（机械电子工程专业论文）无轴传动同步测试系统的研制.pdf

摘要 摘要 无轴传动技术是当今印刷业新兴的一门技术。它是- - l l 新兴的、跨学科的 综合性技术，是自动控制技术、网络通讯技术、电气传动技术和机械技术的有机 结合，具有传动精度高、结构简化、传动比范围宽、调整方便等优点，有着广阔 的应用前景。 虚拟仪器是当今世界上基于p c 的测试测量技术。虚拟仪器以透明的方式把 计算机资源和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分 析处理，表达以图形化的用户接口。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统 到以软件为中心的测量系统的根本性转变。 在无轴传动系统中，同步控制传动精度将直接影响到印刷机的印刷质量和 印刷速度。所以在评价传动精度、同步性能方面，无轴传动同步测试是一项必不 可少的环节。 本文以印刷机技术和无轴传动技术为背景，利用虚拟仪器现代测试技术， 研制了无轴传动同步测试系统。 本论文的主要工作内容如下： ( 1 ) 根据测试系统的功能要求，研究了无轴传动技术和虚拟仪器技术，确 定了测试系统方案。 ( 2 ) 完成了实验台设计，并且确定了模拟加载方案。 ( 3 ) 根据测试需求，选择相应的数据采集卡、位移传感器和力矩传感器， 选择磁粉制动器模拟摩擦转矩。 ( 4 ) 完成了系统软件设计，确立了软件系统结构，实现了测试系统的采集、 存储、数据回放和报警功能，并做了部分实验测试。 关键词无轴传动测试；虚拟仪器系统；信号采集 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t s h a f t l e s s d r i v e ni sab u r g e o n i n gt e c h n o l o g yi nt h ep r i n t i n gm a c h i n e i ti san e w s u b j e c t b e s t r a d d l e da n ds y n t h e s i z e dt e c h n o l o g y i ti sa c o m b i n a t i o no fe l e c t r i ct r a n s i m i s s i o n ，n e t w o r kc o r m u n i c a t i o n ，a u t o m a t i c c o n t r o la n dm e c h a n i s mt e c h n o l o g y s h a f t l e s s d i v e ni sc h a r a c t e r i z e db y h i g hp r e c i s i o n ，w i d et r a n s m i s s i o nr a t i o ，p r e d i g e s t e ds t r u c t u r ea n d f l e x i b i l i t ya n dh a sc a p a c i o u sa p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di np r i n t i n gm a c h i n e v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ni sak i n do fp o p u l a rp c b a s e dm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yt o d a y i t i n t e g r a t e d t h ec o m p u t e rh a r d w a r e ，i n s t r u m e n t m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yi nt h es o u n dw a ya n di sr e a l i z e dd a t a a n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n gb yt h es o f t w a r e ，e x p r e s s e dt h eu s e ri n t e r f a c e t h r o u g ht h eg r a p h i c a l l i z e dd i s p l a y v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nr e p r e s e n t e d t h et r a n s f o r m a t i o ni np r i o r i t yf r o mt r a d i t i o n a lh a r e w a r et ot h es o f t w a r e i nt h em e a s u r i n gs y s t e m s y n c h r o n i z e dc o n t r o lp r e c i s i o nw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t ya n d v e l o c i t yo fp r i n t i n gm a c h i n ei nt h es h a f t l e s s d r i v e nt e c h n o l o g y a sa r e s u l t ，s h a f t l e s sd r i v e ns y n c h r o n i z e dt e s ti sa ni n e v i t a b l ep a r ti nt h e e v a l u a t i n gd r i v e np r e c i s i o na n dx y n c h r o n i z e dp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rd e s i g n e das y n c h r o n i z e dt e s ts y s t e mu s i n gv i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g ya n db a s e do nt h ep r i n t i n gm a c h i n ea n d s h a f t l e s s d r i v e nt e c h n o l o g y t h em a i nw o r ko ft h i sp a p p e ra sf o ll o w s ： ( 1 ) s t u d yt h es h a f t l e s s d r i v e na n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nd e m a n d o ft h es y s t e m s e tu pt h ep r o j e c to ft e s t s y s t e m 。 ( 2 ) d e s i g nt h em e c h a n i s mp l a t f o r ma n ds e tu pt h es i m u l a t i o no ft h e l o a d ( 3 ) c h o o s et h ed a qc a r d ，p o s i t i o ns e n s o r t o r q u es e n s o r s e l e c tt h e b r a k et os i m u l a t et h el o a d ( 4 ) d e s i g nt h es y s t e ms o f t w a r ef r a m ea n dm a k eu s eo ft h el a n g u a g e l a b v i e wt op r o g r a me a c hs o f t w a r em o l do ft h i st e s ts y s t e n lr e a li z et h e f u n c t i o n sl i k ed a t aa c q u i s i t i o n ，d a t as t o r ew i t hh i g hs p e e d ，d a t ar e c o v e r y a n da n a l y s i sa n dg i v i n ga l a r m m e a n w h i l em a k ee x p e r i m e n t so nt h et e s t s y s t e m k e y w o r d ss h a r - d d v e nt e s t ；v k u a li n s t r u m e n ts y s t e m ；d a q i i - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名：塑篮丕日期：幽：兰：兰! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：翌荭丕导师签名：途邋 日期： 2 1 1 z 。竺 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 印刷机简介 第1 章绪论 所谓印刷机就是借助印刷压力或其他方式将印版等载体表面上的图文信息 以油墨或其他显示媒介的形式转移并牢固地附着在纸张或其他承印物上的一种 自动机器“。 印刷机的组成 印刷机的种类繁多，用途各异，其组成也就各不相同。但总的来说，各种 印刷机基本由下列几大部分组成：传动系统、输纸系统、规矩系统、印刷系统、 输墨系统、浸墨系统、收纸系统、控制系统幢3 】。 本文研究的无轴传动技术主要针对印刷机的传动系统。印刷机的传动系统 通常由原动机、传动系统和执行机构三个部分组成，原动机一般指电动机，由它 把电能转变为机械能。传动系统则是把原动机产生的机械能传递到执行机构上去 的中间装置。由它实现变速( 减速或增速) 以及运动形式的转变，使各种执行机 构能实现预想的运动，同时把电动机的输出功率和扭矩传递到执行机构上，使他 们能克服各种阻力而做功，执行机构是利用机械能来实现印刷机对印品的印刷。 1 1 2e p 届l j 机的传动技术 1 1 2 1 印刷机的共轴传动技术 传统印刷机的传动系统采用的是共轴传动技术。所谓共轴传动是指印刷机 中部分或全部机组的动力来源于同一电动机驱动的机械长轴，通过齿轮等传动机 构把运动和功率传递到这些机组，除此以外这些机组之间并没有直接的传动关 系。因为这些机组的动力来源于同一机械长轴，共用同一根轴，所以称共轴传动。 北人富士公司b f 4 2 5 0 商用表格印刷机采用的就是共轴传动。如图1 1 所示， b f 系列商用表格印刷机为机组式，由给纸机组、胶印机组( 2 组) 、柔印机组( 5 组) 、张力机组、多功能加工部、裁单张机组、折页机组和复卷机组组成，适用 于各种表格纸、打印纸、票据、号码，条形码、不干胶商标和彩色商业广告的印 刷“。 北京工业大学工学硕士学位论文 夤- t 一鼻 丹竹t “量t ，i 曩t 一 图1 - 1b f 4 2 5 0 商用表格印刷机示意图 f i g 1 1b f 4 2 5 0c o m m e r c i a lf o r mp r i n t e rs k e t c hm a p 该印刷机的传动采用共轴传动方式，传动系统示意图如图1 2 所示。印刷 装置的印刷装置的传动是由电动机经皮带轮传动到一主传动轴。这个主传动轴根 据机组的个数又被分成几段，一段为一个机组，动力经过主传动轴被传到各个印 刷机组和加工折页等机组。主轴与机组之间采用锥齿轮箱连接，每个机组经一组 齿轮传动系统直接带动该机组下面的橡皮布滚筒。此主轴由异步交流电机拖动， 电机功率为3 0 k w ，最高转速为1 4 7 0 r m i n ，皮带轮减速比1 ：2 ，锥齿轮箱传动 比为l ：i ，通过变频调速改变印刷速度，当前印刷速度1 2 m m i n 一2 0 0 m m i n ，当不 更换电机，通过调整皮带减速比，印刷速度达3 0 0 m m i n 时，印刷效果不理想。 图l - 2b f 4 2 5 0 传动系统示意图 f i g 1 2b f 4 2 5 0d r i v es y s t e ms k e t c hm a p 这种传动方式减少了齿轮啮合点，保证了良好的传递扭力，同时保证了机 组与机组之间的高精度相位同步，也使机器噪音显著降低。 共轴传动的特点：机组的动力来源于同一电动机驱动的机械长轴，机组运 转的同步性好，机组得到的运动和功率也比较均衡，即使在高速运转的情况下， 也能保论证印刷质量。 随着技术的进步与发展，人们对印刷机的要求越来越高。传统印刷机采用 机械共轴传动同步法实现的同步装置中，由轴、传送带、键、齿轮等组成的传动 构件由于链接过多，含有多个误差点，会产生累积误差；同时，生产过程中经常 性的正、反点动冲击会引起相关机械的过度磨损。这些无法避免的问题既大大地 影响了机械的控制精度，进而影响产品的性能指标；又大大地增加了设备的维修 量，降低了生产效率，增加了生产成本。采用共轴传动的设备体积庞大、维护困 难、无法实现无级调速。而且如果被控制对象相互之问的距离较远则无法实现。 第1 章绪论 共轴传动存在的种种弊端，严重影响了印刷速度和印刷质量，远远不能满 足现代印刷机结构简单、高速多色、运转平稳、安全可靠、印刷质量高等的要求， 为此逐步被无轴传动方式所代替。 1 1 1 。2 印刷机的无轴传动技术 无轴传动是指印刷机中每个机组，甚至是每个滚筒或辊子的动力都是相互 独立的，分别采用单独的伺服电动机，按照运动控制器发出的程序指令进行驱动， 从而保证各机组间同步运转的传动方式。由于各机组间单独驱动，省去了传递动 力的机械长轴m 。 在整个印刷机的前面部分、后面部分、拉纸辊机构和折报系统等每一个机 构中，均设置了无轴驱动伺服电动机。前面部分可通过浮动辊控制位置。为了保 持后面部分的稳定，通过控制转矩使后面部分的转速与纸带的速度同步，以便获 得稳定的张力。通过以上措施控制整体纸带的牵拉。 无轴传动的特点：可以简化印刷机的传动装置，省去了皮带传动尤其是齿 轮传动机构，机器运转和操作、安装调试、维护保养等以每个色组为一个单位， 结构简单，运转平稳，即使在高速( 1 4 4 万张每小时) 的情况下也能保证印 刷质量。而且操作方便，节省时间。同时因为去掉了驱动组合装置( 驱动轴、离 合器轴等) ，从而大大降低了印刷机的制造成本。 采用无轴传动技术，可避免在传统的机械轴驱动过程中，由于一个印刷机 组的机械振动可能通过传动轴传送到下一个印刷机组，从而造成机械振动的累 积，影响印刷机的传动精度，印刷质量得不到很好的保证的缺点。同时独立的电 动机驱动非常灵活，增加或撤消一个印刷机组变得十分方便。整个系统的结构简 单。采用无轴传动技术的印刷机比传统印刷机相比能够节省3 一6 的能源。如 果煎端电动机为回收控制式的，那么可充分利用产生的电力；另外还能减少机械 噪音。但是无轴传动技术对电的品质要求很高，不仅与电压电流有关，还与电的 谐波等许多因素有关。 1 2 无轴传动简介 1 2 1 无轴传动 无轴传动是指在机器传动关系中，没有主电动机及传动主轴的构件。也就 是可以用多个电动机分别向各主要机组传递动力的传动方式。这是传动方式上的 一大革新。就印刷行业来说，引进及应用无轴传动技术，对印刷机结构，特别是 大型多色印刷机而言，无疑是一个技术性突破。众所周知，多少年来，在印刷机 设计、制造过程中，为了在结构上保证机器在运转中保持平稳及套印机构具有较 北京工业大学工学硕士学位论文 高的准确性，主电动机的主动力往往通过主轴传至滚筒部件，并由滚筒部件再向 其它构件逐级传递，以保持其应有的传动比。但无法避免的是这种由皮带、键、 轴、齿轮组成的传动构件由于链接过多，含有累加误差，而且由于使用过程中经 常性的正、反点动冲击引起的过度磨损，使机器容易过早地进入维修阶段，影响 机器的精度，同时也缩短了使用寿命。如果再加上制造材料方面技术限制这一客 观因素，则会直接降低机器的级别与档次。应运而生的无轴传动技术从结构上弥 补了上述的不足。无轴传动取消了主电动机及传动主轴的拖动，而由数个电动机 分别安装在机器墙板上、在最接近各机组的部位分别直接向各机组输出动力。 1 2 2 无轴传动的特点 无轴传动技术有以下优点： ( 1 ) 传动精确。伺服系统和矢量传动系统的编码器每转可以提供高达几 十万的脉冲，甚至更高。因此它们极其精确，能够对位景、速率、速度进行精确 控制。 ( 2 ) 结构简化，克服了齿轮传动存在的主要问题。无轴传动取消了机械 传动的大部分齿轮和传动轴，减化了结构。首先，从根本上解决了由于齿轮精度、 安装和齿轮侧隙等因素引起的累积误差以及由于使用磨损引起的传动不平稳等 问题。其次，由于取消了大部分齿轮和传动轴，减少了机械零部件，使机器重量 减小，能量消耗降低，整机的机械制造成本下降，机械维护费用降低。 ( 3 ) 各机组互不干扰。传统的机械传动，用传动轴把各机组联接起来，一 个机组有振动，会通过机械轴传递到其他机组，影响其他机组的正常工作。无轴 传动从根本上解决了这个问题。各机组都是独立传动，互不相连，互不干扰。 ( 4 ) 废品率降低。由于减少了大量的齿轮，机械惯量变小，所以无轴传动 系统可以更快地改变速率，更好地发挥无轴传动技术调整快速的优势，减少了调 机时间及机器升速和降速过程，从而大大减少了废品率，提高了效益。 ( 5 ) 减少机器调整时问，维修、操作方便。无轴传动系统可以为每个传动 部位提供精密分度，使传动部位预先达到确定的位置，减少机器调整时间。机器 齿轮、传动轴的取消，减化了机器结构，增加了操作空间。使机器的维修、操作 更方便。 ( 6 ) 为远程调整和控制软件升级创造条件。利用网络可以使远程调整成 为可能。可以进行远程诊断和调整。可以实现远程控制软件的升级。还可以收集、 分析生产、机器操作和调整的数据，优化生产管理、提高机器调整和操作水平。 任何事物都有其两面性，无轴传动技术也不例外。虽然有很多优点，但也 不是完美的技术，也存在一些缺点： 第1 章绪论 ( i ) 无轴传动要求控制元器件的质量高、运行稳定可靠、电网电压稳定。 在采用直流电动机进行驱动和调速时，要求机器外电源频率稳定，减少各种干扰， 需要配备专门的电源处理设备。否则难以达到理想的要求。 ( 2 ) 无轴传动机械成本降低，但电气控制成本增加，机器总价格提高。3 ) 要求有较高水平的电气调整和管理人员。 随着社会的发展和技术的进步，无轴传动技术将会得到不断的改善和提高， 以更好的满足人们的需求。 1 2 3 无轴传动的发展 近几年来，无轴传动技术( 无机械传动、独立驱动、电子轴、虚拟传动轴 等) 在许多传统印刷设备，如轮转印报机、凹印机和柔印机上的应用，引起了许 多业内人士的关注。有人说，这一技术是传统印刷机上近3 0 年来最伟大的技术 革新。所谓独立驱动是指印刷机上的各个机组都具有独立的驱动系统，无需通过 主转动轴或齿轮来带动，因而使得印刷以及与印刷直接连接的各类辅助机构或印 后加工机构的工作获得很大的自由度。 ”： 由于印刷产品的特殊要求，印刷机械对于可重复性的套印精度是至关重要 的。尤其对于多色印刷的设备更是如此。这一点决定了印刷设备的任何单一部件 的运行都必须保证完全一致的协调。多年前，有一位机床制造行业的专家在考察 了印刷机的结构后惊讶地说，印刷机如此复杂的结构居然只有一个动力，而其 他所有机构动作的协调一致都是通过传动轴、齿轮、连杆、凸轮等来实现的，为 保证所有动作的协调一致，不仅要求每个部件的加工必须十分精确，还必须增加 许多诸如变速、缓冲、补偿、调节、监控等附加装置，以弥补机械加工和实际操 作中必然存在的不足。尤其是多色印刷机，其结构更复杂，要求更高，必须使用 长长的传动轴或多组传动齿轮来实现各色组之间动作的协调一致。这种在印刷机 械上的特殊结构的合理性在以往的机械化时代似乎是无可挑剔的。 现代印刷机械经过一百多年的发展和变革，为保证整机动作的协调一致解决了许 多机械上的技术难题，又采用了大量的电子技术以弥补机械结构的不足，似乎已 经达到近于完美的地步。然而通过同一动力传统系统来带动整机运转的基本格局 依然没有发生根本改变。这并非是不想改变这种状况，而是由于当时的机械与电 子技术水平还不能满足这种要求。 自二战以后，人们就开始研究直流电动机的速度控制问题。直到五六十年代， 可控硅控制技术的成熟才使直流电动机的变速技术得到广泛应用。但是由于直流 电动机的控制反映慢、精度不高，仍然解决不了印刷机械上的独立驱动问题。从 这以后，电动机变速技术又经历了无刷直流电动机、交流电动机变频技术，以及 北京工业大学工学硕士学位论文 步进电动机的控制技术等演变过程。直到现在，三相矢量交流变频电动机以及数 字化驱动与控制技术的成熟才使得这一问题有了实现的可能。 早在1 9 7 4 年，a l b e r tf r a n k e n t h a la g 公司就同b u r d a 印刷公司合作，试 图用电动机实现独立驱动的梦想。尽管印刷质量和卷筒承印材料等的传输都表现 十分不错，但是由于当时的技术还不够先进，最终还是以失败而告终。 1 9 9 1 年中期，k b a 公司为印刷单元和折页装置都专门设计了独立的主驱动 电动机，采用的是带数字电流转换器和没有中间齿轮的同步线轴的d c 电动机( 直 流并激电动机) 。从1 9 9 2 年开始，这家公司的报纸印刷机的输纸单元和拉纸辊 装备的都是电子驱动电动机，不再需要跟主轴保持机械联接。后来k b a 公司又 采用了交流电动机驱动技术，独立驱动系统才开始得以快速发展。该公司在众即 a 9 5 上展示了第一台采用无轴传动技术的卷简新闻纸印刷机。德国公司迄今为止 仍是这项技术的市场领先者之一。 无轴传动技术无疑是未来发展的方向。目前全球印刷企业用户和生产商都 将目光聚集在无轴传动技术的发展上。因为这一技术与各类印刷方式的结合将带 来印刷业的巨大变革，也是对付目前日益增长的短版化市场的最佳解决方案。 1 2 4 无轴传动的应用 无轴传动是一门新兴的、跨学科的综合性技术，是电力电子技术、电气传 动技术、信息技术、控制技术和机械技术的有机结合，它的发展与其它相关技术 的发展是密切联系在一起的。电力电子技术、电气传动技术、控制理论和方法的 飞速发展促进了无轴传动技术的迅速发展，并在工程实际中得到了广泛的应用， 解决了许多工程中的实际问题，获得了巨大的经济效益和社会效益。无轴传动的 电气同步不仅已成为现实，而且可获得良好的控制效果，即能获得满意的控制精 度和工作稳定性。 无轴传动技术是印刷机上近3 0 年来最伟大的技术革新。然而，无轴传动虽 最早应用于此，但并不只是为印刷机服务的。近年来，无轴传动技术开始以其杰 出灵活的工作方式为世界范围内的工业生产所应用。 在机械加工中，由实际位置到期望轮廓的距离产生的轮廓误差直接关系到 产品的质量，减小同步误差是降低轮廓误差的关键。高速龙门移动式锉铣加工中 心是同步传动的典型应用。龙门柱沿导轨纵向进给，能获得很高的加速度特性。 但是由于横梁、刀架等大型移动部件的结构和受力并不是严格对称的，再加上存 在各种不确定性扰动，所以不能保证龙门框架移动的高度一致性，这种不一致性 产生的机械祸合将降低同步进给精度，影响加工质量，甚至可能使龙门框架或驱 动元件受到损坏。同步控制是这类机床降低轮廓误差、保证加工精度的关键。采 第1 章绪论 用无轴传动技术的数控机械用数字控制和伺服技术替代传统的机械传动机构，简 化了设备的机械结构，提高了设备的精度、灵活性、寿命和效率。因此，无轴传 动技术是当前机械设计和制造技术的一个重要发展方向。研究各种数控机械的基 本控制规律和控制要求，以开放式数控系统作为数控机械的通用控制平台，将会 进一步促进该技术的成熟发展和广泛应用。 另外，工程中的许多机械设备或系统，例如，大型同步轧机、三峡工程中 使用的升船机、辊式破碎机、煤球机、大型闸门、纺织工厂中的纱绽、冶金工厂 中的多轴辊道、拉伸式矫直机、双滚筒或多滚筒驱动的带式输送机、造纸机、桥 式或龙门起重机、飞剪等机械设备，都要求它们的回转轴有接近相同的速度或有 相同的相位，即所谓的“同步”，这就需要采用适当的方法来满足它们的工作要 求。这类问题一般统称为多轴传动系统同步问题，是无轴传动技术在具体行业的 不同应用。 无轴传动应用的广泛性决定了无轴系统本身的多元性、应用的灵活性和结 构的相对开放性。另外无轴传动技术己相对成熟和开放，2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代变频调速技术的发展促进了交流伺服技术的发展。随着交流电动机材料与结 构、控制理论与控制方法以及电子技术等的发展，交流调速系统的性能得到大大 的提高，并有逐渐取代直流伺服系统的趋势，至今已广泛地应用于生产实际中。 因此，利用伺服技术或变频调速技术实现无轴传动的多轴电气同步已成为目前公 认的主要控制方法嘛“。 1 3 课题背景及主要工作 1 3 1 本课题的国内外研究与应用现状 无轴传动在国外已经得到广泛的应用，其中以力士乐为代表的s y n a x 2 0 0 已 经应用l o 余年。我国无轴传动属于研究和起步阶段。 虚拟仪器是一项新的基于计算机的测试技术，以美国国家仪器公司为代表 的一批厂商已经推出了虚拟仪器产品，而我国属于传统仪器与计算机仪器相分离 的状态，属于起步阶段。 本课题是无轴传动课题项目的子课题，用以验证无轴传动系统同步精度和 性能，在国内尚属首例。 1 3 2 课题来源 本课题是北京市2 0 0 5 年北京市科学技术委员会重点项目( d 0 3 0 5 0 0 1 0 4 0 6 2 1 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 “印刷设备的无轴传动系统研究”的研究内容之一，针对由国产伺服电机、伺服 驱动器和运动与逻辑控制器( 含硬件与软件) 集成的整套无轴传动控制系统而开 发的测试系统。 通过比较同一台印刷机采用无轴传动技术前后技术指标的变化情况，以及 同一台印机采用国外无轴传动系统和采用自行开发无轴传动系统各项技术指标 的变化情况，验证无轴传动系统的可行性和先进性。 该项目旨在为无轴传动系统提供测试，用以验证无轴传动系统同步精度和 性能，促进印刷机的数字化化进程0 1 。 1 3 3 课题的目的和要求 从测试系统的功能可以看出，研究无轴传动同步测试系统的目的是要满足 对无轴传动系统进行系统的测试和评价，验证无轴传动系统同步精度和性能。 本课题要求实现的功能如下： 根据不同印刷机机组的惯量负载情况，在实验台上可以施加可调对应惯 量负载，并测得系统动静态性能，从而对系统作出评价； 根据不同印刷机机组的摩擦力矩负载情况，在实验台上可以施加可调对 应摩擦力矩负载，并测得系统动静态性能，从而对系统作出评价； 有效地采集典系统的运行状态信号，包括位置、速度、转矩，并保证数 据的可靠性； 对采集到的信号进行处理，提取有用信号特征量； 将处理后的数据或原始数据作为数据记录文件保存； 具备显示功能，用于显示系统的运行状态和辅助报警的功能； 具备报警功能，当系统出现故障或接收到传感器发来的报警后能根据指 令报警并中止程序运行； 支持数据回放； 另外，无轴同步测试系统需工作稳定、结构紧凑、便于操作和安装，便于 维护和扩展。 1 3 4 论文主要完成的工作 本论文主要完成系统的信号采集、网络传输、液晶显示和报警功能，主要 工作如下： 完成系统设计，确定系统的总体方案； 确定了系统开发工具； 8 第l 章绪论 i i 完成机械台架的搭建： 硬件组成部分，完成对数据采集卡、传感器和磁粉制动器的选型和研究； 分析无轴传动同步测试系统的软件系统结构，并做出功能模块划分和构 建软件程序流程； 软件编程，分别完成数据的采集、存储和实时显示模块，以及测试数据 模块； 完成程序调试； 1 4 论文结构 本文共分为五章，论文整体结构和各章节具体内容如下： 第一章是绪论。首先简单介绍印刷机，介绍了印刷机的传动技术，引出无 轴传动技术，分析了有轴和无轴传动存在的特点。接着具体介绍了无轴传动技术， 包括无轴传动的概念、特点、发展以及应用等。最后概述了论文的整体结构和主 要内容。 第二章介绍了测试系统方案的设计。首先分析了测试系统的功能要求j 在 此基础上提出了总体方案，并确定了模拟加载方案。在确定方案之后完成了实验 台的整体结构设计，并确定了系统开发工具。 第三章介绍了虚拟仪器和l a b v i e w ，分别对虚拟仪器和l a b v i e w 做了简单的 概括。对虚拟仪器的概念、产生和特点做了介绍。阐述了虚拟仪器系统的构成和 软件开发工具，继两引入了虚拟仪器开发工具l a b v i e w ，并对l a b v i e w 的简单操 作做了介绍。 第四章介绍了无轴传动同步测试系统的硬件组成。分别就数据采集卡、光 电编码器、转矩传感器和磁粉制定器做了理论分析和研究，并完成系统选型。 第五章完成了系统软件设计。针对无轴同步测试系统，提出了软件系统结 构，并做出功能模块划分和构建软件程序流程；在此基础上，完成动态链接库的 调用，之后进行系统软件编程，分别完成数据的采集、存储和实时显示模块，以 及测试数据模块。最后做了系统调试，并完成了部分实验测试。 第六章是总结与展望。概括了全文内容，指出论文的主要工作。 1 5 本章小结 在这一章里，首先说明了介绍了本课题的研究背景，分别简单介绍了印刷 机和印刷机的有轴和无轴传动，然后介绍了国内外无轴传动的发展情况，进而介 绍了无轴传动测试系统的课题来源、目的要求和本论文主要完成的工作。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章测试系统方案设计 无轴传动同步测试系统以虚拟仪器技术为核心的同步测试系统实验台，同 时也能完成单套伺服系统的测试，通过模拟实际工作中的负载情况，来实现不同 加载方案，达到测试目的。 2 1 功能要求 本系统旨在测试两个伺服系统的同步性能，同时也可以测试单个力士乐伺 服与c a t c h 伺服系统性能，主要完成以下功能： 根据不同印刷机机组的惯量负载情况，在实验台上可以施加可调对应惯 量负载，并测得系统动静态性能，从而对系统作出评价： 根据不同印刷机机组的摩擦力矩负载情况，在实验台上可以旌加可调对 应摩擦力矩负载，并测得系统动静态性能，从而对系统作出评价； 有效地采集典系统的运行状态信号，包括位置、速度、转矩，并保证数 据的可靠性； 对采集到的信号进行处理，提取有用信号特征量； 将处理后的数据或原始数据作为数据记录文件保存； 具备显示功能，用于显示系统的运行状态和辅助报警的功能； 具备报警功能，当系统出现故障或接收到传感器发来的报警后能根据指 令报警并中止程序运行； 支持数据回放； 2 2 总体方案 通过在实验台施加可调转动惯量负载和摩擦力矩来模拟伺服载荷( 惯性负 载和摩擦负载) ，分别测得力士乐和凯奇伺服产品在不同载荷条件下伺服系统的 动静态性能、同步性能，并做出评价，为伺服系统的选择配置提供依据。 系统框图如下： 第2 章测试系统方案设计 s e r c o s i n t e r f a c e 图2 - 1 测试系统框图 f i g 2 1t e s ts y s t e m 系统主要设备有： 被测伺服电机及其配套伺服驱动器 可调负载惯量盘( 最大模拟负载为0 6 4 4 k g m 2 ) 磁粉制动器( 最大模拟摩擦力矩负载为1 2 5 n m ) 制动器控制器l d 一4 0 p s u 转矩测量传感器( 最大范围1 0 0n m ) 接口卡n ip c i 一6 2 2 1 ( 1 6 个模拟量输入，2 4 个数字i o ，2 个模拟量输出) 编码器e r n 4 8 0 ( 每转2 0 4 8 线) 脉冲计数卡i k 2 2 0 ( 4 0 9 6 倍频) 软件程序使用l a b v i e w 开发，在l a b v i e w 中采用图形化编程搭建系统模型， 根据系统负载情况确定负载惯量盘加载，位置信号通过s e r c o s 总线传输到数字 伺服，通过转矩传感器测量轴上产生的转矩，脉冲计数卡采集电机轴位置信号， 经脉冲计数卡i k 2 2 0 倍频后，输入到数据采集卡p c i - - 6 2 2 1 ，采集到的数据可以 通过l a b v i e w 处理得出测试结果。 通过采集卡p c i - - 6 2 2 1 输出模拟电压到转矩控制器l d - 4 0 p s u 经放大后，通 过磁粉制动器产生模拟摩擦转矩。 2 3 模拟加载方案 动态转矩加载，通过改变负载盘转动惯量实现。在负载基轴( 惯量为0 0 6 1 k g 秆) 上加装卡盘，其中基轴直径d = 6 0 ，宽度b = 6 5 0 ，转动惯量j = o 0 0 6 4k g 菥， 质量m = 1 4 3 2 8 k g 北京工业大学工学硕士学位论文 卡盘尺寸及转动惯量如下表： 表2 - i 卡盘尺寸与转动惯量 t a b l e2 一ls i z ea n di n e r t i ao fc h u n k 卡盘编号 基本尺寸 转动惯量 外径内径厚度 ( k g m 2 ) a 12 3 0 6 05 00 1 0 7 各个印刷机组模拟惯性负载对应卡盘表如下表： 表2 - 2 各印刷机组模拟惯性负载对应卡盘表 t a b l e2 - 2c o r r e s p o n d i n gc h u n ka b o u tp r i n t i n gu n i t 印刷机单元胶印机组垄线部折页部给纸部柔印机组打孔部复卷部切割 转动惯量( k m 2 ) 0 3 5 5o 4 1 70 3 5 5o 1 9 70 1 9 7o 1 9 71 3 5 10 5 8 2 卡盘个数 3432225 2 4 实验台设计 为了使无轴传动同步测试系统实验台架工作稳定、结构紧凑、便于操作、 兼顾安装的简便性以及可维护性和可扩展性，且美观实用、占用面积小，把两组 负载平行对称布置，实验台架结构示意图和结构图如下： 图2 2 实验台机械结构示意图 f i g 2 - 2t h es k e t c hm a po ft e s tp l a t f o r m 第2 章铡试系统方案设计 图2 - 3 实验台圈 f i g 2 - 3t h em a po ft e s tp l a t f o l j 2 5 系统开发工具的选择 2 5 1 测试软件的选择 经过分析比较，在本课题研究中选择的应用软件是n i 公司提供l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 作为虚拟仪器的 开发平台。l a b v i e w 是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，把复杂、繁琐、 费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能( 图形) ，并用线条把 各种功能( 图形) 连接起来的一种简单图形编程方式。l a b v i e w 中编写的程序， 很接近程序流程图。所以，只要把程序流程框图画好了，程序也就差不多编好了。 l a b v i e w 中的程序查错不需要先编译，若存在语法错误，l a b v i e w 会马上告诉编 程人员。只要用鼠标轻轻点两三下，就可以快速地查出错误的类型、原因以及错 误的准确位置这个特性在程序较大的情况下尤其让人感到方便。l a b v i e w 中的 程序调试方法同样令人称道。程序测试的数据探针工具最具典型性，在程序调试 运行的时候，可以在程序的任意位置插入任意多的数据探针，检查任意一个中间 结果。增加或取消1 个数据探针，只需要轻轻点两下鼠标就行了“”。 同传统的编程语言相比，采用l a b v i e w 图形编程方式可以节省程序开发时 闾，但其运行速度却几乎不受影响。除了具备其它语言所提供的常规函数功能外， l a b v i e w 中还集成了大量的生成图形界面的模板，丰富实用的数值分析、数字信 号处理功能，以及多种硬件设备驱动功能( 包括r s 2 3 2 、g p i b 、v x i 、数据采集 板卡、网络等) 。另外，免费提供的几十家仪器厂商的数百种源码级仪器驱动程 序，可为用户开发仪器控制系统时节省大量的编程时间和开销。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 5 2 总线的选择- p c i 总线 p c i 总线从其诞生开始，在近l o 年的生命历程中，已发展成为局部总线的 新标准。在p c 机及工控领域，p c i 总线逐渐代替i s a e i s a 等总线。它之所以 成为局部总线的主流，是由其所具有的一些显著的特点决定的“”。具体如下： ( 1 ) 运行速度快，可扩展性好。p c i 总线典型的工作频率为3 3 m h z ，支持 6 6 m h z 扩展。它的总线宽度为3 2 位，并可以扩展到6 4 位。当较多外设接到c p u 总线上而使总线驱动能力不足时，可采用多条p c i 总线，这些总线可以并发工作， 每条总线上最大可以接4 个p c i 设备。 ( 2 ) 兼容性好，稳定可靠p c i 总线可与i s a 、e i s a 、v e s a 等总线兼容， 由于p c i 规范与c p u 及时钟无关，也就是说，p c i 的插卡是通用的，可插到任 何一个有p c i 总线的系统上去( 一般对同一类型c p u 的系统而言) 。p c i 卡通 用于所有的x 8 6 体系结构的微机，不论是4 8 6 还是奔腾c p u ，也不管主频是多 少赫兹，都大大简化了系统设计，同时保证了p c i 设备的工作状态的稳定。 ( 3 ) 从硬件上保证“即插即用”功能的实现所谓“即插即用”，就是要求 各种插卡插入系统就能工作，而不必手动设置开关或跳线，即有自动配置功能。 p c i 总线为每个p c i 插槽定义了相应的配置空间，一旦p c i 卡插入系统，系统 b i o s 能根据从配置空间读到的关于该扩展卡的信息，结合系统实际情况为插卡 分配内存或i 0 地址、中断和某些定时信息，实现自动配置功能，从根本上免 除了人工配置。 ( 4 ) 规范标准严格p c i 总线对协议、时序、负载、电气性能和机械性能等 指标都有严格的规定，这正是i s a 、v e s a 这类总线所不及的地方，从而保证了 它的可靠性和兼容性。 ( 5 ) p c i 总线应用p c i 总线的应用十分广泛。1 几乎每台p c 及工控机均有 p c i 总线，且均以p c i 总线为主，其他总线为辅；2 各种档次的服务器及相关设 备；3 为其他p c i 系列总线定义了基本的功能和电气特征，成为它们的基础； p c i 工控机是p c i 高速计算机总线经过加固技术所形成的p c i 无源背板版 本。无源背板使得测控计算机结构坚固，板卡运行稳定；同时为系统提供1 4 个 p c i 插槽，使得系统扩展方便灵活。p c i 工控机使用p c 标准，使得资源板卡的 选型范围更加广大：由于众多采集板卡厂家和专业航空接口板厂家提供p c 形式 的板卡，所以系统配置灵活、选择余地大 2 6 本章小结 本章详细讨论了无轴传动同步测试系统应满足的功能要求，然后根据这些 第2 章测试系统方案设计 功能要求，在大量调查和反复论证的基础上，确定了系统的总体方案，通过在实 验台施加可调转动惯量负载和摩擦力矩来模拟伺服载荷，系统的主要设备有伺服 电机及其配套伺服驱动器、可调负载惯量盘、磁粉制动器、转矩测量传感器、接 口卡n ip c i 一6 2 2 1 、编码器e p , n 4 8 0 、脉冲计数卡i k 2 2 0 。并且确定了系统开发工 具，利用测试软件l a b v i e w 来完成上位机测试软件的开发。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章虚拟仪器与l a b v i e w 及其应用 3 1 虚拟仪器概述 3 1 1 虚拟仪器概念 众所周知，测量是人类认识自然、改造自然的一种手段，通过测量人们可 以对客观世界取得定量的信息，仪器是测量中必不可少的工具。测试技术包括测 量和试验两个方面的内容，电子测量是利用电子学的理论和技术对电量和非电量 进行观察和测量的装置和系统。随着电子技术的发展及其在各方面的广泛应用， 对于测量和仪器提出了更高的要求，测试项目和范围与日俱增，测试精度和测试 速度要求急剧提高。一般来说，一个完整的测试系统包含对被测对象的特征量进 行检出、变换、传输、分析、处理、判断和显示等不同功能环节构成。下图是一 个典型测试系统的示意。 1 信号调理及变换h 结果显示输出 l 7 信号分析及处理h 数据存储 图3 - 1 测试系统功能模块图 f i g 3 - it e s ts y s t e mf u n c t i o nm o d u l e 七十年代以来，是电子测量和仪器领域发生飞跃变化的年代，微计算机的 问世和大规模集成电路的发展对这一领域产生了革命性的影响。在测试系统中， 对仪器的“智能”要求越来越高，仪器中微机的任务不断加重，仪器在很多方面 逐渐向微计算机靠拢。此外，随着微计算机和智能仪器的普及，测试系统中包含 的重复部件越来越多，而冗余的部件往往不能容错。因此，需要统筹地考虑仪器 与计算机之间的系统结构。在这种背景下，1 9 8 2 年出现了一种与p c 机配合使 用的模块式仪器，自动测试系统结构也从传统的机架层迭式结构发展成为模块式 结构。与传统仪器不同的是，模块式仪器本身不带仪器面板，因此必须借助于 p c 机强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的“虚拟的”仪器面板，完 成对仪器的控制、数据分析与显示。这种与p c 机结合