（机械工程专业论文）dgn液压加载控制装置研究及在岩土工程测试中的应用.pdf

摘要 摘要 d g n 液压加载控制器是用于岩土工程测试的仪器。d g n 是多功能的缩写。它是为三轴仪 系统配套，用于分析土壤及岩土特性的仪器设备，它能够测试岩土强度及抗剪切能力，测定 在某一固定周围压力下的抗剪强度，确定十的抗剪强度参数。另外它也能为其他设备提供需 要的动力源。本文同绕着主题：d g n 液压加载控制装置研究及在岩土工程测试仪中的应用做 了分析和研究。 首先，分析和介绍了d g n 液压加载控制装置在岩土工程测试中的应用。介绍了三轴仪 系统的原理和构造，d g n 液压加载控制装置是为三轴仪系统的重要组成部分，是三轴仪系统 的动力源。然后介绍岩土测试中三轴仪系统的应用。 其次，详细阐述了d g n 液压加载控制器组成，原理和特性，d g n 液压加载控制器是一 个典型的机电一体化产品，它由单片机控制器，步进电机，齿轮减速箱，丝杠，液压缸和压 力传感器组成。然后分别对d n g 液压加载控制器的机械系统和电气控制系统进行了系统的理 论分析，计算及设计。 最后，通过在大三轴仪上的实验，对d g n 液压加载控制器的闭环控制模式和v f 采样 反馈进行验证。大三轴仪具有d g n 液压加载控制器相同的结构和特性。也是由控制器，步近 电机，齿轮减速箱，丝杠，压力腔和压力传感器组成。控制器由p l c 编程。通过对p l c 编程， 成功验证了无超调条件下的恒压输出，和通过v f 采集反馈信号的可行性。 关键词：三轴仪系统d g n 液压加载控制器步进电机单片机p l c 摘要 a b s t r a c t d g nh y d r a u l i cl o a dc o n t r o l l e ri sa ni n s t r u m e n tf o re n g i n e e r i n gt e s to nr o c ka n ds o i l d g ni s t h ea b b r e v i a t i o no fm u l t i f u n c t i o n i ti so n eo ft r i a x i a lc e l ls y s t e m i tc a nt e s tt h ei n t e n s i t ya n d s h e a r i n gr e s i s t a n c eo fr o c ka n ds o i l i ta l s oc a ns h e a r i n gr e s i s t a n c eo i laf i x e da r o u n dp r e s s u r ea n d c o n f i r mt h ep a r a m e t e ro f t h es o i l ss h e a r i n gr e s i s t a n c e b e s i d e si tc a ns u p p l yp o w e rs o u r c ea l s of o r o t h e re q u i p m e n t s t h ea r t i c l e st o p i ci sa n a l y s i sa n dd e v e l o p m e n to fd g n h y d r a u l i cl o a dc o n t r o l l e r a n di t sa p p l i c a t i o ni nr o c ks o i le n g i n e e r i n gt e s ti n s t r u m e n t f i r s t ，a n a l y s i sa n de x p l a i nt h a td g nh y d r a u l i cl o a dc o n t r o l l e r sa p p l i c a t i o ni n r o c ks o i l e n g i n e e r i n gt e s ti n s t r u m e n t t h e ne x p l a i np r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft r i a x i a lc e l ls y s t e m d g n h y d r a u l i cl o a dc o n t r o l l e ri si m p o r t a n tp a r to ft r i a x i a lc e l ls y s t e ma n di sp o w e rs o u r c eo ft r i a x i a l c e l ls y s t e m a f t e r w a r d si n t r o d u c et r i a x i a lc e l ls y s t e m sa p p l i c a t i o ni nr o c ka n ds o i lr e s e a r c h s e c o n d ，e x p a t i a t ep a r t i c u l a r l yd g nh y d r a u l i cl o a dc o n t r o l l e r sc o m p o s i t i o n ，p r i n c i p l ea n d s p e c i f i c i t y d g nh y d r a u l i cl o a dc o n t r o l l e ri sat y p i c a lp r o d u c to fm e c h a n i c a l e l e c t r i c a li n t e g r a t i o n i ti sm a d eo fs i n g l e c h i pc o n t r o l l e r , s t e p p e rm o t o r , r e d u c t i o ng e a r b o x , m a s t e rs c r e w , h y d r a u l i c c y l i n d e ra n dp r e s s u r es e n s o r t h e n , a n a l y z e ，c a l c u l a t ea n dd e s i g np a r t i c u l a r l yi nt h e o r yf o rd g n h y d r a u l i cl o a dc o n t r o l l e r sm e c h n i c a ls y s t e ma n de l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , v i at h ee x p e r i m e n to nb i gt r i a x i a lc e l ls y s t e m ，v a l i d a t et h ec l o s e dl o o pc o n t r o lm o d e o fd g n h y d r a u l i cl o a dc o n t r o l l e ra n d 障s a m p l i n gf e e d b a c k t h eb i gt f i a x i a l c e l ls y s t e mh a v e t h es a m es t r u c t u r ea n ds p e c i f i c i t yw i t hd g n h y d r a u l i cl o a dc o n t r o l l e r t h eb i gt r i a x i a lc e l ls y s t e m a l s oi sm a d eo fc o n t r o l l e r , s t e p p e rm o t o r , r e d u c t i o ng e a r b o x , m a s t e rs c r e w , d i s c h a r g ec h a m b e ra n d p r e s s u r e s e n s o li t sc o n t r o l l e ri sc o n t r o l l e rb yp l c b yp r o g r a m m i n go np l c ，v a l i d a t e s u c c e s s f u l l yc o n s t a n tp r e s s u r eo u t p u to nn o n o v e r s h o o tc o n d i t i o na n dv a l i d a t et h ee a s i b i l i t yo f c o l l e c t i n gf e e d b a c ks i n g e rv i a 氏 k e y w o r d ：t r i a x i a lc e l ls y s t e md g nh y d r a u l i cl o a dc o n t r o l l e rs t e p p e rm o t o r s i n g l e c h i p p l c 同济大学硕士学位论文 1 绪论 第1 章绪论 1 1 课题的目的和意义 d g n 液压加载控制器是用于岩土工程测试的仪器。d g n 是多功能的缩写。它是为三 轴仪系统配套，用于分析土壤及岩土特性的仪器设备，它能够测试岩土强度及抗剪切能力， 测定在某一固定周围压力下的抗剪强度，确定土的抗剪强度参数。另外它也能为其他设备 提供需要的动力源。d g n 液压加载控制器能够提供两种方式的动力源输出：1 按照设定 的压力以恒压方式输出压力源。2 按照设定的速度以恒定低速方式输出压力源。 目前国内用于三轴仪系统上的液压加载控制器都是从国外进口的，主要是从英国的 g d si n s t r u m e n t sl t d 公司进口。国内还没有自主开发出和三轴仪系统配套的液压加载控制 器。通过研发和制造液压加载控制器。可以l 。降低液压加载控制器造价，也相应降低做 岩十实验的成本。2 降低仪器的维护成本。3 节约进口仪器的外汇。应该有广阔的市场 前景。 1 2 课题的来源和论文的研究方向 上海深尔科公司是一家研发制造岩土测试仪器的高科技公司。它看到了这一发展前 景，计划投资研发国产的液压加载控制器。本课题就是和上海深尔科公司合作研发国产的 液压加载控制器。取名为d g n 液压加载控制器。 本次论文的研究方向是d g n 液压加载控制装置研究及在岩土工程测试中的应用。包 括两个方面：1 d g n 液压加载控制器的设计，理论分析和实验论证。2 d g n 液压加载 控制器在岩七工程测试仪中的应用。分析了国外和国内的岩土分析中三轴仪( 由液压加载 控制器组成) 的使用原理及应用范围。 1 3d g n 液压加载控制器组成，原理和特性 d g n 液压加载控制器是一个典型的机电一体化产品，它由控制器，步近电机，齿 轮减速箱，丝杠，液压缸和压力传感器组成。 它的：r 作原理是一个闭环控制同路，通过键盘输入需控制的参数，单片机控制器按 设定的程序比较反馈值和设定值，输出控制脉冲和正反转信号给步进电机驱动器，步进 电机驱动器控制步进电机运转，步进电机输出的旋转运动经过齿轮减速箱减速，驱动丝 杠旋转产生一个线性运动，推动液压缸中的活塞向前运动，在液压缸前端输出一个需要 的压力，此压力经过压力传感器反馈给控制器，进行闭环控制，并在屏幕上将参数显示 出来。 同济人学硕士学位论文 1 绪论 d g n 液压加载控制器有两种控制模式：1 应力控制模式。( 闭环控制) 通过在键 盘上设定所需的压力，液压缸输出设定的恒压。2 应变控制模式。( 开环控制) 通过 在键盘上设定所需的输出流速，液压缸输出设定的流速。d g n 液压加载控制器设计有 2 3 2 通讯口和通信协议，可以和计算机相连，将传感器检测的数据传递到计算机中。通 过特定的程序，计算机也可以控制d g n 液压加载控制器运行。 1 4 本课题的难点和创新点 本课题是d g n 液压加载控制装置研究及在岩土工程测试仪中的应用，它的难点是： 1 目前国内还没有自主研发的相同功能的仪器。参考资料较少，且都是外文的，研究比 较费时。2 d g n 液压加载控制器是机电液一体化设备，对研发人员要求具备多方面的知 识。3 要达到国外进口的液压加载控制器的精度特性，对国内的精密齿轮减速箱和丝杠 制造工艺要求较高。 本课题的创新点是：1 用国产元件代替进口件设计d g n 液压加载控制器。2 采用 l m 3 3 1 芯片制作精密v f 电压频率转换器代替传统用于传感器器信号转换的8 位并行a d 转换器，精度达到0 0 2 。不仅提高了精度，而且数据采集通道只占用a t 8 9 c 5 1 的一个i 0 口资源，降低了仪器成本，也减小了仪器的体积。 2 同济大学硕士学位论文 2d g n 液压加载控制器的原理和应用 第2 章d g n 液压加载控制器的原理和应用 三轴仪是用于土壤及岩土测定的重要仪器，d g n 液压加载控制器是三轴仪系统的一 个主要设备。它提供三轴仪系统所需的加载动力。 2 1d g n 液压加载控制器的原理 d n g 液压加载控制器是由控制器，步进电机驱动器，步进电机，减速箱，丝杠， 液压缸和压力传感器组成。d n g 液压加载控制器的工作原理是：在控制器的面板上设 定需控制的参数，比如压力。利用数字控制电路控制输出电脉冲，控制步进电机驱动 器，步进电机驱动器然后输出经过放大的电信号，驱动步进电机产生旋转运动。该旋 转运动经过减速箱减速后，再通过丝杠旋转运动。丝杆的另一端经过一个固定在压力 缸端盖滚动丝杠副和一个压力缸内的活塞相连。压力缸固定在基座上，步进电机和减 速箱安装在导轨上可线性往复运动。丝杠的旋转运动变成压力缸活塞线性往复运动。 活塞线性运动压缩缸体体积，导致压力缸输出设定要求的压力。按设定的要求对一些 岩土测试仪液压腔( 或气压腔) 加压。在压力缸出口安装有压力传感器，压力信号反 馈到控制器。控制面板上有按键和显示屏，可以设定需输出的压力，输出的体积量等 参数。微电脑控制器按预存的算法程序，通过比较设定值和反馈值，进行计算，输出 脉冲信号，控制步进电机产生旋转运动，可实行压力回路闭环控制。通过计算输出的 脉冲量，该控制器可以对输出体积量实行开环控制。 下面是d n g 液压加载控制器原理图： 3 同济大学硕士学位论文2 d g n 液压加载控制器的原理和应用 垃桎滚橡啦* r _ m l暗警 压力袖出 臆力t 譬密褥 图2 1d n g 液压加载控制器原理图 d g n 多功能液压加载控制装置能够提供三轴仪试验系统所需的三种控制方式： 轴压和轴向位移控制。 室压控制 后压及测量容积变化控制。 2 2d g n 液压加载控制器的特性 d g n 液压加载控制器的控制技术参数： 该控制器有两种速度模式控制步进电机运行： 1 高速模式方式： 步进电机速度：1 0 0 0 步s 运用在将压力缸中加液和排空阶段。 2 低速模式方式： 步进电机速度：5 0 0 步s 运用于正常压力输出控制阶段。 最大压力输出：3 m p a 步进电机转动一个步距角产生压力缸中的体积变化量是0 5m m 3 4 同济人学硕士学位论文2d g n 液压加载拉0 器的原理和应用 排空速度：i 0 0 0 x0 5m m 2 s = 5 0 0m 一s 供电电压2 2 0 v ac5 0 i z 单相三线制，电流：2 a 。 压力持感器的精度误差：满量程的n1 体积变化控制精度谋差；压力缸总容积的0i 体积变化的分辨率：05m 换算成步进电机运行一步活塞移动的距离为：i o i 广5 = 4 x l o 。m m 4 滚珠丝杆的螺距为5 r a m 换算成丝杆旋转一圈步进电机需运行的步数为 寺_ 1 2 5 x 1 0 4 2 3 三轴仪的介绍 三轴位系统是用于分析土壤及岩土特性的仪器没备，它能够测试岩土强度及抗剪切 能力测定在某一固定周围压力下的抗剪强度然后根据三个以上试件，在不同周 围压力r 测得的抗剪强度乖j 用莫尔库仑破坏准则确定土的抗剪强度参数。 目前国外的三轴仪设备土要有英国g d s 公司生产的g d s 标准高级应力路径三轴试 验系统( s t d t t s a d v t t s ) 如图： 鸯! 曾孽磊。扩 謇皇囊登舅孽 它有以下功能特性 夏 同济大学硕士学位论文2i ) 6 n 液压加载控制器的原理和应用 可自动进行面积校正。 孔压通过连接在基座上的孔压传感器测量。 体积变化测量分辨率为1m m 2 。 摩擦影响通过三轴压力室中的水下荷载传感器测量轴向力而消除。偏应力通过计算机， 利用b i s h o p w e s l e y s ：y 程交叉校正。 轴向位移通过两种方式测量一直接通过位移传感器测量和间接通过压力室内体积变化 测量。 典型的试验可在压缩或拉伸试验中采用应变或应力控制。 可完成应力路径试验。 通过标准的3 m p a 2 0 0 c c 压力体积控制器或高级的2 m p a 2 0 0 c c 压力体积控制器上的远程 反馈模块( r f m ) 来完成数据采集。 控制软件可显示3 个实时图形和1 个数据窗口。 它由三台d g n 液压加载控制器提供三轴仪压力室x ，y ，z 三个方向的加载力。如 图所示：这一装置包括压力室，围压、轴力、孔隙水压和孔隙气压的生成与控制器， 及数据采集和试验控制器件，同时还配备轴力、变形量测和轴平移吸力控制系统。其 特点为：使试样顶端与可用以提供气压( u a ) 的压力生成装置相连，底端与孔隙水压力生 成装置相接，用以通过透水陶瓷板提供水压( u 叼。透水陶瓷板的特点是允许水自由进 出，而气相则需在压强超过透水陶瓷板的最大吸力值p c s 后才能通过。据此控制试样 内部的吸力。 6 2 d s n 液压加载控制器的原 f 面是试样示意豳 2 i ) g n 液压加载控制器的原l 工程实践中遇到的土有许多是非饱和土其性状并不符合经典饱和土力s 和概念。例如，在上海地区虽然所遇到的天然土体通常处于饱和状态，但! 殳相关土体则常因一些工程措施的采用( 如降水加固等) 而处于种人工非饱 此外，国内有许多易于引发【程事故的问题土，如湿陷性黄土和膨胀土菩。_ 的非饱和土。对于与以上土质相关的工程问题，均可借助非饱和土力学予以研 饱和土三轴仪试验系统是用于岩土工程实验的大型试验设备。它也是结构与 项目建设的重点。在非饱和土力学的教学和科研都有很太的需要。 非饱和士是由土颗粒( 圃相) 、孔隙永( 液相) 、孔隙气( 气相) 和液- 气； 成的四相体系。吸力是影响非饱和土力学性态的关键因素控制吸力技术则d 试验成畋的关键。试验方法主要有：轴平移技术、渗析技术和相对湿度控制力 在非饱和土三轴仪试验系统中，包括应力路径室一套d g n 多功能液压自 装置 数字式空气压力体积控制器，数据采集板和转换器用于数据采集和实驻 o d s l a b 模块软件，内置式水f 荷重传感器和其它辅助元器件等。 8 阿济人学硕士学位论文 2d g n 液压加载控制器的原理和应用 2 4d g n 液压加载控制器的应用 d g n 液压加载控制器是三轴仪系统的重要组成部分。标准的三轴仪系统由三套液压 利气压加载控制器构成，提供试验加载动力。d g n 液压加载控制器是由微电脑控制的 液压加载装置，它能控制和测量水压，a 4 量体积变化。屋外原装的d n g 液压加载控制 器一g d s 标准3 m p a 2 0 0 c c 压力体积控制器( s t d d p c ) 如f 翻所示 特征： 压力量程为3 m p a ，可选择l 蜥a ，2 m p a ，3 w p a 以保护低量程的设备。体积容量是2 0 0 c c 。 通过闭合同路微处理器控制永压至1 k p a 。 键盘功能包括t a r g e t ( 目标值) ，l i a 盱( 线性蠕变和压力或体积的循环变化) ，加上快 速装填和排空液压腔。 体积变化测量和显示至00 0 1 m m 2 ( o 0 0 1 c c ) 。 重簧轻( 1 4 k g ) 、占用面积小( 6 0 0 x 2 3 0 m f n ) 。 用户界面是1 6 位键盘和液晶显示。 可选择r s 2 3 2 计算机串口，用于计算机控制和采集压力和体积变化。 可选抒模拟串口，使数据采集器可输出压力和体积变化值。 控制器提供超过预设压力和体积的自动保护功能。 为传统的土力学试验室提供低成本的压力源和体积变化测量计。 d n g 液压加载控制器能够代替岩十试验室中传统的压力源，如永银柱，静负载仪，空压 机和液压油泵等 殳各。它提供豹窖积变化精度达劐00 0 1 毫升。d n g 液压加载控制嚣能够使 用在岩士试验室中做为一个压力源和容积变化稠量器。例如：它是一个理想的备压源能 够测量月4 试样品的体积变化量。通过控制面板设定参数d n g 液压加载控制器能够提供压 力或体积的线性蠕变和循环变化。它也能用于恒速流体的渗透性试验。它带有和计算机通 讯的2 3 2 接口，通过应用软件可以由电脑直接控制。 9 同济大学硕士学位论文 2 d g n 液压加载控制器的原理和应用 2 5 本章小结 本章首先介绍了了d g n 液压加载控制器组成和原理。i ) 6 n 液压加载控制器是由单片机 控制器，步进电机，丝杠，液压缸和压力传感器组成。然后介绍了d g n 液压加载控制器特性。 接着介绍了三轴仪的组成。三轴仪是应用于研土测试的重要仪器，可以获得多种所需的土壤 特性。对基础建设的设计和施工提供必须的理论数据。最后介绍d g n 液压加载控制器的应用， d g n 液压加载控制器是三轴仪系统的重要组成部分，它是三轴仪系统的动力源。 i 0 同济火学硕士学位论文 3d n g n 液压加载控制器机械系统理论分析，计算及设计 第3 章d g n 液压加载控制器机械系统理论分析及设计计算 以英国g d si n s t r u m e n t sl t d 公司生产的s t d d p c3 m p a 2 0 0 0 c c s t a n d a r d p r e s s u r e v o l u m ec o n t r l l e r 为原型，本论文设计- - 台3 m p a 液压加载控制器通过面板按钮 设置o 一3 m p a 之间的任一压力，控制论器保持恒压输出。技术指标：最大输l _ j 3 m p a 液体压力 达到稳定恒压输出的最大时间5 m i n 。丝杠进给的最大速度是：o 0 2 米分机电控制系统对机 械装置的基本要求是高精度，快速响应和良好的稳定性。 ( 1 ) 高精度 精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能，工艺水平和功能 比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电控制系统的高精度是其首要的任务。如果机 械系统的精度不能满足要求，则无论机电一体化产品的其他系统工作再精确，也无法完成 其预定的机构操作。 ( 2 ) 快速响应 快速响应要求机械系统从接到指令到开始执行指令之间的时间间隔短。这样控制 系统才能及时根据机械系统的运行情况得到指令，下达指令，使其准确地完成任务。 ( 3 ) 良好的稳定性 稳定性要求机械系统的工作性能不受外界环境影响，抗干扰能力强。 此外还要求机械系统具有较大的刚度，良好的可靠性和质量轻，体积小，寿命长。 传动系统的性能要求； 传动机构的性能一般要求传动机构能满足以下几方面要求。 ( 1 ) 。转动惯量小，即在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和传动惯量应尽 量减小，否则，转动惯量人会对系统造成不良影响，机构负载增大；系统响应速度降低， 灵敏度下降；系统固有频率下降，容易产生谐振。所以在设计传动机构时应尽量减少转 动惯量。 ( 2 ) 刚度大，刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是 有利的，主要好处有： 伺服系统动力损火随之减少。 机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不容易产生共振。 增加闭环伺服系统的稳定性。 ( 3 ) 阻尼合适；机构系统产生振动时，系统的阻尼越大，其最大振幅就越小且衰减也 同济大学硕士学位论文 3d n g n 液压加载控制器机械系统理论分析，计算及设计 越快，但人阻尼也会使控制过程时间增大。所以在设计时，传动机构的阻尼要选择 适当。 此外还要求摩擦力( 提高机构的灵敏度) ，抗振性能( 提高机构的稳定性) ，间隙小( 保 证机构的传动精度) ，特别是其动态特性与伺服电机等其他环节的动态特性相匹配。 3 1d g n 液压加载控制器机械系统结构和组成 1 液压缸 外形尺寸：长：2 9 6 毫米外缸径：5 0 毫米内缸径：4 0 毫米杆径：2 2 毫米 2 丝杆导轨：长2 7 0 t 胁1 宽：1 5 高：1 2 3 丝杠长2 1 0 删 4 精密减速箱：l ：4 0 5 步进电机s t o n e 步进电机：两相混合式步进电机5 6 b y g 2 5 0 b 6 控制电路板a t 8 9 c 5 1 单片机控制器( 自主研制) 7 压力传感器：量程范围：0 4 b t p a 精度： 5 m m 【仃】：缸体材料许用应力 【o r = c r b n = 4 9 0 4 = 1 2 2 5 m p a( 按精拉管材料胛2 计算) 仍：材料抗拉强度4 9 0 m p a n ：安全系数，一般，n = 3 5 5 当8 d = o 0 8 3 时，可按下式校验 万司而p m a x d 3 活塞杆的计算 ( 1 ) 强度计算 活塞杆强度按下列校核：d f - 液压缸负载 【仃】：活塞杆材料许用应力 4 5 撑钢仍 6 0 0 m p a 【c r - - a 6 n 1 3 d ：活塞杆直径 同济人学硕士学位论文 3d n g n 液压加载控制器机械系统理论分析，计算及设计 ：为材料抗拉强度o r b = 6 0 0 m p a 1 1 安全系数，一般取n 1 4 ( 2 ) 稳定性验算 活塞杆所能承受的负载f 应小于使它保持工作稳定的临界负载而，吊的值与杆的材料 性质，截面形状，直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。即 f ；一f r ，l l r ：安全系数，一般取拧r = 2 - 4 当活塞杆长细比l r r 2 0 1 2 0 风：w ：r c 2 e d 当活塞杆长细比l r r 2 0 1 2 0 肛丽f a 1 + 二l 二i 哪! ip nj l ：安装长度 你：活塞杆截断面的最小回转半径 甲l ：柔性系数，对钢取甲l = 8 5 、壬，2 ：末端系数，o 2 5 e ：活塞杆材料的弹性模量，e = 2 0 6 x1 0 n m 2 j ：活塞杆的横截面惯性矩 a ：活塞杆断面面积 厂：材料强度决定的实验数值，f 4 9 x1 0 8 n m 2 a ：系数，a = l 5 0 0 0 4 液压缸的负载计算 采用平导轨，其摩擦系数取，= 0 2 ，乒= 0 1 1 负载力：凡= 4 0 0 0 n 2 摩擦阻力：昂= 矗知 f 掰= f d 知 1 4 同济大学硕士学位论文 3d n g n 液压加载控制器机械系统理论分析，计算及设计 3 惯性阻力：f 。- - m a - 凡倡竺 f 4 密封阻力：取，7 。= o 9 二滚动丝杠的分析 1 工作原理和结构 丝杠和螺母的螺纹滚道间置有滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝 杠和螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设 有同程引导装置，反向器和挡珠器，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循 环。 2 滚珠丝杠副的特点 动效率高：效率可达至u 9 0 - 9 5 ，耗费的能点i = 仅为滑动丝杠的1 3 。 运动具有可逆性：既可将同转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传动 效率几乎与正传动效率相同。 系统刚度好；通过给螺母组件内施加预压来获的较高的系统刚度，可满足各种机械传动要求， 无爬行现象，始终保持运动的平衡性和灵活性。 传动精度高：经过淬硬和精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有很高的制造精度，又由于 摩擦力小，丝杠副i 作时的温升和热变形小，容易获得较高的传动精度。 使用寿命长；滚珠是在淬硬的滚道上滚动运动，磨损极小，长期使用后仍能保持其精度，因 具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠要高5 6 倍。 不能白锁：需设置制动装置。本设计由步进电机的堵挡力矩来实现。 制造工艺复杂：滚珠丝杠和螺母等零件加工精度，表面粗糙度要求高，制造成本高。 3 3d g n 液压加载控制器机械传动系统特性分析 机电一体化机械系统的伺服性能要求，机械传动部件满足传动惯量小，摩擦小， 阻尼合理，刚度大，振动特性好，间隙小的要求。 3 3 1 系统动态分析有关的主要特征参数 有关的特征参数如下： 1 惯性参数 选用选两相混合式步进电机5 6 b y g 2 5 0 b 。电机的转动惯量：1 8 0 9 c m 2 ，重量： 1 5 同济人学硕士学位论文 3 d n g n 液压加载控制器机械系统理论分析，计算及设计 0 4 8 k g ，驱动电压：2 4 v ，空载启动频率：i 3 5 k h z ，转矩：0 6 5 n m ，步距角0 9 ， 两相电机 如机= 1 8 1 0 巧( 堙加2 ) 线运动物体的惯量，1 山= w ( 1 2 x ) 2 = 1 5 ( 5 1 0 。3 2 ； 0 2 = 9 5 1 0 7 ( k g m 2 ) 滚珠丝杠惯量了2 ，：= 丢( 肋2 ) = 扣7 5 ( 1 o - 2 ) 2 ) 以0 3 1 0 巧( 姆) 负载惯量j ，负载= ，l + ，2 = 9 5 1 0 _ 7 + 7 0 3 1 0 _ 6 = 8 1 0 - 6 ( 堙肌2 ) 2 摩擦 ( 1 ) 粘性摩擦力，大小与两物体相对运动的速度成正比。 c ) 库仑摩擦力是接触面对运动物体的阻力大小为一常数。 ( 3 ) 静摩擦力是相对运动趋势，但仍处于静止状态的摩擦力。其最大值发生在相对 运动开始前的一瞬间，运动开始后，静摩擦力即消失。 克服静摩擦力所需的电机转矩乃与电机额定转矩孙的关系为： 0 2 孙9lyi y哆 ， j ，l ， 一l y x 1 0 1 03 ) tjzup j 千 j 工 j l o l i ( +tk k l才 寸 匕 口x 万 x i l o o( s )7nn暑 七承 n i l i l( 8 )l? 0o 7y 节口 0 d m 一1 6 2 液晶模块内部的控制器共有l l 条控制指令，如表2 所示， 囊指令裹 指令r sr wd 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld o 清最示0ooo0oooo 光拓返圆 。 o0 o oooool 置输人摸式oo0odooll ds 显示开关控制0 oo o0 0 1dc b 光标或字符移位 oo ooo1s cr l 置功能o0oo1d lnf 置字符敏生存贮器地址00ol 字符发生存i 亡器地址( a g g ) 重数据薛贮器地址 oo l 显示数姑存贮器地址( a d d ) 读忙标志或地址 olb f计效器地址( a c ) 写数到c g r a m 或d d r a ml0 要写的散 从c g r a m 成d d r a m 凄效 ll 读出的数据 它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。( 说明：l 为高电平、0 为低电平) 指令1 ：清显示，指令码o l h ，光标复位到地址0 0 h 位置指令2 ：光标复位，光标 返回到地址0 0 h 指令3 ：光标和显示模式设置i d ：光标移动方向，高电平右移，低电平左 移s ：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效指令4 ：显示开 关控制。d ：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示c ：控制光标 的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标b ：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低 电平不闪烁指令5 ：光标或显示移位s c ：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标指 令6 ：功能设置命令d l ：高电平时为4 位总线，低电平时为8 位总线n ：低电平时为单行显示， ，2 l擘，p盯 同济大学硕士学位论文4d g n 液压加载控制器闭环控制系统原理，理论分析及设计 高电平时双行显示f ：低电平时显示5 x 7 的点阵字符，高电平时显示5 x 1 0 的点阵字符指令7 ： 字符发生器r a m 地址设置指令8 ：d d r a m 地址设置指令9 ：读忙信号和光标地址b f ：为忙标 志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令1 0 ： 写数据指令1 1 读数据 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志 为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉 模块在哪里显示字符，表3 是删一1 6 2 的内部显示地址 一 91 0l l1 21 31 41 51 6 o l0 2 0 3 0 4o s 0 7 鸲，0 ao bo c0 d 一，1 。“。- 一一 的l4 2 34 44 5 舶4 7 髓 o e e4 94 a84 c4 d o f 一 4 f 第一行 第二行 比如第二行第一个字符的地址是4 0 h ，那么是否直接写入4 0 h 就可以将光标定位在第二行 第一个字符的位置呢? 这样不行，因为写入显示地址时要求最高位d 7 恒定为高电平1 所以实 际写入的数据应该是0 1 0 0 0 0 0 0 b ( 4 0 h ) + l 0 0 0 0 0 0 0 b ( 8 0 h ) = l l o 0 0 0 0 0 b ( c o h ) 以下是在液晶模块的第二行第一个字符的位置显示字母a ”的程序： r se q up 3 7 r we q up 3 6 ee 伽p 3 5 o r g0 0 0 0 h m o vp i ，# 0 0 0 0 0 0 0 1 b ：清屏 a c a l le n a b l e m o vp 1 ，# 0 0 l l l 0 0 0 b ；8 位2 行5 x 7 点阵 a c a l le n a b l e m o vp 1 ，# 0 0 0 0 1 1 1 1 b ；显示器开、光标开、闪烁开 a c a l le n a b l e m o vp i ，# 0 0 0 0 0 1 1 0 b ；文字不动，光标自动右移 a c a l le n a b l e m o vp 1 ，# o c o h ；写入显示起始地址( 第二行第一个位置) a c a l le n a b l e m o vp i ，# 0 1 0 0 0 0 0 1 b ；字母a 的代码 s e t br s ；r s = i c l rr w ；r w = o c l re ；e = o a c a l ld e l a y s e t be ：e = i a j m p $ e n a b l e ：c l rr s ；写入控制命令的子程序 c l rr w 3 9 同济大学硕士学位论文4d g n 液压加载控制器闭环控制系统原理，理论分析及设计 c l re a c a l ld e l a y s e t be r e t d e l a y ：m o vp 1 ，# o f f h ：判断液晶显示器是否忙的子程序 c l rr s s e t br w c l re n o p s e t be j bp 1 7 ，d e l a y ：如果p 1 7 为高电平表示忙就循环等待 r e t e n d 程序在开始时对液晶模块功能进行了初始化设置，约定了显示格式。注意显示字符时光 标是自动右移的，无需人工干预，每次输入指令都先调用判断液晶模块是否忙的子程序 d e l a y ，然后输入显示位置的地址0 0 0 a ，最后输入要显示的字符a 的代码4 1 h 。 二键盘输入电路 在设计中，使用了标准的4 x 4 键盘，其电路图如图所示。单片机的并行扩展芯片8 2 5 5 的 p a d ，8 位为键盘的接口。分别表示o ，1 8 ，9 ，和f 1 ，f 2 ，f 3 ，f 4 ，f 5 ，f 6 来输入数据和控制指 令。对步进电机的状态进行控制。 一 堑囊 = 一 一 ；。虿i ；参 1 0 、l _ _ 静口小- r 冷- ljll ， r 产p产“ 产酗 l ，i 坩 r r 拇r 护孔7 产l ：葛 ；杯 二慈p ill 1 键盘消抖 本设计采用软件消抖。其流程如下图所示。在单片机获得p a l 0 口为低电平的信息后， 4 0 同济大学硕士学位论文4d g n 液压加载控制器闭环控制系统原理，理论分析及设计 不是立即认定键l 已按下，而是延时1 0 m s 或更长时间后再次检测p a l 0 口，如果仍为低电 平，说明键1 确实被按下，这实际上是避开了按键按下时的抖动时间。在检测到按键释放后 再延时5 1 0 m s ，消除后沿的抖动，然后再对键值处理。 2 键码的识别 本设计采用矩阵键盘。其原理是列线通过电阻接正电源，将行线所接的单片机的i o 口作为 输出端，而列线所接的i o 口则作为输入端。这样，所有的输出端都是高电平，代表无键按 下。一单有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可知是否有键按 下了。这里采用行扫描法来判断。 8 2 5 5 的p a 口用做正个键盘的i o 口，键盘的列线接到p a 口的低4 位，键盘的行线接到p a 口的高4 位。列线p a 0 - - - p a 3 分别接4 个上拉电阻到正电源+ 5 v ，并把列线p a 0 p a 3 设置为 输入线，行线p a 4 一p a 7 设置为输出线。4 根行线和4 根列线形成1 6 个相交点。 识别过程如下1 4 1 3 3 通讯电路 4 1 同济大学硕士学位论文4d g n 液压加载控制器闭环控制系统原理，理论分析及设计 一硬件结构 该仪器采用r s 2 3 2 c 接口和p c 机进行通讯。如下图所示。a t 8 9 c 5 1 单片机内带一个 全双工的串行口，该串行口具有多机通信功能，可以与p c 机，数据收发设备或其他单片机 构成通信系统。a t 8 9 c 5 1 单片机的串行口并不是标准的r s 一2 3 2 - c 串口，但通过单片机内部 的软件编程以及单片机外部的r s - 2 3 2 收发器芯片，可以将a t 8 9 c 5 1 单片机单片机的串行数 据接口与r s - 2 3 2 一c 串口连接起来。 从下图所示可以看出，通过单片机的全双工串口实现r s - 2 3 2 - c 标准接口十分简单， 只需要将单片机的串口发送引脚t x d 接到r s - 2 3 2 收发器芯片的发送输入端t x i n ，同时将单 片机的串口接收引脚接到r s 一2 3 2 收发器的接收输出端r x o u t 即可。这里使用的r s - 2 3 2 收发 器芯片是m a x i m 公司的m a x 2 0 2 e ，它采用1 6 脚d i p 封装，包含两个发送器和两个接收器， 每个发送器输出和接受器输入勿需密封均可抗1 5 k v 静电放电冲击。图中m a x 2 0 2 e 的引脚 c l + 与c 1 一，c 2 + 与c 2 一，v + 与v c c ，v 一与g n d 之间的4 个0 1 u f 的电容不可缺少，一般选用 陶瓷介质的电容即可。 符合r s 一2 3 2 一c 标准的连接器通常为2