（车辆工程专业论文）适用于突变工况的活塞热冲击试验台架的研制.pdf

淅汪大学博士后出站报告 摘要 随着发动机强化指标的不断提高，其整机及主要零部件的可靠性受到了更加 严峻的考验，特别是长期工作在高温高压环境中的燃烧室部件，承受高温及机械 交变载荷的作用，疲劳损伤概率通常大于其他部件。研究表明发动机在频繁起动 ( 尤其是超低温启动) 、停车或突加载荷等非稳定工况下，燃烧室表面所承受的 热冲击负荷更为严重。因此，研制一种可适用于突变工况的高效率、高自动化程 度的活塞热冲击试验台架，不仅可以为高强化发动机受热零部件的可靠性设计提 供考核手段，而且可以为热疲劳基础理论的研究提供可靠的试验平台。本研究的 主要工作就是建立一套满足上述要求的活塞热冲击试验台架，重点是该试验台架 控制与监测系统的硬件及软件开发工作。 活塞热冲击试验台架采用加热、冷却交替作用的工作方式，通过预先设定的 控制参数( 温度或时间) ，使活塞的温度在一定的范围内交替变化，从而达到模 拟发动机实际运行工况下活塞热负荷状况的效果，针对超低温启动等突变工况， 则可实现活塞温度信号的高速采集。 在本研究工作中，采用8 0 0 0 系列嵌入式控制器和p c 机作为控制核心，兼 顾了试验台架的两大主要性能指标：系统运行的可靠性和人机界面的友好性。嵌 入式控制器检测活塞的温度，开关、阀门的状态等信号，根据预定参数控制试验 系统的运行，并将活塞的温度，试验台架的运行参数等传给上位p c 机：p c 上 位机则实现人机对话，试验参数的设定，试验数据的存储，试验过程的动态监测 等功能。 控制系统的软件开发包括p c 上位机程序，嵌入式控制器程序以及两者之白j 通讯程序的编写。开发过程中，应用v i s u a l b a s i c 语言实现p c 机的人机界面设 计，完成试验参数的设定，温度显示，曲线绘制，试验运行状态动态显示，试验 数据的处理等工作，并为试验台架的报警状态给予原因分析及处理指示；应用 b c + + 实现嵌入式控制器中对试验过程的控制，包括活塞温度的采集，屯磁阀 的驱动，试验台的报警等动作。 对所研制的试验台架及其各主要组成部分进行了调试，结果表明：试验台架 的温度检测系统，试验平台的行走机构，冷却系统等运行正常，达到了预定的研 制目标。 关键词：活塞热冲击突变工况嵌入式控制系统 浙江走学博士岳出站报告 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v i n go ft h es t r e n g t h e nt a r g e t ，t h ef a t i g u eo ft h ee n g i n e sa n dw h o s e c o m p o n e t si sm o r eg r i e v o u s s p e c i a l l yu n d e r t h eb r e a kc o n d i t i o n ，s u c ha st h es t a r t u p f r e q u e n t ，l o a db r e a k ，s t a r t u pu n d e r l o w t e m p e r a t u r e ，e t c i no r d e rt os t u d yt h et h e r m a lf a t i g u eo ft h ee n g i n e sa n dw h o s ec o m p o n e n t s ，ap i s t o n t h e r m a ls h o c kt e s tb e n c hw h i c hc a nb eu s e du n d e ra b n o r m a lc o n d i t i o ns h o u l db e d e v e l o p e d t h em a i nw o r ko f t h et e s tb e n c hi st h ed e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r ea n d t h es o f t w a r eo fi t sc o n t r o ls y s t e m t h et e s tb e n c hh e a t su pa n dc o o l sd o w nt h ep i s t o na l t e r n a t i v e l y , m a k et h ep i s t o n t e m p e r a t u r ec h a n g i n gr e p e a t e d l yu n d e rt h es e t t e dc o n t r o lp a r a m e t e r s ( t e m p e r a t u r eo r t i m e ) ，s ow h i c h c a r ls i m u l a t e st h ep i s t o nt h e r m a ll o a du n d e rr e a lc o n d i t i o n a ne m b e d e dc o n t r o l l e ra n da p e r s o n a lc o m p u t e rm a k eu p o ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e t e s tb e n c h ，w h i c hr e a l i z e st h eh i g hr e l i a b i l i t ya n dt h ef r i e n d l yu s e ri n t e r f a c et o o t h e e m b e d e dc o n t r o l l e rf i n i s h e st h es a m p l i n go ft h ep i s t o nt e m p e r a t u r e ，t h ed r i v i n go ft h e s o l e n o i dv a l v e ，a n ds oo i l a n dt h ep e r s o n a lc o m p u t e rf i n i s h e st h es e t t i n go ft h et e s t p a r a m e t e r s ，t h es a v i n g o f t h et e r s td a t a ，t h em o n i t o r i n go f t h et e s tc o n d i t i o n t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei n c l u d e st h ep cm o n i t o rp r o g r a m ， t h ee m b e d e dc o n t r o l l e rp r o g r a m ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mb e t w e e nt h e m t h e p cm o n i t o rp r o g r a mi sw r i t t e nb yv i s u a lb a s i c ，w h i c hi n c l u d e st h eu s e ri n t e r f a c e ， s h o w i n go ft h et e s td a t a ，t e m p e r a t u r ec u r v ed r a w i n g ，r e a lt i m em o n i t o ro ft h et e s t c o n d i t i o n ，a n ds h o w i n gt h ea l a r mr e a s o n u s i n gb c + + f i n i s h e st h et e s td a t as a m p l i n g ， s o l e n o i dv a l v ed r i v i n g ，e t c t h e d e b u g g i n gr e s u l ts h o w s t h a tt h ec o n t r o ls y s t e m ，t e m p e r a t u r es a m p l i n gs t s t e m ，a n d t h eh e a ts y s t e mo ft h et e s tb e n c hr e a c ht h ed e v e l o p m e n td e s t i n a t i o n k e y w o r d s ：p i s t o nt h e r m a l s h o c kb r e a kc o n d i t i o ne m b e d e dc o n t r o l l e r 4 浙江走学博士暮出站报告 1 1 概述 第一章绪论 柴油机活塞受缸内高温燃气的周期性加热，燃气的瞬时温度一般高达 1 8 0 0 。2 6 0 0 ( 2 ，平均温度也高达6 0 0 8 0 0 。随着柴油机增压等强化技术的普及 及其强化程度的不断提高，缸内平均有效压力、燃气最高温度不断增高，导致活 塞的热负荷显著增加。活塞除了承受高温作用外，还受到下述热应力的作用： 稳定热应力，负荷变化所产生的非稳定热应力，以及一个工作循环中温度变化所 产生的非稳定热应力。如果活塞的强度不足，特别是活塞的热强度不足，就可能 在发动机运行过程中产生各种各样的热损伤现象。如热裂纹、局部金属熔化、顶 部烧蚀等，在高强化柴油机中，严重的热损伤故障甚至导致整机报废】。 在有限的结构尺寸范围内不断提高强化指标，这是现代发动机产品技术的基 本发展趋势，也是车用发动机一贯的设计思想。因此，最大限度地提高发动机的 平均有效压力和转速已成为目前的研究热点，包括相关的增压技术、多气门系统 等等。但是，随着发动机强化指标的不断提高，有限尺寸结构的强度问题日益突 出，如结构的材料强度问题、力学强度问题等，其中都包含了机械强度与热强度 问题。发动机的主要零部件承受高温及机械交变载荷的作用，工作条件十分恶劣， 损伤率远大于其他部件，严重威胁着发动机的寿命与可靠性。研究表明发动枧在 频繁的起动、停车或突加载荷等非稳定工况下，其热负荷更为严重将承受比稳 定运行时大得多的热应力。如在冷起动突加工况时气缸盖三角区所承受的热应力 比稳定工况时高6 6 。对发动机热负荷分柝的大量资料表明，发动机热应力比机 械应力高出十几倍甚至几十倍，它将直接导致发动机烧室零部件热疲劳损伤 3 - 1 4 】。 活塞作为发动机最重要的零件之一，其顶面受到高温高压燃气周期性的加热 作用，同时承受很高的热负荷和机械负荷，因此，极易产生热损伤问题。特别是 起动和停车过程，不仅温差大，而且作用时间短，一般称之为热冲击。按我国发 动机试验规范有关规定1 1 ”，研制新型发动机时要进行3 0 0 0 次循环的热冲击试验， 国外也已将“起动一停车”次数作为大型发动机的性能指标之一。对于活塞热疲 劳和热冲击问题的研究，国内外学者进行了大量的理论和试验工作【1 3 , 1 4 】。并从大 量的试验资料中整理出一系列的经验公式，但是经验公式对边界条件具有很大的 依赖性，而边界条件的选取是否适合实机情况则需要试验数据来验证。由此可见， 用该方法完全替代试验方法还是困难的。 通常活塞热疲劳试验的方法是将试验活塞装机运行，即发动机在实际工况下 运转，直至活塞出现疲劳裂纹为止。这样的试验至少需要1 0 1 2 周，不仅试验 渐江走擘博士岳出站报告 的周期长，而且试验的规模及耗资都非常巨大。随着发动机技术的高速发展，产 品的更新换代周期同益缩短，迫切需要一种全新的试验设备，能在较短的时间内， 在小规模、低成本的情况下，及时获得活塞新产品的各种试验数据。 1 2 国内外研究现状 在活塞的热疲劳、热冲击模拟试验方面，没有相应的标准可查，但是，也有 一些前人的经验值得参考。国际上工业发达国家，如美国、德国、俄罗斯和日本 等国较早就开展了模拟试验技术的开发应用工作。德国、苏联六十年代初已经有 了热模拟试验台。国内在八十年代后期也开始建立热模拟试验台。下面是国内外 研究人员设计研制的活塞热冲击试验及其综合性能的评价【l “2 0 】。 一、高频感应线圈加热 德国的马勒公司和卡尔一斯密特公司。挪威工学院发动机造船工程系和日本 i z u m i 工业株式会社都建有高频线圈加热的活塞和缸盖的热模拟试验台。在一个 线圈中通过一定频率的交变磁场，放在磁场中的活塞就产生感应电流，因活塞的 电阻而使电能转变成热能，使活塞表面迅速加热。冷却活塞采用压缩空气。此种 加热方式，由于受电磁感应的限制，只适用于一般的铸铁活塞，对于大多数铝合 金活塞来说并不适用，因为铝合金不能被磁化。另外，高频的装置必须建立在一 个完全屏蔽的房间内，基建费用高。而且其加热的热惯性比较大。 二、火焰直接加热 英国的联合工程公司，德国的马勒公司和道依茨公司都先后建有火焰直接加 热的活塞和缸盖的热模拟试验台。所有的燃料有含氧丙烷气、煤气和乙炔。冷却 介质有水、机油和压缩空气。该试验台架是具有代表性的试验装置。采用煤气喷 0 i 加热炉2 活勰冷却油道3 出水口4 插器5 水套6 汕拎却器7 嘶地竹8 , t jl ；i i 崩i _ l i ；：测 l _ 筘9 冷点油管1 0 压力二& 】1 泵i2 纰油瓣1 3 煤气燃烧辨冷如小逍水f 图】1 火焰直接加热型活塞模拟试验台 浙江炙学博士岳幽站报告 灯加热，油冷和水冷并用。主要用于构件的热应力和热变形的研究及构件的可靠 性评估。其典型的试验规范为：从5 0 c d i 热到3 5 0 c 需3 4 秒，从3 5 0 c 喷水冷却 到5 0 c 需1 2 秒，每循环4 6 秒，完成3 0 0 0 次循环后进行裂纹检测，其示意图如 图1 1 所示。 该试验装置简单易于实现。但煤气喷嘴装于底面倾斜底加热炉侧壁，虽然可 使气流向上运动，有利于加速燃烧废气底紊流，便于废气排出炉体。但同时也会 使许多燃料来不及完全燃烧，降低热量底利用率，对活塞底加热不利。另外侧燃 不利于活塞温度场底模拟。 浙江大学动力机械及车辆工程研究所研制的活塞热冲击试验台架，采用高温 燃气( l p g + 0 。) 加热的方式，压缩空气、水联合冷却，计算机全自动控制。主要 优点： l 、加热和冷却速率快。一种典型的试验工况是：试件由1 0 0 升至4 0 0 ， 3 0 s ； 由4 0 0 降至1 0 0 。c ， 3 5 v 数字输入 o f f 状态输入电压 甘 。美 。嚣“亡3 ；棼 图3 11i 一8 0 9 1 伺服驱动模块管脚示意图 = 一 i 一 搿 篙 一 甏 。 浙江走学博士后出站报告 表3 - 61 8 0 9 1 伺服驱动模块管脚说明 管脚名称管脚编号 说明 + 5 v1内部+ 5 v 电源最大输出电流：5 0 m a c wp u l s e l2 x a x i sc w ( p u l s e ) 输出脚 c c wd i r l3 x a x i sc c w ( d i r e c t i o n ) 输出脚 h o l d l4 x a x i s 伺服o n 输出脚 g n d 5 2 ，3 ，4 脚的信号地 e x tv c c6限位开关的外接电源( 12 2 4 v ) o r g i7 x a x i s 的原点位置开关 ，l s l l8 x a x i s 限位开关 9 ，1 0 未用 几s 1 41 1 x _ a x i s 限位开关 e m g1 2 紧急开关输入 e x tg n d1 3 限位开关的外部地 + 5 v1 4 内部+ 5 v 电源，最大输出电流：5 0 m a c wp u l s e 21 5 y _ a x i sc w ( p u l s e ) 输出脚 c c wd i r 21 6 y _ a x i sc c w ( d i r e c t i o n ) 输出脚 h o l d 21 7 y _ a x i s 伺服o n 输出脚 g n d1 8 1 5 ，1 6 ，1 7 脚的信号地 e x tv c c1 9 限位开关的外接电源( 1 2 2 4 v ) ，0 r g 22 0 y a x i s 的原点位置开关 几s 2 12 】 y _ a x i s 限位开关 2 2 2 3 未用 l s 2 42 4 y _ a x i s 限位开关 e x tg n d2 5 限位开关的外部地 3 4 4 伺服放大器的选择1 3 2 1 i - 8 0 9 1 伺服驱动模块并不能直接驱动伺服电机，需由伺服放大器将驱动信号 加以放大，方可驱动伺服电机。所选用的伺服电机及其配套放大器为三菱公司 的通用交流伺服系统m e l s e r v o j 2 一s u p e r 系列产品。该产品是在 m e l s e r v o - j 2 系列的基础上开发的具有更高性能、更多功能的伺服系统。该系 统的控制模式有位置控制、速度控制和转矩控制三种模式。还有位置速度控制、 速度转矩控制、转矩位置控制这些切换控制方式可供选择。本伺服放大器应用 领域广泛不但可用于工作机械和一般工业机械等需要高精度位置控制和平稳 浙江走擘博士嚣出站挂 速度的应用，也可用于速度控制和张力控制的领域。此外，本产品还有r s 2 1 和r s 4 2 2 串行通讯功能。通过安装伺服设置软件和个人计算机，就能进行参i 设定、试运行、状态显示和增益调整等操作。 伺服放戈 r o dc n l b 一3 ( 注3 1 ” c 删c h f b 一1 3 僦g d = “ j 土此鞴钉性不嗣l s pc n l b 一1 6 反转行程末蜡l s nc n l 8 - l7 外部转矩限制 o 复位 t lc n l b 一， f c n i b - 1 4 i 撇洼曲1 ) c n l b - i o 碰制动器 输出：一h ： _ l 。i d 紧急停止 i 艰雎最席 e m gg n l b - 1 5 s 口no n l b 岫 输出 ，d 、o ， - 一? 一一方、o a 鸥f e l 模式 一* 一一 o - 、o b s r a b s 请求： a b s mc h l b 一8 a b s “l0 。 c n l b - 9 复位 a b sb l t 1 。 d 0 1c h l b - 4 输入 一6 、十z s pc n l b - 19 传输数据准备完毕： 驾i t l cc n b e i o 单元 女鼍控翱l m i s n c n l 一1 0 ：孓三停止 9单元 停业信号 c n l b - 3电源( 2 4 v ) l v d d c n l a - 1 9 准备完毕 r o o n l 一4 零点信号 p ，5 r o pc n l a 1 4 ， _ 翻c n l 一8 清障 ，- s gc n l a 2 0 ， p p c h i 一3 指令脉冲 c h l 一1 3 ，- 电极， i p 0 c n l a - 2 - 一 ) i ，t h p c h i a - 1 2h g p 1 5 r c n l b - 1 1l - m 设定自 】 t l ac h l b 1 2 慧紫罄丈转矩0 i ； ， i 。 c ：n i b l l l 0 屏藏媸s d 新江大学簿：- g - 出站报告 冲串控制电机速度和方向。位置控制的分辨位1 3 1 0 7 2 脉冲转。此外还提供了位 置斜坡功能，并可以根据机械工况从两种模式中进行选择。当位置指令脉冲急 剧变化时，该功能实现了平稳的启动和停止。通过实时自调整，可以根据机械 情况自动的设置增益。另外，急剧加速或过载而造成的主电路过流会影响功率 器件，因此伺服放大器重采用了嵌位电路以限制输出转矩。转矩的限制可用模 拟量输入或参数设置的方式调整。( 2 ) 速度控制模式通过模拟速度指令( 0 1 0 v d c ) 和参数设置的内部设定( 最大7 速) ，可对伺服电机的速度和方向进 行高精度的平稳控制。此外，还具有用于速度指令的加速时间常数设定功能、 停止时的伺服锁定功能和用于模拟量速度指令的偏置自动调整功能。( 3 ) 转矩 控制模式通过模拟量转矩输入指令( o 8 v d c ) 和参数设置的内部转矩指令 可控制伺服的输出转矩。为防止无负载时电机速度过高，可通过模拟量输入或 参数设置来设定速度控制。本功能可用于张力控制等场合。 伺服系统的标准接线方式如图3 1 2 所示。 3 4 5 安全系统的设计 一、防爆电磁阀 当发生异常情况，需要立即切断燃气源，停止加热。因此燃气管路上要安装 相应的电磁阀。为安全起见，选用z c t p 系列二位二通防爆电磁阀。它利用电磁 吸力和介质的工作压差，完成系统中气体、液体、蒸气等各种介质的远程控制或 接受计算机等电信号达到自控目的。结构简单紧凑，安装位置任意，带防爆盒密 封装置，可安全地适用于具有b 级，t 4 组的爆炸性环境中。 二、试验台的防过冲与移动平台的到位 当试验台的移动平台过冲时，向嵌入式控制器输入信号，嵌入式控制器再输 出信号，立即报警并切断燃气、冷却水的供给。同时，向伺服电机的伺服放大器 输出开关量信号，伺服电机急停。当移动平台到位后，光电传感器接收到信号， 产生控制动作。相反嵌入式控制器接受不到移动平台的到位信号，立即报警。 系统的到位信号要求精度较高，选用p m - k 5 3 光电传感器。对过冲信号的要 求精度相对较低，选用k w 。一l z 限位开关。其安装如图3 1 5 所示。 三、燃气报警器 燃气报警器在燃气泄漏量超标时，发出报警信号，并向i - 8 8 1 1 输入信号， 驱动i 一8 8 1 1 的报警程序，终止一切试验。选用家用j m b a 型燃气报警器，对其 进行改进，输出开关量信号，并配上警笛，燃气泄漏时，产生呜叫。接线图如图 3 1 6 所示。 浙江走学博士蓐t f ：站报告 1 ，左过冲限位开关2 右过冲限位开关3 左过冲急停开关4 右过冲急停 2 开关5 左到位传感器6 右到位传感器7 移动平台手柄8 试验台支架 图3 1 5 过冲、定位传感器安装示意图 图3 1 6 燃气报警器的接线 3 5 活塞热冲击试验系统硬件总成 根据上述的硬件选用方案，活塞热冲击试验台架硬件系统的总体框图如图 3 1 7 所示。试验过程中，在温度模式下，通过a d 采集模块将活塞的温度转换 为数字信号，传入i 。8 8 1 1 控制器，控制器以温度作为控制信号，按预定程序采 取相应动作，如驱动伺服电机动作，打开、关闭冷却阀组等，光纤测温系统已录 此时的加热火焰温度，定时器记录活塞的加热和冷却温度：在时间模式下，保持 火焰温度与温度模式相同，以活塞的加热和冷却时间为控制参数，进行活塞热冲 击试验；对于突变工况的模拟，首先利用千冰将活塞冷却到- - 4 0 一5 0 。然 后以温度控制模式进行活塞的热冲击试验，在该模式下，活塞温度的采集速度为 2 3 m s ，从而可以得到活塞在加热和冷却过程中的温度的瞬态变化；在以上几种 工作模式中，上位p c 机的作为是试验数据的记录与处理，以及试验过程的动态 监控。 溉江走擎博士看出站报告 火焰 伺服电机 ga 三三刍高速a d ib i 采集模块 r 嵌 j光纤测温系统 l。 通 入 讯 限位开关、光电传感器 i 式 - - - 模 问服放大模块k - t 伺服驱动模块k - 控 块 冷却水加热器+ 一 制 燃气报警器_ 一 继 冷却阀组+ 一 电 器 燃气总阀+ 一 器 , 1 1 - - - - - - - - - - 一 图3 一1 7 控制系统功能框图 浙江走擘博士岳出站报告 第四章控制系统软件设计 4 1 软件设计的总体方案 热冲击试验台控制系统的软件设计包括下位机嵌入式控制器控制程序的设 计、上位机p c 机的界面显示程序的设计以及它们之间的通讯程序设计。本试验 台利用b c + + 编写i - 8 8 1 1 控制器的执行程序，v i s u a lb a s i c 编写上位p c 机部分 的程序。 当热冲击试验台运行时，试验人员直接操作和监控的是计算机。参数的输入 和输出都通过p c 机。运行前的参数设置在p c 机上进行。运行时，活塞温度、 冷却水温度、试验已完成的循环次数等参数都要在p c 机上显示，试验台的实际 运行状态( 包括系统报警及其原因) 也要在p c 机上显示。试验完毕后，p c 机 可直接输出数据报表。通过r s 4 8 5 串行通讯口，p c 机与1 - 8 8 1 l 控制器交换数据。 1 - 8 8 1 1 控制器进行试验台运行的数据采集和控制工作。根据试验台的控制流程， 可将控制系统的软件划分为如下几个模块。 上位 机程 序 下位 机程 序 * 。一一一一一一- 一一- 一一一一一- 一- - 一- - - 一- - - - - 一一一一一一一一一一一一二 图4 - 1控制系统软件设计框图 试验台运行分为三神情况：开始一次新的试验、继续上次试验和监控本次试 验。 1 开始一次新的试验。试验台运行前，试验人员通过p c 机进行试验参数 的设置，并将参数传递给i - 8 8 1 l 嵌入式控制器。 溉注定喾博士君畦：站报告 2 监控本次试验。对热冲击试验台的上位机与下位机的要求是：试验台一 旦开始运行，即使关闭上位机，下位机也能正常工作，试验台正常运行，即试验 台的运行不受上位机的影响。同时，试验台运行时，随时打开上位机都能监视到 试验台的运行状况，如活塞已经受加热一冷却循环冲击的循环次数、所设置的活 塞最高最低加热温度、活塞各测点的温度值，活塞加热以及冷却的时间等。所以 在此种情况下，上位机的程序运行时，不需设置参数，而直接从下位机读取数据。 3 继续上次试验。由于停电和报警终止等异常情况的发生，试验台的运行 被突然终止。在排除隋况后，需要继续执行上次的试验。此时不需要进行运行参 数设置，上位机直接从数据库中调入数据，运行试验时，传递来自数据库的数据 给下位机。 采用嵌入式控制器和p c 机的组合，兼顾了运行可靠性和界面友好性的要求。 二者之间合理的通讯协议是保证其协调工作的前提。本试验台中p c 机与嵌入式 控制器的通信协议设置为：上位机根据不同的情况，向下位机发出不同命令，下 位机接受到上位机的命令后，再执行相应的数据传输。如当上位机需要下位机采 集的温度数据时，发送给下位机字符“) ”，下位机接受到该信号，立即向上位机 发送数据。 该试验台架进行活塞热冲击试验时，虽然存在温度控制，时间控制，突变工 况下的实时控制三种不同的模式，但是模拟活塞热冲击的基本原理是一样的，因 而，各中模式的编程大同小异，以下将从上下位机两个方面介绍一下系统软件设 计的几个关键部分。 4 2 上位p c 机软件的设计 p c 机程序的开发使用了v i s u a lb a s i c ( 以下简称v b ) 中文版，编程时力求： 能够方便、可靠地与嵌入式控制器通讯：能够提供丰富友好的用户界面，包括具 有强容错性的参数输入界面，试验台实际运行状况的动态显示界面，以及活塞各 测点温度的动态监测界面等等；同时能够方便、安全、快捷地对数据库进行操作， 进行查询和报表处理等。 1 上位机程序窗体设计 热冲击试验台的v b 程序中设计的窗体如图4 2 所示。其中，进入上位机程 序窗体，用于对热冲击试验台程序的保护作用，此窗体输入正确的密码，才能运 行上位机的程序，进入试验台运行情况选择窗体，该窗体用于选择三种可能遇到 的运行试验台情况。当上位机载入该窗体时，触发了f o r m _ l o a d 事件。在该事 件中设置的程序为：载入数据库文件、报表文件、测点设置文件。若缺乏相应的 文件，指出错误。然后上位机发出信息至下位机，若接受到下位机试验正在进行 的信息，则“监控本次试验”按钮将变为有效状态，“开始新的试验”和“继续 浙江走擘博士后出虹报告 上次试验”按扭无效状态，选择“监控本次试验”按钮，上位机进入试验台运行 状念的显示界面。否则，如图4 - 4 所示，“开始新的试验”和“继续上次试验” 按扭成为有效状态，“监控本次试验”无效。选择“开始新的试验”和“继续上 次试验”按钮，上位机进入试验台主菜单选择界面( 图4 3 ) 。在其f o n m _ l o a d ( ) 程序中，在选择“开始新的试验”的情况下，设置“进行试验”和“数据处 理”按扭无效状态，因为尚没有进行参数设置，本次试验也无数据记录。 叫参数设置窗体 试 进 验 试验台运行状态活塞温度显 入 厶斗+ 上 试验 口 显示窗体示窗体 主 台运 位 菜 行情 测点安装位置显 机+ 堕 + 示窗体 温度曲线显i 程 况选 选 示窗体 序 择窗 择 j? 7 窗 体 叫黼煳雠n 数黧显 窗 体体 图4 - 2 上位机程序的窗口图 “试验参数”、“活塞测点示意图”、“进行试验”、“数据处理”按扭的c l i c k 事件分别载入运行参数设置窗体、活塞测点示意图窗体、试验台运行状态显示窗 体、试验数据处理窗体。但在选择“继续上次试验”的情况下，运行参数设螽：的 窗体中触发记录参数的控制按扭在载入窗体时被设为无效状态。 图4 - 3 试验台运行情况选择界面 浙江走学博士后出站报告 图4 4 试验台主菜单选择界面 2 试验台运行状态界面的程序设计 在此界面，试验人员可以开始运行、终止运行等控制命令。同时试验台运行 时，不仅要显示测点温度、冷却水温度、循环次数等运行参数，还要显示试验台 的运行状态以及控制点的温度曲线。所设计的界面如图4 5 所示。 圈4 - 5试验台运行状态显示界面 其程序设计思路：对试验台运行状态显示界面的程序设计分为命令程序的设 计、运行状态的界面程序设计、控制点动态曲线程序设计。 一、控制按扭及其驱动程序的设计 对“开始试验”、“结束监控”、“活塞温度”、“返回”、“监测点”、“终止试验” 浙江走拳博士君出站报告 按扭采用s s c o m m a n d 控件，响应s s c o m m a n d _ c l i c k ( ) 事件，即当用鼠标单 击该按扭时，调用应用程序。 按“开始试验”按扭时，试验台将开始运行。为此，系统要进行上下位机之 间通讯的测试；上位机设置的运行参数向下位机的传递：试验台自检的操作( 包 括：移动平台的运行、光电传感器等是否工作正常以及对移动平台的初始定位) ； 检查水箱的冷却水水温，若冷却水温度小于参数设置中的冷却水温，则计算机将 显示“加热冷却水”，按下“确定”按钮，则开始加热冷却水。当冷却水加热到 设置温度时，冷却水加热完毕。各项测试正常完成后，在界面上对相应的项目之 后显示“成功”。然后显示“手动点火”指令( 如图4 6 所示) ，“开始试验”按扭 的c l i c k ( ) 程序流程图如图4 7 所示 “结束监控”按扭的c l i c k ( ) 程序结束上位机对试验台运行状态的监控， 使“返回”按扭变为有效，停止与下位机交换数据，但不影响下位机的程序正常 运行。“活塞温度”按扭的c l i c k ( ) 程序调入活塞温度显示窗体。程序设计方法 为：在活塞温度显示窗体中绘制m s f l e x g r i d 控件来显示活塞a 和活塞b 的温度， 根据下位机传送来的循环次数、运行时间、活塞温度数据，实时显示各数据。根 据试验台的运行状态，将正在加热的活塞用红色显示，冷却的活塞用蓝色显示。 当m s f l e x g r i d 控件的五行全部显示完毕，刷新一次，继续显示。“返回”按扭的 c l i c k ( ) 程序退出上位机的运行状态显示界面，回到试验台主菜单选择界面。“监 测点”按扭是为了选择活塞a 、b 上- - n 点，直接在此见面显示其温度，绘制其 温度变化曲线。按下“监测点”按扭，显示监测点的布局示意图。“终止试验” 按扭的c l i c k ( ) 程序为上位机向下位机传送终止试验的信息，下位机程序发出 命令，停止系统的一切动作。驱动氧气阀和燃气阀，关闭氧气的供给和燃气的供 给，终止燃气加热器的动作。驱动冷却阎组，终止冷却系统的动作。发出信号使 伺服电机停止运转，终止行走机构的运转。在此不再一一叙述。 二、试验台实际运行状态显示程序设计 在图4 5 所示运行状态显示界面中，要实时地显示试验台的实际运行动作， 如试验台正在加热哪个活塞、冷却哪个活塞、移动平台在移动否。图4 8 表示试 验台正在加热活塞a ，活塞b 已冷却完毕。 程序设计方法为：试验台在运行时，通过m s c o m m 控件计算机向下位机发 送取数据信号。下位机接受到该信号时，将循环次数、冷却水温度、活塞各测点 温度、试验台的状态信号组成的数据串发送至输出缓冲区。通过f x 2 3 2a d p 通 讯模块，将该数据送至计算机的输入缓冲区。计算机受下位机传送来的数据串， 分析处理该数据串，分别取出各参数。在图4 5 所示界面的a 监测温度、b 监测 温度、循环次数、冷却水温度栏中显示各参数。并根据不同的状态信号，调用不 同的子程序，显示试验台的运行状态。 淅4 走擘博士岳出站报告 图4 - 6 试验准备工作提示界面 试验台的正常运行状态有：加热活塞a ，无活塞冷却。活塞a 加热完 毕，移动平台右移。移动平台右移结束，打开右边冷却阀，冷却活塞a ，加热 活塞b 。活塞a 冷却结束，关闭右边冷却阀，活塞b 加热仍在进行中。活 塞b 加热完毕，移动平台左移。移动平台左移结束，打开左边冷却阀，冷却 活塞b ，加热活塞a 。活塞b 冷却结束，关闭左边冷却阀，活塞a 仍在加热 中。试验正常结束。对不同的试验状态利用不同的标识符，编制相应的子程序， 动画显示各状态。 当试验台出现故障报警时，试验台的报警状态有：活塞过热，冷却时间超 出加热时间。试验台移动平台超过预定的行程，移动平台过冲。活塞加热时 间超过参数设置中的最大加热加热时间，活塞加热超时。移动平台超过预定的 时间还未到位，运行超时。燃气泄漏超过预定的标准。燃气加热器的冷却水 压过低。当上位机显示这些故障时，要给出可能的原因。 三、监测点温度的曲线程序设计 热冲击试验台运行时，根据选择的监测点。在运行时间监测点温度的坐标 系中，绘制监测点的温度曲线。程序设计思路为：在热冲击试验台运行状态显示 窗体内绘制f r a m e 控件，再在f r a m e 控件内绘制出横坐标( 运行时间) 和纵坐 标( 监测点温度) 。纵坐标范围为0 4 5 0 c ，来自i 一8 8 1 1 控制器的活塞测点温度 值转化相应的纵坐标，与前一次所测得数值连接成线。横坐标随着运行时间的变 化而不断刷新，每次显示5 分钟。试验的运行时间从“手动点火”成功时开始记 录。 4 断汪天学诲士垂出站报告 图4 7 “开始试验”c l i c k ( ) 按钮流程图 溉汪走学博士岳出站报告 图4 8 试验台运行动作动画显示界面 3 试验台数据处理的程序设计h 0 l 一、数据库的设计 设计数据库时要确保数据库内数据的精确性。数据精确性不仅指单独数据项 目的正确性( 称为数据的有效性) ，而且还包括数据表之间的关系的正确维护( 称 为数据的完整性) 。j e t 数据库和j e t 核心支持两种类型的数据完整性监控形式以 及两种数据的有效性形式。确保数据表中的每一条记录都由一个字段或者字段的 组合( 复合关键字) 进行唯一的标识。指示完整性，确保数据表之间的关系进行 正确的维护。字段级有效性，确保字段中的信息位于特定的值域中。记录级有效 性。利用其它字段中的数据对当前字段的信息进行检查，或者检查字段组合结果， 观察它是否满足某一标准。 热冲击试验台需要记录的试验数据有参数设置界面中设计的各参数和试验 台运行时的运行参数( 包括运行的时间、循环次数、各测点的温度、冷却水的温 度等) 。对于参数设置中的参数，一次试验只需记录一次。但运行参数的记录需 要不停的访问数据库。如果将所有的参数放到一个数据表内，就造成了数据重复。 为了避免重复，创建两个数据表，一个表记录设置参数( 称为总表) ，另一个表 记录运行参数( 称为从表) 。 总表中设置的字段有：试验代号、活塞a 编号、活塞b 编号、试验开始时 间、试验结束时间、活塞a 测点个数、活塞b 测点个数、设置的循环次数、己 完成的循环次数、最高控制温度、最低控制温度、冷却水控制温度、环境温度、 记录数据间隔的循环数。因为对应于每一次试验，它的试验代号是唯一的。所以 设置“试验代号”为该数据表的主关键字，通过它表示一条唯一记录，并与从表 相联系。 从表中设置的字段有：试验代号、循环次数、一个循环中记录试验数据的序 号、当前的试验日期、当前的实际时间、试验台的运行时间、冷却水温度值、测 点1 一n 点1 1 的温度值。记录序号是为了识别选定循环次数的数据记录，因此设 黄“试验代号”、“循环次数”、“记录序号”为关键字段，即这三项可确定次表中 赣江走学博士岳盎站报告 的唯一一条记录，确保了数据的完整性。 二、数据处理程序的设计 热冲击试验台对数据库的访问主要是：在试验的参数设置完毕后，向数据 库中的主表增加新记录。当试验台运行时，在某些循环次数下需要储存活塞温度 等数据，向数据库从表添加新记录；整理数据库时，删除某些不再需要的记录； 查找某次试验的一个循环次数的数据时，搜索该循环次数的试验记录。试验数据 处理界面显示如图4 - 9 。在数据库中，包括本次的试验数据和以前各次的试验数 据。在数据处理状态下，可以处理数据库中有记录的所有各次的试验数据。 图4 - 9 数据处理界面 程序设计方法：在数据处理窗体内绘制两个d a t a 控件，分别与数据库中记 录设置参数的主表和记录运行参数的从表连接。绘制三个f r a m e 控件，分别标识 为查询参数、试验概况和活塞温度。向查询参数的f r a m e 控件内添加两个 c o m b o b o x 控件，分别代表试验代号和循环次数，响应c l i c k 事件。在数据处理 窗体载入时，即在f o r m l o a d ( ) 的程序中，刷新数据库主表和从表的数据控 件，将主表里所有的试验代号加入“试验代号”的c o m b o b o x 的列表项中。其 中，缺省的初始选择为最近一次试验的试验代号，并在循环次数的c o m b o b o x 的列表项中加入此次试验时，记录过数值的各循环次数。在试验概况f r a m e 控件 内添加一组t e x t b o x 控件，其d a t a s o u r c e 属性都设置为数据库主表的数据控件， d a t a f i e l d 属性分别为主表的各字段。当主表的d a t a 控件刷新时，t e x t b o x 拄件 的内容也相应地发生变化。在活塞温度f r a m e 控件内绘制m s f l e x o r i d 控件，并 绑定与数据库从表的数据控件，当该数据控件刷新时，m s f l e x g r i d 控件的内容 也相应发生变化。 为了实现数据控件的刷新，利用结构化查询语言( s q l ) 。在获得数据表时 s q l 可以对字段和数目进行限制，并且可以排序所生成的记录集。查询数据库 浙江走拳博士岳出站壤告 的s q l 语句格式为：s e l e c t ( 字段表) f r o m ( 表格清单) w h e r e ( 表 达式) 。其中，字段表表示要选择的字段，表格清单表示要查询的数据表，表达 式用于过滤数据或限定记录集的子集，可用v b 的内部函数和运算符。 当选择一个试验代号时，“试验代号”c o m b o b o x 控件中的c l i c k 事件发生。 在其c l i c k ( ) 程序中，读取所选择的试验代号，s q l 语句对主表的数据控件进 行刷新，获取该试验代号下的主表中各字段内容。从而刷新试验概况栏中的内容。 当选择一个循环次数时，“循环次数”的c o m b o b o x 控件的c l i c k 事件发生。在 其c l i c k ( ) 程序中，读取所选择的循环次数，利用s q l 语句对次表的数据控件 进行刷新，获取所选试验在该循环次数下的从表中活塞温度数据。活塞温度栏中 的数据表格各项数据也随之发生变化。 “打印报表”、“显示曲线”、“删除记录”、“结束”按扭选择s s c o m m a n d 控 件，响应c l i c k 事件。 试验数据的报表制作利用了c r y s t a l r e p o r t 软件，预先制作好报表的格式。 v b 中提供c r y s t a l 控件，可以调用预制的报表格式。该控件也可与数据控件绑定， 从而能够方便地处理数据库中的数据。在“打印报表”按扭的c l i c k 事件中设嚣 的程序调用含c r y s t a l 控件的数据报表窗体，并刷新数据控件，就可输出指定试 验的某一循环次数的数据表格。 4 上位机通讯程序的设计 上位机通过串行口与下位机进行通讯。v b 中的m s c o m m 控件为应用程序 提供串行通讯功能，通过对m s c o m m 控件的各属性的设星或读取实现对串行端 口传输和接收数据。m s c o m m 常用的属性有： c o m m p o r t ：设置芽返回通讯端口号。 s e t t i n g s ：以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。 p o r t o p e n ：设置并返回通讯端口的状态。也可以打开和关闭端口。 i n p u t ：从接收缓冲区返回和删除字符。 i n p u t l e n ：接收缓冲区的大小。 o u t p u t ：向输出缓冲区写一个字符串。 m s c o m m 控件常用o n c o m m 事件来驱动通讯。例如，当c a r r i e r d e t e c t ( c d ) 或r e q u e s tt os e n d ( r t s ) 线上一个字符到达或一个变化发