6ES7212-1AB23-0XB8诚信经营

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引言
电动缸是一种提供直线推力的运动装置，是一种高响应、长寿命的执行机构，在诸多领域得到广泛应用，包括：六自由度并联运动平台、娱乐仿真设备、生物测试设备、造波机、疲劳测试、飞机结构强度测试、动态仿真等。
在电动缸作为执行机构的控制系统中，电动缸直接由伺服驱动器控制，不再需要油、气等中间媒介传递动力，而采用油、气等动力传递媒介正是产生运动仿真、测试系统控制误差的主要原因，从而导致不准确、使用不方便，所以电动控制系统比液压系统更优越的控制性能，速度更快、承载能力更高、寿命更长。系统的控制性能不会受环境温度、易污染的液压阀和流体介质等因素影响，无需随着使用环境条件变化而做相应调整，减少设施投入和设备维护，节省安装空间且安装拆卸、调试方便。同时系统也可使用220v（单相或者三相）交流电源，电机和伺服驱动器之间的联线也非常简单，不再需要液压系统中复杂的油泵、管路、冷却系统以及其他附属设施。
与气缸相比，电动缸可以应用在那些不太合适使用高压空气的场合。与气缸所产生的轴向运动相比，螺纹的使用使运动有了更高的速度和力矩。在新的电动伺服系统中，在控制速度、位置和扭矩时，可以对每个动作设定；这个特点使一个简单的“圆柱体”成为一个真正的自动化系统，具有体积小，性能优，便于维护等优点。
电动缸也可以采用滚柱丝杠技术使系统具有更高的机械刚性、更长的使用寿命、更高的抗冲击能力，高效坚硬的滚珠丝杆适合做jingque定位和长距离往复运动，适合大轴向载荷的往复运动，并能够获得更高的可靠性和更长的使用寿命。
而厂家提供的电动缸出厂前需要进行严格的质检及其功能测试。为使其功能上能够满足客户的需求，出厂测试显得尤为重要，目前的测试手段基本上为人工手动测试，这样在测试上需要投入大量的时间和精力。为提高整个生产的检验环节效率，需要一种专门的测试系统来代替之前人工测试的中间过程，使整个测试更高效、准确、全面。上海冀望机电科技有限公司是一家研发、设计、生产和销售伺服电动缸和电动伺服控制系统的国内企业，为提高工作效率，委托开发这个测试系统。

测试系统的介绍及特殊要求
电动缸的出厂测试项目主要包括行程测试、走合测试和速度测试，应能根据所测对象的不同而进行相关参数设置，所以该系统主要有三个功能块：
（1）行程测试
该项测试需要设置前进和后退两个按钮控制，按照设计要求对整套系统进行全行程测试，电机的运行速度根据实际需要可方便调整，在近端和远端都停止，由外部测量机构得到该缸的真实大有效行程（根据操作人员的工作习惯），检验其在近端和远端是否出现堵转现象或者转矩过大的现象，同时检查大行程是否满足出厂规格。
（2）走合测试
在规定的走合时间内（一般为数个小时）整套系统运行的平稳性测试。走合测试受按钮控制，按下走合测试按钮，电机开始运行并计时，在所设置的范围内自动往复，走合时间到，电机停止运行。
（3）速度测试
根据测试相关规程，电机设置低、中、高三种速度进行测试，分别设三个按钮控制。电机在运行过程中，要求监控并采集相关数据，如电机速度、驱动扭矩等，将数据用图表显示，并且进行存储，方便检查和调用。
为提高工作效率和充分利用现有设备的性能，系统采取了双通道设计，即单台plc控制两台电动缸，提高效率，节约时间和成本。
对于整个系统而言，我们需要测量的主要对象有电动缸的大有效行程、在较长时间的运行的平稳性、电机的转速和转矩。电机的转矩是测量对象中重要的一个参数，反映了电机动态性能是否达标，对实时性的要求很高。我们在设计时综合考虑了现场需求、操作习惯、测量精度、采样率、兼容性及价格等因素，对采用的元件进行了选型。

系统的硬件设计
系统选用松下plc和weinview触摸屏为控制核心单元。
可编程逻辑控制器(简称plc)是专为在工业环境中应用而设计的一种工业控制用计算机, 具有抗干扰能力强、可靠性高、体积小等优点, 是实现机电一体化的理想装置。
选用的plc的型号为松下fpx，是一种适用于小规模设备控制的小型通用plc，具有32k步的程序容量和0.32μs的程序容量，能够利用usb通信端口与计算机直接连接，提供标准rs232c接口与显示装置通信，脉冲输出频率大可达100khz，可以使用模拟定时器。提供32 路24vdc输入和28 路晶体管输出。plc内部的可编程单元主要有输入继电器x，输出继电器y，定时器 t，数据寄存器dt等等。
触摸屏为威纶mt6056iv,5.6英寸，320×234，65536色，外接电压为24v，400mhz的处理器，有64mbddr2内存和128mb闪存，通过组态软件eb8000制作人机界面和操作软件。
模拟信号的采集、转换，出于需要采集负电压的要求而选用fp0a21模块，且必须通过扩展fp0适配器与fpx配合工作，具有16位2个输入通道和1个输出通道，具有较高的精度和较强的抗干扰性。
试验用电动缸分别为松下公司minas-a4系列msma152p1电机配套mdddt5540驱动器和韩国macapion公司anypack系列apm-sb04adk2电机配套apd-vs04n驱动器。
在系统中，触摸屏（hmi）和plc之间采用rs232串行通信， plc根据程序设定以及外部输入做出逻辑判断，并且输出2路脉冲提供给2个驱动器，分别来控制对应电机的动作。而驱动器提供的模拟电信号（电机转速和驱动转矩的检测信息）均通过fp0a21模块进行a/d转换，转换后的数字信号从plc编程处理后送入到工控触摸屏中，且触摸屏可以进行数据图表记录和图形显示，从而实现对电动缸的相关信息在线监测。
整个系统的硬件结构框图如图 1 所示。

图1 系统硬件结构框图

电机驱动器的控制线均为50芯接口，我们根据所需要功能选取需要用到的针脚，制作控制线。plc端口分配与对应控制针脚如附表所示。
从附表我们可以看出，我们需要采用4输入通道的ad模块，但价格昂贵，由于走合测试的时间往往较长，根据操作习惯，往往在一台走合的时候，可以对另一台进行行程和速度测试并且进行数据监测和存储等工作，所以在这里，使用2个开关制作了双控电路，大大节约了成本，使原本需用4个ad通道的情况仅仅使用a21就可以解决问题。当需用测量某台电动缸的时候，拨动其对应开关接通，另一路开关断开即可。电路图如图2所示。

图2 双控电路图

系统的软件设计、工作原理、程序
我们使用松下公司提供的bbbbbbs环境下的plc编程工具fpwin gr进行plc程序的编写、编译和下载，其具备3种程序编辑模式：符号梯形图编辑模式、布尔梯形图模式和布尔非梯形图模式，支持数据、触点和时序图监控，i/o分配，在线编辑。主程序流程如图3所示

图3 主程序流图

由于出厂前的电动缸一般都为裸机，还没有根据客户方的要求而安装限位开关，且由于在该系统中需要测量大有效行程，所以在不能使用限位开关的情况下，如何保证电动缸在运行过程不发生撞缸堵转现象，从而保证电动缸的安全运行？我们经过反复思考、实验论证，终使用转矩限制信号来解决该问题。转矩限制信号一般由伺服电机驱动器的i/o接口中某个针脚提供，在电机转矩达到参数设定值时，该针脚输出有效，将plc某输入端子与之相连，检测其变化，作为程序中保护动作的触发条件。程序示例如图4所示，在这段控制某缸的行程测试的部分程序中，r60和r61两个常开触头分别作为电动缸前进和后退的动作开关，而x0接受对应驱动器提供的转矩限制信号，来控制中间继电器r60和r61的通断电。当x0有效（断开）时，plc停止发送脉冲，电机停止运转，从而起到类似限位开关的保护作用。经多次实验验证，在电动缸默认的参数设置下，符合绝大多数工作场合要求，即在电机转矩达到300%额定转矩才输出转矩限制信号，也能正常、安全的起停电机。
操作界面软件的设计主要基于eb8000组态软件。我们通过组态软件，来实现触摸屏上的相应功能，通过对程序模块的集合，快速、直观地生成人机界面，建立完整的解决方案，直观地显示在触摸屏上。该软件内容丰富，支持松下、西门子、三菱、欧姆龙等公司的多种各系列plc设备。该软件与以往工控软件编程复杂相比，降低了开发难度，缩短了触摸屏系统的开发周期。

图4 程序示例

系统的软件主要由运行界面、参数设置、行程测试、走合测试、速度测试、数据存储显示六个部分组成，在每个功能块里面均可以进行缸1和缸2的切换：
运行界面是整个测试系统的起始界面，如图5所示。

图5 运行界面

参数设置：在这个界面设置测试缸的编号，额定转矩和转速及其对应的输出模拟电压比例，减速比，电动缸的导程，每圈脉冲数ppr，希望测试的3种速度具体值等参数。
行程测试：可以自由设定运行速度，提供前进、后退和停止三个按钮进行控制，由于工作现场要求和设备性能限制，暂时只提供人工在近及远端手动测量，以后可以扩展功能，加装外部测量装置进行自动测量以及数据记录。
走合测试：提供时间设定、转速设定、走合起始位置和终点位置四项功能设定，并且进行当前电动缸位置的实时检测及显示，需要注意的是这里的位置信息实际上是有脉冲数换算得来，并没有外部测量装置进行全闭环。
速度测试：同样提供两个缸的功能切换，在不同速度和方向的工作状况下，都有速度和转矩两个数值显示框，提供电机驱动转矩的即时趋势图，采集频率为10hz，可以检视图中任意时刻且在检视数据框中显示，数据的采集和停止有对应的功能按钮来控制。
在速度测试页面点击历史图按钮进入电机启动过程的数据图示，记录时间1s，提供高达100hz的采样频率。点击数据按钮可以进入历史数据表格记录。该触摸屏可以存储7天的数据，每天数据量高可达80000组，已能满足工作需求，如图6所示。当需要保存更多数据时，可以使用usb数据延长线连接一个u盘，选择将数据保存至u盘即可。使用eb8000软件的转换功能可以很方便将数据导出为excel表格类型。

图6 数据表格记录界面示例

如果在测试过程中，运行出现状况，则由触摸屏提供声光报警。事故处理完毕后，需回到运行首界面进行报警信号清除，且恢复使能，才能重新正常工作。

结束语
基于plc和触摸屏的电动缸自动测试系统，具有自动化程度高、界面直观、功能强大、灵活性高等优点，可以有效地提高测试的效率，具有很好的应用前景。目前，该系统已在上海冀望公司投入使用，较好地满足了该公司电动缸出厂时的检测需要，提高了工作效率。