基于激光测距的轮胎胶囊对称性检测系统设计
基于激光测距的轮胎胶囊对称性检测系统设计
作者:王化建;张文超;殷宪龙;咸真鹏;
随着时代的发展、科技的进步,汽车工业的发展极大的促进了轮胎工业的进步,进而对轮胎胶囊外形轮廓性能指标是否合格至关重要。因此轮胎囊断面轮廓作为轮胎外援尺寸的重要内容,不仅关系到轮胎与车辆间的匹配,也影响到轮胎之间的互换,简介影响车辆的操纵稳定性和行驶安全性。在原有技术中,对轮胎硫化胶囊的对称性检测往往采用手工触摸感觉或有经验的老师傅的目测,这样对硫化胶囊对称性的检测带有很大程度上的主观性和随机不确定因素,对于硫化胶囊的对称性无法客观准确地测定。针对现有技术存在的不足,本论文目的在于提供一种基于激光测距仪的硫化胶囊对称性检测系统,能够对硫化胶囊的对称性进行精确检测。
1、检测原理
1.1胶囊对称性数据检测原理
基于对轮胎模具内膜(硫化胶囊的下一道工序)的加工,需要将胶囊加压维持在一个稳定的气压值。因此需要将硫化胶囊的顶端和低端密封,进而在硫化胶囊内侧形成密封空间。向密封空间通入适量的高压空气,从而使硫化胶囊膨胀。胶囊的密封空间充气后,通过气压传感器来检测密封空间内的气压,并将气压数据传输至控制器,控制器根据设定值以及密封空间内的当前设定值,并采用相应的算法,控制气源向密封空间内充气,以使密封空间内的气压保持在一个合适的值。将将激光测距传感器的探头靠近与膨胀后的硫化胶囊的外侧转动膨胀后的硫化胶囊,同时获取激光测距传感器的测量数据并计算出硫化胶囊的最大偏心率。从而判断硫化胶囊的合格程度。
1.2激光测距原理
轮胎外形轮廓检测设备的检测方式经历了从接触式检测到非接触式检测的演变。接触式测量方式需要有一个“干净的”测量路径,测试过程中车头始终与轮胎表面相接处,轮胎表面的花纹、凹槽等会损坏接触式测头,且测试过程中传感器不必要的反弹会影响测量数值的准确性和重复性等的缺点。
近年来,随着光学技术的发展,非接触式激光检测技术应运而生。由于橡胶表面是黑色且能吸收大多数表面的光线, 因此选用激光测距传感器可以有效的避免胶褒轮廓测量的障碍。激光传感器有足够的光能来获得高质量的激光点图像,有快速度的增益控制来适应表面反射率的变化。
激光测距传感器工作时,先由半导体激光器对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一 种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间,因为光速太快。 若要分辨出精确地测定传输时间,这是对电子技术提出的过高要求,实现起来造价太高。但是如今廉价的传输时间激光传感器巧妙地避开了这一 障碍,利用一 种简单的统计学原理,即平均法则实现了1mm的分辨率,并且能保证响应速度。
1.3编码器原理
硫化胶襄的检测装置,需要测量硫化胶襄的八个横截面采集点。因此需要将硫化胶褒横截面平均分配8个点,而本设计的圆周采集点是利用光电式旋转编码器进行细分的。
光电式旋转编码器的工作原理:通过编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。编码器是按照一 定的编码形式制成的圆盘。 (如图4)是二进制的编码盘,图中空白部分是透光的,用"O"来表示;图黑的地方是不透光的,用"1"来表示。通常将组成编码器的圈成为码道,每个码道表示二进制数的一 位,其中最外侧的是最低位,最里侧的是最高位。如果编码器有四个码道,可形成16个二进制数,因此就将圆盘划分16个扇区,每个扇区对应 一个4位二进制数,如0000、0001、... 、 1111。
2硫化胶囊对称性检测设备
2.1PLC选型以及控制1/0分配表
本设计选择日本三菱公司的型号为FX2N-48MR的PLC, 根据设计任务要求,列出检测信号采集点和输出点。
2.2控制算法设计
前期调查发现难以找到合适的数学模型描述本系统,而且被检测胶褒型号多样,用传统的控制理论难以描述本系统,因此采用模糊控制理论则变得势在必行,而且模糊控制鲁棒性和适应性良好。模糊控制器结构:选用测量胶翍的偏差值e和偏差的变化率ec作为输入,胶森的精确程度u作为输出。
定义输入、输出模糊集及论域:
偏差值e和偏差的变化率ec的模糊集均为:{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}={NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}。
精确程度u的模糊集为{很差,差,中等,好,很好}={VB, B, M, G, VG}
2.3模拟量选择模块
本设计主要是在胶囊内部气压维持在0.1MP的情况下,采集8个横截面切点,需要莫年龄输入输出模块,因此选择三菱公司的FX2N-4D模拟浪输入输出模块,利用激光测距传感器采集8个点的数据,并且对其进行上位机的显示。
2.4测距传感器模块
系统选用DIMETIX公司的产品,具有不同的测量范围,不受被测物体外形和颜色的影响,精度高可以达到7μm的分辨率等优点。
2.5总体检测装置
该硫化胶囊对称性检测装置,包括机座、固定架、转台、用驱动所述转台转动的驱动装置、竖直设置于转台台面上的套柱、安装于固定架上的光栅传感器以及控制器;所述转台的台面上设置有与硫化胶囊底端适配的下环槽,所述套柱的顶面设置有与硫化胶囊顶端适配的上环槽;所述下环槽和上环槽内分别设置有用于分别将硫化胶囊的两端夹紧密封以在硫化胶囊内侧形成密封空间的卡圈;所述套柱内部设置有骑到,所述气道的一端在套柱的侧壁形成有出气口,另一端穿过转台的底部并形成由进气口,所述进气口通过充气管与气源连通。
在测试时,将硫化胶囊套在套柱上,并使硫化胶囊的底端和顶端分别卡入下环槽和上环槽内,然后将两个卡圈分别卡入到下环槽和下环槽内,已将硫化胶囊的两端夹紧密封。然后操作控制器控制气源向密封空间充气,使硫化胶囊膨胀;当硫化胶囊膨胀到合适的程度后,用激光测距传感器的探头对准硫化胶囊外表面,然后通过驱动装置带动转台转动,从而使得硫化胶囊转动;在硫化胶囊转动的过程中,激光测距传感器能够对硫化胶囊外表面与其探头的距离进行检测,并将数据发送至控制器。
3、上位机组态界面开发
上位机系统面向不同用户设置不同权限,组态界面显示所测胶囊的八个点以及偏差值,采用微软开发的ODBC数据源对数据存储和查询,查询时支持按胶囊型号、日期的符合条件从SQL Server数据库检索,综合利用了组态王6.55版的网络发布功能,实现了在局域网中对称胶囊数据的实时监控和查询。
4、结束语
伴随着自动化技术的发展,工业自动化数字化技术逐渐成熟。本研究通过对胶囊测偏机的原理,激光测距原理,以及编码器的工作原理进行阐述,并且在此基础上,对系统上位机和下位机进行分析综合和设计。最后,对控制算法进行了详细介绍,实验证明,该系统具有可靠性高,实用性强,测试周期短,测量精度高的特点。本文的设计系统巳经在山东西水永一橡胶有限公司投入使用半年多,满足实际需要。
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