（机械电子工程专业论文）凸轮实验台测试系统的研究.pdf

摘要 凸轮机构由于具有结构紧凑、性能稳定、控制有效准确和适应能力强等特 点，在各种机械中，尤其是在自动控制和自动机械装置中得到了广泛的应用。 随着计算机技术的迅猛发展，可以使用计算机辅助功能，改进凸轮机构的设计 方法，提高凸轮机构的设计和凸轮的加工精度等。本文是围绕为教学使用的凸 轮试验台的电控测试展开的。用实验的方法对凸轮机构特别是高速凸轮的动态 性能进行研究。 本文使用美国n i 公司的l a b w i n d o w s ，c v i 虚拟仪器软件开发平台对其试验 台的测试系统进行开发。以c v i 软件为开发平台，配以p c i 总线的数据采集卡 以及适合的传感器，构建了一个集数据采集和处理为一体的凸轮试验台测试系 统。所设计的系统人机交流界面友好，且具有开发时间短，功能易扩展等特点。 在课题的研究的过程中，进行了测试系统的硬件构建和软件构建以及系统 的调试。硬件包括传感器和数据采集卡的选择在测试系统中至关重要，它是本 测试系统能否精确的采集数据的前提，故在分析测试系统的各种功能的实现的 基础上，进行数据采集卡和传感器的选型和购买。软件部分包括系统的构建和 采集处理等功能的实现，以c v i 软件为开发平台，设计了数据采集系统、开发 专用软件，并对测试系统进行了联机调试。 最后通过试验得出的结果，分析对试验台动态性能影响的因素，根据这些 本次设计提出对试验台的改进一些建议。 关键词凸轮试验台传感器数据采集l a b w i n d o w s ，c v id l l a b s 仃a c t c 锄m e c h a i l i 锄i s 诵d e l yl l s e d i l lt l l ef i e l do fm e c h a i l i 蛐，e s p e c i a l l yi n a u t o m a 6 0 na n da u t c i n l a t i cm a c h 岫b e c 卸u s eo fi t se x c e l l e mc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s c o m p a c t咖t u 坞，s t a b kp e r f o 埘衄m c e ，e f f e c t i v e l y a c c u r a t ec o n 仃0 l锄dw e l l 钺k q ) 诅b i l i t ) ，n o w a d 【y s ，c 锄 m e c i l a m s mi s i i l d i s p e n s a b l e m 也ei i l d 删a l m 舭t i l ， 肌di t se ) 【t e i 塔i v e 删l a b i l i 锣l l a s 舯加o t c d t h er e s e a r c h锄d d e v e i o p m e mf o ri 拓e l w i t l lt l l ef a s td e v e l o p m e mo fc o m p u t e rt c c h n o l o g y ，t h ed e s i 印 h e l n e 锄dm a c m l l i n gp r e c i s i 伽f b ft i l ec 锄m e c h a i l i s mc o m db e 黟e a t i yi m p r o v e d b y 锄p u t e ra i d e d t c c l l i l i q u e ，f u n c t i 吡 t h e w o r ki l lt l l i sp a p e rf o c u s e so nt l l er c s e a r c ha 1 1 dd 钾e l o p l n e n to fc 锄t e s t - b e d f o rt c 删n gp u r p o t h et e s t i n gs y s t e mo f 咖t c s t b c di se s 油l i s h e d 诵m l 曲w i l l d o w s c v i ，w l l i c hi st h ev i m l a li n ! ；m 珧e md e v c l o p i i l gp l a t f o r md e v c l o p e db y a n l e r i c 觚唧o r a t i o nn i 1 kt e s t i n gs y s t e mo fc 锄t e m b e d ，w 1 1 i c hc o l l l d f i n i s hd a t aa c q u i s 硒o na n d p r o c 船s i n g ，w 鹤c o n s n i l c t e db yc o m b i i l i n g 也ec v id e v e l 叩i n gp l a t i o r m 哳t l lp c i - b i l s d a t aa c q u i s “i o nc a r d 锄dp i d p e rs c l l s o r s t h et e s t i n gs y s t c md e v e l o p c dw a so f 衔e l l d l yc o m m u l l i c a t i n gi m e 嘞， l e 鹞 t i 删；枷i 璐呲l i i l 岛 柚dw e nf h i l c t i o l l a l e x p a l l s i b i l 埘 f i r s t l y ，t h ei i l t e m a t i o n a la n dd o m e s t i cs i t i l a t i o n so fc 锄t e s t - b e da i l dv i r t u a l i n s 仇n c n ts o r w a 陀w e r ei n t r o d u c e d ，锄dt h es i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c hw o r kw 器 d i s c l l s d t h er c s e a f c m n gm e a i l so fc 锄m e c l l a l l i s mh 船c h 觚g e d 筋mm a m l a l c a l c l l l a t i i l gt oc o m p u t c ra i d c da l l a l y z i l l g 锄dp 】c e s s i n g v i r t i l a li m 灯啪e ms o r w a t e c h n o l o g y ，w l l i c hc o 埘【b b e sw i t hc o m p u t c rt e c l l r l o l o g y ，c o m m i l l l i c a t i o nt c c l l t l o l o g y 觚dt e s t i n gt e c h n o l o g y ，i st l l e 仃e n do f e l e c t r i c a lm e 嬲u r i n g 柚da u t ot e g t i n g s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt 0t 1 1 e 始s e a r c hs c h e d i d e ，t h es e l e c t i o no fs 伽r 柚d 渤 a c q i l i s i t i o nc a r dw 私d e s c r i b e d 疳d mb o t l lo f h a r d w a 觚ds o r w a r es i d e s ，a s p e c t s t h e f h n c t i o n a li m p l e m e i l 聃潞a l i z a t i o no ft i l et c s 血1 9s y s t 咖w 鹊a l s o 谢啦栅t c d t t 坨 l e c t i o no fs e n s o ra n dd a t aa c q u i s i t i c a r di sv i t a lt ot h et c s t i n gs y s t e m ，w h i c hi st l l e n e c e s s i t yf o rt 1 1 ea c c u r a t ed a t aa c q u i s i t i o n f i n a l l y ，s o m es u g g e s t i o l l sa b o u tm e 仃i a l - m 弛u f a c t 切旧o ft l l ec 锄t e 昏b e dw e 心 西v 锄t h ef a c t o r sw 1 1 i c ha f i 毫c tt i l ed y n 锄i cp r o p c ：n i e so ft h ec 锄t e s t b e dw e r e a i i a 】y z e db ym er e s u l t s 丘o me x p c r i l l l e n t ，a n ds o m em c a s u r c sf b ri m p r 0 “n gt h e d ”a m i cp r o p e n i e so f 1 ec a n lt e s t b e dw e r ep r e s e n t c di nt e 加so f t h e 辩f k i o f s k e y w o r d sc 锄t c s t _ b e d ，s e n s o ld a t aa c q u i s i t i o 珥l a b w i n d o w s ，c ，d d l ( d y n 锄i c l i j l l l i m 叮) i i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西北： 业大学。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和电予版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 年) 指导教师签名：盔拙星 习年多月矽日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导f 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明 引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或 撰写过的研究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：避 唧年弓月呼日 赌卵 两北r 业大学硕+ 学竹论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 凸轮机构的简介及其发展概况 1 1 1 凸轮机构简介 凸轮机构是一种由凸轮、从动件和机架组成的典型常用传动机构。凸轮通过 直接接触将预定的运动传给从动件，可以将回转轴的回转运动输出为所需要的运 动形式。它能以简单紧凑的结构实现任意复杂的预期运动，具有良好的重复精度 和运动刚性，而且在高速工况下运动平稳。再加上凸轮机构相对于其他机构( 比如 连杆等) 具有高可靠性、寿命长、易于设计和能准确的预测所产生的运动等优点， 特别是在要求机构产生给定的运动、速度和加速度时，这些优点更加明显和突 出。 在许多机械产品中，凸轮机构的运转速度通常非常高，系统中运动构件的惯 性力急剧增大，构件的弹性形变也随之变大。特别是在机构运行在共振频率附近 时，凸轮机构输出端的运动规律可能偏离预期的设计。这种工作状态下的凸轮机 构就属于高速凸轮机构。 现在，以凸轮机构为核心，已发展出成千上万种高效、小型、精密、价廉的 机械，例如内燃机配气系统、自动包装机、自动成型机、自动装配机、自动机床、 纺织机械、农业机械、印刷机械、自动办公设备、自动售货机、电子元件的自动 加工机械、服装加工机械等【1 卅，在这些系统中高速凸轮机构都有大量的应用，起 着不可替代的作用。 凸轮廓线的设计直接关系到凸轮机构的运动精度、工作效率和使用寿命等， 而对于凸轮机构动态性能的研究，可以为凸轮廓线和凸轮机构的设计与改进奠定 良好的基础。 随着近几十年来科学技术的飞速发展，现代机械工业对凸轮机构提出了新的 要求，使得凸轮机构的理论研究和生产实践发生了深刻的变化，使得高速凸轮的 研究前景广阔。 其表现为以下几点： ( 1 ) 在近现代的工业生产中，为了提高生产效率、加快生产速度，机械的运转 速度日益提高，其负载也越来越大，或者是对机构运动精度的要求也越来越严。 但是凸轮机构有着其先天的缺陷，那就是凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，极 两北t 业大学硕十学位论文第一章绪论 易磨损。这就促使对凸轮机构的动力学问题进行更为深入的研究，以期解决凸轮 机构的磨损、振动及噪音等问题。 ( 2 ) 通过实验研究高速凸轮是一个非常好的方法。随着现代测试技术和计算机 技术的飞速发展，人们对凸轮机构的动力学问题进行更为深入的研究和试验。我 们可以获得更加精确的试验数据并且加以处理，从而更好的分析和掌握凸轮机构 高速运转时的真实工作情况。 ( 3 ) 现代加工技术的发展，为凸轮的设计提供了更为广阔的应用空间。传统的 加工方法对凸轮廓线设计的限制正在逐渐的消失。尤其是数控加工设备的大量应 用，为可以加工出任意形状的凸轮廓线创造了有力条件，并且还可将设计和加工 直接联系起来，不需要计算出廓线坐标或者绘出廓线图形，而是由计算机和数控 中心直接根据所赋原始参数进行加工。 1 1 2 国内外研究现状及以后发展概况 凸轮机构应用的广泛性推动了对它的研究和发展。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，特别是自5 0 年代以来，由于计算机技术 和各种数值方法的发展，使得很多方面的研究得以深入。 对凸轮机构的研究主要有以下几个特点： 1 从动件运动规律的研究，除继续寻找更好的规律外，要研究有效的方法，当 对从动件的轨迹有要求时，能用这些方法组成或创建出满足要求且性能良好的运 动规律。 2 从凸轮廓线出发，提出一些适合在高速条件下采用的推杆运动规律，而且 还结合现代加工技术，创造出一些新型凸轮机构，以满足高速工况及确保加工精 度。 3 以弹性理论为基础，建立高速凸轮机构的动力学模型及其运动微分方程。通 过分析高速凸轮机构动力学模型的运动方程式，并通过正弦加速度运动规律得到 了凸轮机构输出端的动态响应，找到确定凸轮机构输出端运动规律。或是在建立一 个能较为准确的描述凸轮动力特性的多参数数学模型的基础上，通过仿真分析，去 得到高速凸轮机构在不同的轮廓及结构参数下的动力学特性曲线。 4 动力学研究成果的进一步实用化。 5 发展通用而有效的凸轮c a d c a m 系统。 西北r 业大学硕十学位论文第一章绪论 6 引入专家系统或人工智能的c a d 系统。 7 研究c a d c a m 的一体化。 凸轮机构的研究经历着从手动计算到依据系统的理论模型展开计算机辅助运 算、从经验设计到优化设计、从单纯运动学分析到动力学研究的发展过程。 1 2 虚拟仪器简介及其国内外发展概况 虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们 被称为2 l 世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟仪器技术是近几年发展起来的新 一代仪器技术，它将高速发展起来的计算机技术、电子技术、通信技术和测试技 术有机地结合起来，为仪器的发展提供了一条崭新的道路。它的出现被称为仪器 界的一场革命。 虚拟仪器( v i n l l a l i n s 仃l 瑚e i l 乜) 是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向 其它技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出 的一项新成果。这里所指的虚拟仪器和e d a 仿真软件中的虚拟仪器概念完全不同， 它可以完全替代传统的台式测量测试仪器。而e d a 仿真软件中的虚拟仪器是纯软 件的、仿真的。 美国国家仪器公司州撕o n a li n s 协l m e n t sc o m p 锄y 简称n i ) 在2 0 世纪8 0 年代 首先提出了基于计算机技术的虚拟仪器的概念。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，充分利用计算机强大的软件功能实现加l 接口设备完成 信号的采集、测量与调理，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。它的出现使 测量仪器与计算机之间的界线消失，从此开始了测量仪器的新时代。在虚拟仪器 系统中，硬件仅仅只是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键， 任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减系统的功能与 规模，所以有“软件就是仪器”之说l 卯。 综上所述，虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素。计算机是动力；软件 是主宰；高质量的a 仍采集卡及传感器是关键。 自2 0 世纪8 0 年代以来，n i 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟式仪器， 特别是它推出的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c 编程环境已享誉世界，成为这类新 型仪器开发系统的世界生产大户。在n i 公司之后，美国惠普( h p ) 公司紧紧跟上。 该公司推出h p v e e 编程系统可以提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机， 用户可以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， 西北1 业夫学硕七学付论文第一章绪论 如t e k 仰i l i x 公司，r a c a j 公司等也相继推出了总线系统多达数百个品种的虚拟式仪 器。作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了起 步阶段。从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、成都电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技 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n i 公司、h p 公 司的产品等方而做了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果【6 】。 虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、结构和模式，改变了人们 的仪器观，使我们都看清了虚拟式仪器对传统仪器的巨大挑战，认识到在本世纪 虚拟式仪器将成为电测仪器的主要发展方向。 虚拟仪器系统分为硬件系统和软件系统，其中，硬件系统一般分为计算机硬 件平台和测控功能硬件，软件系统从底层到顶层，由v i s a 库、仪器驱动程序和应 用软件三部分组成川。采用l a b 晰n d o w s 肥开发平台设计的基于p c - d a q 的虚拟 仪器测试系统结构【8 l 如图1 所示： 外 一 电量传感器卜_ 一 _ 一虚拟仪器面板 信信 设 界 号 号 备 一应用程序 环 一 非电量传感器卜_ 一 调调 驱 理理 动 模模 一。删害一 境 块 块 其他传感器卜一 计算机 图1 1 虚拟仪器测试系统结构图 各种传感器在测试系统中接受被测量( 如压力、温度、位移、速度和加速度等) ， 并且将其转换成为与被测量有一定函数关系的另一种物理量，转换后通常得到的 是电量，为模拟信号。而信号调理模块的作用是将传感器输出的信号进行加工、 处理和变换，比如将源信号进行放大、滤波、线性化处理等，调理后转换为便于 传输、记录、显示和输出的信号。数据采集卡则采集经信号调理模块处理过的电 压信号，并经a d 转换变为计算机可以处理的数字信号。然后通过设备的驱动程 序，数字信号转入计算机。在l a b w i n d o w s c 工作平台下，调用信号分析与处理 函数，编写程序及其设计虚拟仪器面板，形成具有不同仪器功能的应用程序，实 现进行仪器控制、信号传输、测量测试与分析处理等功能。 4 两北t 业大学硕十学侍论文 第一章绪论 1 3 本课题的研究意义及拟解决的主要问题 1 3 1 本课题来源及研究意义 本课题研制的凸轮试验台是用于机械原理试验课教学的。机械原理试验课虽 然经过国内各兄弟院校的共同努力，新增了一些试验台，相较以前已经有了很大 的提高。但目前仍缺少高性能的新颖的带研究性质的试验台，尤其关于机构动态 性能测试方面的试验台更加缺乏。而我校拥有国家教学基地，有义务首先开发出 一批性能优异的实验台来。本试验台正是填补这一空缺的试验台之一。 我校曾制作了数台凸轮试验台，性能尚佳。所要研制的试验台着重凸轮运动 参数的测定。在总结前期试验台的研制经验的同时，本试验台在原试验台的基础 上作了很大的改进，取长补短，增加了试验台的功率( 由8 0 瓦提高到6 0 0 瓦) ；提 高了转速，轴转速由o 5 0 0 r t n i n 提高为o 1 4 0 0 r m i l l ：增加了测试手段( 增加了编 码器、加速度传感器等1 。 此试验台可以说是比较先进的试验台，具有一定的前瞻性、研究性和综合性。 通过认真试制、调试和改进，能在短期内开发出来，可使机械原理课的教学试验 上一个新台阶，是颇具向兄弟院校推广价值的，也符合现代教学对试验的需要， 同时可显示教学基地的辐射作用。本文研究的测试系统对试验台的成败及性能有 决定性作用。 虚拟仪器的优势：在测试过程中，传统仪器的各种功能全部通过操作仪器 面板上的旋钮来实现，其操作繁琐；而虚拟仪器则由计算机来完成，系统误差小， 操作简便。虚拟仪器可以实时编辑、存储和打印数据，而且价格非常低廉( 其价 格是传统仪器价格的五至十分之一) 。传统仪器的功能主要由硬件来实现，这就 决定了其系统封闭，可扩展性差，功能固定，系统开发和维护费用高，技术更新 速度慢；而虚拟仪器的测试功能主要由软件来实现，通过编程在显示器上构成各 种传统仪器的面板。而传统仪器上要设置的各种参数都可以用鼠标或按键进行设 置，如同常规仪器一样使用，其仪器功能的扩展和性能的改进只需更新相关的软 件，技术更新速度快。虚拟仪器是一种基于计算机的仪器系统，可以同时具有 数据传输、测试和分析处理的功能，也可以与网络及其它周边设各互联实现系统 资源共享。本课题旨在利用其l a b w m d o w s c v i 软件开发平台设计高速凸轮试验台 的测试系统。 1 3 2 本课题的主要任务 本课题所做的凸轮试验台通过改进可以做以下试验：启动性能试验；推杆实 两北t 业大学硕士学付论文第一章绪论 际运动规律和理论运动规律对比试验：推杆停歇位置是否准确和停歇f ； 期余振试 验；更换具有不同运动规律的凸轮及不同刚度的推杆和不同的负载，对比它们的 动态性能，并且对比它们的动态性能。基于凸轮的实际工作情况和不同的结构参 数，结合理论分析计算，对凸轮的动态特性进行探讨，分析各项结构参数对凸轮 的动态特性的影响，期望找到凸轮实际工作情况与理论计算之间差异的原因，并 争取提供解决高速凸轮不良动态特性的建议。从而使本试验台成为一个综合性能 较好的试验台，而作为试验台的个重要组成部分测试系统正是本文的研究 对象及内容。 本课题要求开发出与试验相配套的试验软件。我们将用虚拟仪器软件开发环 境l a b w i n d o w s c 来开发实验软件，将数据采集分析和显示集成于一体，在方便 实验人员的同时也为搭建其他机械方面的测试实验平台提供一个崭新的思路。 本课题需要开发设计的凸轮试验台测试系统是以l a b m n d o w s c v l 8 o 为软件开发 平台，通过调用其工具箱函数实现数据采集、数据处理以及图形显示等功能，主 要任务如下所示： 1 凸轮试验台测试系统的硬件部分选择与采购：包括位移传感器、加速度传感器 以及旋转编码器的选择，数据采集卡的选型，硬件系统的设计。 2 凸轮试验台测试系统的软件部分设计：在l a b w i n d o w s c v i 平台上开发设计凸 轮试验台测试系统，编制应用程序，实现对传感器的数据采集与处理。 3 对凸轮试验台进行试验，在实现测试系统基本测试分析和处理功能的基础上， 找出缺点，对试验台的测试系统进行改进，进一步完善功能，比如改善采集结果， 提高精确度，抗干扰等等。 通过上述三项工作，在开发凸轮试验台测试系统的基础上，形成一套基于 l a b 珏n d o w s c 的具有测试、传输、分析和处理数据功能的虚拟测试仪器系统。 6 西北1 - 业人学硕+ 学位论文第二章凸轮试验台设计 第二章凸轮试验台设计 凸轮机构就是包括凸轮、推杆和机架三个主要构件的高副机构。凸轮是具有 曲线轮廓或凹槽的构件，一般作等速运动，但也有作往复摆动或者移动的。推杆 是被凸轮直接推动的构件，因为在凸轮机构中推杆是从动件，因此又被常称为从 动件。 凸轮机构的最大的优点是只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆 得到各种预期的运动规律，而且其结构紧凑简单。缺点是凸轮廓线与推杆之间是 点、线接触，非常容易磨损，因此凸轮机构大多用在传动不大的场合。 随着当今现代机械的日益向高速发展，凸轮机构的运动速度也越来越高，高 速凸轮的设计以及动力学问题的研究已经引起了普遍重视，提出了许多适于在高 速条件下采用的推杆运动规律以及一些新型的凸轮机构。另一方面，随着计算机 的发展，凸轮机构的计算以及辅助设计与制造已获得了普遍的应用，提高的设计 和加工的速度及质量，也为凸轮机构的更广泛的应用创造有利的条件。 2 1 凸轮运动情况 如图2 1 所示是一个典型凸轮机构的简图。凸轮的旋转带动着直动推杆进行上 下往复运动，以实现预期的运动规律。在实际工作情况下，由于某些原因，导致 凸轮机构输出端输出的动态运动规律与预期的并不吻合。 图2 1 典型凸轮机构的简图 7 西北t 业大学硕十宁何论文第二苹凸轮试验台设计 凸轮机构在不同工况下有不同的表现。在如图2 2 所示的直角坐标系中，纵坐 标表示升程，横坐标表示凸轮转角，虚线表示当量凸轮的升程曲线。 凸轮机构在低转速、系统刚性较大、运动构件质量较轻等情况时，可忽略构件 弹性变形的影响，可将整个系统近似简化为一个刚性系统。在此种情况下，凸轮 廓线和系统的机械传动比决定了工作端的运动规律。如果机械传动比为常数，则 工作端和凸轮端的运动规律保持一定的比例关系。将凸轮机构作为刚性系统处理 时，不涉及弹性变形，完全是一个单纯的刚体运动学问题。假设图2 一l 凸轮系统 是绝对刚体并且无系统内部间隙，则工作端( 推杆) 的升程曲线即是当量凸轮升程曲 线。 凸轮机构低速运转时，如图2 2 ，在m 段表示系统间隙被压缩变小，往 后是由于凸轮机构的系统刚度的影响，工作端的运动相对凸轮的运动有一个延后， 这个延后即为系统的弹性形变t 。而曲线2 表示了当凸轮机构低速运转时凸轮机构 输出端可能会出现的情况。 凸轮机构的运转速度较高时，伴随着凸轮转速的升高，工作端动态升程曲线 可能会出现如图2 2 中曲线3 所示的情况。加速度引起的惯性力，随着凸轮转速的 提高而急剧加大，使系统受到附加动载荷的作用；加上由于凸轮机构本身刚度的 影响，弹性变形则相应增大，可能使输出运动出现偏差。这种由动力特性引起的 运动偏差称为动态运动偏差。尤其是当激振频率和系统固有频率接近时，动态偏 差急剧加大，工作端的运动规律会偏离凸轮廓线给定的运动规律，使系统产生强 烈的振动、磨损和噪音。在这种情况下，要确定工作端的运动真实规律或者期望 获得理想的输出运动，就必须将凸轮从动件系统作为弹性系统处理，并且要求考 虑动力特性的影响。 因此在分析机构运动时必须考虑由此带来的影响。如图2 2 中所示曲线3 的 a b 段，其动载荷引起的弹性变形与系统质量引起的弹性变形相叠加；在b c 段， 动载荷引起的弹性变形与系统质量引起的弹性变形相抵消。特别值得注意的是， 在b c 段，如果动载荷引起的弹性变形大于系统质量引起的弹性变形，即在b c 段 曲线3 高于曲线1 ，则说明凸轮与推杆脱离接触，结果会发生腾跳现象。这种现象 对于凸轮机构的传动会有很大的影响。同样的，在回程，由于动载荷引起的弹性 变形大于系统质量所引起的弹性变形的共同影响，推杆的实际运动规律将和预先 设计的会相差很大，并且也有可能发生腾跳现象。 由此可见，工作端的运动规律除了受凸轮机构的工作转速影响以外，还要受 到凸轮机构中结构参数，如凸轮廓线、系统刚度、系统惯量、系统阻尼等等的影 响。 西北t 业大学硕十学侍论文第二章凸轮试验台设计 l 一当量凸轮升程曲线2 一工作端静态升程曲线3 一工作端动态升程曲线 图2 2 凸轮运动规律图 以上分析可以看出，高速凸轮从动系统工作端的真实运动情况相当复杂，并 且有可能偏离预先设计的凸轮廓线所给定的的运动规律非常远。 2 2 实验台结构图 为了对凸轮机构进行实验研究，对于本实验台，预期完成如下实验项目： 1 启动性能实验； 2 推杆实际运动规律和理论运动规律对比实验； 3 推杆停歇位置是否准确和停歇前期余振实验； 4 更换具有不同运动规律的凸轮及不同刚度的推杆和不同负载实验。 实验台结构简图如图2 3 所示： 9 两北t 业大学硕十学何论文第二章凸轮试验台设计 1 一飞轮2 一凸轮 3 摇臂4 一加速度传感器 5 位移传感器6 一电机 图2 3 试验台结构简图 如图2 3 所示结构，我们可以推动拨杆来增减飞轮，以改变输入系统的转动 惯量，从而进行不同系统的转动惯量下的凸轮系统动态性能实验研究。 l o 西北r 业人学硕十学位论文 第一= 章凸轮试验台设计 电机带动凸轮轴转动时，使用的是同步带带传动，这样就保证了电机转动与凸 轮轴转动的同步性，即传动比固定。再加上同步带传动所需要的预紧力小，轴和 轴承上所受的载荷小，外加凸轮轴的刚度大，使得我们可以不考虑凸轮轴刚度对 机构动力学性能的影响。再就是由于同步带厚度小，质量轻这些固有优势，使得 它可以允许较高的线速度，使得我们的实验台可以在很高的转速下工作，成为真 正意义上的高速凸轮动力学实验台。 为了达到改变推杆系统刚度的目的，我们使用改变摆动推杆刚度这一手段。改 变摆动推杆的外形，即改变它的截面矩，就可以改变其刚度。而且我们可以根据 实验的需要，很方便快捷的加工出所需要的摆动推杆，而且成本较低。这种设计 同时也方便了实验人员对摆动推杆的更换。 实验台配备三种运动规律的凸轮：圆偏心凸轮( 余弦加速度) 、等加速等减速 运动规律凸轮、正弦加速度运动规律凸轮等，凸轮推程均为为2 0 舢。实验室可通 过更换不同凸轮进行，以满足在同一试验台上，可进行不同运动规律的实验。 两北丁业大学硕士学侍论文第= 章传感器的选犁 第三章传感器的选型 本试验台要求测量的数据有推杆的位移和加速度以及凸轮的转动角速度，需 要选择三种传感器来测量：位移传感器，加速度传感器和旋转编码器( 用来测量凸 轮的转动角速度) 。 3 1 概述 现代传感器在结构和原理上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象 以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。 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可以确定了。测量结 果的成败与否，在很大程度上取决于传感器的选用是否合适合理。我们要选择传 感器时必须考虑所需传感器的灵敏度，频响特性，线性范围，稳定性以及精度等 多个方面。 传感器的基本功能是检测信号和信号变换。 不仅作为获取信息的手段，传感器还是实现测试和自动控制的首要环节，具 有非常重要的地位和作用。传感器获取和转换的信息是否正确，关系到整个测试 系统或测控系统的准确度。 假如我们以人和机器作比较，如图3 所示的情况。计算机就相当于人的大脑； 执行器则相当于人的肌体；而传感器相当于人的五种感官。人是通过五种感觉( 视 觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉) 接收来自外界的信号的，并将这些信号传递给大脑。 大脑对这些传递来的信号进行分析处理，然后将指令传递给肌体。同样的，机器 通过传感器接收外界的信号，并将信号传递给计算机；计算机对这些信号进行分 析和处理，然后将指令传给执行器。如果人的五官( 传感器) 出了问题，大脑( 计算 机) 就不能得出正确的结论，行为就会陷入盲目性。由此，我们可以看出传感器的 重要性。 图3 1 人体和机器比较 1 3 舶北r 业大学硕七学位论文第三章传感器的选犁 3 2 传感器的选用原则 1 确定传感器的类型 传感器的类型有多种多样，不同原理的传感器可以实现同种的测量目的，例 如对于温度的测量，可以选用热电偶传感器、热电阻传感器、集成温度传感器等 等；对于机械量的测量( 包括位移、转角、转速、力、振动、速度和加速度等) ，可 以选用应变式、电感式、差动变压器式、电容式、霍尔式等传感器。在确定了传 感器的类型后就可以按照要求去选择传感器的具体型号了。 2 灵敏度 一般来说，传感器的灵敏度越商越好。因为传感器的灵敏度高，则意味着传 感器所能感知的变化量小，就是说被测量如果有一点微小的变化时，传感器就有 较大的响应。 当然，灵敏度越高，与测量信号无关的外界噪声也就容易被混入，而且噪声 会伴随着被电子放大系统放大。这个时候必须考虑既要检测微小量值，又要噪声 小。为了达到这个目的，往往要求信噪比愈大愈好，即要求传感器本身的噪声小， 并且不易从外界引进干扰噪声。 在实际中，高精度的机械系统，其运动误差量都是非常小的，甚至在微米以 下，要获得能够检测或辨别这样微小量的条件，必须要求传感器具有较高的灵敏 度。 量程范围是与灵敏度紧密相关的。输入量增大时，除非有专门的非线性校正 措施，传感工作不应该进入非线性区域，更加不可以进入饱和区域。某些测试工 作要在较强的噪声干扰下进行，这时传感器的输入量不仅包括被测量，还包括干 扰量，两者的叠加不能进入非线性区。 3 线性 任何传感器都有定的线性工作范围，在线性范围内输出与输入成正比关系， 线性范围越宽，表明传感器的工作量程越大。 保证测量精度的基本条件是要传感器工作在线性区内，比如，机械式传感器 中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素。当超出测力 元件允许的测力范围时，将产生非线性误差。 任何传感器，要保证其绝对工作在线性区是不容易的。在某些情况下许可限 度内，也可以取其近似线性区域。比如，变间隙型的电感传感器，工作区域可以 选在初始间隙附近，选用时一定要考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许 的限度内。 4 精确度 1 4 西北t 业大学硕十学付论文第二章传感器的选犁 传感器的精确度，表示传感器的输出量与被测量的对应程度。而传感器处于 测试系统的输入端，所以传感器能否真实地反映出被测量值，对整个测试系统具 有直接的影响。 但是，并不是要求在所有场合下使用的传感器的精确度越高越好，因为还必 须考虑到经济性。 5 响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。而实际 传感器的响应总是有一定的延迟，希望延迟时间愈短愈好。 一般来讲，利用压电效应、光电效应等物理性型的传感器，响应时间小，可 工作频率范围宽；而结构型，如电感、电容、电磁感应型传感器，由于要受到结 构特性的影响，通常受到机械系统惯性质量的限制，其固有频率较低，影响到传 感器的工作频率范围。在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果是有直接影 响的。在选用时，应该充分考虑到被测物理量的变化特点( 如稳态、瞬变、随机等) 。 6 测量方式 传感器在实际条件下的工作方式，也是选用传感器时应考虑的重要因素。例 如，接触与非接触测量；在线与非在线测量；破坏与非破坏性测量等，条件不同， 对传感器的要求亦不同。 7 稳定性 稳定性是指传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响 传感器稳定性的因素是时间与环境。 稳定性是在选择传感器类型时应该考虑的因素。为了确保稳定性，在选择传 感器之前，应该对使用环境进行调查，以选择较合适的传感器类型。 8 其它 除了上述选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应该尽可能兼顾结构、 重量、体积、价格、维修等条件。 3 3 旋转编码器简介 随着计算机、数字通讯技术的迅速发展，编码器被广泛应用于机械、纺织、 电力、电气、航空等各行各业：用来测量线位移、角位移、转速以及测量定位、 限位、判向，对提高自动控制系统的先进性、稳定性、可靠性发挥着巨大的作用。 旋转编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量转角 或直线位移。旋转编码器以高精度计量圆光栅为检测元件，通过光电转换，将输 入的角位置信息转换成相应的数字代码，并与计算机等控制器及显示装置相连接， 两北r 业大学硕十学付论文第二章传感器的选犁 实现数字测量、数字控制与数字显示1 9 j 。其基本原理就是在特制的码盘上按一定规 律编排的光栅图案，将这些图案用光电头读取，转变为高低有序排列的电平信号。 旋转编码器可分为绝对式编码器、增量式编码器以及混合式编码器，其中增量式 编码器主要用于测量转子速度，绝对式编码器主要用于测量转子的空间位置，混 合式编码器是增量式编码器与绝对式编码器都具有测量转子速度与空间位置的功 能。 3 3 1 增量式轴编码器 典型的旋转编码器结构原理如图3 - 2 所示。 增量式编码器是一种将轴的机械转角转换成数字量的测角装置。编码器的主 要部件是计量光栅盘，在外围信号处理电路配合下，对光栅盘产生的奠尔条纹进 行周期计数，这个数值与轴转动的角位移量是成比例的。另外，在增量式编码器 上再加上一个固定参考零位，每次上电后先使编码器转动经过零位，从零位处开 始计数。光敏元件通过码盘接受光信号，输出电信号，l e d 是光源。增量式编码 器的码盘如图3 - 3 所示，码盘的刻线间距均等，对应每一个分辨率区间，输出一个增 量脉冲。 图3 2 旋转编码器结构图图3 - 3 增量式编码器码盘 增量式轴编码器的输出波形如图3 4 所示，增量式编码器输出有八b 正交脉 冲两路，零脉冲z 一路。一般a ，b 端口每转输出1 0 0 0 一5o o o 个脉冲，z 端口每 转输出1 个脉冲。z 信号用于校正每转编码器产生的脉冲个数，进一步将误差控制 在每一转之内，避免了积累误差的产生。若要区别电机转子旋转的方向，就要根 据a ，b 两路脉冲信号的相位来判断正转和反转【1 0 】。 1 6 西北t 业大学硕十学竹论文第三章传感器的选犁 厂 厂 厂 嚣广 n 厂 厂 z 厂 厂 图3 - 4 增量式轴编码器的输出波形 增量式编码器的优点是易于实现小型化，响应迅速，质量小，重量轻，结构 简单，其缺点是掉电后容易造成数据损失，会有误差累积的产生。 3 3 2 绝对式轴编码器 绝对式旋转编码器码盘( 5 位格雷码式码盘) 如图3 5 所示，通常使用二进 制码盘或格需码( g m y c o d c ) 盘，码盘上的码道按一定规律排列。对应每一分辨率区 间有唯一的二进制数，因此在不同的位置，可输出不同的数字代码。格雷码编码 的编码效率最高，相邻的两个编码只有一位数据不同，减少了数据跳变 ，意味着 降低了输出编码错误的概率，在高速运行的编码环境中这一点格外重要，使用也 较多。 圈3 5 绝对式轴编码器码盘 绝对式编码器同增量式相比，有固定零点。其由机械位置决定的每个位置是 唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位 置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大 大提高了。而且它还掉电后再启动无须重新标定，无累积误差等优点。因此在国 防、航天等伺服和变频调速领域得到了广泛应用。绝对式光电轴角编码器的缺点 是制造工艺较为复杂，不容易实现小型化。 1 7 两北t 业大学硕十学付论文第二章传感器的选犁 3 3 3 混合式轴编码器 混合式轴编码器同时具有增量式轴编码器与绝对式轴编码器的功能，不但内 部是以格雷码编码，输出转子的空间位置信号，而且同时还输出增量式轴编码器 所具有的脉冲信号。因此采用混合式轴编码器可以同时测量转子的空间位置与转 速。由于混合式轴编码器功能齐全，而且它的结构较为复杂，所以价格相对较高。 3 3 4 转子速度的测量 1 m 法测量转速 m 法测速度是指在给定的时间r 内，传感器旋转每周产生n 个脉冲信号， 读取码盘脉冲个数l n ，由聊r 计算出转速为 以：6 0 l o 1 ) n r 时间固定时，统计盘脉冲个数，可以得出转子旋转过的角度，然后除以时间 即可得转子转速。首尾两个盘脉冲计数时可能会产生误差，误差的大小为正负一 个盘脉冲的间隔。 2 t 法测量转速 计时法是指以一个高频信号，作为基准，传感器每周产生n 个脉冲信号，测 量两个相邻码盘脉冲个数，电机转速为 栉= 6 0 ( 3 2 ) 加 、 盘脉冲问隔固定时，统计时钟脉冲个数，可得出转子旋转过一个盘脉冲间隔 所花的时间，盘脉冲间隔除以时间即可得转子转速。首尾两个时钟脉冲计数时可 能产生误差，误差的大小为正负一个时钟脉冲的间隔。 3 m ，t 法测量转速 综合了上而两种方法可以得出m 厂r 法测量转速的方法。检测时间乃的长度为 r ( m 法测速) 之后再输出的第一个脉冲为止，即乃= 丁+ 7 1 。 若电机在7 ( s ) 时间内转过x ( ，耐) 角，那么转速应是 6 0 x6 0 疗= 一2 2 刀乃 2 万( r + 丁) ( 3 3 ) 乃时间内传感器产生个脉冲，则角位移应是 x = 2 刀珂l ( 3 4 ) 另一方而，在乃时间内可计取时钟脉冲工的脉冲数为m ：，则乃表示为 乃= 坍2 正( 3 5 ) 因此，被测转速( r ，m i n ) 为 1 8 曲北丁业大学硕士学位论文第三章传感器的选型 疗：竺妞 砌 ( 3 5 ) 这三种方法中，各自都有各自的特点：m 法在低速时分辨率不高，t 法在高 速时分辨率较低，而m 厂r 法与