（机械电子工程专业论文）构造应力下相似材料模拟实验装置测控系统的研制.pdf

论文题目：构造应力下相似材料模拟实验装置测控系统的研制 专业：机械电子工程 硕士生：王生范( 签名)王睦勤 指导教师：郝迎吉 ( 签名) - 二耋 丕l 摘要 本文利用虚拟仪器技术、单片机技术、r s - 4 8 5 总线以及步进电机控制等技术完成 了相似材料模拟实验装置测控系统软硬件设计和实验设备的制造与调试。该测控系统用 于在构造应力作用下，对实验过程模型表面在采动过程中的下沉变化量进行实时监测， 为研究分析煤矿区域地表在采动过程中造成的破坏状况提供科学依据。 论文介绍了由一个主控计算机( 主机) 和一系列基于m c u 的智能端( 从机) 构成 的集散式测控系统的工作原理和组成。系统采用r s - 4 8 5 总线通信模式，以主从方式进 行多机通信，一条总线可以同时挂接3 2 个分机，构成多点测控网络，组网简单，且易 于扩展。 测控系统采用了模块化设计思想。构造应力加载系统实现了相似材料模拟实验装置 模型边界工作环境模拟，应力加载范围为0 2 2 吨，载荷范围大，利用软件细分技术， 有效抑制步进电机低频振荡，使载荷加载过程稳定；数据采集模块实现了8 路模拟输入信 号( 如位移、应力) 的采集与变送，位移测量精度为0 0 8 ，分辨率为o 0 2 m m , 应力测 量精度为士o 3 ，分辨率为0 0 0 2 吨。软件以l a b w i n d o w s c v l 6 0 为开发平台，借助于 计算机完成实验过程数据实时记录、保存和数据报表制作打印，并依据样条函数和多项 式拟合原理，绘制出模型表面的下沉曲线。 本论文设计的相似材料模拟实验装置机电测控系统，经在我校地质实验室的现场调 试，达到了实验装置规定的技术要求。经过半年的使用证明整个测控系统使用方便、运 行稳定。 关键字：单片机；l a b w m d o w s c v l 6 0 ；r s - - 4 8 5 总线；相似材料模型；构造应力 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ed e v e l o p m e n t o fm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mf o rs i m u l a t i n g e x p e r i m e n te q u i p m e n to fs i m i l a rm a t e r i a lu n d e rt e c t o n i c s t r e s s s p e c i a l t y ：m e c h a t r o n i e se n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gs h e n g - f a n i n s t r u c t o r ：h a oy i n g - j i a b s t r a c t u t i l i z i n gt h ev m u a li n s t r m n e n t s ，m c ut e c h n o l o g y , r s - 4 8 5b u s , a n ds t e pm o t o rc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dc t c ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f s y s t e m ，t h em a k i n ga n dd e b u g g i n go f d e v i c e a b o u tt h es i m m a t m ge x p e r i m e n te q m p m e n to fs i m i l a rm a t e r i a lh a v eb e e nd e s i g n e di nt h i s p a p e r t h es u b s i d e n c ev a l u eo ft h es u r f a c eo fm o d e li np r o c e s so fc o a lm i n i n ga b o u tt h e e x p e r i m e n to fs i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o nm o n i t o r i n gb yt h em e a s n l a n dc o n t r o ls y s t e m u n d e rt h ee f f e c to ft e c t o n i cs t r e s s ，p r o v i d e st h es c i e n t i f i cb a s i sf o rs t u d y i n gt h ec o a l - m i n i n g s u b s i d e n c ea n db r e a k a g e 1 1 垃p a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fd i s t r i b u t e da n dc o m p o s eo fc o n t r o ls y s t e m , w h i c h i n c l u d e so fo n ep e r s o n a lc o m p u t e r ( t h eh o s tm a c h i n e ) a n dm u l t i p l ei n t e l l i g e n tt e r m i n a l ( t h e l o w e rp o s i t i o nm a c h i n e ) b a s e do nm c u s , a d o p t i n gt h em o d eo f r s - 4 8 5b u s ，m u l t i - c o m p u t e r c o m m u n i c a t i o nh a sb e e nr e a l i z e di ns y s t e m 3 2m c u sc a nb eh u n gi no n eb u s , a l s ot h e s y s t e mh a sc o m p o s e do f am u l t im e a s u “糯ma n dc o n t r o ln e t w o r ka n dh a sf e a t u r e so f s i m p l y n e t w o r k i n ga n de a s i l ys p r e a d i n g 1 1 圮m e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e ma d o p t st h ei d e ao fm o d u l a r i z a t i o nd e s i g n t h et e c t o n i c s t r e s so fl o a d i n gs y s t e mr e a l i z e st h es i m u l a t i o no fb o u n d i n gs u r f a c eo fs i m i l a rm a t e r i a l s i m u l a t i o nd e v i c e , p r o v i d e dw i ml a r g e r a n g eo fl o a d b e t w e e n0 2 tt o 2 t u s i n g s o f t m i c r o s t e p p i n gt e c h n o l o g y , w h i c he f f i c i e n t l yr e s t r a i n sm o t o rl o w - f i c q u e n c yo s c i l l a t i o n , a n dt h e p i o c e 昭o fl o a d i n gn e a r l yu n c h a n g e t h em o d u l a ro fa n a l o gs i g n a l sa c q u i s i t i o nr e a l i z e st h e a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o no fe i g h tm u t i - r a n g ea n a l o gs i g n a l s ( d i s p l a c e m e n t , s t r e s s ) t h e p r e c i s i o no f d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e u ti s o 0 8 a n dt h ed i s c r i m i n a b i l i t yi s o 0 2 r a m ：t h e p r e c i s i o no f s t r e s sm e a s u r e m e n ti s o 3 e n dt h ed i s c r i m i n a b i l i t yi s0 0 0 2 t i ns o f t w a r ew e d e v e l o p e dt h et e s ts o f t w a r eu n d e rt h el a b w i n d o w s c v l 6 0 ，a c c o m p l i s h e dt h er e c o r d i n g ， s a v i n go fe x p e r i m e n t a ld a t aa n dd a t ar e p o r tg e n e r a t i o na n dp r i n t i n g b yt h ep r i n c i p a lo fc u b i c s p l i n ec u r v ea n df i r i n g , r e a l i z i l 唱p r o t r a c t i n gt h es u b s i d e n c ec u r v eo f m o d e l t h em e c h a t r o n i cs y s t e md e s i g n e df o rt h es i m u l a t i n ge x p e r i m e n te q u i p m e n to fs i m i l a r m a t e r i a lu n d e rt e c t o n i cs t r e s s ，p a s s e dt h ef i e l dd e b u g g i n gi no i rs c h o o lg e o l o g y l a b o r a t o r y , r e a c h e dt h et e c h n i c a li n d e xo fe x p e r i m e n t a ld e v i c e t h r o u g hs i xm o n t h s ，t h es y s t e mh a s o p e r a t e de a s i l ya n dr u ns t a b l y k e yw o r d s ：m c u l a b w i n d o w s c v l 6 0r s - 4 8 5b u sm o d l eo fs i m i l a rm a t e r i a l t h e s i s ：r e s e a r c hf o r a p p l i c a t i o n 西要错技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构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 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：王睦芄日期：御5 ，d 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名： 王目巳：莞指导教师签名：二酥垒一e o ) 年r 月加日 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 采煤沉陷取决于地质和采矿的综合影响1 1 1 。在诸多影响采煤沉陷的因素中，构造应 力是最重要的因素之一。只有掌握了煤矿区的构造应力条件，才能准确合理的确定矿山 的总体布局、选取适当的采矿方法、确定巷道和采场的最佳断面形式、断面尺寸、开挖 步骤与支护形式、支护时问等等。因此对于构造应力场的研究已受到国内外学者的高度 重视。尤其随着采矿向深部发展，高地应力场的研究对于煤矿安全高效生产更为重要。 随着理论技术和计算机技术的快速发展，边界元、有限元和离散元等数值仿真计算 方法已经广泛应用于采动损害研究领域。但在研究大范围岩层垮落和运动时，传统的相 似材料模拟方法具有数值模拟无可比拟的优势，仍然是目前广泛采用的实验研究手段 2 1 。 这是因为相似材料模型是真实的物理实体，能同时考虑多种因素，能模拟多种复杂的边 界条件，在基本满足相似原理的条件下，它能更真实地反映地质构造和工程结构的空间、 时间关系，能更准确地模拟开采过程和影响，且模型从弹性到塑性变形以至最终的破坏， 其过程和结果都具有直观性，能给人以直接的感受。 我国是世界产煤大国，包括相似材料模拟在内的煤炭科学技术处于国际先进水平。 但在采矿界研究岩层移动和采动损害时，对构造应力往往是忽略不计的i ”。采动损害是 指由于地下采动在地表产生的开裂、沉降和塌陷等严重损害地表生态环境的地质灾害。 长期以来，国内关于煤矿采动损害的相似材料模拟实验，大多只模拟岩体的物理力学参 数和垂直受力情况，一般不考虑模型在水平方向上可能受到的挤压应力或拉张应力，也 即忽视了构造应力场对采动损害的作用。 对大量地应力实测资料的统计分析表明，在地壳岩体中普遍存在水平地质构造应力 【4 1 ，地质构造应力是地应力场的主体动力i 卯。在以挤压构造应力为主的地区，最大地应 力分量是水平的或接近水平的；而在以拉张应力为主的大地构造背景下，侧向应力是拉 张力。因此，处在地球表层的任何一个煤矿区，要么处于挤压构造应力场，要么处于拉 张构造应力场。挤压与拉张是煤矿区常见的两种最基本的构造应力状态p j ，开采引起的 岩层与地表移动是覆岩自重应力和侧向构造应力联合作用的综合效应。所以，构造应力 对矿井开采引起的地表沉陷有不可忽视的影响，在研究采动损害时加入构造应力条件， 可以使研究结果更加真实可靠。 1 2 原有相似材料模拟实验装置概述 为了获得构造应力下煤矿采动损害更加真实可靠的研究结果，西安科技大学地质系 l 西安科技大学硕士学位论文 夏玉成教授建立了研究构造应力下煤矿采动损害相似材料模拟实验装置，如图1 1 所示。 通过多年的探索提出了构造应力是控制煤矿采动损害的一个不容忽视的重要因素；得出 了在拉张应力状态下，采动损害表现相对较强烈，在挤压状态下采动损害相对较弱的规 律【7 1 。为研究分析煤矿区域地表在采动过程中造成的破坏状况提供理论依据。 图l 1 原有相似材料模拟实验装置 1 螺栓加载装置2 应力传感器3 应变传感器4 相似材料模型5 固定架6 煤层7 活动推板 模拟实验工作过程可以分为两个阶段：一是构造应力阶段，人工用扳手拧图1 1 中 的螺栓，推动活动推板向模型施加构造应力；二是数据采集处理阶段，在模型应力分布 均匀后开挖煤层，人工测量相应采动步长下模型表面的下沉量，并记录实验数据，直至 实验完成。可见，模拟实验的测试控制方法比较落后，构造应力加载采用手拧螺栓的方 式实现，这种方式很难准确知道加力的大小，而且整个测试工作均由人工完成，操作繁 杂、自动化程度低且容易出错，影响模型的量测精度。 1 3 现代测试技术的发展以及在本系统中的应用 测试是人类认识客观事物最直接的手段，是科学研究的基本方法。测试与信号处理 ( 简称测试) 是信息技术三大支柱之一。 测试技术来源于7 0 年代，直至今天，它的发展大致可分为三代唧，其系统组成结构 也有较大的不同。 第一代自动检测系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计的。其结构特 点是采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，其接口也是专用的。因此，第一代测 试系统通用性比较差。 第二代自动测试系统主要由计算机、激励装置和测量装置以及被测装置等组成。采 2 1 绪论 j i i i i i i i i i j e i i | 一 用标准化通用接口总线是它的主要特征。它与第一代测试系统的主要不同在于：采用了 标准化的通用可程控测量仪器接口总线及可程序控制的仪器和测控计算机( 控制器) ， 从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。 ，第二代自动测试系统虽然比人工测试显示出前所未有的优越性，但是在这些系统 中，电子计算机并没有发生作用，系统中仍是使用传统的测试设备( 只不过是配备了新 的标准接口) ，整个系统的工作过程基本上还是对传统人工测试的模拟。于是7 0 年代末 又提出了第三代自动测试系统的概念。第三代自动测试系统的设计目标是：充分发挥计 算机的能力，取代传统电子设备的大部分功能，使之成为测量仪器的一个不可分割的组 成部分，与整个测试系统融为一体，使整个测试系统简化到仅由微型计算机、通用硬件 和应用软件三部分组成。 计算机技术与测试技术相结合，使测试仪器进入了智能化时代，也使得采用误差修 正的高精度测量、实时测量和自动测量成为可能。以通用p c 为基础，增7 ) 【l s t j 试功能、 数字接口和控制接口，充分利用计算机的图形显示、数据处理、外设接口和软件功能， 通常的仪器用户界面就是计算机界面，利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技 术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。这种设计思想即虚 拟仪器技术1 9 1 。 本测控系统利用虚拟仪器技术，设计出基于r s - 4 8 5 总线的多个智能端和p c 机构成 的虚拟仪器系统。系统p c 机测控软件以l a b w i n d o w 忙v 1 6 0 作为开发平台，利用其图 形化的用户面板和高级分析库函数，完成系统既定功能要求。该软件开发平台提供了强 大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，大大简化了本测控系统的软件设计工 作。硬件上设计各种便于集成的功能模块，建立相应的测试电路，以单片机为主控芯片， 配以电源模块、通信模块及信号调理电路模块等，完成信号的采集转换与传送。 1 4 本课题主要工作、技术路线和研究意义 1 4 1 主要工作 本文根据陕西省省级重点实验室重点建设项目“构造应力下相似材料模拟实验装 置”的要求，在对原有相似材料模拟实验装置机械结构改进基础上，增加电气测控部分， 实现构造应力加载和应力、位移测量自动化。主要用来模拟地质结构的真实原应力场， 采集相应条件下相似材料模型的应力、位移变化数据，提高模拟实验的自动化程度，避 免人为等因素对模型量测精度的影响。 相似材料模拟实验装置机械部分由模型支架、外框架、构造应力加载装置组成，其中 实验装置模型支架、外框架由项目提供方负责设计完成。本文主要工作是完成构造应力 加载装置和模拟实验测控系统的设计与调试。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 4 2 技术路线 本文根据陕西省省级重点实验室重点建设项目“构造应力下相似材料模拟实验装 置”的要求，并通过对原有相似材料模拟实验装置现场了解的基础上，利用虚拟仪器技 术、单片机技术、r s - 4 8 5 总线构建以p c 机为主机多个智能端为从机的主从方式通信的 虚拟仪器系统。整个系统采用基于r s - 4 8 5 总线的集散式控制方式，可以实时控制构造 应力加载装置施加载荷的大小、对模型表面位移量变化的监测与记录以及实现可视化人 机交互。具体实施过程： ( 1 ) 构造应力加载装置设计：选用合适的动力源、测量传感器，设计合理有效的 应力传动机构，把动力源的旋转运动转化为直线运动，带动传感器给模型施加侧向构造 应力。 ( 2 ) 从机以c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片机为控制核心，外围辅以电机驱动控制、数据采集和 数据通信等模块电路，完成动力源的驱动控制、各种模拟信号的采集转化和数据传送。 ( 3 ) 主机以l a b w m d o w s c v l 6 0 为开发平台，有可视化计算机人机交互界面，通 过r s - 4 8 5 总线与从机进行信息交换，主机以广播的形式发送控制命令，各从机收到命 令后分析并根据命令内容回发相应的数据，主机接收到回发的测试数据后把数据在计算 机界面上显示、存储和处理。 1 4 3 研究意义 相似材料模拟实验是研究煤矿区采动后岩体应力分布、大变形移动破坏的有效方 法。大量试验表明，依据在构造介质、构造界面特征相似。开采强度也相同的条件下，地 下采动损害与其所处的构造应力场性质有关。在构造挤压区，一定的地下开采强度可能会 对地表造成强烈损害。可见，地质构造应力对采煤沉陷有明显的控制作用，在研究采动 损害时加入构造应力条件，可以使研究结果更加真实可靠。 本论文设计了一种能够准确地把握构造作用力的方向、大小，适应模拟实验荷载特 点的构造应力装置和测控系统，通过数据采集、通信模块对试验过程中的数据利用计算 机进行实时记录、存储，替代测试人员操作、读数、记录和处理等繁琐工作，避免了人 为误差和干涉，使实验装置能准确地反映采动过程中煤层顶板的移动规律，有效减少顶 板安全事故，同时为遏制煤矿区地表塌陷，推进“绿色矿区”建设提供科学依据和技术支 持i 硼。 1 5 本章小结 本章首先对课题的选题背景、原有相似材料模拟实验装置和现代测试技术的发展和 在本系统的应用进行简要阐述。其次提出了课题的主要工作、技术路线和研究意义。 4 2 测控系统总体设计 2 测控系统总体设计 2 1 测控系统的技术要求和技术参数 构造应力下相似材料模拟实验装置测控系统的技术指标和技术参数具体介绍如下 【l i 】： ( 1 ) 技术要求 1 2 路模拟量采集( 包括4 路应力信号和6 路位移信号) ； 可以加载侧向均布载荷，加载量值可预先设定，加载过程自动控制； 可以完成实验过程自动监测及相关数据自动采集与实时显示； 具有实验数据m i c r o s o f te x c e l 报表输出功能； 具有实验数据曲线拟合与图形显示功能； 可以对实验过程中模型从弹性到塑性变形以至最终的破坏状况摄像； ( 2 ) 技术参数 载荷范围：0 2 2 吨 模型表面下沉值范围：0 1 1 3 0 0 m m 位移传感器灵敏度：0 0 2 m m 实验位移测量误差 o 1 应力传感器灵敏度：4 0 k g 实验应力测量误差 - 4 - o 5 2 2 系统总体设计方案 2 2 1 总体方案设计 相似材料模拟实验装置由模型支架、外框架、构造应力装置等机械部分和电机驱动 控制模块、数据采集模块、r s 4 8 5 总线通信等电气部分组成。 ( 1 ) 机械部分方案设计 相似材料模拟实验装置机械结构框架如图2 1 所示。固定架底座接地部分采用“工” 字形结构，使模型架稳定在地面上；活动推板吊装在固定架的上边框上，吊装螺栓在轴 承支撑下可沿固定架上边框上的滑道左右移动，滑动幅1 0 0 m m ，活动档板靠边时距离 固定架侧边框1 0 0 m m ，间隙用于安装应力传感器等部件；构造应力装置为四套，固定 在外框架两侧面，工作时推动活动推板沿滑道移动进而给相似材料模型施加构造应力； 6 个位移传感器均匀固定在外框架上端，在与其相连接圆形铁块的自重作用下和模型表 5 西安科技大学硕士学位论文 面接触。 图2 1 相似材料模拟实验装置机械结构框架 1 位移传感器组2 滑道3 活动推板4 构造应力装置5 相似材料模型6 煤层7 固定架 ( 2 ) 电气部分方案设计 在工业控制系统中，集散控制是目前最常用的测控方式。通常，一个集散控制系统 由一个主控计算机( 上位机) 和一系列基于m c u 的智能端( 下位机) 构成，它们之间 在通过一定的物理媒介连接在一起，以完成必要的通信功能。在集散控制系统中，主机 选用带有r s 2 3 2 4 8 5 接口转换器的p c 机，采用r s - 4 8 5 总线通信方式。它具有组网简 单、稳定可靠、价格低廉的优点l l 劭。 本文根据系统测试控制点数和现场通信距离( 1 3 2 0 m ) 的要求，采用了基于r s - 4 8 5 总线的集散式测控系统，以广播的形式发送控制命令。图2 2 是通过r s - 4 8 5 总线构成的 多点测控网络，采用主从方式进行多机通信。主机选用带有r s 2 3 2 4 8 5 接口转换器的p c 机，从机选用单片机作为各基本智能单元主控芯片负责现场控制和数据采集。 6 2 测控系统总体设计 图2 2 测控系统总体结构 2 2 2 系统的工作原理 模拟实验装置的机械部分主要完成构造应力的传递，电气部分负责完成构造应力装 置的控制和试验数据的采集与处理。模拟实验测控系统由电机驱动控制器、数据采集模 块、r s - 4 8 5 总线接口电路、计算机等组成。本测控系统采用p c 机和r s - 4 8 5 总线组成 的集散控制方式，构成以p c 机为主机，以c 8 0 8 1 5 f 3 5 0 单片机为主控芯片的电机控制 器和数据采集模块为从机，通过r s - 4 8 5 总线协调上、下位机从属工作，数据传输距离 远，易于扩展。 工作原理如下：构造应力模拟阶段。由计算机通过r s 4 8 5 总线发送控制命令给电机 驱动控制器，驱动动力源从而带动丝杆螺母传动机构和应力传感器，使活动推板沿滑道 移动给模型施加应力，同时应力信号由应力传感器转换成电压信号，送入以c 8 0 8 1 5 f 3 5 0 单片机为核心的数据采集摸块，等到加载载荷达到设定载荷值时，自动停止电机。数据 采集处理阶段，应力、位移信号由相应传感器转换成电压信号，经信号调理电路后，送 入c 8 0 8 1 5 f 3 5 0 单片机进行a d 转化，完成数据处理后，通过r s - 4 8 5 总线把采集数据传送 给计算机，进行实时显示、存储、分析处理。 7 西安科技大学硕士学住论文 2 2 3 构造应力装置设计方案 构造应力装置包括动力源、应力传动机构和应力传感器，加载过程是基于闭环控制 思路设计的。工作原理如图2 3 所示。 图2 3 构造应力加载系统原理图 根据实验装置的技术要求，要在模型的侧向加载均布载荷，设计时在模型的外框架 两侧各均布两个应力传动机构。其工作过程如下：由上位计算机发送载荷预定值和控制 指令给电机驱动控制器，从而驱动动力源运转，带动应力传动机构向模型施加构造应力， 应力的大小由应力传感器检测并变送为反馈电压信号，经信号调理电路和单片机鼬，d 转 换器转化为数字量，与设定的实际压力值数字量进行比较，相等时使电机停止运行。 2 2 4 系统硬件设计方案 测控系统的硬件包括电机驱动控制电路、数据采集电路和数据通信电路等，具体有 以下几个模块分组成。 ( 1 ) 电机驱动控制模块：用于动力源的驱动和控制，使构造应力装置向相似材料 模型施加构造应力。 ( 2 ) 数据采集模块：根据主要技术参数要求，建立相应的测试电路，实现实时采 集与处理。 ( 3 ) 电源模块：通过各种稳压模块和相应电压转换电路，为主控芯片、传感器等 提供稳定的工作电压。 ( 4 ) 通信电路模块：通信模块用于实现单片机系统与计算机的通信，计算机通过 r s 2 3 2 ，4 8 5 转换接口与r s - 4 8 5 总线连接，单片机通过m a ) 【4 8 5 驱动芯片与r s - 4 8 5 总 线连接，构成基于r s - 4 8 5 总线的多机通信系统。 2 2 5 系统软件设计方案 本测控系统中，软件的设计和优化是整个系统设计中至关重要的一个环节。系统的 8 2 测控系统总体设计 软件主要包括两部分，下位机单片机程序和上位p c 机虚拟仪器软件。 下位机软件用l 江i lc 5 1 编写，程序可读性强，调试方便，易于维护。 上位机软件以当前流行的虚拟仪器l a b 晰n d o w s c v i 为开发平台，利用其图形化的 软面板和丰富的数字信号处理库及高级分析库函数，借助于计算机的强大功能，实现实 验数据的实时采集、显示、存储以及图形的绘制。 2 3 本系统构造应力下相似材料模拟实验装置整体介绍 本系统构造应力下相似材料模拟实验装置由模型支架、外框架、构造应力装置等机 械部分和电机驱动控制模块、数据采集模块、r s - 4 8 5 总线通信等电气部分组成。模拟 实验装置整体结构如图2 4 所示。 ( 1 ) 机械相关部分；相似材料模拟实验装置的机械部分主要由“工”字形基座、外 框架、模型支架、封装板、构造应力装置等组成。构造应力装置包括动力源、应力传动 机构和应力传感器，应力传动机构采用丝杆螺母结构，丝杆在动力源作用下做旋转运动， 与其配合的螺母在定位销导向作用下做直线运动，带动传感器使活动推板沿滑道移动， 进而给相似材料模型施加构造应力。 ( 2 ) 电机驱动控制模块：减速电机是整个系统的动力源，它由步进电机和减速箱 组成，系统选用5 7 y b g 0 8 4 型两相步进电机，配9 0 y z d 型直流齿轮减速电机的减速箱， 实现四套应力传动机构同步或单独运行、停止控制，满足了试验载荷要求。 ( 3 ) 数据采集模块：数据采集模块包括信号调理电路、滤波电路、单片机和通信 电路等。位移传感器和应力传感器分别完成模型表面下沉位移和模型侧向应力模拟信号 的提取，经信号调理电路和滤波电路输出到内部集成a d 转换器的单片机中，完成模拟 信号转化、处理以及上位计算机通信。系统采用2 4 位a d 转换精度的c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片 机为数据处理器，体积小，精度高。 ( 4 ) r s - 4 8 5 总线控制方式：本测控系统采用一主多从的总线连接方式，p c 机为主 控机，单片机为基本测控单元作为从机。主控机通过r s - 4 8 5 总线与从机进行信息交换， 主机以广播的形式发送控制命令，各从机收到命令后分析并根据命令内容回发相应的数 据，主机接收到回发的测试数据后把数据在计算机界面上显示并存储，方便数据查询。 ( 5 ) 测试点布置：为了达到实验的目的，在模型上水平布设了一排观测点，共计 1 2 个。具体布置方案为：在垂直模型表面的方向分别布置了6 个为位移传感器，6 个为百 分表，间距分别为3 5 m m 。 ( 6 ) 计算机人机交互界面：上位计算机软件采用l a b w m d o w s c v i 为开发平台， 利用其图形化的软面板和高级分析库函数，借助于计算机的强大功能，实现数据的显示、 记录、存储，图形分析和数据报表制作打印，同时对模型在采动过程中从弹性到塑性变 形以至最终的破坏状况摄像，过程和结果都具有直观性。 9 西安科技大学硕士学位论文 i 皇i i | _ _ i i - _ _ i i i _ 葺宣置置i i i | - _ _ _ - 图2 4 相似材料模拟实验装置整体结构 2 4 本章小结 本章介绍了相似材料模拟实验装置机械和电气两部分的总体设计方案，具体包括构 造应力装置、系统硬件和软件方案设计，在此基础上，给出了本系统相似材料模拟实验 装置的整体结构，并对各部分进行了详细说明。 1 0 3 构造应力装置设计 3 构造应力装置设计 构造应力装置是相似材料模拟实验装置的关键组成部分，包括动力源、应力传动机 构和应力传感器，用于完成向模型施加构造应力。为了向模型施加均布、缓慢载荷，本 文在相似材料模型外框架的两侧均布两个构造应力装置，单侧施加载荷值为2 吨，模型 在施加构造应力后侧向最大形变量为2 0 m m , 为了达到构造应力装置预定载荷和行程的 要求，动力源、传感器选择和应力传动机构设计十分关键。 3 1 构造应力装置整体设计 本系统构造应力装置用来给模型两侧施加水平构造应力，来模拟煤矿采动过程中的 真实原应力场，包括动力源、应力传动机构和应力传感器。需要选择动力源和传感器， 设计应力传动机构来传递动力，同时能度量出加载载荷的大小。图3 1 为本文设计的构 造应力装置结构示意图。 1 2 3 4 56 图3 1 构造应力装置结构图 1 动力源2 推力轴承3 导向定位销4 实验装置固定架 5 应力传感器6 弹性连接件7 - 活动推板8 - 应力传动机构 3 2 应力传动机构设计 3 2 1 运动传递方式选择 在构造应力装置中要求把旋转运动转化为直线运动，本文采用丝杆螺母机构作为基 本传动形式。丝杆螺母机构又称螺旋传动机构，螺旋传动是实现这种转变经常采用的一 1 l 西安科技大学硕士学位论文 种传动。它主要用来将旋转运动变为直线或将直线运动转化为旋转运动。有以传递能量 为主的、也有以传递运动为主的、还有调整零件之间相对位置的螺旋传动机构等。 丝杆螺母机构有滑动磨擦和滚动摩擦之分，滑动丝杆螺母结构简单、加工方便、制 造成本低、具有自锁功能。但摩擦阻力大、传动效率低。滚动丝杆螺母机构虽然结构复 杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力小、传动效率耐1 3 】。考虑到项目经费有限和 加工方便的要求，采用了滑动丝杆螺母结构，电机在停止时机构能够自锁，使加载应力 在整个实验过程中一直保持有效。 丝杆和螺母相对运动有四种组合： ( 1 ) 螺母固定、丝杆转动并移动；该传动形式因螺母本身起支承作用，消除了丝杆 轴承可能的附加轴相窜动，结构简单，可获得较高的传动精度，但轴向尺寸不宜太长， 刚性较差。 ( 2 ) 丝杆转动、螺母移动；该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。特点 是结构紧凑、丝杆刚性较好。 ( 3 ) 母转动、丝杆移动；该传动形式需要限制螺母和丝杆的转动，由于结构复杂且 占用轴向空间大。 ( 4 ) 丝杆固定、螺母转动并移动；该传动方式结构简单、紧凑，但很少用。 本文采用第二种传动方式。 3 2 2 丝杆螺母机构设计 相似材料模型在施加水平构造应力后侧向最大变形量为2 0 m m , 为了保证应力传动 机构既能充分接触又完全能脱离相似材料模型，本文设计的丝杆行程为8 0 m m 。如图3 2 所示。 丐习 圳 i g 寸f i 。| 澎麟窝q 耻 y l批 曼 己旦 o j a ) 主视图”侧视图 图3 2 丝杆结构图 丝杆与动力源输出轴是通过平键连接的，考虑到丝杆上安装电机轴的孔为盲孔，键 槽不易加工。为此，单独加工一个如主视图中打1 3 5 度剖面线的零件，用于加工键槽， 并将其与打4 5 度剖面线的零件焊接在一起，构成可以和动力源输出轴相连接的丝杆。 1 2 3 构造应力装置设计 另外考虑到螺母轴向移动时的导向以及与应力传感器的连接，设计的螺母结构如图 3 3 所示。有m 8 的螺钉孑l 便于螺母导向，m 2 4 的螺纹与应力传感器连接。 图3 2 螺母结构图 3 2 3 丝杆轴向定位结构 应力传动机构的行程为8 0 m m , 承受双向轴向载荷，无径向载荷。因行程较短，采用 了单端支撑方式，在丝杆轴肩两侧各放一个单向载荷推力轴承，轴肩外侧推力轴承圆环 用于定位，与其接触的轴承圆环用于旋转传递动力。结构简图如图3 4 所示： 1 23 4 图3 4 推力轴承配合轴向定位结构 i 推力轴承2 导向定位销3 丝杆螺母4 套筒5 实验装置固定架6 轴承盖 图3 4 中定位结构对同轴度要求高，如果制造加工误差大，会导致内部摩擦阻力大， 轴向载荷的传递效率降低。另外图3 4 中推力轴承的预紧力可以通过轴承盖端面上的沉 头螺钉来调节，防止过松导致的轴向窜动和过紧导致的轴承受力不均。 3 2 4 轴承型号选择 应力传动机构只传递双向轴向载荷，本文选用两个单方向载荷推力轴承配合使用。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 轴承的参数如表3 1 所示； 表3 18 1 0 6 型推力球轴承性能参数表 3 3 动力源的选择及所选电机的特点 3 3 1 电机驱动扭矩计算 机械运动传递简图如图3 5 所示：图中m q 为驱动力矩( 单位：n n u n ) ，f 为螺旋 传动的轴向载荷( 载荷范围为0 2 2 吨) f 旧。 图3 5 力矩传递简图 ( 1 ) 螺母轴向移动速度v 的确定： v ：万x d 2 x n x t a n 2( 3 1 ) 6 0 式中n 为螺母的转速( 单位：r r a i n ) ，么为螺纹中径( 单位：n u n ) ，九为螺旋线升角， ( 2 ) 轴向载荷计算公式的确定：根据螺旋传动驱动功率置与输出功率昱计算公式： 飙：坚：l ：1 0 _ 6 f 矿和式3 1 可以推出轴向载荷f 。 “9 5 5 0 0 研。仍仍 ：6 0 x m q x r lx r 2 x r 3(3f 2 )= ( ) 9 5 5 x a r x 也t a n 2 其中： 毛为驱动力矩，n 为螺母的转速( 单位：r m i n ) ，聃为螺纹的传动效率，砚 为轴向支撑面效率，讯为径向支撑面效率，f 为螺旋传动的轴向载荷( 单位：n ) ，v 为螺 母的轴向移动速度( 单位：t u r n s ) 。 ( 3 ) r h 、r 2 、值的确定： 、仍一般取0 9 5 0 9 9 范围内的值。 螺纹效率编可根据螺纹传动中将会转运动转化为直线运动的效率计算公式计算： 研= ( 0 9 5 面- 0 矿9 9 ) x t a n 2 ( 3 3 ) 1 4 3 构造应力装置设计 式中：九为螺旋线升角，通常取五s4 ，p 为当量摩擦角。 另外，根据构造应力装置的技术要求，必须满足自锁的功能，于是有九 = p ，近似计 算可得螺纹传动效率哺约为0 4 ，可见在自锁的条件下螺纹的传动效比较低。 综式3 2 和3 3 可以计算出当轴向载荷最大为2 吨时，单个动力源的驱动力矩 t 为： ：1000 x955x23x314x007：204kgam 3 3 2 动力源选择及特点 ( 1 ) 动力源的选用依据： 系统中受力对象为相似材料模型，用石膏把河沙、大白粉、白云母片等粘结起来， 用不同配比模拟地层中的软弱、中硬和坚硬岩层，要求施加载荷要稳定、缓慢，以防损 毁模型。步进电机作为脉冲控制元件，给一个脉冲转一个步距角，易于实现速度控制， 达到变速、缓慢施加载荷的要求。 为了方便工作人员在实验装置固定架上装填相似材料等，相似材料模拟实验装置 对电机安装有尺寸要求，动力源的长度在3 0 c m 范围内为宜。 从经济方面考虑，用简单的电机驱动控制电路设计来实现，即利用低电压驱动电 机，并用软件方法替代硬件控制，可以避免强电干扰，降低系统称成本，提高系统的稳 定性。 从以上三点出发，结合实验室较成熟的电机驱动控制电路和对市场大扭矩电机尺寸 及成本的调查，本系统选用了5 7 b y g 0 8 4 型步进电机并配9 0 y z d 型直流齿轮减速电机 的减速箱作为动力源。如图3 6 所示。 图3 6 动力源 ( 2 ) 所选动力源的参数和特点 选用步进电机的型号为5 7 b y g 0 8 4 ，配9 0 y z d 型直流齿轮减速电动机的减速箱， 动力源参数如表3 2 所示： 1 5 西安科技大学硕士学住论文 表3 2 动力源参数 从上表可以看出，此动力源的最大输出力矩为2 2 0 k g c m 。不同的转速下输出不同 的扭矩，可以根据加载过程中载荷的大小调整电机的速度，实现变速控制，提高加力装 置的工作效率。 ( 3 ) 动力源扭矩的验证 依据3 3 1 节中式3 2 轴向载荷f 的计算公式。可以推出在动力源最大输出扭矩为 2 2 0 k g c m 时的轴向载荷为： f：60 xmqx71x，72xt3：60 x220 x099x099x04107099 9 5 5 万x 以x t a n j t9 5 5 x 3 1 4 x 2 3 x 0 0 7 在考虑螺母丝杠传动机构的传动效率后， 则单侧两个动力源可向模型提供2 1 4 吨载荷， 单个动力源的轴向传递载荷约为1 0 7 0 k g ， 满足系统实验要求。 3 4 零件强度校核 本文设计的应力传动机构采用了丝杆螺母机构，在旋转扭矩 l 的作用下传递1 吨 的轴向载荷，因此有必要对丝杆和丝杆螺纹进行强度校核【1 6 】。 ( 1 ) 丝杆强度校核 构造应力装置把动力源的旋转运动转化为水平直线运动，向模型侧向施加水平挤压 应力f ，因此丝杆受挤压力f 和扭矩 乞作用，根据第四强度理论进行强度校核，其强 度条件为： 其中盯为钢丝杆许用压应力，f 为轴向载荷， 丝杆材料：3 5 钢 性能等级按国标中螺栓性能等级选择： 1 6 h ( 3 4 ) 鸩为扭矩，嘎为丝杆直径 3 6 级，则材料的拉伸强度极限 3 构造应力装置设计 = 3 x i o o m p a ，屈服极限= 6 垒1 0 = 1 8 0 m p a 一般刚性丝杆选p 】= i o - 丐s = ( 3 6 6 0 ) m p a 把载荷f = 1 0 0 0 k g 和扭矩鸠= 2 2 0 k g c n l 代入式3 4 中得： * o 1 m p a a 】 司见冥强厦远远满足要求。 ( 2 ) 螺纹强度校核 在丝杆螺母机构中，螺纹牙的剪切和弯曲