（机械电子工程专业论文）新型路面材料直剪仪的基本研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近年来出现了一种新型的复合型材料路面，具有良好的使用性能，但是如何测定上 下层之间的粘结强度就成了一个问题。新型路面直剪仪正是为解决这一问题而设计开发 的一种基础试验仪器。在对国内外产品进行调查研究的基础上结合本课题实际情况，本 文设计了基于上下位机结构体系的测控系统解决方案，以此为基础，论文傲了以下几个 主要方面的工作。 在加载系统的研究中。论文介绍了国内外直剪仪的两种主要水平加载方案。通过分 析对比其优缺点并结合本课题实际需求，确定了适合路面材料的加载、拉剪方案，为后 续的控制系统研究开发奠定了基础。 在下位机测控系统的研究中，论文引入了先进的1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 控制器， 并针对其存储器扩展与配置、基础时钟建立以及电源管理、人机接口等几个关键模块进 行了详尽的技术分析和讨论。 随后，论文建立了多通道分时采集系统，根据直剪仪的设计要求，对传感器、变送 器、取样电路、数据转换电路进行了详细的技术分析，最后讨论了数据采集系统的硬件 实现，并进行了系统误差分析。 最后论文详细介绍了数据采集系统各模块的软件设计，分析了a d 部分的逻辑时序 并给出了其程序流程图，编写了水平加载控制系统及液晶显示的部分软件。 论文的全部研究工作表明，以p c 机和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 微控制器构成的直剪仪测 控系统，加上水平拉剪及加载装置，可以满足新型直剪仪系统的技术性能要求，具有良 好的应用前景。 关键词：直剪仪；数宇信号处理器l 数据采集 新型路面材料直剪仪的基本研究 b a s i cs t u d yo fd i r e c ts h e a ra p p a r a t u sf o rn e wt y p er o a d a b s t r a o t i nr e c e n ty e a r s , an e wt y p ec o m p o u n dm a t e r i a lo fr o a ds u r f a c ea p p e a r e d ，i th a se x c e l l e n t p e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t ho t h e rm a t e r i a l a tt h es a m et i m e ，an e wp r o b l e mw a sp u tf o r w a r d ， h o wt om e a 跳t h ec a k i n gp r o p e r t yb e t w e e nt w om a t e r i a l s an e w t y p ed i r e c ts h e a ra p p a r a t u s w a sd e s i g n e da sab a s i cl a b o r a t o r yi n s t m m e mt os o l v et h i sp r o b l e m a f t e ri n v e s t i g a t et h e p r o d u c t sh o m ea n da b r o a d , t h ep a p e rd e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ef r o n tb a c k c o n t r o lp a n e ls t r u c t u r e t h e nt h ep a p e rb e g i mt os t u d ya n dd i s c u s ss o m ek e yt e c h n o l o g i e si n t h i ss y s t e m i nt h er e s e a r c ho fl o a d i n ga n ds h e a rs y s t e m , t h ep a p e rf i r s td e s c r i b e st w om a i nl o a d i n g s o l u t i o n sa p p l i e do nm o s to ft h ei n s t r u m e n t s a f t e re v a l u a t i n gt h e i rm e r i t sa n dd e m e r i t s c a r e 如l l y ，t h ep a p e rg i v et h el o a d i n gs o l u t i o nf i tf o r t h es h e a ra p p a r a t u s t h i se s t a b l i s h e st h e f o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo f c o n t r o ls y s t e m i nt h er e s e a r c ho fb a c kc o n t r o l s u b s y s t e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ea d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l a rn s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h e ns p e n d sal o to fp a g e ss t u d y i n ga n da n a l y z i n gs o m e a p p l i e dt e c h n o l o g i e s ，m e m o r ye x t e n s i o na n dc o n f i g u r i n g , b a s i ct i m i n gs y s t e ms e t t i n ga n d p o w e rs u p p l yd e s i g n i n g t h i sp a p e rs e tu pas e to fm u l t i c h a n n e lt i m e s h a r e dd a t aa c q u i r i n gs y s t e m a c c o r d i n gt o t h ep r a c t i c a ln e e df o rd i r e c ts h e a ra p p a r a m s ，t h i sp a p e ra l s om a k e sad e t a i l e dd i s c u s s i o na b o u t t h es e n s o r , t r a n s d u c e rs a m p l i n gc i r c u i ta n dd a t ac o n v e r t e r f i n a l l y , t h ed a si sr e a l i z e do nt h e c o n t r o ls y s t e ma n di t ss y s t e me r r o ri sc a l c u l a t e d i nt h ee n d ，t h ep a p e rd e s i g nt h es o f t w a r ef o re a c hm o d u l eo fd a t aa c q u i r i n gs y s t e ma n d a n a l y z et h el o g i ct i m i n go f a d ，t h es o f t w a r ep r o g r a mf l o w c h a r t sa r ea l s o 昏v e n , t h e nc o m p i l e m o s to f t h eh o r i z o n t a ll o a d i n gc o n t r o ls y s t e ma n dl e dd i s p l a ys o ： 3 t - w a r e a st h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t ss h o w e da b o v e ，t h ed i r e c ts h e a ra p p a r a m ss y s t e m , b a s e do n t h ep ca n d 霸s 3 2 0 l f 2 4 0 7 am i c r o c o n t r o l l e r , w i t hl o a d i n ga n ds h e a re q u i p m e n t h a sab r i g h t a p p l i c a t i o nf u t u r ea n d c a ns a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n t so f n e wt y p er o a dm a t e r i a l k e yw o r d s ：d i r e c ts h e a ra p p a r a t u s ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；d a t aa c q u i r i n gs y s t e m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名。：墨查堡日期。竺之二型：! ! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：之堡盘登 导师签名：堡! 至 塑年月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 近年来出现了一种新型路面，就是在碾压混凝土( r o l l e rc o m p a c tc o n c r e t e ) 铺筑而 成的结构层上加铺一层沥青混凝土( a s p h a l tc o n c r e t e ) ，构造出的复合式路面，称为碾压 混凝土与沥青混凝土复合式路面【1 1 。r c c - - a c 复合式路面是一种集剐性路面与柔性路 面的优点为一身的新型路面结构。因此具有强度高，耐久性好，施工进度快，行车舒适 平稳，维修简便，从而具有很大发展潜力。路面结构中的r c c 为路面提供了坚实的承 重结构，而上面层a c 层为路面提供诸如平整、抗滑、耐磨等优良的使用性能，同时也 为目前由于平整度原因仅用于般低等级公路路面和停车场的r c c 在中国高速发展的 高等级公路建设中提供用武之地。 r c c a c 复合式路面结构的a c 层作为表面功能改善层，有效解决了平整、抗滑、 耐磨三大难题，使得r c c 能够成功地应用于高等级公路路面工程。但是a c 层作为路 面表层直接承受着汽车荷载地反复挤压、剪切作用，是否发生推挤、痈包等病害，a c 层能否牢固附着r c c 表层，会不会产生二者相互剥离的“两层皮”现象成为团扰人们 的问题【2 1 。a c 层的稳定性问题直接影响和决定着表面功能层的服务寿命，引起了工程 界的高度重视。 由于新型路面优良的使用性能，非常有必要对它们的层间结合状态进行室内试验研 究，即就粘层油种类、粘层油用量、垂直压力，剪切速率等因素对于层问结合强度的影 响规律进行探讨，这在理论上对于分析各因素相互关系是有价值的，同时也给施工单位 提出的问题作了答复什么样的粘层油好? 存在不存在一个最佳粘层油用量? 若粘 层油种类已经确定，如何提供要求的稳定性? 简言之，此问题也是施工单位最关心的利 料比选，保证a c 层稳定性的合理措施选择的问题。 因此，极需要开发种先进的测试系统，可以测出新型路面材料之间的粘结力，能 为这种复合式路面层间结合状态的规律研究提供科学完备的硬件基础。 直剪仪作为种常见的土工测试仪器，是最早且最直接用于测试试样抗剪强度的一 种仪器。 本文正是对现有直剪仪进行调查分析，借鉴它们的优缺点，对新型路面直剪仪进行 了基本的研究，从而为实际路面施工提供有力的帮助。 新型路面材料直剪仪的基本研究 1 2 直剪仪的简介 1 。2 1 直剪试验的原理 直接剪切试验的原理是根据库伦定律，试样的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正 比，将同一种试样制备成几个试样，分别在不同的法向压力下，沿固定的剪切面直接施 加水平剪力，使得试样破坏，得其剪坏时剪应力，即为抗剪强度矗，然后根据剪切定律 确定试样的抗剪强度指标伊和c p 】。 试验开始前将金属上盒和下盒的内圆腔对正，把试样置于上下盒之间。通过传压板 和滚珠对试样先施加垂直法向应力o = p f 试样的截面积) ，然后再施加水平剪力t ， 使试样沿上下盒水平接触面发生剪切位移直至破坏。在剪切过程中，隔固定时间间隔， 测读相应的剪变形，求出施加于试样截面的剪应力值。于是即可绘制在一定正应力条件 下，试样剪变形 与剪应力f 的对应关系。通常采用多个试样，在不同的垂直压力下施 加水平剪切力进行剪切，求得试样破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定试样的抗剪 强度系数，内摩擦角和凝聚力。 垂直力n j 图i i 直剪仪工作原理图 f i g ，l ，iw o r k i n g p r i n c i p l e i l l u s t r a t i o n o f d i r e c t s h e a r a p p a r a t a s 1 2 2 直剪仪的分类 直剪仪主要是根据库仑定律为理论基础发展而来的、是最早且最直接测定试样抗剪 强度的试验方法。 直剪仪可以分为应变控制式和应力控制式两种。应变控制是控制试样产生一定位 移，以等速推动剪切盒使试样受剪测定其相应的水平剪应力；应力控制是对试样施加一 定的水平剪切力，则是分级施加水平剪力于剪力盒使试样受剪，测定其相应位移【4 l 。由 大连理工大学硕士学位论文 于应力控制式施加水平剪切力较为麻烦，不易准确测得应力和剪切位移曲线上的峰值以 及稳定值；而应变控制式则能较准确方便地测得剪应力和剪切位移曲线上的峰值和最后 值，因此，国内外均很少采用应力控制式。应变式直剪仪能够较准确地测定剪切变形曲 线的峰值和最后值，室内较多采用应变式。试验时用环刀切出厚为2 0 m m 的圆形试样饼 将试样饼推入剪切盒内，分别在不同的垂直压力p 下，施加水平剪切力进行剪切，使试样在 上下盒之间的水平面上发生剪切至破坏。求得破坏值的剪切应力t 然后根据库伦定律确 定试样的抗剪强度参数；内摩擦角和凝聚力。图1 2 即是应变控制式直剪仪的示意图。 其主要部件剪切容器是由固定的上盒和活动的下盒( 应变式) 等部件组成。 图1 2 应变控制式直剪仪示意图 f i g 。1 2i l l u s t r a t i o no fs t r a i n - c o n t r o l l e dd i r e c ts h e a ra p p a r a t u s 1 ) 轮轴；2 ) 底座；3 ) 透水石；4 ) 垂直变形量表；5 ) 活塞； 6 ) 上盒：7 ) 试样；8 ) 水平位移量表；9 ) 量力环；1 0 ) t 盒 本课题研究的属于应变控制式直剪仪。在不同垂直荷载作用的基础上，水平方向上 对剪盒施加推拉力直至试样破坏，通过多次实验得出材料的抗剪切性能。 1 3 国内外直剪仪研究概况 1 3 1 国外直剪仪的研究动态 高端直剪仪产品几乎为英美厂商所垄断，这些直剪仪均配备了先进的数字式伺服控 制器，具备相当高的自动化水平，试验员只需通过试验管理软件编辑好试验流程，设定 好试验参数，直剪仪系统就能以无人干预的方式高精度地自动完成直剪试验，并自动填 制试验报表，绘制试验图线，形成规范的试验报告。 在高端直剪仪中，英国的g d s 公司和e l e 公司的产品最具代表性。g d s 公司结合 目前世界上最先进的自动化技术，推出了一系列经济、实用的全自动化土工试验设备来 新型路面材料直剪仪的基本研究 满足国际试样木工程界土工测试的需求，得以广泛使用处理、试验报告为一体的试验设 备，是各国试样木工程界用户的最佳选择。该公司研制开发的直剪仪均位于世界前列。 图1 3 就是英国g d s 公司的产品示意图p 】。该产品采用了基于上，下位机的体系结构， 下位机负责数据采集、控制剪切等任务，上位机负责数据处理，上下位机之阅通过串口 进行数据传输。英国e l e 公司直剪仪是用来测量土壤或岩石在压力下荷载下的剪切失 效性。它的特点是采用微处理器控制，可以无级调速、大型l c d 显示，触摸式键盘直 接输入，可迅速进给和返回初始状态。 r s ；2 3 2t , , 皓d a r e 图1 3g d s 公司直剪仪示意图 f i g 1 3s k e t c ho f g d s d i r e c ts h e a ra p p a r a t u s 综上所述，国外的直剪仪自动化程度以及精度高，然而，这些大多是土工相关的直 剪仪，加载力有限，不能用于路面材料剪切试验，目前尚没有出现适用于路面结构层的 剪切试验机。 1 3 2 国内直剪仪的研究动态 国内企业及研究所的代表产品为长安大学开发的l l m 测试系统和重庆交通学院研 制开发的大型土试样与结构接触面剪切仪等。 长安大学公路学院根据交通部立项的碾压水泥混凝试样与沥青混凝试样复合式路 面修筑技术研究课题，结合国外参考资料与课题研究的具体需求，与西安交通机械厂 联合研究开发研制了l l m 测试系统，为r c c - - a c 复合式路面r c c 与a c 层间结合状 态的规律研究提供了更为科学更完备的硬件基础。该系统具有体积小、重量轻、组装简 单、自动化程度高、可操作性强，根据不同研究需要稍加改进即可大大拓宽其使用范围， 该系统已经在新型加筋试样挡试样墙研究，土工布加筋沥青混凝试样研究，桥面铺装沥 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 青层与水泥混凝试样层间结合研究得到成功应用。目前该设备已经完成了国家自然科学 基金课题研究，在其指导下的各试验路或实体工程使用状态良好。 重庆交通学院将大型试样石混和料多功能试验机进行改进，开发的土石混填路基大 型直剪试验机，如图1 4 所示采用垂直和水平千斤顶进行加载和拉剪，具有了垂直荷载 不偏心、正应力保持恒定、操作简便以及试验项目完善等众多优点，在直剪仪方面属于 较先进产品【6 l 。 长安大学与西安亚星试样木仪器公司合作，研制成功了d l g - - a 型路面材料剪切试 验仪。该仪器由剪切试验模具、试件成型模具、压力传感器、位移传感器和单片微处理 控制器组成。仪器可以自动加压、自动采集力值和位移值的信号并自动计算、显示力和 位移的瞬时值，打印报表和曲线等功能。该试验仪具有自动化程度高、操作简便灵活， 可以有效的模拟路面的实际工作状态，可以在较大范围内调节剪切速率等特点。可以用 于对路面结构层、桥面铺装层的层问抗剪切的试验，也可以用于对路面材料的剪切试验 等，为有效地解决及防治沥青路面的层间推移破坏提供了室内试验检测手段门。 图1 4 大型土石混合料多功能试验机 f i g 1 4m u l t i f u n c l i o n a la p p a r a t u sf o rs o u - r o c ka g g r e g a t e 综上所述，与课题要求相比较，众多的产品还存在很多的不足，还不能满足直剪试 验要求，例如采用杠杆加载方式虽然结构简单，但加载力有限，采用液压加载方式加载 力可以达到目的，精度不够，同时自动化程度不高。国内岩土工程界已经注意到了国产 直剪仪与国外先进的直剪仪之间存在的巨大技术差距，随着微机技术与信息技术的普及 和进步，国内的部分研究机构开始应用这些新技术致力于旧式直剪仪的改进和新型全自 动化直剪仪的研制。 1 ，4 课题的背景和意义 目前，国内在直剪仪技术上所取得的成果可归结为三类： 新型路面材料直剪仪的基本研究 l 、在旧式的设备上利用p c 技术添加上数据采集和处理系统，这项改进使得旧式的 直剪仪系统具有了初步的自动化处理能力，但是，由于改进工作并未涉及控制系统，因 此，试验机的技术水平并未得到本质的提高； 2 、利用微机技术尤其是p c 机的技术来构建直剪仪的测控系统。这类技术的特点在 于：测控系统硬件以控制卡和数据采集卡的形式内置于p c 机的扩展槽中，监控软件基 于w i n d o w s 环境下进行开发。这种技术充分利用了p c 的软硬件资源，但是先进的运动 控制卡与数据采集卡价格较贵，而控制卡和数据采集卡的驱动软件对做二次开发的用户 来说是个“黑匣子”，不便于作适用于专业领域的改进； 3 、开发新型的直剪仪。如：长安大学则把目光转移到了先进测量系统、先进加载 技术的研究上，开发出了先进的l l m 路面结构层材料剪切试验机。 通过对先进的直剪仪系统的研究，掌握直剪仪的核心技术，分析其技术特点，设计 出相对独立的功能模块，既可将研究成果快速地应用到正在使用的旧式直剪仪系统中， 提高它们的自动化水平，同时，也能为新型直剪仪的研制打下坚实的技术基础，缩短开 发周期。 1 5 论文的主要工作 研究新型直剪仪的水平加载及垂直加载系统方案，使之具备较高的加载、拉剪控制 能力，为后续控制部分的工作搭建平台。 在下位机测控系统的研究中，对存储器扩展、基础时钟建立以及电源管理，串行通 信、人机接口等几个关键模块进行了详尽的技术分析和讨论。 在数据采集系统的研究中，论文分析了数据采集系统的结构，建立起了多通道分时 采集系统，对模拟信号处理电路、数据采集系统器件、液晶模块、s p i 通信等主要模块 进行了详细的技术讨论，并对系统误差来源做了简单的分析。 最后，在软件方面详细介绍了数据采集系统各模块的软件设计，分析了a d 部分的 逻辑时序并给出了程序流程图，通信模块以及人机接1 3 模块，电机加载控制程序、并给 出了液晶读写程序。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 直剪仪结构的基本研究 2 1 直剪仪垂直加载方式的研究 通过对市场上流行的国内外的直剪仪调查研究，其垂直加载方式主要有两种：刚性 机构加载方式和液压加载方式。液压加载主要采用垂直液压缸产生加载力，主要应用于 大型岩石剪切试验中，而刚性机构加载方式是现今直剪仪系统中技术最为成熟、应用最 为普遍的加载方式，主要应用于土样直剪试验中，通常是以杠杆加载的形式来实现。 南京宁曦土壤仪器有限公司开发的d s j - m 型电动四联应变控制式直剪仪如图2 1 所示，其加载方式为杠杆加载，是国内外土壤直剪仪中最为常见的一种加载方式【9 】。 雷2 1 四联应变控制式直剪仪 f i s 2 1s t r a i n - c o n t r o l l e d d i r e c ts h e a r a p p a r a t u s o f f o u ra s s o c i a t i o n s 使用液压方式进行垂直加载并不多见，清华大学岩土工程所研制开发的t h 一2 0 t 大 型土与结构接触面循环加载仪【1 0 1 ，可用于粗粒土与结构的接触面单调和循环加载试验， 它采用竖向液压缸进行垂直加载。使用液压缸进行加载的优点是可以提高较大的加载 力，缺点是测量结果不够精确，同时由于采用液压系统，必将涉及液压泵站，使得系统 结构过于庞大。 2 2 水平加载机构的研究 通过对国内外直剪仪的调查研究发现，其垂直荷载的提供主要是杠杆机构和千斤 顶，杠杆机构是依靠砝码通过杠杆原理进行加载，能够提供的加载力有限，主要用于测 试土样在静负荷下的抗剪强度。液压加载主要应用于大型土石混合路面材料、岩石等材 料剪切试验中，能提供的加载力大，而本课题需要对路面结构层进行拉剪实验，使用杠 杆机构无法实现。 新型路面材料直剪仪的基本研究 经过广泛的对比，决定采用千斤顶进行垂直加载，水平拉剪机构采用步进电机配合 滚珠丝杠的方式。确定了如图2 2 所示的直剪仪机构。主要由整体可拆卸式外框架、水 平加载系统、垂直加载系统、剪切盒、测控系统组成。 1 ) 反力架2 ) 丝杠3 ) 千斤顶4 ) 垂直向压力传感器5 ) 对心器6 ) 滚轴座7 ) 位移传感器 8 ) 上剪力盒9 ) 下剪力盒l o ) i 黼41 1 ) 水平向压力传感器1 2 ) 下位机控制部分 图2 2 直剪仪示意图 f i g 2 2s k e t c hm a po f d i r e c ts h e a ra p p a r a n i s 由上面的分析可以确定直剪仪水平拉剪系统如图2 3 所示。下面就本系统的核心机 构水平拉剪机构做详细的分析。 图2 3 水平拉剪结构示意图 f i g 2 3i l l u s t r a t i o no f h o r i z o n t a ls h e a rs y s t e ms t r u c t u r e 水平拉剪系统主要由步迸电机和滚珠丝杠组成，滚珠丝杠将步进电机的旋转运动转 化为直线运动，传动精度高、效率高( 可达9 0 以上) 的优点，同时其结构简单，可以 对剪切盒进行推拉，使得试样破坏从而达到试验且的。 电机是加载系统的动力，直剪仪通常要求在同一机械加载框架下，加载控制系统既 能完成应变控制式试验，因此，对于电机的可控性要求较高。同时，应变控制式直剪试 大连理工大学硕士学位论文 验对加载装置的水平定位能力具有较高的要求，因此，加载电机必须要有良好的位置控 制能力。目前，满足上述要求的电机主要有步迸电机和交值流伺服电机。 步进电机是一种脉冲控制电机，通常一个脉冲对应一个步距角，在正常的工作条件 下，电机的旋转位置严格地与控制脉冲相对应，控制方法简单，没有累积误差，因而具 有非常好的空间定位能力1 1 1 1 。 交直流伺服电机的受控量是电机的输出扭矩和转速，电机本身并不具备精确的位置 控制能力。为获得精确的位置控制能力，交值流伺服电机需要配备旋转编码盘。交，直 流伺服电机控制系统技术复杂，价格较高( 市场价格通常在万元以上) 。 由于步进电机具有良好的位置控制能力，其控制系统的成本和技术复杂性均比交 直流伺服电机系统低很多，经比较后认为，水平加载控制系统更为强调的是系统位置控 制能力，因此选用步进电机作加载系统动力来源的方案更为经济合理。 直剪试验对水平加载装置的位移控制精度要求很高，直剪仪要实现水平加载装置的 精密平移，必须引入精密的运动变换机构。水平加载系统的设计目标如表2 1 所示。 在众多的运动变换机构中，滚珠丝杠具有传动精度高、效率高( 可达9 0 以上) 的 优点，同时其结构简单，非常适合于作为新型直剪仪水平加载系统的传动部件。 表2 1 直剪仪基本设计指标 t a b 2 ib a s i c d o s i g n i n g t a r g e t o f c h r t s h e a r a p p a r a t u s 在水平加载力方面，新型直剪仪的水平设计加载能力为5 0 k n 。如果将步进电机与 滚珠丝杠进行直接驱动，那么，在选用5 m m 标准导程为滚珠丝杠且不考虑丝杠效率损 失的情况下，步进电机需要提供的工作保持扭矩【珏1 为； 乃= ( c 只) ( 2 石) = ( 5 0 0 0 0 5 ) ( 2 石) = 4 0 0 0 0 n m m = 4 0 n t o ( 2 1 ) 式中：e 水平设计载荷n 只一丝杠轴导程m m 经过研究计算发现，如果水平加载系统使用步迸电机配合精密滚珠丝杠的直联传动 方案，会导致两个比较难以解决的问题：要求步进电机的输出扭矩很高和微迸给加载能 力的不足。 新型路面材料直剪仪的基本研究 本课题对加载装置的水平位移控制精度设计目标为：0 0 0 5 m m 。如果采用直联的传 动方案，那么在选用5 m m 标准导程滚珠丝杠的情况下，为了实现这个最小的步进量， 步进电机必须能在知范围内具有1 0 0 0 步的细分能力，也就是具有0 3 6 。的步距角。 虽然市场上有o 3 6 。步距角的步进电机，经过调查发现，4 0 n t o 的工作保持扭矩对于 步进电机来说己经属于较高的要求。 根据以上分析可以知道，采用直联传动的技术方案会增大步进电机的选型困难。为 解决上述传动方案中存在的问题，水平加载系统必须引入减速器。 2 3 滚珠丝杠的设计选取 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，或将 直线运动转化为回转运动的理想的产品。这是滚珠螺丝的迸步延伸和发展，这项发展 的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠 被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。同时由于丝杠轴与螺母之间有很多滚珠在做滚 动运动，所以能得到较高的运动效率。滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极 小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。滚珠丝杠由于运动效 率高、发热小、所以可实现高速进给( 运动) 。 本课题中直剪仪的最大试样设计能力为3 2 0 x 3 2 0 x 2 0 0 m m ，按剪切破坏时应变量 通常为试样宽度的5 0 估计，则剪盒在剪切试验中的行程约为1 6 0 m m 。根据新型剪切 试验的要求，在本课题中，要求剪盒在试验过程中可水平移动1 6 0 m m ；同时还要为丝 杠轴预留约4 0 m m 的冗余行程，因此丝杠螺纹部分的总长度估计为2 0 0 m m ，根据工作 台的定位误差可以得到丝杠副的定位精度为士o 0 2 0 m m 2 0 0 m m 。根据该精度设计指标， 查阅国际上著名丝杠螺杆生产厂商t h k 的丝杠技术标准后，选取了c 3 精度等级的滚珠 丝杠【l3 1 。 表2 2c 3 精度等级的精密滚珠丝杠的精度指标 t a b2 2a c c u r a c yf e a t u r e so f c 3g r a d eb a l ls c r e w 大连理工大学硕士学位论文 2 4 减速器与步进电机的选取 2 4 1 减速器的选取 如前所述，若要直剪室实现o 0 0 5 m m 的步进当量位移，则5 r a m 导程的滚珠丝杠旋 转一周应实现的步数为1 0 0 0 步。 图2 4w p l e 型减速机 f i g 2 4r e d l l c 盯o f w p l e t y p e 根据设计目标，直剪仪的水平加载能力为5 0 k n ，取载荷冲平稳系数为1 1 ，则计算 水平加载能力应为5 5 k n 。如果选用导程为5 m m 的标准滚珠丝杠，则与其相联接的减速 机的输出扭矩r 计算式为【1 4 1 ； r ：互= 兰墨 ( 2 2 ) 2 石r l s 式中： e 一。一水平计算工作载荷( f o = 5 5 k n ) 只一丝杠的导程( 只= 5 r a m ) 一丝杠螺母副的传动效率( 通常精密滚珠丝杠的协= o 9 5 ) 将以上参数代入式2 2 计算得 ，：! 型尘生：4 6 1 4 0 n m 拼。4 6 1 n m 2 万0 9 5 另一方面，设电机的运行步数为每转2 0 0 步，那么为了使滚珠丝杠实现每转1 0 0 0 个步进数，必须加一个减速比为f = 芝等= 5 的减速机。 结合直剪仪的实际运行要求，综合上述计算结果可知：用于直剪仪的减速机必须具 有以下的特性：运行平衡无振动、输出扭矩大( 至少应为4 6 1 n m ) 、高扭转刚度、小 新型路面材料直剪仪的基本研究 回程间隙、体积小、寿命长、维护方便。根据上述技术要求，经过市场调查及对比后， 选用了天津罗升有限公司代理的德国n e u g a r t 公司的w p l e 8 0 型减速机。表2 3 是该型 减速器的技术指标”1 。 表2 3w p l e 8 0 减速机技术指标 t a b 2 3t e c h n i o a lf e a t m e so f w p l e 8 0r e d u c e r 级数额定输出扭矩回程间隙满载效率n r转动惯量j r抗扭刚度 2 4 2 步进电机的选择 在水平加载系统的设计中，选用了德国百格拉( b e r g e r l a h r ) 公司的三相混合 式步进电机作为加载动力机。该公司的步进电机系统具有以下技术特点【1 6 l ： 具有很好的宽频带载能力，电机在低速或高速运转时不易产生堵转或失步现象。 空载启动转速为4 7 8 o r s ，最大工作转速可达6 0 r s 。 低速时运行极其平稳，几乎无共振区； 高速时扭矩大，运行特性类同交流伺服电机。 百格拉三相混合式步进电机系统采用了与传统的两相和五相混合式步进电机系统 截然不同的控制方式，它特有的优点使人们重新认识到步进电机在许多应用中可以取代 甚至优于交流伺服电机。 根据前面滚珠丝杠、减速器的研究计算结果，可以对步迸电机的输出工作扭矩做出 计算并完成初步选型。 步进电机计算输出扭矩z k 。计算式为： k 2 焘 q 3 ) 式中：r 一减速器输出扭矩( 参见2 4 1t 4 6 1 n m ) 孤一减速器的传动效率( 根据表2 3 得= o 9 2 ) f 一减速器传动比( 根据表2 3 得f = 5 ) 将以上参数代入式2 3 中计算得出电机的计算输出扭矩为： 乙，：生l o 0 2 n m 1 m 2 而刮” 大连理工大学硕士学位论文 经过研究计算发现：水平加载系统的静质量和加速过程所产生的附加扭矩与电机的 计算输出工作扭矩，j ，相比微不足道，还不及后者的1 。因此，1 0 0 2 n m 的计算输出 扭矩可作为电机的选型依据。 根据上述计算结果，初步选定v r d m 3 1 1 1 7 型电机，表2 4 列出了该型电机的技术 特性参数。 表2 4v r d m 3 1 1 1 7 步进电机技术参数 t a b 2 4t e c h n i c a lp a r a m e t e r so f v r d m 3 1 1 1s t e pm o t o r 24 3 电机驱动器的选择 正确选用步进电机驱动器对于电机控制系统的设计具有重要的意义。选择步进电机 驱动器需要考察以下技术指标：供电方式、输入电流、输出电压、驱动方式、工作温度、 功耗、电机空载启动速度、最大细分数等。 根据使用经验，非电机生产厂提供的驱动器常常易导致电机机体迅速过热、振动加 剧。因此，步进电机驱动器宜选用电机生产商的配套产品，使电机能正常稳定地工作， 以充分发挥电机的工作能力。 为了使得该电机发挥出最佳的技术性能，必须选配合适的电机驱动器。从百格拉公 司驱动器产品中选用了w d 3 0 0 7 型驱动器。它的特点是： 交流伺服工作原理，交流伺服运行特性，三相正弦电流驱动输出； 几乎无共振和爬行，输出相电流可设置，带有十细分和半流功能特性，噪声几乎与 交流伺服电机一样； 比同样尺寸的反应式步迸电机所产生的功率大2 0 左右； 可依用户要求每转步数可设定为2 0 0 到1 0 0 0 0 步转中的8 个不同的速度； 输入信号可以高有效或低有效，高有效时，把脉冲一和方向一短接后连到上位机的信 号地( o v ) ，把脉冲+ 和方向+ 分别接到上位机控制信号脉冲+ 和方向+ 上，低有效时，把 脉冲+ 和方向+ 短接后连到上位机的公共信号端( 5 v ) ，把脉冲一和方向一分别接到上位机 控制信号脉冲和方向一上。连接方式如表2 5 所示。 新型路面材料直剪仪的基本研究 表2 5 控制信号的连接 t a b 2 5c o n n e c t i o no fc o n t r o ls i g n a l w d 3 0 0 7 的控制面板上，通过两个拨位开关可以设置电机每转步数，电流由 c i 】r r e n t 设置。 信号接口tp 【 l s e + 一电机输入控制脉冲信号t d i r + - - - - - 电机转动方向控制信号； r e s e t + 一复位信号。用于封锁输入信号 r 卧d y + 一报警信号i 状卷指示 功能选择 p u l s e - d i r 一，r e s e t 一和r e a d y - 短接为公共地； 肋y 灯亮表示驱动嚣正常工作l t e m p 灯亮表示驱动嚣超最i f l t 灯亮表示驱动器故肆： m o tc u 船一设置电机帽电流； s t e p i ，s t e p 2 一设置电机每转的步敷； p 【i l s e s y s 一可设t 成“脉冲和方向”控制方式： 也可设置成“正转和反转”控制方式 c u r r r e d - - 用于设置半流功能t 功率接口，d c + 和d c 一接制动电容( 用户使用时请与代理商联系) u ，v 、接电机动力线p e 是地； l n 接供电电源l 图2 5w d 3 - 0 0 7 面板图 f i g ，2 3p a n e lo f w d 3 - 0 0 7d r i v e r 根据拉剪系统的设计要求，为实现o 0 0 5 m m 的步迸当量，应将w d 3 - 0 0 7 驱动器设 置为每转1 0 0 0 步，并输出4 1 a 电流以满足v r d m 3 1 1 1 7 电机的相电流需求。 2 4 4 水平加载系统的实现 在步迸电机的控制中，我们使用的是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 事件管理器模块中通用定时 器功能。利用通用定时器产生p w m 波形来对步进电机驱动器进行控制，进而来控制步进 电机达到加载的要求。 - 1 4 大连理工大学硕士学位论文 2 4 0 7 有两个相同的事件管理模块，每个事件管理模块有两个通用定时器( g p ) 。 定时器包括【l 川： 一个1 6 位的定时器增减计数的计数器t x c n t ，可读写； 一个1 6 位的定时器比较寄存器( 双缓冲，带影子寄存器) t x c m p r ，可读写： 一个1 6 位的定时器周期寄存器( 双缓冲，带影子寄存器) t x p r ，可读写； 一个1 6 位的定时器控制寄存器t x c o n ，可读写； 可选择的内部或外部输入时钟； 用于内部或外部时钟输入的可编程的预定标器( p r e s c a l e r ) ； 控制和中断逻辑用于4 个可屏蔽的中断一下溢、溢出、定时器比较或周期中断； 可选择方向的输入引脚t d i r x ( 当用双向计数方式时用来选择向上或向下计数) 。 并且各个g p 定时器之间可以彼此独立工作或相互同步工作。与每个g p 定时器有 关的比较寄存器可用作比较功能或p w m 波形发生。对每个g p 定时器在增减计数方式 中，有3 种连续的工作方式。每个g p 定时器的内部或外部的输入时钟都可以进行可编 程的预定标。o p 定时器还向事件管理器的子模块提供时基。周期寄存器和比较寄存器 的双缓冲允许根据需要编程改变( p w m ) 周期和p w w i 脉冲宽度。 控制寄存器g p t c o n a b 规定了通用定时器针对不同的定时器事件所采取的操作， 并且指明了所有四个通用定时器的计数方向。 控制部分的硬件设计实际上就是解决d s p 微处理器与步迸电机驱动器之间的连接 问题，硬件设计电路图如图2 6 所示 ) u l s e p w m l吨= ) 叫 d s p 三板管。 d i r i o p a 3( = 卜一【i 一 nli p u l s e + d i r + t m s 3 2 0 l f 2 如7 a 步进电机驱动器 图2 5 步进电机驱动硬件电路原理图 f i g 2 6t h es e h c m a t i cc i r c u i to f s t o pm o t o rd r i v e r 由于d s p 是3 3 v 器件，而步进电机驱动器的驱动信号需要5 v 信号，所以这里存在 一个电平转换的问题。并且由于控制信号是单向信号，转换比较简单，所以我们采用三 极管将d s p 的3 1 3 v 信号放大成驱动器可以接受的5 v 信号。 新型路面材料直剪仪的基本研究 在设计中，我们采用共阳极的驱动器连线方法，即低电平有效的接线方式，将 p u l s e 接d s p 一个p w m 输出通道，d e r - 接d s p 的一个i o 口，用来控制步进电机的 方向。共阳极内部接口电路如图2 7 所示。通过此图可以很容易明白d s p 是如何控制步 迸电机驱动器的。 图2 7 共阳极内部接口电路 f i g 2 7t h ei n t e r i o ri n t e r f a c ec i r c u i to f c o m m o na n o d e 2 5 本章小结 本章对常见的几种直剪仪的加载、拉剪技术进行了调查分析，进而确定了适合路面 结构层直剪仪的加载、拉剪系统，并确定了直剪仪的主要结构，在此基础上对步进电机、 减速器和滚珠丝扛进行了分析核算，并通过精确的计算确定了它们的型号，最后讨论了 水平加载系统的实现，为直剪仪控制部分的选择搭建了一个平台。 大连理工大学硕士学位论文 3 下位机控制器的研究及应用 根据第二章对直剪仪控制系统分析的研究结果可以确定直剪仪测控系统的总体结 构如图3 ，l 所示 图3 1直剪仪控制系统总体结构 r i g 3 1m a i ns t r u c t u r e o f t h e d i r e c t s h e a r a p p a r a t u s c o n t r o ls y s t e m 由上图可以看出下位机的主要工作任务是： 按照指定的控制算法实时控制加载电机；实时采集直剪试验过程数据；将其暂存在 数据缓冲区中进行处理；向上位机中央控制软件传送实验数据。 由此可见，下位机的主控制器必须具有较强的以下技术性能。 强大的计算能力：能快速地完成各种复杂的数字控制