（机械工程专业论文）车枕弹簧检测与管理系统的研发.pdf

摘要 摘要 铁道车辆转向架摇枕弹簧在运行中承受车辆全部载荷，各组弹簧承载是否平衡将直 接影响其使用寿命和行车安全。因此，车枕弹簧的质量和性能需要有严格的保障，在使 用前必须经过测量和选配后方能组装。特别是随着铁路向“高速 和“重载 方向发展， 对枕簧选配要求也愈来愈高。所以开展车枕弹簧的自动检测与选配工作具有积极的现实 意义和经济效益。 本课题在总结和汲取国内外学者在该领域研究成果的基础上，结合实际课题要求， 以传感器技术、自动控制原理、计算机技术等为指导，设计了一套上下位机管理系统， 包括枕簧主要参数检测、型号智能识别、枕簧自动选配、数据库管理等功能。 为了实现对车枕弹簧的自动选配，本课题主要从以下几个方面进行了分析设计。首 先，论文从车枕弹簧的基本情况及选配规则出发，选择高效的枕簧辨别参数并针对本研 究环境选取适合的检测方法。然后，以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机作为下位机系统主控处理器， 设计合理的选配装置硬件系统，包括检测、移料、分区、电气控制等几个重点环节，从 而实现参数检测和型号识别的目的。随后，利用v i s u a l b a s i c 6 0 建立上位机管理软件 系统，着重分析了实现枕簧选配的设计算法，并结合m i c r o s o f ta c c e s s 2 0 0 0 数据库，完 善了系统的数据管理等功能。系统设计充分考虑到选配工作现场要求的实用性和可靠 性，对其他类似的检测管理系统也具有一定的参考价值。 关键词：车枕弹簧；自动选配；型号识别；c 8 0 5 1 f 0 2 0 ；v i s u a l b a s i c 6 0 摘要 a b s t r a c t t h eb o g i eb o l s t e rs p r i n g sb e a ra l lt h el o a do ff r e i g h tc a r t h eb a l a n c eo fs p r i n g - l o a d e di n e a c hg r o u pw i l ld i r e c t l ya f f e c to p e r a t i n gl i f ea n dt r a f f i cs a f e t yo ft h ef r e i g h tg i l lt h e r e f o r e ，t h e q u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fb o l s t e rs p r i n gn e e d t ob es a f e g u a r d e ds t r i n g e n t l y , s u c ha s m e a s u r i n ga n dm a t c h i n gb e f o r eb e i n ga s s e m b l e d e s p e c i a l l yw i t ht h er a i l w a yt ot h e ”h i g h s p e e d ”a n d h e a v y ”d i r e c t i o n ，t h em a t c h i n gr e q u i r e m e n t sf o rb o l s t e rs p r i n g sh a v eb e e n i n c r e a s e dm o r ea n dm o r e s o ，c a r r y i n go u tt h ea u t o m a t i cd e t e c t i o na n dm a t c h i n gw o r kf o r b o l s t e rs p r i n g sh a sap o s i t i v ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n de c o n o m i cb e n e f i t s o nt h eb a s i so fs u m m i n gu pa n dd r a w i n gt h er e s e a r c hr e s u l t so fd o m e s t i ca n df o r e i g n s c h o l a r s ，t h i sp a p e rd e s i g n e das e to fu p p e ra n dl o w e rm a c h i n em a n a g e m e n ts y s t e mf o r b o l s t e rs p r i n gc o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a li s s u e sr e q u e s t s t h i si s s u eu s e ds e n s o rt e c h n o l o g y , a u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y , a n dc o m p u t e rt e c h n o l o g ya st h et h e o r yg u i d e t h ef u n c t i o n so ft h i s s y s t e mi n c l u d em a i np a r a m e t e r sd e t e c t i o nm o d u l e ，m o d e li d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ，s p r i n g a u t o m a t i cm a t c h i n gm o d u l e ，d a t a b a s em a n a g e m e n tm o d u l ea n do t h e rf u n c t i o nm o d u l e s t h i sp a p e rh a sm a i n l yc a r d e do nt h er e s e a r c hf r o mt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t si no r d e r t or e a l i z ea u t o m a t i cm a t c h i n gf o rb o l s t e rs p r i n g s f i r s t l y , r e g a r dt h es p r i n g sb a s i cs i t u a t i o n a n dt h em a t c h i n gr u l e sa st h es t a r t i n gp o i n t ，t h i sp a p e rc h o o s e se f f i c i e n ti d e n t i f yp a r a m e t e r a n dt h ed e t e c t i o nm e t h o df o rt h i ss t u d y t h e n ，h a r d w a r es y s t e mo ft h em a t c h i n gd e v i c ew a s d e s i g n e d ，b a s e do nc 8 0 51 f 0 2 0m c uc o m p u t e rs y s t e ma st h el o w e rh o s tp r o c e s s o r i no r d e r t oa c h i e v ep a r a m e t e rd e t e c t i o na n dm o d e li d e n t i f i c a t i o n ，k e yl i n k si n c l u d e dd e t e c t i o n ，t r a n s f e r m a t e r i a l s ，z o n i n g ，e l e c t r i c a lc o n t r o l ，a n ds oo n s u b s e q u e n t l y , t h eu p p e rm a n a g e m e n ts o f t w a r e s y s t e mw a se s t a b l i s h e du s i n gv i s u a l b a s i c 6 0s o f t w a r e ，w h i c hf o c u s e do nt h em a t c h i n g a l g o r i t h m s r e a l i z a t i o no ft h ed e s i g no fb o l s t e rs p r i n g s a n dc o m b i n e dw i t hm i c r o s o f t a c c e s s 2 0 0 0d a t a b a s e ，t h i ss y s t e mi m p r o v e dt h ed a t am a n a g e m e n tf u n c t i o n s t h ed e s i g no f t h i sw h o l es y s t e mf u l l yt a k e si n t oa c c o u n tt h ea v a i l a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fm a t c h i n g r e q u i r e m e n t s ，w h i c hp r o v i d e sv e r yi m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o ro t h e rs i m i l a rm a n a g e m e n t s y s t e m k e yw o r d s ：b o l s t e rs p r i n g ；a u t o m a t i cm a t c h i n g ；m o d e li d e n t i f i c a t i o n ；c 8 0 5 1 f 0 2 0 ； v i s u a l b a s i c 6 0 i l 大连交通大学学位论文独创性声明 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太董塞通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。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 批咿 日期：呵年，月。r 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬窒通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 狮 导师签名：套毋崧 蝴：1 蝴日 嘲：叼引钥侈日 学位论文作者毕业后去向：回原单位 工作单位：大连机车研究所电话：0 4 1 1 - 8 5 8 7 3 9 0 5 通讯地址：大连市沙河口区中长街4 9 号邮编：11 6 0 2 1 电子信箱：m a r c h p r i n c e s s _ 3 1 6 3 c o r n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义及目的 铁路是国民经济发展的交通纽带之一，随着社会的发展，铁路通过积极吸纳当新技 术，在高速和重载方面，取得了令世人瞩目的成就。当前世界旅客列车的试验速度超过 5 0 0 k m h ，单列货车牵引总重达7 万2 千多吨1 1 1 。依靠信息技术的支持，铁输过程实现 了全面自动化和服务现代化，智能铁路的轮廓正在显现。 铁路运输的高速、重载，对机车的制造质量与运行品质都提出了更高的要求。无论 是高速还是重载，机车安全都是第一位的，而摇枕弹簧是支承和传递车辆簧上质量，降 低车辆振动引起的附加载荷，减轻车辆各部之间、车辆与线路之间的冲击，优化车辆运 行品质的重要部件，摇枕弹簧的折损，不仅影响车辆的减振性能，恶化车辆运线运营的 行的条件，也易造成车辆旁承游间减小，影响车辆通过曲线的能力【2 1 。各组弹簧承载是 否平衡将直接影响其使用寿命和行车安全，这就对车枕弹簧的质量和性能带来了严峻的 考验，同时也对车枕弹簧的检测与管理提出了更高的要求。按照工艺要求车枕弹簧( 以 下简称枕簧) 在使用前必须经过测量和选配后方能组装。然而，目前铁路工厂或各车辆 段使用的弹簧高度检测、自动分选装置，以及分选过程，科学自动化程度不高，工人劳 动强度大，选配误差大，配型成功率低，这就存在着安全系数低，经济效益差的弊端。 国内，对于机车弹簧的检测，手工检测的误差较大，而且由于被测对象数量多，机车弹 簧的种类也日趋增多，测试项目单调，导致工人的工作量大，容易疲劳，这对检测质量 带来了很大影响，造成了列车的安全隐患1 3 j 。因此，需要设计一种车枕弹簧自动检测选 配与管理系统，用于实现同类型枕簧的在线选配。 1 2 国内外现状及发展趋势 枕簧是铁路货车摇枕最重要的部件之一，起着承重和缓和冲动等重要作用。目前， 国内均采用一系弹簧和二系弹簧形成两级悬挂。弹簧的几何尺寸和工作性能参数都直接 影响机车的可靠性，比如弹簧的弹力不足、位置装错、大小错装等都会使机车故障【4 j 。 而且其生产和使用存在品种规格、精度等差异，因此，在组装和检修过程中，必须按操 作规程要求对弹簧的性能参数逐一检测，并且有必要建立弹簧选配系统。原因如下：( 1 ) 弹簧经过一段时间运行后，会产生疲劳、永久变形和蠕变等，使刚度变小，强度减弱， 某些弹簧将达不到设计要求。( 2 ) 由于车辆型号杂乱，维修单位的弹簧选配储备量达不到 规模要求，从成本控制方面考虑，很难满足弹簧检修生产工艺要求。( 3 ) 由于在弹簧位置 选配过程中没有考虑弹簧弹力合理分配的影响，经常弹簧支承力不相等，提速后弹簧超 限疲劳工作，弹簧断裂以及辅修工作量增加，严重影响车辆的安全运行和使用效率。由 第一章绪论 于没有合理的弹簧选配方式，仅凭人工目测判断，不能保证一次落车交验合格，需要通 过再架车加垫或更换弹簧解决问题，造成重复工作增加，影响段修质量1 5 j 。因此，非常 有必要对弹簧的选配方式和管理模式进行改造和完善，研制一套弹簧检测与选配管理系 统以解决上述实际问题。目前，国内传统的检测方法都是手工操作，不但检测精度低、 人为因素影响大、劳动强度高，而且不便于管理。和国外相比尚有不小的差距，而进口 设备的价格大约为国产同类产品的5 1 0 倍，这给制造国产设备的企业留出了一个巨大 的发展空间，如果积极进行开发，那么就可能改变依靠进口的局面，使多方受益。 首先，弹簧的性能参数检测方法主要项目之一是对弹簧的长度进行测量。比如，损 坏的弹簧长度要比合格的弹簧长度小，通过将测量长度与标准长度进行比较，可大体上 看出弹簧是否合格。目前国内现有的弹簧检测方法一是人工用游标卡尺等工具目测，这 种方法不仅效率低，而且误差大；另外，车辆段使用较广的流水线可以在检测弹簧后将 长度相差在允许范围内的待检弹簧分流在一起，然后由工人进行再组合配套进行使用。 这种流水线比较费时费力，而且弹簧的检测结果也不够准确。因此设计一个可以大大减 少人力物力，提高效率的高速弹簧检测系统是十分必要的。这样的系统应该除了可以准 确测出弹簧长度外，还可以自动做到将弹簧准确配套以及将不合格的报废。有些公司也 从国外进口先进设备进行弹簧自动检测，例如用于检测弹簧组件质量的视觉系统。整个 检测过程使用双摄像镜头，成9 0 。夹角设置于两侧。当弹簧组件运动到镜头前，镜头从 两个方向同时采集图像，经专用视觉软件计算得出测量数据，在l c d 显示屏上显示产 品质量状况为o k 或n g ，并给出各个参数的测量值1 6 j 。这一方面大大增加了生产成本， 另一方面设备的维护也很困难。另外还有一种基于机器视觉的弹簧自动检测系统，该系 统主要基于n i 公司的l a b v i e w 图形编程环境进行开发，界面简洁友好，方便检测人员 操作。对于同一规格的弹簧，系统在得到弹簧的所有数据后与对应标准值进行比对，对 弹簧进行分类【_ n 。实验结果表明，相比传统的人工检测方法，该方法检测速度快，精度 更高，可靠性更强。但n i 公司的l a b v i e w 软件并非免费软件，开发成本也不是很理想。 我国弹簧检测机的生产，已有五十年历史。早期生产的弹簧试验机绝大多数领先机 械传递、模拟测量，精度的提高受到限制。近些年来，随着科技的发展，我们在吸收国 内外先进技术，并与多所院校进行合作，已建立起了低、中、高档的梯次，也由原来的 单一拉压试验向多种试验特性测试迈进。基于检测的现状，国内有很多学者对弹簧检测 系统开展了深入的研究，目前许多研究院和高校已经并取得了很好的成绩，逐步缩小了 与国际水平之间的差距。国内主要研究弹簧自动检测选配系统的高校主要有大连交通大 学、哈尔滨理工大学、东南大学、华南理工大学等。其中哈尔滨理工大学在智能弹簧检 测系统上做了深入的研究，他们设计的智能弹簧检测装置，用同一台设备可检测多种型 号的弹簧，测量速度快，无需检测人员过多参与，从而避免了人为因素产生的误差，客 2 第一章绪论 观评定弹簧的质量，同时又具有精度高、造价低等优点，是弹簧检测工作较理想的设备。 除了用于检测制动器弹簧外，只要将其加载机构和控制软件作相应改动还可用作其它弹 簧的测量。该装置的研制也可为其它相关检测装置的设计提供了借鉴。上海铁路局的戴 永清设计的枕簧自动检测分类机，该机对装车前的枕簧逐一进行自由高检测并进行自动 分组，每组枕簧自由高差在3 m m 以内。为了方便质量验收和进行质量对规，该机主要 由上料机构、检测机构、分类机构、色标喷涂及输送机构、电气控制等部分组成【8 1 。 相比检测而言，车枕弹簧的综合检测与管理一体化系统的研究方法还不成熟。目前 铁路工厂或各车辆段使用的弹簧高度检测、自动分选装置，以及分选过程，主要采用人 工测量或样板测量，可控程度较低，科学自动化程度不高，工人劳动强度大，选配误差 大，配型成功率低，这就存在着安全系数低，经济效益差等的弊端，不利于提高检修质 量。但是国内已经有高校开展此项研究，研究成果发展历程主要有：9 0 年代随着单片机 技术的逐步兴起，出现了弹簧在线检测和自动分选系统。引入单片机，将高度信息、分 档要求等通过用户键盘随时输入与修改，利用声光显示指示当前状态，实现了仪器初步 智能化的要求p j 。近年来，随着智能测控技术的成熟，更先进的摇枕弹簧自动测量分配 机、枕簧自动检测分类机等先后出现【8 , 1 0 。它们的最大特点是分配机本身电气控制部分 通过采用p l c 可编程序系统或者电磁控制系统进行工作，完成分配工作的自动化和无 人监守。但是调研发现，现阶段研究的自动分配机能够单纯的完成检测分配任务，对于 弹簧管理及两系弹簧分配等问题还没有提出明确的构想和解决方案。随着机车弹簧质量 检查要求越来越高，未来的车枕弹簧检测管理系统必然会朝着智能化程度更高、操作更 简便、工作效率更高的方向发展。 1 3 研究的内容及其目标 本论文现以货车转8 a 型转向架枕簧为具体研究对象，结合信号采集技术、信号处 理技术、计算机技术及相关控制理论对枕簧检测与选配展开研究，着重解决下述几个方 面的内容。 1 枕簧参数检测和型号识别 这部分内容以传感器技术为基础，主要了解了货车车枕弹簧的应用场合、性能指标、 失效形式等，选择的高效的枕簧辨别参数；对目前常用的枕簧高度、重量、直径检测方 法进行简要的介绍，同时指出各种方法的不足，并针对本研究环境选取适合的检测方法， 从而实现参数检测和型号识别的目的。 2 枕簧自动选配系统 为保证铁路提速后的货车行车安全，铁道部规定：在装车前，货车枕簧的自由高度 差必须检测和分类，同套枕簧自由高差在2 m m 以内1 1 1 1 。我开发的货车枕簧自动检测分 3 第一章绪论 选系统实现了枕簧的自动检测和分类。首先根据统计数据和优化选配规则预测各选配枕 簧区间。以现场实测数据( 枕簧型号、枕簧高度等) 为依据，实现对同类型的枕簧进行 科学、经济的选配。 3 枕簧管理系统建立 本系统通过测量弹簧的重量、长度来划分弹簧的型号，再通过与标准长度对比，得 出弹簧是否合格的结论，然后将检测结果发送到计算机中，将数据保存到数据库中，并 实现弹簧的库存管理功能。为了实现对同类型的枕簧进行科学、经济的选配，尤其是同 组枕簧( 一大，一小) 的优化选配，系统设计弹簧检测管理系统软件，对数据进行处理， 判断弹簧的类型为选配做准备，然后软件对同类型弹簧进行匹配。 本章小结 本章对加强车枕弹簧检测与管理的意义、目的和研究现状进行了简要介绍；综合论 述了监测与管理系统的研究内容。 4 第二章系统基本原理及整体构架 第二章系统基本原理及整体构架 2 1 车枕弹簧基本情况 枕簧作为减振装置之一，在转向架振动过程中，起到降低车辆振动引起的附加载荷 减轻车辆各部之问、车辆与线路之问的冲击，衰弱振动的目的。因此，车扰弹簧的质量 和性能需要有严格的保障。由于车枕弹簧型号、数目和位置根据不同型号转向架，不同 吨位的车辆会有不同的调整。本课题选用转8 a 型转向架用于6 0 t 敞车、棚车、平车时， 采用的七组双卷弹簧作为弹簧的检测与管理系统的研究对象i ”l 。 转8 型转向架的架构是由左右两个独立的侧架与一个摇枕组成的三大件结构。侧 架中部有一个较大的方形孔，在这个空间内安装摇枕和摇枕弹簧，如图2 1 所示。转8 a 的大小簧( 内外簧) 标准自由高度均为2 2 0 r a m ，铁路货车段修规程规定：转8 a 型转 向架同组、同套摇枕弹簧自由高度差不大于2 r a m u j 3 。为了进步增加车辆承载的平稳 性，本文在配簧预测模型中考虑了整车的高度差，规定全车外簧高度差不超过3 r a m i 悼。 圈2 1 转8 a 型货车转向架 f i g2 1 e x a m p l eo f z = 8 a b o g i co f f t e i g b tc a r 枕簧的主要特征参量有刚度，直径、自由高度和质量( 现场实测得到) 等1 1 1 ”l 。对于 合格弹簧来说，刚度不同，类型肯定不同。不过，本系统主要用于检测使用过的旧弹簧， 有些可能失效，其刚度变化较大，甚至与其他弹簧混淆，因此，刚度只能做为辅助条件 x s lo 资料显示类型不同的枕簧各特征参量并无显著差异，如表2 1 i 】“。因此利用单个参 量不能有效地识别枕簧类型。为了解决上述问题，本文参考文献 1 9 - 2 1 提出了基于模糊 传感器进行类型识别的方法，在第四章中详细叙述。 第二章系统基本原理及整体构架 表2 1 不同类型枕簧的主要规格 t a b l e2 1m a i ns p e c i f i c a t i o no fd i f f e r e n tt y p eb o l s t e rs p r i n g s 主要特征参量 适用于转向架型号弹簧类别 外径m m自由高度硼质量 转8 a 型外圈 1 5 22 2 01 0 1 3 转8 a 型 内圈8 82 2 03 4 4 转k 2 型外圈 1 4 8 2 3 29 9 7 转k 2 型内圈 8 8 2 1 04 0 3 转k 4 型外圈1 4 72 6 95 2 1 转k 4 型内圈 9 62 3 22 1 4 2 2 系统原理的整体描述 该系统是首先利用多传感器现场实测枕簧自由高度、直径、质量等数据，建立起来 由单片机和上位机软件管理系统为控制核心的枕簧自动选配装置，构建了软、硬件平台， 实现了摇枕弹簧的自动检测、选配和相关数据的管理。实际选配过程中系统在线识别枕 簧型号，检测枕簧高度，系统利用单片机与计算机的通讯。将存储在单片机中的弹簧数 据传送给计算机，计算机将数据给设计的弹簧选配系统软件。选配环节依据枕簧型号、 枕簧高度、实现对同类型的枕簧进行科学、经济的选配。系统由配簧区间分配、枕簧型 号识别、枕簧高度处理和选配4 个环节组成。预测环节利用原有的枕簧高度记录，根据 统计数据和优化选配规则预测各选配枕簧区间。通过软件中设计的功能对数据进行处 理，判断弹簧的类型为选配做准备，然后软件对同类型弹簧进行匹配和库存管理。所需 要的主要有单片机，计算机，软件主要是v i s u a l b a s i c 6 0 和m i c r o s o f ta c c e s s 数据库。单 片机是检测弹簧参数、主控选配系统工作及与计算机进行通讯传递数据等功能。软件系 统控制程序是借助v i s u a l b a s i c 6 0 开发的。系统整体功能模型如图2 2 所示。 现将本系统各部分功能及原理简要介绍如下： ( 1 ) 枕簧参数检测和型号识别是本系统的第一部分。系统首先根据摇枕弹簧的具体 情况通过检测枕簧自由高度、直径、质量等三个参数来识别枕簧的型号。具体的，利用 重力应变仪检测弹簧的重量；利用主光栅、直流电机带动连杆及光栅读数头实现弹簧长 度和直径的测量。 ( 2 ) 自动检测之后，由数据采集环节将数据采集到c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机中，经过单片 机的内嵌a d 转换器将模拟量变成数字量，在与给定的标准参数对比，确定弹簧的型号。 搭建枕簧自动选配平台，将待检弹簧放在工作台上，利用己建立的各选配枕簧区间及运 6 第二章系统基本原理及整体构架 动机构，只需操作几个按键就能实现具体的选配功能。另一方面将检测到的数据送到计 算机中，供数据管理系统使用。 ( 3 ) 上位机管理软件系统是以v i s u a l b a s i c 6 0 为开发平台，可实现混簧( 不同类型的枕 簧) 同时在线选配，选配具有选配前预测，选配中调整的特点，自动化程度以及选配精 度都高于目前使用的选配系统。系统设计分为四个模块分别是配簧区间预测、枕簧型号 识别、枕簧高度检测以及选配。其工作原理是离线预先建立配簧区间预测环节，预算待 配型枕簧各配簧区间的枕簧数目。实际选配过程中，利用下位机检测建立的数据库实际 情况，选配环节依据弹簧类型、枕簧高度以及调整结果将弹簧进行有序排列，对弹簧进 行匹配。 本章小结 图2 2 系统整体功能模型 f i g 2 2t h ew h o l ef u n c t i o nm o d e lo fs y s t e m 本章首先从车枕弹簧的实际情况和检测要求出发，了解并选取了恰当的枕簧检测参 数；进而从整体上介绍了系统的整体功能及实现各部分功能的重要原理。 7 第三章乍枕检测部分的原理及设计 第三章车枕检测部分的原理及设计 新弹簧技术规定要求1 0 0 检验外径、内径、自由长、全压缩时长度、重负荷及轻 负荷时长度等六个参数。实际选配中新旧弹簧混杂，主要考察的参数是变化和影响最大 的自由高度、重量和直径三个参量。枕簧转8 a 由高度相同的内簧和外簧套装在一起使 用，见图3 1 1 2 2 1 。它们的尺寸是：( 1 ) 弹簧自由高度h = 2 2 0 m m ；( 2 ) 外簧外径d = 1 5 2 m m ； ( 3 ) 内簧外径d = 8 8 m m ； ( 4 ) 外簧质量m = 1 0 1 3 k g ： ( 5 ) 内簧质量m = 3 4 4k g 。 图3 1 枕簧转8 a 结构示意图 f i g 3 1e x a m p l eo fz s ab o l s t e rs p r i n g 3 1 自由长度和直径的检测原理及设计方案 3 1 1 光栅位移传感器的基本原理 传感器的类型是多种多样的，其优缺点也各有侧重。相比较而言，光栅传感器不仅 具有高速、高精度、非接触测量等优点，而且位移检测有较大的放大率以及误差平均效 应，所以广泛应用于位移精密测量和精密定位控制领域【2 3 1 。 在玻璃尺( 或金属尺) 或玻璃盘上类似于刻度标尺或度盘那样，进行长刻线( 般为 1 0 2 0 m m ) 的密集刻划，得到黑白相问间隔细小的条纹，没有刻划的地方透光( 或反光刻 划的发黑处不透光( 或不反光) ，这就是光栅。 光栅式传感器在儿何量测量领域中有着广泛的应用。凡是与长度( 或直线位移) 和角 度( 或角位移) 测量有关的精密计量仪器常使用光栅式传感器，如工具显微镜、三坐标测 量机、分度头和一些位移量同步比较的动态测量仪器。在一些高精度机床和数控机床上 也常用光栅式传感器进行线位移和角位移的测量。此外，在测量振动、速度、应力、应 变等机械量测量中也有应用。目前，应用光栅式传感器测量长度，精度最高可达 到0 5 3 z r n 3 0 0 0 m m ，分辨率可达0 。0 5 t m ；测量角度，精度最高可达o 1 5 ”，分辨力能做 8 t | ；l 第三章乍枕检测部分的原理及设计 到0 1 ”甚至更小1 2 4 1 。 在本系统中，使用的传感元件是光栅，它是保证系统精度的关键，因此光栅在本系 统有着非常重要的作用。 光栅式传感器的光栅上的刻线称为栅线，栅线的宽度为a ，缝隙宽度为b ，一般都 取a = b ，而a + b - w ，w 称为光栅的栅距( 也称光栅常数或光栅的节距) ，它是光栅的重要 参数。光栅式传感器的基本工作原理是利用一对光栅，其中一块是固定的，而另一块是 运动的。当它们发生相对运动并有光通过两者时，能够获得相当于干涉仪中得到的条纹 信号，即所谓的莫尔条纹信号。对于一对计量光栅，彼此移动一条刻槽f 现代计量光栅 常采用4 - 2 5 0 1 m m ) 就移动一条莫尔条纹，条纹宽度不受波长影响，并且条纹较宽可进行 内插，由于误差平均效应，因而可以获得很高的精度。在几何量精密测量领域内，光栅 按其用途分为长光栅和圆光栅两类。 光栅式传感器的特点： ( 1 ) 精度高。光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感 器。在圆分度和角位移测量方面，光栅式传感器也属于精度最高的。 ( 2 ) 大量程测量兼有高分辨率。感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特 点，但分辨力和精度都不如光栅式传感器。 ( 3 ) 可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。 ( 4 ) 具有较强的抗干扰能力，对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格，但不 如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强，油污和灰尘会影响它的可靠性。主要适用于 在实验室和环境较好的车间使用。 ( 5 ) 高精度光栅的制作成本高，目前制造量程大于l l l l 的光栅尚有困难。 3 1 2 光栅测位移的实际设计方案 光栅是采用光栅莫尔条纹和光电转换技术原理将被测的位移量转换成数字信息量 输出的一种现代传感器。用作位移或转角的检测，测量输出的信号为数字信号。它测量 范围大，测量精度高，可达几微米。传感器与单片机控制系统一起组成测量或控制系统， 稳定可靠，精度高。 光栅测量系统的结构：光栅传感器由光栅副和一对光电转换元件组成，按游标原理 组合的光栅副，形成固定宽度的，与光栅莫尔条纹对应的、相位不同的近正弦波状的电 信号。再经差动放大、整型、细分、方向辨别等电路，最终送入单片机进行综合运算处 理后输出，如图3 2 所示。对于不同的光栅尺，其测量的分辨率、精度以及量程都不一 样。输出信号有相位角差9 0 。的两路方波信号和相位角依次差9 0 。的四路正弦信号。 由于方波信号为数字量，不需要a d 转换，d s 8 0 c 4 1 0 就可以直接进行处理，所以本文 重点讨论方波输入信号，而对于正弦波信号，经过整形可变为方波信号输出。 9 第三章乍枕检测部分的原理及设计 光 加计数 单 栅 差4 倍 珐 传 动整频 机 感 放 形 细 减计数 处 大分 器 理 图3 2 光栅位移传感器测量系统 f i g 3 2t h em e a s u r es y s t e mo fg r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o r 在实际应用中，光栅传感器输出两路相位相差为9 0 。的方波信号a 和b 。如图3 3 所示，用a 、b 两相信号的脉冲数表示光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动。 a b ( a ) 光栅正向移动( b ) 光栅反向移动 图3 3 光栅传感器输出信号示意图 f i g 3 3t h eo u t p u ts i g n a ls k e t c hm a p o fg r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o r 光栅位移传感器是基于莫尔条纹测量的一种传感器，要提高其测量分辨率，对光栅 输出信号进行细分处理是必要环节。在实际应用中，通常采用四倍频的方法提高定位精 度。四倍频后的信号，经计数器计数后转化为相对位置。计数过程一般有两种实现方法： 一是由微处理器内部定时计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计 数。四倍频电路与判向电路设计为一个整体，称为四倍频及判向电路。光栅信号a ，b 有以下关系： ( 1 ) 当光栅正向移动时，光栅输出的a 相信号的相位超前b 相9 0 0 ，则在一个周期内， 两相信号共有4 次相对变化：0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 。这样，如果每发生次变化，可逆 计数器便实现一次加计数，一个周期内共可实现4 次加计数，从而实现正转状态的四倍 频计数。 ( 2 ) 当光栅反向移动时，光栅输出的a 相信号的相位滞后于b 相信号9 0 0 ，则一个周 期内两相信号也有4 次相对变化：o o 0 1 1 1 1 0 0 0 。同理，如果每发生一次变化， 可逆计数器便实现一次减计数，在一个周期内，共可实现4 次减计数，就实现了反转状 1 0 第二章车枕检测部分的原理及设计 态的四倍频计数。 该系统以单片机为核心构成信号处理与控制，并通过直流伺服电动机系统配合完成 整个光栅位移检测工作的，系统功能框图如图3 4 所示。 l 键盘控制卜呻 单 1 系统广1 ：矗话堇j 片 机 l 枕簧传送卜呻 系 工 统 叫光栅位移传感器 图3 4 位移检测系统框图 f 适3 4t h ef r a m ec h a r to fd i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gs y s t e m 3 2 重量检测的原理及设计方案 3 2 1 电阻应变式传感器原理 根据要求，重量检测选用电阻应变式传感器，将应变片粘贴在弹性体上，通过弹性 体感知被测信号并产生变形，进而引起应变片阻值的变化，再通过测量电路将应变片阻 值的变化反映到测量电路的输出中，这样就将非电被测量到电学量的转换。 电阻应变式力传感器的构造是在一定形状的弹性元件上粘贴或用其他方法安装电 阻应变敏感元件( 应变片) 。弹性元件是一个有特殊形状的结构件，它的主要作用是将力 转换为形变。而电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上， 即成为一片应变片。电阻应变式力传感器的原理是，当被测力作用在弹性元件并引起其 中弹性体的变形，进而使弹性体上应变片的阻值发生改变，最后通过测量电路将阻值变 化以电压形式输出，这样，根据输出电压的变化即可得出被测力的大小。电阻应变式传 感器具有精度高；稳定性好；测量电路简单等特点。因此，应变式传感器在力学量的测 量中得到了广泛的应用【矧。 电阻应变片转换原理是基于导体和半导体的“应变效应”和“压阻效应”。应变效应是 指材料在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。而压阻效应是 指电阻材料受载荷作用而产生应力后，其电阻率发生变化的现象。电阻应变片主要有金 属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式，其特点是灵敏度较低，但线 性度较好。而半导体应变片具有灵敏度高( 通常是丝式、箔式的几十倍) 、横向效应小 等优点，其缺点是线性度较差。 对导电材料而言，其阻值r 与长度l 成正比，与截面积a 成反比，用公式表示为： 尺一p 告 ( 3 1 ) 第二章车枕检测部分的原理及设计 其中，p 是导电材料的电阻率。 如果导电材料沿着轴线方向受力而产生形变，根据“应变效应 可知，其阻值也随 之改变。这样，对( 3 1 ) 式两边取对数后，再取微分将得到下式： 塑：丝一坐+ 塑 ( 3 2 ) 一= + 一 1z - 尺三a p 、。 其中，d 饥为导电材料纵向相对变化，可用应变e 表示；d a a 为导电材料截面积 的相对变化。 对圆形截面导电材料为例进行分析有： 一d a ；堕竺；2 丝 ( 3 3 ) a 至d 2 d 、。 4 其中，d 为导电材料的横截面直径。 当导电材料在单向应力状态时，上式又可以改变为： 一d d ：一丝 ( 3 4 ) 一= 一，一 i ，4 - d。工 、 其中，“是泊松比。 将式( 3 3 ) 代入式( 3 2 ) ，并用e 替代d l l 得到 警_ ( 1 + 2 ) 警+ 警川+ 2 ) + 警= ( 1 + 2 肛) + 詈警卜 ( 3 5 ) 令式( 3 5 ) 中括号内的项为k ，称其为电阻应变敏感材料的灵敏度系数，其物理意义 为单位应变所引起的电阻相对变化。需要说明的是：影响灵敏度系数k 的因素比较复杂， 只能通过试验方法进行标定。以上便是电阻应变片的转换原理f 矧。电阻应变式传感器具 有精度高( 一般情况下精度在0 1 加0 1 之间) ；数据稳定可靠；尺寸小、重量轻，测 试技术简单；可以应用于静、动态测量；测量电路简单；便于多点测量，易于集中，测 量数据便于记录，且能远距离传输等优点。当然电阻应变式传感器也存在缺点：一般只 能测量构件表面应变，难于显示其内部应变；对于应力集中部位的测量不够准确，这就 要求设计时要综合考虑，妥善解决这一问题。 3 2 2 重量检测系统设计方案 应变式测重系统的设计方案是以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为基础，搭建了可对传感器输出 模拟量完成模数转换并实现数据采集和发送的中间数据采集环节，大体包括：信号采集、 信号放大、信号滤波、a d 转换电路、供电等几个环节，如图3 5 所示。 1 2 第三章乍枕检测部分的原理及设计 图3 5 称重系统的功能框图 f i g 3 5t h ef u n c t i o nf r a m ec h a r to fw e i g h t i n gs y s t e m ( 1 ) 信号采集 测量转换电路的形式有多种，其中，惠斯登电桥的优点尤为突出。例如，可以抑制 温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决测量电路的补偿问题等。 因此，在本设计中，采用的电桥为惠斯登电桥。惠斯登电桥是一种比较式仪器，它用于 精确测量阻值在1 0 - 1 0 5q 范围内的电阻，若超出此范围，则测量误差明显增大。其结 构如图3 6 所示。 o 图3 6 惠斯登电桥结构 f i g 3 6t h es t r u c t u r eo f w h e a t s t o n eb r i d g e 图3 6 中，e 为供桥电压。作者采用直流电压，u o 为电桥输出电压。r 1 ，r 2 ，r 3 ， r 4 为桥臂电阻。本次设计采用等臂电桥，即桥臂电阻阻值相等。当电桥为等臂电桥时， 1 3 第三章车枕检测部分的原理及设计 其输入输出满足式( 3 6 ) 关系： = 丢( 等一等+ 等一等卜 ， 当采用单臂测量时，其关系满足式( 3 7 ) ： = 三( 箐卜 而应变片的电阻变化满足式( 3 8 ) 的关系： 竺：k s ( 3 8 ) 一= f i - 将式( 3 8 ) 代入式( 3 7 ) ，得到如式( 3 9 ) 的关系。 z 专k e ( 3 9 ) 其中k 为电阻应变片灵敏度系数，一般取2 。为了让电桥的输出值和应变值形成一 一对应的关系，即1l a 对应1 uv 的电压。所以，本次设计采用的桥压为d c - 2 v 。 ( 2 ) 信号放大 传感器输出电压都是微伏级的，测量起来很不方便，而且也达不到模数转换器分辨 率的要求。因此，电桥的输出电压信号必须要经过放大电路放大后，才能满足模数转换 器的输入要求。对于微弱信号的放大，只使用单一运算放大器组成放大电路一般都难以 达到好的效果。为了得到较好的放大效果，必须选用高共模抑制比的放大电路。本设计 中采用a d 6 2 0 仪表用放大器。a d 6 2 0 是一个由三个运放组成的高精度放大器电路，具 有低温漂，高共模抑制比的特点，完全适合设计要求【2 7 1 。 表3 1a d 6 2 0 规格特性表 t a b l e3 1i d i o c r a t i cl i s to f a d 6 2 0 项目规格特性备注 增益范围 1 1 0 0 0 只需一个电阻即可殴定 电源供应范围 2 3 v 一_ 1 8 v 可用电池驱动，方便应用于便携 低耗电量 最人供电电流为1 3 m a 式器材中 精确度高 非线性度：4 0 p p m ；低偏执电压：5 0 弘v ； 低温漂：0 础v * c 低噪声 电压噪声：9 n v ，在1 k h z ( r t i ) 通常，为了使测量电路输出的电压信号经过放大后能够达到模数转换器分辨率的要 求，并且不会出现超过模数转换器基准电压2 4 3 v 的现象，这就需要合理选择放大器的 放大倍数。其放大增益g 关系式为： 1 4 第三章车枕检测部分的原理及设计 g 。4 9 4 k q + 1 心 可以推算出增益g 对应需要的电阻值r g ： 疋。4 9 4 k q ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 数据