編程軟件建立上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過串行通信方式對整個檢測過程進(jìn)行實時監(jiān)控。采用該方法設(shè)計的檢測裝置，可對制動缸緩解彈簧進(jìn)行自由高檢測和分段回彈力檢測。

關(guān)鍵詞：PLC，數(shù)控，伺服系統(tǒng)，串行通信，緩解彈簧

Abstract: To meet the technology requirements of detection process of brake cylinder buffer spring for railway truck, the papers was described and analyzed in numerical control, and designed a siemens S7-200 series PLC to control the core of the detection devices, to achieve the precise positioning control for numerical control system. VB6.0 programming software to establish the use of PC control system, serial communication through the entire detection process real-time monitoring. The detection device can detect the the free heights and elasticity of Brake Cylinder Buffer Spring

Keywords: PLC，Numerical control，Servo System，Serial Communication，Buffer Spring

0 引言
　　制動裝置是鐵路貨車的重要組成部分，是鐵路貨物運輸秩序和安全的重要保障。鐵路貨車制動系統(tǒng)是一個工作過程非常復(fù)雜、專業(yè)性很強(qiáng)的系統(tǒng)，制動缸作為制動系統(tǒng)關(guān)鍵部件，它的性能優(yōu)劣直接影響鐵路行車安全。制動缸由制動缸蓋、活塞、活塞桿、皮碗及緩解彈簧等組成，緩解彈簧作為制動缸的主要部件，又直接影響制動缸的各項制動性能[1]。所以在車輛制動缸的新造與檢修過程中，緩解彈簧也需進(jìn)行嚴(yán)格的檢測。傳統(tǒng)的檢測方法都是手工操作，檢測精度低、人為因素影響大、勞動強(qiáng)度高，不便于管理。為此研制設(shè)計出了一種專門用于制動缸緩解彈簧的檢測裝置，以滿足生產(chǎn)的需求[2]。
1 檢測裝置的組成及工作原理
　　1.1 檢測裝置的組成
　　在2007年《鐵路貨車制動裝置檢修規(guī)則》中，規(guī)定彈簧須在數(shù)控彈簧測力機(jī)上進(jìn)行檢測。根據(jù)檢測規(guī)則的技術(shù)要求，制動缸緩解彈簧檢測裝置的設(shè)計如圖1所示。整個裝置采用雙工位作業(yè)設(shè)計，由機(jī)械部分，電氣控制部分，計算機(jī)軟件部分三大部分組成。

 

　　1-工作臺;2-檢驗尺;3-壓力傳感器;4-緩解彈簧;5-彈簧固定桿;6-彈簧座;7-工作臺;8-同步齒形帶;9-伺服電機(jī);10-伺服系統(tǒng);11-絲杠;12-轉(zhuǎn)向架;13-控制箱;14-控制按鈕;15-平板電腦;16-微型打印機(jī);17-鍵盤。
　　1.1.1 機(jī)械部分

 

      檢測裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)在設(shè)計上考慮到彈簧上下貨的方便，將設(shè)備的外形尺寸定為1000m×600m×1800m（長×寬×高）。在操作方面為使操作者能夠多角度操作，特將操作箱與床身由活動的轉(zhuǎn)向架連接，可旋轉(zhuǎn)180°的角度。在安全作業(yè)方面，每個待測彈簧將放在帶有凹槽的彈簧座上防止側(cè)滑，四周由4根固定桿組成防護(hù)欄防止向外彈出，其中一根在上下貨時可拆卸。在移動方面，檢測裝置安裝有4個帶剎車的滑輪，可方便的移動與固定。在彈簧壓縮方面，檢測裝置采用絲杠帶動彈簧座一起上下移動來完成該動作。檢測裝置的使用現(xiàn)場如圖2所示。

 

　　1.1.2 電氣控制部分
　　檢測裝置的電氣控制部分以PLC為控制核心，每個工位配有獨立壓力傳感器，伺服電機(jī)，伺服系統(tǒng)，傳送帶，控制按鈕等，可完成自動和手動兩種控制功能。壓力傳感器選用量程為0～5000N，分辨率為0.1N，可反饋回4～20mA的電流型信號?？紤]到被測件安放的穩(wěn)定性，對壓力傳感器的承壓部分進(jìn)行了改造，為提高測量精度，采用剛度大、變形小的底座?？紤]到制動缸緩解彈簧在壓縮過程中，壓縮行程精度允許誤差為1mm，要求精度沒有數(shù)控車床加工精度高，所以在伺服系統(tǒng)上采用開環(huán)控制方式，伺服電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)。
　　1.1.3 計算機(jī)軟件部分
　　檢測裝置的計算機(jī)軟件部分，主要指測試裝置的監(jiān)控軟件。該軟件根據(jù)制動缸緩解彈簧的特定工藝流程，基于VB6.0編程軟件編制而成的。具有對測試過程實時動畫顯示，彈簧壓縮參數(shù)設(shè)置，測試數(shù)據(jù)記錄查詢，打印報表，模擬鍵盤輸入等功能。為使設(shè)備輕巧簡單，上位機(jī)計算機(jī)采用帶觸摸功能的平板電腦，配備微型針孔打印機(jī)，以及備用微型鍵盤。檢測裝置的主控制界面如圖3所示。

圖3 制動缸緩解彈簧檢測裝置主控界面

　　1.2 檢測裝置的工作原理
　　為了實現(xiàn)制動缸緩解彈簧檢測裝置檢測過程全自動化，達(dá)到智能控制要求。操作員在進(jìn)行操作前，需要通過計算機(jī)監(jiān)控軟件對整個檢測過程進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置的內(nèi)容有彈簧類型，彈簧壓縮次數(shù)，每次壓縮行程，合格標(biāo)準(zhǔn)，限位設(shè)置等多項內(nèi)容。
　　檢測裝置根據(jù)設(shè)置可完成智能化運行。通過壓力傳感器采集當(dāng)前彈簧壓縮狀態(tài)下的回彈力，并將其轉(zhuǎn)化成4～20mA的電流型信號，傳遞給主控制器PLC的模擬量接收模塊。PLC對所采集的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、濾波、整流等處理，再與上位機(jī)計算機(jī)進(jìn)行串行通信，把處理后的信號發(fā)送到計算機(jī)的緩存區(qū)中。監(jiān)控軟件一方面通過對計算機(jī)緩存區(qū)中接收到的信息進(jìn)行解析，判斷處理，完成制動缸緩解彈簧檢測過程的實時動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)記錄、限位報警、故障診斷等操作;另一方面通過對PLC發(fā)送控制信息，完成對伺服系統(tǒng)高頻脈沖信號、開關(guān)量信號的輸入。PLC與計算機(jī)的串行通信是通過PLC控制器上的RS-485串口和計算機(jī)上的RS-232串口來完成的[3]。伺服系統(tǒng)接收到控制信號后，可完成對伺服電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)速度等動作的控制，通過同步齒形帶將動作再次傳遞給絲杠，完成絲杠與彈簧座的一同上下動作，從而使被測彈簧實現(xiàn)壓縮和緩解。整個檢測過程的工作原理如圖4所示。

圖4 制動缸緩解彈簧檢測裝置的工作原理框圖

2 檢測裝置的測試要求及功能
　?。?）本檢測裝置根據(jù)檢測需求，可完成如表1所示種類制動缸緩解彈簧的實驗：

　　表1 制動缸緩解彈簧技術(shù)參數(shù)

 

　?。?）檢測裝置可使彈簧全壓縮5次，測試第4次及第5 次子自由高，不許有永久變形，并且彈簧在自由狀態(tài)下高度變化不超過-40mm，超出均視為不合格。壓縮次數(shù)可調(diào)。

　　（3）由于緩解彈簧在制造及在廠段修時，并未完全按照標(biāo)準(zhǔn)制造及安裝，有時會出現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)長度的現(xiàn)象存在，一般控制彈簧的自由高允許超出標(biāo)準(zhǔn)高度的+30～+50mm，超出范圍可進(jìn)行界面輸入選擇，此類彈簧超出30～50mm內(nèi)的均視為合格。
　?。?）在測試完成彈簧自由高以后，進(jìn)行分段回彈力實驗，表1中的5種緩解彈簧均可按照如下分段進(jìn)行實驗：

　　第一段：壓縮81mm時，回彈力>=934N;

　　第二段：壓縮241mm時，回彈力>=2780N;

　　第三段：壓縮335mm時，回彈力>=3864N;

　?。?）可輸入并保存各種彈簧的類型及參數(shù)，選擇需要檢測的彈簧類型后，進(jìn)行自動檢測。
　?。?）測量彈簧自由高時的接觸力（測自由高初始觸力）不得大于0.02N。
　?。?）開機(jī)后或每次試驗后自動對壓盤位移做一次校準(zhǔn)。
　?。?）顯示屏上可同時顯示待測彈簧的所有標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和誤差允許范圍。
　?。?）在每次自動測試前，能自動清除測力傳感器的零點漂移。
　?。?0）測試過程中自動記錄并顯示實際測量結(jié)果，自動判斷檢測項目是否合格。
　?。?1）具有與HMIS聯(lián)網(wǎng)的接口?？纱鎯?、查詢、打印試驗結(jié)果，上傳至其他電腦。

　　（12）檢測裝置性能參數(shù)滿足表2的要求。

　　表2 數(shù)控彈簧測力機(jī)性能參數(shù)

 

　　注：L為測定的任意位置壓盤間距離（mm）

3 伺服系統(tǒng)控制分析
　　按數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)有無位置測量反饋裝置可分為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)無位置反饋，是數(shù)控系統(tǒng)中最簡單的伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動元件主要為功率步進(jìn)電機(jī)。PLC發(fā)出的指令脈沖，通過驅(qū)動電路放大送到步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)過一定的角度，再通過同步齒形帶和絲杠螺母副帶動絲杠和彈簧座上下移動。步進(jìn)電機(jī)軸轉(zhuǎn)過的角度正比于指令脈沖的個數(shù)，旋轉(zhuǎn)速度的大小正比于指令脈沖的頻率。由于沒有檢測反饋裝置，系統(tǒng)中各部分誤差，如步進(jìn)電機(jī)的步距誤差、機(jī)械系統(tǒng)的誤差等綜合為系統(tǒng)的位置誤差，所以精度較低，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于控制與調(diào)整，一般用于輕載、負(fù)載變化不大、精度要求不高的場合，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床改造中使用較多。在制動缸緩解彈簧檢測過程中，壓縮尺寸精度誤差要求為0.1mm，所以在伺服系統(tǒng)控制方式上采用開環(huán)方式控制。本系統(tǒng)的開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

 

圖5 開環(huán)伺服系統(tǒng)

4 PLC實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的定位控制
　　PLC實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的定位控制主要表現(xiàn)在，PLC對伺服驅(qū)動器的脈沖信號，正/反轉(zhuǎn)信號，使能信號等的控制，從而使伺服驅(qū)動器能夠精確的控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、方向等，伺服電機(jī)再帶動絲杠運動，完成彈簧座的定位控制。在定位控制過程中主要影響定位精度的因素有: （1）定位控制過程中所涉及到的一系列傳動機(jī)械誤差，包括絲杠間隙、同步齒形帶的松緊、絲杠絲母的配合等因素。（2）根據(jù)實際情況計算的PLC向伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號的準(zhǔn)確度。

　　在本檢測裝置中，PLC選用了SIEMENS S7-200系列PLC，它具有高速脈沖輸出功能，能在輸出端產(chǎn)生高速脈沖，用來驅(qū)動負(fù)載實現(xiàn)精確控制。高速脈沖輸出有高速脈沖串輸出PTO和脈寬調(diào)制PWM兩種方式。PTO可以輸出一串脈沖（占空比50%），可以控制脈沖的周期和個數(shù)。脈沖周期變化范圍是10～65535us或2～65535ms，為16位無符號數(shù)據(jù);脈沖個數(shù)用雙字無符號數(shù)表示，取值范圍是1～4294967295之間。PWM可以輸出連續(xù)的、占空比可調(diào)的脈沖串，可以控制脈沖的周期和脈寬。脈沖周期與PTO相同，脈寬變化范圍是0～65535us或0～65535ms。PTO/PWM輸出不受PLC掃描周期的影響[4]，這樣可以滿足數(shù)控系統(tǒng)精確定位的要求。
　　S7-200有兩個PTO/PWM發(fā)生器，它們可以產(chǎn)生一個高速脈沖串或者一個脈寬調(diào)制波形。這兩個發(fā)生器與過程映像寄存器共用數(shù)字輸出點Q0.0和Q0.1。當(dāng)在Q0.0或Q0.1上激活PTO或PWM功能時，PTO/PWM發(fā)生器對輸出擁有控制權(quán)，同時普通輸出點功能被禁止。每個高速脈沖發(fā)生器對應(yīng)一定數(shù)量的特殊寄存器、包括控制字節(jié)寄存器,狀態(tài)字節(jié)寄存器和參數(shù)數(shù)值寄存器,它們用以控制高速脈沖輸出形式,反映輸出狀態(tài)和參數(shù)值。各寄存器功能表如表3所示[5]。

　　表3 相關(guān)寄存器的功能表

 

5系統(tǒng)檢測流程設(shè)計

　　根據(jù)鐵路貨車檢測工藝要求，制動缸緩解彈簧需要完成自由高檢測和分段回彈力檢測兩項內(nèi)容。彈簧檢測設(shè)備必須為數(shù)控設(shè)備，并且具有機(jī)能檢查功能。來校驗系統(tǒng)的精度。檢測設(shè)備在檢測彈簧之前需要對控制系統(tǒng)，數(shù)控設(shè)備，傳感器，量具等自我檢測和校驗，以便保證檢測的準(zhǔn)確性。制動缸緩解彈簧的上下貨過程由人工來完成，檢測過程可由計算機(jī)自動控制或人工手動控制完成。系統(tǒng)整個檢測流程如圖6所示。

 

圖6

6 結(jié)束語

　　上述彈簧檢測裝置,用同一臺設(shè)備可檢測多種型號的彈簧,測量速度快,無需檢測人員過多參與,從而避免了人為因素產(chǎn)生的誤差,客觀評定彈簧的質(zhì)量,同時又具有精度高、造價低等優(yōu)點,是彈簧檢測工作較理想的設(shè)備。除了用于檢測制動器彈簧外,只要將其加載機(jī)構(gòu)和控制軟件作相應(yīng)改動,還可用作其它彈簧的測量。目前，該裝置已被中國北車集團(tuán)沈陽機(jī)車車輛有限責(zé)任公司使用，主要用于對制動缸緩解彈簧進(jìn)行自由高檢測和分段回彈力檢測。

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