新型門窗試驗機的研發(fā)

一：引言
塑鋼門窗近幾年在國內(nèi)方興未艾，傳統(tǒng)塑鋼門窗都是推拉窗，但推拉窗氣密性和開啟方式等方面存在一系列不便和缺陷，而隨著人們生活水平的提高，平開翻轉(zhuǎn)窗開始進入市場。平開翻轉(zhuǎn)窗和推拉窗的結(jié)構(gòu)區(qū)別在于五金件上，目前國內(nèi)平開翻轉(zhuǎn)窗五金件主要從國外進口。北新建材(集團)有限公司2001年在國家經(jīng)貿(mào)委的支持下上馬全國第一條全自動門窗五金沖壓線，對于生產(chǎn)出來的五金件質(zhì)量的壽命檢測是一個新的問題。
五金件質(zhì)量的壽命檢測目前國內(nèi)沒有標準，我們參考歐洲的標準主要有以下幾方面要求：
1：開啟壽命：要求不低于50000次，動作要求模擬人工開啟門窗，即先平開，執(zhí)手在第一開關(guān)位置時（如圖1中位置），為起始位置。逆時針轉(zhuǎn)動90。 到平開位置，水平向外平開，窗扇開啟大約35。(以平開轉(zhuǎn)軸位置為軸心)，然后關(guān)閉窗扇，將執(zhí)手順時針旋轉(zhuǎn)90。 到關(guān)閉位置；平開動作結(jié)束，執(zhí)手回到第一開關(guān)位置時，再將執(zhí)手逆時針轉(zhuǎn)動180。 到上懸位置，向外、向下拉平開上懸，窗扇開啟大約15。(以平開下轉(zhuǎn)軸位置為軸心)，然后關(guān)閉窗扇，將執(zhí)手順時針旋轉(zhuǎn)180。 到關(guān)閉位置；此平開與上懸為一個動作周期，為一次平開上懸開啟。
2：開啟頻率：檢測頻率為5次/分
3：開關(guān)門窗力不大于100N，開啟執(zhí)手力矩不大于1N.m; 據(jù)筆者在國內(nèi)和歐洲五大五金件生產(chǎn)廠參觀的結(jié)果看，主要是用氣缸來實現(xiàn)以上動作，雖然基本可以實現(xiàn)動作，但如果窗型復(fù)雜，這種設(shè)備適用的靈活性和方便性極差，我們考慮用伺服電機和滾珠絲杠來實現(xiàn)以上動作并克服其弊端，設(shè)備已調(diào)試完畢，運行效果良好。
二：系統(tǒng)設(shè)計
1． 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上面如1圖是我們要用來做實驗的窗體圖。
其中1為平開轉(zhuǎn)的方向、2為上懸轉(zhuǎn)的方向、3為執(zhí)手，如圖執(zhí)手在第一開關(guān)位置，即窗戶關(guān)閉的位置
下面如2圖是設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡圖

2圖中1，2號為伺服電機，其中1號電機用于轉(zhuǎn)把手，2號電機用于推拉窗戶，2號電機的出軸用的是絲杠。1，2號電機的出軸分別加裝扭力和拉力傳感器，圖中3的長桿作用于窗善的執(zhí)手處，
2．系統(tǒng)工作原理
我們用兩臺伺服電機，這里我們選用了三菱公司的MR-J2S-A型伺服電機，一臺用于開執(zhí)手，一臺用于開窗扇，用三菱公司的FX2N型PLC控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)的狀態(tài)由觸摸屏來顯示和調(diào)整，如工作頻率和次數(shù)的設(shè)定，實際工作次數(shù)、系統(tǒng)故障原因及拉力和扭力的顯示。拉執(zhí)手的長桿在執(zhí)手接頭處有一類似于機器手的萬向接，便于換向。
現(xiàn)將系統(tǒng)的工作流程描述于下：
1） 在觸摸屏上設(shè)定工作頻率和次數(shù)和窗型大小。
2） 在操作臺上選定是要進行平開檢測還是要進行平開上懸開檢測（以下以平開上懸為例描述），啟動任務(wù)，系統(tǒng)開始運行。
3） 首先1號伺服將執(zhí)手逆時針旋轉(zhuǎn)90º到平開位置，即將執(zhí)手置于水平位置。
4） 2號伺服沿絲杠方向?qū)⒋吧韧ㄟ^執(zhí)手往外平開，窗扇開啟大約35。(以平開轉(zhuǎn)軸位置為軸心，即1圖中的2處)。
5） 2號伺服沿絲杠方向?qū)⒋吧韧ㄟ^執(zhí)手往里關(guān)上。
6） 1號伺服將執(zhí)手順時針旋轉(zhuǎn)90º到關(guān)閉位置，即起點位置。以上完成一次平開檢測。
7） 1號伺服將執(zhí)手逆時針旋轉(zhuǎn)180º到上懸位置，即和窗扇平行位置。
8） 2號伺服沿絲杠方向?qū)⒋吧韧ㄟ^執(zhí)手往外平開，窗扇開啟大約15。(以平開下轉(zhuǎn)軸位置為軸心，即1圖中的1處)。
9） 2號伺服沿絲杠方向?qū)⒋吧韧ㄟ^執(zhí)手往里關(guān)上。
10） 1號伺服將執(zhí)手順時針旋轉(zhuǎn)180º到關(guān)閉位置，即起點位置。以上完成一次平開上懸檢測。
以上是實驗機的工作流程，由于窗型大小不一，窗扇開啟35º時，2號伺服沿絲杠方向行走距離不一樣，所以每次實驗開始必須要在觸摸屏上選定窗型大小，另外有外平開和平開上懸窗戶的區(qū)別，它們的工作流程也不一樣，所以要在工作前選好，否則會損壞五金件。
三：硬件設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)工作原理和工藝要求，為了使系統(tǒng)具有廣泛的靈活性和適用性，電氣系統(tǒng)圖如圖3。

PLC共50點，其中30點輸入，20點輸出，為了節(jié)約成本，考慮到本系統(tǒng)的特性，我們用2塊單軸位控模塊來控制兩個伺服電機，觸摸屏和PLC間通過RS232串口通訊，由于工藝要求在開關(guān)窗戶時需要測量扭執(zhí)手和拉窗扇的力，便于分析五金件損壞的原因，我們分別在兩個伺服電機的出口裝了拉力和扭力傳感器，傳感器的信號給稱重儀進行變送輸出，稱重儀可以設(shè)定拉力或扭力的上限值，通過開關(guān)點輸出給PLC，而工藝要求在觸摸屏實時顯示拉力和扭力值，我們用觸摸屏的RS485口和兩臺稱重儀RS485口實時通訊，方式是根據(jù)地址和它們分時進行。另配微打隨時打印拉力值和扭力值，微打和觸摸屏的LPT口直接相連。
由于伺服電機的特殊性，每工作一段時間我們需要找一次各電機的零點，保證每次工作循環(huán)在同一原點，所以用了兩個接近開關(guān)用作兩個伺服的原點檢測。
四：軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件分為PLC系統(tǒng)控制程序和觸摸屏與稱重儀及微型打印機的通訊程序。系統(tǒng)控制程序用梯型圖編制，主要完成系統(tǒng)的邏輯控制，使得系統(tǒng)各設(shè)備能協(xié)調(diào)工作.PLC控制程序分為手/自動程序，其中手動程序是將一個完整的自動過程分解成四步：平開打開，平開關(guān)閉，上懸打開，上懸關(guān)閉，其主要用于調(diào)整用。而自動程序分為自動平開和自動上懸。對于本程序來講控制伺服部份的程序是關(guān)鍵。通常情況下，伺服電機一般用于單一目的送料或單一軌跡的行走，但本程序中，每個程序周期中伺服的行走軌跡每一步都要變化，因此要實時的跟蹤伺服所處狀態(tài)，即伺服是處于運行還是到位狀態(tài)。本例中我們用了八個數(shù)據(jù)寄存器D0-D7，D0到D7中分別是伺服每步移動的距離值，程序流程圖見圖四。伺服控制器中有一個專門的緩沖區(qū)存取伺服馬達每轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)，伺服馬達每轉(zhuǎn)一圈移動的距離，伺服馬達的最高速度和運行速度，伺服馬達目標移動距離等系統(tǒng)數(shù)據(jù)。程序運行的每個分步完成后，將D0—D7的值分別送到伺服的緩沖中去，同時D0—D7的值要在觸摸屏上能顯示和修改，因為對于不同的窗型D0—D7的值不同，同時在觸摸屏上也要求能修改伺服的運行速度和工作循環(huán)次數(shù)，這樣大大的提高了設(shè)備的工作效率和靈活性。
另外本系統(tǒng)中有兩臺稱重儀要和觸摸屏通訊，由于是采用RS485串口通訊，觸摸屏一個時刻只能和一臺稱重儀通訊，因此我們采用分時的方式分別和1＃，2＃稱重儀通訊，從而將拉力值和扭力值在觸摸屏上顯示。
本系統(tǒng)成功地克服了用氣缸進行的門窗實驗機的缺陷，具有很高的靈活性和廣泛的適應(yīng)性，填補了高檔門窗實驗機的空白。