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]。
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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
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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
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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。
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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。
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