（机械电子工程专业论文）基于组态技术的车轮弯曲疲劳试验机研究.pdf

摘要 针对目前国内车轮生产厂家对车轮动态弯曲疲劳试验机的需求，研制了一种新型 的车轮动态弯曲疲劳试验机。该试验机在兼顾试验精度及整机成本等因素的基础上， 综合了现有的车轮弯曲疲劳试验机的优点。 本文通过分析电机直驱的悬臂式加载结构的加载原理，提出了以p i d 调节器为核 心的载荷闭环控制方法和加载臂偏移量检测方法，完成了数据采集与控制系统的硬件 和软件实现和基于组态技术的上位机监控软件的设计。 实验结果表明：该试验机的载荷控制精度高于1 ，偏移量检测精度高于2 5 。 其各项技术指标良好，运行稳定。 关键词：车轮疲劳试验恒弯矩偏移量可编程控制器组态 a bs t r a c t a tp r e s e m ，t h ew h e e lm a i l u f a c t u r e r sn e e dt h ew h e e ld y n a i 】1 i cb e n d i n gf 矾g u et e s t m a c l l i n em o r e ，s o 、v ed e v e l o p e dan e wt y p eo fw h e e li i y n 锄i cb e n d i n gf 撕g u et e s tm a c h i n e b eb a s e do nt h ef i a c t o r so ft a k i n gi n t oa c c o u n tt h et e s ta c c u r a c ya n dt h ec o s to fm et e s t m a c h i n e ，t m sa n i c l es y n t l l e s i z e da l l t h ea d v a l l 魄e so ft h ew h e e ld y n 锄i cb e n d i n gf a t i g u e t e s tm a c h i n e n l i sp a p e rp r o p o s e dm ec l o s e d l o o pc o n t r 0 1o fl o a da i l dl o a d - 釉。凰e td e t e c t i o n m e m o d su s i n gm ep i da st h ec o r eb ya n a l y z i n gm ed i r e c td r i v em o t o rl o a ds t r u c t u r e c a n t i l e v e r e dl o a dm e o if i n i s h e dt l l ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o l l i n gs y s t e mh a r d w a r e a i l d s o 小a r ed e s i 萨，a l s oi n c l u d i n gp cm o l l i t o r i n gs o 胁a r ed e s i g nb a s e do nc o n f i g u r a t i o n t e c l 1 0 1 0 9 y t h er e s u l ts h o w st 1 1 a t ：t h et e s tm a c h i n e sl o a dc o n t r o l l i n ga c c u r a c yi sh i 曲e rt h a n1 ， t h eo 凰e td e t e c t i o na c c u r a c yi sh i 曲e rm a i l2 5 s oi t st e c h i l i c a li n d i c a t o r sa r eg o o da n d w i t hs t a b l eo p e r a t i o n k e y w o r d s ：w h e e l ；f a t i g u et e s t ；c o n s t a n tb e n d i n g m o m e n t ；o f 置s e t ；p l c ；c o n f i g u r a t i o n i i 1 1 引言 第一章绪论弟一早殖记 车轮( 不含轮胎部分) 作为汽车上的重要部件之一，是由钢板经过冲压、成型、 焊接及防腐处理等一系列严格的制造工艺制成的。车轮在汽车行驶过程中，起着承载、 转向、驱动、制动等作用，对汽车的行驶安全性、平顺性和乘员舒适性有重要影响。 高速旋转的车轮除受垂直力外作用外，还受到车辆起动、制动时扭矩和行驶过程中转 弯、冲击等来自多方向的不规则受力，疲劳破坏是车轮失效的主要形式。因此，车轮 在使用前必须通过多项性能试验。检查车轮的疲劳寿命要做两部分试验，即车轮径向 疲劳试验和车轮弯曲疲劳试验，前者主要检查整个车轮的综合强度，后者主要检查车 轮轮辐强度【jj 。 车轮设计制造中的根本问题是应保证其疲劳寿命满足设计和使用性能要求。如果 能在设计阶段预测出车轮的疲劳寿命和破坏部位，将有利于结构改进和优化设计。国 外普遍采用仿真和试验相结合的方法对车轮进行优化设计，在产品设计阶段进行仿真 分析，根据仿真反复修改设计，最后制造样件进行实际试验【2 】【3 】【4 】。这种方法在国内也 得到了应用p 】。仿真的主要优点在于周期短、成本低且可用于设计阶段的强度预测及估 算【6 j 。由于，但是到目前为止，仿真方法尚难以达到很高的精度，归其原因是车轮轮辐 受力的复杂性和螺栓孔处严重的应力集中现象，还有实际生产中的铸造缺陷和机加缺 陷等客观原因的存在使得仿真很难与实际的工况完全吻合，因而计算模型的局限较大。 相比而言，试验法就成为了检验车轮弯曲疲劳强度的一种更为有效方法。静态模 拟试验可用于研究轮辐应力的分布情况，动态的车轮弯曲疲劳试验则能较真实的给出 车轮在实际受力情况以及强度，是评价车轮弯曲疲劳强度的一种最为可靠也最为直观 的一种方法【7 1 。 1 2 车轮弯曲疲劳试验机的研究现状 车轮弯曲疲劳试验也称动态横向疲劳试验，该试验是使车轮承受一个旋转的弯矩， 模拟车轮在行车中承受弯矩负荷，标准要求车轮在试验弯矩下经历一定的疲劳循环后 不得出现裂纹等破坏现象8 1 。试验弯矩m ( n m ) ，按以下公式确定： m = ( r + d ) e s 式中： 轮胎与路面间的设定摩擦系数，通常为0 7 ； 月静负荷半径( m ) ，是规定的用在该车轮上的最大轮胎静半径； d 车轮的偏距( m ) ，( 内偏距为正，外偏距为负) 按车轮厂的规定； e 车轮或汽车制造厂规定的车轮上的最大垂直静负荷或车轮的额定负荷( n ) ； s 强化试验系数( 见表1 1 ) 【引。 表1 1 动态弯曲疲劳试验要求【8 】 注：钢车轮认证试验时两种系数均要选用，轻合金只选用其中的一种系数，a 为优先选用的试验系数。 从上表可以看出在试验弯矩的要求上相同，但是在具体的试验方法上却不尽相同。 目前，车轮疲劳弯曲试验有两种截然不同的试验方法： 一种方法采用车轮在一个固定的弯矩负荷下跟随加载臂一同旋转对车轮施加旋转 弯矩的形式。具体方法是车轮固定在工作平台上，加载臂一端与车轮轮毂相连，另一 端通过加载砝码、直线伺服电机或电动丝杠等施加一个固定的力，加载臂与车轮在电 机的带动下一同旋转而产生旋转的弯矩。试验方法的原理如图1 1 所示。 目前美国、日本多采用这种试验方法。国内的主要代表机型为天津久荣车轮有限 公司研制的c f t 2 型和c f t - 4 型车轮弯曲疲劳试验机，分别用于轿车车轮和载重车轮 的弯曲疲劳性能试验( 如图1 2 、1 3 所示) 。这两种机型均采用了高精度滚珠丝杠加载的 加载方式。 图1 1回转式加载试验示意图 2 d 融l f 嘲 p 虬 ( a ) 图1 2 c f t 2 型轿车车轮弯曲疲劳试验机 ( a ) 图1 3 c f t - 4 型载重车轮弯曲疲劳试验机及其加载结构图 另一种方法采用车轮固定，电机直接或间接驱动偏心块旋转产生离心力，从而产 生一个旋转的弯矩的结构形式。具体的方法是将车轮固定在工作台面上，加载臂一端 与车轮轮毂相连，另一端嵌入装有偏心块的转盘中，转盘通过万向节与电机或由电机 传动部分的输出端相连。这种试验方法的原理如图1 4 所示。 图1 4 离心式加载试验示意图 目前我国基本采用这种试验方法，主要代表机型为天津久荣车轮有限公司研制的 c f t - 3 型和c f t - 5 型车轮弯曲疲劳试验机，分别用于轿车车轮和载重车轮的弯曲疲劳 性能试验( 如图1 5 所示) 。这两种机型均采用了交流变频闭环调速加万向节的加载方式， 具体结构形式如图1 6 ( a ) 。在车轮的装夹上则采用在台面上加装垫块的方式以适应不同 偏距的车轮，具体形式如图1 6 ( b ) 。此外，台湾弘达研制的车轮弯曲疲劳试验机也采用 了这种形式。 图1 5c f t 3 型轿车车轮弯曲疲劳试验机 ( a )i 图1 6c f t 3 型轿车车轮弯曲疲劳试验机 国外则是以德国为代表，主要代表机型有德国马克拉( m a k r a ) 检测技术公司生 产的m a k r a b u p 7 6 0 s 型车轮弯曲疲劳试验机，如图1 7 所示。 图1 7m a k r ab u p 7 6 0 s 型车轮弯曲疲劳试验机 综上所述，国内应用的车轮弯曲疲劳机主要分为车轮旋转载荷不动的卧式结构和 车轮固定载荷旋转的万向节结构。前者试验精度较高，更接近车轮的实际行驶状态， 更符合实际使用状况，但是存在试件调整、安装费力，试验速度慢，工作效率低等问 题，且由于试件旋转，所以不具备在试验进行中观察车轮轮辐表面的裂纹情况的条件， 能耗较大，不适于在试验室环境下进行大批量试验。 与前者相比，后者的优点在于安装车轮时对中、调试十分方便；试验转速最高可 达2 0 0 0r m i n ，因而试验期较短，适合于试验室及大批量试验；车轮不动，因而在试验 过程中可随时观察车轮损坏情况方便、直观；采用的离心加载形式使得在同样试验转 速下，只需改变偏心块质量就可以大幅度的改变载荷，因而能耗较低。但是这种方式 依旧存在车轮安装不便，装卡车轮的夹具过于复杂等问题。 1 3 实时监控软件开发概述 在组态概念出现之前，实时监控软件的控制界面和控制算法功能是由软件开发人 员用v b 、v c 等开发工具通过编程从底层来实现的，工作量大，开发周期长。针对不 同工艺过程要求的自动化系统，每次都需要重新开发相应的监控软件，因此大大降低 了软件的通用性。 而随着科技的发展，自动化程度、可靠性要求都很高的工业监控领域对软件的可 靠性和开发时间的要求越来越高，传统的软件开发方式已经不能满足用户的要求。组 态软件便在这种背景下应运而生。组态软件即一组功能强大的软件包，它有一个友好 的人机界面，且不用编什么代码程序便可以自己需要的应用“软件”【9 1 。图形界面和可视 化设计使组态软件具备了良好的人机交互界面。开发时操作简易灵活，开发的产品直 观生动、显示画面丰富、工业控制中的各种显示仪表控制表盘、回路调节图、历史趋 势图、实时曲线都可通过它来实现。在组态软件的基础上开发的控制软件可以适用于 一大类被控对象，对于不同的对象只需改变底层驱动即可。这与用编程语言开发软件 需要重复编写大量的驱动程序相比明显要简便很多。如今的组态软件不但具有可视化 设计环境，还为有特殊功能要求的用户提供了底层开发工具，供用户对组态软件进行 二次开发，使得组态软件的功能更加完善。 用组态软件实现用于工业控制的系统软件，不仅可以大大提高系统软件的开发速 度，而且保证了系统软件的成熟性、可靠性和易于维护性。因此，将实时监控系统上 位机应用软件的开发建立在组态软件的基础之上，是工业控制系统软件开发的一个方 向。 1 4 本文的主要工作内容 本课题的主要任务是研制新型车轮弯曲疲劳试验机。它是一种能够精确模拟车轮 轮辐实际工作时受力情况的疲劳试验机，可任意设定弯矩，并且具有低噪声、高效率、 低能耗及车轮装卸操作简便等特点。 利用组态软件开发试验机的上位机监控系统，既缩短了开发时间，又提高了试验 机的可靠性，大大提高了试验过程的自动化和信息化水平，对加快试验机的发展，促 进新技术的应用与开发，具有重要的现实意义。 结合新型车轮弯曲疲劳试验机的特点及实际的应用过程，本文的工作内容主要有 以下几个方面： 1 确定新型车轮弯曲疲劳试验机的总体设计方案，包括确定试验方法和弯矩的加 6 载方式、上位机软件功能及车轮试验失效的判定方法； 2 针对车轮疲劳试验机对试验载荷精度的要求，通过对加载原理和加载系统进行 分析，提出载荷的控制方法： 3 研究加载臂偏移量的检测方法，并分析误差来源； 4 完成以p l c 为核心的数据采集与控制系统的硬软件实现及上位机监控软件的 设计； 5 结合实验验证所提出的载荷控制方法和加载臂偏移量检测方法的准确性和有效 性。 第二章车轮弯曲疲劳试验机的总体方案设计 2 1 试验机的构成 2 1 1 机械系统的结构原理和加载方式 车轮弯曲疲劳试验机机械系统的结构原理如图2 1 所示 图2 1 车轮弯曲疲劳试验机机械系统的结构原理 车轮 应变片 机壳 加载臂 升降滑盘 质量块 驱动电机 升降气缸 减振地脚 车轮弯曲疲劳试验机的机械部分采用被试车轮固定加载臂悬置的立式结构。被试 车轮外缘通过均匀分布在试验机水平台面上的t 型槽中的螺栓压紧固定。四个减振地 脚用来支撑整个试验机的重量；悬置的加载臂一端通过连接盘与车轮轮辐联接；另一 端为驱动装置。电机带动质量块做回转运动，产生的旋转离心力，从而使被试车轮承受 回转弯矩。 2 1 2 数据采集与自动控制系统 图2 2 数据采集与自动控制系统组成框图 1 车轮2 测量应变片3 激光位移传感器4 质量块5 伺服电机 6 伺服控制器7 m c g c 嵌入式工控一体机8 p l c9 激光位移传感器控制器 1 0 应变放大仪及信号调理电路 鉴于需要对车轮弯曲疲劳试验全过程实时自动监测，所以上位机是必不可少的部 分。若单独使用计算机作为测控的核心，则难以保证系统长达数个小时的试验监控和 记录工作的可靠性。所以需要一种能够独立进行数据采集和自动控制的并且可以长时 间稳定工作的控制器与计算机组成上下位机系统，两者既可实现数据互通，又可以独 立完成各自的工作。 综上所述，拟采用可靠性较高的可编程逻辑控制器( p l c ) 和嵌入式一体化工控机组 成上下位机作为测控系统的核心。系统下位机选择以西门子c p u 2 2 4 x p 为核心，并带 有1 个四通道模拟量输入模块( a d c ) 和1 个数字量扩展模块的p l c 系统。数据采集 与自动控制系统组成框图如图2 2 所示。 2 2 上位机软件的功能 试验机中所有与试验有关的操作都通过上位机来实现，在试验进行的过程中可仅 由p l c 来实现载荷的控制和车轮失效的自动诊断。上位机监控软件用于实现对p l c 的 控制和人机交互以及试验数据的存储等。所有的数据都在试验过程中自动记录。试验 完成后，可用外部存储设备将数据以e x c e l 形式导出，并可生成试验报告输出打印。 2 3 车轮疲劳失效的检测方案 车轮从开始出现裂纹到失效的历史时间较长，在此期间由于裂纹的扩大，车轮的 刚度将会不断下降，车轮的变形量加大，加载臂的摆动幅度变大，所以加载臂的摆动 幅度的大小即可直接反应被试车轮的刚度变化情况。 现行的国家标准中明确规定以加载点偏移量超出初始全加载偏移量的百分比作为 判定车轮试验失效的依据，其中，加载点偏移量的大小则可以通过测量试验过程中加 载臂上某点的振动幅度的方法来获知。本文拟采用如下方法检测车轮的疲劳失效：以 位移传感器检测加载臂的振动幅度将其作为加载臂的偏移量，在下位机中判断其是否 超出规定值，并在判定车轮试验失效后自动停机卸载。 2 4 本章小结 本章根据相关试验要求，拟订了新型车轮弯曲疲劳试验机的总体方案。该车轮弯 曲疲劳试验机的总体设计方案如下： 1 采用被试车轮固定加载臂悬置的立式结构，弯矩加载方式为电机直驱； 2 采用由p l c 和嵌入式一体化工控机组成的上下位机系统作为测控核心，以提高 系统的可靠性。 3 上位机监控软件采用组态软件的进行开发，缩短了软件的开发时间，满足用户对 于试验机的自动化和智能化的要求。 1 0 第三章恒载荷控制方法的研究 3 1 旋转弯矩的加载原理 目前，国内所用的车轮弯曲疲劳试验机多采用电动机带动车轮旋转，加载固定方 向的弯矩的方式测试车轮的弯曲疲劳强度。而本文所研究的车轮弯曲疲劳试验机采用 车轮固定不动，弯矩旋转的方式来测试车轮的弯曲疲劳强度。弯矩加载的基本原理如 图3 1 所示。 由电动机和质量块组成的驱动装置安装在加载臂的下端，加载臂上端与车轮之间 刚性连接。运行时电动机驱动质量块围绕加载臂的轴线旋转产生离心力，并经过加载 臂将弯矩传递到车轮上。通过控制电机的转速，从而产生旋转弯矩。由此模拟车轮在 工作时的受力情况。 加载 i 1 i 图3 1 原理简图 3 2 弯矩加载系统分析 质量块 、l 臼 图3 2 加载系统原理图 由于振动系统的振型和车轮的刚度有关，一般来说车轮在出现裂纹之后刚度下降， 进而整个系统的刚度下降，若驱动系统的加载频率不变，即电机旋转的角速度不变， 则加载臂的振幅将增大。振幅的增大则意味着试验车轮的载荷的增大。图3 2 给出了加 载系统的原理图。 当电机驱动质量块以角速度国转动时，则施加于加载臂上的激振载荷为 心= 尬( 3 1 ) 其中 m = 聊国2 儿 ( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中，聊为质量块的质量，为其回转半径。视加载臂为刚体且系统具有足够 的连接刚性，则系统刚度七仅取决于车轮的弯曲刚度吒，建立系统在无阻尼情况下的 运动微分方程为： ，p + k 臼= 妃州( 3 3 ) 对比单自由度线性系统在谐波激励下的运动微分方程，解此微分方程，得系统的固有 频率为 p = 再 其中，为加载臂对于加载臂中心线的转动惯量；k 为车轮的等效弯曲刚度。 系统的动态放大系数为 肛等2 袁2 其中，m 为车轮所承受的载荷。 根据式( 3 5 ) ，以厂为横坐标，为纵坐标，建立加载系统的动态放大系数图。 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 厂( 勉) 图3 3 载荷动态放大系数图 图3 3 所示为加载系统的动态放大系数图。从图中可以看出，3 区的放大系数随转 1 2 l 嘭 一2 一， 一 一 一 1 速变化快，所以载荷对转速的变化非常敏感，难以通过转速对载荷进行精确控制，2 区的放大系数随转速变化比较缓慢，但考虑到车轮在试验过程中，车轮的刚度将会不 断下降，使系统的固有频率发生改变。综合考虑试验载荷的精度要求和强度要求，试 验机的最佳工作区域应在1 区内，并尽量使其工作在远离系统固有频率且放大系数随 转速变化非常缓慢的频率范围内。 由上面的讨论可得出以下结论：系统的共振频率主要跟加载臂的转动惯量和被试 车轮的弯曲刚度有关。车轮的刚度千差万别，但我们可以通过调整加载臂的惯量的方 法来适应它，从而使得系统总能在1 区内工作。另外可以通过调整质量块的质量以适 应不同车轮对试验载荷强度要求的不同。 3 3 恒载荷闭环控制方法 通过上面的论述可以知道：在系统的激振频率不变的条件下，试验车轮的载荷会 随着车轮刚度的减小而增大。同时，不断增大的载荷，可能会加速车轮的疲劳，严重 影响试验机的可靠性和稳定性。现行的国家车轮试验要求中明确规定了车轮动态弯曲 疲劳试验的载荷控制精度，可见试验的精度问题是试验技术所关心的一个主要问题。 对于车轮轮辐弯曲疲劳试验来说，必须保证在试验中车轮所受的弯矩载荷的精度，否 则所得到的试验结果将不能反映车轮的弯曲疲劳强度的真实状况。载荷的精度越高， 试验结果就越可靠。 为提高试验系统的可靠性，本文采用p i d 控制器对载荷进行闭环控制，以提高载 荷的控制精度。 3 3 1 数字p i d 控制方法 p i d 控制器，结构简单，参数易于调整，在连续控制系统中是技术成熟、应用最 为广泛的一种控制器。在直接数字控制系统中，可以通过编程轻而易举地实现数字p i d 控制规律。因为在计算机控制系统中，控制算法是由软件实现的，所以在传统的模拟 控制器中难以实现的一些改进算法可以很容易地用数字控制器实现【1 0 】。 图3 4 典型p i d 闭环控制系统示意图 如图3 4 所示为典型p i d 闭环控制系统示意图。其中p v 为控制变量，s p 是设定 值，则调节器的偏差信号e = s p p v 。理想的模拟p i d 控制算式为： m ( ，) = k 【p + 毒r 口衍+ 乙尝】+ 坂删 式中，k 。为比例系数；t 。为积分时间，其决定了积分作用的强弱；t d 为微分时 间；m 洒。柏为p i d 回路输出的初始值；m ( t ) 为p i d 回路的输出时间的函数，它决定了 执行器的具体位置；e 为p i d 回路的偏差。 在p i d 的三种调节作用中，微分作用主要用来减少超调量、克服振荡，使系统趋 向稳定，并能加快系统的响应速度、减小超调时间，进而改善系统的动态特征。积分 作用主要用来消除静差、提高精度、减少超调时间，用来改善系统的静态特征。比例 作用可对偏差做出及时响应。对三种作用的强弱作适当的组合和调整，可以使p i d 快 速、稳定、准确的运行，获得满意的控制效果。 将模拟p i d 调节器的输出算式离散为差分方程才能在计算机内部完成离散化的运 算。设采样周期为t 。，初始时刻为0 ，第n 次采样的偏差为p 。，控制输出为m 。，并将 偏差和时间增量化： 沈p = p n p n 一1衍f = r 。一f 。一1 得到模拟p i d 调节器的离散化形式 m 。= k 。h + ” ( 巳飞一。) l + m 枷。， 工，1 s 式中，t 为采样周期；m 。为调节器第n 次输出值；k 。为p i d 回路增益；e 。为第 n 次采样偏差，e 。= s p n p v ；n 为采样次数序号。 许多闭环控制场合，只需要p 、i 、d 三种控制中一种或几种，可以通过参数设置 使用p 调节器、p i 、p d 调节器、p i d 调节器等。假如不需要积分回路，可以把积分时 间设为无穷大，不存在积分作用，但积分项还可以保留，因为有初值m 。；假如不想要 微分回路，可以把微分时间置为零；如果不需要比例回路，但需要积分或微分回路， 可以把增益设为o 0 ，系统会在计算积分项和微分项时，把比例放大作1 0 看待。 每个p i d 回路有两个输入量，给定值( s p ) 和过程变量( p v ) 。给定值通常是一 个固定的值。过程变量是输出对控制系统的反馈作用的大小。给定值与过程变量的大 小、范围和工程单位都可能不一样。因此，p i d 指令在对输入量进行运算以前，必须 把它们转换成标准的浮点型实数。转换时先把1 6 位整数值转成浮点型实数值，然后把 实数值进一步标准化为o o 1 o 之间的实数。 回路输出值将作为系统的控制变量，p i d 运算后的输出是0 o 1 0 之间的标准化的 实数，所以在回路驱动模拟输出之前，必须把回路输出值转换成相应的实际数值( 实 数型) 。表3 1 所示为p l c 中的p i d 回路表。 1 4 3 3 2 恒载荷控制系统的组成及原理 弯矩 车轮动态弯曲疲劳试验机的恒弯矩控制系统组成及原理如图3 5 所示 p l c 执行机构 _ 一 一 “ ：定值偏差， p i d 调节器 d f 入 转逐 t l 八 7 驱动电机载荷传递机构一 被试车轮 i 、( y l 了 i 】 l l 数据处理一 a d 弓旭伍侧教且r 1 一 i 峦蠕测导估 i 弓形茯q 里。l 且 【 图3 5 恒弯矩控制系统组成及原理图 弯矩设定值由操作员在上位机中输入后传入p l c ，同时，弯矩检测装置将输出的 信号送入a d 转换为数字量，p l c 以定时中断连续采集数字量分析处理后得出当前弯 矩值并与弯矩设定值计算得出偏差值，p i d 调节器根据偏差值计算得出控制量经d a 转换为电压控制信号，控制驱动电机调整转速，以实现试验弯矩载荷的闭环控制。 随着试验过程的进行，当车轮的强度降低使载荷产生变化时，调节器将动态的调 整转速，以保证载荷的恒定。 3 3 3 数字p i d 控制器设计 p l c 的p i d 控制器设计是以连续系统p i d 控制规律为基础，经采样将其写成离散 形式的p i d 方程，再根据离散方程进行控制程序设计。 s 7 2 0 0 p l c 的编程软件m i c r o w i n 中提供了p i dw i z a r d ( p i d 指令向导) ，可以帮 助用户方便地生成一个闭环控制过程的p i d 算法。此向导可以完成绝大多数p i d 运算 的自动编程，用户只需在主程序中调用p i d 向导生成的子程序，就可以完成p i d 控制 任务【l l j 【j2 | 。p i d 向导既可以生成模拟量输出p i d 控制算法，也支持开关量输出；既支 持连续自动调节，也支持手动参与控制，同时还提供了p i d 参数整定控制面板( 如图 3 6 所示) ，可方便直观地进行p i d 参数整定。因此，无需知道系统的数学模型就可以 对p i d 控制器进行设计，通过在系统中逐个加入比例，积分，微分项，并根据曲线的 变化，反复调整各个参数的大小，直至得到满意的一组参数。 3 4 弯矩检测装置 图3 6 p i d 调节控制面板 由于加载的过程采用弯矩反馈的闭环的控制方式，因此需要对加载弯矩进行实时 检测。由材料力学知识可知，试件上加载弯矩的测量，最通常的做法是采用电阻应变 式传感器。 3 4 1 电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器主要由试件、电阻应变片和测量电路等组成，试件感受加载力 1 6 矩，并将力矩的变化转换成应变的变化，电阻应变片是传感器中的敏感元件，能将试 件的应变变化转换成电阻变化【1 3 】。 电阻应变片主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。电阻应变片是基于金 属的应变效应工作的。由欧姆定律可知，金属丝的电阻与材料的电阻率及几何尺寸( 长 度和横截面积) 有如下关系： 1 r = p i ( 3 6 ) ， 一 、一一， ) 式中r 金属丝的电阻( q ) ； p 材料的电阻率( q m 2 m ) ； 。 三金属丝的长度( m ) ； s 金属丝的横截面积( m 2 ) 当金属丝因受外力作用产生机械变形时( 拉伸或压缩) ，其长度和横截面积都要发 生变化，从而改变金属丝的电阻值。这种金属丝的电阻值随着它所承受的机械变形的 大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。 + 。 因此只要能测出电阻的变化，便可得知金属丝的应变情况，实验证明，在弹性范 围内，应变片电阻相对变化与应变成正比，且比值为常数可表示为： 积 ， i 2 k s s( 3 7 ) 瓜 式中积金属丝电阻变化量( q ) k 。金属材料的应变灵敏系数( 常用应变片的灵敏系数为2 左右，具体数值 参照所选应变片的型号) ； 占金属材料的应变值，即s = 别三 用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上，在外力作用下，被 测对象表面发生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因 而应变片的电阻也发生相应的变化，如用仪器测出应变片的电阻值变化，则根据式( 3 1 ) 可得到被测对象的应变占，而根据应力应变关系可得到应力值盯： 仃= e s ( 3 8 ) 式中盯试件的应力； 占试件的应变； 但由于应变片电阻的变化在数量值上很小，不易直接测量，因此需要采用高精度 的测量电路电桥测量电路，将应变片电阻的变化转换为电压或电流的变化，这种 测量电路不仅测量精度高，且可进行温度补偿。惠斯登电桥电路就是一种常用的电桥 测量电路。 对于测量应变的惠斯登电桥，考虑到温度干扰对电桥测量精度的影响，为提高其 测量精度，根据应变片电测原理，本电阻应变片式传感器的测量电路采用等臂直流全 桥差动电路，如图3 7 所示。 图3 7 全桥差动电路 因为惠斯登电桥采用等臂全桥接法，即采用四个工作应变片，其阻值均相等，即 墨= r ：= b = 心= 尺。所以，当应变片受力导致电阻变化时，则电桥的输出电压为 - ( 而端k 一赢卜 3 3 2 电阻应变式弯矩传感器设计 该弯矩检测装置由布置于x 方向和y 方向的两套装置组成。两套装置分别检测载 荷在两个方向上的实时分量，且所采用的检测方法完全相同，以某一方向的弯矩检测 装置为例，讨论弯矩的检测方法。 根据材料力学的知识，当轴类试件承受纯弯曲时，其表面上最大应力为 疗一丝跳 2 贳 ( 3 9 ) 矿：型 2 3 2 ( 3 1 0 ) 所以， 一斧2 署 试件受纯弯曲作用时，其最大拉应力和压应力均出现在试件表面上，贴片方式如 图3 8 所示。 。t m 图3 8 检测弯矩时应变片的粘贴图 m 将应变片布置成图3 7 所示的等臂全桥差动惠斯登电桥电路【1 4 】。 当弯矩在某一方向的分量作用于该方向的应变片时，根据材料力学的知识，中性 层两侧的材料分别被拉伸和压缩，粘贴于材料表面的应变片在拉压的作用下产生机械 变形，使各桥臂电阻发生改变，电桥的平衡被打破。此时，电桥的输出电压乩为 虬= 篆( 叫一蝇+ 蝇一屿) ( 3 1 2 ) 引入应变片灵敏系数k ，得 乩= 等( z 毛) ( 3 1 3 ) 式中k u 4 为常数 此时，各应变片感受的应变分别为 q = 。+ 0占22 一气。+ t 毛2 一s m “+ 毛s 42 t n “+ q ( 3 1 4 ) 代入式( 3 1 3 ) 得 u = 等( q 一岛+ 毛一毛) = 等+ ) 一( + q ) + ( 气。+ ) 十靠缸+ q ) = k u ( 3 1 5 ) 所以试件所受的最大弯曲应变和应力分别为 = 茜 ( 3 1 6 ) 一e 一茜 ，7 ， 代入式( 3 1 1 ) 得 2 菌2 万 ( 3 1 8 ) 故弯矩m 为 m ：丝鲨丝 3 2 k 叫9 1 这样即可通过检测电桥输出端与输入端的电压比值，得出弯矩的大小。但是，这 种方法限定了应变片的粘贴部位必须位于车轮与加载臂的连接处，技术上存在困难， 且在试验机的使用过程中，需要反复装拆应变片，操作不便。针对此种问题，对上面 的方法进行如下改进，采用测量离心力的方法间接检测弯矩的大小。 将应变片布置于加载臂上靠近车轮安装面的轴颈上，设应变片的粘贴部位与车轮 安装面之间的距离为x ，则旋转离心力f 为 f 一垄望：墨丝 3 2 k ( 三一x ) u ( 3 2 0 ) 由此得出实际作用于车轮的弯矩载荷为 m ：f 三：丝：丝堡 3 2 k ( 三一x ) ( 3 。2 1 ) 由于电桥采用直流稳压电源供电，电桥的输入电压v 为定值，所以上式中与虬 为线性关系，即通过检测电桥输出端的电压值，就可以得出实际作用于车轮的弯矩大 小。 3 5 本章小结 本章结合加载系统的分析模型，提出了基于p l c 的数字p i d 恒弯矩闭环控制方法， 有效地解决了试验过程中由车轮刚度变化引起的载荷波动问题，保证了试验的可靠性。 弯矩的检测通过测量电阻应变式弯矩传感器中的电桥输出端电压的形式实现。 第四章加载臂偏移量检测方法的研究 4 1 测量原理及方式 加载臂在工作过程处于摆动状态，其摆动频率与电机的旋转频率相同，即加载臂 圆周上任意一点在该点的静态位置附近做等幅振动。 因此，只需在试验前记录传感器的静态测量值，并在试验过程中将采集到传感器 的动态测量值与所记录的静态值相减，即可得到测量点的振动位移值。依此类推，如 果在加载臂周围均匀布置若干个传感器分别用同样的方法采集并计算位移值，就可以 得出加载臂圆周上各个点的振动位移值，但这显然是不现实的。因而需要在保证测量 精度的前提下，寻找简单有效的测量方法实现对加载臂偏移量的检测。 4 2 偏移量检测方法 单个位移传感器检测加载臂偏移量时，传感器的布置方式如图4 1 所示 j 厂 、刁 八j 羔 鬯，一b 一一一一一1。 。 芰 图4 1 单传感器检测示意图 设加载臂上a 点的偏移量为d ，则有如下等式： s = + d c o s 口 ( 4 1 ) 其中，s o 为静止状态下传感器s 采集到的数据，0 【为o a 与传感器探头轴线的夹角， s 为试验过程中传感器采集到的数据。 由式( 4 1 ) 得 d = 业 ( 4 2 ) c o sc z 由式( 4 2 ) 可以看出应用单个传感器测量加载臂上某点偏移量时只需测出动态时传 感器采集到的最大值和o a 与传感器探头轴线的夹角。但是这种测量方法只适用于被 测点不在y 轴上的情况。当被测点处于y 轴上时，c o s 口= 0 。 为解决单个传感器测量的方法在适用范围上存在的问题，在上述系统中再加入一 个位移传感器组成双传感器测量系统，并讨论其测量原理和传感器的布置方式。 弋、 。l 1 众 、 晰；| | 弋支 图4 2 双传感器检测示意图 s l 一厂 1 一 如图4 2 所示为双位移传感器检测加载臂偏移量的原理图。在加载臂圆周上布置两 个位移传感器，两个传感器感测头的轴线相交于一点，建立测量坐标系x o y ，传感器 s l 处于x 轴的正半轴上，传感器s 2 与s 1 的夹角为q 。加载臂圆周上任意一点a 到圆 心的连线o a 与x 轴的夹角为0 ，则有以下等式： 墨( 乡) = 颤+ z ( 乡) ( 4 3 ) 5 2 ( 秒) = j 日+ x ( 臼) c o s 口+ y ( 臼) s i n 口 ( 4 4 ) 其中，( 秒) ，s ：( 秒) 分别为两个位移传感器采集的数据，为静止状态下传感 器s 1 和s 2 采集到的数据，x ( 臼) ，y ( 秒) 为加载臂圆周上任意一点a 的偏移量d ( 秒) 在x ， y 方向的分量。 由式( 4 3 ) 得 x ( 秒) = 岛( 秒) 一颤 ( 4 5 ) 将上式代入式( 4 4 ) ，整理后得 y ( 秒) ：丛生盟军巡二型 s 1 n 口 对式( 4 - 5 ) 及( 4 6 ) 的两端分别平方后，对应相加，整理后得 x ：( 臼) + y ：( 口) ：量垒墅旦上二! 生二! 垒羔旦上二! 芝z 二；q 堕鱼呈l 二盟【兰! 翌! 二! 墨! ! ! ! 竺 s l n 口 其中x 2 ( 9 ) + ) ，2 ( 乡) ：d 2 ( 秒) 即 d ( 目) = ( ! ! ! 皇2 二当! ：( ! ! ! 翌! 二! 墨! ：二圣( 苎! 皇! 二：堑! ( 兰! 翌2 二兰曼! ! 竺! 竺 s i n 2 口 ( 4 6 ) ( 4 - 7 ) ( 4 - 8 ) 上式中，当口= 或3 时，即传感器s 2 与s 1 的夹角为9 0 。时，可简化为 d ( 曰) = ( s 。( 目) 一) 2 + ( 是( 秒) 一) 2 ( 4 - 9 ) 上式即为采用两个位移传感器时，加载臂圆周上任意一点的振动偏移量的计算式。 考虑到实际试验中由于车轮刚度的不均匀性，可能导致加载臂圆周上各点的振动偏移 量有所差别。因此需对测得的各点偏移量求和后取均值，将平均值作为最终检测结果。 设采样时间t ，采样个数为n 。则表示加载臂圆周上任意一点位置的夹角0 的离 散表达式为 秒= ，? 缈丁 ，z = 0 ，1 ，2 ，一1( 4 1 0 ) 其中，缈为电机旋转的角速度，将式( 4 9 ) 改写为离散形式为 d ( ，2 缈丁) = ( _ ( 心丁) 一) 2 + ( s 2 ( 门政) 丁) 一s b ) 2 即= o ，1 ，2 ，一1 ( 4 1 1 ) 求和得均值，即得加载臂的偏移量为 4 3 位移传感器的选型 | 一1 1 f 1 d ( 胛缈丁) _ 一j 一 d = 卫三l i 一 ，2 = 0 ，1 ，2 ，一l ( 4 1 2 ) n 1 、。 位移传感器是用来测量物体从一个点移动到另一个点所涵盖的距离，它也可以用 来测量物体的高度与宽度【l 引。根据使用位移传感器的测量方式不同，位移传感器分为 接触式和非接触式两种。常用的接触式位移传感器有差动变压器、光栅尺等，常用的 非接触式位移传感器有激光式、涡电流式、超声波式等。 由于加载臂在工作过程处于摆动状态，很难应用接触式位移传感器直接测量摆臂 的偏移量，所以采用非接触式传感器，使得无需直接接触摆臂就可以对摆臂的偏移量 进行测量。这里主要考虑两种常用的位移传感器：电涡流位移传感器和激光位移传感 器。 4 3 1 电涡流位移传感器 根据法拉第电磁感应定律，将一块金属置于交变磁场中，或使金属置于交变磁场 中，或是金属块在磁场中作切割磁力线的动作，那么在金属体内将产生旋涡状的感应 电流，这种电流叫做电涡流。该效应称为电涡流效应。利用电涡流效应制成的传感器 称为涡流式传感器【1 6 】。 如图4 3 所示是电涡流位移传感器的基本结构和工作原理示意图。由图可知，传感 器主要由探头和前置器两部分构成。 被测体 图4 3 电涡流位移传感器的基本结构和工作原理示意图 前置器中的高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生 交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电涡流，与此同 时该感应电涡流也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，导致传感器线圈的 电感及线圈的等效阻抗发生变化。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同 性，则传感器线圈受涡流影响时的等效阻抗z 的函数表达式为 z = ，( p ，厂，缈，x ) 式中，p 为被测导体的电阻率；为被测导体的磁导率；缈为线圈激磁电压的频率；厂 为线圈与被测导体的尺寸因子；x 为线圈与被测导体间的距离【1 7 】。 电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应 速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状 态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用【1 8 】。但是其测量范围较小一般为4 1 0 m m ，且 其测量精度受被测体的表面平整度，表面磁效应、表面镀层及被测体的材料的影响较 大。 2 4 4 3 2 激光位移传感器 激光位移传感器由于其具有非接触、不易损伤表面、材料适应性广、结构简单、 测量范围大、抗干扰、测量点小、测量准确度高、可用于实时在线快速测量等特点， 在几何测量领域中得到广泛的应用【1 9 】。目前，普遍使用的激光位移传感器按光接收元 件的不同主要分为p s d ( 位置灵敏监测器) 型和c c d ( 电荷耦合器件) 型两种。 1 p s d 型激光位移传感器 如图4 4 所示为p s d 型的激光位移传感器结构和原理，它包括一个发光元件和一 个位置敏感探测器( p s d ) ，利用三角法对目标物的位移量进行检测。 位置敏 感探测 器 图4 4p s d 型激光位移传感器的测量原理 发射透镜把半导体激光器发射的光束聚焦到目标物表面，部分光束经目标物反射 后，再通过接受透镜把光束聚焦到位敏探测器( p s d ) 上形成一个光点。当被测物从o 点移动到a 或b 时，p s d 上的光点也会相应地从o 移动到a 或b7 ，通过检测光 点的移动量就可以测定被测物的位移量。同时，信号处理电路将电压与位移量进行线 性化输出后就可以实现高精度的位移测量。 2 c c d 型激光位移传感器 c c d 激光位移传感器同样采用三角测量方式检测目标物体的位移量，所不同的是， 它采用c c d 作为光接受原件。由目标反射回来的光线通过接收透镜组并聚焦于c c d 。 p s d 型传感器使用p s d 上的所有光点的光量分布来决定光点的中心。并以此作为 目标物位置。然而，由于光量的分布会受目标物的表面状态的影响，所以会造成测量 上的误差( 如图4 5 所示) 。而c c d 则检测光点对每一像素的光量分布中的峰值，并将 其识别为目标物位置。所以可以不受光点光量分布的影响，能实现稳定的高度精确度 的位移测量。此外，在测量过程中c c d 型激光位移传感器也不会受到物体表面颜色、 表面材料或漫反射光照的影响。c c d 型激光位移传感器的价格也较p s d 型的激光位移 传感器高出很多。 p s d 【：的光点 p s d 计算整个光点区域豹光量分布中心 c c d 卜的光点 c c d 检测光量的峰值 图4 5 光接收原件上光点的光量分布 最近，研究人员又提出了l i c c d 的概念，这种c c d 能够以一个像素输出反射光 的位置，在精确性方面极为出色，是传统型号的两倍【2 0 1 。 综合考虑测量精度及测量范围等因素，本试验机选用的是k e y e n c e 公司型号为 l b 3 0 1 的p s d 型激光位移传感器及l b 1 2 0 1 型控制器，如图4 6 所示。 图4 6l b 一3 0 1 感测头及其控制器 该型号的传感器采用一个小光点直径的半导体激光。这种可见光束使感测头可以 容易地对准微小的目标物。 控制器中集成的a r c 电路可以根据条件的变化对反应速度进行自动调节，当需要 作高速定位时，反应速度会增加，当需要稳定的解析度时，反应速度会减小。在传感 2 6 器判定目标物位移前，它会检查传感器至目标物距离是否已发生变化，而持续更新数 据以提供最佳反应速度。a r c 系统在测量高度反射目标物高度差及检测移动目标物的 不均匀度时最为理想。l b 3 0 1 及其控制器的具体技术指标见表4 1 【2 1 1 。 表4 1l b 3 0 1 及其控制器的具体技术指标 型号l b 3 0 l 参考距离 3 0 0 m m 测量范围 1 0 0 m m 类型不可见红外线半导体激光