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1、旋转机械的角位移测量及故障判断系统摘要本设计采用软件和硬件相结合的方法,将圆光栅传感器、数据采集器、计算机和虚拟仪器技术结合在一起,具有较高测量机构的凸轮机构分度精度测量系统,并能实现实时数据处理、显示和打印测量结果,通过对测试软件加以丰富和完善,对凸轮特性加以分析,则可实现凸轮机构的故障诊断功能。关键词: 圆光栅传感器；虚拟仪器；数据采集卡；LabVIEW；细分；计数判定；转角显示；记录；FFT变换The revolving machinery angular displacement survey and breakdown diagnosis system designABSTRACTT
2、his design uses the method which the software and the hardware unify, the round diffraction grating sensor, the data acquisition card, the computer and the Virtual instrument technology unifies in together, realizes to the cam indexing organization indexing precision survey. Uses the method which th
3、e hypothesized instrument software programs to realize to surveys the signal the processing analysis, may realize real-time functions and so on corner demonstration, recording and printing measurement result, through carries on the frequency range analysis to the survey signal, may realize to the ca
4、m gear breakdown diagnosis function.KEYWORDS: Round diffraction grating sensor; Virtual instrument; Data acquisition card; LabVIEW; Segmentation; Counting determination; Corner demonstration; Record; FFT transformation目 录摘要IABSTRACTII1系统总体方案的设定11.1 测量系统的原理方案12 各主要模块的设定及选择42.1 凸轮机构的设计42.1.1 凸轮机构的组成42
5、.1.2 凸轮机构的特点42.1.3 凸轮机构的类型42.2 光栅传感器的设计42.2.1 圆光栅测角仪的工作原理：42.2.2 光栅式数字传感器：52.2.3 光栅测量原理52.3 细分技术82.3.1测角与细分原理：82.3.2 细分方法：92.4 计数与判定部分的设计162.5 转角显示和记录212.5.1 转角显示212.5.2 转角的记录232.5.3 USB 接口及其驱动程序242.5.4 滤波253 前后面板的设计及软硬件的连接263.1 后面板的设计263.1.1 顺序执行和并行执行263.1.2 循环结构和接点263.1.3 参数的设置263.2 硬件的连接274 故障诊断2
6、84.1 故障诊断的方法284.1.2 振动的分类284.1.3 振动的表征和测试285 虚拟仪器和LABVIEW工具的发展简介305.1 虚拟仪器系统及其软件结构305.2 虚拟仪器的现状315.3 虚拟仪器的展望325.4 LabVIEW 工具33致35参考文献36 / 1系统总体方案的设定1.1 测量系统的原理方案方案a为直接计数系统的原理方案。当光栅每移动一个栅距角时,记数编码电路送出一个计数脉冲,由可逆计数器进行计数和译码显示。方案b为全细分计数系统的原理方案。当光栅每移动一个栅距角时,细分电路可以送出等于细分数的n个脉冲,由可逆计数器进行计数和译码显示。这种原理是目前广为采用的方案
7、。方案c为整数与小数分别处理的计数系统的原理方案。光栅信号由分离电路分离出整数计数脉冲和小数计数脉冲,然后分别经整数计数编码电路和细分电路送出综合计数脉冲,由可逆计数器进行综合计数和译码显示。这种方案适用于高精度快速测量。本次设计可以直接用于实际测量,可利用现有的圆光栅传感器和数据采集卡.由设计任务可知,光栅的测角精度要求达到5,圆光栅采用所给定的而所给的圆光栅的刻线数为10800条,即栅距角为120,因此,测量信号要有很大的细分数,细分数n24就可以满足精度的要求了,可选用方案b来设计。数据采集卡采用现有的优采的USB接口的UA305数据采集卡,它可以直接同圆光栅相接,另一端和计算机的USB
8、接口直接相连,但由于该卡不是NI公司的数据采集卡,因此不能直接在LabVIEW中直接调用,需要另行编制驱动程序。初步确定测量方案如下：图1-1由原理方案可知,系统的硬件设施很简单,不用再进行设计,只需要将其正确的接起来,而最主要的部分是利用软件对测量过程进行编程,以实现对角度的测量和显示,在能实现角度测量的基础上对被测试系统进行故障诊断,再编制故障诊断程序,对被测试的系统的故障给予一定的建议和解决方案。系统的设计主要是进行细分模块、计数模块的设计,此外,还要设计正反转判定,数据的记录等子部件.。1-1 总体原理方案图根据原理方案的设定,我们可进一步地对测试系统进行工作流程设计。如下图1-21-
9、2 设计流程图由设计流程图,我们不难看出,要对系统进行设计,不仅仅需要一定的更件结构,更主要的是选择一种合适的软件工具来帮助我们更好到完成对角位移的测量。由旋转机械输出的非电量信号必须经传感器才能变成我们所需的电量信号。然后经各级放大、处理后才能被计算机所识别。当圆光栅输出的模拟信号经数据采集器采集到计算机后作进一步的分析,处理。同时我们可以借助软件工具编制角位移测量程序,测量精确度高不容易出现误差,并且能很好实现对其进行故障诊断功能。由此设计思想,我们可以进一步对此设计系统过程做更详细的设计,系统的具体流程如图1-3所示： 1-3 系统流程图这样我们就可以得到我们想要的设计结论,达到理想的目
10、的。我们之所以选择虚拟仪器作为设计中的软件测量工具主要在于虚拟仪器不仅仅带替了部分硬件使测试系统大大简化,更主要的是虚拟仪器只需对软件进行改造和升级,既可以增加各种测试功能,也大大加快了测试系统的开发时间。接下来我们就对测试系统的各软硬件模块进行详细设计。2 各主要模块的设定及选择2.1 凸轮机构的设计2.1.1 凸轮机构的组成凸轮机构一般由凸轮、从动件和机架三个构件组成。其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件,它运动时,通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。原动件作连续运动而从动件作间歇运动。2.1.2 凸轮机构的特点1凸轮机构的优点是：只需设计适当的凸轮轮廓,便可使从
11、动件得到任意的预期运动,而且结构简单、紧凑、设计方便,因此在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品机械、包装机械和机电一体化产品中得到广泛应用。2 凸轮机构的缺点是：1 凸轮与从动件间为点或线接触,易磨损,只宜用于传力不大的场合；2 凸轮轮廓精度要求较高,需用数控机床进行加工；3 从动件的行程不能过大,否则会使凸轮变得笨重。2.1.3 凸轮机构的类型1 按凸轮的形状分: 1 盘形凸轮: 它是凸轮的最基本型式。这种凸轮是一个绕固定轴线转动并具有变化矢径的盘形构件。2 移动凸轮: 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时,凸轮相对机架作往复移动,这种凸轮称为移动凸轮。3 圆柱凸轮: 这种凸轮可认为是
12、将移动凸轮卷成圆柱体而演化成的。盘形凸轮和移动凸轮与从动件之间的相对运动为平面运动；而圆柱凸轮与从动件之间的相对运动为空间运动,所以前两者属于平面凸轮机构,后者属于空间凸轮机构。在本设计中,我们选用圆柱凸轮机构作为传动机构。2.2 光栅传感器的设计2.2.1 圆光栅测角仪的工作原理：圆光栅测角仪是集光、机、电为一体的高精度自动化动态角度测角仪。主要由精密空气轴系、基准光栅标准信号产生系统,动态零位触发器系统、驱动稳速系统、计算机控制系统等组成。 基准光栅安装在精密回转的空气轴承上,其标准信号由均匀分布的七个莫尔条纹发生系统和光电接收系统产生。在每个莫尔条纹接收系统中设计有四个相位相差互成的光电
13、阶段后器产生四路光电信号,经处理合成为两路信号,之后,将七个读数头所产生的信号合成产生仪器最终标准信号,即=再送入计算机进行相应的计算仪器采用多读数头,目的是为了减小基准光栅和精密空气轴系制造误差带来的影响,根据光栅的特性,读数头输出信号的通式：=式2-1式中为读数头序号；为光电信号幅值；为初始位置；为转位后位置；初相位；为阶谐波幅值；为谐波阶次。2.2.2 光栅式数字传感器：光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件图示为某投射型圆光栅,光栅盘圆是定位圆,圆光栅上每根刻线的延长线都通过圆心,为中径处节距,同样采用=,两条相邻刻线间的夹角称为节距。在整个圆周上通常刻1080至6480
14、0条线。图2-1光栅传感器又称光栅读数头,主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件组成。标尺光栅的有效长度围即为测量围。必要时,标尺光栅还可以接长以扩大测量围。指示光栅比标尺光栅短得多,但两者有同样的栅距,使用时两光栅相互重叠,两者之间有微小的空隙d,使其中一片固定,另一片随着被测物体移动即可实现位移测量光栅式位移传感器具有分辨力高、测量围大、动态围宽等优点,且易于实现数字化测量和自动控制。2.2.3 光栅测量原理当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时,由挡光效应对线纹密度50条mm或光的衍射作用对线纹密度100条mm,在与光栅线纹大致垂直的方向上产生亮暗相间的条纹,这些条纹称为莫
15、尔条。莫尔条纹有如下重要特征：1莫尔条纹由光栅的大量刻线共同组成,对线纹的刻线误差有平均抵消作用,能在很大程度上消除短周期误差的影响；2在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动。两光栅相对移动一个栅距w,莫尔条纹也同步移动一个间距B,.固定点上的光强则变化一周。而且在光栅反向移动时,莫尔条纹移动方向也随之反向。3莫尔条纹的间距与两光栅线纹夹角之间的关系为：B= 式2-2B_莫尔条纹间隙a-b之间的距离 w 光栅栅距两光栅刻线间的夹角 。w一定时,越小则B越大,这相当于把栅距放大了倍,提高了测量的灵敏度。图2-1 光栅莫尔条纹若用光电元件接收,莫尔条纹移动时光强的变化则将光信号转换为图示的电信号输出,输出的幅值用光栅位移量的正弦函数表示。以电压而言 U=U+Usin 式 U光电元件输出的电压信号
