回转支承实验台测试系统设计毕业论文.doc

回转支承实验台测试系统设计回转支承实验台测试系统设计毕业论文毕业论文 目 录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 课题意义 1 1 2 回转支承国内外研究现状 1 1 3 本人的任务 5 1 4 本章小结 6 第二章第二章 设计方案论证设计方案论证 7 2 1 系统要求分析 7 2 2 测试系统设计原理 8 2 2 1 传感器测试性能简析 9 2 2 2 被测量简析 9 2 2 3 信号调理简析 10 2 2 4 CPU 选择 10 2 2 5 总线方式 10 2 3 采集方案的确定 10 2 4 软件平台的确定 11 2 4 1 虚拟仪器介绍 11 2 4 2 LabVIEW 概述 14 2 5 本章小结 15 第三章第三章 硬件设计硬件设计 16 3 1 传感器选型 16 3 1 1 温度传感器的选型 16 3 1 2 加速度传感器的选型 17 3 1 3 压力传感器的选型 18 3 1 4 位移传感器的选型 19 3 1 5 扭矩传感器的选型 20 3 2 数据采集设备选型 21 3 3 工控机选型 22 3 4 实验台结构简图 23 3 5 传感器布置 23 3 6 数据采集接线图 24 3 7 本章小结 24 目 录 第四章第四章 软件设计软件设计 26 4 1 软件功能分析 26 4 2 程序编制过程简介 26 4 2 1 建立 VI 程序 26 4 2 2 显示采集信号的波形 27 4 2 3 采集信号的滤波处理 30 4 2 4 保存采集信号的数据 32 4 2 5 添加报警提示功能 35 4 2 6 程序的组建及修饰 37 4 3 软件使用说明 38 4 4 本章小结 44 参参 考考 文文 献献 45 致致 谢谢 46 第一章 绪论 1 11 1 课题意义课题意义 回转支承是实现两部分相对回转运动的基础零件 广泛应用于机器人 风力发电机 雷达 工程机械 载人升降机 轨道车辆 饮料灌装机械 污水处理装置以及医疗设备 等领域 处于结构承上启下的关键部位 它的质量直接影响这些设备的性能 由于回转 支承造价昂贵 而且拆装十分困难 维修周期长 维修费用高 并且其使用环境相对恶 劣 因此对回转支承的动静载能力和可靠性指标提出了较高的要求 特别是风电用回转 支承 是风电设备的核心部件 是影响大型风力发电机组国产化的重要因素 一方面 风机要跟踪风向变化及时调整风叶度 另一方面 风力发电机组常年在野外工作 工况 条件恶劣 风速 有时高达 70m s 温度 湿度 和回转支承的载荷变化都较大 由此 要求回转支承具有良好的耐冲击性 密封性能 长寿命和高可靠性 由于风电设备的庞 大性 特别是大型风电设备 一旦设备安装调试完毕 回转支承就很难进行更换 如果 要更换 不但施工难度大 而且耗资巨大 所以 在风电设备开发中主要着眼于提高回 转支承的可靠性 延长其使用寿命 可以说回转支承决定了风力发电设备的寿命 国外 很多厂家在生产回转支承都有严格的测试流程和测试设备 我国回转支承的生产历史不 长 近几年在国家振兴机械行业的政策扶持下 经济的高速发展和机械行业的复苏 回 转支承的需求量的剧增使很多厂家开始投产 但是其品质不高 特别是生产出来的回转 支承没有严格的承载实验 生产厂家对其产品的寿命缺乏可靠的数据 本课题根据国内某回转支承的生产厂家的实验要求情况 设计一套适合中等规模的 回转支承的实验台的测试系统 1 21 2 回转支承国内外研究现状回转支承国内外研究现状 支承 是指在一对彼此间具有相对运动的运动副中起到隔离和力传递作用的机械零 部件 并且大多数场合下是指不动件一方 轴承作为支承的主要形式之一 差不多和旋 转机械同时问世 而支承的定义还可以更扩展一些 不必局限于轴承 轴承技术真正开 始成为一门学科 最早也许可以上溯到1879年 英国机械工程学会在这一年任命了一个 专门委员会开展运动副间摩擦问题的调查 1 第一章 绪论 而回转支承是近50年发展起来的新型轴承 与普通轴承相似 都有滚动体和带滚道 的套圈 但又存在显著差异 按其结构型式可分为4点接触球轴承 双排角接触推力球轴 承 交叉圆柱滚子轴承 交叉圆锥滚子轴承和3排圆柱滚子组合轴承等 回转支承可同时 承受轴向力 径向力 倾翻力矩 多有安装润滑及密封装置 能使主机设计结构紧凑 引导旋转方便 便于制造 安装与保养 因此近年来得到广泛应用 钢包旋转塔是现代 板坯连铸中应用最普遍的钢包运载设备 对安全性和可靠性要求极高 回转支承是其关 键重载部件 一旦发生故障会妨碍连铸的正常生产 某炼钢厂钢包旋转塔上的大型回转 支承型式为3排滚柱式特大型回转支承 图1 1 其中座圈是带齿且同时带3个滚道的一体 件 轴圈分离为上下轴圈 垂直分布的1排滚子承受径向力 上下2排滚子承受轴向力和 倾覆力矩 图1 1 某炼钢厂钢包旋转塔上的大型回转支承型式 1 这类回转支承价格昂贵 更换周期长 因此如何准确评估其使用状态和预测其剩余 寿命具有重要的应用价值 2 我国生产回转支承的历史并不长 徐州回转支承厂和洛阳回转支承厂等都是国内生 产回转支承的老牌厂家 其生产工艺和技术质量也代表着国内同行业领先水平 以徐州 回转支承厂发展进程来说 其生产历史要追溯到1978年 同年开始专业生产回转支承产品 这也标志着我国机械零部件行业中又新产生了新的行业 回转支承行业 1981年 该厂引进德国HRE公司回转支承专有制造技术 首次把国外先进的回转支承 设计与工艺技术全面系统性地带进国内 1984年 用引进技术生产的回转支承产品通过德国本土试验认证 标志着国产技术 质量与国际接轨 同年与天津工程机械研究所一起制定了JB2300 84 回转支承型式 基本参数和技术要求 标准 这是JB2300的首发标准 1985年 该厂开发出国内第一个回转支承CAD设计软件 并参加了全国对外贸易及引 进技术成果展 1993年 研制成功国防舰炮用镶嵌滚道式回转支承 填补了国内空白 1995年 与603所共同制定了第一个CB T3689 1 995 船用起重机回转支承 标准 1998年 成功开发出国内第一套 4600mm球柱联合式大型回转支承 通过上述也可以看出国内生产回转支承的脚步也是非常迅速 工艺水平进展也很快 但是相对于国外生产回转支承的资深厂家 还是有很大的差距 国外轴承公司在中国推 销其大型回转支承时 往往会说到他们的产品有三大优点和一个主要缺点 即钢材质量 更好 设计水平更高 质量和质量管理更强 价格比国产轴承贵 首先 从选用的钢材质量来看 一方面 由于国产钢材与原国外支承毛坯钢材牌号 没有完全的对号 国产大型回转支承在选支承毛坯钢材牌号时 都是采用高一号来加大 安全系数 弥补了国产同牌号的不足 另一方面 由于国内钢厂近几年大规模技改 国 产钢材质量与过去相比本身也有了很大的提高 第三 从徐州回转支承公司为港机行业 配套大型回转支承l8年的历程来看 还投有一个事例能说明目前国内大型回转支承因钢 材制造的系统质量问题而导致了比进口大型回转支承寿命低 其次 从设计水平上看 徐州回转支承公司目前本身采用的设计理论就是来自于国 外先进回转支承制造企业 同时考虑到近五年科技的发展 基础设计理论的进步速度远 没有像IT产业那样神速 从目前国外进口港机在中国已无立足之地也能说明这一点 第三 从质量和质量管理来看 质量和质量管理是不能完全等同的 这要分两个层 面来讲 从质量管理水平来看 我们与国外存在差距的差距主要体现在同型号大批量生产 时不能保证同一质量水平 从质量来看 由于大型回转支承都是单件生产 正好适合我 们组织生产管理习惯 这个差距在大型回转支承的可靠性和使用寿命上并不能体现出来 如果说存在差距 那是在图纸的完全符合性上 即缩小在质量和质量管理上的差距 第四 从价格来看 差距是巨大的 3 国内很多生产回转支承的厂家或应用回转支承较多如港口 风电站 工程机械等一 些相关人员对此做了很多的研究与测试 如徐大伟 俞志江等人对应用于港口工程机械 中的回转支承的状态监测和提高其安装可靠性反复做了实验 4 王兴东 孔建益 刘源洞 黄坤平等人论述了超声波位移传感器测距的基本原理及 第一章 绪论 其在大型回转支承运行状态监测中的应用 针对回转支承运行特点 利用超声波传感器 对其轴向位移进行了测量 对现场测试数据进一步处理得到了回转支承的动态轴向磨损 量 为评估其运行状态提供了定量的依据 超声波测距原理 超声波位移传感器利用了超声波在两种介质分界面上的反射特性 如果从发射超声脉冲到接收到发射波为止的时间间隔已知 就可以求出分界面的位置 从而测量物位 超声测距是通过超声波产生 传播及接收的物理过程来实现其功能 普 通超声波传感器主要包括 超声换能器 处理单元和输出级 如图1 2所示 5 图1 2 超声波传感器基本工作原理 由于回转支承进行故障检测需要较高采样频率和大容量存储的信号检测仪 而一般 的信号采集仪无法同时满足两种需求 为此袁泉 宓为建等人对回转支承故障检测仪若干 关键技术及其实现做了分析研究 介绍了一种能满足这两种需求的故障检测仪 攸并井 分析了其实现的若干关键技术 实际使用说明 该检测仪满足了回转支承故障信号采集 分析的需求 6 武汉理工大学的肖汉斌 樊仁才 顾必冲等人运用有限元分析软件对工作状态下双 排异径球型回转支承发生故障前后的外圈应力分布及其表面应力变化的规律进行分析 他们认为基于对计算结果的数值分析提出回转支承局部损伤类故障可以通过监测回转支 承外圈表面应力的变化来诊断 7 侯 宁 梅邦明在2002年3月出版的 建筑机械 中发表了 回转支承产品标准对合 理选型的影响 一文 其针对了国内生产回转支承的标准相对于国外生产标准做了简要 的分析说明 8 朱渝春 张永志等人对回转支承的损坏现象和原因做了深入的描述 他们认为在轻 载工况时 回转支承能正常工作 自如地旋转 但在重载时 尤其是在最大起重量及最 大幅度时 重物回转困难 甚至根本不能回转以致卡死 在检修工作中往往会发现回转 支承滚道已严重损坏 内座圈两侧和作业区前方下滚道产生沿滚道方向的环形裂纹 处 座圈上滚道受力最大区域发生压陷 并在整个压陷区产生径向龟裂 其损坏状态如图1 3 所示 9 图1 3 滚道损坏状态图 与上述国内研究回转支承的现状比较看来 国外在此领域的优势要明显许多 譬如 一些生产回转支承的老牌厂商 如IMO公司 罗特艾德等 旗下的产品已销量全球 当然 他们也有自己公司独有的一套回转支承的测试系统和生产规格参数用来生产高品质的回 转支承 德国罗特艾德公司开发了一套Integrate Wear Measuring Device 简称 IWM 的系 统装置 针对于回转支承的各种状态的检测研究 并且达到了相当高的精度水平 10 1 31 3 本人的任务本人的任务 本课题是针对某回转支承厂的部分产品设计一套试验台 该试验台包括机械 液压 和测试三部分 本人的任务是设计其测试系统 包括测试方案 硬件选型以及利用相关 软件设计数据采集软件 并进行模拟测试过程 主要任务如下 实验台监测目的 1 检测项目符合回转支承的实际工作状态 2 检测项目反映回转支承的加工误差和工作性能 3 检测回转支承寿命 第一章 绪论 实验台监测项目 1 回转支承在悬臂承载状态下 载荷静刚度曲线检测 2 无载荷静态启动力矩测试 3 有载荷静态启动力矩测试 4 有载动态组力矩测试 5 回转支承承载 轴向力 径向力 偏转力矩 寿命检测 运转速度可调 0 100 转 分 1 41 4 本章小结本章小结 本章介绍了回转支承的应用范围 用途 以及回转支承在工业运用中的重要性 回 转支承多用于比较大型的机械设备当中 所以在其制造 装配 调试 维修方面都存在 着相对棘手的问题 国内外相关工程人员针对回转支承的上述问题都做了相关的研究 为达到生产出更高品质产品的目的 因此 本课题很具有实际意义 第二章 设计方案论证 2 12 1 系统要求系统要求简述简述分析分析 根据某集团公司提出的回转支承实验台具体测试系统的主要要求有 1 加载装置最大能产生 2000KN 的轴向力 2 加载装置最大能产生 5000KNm 的倾覆力 3 加载装置最大能产生 500KN 的径向力 4 实验台在回转支承滚道直径在 1000mm 2000mm 内能适应不同尺寸回转支承的便 捷安装 5 静刚度 要求有曲线图 6 所有测量数据可数显 并可保存 能在微机上在线读取 根据国内外回转支承厂家实验项目的调研 确定了以下实验项目 见表 2 1 表 2 1 回转支承实验台实验项目 实 验 项 目测 量 名 称目 的 1 载荷静刚度力测量 压力测量 得到加载过程的载荷静刚度曲线 2 无载荷启动力矩力矩测试 无载荷时的启动力矩曲线 3 有载荷启动力矩 有载荷动态力矩 力矩测试 有载荷时的启动力矩 动态力矩测试曲线 4 回转支承承载寿命检测 1 加速度 2 磨损量 3 润滑油温度 根据实验项目 需要检测的参数范围如表 2 2 所示 第二章 设计方案论证 表 2 2 实验项目及待测参数范围 实 验 项 目测 量 名 称传 感 器数 量量程范围精 度 1 载荷静刚度力测量 压力测量 压力传感器 40 35MPa0 2 FS 0 2 FS 2 无载荷启动力矩 力矩测试 扭矩传感器 10 1 30KN m0 5 FS 3 有载荷启动力矩 有载荷动态力矩 力矩测试 扭矩传感器 10 1 30KN m0 5 FS 4 回转支承寿命检测 1 加速度 2 磨损量 3 润滑脂温度 加速 位移 温度 4 1 4 50g 0 5mm 50 100 3kHZ 2 FS 2 FS 2 FS 2 22 2 测试系统设计原理测试系统设计原理 根据工程测试技术相关知识 可以得出 若需要对一个被测对象进行监测并利用计 算机等相关设备对其信号进行采集 其输入通道的设计原理如图 2 1 所示 被 测 对 象 模 拟 量 数 字 量 开 关 量 SONSOR SONSOR 整形 放大 隔离 信 号 调 理 整形 放大 隔离 A D转换A D转换接 口 计 数 器 计 数 器 C P U 图 2 1 输入通道结构 此时 采集到的信号通过计算机运行的相关软件进行分析处理和控制 控制输出通 道的设计原理如图 2 2 所示 C P U 接 口D A转换器功 率 放 大执 行 接 口功 率 放 大启 动 信 号 变频器 液压设备 电 机 图 2 2 输出通道的结构 2 2 1 传感器测试性能简析 根据传感器的工作原理可知 常见的传感器有如下表 2 13 表 2 1 3 主要传感器类型及使用范围 传感器类型适 用 范 围 应变式传感器适用于监测力的变化 压力的变化 加速度 位移量 压强物理 量等 压阻式传感器适用于监测加速度 压强 P 70MP 压电式传感器适用于监测具有动态性能的力的变化 加速度 压强等物理量 光电式传感器适用于监测开关量 转速 温度传感器常用的温度传感器有热电偶 温度变化大于 500 摄氏度 铂电 阻 温度变化在负 200 摄氏度与正 200 摄氏度之间 磁电式传感器只要类型是霍尔传感器 其用来监测位移量和较低的转速 电感式传感器可监测长度范围不是很大的中等量的位移 电涡流式传感器适用于各种导电材料的测量 可以是铁磁材料 也可以是非铁磁 材料 电涡流传感器主要用来测量探头与被测物体之间静态和动 态距离 间接测量位移量 2 2 2 被测量简析 在实际工程应用中 往往是根据被测对象的测量范围 信号的特性和安装位置来选 择传感器 传感器的选型原则一般遵循表 2 24 中所述 表 2 2 4 主要被测量类型及使用范围 被测量类型适 用 范 围 位移 小位移 小于 1 5mm 光纤传感器等可以测量 中等位移 3 20mm 电感式传感器等可以测量 大位移 光栅 磁栅 激光传感器可测量 力 F 静态力 采用应变式传感器 动态力 采用压电式传感器 加速度应变式传感器 压阻式传感器 压电式传感器均可 压力 应变式传感器 特点是体积中等 耐压高 压阻式传感器 特点是体积小 分辨率高 适用中等压力 压电式传感器 动态性能好 耐高压 电容式传感器 体积大 分辨率高适用于中低等压力 第二章 设计方案论证 流量 金属转子式 适用于垂直流体 蜗轮式 适用于水平流体 容积式 温度 主要分为接触式和非接触式 测量温度的传感器种类繁多 一般根据具 体情况选择合适的监测设备 2 2 3 信号调理简析 传感器的后续调理电路是根据传感器的工作原理而定的 不同的传感器其调理电路 由所不同 如表 2 35 所示 表 2 3 5 主要传感器的后续调理电路 2 2 4 CPU 选择 测控系统的 CPU 可采用单片机 MCU 微处理器 PC 机等 一般单片机和微处理 器常用于测控对象少 体积小 对测试数据存储 显示要求不高的场合 而采用 PC 机作 为主机的测控场合则可以测控数据量大 对测试数据的存储 运算速度 后期处理 显 示要求很高 2 2 5 总线方式 在测控系统的设计中往往需要考虑总线类型 从而选择不同的设计结构 根据计算 机的总线类型 通常总线分为内总线和外总线 如表 2 46 所示 表 2 4 6 总线方式类型及设计结构 内总线 集中采集 传感器 信号调理 I V 数据采集卡 CPU 外总线 分布采集 传感器 信号调理 I V 下位机 上位机 传感器类型调理过程 应变式传感器直 交流电桥 滤波 动态应变仪 压阻式传感器电桥 滤波 A D 压电式传感器电荷 电压放大器 滤波 A D 光电式传感器放大 整形 滤波 A D 电感式传感器交流电桥 放大 滤波 A D 热电偶放大电路 滤波 A D 铂电阻直流电桥 放大 滤波 A D 2 32 3 采集方案的确定采集方案的确定 在本设计中 需要测量的参数类型有压力 温度 位移 加速度 转速等 而且测 量的通道数也比较多 根据以上设计原理 本设计中采用计算机内总线的采集方式 在 数据采集中可以采用并行采集也可以采用串行采集的方式 见图 2 3 2 4 所示 考虑到经济成本等因素 本课题选择串行采集方案 这样即节约了成本 并且 也 保证了采集效果 2000KN轴向力压阻式压力传感器直流电桥放大滤波A D 5000KN轴向力 压阻式压力传感器直流电桥放大滤波 A D 温度 50 100度 铂电阻直流电桥放大滤波 A D 位移 0 5mm 电感式传感器交流电桥放大滤波 A D 500KN轴向力 压阻式压力传感器 直流电桥放大滤波 A D 3KZ加速度 0 50g 压电式加速度传感器电荷放大滤波 A D 接 口 工 控 机 转速 0 100转 分 扭 矩 传 感 器交流电桥放大滤波A D 数据采集卡 图 2 3 并行采集方案原理图 压阻式压力传感器 直流电桥放大滤波 5000KN轴向力 压阻式压力传感器直流电桥放大滤波 温度 50度 100度 铂电阻 直流电桥 放大 滤波 位移 0 5mm 电感式传感器交流电桥放大滤波 500KN轴向力压阻式压力传感器 直流电桥放大滤波 3KZ加速度 0 50g 压电式加速度传感器电荷放大 滤波 接 口 工 控 机 转速 0 100转 分 扭 矩 传 感 器 交流电桥放大滤波 A D 2000KN轴向力 数据采集卡 图 2 4 串行采集方案原理图 第二章 设计方案论证 2 42 4 软件平台的确定软件平台的确定 2 4 1 虚拟仪器介绍 传统仪器大多由以下三大功能模块组成 对被测信号的采集与控制模块 分析与处 理模块 以及测得结果的表达与输出模块 传统仪器的这些功能都是以硬件 或固化的 软件 的形式存在的 将这些功能移植到计算机上完成 在计算机上插上数据采集卡 然后利用软件在屏幕上生成仪器面板 并且用软件来进行信号的分析处理 这就构成了一 台虚拟仪器 虚拟仪器是一种全新的仪器概念 它是利用计算机的硬件资源 CPU 存储器 显示 器 键盘 鼠标 标准数字电路 GPIB RS 232 接口总线 新型的 VXI 接口总线 信 号调理和转换电路 图像采集电路 现场总线等 以及计算机软件资源 数据分析与表 达 过程通信 图像用户界面等 经过有针对性的开发测试 使之成为一套相当于使用 者自己专门设计的传统仪器 简单地说 虚拟仪器技术就是用户自定义的基于 PC 技术的测试和测量解决方案 相 对于传统仪器 它有四大优势 性能高 扩展性强 开发时间少 完美的集成功能 1 性能高 虚拟仪器是在 PC 技术的基础上发展起来的 所以完全 继承 了以现成的 PC 技术 为主导的最新商业技术的优点 包括功能卓越的处理器和文件 I O 使用户在数据导入磁 盘的同时就能实时地进行复杂的分析 随着数据传输到硬盘功能的不断加强 以及与 PC 总线的结合 高速数据记录已经较少依赖大容量的本地内存 以一台 60G 的示波器为例 在采用虚拟仪器技术的情况下 构建这样一台示波器是相当简单的 只要将一台基于 PC 的数字转换器放置在 PC 机中 就能以高达每秒 100MB 的速度将数据导入磁盘 虚拟仪器技术的另一突出优势就是不断提高的网络带宽 因特网和越来越快的计算 机网络的数据分享进入了一个全新的阶段 将因特网和 NI National Instrument 美国国 家仪器公司 的软硬件产品相结合 用户就能够轻松地与地球另一端的同事共享测量结 果 分享 天涯若比邻 的便捷 图 2 4 虚拟仪器的性能有赖于计算机的性能 图 2 4 很好地说明了虚拟仪器的性能 随着计算机存储器 图形处理器 I O 单元以 及 CPU 速度与性能的提高 虚拟仪器的性能会随之提高 而这都有赖于虚拟仪器 软件 就是仪器 的概念 换言之 这种性能的提高有赖于软件 而 LabVIEW 就是这种 虚拟 仪器软件 最好的开发平台和开发环境之一 2 扩展性强 虚拟仪器的软 硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中 得益于 虚拟仪器软件的灵活性 只需更新用户的计算机或测量硬件 就能以最少的硬件投资和 极少的 甚至无须软件的升级即可改进用户的整个系统 在利用最新科技的时候 用户 可以把它们集成到现有的测量设备中来 最终以较少的成本加速产品上市的时间 图 2 5 诠释了虚拟仪器技术扩展性强的特点 应用虚拟仪器开发平台 如 LabVIEW 开发出的虚拟仪器 可以将商业技术应用于运动控制 工业自动化 测试与 测量等领域 并快速将其转化为产品 而这一转化过程的关键是用 LabVIEW 开发出来的 软件 图 2 5 虚拟仪器具有很强的扩展性 3 开发时间少 用户定义的仪器 传感器 和 数据采集 运动 控制 视觉 工业 自动化 测试 与测量 商业技术 第二章 设计方案论证 在驱动和应用两个层面上 虚拟仪器技术高效的软件构架能与计算机 仪器仪表和 通信方面的最新技术结合在一起 NI 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作 同时还提供了灵活性和强大的功能 使用户轻松地配置 创建 部署 维护和修改高性 能 低成本的测量和控制解决方案 4 完美的集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念 随着产品在功能上不断地趋于 复杂 工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求 但是这些不同设备 间的连接和集成总是耗费大量时间 不是轻易可以完成的 NI 的虚拟仪器软件平台为所 有的 I O 设备提供了标准的接口 例如数据采集 视觉 运动和分布式 I O 等 帮助用户 轻松地将多个测量设备集成到单个系统中 减少了任务的复杂性 为了获得最高的性能 简单的开发过程和系统层面上的协调 这些不同的设备必须保持其独立性 同时还要紧 密地集成在一起 NI 的结构可以使开发者们快速地创建测试系统 并随着要求的改变轻 松地完成对系统的修改 得益于这一集成式的构架带来的好处 用户的系统可以更具竞 争性 因为用户可以更高效地设计和测试高质量的产品 并将它们更快速地投入市场 虚拟仪器与传统仪器特点的对比如表 2 57 所示 表 2 5 7 虚拟仪器与传统仪器特点的对比 虚拟仪器传统仪器 开放 灵活 可与计算机技术保持同 步发展 封闭 仪器间相互配合较差 关键是软件 系统性能升级方便 通 过网络下载升级程序即可 关键是硬件 升级成本较高 且升级必 须上门服务 价格低廉 仪器间的资源可重复利用价格昂贵 仪器间一般无法相互利用 用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便连接功能单一 只能连接有限的独立设备 开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更新周期短 1 2 年 技术更新周期长 5 10 年 2 4 2 LabVIEW 概述 美国国家仪器公司 National Instrument 简称 NI 公司 推出的虚拟仪器开发平台 LabVIEW 以其直观 简便的编程方式 众多的源码级的设备驱动程序 多种多样的对分 析和表达功能的支持 为用户快捷地构建自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基 础条件 本实验系统的软件采用 LabVIEW8 2 软件编写监测程序 LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering 即实验室虚拟仪器集成环境 是一种图形化的编程语言 语言 和 Visual Basic Visual C Delphi Perl 等基于文本型程序代码的编程语言 不同 LabVIEW 采用图形模式的结构框图构建程序代码 因而 在使用这种语言编程时 基本上不写程序代码 取而代之的是用图标 连线构成的流程图 它尽可能地利用了技 术人员 科学家 工程师所熟悉的术语 图标和概念 因此 LabVIEW 是一个面向最终 用户的工具 它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力 提供了实现仪器编程 和数据采集系统的便捷途径 使用它进行原理研究 设计 测试并实现仪器系统时 可 以大大提高工作效率 LabVIEW 是一个工业标准的图形化开发环境 它结合了图形化编程方式的高性能与 灵活性以及专为测试 测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能 能为数据采 集 仪器控制 测量分析与数据显示等各种应用提供必要的开发工具 因此 LabVIEW 通过降低应用系统开发时间与项目筹建成本帮助科学家与工程师们提高工作效率 LabVIEW 被广泛应用于各种行业中 包括汽车 半导体 航空航天 交通运输 高 校实验室 电信 生物医药与电子等 无论在哪个行业 工程师与科学家们都可以使用 LabVIEW 创建功能强大的测试 测量与自动化控制系统 在产品开发中进行快速原型创 建与仿真工作 在产品生产过程中 工程师们也可以利用 LabVIEW 进行生产测试 监控 各个产品的生产过程 总之 LabVIEW 可用于各行各业产品开发的阶段 可以预见 由于 LabVIEW 具有其他语言无法比拟的优势 已经成为该领域的一朵奇 葩 最终将引发传统的仪器产业一场新的革命 11 2 52 5 本章小结本章小结 本章对课题要求做了简单阐述描述 同时对测试系统设计的原理进行了大致分析 一个完整的测试系统需要具备的元素在本章都有提及 并围绕这些做了一定解析 给测 第二章 设计方案论证 试系统的构思做了铺垫 并提供了一定的技术支持和选型参考 方便了后续工作的展开 和进行 确定了采集的方案 最后 详细说明虚拟仪器相对于传统仪器的优势和今后的 发展趋势 介绍了 LabVIEW 软件的用途和优越性 决定使用 LabVIEW 软件作为对回转 支持实验台进行监测的平台 第三章 硬件设计 3 13 1 传感器选型传感器选型 考虑到回转支承实验台现场操作的可行性 使其监测达到理想化 方便简易化 确 定选择以下对根据各待测参数所需传感器的工作原理 安装方式 外形体积 价格等因 素进行最优化选择 并为每个待测参数提供三种传感器的选择方案 通过对比 以选择 其中最优的方案 3 1 1 温度传感器的选型 实验台待测温度范围 50 100 度 确定传感器的类型 铂电阻温度传感器 选型方案见表 3 1 表 3 1 温度传感器的选型 方 案型 号厂 家规 格 参 数 1 STT S 系 列铂电阻 温度传感 器 北京赛亿 凌科技有 限公司 STT S 系列铂电阻温度传感器适用于金属设备表面和 内部温度的测量 通过加长螺纹 也可测量轴承和轴 瓦的温度 安装简单方便 参数请见附件 2 STT B 系 列铂电阻 温度传感 器 北京赛亿 凌科技有 限公司 STT B 系列铂电阻温度传感器采用不锈钢外壳封装 头部为铝质防水接线盒 广泛应用于热能工程 电力 食品 制药 压力容器 石油化工等流程工业以及烘 炉 塑料化纤 制冷机组等大型机械设备的温度 参数请见附件 3 JWB 2 热 电阻 深圳市科 普瑞传感 仪器有限 公司 测温范围 50 100 允差 0 3 0 0061t1 电流输出 4mA 20mA 电压输出 0V 10V 考虑到经济成本 实验要求 和规格尺寸等因素 另外 设备的环保指标也是选型 中必要的考虑方面 故选择方案 1 见图 3 1 第三章 硬件设计 图 3 1 STT S 系列铂电阻温度传感器 3 1 2 加速度传感器的选型 实验台待测加速度范围 0 50g 确定传感器的类型 压电式加速度传感器 选型方案见表 3 2 表 3 2 加速度传感器的选型 方 案型 号厂 家规 格 参 数 1 LC0405 压电式加 速度传感器 朗斯测试技 术有限公司 电荷灵敏度 300pc g 频率范围 0 2 4000HZ 10 安装谐振点 12KHZ 重量 70gm 安装螺纹 M5mm 用途 单向测振 2 LC0410 压电式加 速度传感器 朗斯测试技 术有限公司 电荷灵敏度 30pc g 频率范围 0 1 4000HZ 10 安装谐振点 13KHZ 重量 60gm 安装螺纹 M5mm 用途 三向测振 3 LC0412 压电式加 速度传感器 朗斯测试技 术有限公司 电荷灵敏度 100pc g 频率范围 0 2 7000HZ 10 安装谐振点 21KHZ 重量 100gm 安装螺纹 3 M4 用途 高温 长期振动监测 考虑到经济成本 实验要求等因素 方案 1 更能突出加速度传感器安装的方便简易 性 故选择方案 1 见图 3 2 图 3 2 LC0405 压电式加速度传感器 3 1 3 压力传感器的选型 由于用来测量力的传感器价格不菲 多以本实验台通过监测液压缸的压力间接监测 液压设备对实验台上回转支承所施加的力的变化 实验台提供加载力至少大于 2000KN 因此需要液压缸提供大于 30Mpa 的压力 确定传感器的类型 压电式压力传感器 选型方案见表 3 3 表 3 3 压力传感器的选型 方 案型 号厂 家规 格 参 数 1 PCM100 型压电 式传感器 南京沃天有限 公司 恒流供电 推荐 1 5mA 恒压供电 推荐 10VDC 测量范围 0 20KPa 100MPa 补偿温度 10 70 工作温度 40 125 输入阻抗 3k 6k 零点输出 2mV 满量程 100mV 典型 过载 200 FS 10MPa 以下 150 FS 25MPa 以上 响应时间 50 m 2 STI202 型压力 传感器 杭州科岛微电 子有限公司 测量介质 与 316L 不锈钢兼容的各种液体 气体或蒸汽 量程 0 1MPa 0 20KPa 60Mpa 输出 70 mVDC 0 20KPa 50 mVDC 供电恒流 1 5mVDC 典型 恒压 10VDC 典型 精度 0 1 FS 最小值 0 25 FS 典 型值 0 5 FS 最大值 过载压力 1 5 倍满量程压力 CYG115 压力压 力传感器 昆山双桥传感 器测控技术有 适用于强碱性介质之外的所有介质的动静 态压力测量 有较优良的动态特性 第三章 硬件设计 3 限公司 量 程 0 1MPa 10 60MPa 亦可测量最 大 100KPa 的负表压 过载能力 200 或最大 120MPa 考虑到经济成本 实验要求 和规格尺寸等因素 故选择方案 1 见图 3 3 图 3 3 PCM100 压电式传感器 3 1 4 位移传感器的选型 回转支承磨损位移变化范围 0 5mm 确定传感器的类型 电感式位移传感器 选型方案见表 3 4 表 3 4 位移传感器的选型 方 案型 号厂 家规 格 参 数 1 IAB02P 型电感式 位移传感器 上海普邦有限公司测量范围 2mm 10 检测物体 磁性金属 非磁性金属 检测距离下降 响应频率 800HZ 差动距离 检测物体的 10 以下 输出电流 小于 150mA 供电电源 DC10V 30V 10 功耗电流 小于 150mA 使用周围温度 25 70 2 W DCS2 5 电感 式位移传感器 合肥高创传感器有 限公司 量程 2 5mm 精度等级 0 5 0 3 0 2 0 1 0 05 0 03 供电电压 直流 9v 24v 15v 等 输出 0 5V 4 20mA 等 动态频率 0 200Hz 3 模拟型磁致伸缩 位移传感器 北京航天金泰星测 试技术有限公司 测量范围 50mm 5000mm 非线性 0 05 FS 30cm 以下最 大误差 150 m 分辨率 150 m 输出模式 0 5V 0 10V 4 20mA 5V 10V 供电电源 24V DC 10 功耗 50mA 工作温度 40 125 考虑到经济成本 规格尺寸 设备的环保 故选择方案 2 见图 3 4 图 3 4 W DCS2 5 电感式位移传感器 3 1 5 扭矩传感器的选型 根据安装在电机上的扭矩传感器可测量电机带动回转支承启动时的扭矩和回转支承 转动时的转速 回转支承在运行时转速范围大概为 0 100 转 分 确定传感器的类型 扭矩传感器 量程 0 30000N m 选型方案见表 3 5 表 3 5 扭矩传感器的选型 方 案型 号厂 家规 格 参 数 1 BH 扭矩 转 速传感器 北京标航传媒技术有 限公司 测量范围 0 10000Nm 精度 0 5 F S 响应时间 100 s 额定功耗 150mA 额定电压 24VDC 过载量 100 使用温度 0 60 第三章 硬件设计 信号输出 10 5KHz 4 20mA 1 5V 2 TQ 660 型扭 矩传感器 北京世通科创技术有 限公司 测量范围 0 6 万 Nm 输出信号 5 15KHz 4 20mA 1 5V 工作转速 0 30000 转 分 任意转速 可选 供电电压 24VDC 15VDC 可选 响应频率 100US 环境温度 40 60 最大负载 量程的 1 2 倍 3 TQ 661 型扭 矩传感器 北京世通科创技术有 限公司 测量范围 0 6 万 Nm 输出信号 4 20mA 供电电压 24VDC 响应频率 100US 环境温度 40 80 最大负载 量程的 1 2 倍 由于电机上的安装条件 以及其规格尺寸 选择方案 2 见图 3 5 图 3 5 TQ 660 型扭矩传感器 3 23 2 数据采集设备选型数据采集设备选型 选型方案见表 3 6 表 3 6 数据采集设备选型 方 案型 号厂 家规 格 参 数 1 ISO AD32H L 型数 据采集模板 英德斯科技有限 公司 通道数 32 单端 16 差分 分辨率 12 位 转换速率 200KS s 最大 输入阻抗 10 000 M 6pf 过压保护 35V 精度 读数的 0 01 1 bit 零漂 全量程最大 25ppm 电源要求 5V 850mA 最大 工作温度 0 50 存储温度 20 70 湿度 0 90 无凝露 外形尺寸 173 mmx122 mm 2 PISO 813 数据采 集卡 英德斯科技有限 公司 通道数 32 通道单端 分辨率 12 位 转换速率 10KS s 最大 输入阻抗 10 兆欧 过电压保护 35V 精确度 0 01 1bit 线性度 1bit 零点漂移 25ppm oCof FS 最大 最大功耗 5V 850mA 工作温度 0 50 C 存储温度 20 70 C 湿度 0 90 无凝露 尺寸 180mmx105 mm 3 DAQ 2214 数据采 集卡 北京万控科技有 限公司 PCI 16 通道 转换速率 250K s 32 位 PCI 总线 即插即用 16 个单端以及 8 个差动模拟量输入 通道 输入通道能够允许单端与差动混合组 成 16 位 AD 分辨率 采样频率可达 250K 双极性 单极性模拟量输入 模拟 数字触发 2 路带波形发生功能的 D A 输出通道 双极性 单极性模拟量输出 由于采集信号的种类较多 需要通道数为 32 的数据采集卡 故选择方案 1 更为理想 见图 3 6 第三章 硬件设计 图 3 6 ISO AD32H L 型数据采集模板 3 33 3 工控机选型工控机选型 工控机即工业控制计算机 英文简称 IPC 本课选择了原装集成的类型 详细见表 3 7 表 3 7 工控机选型 方 案型 号厂 家规 格 参 数 1 IPC 610H P4 级原装工控机 研华科技 有限公司 CPU INTEL P4 1 8 P43 06 可选装 内存 DDR 256M DDR 512 DDR 1G 可选装 驱动器 支持 3 个 5 25 英寸驱动器 一个 3 5 英寸软驱 硬盘容量可选 接口 2 个串口 1 个并口 2 个前置 USB 接 口 标准键盘鼠标接口 带有两个高 CFM 风扇 的先进冷却系统能够提供充足的气流来冷却系 统的主要部件 前端接线的 USB 和 PS 2 键盘 I O 接口可以连接各种外部设备 以便进行数 据传输 备份和输入 其它设备 网卡 10 100M 声卡 串口扩展卡 等可选装 图 3 7 研华 IPC 610H P4 级原装工控机 3 43 4 实验台实验台结构简图结构简图 图 3 8 回转支承实验台结构简图 图 3 8 是回转支承实验台结构简图 其设备布局和硬件结构基本满足项目要求 其 中液压缸 2 与液压缸 4 最大能提供实验台加载产生 5000KNm 的倾覆力 液压缸 1 最大能 提供实验台加载产生 500KN 的径向力 而液压缸 3 最大能提供实验台加载产生 2000KN 的 轴向力 连接着减速器和齿轮的电机使回转支承能够启动和保持着一定的转速 实验台 下方安装着标准的回转支承与待测回转支承在监测中转动方向始终相反 目的是保持实 验台的固定 3 53 5 传感器布置传感器布置 第三章 硬件设计 图 3 9 温度及加速度传感器布置图 图 3 10 压力 位移 扭矩传感器布置图 3 63 6 数据采集接线图数据采集接线图 见图 3 11 3 73 7 本章小结本章小结 本章对该实验台硬件部分做了详细的介绍 利用了互联网这个博大的信息库 从传 感器 数据采集卡 工控机的选型到传感器在实验台上的布置 以及对传感器与整个测 试系统的接线图做了深入的调研 硬件部分是本课题所涉及不多的一部分 以上信息虽 作为参考 但是具有一定的实际意义 同时 也为监测软件的编写提供了依据 3 63 6 数据采集接线图数据采集接线图 加 加速 速度 度 L LC C0 04 40 05 5 位 位移 移 W W D DC CS S2 2 5 5 加 加速 速度 度 L LC C0 04 40 05 5 加 加速 速度 度 L LC C0 04 40 05 5 加 加速 速度 度 L LC C0 04 40 05 5 铂 铂电 电阻 阻 S ST TT T S S 铂电阻变送器 T1 铂 铂电 电阻 阻 S ST TT T S S 铂电阻变送器 T2 铂 铂电 电阻 阻 S ST TT T S S 铂电阻变送器 T3 铂 铂电 电阻 阻 S ST TT T S S 铂电阻变送器 T4 1 2 4 5 7 8 10 11 13 14 15 16 18 19 29 30 31 33 34 35 37 38 39 40 12 9 17 20 21 22 23 24 25 26 27 28 32 36 41 3 6 AI10 AI13 AI11 AI12 AI14 AI15 AI19 AI16 AI18 AI17 AI1 计数 AI10 AI13 AI11 AI12 AI14 AI15 AI19 AI16 AI18 AI17 AI1 计数 24DC AI GND 24DC AI GND JPAI0 1 JPAI2 3 JPA00 A0 A3 A3 A2 A2 A1 A1 A0 JPA01 A4 A7 A7 A6 A6 A5 A5 A4 A8 A9 A9 A8 JPA02 24DC AI GND 24DC AI GND 24DC AI GND 24DC AI GND 24DC AI GND 24DC AI GND 24DC AI GND 24DC AI GND JPAI4 5 JPAI6 7 JPAI8 9 AI1 0 AI1 4 AI1 1 AI1 5 AI1 3 AI1 2 AI1 7 AI1 8 AI1 9 AI1 计数器 AI1 6 变送箱转接板 被测量 I V板接线变送器 PCI 卡接线端 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 信号 黄色 信号 绿色 CH1 CH5 CH2 CH6 CH4 CH3 CH8 CH9 CH14 CH7 软件通道名 CH0 扭 扭矩 矩 T TQ Q 6 66 60 0 扭矩JN 338A 变送器 信号 黄色 信号 绿色 AI AI AI AI AI AI AI AI AI AI 42 位移变送器 M 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 电源 红色 电源 棕色 信号 黄色 信号 绿色 第三章 硬件设计 图 3 11 数据采集接线图 3 7 本章小结本章小结 本章对该实验台硬件部分做了详细的介绍 利用了互联网这个博