（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟仪器的四杆机构实验系统设计.pdf

摘要 在工科教学中，实验教学对于提高教学质量，全面培养学生的综合素质与实践能力有着至关 重要的作用。针对本校机械原理教学中原有的四杆机构运动特性测试实验内容单一，实验结果精 度差的问题，综合利用计算机技术、数据采集技术、传感器技术，设计了基于虚拟仪器的四杆机 构实验系统，提高了实验精度，扩展了实验系统功能。 本实验系统以p c 机为硬件平台，以n i 公司开发的l a b v i e w 为软件平台，具有自动控制四 杆机构的运动，实时检测分析运动参数的功能。 四杆机构由三相异步电机驱动，根据可控硅无触点开关原理，采用固态继电器器件，设计了 控制驱动电路，解决了异步电机的启动、停止、正反转控制的问题：利用步进电机控制连杆的尺 寸变化，方便地获得了连杆长度对机构运动性能的影响：为了保证系统的可靠性和精度的要求， 采用绝对式编码器动态的测量从动杆的角度坐标，进而得到角速度和角加速度，实现了对运动参 数的实时检测与分析。 经过实验验证，系统准确地测定了平面四杆机构运动参数曲线，达到了预期的目的。 关键词：四杆机构，虚拟仪器，绝对式编码器，固态继电器 a b s t r a c t i ti sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et e a c h i n gq u a l i t ya n dt r a i ns t u d e n t sa l l a r o u n dw i t hc o m p o s i t i v e m a k i n ga n dp r a c t i c ea b i l i t yb ye x p e r i m e n t ，d u r i n gt h ee n g i n e e r i n gc o l l x s et e a c h i n g t h ee x i s t i n go f f o u r - b a rm e c h a n i s me x p e r i m e n ts y s t e mu s e df o rt h em e c h a n i c a lp r i n c i p l ei n s t r u c t i o n a lo fo u rc o l l e g e ， j u s tp r o v i d e ds i m p l e xe x p e r i m e n tc o n t e n ta n dl o we x p e r i m e n t a lr e s u l tp r e c i s i o n t h en e we x p e r i m e n t s y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t ，s y n t h e s i z e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , a n dt h ee x p e r i m e n tw a se x t e n d e d t h ee x p e r i m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hl a b v i e w ( n 1 ) b a s e do np c # a f f o r m i tc a nc o n t r o lt h e a u t o m a t i co p e r a t i o no ft h es y s t e m ，a n dh a v et h ef u n c t i o no fm e a s u r i n gt h er e a l - t i m em o v e m e n t p a r a m e t e r sd u r i n gt h et r a n s m i t t i n g a c c o r d i n gt os i l i c o n - c o n t r o l l e dn o n - c o n t a c ts w i t c hp r i n c i p l e ，t h r e ep h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o rw i t h s o l i d - s t a t er e l a yt or e a l i z et h es t a r t i n g ，c e s s a t i o na n dn o r m a l r e v e r s et r a n s f e r , i su s e dt od r i v ef o u r - b a r m e c h a n i s m s t e p - s e l v om o t o ri su s e dt oc h a n g ep h y s i c a ld i m e n s i o nf o ro b t a i n i n gt h ee f f e c to ft h e d i m e n s i o na l t e r a t i o no nk i n e m a t i cp a r a m e t e r se x p e d i e n t l y a b s o l u t ee n c o d e r 州t l li t ss a t i s f i e dr e l i a b i l i i y a n da c c u r a c yi su s e dt om e a s u r et h ea n g e lo ff o l l o w e rl e v e r ，t h ec a l c u l a t et h ea n g u l a rv e l o c i t ya n d a n g u l a ra c c e l e r a f i o nt oa c c o m p l i s hr e a l t i m em e a s u r i n ga n da n a l y z i n go fe x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tk i n e m a t i cp a r a m e t e re m n eo ft h ef o u r - b a sm e c h a n i s mc a nb em e a s u r e d a n dd r a w na c c u r a t e l yw i t ht h i ss y s t e m ，a n di tm e tt h ee x p e r i m e n tr e q u i r e m e n t k e y w o r d ：f o u r - b a rm e c h a n i s m ，v i r t u a li n s t r u m e n t a b s o l u t ee u c o d e r ，s o l i d - s t a t er e l a y ( s s r ) i i 独创i l 声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得中国农业大学或其它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 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：残清i i i m ：1 衫年月，工日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 纯清 时间：们，年厂月，工日 导师签名：刁散考 时间：1 矿彩年易月j 良日 第一章绪论 1 1 实验的分类 实验是一门古老的学科，它随着人类的生产活动一起诞生，慢慢改进、进化，成为- - i _ 独立 的学科，并一步步走向专业化、精确化。一切自然科学都来源于实验，都是在对自然现象观察的 基础上从生产实践和科学实验总结发展起来的，尤其是当今时代的高科技，大多都是通过实验 得到的，而实验过程中相应实验设备的作用是不可替代的。一个好的实验设备往往是一个学科发 展的关键，对科学技术的发展有着重要的意义。朱静院士曾观点鲜明地阐述了实验室建设与学科 建设的辩证关系：一个好的实验室是学科发展的一个关键，学科建设推动了实验室的建设，实验 室建设又促进了学科的建设，一流的学科需要有流的实验室，学科的发展必然要求实验室的建 设”。 根据分类角度不同，实验有多种分类方式。饲如可以按照学科分类、结构分类、组成原理分 类等等。就实验的教育意义而言，大致可将实验分为三类。即基础型实验、综合型实验和创新型 实验p 】。 ( 1 ) 基础型实验，指满足课程教学需要的基础性原理实验，可以为学生学好专业知识打下 坚实基础。 ( 2 ) 综合型实验，指采用先进技术手段，反映现代科技发展，体现科学性、先进性、新颖 性的实验。其主要目的是锻炼学生运用多种技术综合设计的能力。 ( 3 ) 创新型实验，指给学生提供自行设计、制作、调试等环节的实验操作平台使学生通 过实验提高动手能力和创新意识的实验。 按照实验的操作主体可分为演示实验和操作实验。 ( 1 ) 演示实验主要用于教学或培训。通过实验可以帮助学生加深对所学科目的理解或者使 培训人员熟练操作某种设备。演示的方式既有实物的实际动作演示也有动画仿真演示。这类实验 一般人机界面友善，操作简单直观，具有形象真实、生动有趣的特点，能使学生在形成概念、得 出规律之前，为其营造出活生生的情景。但是，从提高学生的素质和能力方面来讲，仅有这些功 能是远远不够的，并且这类演示实验过多依赖结果，也容易走入重结果而轻探究过程的歧途，由 于学生很多时候只能作为一个旁观者。这类实验缺乏互动性和主动性。 ( 2 ) 操作实验多以测量性、验证性和实用性实验为主，主要用于实验中的实验数据测量， 实验结果验证等。通过对实验数据的整理和归纳，使学生了解实验对象相关的性质，理解相关的 实验原理，甚至可以通过实验有原创性的发现。 近年来，由于微电子技术、计算机技术、软件技术和网络技术的高度发展及其在实验上的应 用，不断涌现的新的实验理论、实验方法、实验领域以及仪器结构在许多方面已经突破了传统仪 器的概念，实验仪器的功能和作用发生了质的变化。虚拟仪器的诞生带来的虚拟实验的概念，为 古老的实验科学注入新鲜的血液、增添新的活力推动着实验科学的改革与进步。 在引入了虚拟实验之后，传统的实验分类方式必须做调整，以下列举两例h ，如图1 - 1 所 示。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 分类一 实验教学 分类二 实验教学 - 单向式 演示实验 誓交互式 j 实际试验 本地实验 t 2 ，而摇杆的平均角速度为n k l = ，n k 2 = ，, 显然c 0 1 屿，即从动摇杆往复 l，。2 摆动的平均角速度不等，一快一慢，这种运动称为急回运动。用行程角速度变化系数k 表示急回 运动的相对程度，即： k ：纽：盟。! ! 旦! 塑( 2 - 1 、 。l 妒2 1 8 0 。一0 。 当曲柄机构在运动过程中出现极位夹角口时，机构具有急回运动特性，且口角越大，k 值越 大，机构的急回运动特性越显著。 2 2 虚拟仪器技术 伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电子测量技术领域的应用，测 量仪器不断进步，已从最初的模拟仪器依次发展到数字化仪器、智能化仪器和最新一代的虚拟仪 器。虚拟仪器与传统的仪器相比其主要特点有：具有更好的测量精度和可重复性系统组建时间 短。由用户定义仪器功能，可扩展性强和技术更新快等。虚拟仪器以软件为核心，其软件又以美 国国家仪器公司n i ( n a t i o n a l l n s t m u n e n t s ) 的l a b v i e w 虚拟仪器软件开发平台最为常用。l a b v i e w 是一种图形化的编程语言，主要用来开发数据采集、仪器控制及数据处理分析等软件，功能强大。 目前，该开发软件在国际测试、测控行业比较流行，在国内的测控领域也得到广泛应用1 1 4 j 【”】【”】。 2 2 1 虚拟仪器的特点 1 9 8 6 年美国国家仪器公司n i 首先提出了虚拟仪器的概念。这一概念的核心思想是：以计算机 作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理 等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一 9 中国农业大学硕士学位论文第二章基于虚拟仪器的四杆机构实验系统方案设计 体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能 资源的全新的仪器系统。虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统，即在通用计算机硬 件平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能，其实质是计算机硬件资源、仪器测 控硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合，以实现并扩展仪器的 功能【1 7 j 。 在传统仪器中，仪器是由制造商制作定型的，功能也是由制造商定义的。但在虚拟仪器中， 仪器硬件只是作为一个组成部分，它将与计算机软硬件一起工作，用来采集数据，提供信号，充 分利用了常用台式计算机或工作平台的计算、显示和互联网等诸多用于提高工作效率的强大功 能。有了虚拟仪器，工程师和科学家就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统而不用 再受功能固定的传统仪器的限制1 1 ”。 同时，虚拟仪器应用领域很广，在教学实验、电子测量、分析测试、航空航天视4 控、工业过 程控制等领域逐步代替了传统的仪器仪表【1 9 】。 综合考虑虚拟仪器的构成及工作原理，虚拟仪器具有如下技术特点【2 1 1 【2 2 】1 i 刎瞄j ： 1 、软件是核心 根据虚拟仪器系统的设计要求选定控制系统的计算机和一些标准化的仪器硬件模块或板卡 后，软件部分就成为构建和使用虚拟仪器的关键所在。其中，仪器驱动软件的功能是实现与仪器 硬件的接口和通信，应用软件则完成用户定义的测试和仪器功能，并提供人机交互界面，而开发 应用程序时，可以利用l i pv e e 、l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 等多种集成开发环境。 2 、开放性和灵活性 虚拟仪器的硬、软件具有开放性，模块化，可重复使用及互换性的特点可以方便的加入一 个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不用购买全新的系统，有利于测试系统的扩展，充分地 满足用户在不同场合的应用需求。 3 、低价位 虚拟仪器可以将在传统仪器中一些由硬件完成的功能转为由软件实现，减少了自动测试系统 的硬件环节。可以大幅降低系统开发成本和系统维护成本：用户可以随时根据需要调整虚拟仪器 的功能，实现一机多用；使用虚拟仪器解决方案，同时还为用户加快产品上市时间并提高产品质 量。 4 、插入式和网络化硬件 创建虚拟仪器时，有各种各样的硬 牛可供选择，从计算机插入式到网络化硬件，应有尽有。 这些设备提供一系列的数据采集功能，其价格却比专用仪器设备低廉很多。 2 2 2 虚拟仪器的基本结构 虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，以透明的方式把计算机资源( 如 微处理器、内存、显示器等) 和仪器硬件( 如a d 、d a 、数字、定时器、信号调理等) 的测 量、控制功能结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达、记忆等功能，如图2 - 3 所示， 虚拟仪器的内部结构分为采集与控制、数据分析、数据表达三大模块凹】。 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第二章基于虚拟仪器的叫杆机构实验系统方案设计 采集与控制 数据分析 数据表达 插入式数据采集板 数字信号处理 网络 g p i b 仪器数字滤波硬拷贝输出 v x i 仪器 统计文件i ，o r s 2 3 2 仪器数字分析 图形用户接口 图2 3 虚拟仪器的基本结构 目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡a o ) 系统、通用接口总线( g p mg e n e r a lp u r p o s e i n s t r u m e n t a t i o nb u s ) 仪器系统、v x i ( v w i eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 仪器系统以及三者问 的任意组合。虚拟仪器系统的基本框图如图2 _ 4 所示。 h 困一数积集卡卜一 - - tg p i b 接口仪器 1 数据采集卡 一 一串行接口仪器，p l c l 旧 呻 卜- j 肿v e e 、l a b v i e w 习 i 、l a b w m d o w s c v l 等 一 现场总线设各 t r 古斗苗nz i 址l 图2 4 虚拟仪器系统构成框图 1 、数据采集卡系统 一个典型的数据采集系统由传感器、信号调理电路、数据采集卡、计算机四部分组成，如图 2 - 5 所示。 图2 5 典型数据采集控制系统框图 现场信号经过传感器进入仪器的信号调理电路，经调理电路进行放大整形，然后再经数据采 集电路存入内存。整个过程由软件控制，采集到的数据由软件进行分析和处理。 2 、g p i b 仪器控制系统 g p i b 测试系统以g p i b 标准总线仪器和计算机硬件平台为基础，即由一台p c 机、一块g p i b 接口板卡和若干台g p l b 仪器通过标准g p i b 电缆连接而成的测试系统。 g p i b 是仪器系统互连总线规范。g p i b 技术是虚拟仪器技术发展的第一阶段。g p i b 技术的 1 1 中国农业大学硕士学位论文 第二章基于虚拟仪器的四杆机构实验系统方案设计 出现，使电子测量由独立的手工操作的单台仪器向组成大规模自动测试系统的方向迈进。 3 、v x i 仪器系统 v x i 仪器系统即以v x i 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。v x 总线是高速 计算机总线_ v m e ( v m eb u s 即：i e e e - p 1 0 1 4 总线标准) 总线在仪器领域的扩展，v x i 仪器 系统综合了g p i b 仪器和d a q 板的精华，将仪器与仪器、仪器与计算机更紧密地联系在一起。 v x i 的标准开放结构、即插即用和虚拟仪器软件体系结构等特点允许用户在组建v x i 系统时根据 自己的实际情况自由选择仪器模块，而不必局限于一家厂商的产品，从而使系统得到优化1 2 6 】。 2 2 3 虚拟仪器的软件平台 在给定计算机和必要的仪器硬件之后，构造和使用的关键在于应用软件，这是因为应用 软件为用户构造或使用提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。 虚拟仪器的应用软件通常可以分为两类。 l 、 基于传统的文本语言式的平台。主要是n i 公司的l a b w m d o w s c v i 、m i c r o s o f t 公司 v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、b o f l a n d 公司的d e l p h i 等。 使用此类软件进行开发具有较高的自由度，可以定义出具有独特个性的虚拟仪器多用于组 建大型测试系统或复杂的虚拟仪器，但是开发周期往往比较长开发难度比较大。 2 、基于图形化编程环境的平台。图形化软件开发平台的提出，可以大大减轻系统开发人员 的负担，使其将主要精力集中投入到系统设计中，而不再是具体软件细节的推敲上。 l a b v i e w 和h p v e e 是当前最为流行的图形化开发环境p 7 】，能够为用户提供简明、直观、易 用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条 将各种功能连接起来，省时简便，并且提供了大量的控件和仪器驱动程序可使用。开发者甚至可 以并不了解某种具体的开发语言就可以开发出一些简单的虚拟仪器。相对而言使用专用软件开 发虚拟仪器系统编程容易，开发周期短p j 。 2 2 4 虚拟仪器的现状和发展趋势 美国国家仪器公司( n 1 ) 是虚拟仪器技术的创始人与倡导者，成立近3 0 年以来，n i 一直在 为广大用户提供建立在诸如工业标准计算机及互联网等飞速发展的商业科技基础上的虚拟仪器 解决方案，彻底改变着工程师和科学家们的工作方式。虚拟仪器功能强大，可实现示波器、逻辑 分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统 的参数，如汽车发动机参数、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它可用于军事上的 装备测试和故障诊断，用于航天工程教育等众多方面。 美国惠普f ) 公司推出h p v e e 编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机， 用户可用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如t e k t r o n i x 公 司、r a c a l 公司等也相继推出了多种总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器p j 。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内得到了迅速发展。从上个世 纪9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、 1 2 中国农业大学硕士学位论文第二章基于虚拟仪器的四杆机构实验系统方案设计 成都电子科技大学等院校和中科泛华电子科技公司等高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟 式仪器设计平台以及引进消化n l 公司、h p 公司的产品等方面做了一系列有益工作，取得了一定 的成果。 虚拟仪器技术在测控领域掀起了一场革命，同时也给传统的教学研究带来了翻天覆地的变 化。美国国家仪器公司( n i ) 为各大高校教学实验室提供了低价位、高利用率的测试测量系统，例 如：2 0 0 4 年1 2 月清华大学精密仪器和机械系与n i 合作新建虚拟仪器联合教学实验室。n i 公司 向该系授予了整套最新的l a b v i e w 软件使用权，并捐赠了其他n i 软件以及完整的硬件平台，包 括多套p c i 数据采集设备、n ie l v i s 软件f n i 教学实验虚拟仪器套件1 、p c m c i a 数据采集设备、 p x i 系统、s c x l ( 信号调理) 系统和g p i b 板卡等，所有这些均可用于教学实验和科学研究的创新。 西安交通大学电气学院在现代测试技术课程教学中以n i 虚拟仪器系统为平台，开发了虚 拟仪器实验。学生通过仿真与实验，开拓思路，更好地理解该课程的内容。虚拟仪器的一机多用、 硬件资源共享等特点大大减少了实验室建设的投资p 0 】【3 1 1 。 虚拟仪器技术经过十几年的发展，标准化、模块化、软件化、网络化的开放式体系结构将成 为未来虚拟仪器重要发展方向。为了更方便用户使用，各仪器制造商和各仪器标准化组织。都不 断致力于对硬件和软件的标准化。v x l 技术的开放式体系结构和模块化的自动测试技术，使之成 为未来虚拟仪器理想硬件。以p c 机，特别以工控p c 为中心的体系结构，以其板卡的高性价比 和丰富的软件将被广泛应用。u s b 。f i r m w i r e 由于其简单、快速、价格便宜，将在未来的虚拟仪 器中得到广泛应用。v x i 即插即用系统联盟为实现接口独立，将v i s a 标准定为编程接口。可互 换虚拟仪器基金会( i n t e r e i t a n g e r a b l ev m u a li n s t r u m e n tf u n d a t i o n ) 提出了一种新的虚拟仪器驱动技 术，即m ( i n t e r c i t a n g e r a b l ev m u a li n s t r u m e n t ) 规范，比v x i 规范叉迈进了一步，使测试界工程师 能够建立与测试系统无关的高性能硬件设备，使仪器驱动程序成为仪器测试系统中的标准部件 p 2 p 3 1 。 2 3 实验系统总体设计方案及功能 本文设计了基于虚拟仪器的四杆机构实验系统。该系统采用以p c - d a q 为i o 接口硬件设备 的虚拟仪器测试系统，是以数据采集卡、定时计数卡、接口电路、传感器、步进电机、三相异步 电机和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。其中主动件曲柄由三相异步电机 驱动，采用固态继电器实现启动、停止、正反转控制。从动件摇杆由绝对式光电编码器测量 方位角，连杆尺寸由步进电机实现自动改变。数据采集卡和定时，计数卡把采集到的信号送入计算 机，并把计算机发出的控制信号输出到驱动电路对步进电机和三相异步电机进行开环控制。计算 机的处理过程由软件控制对采集到的数据进行分析处理，并将结果存盘。在实验过程中，软件 编制的图形界面实时显示运行、测试信息，实验完成后可对数据进行回放、分析、打印，并可方 便的查看历史记录。实验系统总体方案如图2 - 6 所示。 中国农业大学硕士学位论文 第二章基于虚拟仪器的四杆机构实验系统方案设计 接信 数 r r 口 号 据 四 码电调 采 杆u l 路理 集 减 机卡 计 冈 三 速构 算 1 y 相 器 实 曲 定 机 异验 步 时 冈 电 计 币u 数 信 机 习卡 号 剧 图2 6 系统总体方案图 表2 1 所列为新旧实验系统的功能对比： 表2 1 新旧实验系统功能对比 2 4 本章小结 运动参数的值 测量精度 解析值 杆件长度调节方式 调节范围 四杆机构启动方式 主动杆运动方式 无确切值 非常低 尢 手动 仅有两个长度值 控制箱+ 机械开关 正转 有确切值 高 有 自动控制 无级调节，2 0 0 1 m - 2 4 0 m m 鼠标点击 正反转 本章介绍了平面四杆机构运动学的理论知识和虚拟仪器测控技术的特点、结构，在此基础上 设计了平面四杆机构运动参数测试实验系统的总体方案，阐述了实验系统的功能要求。 1 4 中国农业大学硕士学位论文第三章四杆机构实验系统硬件设计 第三章四杆机构实验系统硬件设计 3 1 四杆机构实验系统硬件结构 实验系统本体结构如图3 - 1 所示。 图3 - 1 四杆机构实验系统本体结构图 图3 1 ( a ) 为学校机械原理实验室原有的四杆机构实验系统，由机架、异步电机、主动杆、 连杆、从动杆、角位移传感器等组成。图3 - 1 ( b ) 为经没计改装后的新实验系统，由机架、异步电 机、主动杆、步进电机、丝杠、从动杆、绝对式编码器等组成。其中主动杆安装在异步电机主轴 上，步进电机与连杆内部的丝杠相连，并与主动杆铰接，电机带动丝杠旋转以达到伸长或缩短的 目的，绝对式编码器为悬挂支撑，通过与其配套的联轴器和从动杆轴伸出端相连接并加以固定 当从动杆运动时，编码器输出二进制的位置信号。 本系统硬件主要包括六大部分：三相异步电机及其驱动电路、步进电机及其驱动电路、绝对 式编码器及接口电器、数据采集卡、定时计数卡和计算机。 3 2 方位角测量的硬件设计 3 2 概述 方位角、角速度及角加速度测量模块是本系统的一个核心模块。其中，方位角的值可通过采 集绝对式编码器的输出信号直接得到，角速度、角加速度的值由方位角经数值微分和二次微分得 到。与同时采用角位移、角速度、角加速度测量仪器的系统相比，本系统具有测试系统简单，性 能稳定可靠、附加相位差小、动态h 自应好等优点。 采集方位角信号的准确程度决定了后续的角速度、角加速度的计算精度以及信号分析处理的 结果，是开展四杆机构运动参数测试研究的先决条件。因此如何得到糙确的方位角信号，是课题 研究的重点。因此本系统的方位角测量装置应该满足下列要求： l 、能够可靠地测量出从动杆的方位角，且有足够的准确性。 2 、能保证实验系统在运转过程中，测量值不受外米因素如噪声干扰、断电等的影响。 3 、需要时可随时得到从动杆转动角度的绝对位置。 1 5 中国农业大学硕士学位论文 第三章四杆机构实验系统硬件设计 4 、测量装置容易安装和调整。 光电编码器是一种常用的测量转角的数字化传感器，集光、机、电技术于一体，用数字化信 息将角度、长度的信息以编码的方式输出，可以精确测量转角或直线方位角。具有精度高，测量 量程大，反应速度快，数字化输出，体积小，重量轻，机构紧凑，安装方便，维护简单，工作可 靠等特点。这种传感器以测量方式来分，可分为两大类，一是旋转编码器，用于转角、转速的测 量：二是直尺型编码器，用于直线方位角、运动角速度的测量。在旋转编码器中，以信号原理来 分，又可分为绝对式编码器和增量式编码器。 旋转增量值编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来计算其位置，当编码器不动或停电时， 依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，在工作过程 中，也不能有干扰而丢失脉冲，否则，计数设备计算并记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量 是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过 参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。 为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法 3 4 1 。这样的方法对有些工拉项目比较 麻烦，比如有些工控项目不允许开机找零( 开机后就要知道准确位置) ，于是就有了绝对编码器 的出现。 绝对式编码器的轴旋转时有与位置一一对应的数字量代码输出，从代码的大小变更即可判 别出正反方向和所处的实际转角位置，无需附加信号调理电路。具有记忆功能、抗干扰性能强、 接口电路容易设计等特点。本课题根据实验系统的方位角测量装置须满足的要求，选用绝对式旋 转编码器。 3 2 2 绝对式旋转编码器组成结构 光电编码器的内部结构由光学机械系统和电路系统两大部分组成，光学机械系统如图3 - 2 ( a ) 所示，主要包括：光源、码盘、狭缝、光电接收器、电子处理电路、轴系及相应的机械元件，码 盘( 主光栅) 与狭缝( 指示光栅) 构成光栅付，作为基本检测单元，码盘可随主轴同步旋转，其它组件 相对轴系不动【3 5 】。 图3 - 2 绝对式光电轴角编码器内部结构 1 6 中国农业大学硕士学位论文第三章四杆机构实验系统硬件设计 绝对式光电轴角编码器码盘如图3 - 2 ( b ) 所示。码盘上的码道按一定规律排列，对应每一个分 辨力区间有唯一的二进制数，在不同的位置可以输出不同的数字代码。 3 2 3 绝对式旋转编码器工作原理及信号输出 绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线。每道刻线依次以2 线、4 线、8 线、1 6 线编 排，用光信号照射分度盘( 分度盘与传动轴相联) 上的刻度盘，当机械轴旋转时码盘与狭缝之间 的相对运动产生明暗交错变化的条纹，位于狭缝后面的光电接收器通过读取每道刻线的通、暗， 以确定被测物的绝对位置值，然后将检测到的一组从2 的零次方到2 的n 一1 次方的唯一的二进制 编码( 格雷码或纯二进制码) ，转换为电信号以脉冲的形式输出，这就称为n 位绝对编码器。 绝对型编码器读出的信号是格雷码等数字信号，其错码几率较小，对于后部二次仪表的运算， 因是数字量计算，不易增加其误差，因此，其传输及计算的数据的可靠性高。 绝对值编码器信号输出方式有并行输出、串行输出、总线型输出p q 。 1 、并行输出： 绝对值编码器输出的是多位数码( 格雷码或纯二进制码) ，并行输出就是在接口上有多点高 低电平输出。以代表数码的1 或o ，对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码， 可直接进入p l c 或上位机的i o 接口，输出及时，连接简单。 2 、串行输出： 串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物 理形式有r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 等。串行输出连接线少，传输距离较远，可以大大提高对编码 器的保护和可靠性。 一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。 3 、现场总线型输出 现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起，通过设定地址，用通讯方式传 输信号，信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号。总线型编码器信号遵循r s 4 8 5 的物理格式，其信号的编排方式称为通讯规约目前全世界有多个通讯规约，各有优点，还未统 一，编码器常用的通讯规约有如下几种：p r o f i b u s d p 、c a n 、d e v i c e n e t 、i n t e i b t t s 等。总线型 编码器可以节省连接线缆、接收设备接口，传输距离远，在多个编码器集中控制的情况下还可以 节省成本。 3 2 4 绝对式旋转编码器接口电路 课题选用欧姆龙公司e 6 c p - a g 5 c 型绝对式旋转编码器，其输出形态是集电极开路n p n 负逻 辑并行输出输出信号低电平为0 v ，高电平最大为1 6 v 。本系统采用的数据采集卡对于高于2 4 v 的电压才能识别为高电平，因此需要将编码器的输出信号进行放大，以便数据采集卡准确识别。 如果直接利用数据采集卡自带的放大功能，那么数据采集卡将同时放大沿着信号源到数据采集卡 之间的导线进入的噪声。为了提高测量准确度，应该在接近信号源的地方进行放大。因此在编码 器的输出端用上拉电阻先对输出信号进行放大，然后再输入到数据采集卡。上拉就是将不确定的 】7 中国农业大学硕士学位论文第三章四杆机构实验系统硬件设计 信号通过一个电阻嵌位在高电平，增加高电平输出时的驱动能力，电阻同时起限流作用。 接口电路主要参数如下： 输入信号：0 v + 1 6 v 输出信号：0 v + 5 v 辅助电源：d c l 2 v 电阻：r 1 一r 8 = 1 k q 接口电路设计如图3 3 所示。 + 1 2 v+ 5 v 图3 3 绝对式旋转编码器接口电路 3 3 实现变杆长功能的硬件设计 o u t 0 o u t i o u t 2 o u t 3 o l r r 4 o 嘶 0 u t 6 0 u t 7 对于杆件长度的控制，课题采用步进电机实现精确的位置定位。 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制。并将电脉冲信号转变为方位角或线方位角的开环控 制元件。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内 的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。是较早使用的典型的机电一体化元件。步进电机 本体、步进电机驱动器和控制器是构成步进电机系统不可分割的三大部分p ”。 3 3 1 步进电机工作原理 以三相为例，电机转子上均匀分布有许多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分 别与转子齿轴线错开0 、1 3 t 、2 3 t ( 相邻两转子齿轴线间的距离为齿距，以壤示) ，即a 与齿1 相对齐，b 与齿2 向右错开1 3 t ，c 与齿3 向右错开2 3 t ，a 与齿5 相对齐( a 1 就是a ，齿5 就是齿1 ) 。 图3 4 是定转子的展开图： 1 8 图3 - 4 定转于的展开图 如a 相通电，b 、c 相不通电时，由于磁场作用，齿1 与a 对齐( 转子不受任何力，以下均同) 。 如b 相通电，a 、c 相不通电时，齿2 应与b 对齐，此时转子向右移过1 3 t ，齿3 与c 偏移为1 3 t ，齿 4 与a 偏移( t - 1 3 t ) = 2 3 t 。如c 相通电，a 、b 相不通电，齿3 应与c 对齐，此时转子又向右移过 1 3 t ，此时齿4 与a 偏移为1 3 t 。如a 相通电，b 、c 相不通电。齿4 与a 对齐，转子又向右移过1 3 t 这样分别经过a 、b 、c 、a 通电状态，齿4 ( 即齿1 前一齿) 移到a 相，电机转子向右转过一个齿 距，如果不断地按a 、b 、c 、a 通电，电机就每步( 每脉冲) 1 3 t 的向右旋转。如按a 、c 、 b 、a 通电，电机就反转。可见电机的位置和角速度与导电次数( 脉冲数) 和频率成一一对 应关系，而方向由导电顺序决定。 3 3 2 步进电机控制接口电路 使用、控制步进电机必须有环行脉冲、功率放大等组成的控制系统，其方框图如图3 5 。 图3 5 步进电机控制系统图 课题选用现有的北京和利时电机技术有限公司生产的2 8 b y g 2 5 0 c s a s s m q 瑚7 1 混合式步 进电机及其s h 2 0 4 0 3 细分驱动器。 1 、步进电机 2 8 b y g 2 5 0 c s a s s m q - 0 0 7 1 是两相混合式步进电机，技术数据见表3 - 1 。 表3 1 步进电机技术数据 静态相电 相电阻相电感保持转定位转矩转动惯量 相数步距角 流( a )( 0 ) ( m 卿矩0 q m ) 0 q m )( g e m )流( a ) ( 0 )( m 卿 矩 )( 20 9 1 8 0 73 41 60 0 90 0 0 6 1 2 注：袁中电机空载启动频率的测试条件为驱动电压4 8 v d c ：空载启动频率为半步方式 该电机驱动方式是双极恒流，接线如图3 - 6 所示。 1 9 中国农业大学硕士学位论文 第三章四杆机构实验系统硬件设计 a + ( 红) a 一( 蓝) b + ( 绿) b 一( 黑) 图3 6 步进电机接线图 2 、驱动器 s h 2 0 4 0 3 是两相混合式细分驱动器，其特点是： 利用驱动器面板上的步距拨码开关可组合实现整步、改善半步、四细分、八细分、十六细分、 三十二细分和六十四细分七种运行模式；利用驱动器面板上的电流拨码开关可输出o 9 a 、1 2 a 、 1 5 a 、1 8 a 、2 ，1 a 、2 4 a 、2 7 a 、3 a 八种输出电流：驱动器内部的开关电源设计保证了可以 适应较宽的电压范围，用户可根据各自的情况在d c l 0 v 到4 0 v 之间选择。 步进电机与驱动器接口电路如图3 7 所示。 图3 - 7 驱动器与步进电机接线图 3 4 主动杆驱动电机的控制电路设计 四杆机构实验系统的主动件曲柄由三相异步电机驱动，课题设计了驱动电路，在电机通 电之后，只需点击虚拟仪器软面板上的启动或换向按钮，即可控制三相异步电机启动、停止、正 反转，无需使用额外的机械或电气开关。 2 0 o n 3 中国农业大学硕士学位论文 第三章四杆机构实验系统硬件设计 3 4 1 三相异步电机工作原理 在三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组，在该三相对称绕组中通入三相对称交流 电流，就可产生一个“旋转磁场”。旋转磁场的磁力线切割转子导条，导条中感应出电动势。在电 动势的作用下，闭合的导条中产生电流，该电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电磁力作 用。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来1 3 8 】。 当通入定子绕组的三相电流的相序为a - b c 时旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见 磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。由此得出改变电机旋转方向的方法为换接其中两相， 常见的控制方法为采用两个机械式接触器k m 互锁控制，虽能有效的控制三相异步电机的启 动、停止、正反转换向，但具有体积大、重量大、电路成本较高、无法实现弱电控强电的缺点， 不易实现计算机自动控制，因此课题利用双向可控硅光耦触发的无触点开关原理采用固态 继电器设计了三相异步电机启动、停止、正反转控制电路。 3 4 2 固态继电器工作原理 固态继电器s s r ( s o l i ds t a t er e l a y s ) 是一种由固态电子组件组成的新型无触点通断电子开关， 为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，作 为输入输出之间电气隔离( 浮空) 。利用电子组件( 如开关三极管、双向可控硅等半导体组件) 的 开关特性，达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的。在输入端加上直流或脉冲信号时， 输出端从关断状态转变成导通状态，无信号时呈阻断状态，从而控制较大负载，实现了相当于常 用的机械式电磁继电器一样的功能p ”。 由于输入端的负载是发光二极管，这使s s r 的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在 使用时可直接与数据采集卡输出接口相接，即受1 与0 的逻辑电平控制。固态继电器的输出电 路分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。 3 4 3 三相异步电机自动控制接口电路 由于光耦台器的应用，使固态继电器的控制信号所需的功率极低( 约十余毫瓦即可正常工作) ， 因此可以用弱信号控制强电流，基于此原理，本文设计了利用计算机控制三相异步电机启动、停、 正反转的电路，接口及驱动电路如图3 - 8 所示。 2 1 中国农业大学硕士学位论文 第三章四杆机构实验系统硬件设计 5 v 图3 8 三相异步电机正反转控制接口及驱动电路 接口电路主要参数如下： 控制信号：1 m 电平，0 v 一+ 5 v s s r 输入电压：d c 5 v s s r 输出电压：a c 3 8 0 v 辅助电源：d c 5 v 电阻：r i = r 3 = r s = 5 0 0 ，r 2 = r 4 = r 6 = r 7 = l k o 电路采用数据采集卡的三个数字信号输出通道分别控制电动机的起动、停止和正转、反转。 当改变电动机转动方向时，给出指令信号的顺序是“停止一反转起动”或“停止一正转起动”， 以避免在导通的s s r 未关断，另一相s s r 导通引起的相间短路事故。 3 5 内置板卡选择 3 5 1 数据采集及a d ，d a 转换 虚拟仪器的性能主要取决于数据采集卡，故数据采集卡( d a q ) 是虚拟仪器的核心。在选择 数据采集卡时必须考虑下列因素：输入模式( 单端输入或者差分输入) 、分辨率、输入范围、采 样速率、精度和噪声等。 单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平( 大于一伏) ，