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便携性液压缸速度检测装置设计,便携,液压缸,速度,检测,装置,设计
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诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 便携性液压缸速度检测装置设计 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 112012131学生： 贾飞飞 指导教师（含职称）： 刘晓(讲师) 1课题意义及目标通过本次毕业设计使学生了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序，学习机电液气综合实验台工作原理以及操作控制，设计一款利用编码器可以检测液压缸速度的便携性装置，通过单片机对速度的检测，来检验理论的正确性，为学生在毕业后从事机电专业技术工作打好基础。2主要任务（1）根据已有的测速装置的资料，完成速度检测装置的设计。（2）结合传感器技术和检测电路，实时检测速度信号。（3）通过单片机技术将信号实时显示。（4）设计图纸一份。（5）装置要求结构轻巧，便于安装，在液压实验台上进行设计验证。3主要参考资料1 李硕卫, 张国贤. 现代液压技术的发展现状J. 机械工程师,2009:02-262 尔桂花，窦曰轩编著. 运动控制系统. 北京：清华大学出版社, 2002：365-3703 何英.基于8098单片机位置及速度检测装置设计J.科技广场,2009,(第9期).4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查阅参考文献，完成开题报告2014-12-01至2014-12-302完成检测装置机构设计方案的确定2014-12-31至2015-01-053完成机构的建模与零件的加工，搭建液压回路2015-01-06至2015-04-204调试编码器与单片机，完成液压缸速度检测2015-04-21至2015-05-315编写毕业设计论文，完善图纸，准备答辩2015-06-01至2015-06-15审核人： 年 月 日便携性液压缸速度检测装置设计摘要：本文主要介绍了用编码器检测液压缸速度的一种装置，本测速装置采用编码器接触式的测速方法，以单片机STC89C52RC为控制核心的开发板，经过各功能电路的处理，完成液压缸速度的实时检测与显示。该数码管不仅能显示液压缸的瞬时速度，而且还能通过传感器的输出信号切换显示平均速度，最终实现对液压缸速度的实时检测。本设计应用C语言对单片机进行编程，通过单片机对液压缸的速度进行检测。同时还使用接近开关直接检测液压缸速度，与编码器测速比较，从而验证编码器测速的合理性和可靠性。该测速机构具有结构轻巧，便于安装的特点。并在液压试验台上验证，实现了速度的智能检测与显示，证明了测速装置的稳定可靠。关键词：液压传动，单片机，编码器，速度检测Design of speed detection device for portable hydraulic cylinderAbstract：In this paper, a device for detecting the speed of a hydraulic cylinder with an encoder is introduced. The speed sensor adopts encoder speed measuring method of the contact STC89C52RC MCU as the core of the development board, to accomplish the real-time detection of hydraulic cylinder speed and the real-time display, through the function of the circuit processing. The digital tube can not only show the instantaneous speed of the hydraulic cylinder, but also can display the average speed through the output signal of the sensor, and finally realize the real-time detection of hydraulic cylinder speed. The design uses C language for the micro-controller programming, through the micro-controller to detect the speed of the cylinder. At the same time, the speed of the hydraulic cylinder is directly detected by proximity switch, and the speed of the encoder is compared with that of the encoder, so as to verify the rationality and reliability of the encoder speed.The speed measurement mechanism has the advantages of compact structure and easy installation. And it is verified in the hydraulic test rig, and accomplishes the intelligent detection and the display of the speed, which prove the stability and reliability of the speed measurement device.Keywords: Hydraulic drive, Micro-controller, Encoder, Speed detection目录1前言11.1液压系统在工业中的应用11.2速度检测控制在现实中的应用11.3课题的意义21.4研究内容22.液压系统32.1液压系统的简介32.1.1齿轮泵42.1.2液压缸62.1.3液压控制阀62.2机电液综合实验台92.3现代智能检测的原理122.3.1信号采集和输出122.3.2辅助采集123速度检测装置143.1 STC89C52RC单片机143.2数码管153.3编码器154方案选定及其设计过程174.1液压缸回路的搭建174.2便携性速度检测装置设计214.2.1机械结构的设计与加工214.2.2编码器检测284.2.3直接检测304.2.4误差分析355结论36参考文献37致谢38附录39I太原工业学院毕业设计1前言速度智能检测及控制技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等领域应用十分广泛，并随着近些年科技的不断创新，速度检测与控制技术时时刻刻影响着人们的生活，给予人们更多的方便。工程中，机电一体化的实现对速度的要求越来越高，如何智能的检测速度和控制速度成为了不可回避的问题。1.1液压系统在工业中的应用液压系统很多时候应用在重量型、 大体积型 、特大体积型的设备机器，多用于耐冲击，抗撞击，对功重要求较高的系统中。液压的传动控制在工业中是经常运用的控制方式，它使用液压完成能量传递的过程。由于液压传动控制的灵活和便捷的特点，液压控制方式在工业中引起广泛重视。液压传动控制是以有压强流体为介质来研究，完成各种自动化控制和机械运动的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。液压的传动控制在工业中是经常运用的控制方式，它使用液压完成能量传递的过程1。由于液压传动控制的灵活和便捷的特点，液压控制方式在工业中引起广泛重视1。液压传动控制是以有压强流体为介质来研究，完成各种自动化控制和机械运动的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制2。1.2速度检测控制在现实中的应用速度检测控制技术广泛应用在工业生产生活中，比如电动机的转速检测与控制，需要分时或连续的检测电动机的转速，实时监测电机的运转情况，并通过半闭环，全闭环控制技术根据生产需求对发电机和电动机的转速控制。速度控制在生产实践中应用的表现形式有调速，稳速和加减速。在调速系统中，经常在速度允许的范围之内分档或无级的调整生产机械的速度。达到需求的生产转速，在稳速系统中通过一定的手段使转速稳定在某一个值。对于启动和停止频繁的生产机械，在启动的时候需要加速，停止的时候减速，并使加速和减速的时候平稳。在日常生活中，速度无处不在，对速度的控制也随处可见，速度的变化对我们的生产生活都会产生很大的影响。运行的电梯时，在开始运行和到达目的地之前，都会有一个加速和减速的过程，在二者又要要求运动的平稳，给人一种安全平稳的乘坐环境。自动化生产线上，机械手去放物件时，在接近起点和终点还有一段距离时，就会开始变速，慢慢靠近，这样既可以避免过大的刚性冲击给机器或者货物造成破坏，又可以保证工作的精度。1.3课题的意义智能检测是现代检测技术的发展方向，随着计算机控制技术的普及和发展，智能控制设备和智能仪器仪表在工农业生产和日常生活中的使用越来越普遍。结合传感器和电路检测技术实时采集数据，并将电信号输出给微处理器或单片机进行计算，将数据直观的显示出来，给人们提供很大的便利。在生活实践中，速度智能检测应用广泛，直线运动的速度检测经常用线性度比较高的霍尔传感器，电感传感器，电容接近开关，超声波传感器激光传感器，旋转运动速度检测中常用光电编码器，霍尔式车速传感器。因为旋转式传感器，特别是在长距离运动中旋转编码器可以，所以在很多直线运动中也使用旋转式编码器。1.4研究内容本文研究内容有以下要点：第一点：，并将其加工出来，安装在液压试验台上进行测试。第二点：设计液压基本回路，运用接触器模块实现对液压回路的控制；第三点：使用以单片机 STC89C52RC为核心的开发板，用C语言对其进行编程，实现对信息的采集与处理，计算出液压缸平均速度，把结果送数码管显示出来，达到智能检测的效果。2.液压系统2.1液压系统的简介液压传动又称为容积式液压传动,是用液体作为介质,利用液体的压力能和动能来传递能量和进行控制的传动装置。图1.1为液压系统的组成，液压系统的组成主要有：图1.1 液压系统的组成(1)动力元件液压油泵；(2)执行元件液压油缸、液压马达；(3)控制元件液压阀，控制液压油的压力、流量与方向；(4)辅助元件管件、压力表、储能器、滤油器等等；(5)工作介质传递压力的工作介质，通常为液压油，同时还可起润滑、冷却和防锈的作用。液压传动与机械传动、电气传动、气压传动相比较有以下优点8：(1)功率一定，体积小巧、重量轻微、结构紧密、惯性小，可快速的启动与频繁的换向，以及传递较大力和较大转矩。(2)调速范围大，能够实现无级的调速，且可达100：1 至2000：1。而且最低转速可稳定达到每分钟几转，同时可完成低速大力或低速速度大扭矩的传动，不必用减速器。(3)传递运动稳定平衡、方便性好可靠性强；尽管负载变化速度仍较稳定。(4)控制方便、调节不费力，容易于实现自动化控制；在液压传动基础加上电控或气动的配合使用，能完成各种自动化工作循环，同时还可以实现远程控制。(5)能够完成过载保护，组成液压系统的各元件自行可以完成润滑，有利于延长使用寿命。(6)组成液压系统的元件一般都标准、通用，有利于设计制造加工和大范围推广；各元件之间使用管路连接，在液压系统排列布置时容易实现较大机动性。(7)与机械传动相比容易完成直线运动。液压传动装置存在的不足：(1)因为采用液体传递动力，系统容易出现泄漏液体的现象，造成传动效率降低，不适用于远程传动。(2)对油的温度变化比较敏感，容易造成运动件的运动速度不能稳定，同时油液的清洁度对整个装置要求很高。(3)为降低泄漏液体现象的发生，液压元件的加工精度要求提高，加工工艺变得复杂，从而造成成本升高。(4)系统出错有故障发生时时，不容易查找原因和排除。(5)系统在工作过程中产生噪声，且噪声较大。2.1.1齿轮泵图2.1 外啮合齿轮泵的工作原理齿轮泵是一种常用的液压泵，按其结构形式可分为外啮合轮泵和内啮合齿轮泵。图 2.1 所示为普通常用的外啮合齿轮泵的工作原理。（1）齿轮泵存在的主要问题：泄漏 齿轮泵中由于两个齿轮的两侧存在间隙，当齿轮泵工作时，高压油从这些间隙通过流向低油压腔。除此之外，还有两齿轮齿顶圆啮合的地方。其中对端面间隙对泄漏的影响是最大的，占到泄漏总量的 75%80%。端面间隙是造成齿轮泵压力提高的主要因素。 齿轮径向力不平衡 齿轮泵工作时，排油腔的油压大于进油腔，齿轮运动，每个齿所受到的压力不同，导致轴和轴承受力不平衡，造成轴承的损伤。减小这种现象所带来的影响常用的措施为减小排油口。 图2.2 齿轮泵的径向压力分布 图2.3 齿轮泵的困油现（2）提高压力的措施 在齿轮泵工作中，尽可能提高齿轮泵的压力是工作人员设计齿轮泵理想的目标。提高压力，最直接的方法是缩小间隙。普通外啮合齿轮泵中，齿轮缎面与两侧泵体表面之间，齿轮的齿顶和泵体的两个顶面存在着很大的间隙，从这些间隙流过的油占整个工作过程油量的三分之二。减小这些间隙，将大大提高油泵工作压力，常用的措施为弹力侧板，和浮动轴套。依靠油压，作用弹力压板，浮动轴套，减小端面和顶面两个地方的间隙。（3）外啮合齿轮泵的优缺点及使用 其优点是结构简单，制造方便，成本低，油压取决于吸油腔，自吸性强。缺点为由于齿轮啮合，压力不等，造成轴承易损坏。噪音也大。所一般应用于低压外啮合齿轮泵和中压齿轮泵。2.1.2液压缸执行元件，依靠压力能转换为机械能，用于驱动工作机构作往复直线运动。其结构简单，工作可靠，能与各类泵相配合，能实现多种机械运动，应用广泛。图2.4为液压缸结构图。液压缸按结构特点分为：活塞式、柱塞式和组合式。按工作方式分为：液压油单作用方式和液压油双作用式方式。密封装置：主要防止液压油的泄露，密封装置的优略直接影响液压缸的工作性能。常用的密封方法有利用各运动元件之间配合面之间的间隙避免漏油和利用液压杆上活塞的环形槽之内的密封圈与缸筒贴合防止漏油。图2.4 液压缸结构图2.1.3液压控制阀液压控制阀是在液压系统中不仅能控制液压油的方向，还能控制液压油的压力和流量。从而不仅能控制液压缸的运动方向和速度，而且还能控制顺序动作。在工业生产发挥巨大作用。（1） 普通单向阀普通单向阀是一种使液压油正向流通，反向截至的控制元件。单向阀工作时，液压油正向流通，流动冲击小，能量损失小，反向工作时由于阀芯的缘故，不能使液压油流通。1阀体 2阀芯 3弹簧 4阀盖 5弹簧座图2.5 单向阀如图2.5a和图2.5b，分别是管式连接的直通式单向阀和板式连接的直角式单向阀。图2.5c为普通单向阀实物图这里为了使看图方便，没有画出管式连接的螺纹和板式连接的密封圈安放槽等（以下同）。液压油从P1口流入，克服阀芯上弹簧力的作用，从P2流出，液压油反向流入时，通过P2口，流入阀芯中间孔，在液压油的作用下，堵住液压油从P1流出。在单向阀中，弹簧选取不宜过大，弹簧力克服阀芯与阀体之间的摩擦力即可。一般情况下，单向阀的开启压力为0.0350.05MPa，通过额定流量时压力损失不应该超过0.10.3MPa。(2)几种常见换向阀1 手动换向阀手动换向阀是用手动杠杆操纵阀芯换位的换向阀。按换向定位方式不同，分为弹簧复位式2.6a定位位式2.6在手动操纵结束后，弹簧力的作用使阀芯能够自动回复到中间位置；后者由于定位弹簧的作用使钢球卡在定位槽中，换向后可以实现位置的保持。图2.6 手动换向阀2 电磁动换向阀电磁换向阀工作时，线圈得电，邪铁吸合推动阀芯动作，控制油路的通顺与断开。图2.7为三位四通电磁阀，左右两端为线圈控制，中间为弹簧复位，分别有A,P,T,B四个油口。图2.7 三位四通换向阀 (3)直动式溢流阀图2.8 普通直动式溢流阀直动式溢流阀分锥体式溢流阀图2.8a和阀体式溢流阀2.8b。锥体溢流阀工作时，由进优口P流入，压力大时，克服手轮上弹簧力的作用，液压油从T口流出。阀体式直动溢流阀工作时，液压油从进油口P流入，从阀体下通道里流入，当压力不大时，阀芯不能移动。压力增大，可以克服弹簧力和从P口流入的液压油油压时，阀体向上移动，液压油从T口流出，油压越大，阀体打开的口越大，T口流量越大。(4) 单向调速阀图2.9 单向调速阀单向调速阀为调节速度的装置，自带压力补偿装置，不受压力大小的影响。该装置最大的特点为单向能够精确调速，反向流通。2.2机电液综合实验台实验台主要由T型槽铝合金台，液压元件，控制模块，电机。PLC可编程控制器及手动编程器等组成。如图2.10所示为机电液试验台，可在上面搭建电路，液压回路等系统回路。1交流电源模块 2液压泵驱动模块 3直流电源模块 4接触器模块5按钮控制模块 6可编程控制器模块 7时间/热继电器模块8传感器模块9PLC工程案例实训模块图2.10 机电液气综合试验台 (1)交流电源模块DB-1：电源模块可为系统提供380V三相交流和220V交流电。(2)液压泵驱动模块DB-5：该模块为液压泵控制模块，有手动控制和自动控制两种方式控制液压泵的启停。(3)直流电源模块DB-2：可将220V交流电转化为直流电，为其他模块和元器件提供所需要的DC 5V,DC 12V,DC 24V电压。(4)接触器模块DB-6：用于控制电路的的通断，需用24V的直流电,有5个常开触点四个常闭触点。(5)按钮控制模块DB-9：内设8个按钮，2个旋钮开关，1个急停开关。(6)时间/热继电器模块DB-7：主要完成液压继电器控制应用实验、气动回路继电器控制实验、机电类电气控制实验等主要辅助实验模块。(7)传感器应用模块DB-14；安装有电容式，电感式，光电式，霍尔传感器各一个，控制电压为DC 24V。(8)PLC工程案例实训模块；主要用于交通灯实验和广告灯实验。交流转直流的方法 1 保险管：2 指示灯3 AC 220V电压输入4 电源开关5 DC 12V电压表6 DC 5V电压输出7 DC 12V电压输出8 DC 24V电压输出9 DC 5V电压表10 DC 24V电压表图2.11 直流电源模块 按图2.12连好线路就可以分别输出DC +5V, DC +12V, DC +24V的电压。（1）液压缸硬件接线方法图2.12 液压泵驱动模块接线图按图2.12 连将黑色旋钮旋转好线路供上电，将红色旋钮旋转到手动端，将黑色旋钮旋转到启动端即可启动液压泵。至停止端即可停止液压泵。当然也可以将红色旋钮旋转至PC端实现PC控制。（2）PLC硬件接线方法图2.13 PLC硬件接线实物图按图2.13连好电路，即可用电脑通过相关软件对PLC进行编程，并通过串口将PLC程序下载到可编程控制器模块。2.3现代智能检测的原理智能检测系统遍布广泛，尽管种类繁多，但大同小异，将被测对象的物理量或化学量转换为电信号，并通过信号调理电路，数据采集，信号处理，由输出设备输出并显示，再加上必要的稳压电源设备，输入设备构成一个完整的检测系统。图2.14 现代检测系统一般组成框图2.3.1信号采集和输出信号采集是将调理好的信号经过离散化转换为相对应的模拟电压信号，并输出给微处理器或单片机进行储存。数据采集系统的主要性能指标是：（1）输入模拟电压信号范围，单位V；（2）转换速度（率），单位次s；信号输出为将被测的物理量或化学量直观的在显示设备上显示出来，便于人们直观的观察被测物体的瞬时量或累积量。2.3.2辅助采集接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号 接近开关的核心部分是“感辨头”，它对接近的物体有很高的感辨能力，是一种非接触测量。接近开关具有体积小，便于安装的优点被广泛应用，与被测量无接触，寿命长，响应快。其缺点为触点识别量小。在生活实践中，速度智能检测应用广泛，直线运动的速度检测经常用线性度比较高的霍尔传感器，电感式接近开关，电容式接近开关，超声波传感器激光传感器，旋转运动速度检测中常用光电编码器，霍尔式车速传感器。因为旋转式传感器，特别是在长距离运动中旋转编码器可以。所以在很多直线运动中也使用旋转式编码器，比如在电缆的生产中，需要知道电线的走线速度，使用编码器闭环控制通过检测走线速度并控制电机的转速。表2.1 接近开关按其工作原理分类种类特点例子自感式、差动变压器式只对导磁物体起作用电涡流式（俗称电感接近开关）只对导电良好的金属起作电容式对接地的金属起作用磁性干簧开关只对磁性较强的物体起作用霍尔式对磁性物体起作用基于旋转式传感器分辨率高，实时检测速度的优点，本次设计中使用旋转式光电编码器检测液压缸直线运动的速度。需要设计一种机械结构可以将液压缸直线运动的速度转化为编码器可测的旋转运动速度。并将其在机电实验台上进行测试，以单片机开发板为载体，将速度显示在数码管上。接下来介绍单片机，数码管与编码器的工作原理。3速度检测装置3.1 STC89C52RC单片机 STC89C52RC单片机的引脚如图3.1所示，因为受到集成电路芯片引脚数目的限制，所以许多引脚配置双功能，功能简要说明如下 图3.1 STC89C52RC单片机VCC： STC89C52RC电源正端输入，接+5V。VSS：电源地端。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。3.2数码管数码管是常见的显示元件，可以显示阿拉伯数字，由多个发光二极管封装组成，内部引线焊接，外部接公共电极，其形状为“8”字，通常多一个二极管为小数点。数码管种类很多，按二极管个数个数可分为7个二极管管封装的数码管和8个二极管封装的数码管，多余的一个二极管封装作为一个小数点。按公共电极可分为共阴数码管和共阳数码管。共阳数码管顾名思义公共电极为阳极接+5V，该型数码工作时，给一个封装二极管阴极低电平，该二极管点亮。给高电平时，二极管不亮。共阴二极管公共极接地。工作原理正好与共阳数码管相反。图3.2为共阳数码管和共阴数码管原理图。 （a）引脚图 （b）共阳 （c）共阴图3.2 数码管3.3编码器编码器是一种常用的速度检测传感器。由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。图3.3为编码器内部结构图。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。图3.3 编码器内部结构图通常情况下编码器的输出波形如图 2 所示。当编码器动作时将产生 A、B 两相脉冲信号, 且 A 、B 两相信号 的波形 完全相同, 仅是存在 90 相位差。编码器 的运动 方向分为正负两个方向: 正方向运动时对应的脉冲输出波形对应图 1 从左向右的波形; 负方向运动时对应的脉冲输出波形从右向左的波形。图3.4 编码器输出信号图4方案选定及其设计过程概述设计的整体思路如下：第一步，基于机电液气综合试验台设计出简单的接触器控制回路，进一步了解相应原件和模块的使用方法；第二步，搭接所用的变速回路，在实现接触器控制的基础上，通过按钮进行控制，并加入编码器，实现自动化控制；第三步，在单片机开发板上编写和调试测速程序，对编码器进行调试并在数码管上显示脉冲数；第四步，将便携性测速机构安装在液压缸上，实时检测速度，并在单片机上显示平均速度。第五步，用霍尔传感器直接检测液压缸速度，并与编码器测速比较，分析误差原因，改进方案，减小测速误差。现将液压换接回路及其控制系统所要用到的元件使用方法简要介绍如下：4.2液压速度换接回路的设计过程。4.1液压缸回路的搭建（1）基本换向阀换向回路将电线交流模块中AC220V OUT与直流电源模块AC220V IN相连（L-L,N-N）。将交流电流转换为实验可用的直流电流，实验中常用的直流电通常为5V,12V,24V。接着将直流模块中DC24V OUT 与液压泵控制模块中DC24V IN相连，（L-L,N-N）,接着在液压泵模块中用电线将DC24V IN与PC控制口相连，此时液压泵的驱动电路连接完成。接着将直流电源模块中的DC24V OUT与按钮控制模块和交流接触器模块相连。图4.1为基本回路连接图。图4.2中，KM1控制液压杆伸出，KM2控制液压杆缩回。按下SB2按钮，KM1线圈得电，伸出接触器KM1中的触点常开KM1闭合，电磁换向阀左端的YA1得图4.1 换向回路接触器控制实物图电工作，液压缸进油口进油，出油口出油，液压杆伸出，由于缩回接触器控制电路中连接一个常闭触点KM1,所以在同一时间内，只有一个接触器在工作。同样的控制原理，按下按钮SB3，接触器KM2线圈得电，缩回接触器中动断触电KM2闭合，YA2工作，液压缸出油口进油，进油口出油，液压杆缩回。按下按钮SB1,接触器失电，液压缸处于卸荷状态。 图4.2 换向回路接触器控制接 图 4.3 换向回路原理图让液压缸开始工作时，先开启交流电源中的按键，接着开直流电源模块中的按键，将泵站起停旋钮扳到启动（初始状态时，液压泵控制旋钮在手动位置，泵站起停旋钮在停止位置。）操作结束时，先将溢流阀关闭（压力表显示为0），接着将液压泵控制模块关闭，然后关掉直流电源模块，最后将交流电源模块按键关闭。（2）变速回路将电线交流模块中AC220V OUT与直流电源模块AC220V IN相连（L-L,N-N）。将交流电流转换为实验可用的直流电流，实验中常用的直流电通常为5V,12V,24V。接着将直流模块中DC24V OUT 与液压泵控制模块中DC24V IN相连，（L-L,N-N）,接着在液压泵模块中用电线将DC24V IN与PC控制口相连，此时液压泵的驱动电路连接完成。接着将直流电源模块中的DC24V OUT与按钮控制模块和交流接触器模块相连。图4.4 变速回路接触器控制实物图电磁阀1左端YA1工作，液压杆迅速伸出，同时按下SB2,SB3，电磁阀左端口得电，电磁阀2右端YA2得电,油路不通，单向调速阀工作，旋转旋钮到不同的位置，阀口大小不同，从而达到控制液压杆伸出速度的目的。按SB4,电磁阀1右端YA3得电，液压缸杆快速缩回。KM1控制液压杆迅速伸出，KM2控制电磁阀2得电工作，KM1,KM2同时工作，控制液压杆慢速伸出，KM3控制液压杆快速缩回。 图4.5 接触器控制的变速回路原理图 图4.6 变速回路接触器控制接线图按下按钮SB2，接触器KM1线圈得电，伸出接触器中KM1动断触点闭合，YA1得电工作，液压杆迅速伸出。同时按下SB3,慢速伸出接触器中KM2线圈得电，动断触点KM2在慢速伸出接触器回路中闭合，电磁阀2得电，油路堵死，调速回路工作。液压杆慢速伸出。按下按钮SB4,KM3线圈得电，缩回接触器回路中动断触点KM3闭合，快速伸出接触器回路中动断触点KM3断开，液压杆快速缩回，由于控制回路中KM1,KM3互锁，在同一时间只有一个在工作。（按下SB4，SB3按与不按，由于单向调速阀的特性，对液压杆缩回速度影响不太。）图4.7为各按钮的功能图。图4.7 SB1,SB2,SB3,SB4按钮功能图 4.2便携性速度检测装置设计4.2.1机械结构的设计与加工增量式光电编码器是一种体积小巧、 精度高、 响应速度快捷、 性能稳定的转速与位置传感器在测速控质领域中得到了广泛应用。光电编码器在位移测量中的应用原理光电编码器是一种高精度的角位移传感器。因其具有直接输出数字量、响应快、精度高、抗干扰能力强、分辨率高、输出稳定等特点。用光电编码器测量直线位移时，需用传动机构将直线位移转换为光电编码器的转动角度。常见的方式有齿轮齿条式，拉绳式。拉绳编码器由光电编码器，带螺纹的轮毂，不锈钢绳，发条弹簧和箱体组成，精密编码器的轴与不锈钢绳缠绕的轮毂固定，编码器的外壳与箱体固定。由于拉绳编码器行程量大，精度高的优点被广泛用于测量直线位移运动的速度。测速时编码器固定在被测物体不懂得一侧，拉绳一端的挂钩固定在移动的一端，被测一端开始运动，拉绳伸出带动轮毂与编码器的轴转动，编码器输出脉冲信号，脉冲数与拉绳的移动距离成比例。拉绳缩回时，发条弹簧带动轮毂旋转，使拉绳保持拉紧状态。图4.8为常见的拉绳式编码器。图4.8 拉绳编码器利用液压试验台平坦，体积小的优势我们采用了一款计米轮摩擦式测速装置，该结构具有结构轻巧，便于安装，测速精度高，适应性强的优点。由于拉伸编码器加工精度高，成本高，且运动时会发生断绳的现象，计米轮接触式编码器成本低易于加工，且精度较高，所以我们采用计米轮接触式编码器进行速度检测。 图4.9 测速装置实物装配顺序图（1）计米轮接触式编码器测速原理液压缸杆运动时推动连接块，使在一起的计米轮转动，计米轮带动编码器上的光栅旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测，给单片机输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数能反映当前计米轮的转速。将转速显示在数码管上。（2）机构设计将机构通过Pro/E进行建模，装配并进行模拟仿真，并采用CAM技术加工制作。图4.10为便携性测速装置三维模型。 图4.10 便携性测速装置三维模型 （3） 检测装置的结构组成液压缸杆与连接块连接，用螺母固定，加固片与连接块用螺钉连接，母固定，螺钉穿过编码器座，加固片和连接块，用螺母和垫片固定，并使编码器座可以自由转动，转动范围由加固片的滑槽大小决定。编码器与编码器座用螺钉固定，计米轮与编码器轴连接，用销钉固定，橡皮筋用于连接加固片和编码器座，使计米轮上的O型圈与试验台上的T型铝板始终接触，从而保证计米轮与编码器准确转动，避免出现液压缸运动过程中丢失脉冲的现象。图4.11，4.12为便携性测速装置结构图和编码器与液压杆连接图。 1计米轮 2.O型圈 3.橡皮筋 4.编码器座 5.加固片 6.连接块 7.编码器图4.11便携性测速装置结构图1.计米轮 2.O型圈 3.橡皮筋 4.编码器座 5.加固片 6.连接块 7.编码器图4.12 编码器与液压杆连接（4）检测装置零件的组成与设计检测装置由计米轮，编码器座，加固片，连接块四个零件，还有橡皮筋，O型圈，码盘等元件组成。计米轮采用D50的PVC棒料，在数控车床上通过编程进行加工。连接块采用PVC板材，在数控铣床上采用CAM技术，用Pro/E建模，在CAXA上建立毛胚，设置刀具，加工轨迹进行模拟加工，导出G代码，在铣床上加工，缩短加工时间，大大提高加工效率。编码器座和加固片采用黑色亚克力板，在激光切割机上加工。图4.13为编码器与加工所得的零件，下面以连接块的建模和加工过程为例给予介绍。图4.13 编码器与与加工的零件打开Pro/E,新建一个零件图，在工具栏中点击文件，在下拉菜单栏中点击新建，出现一个框图，用鼠标点击零件，在名称栏中输入零件名称，取消掉缺省方格中的对勾后，出现另外一个框图选取毫米制并点选。新建完成以后，点击保存，选择保存路径并确定。为了方便快速建模，对拉伸命令设置快捷键，在工具栏中点选工具，在点选映射键，点击新建，输入名称L（名称随便），点击录制，然后进行拉伸操作，操作完成后，点击停止，确定，然后运行，最后保存，保存路径默认即可，无需改变。在以后拉伸命令中输入L即可。输入L，点选Front平面，草绘一个30X40的长方形，关于中心线左右对称。在中心点绘制直径16的圆，尺寸由液压杆和试验台决定。并在同一个草绘中画四个直径6的圆关于中心线对称，两两圆心相距18mm，20mm。并在草绘中点选对勾，结束草绘。选取实体拉伸，拉伸深度10mm,对称拉伸。点击绿色对勾，结束拉伸命令。输入L,在Right平面上草绘，绘制两个直径4mm的圆，两圆距离30mm。点选对勾结束草绘，拉伸深度31mm,对称拉伸。点选绿色对勾完成拉伸命令，连接块绘制完成，保存。图4.14 连接块Pro/E模型将连接块在Pro/E中备份为dwg格式的二维平面图，用Caxa打开，在Caxa中模拟加工。首先对平面图建立坐标系，设置坐标原点，接着制作60x60x10的毛胚，点选菜单栏中的加工，点选下拉菜单中的常用加工中的平面区域粗加工，将中间直径16mm的圆铣削，因为采用PVC板加工，主轴转速1000r/min,切削速度100，走到方式选取环切走刀，选用直径10mm的立铣刀，行距3mm,每次走刀深度2mm,拾取轮廓线，右键完成。点取孔加工命令，选取钻孔，安全高度30mm,钻孔深度14mm,主轴转速1000r/min,钻孔速度80，拾取四个圆，钻头直径6mm,右键完成。接着进行平面轮廓精加工，基本参数与粗加工相同。接着实体仿真，选取已经完成的加工轨迹，右键模拟加工。图4.13为实体加工仿真图。最后将程序导出，修改一下格式。图4.15 为实体加工仿真图开总开关，将数控铣床总旋钮打开，接着开启控制面板的绿色按钮，打开急停开关，将机床回参考点，然后将毛胚夹在虎钳上，要求加工表面平整，然后设置G54坐标原点，完成以后把铣刀移到安全位置，在程序编写状态下，将CAXA导出的G代码程序输入数控铣床，将旋钮转到Memory位置，按下自动加工按钮，铣床开始加工。粗加工程序G代码%O1200G40 G49 G69 G80N12 G90 G54 G0 X2.9 Y0. S1000 M03 N14 G43 H0 Z30.N16 Z6. N18 G1 Z-4. F60 N20 G17 G2 I-2.9 J0. F100 N22 G1 Z6. N24 G0 Z30. N26 Z2. N28 G1 Z-8. F60 N30 G2 I-2.9 J0. F100 N32 G1 Z2. N34 G0 Z30. N36 Z0. N38 G1 Z-10. F60 N40 G2 I-2.9 J0. F100 N42 G1 Z0. N44 G0 Z30. N46 M05 N48 M30 %4.2.2编码器检测在便携性速度检测装置中，采用AB两相增量型旋转编码器，旋转一圈可以输出100个脉冲。可以根据在一定的时间内检测到的脉冲数计算液压缸柱塞的运动速度。在方案中将其与一加工精度高直径49.79mm的计米轮同轴安装，计米轮在橡皮筋的拉紧作用下与液压试验台工作面接触。在液压缸柱塞运动过程中，依靠摩擦力图4.16编码器测速系统带动计米轮旋转，把液压缸柱塞的直线位移转化为光电式编码器的脉冲数字信号输出并通过单片机处理计算平均速度在数码管显示。如图4.16所示编码器旋转一周，脉冲个数为N个，则旋转编码器分辨率是：P=2/N计米轮半径为Dmm,则位移分辨率（单位mm/s）是：Ps= D/N若脉冲个数为m个，则由编码器测量的位移量s(单位：mm)s=Ps*m液压缸柱塞运动速度v=s/t即：v=* D*m/(N*t)注：t为接收m个脉冲所用的时间（单位：s）。本文使用的是89C52RC的单片机开发板，按编码器提示，编码器上的白色线与单片机上的Vcc引脚连接，黑色线与单片机的GND引脚相连，A相信号线与单片机的P1.0引脚连接，B相信号线与P1.1引脚连接。两个霍尔传感器的信号线分别与P1.2,P1.3引脚连接。各自其余的两根电源线分别与单片机的两个Vcc引脚和GND引脚连接。图4.17为编码器和霍尔开关的连接图。图4.17编码器和霍尔开关连接电路图采用C语言对单片机进行编程，首先对各个寄存器初始化定义，接着编写数码管显示的程序，编码器采集数据的程序，计算速度的程序，并扫描按键。图4.18为主程序流程图。首先用define作预处理宏定义，将编码器的直径，脉冲数做宏定义，方便在后面的程序中修改。对数码管，编码器A,B两相信号线端口，以及按键初始化，由于采用数码管动态显示，编写数码管中要显示的数码部分。Couter,couter1分别为当前脉冲值和前一次脉冲值，初始化定义完成以后，进行函数的编写，首先编写延时程序，延时函数在程序中是非常重要的程序，服务于编码器脉冲的采集与数码管的现实。数码管显示函数包括正负的判断，四个数码管正负号，百位，十位，个位数字的分配和数字的显示三部分。编码器采集数据函数有正转计数和反转计数两部分，信号B从0到1表示为编码器正转，正转计数加；B信号从1到0表示为编码器反转，反转计数减。还有两个中断函数，定时器0中断为数码管服务，定时器1中断图4.18 主程序流程图为编码器采集脉冲数服务，每隔1s采集一次脉冲值，编码器脉冲数采集一直在累加，当前脉冲数与前1s脉冲数相减所得数值与位移分辨率Ps相乘，即为瞬时速度，显示在前两个数码管上。霍尔传感器SQ1安放在液压杆初始位置，当液压杆做完一个完整动作后，伸出时霍尔传感器SQ1感应到液压杆上的磁铁，就会将信号传传给单片机，将之前数码管上显示数据累加起来，计算出平均速度，显示在后两个数码管上。4.2.3直接检测在测速装置中加上两个霍尔传感器SQ1,SQ2。如图4.19所示，液当液压缸碰到传感器SQ1，传感器SQ1发出信号，单片机开始计时，当液压缸碰到传感器SQ2，传感器SQ2发出信号，此时单片机计时停止。SQ1与SQ2之间的安装距离是170mm，单片机即可通过编写的程序计算出液压缸的平均速度。然后将所得到的速度值输给数码管，实现速度的显示。显示速度单位（mm/s）。图4.20为速度换接回路霍尔传感器检测液压缸速度装置实物。图4.19 速度换接回路液压缸速度检测原理图本文使用的是89C52RC的单片机开发板，按编码器提示，编码器上的白色线与单片机上的Vcc引脚连接，黑色线与单片机的GND引脚相连，A相信号线与单片机的P1.0引脚连接，B相信号线与P1.1引脚连接。两个霍尔传感器的信号线分别与P1.2,P1.3引脚连接。各自其余的两根电源线分别与单片机的两个Vcc引脚和GND引脚连接。霍尔传感器检测速度与编码器测速相比比较简单。与编写编码器测速程序一样，先对数码管的位选控制信号，段选控制信号，两个霍尔传感器信号IO口定义。定义动态数码管要显示的部分。然后编写数码管显示函数，两个传感器检测信号的程序，两个定时器中断的程序。液压杆伸出时接近开关SQ1先有信号，打开定时器1，开始计时，当到达接近开关SQ2处时，关闭定时器1，计算速度，计算完毕计时清零并显示速度。因为定时器每0.05s计时一次，SQ1,SQ2两个接近开关距离170mm,所以速度v=17020/N,N为液压杆运动170mm定时器计数的次数。液压杆缩回时，接近开关SQ2有信号，计时开始，直到接近开关SQ1有信号计时结束，开始计算速度，计算完毕，计时清零，前两个数码管显示本次缩回速度，后两个数码管显示累加平均速度。图4.21为液压杆缩回时数码管显示本次速度与累加平均速度值。图4.20 速度换接回路霍尔传感器检测液压缸速度装置实物图4.21 数码管上显示的速度值编码器测速系统中瞬时速度为液压杆运动每隔1s的速度值。平均速度为（液压杆伸出和缩回为一个完整动作），累加前几次的平均速度值。霍尔传感器测速系统中瞬时速度为液压杆伸出或缩回本次平均速度，平均速度为液压杆每做完一个完整的动作后，累加前几次的平均速度。表4.1，4.2分别为为编码器测速系统和霍尔传感器测速系统的平均速度。 表4.1 编码器测速累计次数平均速度（mm/s）累计次数平均速度（mm/s）累计次数平均速度（mm/s）15217483348252184834483521949354845120493648551214937486502248384875023483948849 2448404894925484148104926484248114827484348124728474448134729474548144630484648154731484748164732484848注：本次测速中液压缸行程200mm,液压缸完成一个动作400mm。压力表指数1.5MPa.表4.2 霍尔传感器测速累计次数平均速度（mm/s）累计次数平均速度（mm/s）累计次数平均速度（mm/s）15517543354254185434543541954355445420533654554215337546542252385475423523954853 2453405495325534154105426544254115427544354125428544454135429544554145430544654155431544754165432544854注：本次测速中两接近开关距离170mm,压力表指数1.5MPa由表4.1可得液压杆第一个动作平均速度为52mm/s，最终平均速度为48mm/s。同样的情况，在表4.2中，由霍尔传感器检测速度显示所得，第一次平均速度为55mm/s,随着累计次数的增加，最终速度为54mm/s.两个测速系统所得结果误差为11%，在误差允许之内。并且由秒表累计液压缸动作48次的时间342.85s,可得液压缸平均速度为56s,由此可得，与秒表测速相比，编码器测速误差为14.2%,也在误差允许范围之内。所以，我们有理由相信，编码器检测液压缸速度的方法和程序都是正确的，将来我们就可以使用单片机来对速度进行智能检测。由此表明随着液压杆完成伸出和缩回动作累加次数的增加，其最终速度会稳定在某一个值。通过与霍尔传感测速系统，和秒表测速的比较，验证了编码器测速的合理性和可靠性。4.2.4误差分析通过实验台上模块及线路搭接的完成，采用传感器技术实现液压杆运动时编码器脉冲的检测与采集，从而通过C语言编程得到速度，并将速度显示在单片机开发板的数码管上。采用编码器可以实现速度的随时检测，从而实现速度的实时显示。由于考虑到误差的影响，所以程序中设定每5ms测定一次。根据定时器对液压杆感应两个霍尔传感器的时间，由v=L/t,直接计算出液压杆的速度，与编码器测速存在一定的误差，主要由计米轮运动时的偏心，打滑以及编码器自身因素和液压试验台各元件的不稳定的因素造成。（1）计米轮的误差偏心 将装配好的测速机构安装在液压杆上，由于液压杆在伸出的过程中，有时会绕杆的中心线旋转，使计米轮出现偏心现象造成计米轮实际直径变小。打滑 码盘座与连接块之间用橡皮筋拉紧，依靠摩擦力计米轮转动。由于外界因素，计米轮会出现打滑，造成丢失脉冲的现象，造成速度偏小。（2）编码器自身因素光栅安装时的偏心误差，码盘轴的轴系误差，光栅的制造误差是造成编码器测速精度自身的主要因素。（3）液压系统实验台上各元件的不稳定及误差影响实验中所用的实验台为昆山巨林机电液综合试验台，此实验台是集可编程控制器、变频器、步进电机驱动器、电器控制模板、液压元件模块、气动元件模块为一体，除可进行常规的电器组合控制实验外，还可进行数控编程、直流、交流电机控制、变频器的应用、液压、气动等基础实验以及机电液课程设计。实验中由于实验板上各个阀体的误差，及液压缸的震动，导致所测信号的不稳定，使得所测结果不准确。5结论本文介绍了一种便携性液压缸速度检测装置设计过程，从液压系统，速度检测装置，方案的选定及设计等方面对速度检测装置进行了详细说明。在液压回路的搭建中，通过接触器，实现了液压缸两种速度的切换；在机械结构上，实现了测速机构的机构轻巧便于安装的功能的实现；在速度检测上，实现了数据的采集与实时显示。以下是本次设计的成果：（1）搭建了能够变速的液压回路系统，利用接触器实现对变速回路的控制；（2）使用Pro/E设计便携性液压缸速度检测机构，通过CAXA实体仿真，导出G代码，利用数控机床加工制作检测装置的零件，并装配出一套结构小巧的液压缸测速机构。（3）通过C语言，对以单片机STC89C52RC为控制核心的开发板进行程序的编写，并实现了编码器对液压缸速度的检测，速度成功的显示在数码管上。（4）通过接近开关和秒表对液压缸速度检测的结果，验证了编码器对液压缸测速的准确性。参考文献1 陈兵.液压传动系统故障的排除J.黑龙江科技信,2010，(32)2 赵双,孙天健. 液压控制系统在汽车ABS检测试验台中的应用J现代零部件,2007，(10)3 陶亦亦,查建方. 用PLC控制液压缸的定位精度J 机械设计与制造工程2001，30(1)4 叶树明,苗在朝.大型高速电液伺服系统设计及控制策略研究J 机电工程1997，14(5)5 杨尔庄.液压系统防漏与治漏的建议J.液压气动与密封，1999（1）：2-4.6 李硕卫，张国贤.现代液压技术的发展现状J.机械工程师,2009,(02)7 黄兴.液压技术创新及发展趋势J.机床与液压，2005（12）：6-8，34.8 杨尔庄.环保节能与液压技术J.液压气动与密封，2005（5）：9-169 朱洪涛.液压与气压传动.北京 ：清华大学出版社，200510 王守城，容一鸣.液压传动.北京 ：中国林业出版社；北京大学出版社，200611 杨文生.液压与气压传动.北京：电子工业出版社，200712 苪延年.液压与气压传动.苏州：苏州大学出版社，200513 李晓林，牛昱光，阎高伟.单片机原理与接口技术M.电子工业出版社，2010.1214 SIMATIC Components for totally integrated automationM. Siemens.199915 V. Yu. Teplov,A. V. Anisimov. Thermos tatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Pettier EffectJ. 2002 16 Yeager Brent. How to troubleshoot your electronic scaleJ. Powder and BulkEngineering. 1995 致谢伴随着毕业设计写完，这也意味着我在大学学习生活既将结束。在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。 在指导老师刘晓老师的指导下我完成了毕业设计，这其中有过迷茫，也有过失败，在老师的谆谆诱导、同学的帮助使我克服困难，走出误区，挑战自己，最终完成了毕业设计。在此，我特别要感谢是我的指导老师刘晓老师，在我遇到困难时不断的鼓励我，给我指导，在我不知所措时，给我指明了前进的方向。从论文的选题、文献的采集、框架的设计、结构的布局到最终的论文定稿，从内容到格式，从标题到标点，他都费尽心血。没有他的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我设计的顺利完成。 通过这一阶段的努力，我的毕业设计已经顺利完成。回首大学时光，在转眼间都是过往，这四年的时间了，我学到了很多东西，不仅是知识，还有做人。思想的成熟和能力上的提升，除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的，没有母校的悉心栽培，没有老师的谆谆教诲，没有同学和朋友的热心关怀和帮助，就不会有今天的我，在此，我向他们表示深深地感谢。附录编码器测速#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define PI 3.141592653 /#define D 49.79 /直径#define MAX 100 /码盘转一圈的数值uchar temp,aa,bb,numdu,numwe;bit tr1flag=0;sbit dula=P26;sbit wela=P27;sbit PINA=P10;sbit PINB=P11;sbit key1=P34;uchar code table=/0011 1111 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40,;uchar code tablewe=0xfe,0xfd,0xef,0xdf; /位选选通是低电平uchar xianshibuf8=0,0,0,0,0,0,0,0;int counter,counter1,sudu;int pingjunsudu,sudui,pingjunsudu1,jishugeshu,zongsudu; /平均速度char xdata sudubuf200;float zhouchang;void delay(uint i)uint j;for(i;i0;i-);for(j=110;j0;j-);void xianshi(int num1,int num2) /显示函数if(aa=1)aa=0; / 计时开始xianshibuf0=num1/10;xianshibuf1=num1%10;xianshibuf2=num2/10;xianshibuf3=num2%10;numwe+;if(numwe=4)numwe=0;dula=1;P0=tablexianshibufnumwe;dula=0;wela=1;P0=tablewenumwe;wela=0;void init() /初始化函数numdu=0;numwe=0;aa=0;TMOD=0x11;TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;EA=1;ET0=1;ET1=1;TR1=1;TR0=1;void scan_encoder(void) /编码器采集函数 static bit Curr_encoder_b; /定义一个变量来储存当前B信号static bit Last_encoder_b; /定义一个变量来储存上次B脚信号static bit updata= 0;uchar i=100;if( PINA & PINB)/编码器无转动退出updata = 0;return;Last_encoder_b = PINB;/记录B信号while(!PINA & i-)/等待A由低变高Curr_encoder_b = PINB;/记录等待期间的B信号(指当前B信号updata = 1;if(updata)updata = 0;if( (Last_encoder_b = 0)&(Curr_encoder_b= 1) )/B从0到1为正转 counter+;/正转计数加if(counter = 10000)counter=0;counter1=0;else if( (Last_encoder_b = 1)&(Curr_encoder_b = 0) ) /B从1到0为反转 counter-; /反转计数减if(counter = 0)counter=10000;counter1=10000; void anjian()int i; if(key1=0)delay(5);if(key1=0)while(key1=0)xianshi(sudu,pingjunsudu);zongsudu=0;for(i=0;
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