便攜性液壓缸速度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)
便攜性液壓缸速度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì),便攜,液壓缸,速度,檢測(cè),裝置,設(shè)計(jì)
誠信聲明
本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。
本人簽名： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
設(shè)計(jì)題目： 便攜性液壓缸速度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì) 系部： 機(jī)械工程系 專業(yè)： 機(jī)械電子工程 學(xué)號(hào)： 112012131
學(xué)生： 賈飛飛 指導(dǎo)教師（含職稱）： 劉曉(講師)
1．課題意義及目標(biāo)
通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使學(xué)生了解和掌握到畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的步驟和程序，學(xué)習(xí)機(jī)電液氣綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作原理以及操作控制，設(shè)計(jì)一款利用編碼器可以檢測(cè)液壓缸速度的便攜性裝置，通過單片機(jī)對(duì)速度的檢測(cè)，來檢驗(yàn)理論的正確性，為學(xué)生在畢業(yè)后從事機(jī)電專業(yè)技術(shù)工作打好基礎(chǔ)。
2．主要任務(wù)
（1）根據(jù)已有的測(cè)速裝置的資料，完成速度檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。
（2）結(jié)合傳感器技術(shù)和檢測(cè)電路，實(shí)時(shí)檢測(cè)速度信號(hào)。
（3）通過單片機(jī)技術(shù)將信號(hào)實(shí)時(shí)顯示。
（4）設(shè)計(jì)圖紙一份。
（5）裝置要求結(jié)構(gòu)輕巧，便于安裝，在液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。
3．主要參考資料
[1] 李碩衛(wèi), 張國賢. 現(xiàn)代液壓技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 機(jī)械工程師,2009:02-26
[2] 爾桂花，竇曰軒編著. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng). 北京：清華大學(xué)出版社, 2002：365-370
[3] 何英.基于8098單片機(jī)位置及速度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng),2009,(第9期).
4．進(jìn)度安排
設(shè)計(jì)各階段名稱
起 止 日 期
1
查閱參考文獻(xiàn)，完成開題報(bào)告
2014-12-01至2014-12-30
2
完成檢測(cè)裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確定
2014-12-31至2015-01-05
3
完成機(jī)構(gòu)的建模與零件的加工，搭建液壓回路
2015-01-06至2015-04-20
4
調(diào)試編碼器與單片機(jī)，完成液壓缸速度檢測(cè)
2015-04-21至2015-05-31
5
編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，完善圖紙，準(zhǔn)備答辯
2015-06-01至2015-06-15
審核人： 年 月 日
便攜性液壓缸速度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)
摘要：本文主要介紹了用編碼器檢測(cè)液壓缸速度的一種裝置，本測(cè)速裝置采用編碼器接觸式的測(cè)速方法，以單片機(jī)STC89C52RC為控制核心的開發(fā)板，經(jīng)過各功能電路的處理，完成液壓缸速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示。該數(shù)碼管不僅能顯示液壓缸的瞬時(shí)速度，而且還能通過傳感器的輸出信號(hào)切換顯示平均速度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。本設(shè)計(jì)應(yīng)用C語言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，通過單片機(jī)對(duì)液壓缸的速度進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)還使用接近開關(guān)直接檢測(cè)液壓缸速度，與編碼器測(cè)速比較，從而驗(yàn)證編碼器測(cè)速的合理性和可靠性。
該測(cè)速機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)輕巧，便于安裝的特點(diǎn)。并在液壓試驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了速度的智能檢測(cè)與顯示，證明了測(cè)速裝置的穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：液壓傳動(dòng)，單片機(jī)，編碼器，速度檢測(cè)
Design of speed detection device for portable hydraulic cylinder
Abstract：In this paper, a device for detecting the speed of a hydraulic cylinder with an encoder is introduced. The speed sensor adopts encoder speed measuring method of the contact STC89C52RC MCU as the core of the development board, to accomplish the real-time detection of hydraulic cylinder speed and the real-time display, through the function of the circuit processing. The digital tube can not only show the instantaneous speed of the hydraulic cylinder, but also can display the average speed through the output signal of the sensor, and finally realize the real-time detection of hydraulic cylinder speed. The design uses C language for the micro-controller programming, through the micro-controller to detect the speed of the cylinder. At the same time, the speed of the hydraulic cylinder is directly detected by proximity switch, and the speed of the encoder is compared with that of the encoder, so as to verify the rationality and reliability of the encoder speed.
The speed measurement mechanism has the advantages of compact structure and easy installation. And it is verified in the hydraulic test rig, and accomplishes the intelligent detection and the display of the speed, which prove the stability and reliability of the speed measurement device.
Keywords: Hydraulic drive, Micro-controller, Encoder, Speed detection
目錄
1前言 1
1.1液壓系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用 1
1.2速度檢測(cè)控制在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用 1
1.3課題的意義 2
1.4研究?jī)?nèi)容 2
2.液壓系統(tǒng) 3
2.1液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 3
2.1.1齒輪泵 4
2.1.2液壓缸 6
2.1.3液壓控制閥 6
2.2機(jī)電液綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái) 9
2.3現(xiàn)代智能檢測(cè)的原理 12
2.3.1信號(hào)采集和輸出 12
2.3.2輔助采集 12
3速度檢測(cè)裝置 14
3.1 STC89C52RC單片機(jī) 14
3.2數(shù)碼管 15
3.3編碼器 15
4方案選定及其設(shè)計(jì)過程 17
4.1液壓缸回路的搭建 17
4.2便攜性速度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì) 21
4.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加工 21
4.2.2編碼器檢測(cè) 28
4.2.3直接檢測(cè) 30
4.2.4誤差分析 35
5結(jié)論 36
參考文獻(xiàn) 37
致謝 38
附錄 39
I
太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
1前言
速度智能檢測(cè)及控制技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)和國防科技等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，并隨著近些年科技的不斷創(chuàng)新，速度檢測(cè)與控制技術(shù)時(shí)時(shí)刻刻影響著人們的生活，給予人們更多的方便。工程中，機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的要求越來越高，如何智能的檢測(cè)速度和控制速度成為了不可回避的問題。
1.1液壓系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用
液壓系統(tǒng)很多時(shí)候應(yīng)用在重量型、 大體積型 、特大體積型的設(shè)備機(jī)器，多用于耐沖擊，抗撞擊，對(duì)功重要求較高的系統(tǒng)中。
液壓的傳動(dòng)控制在工業(yè)中是經(jīng)常運(yùn)用的控制方式，它使用液壓完成能量傳遞的過程。由于液壓傳動(dòng)控制的靈活和便捷的特點(diǎn)，液壓控制方式在工業(yè)中引起廣泛重視。液壓傳動(dòng)控制是以有壓強(qiáng)流體為介質(zhì)來研究，完成各種自動(dòng)化控制和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。液壓傳動(dòng)利用這種元件來組成所需要的各種控制回路，再由若干回路有機(jī)組合成為完成一定控制功能的傳動(dòng)系統(tǒng)來完成能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和控制。
液壓的傳動(dòng)控制在工業(yè)中是經(jīng)常運(yùn)用的控制方式，它使用液壓完成能量傳遞的過程[1]。由于液壓傳動(dòng)控制的靈活和便捷的特點(diǎn)，液壓控制方式在工業(yè)中引起廣泛重視[1]。液壓傳動(dòng)控制是以有壓強(qiáng)流體為介質(zhì)來研究，完成各種自動(dòng)化控制和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。液壓傳動(dòng)利用這種元件來組成所需要的各種控制回路，再由若干回路有機(jī)組合成為完成一定控制功能的傳動(dòng)系統(tǒng)來完成能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和控制[2]。
1.2速度檢測(cè)控制在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用
速度檢測(cè)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)生活中，比如電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)與控制，需要分時(shí)或連續(xù)的檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并通過半閉環(huán)，全閉環(huán)控制技術(shù)根據(jù)生產(chǎn)需求對(duì)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。速度控制在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用的表現(xiàn)形式有調(diào)速，穩(wěn)速和加減速。
在調(diào)速系統(tǒng)中，經(jīng)常在速度允許的范圍之內(nèi)分檔或無級(jí)的調(diào)整生產(chǎn)機(jī)械的速度。達(dá)到需求的生產(chǎn)轉(zhuǎn)速，在穩(wěn)速系統(tǒng)中通過一定的手段使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一個(gè)值。對(duì)于啟動(dòng)和停止頻繁的生產(chǎn)機(jī)械，在啟動(dòng)的時(shí)候需要加速，停止的時(shí)候減速，并使加速和減速的時(shí)候平穩(wěn)。
在日常生活中，速度無處不在，對(duì)速度的控制也隨處可見，速度的變化對(duì)我們的生產(chǎn)生活都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。運(yùn)行的電梯時(shí)，在開始運(yùn)行和到達(dá)目的地之前，都會(huì)有一個(gè)加速和減速的過程，在二者又要要求運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)，給人一種安全平穩(wěn)的乘坐環(huán)境。自動(dòng)化生產(chǎn)線上，機(jī)械手去放物件時(shí)，在接近起點(diǎn)和終點(diǎn)還有一段距離時(shí)，就會(huì)開始變速，慢慢靠近，這樣既可以避免過大的剛性沖擊給機(jī)器或者貨物造成破壞，又可以保證工作的精度。
1.3課題的意義
智能檢測(cè)是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的普及和發(fā)展，智能控制設(shè)備和智能儀器儀表在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的使用越來越普遍。結(jié)合傳感器和電路檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并將電信號(hào)輸出給微處理器或單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，將數(shù)據(jù)直觀的顯示出來，給人們提供很大的便利。
在生活實(shí)踐中，速度智能檢測(cè)應(yīng)用廣泛，直線運(yùn)動(dòng)的速度檢測(cè)經(jīng)常用線性度比較高的霍爾傳感器，電感傳感器，電容接近開關(guān)，超聲波傳感器激光傳感器，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度檢測(cè)中常用光電編碼器，霍爾式車速傳感器。因?yàn)樾D(zhuǎn)式傳感器，特別是在長距離運(yùn)動(dòng)中旋轉(zhuǎn)編碼器可以，所以在很多直線運(yùn)動(dòng)中也使用旋轉(zhuǎn)式編碼器。
1.4研究?jī)?nèi)容
本文研究?jī)?nèi)容有以下要點(diǎn)：
第一點(diǎn)：，并將其加工出來，安裝在液壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。
第二點(diǎn)：設(shè)計(jì)液壓基本回路，運(yùn)用接觸器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓回路的控制；
第三點(diǎn)：使用以單片機(jī) STC89C52RC為核心的開發(fā)板，用C語言對(duì)其進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的采集與處理，計(jì)算出液壓缸平均速度，把結(jié)果送數(shù)碼管顯示出來，達(dá)到智能檢測(cè)的效果。
2.液壓系統(tǒng)
2.1液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)介
液壓傳動(dòng)又稱為容積式液壓傳動(dòng),是用液體作為介質(zhì),利用液體的壓力能和動(dòng)能來傳遞能量和進(jìn)行控制的傳動(dòng)裝置。圖1.1為液壓系統(tǒng)的組成，液壓系統(tǒng)的組成主要有：
圖1.1 液壓系統(tǒng)的組成
(1)動(dòng)力元件——液壓油泵；
(2)執(zhí)行元件——液壓油缸、液壓馬達(dá)；
(3)控制元件——液壓閥，控制液壓油的壓力、流量與方向；
(4)輔助元件——管件、壓力表、儲(chǔ)能器、濾油器等等；
(5)工作介質(zhì)——傳遞壓力的工作介質(zhì)，通常為液壓油，同時(shí)還可起潤滑、冷卻和防銹的作用。
液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)相比較有以下優(yōu)點(diǎn)[8]：
(1)功率一定，體積小巧、重量輕微、結(jié)構(gòu)緊密、慣性小，可快速的啟動(dòng)與頻繁的換向，以及傳遞較大力和較大轉(zhuǎn)矩。
(2)調(diào)速范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)的調(diào)速，且可達(dá)100：1 至2000：1。而且最低轉(zhuǎn)速可穩(wěn)定達(dá)到每分鐘幾轉(zhuǎn)，同時(shí)可完成低速大力或低速速度大扭矩的傳動(dòng)，不必用減速器。
(3)傳遞運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定平衡、方便性好可靠性強(qiáng)；盡管負(fù)載變化速度仍較穩(wěn)定。
(4)控制方便、調(diào)節(jié)不費(fèi)力，容易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；在液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)加上電控或氣動(dòng)的配合使用，能完成各種自動(dòng)化工作循環(huán)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
(5)能夠完成過載保護(hù)，組成液壓系統(tǒng)的各元件自行可以完成潤滑，有利于延長使用壽命。
(6)組成液壓系統(tǒng)的元件一般都標(biāo)準(zhǔn)、通用，有利于設(shè)計(jì)制造加工和大范圍推廣；各元件之間使用管路連接，在液壓系統(tǒng)排列布置時(shí)容易實(shí)現(xiàn)較大機(jī)動(dòng)性。
(7)與機(jī)械傳動(dòng)相比容易完成直線運(yùn)動(dòng)。
液壓傳動(dòng)裝置存在的不足：
(1)因?yàn)椴捎靡后w傳遞動(dòng)力，系統(tǒng)容易出現(xiàn)泄漏液體的現(xiàn)象，造成傳動(dòng)效率降低，不適用于遠(yuǎn)程傳動(dòng)。
(2)對(duì)油的溫度變化比較敏感，容易造成運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)速度不能穩(wěn)定，同時(shí)油液的清潔度對(duì)整個(gè)裝置要求很高。
(3)為降低泄漏液體現(xiàn)象的發(fā)生，液壓元件的加工精度要求提高，加工工藝變得復(fù)雜，從而造成成本升高。
(4)系統(tǒng)出錯(cuò)有故障發(fā)生時(shí)時(shí)，不容易查找原因和排除。
(5)系統(tǒng)在工作過程中產(chǎn)生噪聲，且噪聲較大。
2.1.1齒輪泵
圖2.1 外嚙合齒輪泵的工作原理
齒輪泵是一種常用的液壓泵，按其結(jié)構(gòu)形式可分為外嚙合輪泵和內(nèi)嚙合齒輪泵。
圖 2.1 所示為普通常用的外嚙合齒輪泵的工作原理。
（1）齒輪泵存在的主要問題：
泄漏 齒輪泵中由于兩個(gè)齒輪的兩側(cè)存在間隙，當(dāng)齒輪泵工作時(shí)，高壓油從這些間隙通過流向低油壓腔。除此之外，還有兩齒輪齒頂圓嚙合的地方。其中對(duì)端面間隙對(duì)泄漏的影響是最大的，占到泄漏總量的 75%~80%。端面間隙是造成齒輪泵壓力提高的主要因素。
齒輪徑向力不平衡 齒輪泵工作時(shí)，排油腔的油壓大于進(jìn)油腔，齒輪運(yùn)動(dòng)，每個(gè)齒所受到的壓力不同，導(dǎo)致軸和軸承受力不平衡，造成軸承的損傷。減小這種現(xiàn)象所帶來的影響常用的措施為減小排油口。
圖2.2 齒輪泵的徑向壓力分布 圖2.3 齒輪泵的困油現(xiàn)
（2）提高壓力的措施
在齒輪泵工作中，盡可能提高齒輪泵的壓力是工作人員設(shè)計(jì)齒輪泵理想的目標(biāo)。提高壓力，最直接的方法是縮小間隙。普通外嚙合齒輪泵中，齒輪緞面與兩側(cè)泵體表面之間，齒輪的齒頂和泵體的兩個(gè)頂面存在著很大的間隙，從這些間隙流過的油占整個(gè)工作過程油量的三分之二。減小這些間隙，將大大提高油泵工作壓力，常用的措施為彈力側(cè)板，和浮動(dòng)軸套。依靠油壓，作用彈力壓板，浮動(dòng)軸套，減小端面和頂面兩個(gè)地方的間隙。
（3）外嚙合齒輪泵的優(yōu)缺點(diǎn)及使用
其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低，油壓取決于吸油腔，自吸性強(qiáng)。缺點(diǎn)為由于齒輪嚙合，壓力不等，造成軸承易損壞。噪音也大。所一般應(yīng)用于低壓外嚙合齒輪泵和中壓齒輪泵。
2.1.2液壓缸
執(zhí)行元件，依靠壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，用于驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，能與各類泵相配合，能實(shí)現(xiàn)多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用廣泛。圖2.4為液壓缸結(jié)構(gòu)圖。
液壓缸按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為：活塞式、柱塞式和組合式。
按工作方式分為：液壓油單作用方式和液壓油雙作用式方式。
密封裝置：主要防止液壓油的泄露，密封裝置的優(yōu)略直接影響液壓缸的工作性能。
常用的密封方法有利用各運(yùn)動(dòng)元件之間配合面之間的間隙避免漏油和利用液壓桿上活塞的環(huán)形槽之內(nèi)的密封圈與缸筒貼合防止漏油。
圖2.4 液壓缸結(jié)構(gòu)圖
2.1.3液壓控制閥
液壓控制閥是在液壓系統(tǒng)中不僅能控制液壓油的方向，還能控制液壓油的壓力和流量。從而不僅能控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度，而且還能控制順序動(dòng)作。在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮巨大作用。
（1） 普通單向閥
普通單向閥是一種使液壓油正向流通，反向截至的控制元件。單向閥工作時(shí)，液壓油正向流通，流動(dòng)沖擊小，能量損失小，反向工作時(shí)由于閥芯的緣故，不能使液壓油流通。
1—閥體 2—閥芯 3—彈簧 4—閥蓋 5—彈簧座
圖2.5 單向閥
如圖2.5a和圖2.5b，分別是管式連接的直通式單向閥和板式連接的直角式單向閥。圖2.5c為普通單向閥實(shí)物圖這里為了使看圖方便，沒有畫出管式連接的螺紋和板式連接的密封圈安放槽等（以下同）。液壓油從P1口流入，克服閥芯上彈簧力的作用，從P2流出，液壓油反向流入時(shí)，通過P2口，流入閥芯中間孔，在液壓油的作用下，堵住液壓油從P1流出。
在單向閥中，彈簧選取不宜過大，彈簧力克服閥芯與閥體之間的摩擦力即可。一般情況下，單向閥的開啟壓力為0.035～0.05MPa，通過額定流量時(shí)壓力損失不應(yīng)該超過0.1～0.3MPa。
(2)幾種常見換向閥
1 手動(dòng)換向閥
手動(dòng)換向閥是用手動(dòng)杠桿操縱閥芯換位的換向閥。按換向定位方式不同，分為彈簧復(fù)位式2.6a定位位式2.6在手動(dòng)操縱結(jié)束后，彈簧力的作用使閥芯能夠自動(dòng)回復(fù)到中間位置；后者由于定位彈簧的作用使鋼球卡在定位槽中，換向后可以實(shí)現(xiàn)位置的保持。
圖2.6 手動(dòng)換向閥
2 電磁動(dòng)換向閥
電磁換向閥工作時(shí)，線圈得電，邪鐵吸合推動(dòng)閥芯動(dòng)作，控制油路的通順與斷開。圖2.7為三位四通電磁閥，左右兩端為線圈控制，中間為彈簧復(fù)位，分別有A,P,T,B四個(gè)油口。
圖2.7 三位四通換向閥
(3)直動(dòng)式溢流閥
圖2.8 普通直動(dòng)式溢流閥
直動(dòng)式溢流閥分錐體式溢流閥圖2.8a和閥體式溢流閥2.8b。錐體溢流閥工作時(shí)，由進(jìn)優(yōu)口P流入，壓力大時(shí)，克服手輪上彈簧力的作用，液壓油從T口流出。閥體式直動(dòng)溢流閥工作時(shí)，液壓油從進(jìn)油口P流入，從閥體下通道里流入，當(dāng)壓力不大時(shí)，閥芯不能移動(dòng)。壓力增大，可以克服彈簧力和從P口流入的液壓油油壓時(shí)，閥體向上移動(dòng)，液壓油從T口流出，油壓越大，閥體打開的口越大，T口流量越大。
(4) 單向調(diào)速閥
圖2.9 單向調(diào)速閥
單向調(diào)速閥為調(diào)節(jié)速度的裝置，自帶壓力補(bǔ)償裝置，不受壓力大小的影響。該裝置最大的特點(diǎn)為單向能夠精確調(diào)速，反向流通。
2.2機(jī)電液綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)
實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由T型槽鋁合金臺(tái)，液壓元件，控制模塊，電機(jī)。PLC可編程控制器及手動(dòng)編程器等組成。
如圖2.10所示為機(jī)電液試驗(yàn)臺(tái)，可在上面搭建電路，液壓回路等系統(tǒng)回路。
1—交流電源模塊 2—液壓泵驅(qū)動(dòng)模塊 3—直流電源模塊
4—接觸器模塊5——按鈕控制模塊 6—可編程控制器模塊
7—時(shí)間/熱繼電器模塊8—傳感器模塊9—PLC工程案例實(shí)訓(xùn)模塊
圖2.10 機(jī)電液氣綜合試驗(yàn)臺(tái)
(1)交流電源模塊DB-1：電源模塊可為系統(tǒng)提供380V三相交流和220V交流電。
(2)液壓泵驅(qū)動(dòng)模塊DB-5：該模塊為液壓泵控制模塊，有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式控制液壓泵的啟停。
(3)直流電源模塊DB-2：可將220V交流電轉(zhuǎn)化為直流電，為其他模塊和元器件提供所需要的DC 5V,DC 12V,DC 24V電壓。
(4)接觸器模塊DB-6：用于控制電路的的通斷，需用24V的直流電,有5個(gè)常開觸點(diǎn)四個(gè)常閉觸點(diǎn)。
(5)按鈕控制模塊DB-9：內(nèi)設(shè)8個(gè)按鈕，2個(gè)旋鈕開關(guān)，1個(gè)急停開關(guān)。
(6)時(shí)間/熱繼電器模塊DB-7：主要完成液壓繼電器控制應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、氣動(dòng)回路繼電器控制實(shí)驗(yàn)、機(jī)電類電氣控制實(shí)驗(yàn)等主要輔助實(shí)驗(yàn)?zāi)K。
(7)傳感器應(yīng)用模塊DB-14；安裝有電容式，電感式，光電式，霍爾傳感器各一個(gè)，控制電壓為DC 24V。
(8)PLC工程案例實(shí)訓(xùn)模塊；主要用于交通燈實(shí)驗(yàn)和廣告燈實(shí)驗(yàn)。
交流轉(zhuǎn)直流的方法
1 保險(xiǎn)管：
2 指示燈
3 AC 220V電壓輸入
4 電源開關(guān)
5 DC 12V電壓表
6 DC 5V電壓輸出
7 DC 12V電壓輸出
8 DC 24V電壓輸出
9 DC 5V電壓表
10 DC 24V電壓表
圖2.11 直流電源模塊
按圖2.12連好線路就可以分別輸出DC +5V, DC +12V, DC +24V的電壓。
（1）液壓缸硬件接線方法
圖2.12 液壓泵驅(qū)動(dòng)模塊接線圖
按圖2.12 連將黑色旋鈕旋轉(zhuǎn)好線路供上電，將紅色旋鈕旋轉(zhuǎn)到手動(dòng)端，將黑色旋鈕旋轉(zhuǎn)到啟動(dòng)端即可啟動(dòng)液壓泵。至停止端即可停止液壓泵。當(dāng)然也可以將紅色旋鈕旋轉(zhuǎn)至PC端實(shí)現(xiàn)PC控制。
（2）PLC硬件接線方法
圖2.13 PLC硬件接線實(shí)物圖
按圖2.13連好電路，即可用電腦通過相關(guān)軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程，并通過串口將PLC程序下載到可編程控制器模塊。
2.3現(xiàn)代智能檢測(cè)的原理
智能檢測(cè)系統(tǒng)遍布廣泛，盡管種類繁多，但大同小異，將被測(cè)對(duì)象的物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過信號(hào)調(diào)理電路，數(shù)據(jù)采集，信號(hào)處理，由輸出設(shè)備輸出并顯示，再加上必要的穩(wěn)壓電源設(shè)備，輸入設(shè)備構(gòu)成一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)。
圖2.14 現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)一般組成框圖
2.3.1信號(hào)采集和輸出
信號(hào)采集是將調(diào)理好的信號(hào)經(jīng)過離散化轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，并輸出給微處理器或單片機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存。。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是：
（1）輸入模擬電壓信號(hào)范圍，單位 V；
（2）轉(zhuǎn)換速度（率），單位 次／s；
信號(hào)輸出為將被測(cè)的物理量或化學(xué)量直觀的在顯示設(shè)備上顯示出來，便于人們直觀的觀察被測(cè)物體的瞬時(shí)量或累積量。
2.3.2輔助采集
接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測(cè)有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào) 接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對(duì)接近的物體有很高的感辨能力，是一種非接觸測(cè)量。
接近開關(guān)具有體積小，便于安裝的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，與被測(cè)量無接觸，壽命長，響應(yīng)快。其缺點(diǎn)為觸點(diǎn)識(shí)別量小。
在生活實(shí)踐中，速度智能檢測(cè)應(yīng)用廣泛，直線運(yùn)動(dòng)的速度檢測(cè)經(jīng)常用線性度比較高的霍爾傳感器，電感式接近開關(guān)，電容式接近開關(guān)，超聲波傳感器激光傳感器，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度檢測(cè)中常用光電編碼器，霍爾式車速傳感器。因?yàn)樾D(zhuǎn)式傳感器，特別是在長距離運(yùn)動(dòng)中旋轉(zhuǎn)編碼器可以。所以在很多直線運(yùn)動(dòng)中也使用旋轉(zhuǎn)式編碼器，比如在電纜的生產(chǎn)中，需要知道電線的走線速度，使用編碼器閉環(huán)控制通過檢測(cè)走線速度并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
表2.1 接近開關(guān)按其工作原理分類
種類
特點(diǎn)
例子
自感式、差動(dòng)變壓器式
只對(duì)導(dǎo)磁物體起作用
電渦流式（俗稱電感接近開關(guān)）
只對(duì)導(dǎo)電良好的金屬起作
電容式
對(duì)接地的金屬起作用
磁性干簧開關(guān)
只對(duì)磁性較強(qiáng)的物體起作用
霍爾式
對(duì)磁性物體起作用
基于旋轉(zhuǎn)式傳感器分辨率高，實(shí)時(shí)檢測(cè)速度的優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)中使用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器檢測(cè)液壓缸直線運(yùn)動(dòng)的速度。需要設(shè)計(jì)一種機(jī)械結(jié)構(gòu)可以將液壓缸直線運(yùn)動(dòng)的速度轉(zhuǎn)化為編碼器可測(cè)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度。并將其在機(jī)電實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，以單片機(jī)開發(fā)板為載體，將速度顯示在數(shù)碼管上。接下來介紹單片機(jī)，數(shù)碼管與編碼器的工作原理。
3速度檢測(cè)裝置
3.1 STC89C52RC單片機(jī)
STC89C52RC單片機(jī)的引腳如圖3.1所示，因?yàn)槭艿郊呻娐沸酒_數(shù)目的限制，所以許多引腳配置雙功能，功能簡(jiǎn)要說明如下
圖3.1 STC89C52RC單片機(jī)
VCC： STC89C52RC電源正端輸入，接+5V。
VSS：電源地端。
其引腳分配如下：
P3.0：RXD，串行通信輸入。
P3.1：TXD，串行通信輸出。
P3.2：INT0，外部中斷0輸入。
P3.3：INT1，外部中斷1輸入。
P3.4：T0，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器0輸入。
P3.5：T1，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器1輸入。
P3.6：WR：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫入信號(hào)。
P3.7：RD，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀取信號(hào)。
3.2數(shù)碼管
數(shù)碼管是常見的顯示元件，可以顯示阿拉伯?dāng)?shù)字，由多個(gè)發(fā)光二極管封裝組成，內(nèi)部引線焊接，外部接公共電極，其形狀為“8”字，通常多一個(gè)二極管為小數(shù)點(diǎn)。
數(shù)碼管種類很多，按二極管個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)可分為7個(gè)二極管管封裝的數(shù)碼管和8個(gè)二極管封裝的數(shù)碼管，多余的一個(gè)二極管封裝作為一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。按公共電極可分為共陰數(shù)碼管和共陽數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管顧名思義公共電極為陽極接+5V，該型數(shù)碼工作時(shí)，給一個(gè)封裝二極管陰極低電平，該二極管點(diǎn)亮。給高電平時(shí)，二極管不亮。共陰二極管公共極接地。工作原理正好與共陽數(shù)碼管相反。圖3.2為共陽數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管原理圖。
（a）引腳圖 （b）共陽 （c）共陰
圖3.2 數(shù)碼管
3.3編碼器
編碼器是一種常用的速度檢測(cè)傳感器。由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度），將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。圖3.3為編碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編
碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。
圖3.3 編碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
通常情況下編碼器的輸出波形如圖 2 所示。當(dāng)編碼器動(dòng)作時(shí)將產(chǎn)生 A、B 兩相脈沖信號(hào), 且 A 、B 兩相信號(hào) 的波形 完全相同, 僅是存在 90 相位差。編碼器 的運(yùn)動(dòng) 方向分為正負(fù)兩個(gè)方向: 正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的脈沖輸出波形對(duì)應(yīng)圖 1 從左向右的波形; 負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的脈沖輸出波形從右向左的波形。
圖3.4 編碼器輸出信號(hào)圖
4方案選定及其設(shè)計(jì)過程
概述
設(shè)計(jì)的整體思路如下：
第一步，基于機(jī)電液氣綜合試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的接觸器控制回路，進(jìn)一步了解相應(yīng)原件和模塊的使用方法；
第二步，搭接所用的變速回路，在實(shí)現(xiàn)接觸器控制的基礎(chǔ)上，通過按鈕進(jìn)行控制，并加入編碼器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；
第三步，在單片機(jī)開發(fā)板上編寫和調(diào)試測(cè)速程序，對(duì)編碼器進(jìn)行調(diào)試并在數(shù)碼管上顯示脈沖數(shù)；
第四步，將便攜性測(cè)速機(jī)構(gòu)安裝在液壓缸上，實(shí)時(shí)檢測(cè)速度，并在單片機(jī)上顯示平均速度。
第五步，用霍爾傳感器直接檢測(cè)液壓缸速度，并與編碼器測(cè)速比較，分析誤差原因，改進(jìn)方案，減小測(cè)速誤差。
現(xiàn)將液壓換接回路及其控制系統(tǒng)所要用到的元件使用方法簡(jiǎn)要介紹如下：4.2液壓速度換接回路的設(shè)計(jì)過程。
4.1液壓缸回路的搭建
（1）基本換向閥換向回路
將電線交流模塊中AC220V OUT與直流電源模塊AC220V IN相連（L-L,N-N）。將交流電流轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)可用的直流電流，實(shí)驗(yàn)中常用的直流電通常為5V,12V,24V。接著將直流模塊中DC24V OUT 與液壓泵控制模塊中DC24V IN相連，（L-L,N-N）,接著在液壓泵模塊中用電線將DC24V IN與PC控制口相連，此時(shí)液壓泵的驅(qū)動(dòng)電路連接完成。接著將直流電源模塊中的DC24V OUT與按鈕控制模塊和交流接觸器模塊相連。圖4.1為基本回路連接圖。
圖4.2中，KM1控制液壓桿伸出，KM2控制液壓桿縮回。按下SB2按鈕，KM1線圈得電，伸出接觸器KM1中的觸點(diǎn)常開KM1閉合，電磁換向閥左端的YA1得
圖4.1 換向回路接觸器控制實(shí)物圖
電工作，液壓缸進(jìn)油口進(jìn)油，出油口出油，液壓桿伸出，由于縮回接觸器控制電路中連接一個(gè)常閉觸點(diǎn)KM1,所以在同一時(shí)間內(nèi)，只有一個(gè)接觸器在工作。同樣的控制原理，按下按鈕SB3，接觸器KM2線圈得電，縮回接觸器中動(dòng)斷觸電KM2閉合，YA2工作，液壓缸出油口進(jìn)油，進(jìn)油口出油，液壓桿縮回。按下按鈕SB1,接觸器失電，液壓缸處于卸荷狀態(tài)。
圖4.2 換向回路接觸器控制接 圖 4.3 換向回路原理圖
讓液壓缸開始工作時(shí)，先開啟交流電源中的按鍵，接著開直流電源模塊中的按鍵，將泵站起停旋鈕扳到啟動(dòng)（初始狀態(tài)時(shí)，液壓泵控制旋鈕在手動(dòng)位置，泵站起停旋鈕在停止位置。）操作結(jié)束時(shí)，先將溢流閥關(guān)閉（壓力表顯示為0），接著將液壓泵控制模塊關(guān)閉，然后關(guān)掉直流電源模塊，最后將交流電源模塊按鍵關(guān)閉。
（2）變速回路
將電線交流模塊中AC220V OUT與直流電源模塊AC220V IN相連（L-L,N-N）。將交流電流轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)可用的直流電流，實(shí)驗(yàn)中常用的直流電通常為5V,12V,24V。接著將直流模塊中DC24V OUT 與液壓泵控制模塊中DC24V IN相連，（L-L,N-N）,接著在液壓泵模塊中用電線將DC24V IN與PC控制口相連，此時(shí)液壓泵的驅(qū)動(dòng)電路連接完成。接著將直流電源模塊中的DC24V OUT與按鈕控制模塊和交流接觸器模塊相連。
圖4.4 變速回路接觸器控制實(shí)物圖
電磁閥1左端YA1工作，液壓桿迅速伸出，同時(shí)按下SB2,SB3，電磁閥左端口得電，電磁閥2右端YA2得電,油路不通，單向調(diào)速閥工作，旋轉(zhuǎn)旋鈕到不同的位置，閥口大小不同，從而達(dá)到控制液壓桿伸出速度的目的。按SB4,電磁閥1右端YA3得電，液壓缸桿快速縮回。KM1控制液壓桿迅速伸出，KM2控制電磁閥2得電工作，KM1,KM2同時(shí)工作，控制液壓桿慢速伸出，KM3控制液壓桿快速縮回。
圖4.5 接觸器控制的變速回路原理圖 圖4.6 變速回路接觸器控制接線圖
按下按鈕SB2，接觸器KM1線圈得電，伸出接觸器中KM1動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，YA1得電工作，液壓桿迅速伸出。同時(shí)按下SB3,慢速伸出接觸器中KM2線圈得電，動(dòng)斷觸點(diǎn)KM2在慢速伸出接觸器回路中閉合，電磁閥2得電，油路堵死，調(diào)速回路工作。液壓桿慢速伸出。按下按鈕SB4,KM3線圈得電，縮回接觸器回路中動(dòng)斷觸點(diǎn)KM3閉合，快速伸出接觸器回路中動(dòng)斷觸點(diǎn)KM3斷開，液壓桿快速縮回，由于控制回路中KM1,KM3互鎖，在同一時(shí)間只有一個(gè)在工作。（按下SB4，SB3按與不按，由于單向調(diào)速閥的特性，對(duì)液壓桿縮回速度影響不太。）圖4.7為各按鈕的功能圖。
圖4.7 SB1,SB2,SB3,SB4按鈕功能圖
4.2便攜性速度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)
4.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加工
增量式光電編碼器是一種體積小巧、 精度高、 響應(yīng)速度快捷、 性能穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速與位置傳感器在測(cè)速控質(zhì)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。光電編碼器在位移測(cè)量中的應(yīng)用原理光電編碼器是一種高精度的角位移傳感器。因其具有直接輸出數(shù)字量、響應(yīng)快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高、輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)。用光電編碼器測(cè)量直線位移時(shí)，需用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將直線位移轉(zhuǎn)換為光電編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。常見的方式有齒輪齒條式，拉繩式。
拉繩編碼器由光電編碼器，帶螺紋的輪轂，不銹鋼繩，發(fā)條彈簧和箱體組成，精密編碼器的軸與不銹鋼繩纏繞的輪轂固定，編碼器的外殼與箱體固定。由于拉繩編碼器行程量大，精度高的優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于測(cè)量直線位移運(yùn)動(dòng)的速度。測(cè)速時(shí)編碼器固定在被測(cè)物體不懂得一側(cè)，拉繩一端的掛鉤固定在移動(dòng)的一端，被測(cè)一端開始運(yùn)動(dòng)，拉繩伸出帶動(dòng)輪轂與編碼器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器輸出脈沖信號(hào)，脈沖數(shù)與拉繩的移動(dòng)距離成比例。拉繩縮回時(shí)，發(fā)條彈簧帶動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)，使拉繩保持拉緊狀態(tài)。圖4.8為常見的拉繩式編碼器。
圖4.8 拉繩編碼器
利用液壓試驗(yàn)臺(tái)平坦，體積小的優(yōu)勢(shì)我們采用了一款計(jì)米輪摩擦式測(cè)速裝置，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)輕巧，便于安裝，測(cè)速精度高，適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。由于拉伸編碼器加工精度高，成本高，且運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生斷繩的現(xiàn)象，計(jì)米輪接觸式編碼器成本低易于加工，且精度較高，所以我們采用計(jì)米輪接觸式編碼器進(jìn)行速度檢測(cè)。
圖4.9 測(cè)速裝置實(shí)物裝配順序圖
（1）計(jì)米輪接觸式編碼器測(cè)速原理
液壓缸桿運(yùn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)連接塊，使在一起的計(jì)米輪轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)米輪帶動(dòng)編碼器上的光柵旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)，給單片機(jī)輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)能反映當(dāng)前計(jì)米輪的轉(zhuǎn)速。將轉(zhuǎn)速顯示在數(shù)碼管上。
（2）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
將機(jī)構(gòu)通過Pro/E進(jìn)行建模，裝配并進(jìn)行模擬仿真，并采用CAM技術(shù)加工制作。圖4.10為便攜性測(cè)速裝置三維模型。
圖4.10 便攜性測(cè)速裝置三維模型
（3） 檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)組成
液壓缸桿與連接塊連接，用螺母固定，加固片與連接塊用螺釘連接，母固定，螺釘穿過編碼器座，加固片和連接塊，用螺母和墊片固定，并使編碼器座可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍由加固片的滑槽大小決定。編碼器與編碼器座用螺釘固定，計(jì)米輪與編碼器軸連接，用銷釘固定，橡皮筋用于連接加固片和編碼器座，使計(jì)米輪上的O型圈與試驗(yàn)臺(tái)上的T型鋁板始終接觸，從而保證計(jì)米輪與編碼器準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)，避免出現(xiàn)液壓缸運(yùn)動(dòng)過程中丟失脈沖的現(xiàn)象。圖4.11，4.12為便攜性測(cè)速裝置結(jié)構(gòu)圖和編碼器與液壓桿連接圖。
1計(jì)米輪 2.O型圈 3.橡皮筋 4.編碼器座 5.加固片 6.連接塊 7.編碼器
圖4.11便攜性測(cè)速裝置結(jié)構(gòu)圖
1.計(jì)米輪 2.O型圈 3.橡皮筋 4.編碼器座 5.加固片 6.連接塊 7.編碼器
圖4.12 編碼器與液壓桿連接
（4）檢測(cè)裝置零件的組成與設(shè)計(jì)
檢測(cè)裝置由計(jì)米輪，編碼器座，加固片，連接塊四個(gè)零件，還有橡皮筋，O型圈，碼盤等元件組成。計(jì)米輪采用D50的PVC棒料，在數(shù)控車床上通過編程進(jìn)行加工。連接塊采用PVC板材，在數(shù)控銑床上采用CAM技術(shù)，用Pro/E建模，在CAXA上建立毛胚，設(shè)置刀具，加工軌跡進(jìn)行模擬加工，導(dǎo)出G代碼，在銑床上加工，縮短加工時(shí)間，大大提高加工效率。編碼器座和加固片采用黑色亞克力板，在激光切割機(jī)上加工。圖4.13為編碼器與加工所得的零件，下面以連接塊的建模和加工過程為例給予介紹。
圖4.13 編碼器與與加工的零件
打開Pro/E,新建一個(gè)零件圖，在工具欄中點(diǎn)擊文件，在下拉菜單欄中點(diǎn)擊新建，出現(xiàn)一個(gè)框圖，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊零件，在名稱欄中輸入零件名稱，取消掉缺省方格中的對(duì)勾后，出現(xiàn)另外一個(gè)框圖選取毫米制并點(diǎn)選。新建完成以后，點(diǎn)擊保存，選擇保存路徑并確定。
為了方便快速建模，對(duì)拉伸命令設(shè)置快捷鍵，在工具欄中點(diǎn)選工具，在點(diǎn)選映射鍵，點(diǎn)擊新建，輸入名稱L（名稱隨便），點(diǎn)擊錄制，然后進(jìn)行拉伸操作，操作完成后，點(diǎn)擊停止，確定，然后運(yùn)行，最后保存，保存路徑默認(rèn)即可，無需改變。在以后拉伸命令中輸入L即可。
輸入L，點(diǎn)選Front平面，草繪一個(gè)30X40的長方形，關(guān)于中心線左右對(duì)稱。在中心點(diǎn)繪制直徑16的圓，尺寸由液壓桿和試驗(yàn)臺(tái)決定。并在同一個(gè)草繪中畫四個(gè)直徑6的圓關(guān)于中心線對(duì)稱，兩兩圓心相距18mm，20mm。并在草繪中點(diǎn)選對(duì)勾，結(jié)束草繪。選取實(shí)體拉伸，拉伸深度10mm,對(duì)稱拉伸。點(diǎn)擊綠色對(duì)勾，結(jié)束拉伸命令。輸入L,在Right平面上草繪，繪制兩個(gè)直徑4mm的圓，兩圓距離30mm。點(diǎn)選對(duì)勾結(jié)束草繪，拉伸深度31mm,對(duì)稱拉伸。點(diǎn)選綠色對(duì)勾完成拉伸命令，連接塊繪制完成，保存。
圖4.14 連接塊Pro/E模型
將連接塊在Pro/E中備份為dwg格式的二維平面圖，用Caxa打開，在Caxa中模擬加工。首先對(duì)平面圖建立坐標(biāo)系，設(shè)置坐標(biāo)原點(diǎn)，接著制作60x60x10的毛胚，點(diǎn)選菜單欄中的加工，點(diǎn)選下拉菜單中的常用加工中的平面區(qū)域粗加工，將中間直徑16mm的圓銑削，因?yàn)椴捎肞VC板加工，主軸轉(zhuǎn)速1000r/min,切削速度100，走到方式選取環(huán)切走刀，選用直徑10mm的立銑刀，行距3mm,每次走刀深度2mm,拾取輪廓線，右鍵完成。
點(diǎn)取孔加工命令，選取鉆孔，安全高度30mm,鉆孔深度14mm,主軸轉(zhuǎn)速1000r/min,鉆孔速度80，拾取四個(gè)圓，鉆頭直徑6mm,右鍵完成。
接著進(jìn)行平面輪廓精加工，基本參數(shù)與粗加工相同。接著實(shí)體仿真，選取已經(jīng)完成的加工軌跡，右鍵模擬加工。圖4.13為實(shí)體加工仿真圖。最后將程序?qū)С?，修改一下格式?
圖4.15 為實(shí)體加工仿真圖
開總開關(guān)，將數(shù)控銑床總旋鈕打開，接著開啟控制面板的綠色按鈕，打開急停開關(guān)，將機(jī)床回參考點(diǎn)，然后將毛胚夾在虎鉗上，要求加工表面平整，然后設(shè)置G54坐標(biāo)原點(diǎn)，完成以后把銑刀移到安全位置，在程序編寫狀態(tài)下，將CAXA導(dǎo)出的G代碼程序輸入數(shù)控銑床，將旋鈕轉(zhuǎn)到Memory位置，按下自動(dòng)加工按鈕，銑床開始加工。
粗加工程序G代碼
%
O1200
G40 G49 G69 G80
N12 G90 G54 G0 X2.9 Y0. S1000 M03
N14 G43 H0 Z30.
N16 Z6.
N18 G1 Z-4. F60
N20 G17 G2 I-2.9 J0. F100
N22 G1 Z6.
N24 G0 Z30.
N26 Z2.
N28 G1 Z-8. F60
N30 G2 I-2.9 J0. F100
N32 G1 Z2.
N34 G0 Z30.
N36 Z0.
N38 G1 Z-10. F60
N40 G2 I-2.9 J0. F100
N42 G1 Z0.
N44 G0 Z30.
N46 M05
N48 M30
%
4.2.2編碼器檢測(cè)
在便攜性速度檢測(cè)裝置中，采用AB兩相增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)一圈可以輸出100個(gè)脈沖。可以根據(jù)在一定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù)計(jì)算液壓缸柱塞的運(yùn)動(dòng)速度。在方案中將其與一加工精度高直徑49.79mm的計(jì)米輪同軸安裝，計(jì)米輪在橡皮筋的拉緊作用下與液壓試驗(yàn)臺(tái)工作面接觸。在液壓缸柱塞運(yùn)動(dòng)過程中，依靠摩擦力
圖4.16編碼器測(cè)速系統(tǒng)
帶動(dòng)計(jì)米輪旋轉(zhuǎn)，把液壓缸柱塞的直線位移轉(zhuǎn)化為光電式編碼器的脈沖數(shù)字信號(hào)輸
出并通過單片機(jī)處理計(jì)算平均速度在數(shù)碼管顯示。如圖4.16所示
編碼器旋轉(zhuǎn)一周，脈沖個(gè)數(shù)為N個(gè)，則旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率是：
P=2π/N
計(jì)米輪半徑為Dmm,則位移分辨率（單位mm/s）是：
Ps=π D/N
若脈沖個(gè)數(shù)為m個(gè)，則由編碼器測(cè)量的位移量s(單位：mm)
s=Ps*m
液壓缸柱塞運(yùn)動(dòng)速度
v=s/t
即：v=π* D*m/(N*t)
注：t為接收m個(gè)脈沖所用的時(shí)間（單位：s）。
本文使用的是89C52RC的單片機(jī)開發(fā)板，按編碼器提示，編碼器上的白色線與單片機(jī)上的Vcc引腳連接，黑色線與單片機(jī)的GND引腳相連，A相信號(hào)線與單片機(jī)的P1.0引腳連接，B相信號(hào)線與P1.1引腳連接。兩個(gè)霍爾傳感器的信號(hào)線分別與P1.2,P1.3引腳連接。各自其余的兩根電源線分別與單片機(jī)的兩個(gè)Vcc引腳和GND引腳連接。圖4.17為編碼器和霍爾開關(guān)的連接圖。
圖4.17編碼器和霍爾開關(guān)連接電路圖
采用C語言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，首先對(duì)各個(gè)寄存器初始化定義，接著編寫數(shù)碼管顯示的程序，編碼器采集數(shù)據(jù)的程序，計(jì)算速度的程序，并掃描按鍵。圖4.18為主程序流程圖。
首先用define作預(yù)處理宏定義，將編碼器的直徑，脈沖數(shù)做宏定義，方便在后面的程序中修改。對(duì)數(shù)碼管，編碼器A,B兩相信號(hào)線端口，以及按鍵初始化，由于采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，編寫數(shù)碼管中要顯示的數(shù)碼部分。Couter,couter1分別為當(dāng)前脈沖值和前一次脈沖值，初始化定義完成以后，進(jìn)行函數(shù)的編寫，首先編寫延時(shí)程序，延時(shí)函數(shù)在程序中是非常重要的程序，服務(wù)于編碼器脈沖的采集與數(shù)碼管的現(xiàn)實(shí)。數(shù)碼管顯示函數(shù)包括正負(fù)的判斷，四個(gè)數(shù)碼管正負(fù)號(hào)，百位，十位，個(gè)位數(shù)字的分配和數(shù)字的顯示三部分。編碼器采集數(shù)據(jù)函數(shù)有正轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)和反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)兩部分，信號(hào)B從0到1表示為編碼器正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)加；B信號(hào)從1到0表示為編碼器反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)減。還有兩個(gè)中斷函數(shù)，定時(shí)器0中斷為數(shù)碼管服務(wù)，定時(shí)器1中斷
圖4.18 主程序流程圖
為編碼器采集脈沖數(shù)服務(wù)，每隔1s采集一次脈沖值，編碼器脈沖數(shù)采集一直在累加，當(dāng)前脈沖數(shù)與前1s脈沖數(shù)相減所得數(shù)值與位移分辨率Ps相乘，即為瞬時(shí)速度，顯示在前兩個(gè)數(shù)碼管上。
霍爾傳感器SQ1安放在液壓桿初始位置，當(dāng)液壓桿做完一個(gè)完整動(dòng)作后，伸出時(shí)霍爾傳感器SQ1感應(yīng)到液壓桿上的磁鐵，就會(huì)將信號(hào)傳傳給單片機(jī)，將之前數(shù)碼管上顯示數(shù)據(jù)累加起來，計(jì)算出平均速度，顯示在后兩個(gè)數(shù)碼管上。
4.2.3直接檢測(cè)
在測(cè)速裝置中加上兩個(gè)霍爾傳感器SQ1,SQ2。如圖4.19所示，液當(dāng)液壓缸碰到傳感器SQ1，傳感器SQ1發(fā)出信號(hào)，單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)液壓缸碰到傳感器SQ2，傳感器SQ2發(fā)出信號(hào)，此時(shí)單片機(jī)計(jì)時(shí)停止。SQ1與SQ2之間的安裝距離是170mm，單片機(jī)即可通過編寫的程序計(jì)算出液壓缸的平均速度。然后將所得到的速度值輸給數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)速度的顯示。顯示速度單位（mm/s）。圖4.20為速度換接回路霍爾傳感器檢測(cè)液壓缸速度裝置實(shí)物。
圖4.19 速度換接回路液壓缸速度檢測(cè)原理圖
本文使用的是89C52RC的單片機(jī)開發(fā)板，按編碼器提示，編碼器上的白色線與單片機(jī)上的Vcc引腳連接，黑色線與單片機(jī)的GND引腳相連，A相信號(hào)線與單片機(jī)的P1.0引腳連接，B相信號(hào)線與P1.1引腳連接。兩個(gè)霍爾傳感器的信號(hào)線分別與P1.2,P1.3引腳連接。各自其余的兩根電源線分別與單片機(jī)的兩個(gè)Vcc引腳和GND引腳連接。
霍爾傳感器檢測(cè)速度與編碼器測(cè)速相比比較簡(jiǎn)單。與編寫編碼器測(cè)速程序一樣，先對(duì)數(shù)碼管的位選控制信號(hào)，段選控制信號(hào)，兩個(gè)霍爾傳感器信號(hào)IO口定義。定義動(dòng)態(tài)數(shù)碼管要顯示的部分。然后編寫數(shù)碼管顯示函數(shù)，兩個(gè)傳感器檢測(cè)信號(hào)的程序，兩個(gè)定時(shí)器中斷的程序。液壓桿伸出時(shí)接近開關(guān)SQ1先有信號(hào)，打開定時(shí)器1，開始計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)接近開關(guān)SQ2處時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器1，計(jì)算速度，計(jì)算完畢計(jì)時(shí)清零并顯示速度。因?yàn)槎〞r(shí)器每0.05s計(jì)時(shí)一次，SQ1,SQ2兩個(gè)接近開關(guān)距離170mm,所以速度v=170×20/N,N為液壓桿運(yùn)動(dòng)170mm定時(shí)器計(jì)數(shù)的次數(shù)。液壓桿縮回時(shí)，接近開關(guān)SQ2有信號(hào)，計(jì)時(shí)開始，直到接近開關(guān)SQ1有信號(hào)計(jì)時(shí)結(jié)束，開始計(jì)算速度，計(jì)算完畢，計(jì)時(shí)清零，前兩個(gè)數(shù)碼管顯示本次縮回速度，后兩個(gè)數(shù)碼管顯示累加平均速度。圖4.21為液壓桿縮回時(shí)數(shù)碼管顯示本次速度與累加平均速度值。
圖4.20 速度換接回路霍爾傳感器檢測(cè)液壓缸速度裝置實(shí)物
圖4.21 數(shù)碼管上顯示的速度值
編碼器測(cè)速系統(tǒng)中瞬時(shí)速度為液壓桿運(yùn)動(dòng)每隔1s的速度值。平均速度為（液壓桿伸出和縮回為一個(gè)完整動(dòng)作），累加前幾次的平均速度值。
霍爾傳感器測(cè)速系統(tǒng)中瞬時(shí)速度為液壓桿伸出或縮回本次平均速度，平均速度為液壓桿每做完一個(gè)完整的動(dòng)作后，累加前幾次的平均速度。
表4.1，4.2分別為為編碼器測(cè)速系統(tǒng)和霍爾傳感器測(cè)速系統(tǒng)的平均速度。
表4.1 編碼器測(cè)速
累計(jì)次數(shù)
平均速度（mm/s）
累計(jì)次數(shù)
平均速度（mm/s）
累計(jì)次數(shù)
平均速度（mm/s）
1
52
17
48
33
48
2
52
18
48
34
48
3
52
19
49
35
48
4
51
20
49
36
48
5
51
21
49
37
48
6
50
22
48
38
48
7
50
23
48
39
48
8
49
24
48
40
48
9
49
25
48
41
48
10
49
26
48
42
48
11
48
27
48
43
48
12
47
28
47
44
48
13
47
29
47
45
48
14
46
30
48
46
48
15
47
31
48
47
48
16
47
32
48
48
48
注：本次測(cè)速中液壓缸行程200mm,液壓缸完成一個(gè)動(dòng)作400mm。壓力表指數(shù)1.5MPa.
表4.2 霍爾傳感器測(cè)速
累計(jì)次數(shù)
平均速度（mm/s）
累計(jì)次數(shù)
平均速度（mm/s）
累計(jì)次數(shù)
平均速度（mm/s）
1
55
17
54
33
54
2
54
18
54
34
54
3
54
19
54
35
54
4
54
20
53
36
54
5
54
21
53
37
54
6
54
22
52
38
54
7
54
23
52
39
54
8
53
24
53
40
54
9
53
25
53
41
54
10
54
26
54
42
54
11
54
27
54
43
54
12
54
28
54
44
54
13
54
29
54
45
54
14
54
30
54
46
54
15
54
31
54
47
54
16
54
32
54
48
54
注：本次測(cè)速中兩接近開關(guān)距離170mm,壓力表指數(shù)1.5MPa
由表4.1可得液壓桿第一個(gè)動(dòng)作平均速度為52mm/s，最終平均速度為48mm/s。同樣的情況，在表4.2中，由霍爾傳感器檢測(cè)速度顯示所得，第一次平均速度為55mm/s,隨著累計(jì)次數(shù)的增加，最終速度為54mm/s.兩個(gè)測(cè)速系統(tǒng)所得結(jié)果誤差為11%，在誤差允許之內(nèi)。并且由秒表累計(jì)液壓缸動(dòng)作48次的時(shí)間342.85s,可得液壓缸平均速度為56s,由此可得，與秒表測(cè)速相比，編碼器測(cè)速誤差為14.2%,也在誤差允許范圍之內(nèi)。所以，我們有理由相信，編碼器檢測(cè)液壓缸速度的方法和程序都是正確的，將來我們就可以使用單片機(jī)來對(duì)速度進(jìn)行智能檢測(cè)。
由此表明隨著液壓桿完成伸出和縮回動(dòng)作累加次數(shù)的增加，其最終速度會(huì)穩(wěn)定在某一個(gè)值。通過與霍爾傳感測(cè)速系統(tǒng)，和秒表測(cè)速的比較，驗(yàn)證了編碼器測(cè)速的合理性和可靠性。
4.2.4誤差分析
通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)上模塊及線路搭接的完成，采用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)液壓桿運(yùn)動(dòng)時(shí)編碼器脈沖的檢測(cè)與采集，從而通過C語言編程得到速度，并將速度顯示在單片機(jī)開發(fā)板的數(shù)碼管上。采用編碼器可以實(shí)現(xiàn)速度的隨時(shí)檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)速度的實(shí)時(shí)顯示。由于考慮到誤差的影響，所以程序中設(shè)定每5ms測(cè)定一次。
根據(jù)定時(shí)器對(duì)液壓桿感應(yīng)兩個(gè)霍爾傳感器的時(shí)間，由v=L/t,直接計(jì)算出液壓桿的速度，與編碼器測(cè)速存在一定的誤差，主要由計(jì)米輪運(yùn)動(dòng)時(shí)的偏心，打滑以及編碼器自身因素和液壓試驗(yàn)臺(tái)各元件的不穩(wěn)定的因素造成。
（1）計(jì)米輪的誤差
偏心 將裝配好的測(cè)速機(jī)構(gòu)安裝在液壓桿上，由于液壓桿在伸出的過程中，有時(shí)會(huì)繞桿的中心線旋轉(zhuǎn)，使計(jì)米輪出現(xiàn)偏心現(xiàn)象造成計(jì)米輪實(shí)際直徑變小。
打滑 碼盤座與連接塊之間用橡皮筋拉緊，依靠摩擦力計(jì)米輪轉(zhuǎn)動(dòng)。由于外界因素，計(jì)米輪會(huì)出現(xiàn)打滑，造成丟失脈沖的現(xiàn)象，造成速度偏小。
（2）編碼器自身因素
光柵安裝時(shí)的偏心誤差，碼盤軸的軸系誤差，光柵的制造誤差是造成編碼器測(cè)速精度自身的主要因素。
（3）液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上各元件的不穩(wěn)定及誤差影響
實(shí)驗(yàn)中所用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)為昆山巨林機(jī)電液綜合試驗(yàn)臺(tái)，此實(shí)驗(yàn)臺(tái)是集可編程控制器、變頻器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電器控制模板、液壓元件模塊、氣動(dòng)元件模塊為一體，除可進(jìn)行常規(guī)的電器組合控制實(shí)驗(yàn)外，還可進(jìn)行數(shù)控編程、直流、交流電機(jī)控制、變頻器的應(yīng)用、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)以及機(jī)電液課程設(shè)計(jì)。
實(shí)驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)板上各個(gè)閥體的誤差，及液壓缸的震動(dòng)，導(dǎo)致所測(cè)信號(hào)的不穩(wěn)定，使得所測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。
5結(jié)論
本文介紹了一種便攜性液壓缸速度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)過程，從液壓系統(tǒng)，速度檢測(cè)裝置，方案的選定及設(shè)計(jì)等方面對(duì)速度檢測(cè)裝置進(jìn)行了詳細(xì)說明。在液壓回路的搭建中，通過接觸器，實(shí)現(xiàn)了液壓缸兩種速度的切換；在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了測(cè)速機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)輕巧便于安裝的功能的實(shí)現(xiàn)；在速度檢測(cè)上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與實(shí)時(shí)顯示。以下是本次設(shè)計(jì)的成果：
（1）搭建了能夠
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