基于激光位移传感器的车轮弯曲疲劳试验加载轴偏移量检测系统设计
基于激光位移传感器的车轮弯曲疲劳试验加载轴偏移量检测系统设计
作者:王梓;苏成志;徐洪吉
早年的车轮弯曲疲劳试验机主要采用监视载荷或转速变化的方法实现车轮试验的失效检测, 其中与失效判断相关的试验参数完全依靠操作者凭经验确定, 大大降低了试验的有效性和可靠性。 最新的有关汽车车轮性能试验方法的国家标准中,明确规定将加载臂的偏移量超出初始全加载偏移量的百分比作为车轮试验失效的判定标准。 本文针对以上情况,本文设计了一种以PLC 为核心, 基于激光测距仪的车轮弯曲疲劳试验加载轴偏移量检测系统。
1 测量原理及方式
试验过程中,车轮固定不动,载荷旋转。 随着试验的进行车轮的刚度将会不断下降,车轮的变形量加大,与车轮连接的加载轴的摆动幅度变大,所以加载轴的摆动幅度的大小即可直接反应被试车轮的刚度变化情况。 加载臂圆周上任意一点在该点的静态位置附近做等幅振动。 因此,只需在试验前记录传感器的静态测量值,并在试验过程中将传感器的动态测量值与所记录的静态值相减, 即可得到测量点的振动位移值。 由于加载臂在工作过程处于摆动状态,很难应用接触式位移传感器直接测量摆臂的偏移量, 所以采用非接触式传感器, 使得无需直接接触加载轴就可以对其偏移量进行测量。
在加载臂圆周上布置两个位移传感器,两个传感器感测头的轴线相交于一点, 建立测量坐标系 XOY,传感器 S1 处于 X 轴的正半轴上,传感器 S2与 S1 的夹角为 α。
采用两个位移传感器时, 加载臂圆周上任意一点的振动偏移量的计算式。 考虑到由于车轮刚度的不均匀性,可能导致加载臂圆周上各点的振动偏移量有所差别。 因此需对测得的各点偏移量求和后取均值,将平均值作为最终检测结果。
2 检测系统的构成
该系统由上位机、 位移传感器及其控制器、PLC 及其 A / D扩展模块构成。 两路成 90°布置的非接触式位移传感器输出的测量信号经A / D 模块转换为数字量。 下位机 PLC 将采集数据到计算、处理后得出测量值,送上位机显示。 上位机与 PLC 的通信采用 PC /PPI 串口通信的方式实现。
3 测量系统硬件
3.1PLC及其扩展模块
选用西门子公司的 S7-200 系列 CPU224XPsi 型号 PLC, S7-200CPU 包括一个主要处理单元、电源以及数字量 I / O 点,该型号具有 14 输入 / 9 输出。 6 个独立的 30kHz 高速计数器,2路独立的 20kHz 高速脉冲输出和 2 个 RS485 通讯 / 编程口,可靠性高。
3.2 激光位移传感器
激光三角法具有非接触、不易损伤表面、材料适应性广、结构简单、测量范围大、抗干扰、测量点小、测量准确度高、可用于实时在线快速测量等特点,在几何测量领域中得到广泛的应用。
DIMETIX公司的激光位移传感器是一种低成本高精确度的长距型激光位移传感器, 它包括一个发光元件和一个光接收元件,利用三角法对目标物的位移量进行检测。 最小解析度为 0.05mm、量程为±100mm,能对黑色的和金属的目标物的位移进行高精确非接触式测量。 可根据使用条件对传感器的反应速度进行选择和调整,完全满足测量系统的要求。
控制器采用 220V 交流供电, 其中的信号处理电路将电压与位移量进行线性化输出后就可以实现高精度的位移测量,输出信号范围为±5V,可以直接输入 PLC 的 A / D 扩展模块而无需对信号电压进行变换。
4 数据的采集、存储与处理
DIMETIX激光位移传感器的输出为模拟信号, 考虑到加载臂的振动信号的频率为 10~40Hz,所以选择 LB-301 的反应频率为 250Hz,故选用的 A / D 模块的采样频率至少应在 500Hz以上,因此选用西门子公司的 EM231 模拟量输入模块。 EM231是一种 12 位的 4 通道模拟量输入模块,A / D 转换时间小于0.25ms。 通过组态 DIP 开关,可为输入通道设置多种的量程范围,并同时兼容电流输入和电压输入两种形式。
PLC 下位机采用定时中断对两路 A / D 通道转换后的数字量进行采集。 定时中断间隔为 2ms,采集个数 k 为 128。 在中断程序中以指针的方式分别将每次采样后的计算值 D (k) 存入 V存储区的固定区域中,当采样数等于 128 时,中止程序对 V 存储区的存入,数据处理子程序同时对数据进行处理,并在处理完成后,恢复 D(k)的存入,以此完成数据的采集。 数据处理程序用于完成限幅平均滤波、工程转换等处理操作,得出最终测量值。
5 上位机监控
上位机采用昆仑通态 TPC1063E 一体式工控机, 并应用MCGS 组态软件完成上位机监控软件的开发。通过上位机,操作员可依据国家标准对偏移量超出百分比的上限值进行设定。 为了满足直观监控的要求,偏移量数据以曲线图的形式实时显示。
6 结束语
本系统测量精度高,可靠性好,实现了整个试验过程中加载轴的偏移量的非接触监测, 与试验机的控制系统结合后即可实现车轮弯曲疲劳试验失效自动停机卸载功能, 亦可应用于轴类零件振动的在线检测。
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