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硕士论文 气缸爬行特性自动测试辨识系统研究 摘要 气缸爬行是气缸低速运动时经常出现的一种现象，它会影响气缸低速运动的平稳 性，严重时会造成作业失误和设备损坏。若能够事先把握气缸在不同工况下是否出现 爬行，对于指导用户正确选择气缸、确定适当的工作参数以避免发生气缸爬行现象来 说意义重大。但是，由于气缸的品种和型号繁多，利用传统的人工测试和辨识方法来 测定气缸的爬行现象耗时费力，劳动强度大。因此，研究开发一种能对气缸爬行现象 进行自动测试、辨识的自动测试系统，具有十分重要的学术意义和实际应用价值。 围绕这一研究目标，论文首次提出并研究开发了一种气缸爬行自动测试辨识系 统，研究提出了气缸爬行自动测试辨识系统的总体技术方案，并对气缸爬行的自动辨 识技术、气动系统工作参数的自动调节技术等关键技术进行了深入地研究并取得了以 下成果：( 1 ) 研究提出了气缸爬行自动测试辨识系统的总体结构，分析提出了自动测 试辨识系统的功能模块，构建了自动测试系统的硬件平台和软件平台；( 2 ) 在研究并 实现数据自动采集功能的基础上，对气缸爬行自动辨识关键技术逐点位移比较法 进行了深入的理论研究，分析了数据的自动数字滤波技术，解决了在数据测试和采集 过程中由噪声带来的漏判和误判技术难题，保证了气缸爬行自动辨识的可靠性；( 3 ) 研究并提出了一种基于比例流量阀+ l l 例压力阀的定压变流量自动调节技术，实现了 对气动系统工作参数的连续自动调节。 针对所研发的气缸爬行自动测试辨识系统进行的大量试验研究结果表明：该自动 测试辨识系统的气缸爬行辨识结果与人工辨识结果具有良好的一致性，表明该自动测 试辨识系统具有辨识可靠性高的特点。同时，该自动测试系统具有对气动系统工作参 数进行连续自动调节的功能以及数据的自动采集、自动图形处理、自动保存等功能。 所研发的气缸爬行自动测试辨识系统可以取代人工测试，具有高效、高可靠性的特点。 关键词：气缸，爬行，自动测试，自动辨识；自动调节 硕士论文 气缸爬行特性自动测试辨识系统研究 a b s t r a c t s t i c k s l i po f t e nt a k e sp l a c ew h e np n e u m a t i cc y l i n d e rm o v e sa tl o ws p e e d i tw i l l a f f e c tt h ec y l i n d e rs t e a d ym o t i o na n ds e v e r e l ya l s oc a u s ew o r k i n ge r r o ra n de q u i p m e n t b r o k e n i fs t i c k s l i p c o u l db ef o r e s e e ni nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，i ti sg r e a t s i g n i f i c a n c et og u i d eu s e r st os e l e c tc y l i n d e rc o r r e c t l ya n dp r o p e rw o r k i n gp a r a m e t e r si n o r d e rt oa v o i d i n gs t i c l ( - s l i p h o w e v e r , i ti sl a b o u r o u sa n dt i m e c o n s u m i n gt od e t e r m i n e s t i c k s l i pu s i n gt r a d i t i o n a lt e s t sa n di d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sd u et ot h e , ) a r i a b i l i t yo fc y l i n d e r v a r i e t ya n dt y p e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa na u t o m a t i c a l l yt e s t i n ga n d i d e n t i f y i n gs y s t e mw h i c hc a na u t o m a t i c a l l yt e s ta n di d e n t i f ys t i c k - s l i p ，h a si m p o r t a n t a c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e a c c o r d i n gt ot h i sg o a l ，a na u t o m a t i c a l l yt e s t i n ga n di d e n t i f y i n gs y s t e mo fc y l i n d e r s t i c k s l i pm o t i o ni ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e df o rt h ef i r s tt i m e ，a n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e s s u c ha s a u t o m a t i c a l l yi d e n t i f y i n gt e c h n o l o g yo fc y l i n d e rs t i c k s l i pm o t i o n ，a n d a u t o m a t i c a l l ya d j u s t i n gt e c h n o l o g yo fw o r k i n gp a r a m e t e r si np n e u m a t i cs y s t e m sa r ed e e p l y s t u d i e di nt h i st h e s i s a c h i e v e m e n t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ：( 1 ) g e n e r a ls t r u c t u r eo ft h e a u t o m a t i c a l l yt e s t i n ga n di d e n t i f y i n gs y s t e mo fc y l i n d e rs t i c k s l i pm o t i o ni sp r o p o s e da n d f u n c t i o nm o d u l e so ft h es y s t e ma r ep u tf o r w a r db ya n a l y s i s o nt h i sb a s i s ，t h eh a r d w a r e p l a t f o r ma n a ls o f t w a r ep l a t f o r mo f t h es y s t e ma r eb u i l t ( 2 ) o nt h eb a s i so ft h er e a l i z a t i o n o fa u t o m a t i c a l l yd a t ac o l l e c t e df u n c t i o n , f u r t h e rt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g y o fa u t o m a t i c a l l yi d e n t i f i c a t i o n 一- p o i n tb yp o i n tc o m p a r i s o ni nd i s p l a c e m e n ti sc a r r i e do u t t h ea u t o m a t i c a l l yd i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n o l o g yi sa n a l y z e d ，a n dt h et e c h n i c a lp r o b l e m so f m i s s i n gr a t ea n dm i s i n t e r p r e t a t i o n sc a u s e db yn o i s ei nt h ep r o c e s so fd a t at e s ta n d c o l l e c t i n ga r es o l v e 也a 1 1 o fw h i c he n s u r et h ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nr e l i a b i l i t yo f s t i c k - s l i p ( 3 ) ac o n s t a n tp r e s s u r ea n dv a r i a b l ef l o wa u t o m a t i c a l l ya d j u s t i n gt e c h n o l o g y b a s e do n 。p r o p o r t i o n a lf l o wv a l v ea n dp r o p o r t i o n a lp r e s s u r ev a l v ei sp r o p o s e da n d c o n t i n u o u s l ya u t o m a t i ca d j u s t m e n to fw o r k i n gp a r a m e t e r s i np n e u m a t i cs y s t e m si s r e a l i z e d t h er e s u l t so fe x t e n s i v ee x p e r i m e n t so f ft h ea u t o m a t i c a l l yt e s t i n ga n di d e n t i f y i n g s y s t e mo fc y l i n d e rs t i c k - s l i pm o t i o ns h o wt h a t ：t h ec y l i n d e rs t i c k s l i pi d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s o ft h es y s t e mh a v ea9 0 0 dc o n s i s t e n c yw i t ht h o s eo fa r t i f i c i a li d e n t i f i c a t i o n ，w h i c hs h o w s t h a tt h es y s t e mh a sh i g hr e l i a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，t h ea u t o m a t i c a l l yt e s t i n gs y s t e mh a s f u n c t i o n so fc o n t i n u o u s l ya u t o m a t i ca d j u s t m e n to fw o r k i n gp a r a m e t e r si np n e u m a t i c l a b s t r a c t硕士论文 s y s t e m sa n da u t o m a t i cd a t aa c q u i s i t i o n ，a u t o m a t i cg r a p h i cp r o c e s s i n g ，a u t o s a v e ，e t c t h e a u t o m a t i c a l l yt e s t i n gs y s t e mh a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa sh i g hp e r f o r m a n c ea n dh i g h r e l i a b i l i t y , w h i c hc a l lc o m p l e t e l yr e p l a c em a n u a lt e s t i n g k e y w o r d s ：p n e u m a t i cc y l i n d e r ；, s t i c k - s l i p ；a u t o m a t i ct e s t ；a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n ； a u t o m a t i ca d j u s t m e n t i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 沙讳年肜鲳 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：肛 僻毛只墙 硕j ：论文气缸爬行特性自动测试辨识系统研究 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 气缸作为气动系统中最常见的执行机构，以其结构简单，控制方便等优点，广泛 应用于工业自动化生产中【1 3 】。然而，气缸在低速运动时，由于气缸摩擦阻力和气体 可压缩性的影响，常常会出现时走时停或时快时慢的交替运动，这种速度不均匀的断 续现象称为“爬行”【4 叫。爬行现象将严重影响气缸低速运动的平稳性，缩小气缸的 正常工作范围，严重时甚至会造成作业失误和设备损坏【7 j 。因此，气缸的爬行现象越 来越引起人们的重视j 一方面，气动系统的用户往往希望在设计系统时就能通过气缸 的结构参数和工作条件事先预测气缸是否卜h 现爬行瞵j ，另一方而：气动元件的生产厂 商则希望能快速地获得各类不同型号和规格气缸的爬行临界曲线，以便在产品样本中 向用户提供系统设计时的参考。 目前，国内外许多专家学者对气缸的爬行现象进行了大量深入的研究并取得了一 定的理论成果【9 圳】，但是在这些研究中所使甩的气缸爬行测试和辨识方法均为人工测 试方法，即：针对某一被测气缸，通过人工的方法调节气缸的工况参数，进行大量反 复的试验，辨识出气缸的爬行，并进行相关测试及数据的分析和处理。这种人工的测 试方法效率非常低，例如某研究机构曾对七种型号的气缸进行了爬行测试试验，平均 每个气缸的测试时间约为4 7 6 小时【9 】。而气缸的品种和型号繁多，例如：世界上著 名的气动元件生产商日本s m c 公司生产的气缸型号达上万种之多【4 】。显然，若 利用人工测试和辨识方法来测定种类如此繁多的气缸的爬行现象，需要十五至二十年 甚至更长的时间。因此，为加快上述过程，满足实际工程的需要，研究开发一种能对 气缸爬行现象进行自动测试、自动辨识的快速自动测试系统，具有十分重要的学术意 义和实际应用价值。 本课题将致力于研究这样一种气缸爬行的自动测试及辨识技术，并开发气缸爬行 自动测试辨识系统。这种自动测试辨识系统将采用计算机自动完成数据的采集、分析 与处理过程，可实现气缸爬行现象的自动辨识以及气动系统工作参数的自动连续可 调，从而实现测试过程的自动化，缩短测试周期，提高测试的效率。本课题的研究成 果将大大提高气缸爬行预测的实用化水平，具有重要的实际应用价值。 1 绪论硕士论文 l 。2 国内外研究现状 1 2 1 气缸爬行现象的研究现状 ， 随着土业技术的发展，在许多的工业应用场合如半导体、瓷器、玻璃等加工业、 机械零件的磨削加工中，需要为其提供非常慢的低速平稳驱动【l 8 】，这就对执行元件 的低速运动特性能力提出了很高的技术要求。由于气动系统的工作介质空气具有 很大的可压缩性，使得气动系统的刚性和阻尼都很差，气动执行元件在低速运动时非 常容易产生爬行现象，造成工作的不稳定。气缸的爬行现象已引起了人们的广泛关注。 目前，世界上许多工业发达国家都对气缸的爬行现象作了大量的基础理论和试验 研究【l4 蚓。如世界上著名的生产气动元件的跨国公司德国的f e s t o 公司以及日 本的s m c 公司等 2 3 1 ，在低速气缸的研究上都投入了大量的研究精力，其研究和生产 水平代表着世界的领先水平。在他们的现有产品中，其低速气缸最小速度可达到 o 5 m m s ，( 缸径在1 6 m m 以上) ，缸径在1 6 r a m 以下的气缸速度为l m m s ，而低速摩擦 气缸最低速度可达到0 3 垅，舶【2 4 1 。 为了能获得气缸良好的低速运动特性，防止气缸出现爬行现象，首先需要对气缸 爬行现象产生的机理、气缸的动静摩擦力等有一个比较清楚的认识。国内外的许多 专家学者在这一方面进行了研究并取得了一定的研究成果。意大利的qb e l f o r t e 等人 在上世纪8 0 年代未期，采用液压缸作为气缸的负载以提供恒定的速度，测试了气缸 在伸出和缩回两个行程中，不同速度和不同气源压力下的摩擦力，并给出了摩擦力的 拟合关系式【1 0 1 。日本东京工业大学的香川教授等人对气缸的摩擦力和爬行现象作了深 入的研究，r 以对称气缸为研究对象，在出口节流调速回路中，通过人工调节的方法， 对气缸的摩擦力进行了测定，并对实验数据进行了拟合，给出了气缸摩擦力的拟合关 系式。同时，香川教授分析了在不同速度时气缸活塞和缸壁的润滑状态，并通过试验 给出了混合润滑和滑动摩擦分界点的速度【1 1 1 。东京工业大学小此目等人则针对具体的 气缸及工作参数，通过试验研究了进气节流和排气节流两种不同驱动回路下，气缸出 现爬行现象的临界平均速度，探讨了单向阀对气缸爬行现象的影响。但在他们的研究 中，仅给出了在特定参数下的气缸爬行临界平均速度，指出不同驱动回路中气缸爬行 的临界平均速度不同【1 2 1 。早稻田大学的阿部智仁等人通过试验测定了具体气缸的静、 动摩擦力，分析了气缸爬行运动过程中摩擦力随速度的变化情况，给出了摩擦力一速 度曲线，并分析了动摩擦系数对摩擦力曲线的影响，比较了进气节流和排气节流两种 不同驱动回路下气缸出现爬行位置及出现爬行时速度的波动情况。同样，在他们的研 究中，仅仅给出了某个具体气缸的摩擦力曲线，并未给出摩擦力表达式【1 3 】。 气缸爬行现象的研究在我国起步比较晚，截止目前文献报道并不多。其中，浙江 大学的谢祖刚以德国f e s t o 的气缸作为研究对象，构建了特定气缸摩擦力的试验平 硕士论文气缸爬行特性自动测试辨识系统研究 台，在对双出杆气缸，单出杆气缸以及无杆气缸进行试验的基础上，分析了摩擦力数 学模型以及气缸爬行的各个影响因素，但并未给出气缸爬行的判据，因此不能为气缸 用户提供判断爬行与否的依据【l4 1 5 】。北京理工大学的程海峰、马延峰等人以s m c 的 标准气缸为研究对象，对气缸的摩擦力特性和爬行现象进行了研究，推导得到非对称 气缸发生爬行现象的速度波峰与波谷的时间判别表达式方程，并对气缸运动进行了键 合图的模拟和仿真【16 7 1 。这种判定方法需要首先建立试验系统测出气缸运动速度曲 线，然后通过分析气缸运动速度的波动情况来进行爬行判定，与试验尝试法类似，需 要进行大量的试验，在得到气缸运动速度曲线后才能进行爬行判定。另外，气缸在初 次起动出现冲击现象时，速度波动的首次波幅也比较大，因此以速度波动首次波幅作 为判定参数，无法辨别气缸出现的到底是爬行现象还是起动冲击现象，在实际使用时 判据的可靠较差，有可能产生误判。 南京理工大学的黄俊博士，基于对气缸爬行现象大量试验的基础上，通过理论分 析首次推导出了气缸爬行的理论判别式，首次提出了气缸的二次波幅判据，得出了包 含多个工况参数的气缸爬行综合回归判别式，解决了由工况参数直接预测气缸爬行现 象的问题p j 从上述分析可以看出，国内外的研究人员对气缸的爬行现象进行了大量的理论和 试验研究，取得了一定的理论成果。但在气缸爬行现象的测试过程中，所使用的测试 手段均为人工或半人工测试的方法，测试效率低，试验周期长，仅适用于实验室研究 工作，无法满足针对大量不同规格及型号的气缸进行快速的爬行测试及爬行预测的实 际需求。目前，还未见对气缸摩擦力及爬行现象进行自动测试研究的相关报道。 1 2 2 自动测试技术在气动技术领域中的研究现状分析 自动测试技术是测试技术和计算机技术相结合而产生的一门新兴技术【2 5 1 。自动测 试技术利用计算机技术，实现与硬件有关的系统功能，例如与标准数字接口总线进行 连接、以便对系统中的仪器进行直接控制等，除此之外，还能方便、灵活地运用计算 机常用的软件工具，将仪器硬件与计算机软硬件有机地结合在一个统一的系统中。自 动测试系统采用计算机控制，可实现测试过程的自动化，即可自动完成激励、测量、 数据处理并显示或输出测试结果，这类系统通常是在标准的测控系统或仪器总线的基 础上组建而成的。自动测试系统具有高速度、高精度、多功能、多参数和宽测量范围 等特点瞵艺引。 随着气动技术的不断发展，工业应用中对各类气动元器件的性能参数要求也越来 越高。传统的人工测试的方法由于对人的依赖性较高，难以保证测试的精度以及重复 测试的精度，已经越来越无法适应由于气动技术快速发展对气动系统测试提出的越来 3 1 绪论 硕士论文 越高的要求。所以，近年来越来越多的学者和科研机构致力于气动系统自动测试技术 的研究。 1 9 6 4 年，美国s u n d e s t a n d 公司的液压与气压传动实验室最早利用计算机对实验 数据进行了处理【2 9 】。1 9 7 4 年集成微处理器问世以来，微型计算机由于体积小、价格 低得到迅速发展，很快被应用于各个技术领域，这其中也包括气动测试技术领域。同 时，随着与微型计算机配套的各种通用外围扩展板卡( 如a d + d a 卡，并行i o 卡 等) 的发展，人们能方便地利用它们构成相应的计算机辅助测试系统，比如：文献 3 0 】 设计的气动锚杆钻机c a t 测试台、天水凿岩机械气动工具研究所设计的回转式气动 工具性能自动测试系统；文献【3 1 】采用虚拟仪器技术对气动元件和系统进行测试：文 献【3 2 】进行密封及泄漏的自动测试技术；文献 3 3 研究设计了空气阀门动态性能自动 测试系统等。这些气动自动测试系统采用了微型计算机测试控制技术，实现了测试过 程的自动加载、数据的自动采集和数据的实时处理、测试气压的自动控制等功能，为 气动测试过程的自动化做出了贡献。 将计算机辅助测试( c o m p u t e r a i d e dt e s t ，简称c a t ) 技术应用于气动技术，是 - - i 新兴的综合技术，简称气动c a t 2 9 1 ，所涉及的范周包括气动技术、自动控制技 术、计算机技术、测试技术、数字信号处理技术、可靠性工程等。气动c a t 是利用 计算机建立一套数据采集和控制系统，与试验台连接起来，由计算机对试验参数，如 压力、温度、流量、位移、转速、扭矩等参数进行数据采集和处理并输出测试结果p 4 。 在试验过程中，计算机还可以根据数字反馈或人工输入要求，对测试过程进行控制， 达到计算机密切跟踪和控制实验台及试件状态的目的，从而以高速、高精度完成对气 动产品性能测试。如图1 1 所示为典型微机数据采集系统结构【3 5 1 ，把试验机测控系统 所需的外围硬件、，信号滤波、放大、数字调零、数字增益调整、标定、a d 、d a 及 开关量输入输出、p c 总线接口等全部集成在一块i s a ( 或p c i ) 插卡板上，完成测控信 号的采集与输出，并共用p c 机的直流稳压电源以及机箱，完全可以做成单卡控制系 统。软件系统设计采用计算机可视化编程语言或虚拟仪器技术，充分利用p c 机丰富 的软硬件资源及强大的运算能力，可以组成功能强大、设计灵活、调试、操作便捷的 试验机测控系统。 li 时回日l 圆i 日 l 试l 钽固侮l 圆l 侮 日回目l 困i 日 ii 扫回扫i 匝i 归 图1 1典型微机数据采集系统结构 圈日 硕士论文 气缸爬行特性自动测试辨识系统研究 在我国，气动测试技术经过2 0 多年的发展，目前已有了很大的进展【3 4 】自从上 世纪8 0 年代开始，一些企业和高校就将单板机或p c 机应用于气动系统测试中。气 动c a t 的应用模式经历了下面四个阶段： 1 ) 常规二次仪表+ 单板机+ 汇编语言； 2 ) 常规二次仪表+ 专用接口+ 计算机+ 高级( 或汇编语言) + 输出设备； 3 ) 通用接口+ 微型机系统； 4 ) 兼有测试试验数据处理和计算机控制功能的微型机系统。 从测试系统的功能看，已开发的气动c a t 系统有两种模式：一种是利用计算机 对测试装置进行控制并完成测试过程中的数据采集和处理；另一种是计算机只进行数 据采集、信号处理和试验结果输出等，而不对测试装置进行控制。国内现有的气动 c a t 系统因研制年代比较早，软硬件的性能均不高。这些气动c a t 系统大多采用常 规的a d 转换板，电平较低、信号较弱，测试精度较低，严重时信号甚至淹没在噪 声中；采用常规的二次仪表作为传感器和计算机之间的接口，计算机仅能起到记录和 运算处理的作用，无法提高测试的精度；采用普通微型机进行测控，无防振、防潮、 防电磁干扰的能力，一旦计算机出现故障，整个c a t 系统将出现瘫痪，无法正常工 作。显然，传统的气动测试系统已经越来越不能满足气动技术快速发展的要求。 随着微电子技术和计算机硬件技术的迅猛发展以及控制理论和仿真技术的不断 完善，各种廉价、多功能、高性能的集成电路大量涌现，现代传感技术也有了日新月 异的进步，这些都为测试技术的发展提供了重要的技术支持。近年来，虚拟仪器在气 动c a t 中也得到了广泛的应用，将数据采集、测试、过程控制、信息传输与通信等 现代信息技术汇聚在一起，通过计算机的网络连接，气动c a t 已不再局限于孤立的 或局部的测试系统，而成为信息采集、传输及处理大系统中的一环，在连网测试中发 挥了巨大的作用。由计算机测量仪器及其他支援设备组成的自动测试系统己被公认为 测试技术的发展方向【3 5 】。 从以上的分析可知，将计算机技术和自动测试技术应用于气动系统中，以实现对 气动系统快速、准确的测试和数据处理，已成为当前气动技术中一个重要的研究方向。 对气缸来说，气缸的型号和规格成千上万，要想对如此繁多的气缸进行爬行测试，必 须做到高速、高效。为提高测试效率，加快测试速度，采用“计算机+ a d d a 采集卡 及相应传感、变换电路、控制输出组成采集、控制输出的硬件系统，结合专用软件组 成一套气缸摩擦力及爬行自动测试系统，以代替人工检测系统是十分必要的。气缸摩 擦力及爬行自动测试系统应具有自动检测的能力，较强的数据处理能力，较高测试精 度，可保持测量的实时性，防止人为误差。但是，目前在对气缸爬行现象进行自动测 试和辨识方面，还未见相关的研究报道。 5 1 绪论硕士论文 1 3 有待解决的问题 要想研究开发一种气缸爬行自动测试辨识系统，需要解决的问题如下： 1 ) 要研究开发一种新的自动测试系统，首要的问题是对该系统总体技术方案的 确定。这是后续研究的基础。而如何确定合理的技术方案，应建立在实际工作对自动 测试系统功能需求的准确分析和论证上； 2 ) 为了测试气缸的爬行状态，准确地判断出气缸爬行，防止漏判或误判是该气 缸爬行自动测试辨识系统开发中必须要解决的关键技术。而要想实现系统的自动测 试，从功能上首先实现数据的自动采集、自动处理、实时显示及图形处理等，则是后 续研究的基础； 3 ) 对气动系统工况参数进行连续的自动调节，使测试过程能循环往复地自动进 行，是测试系统真正摆脱人工测试走向自动化测试必须要解决的又一关键技术问题。 1 4 主要研究内容 基于以上的分析，论文的主要研究工作如下： 1 ) 系统总体技术方案研究 ，在剖析传统的气缸爬行人工测试系统的测试步骤以及测试原理的基础上，分析气 缸爬行自动测试辨识系统的技术需求，在此基础上，确定气缸爬行自动测试辨识系统 的总体结构。提出自动测试辨识系统的功能模块，构建自动测试系统的硬件平台和软 件平台。 2 ) 数据的自动采集与处理技术研究 数据的自动采集与处理功能是本课题研究的一个基础，根据系统总体技术方案， 利用p c i l 7 1 0 结合p c 机构建数据采集系统方案，w i n d o w sx p 为系统的运行环境， 利用v i s u a l + + 6 0 作为系统软件开发平台，为了实现数据自动采集与处理并实时显 示及自动保存，需要研究w i n d o w s 系统多任务的特点，分析采集卡中断触发方式， 分析多线程技术的应用，另外研究曲线的自动绘制，采用拟合方式自动绘制气缸爬行 曲线。 3 ) 气缸爬行的自动辨识关键技术研究 气缸爬行现象的自动辨识是本系统研发中的一个关键技术，也是一个技术难题。 为防止在数据测试和采集过程中由噪声带来的漏判和误判，保证气缸爬行自动辨识的 可靠性，研究确定合理的爬行辨识方法是至关重要的；论文将在这一方面作详细而深 入的研究。 、 4 ) 气动系统工作参数的自动调节技术研究 6 硕士论文气缸爬行特性自动测试辨识系统研究 要想使气缸爬行自动测试辨识系统真正做到自动化测试，摆脱人工的参与，就必 须实现气动系统工作参数自动调节的功能。因此，采用怎样的控制方案，如何从软 硬件上保证工作参数的连续可调，以及如何保证调节的精度等都将是论文研究的重 点。 5 ) 气缸爬行自动测试辨识系统的试验研究 为了验证所研发的自动测试辨识系统的工作性能，需要对系统进行必要的试验验 证。论文将通过大量的试验研究，测试系统的运行性能及可靠性，并与人工测试的结 果相比较，以保证气缸爬行自动测试辨识系统的良好运行。 2 气缸爬行特性自动测试系统总体技术方案研究 硕士论文 2 气缸爬行特性自动测试系统的总体技术方案研究 本章通过分析气缸爬行自动测试辨识系统的功能需求，研究自动测试系统体系结 构，构建气缸爬行自动测试辨识系统硬件和软件平台，研究其主要功能模块间的逻辑 功能关系，为后续的深入研究奠定基础。 2 1 气缸爬行特性自动测试辨识系统的技术需求分析 2 1 1 人工测试过程分析 为了研究开发气缸爬行自动测试辨识系统，有必要首先对人工测试平台的功能及 测试方法进行研究，通过分析人工测试过程，提出自动测试系统所应具有的功能。一 般地，气缸爬行现象人工测试试验的原理如图2 1 所示。 气 源 过滤器 减压阔 图2 1 气缸摩擦力与爬行测试试验原理 人工测试的试验步骤为： ( 1 ) 设定试验的各工况参数，如：缸径、密封圈种类、润滑脂种类、负载等， 连接测试试验回路： ( 2 ) 手动调节减压阀，设定系统在某一使用压力下工作； ( 3 ) 调节节流阀的阀口开度，启动手动阀向气缸供气，使气缸运动，观察气缸 有无爬行现象出现； ( 4 ) 若气缸没有出现爬行现象，则调小节流阀阀口的开度，重复步骤( 3 ) 的实 验，直至观察到气缸出现爬行现象为止； 8 硕士论文气缸爬行特性自动测试辨识系统研究 ( 5 ) 启动数据采集仪，重复步骤( 4 ) 中系统出现爬行现象下的工作过程，采集 气缸出现爬行现象时的压力和位移数据； ( 6 ) 调节减压阀，改变气缸的供气压力，重复步骤( 2 ) 步骤( 5 ) ，对不同使 用压力下气缸的爬行临界状态进行测试； ( 7 ) 在完成数据采集后，对所采集的数据进行分析处理，获得气缸运动的位移 一时间曲线，并作微分处理获得速度一时间曲线，分析速度一时间曲线，计算气缸的 摩擦力； 、 ( 8 ) 根据工作参数计算得出不同工况下的爬行临界矽值，并绘制出不同工作状 况下矽一p 的曲线，用户在实际使用气缸的时候，便可以通过相应的曲线预测气缸在 何种压力下出现爬行。 通过对上述人工测试过程的分析不难看出，人工测试系统中存在以下问题： ( 1 ) 试验步骤多，测试周期长。由于气缸的种类多，成千上万种的气缸如果都 使用人工测试的方法进行试验，在时间和人力的投入上几乎是不可能的。 ( 2 ) 试验过程中依靠人工来调节节流阀的开口度，靠人的观察判断爬行与否， 人为因素较大，影响试验结果的可靠性，存在试验误判的可能性。 ( 3 ) 试验数据需要人工转存、处理，同样可能会出现人为的操作误差或者遗漏。 2 1 2自动测试系统需求分析 解决人工测试平台上述问题的方法是研发一套气缸摩擦力及爬行自动测试辨识 系统，从而使对气缸爬行的测试工作实现从人工向自动化的转变，达到缩短测试周期、 降低劳动强度、减少人为误差的目的。所设计的自动测试辨识系统必须具有人工测试 系统的全部测试功能。具体如下： ( 1 ) 数据的自动采集及处理功能 这一功能要求自动测试系统能自动采集气缸每次工作过程的压力和位移量并能 实时显示、自动保存测试数据、具有图形处理功能等； ( 2 ) 气缸爬行的自动辨识功能 这一功能要求系统能够根据自动采集的气缸工作参数，利用爬行判据进行自动分 析处理，判定气缸的运动状态，自动辨识出气缸爬行； ( 3 ) 气缸工作参数的连续自动调节 ，这一功能要求系统应能够对被测气缸的供气压力及供气流量进行连续自动调节， 控制气缸按设定的条件自动工作； 此外，作为一个完善的自动测试系统应该具备其他一些必要的辅助功能，比如能 够预防因所测物理量超出正常测量范围时而导致数据分析结果失真的自动报警功能， 9 2 气缸爬行特性自动测试系统总体技术方案研究硕士论文 以及预防在测试过程中突然出现断电或断路情况而使正在进行的测试工作重新开始 所需的记忆暂停功能等。 2 2 气缸爬行特性自动测试系统的总体技术方案研究 分析气缸爬行现象自动测试的功能和技术需求，结合人工测试系统所存在的不足 与缺陷，发现实现气缸爬行自动测试系统的功能和技术要求，对以下几个难点作分析 并提出解决的途径。 ( 1 ) 实现数据的自动采集，这就需要构建一个数据采集系统，需要选用适当的 数据采集卡，结合计算机技术，通过结合相应的数据采集卡和通用p c 机，就可以构 建一套适用的自动测试系统。 ( 2 ) 气缸爬行现象的自动辨识，需要设计合适的算法，利用采集得到的气缸的 运行参数，快速地实现爬行的判定。这就要求自动测试系统能根据采集到的气缸两腔 内的压力和位移数据，自动绘制相应的曲线，并能够对位移一时间曲线进行微分处理， 得到速度一时间曲线及加速度一时间曲线。同时，根据气缸不同的工况参数，自动计 算不同工况参数下的摩擦力，并对气缸工作过程中是否出现爬行现象进行自动辨识。 若判断出气缸出现了爬行现象，自动测试系统应能够自动计算气缸的临界爬行状态参 数，自动绘制、打印爬行现象的判定曲线。 ( 3 ) 实现气缸的工况的比例调定，避免人工调节减压阀来改变系统的压力。需 要通过计算机软件发出控制指令，控制比例流量阀以及比例压力阀工作，来实现系统 压力流量的调节，这就需要构建一个控制系统，通过计算机软件，采用控制输出卡结 合通用p c 机，利用d a 转换实现控制系统的构建，然而对系统工况参数的调整优化 方法需要进一步研究。 这几个难点也是气缸爬行现象自动测试系统研究中的关键问题，研究提出这几个 问题的简便、实用、可靠的解决方案，是解决气缸爬行自动测试辨识系统的关键。根 据对气缸爬行自动测试系统的功能需求分析，在进行总体设计时，考虑到系统的通用 性，运行平台选择了普通的p c 机，操作系统选择了广泛使用的m i c r o s o f t w i n d o w sx p ， 采用v i s u a lc + + 6 o 进行自动测试系统软件开发( 自动测试系统的体系结构如图2 2 所示) 。这样的开发策略不仅仅可以方便用户，而且可以节省大量的开发时间，使研 究工作主要集中在自动测试系统实现的关键技术上。 1 0 硕士论文气缸爬行特性自动测试辨识系统研究 加载 测量 图2 2 气缸爬行特性自动测试辨识系统体系结构框图 从图2 2 中可以看出，自动测试系统主要包括硬件平台和软件平台两大部分，其 中，硬件平台是该系统的主体，软件平台是实现系统自动测试和辨识的关键，软件平 台实质上是一个用于气缸工作条件参数实时检测与数据处理分析研究的软件环境，下 面分别对该自动测试系统的硬件平台和软件平台加以说明。 2 2 1 气缸爬行自动测试系统硬件平台设计 2 2 1 1 硬件平台的总体技术框架 针对气缸爬行自动测试系统的功能需求，分别考虑各个部分的构成方案。基于虚 拟仪器的测试系统以p c 机为测控系统控制核心【3 6 】，对所设计的气缸爬行自动测试系 统的平台研究，其结构和空间的设计就要做到最合理化，同时应对系统的硬件平台和 软件平台两部分别考虑，图2 3 所示为该自动测试系统的硬件组成框图。 图2 3自动测试系统的硬件组成框图 2 气缸爬行特性自动测试系统总体技术方案研究硕士论文 2 2 1 2 硬件组成 计算机是整个测试系统的核心，它负责整个测试流程的控制，采集数据，分析、 显示结果，以及通讯等功能，所以计算机的运算任务很重，其性能对整个测试系统非 常关键。c p u 的主频、内存容量和可靠性是计算机选择的关键指标，该系统采用 p e n t i u m4 系列1 8 g h z ，5 1 2 m 内存的计算机，运行速度和可靠性满足了测试系统的 要求。 在实现气缸爬行c a t 系统时，需要选择合适的传感器，这些传感器要能真实、 快速地反映一个动态运行的气动系统的各项特征，以实现某些参数和过程的动静态检 测与控制。根据系统功能的需求分析，需要对气缸运行位移、气缸两腔的压力等非电 物理量进行测量，对于物理量的测量，通常是通过某些物理效应，将非电量转换成电 量，然后，再进行放大、转换、显示、记录或控制被测对象状态的获取，一般都离不 开传感器和敏感器件，这是因为被测对象的状态参数往往是一种非电物理量，而计算 机只是一个能识别和处理电信号的数字系统。因此，利用传感器将非电物理量转换成 电信号才能完成测量和控制任务。选择传感器的总的原则是：在满足对传感器所有技 术要求情况下，成本低廉，工作可靠和容易维修，即所谓性能价格比要大。其中在选 择传感器时i 最重要的是要满足其功能要求【37 1 。 ， 从传感器的性能指标综合考虑，选择了满足本测试系统要求的两个高精度压力 传感器和一个高精度位移传感器。分别用于对气缸进、排气腔的压力和活塞的运动位 移进行测量。压力传感器的量程为0 - - 0 6 m p a ，精度0 5 f s ，响应时间o 5 m s ，输出 为1 5 v 的模拟量。位移传感器的量程为3 0 0 m m ，精度为0 5 f s ，输出为0 2 0 m a 的模拟量。 气缸爬行测试系统要能够完成数据的自动采集与处理，仅仅有计算机与传感器还 是不能实现其目的，因而，还需要选择一块合适的数据采集接口卡，用以完成三个模 拟输入信号包括气缸两腔的压力信号以及气缸位移信号的采集测试，由于系统中 采集的传感器类型不同，输出的信号也有差别，将被控对象的各种测量参数：位移、 压力等通过传感器只转换为模拟电压或电流信号：而计算机只能识别数字量，故模拟 信号必须通过模拟输入通道，转化为数字信号才能送入计算机。因此，要求数据采集 卡能够识别不同压力范围的输入模拟信号，同时达到较高的转化精度和转换速度。同 样流量比例阀与压力比例阀必须要由电压或电流信号驱动，但计算机只能输出数字信 号，为了利用计算机实现实时控制，数字信号必须经过模拟量输出通道转化为相应的 电压或电流，才能控制阀的动作，因此控制系统的构成需要对输出接口和a i d 、d a 转换接口设备的进行选择。由于本系统测试对象为气缸的低速运动，对于实时控制的 硬件配置没有特别高的要求；本系统所采用的计算机足以胜任。但是，数据采集卡的 选择比较的重要，尤其是a i d 、d a 功能，最好选择有定时器和缓存器的，这样方便 1 2 硕上论文气缸爬行特性自动测试辨识系统研究 解决系统的定时和数据同步问题。结合本实验室现有资源，我们采用的是台湾研华公 司的p c i 1 7 1 0 l 数据采集卡与p c i 1 7 2 3 控制输出卡。对于研华公司的p c i 系列数据 采集卡来讲，安装比较简单，只要先在系统中装好驱动程序，然后关机一插卡- 开机， 系统就可以自动找到新硬件并自动安装相应的驱动程序，系统自动为p c i 设备分配中 断和基地址，用户无需关心。现分别对这两种卡作一些简要介绍【3 8 1 。 ( 1 ) p c i 1 7 1 0 l 数据采集卡 p c i 1 7 1 0 l 数据采集卡适用于具有p c i 总线的p c 系列微机，具有很好的兼容性， c p u 从目前的6 4 位处理器直到早期的1 6 位处理器均可使用。前面已经提过研华的 p c i 系列板卡在硬件的安装上是非常简便的，对p c i - 1 7 1 0 来说使用时候首先在p c 机 上安装好研华公司提供的相应的驱动软件，再将采集卡插入机内任何一个p c i 总线插 一槽中，信号电缆从机箱外部直接接入，传感器的信号线与端子板的接口相连接。 p c i 1 7 1 0 l 数据采集卡的模拟信号由6 4 管脚的端子板输入，允许采用1 6 路单端 输入方式或8 路双端输入方式，用户可根据需要选择测量单极性信号或双极性信号。 该卡具有高速、高精度的特点，其最高采样频率可达到1 0 0 k h z ，可广泛应用于需要 实时数据采集的实验室或工业过程控制系统。 p c i 1 7 1 0 l 数据采集卡不仅安装简便，而且功能齐全。其a d 转换启动可以选用