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盘形凸轮机构的创新性综合实验平台设计研究 摘要 本文首先阐述了凸轮机构的发展概况，接着指出目前国内高等工科院校的 凸轮机构实验仅局限于对运动参数的测量与分析，然后提出以盘形凸轮机构为 例，设计研究一种创新性的综合实验平台以对凸轮机构的设计、分析、优化和 测试进行一系列的综合性实验。该实验平台由硬件和软件两部分组成，具体可 以分为两个子平台，即设计和分析实验平台、测试实验平台。 本文在对实验平台的总体结构进行介绍之后，分两部分对设计和分析实验 平台、测试实验平台进行了论述。 选用a d a m s v i e w 软件作为设计和分析实验平台，以偏置直动尖顶从动件 盘形凸轮机构为例，构建了三维实体参数化模型，通过运动仿真修正了从动件 的运动规律，从而对凸轮的轮廓曲线进行优化。 基于数据采集理论实现了测试实验平台里的信号采集；运用虚拟仪器技术， 以l a b v i e w 8 5 为开发平台完成了测试实验平台的软件设计。 关键词：盘形凸轮，创新性，实验平台，a d a m s ，虚拟仪器 1 ll- d e s j r na 1 1 c lr e s e a r c i l0 na ni n n o v a t l v ec o m p l e x e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rd i s cc a mm e c h a n i s m a bs t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ne l a b o r a t e dt h eg e n e r a lr e s e a r c ho fc a i nm e c h a n i s mf n s t l y , a n dt h e n p o i n t e do u tt h a tt h ec a me x p e r i m e n tw a sl i m i t e di nm e a s u r i n ga n da n a l y z i n gm o t i o n p a r a m e t e r si nm o s tt e c h n i c a lc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e so fc h i n a l a t t e r l y , a ni n n o v a t i v e c o m p l e xe x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rd i s cc a mm e c h a f f i s mw a sd e s i g n e dt op e r f o r mas e r i e s o fc o m p l e xe x p e r i m e n t sb yd e s i g n i n g ，a n a l y z i n g ，o p t i m i z i n ga n dt e s t i n gc a mm e c h a n i s m t h ep l a t f o r mw a sb u i l tu pb yh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i n c l u d i n gt w os u b p l a t f o r m s ，a d e s i g n i n ga n da n a l y z i n gp l a t f o r ma n dat e s t i n gp l a t f o r m a f t e ri n t r o d u c i n gt h eg e n e r a ld e s i g ni d e a , t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e da b o u tt h et w o s u b - p l a t f o r m si nt w op a r t s a d a m s v i e ww a sa d o p t e da sad e s i g n i n ga n da n a l y z i n gp l a t f o r mt og e n e r a t ea3d m o d e lb yp a m m e t e r i z a t i o n a sa l le x a m p l e ，a no f f s e tt r a n s l a t i o nc a mw i t ht i pf o l l o w e rw a s d e s i g n e da n ds i m u l a t e d t h eo u t l i n ec u r v eo ft h ec a mw a so p t i m i z e da f t e rc o r r e c t i n gt h e m o t i o nr u l eo ft h ef o l l o w e r i nt h et e s t i n gp l a t f o r m ，s i g n a l sw e r ep i c k e db a s e do nt h et h e o r yo fd a t aa c q u i s i t i o na n d t h es o f t w a r ed e s i g nw a sc o m p l e t e dw i t hl a b v i e w 8 5 ，w h i c hw a st h ev i r t u a li n s t r u m e n t d e v e l o p i n gp l a t f o r m k e y w o r d ：d i s cc a m ；i n n o v a t i v e ；e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ；a d a m s ；v i r t u a li n s t r u m e n t 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图3 1 - 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 - 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 插图清单 盘形凸轮结构示意图4 传感器的组成框图7 导电塑料电位器9 光电编码盘工作原理1 1 光电开关工作原理1 l 实验平台硬件结构简图1 5 j o i n tm o t i o n j ：2 4 函数设置2 4 凸轮机构三维模型2 6 从动件位移曲线2 7 从动件速度曲线2 7 从动件加速度曲线2 7 推程修正运动线图2 8 修正后的位移曲线图2 9 修正后的速度曲线图3 0 修j 下后的加速度曲线图3 0 数据采集系统的流程图3 2 信号转换过程3 4 采样过程3 4 脉冲调制过程3 5 差分测量系统3 7 参考地单端测量系统3 8 无参考地单端测量系统3 8 软件结构图3 9 i o 端口函数4 1 c i n 节点4 1 调用“库函数对话框4 2 “函数 页面参数配置4 3 “参数 页面参数配置4 3 图形用户界面4 5 可执行程序的生成( 1 ) 4 6 可执行程序的生成( 2 ) 4 6 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志和致谢的地方外，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 金目巴工业太堂 或其他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 明并表示谢意。 学位论文作者签字：夏托 签字日期：2 ，a 年月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工业太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金肥王业厶堂一可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名：夏艳 签字日期：2 0 矿年歹月，夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：l 口年厂月c o 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师田杰副教授的精心指导和热情关怀下完成的，在此谨向导 师表示最衷心的感谢和最真挚的敬意。在我攻读硕士学位期间，无论在学业、 工作上，还是在生活上，都得到了田老师悉心的指导和真诚的关怀。特别是田 老师为学生创造了良好的科研条件和环境，将我引入到一个全新而宽广的学科 研究领域。我在研究工作中取得的每一点进步和成绩都浸入了田老师大量的心 血。田老师宽广的知识面、活跃开阔的思维，对问题敏锐的洞察力，对科学的 浓厚兴趣，对学科的深刻认识，对产业的深入理解，都给我留下了深刻的印象。 导师严谨的治学态度、求实创新的开拓精神，诲人不倦、宽以待人的高尚品质， 永远是学生学习的楷模，这些都将对我以后的学习和工作产生巨大的影响。 同时，真诚地感谢教研室的黄康教授、王勇副教授等各位老师给我各方面 的指导和帮助，并创造了许多必要条件和学习机会! 衷心感谢师弟李少波、汪献伟、卓纳麟、庄园、陈培裸以及同教研室的李 香滨、杨勇、李松恩、郗富强、朱国牛、魏涛等同学给予我的关心和帮助。 最后，还要深深感谢我的父母和亲人! 感谢所有支持和帮助过我的同学和 朋友们。 夏艳 2 0 10 年4 月2 3 日 第一章绪论 1 1 引言 凸轮机构是常用的典型机构之一，广泛地应用于发动机、纺织、造纸、服装 和印刷等工业领域中。凸轮机构由凸轮、从动件或从动件系统、机架等组成。 其中，凸轮是具有曲线轮廓形状的构件，其运动方式主要是连续等速回转，也 可以是往复移动或往复摆动。因此，通过设计不同轮廓曲线的凸轮，就可以使 从动件按照预定的运动规律进行运动。凸轮机构之所以能够得到广泛应用，是 因为其具有许多其他机构无可比拟的优点，如： l 、设计简单，适应性强，可以实现从动件的复杂运动规律要求； 2 、结构简单紧凑，控制准确有效，运动特性好，使用方便； 3 、性能稳定，故障少，维护保养方便。【l 】 实际中所使用的凸轮机构的类型很多，按凸轮的形状可以分为盘形凸轮、 移动凸轮、圆柱凸轮；按从动件的形状可以分为尖底从动件、滚子从动件、平 底从动件、曲底从动件；按从动件的运动形式可以分为直动从动件、摆动从动 件；按凸轮与从动件维持高副接触的方式可以分为力封闭方式、形封闭方式。 凸轮机构具有传动、导引及控制机构等多种功能，所以在各种需要实现机 械自动化和半自动化的场合取得了广泛的应用。当凸轮机构用作传动机构时， 可以产生各种复杂的运动规律，包括变速范围较大的非等速运动以及暂时停留 或各种步进运动；当凸轮机构用于导引机构时，可以使工作部件产生复杂的轨 迹或平面运动；当凸轮机构用于控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循 环。随着工业自动化程度和凸轮c a d c a m 技术水平的不断提高，凸轮机构的应 用范围将会更加广泛。1 2 j 1 2 凸轮机构研究的发展概况 人们对凸轮机构的认识由来已久，但直到1 9 世纪末人们都未曾对凸轮机构 进行过系统的研究。随着工业的迅速发展，人们对自动化机械的需求大量增加， 在2 0 世纪初凸轮机构的研究才开始受到重视。凸轮机构应用的广泛性推动了对 它的研究。最初，人们只研究凸轮的简单几何形状和运动，以满足对从动件运 动的简单位置要求。随着对各种机械在速度、效率、寿命、噪声和可靠性等方 面的要求日益提高，对凸轮机构的研究也逐步扩展与深化，从简单地考虑几何 尺寸、运动分析和静力分析，发展到考虑动力学、润滑、误差影响、弹性变形 等，其研究方向有数十个之多。从设计的角度来考虑，以下几个研究方向还有 待开发： l 、对从动件运动规律的研究。除了要继续寻找更好的运动规律外，还要研 究多种有效的方法，当对从动件的运动轨迹有要求时，能用这些方法求出满足 要求且性能良好的运动规律。 2 、要综合考虑对各种凸轮机构几何学和运动学的研究，尽可能导出比较精 确的计算公式。已有的研究大多集中于平面和圆柱凸轮，而且仅仅只针对一种 类型进行公式推导，因而造成设计公式过多和近似公式较多等情况，并将影响 到其他方面( 如c a d 的应用等) 的研究。 3 、发展通用而有效的c a d 系统。由于上述原因和其它因素，在凸轮机构设 计中，计算机的应用一直被局限于几种平面和圆柱凸轮机构，并且每一个程序 一般只能处理一两种机构。对比较完整的c a d 系统的研究，仅在最近几年才开 始。 4 、引入专家系统或人工智能型的c a d 系统。由于凸轮机构不是标准机构， 种类很多，设计质量与设计者的水平和经验有着密切的关系，许多已有的知识 不能公式化，因此应用普通的c a d 系统，效果有时并不很理想。假如引入专家 系统，则可以获得较为理想的结果。随着专家系统的引入，必须注意收集萃取 有关于凸轮机构及其设计的知识和经验。 5 、动力学研究成果的进一步实用化。由于动力学问题的复杂性和对研究成 果可靠性的怀疑，使得这些成果没有广泛地运用于实际。 6 、加强对凸轮机构的运动特性和动力特性的计算机模拟，以提高设计质量 和缩短产品周期。 7 、研究c a d c a m 的一体化。数控用于凸轮加工已有很长的时间，目前数 控技术的应用也比较普遍，因此c a m 是有一定基础的。但由于对c a d 的研究 不够，所以c a d c a m 的工作成效甚少。现在数控机床已能使用由高级语言编 制的程序和计算机图形系统，预计这方面的研究将很快发展起来。f 3 】 自二十世纪九十年代以来，我国对凸轮机构的理论和应用研究，以及对凸 轮机构的产品开发和制造方面都取得了很大的进步。在理论研究方面，我国已 经达到世界先进水平；在凸轮机构的制造方面，与发达国家相比还存在一定的 距离。究其原因，一方面是因为我国的机械制造业总体水平不高，另一方面是 因为研究单位和企业在制造方面投入的人力和物力较少。【4 】 高等院校既是我国理论研究的重要基地，也是技术人才培养的摇篮，对我 国的科技创新和技术进步起着举足轻重的作用。实验是高校在教学和科研上的 重要组成部分。实验是结合所掌握的理论知识而建立的一个实践性环节，通过 亲自动手，独立思考以解决实际问题。因此，实验是理论联系实际不可缺少的 环节。凸轮机构实验是工科院校的机械原理课程实践教学的一个重要单元。通 过该实验，学生可以深入了解和掌握凸轮机构的各种性能，从而将书本知识落 实到工程实际，用书本上的知识点解决工程实际问题。所以，凸轮机构实验的 进一步完善和发展将提高学生的综合能力和专业水平，为我国机械行业输送更 多的优秀人才。 2 1 3 课题研究的现状、意义及内容 1 3 1 课题研究的现状 根据高等院校应培养面向世纪的“高素质创新型人才 的要求，实验内容应由“单 一型”向“综合型”转变，实验方法由“示范型 、“验证型向“参与型、“开发型 、 “探索型”转变，增加实验内容的柔性与开放性，增大设计性、综合性、创新性实验 内容和实验项目。目前很多高校都致力于实验教学的改革，以启发学生的创新意识， 提高学生的综合设计能力。 长期以来，凸轮机构的实验一直是一种验证式实验模式，即由教师提前准备好相 关设备，然后学生根据实验指导书和教学参考步骤完成实验，设计性和创新性很少， 学生中普遍存在实际知识不足、重理论轻实验、实验技能较低等问题。大部分高校的 凸轮机构实验仅仅局限于对运动参数的测量与分析，实验过程一成不变，不利于学生 创新素质的培养。 1 3 2 课题研究的意义 本课题来源于合肥工业大学实践创新基地建设项目，是以凸轮机构中最常见的盘 形凸轮机构为例，设计研究一种创新性综合实验平台。在这个实验平台中，将对盘形 凸轮的设计、分析，优化及测试进行一系列的综合性实验，不仅可供学生使用，增强 他们的综合设计与创新能力、实践动手能力、分析和解决问题能力，而且还可以供科 研人员使用，为凸轮机构的进一步研究提供一个平台。通过这个实验平台，科研人员 可以研究盘形凸轮的轮廓曲线，分析各种运动学和动力学参数，然后进行盘形凸轮机 构的优化设计。因此，盘形凸轮机构的创新性综合实验平台的开发对于凸轮机构的深 入研究和生产制造都会起着重要的作用。 1 3 3 课题研究的内容 本课题所设计研究的盘形凸轮机构的创新性综合实验平台主要分为两个子平台， 即设计和分析实验平台、测试实验平台。设计和分析实验平台是研究利用a d a m s 软件 建立盘形凸轮机构的三维实体参数化模型，接着进行运动仿真和优化设计。测试实验 平台是基于虚拟仪器技术，将传感器测量出的电信号经过多功能数据采集卡转换成数 字信号，采用l a b v i e w 8 5 作为软件开发平台进行信号采集，并进行数据处理、显示和 存储，最后得出凸轮的转速，从动件的位移、速度和加速度等参数。 在该创新性综合实验平台上，我们可以完成对盘形凸轮机构的一系列实验： 由已知参数条件对盘形凸轮进行三维实体建模，接着仿真分析，优化设计，然后 用线切割机将凸轮生产出来，最后进行测试，验证是否满足要求。 3 第二章实验平台的总体设计 2 1 实验平台的设计方案 计算机和数控加工技术的广泛应用给传统的机械设计制造业带来了前所未 有的飞速发展，也给工科高等院校的实验设施和实验方法的不断更新提供了支 持。原有的凸轮实验仅仅是对凸轮运动参数的检测，无法适应现代教育发展的 要求。本课题利用先进的计算机技术将硬件和软件两部分结合起来，设计研究 出一个更加富有综合性、灵活性和创新性的凸轮实验平台。 凸轮机构的类型众多，轮廓曲线通常也比较复杂，本课题所选用的是两种 最常用的盘形凸轮机构，分别是直动从动件盘形凸轮和摆动从动件盘形凸轮， 如图2 1 ( a ) 和2 1 ( b ) 所示。当凸轮l 绕轴o 旋转时，推动从动件2 沿导轨3 ( 机 架) 做往复直线运动，或者绕铰链a 作往复摆动。通常，凸轮为机构的原动件。 ( a )( b ) 图2 1盘形凸轮结构示意图 本实验平台主要包括两个子平台，即设计和分析实验平台、测试实验平台， 可以对盘形凸轮机构进行系列的综合性实验： 1 、任选一组已知运动参数，在设计和分析实验平台上进行盘形凸轮机构的 三维实体参数化建模，接着进行仿真分析，根据分析的结果进行凸轮轮廓曲线 的优化设计。 2 、将设计好的盘形凸轮拿到线切割机上加工出来。 3 、在测试实验平台上对盘形凸轮机构进行测试，得出凸轮的转速、从动件 的位移、速度和加速度等参数。 4 、将测试的结果与仿真结果进行对比，验证加工出来的凸轮是否满足设计 4 要求。 实验平台主要由硬件和软件两部分组成。 实验平台的硬件部分由直流电动机、蜗杆减速器、联轴器、实验台架、传 感器、多功能数据采集卡和计算机等组成；软件部分由驱动软件和应用软件组 成，选用a d a m s 作为应用软件进行盘形凸轮机构的设计和分析，采用 l a b v i e w 8 5 作为编程语言进行测试实验平台的软件开发。 2 2 实验平台的硬件构成 2 2 1 电机及传动部分 1 、传动方案的选择 由电机到凸轮的传动，可选择带、链和齿轮减速器。由于凸轮转速低、速 比大，采用蜗轮蜗杆减速器比较合理，其具有选型方便，价格合理，结构紧凑 等多种优点。确定采用直流电动机通过联轴器连接蜗杆减速器，实现大传动比 ( f = 3 0 ) 的传动方案。由于蜗杆减速器的输入轴与输出轴形成9 0 0 夹角，故直 流电动机水平横向布置，其输出轴为纵向，便于凸轮的安装。 2 、电动机 为满足凸轮转速可以调节的要求，从变频调速和直流调速两种形式中选取 较方便、价低的直流调速电动机作为本实验平台的原动件。由于仅仅用于测量 运动( 位移量) ，而实际所需的负荷较小，所以在选择电动机型号时，更多地考 虑到结构、安装等方面的要求，经反复比较，确定采用的电机型号为1 1 0 s z 0 2 4 9 。 3 、减速器和联轴器 根据转速要求，考虑结构、价格等方面的因素，决定选择蜗杆减速器。综 合分析了实验平台的要求后，决定选用传动比为3 0 的蜗杆减速器，减速器的型 号为w d 一3 3 c 。 直流电动机与减速器采用大凸缘联轴器联接，考虑安装方便和对心要求， 决定采用尼龙绳联接两半联轴器。 2 2 2 盘形凸轮机构及实验台架 1 、盘形凸轮机构 由于实验平台是对盘形凸轮机构进行一系列的综合性实验，因此由多组已 知参数设计出的多个凸轮必须在线切割机上快速加工出来。经过仔细衡量，决 定采用价格低廉且易于切割的尼龙作为凸轮加工的原料。 受实验台架安装尺寸的限制，凸轮的轮廓尺寸限制在定的范围内：基圆 半径为5 0 r a m 左右，最大向径为7 0 m m ，凸轮厚度为1 0 r a m 。凸轮转向可变， 偏置量可调，e 2 0 彤聊，行程h 3 0 r a m 。 5 凸轮安装在减速器输出轴一端的法兰盘上。由于该法兰盘通过键配合安装 在输出轴上，因此只需拧下法兰盘上的螺钉即可更换不同尺寸的凸轮。 在实验平台上，凸轮可以更换，但是从动件不用更换，其固定在实验台架 上保持不变。常见的盘形凸轮机构的从动件顶部可分为尖端、滚子和平底三种 形式。为了更好的利用实验平台，将从动件的顶部设计成可互换的形式。顶部 端子分别设计成尖端，滚子和平底三种形式，各端子与从动件杆部相联接的部 位设计成相同尺寸的圆柱形，从动件的杆部与端子相联接的一端开有圆孔。当 需要采用某种形式的端子时，将该端子的圆柱端插入从动件底部的圆孔内并用 紧定螺钉紧固即可。 为了节省实验经费及便于对实验数据的处理，摆动从动件和直动从动件的 位移测量共用一个传感器。从动件设计时，在直动从动件的杆上固定一个齿条， 与台架上的小齿轮相啮合，摆动从动件的末端是一个多齿数的扇形齿轮，其也 与小齿轮相啮合。角位移传感器被固定在台架板的背面，它的随动轴与小齿轮 相连接。这样只用测量小齿轮的角位移，经过齿轮啮合计算后，可以分别得到 直动从动件的直线位移和摆动从动件的角位移。两种传动件与凸轮均采用弹簧 封闭，直动从动件采用压簧封闭，摆动从动件采用拉簧封闭。对凸轮进行测试 时只能用一种从动件，另一种从动件要拆下。 2 、实验台架 直流电动机和蜗杆减速器均安装在实验台架的底板的一侧。底板的另一侧 还装着两根立柱，一块滑板装在两根立柱中间，并与立柱以v 型槽相联结。为 了满足直动从动件偏置量和摆动从动件中心距调整的需要，将直动从动件、摆 动从动件和传感器均固定在这一块滑板上。从动件放在滑板的正面，传感器放 在滑板的背面。滑板上安有调整螺柱和手轮，用来调整偏置量和摆动中心距。 2 2 3 传感器 1 、传感器的概述 从广义角度来讲，传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确 定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量器件或装置。中华人民共和国国 家标准( g b6 6 5 1 9 8 7 ) 对传感器做出了如下的定义：能感受规定的被测量并按 照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件 组成。f 5 】其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转转元 件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转化成适于传输和测量的电 信号部分。 一般来说，典型的传感器由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成， 有时还需要加辅助电源，组成框图如图2 2 所示。 6 图2 - 2 传感器的组成框图 敏感元件：在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现 有手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电 量的非电量，然后再变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件，又称 做预变换器。 转换元件：敏感元件的输出量就是它的输入量，它把感受到的非电量直接 转换为电量。 转换电路：接受转换元件所转换成的电路参数量，并把其转换成后续电路 所能应用的电信号。 传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法 有如下几种： ( 1 ) 按输入量分类 如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度等非电量时，则相应的 传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感 器等。这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据测量对象选择所需要的传 感器。 ( 2 ) 按测量原理分类 现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。如根据变 阻的原理相应的有电位器式、应变式传感器；根据变磁阻的原理，相应的有电 感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半 导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。 ( 3 ) 按结构型和物性型分类 所谓结构型传感器，主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外 界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测 信号，这种传感器目前应用得最为普遍。物性型传感器则是利用某些材料本身 物理性质的变化而实现测量，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料 的固态器件。【6 】 7 2 、传感器的选用原则 现代传感器在原理和结构上千差万别，我们需要根据具体的测量目的、测 量对象和测量环境合理地选用传感器。当传感器确定之后，与之相配套的测量 方法和测量设备也就得以确定。传感器的选取是否合理在很大程度上决定着测 量结果的成败。 ( 1 ) 确定传感器的类型 进行测量工作之前，首先需要做的就是确定传感器的类型。不同的传感器 有不同的工作原理。测量同一个物理量会有多种不同工作原理的传感器可供选 取，如何选取可以根据被测量的特点和传感器的使用条件来考虑，例如考虑量 程的大小，被测位置对传感器体积的限制，测量方式是接触还是非接触，传感 器的价格等。 ( 2 ) 灵敏度的选择 传感器的灵敏度是指传感器在稳定条件下，输出变化量与输入变化量的比 值。一般情况下，灵敏度的值越大越好，因为传感器的灵敏度越高，则意味着 传感器所能感知的变化量越小。即便测量只有微小的一点变化，传感器都会有 较大的响应。1 7 j 但是，传感器的灵敏度高时，与被测量无关的外界噪声也容易混入，噪声 会随着被放大系统放大，影响测量精度。这时候需要考虑既要检测微小量值， 又要噪声小，为了达到这个目的，往往要求信噪比越大越好，即要求传感器本 身的噪声小，并且不容易从外界引入干扰噪声。 ( 3 ) 线性 任何传感器都有着一定的线性工作范围，在线性范围内输出与输入成正比， 线性范围越宽，表明传感器的量程越大，并能保证一定的测量精度。保证测量 精度的基本条件是传感器工作于线性范围，当输入量增大时，除非有专门的非 线性校正措施，不应该进入非线性区，更加不能进入饱和区域。 要保证传感器始终工作在线性区域是不容易的，任何传感器都不能保证绝 对的线性，其线性也是相对的。当所要求测量的精度较低时，在一定的范围内 可将非线性误差较小的传感器近似看成线性的，这将会给测量带来极大的方便。 ( 4 ) 精度 精度是传感器的一个重要性能指标。传感器所输出的测量值能否如实地反 映出被测值，这关系到整个测试系统的检测结果是否真实有效。 传感器的精度越高，价格越贵。因此，传感器的精度只要满足整个测试系 统的精度要求即可，不必选得过高，这样就可以在能满足同测量目的的众多 传感器中尽量选取价格便宜、结构简单的类型。【8 】 ( 5 ) 稳定性 传感器使用一段时间后，其工作性能保持不变的能力称为稳定性。影响传 8 感稳定性的主要园爨有两种即本身的结构和传感器的工作环境。在使用传感 器之前要对其工作环境进行分析，根据具体的使用环境选用合适的传感嚣，或 采用适当的措施以减小巧境的影响。 ( 6 ) 响应特性 传感嚣的响应特性是指在所测量频率范围内保持不失真的测量条件。在 实际使用时，传感嚣总有一定的延迟时间，延迟时阐是越短越好。 3 、角位移传感嚣的选用 用于位移测量的传感器，需要根据不同的测量范围进行台理选择。小位移 通常用应变式、电感式、电容式、差动变压器式、霍尔式等传感嚣来测量，精 度可达05 10 其中电感式和差动变压器式传感嚣的测量范围要大一些。 最大可达1 0 0 r a m 。小位移传感嚣测微小位移，从几微米到几个毫米，如物体振 动的振幅测量等。大的位移带用感应同步器、磁栅、光栅、编码器等传感嚣来 测量，精度高，易实现数字化，安装方便抗干扰能力强。p 1 本实验平台采用导电塑料电位器( 叉称电子尺) 作为洲量小齿轮角位移的 传感嚣。导电塑料电位器发展于在上世纪五1 年代后期，由导电粉及导电村料 粉( 台金，石墨、碳黑等) 在绝缘基座上制成各种薄膜元件具有耐磨性好、寿 命长、价格低廉、低温下输出变化小等优点，缺点是对温湿度变化比较敏感。 且要求接触压力大，只能用于推动力大的敏感元件。【i ”导电塑料电位嚣以其独 特的优势广泛地应用于各种行业。 导电塑料电位器实质上是一种电阻式位移传感器。电阻式位移传感器是把 被测位移量转换成电阻变化通过测量电阻值以达到测量位移的一种传感嚣。 导屯塑料电位器能够把机械信号转换成与机械运动成正比的电气信号。电刷装 配连接到机械激励器，继而使塑料阻轨产生一个电压分配器。电位计的阻轨两 端连接到稳定的直流电压( 允许小电流) 。当在电刷和修征阻轨之间测量时信 号电压是电压分配器的主要部分，并且与阻轨上的电刷位冒成正比。导电塑料 电位器作为一个电压分配器不必着重于阻轨上总电阻的准确度，因为温度波 动只对电阻产生作用，不会影响测量结果。 本实验平台是后选用的是k 海无尧科技有限公司生产的w d d 3 5 d - j 型精 密导电塑料电位器，如图2 - 3 所示。 酗2 - 3 导电塑辩电位器 它的结构主要由导电塑料基体、电刷、随动轴、壳体等组成。它的特点是 精度高、寿命长、输出平滑性好。 主要参数如下所示： 量程：输出电压的大小由输入电压决定，如：输入5 v ，其整个量程为0 5 v ；输入1 0 v ，其整个量程为0 1 0 v ： 标称阻值：5 k f 2 ； 理论电旋转角：3 4 5 0 - 1 - 2 0 ； 工作温度：一5 5 0 1 2 5 0 机械转角：3 6 0 0 ( 连续) 独立线性度：0 1 输出平滑性：0 0 5 4 、编码盘及光电开关选用 ( 1 ) 编码盘 编码器是一种数字式传感器。随着计算机和数字通讯技术的迅速发展，编 码器被广泛地应用于机械、纺织、电力、航空等行业。编码器主要用来测量线 位移、角位移、转速以及测量定位、限位、判向。 编码器按原理分类有：电触式、电容式、感应式、光电式等。按照工作原 理，编码器可以分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是先将位移转换成周 期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大 小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数码，因此它的示值只与测量 的起始和终止位置有关，而与测量的中间位置无关。 编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。 绝对式光电编码器的工作原理如图2 4 所示。 由光源1 发出的光线，经柱面镜2 变成一束平行光或会聚光，照射到码盘 3 上。码盘由光学玻璃制成，上面刻有许多同心码道，每位码道上都按一定规 律排列着若干透光或不透光的部分，即亮区和暗区。通过亮区的光线经狭缝4 后，形成一束很窄的光束照射在元件5 上。光电元件的排列与码道一一对应。 当有光线照射时，对应于亮区和暗区的光电元件的输出相反，如前者为“l ”，后 者为“0 ”。光学元件的各种信号组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了 码盘转角的大小。【l l j 1 0 5 图2 4 光电编码盘工作原理 ( 2 ) 光电开关 光电开关也是一种传感器，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为 电流的变化，以达到检测物体的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是光 电隔离( 即电绝缘) ，所以它在工业控制领域得到很好的应用。 光电开关在一般情况下，由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和 检测电路，工作原理如图2 5 所示。 图2 5 光电开关工作原理 发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源、发光二极 管( l e d ) 、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽 度。接收器有光电二极管、光电三极管和光电池组成。在接收器的前面，装有 光学元件如透镜和光圈等。其后面是检测电路，它能滤出有效信号，应用该信 号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。光电开关可以分为 四种，分别是槽型光电开关、对射型光电开关、反光板型光电开关和扩散反射 型光电开关。 槽型光电开关：把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧。 发光器发出红外光或可见光，+ 在无阻情况下，光接收器能收到光。但当被检测 物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。每输出一个开关控制信号， 就切断或接通负载电流一次，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因 为受整体结构的限制，一般只有几厘米。 对射型光电开关：把发光器和收光器分离开，组成的光电开关就称为对射 分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离能够达到几米乃至几十 米。使用时把发光器和收光器分别安装在检测物通过路径的两侧，检测物通过 时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。 反光板型光电开关：把发光器和收光器放入同一个装置内，在它的前方放 一块反光板，利用反射原理来完成光电控制作用，称为反光板反射式( 或反射 镜反射式) 光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来，然后 被收光器收到；如果光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作， 输出一个开关控制信号。 扩散反射型光电开关：检测头里放一个发光器和一个收光器，但前方没有 反光板。正常情况下，收光器收不到发光器发出的光。当检测物通过时，挡住 了光，并把部分光反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。【汜l 本实验平台选用的是一个1 8 0 槽的增量式光电编码盘和一个槽式光电开关 m o c 7 0 t 3 。 5 、转速的测量公式 凸轮转动的速度由编码盘和光电开关产生的脉冲信号来计算。凸轮和编码 盘连接在减速器的输出轴两端同时转动，编码盘上有18 0 个槽，每转过一格( 2 度) 就会挡住光电开关一次，使得光电开关形成一个脉冲信号输入到计算机。 在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是0 就 是1 ，这可用脉冲的有无来体现。根据脉冲的间隔可以计算凸轮的转速。 在给定的一段时间丁内，编码盘每旋转一周，光电开关会产生1 8 0 个脉冲 信号，计算机读取光电开关的脉冲个数m ，可求得凸轮的转速为 力：6 0 竺一 】8 0 丁 2 2 4 数据采集卡 1 、数据采集卡的简介 在测控系统中，所检测到的大多是在时间、幅值上均连续变化的模拟量， 而信息处理多由计算机来实现，处理结果也常常需要以模拟量的形式输出。模 拟量和数字量之间的转换问题通常由数据采集卡来完成。 数据采集卡的种类分为四种，分别是p c i 总线数据采集卡、i s a 总线数据 采集卡、p x i 总线数据采集卡、u s b 总线数据采集卡。 一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字i o 、计数器 定时器操作等，这些功能分别由相应的模块来实现。 模拟输入是数据采集卡最基本和最常用的功能。它一般由放大器、多路开 1 2 关( m u x ) 、采样保持电路( s h ) 以及模数转换器( a d c ) 来实现。模拟信 号通过这几部分电路转化为可被计算机分析处理的数字信号。a d c 的性能和参 数直接影响着采集数据的质量，应根据实际测量所需要的精度来选择合适的a d c 。 模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器的建立时间、 转换率、分辨率等因素影响。 数字i o 处理的是二值信号，如开关、通断、有无等信号，通常用于获 取设置数据采集系统外设的状态，还可以利用数字i o 与外设进行通信。数字 i o 通道多数采用t t l 电平标准，即逻辑输入低电平的电压范围为0 - 0 8 v ，逻 辑输入高电平的电压范围为2 0 5 v ，逻辑输出低电平的电压范围为0 - 0 4 v ，逻 辑输出高电平的电压范围为4 3 5 5 v 。 在数据采集等诸多应用领域中，经常用到定时功能，以实现定时数据采集、 定时延时控制，或要求产生一定宽度的脉冲信号，以驱动步进电机一类的执行 元器件。也经常要求有一些外部计数器。 1 3 1 本实验平台所需数据采集卡的主要功能是把传感器测得的角位移模拟信号 转化为数字信号，因此模数( a d ) 转换的技术指标在整个数据采集系统中是 最重要的。a d 转换是一种将模拟电压量转化为数字量的转换电路，按其输出 代码有效位数的不同可以分为8 位，1 2 位，1 4 位，l6 位等多种。常用的a d 转换方法有逐次逼近法、双积分法等，其中逐次逼近法转换速度最快，分辨率 高，多用于计算机系统；而双积分法分辨率高，抗干扰性能也好，适合于中等 速度的测量系统中。输入的模拟信号经过a d 转换后输出的是7 1 位数字量。a d 转换的技术指标为： ( 1 ) 分辨率：对a d 来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所 需输入模拟电压的变化量。 ( 2 ) 线性度：线性度又称为非线性误差，是指转换中实际的转移函数与理 想直线的最大偏移。 ( 3 ) 绝对精度：在一个转换中任何数码所对应的实际模拟电压与其理想的 电压值之差并非是一个常数，把这个差的最大值定义为绝对精度。 ( 4 ) 相对精度：与绝对精度相似，不同的是把这个最大偏差表示为满刻度 模拟电压的百分数。 ( 5 ) 偏移误差：指输入信号为零时，输出信号不为零的值，有时候又称为 零误差。 ( 6 ) 满刻度误差：也称为增益误差，指满刻度输出数码所对应的实际输入 电压与理想输入电压之差。 ( 7 ) 转换速率：是能重复进行数据转换的速度，即每秒钟转换的次数。完 成一次转换所需要的时间，就是转换速率的倒数。0 4 1 2 、数据采集卡的选取 由于实验用的凸轮轮廓尺寸较小，所以对采集卡的精度要求比较高。对市 场上的多种数据采集卡进行比较之后，本实验平台选用的是台湾泓格科技公司 生产的a 8 2 1 p g 型多功能数据采集卡。它是一种基于i s a 总线的即插即用型的 多功能板卡，有一个1 2 位的a d 转换器，可提供1 6 路单端或8 路差动模拟输 入通道，a d 转换器的最高采样率为4 5 k s a m p l e s e c ；a d 触发方式为软件触 发和步进触发：a d 数据传输方式为查询和中断；还有一个12 位的d a 转换 器，可提供t t l 电平兼容的1 6 个数字输入通道和1 6 个数字输出通道。 a 8 2 1 p g 多功能数据采集卡的具体参数如下：【1 5 】 ( 1 ) 模拟量输入 输入通道：16 路单端8 路差动 分辨率：1 2 位 采样速率：4 5 k s s 输入阻抗：1 0 ，0 0 0m r l 6 p f 过压保护：3 5v 线性度：1 位 零位漂移：15 p p m 。c ( 满量程) 可编程增益：0 5 1 2 4 8 ( 2 ) 模拟量输出 输出通道：1 分辨率：1 2 位 线性度：0 0 0 6 f s 建立时间：0 4 肛s 输出范围：5 v + 5 v ，1 0 v + 1 0v 输出驱动：5 m a ( 3 ) 数字量 输入：1 6 通道t t l 电平 输出：16 通道t t l 电平 ( 4 ) 使用环境 电源：3 5 0 m a + 5 v ( 最大)3 5 0 m a 1 2 v 工作温度：0 5 0 存储温度：2 0 7 0 相对湿度：o 9 0 无凝露 尺寸：1 7 5 m m x l 2 2 m m 从编码盘和光电开关、角位移传感器输出的电信号通过导线传送到多功能 数据采集卡的接线板上，采集卡通过接口与计算机相连。 1 4 2 3 实验平台的硬件结构简图 盘形凸轮机构的创新性综合实验平台的硬件结构简图如图2 - 6 所示。 l234567 计算机 1 直流电机 2 一联轴器3 一编码盘与光电开关4 一摆动从动件5 _ 扇形齿轮5 手轮 7 一调整螺柱8 蜗杆减速器9 凸轮1 0 - 齿轮 1 1 一角位移传感器1 2 一齿条 图2 - 6实验平台硬件结构简图 2 4 实验平台的软件选用 计算机里装有本实验平台所需的各种驱动软件和应用软件，选用a d a m s 应用软件进行凸轮的三维实体参数化建模、仿真分析和优化设计；基于虚拟仪 器技术，采用l a b v i e w 8 5 作为软件开发平台对采集卡输出的电信号进行显示、分