摘 要：針對鐵路貨車制動缸緩解彈簧檢測工藝的技術要求，文章在數控測控方面進行了詳細的闡述和分析，并研制出了一種以西門子S7-200系列 PLC為控制核心的檢測裝置，實現了數控系統的精確定位控制。采用VB6.0編程軟件建立上位機監控系統，通過串行通信方式對整個檢測過程進行實時監控。采用該方法設計的檢測裝置，可對制動缸緩解彈簧進行自由高檢測和分段回彈力檢測。

關鍵詞：PLC，數控，伺服系統，串行通信，緩解彈簧

Abstract: To meet the technology requirements of detection process of brake cylinder buffer spring for railway truck, the papers was described and analyzed in numerical control, and designed a siemens S7-200 series PLC to control the core of the detection devices, to achieve the precise positioning control for numerical control system. VB6.0 programming software to establish the use of PC control system, serial communication through the entire detection process real-time monitoring. The detection device can detect the the free heights and elasticity of Brake Cylinder Buffer Spring

Keywords: PLC，Numerical control，Servo System，Serial Communication，Buffer Spring

0 引言
　　制動裝置是鐵路貨車的重要組成部分，是鐵路貨物運輸秩序和安全的重要保障。鐵路貨車制動系統是一個工作過程非常復雜、專業性很強的系統，制動缸作為制動系統關鍵部件，它的性能優劣直接影響鐵路行車安全。制動缸由制動缸蓋、活塞、活塞桿、皮碗及緩解彈簧等組成，緩解彈簧作為制動缸的主要部件，又直接影響制動缸的各項制動性能[1]。所以在車輛制動缸的新造與檢修過程中，緩解彈簧也需進行嚴格的檢測。傳統的檢測方法都是手工操作，檢測精度低、人為因素影響大、勞動強度高，不便于管理。為此研制設計出了一種專門用于制動缸緩解彈簧的檢測裝置，以滿足生產的需求[2]。
1 檢測裝置的組成及工作原理
　　1.1 檢測裝置的組成
　　在2007年《鐵路貨車制動裝置檢修規則》中，規定彈簧須在數控彈簧測力機上進行檢測。根據檢測規則的技術要求，制動缸緩解彈簧檢測裝置的設計如圖1所示。整個裝置采用雙工位作業設計，由機械部分，電氣控制部分，計算機軟件部分三大部分組成。

 

　　1-工作臺;2-檢驗尺;3-壓力傳感器;4-緩解彈簧;5-彈簧固定桿;6-彈簧座;7-工作臺;8-同步齒形帶;9-伺服電機;10-伺服系統;11-絲杠;12-轉向架;13-控制箱;14-控制按鈕;15-平板電腦;16-微型打印機;17-鍵盤。
　　1.1.1 機械部分

 

      檢測裝置的機械結構在設計上考慮到彈簧上下貨的方便，將設備的外形尺寸定為1000m×600m×1800m（長×寬×高）。在操作方面為使操作者能夠多角度操作，特將操作箱與床身由活動的轉向架連接，可旋轉180°的角度。在安全作業方面，每個待測彈簧將放在帶有凹槽的彈簧座上防止側滑，四周由4根固定桿組成防護欄防止向外彈出，其中一根在上下貨時可拆卸。在移動方面，檢測裝置安裝有4個帶剎車的滑輪，可方便的移動與固定。在彈簧壓縮方面，檢測裝置采用絲杠帶動彈簧座一起上下移動來完成該動作。檢測裝置的使用現場如圖2所示。

 

　　1.1.2 電氣控制部分
　　檢測裝置的電氣控制部分以PLC為控制核心，每個工位配有獨立壓力傳感器，伺服電機，伺服系統，傳送帶，控制按鈕等，可完成自動和手動兩種控制功能。壓力傳感器選用量程為0～5000N，分辨率為0.1N，可反饋回4～20mA的電流型信號。考慮到被測件安放的穩定性，對壓力傳感器的承壓部分進行了改造，為提高測量精度，采用剛度大、變形小的底座。考慮到制動缸緩解彈簧在壓縮過程中，壓縮行程精度允許誤差為1mm，要求精度沒有數控車床加工精度高，所以在伺服系統上采用開環控制方式，伺服電機選用步進電機。
　　1.1.3 計算機軟件部分
　　檢測裝置的計算機軟件部分，主要指測試裝置的監控軟件。該軟件根據制動缸緩解彈簧的特定工藝流程，基于VB6.0編程軟件編制而成的。具有對測試過程實時動畫顯示，彈簧壓縮參數設置，測試數據記錄查詢，打印報表，模擬鍵盤輸入等功能。為使設備輕巧簡單，上位機計算機采用帶觸摸功能的平板電腦，配備微型針孔打印機，以及備用微型鍵盤。檢測裝置的主控制界面如圖3所示。

圖3 制動缸緩解彈簧檢測裝置主控界面

　　1.2 檢測裝置的工作原理
　　為了實現制動缸緩解彈簧檢測裝置檢測過程全自動化，達到智能控制要求。操作員在進行操作前，需要通過計算機監控軟件對整個檢測過程進行參數設置，設置的內容有彈簧類型，彈簧壓縮次數，每次壓縮行程，合格標準，限位設置等多項內容。
　　檢測裝置根據設置可完成智能化運行。通過壓力傳感器采集當前彈簧壓縮狀態下的回彈力，并將其轉化成4～20mA的電流型信號，傳遞給主控制器PLC的模擬量接收模塊。PLC對所采集的信號進行A/D轉換、濾波、整流等處理，再與上位機計算機進行串行通信，把處理后的信號發送到計算機的緩存區中。監控軟件一方面通過對計算機緩存區中接收到的信息進行解析，判斷處理，完成制動缸緩解彈簧檢測過程的實時動態顯示、數據記錄、限位報警、故障診斷等操作;另一方面通過對PLC發送控制信息，完成對伺服系統高頻脈沖信號、開關量信號的輸入。PLC與計算機的串行通信是通過PLC控制器上的RS-485串口和計算機上的RS-232串口來完成的[3]。伺服系統接收到控制信號后，可完成對伺服電機的正、反轉，旋轉角度，旋轉速度等動作的控制，通過同步齒形帶將動作再次傳遞給絲杠，完成絲杠與彈簧座的一同上下動作，從而使被測彈簧實現壓縮和緩解。整個檢測過程的工作原理如圖4所示。

圖4 制動缸緩解彈簧檢測裝置的工作原理框圖

2 檢測裝置的測試要求及功能
　　（1）本檢測裝置根據檢測需求，可完成如表1所示種類制動缸緩解彈簧的實驗：

　　表1 制動缸緩解彈簧技術參數

 

　　（2）檢測裝置可使彈簧全壓縮5次，測試第4次及第5 次子自由高，不許有永久變形，并且彈簧在自由狀態下高度變化不超過-40mm，超出均視為不合格。壓縮次數可調。

　　（3）由于緩解彈簧在制造及在廠段修時，并未完全按照標準制造及安裝，有時會出現超出標準長度的現象存在，一般控制彈簧的自由高允許超出標準高度的+30～+50mm，超出范圍可進行界面輸入選擇，此類彈簧超出30～50mm內的均視為合格。
　　（4）在測試完成彈簧自由高以后，進行分段回彈力實驗，表1中的5種緩解彈簧均可按照如下分段進行實驗：

　　第一段：壓縮81mm時，回彈力>=934N;

　　第二段：壓縮241mm時，回彈力>=2780N;

　　第三段：壓縮335mm時，回彈力>=3864N;

　　（5）可輸入并保存各種彈簧的類型及參數，選擇需要檢測的彈簧類型后，進行自動檢測。
　　（6）測量彈簧自由高時的接觸力（測自由高初始觸力）不得大于0.02N。
　　（7）開機后或每次試驗后自動對壓盤位移做一次校準。
　　（8）顯示屏上可同時顯示待測彈簧的所有標準參數和誤差允許范圍。
　　（9）在每次自動測試前，能自動清除測力傳感器的零點漂移。
　　（10）測試過程中自動記錄并顯示實際測量結果，自動判斷檢測項目是否合格。
　　（11）具有與HMIS聯網的接口。可存儲、查詢、打印試驗結果，上傳至其他電腦。

　　（12）檢測裝置性能參數滿足表2的要求。

　　表2 數控彈簧測力機性能參數

 

　　注：L為測定的任意位置壓盤間距離（mm）

3 伺服系統控制分析
　　按數控系統的進給伺服系統有無位置測量反饋裝置可分為開環數控系統和閉環數控系統。開環伺服系統無位置反饋，是數控系統中最簡單的伺服系統，其驅動元件主要為功率步進電機。PLC發出的指令脈沖，通過驅動電路放大送到步進電機，電機輸出軸轉過一定的角度，再通過同步齒形帶和絲杠螺母副帶動絲杠和彈簧座上下移動。步進電機軸轉過的角度正比于指令脈沖的個數，旋轉速度的大小正比于指令脈沖的頻率。由于沒有檢測反饋裝置，系統中各部分誤差，如步進電機的步距誤差、機械系統的誤差等綜合為系統的位置誤差，所以精度較低，速度也受到步進電機性能的限制，低速不平穩，高速扭矩小。但開環系統結構簡單，易于控制與調整，一般用于輕載、負載變化不大、精度要求不高的場合，在經濟型數控機床和普通機床改造中使用較多。在制動缸緩解彈簧檢測過程中，壓縮尺寸精度誤差要求為0.1mm，所以在伺服系統控制方式上采用開環方式控制。本系統的開環伺服系統結構如圖5所示。

 

圖5 開環伺服系統

4 PLC實現數控系統的定位控制
　　PLC實現數控系統的定位控制主要表現在，PLC對伺服驅動器的脈沖信號，正/反轉信號，使能信號等的控制，從而使伺服驅動器能夠精確的控制伺服電機的轉速、轉角、方向等，伺服電機再帶動絲杠運動，完成彈簧座的定位控制。在定位控制過程中主要影響定位精度的因素有: （1）定位控制過程中所涉及到的一系列傳動機械誤差，包括絲杠間隙、同步齒形帶的松緊、絲杠絲母的配合等因素。（2）根據實際情況計算的PLC向伺服驅動器發送脈沖信號的準確度。

　　在本檢測裝置中，PLC選用了SIEMENS S7-200系列PLC，它具有高速脈沖輸出功能，能在輸出端產生高速脈沖，用來驅動負載實現精確控制。高速脈沖輸出有高速脈沖串輸出PTO和脈寬調制PWM兩種方式。PTO可以輸出一串脈沖（占空比50%），可以控制脈沖的周期和個數。脈沖周期變化范圍是10～65535us或2～65535ms，為16位無符號數據;脈沖個數用雙字無符號數表示，取值范圍是1～4294967295之間。PWM可以輸出連續的、占空比可調的脈沖串，可以控制脈沖的周期和脈寬。脈沖周期與PTO相同，脈寬變化范圍是0～65535us或0～65535ms。PTO/PWM輸出不受PLC掃描周期的影響[4]，這樣可以滿足數控系統精確定位的要求。
　　S7-200有兩個PTO/PWM發生器，它們可以產生一個高速脈沖串或者一個脈寬調制波形。這兩個發生器與過程映像寄存器共用數字輸出點Q0.0和Q0.1。當在Q0.0或Q0.1上激活PTO或PWM功能時，PTO/PWM發生器對輸出擁有控制權，同時普通輸出點功能被禁止。每個高速脈沖發生器對應一定數量的特殊寄存器、包括控制字節寄存器,狀態字節寄存器和參數數值寄存器,它們用以控制高速脈沖輸出形式,反映輸出狀態和參數值。各寄存器功能表如表3所示[5]。

　　表3 相關寄存器的功能表

 

5系統檢測流程設計

　　根據鐵路貨車檢測工藝要求，制動缸緩解彈簧需要完成自由高檢測和分段回彈力檢測兩項內容。彈簧檢測設備必須為數控設備，并且具有機能檢查功能。來校驗系統的精度。檢測設備在檢測彈簧之前需要對控制系統，數控設備，傳感器，量具等自我檢測和校驗，以便保證檢測的準確性。制動缸緩解彈簧的上下貨過程由人工來完成，檢測過程可由計算機自動控制或人工手動控制完成。系統整個檢測流程如圖6所示。

 

圖6

6 結束語

　　上述彈簧檢測裝置,用同一臺設備可檢測多種型號的彈簧,測量速度快,無需檢測人員過多參與,從而避免了人為因素產生的誤差,客觀評定彈簧的質量,同時又具有精度高、造價低等優點,是彈簧檢測工作較理想的設備。除了用于檢測制動器彈簧外,只要將其加載機構和控制軟件作相應改動,還可用作其它彈簧的測量。目前，該裝置已被中國北車集團沈陽機車車輛有限責任公司使用，主要用于對制動缸緩解彈簧進行自由高檢測和分段回彈力檢測。

參考文獻：

　　[1] 中華人民共和國鐵道部. 鐵路貨車制動裝置檢修規則[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007

　　[2] 許萬里.智能彈簧檢測裝置的研制[J].應用科技, 2001,28（7）：4-8.

　　[3] 范逸之.VB與RS-232串行通訊控制[M].北京:中國青年出版社,2002.

　　[4] 西門子公司.SIMATIC S7-200系統手冊[Z].2004

　　[5] 王永華. 現代電氣控制及PLC應用技術[M]. 北京航空航天大學出版社，2003:212-221.