摘 要: 針對(duì)工業(yè)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩研究的要求,設(shè)計(jì)了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)技術(shù),、結(jié)合AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集及nRF24L01無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的有轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng),。系統(tǒng)的檢測(cè)模塊安裝于傳動(dòng)軸上,通過(guò)無(wú)線模塊將檢測(cè)信息傳送至接收模塊,,接收模塊再把數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析,。給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的原理電路及軟件設(shè)計(jì)的程序流程圖,同時(shí)給出了系統(tǒng)的上位機(jī)操作界面,,系統(tǒng)運(yùn)行良好,,具有較好的應(yīng)用性和可移植性。
關(guān)鍵詞: 工業(yè)傳動(dòng)軸,;轉(zhuǎn)矩,;實(shí)時(shí)監(jiān)控;數(shù)據(jù)分析
在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)矩是反映機(jī)械設(shè)備性能的最典型的參數(shù)之一,,是維護(hù)設(shè)備安全,、控制設(shè)備高效工作、研究設(shè)備運(yùn)動(dòng)性能等工作中重要的參數(shù),,而這一參數(shù)主要體現(xiàn)在傳動(dòng)軸上,。由于工業(yè)傳動(dòng)軸的不可破壞與拆裝以及工作時(shí)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的特性,故傳感器不允許改變傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu),,同時(shí)傳感器須結(jié)合無(wú)線裝置,。如果工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣干擾信號(hào)強(qiáng),則還要對(duì)檢測(cè)信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和數(shù)字信號(hào)處理,。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,,應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件收集、管理數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析將為維護(hù)人員的工作提供極大的幫助,,也能為研究人員提供科學(xué)有效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),。本研究應(yīng)這一需求,設(shè)計(jì)了一套具有傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)檢測(cè),、監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析功能的系統(tǒng),。數(shù)據(jù)采集模塊具有精度高、量程大,、體積小的特點(diǎn),,通過(guò)基于nRF24L01無(wú)線電路把采集的數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與傳送模塊實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單檢測(cè)功能,最后數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸至上位機(jī),,利用虛擬儀器LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與全面的數(shù)據(jù)監(jiān)控,。
1 金屬絲電阻式全橋應(yīng)變檢測(cè)原理
目前有各種轉(zhuǎn)矩檢測(cè)的方法,包括接觸式檢測(cè)方法(如電阻式應(yīng)變片檢測(cè)方法)和非接觸式檢測(cè)方法(如光學(xué),、光電子學(xué),、磁學(xué)、電磁學(xué)檢測(cè)和其他各種相位數(shù)字檢測(cè)方法等)[1],。
本系統(tǒng)采用金屬絲電阻式應(yīng)變片進(jìn)行轉(zhuǎn)矩檢測(cè),。其檢測(cè)原理是將電阻應(yīng)變片作為傳感元件,利用粘合劑將其粘貼在被測(cè)構(gòu)件上,,當(dāng)構(gòu)件受力發(fā)生形變時(shí)應(yīng)變片的敏感柵會(huì)隨其產(chǎn)生等量形變,,從而引起應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化,打破全橋測(cè)力電路平衡,,輸出電壓?駐U,,可以間接計(jì)算傳動(dòng)軸所受轉(zhuǎn)矩。通過(guò)物理推導(dǎo)可得:
接收監(jiān)控系統(tǒng)的程序主要包括:12864液晶驅(qū)動(dòng)程序,、nRF4L01通信芯片驅(qū)動(dòng)程序,、矩陣鍵盤(pán)掃描驅(qū)動(dòng)程序,、RS232標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)據(jù)通信程序以及一套單任務(wù)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)程序。操作系統(tǒng)程序中包括了人機(jī)交互式界面,、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理和刷新顯示界面和上位機(jī)實(shí)時(shí)通信界面,。將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī),,有利于進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,。此外系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)矩報(bào)警程序,即一旦超過(guò)設(shè)定值將立刻報(bào)警,,提醒工作人員進(jìn)行保護(hù)操作,。
3.1.1 系統(tǒng)人機(jī)交互界面
接收監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)以后,用實(shí)時(shí)刷新的掃描算法,,通過(guò)矩陣鍵盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩的保護(hù)值,、安全設(shè)定值以及復(fù)位信息等,相當(dāng)于人工設(shè)定數(shù)字的參考量,,設(shè)置完畢后進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,、誤差比較和報(bào)警,使整套系統(tǒng)按照給定值安全地運(yùn)行,。
3.1.2 智能化設(shè)計(jì)
根據(jù)不同的電阻應(yīng)變片配置合適的輸入電壓U可以最大限度地提高檢測(cè)精度,,然而根據(jù)式(1),當(dāng)輸入電壓U改變時(shí),,轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式需要調(diào)整,。本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)空余A/D口采集電橋輸入電壓值,與先前電橋輸入電壓值進(jìn)行對(duì)比,,然后判斷是否改變轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式,。這樣的智能化設(shè)計(jì)避免了繁瑣的修改程序過(guò)程。
此外,,環(huán)境溫度t對(duì)應(yīng)變片的所有性能都有顯著的影響[4],。雖然全橋結(jié)構(gòu)的應(yīng)變片檢測(cè)電路可以消除由環(huán)境溫度引起的虛假輸出,但是溫度變化依然會(huì)影響應(yīng)變片的檢測(cè)性能,,從而造成誤差,。如果使用溫度自補(bǔ)償?shù)碾娮钁?yīng)變片,可以很好地解決溫度漂移問(wèn)題,。如果電阻應(yīng)變片不具有自補(bǔ)償功能,,則使用金屬絲電阻應(yīng)變片時(shí)把阻值近似為與溫度t的函數(shù)關(guān)系:
R(t)=R0[1+α(t-t0)] (4)
式中,R0為參考溫度t0(通常=0℃)時(shí)的阻值,;α為正溫度系數(shù)[5],。
3.2 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面
采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了具有實(shí)時(shí)檢測(cè)功能和數(shù)據(jù)分析功能的上位機(jī)系統(tǒng)具有界面友好簡(jiǎn)潔的特點(diǎn),上位機(jī)以串口通信與下位機(jī)相連,,通過(guò)調(diào)用串口傳送的數(shù)據(jù),,及時(shí)接收下位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)更新再經(jīng)過(guò)處理繪制成轉(zhuǎn)矩與時(shí)間同步的曲線[6],,從而傳動(dòng)軸應(yīng)力得以形象化地顯示在上位機(jī)界面。
上位機(jī)數(shù)據(jù)分析界面提供了數(shù)字濾波器,,可對(duì)濾波算法,、采樣點(diǎn)數(shù)、截止頻率進(jìn)行自由設(shè)定,,從而消除檢測(cè)過(guò)程中的高頻噪聲的干擾,,保留有效的低頻轉(zhuǎn)矩信號(hào)。系統(tǒng)底層程序采用LabVIEW的底層數(shù)字濾波模塊,,通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理算法對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波,。值得一提的是,數(shù)字濾波可以應(yīng)對(duì)消除不同干擾的需要靈活設(shè)計(jì)濾波算法,,這遠(yuǎn)比采用模擬濾波器要優(yōu)越,。
本文完成了單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、制作,、調(diào)試,,完成了單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、調(diào)試以及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)調(diào)試,,模擬轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)中取得了良好的效果,。通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控傳動(dòng)軸的應(yīng)力,并對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析,,適用于傳動(dòng)軸保護(hù)工作和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)研究工作,,系統(tǒng)具有良好的可移植性和一定的自適應(yīng)性。值得一提的是該項(xiàng)目是應(yīng)湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司的需求而立項(xiàng),,檢測(cè)轉(zhuǎn)矩量程高達(dá)1.2×106 N·M,,一直是國(guó)內(nèi)外待解決的難題。
參考文獻(xiàn)
[1] 朱春梅,,王朝霞.基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)矩測(cè)量技術(shù)研究[J].新技術(shù)新工藝·數(shù)字技術(shù)與機(jī)械加工工藝裝備,,2008(9):47-49.
[2] 胡新華,戴索江,,俞冬麗.STC12C5A60S2單片機(jī)在可控電動(dòng)扳手控制器中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用,,2010,29(16).
[3] 劉麗霞.車(chē)輛轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,,2010(7):89-91.
[4] 尹福炎.電阻應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償及其他[J].稱重知識(shí),,2009,38(9):40-44.
[5] 潘永湘,,楊延西,,趙躍.過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表(第2版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.
[6] 王濤.基于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率于轉(zhuǎn)矩的測(cè)量[J].科技信息,,2010(20):76.