基于PLC控制的扭矩检测系统设计
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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]。
（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，实现设备的自动化或半自动化运行。
1.3.2
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。
（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。
1.1.2
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。
The essence of this article is to automate the torque testing equipment, andanalysis how toachieve this target.Besides, introduce the performance parameter of PLC and torque sensor, stepping motor.Thenwe can make a better torque testing system to meet customer requirements. Of coursethere isstill someroom for improvement.
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。
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。
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]。
摘
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。
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]。
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]。
1.3
1.3.1
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
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。
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 analysisbetter control is put forward, and introduces the advantages of this control, etc.
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]。
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。
第二章
2.1
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。
Key words:Torque testing;PLC;Stepping motor
摘要
Abstract
第1Leabharlann 11.1.1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]。
1.2
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。
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 upfor the Hinge department. This articlestateshow to usePLC,stepping motor and torque sensorto completetheautomatic testing system.Thenwecan effectively solve the wasteandinefficiency problemscaused by traditional manual detection. At the same time we main analysis how to use Omron PLC to control the three stepping motors.
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]。
（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，实现设备的自动化或半自动化运行。
1.3.2
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。
（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。
1.1.2
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。
The essence of this article is to automate the torque testing equipment, andanalysis how toachieve this target.Besides, introduce the performance parameter of PLC and torque sensor, stepping motor.Thenwe can make a better torque testing system to meet customer requirements. Of coursethere isstill someroom for improvement.
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。
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。
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]。
摘
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。
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]。
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]。
1.3
1.3.1
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
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。
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 analysisbetter control is put forward, and introduces the advantages of this control, etc.
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]。
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。
第二章
2.1
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。
Key words:Torque testing;PLC;Stepping motor
摘要
Abstract
第1Leabharlann 11.1.1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]。
1.2
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。
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 upfor the Hinge department. This articlestateshow to usePLC,stepping motor and torque sensorto completetheautomatic testing system.Thenwecan effectively solve the wasteandinefficiency problemscaused by traditional manual detection. At the same time we main analysis how to use Omron PLC to control the three stepping motors.