（机械设计及理论专业论文）带传动实验台计算机测控系统研究.pdf

摘要 论文题目：带传动实验台计算机测控系统研究 学科专业：机械设计及理论 研究生：白亮 指导教师：郗向儒教授 摘要 签名： 签名： 为屯 带传动是机械传动中重要的传动形式，由于它具有传动中心距灵活、结构简单、传动 平稳、造价低廉、不需润滑以及缓冲吸振，且有过载保护作用等特点，广泛应用于各个行 业。带传动实验台是研究带传动运动规律、测量滑动率和传动效率的重要工具，也是工科 院校机械专业必备的实验教学设备。实验室原有带传动实验台的数据测试方法落后，整个 实验过程需要人为干预、测试数据耗时、精度较低，已不能适应现代教学实验的要求。 本文根据实验室现有的条件和改造的要求，从机械结构和电气控制两方面对原有的带 传动实验台进行改造，研制出一套集计算机技术、单片机技术相结合的实验系统。该实验 系统可以实现实验台转矩、转速信号的计算机测量以及转矩加载的计算机控制，能够动态 描绘出带传动的滑动率和效率随有效拉力变化的曲线，并自动生成实验报告、存储和打印。 本文首先介绍了带传动滑动率和效率的计算，分析了滑动率产生的原因和功率的损失 形式，以及张紧力对带传动的影响。介绍了实验台的组成结构，转矩和转速测量的原理及 加载的原理，提出了实验系统改进的方案。 其次，自主开发了实验台计算机测控系统的硬件板卡及接口电路。完成了称重传感器 的固定及安装，设计了称重传感器信号处理电路、数据采集电路，实现了两路转矩信号的 动态实时采集。分析了转速测量的方案，设计了m t 法多路转速信号测量的硬件电路， 实现了两路转速信号的动态实时采集。详细分析了电封闭加载的原理，设计了计数触发 器式的数字式p w m 调制器，实现了基于p w m 斩波器的励磁调节加载系统。利用串行通 信完成了单片机与计算机之间的数据交换，最终实现了计算机对实验台参数的测量和控 制。 最后，阐述了实验系统软件的设计思想、设计流程。利用v b 6 0 开发出了界面友好、 功能完备的应用程序。利用该实验系统进行了联机实验，并对实验结果进行了分析。 实验表明，本文提出的技术方案可行，技术环节处理合乎要求，实际所测数据与理论 值吻合。 关键词：带传动实验台 单片机 数据采集；串行通信；v b 6 0 a b st t a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nc o m p u t e rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mf o rt h eb e l r _ d r i v et a b l e m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g n a n dt h e o r y n a m e ：b a il i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f x ix i a n g r u a b s t r a c t s i g n a t u 怆：血些噜 s i g n a t u r e ：7 ；7 ；0 2 u t t 走 髓eb e l td r i v eu s e di nt r a n s m i t t i n gp o w e ra n dm o v e m e n t i sa ni m p o r t a mt r a n s m i s s i o n f o r mi nt h em e c h a n i c a lt r a n s i l l i s s i o n t h eb e l td r i v ei si nc h a r a c t e rw i t hf l e x i b l et r a n s m i s s i o n c e n t e rd i s t a n c e ，s i m p l es t r u c t u r e ，s t a b l ed r i v e ，l o wc o s t ，w i t h o u tb e i n gl u b r i c a t e d ，c u s h i o n v i b r a t i o na n do v e r l o a d e dp r o t e c t i o n s oi ti sw i d e l yu s e di nv a r i o u si n d u s t r i e s 1 1 1 eb e l t d r i v e t a b l ei sa ni m p o r t a n tm e a s u r i n gt o o lf o rd r i v i n ge f f i c i e n c ya n ds l i d i n gr a t i o ，f u r t h e r m o r ei ti st h e m a c h i n e r ys p e c i a l i z e de s s e n t i a lt e a c h i n ge q u i p m e n t n el a b o r a t o r yo r i g i n a lb e l t - d r i v et a b l e d o e sn o ta d a p tt ot h em o d e mt e a c h i n ge x p e r i m e n tr e q u e s tf o ri t sd a t at e s tm e t h o db a c k w a r d ， w h o s et h ee n t i r ee x p e r i m e n t a lp r o c e s sn e e d st h ea r t i f i c i a li n t e r v e n t i o n ，t e s td a t ac o n s u m e sa n d p r e c i s i o ni sl o w a c c o r d i n gt o t h e l a b o r a t o r ye x i s t i n g c o n d i t i o n sa n dt h et r a n s f o r m a t i o n r e q u e s t s ， e x p e r i m e n t a ls y s t e m w h i c hi n t e g r a t e d s i n g l e c h i pc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r , b a s e do nt w oa s p e c t sf r o mt h em e c h a n i s ma n d e l e c t r i c i t yt oc a r r yo nt h et r a n s f o r m a t i o nf o rt h eo r i g i n a lb e l t - d r i v et a b l e c o m p u t e r - a i d e dt e s t ， d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i so ft h er o t a t es p e e da n dt o r q u ec a nb ei m p l e m e n t e d ，a n dc o m p u t e r c o n t r o l l e de x p e r i m e n t a lt o r q u el o a d i n gi sr e a l i z e di nt h i ss y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h ec u r v eo f t h ed r i v ee f f i c i e n c ya n ds l i d i n gr a t i oc a nb ed i s p l a y e dd y n a m i c a l l y t h i ss y s t e mc a na l s o p r o d u c et e s tr e p o r t ，s a v ea n dp r i n t i n g t l l i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h eb e l td r i v ee f f i c i e n c ya n ds l i d i n gr a t i oc o m p u t a t i o n , a n a l y s i s t h er e a s o nw h yt h es l i d i n gr a t i op r o d u c e sa n dt h ee f f i c i e n c yl o s sf o r m ，a sw e l la st e n s i l ef o r c e s i n f l u e n c eo nb e l tt r a n s m i s s i o n i ti n t r o d u c e st h eb e l t d r i v et a b l es t r u c t u r e ，t h et o r q u ea n dr o t a t e s p e e dm e a s u r i n gp r i n c i p l ea sw e l l a st h el o a dp r i n c i p l e f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m i m p r o v e m e n tp l a nh a sb e e np r o p o s e d s e c o n d l y , f o rs a v i n gt h ec o s t o ft h er e f o r m b o mc i r c u i tb o a r da n di n t e r f a c eo ft h e s i n # e c h i pc o m p u t e ra l ed e s i g n e di n d e p e n d e n t l y w e i g h r i n gs e n s o r sf i x a t i o na n di n s t a i a t i o n i i i 西安理工大学硕士学位论文 h a v eb e e nc o m p l e m e n t e d ，w e i g h t i n gs e n s o r ss i g n a lp r o c e s s i n ga n dd a t aa c q u i s i t i o ne l e c t r i c c i r c u i th a v eb e e nd e s i g n e d ，t w og r o u p so ft o r q u es i g n a lt e n d e n c yr e a l t i m eg a t h e r i n gh a v eb e e n a c h i e v e df i n a l l y a f t e rc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ep r o g r a mo fs p e e dm e a s u r e m e n t ，an e wk i n d o fm e t h o df o rm e a s u r i n gm u l t i - c h a n n e lr o t a t i o ns p e e db a s e do nm 厂rh a sb e e nd e s i g n e d 。 t h r o u g hd e t a i l e da n a l y s i so ft h ee l e c t r i cc l o s e dl o a d i n gp r i n c i p l e ，an e wk i n do fd i g i t a lp w m m o d u l a t o rh a sb e e nd e s i g n e d ，al o a d i n gs y s t e mb a s e do nt h ep w mc h o p p e re x c i t a t i o n a d j u s t m e n th a sb e e nr e a l i z e d t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni su s e dt oc o m p l e t et h ed a t ae x c h a n g e b e t w e e ns i n g l e - c h i pc o m p u t e ra n dc o m p u t e r , c o m p u t e rm e a s u r i n ga n dc o n t r o lh a sb e e nr e a l i z e d f i n a l l y f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g nc o n c e p ta n df l o wh a sb e e ne l a b o r a t e d a f r i e n d l yi n t e r f a c ea n dm u l t i f u n c t i o n a la p p l i c a t i o np r o g r a mh a sb e e nd e v e l o p e db yv b 6 0 w i t h t h eh e l po ft h i ss y s t e mf o rt h eo n l i n ee x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l th a sb e e na n a l y z e d f i n a l l y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep l a ni sf e a s i b l ea n dt h et e c h n i c a lr o u t ei sa l s or e a s o n a b l ea n d s u i t a b l e t h er e s u l t so fa c t u a lv a l u ew e r ef i tw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：b e l t d r i v et a b l e ；s i n g l e c h i pc o m p u t e r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ； v i s u a lb a s i c6 0 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：鱼也司年4 月2 日 学位论文使用授权声明 本人i 星壹。盘导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：醯导师签名：p 俸年月如 第一章绪论 1 绪论 带传动( b e l td r i v e ) 是机械传动学科的一个重要分支，是机械传动中重要的传动形式。 带传动是利用张紧在带轮上的带与带轮之间的摩擦或啮合，在两轴( 或多轴) 间传递运动 或动力的传动形式。它具有传动中心距灵活、结构简单、传动平稳、造价低廉、不需润滑 以及缓冲吸振、且有过载保护作用等特点，广泛应用于各行业。近年来，特别是在汽车工 业、家用电器和办公机械以及各种新型机械装备中使用相当普遍。科学技术的进步，制带 设备、工艺水平的持续提高，合成材料不断发展并迅速地在带传动上得到使用，使得带传 动的工作能力显著增强。这一切，使带传动在机械传动中占据了重要的地位，而且从易损 件向传动的功能部件演变，以至在许多场合替代了其它传动形式。可以说，从原始机械到 自动化设备都有带传动的身影，产品历经多次演变，技术日臻成熟，在国民经济和人民日 常生活中发挥着越来越重要的作用“，。 1 1 带的检测及带传动实验台的应用领域 作为带传动中的主体部件一传动带的性能和指标直接影响带传动的质量。因此，传 动带的检测和实验显得尤为重要。通常传动带成品检测包括外观形状检测( 截面尺寸、长 度、角度、露出高度和尺寸均匀性等) 、物理机械性能检测( 拉伸强度、模量、伸长率、 硬度、摩擦系数、耐寒耐热、耐溶剂、抗静电和阻燃等) 和动态性能检测( 传动效率、传 动功率、滑动率、振动和噪音、疲劳寿命和可靠性等) “1 。 带传动实验台是研究带传动运动规律、测量滑动率和传动效率的重要工具，也是工科 院校机械专业必备的实验教学设备。带传动实验台通过改变电动机转速和负载模拟带传动 的各种工作情况，从而测试出带传动的基本特性。带传动实验主要包括如下内容： ( 1 ) 根据不同的转速条件，控制主动轮转速恒定，调节负载大小，分别测定主动轮和 从动轮的转速与转矩； ( 2 ) 根据测定的主动轮和从动轮的转速与转矩，计算输入功率、输出功率及传动效率； ( 3 ) 根据主动轮和从动轮的转速和带轮直径，计算滑动率； ( 4 ) 在不同的初拉力条件下测定皮带打滑时的转矩。 1 2 国内外带传动实验台的研究现状 国内较早从事带传动实验台研究的有华中科技大学n 1 、吉林农业大学“1 、中国农业机 械化科学研究院“1 、吉林工业大学“1 7 大庆石油学院n 1 、四川工业学院、哈尔滨工业大 学“”1 等。他们先后建立起各种形式的带传动实验台，这些实验台的建立从理论上和实 践上都取得了很大的进步，积累了丰富的经验。这一时期，带传动实验台的加载装置多用 电阻器或电灯泡，改变其阻值或亮暗来实现加载，转矩的测量多由台秤读数获得。随着研 究的深入，带传动实验台的结构逐渐从开放功率流式向封闭功率流式转变，特别是吉林工 业大学的安学礼等人将电封闭引入到带传动实验装置中来，研制了2 2 k w 带传动电封闭 西安理工大学硕士学位论文 实验台的电控系统，该方法降低了电能消耗、提高了加载的范围。 随着电子技术、自动控制、计算机控制等技术的发展，带传动实验台的研究进入了一 个新的阶段。这一时期出现了许多新的测试和控制方法，例如岳阳大学的张力军、赵稳利 用磁粉离合器和可调变压器实现了带传动的无级加载1 1 1 | 1 1 2 | 山东农业大学的刘成良用计 算机辅助测试了带传动的基本参数“”m 1 1 5 1 西南科技大学的文代明等用单片机实现了带 传动实验台转速的控制n “，西南交通大学的黄景春等用单片机控制磁粉制动器实现了实 验台的加载n ”，中国农业大学的李莉设计了基于虚拟仪器的带传动实验系统“”。这些研 究极大的促进了带传动实验台的发展。 近几年来，市场上出现了许多类型的带传动实验台，如哈尔滨东光教学实验设备有限 公司的j d c - 0 3 型带传动实验台，杭州星辰仪器设备公司的d c s - i i 型智能带传动实验系 统，长沙嘉锐科技发展有限公司d l s - a 型带传动实验台，湖南长庆科教仪器有限公司 p c - b 型皮带传动实验台，长沙启明机电教学设备厂的q m - p c s b 型带传动实验台，福 润德科技文化有限公司的d i s c 综合型带传动实验台。这些实验台大都向微型化、智能 化方向发展，通过数字控制技术控制电机，设计了专用的软件，使实验台具有数据采集、 显示等功能。但大多数仍停留在生产过程控制级，基本上为单机控制，不利于构成计算机 集散型控制系统。集散型控制系统是一种适合整个企业综合管理控制的系统，应用集散型 控制系统将带传动试验、带的设计、带的生产等结合起来，将会进一步提高带的性能和质 量。 目前，国外发达国家的带传动实验设备技术相当成熟，普遍采用计算机集散型控制， 集生产、试验、监控、管理为一体，各个系统由计算机控制组成，整个系统形成计算机网 络系统，构成分段结构的计算机控制系统。同时实验设备的智能化与虚拟设计、虚拟制造 相结合，使得操作人员少、效率高。如德国的s c h o l z 公司、b c r s t o r f f 公司、日本的神户 公司等专业生产此类设备；某些大的橡胶公司如p i r e l l i 公司和g a t e s 公司等也可自行设计 制造此类设备。但引进这些厂家的设备价格相当昂贵，一般为国产设备价格的3 - 1 0 倍， 从而使其在国内推广应用受到约束“”。 1 3 计算机测控系统特点和发展趋向 计算机测控技术是一门综合性的技术，它是计算机技术( 包括硬件技术、软件技术、 通信技术以及网络技术) 、自动控制技术、自动检测和传感器技术的综合应用。总的来说， 计算机测控技术包括计算机测量和计算机控制两个方面。 计算机测量是指利用传感器装置将被测控对象中的物理参量( 如温度、压力、流量、 液位、速度) 转换为电量( 如电流、电压) ，再将这些代表实际物理参量的电量送入输入 装置中转换为可以被计算机识别的数字量，并以数字或图形的方式显示出来，从而使得操 作人员能够直观、迅速地了解被测对象的变化过程。除此之外，计算机还可以将采集到的 数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并制作各种报表。 计算机控制是指由计算机中的应用软件和程序根据采集到的物理参量的大小和变化 2 第一章绪论 情况以及按照工艺所要求的物理量的设定值进行判断，然后在输出装置中输出相应的电信 号，并且推动执行装置( 如调节阀、电动机) 动作从而完成相应的控制任务。 1 3 1 计算机测控系统的组成 计算机测控系统可简单地分为硬件和软件两部分，典型的计算机测控系统结构如图 卜1 所示。系统中包括：被测控对象、输入环节、输出环节、计算机( 含可视化人机界面) 、 计算机外设等几个部分。输入环节包括：测量变换装置、a d 、d i ( 数字量输入) ；输出环 节包括：功，a 、d o ( 数字量输出) 、功率放大器及执行装置。被测控对象是一个物理装置 或一个物理过程，需要了解及记录其运行状态并使被测控对象按照预先设定的规律运动是 设计计算机测控系统的目的。测量变换装置将系统的运行及状态变换为满足a d 、d i 所 需的信号范围及形式，此环节包括传感器和信号调理电路。输入环节中的a d 、d i 将该 信号变换为计算机中实际运行的数字类型信号。输出环节中的d a 、d o 将计算机中运行 的数字类型信号变换为对象或过程所需的模拟类型信号、开关量信号及脉冲频率量信号送 到功率放大器及执行装置环节。执行装置将这些控制信号转化为作用于被控对象的控制作 用量，从而影响被测控对象的工作状态及其过程，功率放大器的存在是为了使计算机输出 模块送出的弱电信号能够推动相应的执行机构。测控系统中的核心部分为计算机，它负责 信号的存储与处理、控制指令的形成、控制信号的输入输出操作等任务。 计算机 叫测量变换装置h 模拟量输入通道卜_ 应用软件 测 叫 执行装置 h 模拟量输出通道h 开发软件 控 系统软件 对 叫测量变换装置h 开关量输入通道h - 象 叫 执行装置 h 开关量输出通道卜- ! 硬件 图卜1 计算机测控系统典型结构 f i g 1 1t y p i c a ls t r u c t u r eo f c o m p u t e rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 1 3 2 计算机测控系统的特点 在计算机测控系统中，计算机代替了传统控制设备，对系统进行调节和控制，由于计 算机具有采集、传送、存贮、处理大量数据的能力，使控制过程进入了以计算机为主要控 制设备的自动控制阶段。计算机系统与模拟硬件构成的系统相比较，具有以下特点： ( 1 ) 程序控制任何一种控制规律的实现都可以程序化，而控制规律的改变只不过是程 序的改变而已； ( 2 ) 数字控制计算机的输入输出信息都是数字信息，计算机控制系统是对被控对象的 信息进行采样、量化、保持等变换： ( 3 ) 实时控制计算机的信息处理过程要与控制过程相适应； 3 西安理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 综合控制可以以计算机为中心实现多变量、多回路、多对象、多工具、变参数和 自适应的综合控制。 1 3 3 计算机测控系统的发展趋势 计算机测控系统的发展经历了五个阶段：数据采集测控系统d a s ( d a t aa e q u i s i t i o n s y s t e m ) 、直接数字测控d d c 系统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ) 、监督测控系统 s c c ( s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ) 、集散型测控系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 和现 场总线测控系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。其中d c s 是融d d c 系统及整个工厂的 生产管理为一体的高级控制系统，该系统克服了其它控制系统中存在的危险集中问题，具 有较高的可靠性和实用性。但是，为了进一步适合现场的需要，d c s 也在不断更新换代， 近年来，集计算机、通信、控制三种技术为一体的第5 代控制体系结构，即现场总线控制 系统，成为国内外计算机过程控制系统一个重要的发展方向。 近年来，分布计算技术、网络技术与微电子技术的长足发展为测控系统向分布式、网 络化和以计算机作为平台的方向拓展提供了良好的条件，也为测控领域中m p ( 测量、通 信、控制、计算机) 技术的应用提供了技术基础。m p 是工业自动化的一种全新的设计方 法，其核心思想是以信息处理技术为核心，以网络技术为基础，以实现测控仪表智能化为 手段，形成多级分布式智能测控系统，通过将测控系统数字化、智能化任务分布于多级测 控系统的各级上，形成集测量、通信、控制与处理于一身的低成本、高精度、高效率、高 可靠性及可管理的，具有自由扩展与升级能力的工业自动化系统。从该系统的提出到现在 不足5 年的时间内，国际电子电器工程师学会己形成了i e e l 4 5 1 标准系列，成为测控系 统领域的关键技术。 随着控制的对象逐渐向非线性、时变和随机、模糊的方向发展，在微处理器和计算机 技术、人工智能中关于知识的表达与推理技术以及专家系统的设计与建造方面进展的推动 下，智能测控系统的研究和应用展现出广阔的前景。在美国、日本及欧洲等先进的工业国 家，智能型的计算机测控系统已开始应用于工业生产中，并取得了非常好的效果。因此， 采用一体化智能控制的计算机测控系统将逐渐成为今后测控领域的主流。 1 4 本课题研究的目的和意义 在工科院校中，实验是一种重要的教学手段。学生通过做实验，可以加深对所学知识 的理解，增强学习的兴趣，提高动手能力，锻炼在实践中发现问题、分析问题和解决问题 的能力。大部分工科院校中的机械设计基础实验，所用的测试仪器和设备比较陈旧，更新 慢。传统仪器下的实验教学，己严重滞后于信息时代和工程实际的需要。 我校现用的带传动实验台采用“传感器+ 二次仪表”的模式，靠人工测试和控制。仪 器功能单一，只有测量显示数据功能，不能直接得到滑动率和传动效率随负载变化的特性 曲线，需要自己根据记录下的数据手工描绘变化趋势。数据测试方法落后，测试数据耗时， 实验过程繁琐。转矩测量装置使用台秤，人工读数，精度相对较低。加载时需通过手动调 4 第一章绪论 节电位器，控制精度低，而且整个控制系统处于开环状态。为了满足教学试验的要求，需 要对原有的带传动实验台进行改造。 本课题把计算机测控技术应用于带传动实验台，利用了实验室现有的资源，使其充分 发挥作用。新的带传动实验台是机电一体化的设备，参加实验的学生不但在学习机械知识 的同时还增长了计算机控制、机电一体化等方面的知识。 1 5 本课题研究方法及主要内容 本课题将计算机技术、检测技术、单片机技术相结合，对现有的带传动实验台测量和 和转矩加载系统进行研究，整个系统是由计算机和单片机组成的两级控制系统。单片机系 统由单片机主控板、测转矩、测转速和转矩加载等接口电路组成，其主要完成的工作有； 检测转矩和转速信号，对测得数据进行初步处理，调整直流发电机的励磁实现加载，与上 位计算机进行通信，完成数据交换。整个系统中大部分工作都由单片机系统完成，上位计 算机完成的工作有实验参数的设定、实验数据的处理和分析、效率和滑差率曲线的绘制、 自动生成实验报告、存储、打印等。计算机系统主要发挥其数据处理和图形显示的优势， 使实验过程和实验结果更加直观。 论文的主要内容有： ( 1 ) 系统地阐述了带传动的应用和发展概况，带传动实验台国内外研究现状，计算机 测控技术的特点、现状及发展趋势，本课题研究的目的意义，研究方法和主要内容： ( 2 ) 对带传动特性参数进行了较为详细的介绍和分析； ( 3 ) 对原有带传动实验台的结构及测量理论进行了较为详细的介绍和分析，为实验台 的计算机测控提供理论依据； ( 4 ) 从机械结构和电气控制两方面对原有带传动实验台转矩采集和转速采集硬件部分 进行设计，对转矩加载系统进行重新设计，实现单片机和计算机通信的硬件电路设计； ( 5 ) 系统的软件设计，下位机中用c 5 1 语言编写，实现数据的采集、处理及与上位机 的通信。在上位机中采用v b 6 0 语言编写主控程序，对实时采集的数据进行分析、处理， 动态描绘出传动效率和滑动率的变化曲线，最后将结果保存和打印； ( 6 ) 应用所设计的实验系统，进行了具体的滑动率和效率测定实验，验证了上述理论 研究与软硬件系统的正确性。 5 西安理工大擘硕士学位论文 2 带传动的性能参数分析 带传动实验的目的就是为了了解带传动中弹性滑动与打滑现象及其承载能力的关系， 了解带传动的效率及影响它的因素。因此，对带传动的性能参数的分析显得尤为重要。 2 1 带传动的受力分析 安装带传动时，传动带即以一定的张紧力r 紧套在两个带轮上。由于张紧力f n 的作 用，带和带轮的接触面上就产生了正压力。带传动不工作时传动带上的拉力相等，都等于 e ，如图2 - 1 ( a ) 所示。 2 ( a ) 不工作时( b ) 工作时 图2 - 1 带传动工作原理图 f i g 2 - 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f t h eb e l td r i v e 带在工作时( 如图2 1 ( b ) 所示) ，设主动轮以转速转动，带与带轮的接触面间便 产生摩擦力，主动轮作用在带上的摩擦力凡的方向和主动轮的圆周速度方向相同，主动 轮即靠此摩擦力驱动带运动；带作用在从动轮上的摩擦力的方向，显然与带的运动方向相 同，带同样靠摩擦力f ，而驱动从动轮以转速以：转动。这时传动带上的拉力也相应地发生 了变化；带绕上主动轮的一边被拉紧，叫做紧边，紧边拉力由民增加到e ；带绕上从动 轮的一边被放松，叫做松边，松边拉力由，o 减小到f 2 。如果近似地认为带工作时的总长 度不变，则带的紧边拉力的增加量，应等于松变拉力的减小量，即 j e f o 一昂一岛或e + e 一2 f o ( 2 1 ) 若以主动轮一段为分离体，则有总摩擦力e 和两边拉力对轴心的力矩的代数和为零， 从而可得出： e 一只一f 2 ( 2 。2 ) 在带传动中，有效拉力e 并不是作用于某固定点的集中力，而是带和带轮接触面上 的各点摩擦力的总和，故整个面上的总摩擦力f ，即等于带所传递的有效拉力，即有： e f ，- e e ( 2 3 ) 带传动所能传递的功率p ( 单位为k w ) 为： p 羔芝( 2 4 ) 2 2 带传动的最大有效拉力 当传动带和带轮间有全面滑动趋势时，摩擦力达到最大值，即有效拉力达到最大值。 6 第二章带传动的性能参数分析 此时，紧边拉力和松边拉力之间的关系可用欧拉公式表示，即 ei f = e 归 ( 2 5 ) 式中：e = 2 7 1 8 ；f 二摩擦系数；口一带在带轮上的包角( r a d ) 。 由( 2 1 ) 、( 2 3 ) 和( 2 5 ) 联立求解可得f 二由以下关系式表示： 瓦- 砜舞 ( 2 6 ) 式中：瓦一临界有效拉力。 2 3 带传动的滑动率 2 3 1 带传动滑动率的计算 带弹性滑动引起的从动轮圆周速度的降低率称为滑动率。带传动在工作时，带受到拉 力后要产生弹性变形。由于紧边和松边的拉力不同，因而弹性变形也不相同。如图2 - 2 所示，当紧边在a 1 点绕上主动轮时，其所受的紧边拉力为e ，此时带的线速度v 和主动 轮的圆周速度相等。在带由a 1 点转到b 1 点的过程中，带所受的拉力由紧边拉力e 逐渐 降低到松边拉力只，带的弹性变形也随之逐渐减小，因而带沿带轮的运动是一面绕进， 一面向后收缩，所以带的速度便逐渐过渡到低于h ，在这一过程中，带与主动带轮间发生 了相对滑动。相对滑动现象也发生在从动轮上，带绕过从动轮时，拉力由只增大到只， 弹性变形随之逐渐增加，因而带沿带轮的运动是一面绕进，一面向前伸长，所以带的线速 度v 便逐渐过渡到高于从动轮的圆周速度吃。 图2 - 2 带的弹性滑动示意图 f i g 2 - 2d i a g r a m o ft h eb e l td r i v ee l a s t i cs l i p 由于弹性滑动的影响，将使从动轮的圆周速度v ：低于主动轮的圆周速度v 。，其降低 量可用滑动率f 来表示： 盟1 0 0 ( 2 7 ) v 1 仉一坐! l 1 6 0 x 1 0 0 0 7 西安理工大学硕士学位论文 v2。丽-蕊,v-zad b- 式中：v 1 、 ，2 一主从动轮的圆周速度( m s ) ；摊1 、 1 2 一主从动轮的转速( r l m i n ) ；d i 、 d ，一主从动轮的基准直径( m m ) 。 所以滑动率e 又可表示为： e ! ! 兰1 0 0 。h i d l - n 2 d 2x 1 0 0 ( 2 8 ) h以l d l 当外载荷引起的有效拉力超过了传动带与带轮整个接触弧上的极限摩擦力时，传动带 在带轮的全部包角内发生相对滑动，这种相对滑动称为打滑。打滑将使带的磨损加剧，从 动轮转速急剧降低，直至传递失效。 2 3 2 带传动滑动率的产生原因及影响 带的滑动实际上由两个原因引起：一方面是在主动轮上带的拉力降低，所以带的拉伸 弹性变形也要相应地减少，亦即带在缩短，因此带的速度要落后于带轮；另一方面，同样 的现象也发生在从动轮上，但情况相反，带的速度领先于带轮。这两方面因素造成了滑动 率的产生。 带的弹性滑动会引起下列后果哪：1 从带轮的圆周转速低于主带轮；2 降低传动效 率；3 引起带的磨损；d 使带的温度升高。 2 4 带传动的效率 2 4 1 带传动的效率计算 带传动的效率r 一般定义为输出功率与输入功率之比，可表示如下： 墨型堕( 2 9 ) _ 2 - = 2l z ￥j 。 眉互。伪 式中：p l 、p 2 分别为主从动轮传递的功率( k w ) ；乃、死分别为主从动轮的转矩( n m ) ； n l 、万2 一主从动轮的转速( r r a i n ) 。 2 4 2 带传动的功率损失形式 带传动有以下几种功率损失： ( 1 ) 滑动损失1 带在工作时，由于带轮两边的拉力差及其相应的变形差形成弹性滑 动，导致带与从动轮的速度损失。弹性滑动与载荷、速度、带轮直径和带的结构有关。弹 性滑动率通常在1 2 之间。有些带传动还有几何滑动。过载时将引起打滑，使带的运 动处于不稳定状态，效率急剧下降，磨损加剧，严重影响带的寿命； ( 2 ) 滞后损失。1 带在运动中会产生反复伸缩，特别是在带轮上的挠曲会使带体内部 产生磨擦，引起功率损失； 8 第二章带传动的性能参数分析 ( 3 ) 空气阻力高速传动时，运行中的风阻将引起转矩的损耗，其损耗与速度的平方 成正比。因此设计高速带传动时，带的表面积宜小，尽量用厚而窄的带，带轮的轮幅表面 要平滑( 如轮辐用椭圆形截面) 或用辐板以减小风阻； ( 4 ) 轴承的摩擦损失瞄砌轴承受皮带拉力的作用，也是引起转矩损失的重要因素。 滑动轴承的损失为2 一5 ，滚动轴承为l 一2 。 考虑上述损失，带传动的效率约在7 0 一9 8 范围内，根据带的种类而定。 2 5 张紧力对带传动的影响 在带传动中，张紧力是一项重要参数，张紧力的大小是保证带传动正常工作的重要因 素。带传动中张紧力过小，摩擦力小，容易发生打滑；张紧力过大，则带的寿命降低，轴 和轴承受到的力大。由于带不停地在受着交变弯曲应力和不均衡拉力的作用，所以带将会 产生塑性变形，逐渐伸长而变得松弛，这是不可避免的现象。再加上张紧装置非人为因素 而发生位移( 如因振动引起张紧装置的固定松动) ，同样也会使带直接松弛而导致带的传动 效率迅速下降，甚至会出现带打滑造成带传动完全失效。实验研究表明：一般张紧力每超 过合理值的5 ，带寿命将下降4 0 一5 0 。在带传动失效中，由于张紧力不当而引起的 占7 0 以上，可见准确控制带传动中张紧力的重要性。 2 6 带传动各性能参数之间的关系及结论协 ( 1 ) 带正常传动时，滑动率s 及效率r 与有效拉力r 成线性关系。带传动在发生临界 打滑之前，有效拉力最增加，滑动率s 增加，效率卵降低； ( 2 ) 带传动的最小效率出现在滑动角等于小轮包角时，加大张紧力，o 可以提高带的极 限有效拉力，从面提高正常传递的极限功率，但最低效率降低，所以加大张紧力并不能提 高效率； ( 3 ) 对于同样的有效拉力疋，当张紧力凡增加时，弹性滑动率有所减小； ( 4 ) 带传动中，带的弹性模量和横截面增加，弹性滑动率降低，效率增加。 2 7 本章小结 本章首先对带传动的受力进行了分析，然后对带传动滑动率的计算和产生原因以及带 传动效率的计算和功率损失形式进行了介绍，分析了张紧力对带传动的影响，最后对带传 动中各性能参数之间的关系进行了总结。 9 西安理工大学硕士擘位论文 3 实验台测控系统的设计方案 带传动实验台测控系统分为测量模块和控制模块两部分，本章主要讨论课题相关的测 量理论和控制原理及它们的数学模型。 3 1 带传动实验台的结构简介 带传动实验台的结构示意图如图3 - 1 所示； 图3 - 1 带传动实验台结构示意图 f i g 3 1s t r u c t u r ed i a g r a mo f b e l td r i v et a b l e 1 台秤2 测力杆3 主电机4 霍尔传感器5 主动带轮6 被测带7 从电机8 霍尔传感器 9 从动带轮l o 测力杆1 1 台秤1 2 基座1 3 砝码 带传动实验台有两台直流电机主电机3 和从电机7 ，电机3 装有主动带轮，通过 v 带拖动装在电机7 上的从动带轮转动，组成一个带传动系统。实验时，先同时升高电机 3 和电机7 的转速，然后使电机7 处于发电状态来给带加上负载，从而观察弹性滑动、打 滑和承载能力之间的关系。为了使v 带容易张紧，支持电机7 的滑座可以滑动，张紧砝 码1 3 的作用力经钢丝绳、定滑轮拉紧滑座。 电气部分都装在带传动实验台的控制台上，由控制台上的相应旋钮进行控制。直流电 机所需直流电源由可控硅整流装置供给，操作实验台上的电位器旋钮就可改变直流电机电 枢的端电压，实现调速。转速由转速表测定并由数码管显示，转矩通过固定在电机外壳上 的测力杆尺寸和台秤的读数求得。加载是通过旋转电位器改变发电机励磁电流实现的。 3 2 实验台张紧力的确定 由2 5 节的分析可知，实验台必须设有张紧装置，并定期检查其工作情况。如图3 - 1 ， 为了张紧v 带，支撑从电动机的支架安装在滑座上，在基座的顶面装有轴承，在滑座的一 端通过钢丝绳、滑轮和吊重相联。皮带的张紧力就可以由滑轮下面的吊重来决定。改变吊 重可以获得不同的张紧力阢按实验台已定的结构尺寸其计算公式如下： w - 0 6 x f o ( 3 1 ) 一般先定f 0 然后计算所需的形的重量。 1 0 第三章实验台测控系统的设计方案 3 3 转矩和转速的测量原理 根据2 3 和2 4 节的分析，为了确定带传动的滑动率和效率，必须测量主动轮和从动 轮的转矩和转速。本测控系统的转矩和转速测量仍采用原实验台的测量原理，分别介绍如 下。 3 3 1 转矩测量原理 转矩测量的方法可分为能量转换法、平衡力法和传递法( 扭轴法) 三大类。根据实际 情况实验台转矩的测量采用平衡电机测功( 平衡力法) 原理“1 ，平衡电机的测功原理如 图3 2 所示。 图3 - 2 平衡电机测功原理 f i g 3 2 p r i n c i p l e d i a g r a m o f p o