盧帥帥,王 飛,齊 鵬(.山東省社會公正計量行;.山東省計量檢測中心,濟南 5004)
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對扭矩實時檢測和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研究
盧帥帥1,王飛2,齊鵬1
(1.山東省社會公正計量行;2.山東省計量檢測中心,濟南250014)
摘要:在機械設(shè)備中,扭矩是確保設(shè)備安全、高效、穩(wěn)定工作的重要參數(shù)。因此,在工業(yè)生產(chǎn)當中,對扭矩的檢測具有非常重要的作用,本文主要研究以單片機為核心的扭矩檢測與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),實現(xiàn)了對工業(yè)設(shè)備的有效保護,提高工廠生產(chǎn)效率的同時還有效的降低了工廠設(shè)備的檢修率。
關(guān)鍵詞:扭矩;實時檢測;數(shù)據(jù)分析;系統(tǒng)
扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動的一種特殊的力矩。發(fā)動機的扭矩就是指發(fā)動機從曲軸端輸出的力矩。在功率固定的條件下它與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系,轉(zhuǎn)速越快扭矩越小,反之越大,它反映了在一定范圍內(nèi)的負載能力。外部的扭矩叫轉(zhuǎn)矩或者叫外力偶矩,內(nèi)部的叫內(nèi)力偶矩或者叫扭矩??梢哉f扭矩是機械設(shè)備運行過程中的一項重要參數(shù),對其進行有效測量可以提升設(shè)備使用效率和安全性,因此,有必要對扭矩檢測技術(shù)進行深入研究。
在工業(yè)生產(chǎn)當中,扭矩檢測技術(shù)具有重要作用,它能有效檢測出轉(zhuǎn)動軸的扭矩值,從而推斷出主軸以及設(shè)備的運行狀態(tài),如果發(fā)現(xiàn)扭矩值過大,便于及時的采取保護措施,對于設(shè)備的使用壽命和維護保養(yǎng)有著非常重要的意義。近年來,隨著電子技術(shù)以及無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,扭矩檢測技術(shù)的發(fā)展向精細化和智能化的方向不斷邁進。鑒于此以單片機技術(shù)為核心,對扭矩實時檢測和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行如下設(shè)計。
1.1整體設(shè)計
扭矩實時檢測和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以集成電路芯片單片機(Microcontrollers)為核心的智能檢測系統(tǒng),采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)以及定時器/計數(shù)器等功能,集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng),這種高度智能化的集成電路芯片在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應用。本次研究的扭矩實時檢測和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)同樣應用了這項技術(shù),其整體上可以分為兩大模塊,即扭矩檢測發(fā)射模塊和數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊。其中扭矩檢測發(fā)射模塊主要包括扭矩數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)信息的傳輸?shù)龋粩?shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊包括扭矩檢測數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)信息接收電路、串行數(shù)據(jù)通信電路以及報警電路設(shè)計。扭矩實時檢測和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。
1.2扭矩檢測發(fā)射模塊設(shè)計
扭矩檢測發(fā)射模塊主要針對的是工業(yè)設(shè)備的轉(zhuǎn)動軸的扭矩,結(jié)構(gòu)組成保留單片機及控制電路、ADC電路、無線通信電路。檢測過程主要由單片機進行控制,為了加強檢測模塊的緊湊性,檢測電路元件,由貼片應變片組成全橋電路,從而確保扭矩檢測發(fā)射模塊更加小巧,安裝在傳動軸上不會影響主軸自身的運動特性。
1.3數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊設(shè)計
數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊主要是將檢測模塊收集到的扭矩數(shù)據(jù)信息傳輸給上位機,可以說該模塊有信息中轉(zhuǎn)以及實時監(jiān)測功能。因此,在數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊設(shè)計過程中,同樣以集成電路芯片單片機為核心控制器,并配有液晶顯示屏、無線電通信系統(tǒng)、輸入鍵盤、報警電路以及RS-232標準串口通信電路,整個數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊由電源適配器進行供電。
根據(jù)扭矩實時檢測和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),軟件設(shè)計同樣分為扭矩檢測發(fā)射和數(shù)據(jù)接收監(jiān)控兩部分。其中扭矩檢測發(fā)射模塊的軟件設(shè)計主要包括AD7705驅(qū)動程序、通信芯片驅(qū)動程序、STC12C5A60S2單片機內(nèi)部邏輯以及實時監(jiān)控發(fā)射程序。AD7705驅(qū)動程序主要是將貼片應變片采集到的轉(zhuǎn)動軸扭矩信號經(jīng)過應變橋輸出電壓信號的模擬放大然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后串行輸出;通信芯片驅(qū)動程序完成數(shù)據(jù)信息的發(fā)送;STC12C5A60S2單片機進行核心控制,通過I/O串口控制芯片功能進行數(shù)據(jù)輸入輸出、信號中斷以及實時監(jiān)控等操作。
數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計主要包括液晶驅(qū)動程序、通信芯片驅(qū)動程序、矩陣鍵盤掃描驅(qū)動程序、串行數(shù)據(jù)通信程序。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了人機交互操作、轉(zhuǎn)動軸扭矩信息管理、刷新以及和上位機進行的實時通訊。數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊還具有轉(zhuǎn)動軸扭矩報警功能,一旦檢測到的扭矩信息超過了預先設(shè)定的標準值,該模塊就會發(fā)出報警信號,提醒現(xiàn)場工作人員及時進行維護操作。此外,在扭矩實時檢測和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的顯示模塊上不僅可以接收轉(zhuǎn)動軸的數(shù)據(jù)信息和電池電壓值,還可以隨時刷新顯示鍵盤鍵碼值。芯片內(nèi)部的顯示數(shù)據(jù)RAM提供642個位元組的空間,最多可以實現(xiàn)4行16字的中文字形顯示。
綜上所述,本文研究的扭矩實時檢測和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以很好的完成各項子系統(tǒng)的功能,可以準確有效的將扭矩信號進行放大,然后通過A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換并利用無線電系統(tǒng)進行信號傳輸。通過實際運行可以得出以下結(jié)論:該系統(tǒng)能夠準確有效的檢測出超大量程的扭矩值,并且具有很好的抗干擾性,能夠適應各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境,具有非??捎^的推廣和發(fā)展前景。
參考文獻:
[1]孔祥濤.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的扭矩監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].山東大學,2014.
[2]王登泉,楊明.非接觸式旋轉(zhuǎn)軸扭矩測量現(xiàn)狀[J].電子測量技術(shù). 2010(06)
[3]王小龍,李代生.基于LabVIEW的高精度扭矩測試系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007(11).
[4]王丹,林中.扭矩傳感器測量結(jié)果不確定度的評定[J].中國計量,2006(12).
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.246
作者簡介:盧帥帥(1988-),男,山東平度人,本科,助理工程師,主要從事力學計量方向的研究。