梁增提 王莉莉 赵佳萌 覃京翎 曾庆文 林峻锋
摘 要
为了检测汽车前悬总成的外倾角，介绍了使用基恩士IL激光位移传感器和西门子S7-1215C PLC进行PROFINET通信，将前悬减震支柱前后高度数据读入PLC中，进而计算出前悬总成外倾角的方法。实现了前悬外倾角的实时、非接触、高精度检测和数字化处理，为汽车前悬总成外倾角检测及追溯系统提供了参考。
关键词
激光位移传感器;PROFINET通信;前悬外倾角
中图分类号： G633.6 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.71
0 引言
车轮外倾角，是转向轮定位中的重要参数之一[1]。偏离设计值的车轮外倾角，容易导致汽车跑偏，转向沉重，轮胎异常磨损，降低机械零件的使用寿命。在汽车的装配制造过程中，影响整车前车轮外倾角的重要参数是前悬总成外倾角（简称前悬外倾角）。通常，对前悬外倾角的检测，主要采取线下角度尺或三坐标测量的方式。前者精度低、误差大，后者效率低、成本高。两种方式均无法做到100%的高精度在线检测，既不能保证产品的合格率，也不方便进行数据的存储、分析和追溯等操作。因此，在线、实时、高精度和数字化检测前悬总成外倾角就具有了非常重要的意义。
1 检测原理
汽车前悬外倾角θ是减振支柱与制动角总成安装端面的夹角。检测时，将前悬总成固定于定位机构上，通过气缸将平行于制动角总成安装端面的连接板下推，使两个测量头下压接触减振支柱。使用安装于连接板上的两个激光位移传感器对前后两个测量头进行测距，得到高度值h1和h2。将h2减去h1得到的高度差除以传感器的安装间距L，即可得到前悬外倾角的正切值。最后，对正切值进行反正切运算，就能得出前悬外倾角的角度。检测机构如图1所示，外倾角的计算原理如图2所示。
2 总体方案
采用两个检测范围为200mm至1000mm的基恩士IL-600激光位移传感器对测量头进行测距，分别经IL-1000主放大器单元和IL-1050扩展放大器单元放大处理后，通过基恩士DL-PN1模块以PROFINET通信的方式将测量值传送给西门子S7-1215C PLC。PLC将两个距离数据进行解析计算，得出前悬外倾角的角度值，并于西门子TP1200触摸屏中进行显示，总体方案如图3所示。
其中，基恩士激光位移传感器搭载多功能放大器，能进行测量数据显示以及NPN/PNP判断和模拟量输出。配合通信模块选件，还可以进行EtherCAT、CC-link、DeviceNet、EtherNet/IP、ProfiNet等通信。激光位移传感器常用于工业领域中对厚度、高度、振动等方面的高精度、高稳定性和非接触式测量。
3 硬件组态
3.1 安装设备描述（GSD）文件
IL-600激光位移传感器通过DL-PN1通信模块（IO设备），即可连接到工业以太网（PROFINET网络），与西门子PLC（IO控制器）进行周期性的数据I/O通信。
IO设备的属性以GSD（General Station Description）文件的形式描述[2]。作为第三方IO设备的DL-PN1模块，只有安装它的GSD文件（如图4所示），才能将模块的信息添加到TIA PORTAL软件的硬件目录中。
3.2 组态通信网络
在设备“网络视图”中，添加DL-PN1模块（硬件目录：其他现场设备>PROFINET IO>Sensors>KEYENCE COR.），并指定通过“PLC_1.PROFINET接口_1”连接IO控制器（CPU 1215C），组态PROFINET的通信网络（如图5所示）。
3.3 组态IO数据地址
在DL-PN1模块的“设备概览”中，添加“IL-1***”传感器放大器模块，软件自动分配模块的IO数据地址（如图6所示），此地址可由用户自定义。从图6中可知：放大器1的输入数据地址范围是IB18至IB24;放大器2的输入数据地址范围是IB25至IB31;每个传感器放大器共有7个字节的输入数据。
3.4 设定通信参数
查看或设定现场模块的信息，在“在线访问”下链接现场模块进行操作。在DL-PN1模块的属性页中，确定模块的IP地址、IO更新周期和IO设备名称与现场模块信息一致，否则将导致通信失败。
4 软件编程
4.1 软元件映射
各传感器放大器模块输入到PLC的通信软元件映射如表1所示。结合图6的模块IO数据地址和表1的模块软元件映射可知：各个激光位移传感器的测量值为32位的整型数据（INT32），映射在放大器模块7个字节输入数据的最后4个字节中;传感器1的测量值数据地址为ID21;传感器2的测量值数据地址为ID28。
其中，P.V.判断值在不使用内部保持功能、段差计数滤波器和计算功能时，和内部测量值相同。此外，根据容差设定，传感器放大器的判断值无效、超出范围及小于范围时不会更新值，而是保持上一次的值。在想要确认当前值是否正常时使用判断值状态属性。
4.2 数据转换
IL传感器的实际测量值数据范围为-999.99mm至+999.99mm，通过PROFINET通信输入至PLC的数据为32位整型数据（即-99999至+99999）。因此，需将通信输入的数据转换成实数，然后除以100，才能得到传感器的实际测量值，转换程序如图7所示。其中，变量"传感器1输入数据"为32位的双整型数据（Dint）。
4.3 外倾角计算
对两个传感器的实际测量值按图2所示的公式进行计算，即可得出前悬外倾角的角度值，程序如图8所示。其中，两个激光位移传感器的安装间距为101mm。由于反正切运算指令（ATAN）的运算结果是外倾角的弧度值，1弧度约为57.296度，故须将弧度值运算结果乘以57.296，才能得到正确的外倾角角度值。
5 检测试验
安装检测机构、传感器和各台设备，完成硬件组态、软件编程和触摸屏画面组态后，对一个经三坐标检测机测出外倾角为7.60°的前悬总成进行外倾角检测，如图9所示。PLC监视数据和计算结果如图10所示，触摸屏监视画面如图11所示。
由试验结果可知，PLC正确通过PROFINET通信获取了激光位移传感器的测量数据，对测量头的测距结果分别为200.10mm和213.57mm，前悬外倾角的计算结果为7.596532°，计算结果正确，和三坐标检测机的测量结果误差很小。
6 结束语
基于PROFINET通信的激光位移传感器已在汽车前悬总成外倾角的检测中通过了试验，并已在工程现场应用。本方案免去了傳感器I/O信号线的连接工作，降低了系统维修成本和编程开发的难度。也实现了外倾角的数字化实时检测，保证了产品的质量，为后续的数据追溯、质量分析和工艺优化提供了数据支持。将本方案稍做修改，即可应用于类似的其他场合中，具有一定的推广价值。
参考文献
[1]莫立权，苏萍.车轮外倾角偏差影响因素的分析研究[J].装备制造技术，2010（05）：24-25.
[2]张永德，李鑫.PROFINET的组成及其应用[J].工业仪表与自动化装置，2006（01）：25-28.
