（测试计量技术及仪器专业论文）锥面活塞环自动分选机软件系统的研究.pdf

叫川i 入学坝 论文 x 6 5 43 2 7 锥面活塞环自动分选机软件系统的研究 测试计量技术与仪器专业 研究生：张印强指导教师：蒋大文 活塞环是内燃机上的关键零件之一，其参数的测量要求也很严格。锥面活 塞环的锥度就是锥面活塞环一个重要的检测参数，因此，快速、准确地测量锥 面活塞环的锥度值是一项很重要的： 作。锥面活塞环自动分选机就是能快速测 量锥面活塞环的锥度值，判别其锥度方向，并根掘测量结果把活塞环自动分选 的一种智能仪器。 论文主要论述了锥面活塞环自动分选机的研究。首先，简述了锥度测量常 用的方法及锥面活塞环锥度检测的现状；其次，概述了仪器的测量原理及：【：作 原理，根据具体的测量要求，提出了仪器的整体结构方案，着重论述了各机构 的选取；并重点论述了仪器的测量软件的设计。仪器软件设计主要有两部分： 上位机软件设计部分和下位机软件设汁部分。下位机根据上位机发送的命令完 成测量过程中的落判、进料、测量等动作，并将传感器测量的结果发送给上位 机，供其进行数据处理，同时下位机软件还具有故障诊断、故障处理等功能。 上位机软件提供具体的操作界面，将操作者的操作命令发送到下位机进行具体 的测量或调整，并对下位机回传的数据进行数据处理，最终将结果显示，同时 上位机还具有图形显示、打印、数据保存等功能。对自动分选机还进行了相关 的实验，并对实验结果进行了处理和分析，以确定仪器是否满足设计的要求。 经过实验，本仪器各项技术指标均达到设计要求，仪器的测量软件完全能 下确地实现测量过程的运动控制、数据采样和处理、图形显示和分析、报警及 故障处理等功能。 关键词：活塞坏自动分选机锥度软件设计 川人学颂卜论文 r e s e a r c ho ns o f t w a r e s y s t e m o ft h e a u t o s e p a r a t i o nm a c h i n e w i t ht a p e rp i s t o nr i n g m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g i e sa n di n s t r u m e n t g r a d u a t e ：z h a n gy i n q i a n ga d v i s o r ：j i a n gd a w e n p i s t o n r i n g i so n eo f i m p o r t a n tp a r t s o fi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e s a c c o r d i n g l y ，t h e r e i ss t r i c t r e q u e s tt o t h em e a s u r eo fi t sp a r a m e t e r s t h ec o n i c a l d e g r e e i sai m p o r t a n tp a r a m e t e ro ft a p e rp i s t o n r i n g ，s oi ti s v e r yi m p o r t a n tt o m e a s u r et h ec o n i c a ld e g r e eq u i c k l ya n da c c u r a t e l y a u t o s e p a r a t i o nm a c h i n e o f t a p e r p i s t o nr i n g i st h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tw h i c hc a nm e a s u r et h ec o n i c a ld e g r e ea n d t h ec o n i c a ld i r e c t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，i tc a t la l s oa u t os e p a r a t et h ep i s t o n r i n g t h ep a p e rd i s c u s s e sm o s t l yo fr e s e a r c ht oa u t o - s e p a r a t i o nm a c h i n eo ft a p e r p i s t o nr i n g f i r s t l y ，i ts t a t e dt r a d i t i o n a lm e a s u r em e a n s o fc o n i c a ld e g r e e ，a sw e l la s r e s e a r c h i n gl e v e l o nc o n i c a ld e g r e em e a s u r e m e n to ft a p e r p i s t o nr i n gi n s i d ea n d o u t s i d e s e c o n d l y ，i ts u m m a r i z e st h em e a s u r i n gp r i n c i p a la n dw o r k i n gp r i n c i p a lo f t h em a c h i n e i ta l s od e s c r i b e saw h o l ed e s i g nf r a m ea b o u tt h ei n s t r u m e n to nt h e b a s i so ft h e c o n c r e t e l yr e q u i r i n g w h i c h e m p h a s i z e s o nt h es e l e c t i o no ft h e m e c h a n i s m t h i r d l y ，t h ep a p e re m p h a t i c a l l yd i s c u s s e st h es o f t w a r ed e s i g n t h e r ea r e t w o p a r t so f t h es o f t w a r e ：s y s t e ms o f t w a r er u n n i n gi nt h et o pc o m p u t e ra n ds o f t w a r e r u n n i n g i nm i c r o c h i p c o n t r o l l e r a c c o r d i n g t h ec o m m a n df r o ms e r v e r ，t h em i c r o c h i p c o n t r o l l e ri m p l e m e n t st h er a t i o n a la c to fd r o p p i n g ，d e l i v e r i n g ，m e a s u r i n ga n df e e d s b a c kt h ed a t ao fs e n s o r st os e r v e rf o rd a t a - p r o c e s s i n g m o r e o v e gt h em i c r o c h i p c o n t r o l l e ra l s of e a t u r e db ye r r o rd i a g n o s i n g ，e r r o rp r o c e s s i n g w i t ht h ec l e a ns u r f a c e t h es y s t e ms o f t w a r er u n n i n gi nt h et o pc o m p u t e rs e n dt h ec o n c r e t ec o m m a n dt o m i c r o c h i pc o n t r o l l e r f o rm e a s u r e m e n to ra d j u s t m e n ta n dp r o c e s s e st h es a m p l i n g d a t af e e db a c k b ym i c r o c h i p c o n t r o l l e ra n d d i s p l a y st h em e a s u r i n g r e s u l t ，t h es e r v e r 旦坐l 奎兰堡! ：丝苎； a l s of e a t u r e db y c h a r t d i s p l a y i n g ，p r i n t i n g ，d a t a s a v i n g f i n a l l y , a f t e re x p e r i m e n t i n g w i t ht h e i n s t r u m e n t ，w ed e a lw i t ha n da n a l y z e dt h ed a t at o e n s u r ew h e t l l e rt 1 1 e i n s t r u m e n tm e e t st h ed e s i g n i n g r e q u e s t t h e e x p e r i m e n t i n g r e s u l ti n d i c a t e st h a t a l l t e c h n i c a l 。n d i t i o n s a p p e a s e s r e q u e s t t h er e s u l ta l s oi n d i c a t e st h a tt h es y s t e ms o f t w a r ec a ns u c c e s s f u l l vc o n t r o l t h ew h o l e p r o c e s so ft h em e a s u r e m e n t ，a n di m p l e m e n tt h ef u n c t i o no f d a t a a c q u i r i ng ， d a t a p r o c e s s i n g ，c h a r t _ d i s p l a y i n g ，a n a l y z i n g ，w a r n i n ga n de r r o r - p r o c e s s i n g k e yw o r d s ：p i s t o n r i n g ，a u t o s e p a r a t i o nm a c h i n e ，c o n i c a ld e g r e e ， s o f t w a r ed e s i g n 1 1 1 四川大学坝i 论文 l 绪论 1 1 课题的目的和意义 汽车产业是我国“十五”期间及2 0 1 0 年远景规划的重点发展产业之一， 在国民经济中占有很重要的地位。加入世界贸易组织后，国内企业为了在激烈 的市场竞争中发展、壮大，也丌始改变以往“重生产，轻检测”的态度，日益 重视产品的质量管理，力求从各个方面与国际并轨，而更好地实现汽车关键零 配件及其检测仪器的国产化也成为我国汽车配件生产厂家长期追求的目标。 活塞环是发动机的关键零部件之一，其质量直接关系到发动机的性能及 寿命，相应地对其检测参数的测量要求也很严格。国际著名的活塞环企业如德 国格茨公司( g o e t z e ) 、同本理研公司( r i k e n ) 产品多、规模大，检测仪器 齐全，而且可以自动检测，自动记录，而国内活塞环产品检测手段较差，自动 检测较少，并且检测精度较低，大部分工厂检测仪器的品种不全，数量少，不 能进行全部项目的检测”1 。过去，国内活塞环企业通常采用轮廓仪、显微镜来 确定锥面活塞环的锥度及锥度方向，效率低下，任务繁重。基于这种现状，本 系成功研制出了锥面活塞环自动分选机，但原有的控制系统以单片机为核心， 其数据存储及数据处理能力较弱，并且系统功能的扩充受到限制，有待改进。 因此，本课题主要对锥面活塞环自动分选机的软件系统做进一步的研究，使仪 器功能更加完善。锥面活塞环自动分选机在一定程度上为活塞环生产厂家参与 市场竞争、丌拓市场提供了有力的质量保证，具有较高的实际意义和经济价值。 1 - 2 被测参数与测量方法 在进入实际课题设计前，我们有必要了解仪器的检测参数，以及相关的测 量方法，通过调查分析，从而确定测量方案，在此基础上完成具体的设计工作。 现将被测参数与测量方法简述如下。 12 1 被测参数 本仪器检测的参数是锥面活塞环的锥度值，要求能判别锥面活塞环的锥度 方向，并根据其锥度值将锥面活塞环分为合格、反面、超差三类。锥面活塞环 锥度的评定用的是半锥角，半锥角的定义如图( 1 1 ) 所示： 四川大学硕士论文 q 圈1 1 即锥面环外圆面素线与基准面垂线间的夹角0 【。 1 2 2 锥度测量的常用方法 圆锥形零件出于安装定位的快速准确，零件间结合的可靠性和密封性，在 机械工业和航天航空工业得到广泛的应用。圆锥配合是常用的典型结构，它具 有较高的同轴度，间隙和过盈可以自由调整等优点”3 。人们对它研究的历史比 较长久，应用技术也比较成熟。同样，锥度测量的研究也经历了比较长的时间， 测量方法多样。早期人们主要利用一些简单的量具如量块、指示表、圆锥量规 等进行手工操作。现在，人们开始使用各种专用的锥度测量仪器或借助三坐标 机等没备进行精密测量，其中利用三坐标机可以完成空间任意方位圆锥度误差 的测量和评定，定量反映圆锥零件的整体形貌，实现圆锥零件形状误差的高精 度测量“。手工操作简单易用，主要是早期应用于生产车间的零件检验，虽使 用的检洲设备简单，但对操作者要求较高，如果零件检测量巨大，很容易使操 作者疲劳，从丽造成较大的误差，并且检测效率低下。随着计算机技术、电子 电路技术的不断发展，专用锥度测量仪开始出现，如用于量值传递的锥度比较 仪”f 、面简单介绍一下锥度测量的常用方 法。 1 用圆锥量规测量 圆锥量规用以检验内、外锥体工件 的锥度和基面距偏差。检验内锥体用锥度 塞规，检验外锥体用锥度环规。圆锥塞规 的结构型式如图1 2 所示。圆锥结合时， 般对锥度要求比对直径要求严格，所以 用圆锥量规检验工件时，首先应用涂色法 圈1 2 检验工件的锥度。用涂色法检验锥度时，要求工件锥体表面接触靠近大端，接 触长度不低于国标的规定：高精度工件为工作长度的8 5 ；精密工件为工作长 叫j 1 1 人学顺一l 论文 度的8 0 ：普通工件为工作长度的7 5 。 图13 外圆锥锥度 检测仪 市场上现在很多高精度锥度测量仪都是 通过与标准件( 锥度塞规或锥度环规) 比较， 将被测锥体给定位置的锥度偏差通过传感器 传递出来的。哈尔滨量具刃具厂的数控刀柄 外圆锥锥度检测仪就是采用该原理研制的， 基本工作原理见图1 3 所示。刀柄外圆锥锥 度的检测，采用与已标定锥度量值的标准圆 锥量规相比较，用高精度w $ 1 6 型智能化多头 测微仪采集锥度偏差值并进行数据处理。检 测叫，首先设置w s l 6 型智能多头测微仪的小 数点位数和公差带，然后输入标准圆锥量规 的锥度偏差值。升起顶尖，放入标准量规， 落下顶尖，将标准量规支承在支承套的三个 支承筋上，这时测微仪显示的数值为标准圆 锥量规的锥度偏差值。若显示无误，可以认 为整套测量装置调整准备完毕。升起项尖， 取出标准圆锥量规。然后按上述装夹方法放 入被测刀柄，在w s l 6 型智能多头测微仪上读取锥度偏差值，如偏差值超出公差 带，测微仪提示超差。“3 2 用平台测量 平台测量是用平板、量规 、正弦尺、指示表和滚柱( 或 钢球) 等常用计量器具组合进行 测量。这种测量方法的特点是测 量与被测角度有关的线值尺寸， 通过三角函数计算出被测角度 值”3 。正弦尺是锥度测量常用的 计量器具，分宽型和窄型两类， 曩 图1 4 每种型式又按两圆柱中心距l 分为1 0 0 m m 和 四川大学硕士论文 2 0 0 m m 两种，其主要尺寸的偏差和工作部分的形状、位置、误差都很小。在检 验锥度时，不确定度为1 5u m ，通常测量公称锥角小于3 0 0 的锥度。 测量前，首先按下式计算量块组的高度( 图1 4 ) 。 h = l xs i n 口( 1 1 ) 式中口一圆锥角： 一正弦尺两圆柱中心距。 然后按照图1 4 所示进行测量，如果被测的圆锥角正好等于公称值，则 指示表在a 、b 两点的指示值相同，即锥角上母线平行与平板工作面；如果被 测角度有误差，则a 、b 两点示值必有一差值，对测量长度之比即为锥度误差。 a c = ( 1 2 ) 如换成锥角误差时，可按下式近似计算： a ( 叫：a c 。2 1 0 s ：2 1 0s 旱 ( 秒)( 1 3 ) f 3 用量块和钢球简单测量 我们测量锥度，需要用四块量块( 两对量块，每一对中的两个量块是相同的， 但两对量块之间彼此不同) 。将量块标以代号g 1 ，g2 ；g 3 和g 4 。gi 、g 2 是一 对，它们是相同的( g1 = g 2 ) ，g 3 和g 4 也是相同的( g 3 = g 4 ) ，但g ig 2 g3 g 4 另外，测量一个锥度需要四颗钢球，它们的尺寸均相同。测量装置如图1 5 所 示。该装置的尺寸h | h 2 ，d i 和d 2 是可以测量的( 图1 6 ) ，随后将测量装置 图1 ，5 b g 1 g 2 图1 6 四川= k = 学硕士论义 图简化，得到等效图形( 图1 7 ) ，图中三角形的高为 ( h2 一hi ) ，底为( d2 d 1 ) 。我们己将装置图简化成了等 效三角形，同时也知道从三角形的顶点到底边的线段 是垂直底边的( 即三角形的高) ，并平分了角度0 。由 此，我们可以说角度e 2 的匝切为三角形底边之半 除以高，或t a n 0 2 = ( d 2 一d i ) 2 ( h2 ，h i ) 。”i 此法的优点是：量块和钢球可以组成任意锥度的 测量装置，而锥度规仅适用于测量某一固定锥度。 4 用扫描法测量 d2 一d l 卜一 囤1 7 h ，一h 扫描法测量时，测头在被测圆锥面上连续移动，由传感器得到一系列与被 测锥度有关的线值尺寸，最后通过直线拟合的方法计算出被测锥度值。基本原 理如图i 8 。x 方向上的位移由传感器l 测量，z 方向上的位移由传感器2 测量。 测量时，传感器记下一系列值x 。，z ，i = 0 ，1 ，n 。用直线z = b o + b x ，去 拟合这些点，由公式口= a r c t g b ，算出锥度值。对于普通锥面活塞环进行检测时， 出于活塞环的锥度很小，很难用肉跟分辨其锥度方向，过去常用显微镜下判别， 效率低下”1 。在此，我们采用在z 方向上固定两传感器，只测x 方向的位移的 测量方法进行测量，计算公式为：a ：a r c t g ( 羔二玉)f 1 4 1 x 方 1 8 扫描法测量示意图 1 3 仪器技术指标与测量范围 1 31 测量范围 测量参数：锥面活塞环的锥度值 四川大学硕士论文 被测环直径：7 0 啪1 3 0 r a m ： 被测环径向宽度：i 5m m 6 m m ： 被测环外圆半锥角：l 。3 07 ，1 5 。3 07。 13 _ 2 技术指标 示值误差：67 ： 重复性： 67 ； 稳定性：67 4 h ； 分选效率： 2 秒件。 1 4 课题的主要工作 1 4 1 课题任务 根掘仪器的测量要求及技术指标，通过比较选择一种最佳的锥度测量的方 法，进行相应的设计，使仪器能快速、准确地完成测量、分选的任务。 142 本论文主要内容 论文的主要工作是根据课题任务并结合仪器设计的思想，设计出锥面环自 动分选机的测量软件系统。具体工作有： 1 查阅国内外相关文献资料，整体上把握仪器的总体设计。 2 根据测量要求，正确设计仪器的测量软件系统，实现自动测量、自动 采集、自动控制和调整。 a ) 设计良好的人机对话界面，供操作者进行测量和调整。 b ) 完成调频电涡流传感器的标定，用曲线拟合的方法实现传感器输出 的频率信号与位移值之间的转化。 c ) 各程序模块能f 确控制整个测量过程，对采集的数据进行处理，并 显示、打印结果。 d ) 下位机程序能正确地完成送料、测量、分选等具体动作。 e ) 通信模块能及时、准确地完成上位机和下位机之间的通信。 3 进行相关实验，分析实验结果，验证仪器是否达到设计要求。 心川人学坝i ：论文 2 仪器测量原理及整体设计 本章主要介绍了锥面活塞环自动分选机的测量原理、基本的工作原理以及 仪器的整体设计思路。其中整体设计部分主要从机械设计、电路设计、软件设 计三方面对仪器的基本设计思路和原则进行阐述。 21 仪器的测量原理 根据测量要求，我们采用了如图2 1 所示的测量方法来测量活塞环外圆半 锥角“”3 ，原理如下： a _ ， 测点1 测点2 图2 1 设测杆a 和b 之间距离为h ，测点l 和2 的水平间距为l ，活塞环外圆半 锥角为g 。则由三角关系可得如下关系式： t a n a ：导 ( 2 一1 ) 、。 测量前，先用块规和一已知角度的标准角度块作标准件，进行标定，计算 出h 。测量时，设测点l 和2 的水平间距为l7 ，再计算出活塞环外圆半锥角， 进行分选。如图2 2 所示，测量过程中测杆1 、2 的垂直间距h 是固定不变的。 标定时，先将块规置于工作台上，进- h ：n 量，设此时传感器2 示值与传感器l 示值之差为l 。取下块规，换成标准的角度块，设此时传感器2 示值与传感 器1 示值之差为l 2 。 图2 2 传感器2 四川大学硕二 论文 令，= 工：一厶。由三角关系式可得 t a n 口：一a l 即h ：j 生：生二生 ( 2 2 ) htan口tand 、 其中口是标准角度块的角度 计算出h ，存入计算机中。当对锥面角为o 的活塞环进行检测时，设此 时传感器2 示值与传感器1 示值之差为l 3 。令a t = l ，一l ，可得： t a n a 一；竺：兰d hh 即口，：a r c t a n 兰尝 ( 2 3 ) 。 由公式( 2 - 2 ) 及( 2 - 3 ) 可得 t 7 =眦t 锄鱼二业竺! 2 一三1 f 2 4 ) 由公式( 2 4 ) 可计算出被检锥面活塞环的半锥角 22 仪器的工作原理 图2 3 为整机工作原理图。整机启动后，所有气缸活塞都处于初始位置。 活塞环经理环器整理后叠放于料仓8 的滑料板上，料仓8 前端的小挡块9 可防 止活塞环下滑，挡块后加工有落料小气缸，用于将活塞环顶出。 测量时计算机控制落料电磁阀打开，落料小气缸通气将活塞环从料仓顶 出，沿挡丰t7 滑落到上料位置。此时，光电传感器1 4 首先检测上料位置是否有 被测量的活塞坏存在，如果没有活塞环，报警显示无料：若有料则相应的送料 电磁阀j = t 3 - r ，使送料气缸1 的活塞前移，推动被检测活塞环到达测位，同时将 前一个己测活塞环推入分选通道中去。送料到位后送料气缸l 的活塞自动退回 原位。压轮6 压于活塞环上使被测活塞环平放于滑槽上，以防止扭曲。活塞 环到达测位后，测量气缸1 0 的活塞前移，推动传感器测头与被测活塞环接触， 进行测量。计算机对上下两个传感器进行数据采样，并经过数据处理，可判断 被检测活塞环是否反面及是否合格。采样完毕，测量气缸的活塞后退，测头与 删川人学硕：卜论文 被测环分离。已测活塞环在下一循环送料气缸及各活门气缸的作用下推入相应 的料道，落入分组存料装置存放，测量过程结束。 1 送料气缸2 推料板3 支座4 活塞环5 台面6 压轮 7 挡杆8 料仓9 挡块1 0 测量气缸1 l 反面活门气缸 1 2 ，超差活门气缸1 3 滑槽1 4 光电传感器 图23 仪器工作原理图 2 3 仪器设计思路和原则 设计仪器时，必须首先分配好各部分硬件实现的功能以及需要达到的精度 m 】。活塞环自动分选机要求重复性好，高频率、高效率，应保证简单定标即可 使用，并长期稳定”“。 2 3 1 机械设计部分 机械设计部分在仪器总体设计中占有很重要的地位，设计的关键是结合精 四川大学硕j 二论文 度分析和测量要求，对各部分选择不同的机械结构，完成设计要求。机械部分 主要从落料机构、送料机构、分选机构等几部分做简要介绍。 231 ，1 落料机构设计 落料机构方案比较多，可考虑用机械手、推料板、气动落料装置等。下面 介绍两种方案，通过比较提出本仪器采用的方案。 方案1 ：活塞环由人工整理叠放于杆式料仓中1 ，开口方向一致。每次测 量时出紧贴测量平台的推 料板推出最下面的那个活 料俞 塞环，送至测量处，再退 回原位，开始下一次的送 话塞 料。此种落料装置简单， 依靠重力自动完成落料， 但是因为被测的活塞环表 面有镀层，按以上方法送 料再测量，容易造成活塞 、 推料板 环表面的磨损，不但影响了被测精度 的损坏。 一 图2 4 也有可能造成合格活塞环的表面保护膜 方案二：利用带有薄板的半圆t 型斜面体和落料汽缸完成整个落料过程。 活塞环手工叠放到落料装置 后，落料装置下端的挡块挡住 山于重力而下滑的活塞环。而 紧贴着挡块后的半圆柱体内加 工有一个可通气的顶料槽，槽 内通气则顶出一个活塞环，使 其沿，r 型斜面体落到工作台面 上，再由送料板送入测量台面 进行锥度测量。本装置落料快捷、方便且无擦伤，非常适合测量要求。 心j 1 1 人学硕士论文 231 2 送料机构设计 仪器的技术指标中要求测量效率： 2 秒件，因此送料机构必须能迅速、 平稳地完成整个送料过程。电机带动皮带轮及凸轮机构是一种常用的方法“， 而采用步进电机带动丝杠驱动完成送料也常常用到“。送料机构一般有带传动 机构、齿轮传动机构、螺旋传动机构、气动送料机构等。 1 带传动 3 图2 6 带传动是由主动轮1 ，从动轮2 和张紧在两轮上的环形带3 组成( 图2 6 ) 。 由于张紧，静止时带已受到张紧力( 初拉力) fo ，在带与带轮的接触面间产生 压力。当主动轮回转时，利用带与带轮接触面间产生的摩擦力来传递运动和转 矩。 带传动结构简单，传动平稳，但传动精度低，不宜传递较大的转矩，外廓 尺寸大。带传动主要用在对传动比要求比较准确的小型精密机械与仪器。由于 本仪器测量时，传动精度要求较高，故未采用带传动机构。 2 螺旋传动 螺旋传动是精密机械中常用的一种传动形式，它是利用螺杆与螺母的相对 运动将旋转运动变为直线运动“。，其运动关系为 f _ 只妒2 石 式中1 螺杆( 或螺母) 的位移； p 。导程； 四川大学硕l 论文 p 螺杆和螺母间的相对转动。 在精密机械中，螺旋传动可以作为示数螺旋传动，传力螺旋传动和一般螺 旋传动。而作为一般螺旋传动时，在传动链中只作一般的驱动用。对强度、刚 度和精度都没有较高的要求。 螺旋传动是机械传动中常用的传动形式。很多传动系统由高精度丝杠螺母 副组成，采用弹性连轴器与步进电机连接。精密丝杠是一种高精度基准元件， 非常适合应用于精密定位和精密测量，结合步进电机可以实现比较精准的运动 控制。其特点如下： 1 ) 降速传动比大螺杆( 或螺母) 转运一转，螺母( 或螺杆) 移动一个 螺距( 单头螺纹) 。因为螺距一般很小，所以在很大的情况下，能获得 很小的直线位移量，可以大大缩短机构的传动链，因而螺旋传动结构 简单、紧凑，精度高，工作平稳。 2 ) 具有增力作用只要给主动件一个较小的转矩，从动件就能得到较大 ，的轴向力。 3 ) 能自锁当螺旋线升角小于摩擦角时，螺旋传动具有自锁作用。 4 ) 效率低、磨损快由于螺旋工作面为滑动摩擦，致使其传动效率低( 一 般为3 0 4 0 ) ，磨损快，因此不适用于高速和大功率传动。 螺旋传动一般其传动效率较低，由于仪器要求传动快速、平稳，才能更好 地完成分选任务，最后我们选用了气动传动机构。 3 气动传动 气动技术是指以压缩空气为动力源，实现各种生产控制自动化的一门技术。 它具有系统简单可靠、体积小、速度快、设计布置和使用维护方便的特点，气 动送料装置也因此应用得越来越多。结合本仪器要求的高速测量、分选的要求， 我们采用气动送料装嚣作为送料机构。 气动送料装置结构简单、精度较高、成本低，且通用性较广，是送料自动 化的重要手段之一。气动系统的执行元件易于直线运动，控制也相当容易。因 此，由单片机或p l c 进行逻辑控制，以气缸作为执行元件的电气系统非常适合于 生产线、装配线或机械手等以直线顺序动作为主的装置使用的传动方式，从而 f 益受到重视1 。 气动装置之所以能有成效的与电动系统以及其他系统相竞争，首先是以为 删川大学坝十论义 它的结构简单，制造和使用方便。气动装置几乎不受安装地点的限制。在自动 装置和自动检测系统中，气动装置的优点明显：结构简单，工作可靠，动作迅 速。并且在大多数情况下，空气介质可以直接与被加工物料接触，而不影响他 们的机械、化学和其他性能。 随着工业机械化和自动化的发展气动技术已越来越广泛地应用于各个领 域里。包括汽车制造业、半导体电予及家电行业、加工制造业、介质管道运 输送业、包装业、机器人等。 气动系统由气压发生器、控制元件、执行元件和辅助元件等组成“。 1 )气压发生装置：气压发生装置即能源元件，它是获得压缩空气的装 置，其主体部分是空气压缩机或真空泵，它将原动机供给的机械能 转换成气体的压力能。真空泵有回转式和喷射式两种。空气压缩机 有容积式和速度式两种。气动系统的能源元件一般设在距控制、执 行元件较远的压气机站内，用管道远距离输送。 r活塞式( 单缸，双缸，多缸) f 厂往复式 li f l 膜片式 容积式压缩机弋 ir f 滑片式 l 回转瓿螺杆式 f l 转予式 厂 i 轴流式 f 速度式压缩机 离心式 l 【混流式 2 )控制元件：控制元件是用来调节和控制压缩空气的压力、流量和流 动方向，以便使执行机构按要求的程序和性能工作。控制元件分为 压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀和逻辑元件。压力控制阀包 括调压阀、溢流阀、顺序阀等。流量控制阀简单分为节流阀和速度 四川大学硕士论文 控制阀两种。方向控制阀可分为单向型和转向型两种。逻辑元件分 为气动逻辑元件和射流逻辑元件，实现“是”、“与”、“或”、“非” 等逻辑功能。 3 )执行元件：气动执行元件是以压缩空气为工作介质，将气体能量转 换为机械能量的转换装置。执行元件分为实现直线运动的气动缸和 实现回转运动的气动马达两类。气动缸有单作用、双作用和实现各 种特殊功能的特殊汽缸等。气动马达有回转式和摆动式的。 4 )辅助元件：辅助元件是用于辅助保证气动系统正常工作。 仪器的送料机构选用气动送料装置，送料汽缸带动送料板运动，推动被测 环快速、平稳地到达测位。 2 3 3 分选机构设计 l 、竖井式分料机构或旋转式分 料机构。旋转式分料机构如图2 7 所示。对于竖井式分料机构，被检测 试件经测试后由电气线路控制电磁 铁动作，打丌相应的分料小门，其特 点是控制较简单，但机械结构较复杂 且庞大。对于旋转式分料机构，可由 微机控制的步进电机带一分料料斗 构成“”3 。分料料桶放在以步进电机为 圆心的圆周上。被测试的试件，其测试 出的数据经工业控制机进行判断、分料 并发出信号控制步进电机旋转到相应 图2 7 旋转式分料机构示意图 1 分料料斗2 料简3 料盘 位置，完成分选。旋旋转式分料机构的特点是结构简单、控制方便，准确。 2 、分选活门气缸机构。本仪器需要把活塞环分为合格、超差、反面三类。 故设计有f 活门汽缸、负活门汽缸完成分选任务。实际测量中由单片机控制相 应的电磁阀打丌、闭合便可以快速地完成分选任务，机构简单、适用。 四川i 火学硕士论文 23 2 电路设计部分 本仪器硬件控制电路以单片机为核心构成。通过对电磁阀驱动电路的控制， 单片机控制相应的气缸运动，从而完成落料、送料、测量、打字、分选等动作。 电磁换向阀按其动作的方式可分为直动式和先导式两种。直动式电磁阀是直接 靠电磁力来使阀芯换向。而先导式电磁换向阀是由主阀和先导阀组成，依靠先 导阀输出的气压力，通过控制活塞推动主阀阀芯换向“。 传感器选用我系自行研制的调频式电涡流传感器，其分辨力为0 1um ，测 量范围是l m m ”“，并且具有结构简单、几何尺寸小、灵敏度高、抗干扰能力 强、频响宽等优点。除传感器电路外，硬件电路还包括地址译码电路、报警电 路、放大电路等。 23 3 软件设计部分 测量软件不但提供操作界面，而且承担着测量数据的处理及结果显示。本 仪器的软件系统分上位机软件、下位机软件两部分。其中上位机软件基于 w i n 9 8 的平台，软件开发环境采用v i s u a lc + 十6 0 开发。利用v i s u a lc + + ，我 们可以完成各种各样的应用程序的开发，从底层驱动开发一直到各种应用丌 发。下位机软件主要是单片机程序设计，采用汇编语言开发整个控制软件，利 用模块化方法开发。具体设计将在后面详细介绍。 四川太学硕士论文 3 电涡流传感器的标定 本章首先介绍了电涡流传感器的基本类型及工作原理，然后介绍了如何利 用曲线拟合的方法建立传感器输出与位移的对应关系，即传感器的标定。 3 1 电涡流传感器的分类 目前，电涡流传感器基本上有两种类型：一种是调幅制( 见图3 1 ) ，其 原理是将传感器视为电感，与固定电容组成l c 回路，并以固定频率的振荡源 供给l c 回路一个振幅稳定的电压u 一。由于被测量的位移x 的不同变化，致使 l c 四路的谐振曲线沿着谐振频率的方向移动，最后导致该回路两端电压降u z 改变，于是可用u 2 幅值的包络来标定被测量的位移x 之值，再经过信号变换就 可取出与x 成正比的检测信号u 轧另一种是调频制( 见图3 ，2 ) ，其原理是将 传感器接在振荡器中，并作为振荡器中振荡回路的元件之一，经过放大限幅及 鉴频后，取得与x 成正比的信号u 2 j 。 u iu 2 u 3 图31 u lf l u 2 燮生医卜固一区卜 1 振荡器r 叫放大限幅l l 鉴频r _ 图3 2 我们研制的调频电涡流传感器基于第二种方案，它具有结构简单，安装方 便，成本不高，稳定性好，灵敏度高，分辨力较高，实用性强等优点。基本原 理是刑振荡器输出端的信号频率进行测量，并把测得值送入计算机进行处理， 得到相应的频率值( 见图3 3 ) 。具体测量方法将在后面章节叙述。 连丑巨咂 图33 列川人学坝l 论文 3 2 电涡流传感器的工作原理 金属导体在变化着的磁场中，会产生感应电流，这种电流像水中的旋涡一 样在导体内转圈，故称之为涡流“。电涡流传感器就是在这种涡流效应的基础 上产生的。 涡流传感器的工作原理： u 图3 4 涡流传感器工作原理图 如图34 ( a ) ，如果把一个扁平线圈置于金属导体的附近，当线圈中通以正 弦交变电流i ，时，线圈的周围空间就产生了正弦交变磁场h l ，在此交变磁场中 的导体内就会产生涡流1 2 ，此涡流也会产生交变磁场h 2 ，h 2 的方向与h 1 的方 向相反。由于磁场h 2 的作用，涡流要消耗一部分能量，从丽使产生磁场的线 圈的阻抗发生变化。 可以看出，线圈与会属导体之间存在着磁性联系。若把导体看作一个短路 线圈，其f n j 的关系可用图3 4 ( b ) 所示的电路来表示。线圈与金属导体之间可定 义个互感系数m ，它将随着间距x 的减小而增大“。根据克希荷夫定律，可 列出方程： r i t + j w l ii i j w m ，2 = u r 2 1 2 + j w l 21 2 一j w m h = 0 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 参 四j i l 大学硕= e 论文 解之得 ，- = u r l + w 2 m 2 r 2i r z + ( 毗z ) 2 + ，【鸭一焉鸣 ) ( 3 - 3 ) ，= 絮芜芋j ( 3 - 2 ( w l 1(5-41) 1 一 肼+，) 2 1 j 式中r l 一金属导体的电阻和电感 r ，l 一线圈的电阻和电感 u 一线圈激励电压 由1 的表达式可以看出线圈受到金属导体的影响后其等效阻抗为： z = r 1 + r2i 精+ j w l 一一三z 篇】( 3 5 ) 等效电阻、电感分别为： 等效电感中第一项l l 与磁效应有关。若金属导体为非磁性材料，l 1 就是 空心线圈的电感。当金属导体是磁性材料时，l 1 将增大，而且随着x 的变化而 变化。第二项与涡流效应有关，涡流引起的反磁场h 2 将使电感减小，x 越小， 电感减小的程度就越大。 等效电阻r 总是比原有的电阻大。这是因为涡流损耗、磁滞损耗都将使阻 抗的实数部分增加。显然，金属导体材料的导电性能和线圈离导体的距离将直 接影响这实数部分的大小。由式3 - 6 ，可以得到线圈的品质因数q 为： q = q 1 一鲁等j 【1 + 鲁等jh 。) 式中q 1 一无涡流影响时线圈的q 值 z 2 一金属导体中产生涡流的圆环部分的阻抗，z 22 岳+ ( 鸣y 。 - 1 8 - t 罡 w 懈僻籀 p t l 川火学坝l 论文 由上可知，被测参数变化，既能引起线圈阻抗z 变化，也能引起线圈电感 l 和线圈q 值的变化。所以涡流传感器所用的转换电路可以选用z 、l 、q 中 的任一参数，将其转换成电量即可达到测量的目的。这样，金属导体的电阻率 p ，磁导率u ，线圈与金属导体的距离x ，以及线圈激励电流的角频率6 3 等参 数，都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说，线圈阻抗z 是 这些参数的函数，可写成z = f ( p ，u ，x ，u ) 。若能使其中大部分参数恒定不变， 只改变其中一个参数，这样阻抗z 就成为距离x 的单值函数。根据此原理就可 做成涡流位移传感器，利用它可对金属材料厚度进行测量。 3 3 传感器的数据标定 通过标定台架与计算机相结合而得到的一系列数据是我们以后对传感器 的输出信号进行处理的根据。在实际中，传感器的输出与输入之间一般是非线 性的。对于电涡流传感器常用分段线性插值、分段二次插值、分段最小二乘法 等求出各段的拟合方程式，最后按此可得到输入和输出的关系。 3 31 插值法与曲线拟合 许多实际问题都用函数y = f ( x ) 来表示某种内在规律的数量关系，其中相当 一部分函数是通过实验或观测得到的。虽然f ( x ) 在某个区i f i j a ，b 上一系列点x i 的函数值y i = f i x ，) ( i _ o ，1 ，n ) ，这只是一张函数表。有的虽有解析表达式，但由 于计算复杂，使用不方便，通常也列一个表，如大家熟悉的三角函数表、对数 表、平方根表和立方根表等等。为了研究函数的变化规律，往往需要找出不在 表上的函数值。因此，我们希望根据给定的函数表做一个既能反映函数f ( x ) 的 特性，又便于计算的简单函数p ( x ) ，用p ( x ) 近似代替f i x ) 。通常选一类较简单 的函数如代数多项式或分段代数多项式作为p ( x ) ，并使p ( x i ) = f ( x i ) 对i = 0 ，1 ，n 成立。这样确定的p ( x ) 就是我们希望得到的插值函数。其定义如下。 设函数y = f ( x ) 在区间 a ，b 上有定义，且已知在点a x o x l x 。b t 的值y o ，y l ，一，y 。若存在一简单函数p ( x ) ，使 p ( x i ) = y i( i _ 0 ，1 ，n )( 3 - 8 ) 成立，就称p ( x ) 为“x ) 的插值函数，点x 0 , x l i ”，x 。称为插值节点，包含插值节 点的区间 a ，b 称为插值区问，求插值函数p ( x ) 的方法称为插值法。着p ( x ) 叫川大学硕士论文 是次数不超过n 的代数多项式，即 p ( x ) = a o + a i x + + a n x “，( 3 9 ) 其中a i 为实数，就称p ( x ) 为插值多项式，相应的插值法称为多项式插值。 若p ( x ) 为分段的，就是分段插值。若p ( x ) 为三角多项式，就称三角多项式。 从几何上看，插值法就是求曲线y p ( x ) ，使其通过给定的n + 1 个点( x 。， y i ) ，i = o ，1 ，1 3 _ ，并用它近似已知曲线y = f ( x ) ，见图3 5 图3 5 插值原理图 插值法是一种古老的数学方法，它来自生产实践”“。早在一千多年前，我 国科学家在研究历法上就应用了线性插值与二次插值，但它的基本理论和结果 却是在微积分产生以后才逐步完善的，其应用也f 7 益增多，特别是在电子计算 机广泛应用以后，由于航空、造船、精密机械加工等实际问题的需要，使插值 法在实践上或理论上显得更为重要，并得到进一步发展。 在工程应用、科学实验中，常常需要从一组测量数据中找出内在规律的数 学表达式，在实际使用中，将该公式作为基准加以应用。 p ，、 假设有一组数据，现要求构造一个能逼近列表数据y2 ，t x j 的近似的数学 表达式，使各数据点从总体上最贴近y = 厂g ) ，而并不一定要求构造的函数曲 线通过所给数据点。这就是数据拟合或曲线拟合“。 u qj 】1 大学硕l 论文 ( c ) 图36 常见的数据拟台图 ( d ) 在作数据拟合时，选择合适的拟合数学公式是很重要的。拟合前，通常先 用所给数据预先作出列表函数的曲线图，再根据曲线的大致形状选择和确定合 适的拟合数学公式。常见的几种数据拟合如图3 6 。 由图3 6 ( a ) 可看出，数据点的分布近似于直线，因而对该组数据适于采用 线性拟合；图3 6 ( b ) g f i 接近于