切割器性能试验台测量控制系统的设计研究_第1页
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文档简介

1、切割器性能试验台测量控制系统的设计研究,答辩人:常柱 指导教师:郑德聪(教授),1 引言,1.1 目的意义 切割器性能试验台是专门用于切割器性能试验和控制测量的实验装置,可对往复式切割器的各种性能进行测试,在切割器的性能试验中,力、转速、扭矩是所需检测的重要参数。根据切割器试验台的特点及检测项目要求,设计了切割器性能试验台测量控制系统。其中,传感器是测量控制系统的基础。本文对系统中用到的测力传感器、测速传感器和扭矩传感器进行了设计和研究。,1 引言,1.2 国内外技术发展状况 传感器技术将是21世纪人们在高新技术发展方面争夺一个制高点,各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键,从20

2、世纪80年代起,日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首,美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。 我国在20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。21世纪人类全面进入信息电子化的时代,作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术必将有较大的发展。有专家认为,我国今后传感器方面的研究和开发应是:微电子机械系统、汽车传感器、环保传感器、工业过程控制传感器 、医疗卫生和食品业检测传感器以及新型敏感材料,1 引言,1.3 主要研究内容 切割器性能试验台测量控制系统的工作原理主要是根据切割器各种受力情况、曲柄轴扭矩、切割轮叶转速等,调整试验台与之相匹配,然

3、后依据动能量相等法则模拟切割器的工作情况。由测试系统控制的可调速主电机,通过联接和传动装置驱动被测切割轮叶旋转运行,当切割器在工作循环中反复运动时,通过测力传感器、测速传感器、扭矩传感器等对受力、转速、扭矩等反映制动器性能的主要参数进行测量,通过电子仪表进行数据处理与分析。,2 测量方案,切割器性能试验台测量控制系统各种测力的传感器都是采用电桥来测量的,其桥路输出均是毫伏级,故采用YDl5动态应变仪作为二次仪表。 采用SC16光线示波器作为三次仪表以记录被测信号,可同时将上述五个桥路的输出信号信号记录下采。 转速传感器采用的是光电转速传感器来测量的,经低通滤波器、放大器及A/D转换器,速度显示

4、采用数字转速表直接显示。,2 测量方案,图1 测试方案,3 转速测量系统设计,3.1 转速传感器的选型 在工程实践中, 经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中, 常需要测量和显示其转速,测量的精度直接影响系统的控制情况,只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。 测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式是将转速转化为模拟信号, 对模拟信号进行测量,如测速发电机是将转速直接转换为电压信号, 然后测量其电压,通常采用测速发电机为检测元件, 得到的信号是模拟量,这种方法的缺点是被测信号易受电磁干扰和温度变化的影响。数字式是将转

5、速信号转化为脉冲信号, 然后用数字系统内部的时钟来对脉冲信号的频率进行测量,通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件, 得到的信号是脉冲信号,这种方法的优点在于抗干扰能力强、不受温度变化影响、稳定性好 。,3 转速测量系统设计,工业现场往往存在许多的干扰因素, 因此工业测控系统中普遍采用数字式转速测量方法,因霍尔传感器具有无触点、长寿命、高可靠性、无火花、无自激振荡、温度性能好、抗污染能力强、构造简单、坚固、体积小、耐冲击等优点,所以选用霍尔效应接近式传感器作为切割器性能试验台的转速传感器。 该传感器是开关元件,直接输出为脉冲频率信号,但是由于存在电磁噪声干扰,必须对信号进行滤波和整形

6、,提高采集准确度和抗干扰能力。处理后的信号转换成标准的方波信号,通过单片机的输入捕捉功能可以精确得到其脉冲产生时间,为控制单元运算和控制提供了转速和上止点基准信号。但如何模拟切割器性能试验台主电机转速信号来对主电机电控单元ECU进行开发却是实际应用中面临的重要问题,为此使用了一种光电转速传感器检测装置来模拟切割器性能试验台主电机转速信号。,3 转速测量系统设计,图2 测量电路 :,4 测力传感器的设计,4.1 引言 系统采用的测量切割器各种受力的方法是利用电阻应变式传感器测力。电阻式传感器的工作原理是将被测的非电量转换成电阻值,通过测量电阻值变化达到测量非电量变化的目的。电阻应变式传感器由弹性

7、敏感元件与电阻应变片构成。电阻应变片是应变式传感器的重要元件,是把机械量转换成电量,它起着传递应变、应力和载荷的作用。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形,其表面产生应变,而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变,因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。电阻应变片将它们转换成电阻变化,再通过电桥电路及补偿电路输出电信号。这样,通过测量电阻应变片的电阻值变化,就可以确定被测量的大小了。将电阻应变片粘贴在各种弹性敏感元件上,可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。,4 测力传感器的设计,与其他测力传感器相比,电阻应变式传感器的优点是精度高、测量范围

8、广,使用寿命长、性能稳定可靠,结构简单、体积小,重量轻;频响特性好,能在恶劣条件下工作、既可用于静态测量又可用于动态测量,价格低廉、便于选择和大量使用,结构简单、体积小,重量轻,易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱,但可以采取一定的补偿措施。,4.2 布片和接桥方案,4.2.1 切割阻力与前进阻力的测量 切割器工作时受到切割阻力F(包括摩擦力)和前进阻力Q的作用,如图3所示,这两个力相互垂直,且作用在同一个平面上,用一对由八角环弹性元件支撑的电阻应变式传感器来测量。,4 测力传感器的设计,图3 测力传感器布片方案:,4 测力传感器的设计,八角环

9、1、2安装在刀架3的两端,并固定在机架3上。当切割器切割物料时,切割阻力F由刀架传给八角环,使环受力变形。当F力方向如图6所示时,粘贴在环1内侧的应变片R1及环2外外侧的音变片R3受拉、环1外侧的应变片R2和环2内侧的应变片R4受压,当 时,由F引起的八角环应变为: 其中:R0为环平均半径,b为环宽度,h为环壁厚,E为换材料的弹性模量。,4 测力传感器的设计,将应变片R1、R2、R3、R4接成全桥如图4所示, 图4切割力传感器接桥方案:,4 测力传感器的设计,则电桥输出为: 即: 若取V0=6V,K=2,R0=20,b=14,h=1.7。可求出该环的灵敏度为:1.62。,4 测力传感器的设计,

10、如图3所示,如果仅有前进阻力Q作用与切割器时,则环1上承受的力为Q1,环2上承受的力为Q2,且Q1 + Q2= Q在Q1作用下环1上应变片R5和R6处的应变为: 同理在Q2作用下环2上应变片R7、R8处的应变为:,4 测力传感器的设计,如把应变片R5、R6、R7、R8按图5接桥时如图5所示, 图5前进阻力传感器接桥方案:,4 测力传感器的设计,电桥输出为: 即: 若取V0=6V,K=2,R0=20,b=14,h=2。可求出该环的灵敏度为:4.54。,4 测力传感器的设计,4.2.2 惯性力的测量 惯性力是由往复运动的刀杆、作平面运动的连杆及作旋转运动的曲柄销的配重产生的,他们的合力Fg作用与曲

11、柄上(切割阻力F和刀杆摩擦阻力f也会作用于曲柄销上,但当曲柄轴旋转速较高时,),并在曲柄轴端造成弯矩。因此可以采用测量弯矩的方法来测量惯性力。具体布片方案如图6所示,4 测力传感器的设计,图6 惯性力传感器布片方案:,4 测力传感器的设计,应变片R9、R10、R11和R12贴在距切割阻力F作用线为l的截面上。过R9、R10做x轴,过R11、R12做y轴,组成曲柄同步的动坐标系。作用力F可分解为沿x方向的力Fx和沿y轴的力Fy它们在贴片处造成的力矩分别为: 贴片处应变值分别为: 式中:W曲柄轴抗弯截面模量; E曲柄轴材料的弹性模量。,4 测力传感器的设计,应变片R9、R10、R11和R12按图7

12、桥接 ,图7 惯性力传感器接桥方案:,4 测力传感器的设计,得出:,5 扭矩传感器的设计,5.1 引言 在机械设备的测定中,扭矩的测量占有很重要的位置, 与其它力学量的测量相比, 旋转轴的扭矩测量是个薄弱的环节,而实现机械设备扭矩的在线动态检测一直是人们追求的目标。目前国内外生产和使用的各种用于旋转轴扭矩测量的传感器及其配套的测量仪器, 它们的工作原理主要是基于逆磁致伸缩效应、扭转角、应变和反作用力等,如:弹性轴电阻应变式、弹性轴角位移检测式、光电检测式和光学式传感器等,虽然有较高的测量准确度(0. 25 %1 %FS) ,但大部分只能用于设备的特性试验(或检验) 台上,不适宜直接安装到机械设

13、备上作在线动态测量。 在所有这些传感器中, 扭矩传感器采用扭矩测试比较成熟的应变电测技术,它具有精度高,频响快,可靠性好,寿命长等优点。既可以测量静止扭矩,也可以测量旋转转矩;既可以测量静态扭矩,也可以测量动态扭矩;检测精度高,稳定性好;抗干扰性强; 体积小,重量轻,多种安装结构,易于安装使用;无需反复调零即可连续测量正反转扭矩;没有导电环等磨损件,可以高转速长时间运行;测量弹性体强度大可承受100%的过载;量程0.003-60000。,5 扭矩传感器的设计,5.2 布片和接桥方案 本系统中采用的是应变式扭矩传感器,在曲柄轴上粘贴4片应变片,做成全桥连接,如图2中a所示,此时有:,5 扭矩传感

14、器的设计,图8a、扭矩传感器布片方案,5 扭矩传感器的设计,图8b、扭矩传感器接桥方案,5 扭矩传感器的设计,则桥路输出为: 式中,V0供桥电压, K应变片灵敏度系数, M扭矩, m曲柄抗扭矩截面模量, E弹性模量。,6 主要研究结论,田间试验不仅受到季节的限制,而且由于工作条件的差异,使试验结果不便进行比较,用试验台便于进行室内试验,容易改变试验条件,在进行对比实验时又可以保持试验条件能基本一致。因此,实验结果具有可比性。利用本试验台能很快测定切割器的间隙、摩擦力、切割速度,以及因加速造成的惯性力增量、震动、平衡等有关参数。可以很快的得出一系列的试验结果和参数。,致谢,时光飞逝,经过短短几个月的忙碌和学习,本次毕业论文的设计已经接近尾声。作为一个本科生,由于经验的缺乏,难免有许多考虑不周全的地方,如果没有

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