基于PLC控制的扭矩检测系统设计

摘要

随着市场竞争的日益激烈，客户对铰链类产品的可靠性检测提出了更高的要求，并且考虑到人工成本不断增加，通过利用诸如PLC、步进电机和高精度传感器等组成的检测系统替代以往的检测方式已经成为必然。本文对扭矩检测系统进行研究，将扭矩传感器、步进电机与PLC结合起来，通过利用PLC控制步进电机，步进电机同步带动扭矩传感器，实现系统的扭矩检测功能。有效地解决了传统人工检测所造成的人力、财力浪费和效率低下的问题。同时又重点分析了如何利用欧姆龙PLC控制三个步进电机来实现铰链类产品的扭矩检测。

本文的实质是对扭矩检测进行自动化改进，对如何进行扭矩检测进行简单的分析研究，对欧姆龙PLC和扭矩检测传感器的性能参数进行介绍，以实现简单、稳定、高效的扭矩检测，但是仍有改进的空间。

其次介绍了整体的设计过程，从系统控制方案的研究到实际的电路接线图，再到PLC程序设计，软件界面设计。最后通过分析提出更好控制方案的可能。

关键词：扭矩检测；PLC；步进电机

Abstract

As is known to all that the Labor costs is increasing all the time, and with the fierce market competition, a new testing system of hinge products has to be bring up for the Hinge department. This article states how to use PLC, stepping motor and torque sensor to complete the automatic testing system. Then we can effectively solve the waste and inefficiency problems caused by traditional manual detection. At the same time we main analysis how to use Omron PLC to control the three stepping motors.

The essence of this article is to automate the torque testing equipment, and analysis how to achieve this target. Besides, introduce the performance parameter of PLC and torque sensor, stepping motor. Then we can make a better torque testing system to meet customer requirements. Of course there is still some room for improvement.

Then introduce the whole process of this design, from the program of system control to the circuit wiring diagram and PLC programming. At last through analysis better control is put forward, and introduces the advantages of this control, etc.

Key words: Torque testing; PLC; Stepping motor

目录

摘要

Abstract

第一章绪论 (1)

1.1课题的研究背景与来源 (1)

1.1.1课题研究背景 (1)

1.1.2课题研究来源 (2)

1.2扭矩测量发展现状 (2)

1.3课题研究的内容和方法 (3)

1.3.1课题研究内容 (3)

1.3.2 课题研究方法 (5)

第二章主要电气元器件叙述 (6)

2.1可编程逻辑控制器 (6)

2.2步进电机 (7)

2.3扭矩传感器 (9)

第三章硬件电路设计 (10)

3.1扭矩检测工作过程及控制要求 (10)

3.2电机驱动设置 (13)

3.3 PLC选型和设置 (13)

3.4主电路图 (15)

3.5电气布局图及元器件清单 (17)

第四章系统软件部分设计 (18)

4.1 I/O程序段 (18)

4.2初始化程序段 (19)

4.3 Auto程序段 (23)

4.4操作界面简介 (28)

第五章总结 (30)

参考文献 (31)

致谢 (33)

浙江理工大学本科毕业设计（论文）

第一章绪论

1.1课题的研究背景与来源

1.1.1课题研究背景

扭矩是铰链类产品的重要工作参数，而扭矩测量已经成为机械量测量中一个重要组成部分。若能准确、可靠、方便地测出受试铰链产品的平均或瞬时的扭矩值、转速和功率，这将有利于改进和提高其性能。同时，装置测试系统可作铰链类产品模拟日常运行、寿命测试的监视装置，起到故障诊断或可用作自动控制系统的检测装置[1]。

扭矩测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中必不可少的内容。随着现代科学技术的迅猛发展，扭矩测量技术已充分引起人们的重视，成为测试技术的一个新分支。扭矩已成为众多机械量测量中的一个主要参数[2]。近年来，世界各工业发达国家相继探讨出许多扭矩测试新技术，研制、生产出较多的新颖扭矩测量设备。改革开放以来，我们走技术引进、自主创新之路，极大的推动了扭矩测量技术的发展。在高新技术中，扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学科。扭矩测量应用范围很广泛，它渗透到工业、农业、交通运输、航天航空、国防、能源等各个领域[3]。

由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化[4]。在这种背景下，八十年代末美国率先研制成功虚拟仪器，虚拟仪器就是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器，虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步产生不可估量的影响[5]。

基于PLC控制的扭矩检测系统设计

1.1.2课题研究来源

本课题来源于公司自动化部门为铰链部门所提供的铰链类产品测量解决方案——静态扭矩检测装置设计, 采用高精度扭矩传感器、数据采集卡、数据采集分析技术设计小量程的静态扭矩检测装置，具有一定的先进性。

扭矩检测是一种常规的机械产品性能指标检测方法，也是科研试验中经常用到的一种检测手段。但市售的成熟产品价格昂贵，或者采用悬挂砝码的方式检测，精度不高并且操作不便。本课题主要设计一种方便易用的静态扭矩的检测装置。

1.2扭矩测量发展现状

在生产和科研中，对机械设备扭矩的测量已经越来越重要，通过对扭矩的测量可以对机械设备的进一步改进设计取得重要的现场参数，为改进设计取得全面的一手资料。其对生产及科研具有相当的重要意义。目前，扭矩测量仪大致可分为以下几种：应变扭矩测量仪，相位差扭矩测量仪，振弦式、电容式、磁弹性式测量仪[6]。由于各种扭矩测量仪的测试方式不同，使得其应用范围不同。

扭矩测量技术的发展取决于传感器、信号传输和测量仪的研究。目前，由于微机的应用，扭矩测量仪性能大大提高，而传感器的研究与测量仪相比稍有逊色。因此必须加强传感器的研究，这就要从传感器种类、精度、规格、安装、信号传递等方面加以研究[7]。目前传感器主要发展动向为：

传感器从介入式发展成不介入式。以往扭矩传感器大部分属于介入式，即必须作为传动轴一部分才能使用，这样限制了它的应用范围，一般用于实验室、台架测量。现在逐渐推广的卡环式应变型扭矩传感器，即为不介入式扭矩传感器，只要将传感器卡在轴上或安装在轴边，无须断开轴系，这样给实际工况测量扭矩带来很大的方便[8]。再如振弦式传感器、磁弹性传感器都属于不介入式扭矩传感器。

对新型扭矩传感器的研究的同时并对经典扭矩传感器加以改进。随着新原理、新材料的发现和微细加工、微机械加工技术的发展和应用，正在促进传统传感器的变革，新型磁弹性传感器和光纤扭矩传感器结构简单、使用方便，代表扭矩传感器的新动向[9]。

浙江理工大学本科毕业设计（论文）

在信号传输方面，以往采用的是接触式滑环传输，这种传输方式易磨损、需常清洗、安装难，容易引入干扰信号。近期推出的传感器一般均为无接触式传输。如感应方式或遥测体制，它克服了接触式传输的缺点[10]。随着检测变换集成化和多功能化，将过去先检测传输、后对信号进行变换处理的概念演变为先检测变换处理，后再进行传输，这一变更已成为可能。

扭矩测量仪的智能化、微机化是当今测量仪变革的主流，单片微机和软件的开发应用已使信号的检测、采集、比较、相关、数字滤波、域间变换、逻辑和函数运算、程序给定和反馈控制等功能由仪器本身来实现成为可能[11]。软件扩展了结构的性能限制，并使仪器具有智能化。既能适应被测参数的变化来自选量程、自动补偿、自动校正、人机对话、自寻故障，并能方便的与总线接口，进行多台联机通信及控制[12]。

在扭矩传感器信号传输及测量仪的总成上，工业化扭矩仪研制的呼声愈来愈高，一改以往扭矩测量仪多半应用于实验室台架测量的情景。工业化扭矩仪的要求是必需满足苛刻的工业应用环境，即可靠性要高，重复性要好，价格要低廉，与机器匹配，安装方便，但精度要求不高，用其作为指导生产、保护机械不受损伤的有效手段[13]。

虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能[14]。目前，虚拟仪器在设计、生产、使用已经十分普及，很多企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流[15]。

1.3课题研究的内容和方法

1.3.1课题研究内容

拟采用高精度扭矩传感器、数据采集卡、PLC控制的步进电机系统设计静态扭矩检测设备，主要设计内容包括：

（1）检测装置机械结构设计

基于PLC控制的扭矩检测系统设计

主要考虑传感器的选型、传感器的固定安装结构，检测系统与被测件的接口设计；在满足功能要求的前提下，兼顾机械机构的外观造型和易操作性。

传感器采用Futek公司的TFF400型反作用力（静态）扭矩传感器，TFF400反作用力型（静态）扭矩传感器是将专用的测扭矩应变片粘贴在被测弹性轴上，组成应变桥，向应变桥供电，然后即可测量出扭矩的大小值。

具体过程是沿扭力轴的轴向±45°方向分别粘贴4个应变片，组成全桥电路的四个桥臂，用以感受同向的最大正向应变。当扭力轴旋转时，应变片的电阻率发生变化，电阻的变化通过电桥输出与外加扭矩成正比的电压信号，然后经适当的方式将该电压的信号引出，通过处理后便可计算出外加扭矩[16]。这种扭矩传感器使用范围广，能测量瞬时扭矩及起动扭矩(动态测量)，而且结构简单，测量准确度高；但抗干扰能力较差,温度、湿度以及粘接剂等对准确度都有影响。

（2）数据采集系统设计

基于凌华科技的PCI-9524数据采集卡和数字滤波电路构建扭矩信号采集系统，数据采集系统主要由待测量、传感器、数据采集卡、工控机等组成。凌华PCI-9524数据采集卡内置24位高分辨率的模拟数字转化器，并可提供2.5V或10V 两种激励电压的选择，整合自动归零、远程感测以及数字滤波技术，可达到200000 counts 以上的精确度和稳定性[17]。为满足基于称重传感器的材料测量机（MTS）的复杂的精密测量及控制需求，其同时提供六大功能，包含4通道24位高精度称重传感器输入、4通道24位通用模拟量输入、3轴马达编码器输入、3通道PWM输出、16通道带隔离数字输出入与2通道16位模拟输出，可提供完整的高精度测量、伺服控制及运动控制的整合接口[18]。此次扭矩检测所用的为其中的4通道24位高精度称重传感器输入部分。

（3）PLC控制的步进电机系统设计

通过欧姆龙CP1H系列PLC的脉冲输出对步进电机进行控制，实现所要求的电机转速、方向、旋转角度等控制。同时根据不同的要求，进行不同的设备选型和控制。在空转工位1、2上由于控制要求不高选用汉德保的ASD545R驱动和步进电机，组成步进电机开环控制系统；在检测工位上由于附带扭矩传感器并需要高精度控制和测量，选用飞仕宝EzM-42XL-A驱动和电机，其内部通过编码器反馈和电机驱动构成内闭环控制系统。此外能够根据用户的要求，实现设备的自动

浙江理工大学本科毕业设计（论文）

化或半自动化运行。

1.3.2课题研究方法

本扭矩检测设备首先根据铰链类产品特性，对新的铰链产品进行在空转1、2工位的空转以增加灵活度，提高铰链的旋转能力。然后将产品一段放在扭矩传感器上的固定治具上，另一端放在气缸前顶的治具上，起到固定作用。通过飞仕宝电机带动扭矩传感器的来回旋转摆动，将传感器数据由9524数据采集卡采集，输入工控机，并通过VB制作用户操作界面对产品的相关参数进行分析和研究。

基于PLC控制的扭矩检测系统设计

第二章主要电气元器件叙述

2.1可编程逻辑控制器

PLC即可编程逻辑控制器（可编程控制器件）。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器是上世纪60年代末在继电器系统上发展起来的，作可编程逻辑控制器，其简称PLC[19]。可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。

日本欧姆龙公司是世界上著名PLC生产厂商之一，欧姆龙公司的PLC小型机与其他日本品牌的小型机一样非常有特色，某些欧美中大型机能实现的控制功能，用欧姆龙小型机就可以实现[20]。

小型机：我国早期使用较多的欧姆龙小型PLC主要有CPM1A、CPM2A系列，其性价比高、社会拥有量大，现在已组建被功能更加强大的升级产品CP1H、CP1L系列小型PLC取代。

因考虑扭矩检测系统的I/O口数目、系统要求及成本等原因我们使用的是欧姆龙CP-1H系列可编程控制器（CP1H-X40DT_D），它是欧姆龙的小型PLC系统，能满足普通性能要求的应用，拥有四轴脉冲输出、四个高速脉冲输入，具有性价比高、社会拥有量大的特点。因此，扭矩检测系统以欧姆龙CP1H系列PLC 作为控制器，采用其脉冲输出功能控制两个空转步进电机（汉德保）和一个检测步进电机（飞仕宝）运行，再配合扭矩检测传感器进行对铰链类产品的扭矩检测。

浙江理工大学本科毕业设计（论文）

此外通过编码器的反馈，电机驱动对检测电机（飞仕宝）的脉冲收取量与具体执行量进行比较调节，构成检测电机的闭环调速系统。

表2-1 CP1H-X40DT_D部分技术标准

类型标准

脉冲输出端口4个

电源电压DC24V

通用内置输出晶体管（漏型）1输出6点

扩展系统最大可扩展7个CPM1A系列I/O或扩展单元

最大开关能力DC 4.5～30V 300mA/点0.9A/公共 3.6A/单元

最小开关能力DC 4.5～30V 1mA

ON 响应时间0.1ms 以下

OFF 响应时间0.1ms 以下

残留电压100.00～100.07在0.6V以下；101.00～101.07在1.5V以下

2.2步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机分为永磁式、反应式、混合式，按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好[21]。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略

基于PLC控制的扭矩检测系统设计

低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

本次扭矩检测项目，我们对于空转电机1、2选用上述的两相混合式步进电机（汉德保）；检测电机由于精度和稳定性要求更高，则选用飞仕宝步进闭回路伺服电机，其结合了步进电机在低速下输出转矩大和伺服电机精度高的特点。

韩国Fastech（飞仕宝）创新的闭回路步进电机控制系统，利用高分辨率编码器每25微秒一次确认并更新马达位置。使用高性能DSP（Digital Signal Processor）及软件技术，能让驱动的位置更精确，运动顺畅不抖动。对于检测系统的应用是最适合不过的选择[22]。

1.无需调整PID值、整定时间短

2.快速、精准定位，适用于皮带、快速分速盘定位

3.依负载智能型调整电流装置

4.成功应用在晶圆取放之机械手臂

5.实时读取编码器做补偿，快速定位而且不会失步

图2-1飞仕宝闭环步进伺服系统

浙江理工大学本科毕业设计（论文）

2.3扭矩传感器

扭矩传感器，（又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器、扭矩仪分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测[23]。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动（气动，液力）扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。

图2-2 Futek反作用力扭矩传感器

本次扭矩检测系统，我们选用美国Futek的反作用力（静态型）扭矩检测产品TFF400（cap:160in_oz）具有外型美观、结构坚固、工艺精湛等特点。

表2-2 Futek反作用力扭矩传感器

类型标准

量程 1.2 Nm

额定输出 1.5-2 mV/V

非线性度± 0.2 %R.O.

迟滞性± 0.2 %R.O.

安全过载300,150 %R.O.

工作温度-50~93 ℃

激励(DC/AC) 18 V

有无过载保护有

基于PLC控制的扭矩检测系统设计

第三章硬件电路设计

3.1扭矩检测工作过程及控制要求

在扭矩检测系统中，首先在PLC上电第一个扫描周期或者按下复位按钮时，PLC执行初始化段指令，使空转1、2工位和检测工位电机寻找原点并回到起始角位置准备开始工作，所有气缸复位到原点位置。

将铰链产品放在治具上并触碰启动传感器1或2后，对应气缸前顶固定住产品，同时空转1或2工位带动铰链开始来回旋转一定角度，增加其铰链产品开合能力。

将经过空转1或2工位旋转开合过的铰链产品置于检测工位，接触启动传感器后，检测工位飞仕宝电机开始带动扭矩传感器来回旋转，并由9524数据采集卡完成扭矩和电机旋转角度同步高精度采集。

通过在工控机上VB编写的用户界面中，可以直观地观察到每个产品的扭矩和角度相关数据，并进行合格评判。在检测工位进行检测时，不能触碰检测工位部件，以免造成不必要的干扰误差。在首轮检测不合格的产品，可以统一放置于一处，进行第二轮空转到检测的过程，依然不合格产品按要求进行另外处理。

浙江理工大学本科毕业设计（论文）扭矩检测系统流程图：

基于PLC控制的扭矩检测系统设计

浙江理工大学本科毕业设计（论文）

3.2电机驱动设置

空转1、2工位汉德保ASRD545R驱动设置：

图3-1汉德保电机驱动拨码图

根据驱动说明书我们把SW1、SW2、SW3分别拨到OFF、OFF、ON状态，此时驱动输出电流为2.2A。SW4为ON，输出90%电流。SW 5、SW6、SW7、SW8分别OFF、ON、OFF、ON使细分为6400。

检测工位飞仕宝EzM-42XL-A驱动拨码设置：

1）位置到达值：0

2）解析度：9

3）位置控制增益：3

4）驱动编码器输出信号接到9524数据采集卡CN2上

红线：ENCO_A+(Pin25) 绿线：ENCO_A-( Pin 59)

黄线：ENCO_B+( Pin 24) 白线：ENCO_B-( Pin 58)

3.3 PLC选型和设置

根据I/O口数目和所控制电机要求，选用公司常用的欧姆龙CP1H系列PLC，具体型号为Omron CP1H-X40DT_D。此PLC拥有24个输入口，16个输出口，最大4轴脉冲输出，为晶体管漏型输出，能够满足扭矩检测系统的控制要求。故选用Omron CP1H系列PLC[24]。对于步进电机控制方式选用脉冲加方向的方式。对于电机的原点位置我们使用松下GXF8A传感器作为原点处。

欧姆龙CP1H系列PLC以脉冲+方向的方式脉冲输出0对应的端子是100.00和100.02[25]；脉冲输出1对应的端子是100.01和100.03；脉冲输出2对应的是100.04和100.05；脉冲输出3对应的是100.06和100.07。我们选用脉冲输出0、2、3这三个口。

基于PLC控制的扭矩检测系统设计

此次所用欧姆龙PLC具体的I/O分配如下图所示，接线时按照图中线号进行标记和接线。

图3-2 PLC I/O列表

浙江理工大学本科毕业设计（论文）3.4主电路图

图3-3 主电路图1

基于PLC控制的扭矩检测系统设计

图3-4 主电路图2