旋转构件角应变检测系统设计.pdf

2 0 煤 矿 机 械 2 0 0 4年第 l 2期 文章编号 1 0 o 3 ． o 7 9 4 2 0 0 4 1 2 ． 0 0 2 0 ． 0 4 旋转构件角应变楦测系统设计 * 舒杰 ．文 青岛理工大学， 妍 ．谭继 文 山东 青岛 2 6 6 0 3 3 摘 要 基 于电磁检 测原理提 出了受扭构件剪应 变的非接 触式 实时在 线定 量检测 方法 ， 设计 了以 A T 8 9 C 5 2为 核 心 的 旋 转 构 件 角 应 变检 测 系统 。介 绍 了该 系统 的 功 能 、 硬 件 构 成 、 软 件 设 计 及 其 实现。仿真 实验表 明， 该 系统运行 可靠， 检测准确 ． 具有明显的推广应 用价值 。 关键 词 电磁检测 ；霍 尔元件 ；应 变检 测 ；单 片机 中图号 T M9 3 4 文献标识码 A 1 前 言 传统的机械构件角应变检测多采用电阻应 变片 法 ， 该 方法 原理 明确 、 使 用广泛 。但 是 ， 电阻应变 片 法测定构件线应变属于接触式检测， 连接导线多， 导 *山东省教育厅科技计划资助项 目 J 0 2 A 0 6 线的布置 和信号处 理麻 烦 ， 而且 由于 导线 接 触 电阻 的不稳定性 、 线间 电容 及热 电动 势等 都将使 检测 结 果的准确性 和检测 精度 降低 ， 同时也难 以实 现对 动 态构件角应变 的在线检测 。 本 文中所采用 的电磁检测法是直接在被测构 件 上贴上磁钢 ，通过被测构件与检测器 的相对运 动实 度 ； 当最小实体要求应用 于基准要求时 ， 上述 的直线 度和平 面度公差就不适用了 ， 其他均可 。 应 用场合 为保证零件具有足够 的强度 ， 对孔类 零件必须保证最 小壁 厚 ， 轴类零 件要保证 最小 的有 效横截 面 ， 并且零件 的壁越厚 或有效横截 面越大 ， 其相应的形位误差允许值越大， 也就是既满足了零 件 的功能要求 ， 又扩大 了零件相应要素的形位 公差 ， 最 小实体要求恰 好能同时满足这样 的要求 ， 所 以 ， 在 必 须保 证材料最小壁厚 或最 大有效横截面 且可 以 由尺 寸公 差的富裕量 来补偿 形位 误差值 的情况 下 ， 可以采用最小实体要求 。 2 可逆要求用于最小实体要求的应 用 图 l d 与 l e 所表示的零 件功能是相 同的 ， 但 是图 l e 则 对 制造者 将 总公 差分配 给尺 寸 和形状 误差提供 了推荐 值 ， 也就 是说 可逆要 求为产 品设计 和车间之间提供 了信息 。 5结语 最 小实体要求 包括 可逆要 求下 的最小 实体要 求 ． 是新 国家 标准 G B ／ T 4 2 4 91 9 9 6中增设 的 内容 之一， 它在特殊场 合 例 如 为保证 孔类件 的有效 壁 厚或轴类件 的有效横截面 有其重 要的应用意义 ． 是 零件精度设计 中必不可少 的一项公差原则 。在满 足 零件使用功能的情况 下 ， 最小 实体要 求对 改善 零件 加工的经济性大有益 处 ， 它为合 理 给定公 差提 供 了 基本的依据 。 参考 文献 [ 1 ] 国家技术监督局． 中华人民共 和国国家标准 形状和位置公差 [ R ] ， 1 9 9 7 ． [ 2 ] 汪恺， 等． 形位公差 一 在设计、 制造及检验中的应用[ M] ． 北京 中 国计量 出版 社 ， 1 9 9 “／ ． [ 3 ] 劳动和社会保障部教材办公室． 公差配合与技术测量基础[ M ] ． 北 京 中国劳动社会 保 障出版社 ． 2 , O O O． 作 者简介 于风云 1 9 6 8一 ， 女 。 黑龙 江庆安 人 。 副教 授 ． 工学 硕 士 ． 现 为中国矿业 大学 北 京校 区 博士 生 ， 从 事机械 设计 制造及其 自 动化方 面的教学 与科研 工作 ． 收稿 日期 2 o o 4 ． 0 9 ． 2 2 The l e a s t ma t e r i a l r e q u i r e me n t 0 f t o l e r a nc e pr i n c i p l e a n d p r e c i s i o n d e s i g n 0 f h a r d wa r e YU Fe ngyu n H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e＆ T e c h n o l o g y ．H a r b i n 1 5 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e a b s o l u t e p rin c i p l e i s a d o p t e d f o r t h e r e l a t i o n o n d i me n s i o n t o l e r a n c e a n d t h e s h a p e an d p o s i t i o n o f h a r d ． w a r e i n t h e p r o c e s s o f p rec i s i o n d e s i g n i n g e n e r a l i n s t a n c e ．A l t h o u g h t h e rel a t e r p ri n c i p l e i s l i t t l e a p p l i e d，b u t i t ’ S me a n i n g i s t o o i mp o r t a n t t o i g n o re．I t i S e s s e n t i al t h a t t h e a p p l i c a t i o n f o r t h e l e a s t ma t e r i al req u i reme n t and rev e r s i b l e req u i re． me n t o f rel a t e d req u i reme n t i s d i s c u s s e d i n the p rec i s i o n d e s i gn ．T h e a p p l i c a t i o n for l e ast ma t e ria l r e q u i r e me n t an d re． v e rsi b l e req u i reme n t i s s y s t e ma t i c a l l y s u m ma ri z e i n p rec i s i o n d e s i g n t h r o u g h c o n t r a s t analy s i s for d e s i gn i n the v a ri o u s the c o n d i t i o n o f res t ri c t i o n b y l i v i n g e x a mp l e ． Ke y WO I “ d srel a t e r p rin c i p l e；ma xi mum ma t e ria l req u i r e me n t ；l e ast ma t e ria l r e q u i reme n t ；rev e rsi b l e r e q u i reme n t 维普资讯 2 0 0 4年第 l 2期 旋转构件角应变检测系统设计舒杰 ， 等 2 1 现应变 的测试且 被检 测 构件 与检测器 间无接 触 ， 对 旋转构 件检测时检测信号引 出方便 。该方法应用 了 磁电转换技 术 、 微 电子技 术、 计 算机定 量处 理技术 ， 把需要 测试的物理 量用 磁信 号及再生 信号 作载 体， 可以实现机械量 的电量测试“ 。通过对这些 电信 号 的处理 可 以以非接触方式实现机械构件角应变的实 时 、 在线 、 定量检测 。 2检测 系统的硬件设计及检测原理 本 系统是 由试验 台、 传感 器 电路及 由 MC S一5 1 组成的单 片机系统 构成 的二次 仪表 电路所组 成 ， 基 于 电磁检测法 的应 变检 测 的基本原理 如 图 l所示。 搭建加载扭矩 的试验 台 ， 在被测构件表面贴上磁钢 ， 如图 l中。 的位 置 试验 中选择 的是 忱0 r t ln l ， B为 1 2 m T ， 厚为 1 ． 5 r n r n的磁 钢 ， 然后 在试验 台上沿 被 测构件 的周 向在 图中。 的正上方分别布置 2个霍 尔 传感器 。当霍尔 传感器 与被测构件之间有相对转 动 时 ， 传感 器就会 产生 一系列类 似 于半正 弦的非标 准 电压信号 ， 这 些信 号 经过 传感 器 电路 的处理 就能转 换成标准 的数 字电压送 到二次仪表 中去处理。若 构 件受扭产生剪应 变 ， 则两 霍尔传感 器将输 出 2个频 率相 同但 相位 不 同 的信 号 如图 2 a 、 b 所示 。两 信号 的相位差 与构件 的剪应 变成正 比。经过传感器 电路处理后 的信 号如图 2所示 。 幽 1牧 铡 系 统 原 理 幽 F i g ． 1 T h e o r y o fd e t e c t i o n s y s t e m 翩 广 - ] r _ ] r _ ]㈤ 翩 厂 _ ] 厂 _ ] 厂 _ ] m ⋯州 ㈦ 眦 反 ]口 口r - ] 厂 _ ]r _ ] 厂㈤ - 7． 1 图 2信 号波形 图 F i g． 2 W a v e f o r m o f s i g n a I 根据 图 1描述的几何关 系， 由几何知识知 y r 手 1 式 中卜一 2个 磁 钢 的 中 C 距离 。 因此 测试被测 构件 的剪应 变的时候 ， 只要测试 出扭角 即可。处理后 的波形可 以看 出 在 波形 中对应有相应的时间 t ， 而 传感器旋 转一周 是 2 7 c ， 若 再测 出旋转一周的时间 就有 一卫 T 一 2 7 c 所 以有 2 3 丁 【 _j 考虑 到在贴磁 钢时存在 的位 置误差 ， 试验 时可 先测 出 2列信号 的初始相位差 。 ， 因此 就有 4 丁 【 4 本系统 中二次仪表的主要 任务就是要 测 出 t 和 。 3 传感器 电路及二次仪表 霍 尔传 感器 是利 用霍 尔效 应 进行 工 作 的传 感 器 ， 具有结构简单、 体积小、 频率响应 宽、 动态范围 大、 无接触 、 寿命 长等特点 。本 系统 设计 的霍尔传感 器及信 号 预处理 电路 主要 是 由 T HS 1 0 3 A型霍 尔 传 感器 ， 不等位 电势补偿 电路 ， 差动放 大 电路 ， 电压 比 较 电路及异 或 电路 组 成 ， 电路 框 图 如 图 3所 示 】 。 T H S 1 0 3 A的供 电 电 压是 5 V， 输 出 电压 是 5 0。1 2 0 m V， 不平衡率 2 0 ％。不等位电势是由于元件本身的 物理加工缺陷造成 的 ， 因此 ， 在把感应 电压送 至下一 处理 电路前需 要进行零点校 正。它可以通过图 4中 的电路进行补偿 ， 其 中电阻 R 。 可以用来 进行 零点调 整 ， 实现不等位 电势 的补偿 。进行 补偿 后 的霍 尔传 感器在零外加 磁场 中 ， 输 出为 0 。差 动放 大 电路 主 要是放大霍尔传感 器产生 的微 弱信号并把 2路信 号 变成 l路 信号送 至 电压 比较 器。 电压 比较 器是 由 C F 3 1 4 0组成 的零 电压 比较器 ， 供 电方式是 双 电源供 电 ， 供电电压是 5 V。该电路要求放 大器 的失 调电 压 很小 ， 最好 调到零 。使 用 时 ， 器件 不能 在线 路 带电的情 况下接 入和 断开 ， 以免 瞬态 电压 变化 引起 的损坏 ， 而电源断 开时输入 端 也不能 加 信号b 】 。信 号经过零 电压 比较器后 产生 2路 由 0一 5 V的标 准方波 电压信 号 ， 2路 方波 信号送 至 异或 电路进 行 逻辑处理 即可得到两传感 器 的输 出信号 ， 如 图 2 c 所 示 。 图 3 传感器电路设计框图 F i g． 3 De s i f r a me o f s e n s o r o h c u l t 维普资讯 ． 2 2 - 旋转构件角应变检测系统设计舒杰 ， 等 2 0 0 4年第 l 2期 图 4霍 尔 元 件 补 偿 电 路 F i g ． 4 Co m p e n s a t i o n c i r c u i t o f Ha l l s e n s o r 本 系统 的二次仪表首先将 由异或电路 产生的信 号再进行一 次 取反 ， 取 反后 的 信号如 图 2 d 所 示 ， 分别把这 2路信号接 人 MC U中进行运算 、 控制等处 理 。M C U选择标 准型 的 8 9系列单 片机 一A T 8 9 C 5 2 。 它有 8 K B的 F l a s h存储器 ， 2 5 6字节 内部 R A M， 3 2条 可编 程 I ／ O线 ， 3个 l 6位的定时器， 计数器 ， 8个 中断 源 以及 可编程串行 接 口。系统程 序存储 在 8 K B的 F l a s h存 储 器 中。异 或 信 号 及 其 取 反 信 号 分 别 接， I N ， I D和l I N T 1 ， 设定 是 下 降沿触 发 中断 ， 即 当输入 信 号 由“ 1 ” 变“ 0 ” 时 ， 产 生中断。当／ I N T 0来 了一个上 升 沿 ， l I N T 1 就 对应一个 下降沿 ， 用 这个下 降沿 来触发 中断进行 计 时。 而 当l I N T 1的上 升沿 来 临 时 ， ／ I N TO 对 应是 下降沿 ， 利用 该下 降 沿触 发 中断 ， 结束计 时。 二次仪 表完成 对上述 计时 的计 测 ， 再送 至上位机 处 理 。上位机编程采 用 V B， 可视 化编程可 以很好地 建 立 P C机与操作者 的人机对话 ， 而且 P C机的计算能力 比 MC U强 。通 过可 编程 串行接 口与上位机 的通 信 ， 可以把测量结果迅速送 至 P C机 中进行运算 ， 显示结 果 ， 进行打印和存储 ， 得到应变检测结果。 4软件 系统设计 软件设 计采用 了模块化 、 结构化 的设计方法 ， 使 用 MC S 一5 1 汇 编语 言对 MC U进行编 程 J 。整个 程 序 由主程序 、 开始计 时中断子程序 、 终止计时 中断子 程序以及通信子程序组成 。计量 中断子程序流程 图 如图 5所示。 图 5中断 子程序 流 程图 F ． 5 F r a me o f i n t e r r u p t s u b p r o g r a m 在本检测系统 的软件 系统 的设计 中， 定 时器 ， I D 的工作方式为 0 ， 定时周期 为 8 ． 1 9 2 i r is ， 一次定 时器 中 断为 1 ， 产生报警。定 时器 T l的工作 方式为 1 ， 定 时 周期 为 6 5 ． 5 3 6 i r i s ， 一次定 时器 中断也为 1 ， 产生报警。 A T 8 9 C 5 2中增加 了一 个 l 6位定 时器， 计数 器 T 2 。在 本软件系统 的设计 当中 ， 把 T 2设 置成可重装 入 的计 数器。当 T 2计数被检测部件旋转一周产生的 2个脉 冲后就会溢出， 产生中断。它 的功能 比其他 2个定 时 器更强 ， 具有 3种 不 同的工作 方式。分别 为 捕捉方 式 、 自动常数重装 入 方式 和 波特 率发 生器 方式 。T 2 的工作是 靠软 件对 T 2 C O N寄 存 器进 行设 置 而定 义 的。T 2的控制寄存器 T 2 C O N各位名称如下 程序初始化定义如下 0RG 00 0 0H J MP S T AR T 0RG 00 0 3H J MP Z D K S ； 若产生 中断／ I N TO 跳转 至 Z D K S中断程序 ORG 0o1 3H J MP Z D T Z； 若 产生中断l I N T 1 跳转至 Z D T Z中断程序 0RG o 0 2BH J MP T Z J S ； 若 T 2产生中断则 跳转至 T Z J S中断程序 0RG 00 3 0H S TART MOV I P． 0 01 0 0 0 0 0B MO V T C O N，0 0 0 0 0 1 0 1 B； 设 置外 部 中断都 是下 降沿触发 MO V T 2 C O N， 0 0 0 0 1 0 1 0 B； 设 置 T 2为 l 6位 自动 载人计数器 MOV S P． 6 0H MOV TMOD ． 0 001 0 0 0 0B MOV TH0． 0 0H MOV T L 0． 0 0 H MOV TH1． 0 0H MOV TL1． 0 0H MO V T H 2 ，H I G H 6 5 5 3 62 MO V T L 2 ，L O W 6 5 5 3 62 MOV I E． 1 01 1 1 1 1 1 B MOV R0，4 0H MOV R1，6 0H 由于程序 是在 运行 中读取 计 数 寄存 器 T L x和 T H x 为 0或 1 ， 为防止 读 数错误 ， 必须 在 软件设 计中进行数据 判断 。解 决方 法是 1 7 9 先 读 T Hx ， 后读 T L x， 再读 T Hx 。若 2次 读得 的 T Hx值 是 一样 的 ， 则可 以确定读人的数据 是正确 的； 若 2次读 得 的 值不一样 ， 则必须重读 。 5结语 本 系统在 实验室经过仿真 ，试验 表明系统运行 维普资讯 2 0 0 4年第 1 2期 煤 矿 机 械 2 3 文章 编号 1 0 0 3 0 7 9 4 { 2 0 0 4 1 2 0 0 2 3 ． 0 3 基于 A N S Y S对压力容器管板厚度的优化设计 马天兵 ’ ，孙兵 ．杜菲’ 1 ． 安徽理工大学 ，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ；2 ． 合肥工业大学 ，安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 摘 要 利用 A N S Y S软件对压力容器的管板厚度进行优化设计 ， 取代 了各种传统 的优化计 算 方法 ， 避免 了繁 杂的计 算和程序设计 ， 研 究 了管板厚度 对压力容 器强度 的影响 ， 给 出了压 力容 器管 板参数的最优组合 ， 为压 力容 器的设计提供 了有价值 的理论依据 。 关键 词 压力容 器管板 ；有限元 ；优化设计 中图号 T H 1 2 2 文献标识码 A 1 前 言 压力容 器管板 是压力容 器 的重要 部件 ， 根据管 板结构 的特 点 ， 它直 接影响 着管箱 的承压 能力 。它 的变形情况及应力分析对整个箱管结构的应力分析 起着决定 性 的作用 。本 文采 用 A N S Y S有 限元 分析 软件 ， 建立压力容 器管 板的有 限元模 型 ， 加载求解 ， 进行应 力场分析 ， 计算 出压力容器管板 的最大应力 、 应变 ， 利用 A N S Y S的有限元分 析和计算机 图形学功 能 ， 显示 三维应力 等值 面 ， 位移等 值面 ， 并利用 其独 特的优化功能模块进行优化处理 ， 找 出了最佳序列 ， 并显示 出 目标 函数 的变 化 规律 曲线 ， 既 高效 ， 又直 观 。 2 基本 的分析 方法 2 ． 1 建立数学模 型 在压力 容器应 力 的分 析 中， 压力容器部 件设计 关心的是应力沿壁 厚的分 布规律 及其 大小 ， 可 采用 沿壁厚方 向的校 核线代 替校 核面 。很 显然 ， 这 是一 个 2 D的有约束优化 问题 。管板结 构优化 设计 的最 终 目的是在满足给定 的刚度和强度要求下使 管板 的 重量达 到最小。根据 管箱 的结构 形式 ， 选 定管 板 的 厚度 h和管板 的外 半 径 b作 为 优化 设计 的设 计 变 量。d r 为优化设 计 中结 构 的等 效应力 强 度 ， 需作 为 一 个约束条件 。综上所述可得管板结构优化设计 的 数学模 型为 W Mi n f X[ 。 ， ] [ b， h ] S． t． d ≤[ d ] 7 9 0≤ l ≤ 8 2 0 3 4 0≤ 2≤ 3 9 0 正确 ， 操作方便 。计 时最小单 位 是 2 0肚 s ， 测试扭 转 角精 度达 0 ． 0 0 2 r a d ， 能 实现 受 扭构 件 扭 转 角 的实 时 、 在线定量检测 。试验发现 ， 一定要 防止数字信号 和模 拟信号 的互相干扰 ， 对 电源要进行滤波 ， 特别是 滤除高频信号 O由于系统 中要用到的芯片供 电电压 不一样 ， 要 求设 计 合理 的供 电电路 ， 防止烧 片。另 外 ， 由于磁信号检 测系统 本身 就是一 个 比较 复杂 的 系统 ， 还有很 多不确定 因素存在 ， 这需要在具体应用 中做 出进一步 的研究 。 参考 文献 [ 1 ] 谭继 文 ． 王 广丰 ． 等 ．机 械构 件 线应 变 在线 检 测新 技 术 研究 [ J ] ． 机械科学 与技 术 ， 2 0 0 4 ， 5 5 3 45 3 5 ． [ 2 ] 奄 诗 白 ， 等 ．模 拟 电子 技 术 基 础 [ M] ．北 京 高 等 教 育 出版 社 。 2 o 01 ． [ 3 ] 梁廷贵， 等 ． 集成运算放大器电压比较器分册[ M] ． 北京 科学技 术文献 出版社 。 2 0 0 3 ． [ 4 ] 高峰 ， 等 ．单 片微型计 算机原 理 与接 口技 术[ M] ．北 京 科学 出版 社 ， 2 0 01 ． 作者 简介 舒 杰 1 9 8 1 一 ， 江西井 冈 山人 ， 青 岛理 工大 学在 读 硕 士研究生 ， 研究方 向为故 障诊 断 ．T e 1 0 5 3 25 0 7 3 1 7 5 ． Em a i l s h u j ie b o x l 6 3 c o rn ． 收稿 日期 2 0 0 4 0 8 2 6 De s i g n 0 n a n g u l a r s t r a i n d e t e c t i o n 0 f r o t a t i ng c o mp o n e n t S HU J i e ． W EN Ya n． TAN j i we n Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e＆T e c h n o l o g y 。 Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ． C h i n a l Ab s t r a c t A me t h ed o f n o nc o n t a c t r e a l t i me o nl i n e q u a n t i t a t i v e d e t e c t i o n o f a n g u l a r s t r a i n i S p u t f o r w a r d b a s e d o n e l e c t r o ma g n e t i c d e t e c t i o n p rinc i p l e．A an g u l a r s t r a i n d e t e c t i o n s y s t e m i s d e s i g n e d b a s e d o n AT8 9C 52．1 he s y s t e m f u n c t i o n．h a r d wa r e s t r u c t ure a n d s o f t wa re d e s i gn a r e a l S O g i v e n．S i mu l a t i o n e x p e rime n t s h o ws t h a t t he s y s t e m c a n WO r k p r o p 。 e r l y and d e t e c t r i g h t l y ．o b v i o u s l y i t h a s t h e v a l u e t o b e u s e d i n p r a c t i c a l p r o j e c t s ． Ke y wo r d se l e c t r o ma g n e t i c d e t e c t i o n；Ha l l s e n s o r ；s t r a i n d e t e c t i o nMCU 维普资讯