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汽车后桥测量选垫系统的研制 摘要 汽车后桥主减速器的装配质量主要受两个因数影响，一个是主减速器内主 齿总成的装配质量，另一个是主减速器内主、被动齿轮是否啮合良好。本文针对 这两个因数，通过建立起测量选垫系统来解决这些实际问题。 本文首先对主齿轴承的预紧从力学角度进行了详细的分析和计算，提出了 轴承预紧力的确定原则，同时为调整垫片的选择提供了理论依据；在建立测量选 垫模型过程中，充分考虑了系统的柔性化：然后对系统的主体结构、测量原理和 测量过程进行了详细的论述。 在电气控制部分，本文主要阐述了传感器的信号处理电路和外部控制信号 的开关量输入电路；在软件的设计过程中，采用了d l l 方法实现了土控机的多 功能卡中接口函数的调用，最后本文详细论述了简洁实用的软件界面和各功能模 块。本文提出的测量选垫系统可以适用于多种类型后桥的主减速器装配，能够大 幅提高后桥的主减速器总成的装配质量。 关键词：工业控制计蠡机网露螽讯零点藻磊模拟龟皤。数拿龟路关键词：工业控制计算机网络通讯零点漂移模拟电潞数字龟路 s t u d yo n t h ec u s h i o n s e l e c t i n g m e a s u r es y s t e m o fa u t o m o b i l e r e a ra x l e a b s t r a c t t h ea s s e m b l yq u a l i t yo ft h ea u t o m o b i l eg e a rr e d u c e ro fr e a ra x l e i sa f f e c t e dm a i n l yb yt w of a c t o r s ，o n ei st h ea s s e m b l yq u a l i t yo ft h ed r i v e g e a ra s s e m b l yu n i to ft h ea u t o m o b i l eg e a rr e d u c e r ，t h eo t h e ri sw h e t h e r t h em e s h i n gb e t w e e nt h ed r i v eg e a ra n dt h ep a s s i v eg e a ri sg o o do rn o t a c c o r d i n gt ot h e s et w of a c t o r s ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dc u s h i o n s e l e c t i n g m e a s u r es y s t e mt os o l v et h e s ea c t u a lp r o b l e m s f i r s tw ec a r r yo u td e t a i l e da n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nf o r t h e p r e v i o u st i g h t e n i n gf o r c eo ft h eb e a r i n g s ，t h e np u tf o r w a r dt h ep r i n c i p l e o fd e t e r m i n i n gt h ep r e v i o u st i g h t e n i n gf o r c eo ft h eb e a r i n g s ，m e a n w h i l e ， w eo f f e r st h e t h e o r yb a s i s f o rs e l e c t i n gc u s h i o n s ：i nt h ec o u r s eo f e s t a b l i s h i n gc u s h i o n s e l e c t i n gm e a s u r em o d e l ，w eh a v ef u l l yc o n s i d e r e d t h es y s t e m sf l e x i b i l i t y ：t h e nt h ep a p e rc a r r i e so u td e t a i l e de x p o s i t i o n f o rt h em a i ns t r u c t u r eo fs y s t e m ，m e a s u r ep r i n c i p l ea n dm e a s u r ec o u r s e i ne l e c t r i c a lc o n t r o lp a r t ，t h i sp a p e rm a i n l ye l a b o r a t e st h e s i g n a l - h a n d li n g c i r c u i to fs e n s o ra n dt h e s w i t c h i n p u t c i r c u i to f e x t e r n a lc o n t r o ls i g n a l ：i nt h ed e s i g nc o u r s eo fs o f t w a r e ，w ea d o p td l l m e t h o da n dr e a l i z e st h eu s i n go ft h e i n t e r f a c i n g f u n c t i o no ft h e m u l t i f u n c t i o nc a r di ni n d u s t r i a lc o n t r 0 1c o m p u t e r ，f i n a l l yw ed is c u s s s a n e i n c ta n du t i l i t a r i a ns o f t w a r ei n t e r f a c ea n de a c hf u n c t i o n a lm o d u l a r i nd e t a i l t h ec u s h i o n s e l e c t i n gm e a s u r es y s t e mt h a tt h i sp a p e rp u t s f o r w a r dc a na p p l yt ot h ea s s e m b l yo fg e a rr e d u c e ro fv a r i o u st y p er e a r a x l e ，a n di tc a nr a i s et h ea s s e m b l yq u a l i t yo ft h eg e a rr e d u c e ro fr e a r a x l ec o n s i d e r a b l y k e y w o r d ：i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n z e r os h i f t a n a l o g yc i r c u i td i g i t a lc i r c u i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，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，也不包含为获得金蟹王些盘堂 或其他教百机 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谢意。 学位论文作者签名 稍q 签字目期：弘哆年月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垒哩王、业盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权佥匿王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名咕修 i 签字日期：奶年伞且易日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 浮t 泓 签字日期：2 哆年牛月6 日 如1 凇衅 羔够阡易邮编： 。 致谢 我无法用言语来表达我对导师洪国俊教授、林巨广研究员两位老师的感激 之情! 回想在两年多的研究生学习过程中，他们不仅在生活上给予我无微不至的 关怀和照顾，而且在学业上更是给予了我悉心的指导和帮助，为我付出了无数的 心血和劳动。他们无私奉献的精神将让我终生难忘，他们严谨求实的工作态度将 指导我一生，他们对我的深切期望将激励我永远奋发前进! 在课题研究期间，模具所的李昌鹤老师、蔡树煌老师、汪中亮老师、徐大 元老师、任永强老师、何永祥老师、杨连华厂长等多位老师给了我许多的帮助和 指导，在此表示衷心的感谢! 还要特别感谢系主任刘志峰教授、朱华炳副教授两位老师，在与两位老师 的相处期间，他们不仅给予了我很多的教导和关心，更给了我很大的信任和支持! 感谢课题组的研究生成员吴奇生、王雁。在整个课题的设计过程中，我们 在一起共同学习、共同工作、共同前进。 另外还要感谢卫道柱、葛海龙、刑刚等三位师弟，他们在我论文撰写期间， 给了我许多有益的建议和帮助。 最后，我要感谢我的家人，他们为我付出了许多许多! 第一章绪 论 加入世贸组织后，我国汽车业面临着很严峻的形势。这主要体现在我国汽 车产品质量低、技术水平落后、制造成本高，缺乏市场竞争力。虽然我国制定了 一系列汽车行业质量标准，汽车质量可靠性已得到重视，但还是没有得到普遍应 用，许多厂家装配质量控制不严，装配检验跟不上，有的甚至凭借工人的经验来 检测把关，缺乏合理科学的检验方法，这些都将严重影响我国汽车的市场竞争力。 本章详细论述了目前汽车业的现状和面临的挑战，指出了汽车业在提高产 品质量、降低生产成本等方面势在必行。然后介绍了国内外的汽车后桥装配线的 特点，并提出了国内在装配过程中存在的问题，最后说明了本课题研究工作的来 源、研究内容、意义及所要达到的目的。 1 1 汽车业的现状和面临的挑战 近1 0 年来我们的汽车界乃至中国的经济界，甚至高层领导，一直在争论 一个问题：“汽车到底是不是我国的支柱产业? ”。现在实践证明，这个问题无须 争论了，汽车就是中国的支柱产业。近几年汽车工业的表现非常突出，汽车工业 经济运行呈现出良好状态，一系列有利于促进汽车消费的政策措施先后出台，汽 车市场逐渐活跃。从总体上看，汽车行业开始进入了新的发展阶段。 汽车的产销量不仅保持了1 9 9 9 年以来持续的高速增长态势，而且经济效 益有明显改观。从经济效益分析，汽车行业主要企业效益明显好转，利润大幅度 增加，企业亏损面有所缩小，经济效益增长幅度高于产销量的增长幅度 2 1 。 从产品结构看，轿车、微型客车与重型载货车产销量增长最为突出。轿车 增长已重新成为带动汽车总体增长的首要力量。轿车增长速度的明显提高，得益 于轿车市场的进一步活跃带动了消费需求的有效增长。夏利、雅阁、富康、赛欧、 风神、红旗明仕、别克、羚羊、帕萨特等多种新车型的相继上市，增强了汽车市 场的供给能力，有效推动了轿车消费市场的扩大。以轿车与微型客车为主的乘用 车占汽车总产销量的比例已达到2 3 ，已逐步向国际汽车市场结构靠拢。重型 载货车的快速增长也表明了汽车产品结构的进一步改善。从国际汽车工业发展的 一般规律来看，重型载货车一直占有十分重要的地位。重型载货车多年以来都是 中国汽车工业的薄弱环节，近年来这一局面有很大改观【2 j 。 从产业结构来看，汽车行业生产集中度进一步提高，骨干企业实力有所加 强，产业结构调整初见成效。2 0 0 1 年一汽、东风、上汽三大集团的市场占有率 接近5 0 ，年产量5 万辆以上的企业集团为1 2 家，生产集中度已达8 7 1 。 根据提供的统计资料显示，中国汽车产业和汽车市场近l o 年平均增长l o 以上，而全球平均增长率仅为1 5 。我国不用到2 0 0 5 年，年汽车销量一定 会超过4 5 0 万辆【“。如此庞大的生产量的后面必然有一个庞大的消费市场，当前 汽车消费需求结构已经从以往的群体消费转变为私人购车为主体，目前这种私人 购车的生力军还将不断地发展扩大，所以可以毫不夸张地说，中国将是世界上最 大的汽车潜在市场。但中国汽车工业整体水平仍很脆弱，中国1 5 4 0 家零部件厂 支撑着国内1 5 家轿车公司的生产，其中产量超过l o 万辆的只有5 家，它们分散 在全国各地，各自为政，并不能发挥整体优势。整个国家工业体系仍处在“粗放 型”延长线上l 3 1 。 国内“民族汽车产业”还面临着世界上各大汽车生产国的强大攻击，他们都 想抢占中国汽车市场，倾销自己的产品。因此，世界上各大汽车生产国都不希望 我国成为一个汽车强国，而近些年来，我国汽车行业从欧美国家引进的汽车生产 技术都不是最先进的( 如桑塔那，富康基本上都是它们的淘汰产品) 1 4 。因此我 们决不能对国外汽车大公司抱有任何幻想，而应利用高校的科研开发力量，结合 国内汽车公司的雄厚资金技术基础，引进一些先进的技术和设备，在消化和吸收 的基础上，加以创新与提高，再通过全行业的努力，以自力更生的手段建立起我 国自己的汽车开发、设计、试验机构，把自己发展成为具有国际先进水平、规模 经济批量的大型汽车集团公司。 随着中国加入w t o ，中国汽车业的形势将更加严峻。全球著名的汽车厂 商、零部件厂商纷纷抢滩中国市场，在中国投资建厂实现就地生产，以降低成本， 提高市场占有率，因而国内汽车制造企业面临非革新不可的境地。用户一方面要 求产品拥有一流的质量，另一方面又不希望产品的价格过高1 2 1 。为了迎合用户的 要求和提高自身在国际市场中的竞争优势，各企业还必须在提高产品质量、降低 生产成本等方面加大投资力度。 1 2 国内外的汽车后桥装配线特点和存在的问题 “质量是产品的生命”，任何忽视产品质量的厂家都将会被竞争的市场无 情地淘汰。统计资料表明，汽车质量故障近2 0 产生于后桥。汽车后桥主减速器 总成是汽车最关键的部件之一，其装配质量直接影响汽车的运行平稳性、噪声、 寿命及能耗。因此提高后桥主减速器装配线自动化程度，保证装配质量势在必行， 如何提高汽车后桥主减速器装配质量成为摆在我们面前迫切需要解决的课题。 国外公司如日本丰田、韩国现代等，在桥减速器总成装配线上。广泛采用 测控技术和设备，进行在线测量；对垫片厚度、齿侧间隙等进行现场测量调试： 其装配精度高、噪声低、寿命长，减速器装配工艺标准明显高于国内。 代表国内桥减速器装配水平的有一汽、二汽车桥厂，上汽集团车桥厂。其 中上汽车桥厂减速器总成装配线较先进，它们是从德国引进的，采用自动传输， 广泛应用在线测量，基本都是进口设备。单线造价2 0 0 0 万以上，且只能装配一 种规格的减速器，柔性化程度很差，投资也不是一般企业所能承受的，其大批量 单品种的生产能力也不符合中国实际。二汽车桥厂最先进的减速器装配线是八十 年代末产品，其采用的选片机曾获国家科技进步三等奖。但由于受当时条件的限 制，仅有的一台测量设备的测控技术已丧失原有的先进性，其性能己满足不了现 代汽车工业的高要求。 汽车后桥减速器的装配质量是影响整个汽车性能的一个重要因素。然而到 目前为止，为了满足主减速器内主齿总成的装配质量要求，大部分厂家先通过经 验选择垫片种类及片数，再由压装后检测预紧力矩来确定垫片选择的正确性，如 果预紧力矩过大或过小，都应拆卸主齿总成反复试装；而为了满足主减速器内主、 被动齿轮的啮合要求，大部分厂家选片方法多数采用涂粉、试垫，再由装配后检 查啮合印痕是否正常，以确定选择的垫片是否能保证主、被齿啮合良好，否则应 反复试装进行调整。这些方法过程繁琐，效率低下，不适应汽车行业的发展。 1 3 课题的来源及欲达到的目的 本课题来源于省十五攻关项目车辆传动系装配的关键技术。该课题所 研制的测量选垫系统应用于整个汽车后桥减速器的柔性装配线中。 汽车后桥主减速器中的主齿总成装配时要求用较大的力矩拧紧锁紧螺母， 此扭矩产生了很大的轴向力，该轴向力要克服因轴承内圈与轴的过盈配合而产生 的摩擦力，则消除摩擦力后的轴向力包括两部分力，一部分是给主齿圆锥滚子轴 承轴向加载，以保证其预紧需要，另一部分则作用于轴承内圈、隔套及垫片上。 由于圆锥滚子轴承承受的轴向力一般较小，因此，此轴向力的大部分作用于调整 垫片上。调整垫片太薄则圆锥滚子轴承分配的轴向力增大，造成预紧力矩过大， 会降低传动效率，导致轴承发热，影响轴承寿命，甚至烧死，而调整垫片太厚则 圆锥滚子轴承上分配的轴向力减小，预紧不足，容易降低主锥总成的传动精度， 且会使轴承局部磨损增大，这样，既降低了汽车的使用性能，也降低了主齿总成 的使用寿命。合适的调整垫片即可控制此力的分配比例，当锁紧螺母处在规定拧 紧力矩范围内时，能保证圆锥滚子轴承的预紧符合要求【5 i 。 汽车后桥主减速器中的主、被动齿轮是汽车上的主要部件，也是易损件。 主动齿轮和从动齿轮在运转中必须有正确的相对位置，才能使两个齿轮啮合传动 时，冲击噪声小，沿其齿轮的长度方向上磨损均匀。在工厂主减速器装配工艺中， 为保证齿轮副啮合良好，通过增减装在主减速器壳与主齿总成内轴承座之间的调 整垫片来实现，即靠移动主动齿轮的位置来实现。 综上所述我们可以看出，汽车后桥的装配质量主要受两个因数影响，一个 是主齿总成的装配质量，另一个是主减速器内主、被动齿轮是否啮合良好。针对 这两个因数研制出测量选垫系统，此系统包括两台设备：主齿总成隔套垫片预选 机( 简称为e 1 测量机) 和主减速器壳体垫片预选机( 简称为e 2 测量机) ，这两 台测量机分别检测相应的尺寸并且采用优化方法计算出合适的垫片种类和数量 来调整装配。这两台设备均采用工控机控制，故此两台检测设备自动化程度高， 操作简便，且都使用了精度很高的电感位移传感器自动进行测量，因而测量结果 可靠，提高了主减速器总成的装配质量。整个测量选垫系统柔性化程度很高，通 过手动更换设备的测量架或测量头可以适应多种型号的车桥主减速器总成，避免 了因产品改型而导致设备的报废。 1 4 课题的主要研究内容 本课题研制的测量选垫系统包括e l 、e 2 两台联网通讯的测量机，e l 设 备采用工控机控制，通过给主锥总成轴向模拟加载，完成检测主齿轴轴承座内， 上轴承内圈下端面与下轴承内圈上端面之间的轴向间隔尺寸( 简称为a 。) 、主齿 总成待安装的隔套高度( 简称为a 2 ) 、主齿轴承座与减壳之间的结合面到轴承座 内下端面之间的距离( 简称为s 1 ) ，然后经过优化补偿后计算出合适的垫片种类 和数量来调整相应的间隙，并将s i 值通过网络传输给e 2 测量机。e 2 测量机接 受到e l 测量机的s i 值后，检测出待装减壳被齿轴线到减壳与主齿总成安装结合 面的距离( 简称为s 2 ) ，并根据s l 、s 2 值通过测量公式计算出应垫的垫片厚度。 此测量选垫系统不仅要求达到较高的测量精度，而且要求具有良好的柔性 化和自动化，因而我们对本系统的设计进行了较为深入的研究，主要的研究内容 如下： 1 研究如何正确获得合适的轴承预紧力，进行模拟装配加载；研究如何 建立一个适用于多种主齿总成的测量模型，解决主齿总成的装配问题：研究 测量和误差处理技术，采用相对测量原理保证测量精度；根据轴承垫片厚度 的系列，设计出一套选垫模型，通过优化程序选定垫片厚度及数量。 2 研究主齿总成与被动齿轮的啮合间隙测量，以保证主、被齿轮的正确 空间位置。采用计算机及传感器技术对啮合间隙进行测量、处理，指导调整 出理想的啮合间隙。 3 以工业控制计算机为主控计算机，以可视化编程语言l a bw i n d o w s 为软件开发平台，设计和开发w i n d o w s9 8 环境下测量选垫系统人机界面的控 制软件。 4 研究解决如何将产品的数据信息有效地管理起来，研究如何实现测量 选垫系统内部的e l 、e 2 测量机之间的网络通讯。 5 设计出传感器的外围放大电路，实现传感器的模拟信号输入：设计出 外围控制电路和光电隔离电路，实现外部的开关量控制信号输入工控机系统。 第二章测鐾选垫系统约设计思想 汽车磊疆主要鸯茎碱邃爨、差蘧秣、半辕鼹驱魂嫒壳等缀液，窀楚将万囊 传动装鬣传来的发动机转矩传给驱动车轮，实现降速以增大转矩【6 】。后桥中最主 要熬传溯郝 孛怒主藏邃器总或，毽l 毪应疆裹磊辏装配线鑫动纯簇发，茏葵要缳 垂 后桥主减速器的装配质艟。汽车的主减速器总成主要是由一对齿形为螺旋状的伞 形蓉轮缀残，主减速器的功用怒将输入豹转矩增大劳援墩降低转速，以及当发动 机纵置时还具肖改变转炬旋转方向的作用【6 l 。主减速器的结构简图如下所示： 翻2 1 主减速嚣憝残示意疆 1 锁紧螺母2 主齿凸缘3 油封4 轴承端靛5 轴承座6 调整垫片27 减速器壳 8 。上轴承9 下轴承1 0 ，凝动齿轮l l 。主动撵轮1 2 + 疆套1 3 。调整垫泞1 蹦中所承的主齿总成安装在减壳体上，减壳安装丽与主齿总成的轴承座之 闻放置调整垫片2 ，以便调整主动齿轮鬈被动齿轮豹相对噻合使麓。通道增热或 减少垫片，可以使得主动齿轮向外或向内运动，以调整烹、被动齿轮的啮合间隙。 一个良盎孑的啮合间隙将使主减速器的主、从动齿轮啮合时减少冲击噪声，并使齿 6 轮沿其长度方向磨损均匀。 为了保证主、从齿轮有足够的支承刚度，以免在传动中发生较大的变形而 影响正常的啮合，还应通过增减调整垫片l 的数量来达到主齿轴承所需的预紧 力。因为圆锥滚子轴承都是配对使用的，轴承本身的预紧并不需要多大的轴向 力。为了消除滚动轴承在运转过程中滚动体受离心力矩作用，造成滚动体和滚道 之间产生相对滑动，导致轴，座圈的分离倾向，确保轴承正常工作，必须施加一 定的轴向预紧。但预紧力过大，将使轴承的摩擦系数增大、温升增高、润滑条件 变坏，轴承的寿命和极限转速也会降低，而预紧力过小，轴承的刚度较差，容易 降低主齿总成的传动精度，也会使轴承局部磨损增大。因此准确实施加在轴承上 的预紧力是至关重要的。 综上所述，问题归结为两个方面，一是如何确定调整垫片1 的数量来达到 主齿轴承所需的预紧力，另一个方面是如何确定调整垫片2 的数量来保证主被齿 啮合良好。为此，我们设计了一种测量选垫系统，通过e l 和e 2 两台测量机来 实现。e l 测量机用于确定调整垫片1 的数量和种类，e 2 测量机用于确定调整垫 片2 的数量和种类。下面就分别对这两台测量机的设计原理进行阐述： 2 1 e 1 测量选垫机的设计原理和测量模型 后桥主减速器主齿轴承的预紧，对整桥的性能影响很大，是众多车桥厂家 感到困难和棘手的事情。以s x 2 5 0 为例，厂方经过反复的实验和计算，最终得 出在轴承的预紧力矩为1 5 2 5 n m m 时，能够使主齿总成达到良好的运转性 能。后桥主齿轴承的预紧力矩是靠加载到轴承上的轴向分力而产生的，因此，如 何保证主齿总成中轴承的预紧力在规定的范围内，是问题的关键。 本节主要对主齿轴承的预紧从力学角度进行了详细的分析和计算，并提出 了轴承预紧力的确定原则，同时为调整垫片的选择提供了理论依据。 2 1 1 主齿轴承的力学分析与计算 因为主齿轴承的预紧分析都是围绕主齿总成而展开的，下图2 1 即是主 齿总成的结构简图，在主动齿轮上压入了两个配对的圆锥滚子轴承，油封外圆涂 抹润滑脂后压装入轴承端盖4 孔内，外部再通过一个锁紧螺母拧紧主齿凸缘，主 齿凸缘作用在上轴承的内圈上，上轴承和下轴承的两个内圈之间装隔套和调整垫 片【7 j ，主齿总成轴承的预紧力即由上轴承和下轴承内圈之间的隔套和调整垫片1 实现调节。 图2 2主齿总成结构简图 1 锁紧螺母2 主齿凸缘3 油封4 轴承端盖5 轴承座6 上轴承7 下轴承 8 主动齿轮9 隔套1 0 调整垫片1 厂家在装配主齿总成时，总是在锁紧螺母1 上施加一定的扭矩t ( 每种产 品对应的扭矩数值不同) ，以保证主齿总成一定的轴向预紧。那么轴承应怎样保 证轴向预紧力? 以下以上轴承为例进行力学分析，见下图2 3 【8 】= f - f f 2 图2 3 主齿轴承的受力图 f o 为锁紧螺母在拧紧力矩t 的作用下产生的轴向力，作用于上轴承的 内圈上，f f 为因轴承内圈与轴过盈配合所产生的摩擦力。令f - f o - - f f ，则f 可 以看成为消除了内圈与轴之间的摩擦力后作用在轴承内圈上的轴向力，f 分解出 一部分力通过内圈作用到隔套( 这里为简化起见，将隔套和垫圈看成一个整体) 上，馒褥疆套产生反传月力f 2 ，另一部分力邋过线接触弹性变形 3 ， 输出电压幅度不断增大【l 引。 随着输出电压幅度的不断增大，将使导通二极管的动态电阻降低，与r 。 并联后的等效电阻值也减小，负反馈程度加强。放大电路的闭环增益减小为3 ， 电路工作于等幅振荡，输出电压幅度保持平稳。在这一状态下，如果因负载或放 大电路中运放a 的参数变化，并引起输出电压幅度变化时，d l 、d 2 通过动态电 阻的变化，最终使得输出幅度稳定【l ”。如果以u b 幅度增大为例，则整个稳幅变 化过程可以用箭头如下表示： u 。千+ l 。千+ ，千+ a 。 t 一一一i 4 4 5 传感器的差动放大电路 由于此测量电路的信号微弱，其输入信号的最大幅度仅有几毫伏，故在进 入工控机需要信号放大。输入信号的共模噪声电平可能高达几伏，所以放大器的 输入漂移、噪声抑制和共模抑制比对放大器动态性能的影响是至关重要的。同时 由于被测信号源的内阻无法进行控制，而信号内阻的变化可能使放大器的两个输 入端分别到地的电阻失配( 即不满足平衡条件) ，这种失配除了造成增益变化外， 还可能导致共模抑制比下降【1 9 l 。所以通过提高放大器两个输入阻抗来补偿差模 输入阻抗失配。为了提高输入阻抗和降低失调漂移，选用图4 6 所示【l 9 j 的电路形 式： 图4 6差动输入前置的放大器 图中a i 和a 2 是具有差模输入和差模输出的前置放大器，电路中r 3 为a l 和a 2 的公用电阻。由于a l 、a 2 工作于线性状态，其同相、反相输入端具有“虚 短”特性，因此共模信号在r 3 两端的电位相等，所以r 3 上没有电流通过，即可 以得出a l 和a 2 对共模信号的电压放大倍数仅为+ l 。 差模信号可在r 3 两端产生压降，可以算出其电压放大倍数为1 0 1 。由以 上分析可知，该前置放大电路具有以下显著特点：( 1 ) 前置放大电路对信噪比具 有改善作用，因电路对差模信号具有较大的放大作用，其增益远大于共模分量( 噪 声) ；( 2 ) 决定差模信号放大的电阻r l 、r 3 和r 4 对共模抑制比没有影响，但r i 和r 4 的失配会造成差模增益失配，为此，r i 、r 3 和r 4 一般选用金属膜电阻或线 电阻，以得到稳定的差模增益：( 3 ) 该前置放大级对共模输入信号( 相当噪声或 温漂) 没有放大作用，共模输入信号可以看作噪声或温漂，所以对温漂信号或噪 声没有放大作用，即其输入漂移或噪声较小【1 9 1 。 后级的增益由r 2 、r 5 、心和r 7 决定，这四个电阻组成电阻电桥，当电桥 平衡时，其增益为r 6 r 2 ，最后可以得出电路的总增益为两极增益之积：1 0 1 。 集成运放的选取原则是：具有优良的共模抑制性能，器件的失调电压小、 漂移低和输入偏流小，满足输出端的电流、电压或功率的要求。故最后决定选用 o p 0 7 集成运放2 m ，此种运放为超低失调仪用放大器，o p 0 7 的特性参数如下表 4 1 所示。 表4 1o p 0 7 集成运放的特性参数 参数o p 0 7单位 输入偏流3 0 n a 共模输入电压范围1 3 v 共模抑制比 l l od b 开环差模增益1 1 0d b - 3 d b 带宽 0 4 m h z 输出电压峰峰值1 2 v 静态电流 4m a 电路中所使用的外接电阻的温度系数应尽可能的低，以便获得尽可能低 的温度漂移。同时电阻r 2 、r 5 、心和r 7 的阻值必须匹配，即满足电桥平衡条件 r 2 r 7 = r 5 和静态平衡条件r ：r 6 = r s r 7 ，否则将使共模抑制比下降。 通过调节电阻r 3 ，实现微调增益；通过调节电阻r 7 ，可以实现微调共模 抑制比1 1 们。 4 4 6 传感器的电压补偿电路 传感器的信号经放大器放大后，信号输出电压随压缩位移之间的关系如图 4 7a 所示【1 2 i 。 u o 酋弓丽出1 1 一j j u 2 x2 壶一1 忒 5 2 5 一j 口 lz) x ( 位l 圈4 7 传感器的压缩位移与放大器的输出关系曲线 ( a ) 电压补偿前( b ) 电压补偿后 为了使输入多功能卡a d 通道的模拟信号电压为0 - s v ，所以要对输入的 信号进行电压补偿，电压补偿电路如图4 f 8 所示，信号经放大后从i n l 端输入， b 点的电位取决于调节可变电阻w 1 。7 8 0 9 是一种三端稳压块，它将输出电压稳 定在+ 9 v ，输出电压经过r 1 和r 2 分压，输入1 4 0 3 的电压实际为2 5 v ，则稳压 源1 4 0 3 的输出电压最大为2 5 v ，通过不断地调节w 1 和w 2 值，改变传感器的 压缩位移与放大器的输出关系，最后达到图4 7b 的输出效果。 图4 8电压补偿电路 4 5 开关量输入输出电路 4 5 1 具有a 0 转换、0 a 转换，数字式i 0 等功能的板卡 测量选垫系统的工业控制计算机通过多功能卡d a c 7 11 2 d g 与外部设备相连， d a c - 7 11 2 d g 是一种应用于i b mp c 系列工业控制计算机上的高速多功能采集卡，它 是一块集成化板卡，包含了a d 转换、d a 转换，数字式i o ，定时器计数器等数据 采集功能，这块板卡能够支持1 2 位分辨率的模数转换，转换速率高。 它具有以下特征： ( 1 ) a d 通道： 转换精度：1 2 位分辨率，转换时间：8u s 两种模拟输入工作方式：单端输入、差端输入，单端工作方式适用于 浮动信号源，浮动信号源是指一端接地的信号源，而差端工作方式是应用于差动信 号源，在这里我们选用了单端输入工作方式。 输入信号分为单、双级量程，单级性量程：0 1 0 v 。o 。5 v ， o 2 5 、o 1 2 5 v ，双极性量程：l o v 5 7 , 2 5 7 , _ - 4 - 1 2 5 v ，本系统选用单极性 o 5 v 接法。 ( 2 ) i o 通道： 1 6 路t t l 输入口，低位输入电压：o 0 8 v 高位输入电压：2 0 v c c ； 1 6 路t t l 输出口，低位输入电压：o o 4 v ；高位输入电压：2 4 v c c 。 ( 3 ) d a 通道： 2 路模拟输出，最大外部输出电压范围为：一1 0 一+ 1 0 v 。 此卡共有四个接口端子，与外部设备连接，端口内容如下所示： d 1 0 d 1 2 d 1 4 d 1 6 d i s d 1 1 0 d 1 1 2 d 1 1 4 i l l l 6 + 5 v 1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 8 2 4 6 日 1 0 1 2 1 4 1 6 1 b 2 0 d 1 1 d 1 3 d 1 5 d 1 7 d 1 9 d 1 1 1 d 1 1 3 d 1 1 5 dg l i d + 1 2 v 12 3哇 56 78 91 0 1 11 2 1 31 4 1 51 6 1 71 8 1 92 0 ) 1 d 。3 5 7 d 0 9 d 0 1 l 1 3 d 。1 5 d + 1 z v c n l c n 2 的针脚分布图( d1 o 输入输出端口) a 1 0 a 1 1 a 1 2 a 1 3 a 1 4 a 1 5 a 1 6 a 工7 a 1 8 a 1 9 1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 4 6 日 1 0 1 2 1 4 1 6 1 日 2 0 a g n d i l o a g n da 1 1 1 a g n da 1 1 2 g n da 1 1 3 g n da i l 4 a g n d a 1 1 5 g g n d 0 l 嬲漱 l 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 哇 6 b 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 a g n d a g l i d g n d a g n d a g n d i g n d g n d a g n d g h d 枷d c n 4 ，c n 5 的针脚分布图( a d 、d u 输入端口) 图4 9 接口端子针脚分布图 图中a i 一模拟输入端，a g n d 模拟接地端，a 0 一模拟输出端，d p 一 数字输出端，d 卜数字输入端，d g n d 一数字接地端，v r e f l 一参考电压l ， v r e f 2 参考电压2 。 4 5 2 开关量输入、输出的光电隔离电路 工业控制计算机需要通过多功能卡接受外部输入信号进行处理，这种输入 信号主要有两种，一为开关量输入信号，另一种为模拟量输入信号。模拟量输入 信号即为传感器的输入信号，它经过一系列的信号处理【2 3 i 后变成放大的电压信 号输入到多功能卡中。 开关量输入信号分为两部分，一部分是操作面板输入，即用户通过操纵面 板按钮输入开关信号来完成相应的动作，以e l 设备来说，面板按钮有测标按钮、 测标终止按钮、上缸上升按钮、上缸下降按钮、下缸上升按钮和下缸下降按钮等 六个输入按钮，即为六路输入信号。另一部分为接近开关输入，平时接近开关处 于断开状态，气缸到位后将使接近开关闭合，开闭信号作为输入信号进入系统进 行相应的处理，这一类有两路输入信号来控制上、下气缸到位。这八路开关量输 入信号应送入多功能卡的数字式输入口( 多功能卡总共有1 6 路t t l 输入口，故 只被占用前面8 个端口d i o d 1 7 ) ，再由工控机读取相应端口的状态( 0 或“l ” 状态) 做出对应的处理。 这些开关量输入信号都是通过外部模拟电路产生，而多功能卡与工控机却 是数字电路系统，所以采用光电隔离电路将模拟电路和数字电路隔开，实现了两 种电路的匹配，同时避免两者之间的干挠。 面板输入 c p u i n 1 3 1 0 d 工l d 1 2 d 1 3 d 1 4 d 1 5 d 1 6 d i7 r f 1 t 2 + 1 2 v 接近开关l 输入 冈 r 1 4 + 2 4 v 图4 1 0 开关量输入信号的光电隔离电路 上图4 1 0 即为开关量输入信号的光电隔离电路，当面板按钮处于断开状 态时，光电隔离器件内部的发光二极管不导通，则内部的三极管处于截止状态， 电阻r 1 上无电流通过，e 点处于高电位，即d i o 端口处于“0 ”状态。当任面 板输入按钮被按下时，电流经过r 2 进入光电隔离器件5 2 1 4 e 一1 内部的发光 二极管，并使其内部三极管导通，则r l 上有电流通过，e l 处于低电平，即d i o 端口被置零。而工控机通过程序不断扫描d o 端口检测各端口的状态变化，当发 现d i o 状态由“0 ”状态变成“1 ”状态，工控机便做出不同的动作进行响应。接 近开关输入的工作原理与面板按钮输入相似，故不做重复介绍。 当工控机通过读取多功能卡的d i 数字式输入1 ；3 ，得知用户发出的控制命 令，它势必要做出一些响应，即通过控制上、下气缸的动作完成用户发出的指令。 赢 一 时：川 。r m 所以工控机通过。写，操作( 置“1 ”或置“0 ”) 多功能卡的d o 的四个端口， 即为d 0 0 d 0 3 ，再通过光电隔离电路，由外部模拟电路实现控制上、下气缸的 上下动作。工控机对四个端口的“写”操作即为四路开关量输出。 图4 1 i开关量输出信号的光电隔离电路 如图4 1 l 所示【2 4 】，从多功能卡的d 0 0 - d 0 3 四个端口分别引出四路对应 的电路，这四路电路控制过程相同，故只以控制上气缸上升的一路电路加以说明， 工控机首先对d o i 端置“0 ”( 置“0 ”表示“使上气缸停止下降”，以便形成互 锁) ，对d 0 0 端置“l ”( 置“l ”表示“使上气缸开始上升”) ，d o 端便输出 一个高电平信号，由于这个高电平信号的波形不规则，所以增加反相器的作用是 把这个不规则的波形形状圆整成电压为一5 v 的平直线( 图4 1 2 所示) 。 u o i + 5 v l ，一j 、 、 o t u o ot 一5 v 图4 1 2 输出电压曲线图 a ) 反相器处理前b ) 反相器处理后 线驱动器7 4 l s 2 4 4 是为了增大带负载的能力，7 4 l s 2 4 4 可以同时接八条输 入( i a i 2 a 4 ) ，当一5 v 的低电平输入7 4 l s 2 4 4 的i a i 端，输出到1 y 1 端仍为低 电压，这时光电隔离器件5 2 1 4 a 1 导通，a 点为高电平，t l 导通，继电器j d l 得电合上开关，从而继电器控制的电磁阀j k i 通电使得上气缸上升。 因其他三路电路控制过程与此类似，所以不再赘述。 4 6直流稳压电源 如图4 1 3 所示为双极性对称稳压电源电路，它采用了两只三端稳压管， 7 8 1 2 和7 9 1 2 构成的简单实用的对称型正负稳压电源。该电源输出电压为1 2 v ， 输出电流最大为1 5 a 。7 8 1 2 和7 9 1 2 的选择，力求性能参数尽量对称。正负三端 稳压器均要加装合适的散热器。这个电源电路f 1 9 l 主要是为o p 0 7 等集成运放提供 标准的直流电压。 b 图4 1 3双极性对称稳压电源电路 2 4 v 稳压电源电路( 图4 1 4 ) 主要是为了给控制汽缸的电磁阀及接近开关电 路供电，通过前端变压器将2 2 0 v 电源电压转变成1 8 v 的输入电压，经过一系列 的全波整流和滤波电路，最后得到2 4 v 的直流输出电压。 图4 1 42 4 v 稳压电源电路 。( + 2 4 7 ) 1 2 v 稳压电源电路( 图4 1 5 ) 主要是为了给中间继电器供电，也是通过接到 变压器的i o v 档引进输入电压，通过整流和滤波电路获取1 2 v 的直流输出电压。 u i 6 6 0 0 u f 图4 1 51 2 v 稳压电源电路 4 7 本章小结 “1 2 v ) 本章作者先讨论了控制系统的选型，并介绍了整个电路控制系统的主体结 构，然后阐述电路的各个组成模块，即传感器的模拟信号处理电路和开关量的信 号处理，最后介绍了给所有模块提供能源的电源电路。 第五章测熬选垫系统的控制软件设计 软件部分是整个测量选垫系统的“大脑”，它控制着各个组戒部分的协调 逡作，并提供了受爵的工作界西淤便实蕊搡俸者稳系统之阕酶天梳对话。零牵主 要介绍软件的各个组成模块和设计思想。 5 1软件开发平台的选择 “工欲善其事，必先利其器”，逸髑一个较好的软件工具，对于提嵩软件 开发效率，促避工程进魔都有着重要的俸爝。 v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司推出的针对w k d o w s 操作系统的编程语言， 渤麓强大，实用衙广，它改善了传统的编程界藤，使得搿发入员w _ | 三l 壹接在臻户 界面良好的可视化开发环境中进行工作。但是这种软件的集成开发环境比较复 杂，菜擎选项不仅多，磷盈随编程进程黛纯，嚣发入爨学习入门院较誉鼹。在溅 控领域巾更因其缺乏专用的控件和库函数而大大限制了它的使用。 l a bw i n d o w s 蔗n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司攘密静套嚣囱溺控赣域静工翼 软件。落以a n s ic 为梭心，将功能强大，使用灵活的c 语言平台与数据采集， 分辑帮袭这豹测控专鼗王其毒辍逑结会越来。宅瓣集成绽秀发平螽，交嚣式编程 方法，丰富的控件和库函数大大增强了c 语言的功能，为熟悉c 语言的汗发人 罴建立捻溺系绞，叁动溺量繇境，数握采集系绞，进程簸控系绞蒋箍供了令理 想的软件开发环境【2 ”。 l a bw i n d o w s 翻v i s u a lb a s i c 缀撼绫，编辑嚣由题户图形爨嚣巍代鹚塞强 构成。熟悉v b 、v c 的人可以很快就熟悉l a b w i n d o w s 的编程。l a b w i n d o w s 是为自动控制弼编写的款终，除了基本的大型语言软 孛爨瘫有豹功戆癸，在数据 采集和输出、数据处理等方面裔着非常优异的性能。 l a bw i n d o w s 其强大功能韵所程就是基子其非常丰富艇痒函数。l a b w i n d o w s 所提供的库函数从用户图形界面，数据采集，数诺分析，仪器控制到 现在i n t e m e ! 时代豹t c p 。l a bw i n d o w s 在测量领域成为先锋的闷对又与当前时 代的新幂埠技保持了同步p 那。 在v b 中，曲线显豕时容易发生抖动，但使用l a b w i n d o w 时，软件自动会 帮你给国最佳翁箍示方筑。惹之，可良将l a b w i n d o w 当傲是面向辩研和工程的 v b l 2 5 1 。 5 2 动态链接库及其接口函数 生产厂商为了方便用户对其产品进行开发，所以提供了一些对硬件底层操 作的接口函数。用户可以把接口函数放入头文件，或者将其包含在动态链接库中。 如果选择放入头文件的方式，那么在编译阶段，当程序调用接口函数时，链接器 把该函数的代码直接添加到程序可执行文件中，增加了程序的负载。 而采用动态链接库方式时，接口函数以能被重新定义的方式存储在d l l 中。在编译阶段，当程序调用接口函数时，链接器并不把该函数的代码添加到程 序可执行文件中。相反，它将函数的加载指令增加到其中，如它位于哪个d l l 中以及它的名字。利用这种方法，每个应用程序不必包含实际的接口函数代