（机械电子工程专业论文）汽车传动轴防尘罩旋转膨胀量测试系统设计研究.pdf

摘要 近年以来，随着国民经济的不断发展，汽车工业在国家经济生活中的作用 显得越来越重要。而汽车传动性能的好坏，更是直接影响着汽车的性能。汽车多 采用万向节传动，万向节性能的好坏，关系着传动轴的传动性能和使用寿命。因 此万向节传动部分，一般都用防尘罩与外界隔离开来。防尘罩多采用橡胶材料制 成，起着防止灰尘、泥浆、水等侵入的作用。对于防尘罩性能的检测就显得越来 越重要，现在对于防尘罩的性能检测多是检测其物理化学性能，并不能测试出防 尘罩工作时的性能变化情况。在这种背景下，自行研制一套实时检测防尘罩特性 的系统显得十分必要和紧迫。本课题针对各种型号的汽车传动轴，设计了实时测 试其防尘罩最大膨胀量的系统，具体研究内容如下： 本文第一章介绍了课题研究的相关背景和国内外现状。第二章首先确定总 体方案，在此基础上，将系统从总体上分为机械系统，控制系统以及数据采集处 理系统，并对这三个部分作了总体上阐述。分析确定了系统驱动装置、控制部分 总体方案，并对相关设备进行了选择。第三章设计了机械部分的关键零部件，并 建立了系统运动模型，计算出系统的功率，为系统选择了电动机。 图像采集和处理方法是贯穿整个系统设计的一个中心。如何采集图像以及对 图像进行预处理和结果分析是课题设计过程中关注的重点。因此第四章，首先阐 述了有关视频采集的原理和特性，并在此基础上完成了照明部分设计，图像采集 方案设计，并为系统图像选择了合适的存储格式。 数据处理和分析也是本系统的一个重要环节，因此第五章主要针对防尘罩图 像的特点，应用图像处理方法对其进行预处理。第六章，提出了防尘罩最大膨胀 量测试的主要算法以及系统软件的结构组成，并编制了系统软件。 关键词：万向节防尘罩膨胀量测试结构设计 图像采集图像处理 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，a u t o m o b i l ep l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h e e c o n o m i cd e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y g o o dd r i v ep e r f o r m a n c ec a l le n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo ft h ea u t o m o b i l e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ea u t o m o b i l ed r i v es h a f t sa r e c o n n e c t e db yg i m b a l ，w h i c hi 8c o v e r e db yt h es h i e l d t h es h i e l d w h i c hi s m a i n l y m a d eo f r u b b e r , c a l lp r e v e n tt h ed r i v es y s t e mf r o mi n t r u d i n go f t h ed u s t ，w a t e r , s l u r r y e t c i ti sh i g hi m p o r t a n tt od e t e c tt h ec a p a c i t yo fs h i e l db e f o r ei t sc o r r o d i n g d e t e c t i n g t h ep h y s i c a lp e r f o m 2 a n c ea n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c eo ft h es h i e t di sc o m m o nm e a n s o ft h ea u t o m o b i l ed r i v es h a f ts h i e l d d e t e c t i n gs y s t e mi nt h ew o r l d s oi t i sv e r y n e c e s s a r yf o ru st or e s e a r c ha n dd e v e l o ps u c hak i n do fs y s t e mb yo u r s e l v e s ，w h i c h c a nd e t e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eg i m b a ls h i e l di ni t sw o r k i n ge n v i r o n m e n t t h i s t h e s i si sm a i n l yd i s c u s s i n ga b o u tt h ed e t e c t i n gs y s t e mo ft h es h i e l de x p a n s i o n a n d t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si sa sb e l o w ： i n c h a p t e r 1 w ei n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h i s t h e s i s i nc h a p t e r2 ，w ef i r s te n s u r et h ew h o l es c h e m e o nt h i sb a s i s ，w ed i v i d et h e s y s t e mi n t ot h r e ep a r t s ：m e c h a n i c a ls y s t e m ，c o n t r o ls y s t e ma n di m a g ec o l l e c t i n ga n d p r o c e s s i n gs y s t e m a n dw ei n t r o d u c et h e mi ng e n e r a l w ea n a l y s i sa n dc o m p a r ee a c h s c h e m ea n ds e l e c tt h ek e y c o m p o n e n t s ， m e c h a n i c a ls y s t e mi st h ew h o l eb a s eo ft h es y s t e m o nt h eb a s eo f d e s i g n i n gt h e w h o l es t r u c t u r e w ei n t r o d u c ee a c h p a r to f t h es y s t e mi nt h ec h a p t e r3 ，ed i s c u s st h e m e c h a n i c a lm o d e lo f g i m b a lf i r s t l y , t h e nc a l c u l a t et h ep o w e ro f d i f f e r e n tp a r to ft h e s y s t e ma n dg i v eo u t c o m e o f t h ec a l c u l a t i o n w ea l s od i s c u s sa b o u to t h e rt e l a t i v ep a r t s i m a g ec o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mi st h ec e n t r eo f t h es y s t e md e s i g n h o w t og e tt h ei m a g e so fs h i e l da n dp r o c e s si ti st h ee m p h a s i so ft h i st h e s i s t h eg r e a t p r o c e s s i n gd a t ai sa l s ot h es p e c i a l i t yo f t h i ss y s t e m s ow e m a i n l yd i s c u s sa b o u tt h e t h e o r yo fv i d e os a m p l i n g i n c h a p t e r4 t h e nw ed i s c u s s t h em e t h o do f i m a g e a c q u i s i t i o na n d t h ef o m a a to f i m a g e f i l e sa r es a v e da s t h ed a t ap r o c e s sa n dd a t aa n a l y s i sa r ea l s ot h ei m p o r t a n tf a c t o r so ft h es y s t e m i nc h a p t e r5 ，w ed i s c u s sa b o u tt h em e t h o d so fi m a g ep r e t r e a t m e n ta n dt h e np r o c e s s t h es h i e l di m a g e sw i t ht h e s em e t h o d s i nc h a p t e r6 ，w ed i s c u s sa b o u tt h ea r i t h m e t i co f s o f t w a r e ，w h i c hi su s e dt og e tt h ee x p a n s i o no ft h es h i e l d t h e nd i s c u s sa b o u tt h e s t r u c t u r eo fs o f t w a r ea n dd e s i g nt h es y s t e ms o f t w a r e k e yw o r d s ：s h i e l do fg i m b a l ，t h em e a s u j e m e n to fe x p a n s i o n ，s t r u c t u r ed e s i g n ， i m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究： 作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 期翌坐! 呈：! r 本人完全了怒上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 需墨友 导师签名：憋日期：堡正：呈：望二 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 汽车等速万向节传动现状 随着国民经济的不断发展，汽车工业在国家经济生活中显得越来越重要。 2 0 0 2 年我国汽车产量达3 2 5 万辆“，已经跃居世界前列。随着汽车工业的激烈竞 争，提高汽车的品质与质量成为各汽车厂商提高其产品竞争力的重要手段，而汽 车的传动性能是汽车所有性能指标中最为重要的。 汽车传动轴( 即驱动轴) 是汽车关键部件，将发动机产生的功率和转矩传给 汽车的驱动轮，以驱动汽车前进。随着汽车工业的发展以及用户对汽车使用、转 向的更高追求，要求汽车有更好的动力性、操纵性及舒适性，这就促使了f f 及 4 w d 型车的出现。它们的前轮必须具有转向和驱动两种功能，作为转向轮，要求 车轮能在一定的转角范围内任意偏转某一角度；作为驱动轮，则要求半轴在车轮 偏转过程中以相同的角速度不断地把动力从主减速器传到车轮。在这样两个轴线 不重合，且位置还经常变化的两轴间传递动力的机构就是等速万向节。转向驱动 桥半轴不能制成整体而要分段，在车轮和半轴间用等速万向节将两者联接起来。 即使采用后轮驱动，由于居住性的要求，使用独立悬挂，车轮和半轴轴线不重合， 也需等速万向节传动。现代汽车的等速万向节传动装置是由等速万向节、传动轴、 和支承组成。1 。等速万向节把两根传动轴连接起来，并使它们以相同的角速度传 递运动( 如图1 1 ) 。 图1 1 汽车传动轴万向节传动 驱动轮 汽车等速万向节按其性能可分为定心型和轴向滑移型两大类，表1 1 列举了 现在投入使用的等速万向节及其性能要求。不同类型的等速万向节其工作原理大 上海大学砑士研究生毕业论文 t i i ep o s t g r a d u a t e1 h e s i so fs h a n g h a iu n i v e k s i t y 致相同，但其形状以及性能却有较大的区别。 表1 1 等速万向节分类 分类定心型轴向滑移型 等角速；等角速；能够形成活动角；能 性能要求 活动角大( 4 5 。5 0 。) ；轴向做足够的移动；寿命长； 寿命长；强度高 r f ( r z e p p a 等速万向节)d o j 双边移距式( 等速万向节) 种类 b j ( 伯菲尔德式等速万向节) g j ( 三柱轴式等速万向节) 6 e ( 三柱轴式等速万向节)v l ( 交叉槽式等速万向节) u f ( 球式等速万向节) 1 1 2 汽车等速万向节性能测试 等速万向节传动轴因其自身结构的特点，它的旋转运动等速条件是均匀的， 在结构上是对称的，一般不需要进行剩余不平衡量的试验，而由不平衡量引起的 传动系振动、噪声也可以忽略。另外，由于前轮驱动的布置方式，主减速齿轮副 布置在变速器内，传动轴输入的转速较低。例如，富康车在时速1 7 0 k m h 时其 传动轴转速在1 6 0 0r m i n 左右，不需要像一般十字轴万向节传动轴那样测量 传动轴的临界转速。鉴于以上考虑，目前轿车采用的等速万向节传动轴总成的试 验项目一般为：传动轴静扭转强度试验；传动轴扭转疲劳试验；传动轴动态疲劳 试验o 】【“( 也叫磨损试验) 。 传动轴静扭转强度试验：主要考核固定式和移动式万向节中间轴的静态承载 能力。传动轴扭转疲劳试验( 静态) ：在整个传动系工作时，传动系中会产生脉 动循环扭转振动，由于传动轴扭转间隙的存在，会加剧扭转振动的正反向冲击， 产生噪声并减少传动系的寿命。试验主要通过高循环的疲劳强度( 双方向) 来评 价固定式和移动式万向节和中间轴的性能。 传动轴动态疲劳试验：万向节( 固定式和移动式) 磨损是整个传动轴总成最易 发生的损坏。在汽车行驶中，由于车轮相对于车身的位置不断变化，万向节在传 递扭矩的同时，其零件之间不断产生滚动和滑动，因而产生磨损，增加零件之间 的间隙，当间隙达到一定程度之后，会导致传动系的冲击噪声和扭转振动噪声， 最后导致传动轴失效。试验主要对固定式和移动式万向节、中间轴等部件的疲劳 寿命特性进行评价，并确保它们在工作条件下具有令人满意的性能和可靠性。 1 2 汽车传动轴防尘罩及测试研究 传动轴的使用寿命主要取决于万向节的使用寿命。在良好的密封和润滑条件 下，影响传动轴寿命的主要因素是经过数百万次运转的材料的疲劳强度。在不良 密封条件下，其寿命由被腐蚀程度来决定，如果存在污染的话，就会加剧磨损。 因此密封条件的好坏，直接影响到等速万向节的寿命。 等速万向节的防尘罩( 如图1 2 ) 用来防止水、泥等杂物浸入，一+ 旦被破坏， 2 上海大学颧+ 研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et t t e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 由于润滑不良等速万向节内部产生磨损，很快导致传动异常“。防护罩常常暴露 于大气中，容易受到损伤、同时在工作条件苛刻的环境下使用，使用温度达到零 下4 0 c t 5 0 。c 左右。因而，防尘罩极易损坏变质，进而影响传动轴的传动性能 和使用寿命。例如，富康车等速万向节传动轴是依靠防尘罩来密封的，一旦防尘 罩失效，防尘罩内的润滑脂将迅速流失。由于润滑不良，等速万向节内产生磨损， 整个总成必将在短时间内产生故障。在实际使用中发现，因橡胶防尘罩的损坏而 导致传动轴失效的，占传动轴故障的大多数。所以有必要对防尘罩的性能进行测 试。 图1 2 万向节传动轴防尘罩 防尘罩主要以橡胶为基本材料制造，现在一般多使用氯丁橡胶”。引起防尘 罩损坏的主要因素是其分子结构的稳定性不够。在外界光照、高温、腐蚀等因素 影响下，橡胶分子结构发生改变。解决途径一是通过化学处理改善橡胶的分子结 构，提高稳定性，建立橡胶抗腐、耐高温等方面的考核指标及标准；二是改善密 封件的工作环境，避免或减少光照、高温、腐蚀等外界影响。三是在露摩擦副表 面的部件上加装防尘罩或防尘套，以减少附着在摩擦副表面上的灰尘杂质。 除此之外，对防尘罩的性能进行检测也是必不可少的环节，通过合适的方法 对防尘罩的测试，以得到防尘罩的各种物理性能和化学性能。既可以检测防尘罩 是否符合设计要求，也可以在防尘罩的安装使用过程中有一个合适的参考，以便 及早对其进行更换，以避免事故的发生。 关于防尘罩的性能检测，国内外一般多集中在测量其硬度、拉伸强度、拉伸 伸长率、撕裂强度、耐介质试验等物理化学性能，这些性能在一定程度上能够反 映出防尘罩某些物理和化学性能。 然而，由于防尘罩的工作环境多变，橡胶密封件的一般物理化学性能并不能 完整的反映防尘罩的工作性能交换。因此有必要针对不同的设备进行具体的测 试。汽车万向节防尘罩的试验主要有以下3 项：高温试验、低温试验和膨胀量试 验。防尘罩高低温试验主要是为了考核防尘罩在+ 1 5 0 一4 0 温度范围内， 在有一定工作夹角的条件下其疲劳寿命、密封能力和与润滑脂相容的能力。膨胀 上海大学硕= l _ 研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a il r n i v e r s l t y 量试验则是考核防尘罩抵抗高速运转时产生离心力的能力( 变形要小) 。关于防 尘罩高低温实验研究，已有很多成熟的方法”。但对于高温旋转的防尘罩膨 胀量测量，目前还鲜有比较令人满意的方法。 1 3 本课题的研究内容及性能指标 为此，我们与钱潮万向集团合作研制了动态测量防尘罩膨胀量的系统。该系 统能够测试各种车轴，从小到大一百多种传动轴的防尘罩。我们在实验调试时， 使用富康车和桑车的传动轴，用来测量防尘罩在高温旋转以及一定的扭转角度下 的最大膨胀量。本系统的性能指标如下： 测试温度范围：室温1 5 0 。c ：1 传动轴速度范围：1 0 0 3 0 0 0 转分：1 ，可调 传动轴摆动范围：o 。4 5 。：可调 待测传动轴长度：5 0 2 5 0 m m 启动转速要求：启动5 秒后速度达到1 5 0 0 分钟，1 0 秒内达到3 0 0 0 转分钟。 根据以上系统的要求，为了保证本系统的研制成功需要解决以下关键问题： ( 1 ) 机械部分设计和控制部分设计 传动轴工作在一定偏角和高速旋转条件下，因此要正确地对其进行动力学建 模以求出系统功率。在此基础上选择适当的驱动系统，完成机械部分的关键零部 件的设计与选择。控制部分的设计就是针对系统的要求，要实现系统对温度、转 速转速以及加减速控制要求。 ( 2 ) 数据的采集与处理部分 为了得到测量结果，本系统通过c c d 摄像头实时的采集防尘罩工作时的图 像，然后通过a d 转换为数字信号。并通过数字图像处理的方法对其进行进一步 的处理和分析，以得到防尘罩的最大膨胀量。 本系统集机械设计、控制设计以及图像采集与处理为一体，是一个综合性很 强的课题，涉及面较广。本文从本人实际工作出发，首先针对系统进行总体分析， 确定系统总体设计方案，然后重点设计系统的机械部分与数据采集和处理部分， 并在此基础上编制系统图像处理软件，分析系统测量结果。对于系统控制部分设 计，这里只作总体规划和主要设备的选择。 1 4 本章小结 本章重点论述了课题研究的背景以及研究的意义。首先介绍了汽车等速万向 节发展与现状，并对等速万向节性能进行了分析，然后分析了万向节防尘罩对万 向节的重要作用。接着讨论了万向节防尘罩性能检测的必要性，并且介绍了相关 的检测方法。最后，提出了本文的研究目标和相关研究内容。 4 上海大学硕士研究生毕业| e 文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g a lu n i v e r s i t y 第二章系统总体设计 2 1 引言 汽车传动轴防尘罩旋转膨胀量测试系统属于精密测试系统，其对系统工作环 境以及测试精度要求比较高。系统设计重点在于如何满足系统对测试环境的要 求，以及如何对数据进行采集和处理。本系统集合机械装置、驱动装置、控制系 统、信号采集与处理装置与一体的系统，应满足以下要求。 首先，本系统要有很高的可靠性； 由于传动轴防尘罩旋转膨胀量测试系统相对比较特殊，其工作环境和条件和 一般的测试系统有所不同，因此，它对自身的可靠性能存在较高的要求。 机械部分的设计要考虑到温度变换对其的影响，要保证系统能够正常的工 作。由于系统要测试传动轴转速较高，功率较大，还应考虑安全性问题，以确保 测试人员的人身安全。 其次，要合理考虑系统的成本； 作为一个工程项目，在满足性能指标的前提下，应当尽可能地降低成本，以 便获得较高的性能价格比。系统设备选择要本着能够满足性能要求即可，而不要 片面地追求较高的配置。例如要准确地计算出系统的负载功率，合理地选择电动 机以及变频器。微机选择应满足一定的运算速度、存储量、兼容性、可靠性，而 不应片面追求高档微机和外设。 最后，系统必须满足一定的精度要求： 精度要求是任何测试系统最基本的要求，为了提高系统的精度，可以选择或 设计高精度的机械零部件；选择高性能的控制芯片、数据采集元件，采取最优的 控制方法和数据处理方法等。 综上所述，本系统设计思想是：突出功能和可靠性，尽可能地提高精度并适 当考虑成本要求。即性能价格比高，不盲目地追求理论、设备上的先进，而是尽 可能地提高其实用性和精确性9 1 。本章主要从总体上对系统进行规划设计，确定 系统结构设计、驱动部分设计、以及数据采集和处理方案，并对控制部分方案作 出总体的规划。 2 2 机械部分总体设计 2 2 1 机械本体设计 机械本体是整个系统基础，提供了防尘罩工作的硬件环境。并用来连接和支 撑传动轴，并带动传动轴旋转，实现传动轴偏转功能。总体上说，机械部分设计 要满足以下功能要求： 上海大学硕士研究生毕业呛立 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a fu n i v i i r s i t y 能够在室温1 6 0 。c 范围内测试待测防尘罩； 待测防尘罩转速范围为1 0 0 3 0 0 0 转分： 能够测试长度5 0 2 5 0 m m 范围内多种型号的传动轴防尘罩； 传动轴偏转角为o 4 5 。，且角度可以调节。 要满足系统对温度的要求，测试系统必须安装在一个封闭的环境中。为此， 我们在结构上采用保温箱，将测试系统主体部分安装在保温箱内。动力驱动部分 放置在保温箱外，通过联结部分和箱内的主体相连。保温箱采用耐热保温材料制 成，要具有良好的保温、隔热性能，箱内装有加热系统用于提高保温箱内温度。 为了满足系统对转速的要求，要为系统设计适当的驱动装置。为了提高系统 适应性，要为系统设计出适当的接头，使之能够测量不同型号的传动轴。 如表2 1 ，系统从结构上可以分为以下几个模块，下一章给出详细设计。 机械部分 总体组成 一箱内接头设计 温箱内部件设计 j 一回转联接部分设计 l 一回转盘部分设计 外部件设计 保温箱体设计 底座部分设计 安全防护罩设计 c c d 架系统设计 表2 1 机械部分总体结构图 保温箱体 保温箱的尺寸应该能满足测试系统要求，要便于安装和拆卸，还要满足一定 的定位要求：同时具有很强的隔热性能。保温箱盖上应开有观察窗，以便c c d 摄 像头拍摄防尘罩图像。 主轴驱动部分 要为系统选取适当的驱动装置，以保证待测传动轴的转速最大达到3 0 0 0 转 分钟；选取并且设计相应的接头，以便于测量各种不同型号的传动轴。 箱内回转联结部分 箱内的回转部分主要起着联接和支撑传动轴的另一端，并能跟随传动轴高速 旋转的作用。要求保证不同型号传动轴( 传动轴型号不同，轴的接头型号也不同) 的安装要求。另外，旋转部分应具有很小的摩擦力。 回转盘部分 保证安装在其上的回转联接部分能够在0 4 5 。范围内偏转，偏转控制要简 单方便，偏转的角度易于控制和读出。 底座 考虑到电动机轴输出端和回转盘接口连接时的定位要求，将电动机和保温箱 l l e 上海大学硕上研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a lu n v e r s i t y 安装在同一底座上。该底座要能满足电动机和保温箱的定位要求，且它们可以沿 着滑槽滑动，水平相对位置可调。 c c d 安装架 能够实现c c d 摄像头在上下左右和前后三个方向的运动，尽量减小电动机振 动对其影响。c c d 摄像头位置调节应简单方便。 系统安全防护部分 传动轴与驱动装置联接部分转速较高，考虑到测试人员的安全，为传动轴及 旋转部件设计一个防护罩。该防护罩能在底座上移动，便于测试人员操作。 2 2 2 驱动装置选择 系统运动部分主要集中在传动轴旋转部分、回转盘偏转部分以及c c d 摄像头 运动部分。回转盘偏转运动是在防尘罩测量过程中，使传动轴的万向节部分能实 现0 4 5 。的偏转角。该运动在一个测试过程中只须调整一次，因此，可以通过 人工调节来实现。c c d 摄像头的前后上下左右运动是为了调节好摄像头的位置， 这部分运动也不需采用动力实现，主要采用手动调节实现。而对于传动轴旋转部 分，由于速度较大，运动惯量大，要通过采用驱动装置实现。 常用的驱动装置按照动力源不同，可以液压、气动和电动三大类“。根据需 要也可由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统( 如表2 2 ) 。 表2 2 常用驱动系统性能分析“ 内容电力式液压式气动式 小到中等，一般可获得很大的回转操纵力大小视气体 操纵力为回转力力或直线运动的力压力而定 反应速度较快快慢 定位精度一般较差较好精确定位困难 尺寸范围宽动力装置占用动力装置占用空间大 空间大 重量范围宽动力装置较重动力装置重 过载安全性差，容易发热，易造成不会发热，但要注意安 安全性在一些场合要使火灾，但过载安全全压力，过载安全性好 用防爆措施性高 可控性简单，较好好，要做电液转换差，要做电一气转换 寿命取决于元件长较短 效率向较向差 成本一般【可较低 电动驱动系统由于低惯量，大转矩、交直流伺服电机及其配套的伺服驱动器 ( 交流变频器、直流脉冲宽度调制器) 的广泛采用。该类系统不需要能量转换， 实用方便，噪声低，控制灵活，因此被广泛使用。 液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力( 或力矩) 与惯量比大、 上簿人学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a il r n i v e r s i t y 快速响应高、易于实现直接驱动等特点。但是液压系统需要进行能量转换( 电能 转换成液压能) ，效率比电动驱动系统低，工作噪声也较高。 气动驱动系统，具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等特点。适 于在中、小负荷工作中采用。 本系统要求实现传动轴高速旋转，无需较大的操作力。对驱动系统的要求是， 能够保证传动轴在一定转速下旋转和一定的响应速度。显然，电机驱动方案比较 适合系统要求，并且电机驱动技术比较成熟，比较容易控制。所以，系统选用电 机驱动方式驱动传动轴。 2 2 - 3 电动机选择 目前常用电动机“”可以分为直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电机等， 其主要性能特点如表2 3 。综合考虑系统的结构和功能要求，决定选用交流异步 电动机，具体参数详见第三章。 表2 3 常用驱动电动机的特点及用途 名称主要类型优点缺 点 小惯量直流永磁惯量小，低速性能好，快速反 伺服电动机应好，调速范围广重量 印刷绕组直流永惯量较小，转子无铁损，效率轻，转 直流伺服电机磁伺服电动机高；负载变化时转速变化率小、矩、速度 输出力矩平稳易控制， 大惯量直流永磁输出力矩大、转矩波动小、机效率高 伺服电动机械特性硬度大、可以长期工作 在堵转下 价 异步交流永磁伺结构简单，容量可以做得较大格较高， 交流伺服电机服电动机且驱动 电路复 地 不需要传感器和反馈，可以实能量效 现开环控制；可以数字信号控率较低， 步进电机反应式电动机制，与计算机的接口比较容易失步( 输 实现；没有电刷，维护方便；入脉冲 启动、停止、正反转容易控制而电机 未动) 2 3 控制部分总体方案设计 机械系统初步设计完成以后，就可以着手进行控制系统的设计。控制部分设 计要求能够模拟出试件的工作环境，即能够实现试件的转速和工作温度可调。因 此，本部分主要包括转速控制和温度控制两个部分。本节主要设计出各部分控制 总体方案，并对相关零部件进行选择。 j 海大学硕士趼究牛毕、l k | 文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s l so fs h a n o h 1u n i v e r s f i y 2 3 1 工控机的选择 如表2 4 ，当前常用的工控系统主要有以下几种，其性能、造价各不相同“”。 对本系统，要实现对温度和转速的控制以及对测试结果的采集和处理等，一般的 单片机和p l c 很难实现上述功能；而工业计算机具有和p c 机相同的操作界面， 比p c 具有更高的稳定性，通过选购相应的接口板卡，便可以实现对系统的控制 和数据采集处理任务。因此，选用工业p c 机作为系统的控制核心，再加上相应 的板卡就可以实现对系统的控制和信号采集处理。本系统选用的具体型号为 a d l i n k 研华工控机，p i i l 7 5 0 ，1 5 彩显、4 0 g 硬盘、2 5 6 m 内存，同时采用a d l i n k 板卡来实现数据采集。 表2 4 几种常用的工控系统的能比较 类型 单片机p l c工业p c 机 d s p 项目 ( i p c ) 控制系统构成自行研制选购相应的产选购整机和自行研制 品和扩展模块接口板 一般的逻辑控逻辑控制为可组成较复杂功能较强， 系统功能制和模拟控制主，也可组成模的控制系统可完成一些复 拟量控制系统杂算法 硬件工作量多很少少多 执行速度快稍慢很快 快 软件工作量多少较多多 程序语言址骊话吾或梯彤吲或向缴高级语言为主汇编语言 c 语言 汪。兰。 或c 语言 通信功能自行研制选用通讯模块系统已提供自行研制 带负载功能差强较强较强 抗干扰功能较差很好好 一般 可靠性较差很好好好 环境适应性较差很好较好 一般 价格低高较高孜尚 2 3 2 转速控制部分设计 交流异步电动机的转速控制有以下两种方案，通过单片机“”“”实现和采用变 频调速“6 1 实现。前者是自行研制控制系统、设计硬件电路、编制控制及通信软件， 具有很高的执行速度。但是，系统的开发时间长、带负载能力差、可靠性差、而 且环境适应性也差。后者是购买变频器，变频器具有性能稳定、环境适应性强、 可靠性高等优点。用户可以直接通过变频器控制电机，也可以通过通信接口与微 机相连，通过微机编程实现对其控制，其成本也较高。具体考虑到系统的性能以 及工期要求，我们选用变频器，实现对电动机的控制。 变频器的种类众多，但从工作原理上讲，变频器都是通过改变工频电源的供 上海人学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a l u n i v e r s i t y 电频率，来实现对交流异步电动机转速进行控制。如表2 5 为变频调速具有的性 能优点。变频器还带有通讯模块，通过其可以和上位机进行通讯。系统选用三菱 公司的f r a 5 4 0 变频器，它本身带有标准插座转换接口为r s 一4 8 5 ，而工控机的 通讯接口是r s 一2 3 2 c 规格，因此，必须有r s 4 8 5 和r s 一2 3 2 c 转换器。转速控制过 程如图2 1 ，转速由工控机通过软件设置，经过通讯端口由工控机对变频器进行 控制，传动轴转速可以实时显示在控制软件操作界面上。 表2 ，5 变频器的主要技术优势 序号变频器的应用效能技术内容主要注意事项 原有恒速度运行改变笼型异步电动机的对标准电动机低速时散 的异步电机的调频率和电压，实现调速运热能力变差，应注意温 1 速控制行升，频率较低时要注意 减轻负载 实现软启动和软采用变频器起动或停车，根据负载运行情况适当 停车可预先设定加减速时间地设定加减速时间 2 r o 1 至6 0 0 0 s ) 实现电机频繁起利用变频器起动，可以在加减速时的动态力矩会 停较小的电流下实现快速增加电动机和变频器的 加、减速，电机发热小。容量负担。 不用主电路控制避免了使用主电路接触永远升降机等的控制， 即可实现正反转器进行机械式切换的弊当升降方向改变时，需 3 控制端，可靠地实现正、反转要采用机械制动，实现 之间切换机械保持。 实现恶劣环境下使用变频器的电机可以禁止采用非变频器专用 4 电机的调速选用防爆型、防水型、户的防爆电机。 外型等电机 2 3 3 温度控制部分设计n 7 一， 温度控制系统包括加热部分和温度控制部分，具体来说可以分为加热方式选 择、传感器选择和控制装置的选择等。控制系统有内部加热和外部加热两种方式， 内部加热方式，通过箱内的电热棒加热直接提升箱内温度；外部加热则通过鼓吹 热风来提升温度。考虑到保温箱的内部空间体积、维修方便以及便于控制等因素， 决定采用内部电热棒加热方式，另加小风扇吹风作为内部热循环。 温度控制系统采用温度控制仪“，温度控制仪是一个温度控制系统，具有结 构紧凑、功能强、调节灵敏度高等优点，能够实现对温度的p i d 控制。温度控制 仪通过接口电路与工控机相连，通过工控机对温度控制仪进行数据采集和处理。 温度控制过程如如图2 1 ，将保温箱内的温度传感器与保温箱外的温控仪相 连，温控仪通过继电器与电热棒相连，由温控仪设定温度初值。当箱内温度低于 设定温度时，温度控制仪控制电热棒加热，箱内温度随之增高，直至温度达到设 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 定值，此时温控仪让电热棒停止加热。当箱内温度下降到设定的温度时，电热棒 又开始加热，使得恒温箱内始终保持恒温。 图2 1 控制部分原理图 2 , 4 数据采集与处理部分设计 系统数据处理部分，包括防尘罩数据采集和处理两部分。主要确定通过何种 特性来表征防尘罩的最大膨胀量，并且如何准确地采集到信号和选用何种方法对 其所采集得信号进行分析处理。一般来说，能表征防尘罩膨胀特性的物理量很多， 如防尘罩的体积变化、面积变化等。但在高温和高速旋转环境下，测量防尘罩的 最大膨胀量，最好的方法就是图像法测量防尘罩的直径变化。因为，直径变化可 以显示出防尘罩上每一个位置的最大膨胀情况，而面积和体积变化只能表现出总 体膨胀情况。在这里我们从总体上讨论数据采集和处理部分的组成及其工作原 理，并对主要设备进行选择，具体的设计在以后的章节叙述。 2 , 4 1 图像传感器选择“1 图像传感器( 摄像机) 选择的应根据系统实际应用的要求，以及图像传感器 主要性能进行适当的选择。由表2 6 ，目前较常用的图像传感器主要有c c d 图像 传感器和c m 0 8 图像传感器。c m o s 图像传感器虽然有很多优点，但是由于它的集 成度高，各像素之间的距离很近，干扰比较严重，噪声对成像质量影响大。而 c c d 工作过程的主要是电荷的产生、存储、传输和检测。c c d 摄像器不但具有体 积小、功耗小、工作电压低抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范围、灵敏度、 实时传输和自扫描等方面的优越性，也是其它摄像器件无法比拟的。因此，本系 统采用c c d 图像传感器作为的图像采集装置。 本系统选用的是德国b a s l e r 的彩色黑白数字面阵a 2 0 l b 式c c d 摄像头，其 性能指标如下：分辨率为1 0 1 8 1 0 0 8 ，逐行扫描 2 3 “c c d ；8o rl o b i t ；c 或f 镜头接口：4 2 m 点时钟；双通道输出3 0 f p s 。 眦。飙，盛群瑟蓄黧黜怒，删m 。 表2 6 几种常用的图像传感器 广 原理特点及使用情况 由许多个感光象素( p i x e l ) 的离散成像 元素所组成。感光象素在接收输入光后， 具有灵敏度高、线性 c c d 产生电荷转移，形成与输入光强成正比的度好、体积小、可靠性高 摄像机输出电压；通过输出电压脉冲，将图像光等优点，性能价格比较 信号转换成电信号。输出的电压脉冲序列高，是现在最常用的机器 可以直接输入标准电视显示器，或者输入视觉传感器。 计算机内存，进行数值化处理。 近年来发展起来的一种新光敏器件技具有快速、单一工作电 术。与c c d 相比，c m o s 图像传感器的 压、功耗低、成本低、像 c m o s 高度集成化减小了系统的复杂性，降低了素缺陷率低、可与其他的 摄像机制造成本，对获得的图像信息读出及处理c m o s 电路兼容、对局部 变得简单而快捷，能设计出更灵巧的小型像素图像的编程随机访 成像系统。问等优点。 2 4 2 图像采集卡选择 图像采集卡是图像采集部分和图像处理部分的接口，其作用是对模拟视频信 号采样并作a d 转换而成为数字信号的。本系统选用北京嘉恒图像技术有限公司 的o k 系列0 km 1 0 m 型图像卡，它是基于p c i 总线的标准视频8 b i t 黑白图像采集 卡。是m p e l 0 0 0 n 黑白图像采集卡的改进型。灰度精度为1 2 5 6 ，点阵扰动( p i x e l j i t t e r ) 不大干3 n s 。具有亮度、对比度、色调和采样点阵可调的功能。还具有 单帧采集、实时采集、和序列采集等功能。主要性能指标如下。“： 视频输入可为p a l 或n t s c 等标准视频信号； 输入的视频幅度可适应0 2 v - 3 v 峰峰，零点调整可适应1 5 v 变化范围； 具有足够宽的a d 前亮度对比度可调范围，软件可调； 四路视频输入软件切换选择； 可支持采集点阵比例为7 6 8 5 7 6 ，5 7 6 x5 7 6 ，6 4 0 4 8 0 ，4 8 0 4 8 0 ； 支持图像上下镜像采集。 2 4 3 数据采集处理部分设计 系统图像采集原理图如2 2 ，c c d 实时的采集防尘罩的工作图像，采集到的 图像经过图像采集卡进行a d 转换，输入到工控机。由系统编制的图像处理软件 对其进行处理。由于系统测试装置和工控微机的距离比较远，工控机一般在测试 室内，这就给c c d 的参数调节造成了困难。为此，将另一路信号接到测试系统旁 边的监视器上，以便测试人员现场对其进行调节。 为了能够准确地得到测量结果，要编制系统图像处理软件，包括选择合适的 开发工具、适当的算法设计，以对采集到的防尘罩图像进行分析处理，得到测试 结果，具体设计将在以后的章节中叙述。 t h ep o s t g r a d 上u 海a t 大e 学t 硕h e 士s i 研s 究o f 生s 毕h a 业n 论g h 文a iu n i v e r s i t yi 图2 2 系统图像采集原理图 2 5 本章小结 本章主要讨论了防尘罩旋转膨胀量系统的设计思想以及总体方案的确定，分 析了机械系统，控制系统，数据采集和处理系统。并对一些相关方案的进行了比 较以及选取，分析了防尘罩旋转膨胀量系统。提出了在系统特定环境下，设计时 总体上应该把握的方向和要点。 i 海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs i f t a n g h a iu n i v e r s i t y 第三章机械结构设计 3 1 引言 机械部分是整个系统的基础部分，也是其它各个部分的基础。起着联接和安 装传动轴的作用，并为传动轴防尘罩提供特定的工作环境。 前一章已经对于机械系统总体方案作了阐述，本章主要在上一章的基础上， 对箱内结构设计、联结部分设计、箱外部件作出详细的设计，并对系统主运动进 行建模分析，计算出系统功率。 3 2 主体部分设计 主体部分的主要作用是安装各种不同型号的传动轴，并能实现传动轴的运动 要求，主要由保温箱内外接头、支撑件以及回转盘组成。 接头部分要求是便于传动轴的安装和定位，即安装要方便、定位要准确。主 要包括电机输出端接头、箱内接头。汽车传动轴是由两根半轴组成的，为了减少 系统的尺寸，系统只测半根轴，即一次只测试一个防尘罩。图3 1 是汽车传动轴 断开图，断开后，该传动轴有1 和2 接头需要和系统连接。其中，接头l 部分为 光轴，接头2 部分为花键。传动轴的型号不同，接头的类型也不相同。为了提高 系统的适用性，必须设计出公共接头，以满足不同型号和尺寸传动轴的测试要求。 实际设计时我们将接头1 部分放置在箱外，使其与电动机输出端相配合；接 头2 部分放置在箱内，通过设计