陳　靜，孔德仁，顧廷煒

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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基于PLC高速計(jì)數(shù)器的重錘落速測量方法研究

陳靜，孔德仁，顧廷煒

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

落錘裝置可用于傳感器系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)、塑性測壓器具的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定、材料沖擊性能測試以及發(fā)射藥、炸藥等爆炸材料的撞擊感度測試等.在實(shí)驗(yàn)過程中，重錘由于摩擦阻力等影響可能無法正常下落，因而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果異常.本文簡要介紹了落錘裝置，基于PLC控制系統(tǒng)，針對重錘下落速度測量的特殊性，采用定距測時(shí)法，控制高速計(jì)數(shù)器發(fā)出時(shí)間間隔為0.01 ms的高速脈沖，將重錘上的凸臺經(jīng)過測速環(huán)時(shí)產(chǎn)生的上升沿信號作為中斷觸發(fā)信號，通過記錄兩個(gè)凸臺經(jīng)過測速環(huán)時(shí)發(fā)出的高速脈沖個(gè)數(shù)可得到時(shí)間間隔，從而實(shí)現(xiàn)落速的測量，證明了該方法可解決因PLC掃描周期引起的測速結(jié)果不準(zhǔn)確或無法測速等問題.

落錘裝置；控制系統(tǒng)；光電測速系統(tǒng)；定距測時(shí)法；高速計(jì)數(shù)器

落錘裝置應(yīng)用廣泛，它在傳感器系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)、塑性測壓器具的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定、材料沖擊性能測試[1]以及發(fā)射藥、炸藥等爆炸材料的撞擊感度測試[2]等方面都發(fā)揮著重要的作用.

采用落錘液壓標(biāo)定裝置進(jìn)行壓電式壓力測量系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)[3]時(shí)，重錘沿導(dǎo)桿自由下落并打擊活塞，使造壓油缸內(nèi)的壓力增大，重錘反彈，造壓油缸內(nèi)便形成了半正弦型壓力脈沖.由于導(dǎo)桿的加工精度和安裝時(shí)的垂直度不高等問題，會使得重錘與導(dǎo)向系統(tǒng)之間有阻尼，甚至出現(xiàn)卡滯等現(xiàn)象，可能造成重錘下落不靈活，無法做自由落體運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其動(dòng)能值與落高的對應(yīng)關(guān)系不穩(wěn)定，測試系統(tǒng)所采集到的壓力值異常.采用抗沖強(qiáng)度落錘試驗(yàn)儀[4]測量粒狀發(fā)射藥的抗沖強(qiáng)度時(shí)，便是使重錘自由下落撞擊側(cè)臥的被試發(fā)射藥藥粒.藥粒在沖擊載荷的作用下會被破壞，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，用重錘重量和下落高度的乘積表示抗沖強(qiáng)度.在采用錘重不同，落高相同的方法來造成能量間距時(shí)，理論上不同質(zhì)量的重錘在同一高度下落的末速度相同，但由于實(shí)驗(yàn)裝置放置情況(是否呈水平狀態(tài))、實(shí)驗(yàn)人員操作情況、重錘下落是否受阻等問題，可能會影響重錘自由下落.

由此可見，為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果異常是否與重錘下落受阻有關(guān)，測量重錘的落速是很有必要的.本文針對重錘下落速度測量的特殊性，介紹了一種自行設(shè)計(jì)的基于PLC高速計(jì)數(shù)器指令(HDEF和HSC)的重錘落速測量方法，并通過試驗(yàn)對落錘在正常情況和施加阻尼兩種不同狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)的速度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明該方法用來判斷重錘沿導(dǎo)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的情況是可行的.

1　落錘裝置

1.1落錘裝置的工作原理

圖1　落錘裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　The diagram of the quasi-static calibration device structure

簡單的落錘測量裝置包括步進(jìn)電機(jī)、重錘定位組件、提錘機(jī)構(gòu)、托錘機(jī)構(gòu)、重錘組件等，如圖1所示落錘裝置結(jié)構(gòu)示意圖.

提錘機(jī)構(gòu)與重錘定位組件的移動(dòng)副連接，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)，可精確定位在指定高度.正常工作時(shí)，氣缸供氣使托錘機(jī)構(gòu)提升重錘組件向上運(yùn)動(dòng)至重錘上端吸盤與提錘機(jī)構(gòu)底端電磁鐵接觸，此時(shí)氣缸停止供氣，電磁鐵通電并帶動(dòng)重錘定位到指定高度.當(dāng)托錘機(jī)構(gòu)復(fù)位后，由計(jì)算機(jī)發(fā)送指令，電磁鐵釋放重錘，重錘沿豎直導(dǎo)向系統(tǒng)自由下落，為防止對試樣二次打擊，托錘機(jī)構(gòu)可自動(dòng)接錘，由測試系統(tǒng)采集得到相應(yīng)數(shù)據(jù)[5].

常用的導(dǎo)向裝置有滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌，重錘沿滑動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦阻力大，為確保重錘下落時(shí)運(yùn)動(dòng)靈活，速度與落高的對應(yīng)關(guān)系穩(wěn)定，重錘與導(dǎo)軌之間采用高精度的滾珠導(dǎo)套，雖然該機(jī)構(gòu)可在一定程度上減小摩擦力，但仍無法避免其對測量結(jié)果的影響.

1.2重錘落速測量的特殊性

常用的速度測量方法為區(qū)截裝置測速法[6]，即在運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)軌跡上設(shè)置多個(gè)區(qū)截裝置，通過測量各區(qū)截裝置之間的間距和運(yùn)動(dòng)體通過相鄰兩區(qū)截面的時(shí)間τ，利用公式u=s/τ計(jì)算出運(yùn)動(dòng)體的平均速度.但是，落錘裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重錘與導(dǎo)軌之間采用高精度的滾珠導(dǎo)套，即重錘組件在下落過程中始終與導(dǎo)向系統(tǒng)相接觸，在其運(yùn)動(dòng)軌跡上設(shè)置區(qū)截裝置會影響重錘的運(yùn)動(dòng)，因此，常規(guī)的測速方法是難以實(shí)現(xiàn)的.

隨著科技的進(jìn)步，落錘裝置由手動(dòng)控制逐步發(fā)展為自動(dòng)控制系統(tǒng)，目前國內(nèi)外大多數(shù)的落錘實(shí)驗(yàn)裝置是由PLC控制的.在不影響重錘沿導(dǎo)向系統(tǒng)自由運(yùn)動(dòng)的前提下，如何借助于控制系統(tǒng)PLC準(zhǔn)確地測量重錘的下落速度是值得研究的.

2　重錘下落速度測量方法

2.1錘頭及測速環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

借助于區(qū)截裝置測速的原理，鑒于上述重錘下落速度測量的特殊性，可在運(yùn)動(dòng)體重錘的錘頭上設(shè)計(jì)兩個(gè)距離為L的凸臺結(jié)構(gòu)做為區(qū)截裝置，如圖2所示.

根據(jù)上述分析，采用定距測時(shí)的測速方法，若想得到落錘沿導(dǎo)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的速度，需得到時(shí)間間隔.在圖1所示落錘裝置的定位臺面中央位置上安裝一測速環(huán)，在測速環(huán)的對稱位置上設(shè)置兩個(gè)孔放置光電二極管，設(shè)計(jì)距離應(yīng)既能保證輸入到PLC的信號電壓足夠大，又能確保重錘下落時(shí)可以擋住發(fā)射端的光線，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖2　重錘錘頭結(jié)構(gòu)Fig.2　The structure of the hammer

圖3　測速環(huán)結(jié)構(gòu) Fig.3　The structure of the speed detector

圖4　光電傳感器電路圖Fig.4　The diagram of photoelectric sensor circuit

2.2光電測速系統(tǒng)的原理

正常情況下，光電傳感器的發(fā)射端向接收端發(fā)射光線，接收端輸出高電平信號至PLC的輸入端口，重錘下落時(shí)，錘頭上的兩個(gè)凸臺先后擋住發(fā)光端的光線，接收端輸出兩個(gè)低電平信號，由此產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號.PLC記錄兩個(gè)脈沖信號的時(shí)間間隔，已知錘頭兩個(gè)凸臺結(jié)構(gòu)的距離L，根據(jù)速度計(jì)算公式v=L/t計(jì)算得到重錘的下落速度.電路圖如圖4所示，其中電阻用來避免光電傳感器因電流過大而燒毀.

2.3脈沖信號時(shí)間間隔測量方法

采用PLC測量脈沖時(shí)間間隔時(shí)，若重錘從高度為1.5 m的位置下落，根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)的公式重錘的末速度v≈5.421 m/s，若凸臺距離為5 mm，則錘頭上的兩個(gè)凸臺通過測速環(huán)的時(shí)間間隔t≈0.922 ms，而PLC的掃描周期T=3 ms>t，導(dǎo)致其未及時(shí)甚至無法掃描到脈沖信號，造成測時(shí)結(jié)果不準(zhǔn)確或無法測時(shí)等問題.

常規(guī)的時(shí)間間隔測量方法一般采用PLC的定時(shí)器指令，由于其時(shí)間基準(zhǔn)最小為1 ms，則系統(tǒng)最大只能測vmax=5 m/s的速度，即重錘落高最高為hmax≈1.28 m，則該方法只能測限定高度內(nèi)重錘下落的速度，兩個(gè)凸臺間的距離需根據(jù)落高的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有一定的局限性.此外，普通定時(shí)器的時(shí)間基準(zhǔn)過大亦會導(dǎo)致測量速度結(jié)果分辨率太低、準(zhǔn)確度不高等問題.

針對以上所述的問題，本文提出了采用s7-200中的高速計(jì)數(shù)器指令(HDEF和HSC)測量脈沖信號時(shí)間間隔的方法.該方法即利用高速輸出脈沖指令(PLS)持續(xù)發(fā)送頻率為100 kHz的脈沖信號，并啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器的模式12(即HSC0和HSC3分別計(jì)數(shù)Q0.0,Q0.1所發(fā)脈沖數(shù)目)，當(dāng)重錘上的兩個(gè)凸臺經(jīng)過測速環(huán)時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)上升沿信號，將該信號作為中斷觸發(fā)信號，且兩個(gè)中斷程序分別執(zhí)行讀取高速計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù)的當(dāng)前值的命令，兩次讀取的差值與發(fā)送的脈沖信號的周期(0.01 ms)的乘積即為脈沖信號的時(shí)間間隔.該方法實(shí)現(xiàn)了0.01 ms的時(shí)間分辨率，在很大程度上提高了速度測量的精度，解決了因PLC掃描周期引起的測速結(jié)果不準(zhǔn)確或無法測時(shí)等問題.

3　測試系統(tǒng)驗(yàn)證

表1　重錘落速的理論值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

從表1中可看出，實(shí)際情況下重錘下落速度的測量值偏小，這是由于重錘沿導(dǎo)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)因?yàn)槟Σ亮Φ挠绊懖荒茏隼硐氲淖杂陕潴w運(yùn)動(dòng).通過分析重錘從不同高度下落時(shí)速度測量值相對于理論值的誤差可知，基于PLC高速計(jì)數(shù)器的重錘落速測量方法是可行的.

此外，通過試驗(yàn)可知，重錘受到的阻尼越大，其速度越小，重錘的動(dòng)能也越小，與落高的對應(yīng)關(guān)系也越不準(zhǔn)確，若在這種狀態(tài)下對傳感器進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)，會導(dǎo)致造壓油缸內(nèi)產(chǎn)生的壓力值偏?。蝗魷y量粒狀發(fā)射藥的抗沖強(qiáng)度，會導(dǎo)致撞擊能量偏低，試驗(yàn)計(jì)算得到的抗沖強(qiáng)度變高.因此，當(dāng)重錘速度異常時(shí)，裝置所產(chǎn)生的能量是無法滿足試驗(yàn)要求的，需對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整.

4　結(jié)　論

本文針對重錘下落速度測量的特殊性，借助于控制系統(tǒng)的PLC裝置，設(shè)計(jì)了光電測速系統(tǒng)，提出了利用s7-200的高速計(jì)數(shù)器指令來實(shí)現(xiàn)重錘落速測量的方法，目的是根據(jù)重錘速度的大小判斷其是否正常下落.該方法可有效提高測速精度，同時(shí)解決了因PLC掃描周期引起的測速結(jié)果不準(zhǔn)確等問題.針對不同落高開展了多次測速試驗(yàn)，并將重錘做自由落體運(yùn)動(dòng)獲得的速度作為理論值與測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，證明了該方法的可行性.此外，重錘受到的阻尼越大，其速度越小，在此狀態(tài)下對傳感器進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)、對塑性測壓器件進(jìn)行準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)以及測量發(fā)射藥等爆炸材料的撞擊感度時(shí)，其試驗(yàn)結(jié)果是不準(zhǔn)確的，需對裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整.

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Study of Methods of Measuring the Velocity of the Hammer Based on PLC High-Speed Counter

CHEN Jing,KONG Deren,GU Tingwei

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

The drop hammer device can be used for the quasi-static calibration of the sensor system,the quasi-dynamic calibration of the plastic pressure-measuring elements,the impact resistance properties tests and the sensitivity of the explosive material such as propellant and charge.In the experimental process,the hammer may not be able to moving downwards normally because of the influence of the friction.which will lead to the abnormal monitoring data from the experiments.The working principle of the drop hammer device are introduced briefly in the essay.The method of measuring the velocity by determining the distance is used aiming at its particularity,which is based on the PLC controlling system.The high-speed pulse ,the time interval is 0.01ms,is generated by the high-speed counter which is controlled by the system.When two convex plates of the hammer pass the speed detector,the pulse which is used as the interrupt trigger signal will be produced.The PLC high-speed counter will record the number of the pulse and the difference can be considered as the internal.The experiment show that the method can solve the problem of result is inaccuracy caused by the frequency of PLC.

drop hammer device; controlling system; photoelectric velocity measurement system; method of measuring time determining the distance; high-speed counter

1671-7449(2016)05-0438-04

2016-01-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11372143)

陳靜(1992-)，女，碩士生，主要從事壓電式電測系統(tǒng)絕對式準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)方法研究.

TH824

Adoi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.013