基于工控機控制的輪對數控車床檢測裝置
目前，車輛輪對在鏇修前后的檢測主要是靠傳統的手工尺進行檢測，然后將檢測的數據手動輸入數控車床系統進行車輛輪對鏇修，且數控車床的對刀需靠操作工手動進行，不能實現自動對刀。由于傳統方式檢測方法落后，測量精度低，操作不夠便捷，不適應現代化車輛輪對的加工及信息的管理與維護。為此，我們研制了一套與輪對數控車床配套的非接觸式檢測裝置。該裝置是集光學、精密機械、電控技術、數據處理、計算機技術于一體的高技術精密檢測裝置。采用完全非接觸測量方式，實現數控車床在鏇修前后對車輛輪對的在線檢測，并將檢測數據經工控機融合處理后傳遞給數控車床，以指導數控車床自動對刀，自動對車輛輪對的鏇修，保證車輛輪對機械加工的外形幾何尺寸及加工精度。
1、各需測參數分布
需要檢測的車輛輪對幾何尺寸參數及其分布如圖 1所示。輪緣高度Sh，輪餅直徑D，輪緣厚度Sd，輪輞寬W，輪輞內側面到數控車床參考零點的距離Ri。重復測量的平均值誤差小于±0.1mm。
由于各車輛輪對的輪餅直徑尺寸大小不一，故確定測量方法尤為重要。根據對輪對的分析及輪對數控車床鏇修的特點，以選擇數控車床高精度頂尖頂緊輪對軸中心孔時作為檢測輪對的定位基準，通過此基準可以確定如圖1所示的理論中心軸線從而得到基于此理論中心軸線及數控車床參考零點的標定值然后經過將標定值與各測量值進行融合處理換算得到所需的車輛輪對幾何參數值。得到車輛輪對的幾何尺寸參數后，工控機與數控車床的PLC之間進行串口通信，將數控車床鏇修輪對時所需的所有參數傳送給數控系統，數控系統便可根據接收到的參數實現自動鏇修輪對。
2、系統的基本組成及測量控制方式
該檢測裝置主要包括測量與控制系統、數據采集系統、計算機處理系統等。基本結構如圖2所示。
圖2 系統的基本結構示意圖
2.1 測量與控制系統
測量與控制系統是檢測裝置的核心部分，主要包括測位傳感器、測量操作控制面板。
測位傳感器包括激光傳感器、渦流傳感器及編碼器。激光傳感器采用檢測范圍為60~140mm，分辨率為0.01mm的PSD型位移傳感器；渦流傳感器采用工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、非接觸測量、響應速度快的電壓型位移傳感器；編碼器采用11位絕對式編碼器，提高對現場環境的抗干擾能力。另外，在安裝激光傳感器時為避免復雜的輪對外表面對測量的不良影響，讓激光傳感器傾斜一定角度，使其輪對反射面的反射角變小，盡量讓漫反射光進入到接收器中，基本滿足接收傳感器對光通量的要求，這樣可以大大提高測量精度和可靠性。
控制系統主要由測量操作控制面板與 PLC 控制系統組成，采用兩者相結合的方式控制數控車床二維滑臺運動，帶動各傳感器進行數據掃描，并將掃描的數據傳輸給數據采集系統。測量操作控制面板采用 AT89C51 單片機作為處理器，將各種操作信息通過 PCI 型 I/O 數據采集卡傳入工控機。工控機采用研華IPC-610機箱，PCA-600LV 主板。工控機的測量軟件對傳入的數據及控制信號進行處理，并將處理結果傳遞給數控車床 PLC，由 PLC 控制數控車床二維滑臺運動，實現車輛輪對的檢測與自動鏇修。
2.2 數據采集系統
數據采集系統是檢測裝置的核心部分，主要包括模擬量的采集、數字量的采集、以及數字量控制信號的輸入輸出等。模擬量的采集采用 PCI 型250KS/s16位 A/D 轉換的數據采集卡，用于對激光傳感器、渦流傳感器輸出信號的采集。激光傳感器、渦流傳感器輸出的模擬信號經各自的放大器放大后直接輸入 A/D 數據采集卡的模擬輸入端口上，經數據采集卡 A/D 轉換后從 PCI 總線輸入工控機。數字量的采集采用 PCI 型96路TTL數字量 I/O 數據采集卡，用于對編碼器輸出信號的采集，同時也用于控制信號的輸出。為了減輕工控機的工作負擔，每個編碼器的輸出都由一個 AT89C51 單片機數據處理板對其輸出信號進行預處理，輸出數控車床的實時絕對位置，再由工控機通過I/O 數據采集卡從 PCI 總線讀入。
2.3 計算機處理系統
計算機處理系統包括測量控制、數據處理、數據傳輸等。測量控制主要是工控機接收測量操作控制面板傳入的控制信息，并輸出相應的控制信息給測量操作控制面板。數據處理主要是各傳感器輸出的模擬信號經高精度 A/D 轉換后，輸入到計算機進行數據存儲、數字濾波和進一步數據融合處理，最終將處理的數據結果顯示在控制測量軟件操作界面的相應位置上，供操作人員查看。并將測量的結果數據進行存儲及打印。數據傳輸主要是工控機將測量的結果數據傳輸給數控車床的 PLC 控制系統，指導數控車床對車輛輪對的鏇修。
3、控制測量軟件設計
控制測量軟件設計主要包括兩部分：1)單片機控制程序設計；2)工控機的測量軟件設計。
3.1 單片機控制程序
在本系統中，有兩個地方使用了單片機控制，都采用AT89C51 單片機作為處理器。一個是用于測量控制操作面板，在該面板上共有5個按鍵，分別是“啟動渦流測量”、“啟動激光測量”、“測量結果確認”、“傳輸左輪數據”和“傳輸右輪數據”。每按下一個按鍵，其相應的LED指示燈點亮，其余按鍵鎖定，并通過數據采集卡將該按鍵信息傳入工控機，工控機接收到信息后執行其相應的任務，任務完成后，工控機通過數據采集卡清除按鈕信息并熄滅相應的LED指示燈。
另一個是編碼器數據處理板，它讀入絕對式編碼器的數值，判斷其正反轉，并實時給出編碼器的圈數及其單圈讀數，輸出數控車床的實時絕對位置，然后傳送到數字 I/O 卡上，工控機可直接從數字 I/O 卡上讀取數控車床的實時位置。在圈數計算時，采用電平中斷處理的方式，當編碼器轉到零位時，即十一位輸出均為低時，單片機INT0. 引腳產生中斷，再判斷編碼器上一個數值，是“1”則編碼器反轉，圈數減 1，是“2047”則編碼器正轉，圈數加1。單片機INT1 引腳接到工控機中的數據采集卡上，當工控機發出一個清零脈沖信號時，編碼器數據清零，重新開始計數。
3.2 工控機的測量軟件設計
工控機的測量軟件設計是本系統中的重點，它實現了 5個功能：一是提供用戶界面并接受用戶輸入的指令，二是提供數據的存儲、顯示、查詢、打印等功能，三是根據掃描的數據實時繪制車 輛輪對的輪廓圖形，并與標準輪對輪廓圖形進行對比；四是與PCI 數據采集卡、數字 I/O 卡驅動程序通信，實現實時數據的讀 入，五是與數控車床 PLC 系統通訊，實現自動測量與車輛輪對自動鏇修。為此選用VC作為開發平臺，進行可視化圖形設計，測量軟件的程序流程圖如圖3所示。考慮到輪對表面狀況的極端差異及現場環境的干擾，在測量軟件中針對輪對的不同狀況進行實時的補償，并對各種干擾進行數據融合處理，消除對測量數據的影響。軟件中還對誤操作、掉電等情形進行了自動診斷與保護。
結束語
該設備于2005年5月研制成功，目前運行狀況良好，經過實際測試，裝置在測量的穩定性、可靠性、測量精度均優于設計要求。就目前情況看，這是國內第一臺應用于輪對數控車床的檢測裝置，具有較廣闊的發展前景。