液压缸行程内置式测量系统设计.pdf

第 4 1卷 第 8期 2 O l 5年 8月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo I _ 4 1 NO ． 8 Au g．2 01 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 1 1 6 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 2 9 吴来杰， 李亚锋 ， 陈奇， 等． 液压缸行程内置式测量系统设计[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 8 l 1 6 1 1 9 ． 液压缸行程内置式测量系统设计 吴来杰 ， 李亚锋 ， 陈奇 ， 李学斌 ， 龙晴。 1 ． 中国地质大学 武汉机械与电子信息学院，武汉4 3 0 0 7 4 ； 2 ． 广州海洋地质调查局 ， 广州 5 1 0 0 7 5 ； 3 ． 深圳 大学 机 电 与控制 工程 学 院 ， 深 圳 5 1 8 0 6 0 摘 要 针 对现 有 液压缸 行程 内置 式测 量方 式存在 占用 空 间大 、 结构 复 杂等 问题 ， 设计 了光 电鼠标 式 和 滚 轮 脉 冲式 液压缸行 程 内置 式测 量 系统 ， 介 绍 了 系统 的工作 原理 及软 硬件 设 计 。测 试 结果表 明 ， 光 电鼠标 式测 量 系统 适 用 于短距 离的液压 缸行 程测 量 ， 滚轮 脉 冲 式测 量 系统 适 用 于长距 离的液压 缸行 程 测量 。 关键 词 液压 缸 ；行程 测量 ；内置 式测 量 ；光 电鼠标 式 ；滚轮 脉 冲式 中图分类 号 T D6 7 9 文献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 4 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 4 6 ． 0 2 9 ． h t ml De s i gn o f i n t e r n a l me a s u r i n g s ys t e m o f h y d r a u l i c c y l i n d e r s t r o ke WU L a i j i e ， L I Ya f e n g ， CHE N Qi ， L I X u e b i n ， L ONG Qi n g 。 1 ． Fa c u l t y o f M e c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c I n f o r ma t i o n ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s W u h a n ， W uh a n 43 0 0 7 4，Chi n a；2． Gua ng z h ou M a r i ne Ge o l o g i c a l Su r ve y，Gua n g z ho u 51 00 7 5，Chi n a； 3． Co l l e g e of M e c h a t r o ni c s a n d Co nt r o l En gi n e e r i ng，She nz he n Uni v e r s i t y，She nz he n 5 1 8 06 0，Ch i na Ab s t r a c t I n vi e w o f pr o bl e m s o f l a r ge s p a c e oc c u pa t i o n a nd c o m p l e x s t r uc t ur e e x i s t e d i n c u r r e nt i nt e r na l m e a s u r i ng me t h od o f h yd r a ul i c c y l i nd e r s t r ok e，i nt e r na l me a s ur i n g s ys t e ms o f hyd r a u l i c c yl i nd e r s t r o ke wh i c h a r e r e s pe c t i v e l y b a s e d o n o pt i c a l m o us e a n d wh e e l pu l s e we r e d e s i gn e d，wor k p r i nc i pl e a nd ha r d wa r e a nd s of t wa r e de s i g n o f t he s ys t e m s we r e i nt r o d uc e d．The t e s t r e s u l t s s ho w t ha t t he o p t i c a l m o us e mo d e me a s u r i n g s y s t e m i s s u i t a b l e f o r s h o r t s t r o k e o f h y d r a u l i c c y l i n d e r ， a n d t h e wh e e l p u l s e mo d e m e a s u r i ng s ys t e m i s s u i t a b l e f o r l o ng s t r o ke o f h yd r a ul i c c yl i nd e r ． Ke y wo r d s hyd r a ul i c c y l i n de r； s t r o ke m e a s u r i ng； i n t e r na l me a s ur i n g； op t i c a l m o us e mod e； whe e l pu l s e mod e 0 引言 在 工程 应 用 领 域 ， 通 常在 液 压缸 外 部 测量 液 压 缸行 程 。然 而在 井下 、 海洋 和 矿 山等 特殊 环境 进 行 资源 勘查 和施 工 时 ， 则 只 能在 液 压 缸 内部 采 用 内置 式i 贝 0 量方 式 ， 增 加 了测量 的难 度 。 目前 ， 国内外液 压 缸行 程 内置式 测 量采 用 的位 移 传感 器 有 光 栅 尺 、 磁 栅尺 、 拉 线编码 器 、 磁致 伸缩 式传感 器 和超声 波位 移 传感 器 等_ 】 ] ， 但 存 在 占用 空 间大 、 结 构 复 杂 ， 难 以形 成中空走线通道等 问题 ， 给液压缸的加工和安装带 来 很 大 困难 。液 压缸 行程 内置式测 量需 要考 虑测 量 精度、 液压缸管内结构尺寸和应用场合等多方面条 件 来选 择测 量方 式 。因 此 ， 本 文设 计 了光 电 鼠标 式 和滚轮 脉 冲式 2种 液 压 缸行 程 内置 式 测 量 系 统 ， 可 适 用于 不 同场合 的液 压缸 行程 测量 需要 。 1 光 电 鼠标式 测量 系统 1 ． 1 工作 原理 光 电 鼠标 式 测 量 基 于光 的反 射 与干 涉 原 理 ， 是 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 0 6 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 6 2 1 ； 责任 编辑 盛男 。 基金项 目 高校实验室开放 基金项 目 S J 2 0 1 2 0 2 2 1 。 作者简介 吴来杰 1 9 7 O 一 ， 男 ， 江西南 昌人 ， 副教授， 博士 ， 主要研究方向为机电一体化 ， E - ma i l 4 1 2 5 4 6 7 1 6 q q ． c o rn。通信作者 李亚锋 1 9 8 8 ～ ， 男 ， 湖南益阳人， 硕士研 究生 ， 主要研究方 向为机 电一体化 ， E - ma i l 9 0 3 2 2 8 5 6 8 q q ． c o rn。 2 0 1 5年 第 8期 吴来 杰等 液压缸 行程 内置式 测量 系统设 计 l 1 7 一 种 非接 触式 位移 测 量 方法 ， 其 工作 原 理 如 图 1所 示 。安 装在 液压缸 活 塞杆腔 内的光 电 鼠标 芯片 通过 激 光头 发 出光线 ， 光 线 穿过 透 镜 并 经 活 塞杆 内管 壁 反 射后再 次 穿过透 镜 ， 由芯 片感光 头 接收光 线 ， 完成 1 次 拍照 过 程 。在 相 对 运 动 过 程 中 ， 光 电 鼠标 芯 片 通过连续拍摄反射面的图像帧 ， 并利用 DS P算法对 相邻的图像帧进行处理 ， 从而获得相邻帧位移 间隔 数 2 其值 根据 相 对 运 动 方 向 可正 可 负 ， 用 于 判 断 方 向 ， 最 后 通 过 微 处 理 器 计 算 得 出 物 体 运 动 的 位 移 。 图 1光 电 鼠标 式 测 量 工 作 原 理 光电鼠标芯片采用高分辨率的 ADNS 9 5 O 0 ， 该 芯片 自带 激 光 头 ， 内含 DS P算 法 ， 通 过 对 比 相 邻 2帧 图像 得到 位 移 间 隔数 ， 每 个 间 隔 的 位 移 即测 量 系统 的 测 量 分 辨 率 。光 电 鼠标 芯 片 分 辨 率 为 5 6 7 0 c p i 。在 液压 缸 内部活 塞杆 腔 内安装 光 电 鼠标 芯片 ， 调整好测量焦距后便可实时测量液压缸 的工 作 位移 单 位为 ram 首 先对 单 片 机 的 外 设 接 口及 外 围各 模 块 进 行 初 始 化 ， 将 3 0 7 0 b y t e的 校 准 参 数 固 件 装 载 到 芯 片 的 S RO M区 ，用 于 芯 片 自 动 校 正 位 移 数 据 。 A DNS 9 5 O 0固件装 载 成 功 后 ， 开 启 外 部 中 断 ， 判 断 是否有 位移 数据 更新 触发 中 断 。有 中断则 读取 光 电 鼠标芯片位移寄存器 中数据 ， 对位移数据进行累加 ， 从而得到液压缸 的工作位移 ， 然后对其进行存储 与 显示 。 单片机接 口及 外围模块初始化 将位移寄存器 中数据 进行累加， 得 到液 压缸的工作位移 图 3光电 鼠标式测量系统主程序流程 2 滚 轮脉 冲式 测 量 系统 s 一 ∑ 1 2 ．1 工 作原 理 式 中 为第 i 个相邻 帧位移间隔数 。 l _ 2软硬 件设 计 光 电 鼠 标 式 测 量 系 统 主 要 由 光 电 鼠标 芯 片 ADN 9 5 0 0 、 单片机 S T C 1 2 C 5 A6 0 S 2 、 RS 4 8 5通信接 口和数据显示与存储单元 等组成 ， 如 图 2所示。光 电鼠标芯片的 mo t i o n引脚与单片机外部 中断 I NT 0 引脚相 连 ， 有 位 移 发 生 时 mo t i o n引脚 电平 被 拉 低 ， 从 而触 发单 片机 产生 外部 中断并 读取 光 电 鼠标 芯 片 中位移 寄存 器 数据 ； R S 4 8 5接 口负责 单 片 机 与 上位 机的通信 ， 用于接收上位机命令 ； 液晶显示器则实时 显示位移数据； S D卡数据存储单元 负责存储位移 数据 。 A DNS 9 5 0 0 I NT0 ■ S T C l 2 C5 A6 0 S 2 存储单元 J 图 2 光 电鼠标式测量 系统组成 光电鼠标式测 量系统主程序流程如 图 3所示。 滚轮脉冲式测量基于脉 冲计数原理 ， 是一种接 触式 位移 测量方 法 ， 其 工作 原 理 如 图 4所 示 。将滚 轮安装 在 液压 缸 内部 活 塞 杆腔 内 ， 通 过 拉 簧 使 滚 轮 压 紧管壁 ， 当液 压 缸 以一 定 的 速 度推 动 活 塞 杆 前进 时， 依靠滚动摩擦力带动滚轮转动 ， 从而通过滚轮上 磁石不断靠近干簧管产生脉冲来测量位移。 接线插头 销轴 一 詈 煳钉 图 4滚 轮 脉 冲 式 测 量 工 作 原 理 在滚 轮上 沿 圆 周方 向均 匀 分 布 t 个 磁 石 ， 推 进 过程中依靠磁石触发干簧管导通来产生脉冲。滚轮 转动 1 圈 产生 t 个 脉 冲 ， 设滚 轮外 径 为 D， 则 每 个 脉 冲代 表 的位 移 为 7 r D／ t ， 从 而 可 测 量 液 压 缸 的工 作 位 移 S 一 2 ． 1 1 8 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 式 中 m 为 累计 脉 冲数 。 2 ． 2软硬件 设 计 滚轮脉冲式测量系统主要由磁石滚轮 、 干簧管、 单片机 S T C1 2 C 5 A6 0 S 2 、 脉 冲指示器 、 R S 4 8 5通 信 接 口和 数据存 储 单 元等 组 成 ， 如 图 5所 示 。干 簧 管 与单 片 机外部 中 断 I NT 0引 脚 相 连 ， 当其 感 应 到 滚 轮 上 的磁石 时 将 导通 并 拉 低 I NT 0引 脚 电平 ， 从 而 触发单片机产生外部 中断进行脉冲计数 ； 脉 冲指示 器用 于指示脉 冲 的宽 度 ； R S 4 8 5接 口负 责上 位 机 与 单片机通信 ， 单片机可通过接收上位机软件设置的 推进和回收命令来判别运动方 向； S D卡数据存储单 元用于存储位移数据。 三 苎 篁卜 IN T O S T C 磁石滚轮 I 卜 l2C5A60S2 指 示 器 l’ 图 5滚 轮 脉 冲 式 测 量 系 统 组 成 滚轮脉冲式测量系统主程序流程如图 6所示 。 首先对单片机外设接 口及外 围各模块进行初始化 ， 然后开启外部中断并设置中断方式为下降沿触发 。 如果干簧管导通产生脉冲触发外部中断， 则在中断 函数里置位脉冲计数标志位 ， 此时脉冲计数加 1 ， 并 将 其 转换为 位 移数据 ， 然后 对数 据进 行存 储与 显示 。 I 单片机接口及 I外围模块初始化 二 二 开启外部中断I N T 0 设置为下 降沿触发 脉冲计数器计数加1 并将脉冲数转换成 液压缸工作位移 图 6 滚轮脉冲式测 量系统主程序流程 3测试 与 结果分 析 测 试条 件 液压 缸 活 塞杆 总 行 程 为 2 0 2 0 mm， 活塞杆内管直径为 2 0 mm， 液压缸以 2 c m／ s 左右的 速度进行水平推进 。 光电鼠标式测量系统对于透镜与反射面的焦距 很 敏感 ， 焦距 不 稳定 会 直 接 影 响测 量 的准 确 性 。测 量 时 ， 要 求 尽 量 减 少 由安 装 、 对 焦 误 差 和 活 塞 杆 振 动 、 偏心等因素带来的影响， 以提高数据的准确性和 可 重 复性 。光 电 鼠标 式测 量系 统在不 同测 量距 离 时 各 4次 测 试 的平 均测 量 结 果 见表 1 ， 可 看 出短 距 离 测 量 时误差 小 ， 而长距 离测 量时 误差变 大 ， 准确 性变 差 ， 这是 因为 起始 段液 压缸 的工作 状态 比较 稳定 ， 而 长 距离 时 由于活 塞 杆受 到工 作 阻力 和 自重 的影 响 ， 引 起 的振动 和偏 心将 变大 ， 增大 了累计 误差 。 表 1 光 电 鼠标 式 测 量 系统 测 量 结 果 mm 正向推进 反 向回收 正 向推进 反向回收 S 位移 位移 误差 误 差 1 5 0 0 1 4 52 ． 5 1 4 4 6 ． 2 ～ 4 7 ． 5 5 3 ．8 2 0 0 0 1 9 25 ． 9 1 9 1 7 ． 4 ～ 7 4 ． 1 8 2 ． 6 在滚 轮沿 圆周 方 向 均 匀分 布 5个 磁 石 ， 滚 轮 转 动 1圈产生 5个脉 冲， 滚 轮周长为 5 c m， 即液压缸 每推进 1 c m产生 1个脉冲。滚轮脉冲式测量系统 在不 同测量距离时各 2 0次测试的平均测量结果见 表 2 ， 可 看 出在 各距 离 段 液 压 缸 的 正 向推 进 与 反 向 回收 过程测 得 的脉 冲 数 基本 一 致 ， 与实 际距 离 平 均 误差较小 ， 测量 的准确性较好 。但 滚轮脉 冲式测量 分辨率主要 由滚轮 的外径和安装磁石 的数量决定 ， 而滚 轮 的外 径 不能 加 工 得 太小 ， 磁 石 的安 装 数 量 也 有限， 以致测量分辨率较低 ， 因此更适合长距离的液 压 缸 行程 测量 。 表 2 滚轮 脉冲式测 量系统测量结果 4 结语 设 计 了光 电 鼠标 式和滚 轮 脉 冲式 2 种 液压 缸行 程 内置 式测 量 系统 。光 电 鼠标 式测量 系统 具有 自辨 方 向功能 ， 对于 短距 离 的位 移测 量其 准确性 较好 ， 测 量 时 要求 液 压 缸工 作行 程 范 围 内状 态 稳 定 ， 适 用 于 州 4 6 9 5 3 7 喵 3 6 3 2 1 7 呲 姗 蛳 6 4 1 5 7 3 ％ ∞ 饥 曲 娼 卯 O O O 0 0 姗 ㈣ 一 第 4 1卷 第 8 期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd Mi ne Aut o ma t i o n V01 ． 4 1 No ． 8 Au g ．2 0 1 5 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 1 1 9 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 3 0 穆莉莉 ， 刘成 ， 刘振翮． 蓄电池充放电无线监控 系统设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 1 1 9 1 2 2 ． 蓄电池充放电无线监控系统设计 穆莉 莉 ， 刘 成 ， 刘振 翮。 1 ． 安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ； 2 ． 淮南 市长 安机 电设备 有 限公 司 ，安徽 淮 南2 3 2 0 0 1 摘要 针 对 目前 煤矿 蓄 电池 充放 电监 控 系统存 在体 积庞 大 、 布线 复杂 、 数据吞 吐 量 小等 问题 ， 设 计 了一种 基 于 C C 1 1 0 1无 线通信模 块 的蓄 电池充放 电无线监 控 系统 。该 系统 利 用 C C 1 1 0 1的跨 频 功 能 实现 对 多 个蓄 电池 组 的 同步监 控 ； 利 用 C C l l 0 1的 阈值 特性 实现 大数 据 包的 快速 续发 和发 送 完毕 的 自动 识 别 。测试 结 果 验证 了该 系统 的有 效性 和稳 定性 。 关键 词 蓄 电池 ；充放 电监控 ；无线 监控 ； C C I 1 0 1 中图分类号 TD 6 1 1 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 4 7 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 4 7 ． 0 3 0 ． h t ml De s i g n o f wi r e l e s s mo ni t o r i n g s y s t e m o f b a t t e r y c ha r g i ng a nd d i s c h a r g i n g M U Li l i ，LI U Che ng ，LI U Zh e nh e 。 1． Co l l e g e of M e c h a n i c a l Eng i n e e r i n g，An hui Uni v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c hn ol o gy，H u a i n a n 2 32 0 01， Ch i n a ；2 ． Hu a i n a n Ch a n g a n El e c t r i c a l a n d M e c h a n i c a l Eq u i p me n t C o． ，Lt d． ，Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e ms o f hu ge vo l u m e，c o m pl e x wi r i n g a n d s ma l l da t a t hr o ug hpu t e x i s t e d i n ba t t e r y c ha r g i ng a nd d i s c ha r g i ng m o ni t o r i ng s y s t e m o f c oa l mi ne ，a wi r e l e s s mon i t o r i ng s y s t e m o f b a t t e r y c h a r gi n g a nd d i s c ha r g i ng ba s e d o n CC1 1 0 1 wi r e l e s s c o m mun i c a t i o n mo dul e wa s d e s i gn e d． Sy n c hr o n ous mon i t o r i ng of mul t i b a t t e r y s e t s i s r e a l i z e d t h r ou gh f r e q ue nc y ho pp i ng f u nc t i o n o f CC1 1 01．Fa s t c o nt i nuo us t r a n s f e r o f b i g d a t a p a c k e t a n d a u t o ma t i c r e c o g n i t i o n o f s e n d i n g e n d a r e r e a l i z e d t h r o u g h t h r e s h o l d c ha r a c t e r i s t i c o f CC1 1 0 1．The t e s t r e s u l t v e r i f i e s va l i di t y a nd s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m ． Ke y wor d s ba t t e r y；mon i t o r i ng o f c ha r gi ng a n d di s c ha r g i ng；wi r e l e s s mo ni t o r i n g；CC1 1 0 1 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 1 7 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 6 1 9 ； 责任编辑 盛男。 作者简介 穆莉莉 1 9 7 3 一 ， 女 ， 江苏徐州人 ， 教授 ， 主要研究方 向为单片机嵌入式系统 ， E ma i l 5 7 6 6 7 2 2 8 3 q q ． c o rn。 液压缸短行程测量场合 ； 滚轮脉冲式测量系统不具 辨 向功能 ， 需要 其他 辅助 方式 才能 辨别 运动方 向 ， 且 由于加工工艺和结构的限制， 决定了其测量分辨率 不高， 适用于液压缸长行程测量场合。这 2种测量 系 统体积 较小 ， 结构 简单 ， 便 于应 用在液 压缸 行程 内 置式 测量 中。 参考文献 [ 1 3 潘峰 ， 丁凡 ， 殷建利 ， 等． 液压缸行程测量 国内外 现状和 [ 2 ] [ 3 3 [ 4 ] E 5 ] 发展 趋势口] ． 工程机械 ， 2 0 0 1 ， 3 2 4 2 7 2 9 ． 廖飞 ， 汪涛 ， 袁雪莉． 基 于激光 鼠标 传感芯 片组 的机 床 位移测量仪[ J ] ． 仪表技术与传感器 ， 2 0 0 9 3 3 2 3 3 ． 张洪伟 ， 姬升 红 ， 杨 德清． 光 电鼠标芯 片在无接 触测 距 中的应用[ J ] ． 中国电子商务 ， 2 0 0 9 8 8 9 ． 胡汉才． 单 片机 原理 及其接 口技 术[ M] ． 北京 清华 大 学 出 版 社 ， 1 9 9 6 ． 来清 民． 传感器 与单 片机接 口及 实例 [ M] ． 北京 北 京 航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 8 1 3 1 1 3 9 ．