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便携式凸轮分度机构检测系统的开发与研究 摘要 凸轮分度机构是现代自动机械的重要传动机构，其具有较 高的分度精度、较高的承载能力和低维修率、可实现的特殊运 动等优良特性，因此吸引了广大技术人员的注意，成为一种有 发展前途的新兴的凸轮驱动分度机构。 为了对凸轮分度机构的设计和制造进行更深入的研究，必 须对凸轮分度机构进行较全面的测试。目前国内对凸轮分度机 构的静动态参数的测试还缺乏一种方便、实用、经济、多功能 的测试系统，为此，本文在这方面进行了一定的探索和研究。 本文中，分析了凸轮分度机构测试的静动态指标体系，根 据分析确定出凸轮分度机构测试系统的功能和研究目标。然后 进行了详细的测试系统设计。 在测试系统的设计中，硬件方面，选择了各个检测项目的 传感器、对整体测试系统的硬件配置进行了方案设计，采用了 基于u s b 总线技术的采集测试方案作为本测试系统的硬件总 方案；软件方面，采用v c + + 作为开发工具，使用多线程编程 技术、多线程同步技术，建立了较完整的检测程序系统，系统 提供了角位移测试、停留精度和分度精度分析、角速度分析、 角加速度分析、温度测试、声音测试等丰富的功能，系统界面 友好，具有操作简便、实用、直观、精度高的优点，其实际角 位移测试精度可达3 ”。 本文最后，对凸轮分度机构的振动测试原理进行了讨论， 提供了测试分析方法。同时对本系统的进一步开发的工作重点 进行了阐述。 关键词：测试技术，凸轮分度机构，分度精度，停留精度， 多线程编程，线程同步编程，u s b 总线，动静态特性 d e v e l o p m e n ta n ds t u d yo fp o r t a b l e m e a s u rin gs y s t e mf o rc a min d e xin gm e c h a nis m a b s t r u c t ca mi n d e x i n gm e c h a n i s mi so n eo fi m p o r t a n tm e c h a n i s mf o r m o d e r na u t o m a t i cm a c h i n e i th a sm a n ya d v a n t a g e s f i r s t ，i tc a n w o r kw i t hh i g hp r e c i s i o n 。s e c o n di th a sh i g h e rl o a d i n ga b i l i t y a n dt h e1 a s t ，i th a sl o wm a i n t a i nr a t e s 0i ta t t r a c t st h ea t t e n t i o n s o fm e c h a n i c st e c h n i c i a n a n di th a sb e c o m ea n i m p o r t a n t i n d e x i n gd i a lm e c h a n i s md e r i v e db yc a mw i t hag o o df u t u r e t h e m e a s u r i n g f o rc a m i n d e x i n g m e c h a n i s mi s v e r y i m p o r t a n t f o r t h e d e s i g n a n d m a n u f a c t u r e0 fc a m i n d e x i n g m e c h a n i s m a tp r e s e n t ，ap e r f e c ta n dp r a c t i c a lm e a s u r i n gs y s t e m f o rn o n c o n s t a n ts p e e dm e c h a n i s mh a sn o tb e e nd e v e l o p e d f o r t h a tr e a s o n ，w eh a v es t u d ya n de x p l o r e dt h e d e v e l o p m e n to f t h em e a s u r i n go fc a mi n d e x i n gm e c h a n i s m i n t h i st h e s i s ，w eh a v ea n a l y z e dt h e d y n a m i ca n ds t a t i c p a r a m e t e rs y s t e m ，o fc a mi n d e x i n gm e c h a n is m a c c o r d i n gt ot h e s y s t e m ，w ep l a n e dt h ef u n c t i o no ft h em e a s u r i n gs y s t e ma n dt h e s t u d ya i m t h e nw ed e s i g nt h em e a s u r i n gs y s t e mi n d e t a i l i nh a r d w a r e d e s i g n ，w e s e l e c t e dt h es e n s o r sf o re a c h m e a s u r i n g i t e m w e d e s i g n e d t h ew h o l eh a r d w a r e p r o j e c t a c c o r d i n gc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e so f s e l e c t i n gp r o j e c t s ，u s bs e l e c t i n gp r o j e c tw a sb e i n gu s e di nt h is m e a s u r i n gs y s t e m i ns o f t w a r ed e s i g n ，w ed e v e l o p e dam e a s u r i n g s o f t w a r es y s t e mo fc a mi n d e x i n gm e c h a n i s mw i t hv i s u a lc + + m u l t i t h r e a d i n gp r o g r a m m i n gt e c h n i q u e a n d m u l t i t h r e a d i n g s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e t h i s s y s t e m p r o v i d e s t u r n i n g d i s p l a c e m e n tm e a s u r i n g ，t e m p e r a t u r e m e a s u r i n g ， n o i s e m e a s u r i n g ，i n d e x i n gp r e c i s i o n a n dd w e l l p r e c is i o na n a l y z i n g ， t u r n i n gv e l o c i t ya n dt u r n i n ga c c e l e r a t i o na n a l y z i n g - a tt h el a s to ft h i st h e s i s ，w eh a v ed i s c u s s e dt h ep r i n c i p l eo f v i b r a t i o nt e s t i n g a n dw ep r o v i d e dt h em e a n s o ft e s t i n gv i b r a t i o n f i n a l l v ，i tw a se x p o u n d e dt h a tt h ew o r ks h o u l dd o f o rf a r t h e r s y s t e md e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：m e a s u r i n gt e c h n i q u e ，c a mi n d e x i n gm e c h a n i s m ， i n d e x i n gp r e c i s i o n ，d w e l lp r e c i s i o n ，m u l t i t h r e a d i n gp r o g r a m m i n g ， m u l t i t h r e a d i n gs y n c h r o n i z a t i o np r o g r a m m i n g ，u s b ，d y n a m i ca n d s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c i n 第1 章绪论 1 1凸轮分度机构简介 1 1 1凸轮分度机构的产生及发展 在机械设计中，分度运动主要有直线式的传送带和旋转式的工作台 两类，这两类运动都必须满足精密的位置精度要求。能达到这个目的的 机构很多，如棘轮棘爪机构、马氏机构、不完全齿轮机构等。 弧面凸轮分度机构是由美国人c n n e k l u t i n 在2 0 世纪2 0 年代发明 的，又称滚子齿式凸轮分度机构，蜗杆式凸轮机构、球面凸轮步进机构， 其特点如下： ( 1 ) 具有较高的分度精度，适用于高速生产： ( 2 ) 与其它类似机构相比具有相对较高的承载能力和低维修率： ( 3 ) 能满足用户所要求的特殊运动特性。 因此该机构一问世便吸引了世界各国技术人员的注意，成为一种有 发展前途的新兴的凸轮驱动分度机构。 我国对凸轮分度机构的研究始于2 0 世纪7 0 年代，目前上海工业大 学、天津大学、合肥工业大学、吉林工业大学、上海交通大学、大连轻 工业学院、陕西科技大学等大专院校和其它一些科研机构在弧面凸轮分 度机构的研究、制造方面取得了一批成果。 随着微电子技术的发展，虽然微机控制的自动机械发展较快，然而 由于凸轮机构具有运动速度快、可靠性高和性能价格比高等多种微机控 制尚无法比拟的优点，因此凸轮分度机构及其组合机构在自动机械中占 据着不可替代的地位。目前以凸轮机构为核心，已经发展出成千上万种 高效、小型、简易、精密、价廉的自动机械，遍布各个行业。正因为如 此，对凸轮机构的检测变得尤为重要。 112凸轮分度机构的组成及工作原理 这种机构是由凸轮、从动件、从动系统以及驱动系统组成。分度机 构及其分度运动如图l 一1 和图1 - 2 所示： 分度机构的从动件一般为圆柱形滚子。滚子固定在从动盘上，而从 动盘多固定在输出轴上，该轴支承在固定于箱体内的轴承上，从而构成 了从动系统。 角 速 度 图1 。i 凸轮分度机构 甜阉 图1 - 1 凸轮分度机构的分度运动 f i g u r e1 - 2t h ei n d e x i n gm o v e m e n to fc a mi n d e x i n gm e c h a n i s m 当电动机作用于驱动系统( 一般多为降速的蜗轮蜗杆系统) ，使运动 按定要求输入到凸轮轴( 主动轴) 上时，凸轮轴便以一定的转速旋转， 通过凸轮的轮廓带动与之啮合的从动轮，从而使精密间歇分度运动由输 出轴输出。在啮合过程中，通过凸轮轮廓的变化来控制和引导从动件( 输 出轴) 的旋转或停顿，以完成预先要求的间歇运动。这就是分度机构输 入和输出轴的传动比。凸轮以固定的速度旋转，从动件输出停顿和分度 运动，这个过程周期性地循环。在一个循环中( 从动件旋转3 6 0 。) 输出、 停顿的次数称为停顿数；在标准的分度中这种停顿次数也叫分度次数。 若凸轮为单头蜗形曲线，停顿数则为从动盘滚子数；若凸轮为多头蜗形 曲线，则停顿数为从动盘滚子数除以凸轮的头数。 高速分度需要准确的控制和具有特定的加速度特性，这往往由机械 ， 组合运动来保证。凸轮分度驱动机构可以设计成最能充分满足精度和刚 度要求的机构。在凸轮分度机构中，要求凸轮从动件总是和凸轮保持啮 合，这主要是通过采用变化轴间距的方法在凸轮和从动件间建立一个微 小预紧，从而使从动件与凸轮之间产生一个适当的预载而加以保障的。 微小预紧消除了制造公差和问隙。这种预紧方法会产生轴向力，此轴向 力由输入轴和输出轴上的锥形滚子轴承来承担。这个预加载荷使输出运 动的整个过程都是由凸轮控制，从而保证机构的精度。为了特殊运动的 需要，简单地修正凸轮，并对精密凸轮和分度机构中的从动件、从动系 统以及驱动系统精心设计，就可以使啮合中的冲击保持最小，精度可达 到精密级。与凸轮啮合的滚子采用滚针轴承，形成滚动接触，减少了摩 擦和磨损，从而延长了寿命，减小了振动，提高了精度。该分度机构从 动件的速度曲线和的加速度曲线也可以人为地控制，所以成为当今最好 的分度机构之一。 1 2 课题的简介 1 2 1 凸轮分度机构的研究发展方向 凸轮分度机构作为机械式信息存储与传递的基本构件，其特点是将 凸轮输入轴的连续回转运动转换为从动轴的间歇转动或从动件的间歇 移动，目前对凸轮机构的理论研究已经进入到了较深的层次，随着社会 的发展，人们越来越把眼光更多的集中在对凸轮机构的理论的应用上， 这样产生了以下几个研究方向： ( 1 ) 研究凸轮机构在实际生产中的应用，把现有的凸轮机构理论直 接应用到工业生产中去，如对凸轮换刀机械手的研究，国外先进水平已 经达到在o 7 秒钟之内完成刀具的更换和安装。另外方面的研究主要 集中在新型点啮合传动的弧面凸轮机构的研究和弧面凸轮分度机构的 新结构的研制上： ( 2 ) 凸轮机构理论在加工方面的应用，如高效率、高精度弧面凸轮 分度曲面加工及磨削机床或装置的研制；针对凸轮分度机构开发的引入 专家系统或人工智能的c a d c a m 系统的研发。 ( 3 ) 研究凸轮分度机构的精度体系的制定、修改、完善以及检测原 理、方法、仪器的研究制造。利用现有的凸轮理论对检测结果进行分析， 分析凸轮机构的动态和静态参数，为凸轮的设计提出改进意见或用于指 导凸轮加工。 1 2 2 课题的选择及开发的意义 对凸轮分度机构进行全面的测试，有助于对以往的凸轮机构理论加 以验证、筛选和修正，使现有的理论得以完善。 但是目前我国在凸轮分度机构的静动态测试中仍然有很多不足， 特别是对影响国内制造的凸轮机构性能的不稳定因素尚未引起足够的 重视，无法找到真正的误差源，这极大地限制了凸轮机构的进一步发展。 根据以上原因，本课题旨在开发一种实用、便携、高精度、多功能 的凸轮分度机构测试系统，编制相应的测试软件，完成凸轮分度机构的 静态参数和重要的动态参数的检测。 4 第2 章凸轮分度装置动静态特性指标体系 2 1 静态参数 ( 1 ) 分度精度：凸轮分度机构的从动件，从某一停留段为起始点， 经过工作行程到下一次进入停留段为止，所经过的绝对角位移的平均值 与设计要求角位移之间的差值。 ( 2 ) 停留精度：凸轮分度装置的从动件在停留段，理论上应该静止 不动，但实际上由于振动、间隙、加工误差等因素，使得从动件在停留 段仍有微小角位移，停留精度即某停留段绝对角位移之间的最大差值。 分度精度和停留精度是衡量凸轮加工精度的重要性能指标。 2 2 动态参数 ( 1 ) 实际角速度和其与理论角速度之间的差值及其最大值； ( 2 ) 实际角加速度和其与理论角加速度之间的偏差； ( 3 ) l o i 度，即角加速度的变化快慢程度： ( 4 ) 振动：测试输入轴以及箱体的振动情况，抗震能力的大小，以 及其与速度工况的关系； ( 4 ) 扭矩、功率及传动的效率比； ( 5 ) 温升，温度变化会使尺寸产生微小变化，对分度装置的工作精 度、可靠性产生影响。 第3 章凸轮分度装置分度精度检测系统的硬件方案 设计与选择 31 整体方案设计 测试系统的基本组成如图3 1 所示 图3 1 数据采集及测试系统基本结构 f i g l 1r e3 1t h eb a s icc o m p os i t i 0 1 1o fs e i e c t i n ga n dr n e a sur i n gs ys t e m 对于测试系统中的各模块，可以采用不同方案，下面就各模块的方 案进行确定。 3 1 1 各动静态参数测试传感器选择 ( 1 ) 分度精度和停留精度测试用传感器选择 在分度精度和停留精度测试中，测试可选用的传感器主要有圆光 栅、感应同步器、光学棱镜、加速度计等几种，这里我们对以上几种传 感器进行比较。 a 、旋转式圆同步感应器 旋转式圆同步感应器是一种电磁式角位移检测元件，由转予和定子 组成( 如图3 2 所示) ，其工作原理与旋转变压器相似，定子上有两组激 磁绕组和一组输出绕组，工作时将转动位移转变为电信号，定子具有3 两蒙隧 _ 对端头，其中两对是激磁信号的s i n 、c o s 的输入端，另外一对是输出绕 组的感应电动势输出端。根据不同的激磁方式，旋转式圆同步感应器可 有两种工作方式：相位工作方式、幅值工作方式。 图3 2旋转式圆同步感应器1 f i g ur e 3 - 2r o t a r yc ir c u i a r s y n c hr o i n d u c t o r 旋转式圆同步感应器在相位工作方式时输出的感应电动势为： ”o = k v ，。s i nc o t c o s0 + k v 。，c o st o ts i n0 其中： = k v m8 i “( c o t + ( 3 1 ) 矿。一激磁信号电动势： v o 一输出感应电动势； 0 一输出感应电动势与基准信号之间的相位差，即转子转过的角位 移； u 一激磁信号的角频率： k 一感应耦合系数。 旋转式圆同步感应器在幅值工作方式时： v o = 七圪，s i n ( ￥一0 ) ( 3 2 ) 其中： 矿。一激磁信号的幅值； 1 l r 一激磁信号的初相位； 其它参数同前。 由此可见，相位工作方式下的输出感应电动势与幅值工作方式下输 出的感应电动势幅值都与转子转角之间存在一一对应的关系。 旋转式圆同步感应器测试精度较高，能准确测量凸轮机构的静态的 7 分度精度，最高分辨率为1 角秒。但是由于光电元件转换性能、感应磁 频率的限制，使其允许的分度装置中凸轮转速不可以超过6 0r p m ，否则 会因信号丢失而导致测量数据失真。 b 、加速度计 工作原理将加速度计安装在载荷盘的某一固定位置上，假定距离 载荷盘中心距为r ，所测得加速度计处的切向加速度为a ( t ) ，则可求出 载荷盘的角加速度。 特点利用加速度计检测凸轮的动态分度精度具有间接性，由于 a i d 转换分辨率的限制和积累误差的影响，对分度精度参数的检测结果 不可靠。同时加速度计安装在载荷盘上，随载荷盘间歇转动，为了防止 加速度计的输出引线发生绕缠现象，必须采用集流环作为过渡环节，把 加速度计产生的电信号引到放大器中以便检测。这必然要求集流环的加 工精度很高，否则就会因噪声太大而导致信号失真。 c 、圆光栅编码器 圆光栅编码器是集光、机、电技术于一体的角位移传感器。通常使 用时，将其安装在旋转轴上，按旋转角位移大小直接编码。 图3 3圆光栅编码器的工作原理图【) 1 f i g u r e3 - 3 w orkp r inc ip 1eo fc ir c u l a rr a s t err o t ar ye n c o d er 工作原理圆光栅编码器是以光电方式把被测角位移变换成数字 代码形式的传感器，其工作原理如图3 3 所示。码盘3 由光学玻璃制成， 其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列着的若干透光 和不透光的部分，即亮区和暗区。光电元件5 的排列与码道一一对应。 由光源1 发出的光线，经柱面透镜2 变成平行会聚光照射到码盘上。通 过亮区的光线经过窄缝4 后，形成很窄的光束照射在光电元件上。光电 元件的各种信号组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴 r 的转角大小。 特点它具有体积小、重量轻、品种多、功能全、高频响、分辨能 力高、承载能力强、耗能低、性能稳定、可靠、使用寿命长等特点，在 空间技术、数控机械系列等方面有广泛的应用。 种类圆光栅编码器按编码原理和工作原理不同，可分为：增量式 编码器和绝对式编码器。 增量式编码器轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点可任意设 定，并可实现多圆的无限累加和测量。其光栅盘如图3 4 所示： 图3 4增量式光栅盘图3 5绝对式光栅盘 f i g u r e3 4i i l cr e i n e n t a lr a s t er t r a yf i g u r e3 - 5 abs o iu t er as t ert r a y 绝对式编码器轴旋转时，有与位置一一对应的( 二进制、b c d 码) 输出。从代码大小的变更，即可判别正反方向和位移所处位置。它有一 个绝对零位代码，当停电或关机后，在开机重新测量时，仍可准确的读 出停电或关机位置的代码，并准确的找到零位代码。一般它的测量范围 为0 3 6 0 度。其光栅码盘( 光栅盘) 结构见图3 5 。 本文所建立的测试系统以高精度、高速度、高能价比为设计原则， 在综合考虑各种传感器的性能以及目前实际拥有的条件，在凸轮分度精 度与停留精度以及速度和加速度检测中选择使用圆光栅编码器作为传 感器件。 ( 2 ) 温度传感器选择 温度传感器目前选择a d 5 9 0 。 ( 3 ) 噪音测试用传感器的选择 声音测试所使用的传感器为传声器，其基本功能是把声音信号转换 成相应的电信号。 9 一般凸轮分度机构的使用为室内，其工作时发出的声音受到周围的 物体多次反射。，因此其声场应属扩散声场，所以我们选择声压传声器。 传声器的种类很多，常见的有：电容式传声器、柱极体式传声器、 压电式传声器和动圈式传声器。其中电容式传声器具有较为理想的性 能，同时也是应用最广泛的传声器，因此选用电容式传声器。电容式传 声器的工作原理如图3 6 所示： 图3 6电容式传声器”5 f i g ur e3 - 6f o i le l e c t r e tc o n d e ns e rm icr o p h o n e 1 一振膜2 一背极3 一内腔 4 一均压孔5 一阻尼孔6 一绝缘体7 一壳体 电容式传声器是由一张振膜( 绷紧的金属膜片) 和背极组成的极距 变化型电容器。背极上有若干个阻尼孔。振膜振动时所形成的气流通过 这些小孔产生阻尼效应，能抑制振膜共振时的振幅，防止共振振幅过大， 导至振膜破裂。壳体上的均压孔用来平衡振膜两侧的静压力( 大气压) ， 以防止振膜被压破。声压是一种动态量，毛细孔状的均压孔限制了它对 内腔的作用，从而保证振膜只有外侧受到声压的作用。 将电容式传声器和一个高阻值的电阻r 与极化电压e 。串接。极化 电压既起着电路激励电源的作用，又因为极化电压使两极板之间产生一 定的静电作用力，决定着无声压时振膜的位置。显然，若振膜不振动， 由于电容器的作用，必将没有电流通过电阻r ，输出电压e ，也就等于 零。反之，当振膜接受到一个声压由于声压是一种动态量，使振膜不 0 断地振动，不断地改变电容量，这样就有电流通过电阻r ，并产生一定 的输出电压e 。把它输入后接的高输人阻抗的前置放大器。随后便可进 行有关的种种运算和处理。 3 12 采集卡类型确定 采集卡按其与计算机接口的不同，目前主要使用的有如下几种类 型：i s a 采集卡、p c i 采集卡、u s b 采集器、并口采集器。 i s a 采集卡是通过l s a 总线与计算机连接的采集设备，采集卡与 c p u 连接方式如图3 7 所示，采集卡插在计算机主板的i s a 扩展插槽中 与i s a 总线连接，进一步通过i s a 总线控制器连接在p c i 总线上，然 后通过p c i 桥与c p u 外总线连接，从而与c p u 进行数据通信。 图3 7a s i 采集卡与c p u 数据交换示意图 f i gl i f e3 - 7 t h ew a yo fd a t ae x c h a n g eb e t w e e n as ld a t aa c q u is i t o nb o ar da n dc p u p c i 采集卡直接插在p c i 总线的总线插槽上，其与c p u 连接方式 如图3 8 所示，采集卡与p c i 总线连接，然后通过p c i 桥与c p u 外总 线连接，从而与c p u 进行数据通信。 图3 8p c i 采集卡与c p u 数据交换过程示意图 f i g u r e3 - 8 t hew a yo fd a t ae x c h a b g eb e t w e e n p c ib usd a t aa c o u is i t o nb o a r da n dc p u u s b 采集器：为外插式采集器，采用标准的u s b 接口与计算机连 接，连接方式简单。 并v i 采集器：为外插式采集器，可以与计算机实现近距离、高速度、 大容量的数据交换。 这四种采集卡的功能基本相同，主要是所采用的总线方案不同，这 里我们集中对总线方案加以比较。 ( 1 、i s a ( i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线：19 8 4 年i b m 公司 推出了1 6 位p c 机p c a t ，其总线称为a t 总线，后来为了统一标准， 将8 位和8 位16 位兼容的a t 总线命名为工业标准结构，也就是i s a 总线，其主要性能指标如下： i 0 地址空f n 0 1 0 0 h 0 3 f f h 2 4 位地址线，可直接寻址的内存容量为16 m b 8 16 位数据线 最大传输率16 m b s 中断功能 d m a 通道功能 开放式总线结构 能使多个c p u 共享系统资源 ( 2 1 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t er c o n n e c tl o c a lb u s ) 总线：p c i i ， 总线是19 9 3 年后推出的一项新技术，由 n t e l 公司开发，以适应微处理 器的飞速发展，解决c p u 的高速度与总线的低速度不同步造成系统资 源浪费的问题。p c i 局部总线能支持10 种外设，并在高时钟频率下保 持最高的传输速率。其主要性能如下： 3 2 6 4 位数据线 最大传输率13 2 m b s 即插即用，p c i ( p l u ga n dp l a y ) 。 ( 3 ) u s b ( u n i v e r s a ls er i a lb u s ) 总线：其由c o m p a q 等七家i t 业 大公司共同开发的一种新的连接技术。这一技术大大简化了计算机与外 设的连接过程。它具有如下特点： 简化了扩充p c 机外设的操作。 u s b 总线具有i s a 和p c i 总线所不具备的自动配置功能，& 口在安 装u s b 设备时，系统会自动配置设备地址以及中断控制，而不需要人 工配置，人们只需要将设备驱动程序安装上便可以了。 最高传输速率为2 4 m b s ，2 0 版本的u s b 总线的最高传输速率为 4 0 0 m b s 。 完全支持实时数据的传送。 可以适应未来发展的需要，连接可以增强p c 机功能的新的类型设 备。 协议灵活，即可以用于同步数据传输，也可以用于异步消息传输。 i j s b 键盘 i j s b 采集器 i i s b 打印机 其它u s b # l , 接设备 。7 i j s b 鼠标 图3 9 us b 网络示意图 3 6 1 f i g u r e3 9 s k e t c hm a po fu s bn e t w o r k 3 由于u s b 不同于串口，而是串行总线，因此u s b 总线上可连接很 多设备，并用u s b 总线将它们连接起来，而连接方法非常简单，只需 使用u s b 集线器便可完成，并可以级联设备，每级之间距离可达5 m ， 可以级联5 级，最多连接1 2 7 个设备，这缓解了因设备越来越多而造成 的接口紧张。同时u s b 总线支持设备带电插拔即插即用，即系统上电 的情况下插拔u s b 设备不会对系统造成损害。u s b 设备网络配置示意 图如图3 9 所示。 表3 1 中列出了以上总线性能对比 表3 1常用总线性能对比 类型 i s ap c iu s b 拦綮、 2 8 6 、38 6 、4 8 6 、奔腾系列p c ， 奔腾i i 及 适用机型奔腾1 、 p o w e r p c ， 以上系列p c 奔腾1 1a l p h a 工作站 总线宽度 8 l632 6 4 ( b i t ) 总线工作速 83312 2 度( m h z ) 最大传输速 16 m b s13 2 m b s 12 m b s ( 2 0 版 度为4 0 0 m b s ) 是否即 否是是 插即用 是否热 否否是 插热拔 由于目前的计算机中已基本不提供多余的i s a 总线插槽，同时u s b 设备具有便携、安装方便，热插热拔、并且解决了接口紧张的问题等诸 多优点，因此本系统拟采用u s b 采集方案。 32 圆光栅编码器参数确定 本系统中使用了原有的设备一圆光栅编码器，由于某些原因，其 基本参数说明不全，这在使用时必须确定。 已知圆光栅编码器参数：4 个带有相位差的输出信号端( 各输出端 1 4 输出信号相位差关系未知) ，圆光栅主轴转一周输出10 8 0 0 个脉冲。 其它参数未知，需要进一步确定。 本检测目的：测试圆光栅编码器输出的信号类型、信号电压的最大 值和最小值、各个输出端输出信号的关系、信号质量，为设计检测系统 方案与信号处理方案提供依据，从而进一步确定采集设备的工作量程和 硬件配置方案。 测试条件如下：采用12 v 标准电压给圆光栅供电，采用最高扫描 频率为2 0 m h z ，可同时输入2 个模拟信号的示波器进行对圆光栅进行 测试。 采集结果如图3 一l0 、3 11 所示： 图3 10圆光栅输出信号 图3 11圆光栅g 0 路输出信号电压幅值 f i g u r e3 一iit h ev 0 1 t a g eo fs i g n a io u t p u tf r o mg 0 m a d eb yc ir c u i arr a s t ert o t a r ye f t c o d er 1 5 以上测试，示波器状态如下： 扫描周期5 m s ；1 、2 路每小格代表电压0 ，1 v 。 由上图可分析： ( 1 ) 示波器输出的信号为正弦信号，但是幅值和均值不等； ( 2 ) 确定了各个输出端的输出信号关系：1 、2 、3 、4 路输出信号依 次相位相差9 0 度； f 3 ) 确定了输出信号的幅值，大约为0 12 v ，最大值约为0 3 2 v ，最 小值约为0 0 8 v ，若用于检测，应该进行适当的信号放大。 ( 4 ) 信号比较整齐，虽有定噪音，但噪音较小。 3 3 采集部分方案确定 3 3 1 采集器类型确定 根据前面分析，采集器采用u s b 采集器，可以达到小巧、方便的 优点。同时，根据圆光栅编码器输出的信号为每转10 8 0 0 个正弦波，本 测试系统的测试目标为能够测试凸轮角速度为2 0 0 转m i n 左右的凸轮 分度机构的从动件的角位移，而为了防止从动件和凸轮在运动过程中不 发生干涉，从动件上的圆销数目一般都大于6 个，为此可以粗略估计从 动件的最高转速基本上为6 0r m i n ，从而根据采样定理以及测试实际需 要，可以推算出测试系统所需的采集设备的采集频率，可以取2 0 0 k 以 上的采集器。 3 3 2 采集部分辅助功能方案设计 ( 1 ) 同步采样方案设计及确定 对于噪音、振动、温升的测量比较简单，只需要一个模拟信号输入 便可完成，但是对于转角的确定，由于使用圆光栅编码器作为测试元件， 而其有四个模拟信号输出端，如前所述，由于测试需要，需要同步采集 这四路信号，以便进行相应数据处理、数据对比。因此需要进行同步采 样。 同步采样的实现的方法有如下三种： a 、准同步采样 在多通道采集信号时，对于一般采集设备中都是使用多路开关来控 1 6 制和选择采集信号，普通多路开关其在不同通道之间扳动的时间受到采 集频率的限制，从而使得各个采集通道之间在采集周期上存在相差，且 采样频率越低相位差越大。这时可采用准同步方法来近似实现各通道之 间的同步检测，即采用变采样间隔的方法，通道间采用a d 转换允许的 最快速度采集，而每通道样点的采样间隔( 频率) 可任意设定。如采用 5 u s 的a d 转换器4 通道采集，通道问固定相差为5 u s ，1 到4 通道最大 相差15 u s ，每通道的采样频率可以是任意的( 如用1k h z 采样频率，样 点间间隔为1 0 0 0 u s ) 。 这种方法的优点是：电路简单，成本低，采样通道数任意，功耗小， 其中功耗小是非常重要的，它意味着u s b 采集器不需外加电源，而以 上其它方法一般都需要外加电源。 该方法缺点：不能实现完全的无相差。 这种方法可以实现采样相差尽量小，可满足要求不高，在极短时间 内采样可认为是同步采样的数据采集过程，此方法适合于采集变化比较 慢或频率较低的信号，如温度传感器发出的信号。 b 、采用多a d 转换器并行采集 a d 转换的任务是将模拟信号转换为计算机可以接受并处理的数 字信号。a d 转换器有两大类：直接a d 转换器和间接a d 转换器。 直接a d 转换器能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字量，而不 需要中间变量：间接a d 转换器一般在将输入电压转换为数字量时需 引入中间变量，如电压一时间变换型( v t 变换型) a d 转换器，a d 转换时首先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号， 然后在这个时间宽度里对固有频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正 比于输入模拟电压信号的数字信号。间接a d 转换器的缺点是转换速 度较低，一般多在数十毫秒到几百毫秒之间，在我们这里并不适用。我 们这里采用直接a d 转换器 直接a d 转换器同样分为两类：并联比较型和反馈比较型。 并联比较型a d 转换器工作原理图如图3 12 所示，它是由电压比 较器、寄存器和代码转换电路三部分组成。输入0 vr ef 间的模拟电压， 输出为三位二进制数码d2 、d l 、d o 。这里省略了取样一采样保持电路， 假定输入的模拟电压v ，已经是取样一保持电路的输出电压了。 7 v re f ( ，p f - - 一 。m s h 霉， d 2 d 一! 。x b 图3 12并联比较型a d 转换器【” f i g ur e3 - 12 p a r a i ie 1 一c o r n p a r ea dtr a ns i t i o n 转换控制信号 图3 13逐次渐进性a d 转换器的电路结构框架1 3 f i g ur e3 - l3 t h ef r a m e w or ko fgr a d u a i i ya p pr o a c h in g a dtr a ns f or mn ge l e c tr oc lr c u i t 8 反馈比较型a d 转换器的构思是：取一个数字量加到a d 转换器 上，于是得到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的模拟 电压信号相比较。如果两者不相等，则调整所取的数字量，直到两个模 拟电压相等为止，最后所取得这个数字量就是所求的结果。逐次渐进型 a d 转换器的工作原理图如图3 13 所示。 c 、加装多路同时刻采样保持器 取样一一保持电路的基本形式如图3 1 4 所示，图中t 为n 沟道增 强型m o s 管，作模拟开关使用。当取样控制信号v - 为高电平时t 导通， 输入信号v 。经电阻r l 和t 向电容c i 充电。若取r i = rf ，并忽略运算放 大器的输入电流，则充电结束后v 。= v 。= v ，。这里v 。为电容c “上的电 压。当v 。返回低电平后，m o s 管t 截止。由于ch 上的电压在一段时 间内基本保持不变，所以v 。也保持不变，取样结果被保存下来。c l 的 漏电越小，运算放大器的输入阻抗越高，v 。保持的时间越长。 蠢； 图3 14取样一保持电路的基本形式【12 1 f i g u r e3 14 b a s i cf or mo fs a m p l i n g h o i d i n ge le c tr o c ir c u i t 以上b 、c 两种方法可实现理想的无相差同步采集，但都有电路复 杂，成本高，功耗大的缺点。 对于本采集器，由于所采集的信号为高频信号，2 k 10 k h z ，同 时由于数据处理中需要较精确的比较各个通道上同一时刻上的信号，因 此对同步采集有比较高的要求，同时考虑方案b 的成本较高，因此选择 方案三，即采用高速数据同步采样保持器，作为实现各通道数据间无相 差同步采集方案。 ( 2 ) 信号放大器选择 由于所采用的圆光栅的输出信号的最大值为0 3 2 v 、最小值为 1 9 0 0 8 v 的正弦信号，而所采用的采集器的模拟量输入范围为：5 v ，分 辨率为1 2 位，即可以检测量程范围的1 2 ”v ，为了确保采集信号精确， 应该将信号适当放大到与量程范围相当最为理想，即最好采取的放大器 的电压增益应为16 倍最为合适，为采集器的通用性，最终选择使用最 大放大增益为1 2 8 倍的放大器，其中前置放大器16 倍，内置放大器8 倍。( 内置放大器使用过程中会影响采集速度，尽量不用) 。 以上为本测试系统的硬件配置方案的设计和确定。 第4 章凸轮分度装置分度精度检测系统中数据处理、 软件方案设计与选择 总体方案： 根据不同测试要求，本系统设置两种角位移、分度精度、停留精度 的测试方案：高速测试方案、实时测试方案。 墓中，高速测试方案具有适应凸轮转速高、测试精确的特点，而实 时测试则具有简便，测试结果实时显示的功能，两个方案对分度精度、 停留精度、角速度、角加速度等的分析皆采取事后处理方案，并具有线 图显示功能，这样可以更好的对采集数据进行处理。下面对以上两种测 试方案分别进行介绍： 4 1 高速测试方案设计 4 1 1 高速测试总方案拟定 高速测试方案的目的是使测试系统能够适应较快速的凸轮分度装 置的测试，并对采集数据进行详细分析，从而得到所需的测试参数。 高速测试的实现关键是在数据采集阶段用尽量小的时闯间隔进行 采集，同时在采集过程中让主程序的其它功能尽量少占用总线时间，这 就要求主程序在采集过程中尽量不启动其它处理过程，以节省系统资 源。 根据以上分析，系统的高速测试方案的设计中拟定对所有数据的处 理皆采用事后处理方案，即在采集过程中不打断数据采集，此时系统工 作单一，只进行数据采集，当采集完毕后再对数据进行一次性处理，这 样可以达到较高速度测试的要求。 41 2 高速测试方案测试对象的确定 f 1 ) 由于对凸轮分度装置分度静态测试的主要参数为分度精度和停 留精度，所以在静态参数测试中选择从动件的停留段角位移及其波动程 度作为静态分析检测的主要分析测试参数。 r 2 ) 对于凸轮分度装置的动态检测中，速度、加速度、跃度是检测 的重要参数，其中最大速度v 。、最大加速度a 。、最大跃度j 。会从 不同角度影响凸轮机构的工作性能： ，i 最大速度v 。、与系统的最大动量m v 。、有关，其过大会影响凸轮机 构的停动灵活性和运行安全； 最大加速度a 。、与从动件系统的最大惯性力1 t l a 。有关，而惯性力 是影响机构动力学性能的主要因素，惯性力越大，作用在凸轮与从动件 之间的接触应力越大，对构件的强度和耐磨性要求也越高； 最大跃度j 。与惯性力的变化律密切相关，它直接影响到从动件系 统的振动和工作平稳性，一般希望其越小越好，特别是对于高速凸轮尤 为重要。 由上分析，应将最大速度v 。、最大加速度a 。以及最大跃度j 。 也作为检测的主要对象，但本测试系统对这些参数采取的是间接测试， 即用角位移微分得到角速度，再次微分的到角加速度，这样一来，多次 微分后，测试中的噪音将对结果有很大影响，分析到跃度时，意义不大， 同时，在实际应用中，跃度的重要性远小于分度精度、停留精度、角速 度和角加速度，因此测试中不对跃度进行检测。 此系统对上述参数分析完毕后，将绘制位移线图s t 、速度线图v t 、 加速度线图a t 。 4 1 3 角位移测试方案确定 角位移的确定是以上各参数的分析基础，因此首先应进行角位移测 试方案的确定。 通过对圆光栅编码器输出信号的采集和处理来测试角位移，对圆光 栅的输出信号的处理可以采用两个方案：通过检测信号过零点确定角位 移、通过电压检测角位移。 ( 1 ) 通过检测信号过零点确定角位移 圆光栅输出的信号为四路相位差为9 0 。的正弦波，对采集信号进 行高速采集，记录同一路信号相邻两次过零点的的过程中采集信号的次 数来确定转角以及相应的时间，同时通过两路具有相位差的信号的不同 过零时间确定转角方向： 此测试方法原理如图4 一l 所示： 这种检测可以较精确的检测到经过零点，对于本系统所使用的圆光 栅，用此方法可以精确的检测到每0 2 5 角位移( 对两路型号同时检测 过零点，每一过零点代表角位移0 2 5 ) 及其所用时间。其确定精度主 要是受到采集频率以及a d 转换精度影响。 胍胍唑 少w 恻 i m 图4 1通过测试过零点测试角位移原理 f i g u r e4 1 pr i n