全液压推土模拟机实训台黑匣子系统开发.pdf

教学 培训 课件现代制造工程 年第 期 全液压推土模拟机实训台黑匣子系统开发 倡 马宗正 邵凤翔 杨安杰 王新莉 马鹏程 徐平 河南工程学院机械工程学院 郑州 河南工程学院土木工程学院 郑州 摘要 根据全液压推土模拟机实训台维护 维修与超载报警的需求 设计了全液压推土模拟机实训台黑匣子系统 该系 统以单片机 为微处理器 采用 型热电偶作为温度传感器 测量液压油的温度 选择 压力变送器作为压 力传感器 测量液压缸内的油压 应用 作为数据存储器 实时存储系统采集的温度和压力值 存储器 可以自动存储超过 的数据 同时设计了上位机数据读取系统 通过 串口进行上位机与下位机的数据传输 实 现液压系统运行参数的读取与上位机数据的存储 分析 关键词 液压推土机 实训台 黑匣子 中图分类号 文献标志码 文章编号 Development of black box system of training set of full hydraulic driver bulldozer Abstract Key words 引言 以机械化工程施工为标志的现代化工程施工方 式带来了工程机械的大发展 伴随着工程机械的大量 使用 懂设备 会保养 能维修和善操作的工程机械操 作使用人员成了社会急需的短缺人才 为了更好地 培养工程机械人才 在教学过程中使学生深刻了解机 构各部件的结构与工作原理 河南工程学院开发了一 款教学用全液压推土模拟机实训台 既能够用于演示 教学 展示液压系统的基本构造 同时还能够演示铲 土 运土 卸土 空驶返回动作 推土模拟机实物照 片如图 所示 驾驶室 发动机罩用来模仿实际推土 机的外形 车架系统用来固定液压缸 主动轮 从动轮 和履带 推土铲用于模拟实际推土铲 液压缸驱动系 统用来控制推土铲的升起和落下 主动轮驱动系统用 来模拟推土机的前进 后退及转向系统 操纵机构用 来模拟发动机的操作手柄 全液压推土模拟机实训台通过对操作面板上的 操作按钮的操作完成相应的动作 操作按钮示意图 如图 所示 它包括左轮前进 后退 右轮前进 后退 推铲升起 落下 离合分离 连接等按钮 为了便于实训台的维护以及一旦发生故障后的 维修 对其运行状态进行记录 这对于实现推土机实 训台液压设备的状态监测及故障诊断很有必要 笔 者参考飞机黑匣子 飞行数据记录仪 开发了一款用 于全液压推土模拟机实训台数据记录的黑匣子系统 倡河南省科技攻关项目 河南省教育厅科学技术项目 河南工程学院博士基金项目 年第 期现代制造工程 图 推土模拟机实训台实物照片 图 操作按钮示意图 黑匣子系统总体结构 全液压推土模拟机实训台黑匣子系统包括数据 处理 微处理器 数据存储 数据传输和报 警模块 系统结构框图如图 所示 图 黑匣子系统结构框图 图 中 温度处理模块和压力处理模块属于数据 处理系统 选用 公司的 位单片机 作 为微处理器 它是整个控制系统的核心 能够接受输 入信号和输出控制信号 同时还可以对实训台上按钮 的操作过程进行监测 还包含上位机的接口 用于程 序下载和数据通信 另外 还可以根据设定的时间间 隔将采集的温度和压力数据存储 同时可以将检测到 的数据存储在 存储器中 数据传输模块用于 利用计算机来采集和处理单片机获取的数据 报警模 块根据实训台实时数据的检测 确定是否超过安全 值 如果超过安全值则报警 黑匣子系统硬件设计 黑匣子系统硬件由微处理器 温度处理模块 压 力处理模块 操作过程记录模块 数据存 储器模块 报警模块 电源模块 显示模块和串口通信 模块组成 单片机最小系统 最小系统由单片机 复位电路和时钟电路构成 如图 所示 本文选用的 位单片机 具有 的可编程 的 个 接口 个中断源 两个 位定时器 完全满足外部输入和控 制输出通道数的要求 满足定时和中断的需求 复位 电路采用上电复位方式 时钟电路晶振为 完全满足系统计数和数据采集的要求 图 最小系统 温度处理模块设计 在温度处理模块中 温度检测传感器采用 型 热电偶 该类型热电偶具有结构简单 线性度好和测 温范围广的特点 应用范围很广 通过与 芯片配合使用 可以完成热电偶输出信号的冷端补 偿 线性化 放大和模拟 数字 转换功能 温 度采集和转换电路如图 所示 其中 选 用 封装 它具有 位转换数字量 转换的数 字量送入单片机经标度变换后 可得实际温度值 计 算公式为 马宗正 等 全液压推土模拟机实训台黑匣子系统开发 年第 期 T N 式中 T 为实际测量温度 N 为转换后的数字 量 位转换数字量转换的最大值为 对应的温 度值为 图 温度采集和转换电路 压力处理模块设计 在压力处理模块设计过程中 选择 系列电压 输出型集成压力变送器作为压力传感器 该系列变送 器有电压输出型 电流输出型两种 前者用于近距离 信号的传输 后者可用于远距离信号的传输 黑匣子 处在实训台内部 与被测点间距离较近 且电流信号 还需在后续电路中连接精密采样电阻才能得到电压 信号并进行 转换 因此本文选用电压输出型变送 器 结合实训台液压系统工作条件 所选压力变送器 参数如下 测压范围为 输入电压为 输出信号为 压力采集转换电路如图 所示 其中 转换 器件为 它具有两通道 位转换功能 供 电电压为 采样电压为 所选压力变送器 的输出电压为 可以直接进行 转 换 简化了信号处理电路 提高了系统的稳定性 图 压力采集转换电路 操作过程记录模块设计 由参考文献 可知 全液压推土模拟机实训台 的控制由电液控制阀来实现 而电液控制阀是由十字 开关来控制的 因此要想将其状态进行监测 需要实 时检测每一路 交流电的通断情况 并输出相应 集电极开路信号 从而实现交流电到开关量信号的转 换 为此 笔者在原有控制系统中增加一个 模块 用于检测当前该线路的通断 并将开关量 信号输入到单片机的 接口的输入端 图 所示为采集操作过程信号的处理电路 图 中 为交流电到开关量信号的转换模块 见图 它具有 路交流电输入和 路输出 端口 分别对应左轮前进 左轮后退 推土铲升起 推 土铲落下 右轮前进 右轮后退 离合器分离和离合器 连接等操作 开关量的输入 输出采用单片机的 接 口 由于该接口没有内部上拉电阻 因此本文采用外 部上拉电阻的方式连接 见图 图 采集操作过程信号处理电路 数据存储器设计 本文设计的实训台主要用于高校日常的教学 一 次使用大约 所需记录的温度 压力数据量较 大 且要保证系统停止运行后数据不丢失 故数据存 储单元选择 型存储器 因为温度变化较缓慢 所以对温度的测量为每分 钟 次 温度传感器 输出的 位数据经标 度变换后只占 个字节 油温上限为 则记录 个温度传感器检测的数据需要的存储空间为 次 分钟 因为压力变化较快 则设定每 检测 次 转换结果每个数据占 个字节 则记录 个压力传感 器检测的数据所需要的存储空间为 次 分 钟 粗略估计 每小时存储的数据量为 常用 的 存储器有 公司的 系列存储 器 在考虑实用性和经济性的基础上 选择存储器 存储空间为 数据读写遵循 协 议 由于 无 通信端口 故需通过单片 机 接 口 使 用 软 件 模 拟 通 信 协 议 对 进行读写操作 与单片机的连接 电路如图 所示 年第 期现代制造工程 图 与单片机的连接电路 报警模块设计 报警系统设计较为简单 采用蜂鸣器的方式进行 报警 液压油一般工作温度最高为 当温度超过 时 温度报警蜂鸣器响 对应的指示灯点亮 当测 量的压力超过 时 压力报警蜂鸣器响 对应的 指示灯点亮 电源模块设计 系统各芯片所需电源采用直流 先将交流 降为 再整流为直流 稳压滤波后输出 稳定的直流 电压 显示模块设计 显示模块采用四联装数码管 其连接电路简单 编程 方便 对于仅仅是数值显示的要求 数码管足以胜任 串口通信模块设计 由于单片机输出是 电平 而 输出是 电平 所以需要一个 芯片构成电 平转换电路 实现通信时电平信号的匹配 串口 通信电路如图 所示 其中 和 表示连接点 图 串口通信电路 软件程序设计 数据检测及存储 数据检测程序放在 定时中断程序里 每 检 测一次压力 每 检测一次温度 并将检测到的数据 储存 黑匣子系统程序框图如图 所示 上位机界面 为便于后续数据的分析及处理 编写了上位机程 图 黑匣子系统程序框图 序 使用 串口 将黑匣子记录的数据上传到上 位机 为了实现上位机和下位机的通信 需要完成各自 的初始化 上位机串口初始化程序和下位机串口初 始化程序 其中上位机串口初始化程序如下 使用 口 设置通信参数 波特率 为 无校验位 发送 位 个停止位 开串口 下位机串口初始化程序如下 倡倡倡倡倡倡倡倡串口初始化函数倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡 串口通信初始设定 为模式 位数据 允许接收 定时器 为模式 位自动重装 波特率为 定时器赋初值 启动定时器 允许串口中断 总中断 在实际工作过程中 下位机根据上位机发送的数 据请求的不同分别发送相应的数据 下位机数据发送 程序如下 倡倡倡倡倡倡倡倡串口接收中断函数倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡 收到发送温度数据请求 马宗正 等 全液压推土模拟机实训台黑匣子系统开发 年第 期 读温度地址加 向串口发送温度数据 等待发送 直到 位数据发送完毕 清零 收到发送压力数据请求 读压力地址加 收到发送操作数据请求 读操作地址加 向串口发送操作数据 等待发送 直到 位数据发送完毕 清零 上位机界面采用 编写 添加其自带的 控件 可以很方便地实现串口通信 上位机 采集到的数据以倡 格式存储 便于其他软件的调 用分析 黑匣子系统的抗干扰设计 硬件抗干扰 黑匣子系统的精度主要取决于各 转换芯片 供电电压的波动情况 故在电源末端接 稳压 器及滤波电容 以消除尖峰脉冲并稳定电源电压 软件抗干扰 为了进一步提高测量精度 尽量减小各种误差对 测量精度的影响 在程序中采取了软件抗干扰措施 压力脉动是液压系统的固有特性 而数字均值滤 波可以很好地消除这种误差 故在程序中对压力连续 采集 次再取均值 作为本次压力采集的有效值 温 度的变化一般都比较缓慢 随机误差出现的可能性比 较大 采用均值滤波也可以很好地消除这种误差 其 处理方法与压力采集相同 实物图以及检测数据 系统实物 为了对所设计的黑匣子系统进行测试 首先利用普 通万用板制作黑匣子 其实物如图 所示 此时 显示 模块 数据模块和单片机系统分开 便于各自调试 图 黑匣子系统实物 检测数据 图 和图 分别为利用上位机程序转化后的数 据 其中 图 所示为液压系统温度和压力随时间的 变化规律 由图 所示可知 在实训台刚开始工作时 液压系统温度和环境温度基本一致 然后迅速升高 直到液压系统温度保持在 左右基本不变 由于实 训台工作时液压泵站已经开始工作 因此其一开始工 作的压力就已经达到需要的数值 之后虽然略有波 动 但是基本保持不变 图 所示为操作过程随时间 的变化规律 为了便于说明问题 对其数据整体调整 一定比例 将所有的参数在一张图中显示出来 操作 系统输出参数是 或者 两种状态 凸起部分为高电 平 即控制信号为 的状态 水平部分为低电平 即控 制信号为 的状态 可见 该系统可以实现对操作过 程的记录 图 液压系统温度和压力随时间的变化 图 操作过程随时间的变化 下转第 页 年第 期现代制造工程 在各自倍频的两侧还存在调制频率 例如 在故 障频率 倍频两侧存在 和 的谱峰 倍频两侧存在 和 的谱峰等 B C D E 频率都属于调制频率 调制频率的数值是在各自 故障频率的倍频加减一个工频或几个工频得到的 通过频谱分析可以得出 振动筛轴承的外圈出现磨损 时 振动幅值会出现调制现象 它的振幅通过轴的旋 转频率来调制 结语 本文提出了采用包络分析法处理振动信号和诊 断轴承故障的方法 通过研究圆周振动筛轴承的正 常 内圈故障和外圈故障这 种工况下的信号时域和 频域特性 从频谱图可以看出 振动筛轴承故障特征 是由故障频率以及其他倍频成分组成的 研究结果表 明 通过对信号进行包络分析 利用希尔伯特变换 进行解调 提取出故障信号 分析信号的频谱进而识 别出轴承故障 这种故障信号特征提取与诊断方法有 效可行 分析振动筛滚动轴承出现故障时的频谱特 征 由于振动筛自身结构的特点 使得振动筛滚动轴 承内 外圈出现故障的频谱图差异很大 外圈存在调 制现象 内圈没有调制现象 参 考 文 献 郭楠 潘宏侠 孙黎明 基于 细化包络谱分析在轴承 故障诊断中的应用 煤矿机械 韩业锋 仲涛 石磊 基于包络谱分析的滚动轴承故障诊 断分析 机械研究与应用 绳飘 乔庆军 直线振动筛故障分析 制造业自动化 何宝祥 沈惠平 薛国新 等 基于筛分特性分析的并联 运动振动筛优化控制 机械设计与制造 贾涛 段志善 朱冰 基于 的圆振动筛的动态响应 有限元分析 煤矿机械 彭治国 耿涛 刘海浪 自适应谐振理论在基于行为的故 障诊断中的应用研究 制造技术与机床 梅宏斌 滚动轴承振动监测与诊断 北京 机械工业 出版社 杨望灿 张培林 吴定海 等 基于 和增强功率谱分 析的滚动轴承故障诊断方法 现代制造工程 张俊 万里冰 基于小波分形和神经网络的滚动轴承故障 诊断 组合机床与自动化加工技术 作者简介 方月 讲师 硕士 研究方向为机械自动化 刘建英 副教授 博士研究生 研究方向为机械设计与自 动化 收稿日期 上接第 页 结语 在分析黑匣子系统需求的