（测试计量技术及仪器专业论文）电磁振动给料机测试系统的研制.pdf

摘要 电磁振动给料机是一种较新型的自动化设备，具有定量给料、分选、排序等 功能，广泛用于医药、化工、粮食、五金、电子等行业中。随着中国经济的快速 发展，自动化生产设备得到迅速普及，电磁振动给料机行业也蓬勃发展起来。但 国内市场还没有出现能够自动测试电磁振动给料机振动参数的设备，特别是重要 性能参数电磁振动给料机料斗内工件的平均运动速度还没有设备或人员能对其 进行实际测量。为此，本论文设计了一套自动测试系统，能够对工件平均运动速 度和其他振动参数进行测试，以便国内电磁振动给料机厂家对其产品的工作状态 和性能进行评估。 本论文致力于电磁振动给料机测试系统的设计和搭建，测试系统主要的测试 目标是电磁振动给料机料斗内工件的平均运动速度，附带测试一些电磁振动给料 机的其他基本振动参数，如料斗振动频率、料斗振动范围等。为此，论文首先对 电磁振动给料机料斗的振动过程进行了数学建模，理论上分析了料斗和工件的运 动过程，给出了各项参数的计算和测试方法；接着，为测试系统的研制进行了总 体设计；然后，介绍了硬件电路的设计以及加速度传感器的安装方法；接着，介 绍了测试系统的软件设计，包括下位机微控制器固件的设计、u s b 通讯总线的 设计、基于m a t l a b 平台的上位机软件设计；最后，在完成测试系统设计的基 础上，对电磁振动振动给料机的振动参数进行了测试实验。 关键词：电磁振动给料机、振动测试、工件运动、u s b a b s t r a c t e l e c t n i c 啊b 斑t 0 巧b o w l ，免e d e r sa r ean c w 够p eo fa l l t o m a t i ce q u i p m e n t s ， w h i c hc a nf e e d ，s e l e c ta n ds o r tp a l t s t h e yh a 、，eb e e na p p l i e di nf o o dp r o e e s s 主n g ， e l e c 钧n i c s ，a n do t h e ri n d u s 姆f i e l d s w i mt h e 融d e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m y ， a u t o m a t i ce q u i l ) m e 燃ss p r e a dq u i c k l 弘a n dt h em a n u 砝w eo fe l e c 拄o n i cv i 狡a t ( 颦 b o w lf e e d e r si sb o o m i n g ，t o o b u ti nc i v i lm a r k e t s ，i l oi n s t 九l n l e mc o u l dm e a s u r et h e v i b r a t i o np 戤腿e 馏嚣o fe l e c t r o l l i cv i b r a t o 疆b o w lf e e d e 鹅e s p e e l a l l yt h ea v e f a g e s p e e do fp a n si nt h ee l e c t r o n i cv i b r a t o 拶b o w lc a n tb em e a s w e db y 戤l ym a no r i n s t n l m e n t s o ，at e s t i 甥s y s t e mi sd e s i 黜e di nt h i sp 印e r 协m e a s u r e 壤e “e r a 辨s 弦e d o fp a r t sa 1 1 do m e rv i b r a t i o np a r 锄e t e r so fe l e c t l 的n i cv i b r a t o 巧b o w l 传e d e r s 1 1 1 i s t e s t i n gs y s t e 难w i l lb eh e l p f l l l f o rc i v i lm a l l u f a c t u f e r s 论e v 越u a 谂t h e 黯搦瑟a l l d p e 廊n n a n c eo ft h e i rp r o d u c t s t h i sp a p e rc o n c c n 扼a t e so 珏t h ef e s e 鲫c ha 觳dd e v e l o p 糙e 嫩o f 铤懿夥s t e 越f e l e c 仃o n i cv i b r a t o r ) rb o w lf e e d e r t h ei m p o i r t a n tm e a s u r et a 娼e to ft h i st e s t i n gs y s t e m i s 慷ea v e 耀g es p e 醚o fp a 娃s 1 n 稚d i t i o 珏，o l h e fb a s i ev i b r 采i 雌p 觚腿e l e f so f e l e c t r ( ) n i cv i b r a t o r yb o w lf e e d e r sa r em e a s u r e d ，s u c ha st h ef l e q u e n c y 觚dv i b r a t o 巧 e x 搬l s i o no ft l l ee l e e t r o n i cv i b 搬。翠的w l 。am a 魄m o & li se s 油i l 主s k d8 圭蠡域i 蘸也i s p a p e r t h em o v e m e n to ft h ep a n sa i l dt h eb o w la r ca i l a l y z e dt h e o r e t i c a l l y m e t l l o d so f e 蠢c u 量a t 主雌a n dm e a s 瑚ef o f t h ep 赋腿e t e 搭a f e 酉v e 建弧e 魏，穗eo v e 涮ld e s i 黔o f 瓢s t e s t i n gs y s t e mc o m e so u t t h ed e s i 龋o fh a r d 慨a l l dt h ei n s t a l l a t i o no ft h e a c e e l e f a t 醒搬i n t 羚d 毽c e d 疆e r 像eo v e 嘲ld e s 主翳。强es o 凰戳ed e s i 髓o f 箍s 铅始鸳 s y s t e mf o l l o w st l l eh a r d w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h ef i m w a r eo ft h em i c r o c o n t r o l l e r 妇：u s b 孤sd e s i 鲈糖dt 量狞是贼鹋f 娩镊l a b 。忿l 缄，s o m e | | 。x p 碰攥e 搬瓣 c a 埘e do u tt om e a s u r et h ep a r a m e t e r so ft h ee l e c t r o n i cv i b r a t o r yb o w lf e e d e r s k e yw o 蚶s ： e l e 鼬的爨i ev 南斌。猡b o w lf e e d 坟撼i o l l 怒e 鑫s 毽愆撒e 躐， p a 内； m o v e m e n lu s b 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ：筮歪鱼 2 0 0 8 年0 6 月彪日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 2 0 0 8 年0 6 月6 日 第一章绪论 1 1 电磁振动给料机简介 第一章绪论 1 1 1 振动给料机概述 振动给料机是一种利用振动对小型工件进行连续定向送料的装置，广泛用 于食品加工、制药及电子元器件装配等许多生产领域1 3 1 。 其主要优点表现在以下几个方面： 1 机械结构 无需机械传动装置，没有相互摩擦的运动部件，无需润滑，易于维护，故 障少，可靠性高； 2 送料过程 微小的振动送料，没有强烈搅拌、碰撞等现象，故上料平稳； 3 应用 适用范围很广，中小型零件都能适用，特别适用于那些尺寸小、重量轻、 强度低的零件自动上料。 它的缺点有： 1 振动给料机工作过程中有很大的噪声，影响车间的工作环境； 2 不宜输送尺寸和重量较大或有油污、水渍的工件。 目前，国内外生产和使用振动给料机的厂家很多。从激振方式的分类来说， 现在主要有三种，即偏心电机激振、电磁铁激振和压电陶瓷激振f 4 1 。其中，偏 心电机和电磁铁激振应用比较广泛，压电式激振在我国还处在研究阶段，并且 因其振动幅度不大，在生产中的应用受到了一定的限制。就控制与安装的方便 性来说，电磁铁激振比偏心电机激振更为方便，因而电磁铁激振的应用更为广 泛【5 卅。 1 1 2 电磁振动给料机简介 一、分类 电磁振动给料机存在直线料槽往复式和螺旋料槽扭动式两种形式。前者如 河海人学硕士论文 i l l 磁振动给料机测试系统的研制 图1 1 所示，简称为直槽式电磁振动给料机，：f 件沿其料槽作直线滑动；后者 如图1 2 所示，简称为螺旋式电磁振动给料机或振动料斗，带有螺旋槽的圆形 料斗作扭转振动，适合于需要定向排队的i ：件物料的供送。本论文以应用最为 泛的螺旋式f 巳磁振动给料机作为测试和研究对象，下文中提到的电磁振动给 料机都针对这一类设备【7 - 9 】。 幽1 1 赢槽式电磁振动给料机 二、电磁振动给料机的结构 图1 3 为螺旋式 u 磁振 动给料机结构图。料卜1 主 要用来承载物件。其结构随 着被供送的物件不同而不 同。料斗内壁设有螺旋料槽 2 。为了满足不同类型工件高 效率的自动排列和自动定向 的要求，滑道上往往配备相 适应的定向机构或定向元 件。料斗下方借助螺钉及塑 性薄挚片同铝合金托盘9 固 连。目的在于减弱激振电磁 铁对被供送物件的磁化作 用，也便于拆装更换料斗。 托稀借助二根或二三组匀斫j 的 板弹簧3i j 底盘7 同连。采 幽1 2 螺旋式电磁振动给料机 一 盟| | 划缚 忱 ll 划、 羧哔飞( 形名彩入 2 第一章绪论 用这种结构形式有利于减轻主振体重量，增强刚性。托盘与底盘的中间对心部 位还设有激振电磁铁衔铁1 0 及铁心线圈8 。位于底盘下有隔振弹簧6 ，起 减振作用。物件从顶部喂料装置进入料斗【协1 。 三、电磁振动给料机的工作过程 当电源接通，激振电磁铁产生吸力，在电磁铁吸力作用下，料斗偏离静平 衡位置向下移动，并且迫使主振弹簧产生弹性形变，同时料斗绕中心轴线作同 步扭转。当电磁吸力减小时，由于主振弹簧已保存了足够的弹性形变势能，迫 使料斗急剧改变运动方向，并且超越原来的静平衡位置达到某一上限。如此上 下循环往复，即形成高频微幅振动。料斗受迫产生高频微幅振动的结果，使得 与其紧密相连的料斗本身除中心轴线以外的各点都沿着各自的小段空问螺旋线 轨迹进行高频微幅振动，同时促使料斗内被供送物件沿着螺旋料槽的内壁作快 速平稳地相对运动。物件得以沿着料斗螺旋滑道进行自动定向排列，最后逐个 地由排料口排出。 1 2 电磁振动给料机测试技术的应用背景和研究意义 电磁振动给料机的测试技术属于振动测试领域的范畴。振动测试的仪器一 般是激光测振仪。激光测振仪测试振动物体时，要求激光束与振动面垂直，从 而测试出振动物体在激光束直线方向上的振动位移，其测试精度很高，但它无 法测试电磁振动给料机前后方向的振动量，所以不适合用其测试电磁振动给料 机。国内外普遍采用的电磁振动给料机测试方法是在电磁振动给料机料斗上安 装加速度传感器来测试其振动加速度，再对加速度进行积分运算获得料斗振动 的位移和速度，进而分析电磁振动给料机的振动状态。 国内许多学者用加速度传感器测振法对电磁振动给料机进行了大量的研 究，主要是通过实验分析特定的料斗振动参数对电磁振动给料机工作效率的影 响，或是在理论上推导工件在料斗内平均运动速度的计算方法。但是，还没有 人实际测试出工件平均运动速度的值，国内市场上也没有能自动测试并显示电 磁振动给料机的基本振动参数的设备。为此，本论文设计了一套电磁振动给料 机的自动测试系统，以测试电磁振动给料机料斗内工件的平均运动速度为主要 目的，附带测试电磁振动给料机其他的基本振动参数，从而帮助电磁振动给料 河海大学硕士论文电磁振动给料机测试系统的研制 机厂家方便地对其产品进行工作状态和工作性麓评估。无疑，本课题的研究对 中国电磁振动给料机行业的发展有积极的促进作用。 1 3 电磁振动给料机测试技术的研究状况 电磁振动给料机料斗的振动过程是椭圆振动。在研制和测试电磁振动给料机 时，对料斗振动的数学建模有两种方式：一种是严格按照料斗的椭圆振动规律进 行数学建模，获取料斗的椭圆振动参数；另一种方式把料斗的往返振动近似为简 谐振动。基于椭黧振动规律设计的电磁振动给料机麴驱动控制精度高，可以胜任 给料要求比较苛刻的场合，但是，椭圆振动参数的测试相当复杂，目前仅有日本 的三共、神钢及德国豹极少数厂家掌握了合适麴测试和驱动技术，且所有研究资 料均对外保密【1 2 】。目前国内市场上的电磁振动给料机都是按简谐振动规律驱动的 产品，虽然驱动精度不高，但这种产品己笺胜任绝大多数给料任务。所以，本论 文只按料斗的简谐振动规律来测试电磁振动给料机的振动参数。 国内外对毫磁振动给料帆篱谐振动规律的研究墨趋于成熟，积累了大量的经 验和理论。重要的研究有： 1 电磁振动给料枫料斗篱谐振动规律的数学建摸方法盼5 l ； 2 共振对电磁振动给料机给料效率的影响【1 6 _ 1 8 】； 3 工件在绘瓣机料斗内的挞射、滑动、静止的属期运动过程的规律【1 蛆2 l ； 4 工件与料斗螺旋滑道之间的摩擦力对电磁振动给料机给料速度的影响 【2 3 2 毒l ： 5 工件在料斗内的平均运动速度的计算方法【2 5 。3 0 1 。 本论文将在总结前入关于电磁振动给料机料斗简谐振动参数的测试和计算 方法的基础上，测试出工件平均运动速度以及其他一些电磁振动给料机振动参 数，并让它们在p c 机的隘褫器上显示，使用户可以篱单方便地查看。 兰4 论文主要工作 基于大量文献的研究，根据电磁振动振动给料枫的工作原理，结合电磁振动 给料机测试系统研制的软硬件需要，本论文着重解决以下问题： l 。搭建电磁振动给拳萼槐测试系统的硬件平台，包括完成微控制器外围电路、 4 第一章绪论 传感器外围电路、信号放大电路的设计及加速度计的标定、安装工作； 2 设计u s b 通讯总线，实现上下位机的数据传输； 3 分析电磁振动给料机振动参数的测试原理和方法； 4 设计基于m a t l a b 平台的图形用户界面，方便用户的操作和使用； 5 在电磁振动给料机测试系统完成设计的情况下，通过实验查看电磁振动 给料机的振动参数，并对其进行分析。 5 河海大学硕七论文电磁振动给料机测试系统的研制 第二章测试系统总体设计 2 1 测试系统性能要求 本论文所设计的电磁振动给料机测试系统需满足以下要求： 1 通用性强，适用备种料斗直径的螺旋式电磁振动给料机，能测试4 0 4 0 0 h z 频率范围的料斗振动； 2 坝0 试出电磁振动给料机输送工件在料斗内的平均运动速度，其他被测试 并在测试系统显示出来的参数包括：料斗振动加速度、料斗振动升角、料斗振 动频率、料斗振动圆频率、料斗振动的谐振点、料斗的振动范围； 3 遥讯总线速度要在l o o k b s 以上； 4 上位机采用中文图形用户界面，便于操作。 满足以上设计要求，需要解决许多问题。例如：需正确安装和固定加速度 传感器，需保证上下位机的数据传输速度，需接收和处理下位机的数攘，需分 析参数计算方法，需设计图形用户界面等等。 2 2 工件平均运动速度的计算方法 辩斗内工件的运动参数无法直接测量，先建立料斗的简谐振动数学模型， 分析工件在料斗内的运动过程，褥在分析料斗对工件的作用过程的基础上，推 导出工件平均运动速度的计算方法。 2 2 。1 料斗振动过程的数学建模 将料斗螺旋升角为p 的螺旋形料槽展开成料斗升角为p 的斜槽，如图2 1 。斜 槽的搬动是一个椭圆振动，它有两个振动分量，料斗的前蜃振动分量馘( 椭圆 长轴方向) ，料斗的上下振动分量a y ( 椭圆短轴方向) 。为降低料斗振动参数测 试的复杂性，可以把斜横的振动近似为长短轴振动分量合加速度a 方向上的简谐 振动。斜槽按下式运动规律与斜槽面成a 角振动，角度e 【称为振动升角。设料斗 6 第二章测试系统总体设计 的振动位移s 和加速度a 分别为 万 s = 一s 1 n 研 2 砌z 口= 一s l n 缈f 2 式中s 料斗的振动位移； 料斗的振动圆频率； 6 料斗的振动范围； t 时间。 图2 1 料槽的振动示意图 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 2 2 2 工件在料斗内的运动过程 工件在电磁振动给料机料斗螺旋料槽上的运动，包括腾空、滑移、静止三 个不同状态，如图2 2 ：c 阶段，工件与料槽相对静止，随料槽一起振动，当料 槽对工件的弹力n 足够大，能够克服工件的重力时，工件会脱离料斗，延料斗 滑道方向腾空抛出，进入a 阶段；a 阶段，工件沿滑道方向腾空抛射运动，抛 射一段距离后，会向下掉落，重新落在料槽上，进入b 阶段；b 阶段，一开始 由于惯性，工件会继续沿料槽滑行一段距离；由于摩擦力的原因，工件滑行一 段距离后不再滑动，又与料斗相对静止，随料槽一块振动，进入了c 阶段。如 此反覆，工件周期性地相对于料槽腾空、滑行、静止，肉眼看来工件在不断地 沿着料斗的螺旋形滑道向前滑动。 河海大学硕士论文电磁振动给料机测试系统的研制 2 。2 3 工件的运动方程 图2 - 2j r 件在料斗内的运动过程 图2 3 为工件运动至b 阶段，在给料机料稽上向前滑动时的受力示意图。图 中，f m 为料斗与工件之问的摩擦力，n 为料斗对工件的支持力，m g 为工件所受 重力。工件随料斗一起振动的过程简化为简谐振动，振动方程如2 1 式。 料 ! 图2 3 工件在给料机料槽上的受力图 料槽在振动的一个周期中，料槽的振动加速度与s i n t 成正比。振动歼始时， 工件与料槽工作面之间存在着静摩擦力，料槽上的工件随料槽一起振动。幽理 论力学可知，工件惯性力的大小等于工件质量与载体料横加速度的乘积，惯性 力的方向与料槽加速度方向相反。如式2 3 所示，设t 为作用在工件上的惯性 力，则由理论力学可知，工件惯性力疋的大小等于工件质量琳与载体料槽加速 度a 的乘积，且只的方向与料槽加速度方向a 的方向相反。 8 瑟 一露 第二章测试系统总体设计 程为 名：；优车s i n 耐 1 作用在料槽工作面上的正压力为 = m gc o s 一名s i n 口 叫g c o s 卢一譬s i n 洲n a ) 所以，摩擦力为 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 。= 朋( g s 卢一譬s i n 研s i n a ) ( 2 - 5 ) 式中工件与料槽间的动摩擦系数。 设工件相对于料槽的位移为x ，则工件相对于料槽工作面向前运动微分方 历争一i n + 名c o s 仆 ( 2 - 6 ) 式中竺；工件相对于料槽工作面运动的加速度； 出 最工件与料槽工作面之间的摩擦力。 将2 5 代入2 6 ，经整理后得 冬：车s i n 耐( c o s a + 心n 口) 叫s i n + 肿s 卢) ( 2 7 ) 万= 丁s l n 耐( c o s a + s l n 口) 一水n + 肛c o s 卢) ( 2 7 ) 由上式可知，若测试出料斗振动范围d ，料斗振动圆频率，料斗振动升 角a ，工件与料槽间的动摩擦系数，料斗螺旋升角b ，即可确定工件b 阶段在 料槽上的加速度，对其二重积分即可求得工件在b 阶段的滑动距离。工件a 阶 段与料槽相对静止，运动距离为0 。工件c 阶段的抛射距离只要利用工件的运 动方程求出它在抛射时的速度和抛射时间即可，两者乘积即工件的运动距离。 分别求出3 个阶段工件的运动距离后，再对它们求和并除以料斗振动周期t ， 即可得到工件的平均滑移速度y 。 9 河海大学硕士论文 电磁振动给料机测试系统的研制 2 3 参数测试方法 本论文设计的电磁振动给料机测试系统需要获取的参数有：料斗振动加速 度分量、料斗振动加速度、料斗振动升角、料斗振动频率、料斗振动圆频率、 料斗振动谐振点、料斗振动范围、料斗螺旋升角、工件在料斗内的平均运动速 度等等。其中，料斗振动加速度分量a x 和a y 、料斗长度l 、料槽上升高度h 可 通过直接测量获得，其他参数则通过间接测量获得。 一、直接测试的参数 1 料斗振动加速度分量a x 和a y 通过测试系统直接测试获得的参数只有料斗振动的加速度分量a x 和a y ，如 图2 1 所示。图中，a x 为料斗前后振动的加速度，其方向平行于料槽滑道向上； a y 为料斗上下振动的加速度，其方向垂直于料槽向上。测试a x 和a y 的加速度 传感器安装在给料机料槽滑道上，随料斗一起振动。 2 料斗长度为l ，料槽上升高度为h 在计算料斗内工件的平均运动速度时，要知道料斗螺旋升角b ，如图2 1 所示。若电磁振动给料机厂家不提供该参数，则用户需要基于料斗的长度l 和 高度h 根据三角函数计算出该参数。获取l 和h 的方法是：用细线在料斗螺旋 滑道量取料斗螺旋滑道的总长度，用直尺测出长度值l ，用数字游标卡尺测出 螺旋滑道的高度增量h 。 二、间接测试的参数 1 料斗振动加速度a 测得a x 和a y 后，基于平行四边形法则即可求得其合成加速度a ，即料斗振 动加速度，如图2 1 所示。料斗振动加速度a 的大小如式2 - 8 。 a = 口2 + 口r 2 ( 2 8 ) 加速度a 的方向用料斗振动升角0 【来衡量。 2 料斗振动升角q 料斗振动升角0 【是料斗振动加速度a 与料槽的夹角。通过己测料斗在前后 和上下方向的振动加速度a x 和a y ，可先计算出它们的正切，然后利用反三角 函数求出料斗振动升角，如式2 9 。 l o 第二章测试系统总体设计 a = a r c t a n ( a x a y )( 2 - 9 ) 3 料斗螺旋升角b 设测量料斗螺旋滑道总长度为l 料槽上升高度为h ，则 t a n b = d h d l 则 t a n b d l = d h 两边积分得t a i l b l = h 即b = a r c t a n ( 1 l l ) ( 2 - 1 0 ) l 和h 的测量方法如前面所述。 4 料斗的振动范围d 对料斗振动加速度进行积分，得到料斗的瞬时速度，再对料斗瞬时速度进 行积分得到料斗的振动位移量。料斗振动过程中j 下负最大位移之问的距离即为 料斗的振动范围。 5 料斗振动频率f 、圆频率 由于料槽的振动加速度与s i n t 成正比，所以测试出加速度传感器输出信 号的频率即测出了料斗的振动频率。测出料斗振动加速度分量a x 两个相邻最大 值出现的时问差为半个振动周期，即o 5 t 。振动频率仁1 厂r ，圆频率= 2 p f 。 6 料斗谐振点f o 通过扫频的方式，让驱动控制器以由低到高的频率的同功率信号驱动电磁 振动给料机，测试系统计算出各振动频率下料斗的振动范围d ，最大振动范围 对应的频率即为料斗的谐振点。 7 工件的平均运动速度y 工件与螺旋滑道的动摩擦系数是一经验参数，螺旋滑道钢材取= o 2 1 。当 d 、a 、b 、“均已知或测出后，工件在料槽上向前滑动的运动方程即被固定 并已知了。 f m = m g s i n a 时，工件处于相对料斗静l j 二与滑动的临界状态，根据这一条 件可以求出b 、c 阶段的时问分界点。 n = m g c o s a 时，工件处于腾空运动的临界状态，根据这一条件可以求出c 、 a 阶段的时间分界点。 当工件腾空后下落高度等于料斗振动高度时，工件处于腾空与滑动的临界 河海大学硕士论文电磁振动给料机测试系统的研制 状态，根据这一条件可以求出a 、8 阶段韵时闻分界点。 求出a 、b 、c 时间分界点后，分段求出工件在相对料槽的运动距离：c 阶 段，工件相对料斗静止，相对位移为o ；a 阶段内工件抛射距离大约等于工件 j 2 ， 延螺旋滑道方向腾空速度分量乘以a 阶段时闻长度；b 阶段，对兰；在b 嚼 盘 间段上两次积分得到该阶段工件的滑移距离。 2 4 测试系统的设计方法 2 4 1 测试系统的结构 电磁振动给料视测控系统结构如图2 4 所示。该测控系统宙加速度传感器、 滤波、放大电路、a d 转换器、微控制器、u s b 设备以及p c 机组成。 图2 4电磁振动给料机测控系统结构框图 在所设计的电磁振动给料规测试系统中，加速度传感器选用a n a l o g 公司 的m e m s 芯片a d x l 2 l o 。该加速度度计有x 、y 两个加速度轴，1 个芯片可以同 时测到给料机前后、上下振动的秀弱速度分量。它的加速度测量范围是l o g ，一 般电磁振动给料机的振动加速度不会超过l o g ，否则料斗下的支撑弹簧会因为 剧烈振动丽损坏。 加速度传感器后接通用运算放大器。其放大精度需远远高于加速度传感器 的精度，信号跟随速度要满足l 澉h z 频率以内的信号放大。本论文中，选用 l m 3 5 8 实现对加速度传感器输出信号的放大。该i c 内部集成了两个运放，正好 1 2 第二章测试系统总体设计 用来同时放大料斗振动的两个加速度分量的测试信号。该运放可以由单电源供 电，无须为运放设计正负双电源。 电磁振动给料机最高振动频率为4 0 0 h z ，若一个振动周期内对信号作1 0 0 次 采样，则a d 采样速率必须达4 0 l ( s 。对于1 0 位的a d 采样，每次采样要用2 字节存 储，每秒将会生成8 0 k b 的数据，p i c l 8 f 4 5 5 0 内部总r a m 量为2 k ，这些数据只能 迅速上传给p c ，否则会溢出。p c 上串口传输的最高传输能力一般不会超过 l o k b s ，速度太低，满足不了设计需求。u s b 总线通讯速率很高，而且自带硬 件校验功能，适合电磁振动给料机工作的工控场合，所以测试系统中的通讯总 线选择u s b 总线。 微控制器选用美国微芯公司( m i c r o c h i p ) 的p i c l 8 f 4 5 5 0 ( 简称p i c 单片机 或p i c ) 。p i c l 8 f 4 5 5 0 是微芯公司的高档8 位单片机产品，采用类对s c 指令系 统，在保持低价格的前提下增加了刖d 转换器、内部e e p r o m 存储器、比较 输出、捕捉输入、p w m 输出、1 2 c 总线和s p i 总线接口电路、异步串口通信接 口电路、c a n 总线接口电路、模拟电压比较器、u s b 设备模块、可读写f l a s h 程序存储器等许多功能，可以方便地在线多次编程和调试。由于该控制器内部 集成一个1 0 位精度的d 转换器和一个全速u s b 设备模块，所以测试系统不 必增加专用的，d 和u s b 芯片，大大降低了成本并减少了硬件电路的复杂性。 本测试系统p c 上的软件平台选用m a t l a b 。数据接收、数据处理、参数计 算、曲线绘制、图形用户界面控制等工作均用m a t l a b 编程实现。 2 4 2 测试系统的作用过程 本论文设计的测试系统的作用过程如图2 4 ：加速度传感器把给料机料斗的 振动加速度信号转化为电压信号输出，经滤波、放大后，由a d 转换器把电压模 拟量转化为数字量交给微控制器。微控制器不断地通过a d 转换器采样加速度信 号，并缓存起来，适当的时候通过u s b 设备把采样数据上传给p c 。p c 对这些数 据进行处理，就可以分析并计算出测试系统所要测试的各项参数。测试结果通 过监视器直观地显示出来。通过键盘可以向测试系统手动输入一些参数。 河海大学硕士论文 电磁振动给料机测试系统的研制 第三章测试系统硬件设计 电磁振动给料机测试系统的硬件电路划分为传感器模块、信号放大模块、 微控制器模块3 个部分。每个模块都被设计在独：逆的电路板上，料斗上就只用 安装质量较小的传感器模块，从而消除了其他器件质量对料斗振动惯性的影响。 图3 1 、3 2 为信号放火模块、微控制器模块的照片。 图3 1 信号放人模块照片图3 2 微控制器模块照片 3 1 传感器模块 3 1 1 传感器的硬件电路设计 传感器模块是一个很小的p c b 板，仅有a d x l 2 1 0 芯片及其外围电路，其 电路如图3 3 。传感器的+ 5 v 电源由从信号放大模块接驳的导线直接引入。1 3 、 1 4 脚为传感器芯片供电针脚，+ 5 v 电源串联一个铁氧磁珠i q 后给芯片供电，i q 用来抑制高频的噪音，旁边再并联个1 0 0 n f 的瓷片电容进一步平滑电源的噪音。 4 、7 针脚为信号地。x f i l t 、y n l t 针脚分别为加速度传感器x 、y 轴的加速度信号 输出，在：芯片内部x 锄、y 锄的针脚上各自串联了一个3 2 k 0 的电阻，与外接的 c q 2 和c q 3 形成r c 低通滤波环节。x f i l l 、y 肌针脚上信号的杂散噪音大小与信 号带宽有关，带宽越大，噪音越大，调整c q 2 和c q 3 的大小就可以控制带宽。 料斗振动信号最高频率为4 0 0 h z ，欲让它的5 次谐波2 k h z 信号也能通过，要把 截止频率设在2 k h z 以上，根据数据手册的带宽调整公式，c q 2 和c q 3 选用 第三章测试系统硬件 最计 2 2 n f 瓷片电容( 3 d b 截止频率) 。9 、1 0 两脚是本应用中没用到的数字信号输 出，都悬空。2 针脚按数据手册必须悬空。针脚3 是自检功能针，当它连接到 v d d 时，如果芯片工作正常，9 、1 0 两脚会输出3 占空比的方波信号，平时不 用可以让它们悬空。针脚5 接5 0 0 k 1 m o 的电阻。c n t 4 c q 为模块之间的导 线连接端口【3 1 3 2 1 。 制成的传感器模块是一块小p c b 板，p c b 尺寸为1 7 1 9 0 5 ( m m ) 。 一 4 n c v t p s t c o m t 2 n c c o m a d 3 1 2 加速度传感器的标定 图3 3 传感器模块电路 根据数据手册，传感器0 9 时输出模拟电压信号为v d d 2 。则+ 5 v 供电时， 0 9 对应2 5 v ，但实际上a d x l 2 1 0 在0 9 的输出电压并不是精确的v d d 2 ，而 是存在一定偏差，而且每个传感器偏差不同，所以，在应用中必须标定所用传 感器的0 9 输出。 标定时，传感器模块的p c b 板背面用烙铁头和木工刀刮平多余的焊锡后， 正面朝上平放在一个开口的小塑料方盒中央，再找一个大扁形盒充当水槽，把 塑料盒浮在盛水的水槽中。这时如给传感器供电并测出x 、y 轴的输出，即得 到该传感器0 9 加速度时的信号输出量。用数字力用表优利德u t - 5 8 e ( 4 位半 精度) 实测传感器供电电压为4 9 7 v ，x 轴0 9 输出电压为2 5 4 1 v ，y 轴0 9 输 出电压为2 5 4 0 v 【3 3 1 。 河海大学硕士论文电磁振动给料机测试系统的研制 3 1 3 加速度传感器的安装 传感器模块的p c b 叛有一条焊接边，正反两面都是焊锡层，可以上锡。安 装加速度传感器时，用到了一个正面带方槽的厚方形钢板，方槽缺口深度为焊 接边宽度的一边，把p e 转板的焊接边的一半插入方槽，外露的另一半通过上锡 把p c b 板牢牢固定在钢板上，再把钢块的反面贴在滑道上，用电焊枪把钢板牢 牢固定在料斗滑道上。加速度传感器安装完成后，加速度传感器的x 轴感应辘 平行于料槽滑道面向上，y 轴感应轴垂直于料槽滑道面向下。 3 2 信号放大模块 信号放大模块上主要是运放电路，负责把传感器模块输出的信号放大，它 与传感器模块之闻用细的导线相连，为了防止导线过长带柬的于扰，两个模块 应靠得尽量近。如前所述，在传感器内部每个信号输出针脚集成了一个3 2 k q 电阻，如果负载电阻太小，信号电压就会分压在3 2 娩电阻上。在依号输出后 面加一级运放不仅可以放大信号，还能把传感器的输出电阻提高到无穷大，从 蠢可以忽略信号在3 2 k 电阻上的分压。信号放大模块电路如图3 4 ：l 狱3 5 8 运 放用+ 1 0 v 的单电源供电。同时，7 8 l 0 5 把1 0 v 稳压成+ 5 v ，通过细导线给传感 器模块供电。传惑器的信号输出经细导线通过c n 戳沁插座接驳到信号放大模 块，l m 3 5 8 芯片内部的两个运放同时放大传感器x 、y 轴输出信号。x 轴输 警信号接到一个运放鲶图相输入端，运放反向输入端是t 4 3 l 稳压后经电阻 r b 2 接入的2 5 v 基准电压( 1 精度) ，运放输出经l k q 反馈电阻接入反向输 入端构成一个负反馈。信号放大器的输入与输出关系为 v o u t 一2 v i n - 2 5 v y 轴信号放大过程与x 轴完全相同。放大后的信号通过插座c n 聪谬2 上的 屏蔽线接驳到微控制器模块被a d 采样。 1 6 第三章测试系统硬件设计 3 3 微控制器模块 图3 - 4 信号放大模块电路 微控制器模块电路如图3 5 。考虑到加速度传感器非常昂贵，为防止它烧 毁，传感器与p i c 的+ 5 v 电源各自独立。由于微控制器模块的+ 5 v 电源同时又 是a d 参考电压，为提高a d 精度，+ 5 v 电源由高精度三端稳压模块l m 3 1 7 稳 压输出。l m 3 1 7 输出电压大小由可调电阻r 。i 控制，配合4 位半精度的数字万 用表u t 5 8 e 可得到精度很高的+ 5 v 电源。j t k 插座是p i c 的5 针在线调试和 烧写口，与在线仿真器i c d l 3 4 】相连。j t k 第一针v 阳是编程电压针脚，同时它 又是p i c 的复位针脚，它与第二针+ 5 v 电源之间串联一个1 0 k 的复位电阻，当 微控制器模块上电时，让p i c 上电复位。p g d 针脚是编程数据针脚，p g c 是编 程时钟针脚。p i c 的3 1 和3 2 脚间接2 0 m h z 的石英晶振，根据芯片手册，晶振 两边的电容为2 7 p f 的瓷片电容。p i c 的r b 3 r b 6 针脚分别驱动发光二极管 d 1 、d 2 、d 3 、d 4 ，这些发光二极管提示u s b 设备在u s b 总线上枚举过程的 状态。u s b - j a c k 是b 型u s b 插座，u s b 线通过它把微控制器模块和p c 相连。 p i c 的4 2 、4 3 分别是内部集成u s b 模块的d 、d + 数据线，与u s b 插座的对 应针脚相连，这两条导线在p c b 板上应布等长且等距的蛇形线，否则p c 有可 能不能正确识别u s b 设备。p i c 的3 7 针脚是p i c l 8 f 4 5 5 0 内部的3 3 v 稳压器 1 7 c b 3 l o o n f 河海大学硕士论文电磁振动给料机测试系统的研制 输出端，为保证u s b 模块工作电压的稳定，该针脚接一个3 3 0 旺的贴片钽电容 r 0 为d + 的上拉电阻，帮助u s b 总线识别u s b 设备的低速全速的速度特性。 x i n 和y i n 分别为经运算放大器放大过的加速度传感器x 、y 轴加速度信号。x i n y i n 再经一级r c 滤波后分别输入微控制器上a d 模块的a n o 、a n l 采样通道 r c l 针脚用来产生周期方波，作用见4 1 3 节。 图3 5 微控制器模块电路 1 8 第四章系统的软件设计与实现 第四章测试系统的软件设计与实现 测试系统的软件设计包括3 个部分：下位机微控制器的固件丌发，上下位 机实现通讯的u s b 总线设计，上位机基于m a t “墟平台的软件设计。 4 1 下位机微控制器的固件设计 测试系统下位机p i c l 8 f 4 5 5 0 内的固件开发，在m i c r o c h i p 提供的m p l a b l d e 集成开发环境下进行【3 5 】。m p l a bi d e 支持汇编和c 语言，由于c 语言具 有可读性强、代码安全性高、程序开发周期短的优势，本论文下位机固件代码 用c 语言编写。 4 1 1m p l a bi d e 集成开发环境 m p l a bi d e 软件为8 1 6 位p i c 单片机提供了易于使用的软件丌发平台， 是基于w i n d o w s 操作系统的应用软件。该软件的功能非常强大，它包括：一个 包含所有调试工具的图形界面，具有彩色上下文代码显示的全功能编辑器，多 项目管理器，内容可直接编辑的可定制式数据窗口，高级源代码调试，可视化 器件初始化程序，便于进行寄存器的初始化，集成了可选的第三方工具。 论文所用的m p l a bi d e 版本是m p l a bi d ev 7 6 。 4 1 2c 编译器选择 m p l a bi d e 集成开发环境自带p i c 汇编编译器，但不自带c 编译器，进 行c 语言丌发，必须安装c 编译器插件。现在支持p i c l 8 系列微控制器的c 编 译器共有三个，按性能排列依次足：h i t e c h 公司的p i c c l 8 ；m i c r o c h i p 公司 的m p l a bc 1 8 ；认r 公司的c 编译器。队r 的c 编译器代码生成效率很低， 而且该编译器有很多b u g ，不予采用。m p l a bc 1 8 的c 代码生成效率较p i c c l 8 编译器稍弱，但p i c c l 8 的中文资料很少，而m i c r o c h i p 公司为m p l a bc 1 8 编 1 9 河海大学硕七论文 电磁振动给料机测试系统的研制 写了大量的中文官方文档，不仅能使开发者快速入门，亦麓帮助开发者深入理 解编译器。如用p i c c l 8 开发下俄机，适应周期必然延长，增加风险，所以论 文选择m p l a bc l8 【3 翻编译器开发下位机鲍c 代码。 论文所用c 编译器版本为：m p l a bc 1 8v 3 o 。 4 1 3 固件程序 下位机微控制器内的固件分成主程序和中断程序两部分。 一、主程序部分 如图4 1 为p i c 主程序的流程示意图。主程序每次循环开头均清一次看门 狗的计时器，接着判断u s 3 总线有无上位机发来的数据包。该数据包郄为上健 机发给下位机的命令包。数据包格式如表4 1 。第一字节是帧头。若帧头不对， p l c 则认为浚数据包不合法并丢弃。数据包第l 2 字节为采样点数参数；第三 字节为采样通道参数，0 x o o 、0 x o l 、0 x 0 2 分别表示要求p i c 采样a n o 单通道， 采样a n l 单通道，同时采样a n o 和a n l 双透道；4 5 字节是a d 采样周期参 数。接下来，主程序判断是否有数据发送任务，如有发送任务且u s b 总线空闲， p l c 会粑发送数攥放到u s 8 发送缓冲区( u s 转r a 鹕，但并不立刻进行数据发送， 只是置起请求标记，真正执行u s b 发送数据任务的是u s b 通讯服务函数 u s b d 纛v e f s e r v i e e ( ) 。 u s b 通讯服务函数u s b d r i v e r s e r v i c e ( ) 是真j 下执行u s b 总线驱动的程序， u s b 设备斡枚举、总线握手、数据l 国等所有通讯饪务都在此模块中进行。 主程序执行完u s b 通讯模块，跳转，重新开始下次循环。 二、中断程序部分 p i c l 8 f 4 5 5 0 器件提供多个中断源及一个中断优先级功能，可以给大多数中 断源分配高优先级或者低优先缀。高优先级中断向量地址为q 0 0 鼹，低优先级 中断向量地址为0 0 1 8 h 。论文中断程序共有两个中断源：t m r 0 时钟中断和a d 模块中断，全部设为高优先级。阕一优先级中，中断程序樱据中断括恚位判断 中断来源，t m r 0 中断标志为t m r o i f ，a d 模块中断标志位为a d i f 。 2 0 第四章系统的软件设计与实现 圈4 1p l c 主程序流稃示意图 2 l 河海大学硕士论文电磁振动给料机测试系统的研制 表4 1u s b 接收的数据包格式 鼙鑫掌节繁l 一一2 譬繁蘩3 字麓箦皤5 掌赘 采样点数 采样通j 蘸数a d 周期 帧头( o x 4 0 ) ( 0 x o o o x f f f f )( o x o x 0 2 )( o x o 0 0 0 o x f f 卡f ) p i c 中断程序简单的流程示意图如图4 。2 所示：t m r o i f m l 时，响应t m r o 模中断。t m r 0 中断处理程序中，定时参数被装载，以控制a d 采样周期，定 时参数不变，则a d 采样周期不变，即各采样点之间在时间上等距。翻转r c