（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟仪器的带传动性能参数实验系统的研究.pdf

摘要 本课题以p c 机为硬件平台、以n i 公司开发的l a b v i e w 为软件平台，开发了带传动性能参 数实验系统。该系统集测控、数据处理、存储、显示和打印等功能于一体，能在传动过程中实时 检测相关的运动和动力参数，并对其性能进行定量分析。 本课题涉及计算机软硬件技术、传感器技术、电机调速技术和自动控制技术。在技术难点上 主要解决主动轮的自动调速、从动轮的自动加载技术以及速度、转矩等的拾取。 带传动由直流电机驱动。利用磁粉制动器进行加载。采用一种经济的测力矩和转速的方法， 解决了力矩和转速的测量问题。利用脉宽调制( p w m ) 技术控制直流电机转速，通过l a b v l e w 工具包中的p i d 解决了直流电机的无静差闭环调速，并且由软件实现了实验系统的无级加载。 经过实验验证，系统准确地测定了带传动的滑动率和传动效率曲线，达到了预期的结果。 关键词：带传动，虚拟仪器，磁粉制动器，p w m ，p i d a b s t r a c t t h eb e l tt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r se x p e r i m e n ts y s t e mw a sd e v e l o p e dw i t hl a b v l e w ( n i ) b a s e do np cp l a t f o r m i ti n t e g r a t e dm e a s u r i n g - c o n t r o l l i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，s t o r i n g ，d i s p l a y i n g a n dp r i n t i n g ，w a su s e dt om e a s u r ec o r e l a t i o n a lr e a l t i m em o v e m e n ta n dm o m e n t u mp a r a m e t e r sd u r i n g t h et r a n s m i t t i n g ，a n dc o u l dm a k eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fi t sp e r f o r m a n c e t h es y s t e ms y n t h e s i z e dc o m p u t e r sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ek n o w l e d g e ，s e n s o rt e c h n o l o g y , m o t o r s p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y t h ek e yo ft h es y s t e mw a st os o l v e p r o b l e m so f d r i v ew h e e la u t or e g u l a t i n gs p e e da n df o l l o w e rw h e e la u t ol o a d i n g ，s p e e da n dt o r q u es i g n a l c o l l e c t i n g t h eb e l tt r a n s m i s s i o ni sd r i v e nb yd cm o t o r , a n dl o a d e db ym a g n e t i cp o w d e rb r a k ei nt h e e x p e r i m e n ts y s t e m ，w h e r ea ne c o n o m i cm e t h o dw a su s e dt om e a s u r er o t a t i n gs p e e da n dt o r q u e t h i s m e t h o dw o r k sw e l l i ta d o p t e dp w mt oc o n t r o lt h es p e e do fd cm o t o r , a n dr e a l i z e df l o a t i n gs p e e d r e g u l a t i o nw i t hp i di n c l u d e di nt h el a b v i e w t o o lb o x s oi tc o u l dl o a ds t e p l e s s l y t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h es l i p p a g er a t ea n dt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yc u r v ec a nb e m e a s u r e da n dd r a w na c c u r a t e l yw i t ht h i ss y s t e m ，a n di tm e tt h ee x p e c t a n tr e q u i r e m e n t k e y w o r d ：b e l tt r a n s m i s s i o n ，v i s u a li n s t r u m e n t ，m a g n e t i cp o w d e rb r a k e ，p w m - p 1 d 独创性声明 y7 7 4 0 5 5 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，也不包含为获得中国农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做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：衍 ，一 t , 寸i n ：p 于年j 月，穸日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：荔1 时间：m 年。月z 罗日 导师签名 掀宴 时间：w 哆 年多射1 日 农业大学硕士学位论文 绪论 1 1 虚拟仪器技术 第一章绪论 1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n t ，n a t i o n a ll n s t m u n e n t s ) 首先提出了虚拟仪器的概念。所谓虚拟仪 器( v i ，v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块结合起来，用户可以利用 计算机强大的数据处理、存储、图形环境和在线帮助功能，建立图形化界面的虚拟仪器软面板， 完成对仪器的控制、数据分析、存储和显示，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用 效率，大幅度降低仪器的价格，且使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。 1 i i 虚拟仪器的特点 与传统仪器相比，虚拟仪器打破了传统仪器的“万能”功能概念，充分利用计算机技术：强 调“软件就是仪器”的新概念，软件在某种程度上可以完成传统仪器不可能实现的硬件测试功能： 仪器或系统的功能、规模可以由用户自己定义，虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，使得组 建系统变得更加灵活、简单。虚拟仪器是建立在当今世界最新的计算机和数据采集技术基础上的， 技术更新很快。虚拟仪器具有以下性能优点口j ： 1 软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件确立后，它的功能主要是通过软件来实现的。所以 美国国家仪器公司就曾提出一个著名的口号：软件就是仪器。 2 虚拟仪器的性价比高。一方面虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，而且，用 户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，大大缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期。另 一方面，采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本， 因此，使用虚拟仪器比传统仪器更经济。 3 虚拟仪器的出现，缩短了仪器厂商与用户之间的距离。虚拟仪器使得用户能够根据自己的需 要定义仪器的功能，利用虚拟仪器，用户可以组建更好的测试系统，并且更容易增强系统的功能。 由于p c 机能提供远胜于仪器内部的处理能力，因此，借助于一台通用数据采集系统( 或板卡) ， 用户就可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。 4 虚拟仪器具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测控操作是通过计算机屏幕上的、与传统仪 器面板相似的友好图形界面来实现的。 5 虚拟仪器具有和其它设备互联的能力。如和总线或现场总线等的接口能力，此外，还可以将 虚拟仪器接入网络，以实现对现场生产的监控和管理。 6 虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化f 可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以 根据自己的需要灵活组合，大大提高了使用效率，减少了投资。 当然，虚拟仪器的特点还不止这些，作为新型仪器，还有许多传统仪器无法比拟的地方。这 使得虚拟仪器的应用领域非常广泛。 1 1 2 虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器技术经过十几年的发展，标准化、模块化、软什化、网络化的开放式体系结构将成 农业大学硕士学位论文 绪论 为未来虚拟仪器重要发展方向。为了更方便用户使用，各仪器制造商和各仪器标准化组织，都不 断致力于对硬件和软件的标准化。v x i 技术的开放式体系结构和模块化的自动测试技术，使之成 为未来虚拟仪器理想硬件。以p c 机，特别以工控p c 为中心的体系结构，以其板卡的高性价比 和丰富的软件而将被广。泛应片j | 。u s b ，f i r m w i r e 由于其简单、快速、价格便宣，将在未来的虚拟仪 器中得到广泛应用。v x l 即插即用系统联盟为实现接口独立，将v i s a 标准定为编程接口。可互 换虚拟仪器基金会( i n t e r c i t a n g e r a b l ev i r t u a li n s t r u m e n tf u n d a t i o n ) 提出了一种新的虚拟仪器驱动技 术，即i v i 规范，比v p p ( v x ip l u g p l a y ) 规范又迈进了一步，使涣4 试界工程师能够建立与测试 系统无关的高性能硬件设备，使仪器驱动程序成为仪器测试系统中的标准部件”j 。 随着软件技术的发展新的虚拟仪器软件开发工具不断涌现，并朝着可视化编程方向发展， 软件在虚拟仪器系统中的地位和作用越来越大。a c t i v e x ，c o m ，d c o m ，c s 模型、i m e m e l 等 组件技术和网络技术的应用，使用户能够通过i n t e m e t 实现远距离控制，将信息和多维空间相连， 使远距离监测和控制变得更加容易，虚拟仪器正朝向网络化方向发展。 1 1 ，3虚拟仪器的硬件构成 目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡( d a q ) 系统、通用接口总线( g p i b ) 仪器系统、v x i 仪器系统以及三者间的任意组合p j 。 1 数据采集带系统 一个典型的数据采集系统由传感器、信号调理电路、数据采集卡、计算机四部分组成( 图j - 1 ) 。 工作时先把由传感器变换来的电信号，输入仪器的信号调理电路，经调理电路进行放大整形，然 后再经数据采集电路存人内存。整个过程由软件控制，采集到的数据由软件进行分析和处理。一 个好的数据采集产品不仅应具备良好性能和高可靠性，还应提供高性能的驱动程序和简单易用的 高层语言接口，使用户能较快速地建立可靠的应用系统。 近年来，由于多层电路板、可编程仪器放大器、即插即用、系统定时控制器、多数据采集忙 实时系统集成总线、高速数据采集的双缓冲区以及实现数据高速传送的中断、d m a 等技术的应 用，使得最新的数据采集板卡能保证仪器级的高准确度与可靠性。 图卜1 数据采集卡系统硬件组成示意图 2g p i b 仪器系统 串口r s 2 3 2 只能用作单台仪器与计算机的连接，g p i b ( g e n e r mp u r p o s ei n s t r u m e n t a t i o nb u s ) 是仪器系统互连总线规范。g p i b 技术可以说是虚拟仪器技术发展的前期阶段。g p i b 技术的出现， 使电子测量由独立的手工操作的单台仪器向组成大规模自动测试系统的方向迈进。 一个典型的g p i b 测量系统由一台p c 机、一块g p i b 接口板卡和若干台g p i b 仪器通过标准 g p i b 电缆连接而成。t 利用g p i b 技术，可以用计算机实现对仪器的操作彝l 控制，替代传统的人工操作方式，排除 2 农业大学硕士学位论文 鳍论 人为因素造成的测试测量误差，提高测试测量可靠性和效率。利用g p i b 技术，还可以很方便地 扩展传统仪器的功能，因为仪器是同计算机连接在一起的在计算机这边增加各种不同的分析处 理算法，充分发掘现有仪器的潜力。 3v x i 仪器系统 v x i ( v m ee x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线是一种高速计算机总线v m e ( v m eb u s 即：i e e e p 1 0 1 4 总线标准) 总线在仪器领域的扩展，虚拟仪器系统中晟引人注目的应用是基于 v x i 总线平台技术的自动测试仪器系统。v x l 总线平台弥补了p c 平台无统一插卡物理结构、机 箱结构不利于散热和插长接触可靠性差等缺陷，在v m e 总线的基础上，从电磁干扰( e m i ) 、冷却 通风、功率耗散等方面考虑。增大了模块的间距及模块间的通信规程、配置、存储器定位和指令 等，为模块式电子仪器提供了一个开放式结构，成为模块式测试系统的关键支撑技术。v x i 仪器 系统以s c p i 为仪器程控语言，综合了g p i b 仪器和d a q 板的精华。将仪器与仪器、仪器与计算 机更紧密地联系在一起。v x i 的标准开放结构、即插即用( p l u g p l a y ) u 虚拟仪器软件体系结构 v i s a 等允许用户在组建v x i 系统时根据自己的实际情况自由选择仪器模块，而不必局限于一家 厂商的产品，从而使系统得到优化”j 。 另外，v x l 总线还提供了在机架层迭式的测试系统中不可能存在的、具有触发和同步能力的 3 2 位高速计算机总线。运用v x i 技术可以方便地实现多功能、多参数的自动测试，为实现虚拟 仪器提供了一个较好的硬件平台，代表着今后仪器系统的发展方向。目前全世界有3 0 0 多个：f 厂 生产与v x i 相关的8 0 0 多种类型设备。己比较广泛地应用于飞机测试、汽车工业、导航与航空电 子设备、通信与其它电子系统。 4p x i 总线标准 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 是p c i 在仪器领域的扩展。制定p x i 规范的目的是 为了将p c 的性能价格比优势与p c i 总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，形成一种更好的虚 拟仪器测试平台。 p x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。p x i 总线符合工业标准，在 机械、电气和软件特性方面充分发挥了p c i 总线的全部优点。p x i 增加了用于多板同步的触发总 线和参考时钟、精确定时的星型触发总线、相邻模块间高速通信的局部总线等，以此来满足试验 和测量用户的要求。由于它基于p c i 总线，因此设备成本低、运行速度快、体积更紧凑t 有良好 的兼容性和可扩展性。p x i 系统的价格高于d a q 系统，低于g p i b 和v x i 系统，又具有良好的 性能，是组建模块化仪器系统的良好选择【4 j 。 1 1 4 虚拟仪器的软件平台 虚拟仪器软件开发平台真接决定了虚拟仪器可实现的功能，开发方式，易用性和可扩充性。 虚拟仪器的开发软件通常可以分为通用软件和专用软件。通用软件就是我们常见的高级汇编 语言，比如v i s u a l c 十+ ，v b 。d e l p h i ，j a v a 等。使用通用软件进行开发具有较高的自由度，可以 定义出具有独特个性的虚拟仪器，但是开发周期往往比较长，开发难度比较大。而专用软件一般 是指专业的图形化编程软件，比如n i 公司的l a b v l e w 、l a b w i n d o w s c v i 或者h p 公司的v e e 等。它们都向开发者提供了友好图形化开发界面，并且提供了大量的控件和仪器驱动程序可使用。 农业大学硕士学位论文 绪论 开发者甚至可以并不了解某种具体的开发语言就可以开发出一些简单的虚拟仪器。相对而言，使 用专用软件开发虚拟仪器系统编程容易，开发周期短川。 本课题选用的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 kb e n c h ) 被称为“科学 家与工程师的语言”，是直观的前面板与流程图式编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。 l a b v i e w 不仅为测试、测量以及过程控制领域提供了大量仪器面板对象，而且用户还可以方便 地将现有的控制对象改成适合自己工作领域的控制对象。l a b v i e w 基于数据流编译型图形编程 环境，解决了其它按解释方式工作的图形编程环境速度慢的问题。l a b v i e w 提供了功能强大的 函数库，从低层的i o 接口控制子程序，到大量的仪器驱动程序，从基本的数学函数、字符串处 理函数到高级的分析库，均可供用户直接调用。此外，l a b v i e w 还支持w i n d o w s 9 5 9 8 n t , m a c i n t o s h h p 等操作系统平台，在不同平台上开发的应用程序可直接进行移植：提供了d l l 接 口和c i n 接口，使用户在l a b v l e w 平台上能调用其他软件平台编译的模块；提供对o l e 的支持。 正是由于l a b v i e w 的众多优点，使得它已经成为在数据采集、检测、数据分析等方面领先的 开发平台，在世界范围内得到广泛应用”。 1 2 研究的目的及意义 在工科院校中，实验是一种重要的教学手段。学生通过做试验，可以加深对所学知识的理解， 增强学习的兴趣，提高动手能力，锻炼在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力。大部分 工科院校中的机械设计基础实验，所用的测试仪器、设备数量少，不能满足学生需要，且设备比 较陈旧，更新慢。传统仪器下的实验教学，已严重滞后于信息时代和工程实际的需要。 带传动是机械传动中广泛使用的重要方式，也是工科院校机械设计课程中的基础实验之一。 主要分析滑动率和传动效率随负载变化的情况，通常在保持主动轮转速和带预紧力不变的前提 下，用逐渐加载的方法，不断增加带传动的有效拉力，使带在轮上的弹性滑动不断增加，传动效 率也随之变化。传统的带传动实验方法多采用“传感器十二次仪表”的模式，靠人工测试和控制。 这种仪器功能单一，只有测量显示数据功能，不能直接得到滑动率和传动效率随负载变化的特性 曲线，需要自己根据记录下的数据手工描绘变化趋势；而且这些仪器功能模块全部都是以硬件( 或 固化的软件) 的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 我校现_ i j 的带传动实验台是由单片机控制，l e d 显示数据经r s 2 3 2 串口传输到计算机进 行数据处理得到特性曲线的实验系统，使得系统分别有一个独立的测控面板和一个数据处理面 板。不仅交互性差，而且测量误差大，目前己经出现实验结果和理论相悖的情况。 所以有必要研制一种新的带传动实验台来替代原来的实验台。随着微电子技术、计算机技术、 软件技术、网络技术的高度发展及其在仪器仪表中的应用，仪器仪表结构将冲破传统思维模式， 发生质的变化。电子测景仪器的发展在经历了模拟仪器；数字化仪器：智能仪器后，虚拟仪器( v i ， v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 成为测量仪器发展的最新阶段。虚拟仪器可视化的编程技术为人与试验台的 交互开启了方便之门。把虚拟仪器技术用于带传动实验系统，我们所需要的只是一些必要的硬件 加上通用计算机，利用软件就可以大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送和存储等方面的限 制，达到传统仪器无法比拟的使用效果，提高系统的自动化程度。我们还可以随心所欲地根据自 己的要求设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。此外，该试验台的建成将较大程度地 4 农业大学硕士学位论文 绪论 提高我系教学、科研的实验手段的现代化水平，能很好地为人才培养和科学研究服务a 在新型的 控制方案中将充分体现计算机资源和数字化技术的灵活运用。 。 1 3 国内外研究现状 经过十几年的研究，虚拟仪器发展很快。以美国国家仪器公司( n i ) 为代表的一批厂商己在市 场上推出了基于虚拟仪器技术的商品化仪器产品。而我国目前处于传统仪器与计算机化仪器互相 分离的状态，属于起步阶段。高档的台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等虚拟仪 器还主要依赖进口，这些仪器工艺复杂、价格昂贵，一般单位是难以承受的。我国有些部门针对 自己的需求研制了专用的虚拟仪器，但是缺乏通用性，应用普及程度相当低。结合我们的实际情 况，必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力g l 进国外虚拟仪器方面的生产技术、部 分产品，吸收最新成果技术；另一方面，发展基于计算机插卡式硬件模块为主的测控技术，发展 图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测试技术，缩短与发达国家的差距。 虚拟仪器不仅在研究机构、产业部门得到应用，同样，虚拟仪器及技术也将成为学校未来教 学科研的重要方法和手段，特别是在理工科学校其应用前景非常广阔。虚拟仪器系统及其图形编 程语言，譬如l a b v i e w ，已成为各大学理工科学生的一门必修课，其普及程度是相当广泛的。 目前，己有部分高校初步建立了虚拟实验室。例如：西安交通大学电器学院在现代测试技术 课程教学中，以虚拟仪器系统为平台，开发虚拟仪器试验，通过仿真与实验，开拓学生思路，使 学生较好的理解该课程的内容。虚拟仪器一机多用，硬件资源共享等特点大大= 市约了实验室建设 的投资。清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检测； 华中理1 二大学机械学院构建了工程测试实验室：四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了 “航空电台二线综合测试仪”，将八台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统：复旦大学、上海交 通大学、广州暨南人学等一批高校，也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研p j 【i 。 国内许多院校和科研机构比如重庆大学，山东大学，湖北汽车工业学院等已经进行了带传动 实验改进研究，基本实现了数据的自动检测、处理和曲线显示，并能进行计算机辅助教学i i e 1 1 2 | 1 3 , 但是，带传动实验中的控制部分不尽人意。目前绝大多数实验台只能进行恒定载荷加载或简单的 程序控制阶梯加载，实验结果与现场测试依然有较大的差距：恒速控制也主要通过手动调节，自 动化程度低。 1 4 课题主要研究内容 本课题将以应用研究为目的，针对带传动实验要求，对整个带传动测控系统进行软硬件设计 与集成。 课题主要包括以下研究内容： 1 ) 带传动主动轮转速的闭环控制； 2 ) 无级加载方式的选择与实现； 3 ) 运动参数的实时测量方式的选择与实现； 4 ) 实验系统的软件设计与系统集成。 中国农业大学硕士学位论文带传动基本理论知识 2 1 带传动的分类 第二章带传动基本理论知识 带传动是通过中间挠性曳引元件传递运动和动力的一种机械传动。它使用的挠性曳引元件是 各种有较大弹性的传动带。 按工作原理，带传动分为摩擦型普通带传动和啮合型同步带传动。普通带传动的主要优点是： 有缓冲和吸振作用；运行平稳、噪声小：结构简单，制造成本低；可通过增减带长以适应不同的 中心距要求。普通带传动过载时带会在带轮上打滑，对其他机件有保护作用。它的缺点是：传动 带的寿命较短；传递相同圆周力时，外廓尺寸和作用在轴上的载荷比啮合传动大：带与带轮接触 面间有相对滑动，不能保证准确的传动比。因而普通带传动一般仅_ j 来传递动力。 同步带传动中带和带轮是靠啮台传动的，因而无相对滑动，能克服上述缺点，用来传递动力。 但是同步带传动对制造安装要求较高。 根据横截面形状，摩擦型普通带传动可分为平带传动，v 带传动和特殊截面带( 如多楔带、 圆带等) 传动三大类，见图2 一l 。 平带的横截面为扁平矩形，其工作面是与轮面相接触的内表面。v 带的横截面为等腰梯形， 其工作面是与轮槽相接触的两侧面，带与轮槽底面不接触。由于轮槽的楔形效应，预拉力相同时， v 带传动较平带传动能产生更大的摩擦力故具有较大的牵引能力，在一般机械传动中应用最“。 多楔带是平带和v 带的组合结构，其楔形部分嵌入带轮上的楔形槽内，靠楔面摩擦工作。摩擦力 和横向刚度较大，兼有平带和v 带的优点，常用于传递功率较大而又要求结构紧凑的场合。也可 用于载荷变动较大或有冲击载荷的传动。圆带的牵引能力小，一般用于轻、小型机械，如缝纫机 等。 丽豳醢豳 a ) 平带b ) v 带c ) 多楔带d ) 圆带 图2 1 带横藏面形状 根据带的布置型式可分为开口传动( 两轴平行，同向回转) 、交叉传动( 两轴平行，反向回 转) 和半交叉传动( 两轴交错，不能逆转) ，见图2 2 。 a ) 开i z l 传动b ) 交叉传动c ) 半交叉传动 图2 - 2 带布置形式 考虑到制造和安装等要求，本实验系统采用普通平带开口传动方式。 2 2 带传动中的作用力 带传动有主动轮、从动轮和传动带组成。安装时，应给传动带施加一定的初拉力，靠带与带 - 6 - 中国农业大学硕士学位论文 带传动基本理论知识 轮间的摩擦力来传递运动和动力。 带在：【作前张紧，其两边拉力均为f o ( 图2 - 3 a ) ，f o 称为初拉力。工作时，由于耍克服1 ：作 阻力，带在绕上主动轮的一边被进一步拉紧，其拉力f 。增大到f j 。f j 称为紧边拉力；带的另一 边被放松，其拉力由f o 减小到f 2 ，f 2 称为松边拉力( 图2 - 3 b ) 。 a lb ) 图2 - 3 带的两边拉力 带的两边拉力之差，称为带传动的有效拉力f ，即 f 2f i f 2 ( 2 - 1 ) 有效拉力f ( n ) 与带传动传递的功率p ( k w ) 及带速v ( m s ) 的关系为 扯蒜 ( 2 - 2 ) 该式说明，带速一定时，有效拉力越大，则带传动传递的功率也越大，即带传动的工作能力 越强。 带的有效拉力等于带轮接触弧上摩擦力的总和。在一定条件f ，摩擦力有一极限值，当需要 传递的有效拉力超过该值时，带就会在轮面上打滑。打滑是带传动的主要失效形式之。 带工作时松、紧边拉力不等，但总长度不变，故紧边增加的长度与松边减少的长度相等，假 设带的材料服从胡克定律，则紧边增加的拉力与松边减少的拉力相等。即 f i - - f o ；f o f 2 f i + f 2 = 2 f o( 2 - 3 ) 拯 _ 少1 鞭 每： 圈2 - 4 带的受力分析 取一微带段d l ( 图2 4 ) ，带上各力的平衡条件为垂直方向 f s i n 警+ ( f + d f ) s i n 塑2 一峨= 捌妥 1 、“1 d 中，d f 是紧边拉力增量：d f n 为带轮给微带段的正压力；q 为带的线质颦。 。j t7 中国农业大学硕十学位论文 带传动基本理论知识 取d i = r d a l s i n d _ a d _ a ，略去二阶无穷小，上式为 f d a d f n = q v i d a 水平方向 ( f + d f ) c 。8 - = d a _ 一f c 。s _ d a _ p d f u = 0 中，“为带与带轮间的摩擦因子。 取c o s 娶。1 ，得 d f = i m f u d f = 卢( ，一q v 2 ) d a 在摩擦力的极限状态即将要打滑时，积分上式得 ( , 丽d f = f 础 巡：p ”( 2 4 ) 。 ，；一孽v 中，a 为包角，即带与带轮接触弧所对应的中心角；e 为自然对数的底。 若带速v 1 0 m s ，则通常可忽略离心力q v 2 ，此时上式简化为fl f 2 = e , u a ，即为著名的欧拉公式。 联立式2 - l 、2 - 3 和2 - 4 ，可得反映带传动工作能力的最大有效拉力为f m a x ，即 吒、= 2 ( p o 一2 ) ( 1 一高) ( 2 5 ) 该式说明： 1 ) 最大有效拉力与初拉力f d 成上j 三比。控制初拉力对带传动的设计和使用是很重要的。f o 过小不 能传递所需载荷，而且容易颤动；f o 过大使带的磨损增加，寿命减短。 2 ) 虽人的有效拉力随包角口、摩擦因子( 与带、带轮的材料及：【：况有关) 的增大而增大，通 常设计时要求d1 2 0 “，本系统口= 1 8 0 “。 。 3 ) 离心力q v 2 使最大有效拉力减小【“】，本系统由于带速v l o m s ，故可忽略离心力的影响。 2 3 弹- 陛滑动和打滑 带是弹性体在拉力作用下会产生弹性伸长。由于紧边拉力大于松边拉力，所以紧边的弹性 伸长量必然大于松边的弹性伸睦量。如图2 5 所示，带在a 点绕上主动轮到b 点离开的过程中， 带所受拉力由f 逐渐降至f 2 ，其弹性伸长量也随之减小，带在带轮上微微向后收缩，而主动轮的 圆周速度v 保持不变，所以带的速度逐渐落后于主动轮的圆周速度，从绕上主动轮时的速度v - 逐渐降至v z ，在带和主动轮之间局部出现相对滑动。这种现象亦发生在从动轮上，当带在m 点绕 上从动轮到b z 点离开的过程中，带以速度v 。绕上从动轮时，使从动轮以圆周速度v z 转动，由于 带从松边过渡到紧边，弹性伸长量逐渐增大，使带微微向前拉伸，即带的速度超前于从动轮的圆 周速度带和从动轮之间局部出现相对滑动。这种因带的两边拉力不等而使带弹性变形量不等， 引起带与带轮之间局部微小的相对滑动称为弹性滑动。 由于带传动工作时，紧边和松边的拉力不等所以弹性滑动是不可避免的。 中国农业大学硕十学位论文 带传动基本理论知识 带在带轮上相对滑动的方向 图2 - 5 带传动的弹性滑动 弹性滑动除造成功率损失和带的磨损外，还导致从动轮的圆周速度v 2 低于主动轮的圆周速度 v ，其降低程度用滑动率e 表示 s ：! 盟( 2 6 ) v l 考虑弹性滑动影响的传动比为 f ：旦：旦一 ( 2 7 ) 啦函( 1 一占) 、。 其中，啊、r 2 为主、从动轮的转速；d 】、d 2 为主、从动轮直径。 滑动率反映了弹性滑动的大小，而弹性滑动的大小与传递载荷的大小及带的结构、材料等 因素有关，通常不能得到恒定的值，一般可取1 2 ，粗略计算时可忽略不计。实际传动比不 是常数。 弹性滑动和打滑是两个截然不同的概念。弹性滑动是由带工作时紧边和松边存在拉力差，使 带的两边弹性变形量不相等，从而引起的带与轮之间局部而微小的相对滑动，这是带传动在正常 工作时固有的特性，因而是不可避免的。打滑则是由于过载引起的带在带轮上的全面滑动。打滑 时带的磨损加剧，从动轮转速急剧降低甚至停l e 运动，致使传动失效。打滑是不希望产生的。 2 4 带传动实验的主要功用 在带传动实验中，当负载达到或超过临界承载能力时，则带与带轮间就发生显著的相对滑动， 即产生打滑。打滑将使带的磨损加剧，从动轮转速急剧降低，甚至使传动失效。因此，在实际生 产中，必须明确带传动在什么状况下会产生打滑。那么，通过带传动实验系统准确测出打滑时的 速度及载荷，则是关键所在。本实验系统就是分析带传动过程中的弹性滑动和打滑现象：掌握滑 动率和机械效率的测试原理和方法；了解改变预紧力对带传动能力的影响。 其中滑动率由( 2 - 6 ) 式得出： = n l d i - n 2 d 2x 1 0 0 ：( 1 一生) 1 0 0 n lh i 为了方便制造安装和计算，取主、从动轮直径相等。 传动效率 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 丝孺k 鼻 m = 叩 中国农业大学硕士学位论文 带传动基本理论知识 只、只一主动轮、从动轮的功率；正、五一主、从动轮的转矩；啊、9 1 2 一主、从动轮的转 速。 因此，只需测试主、从动轮的转速，转矩就可以计算出滑动率s 和传动效率玎。事实上，带 传动的滑动率和传动效率并不是常数，而是随传递功率大小的改变而变化。为寻求其变化规律， 通常在保持主动轮转速和带预紧力不变的前提下，用逐渐加载的方法，不断增加带传动的有效拉 力，使带在轮上的弹性滑动不断增加，从动轮的转速不断降低，传动效率也随之变化。 1 0 第三章测控系统硬件组成 3 1典型的数据采集系统结构 基于节约成本，高性价比、灵活通用性强，本系统选择d a q 系统为测试系统的主框架。在 一个实际的数据采集系统中，要用计算机来监控现场的各种参数，首先就要用传感器把各种物理 信号测景出来，且转换成电信号，再经过a d 转换，送入计算机中进行分析处理，其系统结构如 图3 1 。 图3 - t 模拟输入输出通道系统 传感器：将各种现场物理量测量出来并转换成电信号( 模拟电压或电流) 。 放大器：把传感器输出的信号放大到a d c 所需的量程范围。 低通滤波器：用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比。 多路开关：在实际应用中，常常要对多个模拟量进行转换，而现场信号的变化通常比较缓慢， 没有必要对每个通道单独配置一个a d 转换器。这时可以采用一个多路开关，通过计算 机控制，把多个现场信号分时地切换到a d 转换器上，达到共享a d 转换器以节省硬 件的目的。 采样保持器：对高速变化的信号进行a d 转换时为了保证转换的精度，需要使用采样保持 器。周期性的采样连续信号，并在a d 转换期间保持不变。 a d 转换器：将模拟信号转换成数字信号的芯片。 3 2 实验台总体要求 无论是传动试验或实验室中来知因素的探索试验还是已知因素的验证试验，都应该使试验条 件与传动的实际t 作条件一致，而工作条件中主要是载荷和速度。因此试验若是在规定的载荷和 速度f ，传动件象二 作时那样转动，即在运转情况下试验则最符合实际”“t 试验台应该满足下面的主要要求： l 能研究和试验比较多的影响因素，能适应试验目的和要求，尽可能做到一机多能： 2 要有适宜的准确度。试验台的载荷、速度和各种测量应有足够的准确度。准确度应与试 验目的相适应，脱离实际的过高的准确度也是不合适的； 3 要尽量符合传动实验的实际。1 ：作情况，真实性好； 4 要有足够的强度和刚度，使用性能好： 中国农业大学硕士学位论文 测控系统硬件组成 5 要节省人力物力，经济性好。试验台的成本应在满足试验要求下尽量降低。试件的拆换， 各个参数的测量、试验台的维护等等要省力方便，且节约动力消耗。 实验台的测控应满足以下几个条件： 1 采样精度高，数据准确； 2 采样范围宽，能实现不同频率下的采样： 3 自动处理分析数据，得出分析结果。能够在线实时控制转速、负载的变化，响应速度快， 抗干扰能力强： 4 操作方便，易于控制。 3 3 实验台总体设计方案 本实验台主要用于科研和教学。主动轮由寅流电机驱动，采用p w m ( 脉宽调速) 系统实现 无级调速：从动轮经磁粉制动器实现无级加载。光电脉冲传感器测量转速，为了得到o 5 v 的脉 冲信号，使用放大整形电路对波形进行整改。拉力传感器间接测量转矩，由于拉力传感器信号微 小。使用变送器对其进行放大。信号进入计算机前经过滤波电路消除干扰影响。数据采集卡和定 时计数卡把采集到的信号送计算机，并把计算机发出的控制信号经过驱动电路对电机进行闭环控 制，对磁粉制动器进行开环控制。整个过程由软件控制。总体方案图见图3 - 2 。 3 4 实验台本体结构 图3 - 2 系统总体方案图 实验台本体结构如幽3 - 3 所示。主动轮安装在直流电机主轴上，从动轮安装在磁粉制动器主 轴上。其中主动轮的机座设计成浮动结构安装在滑动导轨上，与牵引钢丝绳、定滑轮、砝码一 起组成带传动预紧力调节机构，改变砝码大小，即可准确地预定带传动的预紧力。直流电动机和 磁粉制动器均为悬挂支撑，当传递载荷时作用于电机和制动器定子上的力矩迫使拉钩作用于拉 力传感器( 序号1 3 ) ，使传感器输出按一定比例变化的电信号。转速传感器( 光电传感器) 分别 一1 2 一 中国农业大学硕士学位论文 测控系统硬件组成 装在主、从动轮背后的环形槽( 本图未表示出) 中，当带轮转动时由此产生脉冲信号。 图3 - 3 带传动实验台 l 一磁粉制动器2 一从动带轮3 一传动带4 一主动带轮s 一直流电机6 牵日l 绳 7 一滑轮8 一砝码9 一拉簧l o 一浮动支座l l 一固定支座1 2 一底座1 3 一拉力传感器 3 5 实验台硬件结构 本系统硬件主要包括七大部分：电机及其驱动电路；磁耢制动器及其驱动电路：拉力传感器 及变送器：转速传感器及放大整形电路：数据采集 ：定时计数器和计算机。 3 5 1 拉力传感器及其变送器 本系统需要动态测量主、从动带轮的转矩，经过查询，发现转矩传感器价钱昂贵，都在数干 元左右，综合考虑经济性和实用性，最终决定采用应变片悬臂梁式测力传感器，间接测量转矩。 它的弹性体采用剪切( 或弯曲) 悬臂梁结构，高度低，结构强度高，抗疲劳、抗偏心能力强。测 量精度高，性能稳定可靠，安装使用方便。根据力矩t ，力f 和力臂l 的关系：t = fl 就可以 测得转矩。拉力传感器的原理如图3 - 4 。 由于没有其技术参数， 如下： 量程：o 巧蚝 供桥电压：5 v 转换率：不接变送器： 一圉3 - 4 拉力传感器原理圉 所以本系统自行设计了传感器标定程序，对主要参数进行标定。结果 ! 2 5 m v k g 接变送器；0 6 2 5 v k g 1 中国农业大学硕士学位论文测控系统硬件组成 精确度：4 - o 1 由于其输出信号很微小，在1 0 m v 之间需要进行放大，以增加数字信号的精确度。如果 直接利用数据采集卡自身带有的放大功能，那么数据采集 将同时放大沿着从信号源到卡之间导 线进入的噪声。为了提高信噪比，应该在接近信号源的地方进行放大。这里采用科恩德公司生产 的k n d m t _ 一b v l o ，b 5 型信号变送器先对信号进行外部放大，然后再送数据采集卡。主要参数 如下： 输入信号；。1 0 m v + 1 0 m v 输出信号：5 v + 5 v 精确度：0 2 满量程 辅助电源：d c 2 4 v 满量程调接范围：2 0 零位调整范罔：1 0 3 5 2 转速传感器 采用数字式转速测量方法，它由环形槽和光敏管g k l 2 2 组成测速系统。当直流电机带动环 形槽旋转时，测速光敏管获得系列脉冲信号，经过施密特触发器7 4 h c l 4 n 放大整形后，通过 测量脉冲信号的频率f 或者周期t ，测得转速的大小。 其接线原理图如图3 - 5 。其中t l 、t 2 分别是光敏管输出的脉冲信号，o u t l 、o u t 2 是整形 后的脉冲输出。并接电容用来去耦。 芎； 图3 - 5 转速传感器及放大整形滤波电路 3 5 3 磁粉制动器及其驱动装置 1 制动器 本系统测试过程中通过逐渐给从动轮加载，观察弹性滑动和打滑现象，所以加载装置是试验 台的重要组成部分。加载装置不同，试验台的性能也不同，试验台的准确度、适用性和动力消耗 等等也就不同。加载可以借助加载装置( 机械制动器、电磁测功器或磁粉制动器) 来消耗带传动 1 4 中国农业大学硕士学位论文 测控系统硬件组成 所传递的能量。 磁粉制动器是一种性能优越的自动控制元件。它以磁粉为1 二作介质，以激磁电流为控制手段， 达到控制制动或传递转矩的目的。 它具有以f 特点： 1 ) 激磁电流传递，制动转矩之间呈良好线性关系，体现了良好的转矩可控制性，通过调节激 磁电流，就能十分方便的控制传递佛恸转矩。电流一转矩特性曲线见图3 - 6 。 2 ) 传递瞒4 动转矩仅受激磁电流的控制，而与相对转速及其它因素无关，体现了转矩控制的准确 性，大大提高了控制精度。转速一转矩特性曲线见图3 7 。 3 ) 散热结构合理，热容量大，允许在连续滑差状态下民期运行。 4 ) 无响应时间短，转矩时间常数小，响应速度快，结合，分离平稳无冲击，无震动，无噪音。 5 ) 机械结构紧凑，强度高，磁回路设计合理漏磁小不漏电，体积小转矩大，工作可靠，性 能价格比高，使用寿命长。 6 ) 空转转矩小，开合性能好，操作方便，准确，可靠。 本系统采用南苑电器设备有限公司生产的f z l j 型磁粉制动器。其参数如下： 额定转矩：l n m ，滑筹功率：0 2 k w ，激磁电流：o _ _ o 4 a ，许用转速：1 5 0 0 r m i n 。 图3 - 6 电流一转矩特性曲线 2 功率放大器 图3 - 7 转速一转矩特性曲线 功率放大器的功用：实现输出电流与输入电压信号成正比关系；带电流反馈控制、短路保护。 其原理图如图3 - 8 ，接线图如图3 - 9 所示。 2 2 0 v 交流输入经过整流滤波变直流电压，控制输入信号通过t l 4 9 4 脉宽调制输出一定频率 的脉冲，这个脉冲信号经放大后推动功率电路，再经过电压变换输出一定电压值，经过整流和 稳流电路输出恒定电流，为磁粉制动器提供激励电流。 交 图3 - 8 磁粉制动器原理图 中国农业大学硕士学位论文 测控系统硬件组成 3 5 4 直流电机及其驱动装置 图3 - 9 驱动板的接线图 磁粉制动器 1直流世