（机械电子工程专业论文）基于无线传输的大型机械远程测试系统.pdf

重庆犬学硕士学位论文 中文摘要 摘要 在剪切力实测的基础上建立起来的材料单位剪切抗力曲线是进行滚筒式飞剪 机设计时的重要依据。滚筒式飞剪机结构庞大，进行剪切力实测时测试点分散并 且分布在运动构件上，这给测试带来的困难。基于无线传输的大型机械远程测试 系统是针对滚筒式飞剪中的剪切力测试困难提出的一种远程测试方案。同时由于 大型机械设备测试中的相同特点，该系统也适用于其他大型机械的远程测试中， 具有较广泛的应用范围。该系统希望借助无线通讯技术解决大型机械中普遍存在 的测试点分散以及测试点位于运动件上的测试难题，大型机械的远程测试提供了 一种新的方法。 论文论述了系统组成及工作原理和为实现系统功能进行的硬件、软件及无线 网络的设计过程。提出了采用智能传感器终端、显示及设置终端、无线传输网络 和中央控制站为主体，构建大型机械远程测试系统的方案。建立了适合大型机械 远程测试系统的简化无线传输网络模型。详细介绍了数据采集和a d 转换、无线 数据传输、l c d 显示驱动、网络控制等功能模块的电路及程序设计。着重讨论了 采用增加中心节点和可变形网络拓扑结构提高无线网络传输可靠性的方法。 最后，展望了系统未来的研究工作，提出了研制网络化远程测试系统的目标。 关键词：大型机械，远程测试，无线传输，智能传感器 重鏖奎鲎堡主兰堡垒壅 蒸茎塑蔓 a b s t r a c t t h ec u r v eo fm e t a l s c u t t i n gr e s i s t a n c ee s t a b l i s h e db yt e s t i n gt h ef o r c ei nt h e p r o c e s so fs h e a r i n gi sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro fr o t a r yf = l y i n gs h e a r sd e s i g n b u tt h e f o r c ei sd i f f i c u l tt ot e s t e d b e c a u s et h em a c h i n ei sh u g e ，a n dt h e d i s t r i b u t i n go ft h e t e s t i n gp o i n t si sd i s p e r s ee v e no nt h em o f f o np a r t s l a r g em e c h a n i s mr e m o t et e s ts y s t e m b a s e do nr a d i ot r a n s m i s s i o ni san e ws c h e m e ，w h i c hw a sb r o u g h tf o r w a r dt os o l v et h e p r o b l e m so fs h e a r i n gf o r c et e s t i n gi nt h er o t a r yf l y i n gs h e a r i n gp r o c e s s c o n s i d e r i n gt h e s a m ec h a r a c t e r i s t i co ft h el a r g em e c h a n i s mr e m o t et e s t i n g , t h i ss y s t e mc a nb eu s e di n o t h e rl a r g em e c h a n i s mt e s t i n gp r o c e s sa n df i n d f a r - r a n g i n ga p p l i c a t i o n t h i ss y s t e m e x p e c t t os o l v et h ep r o b l e m sc a u s e db yt h ed i s p e r s ea n dt h em o t i o no f t e s t i n gp o i n t si n t h el a r g em e c h a n i s m t e s t i n gp r o c e s sb ye m p l o y i n gt h er a d i oc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e i tp r e s e n t san e wm e t h o df o rt h e l a r g em e c h a n i s m r e m o t e t e s t i n g i nt h i sp a p e r , c o n s t r u c t i o na n d o p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f t h el a r g em e c h a n i s mr e m o t e t e s ts y s t e mb a s e do nr a d i ot r a n s m i s s i o nh a v eb e e np r e s e n t e d a n dt h e p r o c e s so f d e s i g n i n gs o f t w a r e ，h a r d w a r ea n dr a d i on e t w o r ko fs y s t e mh a sb e e nd e s c r i b e d an e w s c h e m ei sp u tf o r w a r d i nt h es c h e m e , f o u rm o d u l e sh a v eb e e nu s e da sm a i nb o d yt o c o n s t r u c tt h el a r g em e c h a n i s mr e m o t et e s ts y s t e m ，n a m e l yi n t e l l i g e n ts e n s o rt e r m i n a l ， d i s p l a ya n ds e t t i n gt e r m i n a l ，r a d i on e t w o r ka n dc e n t e rc o n t r o l l e r , as i m p l i f i e dr a d i o n e t w o r km o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e dt of i tt h er e q u i r e m e n to ft h er e m o t et e s ts y s t e m c i r c u i ta n dp r o g r a md e s i g n so fm a n yf u n c t i o nm o d u l e si n c l u d i n gs i g n a l s a m p l i n g ， a n a l o g y t od i g i t a lc o n v e r s i o n , d a t at r a n s m i s s i o n ，l c dd r i v i n ga n dn e t w o r kc o n t r o l l i n g h a v e b e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l am e t h o dt op r o m o t e t h er e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n b ya d d i n g c e n t e rn o d e sa n d d e f o r m i n g t h et o p o l o g yo f n e t w o r kh a sb e e nd i s c u s s e d a tl a s t ，t h ea u t h o rl o o k sf o r w a r dt ot h ef u t u r er e s e a r c ho ft h es y s t e ma n dp u t s f o r w a r dt h ea i mo f i n t e r n e i z e dr e m o t et e s ts y s t e m k e yw o r d s ：l a r g em e c h a n i s m ，r e m o t et e s t , r a d i ot r a n s m i s s i o n ，i n t e l l i g e n ts e n s o r 重壅 丈堂堡主堂焦笙壅 ! 笪笙 l 绪论 1 1 课题的来源及意义 本课题是我们承担的重庆钢铁设计院横向课题_ 滚筒式飞剪力能参数计算 及优化”的后续课题。 大型机械设备中往往有许多重要参数需要在现场进行测试，这些参数一方面 可以为控制机械设备正常、安全的运转提供墓要依据；另一方面，还可以为机械 设备的改造和优化设计提供的重要参考。基于大型机械自身的特点，参数的测试 点分布往往比较分散、相距较远，而且有些参数的测试点位于运动件上，因此对 这些参数进行测试有一定的难度。以滚筒式飞剪机为例，滚筒式飞剪工作时的剪 切力是一个与被剪切板材的材料、剪切刃口、刃口切入深度等诸多因素相关的重 要参数，也是滚筒式飞剪设备设计中的一个重要依据1 1 h ”。在生产实际中，需要对 不同材料板材、不同剪切刃口、不同切入深度的剪切力进行现场的测试。但是， 由于测试点位于作回转运动的滚筒上，使得传感器的引线布置十分困难。所以在 “滚筒式飞剪力能参数计算及优化”课题完成后，重庆钢铁设计院提出了对滚筒飞剪 的一些霞要参数进行现场远程测试的意向。针对这一意向，结合本实验室承担的 重庆科学委科技攻关项目一无线式数字远程智能专家评审系统”的成功经验，我 们拟开发一套基于无线传输的大型机械远程测试系统。 基于无线传输的大型机械远程测试系统可以实现对滚筒式飞剪中的剪切力进 行现场测试，可以解决大型机械中测试点分散以及测试点分布在运动件上的测试 难题，为大型机械的远程测试提供了一种新的方法。同时，由于大型机械设备的 相同特点以及不同参数的测试主要是前端传感器和后续数据处理软件的区别【5 。因 此，该系统稍加改造就可用于对其它大型机械的类似参数进行远程测试，具有较 广泛的应用范围。 数据传输是测试系统中的一个关键技术。目前，运用于机械工程领域的测试 系统的数据传输均采用有线式的传输媒介。这就难以避免出现复杂现场布线困难、 甚至在某些情况下会出现无法布线的情况。因此，开展基于无线传输的大型机械 远程测试系统研究具有重大的意义。 1 2 国内外研究现状1 6 h 3 4 】 工业领域的测试系统主要有集中式和分布式两大类。集中式测试系统是指由 一台计算机通过多路选通器来分时完成对多个测试对象的集中测试，集中式测试 系统主要运用于测试对象较少，实时性要求不商的环境中。分布式测试系统是相 重庆大学硕士学位论文t 绪论 对于集中式测试系统而言的一种新型的测试系统，它采用多台计算机并行地完成 对多个测试量的实时测试，分布式测试系统采用计算机网络技术解决了系统的扩 展和升级问题，而且系统中的各个计算机处于平等的地位在运行中不存在依赖 关系，从而提高了系统的可靠性。由于集中式测试系统自身的局限性，这种系统 有逐步被分布式系统代替的趋势。因此，分布式系统是当前国内外研究的重点。 分布式测试系统的建立，就是将传感器技术、计算机技术、信号处理技术、 网络控制技术等相关理论和技术进行有机结合的过程。其中网络的选择和构建对 分布式测试系统而言是十分重要的。目前，基于有线式媒介的传输网络的研究和 应用都已经比较成熟。在实际应用中，许多分布式工业测控系统是基于k s - 4 8 5 网 络构建的，这种基于r s 4 8 5 网络的分布式测控系统由于具有结构简单、抗干扰能力 强、传输距离远、成本低等优点，而被广泛应用于各种工业现场。r s - 4 8 5 是一种半 双工的电气协议，传播介质采用双绞线，当比特流在介质上传输时，双绞线对上呈现 的是一对极性相反的信号。这样在r s 一4 8 5 网络中，在任意时刻总线就只能允许其上 的一个节点向总线发送数据。如果总线上的某些节点发生故障，或者系统上位机的 调度出现不该有的失误，导致多于一个以上的节点同时向总线发送数据时，就极有 可能使总线呈现短路状态，从而损坏某些节点的r s - 4 8 5 驱动器，导致了故障范围的 进步扩大。而且利用r s 4 8 5 只能构成主从式结构的通信网络，在这种网络中，一 旦主节点出现故障，就会导致整个系统处于瘫痪状态，系统的总体可靠性较低。针对 这种情况，国内外研究人员提出了许多的改进方案。其中，德国b o s c h 公司首先 提出并开发的c a n 总线受到工业界的普遍重视，以c a n 总线技术为基础构建的 分布式测试系统的传输网络具有传输速率高、受干扰几率低、通信距离长、传输 可靠性商、实时性强等显著优点。因此被广泛应用于分布式测试系统的网络构建 中。 对于基于无线式传输的分布式测试系统目前仍没有比较成熟的产品。虽然在 一些可运用于分布式测试系统的现场总线协议中提到了可以使用红外线、无线电 等无线媒介作为传输介质。但是，由于无线传输的特殊性，目前采用无线传输的 分布式测试系统的报道很少，特别是采用无线传输的大型机械远程测试系统在国 内外均少见报道。 1 3 基于智能传感器系统观点的分布式测试系统6 h 1 4 1 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电 工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o - t e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 对传感器的定义为：“传 感器是测试系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照 g o p e l 等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 统则是组合有某种信息处理( 模拟或数字) 能力的传感器”。 传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第道关口。 传感器系统的性能主要取决于传感器。传感器系统中，进入传感器的信号幅度是 很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号 整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大嚣、滤 波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感 器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，再送入微处理器中进行 处理。 智能传感器词是由国外首先提出，其英文名词为“s m a r ts e n s o r 或“i n t e l l i g e n t s e n s o r 。它是在传统传感器技术基础上发展起来的智能传感器，与传统传感器技 术有着密不可分的关系。但是，它绝不是传统观念的传感器。一般来说，智能传 感器能够实现对传感器的原始数据进行加工，并可通过标准的接口与外界实现数 据交换，更为重要的是智能传感器可以根据实际的需要通过软件控制改变设计， 给功能扩展带来很大的发展空间。根据e d c ( e l e c t r o n i cd e v e l o p m e n tc o r p o r a t i o n ) 的定义，智能传感器应具备如下的特征： 可以根据输入信号值进行判断和制定的决策； 可以通过软件控制作出多种决定； 可以与外部进行信息交换，有输入输出接口； 具有自检测、自修正和自保护功能。 从这些特征来看，其中有相当一部分以前是属于一台仪器所应具有的功能。从这 点来看，“仪器”与“传感器”的界限已不是十分明显。智能传感器由三部分组成：传 统意义上的传感器、网络接口和信号处理单元。一般意义上的传感器( 即敏感单 元) 在智能传感器中仅仅占很少的一部分，信号处理单元占主要部分。智能传感 器的智能性则是在硬件的基础上通过软件实现其价值的，软件在智能传感器中占 据了主要的成分。而且，智能化的程度与软件的开发水平成正比。智能传感器内 部嵌入了微处理芯片，其相对于传统传感器的优点是无法抗拒的。在大多数情况 下，智能传感器价格便宜、使用方便、性能优越、维护简单、功能扩展容易。 从发展的角度看，未来单个传感器独立使用的场合将越来越少，更多的是多 传感器系统的应用以实现多参数的测量和多对象的控制。测量和控制信息的交换 在底层主要是通过现场总线来完成。数据交换主要是通过标准总线、e t h e r n e t 等网 络来实现。为了满足这种多传感器之间的信息交换，传感器设计上软件占主要的 地位，通过软件将传感器内各个敏感单元或外部的智能传感器单元联系在一起。 软件对象不再是以前的单个的对象，而是整个系统，其输出的数字信号是符合某 种协议格式的。从而可实现传感器与传感器之间、传感器与执行器之间，传感器 重庆大学硕士学位论文1 绪论 与系统之间的数据交换和共享。因此，网络化智能传感器是传感器发展方向。 智能传感器系统的实现是在传感器技术、计算机技术、信号处理、网络控制 等技术的基础上发展起来的，并随这些技术的发展而发展，但不是这些技术的简 单合成。对智能传感器系统来说，所面对的是与外界相关的模拟信号，信号与外 界的一些物理量有关。这意味着信号的存在与信号的出现是受到环境限制的，为 了满足控制实时性的需要，信号的采样必须保证实时性。同时，智能传感器系统 中，每个节点功能和软件都应当通用模块化实现即插即用，以满足网络化使用环 境要求。 在分布式测试系统中，由计算机或微处理器及相关的外围器件通过接口电路 与传感器件构成了一个个相对独立的智能传感器，再由计算机网络将这些分布在 被测对象附近的智能传感器连接成一个智能传感器系统。因此，从传感器的角度 看，分布式测试系统也可以看成一个智能传感器系统。 1 4 论文的主要研究内容 本课题是针对大型机械设各各种参数的现场测试中，存在测试点的空间分布 分散以及测试点分布在运动件上的特点提出的一种远程测试方案。这种方案希望 借助无线通讯网络技术解决大型机械的这一测试难题。同时，本课题从智能传感 器系统的观点出发，力求开发的系统符合智能传感器系统发展的要求，并希望最 终可以将其产品化。 基于以上考虑，希望通过本课题的研究，对基于无线传输的大型机械远程测试 系统的理论进行初步的研究，并研制出一套基于无线传输的大型机械远程测试系 统。主要有以下研究内容： 初步完成基于无线传输的大型机械远程测试系统的工作原理研究； 完成基于无线传输的大型机械远程测试系统的系统设计： 设计并制作一套基于无线传输的大型机械远程测试系统试验样机，进行滚 筒飞剪中剪切力远程测试的模拟试验。 4 望丛查堂堕主兰焦婆苎 ! 墨竺塑壁墨兰堡堕堡 2 系统组成及工作原理 2 1 基于无线传输的大型机械远程测试系统的组成 从总体上讲，基于无线传输的大型机械远程测试系统是由三大部分组成的。 它们分别是：系统硬件、系统软件和传输协议。系统硬件是整个测试系统的物理 基础：系统软件则是控制测试系统按照设计者要求正确工作的保证；传输协议并 不是独立存在的，它以某些规定、格式的方式体现在硬件和软件设计中，传输协 议确保整个分布式测试系统中各部分之间能够及时、准确、安全的进行数据传输。 这三个部分紧密结合，相互协调确保测试系统正常的工作。 2 1 1 系统硬件组成 基于无线传输的分布式大型机械远程测试系统的硬件由以下三个模块组成：智 能传感器终端模块、显示及设置终端模块和中央控制站。其中中央控制站又由p c 机、传输网络控制模块和数据后处理模块三个部分组成。图2 1 是系统硬件构成的 r 一 r 一 1k ! 智能传感器终端 多l j f 个 i o l m _ 一一1 f 被h 智能传感器终端| j 测f 。一一一 1 对1 i 象【 fh 智能传感器终端? i ，j 【，。，。，j 囤2 1 系统硬件构成简囤 f i g 2 1 s t r u c t u r eo f s y s t e mh a r d w a r e 筒图。由图中可见测试系统在中央控制站的统一控制下，通过智能传感器终端获 取被测对象的信息，在智能传感器终端经过初步处理后形成符台无线网络传输的 信号形式。这些信号由集成在智能传感器终端内的无线数传模块在网络控制模块 重庆大学硕士学位论文 2 系统组成及l 作原理 的控制下通过无线传输网络发送到智能显示及设置终端和中央控制站进行数据的 后续处理。 中央控制站是整个系统的“大脑”。它负责协调和控制整个系统的工作，并对从 各个智能传感器传来的信息进行“思考”( 后续处理) 。中央控制站以p c 为核心包 括网络控制模块和数据后处理模块两个部分。前者负责协调和控制整个系统的无 线数据传输工作后者对智能传感器获取的信息进行存档、打印、显示和综合分析 等后续数据处理。 智能传感器终端是测试系统的“感觉器官”，它们分布在各个被测对象附近，“感 觉”被测对象的变化，形成相应的系统可以识别的信号。智能传感器终端是以嵌入 其中的微处理器为核心，在传统的传感器基础上扩展出来的。它对信息具有一定 判断、决策和处理能力。它可以同外部进行数据交换，有输入、输出接口，可以 通过无线数传模块接收橱能控制终端或者中央控制站发来的控制信息，并将从被 测对象获取的相应信息通过接口电路转化为符合后续处理要求的信号形式发送到 指定的智能显示及设置终端或者数据后处理模块。 传输网络是系统的卒申经系统”，它负责将憾觉器官”获得的信号传输到系统的 “大脑”中。而网络控制模块则是这个“神经系统”的“中枢”，它在中央控制站的指挥 下确保传输网络的及时、可靠、安全运行。网络控制模块以微处理器为核心，运 过r s 2 3 2 接口或者u s b 接口与中央控制站的p c 机通信，接受中央控制站p c 的 控制信息。然后通过无线数传模块向无线网络中的其他节点发送控制信息和接收 应答信息及请求信息，从而达到对无线传输网络的控制。网络控制模块是实现传 输协议的主要硬件基础： 智能显示及设置终端则可以认为是系统的气吾言”，用来实现操作者与测试系统 之间的交流。它是系统的人机接口之一。智能显示及设置终端可以与智能传感器 终端一对应，也可以一个显示及设置终端对应多个传感器。智能显示及设置终 端同样以微处理器为核心，辅以键盘电路、l c d 显示模块和无线数传模块，用来 完成测试系统中各个测量数据的显示以及对智能传感器终端进行参数设置。 2 1 _ 2 系统的软件组成 根据系统硬件的三个组成模块，对应的系统软件也分为三个相对独立又相互 配合的程序模块。按照功能划分这三个程序模块中又各自包含了下面的一些程序 中的一个或几个。它们包括：初始化程序，异常处理程序，数据采集和处理程序， a 巾转换程序，无线数据传输程序，键盘驱动程序，l c d 显示程序，无线网络控 制程序和数据后处理程序。这些程序分别被存储在硬件电路的各个单片机芯片以 及p c 机中。它们配合硬件电路共同完成系统的测试任务。 数据采集和处理程序以及a d 转换程序均周化在智能传感器终端的m c u ：吝片 重庆大学硕士学位论文2 系统组成及 ：作原理 中，主要用来完成终端从被测对象提取需要的信号，并将该信号由模拟量转换为微 机系统可以识别的数字量信号形式，同时将其存储在智能传感器终端的存储器中。 无线数据传输程序固化在系统中每一个需要进行无线数据传输的模块的m c u 芯片中。在智能传感器终端、显示及设置终端、数据后处理模块和网络控制模块 中都含有无线数据传输程序。在发送数据时，它负责将各个模块存储器中的数据 转换成满足传输协议要求的数据格式，并送到无线数传模块中去发送；在接收数 据时，它负责对无线数传模块接收的数据按协议的要求进行检查、校验并转换回 发送前的数据格式。 键盘驱动程序和l c d 显示程序固化在智能显示及设置终端的m c u 芯片中。 显示及设置终端是系统的人机接口之一，键盘驱动程序和l c d 显示程序配合相应 的硬件实现交互式原始数据输入和测试数据的显示。键盘驱动程序和键盘电路配 合完成的原始数据输入，是操作者对系统进行参数设置的一个重要途径。l c d 显 示程序则和l c d 显示电路配合完成输入提示信息和测试数据的显示。 无线网络控制程序固化在无线网络控制模块的m c u 芯片中。该程序按照无线 网络协议的要求，在数据无线传输过程中负责向网络中的各个无线传输节点发送 控制信息，接收各个节点的请求信息并根据当前状态给予应答。好的网络控制程 序设计是整个无线网络数据传输畅通的重要保证。 数据后处理程序主要是用来对从智能传感器终端传输到中央控制站的数据进 行后续的处理。它是在p c 中由高级语言编写而成。主要完成数据换算、存储、显 示、打印等功能并在p c 上提供用户操作界面和一些特殊需要的数据的分析功能。 2 1 3 传输协议 要使数据能够在系统中安全、可靠、流畅的传输，系统必须按照传输协议的 要求进行相应的软、硬件配置。 数据在不同部分的传输采用不同的数据接口，相应的也就应该遵循不同的传 输协议。在本系统中，主要有两种类型的数据传输。当数据在单片机与无线数传 收发模块之间以及在单片机与p c 机之间传输时，采用的是串行数据传输。这种数 据传输已有现成的传输协议，在本文中不再详细讨论。当数据在无线数传收发模 块之间的传输时，由于采用的是自行构建的无线传输网络，因此需要为其建立相 应的传输协议，以确保数据的正确传输。这部分内容将在第五章中详细进行讨论。 2 2 系统的工作原理 2 2 1 滚筒式飞剪力能参数测试模型卧 4 飞剪机是用来对运动着的轧件进行横向剪切的大型机械设备。滚筒式飞剪结 构简单，可装两对剪刃分别切头切尾，使用可靠。有快速更换剪刃装置，维护与 重庆大学硕士学位论文 2 系统组成及工作原理 使用方便。因此，被广泛地运用于线棒材、板材的连续生产中。滚筒式飞剪的工 作过程如图2 2 所示。 在滚筒式飞剪机的设计中，飞剪过程的力能参数是设计的重要依据。其中材 料的单位剪切抗力是其它众多参数计算的基础。因此，在进行滚筒式飞剪机设计 时需要有完备的各种材料的单位剪切抗力曲线资料。单位剪切抗力曲线表征的是 整个剪切过程中各个瞬间的剪切抗力f 与相对切入深度占的函数关系f = f ( e ) 。图 图2 2 滚筒飞剪剪切过程示意图 f i g 2 2t h er o u t eo f c u to f r o t a r yf l y i n gs h e a r s 2 3 是某金属的单位剪切抗力曲线图。每种金属的单位剪切抗力曲线是飞剪设计的 主要依据。它除了决定于被剪金属材料本身的性能外，还与剪切温度、剪切变形 速度等因素有关。目前，理论推导法还只能计算出单位剪切抗力的最大值r 。，无 法得到r = 厂( s ) 曲线。实际设计中多采用实验曲线法来得到单位剪切抗力曲线。实 验曲线法在剪切力实测的基础上建立起来的。它是把不同的钢种在不同的温度下 进行剪切，通过装在刀刃上的压力传感器，测定剪切过程中剪切抗力的变化规律， 将整个剪切过程中各瞬时的剪切抗力f 都分别与一个相对切入深度s 对应，它们的 关系式f = ，( ) 即为金属的单位剪切抗力曲线。所以，对剪切过程中各个材料的单 位剪切抗力进行准确的检测，建立齐全的材料单位剪切抗力曲线资料对飞剪设备 设计意义熏大。 图2 3 金属的单位剪切阻力曲线图 f i g 2 3t h ec l l e v eo f m e t a l sc u r i n gr e s i s t a n c ep e ru n i t 重庆大学硕士学位论文 2 系统组成及工作原理 型。 为了测量剪切过程中瞬时材料的剪切抗力，我们建立如图2 4 所示的受力模 图2 4 剪切时作用力图 f 适2 4t h ef o r c eo f b l a d ei nt h ec u t t i n g 由图中可以看出，剪切刀刃在对坯料施加剪切力p 的同时还对坯料的有侧向推 力t 的作用。实验表明，最大剪切力产生于刀刃塑性压入阶段终了、金属塑性滑 移阶段开始之时。因此，一般可将剪切过程分为两个阶段来分析。在塑性压入阶 段，被剪金属在上下刀刃对其施加的剪切力p 的作用，形成力矩p a 。而同时被剪 金属受到上下刀刃侧面作用力t 的作用，形成力矩t c 。两力矩之差使金属产生转 动，随着刀刃的逐渐压入，被剪金属转动的角度不断增大，鱼到转过角度y 后， 两力矩平衡，便停止转动。即 p a = t c( 2 1 ) 被剪金属停止转动后，刀片压入达到定深度时，力p 克服了剪切面上金属的 剪切阻力。此时，剪切过程由压入阶段过渡到滑移阶段，金属沿剪切面开始滑移， 直到剪断为止。假设刀片与金属在x b 及o 5 z b 的接触面上单位压力是均匀分布且 相等的，即有： 苗p = 志05 z b 汜：， x 6 式中b 表示金属轧件的宽度。 根据式2 2 ，p 与t 的关系由下式确定 ，：p o s z ：p t a n ，( 2 3 ) z 由图2 4 的几何关系可得： 9 重庆大学硕士学位论文2 系统组成及工作原理 口兰x ：竺( 2 4 ) t a n y c = 三一o 5 z( 2 5 ) c o s ， 将上述关系及式2 3 代入式2 1 ，可得刀片转角与压入深度z 的关系 = 2 t a n y s i n 22 t a n y ( 2 6 ) n 厂= _ 或t a n y 2 j 磊 7 ) 因此，在刀片压入阶段的剪切力p 为： p ：p b x ：p b 些 ( 2 8 )= = 竺( 2 8 ) j a i l ， 式中p 表示压入阶段的单位剪切抗力 将式2 6 代入式2 _ 8 可得： p = p b x o 5 z h ( 2 9 ) 当以8 表示相对切入深度，s = 代入上式，则 危 p = p 6 如五 ( 2 1 0 ) 滑移阶段的剪切力p 为 p ：f 6 f l 一2 1( 2 l c o s j 式中f 表示轧件被剪切断面上的单位剪切抗力。 根据式2 6 或2 7 可以知道只要测得滚筒飞剪的刀刃转角，即可求出刀刃相对 切入深度。根据式2 。1 0 和2 1 l 可以知道只要测得各个时刻的剪切力p 即可求出 材料在该时刻的单位剪切抗力p 或f 。从而建立材料单位剪切抗力曲线f = f ( e ) 。 因此，测试系统的主要测试对象有两个，一个是飞剪过程中各个时刻的刀刃 转角，；另个是对应时刻的剪切力p 。刀刃转角，可以通过安装编码盘或磁栅等 角位移传感器测量。剪切力p 可以通过在刀刃相应部位贴应变片测得。 2 2 2 弱信号处理原理 从应变片组成的桥组获得的信号比较微弱而且包含了一些成分的干扰信号， 需要对其进行适当的处理，才能满足后续处理的要求。这里的弱信号处理主要包 括放大和滤波两个部分。首先，从应变片桥组获得的信号是电压信号，但是只有 毫伏级。因此，要对其进行适当的放大。为了尽可能的减小放大对信号源的不良 影响，并且尽可能的减少放大过程中其他因素的影响，选用的放大器应当具有高 输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和抗干扰能力强等特点。其次，放大后的信号 虽然具有较大的幅值，但是，该信号中仍含有一些干扰成分。因此，紧接着要对 重庆大学硕士学位论文2 系统组成及： 作原理 信号进行滤波处理。由于是在现场进行的测试，干扰成分一般有工频成分和高频 成分，所以可以采用一级或多级带阻滤波器和低通滤波器来滤除干扰成分。 经过放大和滤波处理后的信号比较纯净，幅值也能满足后续处理的要求。而 弱信号处理的好坏也直接影响整个系统的测试精度。因此，弱信号处理是系统中 重要的一个环节。 2 2 3 采样保持和a d 转换原理 由于从应变片桥组获取的信号是模拟信号，而我们构建的是以具有数字信号 处理能力的微处理器和计算机为核心的测试系统。因此，需要将模拟信号转换成 数字信号。这过程可以分为两个阶段：采样保持和刖d 转换。模拟信号是时域 和幅值域均连续的信号，数字信号则是时域和幅值域均离散的信号。采样保持用 来实现对模拟信号的时域离散，而a d 转换则实现了对模拟信号的幅值离散( 量 化) 。 。 2 2 4 数字信号传输原理 数字信号进行传输时根据传输信道的不同，可以采用数字传输，也可以采用 模拟传输。对应不同的传输方式，数字信号需采用相应的不同形式。 数字信道传输 基带信号是由高低电平分别代表二进制的1 和0 ，高电平和低电平不断交替的 信号形式。这是计算机存储信号的基本形式。由于基带信号容易出现一连串的0 或l ，这样在接收端就无法从收到的信号中提取同步信息。所以，基带信号不适合 直接进行传输。因此，需要对基带信号进行一定的编码。 常用的基带信号的编码形式有：曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码。曼彻斯 特编码方式是将每一个码元分成两个相等的间隔，用高电平到低电平的电平转变 代表l ，用低电平到高电平的电平转变代表0 。这样就保证了在每个码元的中间出 现一次电平转变，从而为接收端提取同步码提供了有利的依据。差分曼彻斯特编 码方式是曼彻斯特编码的一种变种，当码元为l 时其前半个码元和上一个码元的 后半个码元的电平相同，码元为0 时则其前半个码元与上一个码元的后半个码元 的电平相反。同样这种编码方式在每个码元中间都有一次电平转换，有利于接收 端提取同步信号。而且这种编码方式有较好的抗干扰性能。 编码后的基带信号可以直接采用数字信道进行信号传输。常用的传输媒介有： 双绞线，5 0 q 的同轴电缆等。 模拟信道传输 若采用的传输信道是模拟信道，由于模拟信道的传输的带宽是有限的，而基带 的数字信号中包含了相当多的频率成分，其中有部分已经超出了模拟信道所能 传输的范围，接收到的信号就会因缺少这些频率成分而产生失真。而且即使是那 重庆大学硕士学位论文2 系统组成及： 作原理 些模拟信道可以传输的频率成分由于经受的衰减和时延会有些不同也要产生失 真。可见，如果采用模拟信道直接传输基带的数字信号就会产生信号失真，从而 导致传输的误码率高。因此，需要对基带数字信号进行调制。所谓的调制就是将 基带数字信号进行一定的频谱变换使其变换成适合在模拟信道中传输的信号形 式。常用的调制方式有： 1 ) 调幅( a m ) 载波的幅值随基带数字信号的变化而变化。图2 5 为调幅的示意图。图中给出 了数字信号“0 0 1 1 0 1 1 0 ”对应的调幅模拟信号。这里采用的是二元制的幅值调制，用 四个幅值代表四组二进制数的组合。这样可以达到提高传输率的目的。 a a ， a ： a 图2 5 调幅信号示意图 f i g 2 5a m p l i t u d e s h i f tk e y i n gs i g n a l 2 ) 调频( f m ) 载波的频率随基带信号的变化而变化。图2 6 是调频的示意图。基带信号为1 时对应一种载波频率n ，基带信号为0 时对应另一种载波频率f 2 。图中给出了数字 信号“0 1 0 0 1 ，对应的调频模拟信号。对数字信号的调制称为移频键控( f s k ) 。 o 圈2 6 调频信号示意图 f i g 2 6f r e q u e n c y s h i f tk e y i n gs i g n a l 3 ) 调相( p m ) 载波的初始相位随基带信号的变化而变化。图2 7 是调相的示意图。用一种相 位表示1 ，另种相位表示0 。或者用无相位变化表示1 ，有相位变化表示0 。前 一种成为绝对移相键控( p s k ) ，后一种成为相对移相键控( d p s 壬( ) 。其中d p s k 具有 重庆大学硕士学位论文2 系统组成及工作原理 更好的抗干扰性能。图中给出了数字信号“0 1 0 1 ”对应的调相模拟信号。 图2 7 调相信号示意图 f i g 2 7d i f f e r e n t i a lp h a s e s h i f tk e y i n g s i g n a l 当载波频率符合无线传输的频率时，调制信号就可以进行无线传输。在本 系统中，各个智能传感器终端与各个智能显示及设置终端和中央控制站之间的数 据均采用移频键控( f s k ) 方式调制后进行无线传输。调制解调及发送接收工作由无 线数传模块完成。 2 2 5 键盘工作原理 键盘是系统中的一个重要输入设各。在本系统中，显示及设置终端和中央控 制站都配备了键盘。通过键盘操作者可以根据实际需要为系统设置各种初始值及 控制参数。它们是主要的人机接口。中央控制站配置的键盘是一标准件，在这里 不作具体介绍。智能显示及设置终端配置的是内置m c u 控制下的非编码式键盘。 下面对非编码式键盘的工作原理作简要介绍。 非编码式键盘一般都被排列成如图2 8 所示的矩阵形式。各行、列线接到m c u 的d o 端口。键盘工作丑寸m c u 不断的对按键矩阵的各列依次进行扫描，没有被扫 反名爱爰反 次爰反 爰震么反 爰，乏爰。囊反 爰爰反彳 图2 8 按键矩阵示意图 f i g 2 8a r r a yo f t h ek e y 岍 啊 惯 稍 聊 重庆大学硕士学位论文2 系统组成及工作原理 描的电位为高电平，被扫描的列的电位变为低电平。若被扫描的列有某键被按下， 则相应的行和列之间接触，通过按下的键被扫描的列就和此键所在的行连通。这 样，按下键所在的行的高电位就被拉成了低电位。这时m c u 读入当前行状态值， 根据送出的列扫描值和行状态值就可以得到按下键的扫描码。通过扫描码辨别程 序m c u 就可以识别是哪各键被按下，从而执行相应的操作。 2 2 6l c d 显示及驱动原理p 剐 l c d ( l i q u i dc r y s t a ld e v i c e ) 即液晶显示器件。由于液晶显示器件具有低工作 电压、微功率、能使用c m o s 电路直接驱动的，是l c d 结构便携化、应用个人化 成为可能。l c d 的出现不仅代替了部分其他显示器件，还大大扩展了显示器件的 应用范围。l c d 已经成为目前显示产业中发展最为迅速、市场应用最广的显示器 件。 l c d 显示原理 液晶显示器件的组要组成部分是液晶。液晶是一种即具有晶体所具有的各向 异性造成的双折射性，又具有液体所特有的流动性的物质。液晶物质在某种条件 改变的情况下其物质形态发生变化的特性。液晶显示器件的显示原理就是利用液 晶物质的这种特性，依靠外场( 包括电、热、光等) 作用与初始排列的液晶分子 上，使液晶分子的初始排列发生变化。通过液晶显示器件的外界光线被调节，使 液晶显示器件发生明、暗、遮、透和变色等效果，从而达到显示的目的。为了实 现某一特定的显示目的，必须满足两个基本要求： 1 ) 足够的电( 热、光) 信号作用于液晶，使其改变其初始排列状态： 2 ) 每个电( 热、光) 信号均可以在一段时间内作用于一个或几个像素单元。 l c d 驱动原理 所谓的驱动原理是指用什么方法满足上述的使液晶显示器件显示的基本条 件，以及这些基本条件是如何完成显示要求，达到显示目的。具体的讲就是根据 液晶显示器件的种类，调节施加在像素上的电压、相位、频率、峰值、有效值、 时序、占空比等一系列参数、特性来建立起一定的驱动条件，实现显示目的。 液晶显示器件的驱动主要分为以下几类： 1 ) 直接驱动法； 2 ) 有源驱动法； 3 ) 射束驱动法； 4 ) 存储类驱动法； 5 ) 铁电液晶驱动法； 6 ) 彩色液晶显示。 1 4 重庆大学硕士学位论文2 系统组成及l ：作原理 2 3 电磁兼容性设计【5 2 】 电磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，简称e m c ，俗称抗电磁干扰或抗 干扰) 是指电子装置在预定的工作环境下，既不受周围电磁场的影响，也不影响 周围环境，不发生性能变异或误动作，而按设计要求正常工作的能力。从电磁场 的观点看，我们所处的外部环境是个十分复杂的电磁空间，使处于复杂电磁环境 中的设备不受周围电磁环境的影响是电磁兼容性技术的核心内容。电磁兼容性设 计也就是研究如何设计电子设备使其不受电磁干扰的影响。具体来说，就是研究 如何使干扰信号不损害有用信息、不影响系统正常工作前提下与有用信号“和平共 处”，互不影响。通俗地说，就是抗干扰设计。 系统中采用了软、硬结合的方法来提高其抗干扰能力。硬件电路采用了模块 化设计方法，并按电路功能划分模块进行印刷电路板( p c b ) 设计，采用了去耦技 术、屏蔽技术、隔离技术以及接地技术等硬件抗干扰措施。软件方面采取了数字 滤波、指令冗余和软件陷阱技术等软件抗干扰措施。在无线通信中采用国际通用 的无线数传频率，同时采用低发射功率和高灵敏度接收的方式，可以减少对其他 电气器件的干扰。并采用完善的通信协议，保证通信数据准确无误。另外，为了 防止系统受干扰后程序失控，设计了看门狗电路对m c u 进行监控，在程序失控后 能快速回复。该电路还具有低压保护和掉电保护功能。 重庆火学硕士学位论文3 系统硬件电路设计 3 系统硬件电路设计 3 1 智能传感器终端电路设计 3 1 1 弱信号处理电路 3 2 卜 3 5 】 如前所述，微弱信号处理电路包括放大、滤波两个功能单元电路。下面逐个 分析各个单元电路。 仪用差动放大器 信号是由置于飞剪刀刃上的一组应变片产生应变引起的微弱信号，所以要求 前置放大级具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和抗干扰能力强等优点。本 系统中选用仪表放大器( i a ) 作为前置放大级，对信号进行提取与放大。 仪表放大器由于本身所具有的低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电 范围及小体积等一系列优点，已被广泛应用于高精度、高稳定度的仪器仪表电路 中。 a d 6 2 0 是一种低功耗、高精度的仪表放大器，内部的核心是三运放电路，有 较