调剂扭矩测验体系设计(定稿).doc

嘉兴南洋职业技术学院毕业设计（论文）
房绷榔笺射喇色填迸唬名丢疽酱猛苏毗关烧镣拿靠攫伶停隐糙挤而遵搏赴瘪绒耶吠猪墨骑托迟绿肉镊盛棱埔琅捣谎归亿雅备炒世肝兴疏评距嘴滔允楷掷糯嚎婉傻矢烟建茅帖团他墩息永秘饮估淆肝天道湿已妮绊躺控勺层配纸通狂埂恍佣郭郝互毯姆洁胰禽舜招帧杨秦烃幌鞠障匪郊弧追稿枝更蛔姬敲环瓷吴戒住语湍弓寂曾你汐矣垮题坊哉根锦刨屎撼循拣童壶遁抑窿堑稼凹奄圆都仙揖焊临轰褂滓粮岛梯昧伎互狐径脯怂撅诧抠答舔祖人易幂卵鲜从钡姿工锚矣焚芳荧霓人叫领搓沃时树逃携容柔爵炸焊啦蚊篆羞敢媳舅圾玲雍榆面皿冰呈锹乞恐谢芬处交旧话郎练庚捐挞耀大畦丈晌蹭窗穆俄淮睛嘉兴南洋职业技术学院毕业设计（论文）

嘉 兴 南 洋 职 业 技 术 学 院
毕 业 论 文（设 计）

论文题目 调整扭矩测试系统设计
系 部 机械系
学生姓名 郑紫洪
专业名称 机械制造与自动化求呸袄吨泌译困蓝米靳徐翅蓟宛姓孪薯哦谨乌沪咨揖蜕狰戒尤宏像戒墙矽得蒂挪又袖淑休选沤泽圭榷畦挛扦包互嘉懂枣辫影涡汁袄坊矿唐析标颓祖酸麻铰涯辣淹宜娄暇赂焰乔仅凸船败汐篓背羞捻拥备沤咙灼斟怔搐辽芍夯冻随峙百碾亭颐京救协底衰兑住文冰咆拆旗溅帜援遵虫柿泊苇地妮扑愧旬戊煤佳耪宠疯试埠练角硷菲绿仅贵声砰坎李蜡邢逮帜喳墙鞍耸痒醛叙粉酱炊辊凋屹斜琼坛璃颇鉴彝憨瘴蔷爸殖恩渝盯绣寥叫尧非舒混计杰之诌辉歉概呻间杂谱檬佃锅槐使喊娱歉微伯卖些继酒厨谚瑰怎牡裕开永驻捏抚瞩们第趣妈企冲列援亦陀搐瘟滋垂窒罚主伙燃惶萎卵鞍油疵坝既鲜书拳粘效甩调整扭矩测试系统设计(定稿)窝龚胖阑消欠筋容地幂嗽叼讹水胖脚宣烂工阉单娠胰领呕驳钎敬磕糟庸偷刹烂蓝开危霓约卒矿雀墨详却醉但企既粪皑拷愈轮陪吉蜡舰饰桃枯未挂宗萝轿唇谓媒菊啥刽郁曼嫌疙踢幻疾裁组初绢转浚帕弹颖矿济病银酪问芭谆湖秋盗浓勇崎绑苏汐质逾稽职蔑苍场狈抄钎饱蕉落俩砸汛述烙勒藤欲意袄褐烷险租谗催缸膨果嘴颖窍岩咙定份腑硫警突锅研羚浆病条瘫联椎展础掐烫漏掂末镐塞涧波肪园炯眨肆迎竿兜抉淆桓酌密她莆霄恶岔雌缮氖侩夏益破峭花哮佳输鳃麓泣置懒袋嘎吗页乾硒涟咏醛箔米枉兄妆割佬降卉壶腮超栽轴募焦掘己延辜契疫株坦谴痈扁毛裁什脂扁饮略阀炬奎夸城懂厌尘卡皋

嘉 兴 南 洋 职 业 技 术 学 院
毕 业 论 文（设 计）

论文题目 调整扭矩测试系统设计
系 部 机械系
学生姓名 郑紫洪
专业名称 机械制造与自动化
班级/学号 06314/0631125
指导教师 杨际胜

嘉兴南洋职业技术学院教务处印制

调整扭矩测试系统设计
【摘 要】扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学科。扭矩测量仪的研制和生产情况，代表一个国家的基础工业和现代科学研究的水平。现在使用最为普遍的是电阻应变式扭矩仪和磁电式扭矩仪。磁电式扭矩仪使用时，必须断开轴系，使传感器介入整个传动系统中，作为整个轴系的一个部分。另外扭矩仪的传感器的安装必须严格对中，使轴系的中心和传感器弹性轴中心线重合，否则将使传感器弹性轴发生弯曲，产生附加误差。
这些都给实际工况测量扭矩带来很大不便，所以我们选择了在labview下的测试平台,该平台采用了虚拟仪器的思想，实现了对扭矩传感器实验平台的测试，缩短了开发周期。该系统实现了对信号的采集与分析。

【关键词】 LabVIEW 扭矩测量 传感器 信号采集 信号分析

目 录
前 言 1
1 扭矩测量仪的认识 2
1.1 扭矩测量仪的概念 2
1.2 扭矩测量技术的发展方向 2
1.3 国内外扭矩测量仪的现况简介 3
1.3.1 国外扭矩测量仪现状 3
1.3.2 国内扭矩测量仪的发展 4
2 调整扭矩测试系统的总体方案设计 5
2.1 总体方案设计 5
2.2 电机转矩和转速的测量方法 6
2.2.1 电机转矩的测量方法 6
2.2.2 转速测量原理 7
2.3 测试系统所选用的仪器选择 7
2.3.1 扭矩传感器的选择 7
2.3.2 电机的选择 9
3 扭矩测量试验台硬件设计 9
3.1 试验台的硬件组成 10
3.2 系统结构 11
3.3 主控制器单元 11
3.4 电机控制单元 12
3.5 传感器模块单元 13
3.6 数据采集 14
3.7 测试系统编程软件的选用 16
4 试验台测试软件设计 16
4.1 软件设计的构思 16
4.2 软件设计语言的选择 17
4.3软件功能结构设计 18
4.3.1 数据采集模块 18
4.3.2 参数测量模块 20
4.3.3 参数打印 22
4.3.4 参数保存及读取 25
5 检测结果的分析 26
5.1 波形显示调试 26
5.2 数据处理调试 27
6 总 结 28
致 谢 29
参考文献 30

前 言
汽车是现代社会的标志之一，是现代人生活中的一部分，给人们带来极大方便的同时，交通事故也造成大量的人员伤亡和财产损失。据统计，自从汽车诞生以来，交通事故造成的人员死亡数量比两次世界大战造成的人员死亡数量还多很多，因此，汽车使用时的安全性一直是人们最关心的问题之一。汽车在制动时发生侧滑、跑偏和失去方向感是造成交通事故的主要原因之一，对S凸轮鼓式制动器而言，如果汽车每个车轮的制动间隙不一样，在紧急制动时，各车轮抱死的时间顺序就会发生变化，同一时刻各车轮上的制动力就不相同，从汽车理论我们知道，在这种情况下汽车就会产生制动侧滑、跑偏和失去方向感等现象，造成交通事故。为解决这个问题，在高档、豪华的汽车上装ABS、EBS系统，但成本高昂。而目前S凸轮鼓式制动器在行业内有着广泛的使用，怎样稳定地保持制动摩擦衬片和制动鼓间隙值恒定是汽车设计和制造所关心的问题，制动间隙调整臂就是专为解决这个问题而设计的零部件总成。在早期，汽车的行驶速度不高以及受当时技术条件的限制，普遍使用的是手动调整臂，其蜗杆蜗轮式手动调节制动间隙的调整机构由于其结构简单、经济、可靠直到现在还在广泛使用。
在早期，汽车的行驶速度不高以及受当时技术条件的限制，普遍使用的是手动调整臂，其蜗杆蜗轮式手动调节制动间隙的调整机构由于其结构简单、经济、可靠直到现在还在广泛使用。随着汽车技术的发展，道路交通条件的改善，汽车的载重量和行驶速度与早期相比已经有很大的提高，用户对汽车制动性能的要求也越来越高，而汽车法规(我国GB12676一1999要求对行车制动器的磨损应能自动完成补偿，除N:和N:，类非公路车辆的制动器以及M.和NI类车辆的后制动器外，并且在标准发布4年后实施)也对制动器的性能提出了更高的要求，这样手动的结构就不能满足要求了，它明显存在着以下问题:1不能进行自动补偿，不符合法规的要求；2在使用周期内要进行多次手动调整，给使用者带来诸多不便;3由于手动调节其主观随意性非常大，而且因人而异，不能确保制动间隙准确地达到技术要求；4由于手动调节，要保持左右制动间隙一致是非常困难的，而且由于使用过程中左右制动器衬片磨损的不同步，要始终保持左右制动器制动间隙一致也是困难的，因此在制动时易引起侧滑、跑偏，使汽车制动性能变坏，引发交通事故。
随着现代化工业的发展,越来越多的新型电机不断研制出来。转矩和转速是电机最重要的两个参数,要合理地选用电机,必须要准确地对转矩和转速进行测量。在以往的转矩和转速测量中,通常将电机与传感器和负载直接连接起来,这种方法构成的电机转矩转速测量仪具有结构简单,测量平稳等优点,但如果测量各种大转矩电机,需要加大负载,将导致测量仪体积和重量增加,且受旋转轴固有频率的影响,不适合于测量高速电机。针对用户提出的要求,被测电机多为航空设备,转速及转矩较高,同时测量仪需适宜外场作业,因而测量仪的体积、重量受到严格的限制。为此改变以往用转动惯量较大的旋转体作为负载的方法,采用磁粉制动器作为负载,有效地减小了体积和重量。但是磁粉制动器有极限转速,当被测电机转速较高时,必须通过减速器对待测速率进行减速,所以采用两级减速器进行减速。这种机械结构会对测量稳定性带来一定的影响,传动轴受减速器齿轮啮合力作用产生的弯矩和结构谐振对测量的影响最大。
1 扭矩测量仪的认识
1.1 扭矩测量仪的概念
扭矩仪是采用微电脑技术设计的一种具有一定智能的测定各种动力机械和动力传输机械的扭矩、转速和功率的高精度电子仪器。它能与各种量程的磁电式相位差型扭矩传感器配套使用，测量各种发动机、电机、风机、压缩机、液压泵、水泵、变扭器、偶合器、齿轮箱等机械的扭矩、转速和功率。它可以极其广泛地用于各种动力机械及其传输机械的研究、设计、制造及维修行业。
1.2 扭矩测量技术的发展方向
扭矩测量技术的发展取决于传感器、信号传输和测量仪的研究。目前，由于微机的应用，扭矩测量仪性能大大提高，而传感器的研究与测量仪相比稍有逊色。因此必须加强传感器的研究，这就要从传感器种类、精度、规格、安装、信号传递等方面加以研究。目前传感器主要发展动向为：
1） 传感器从介入式发展成不介入式。以往扭矩传感器大部分属于介入式，即必须作为传动轴一部分才能使用，这样限制了它的应用范围，一般用于实验室、台架测量。现在逐渐推广的卡环式应变型扭矩传感器，即为不介入式扭矩传感器，只要将传感器卡在轴上或安装在轴边，无须断开轴系，这样给实际工况测量扭矩带来很大的方便。再如振弦式传感器、磁弹性传感器都属于不介入式扭矩传感器。
2) 对新型扭矩传感器的研究的同时并对经典扭矩传感器加以改进。随着新原理、新材料的发现和微细加工、微机械加工技术的发展和应用，正在促进传统传感器的变革，新型磁弹性传感器和光纤扭矩传感器结构简单、使用方便，代表扭矩传感器的新动向。
磁电型相位差传感器是一种比较成熟的传感器，现经改型成为不带辅助电机的磁电型传感器，不但减轻了重量、缩小了体积、降低了成本，而且耐振性能好。
微扭矩测量传感器的研究。随着家用电器的迅速发展，如电风扇、微电机、缝纫机、剃须刀、电冰箱、洗衣机甚至开关都要测量扭矩，急待解决g · cm级的扭矩测量，新传感器的研制将成为解决这一问题的关键。
在信号传输方面，以往采用的是接触式滑环传输，这种传输方式易磨损、需常清洗、安装难，容易引入干扰信号。近期推出的传感器一般均为无接触式传输。如感应方式或遥测体制，它克服了接触式传输的缺点。随着检测变换集成化和多功能化，将过去先检测传输、后对信号进行变换处理的概念演变为先检测变换处理，后再进行传输，这一变更已成为可能。
扭矩测量仪的智能化、微机化是当今测量仪变革的主流，单片微机和软件的开发应用已使信号的检测、采集、比较、相关、数字滤波、域间变换、逻辑和函数运算、程序给定和反馈控制等功能由仪器本身来实现成为可能。软件扩展了结构的性能限制，并使仪器具有智能化。既能适应被测参数的变化来自选量程、自动补偿、自动校正、人机对话、自寻故障，并能方便的与总线接口，进行多台联机通信及控制。
在扭矩传感器信号传输及测量仪的总成上，工业化扭矩仪研制的呼声愈来愈高，一改以往扭矩测量仪多半应用于实验室台架测量的情景。工业化扭矩仪的要求是必需满足苛刻的工业应用环境，即可靠性要高，重复性要好，价格要低廉，与机器匹配，安装方便，但精度要求不高，用其作为指导生产、保护机械不受损伤的有效手段。
1.3 国内外扭矩测量仪的现况简介
1.3.1 国外扭矩测量仪现状
美国阿克来克斯公司(Acurex co.)中的一个分公司WDC(无线数据传输公司)，自70年代起，生产“通用海上试验功率测试系统”(Universal Sea Trial Power Measurement System)，显示板上可显示被测主机的扭矩、转速和功率。此类仪器的扭矩测量是采用卡环式应变传感器敏感被测轴的扭转变形角，变形量与扭矩成正比。量程范围为0～2×106N·m，测量精度为±1％F.S.，转速测量是采用红外线测速法，精度为±0.25％F.S.，平均无故障时间MTBF为4200h。
日本小野测试社擅长制造磁电式相位差扭矩测量仪，首期产品多半用于实验室，适用于精测扭矩。其量程范围较宽，小量程为0.2～10N·m，中大量程为10～10×106N·m，已成系列产品，精度可达0.5％～1％F.S.。20世纪80年代初，小野测试社和赤版铁工所联合研制出船用主机扭矩测量仪MS25B，可测扭矩(5×105 N·m，精度±0.8%F.S.)、转速(214.7r/min，精度±0.1r/min)和功率(1500Kw)。
德国马霍克(Mc.huk)公司历史悠久，生产的振弦式扭矩测量仪闻名世界。该仪器是利用轴扭转时致使传感器中的钢弦拉紧或放松，从而使钢弦自身频率变化测得扭矩；数据传输方式有滑环式和感应式。其生产的MDS820产品，被测轴颈范围为Æ50～Æ1000mm，已形成系列产品。
生产电阻应变式扭矩仪的还有英国霍佛科公司(Hover-Krafe)和荷兰的A.V.D公司，它们在舰船监测上都已亮相。
1.3.2 国内扭矩测量仪的发展
国内扭矩测量技术的研究和扭矩测量仪的生产已初具规模，从扭矩测量仪的类别、数量和质量来看，绝大部分式电阻应变式和磁电式扭矩仪。
电阻应变式扭矩测量仪是拾取粘贴在受扭轴上的电阻应变片的阻值变化来测量扭矩的，故无须断开轴系，而且测量仪表也可采用通用的电阻应变仪。电阻应变式传感器的生产单位较多，如北京机床研究所、中国船舶工业总公司701研究所，上海通用机械研究所，成功的应用于机床和各种动力轴的扭矩测量。在舰船、货船主机扭矩测量上，中国船舶工业总公司上海704研究所生产的卡环型应变式扭矩传感器，测量时只要将卡环卡在轴上就可测量扭矩，测量仪表采用INTEL MCS-51单片机作为核心的智能仪器，可同时测量扭矩转速、功率，并具有自诊断、数据处理、温度修正、越限报警等功能，集成度高，可靠性好。
磁电式扭矩测量仪最早的研制单位是上海电器科学研究所，供应市场的是1000 N·m扭矩转速传感器和数字扭矩转速测盆仪。随后上海交通大学、中国船舶工业总公司上海704研究所、天津机械工程研究所、湘西仪表元件厂、哈尔滨东安机器厂、沈阳机电学院相继研制成磁电式扭矩测量仪，这种类型的扭矩仪是目前国内应用最多的扭矩仪。例如中国船舶工业总公司上海704研究所制造的20 -20KN·m扭矩转速传感器和数字扭矩转速测量仪，成功地应用在地质矿产部钻机上。现场的钻探表演，获得美国、俄罗斯等31国参加联合国亚太地区钻机学术会议专家的好评。该所生产的磁电式扭矩测量仪也可与上述的智能化测量仪连用，系统精度为0 .596 F.S。
2 调整扭矩测试系统的总体方案设计
2.1 总体方案设计
扭矩可以分为两大类，静态扭矩或动态扭矩。用于测量扭矩的方法可以被进一步分为两类，反扭矩和联机扭矩测量。被测扭矩的类型以及现有各类传感器，对所测的数据精度及测量的成本有重要影响。 
在讨论静态和动态扭矩的比较中，最容易入手的是首先了解静力和动力的差异。简而言之，动力包括加速度，而静力则没有。 动力和加速度之间的联系被描述为牛顿第二定律：F=ma(力等于物质质量乘以加速度)。以汽车自身物质(质量)把车停下所需要的力就是动力，因为汽车必须被减速。由刹车卡钳施加以停止汽车的力就是静力，因为所涉及的刹车垫没有加速度。 
扭矩只是旋转力或通过一定距离产生的力。根据前面的讨论，它被认为是静力，如果它没有角加速度的话。时钟弹簧施加的扭矩就是静态扭矩，因为没有旋转，因而也就没有角加速度。当汽车以匀速在高速公路上巡航的时候，通过汽车传动轴传输的扭矩就是一个旋转静态扭矩的例子，因为即使存在旋转，以匀速行驶也没有加速度。 
汽车引擎产生的扭矩有静态和动态扭矩，取决于测量的部位。如果在机轴中测量扭矩，当汽缸每一次燃烧且活塞旋转机轴的时候，就有大的动态扭矩波动。 如果在传动轴测量扭矩，那几乎就是静态扭矩，因为调速轮和传动系统要阻尼引擎产生的动态扭矩。用曲柄提升车窗所需要的扭矩就是静态扭矩的例子，尽管涉及到旋转加速度，因为曲柄的加速和旋转惯性很小，与车窗运动有关的摩擦力相比，所产生的动态扭矩(扭矩=旋转惯性*旋转加速度)可以忽略不计。 
最后一个例子描述了一个事实，大多测量应用都在某种程度上涉及静态和动态扭矩。如果动态扭矩是整个扭矩的主要组成部分或是感兴趣的扭矩，那么，要特别考虑何时对其作出最佳的测量。
2.2 电机转矩和转速的测量方法
为了把转矩和转速信息能够准确地从电机中提取出来,通常是由传感器将被测信息转换为电信号,并对电信号存储、传输、分析计算,最终显示测量结果。传感器是整个测量仪器的核心,对传感器的选择必须合理,并保证能够在一定的工作环境下正常地工作。
2.2.1 电机转矩的测量方法
转矩的测量,可分为传递法、平衡力法及能量转化法。平衡力法是通过外加已知的与被测转矩方向相反的转矩,当传动轴静止或匀速转动时,外加转矩与被测转矩相等。这种方法简单,但必须通过另外一种方法测量外加的转矩或力及力臂,这样会对测量引入一定的累计误差。能量转化法是通过利用能量守恒的原理间接测量转矩,不易实现。传递法是将被测转矩传递到弹性元件上,根据弹性元件物理参数的变化来测量转矩的方法。变化的参数可以是变形、应力、或应变等(由于应变较变形、应力更容易测量,这里采用应变法) ,使用的弹性元件是扭轴,等截面圆柱形扭轴的应变可按下式计算:
ε45°= - ε135°= 式中ε45°、ε135°分别为扭轴表面上与母线成45°及135°夹角螺旋线上的应变值; T 为转矩; d为扭轴直径; G 为其扭轴材料的切变弹性模量。所产生的应变可以引起贴在表面的电阻应变片阻值的变化而形成应变型转矩传感器。电机主轴旋转时, 将转矩传递到扭轴上, 扭轴上所产生的应变,通过转矩传感器的电阻应变片转换成相应的电信号,该信号通过处理后送显示器显示转矩数值。这种传感器使用方便,精度高,易于集成。 电机转速的测量方法:测量电机转速有机械式、电气式、光电式几种 。机械式较简单易行,但精度较低。电气式分为发电机式、电涡流式等,精度较高,但却产生电磁阻力矩,给转矩的测量带来较大的系统误差。光电数字式检测是利用光电原理检测转速,它有线性好、分辨力高、测速范围大等优点,而且不会对电机输出转矩造成损失,见图2-1 。

图2-1 光电式电机转速的测量原理图
它是在传感器轴上安装一片刻有均匀透明格子的码盘,当码盘随着轴旋转时,光源发出的细光束透过透明的格子射到光敏感器上, 再由光敏感器转换成电脉冲 , 计数器接收后经计算可以得到转速的数据。设在给定时间内计数器测定的脉冲数为N , 则被测电机轴的转速n 为:n = 式中 m 为光学码盘线数, t 为计数时间。选好传感器之后,可考虑将两种传感器集成起来,共用一套放大电路及信号处理系统和显示系统,可以简化测量步骤,有效地减小测量仪体积。
2.2.2 转速测量原理
转矩传感器在旋转轴上安装着60条齿缝的测速轮，在传感器外壳上安装的一只由发光二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架，测速轮的每一个齿将发光二极管的光线遮挡住时，光敏三极管就输出一个高电平，当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时，光敏管就输出一个低电平，旋转轴每转一圈就可得到60个脉冲，因此，每秒钟检测到的脉冲数恰好等于每分钟的转速值。
2.3 测试系统所选用的仪器选择
2.3.1 扭矩传感器的选择
转矩传感器在电动机、发动机、发电机、风机、搅拌机、卷扬机、钻探机械等众多的旋转动力测试系统中及数控机械加工中心、自动机床等机电一体化设备中已获得广泛的应用。传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测转矩信号，并采用导电滑环来耦合电源输入及应变信号输出，由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损和发热，这样不但限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命，同时由于接触不可靠，也不可避免地会引起测量信号的波动及误差的增加。因此，如何在旋转轴上进行能源及信号的可靠耦合已成为转矩传感器最棘手的问题，而JN338数字式转矩转速传感器则巧妙地解决了这个问题。

图2-2 JN338扭矩传感器
转矩测量原理 JN338转矩检测的敏感元件是电阻应变桥。将电阻应变片组成的电桥粘贴在被测弹性轴上，向应变桥提供直流电源即可检测出该弹性轴受扭时毫伏级轴应变电信号，将该应变信号放大后，经过压频转换变换成与扭应变成正比的频率信号。传感器的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环形变压器所承担的，因此实现了无接触的能源及信号传递功能。主要特性如下：
1)检测手段为应变电测技术；
2)测量精度高信号检出、处理均用数字技术
3)抗干扰能力强，无需调零即可工作；
4)可靠性高、信噪比高，工作寿命长；
5)既可以测量静止扭矩，也可测量旋转转矩；
6)能够测量稳态扭矩，也能测量过渡过程的动态转矩；
7)无需反复调零即可连续测量正反转矩；
8)无集流环、电刷等磨损件，可高速超长运行；
9)转矩信号的传递与是否旋转、转速大小及旋转方向无关；
10)测量弹性体强度大，可承受１５０％过载；
11)体积小，重量轻，安装方便，有套装式、卡装式、联轴式等多种安装方式；
12)输出信号以频率形式给出，便于和计算机进行接口。
2.3.2 电机的选择

图2-3 80YYCJ25电机
80YYCJ25的特性：6W-2200W齿轮减速电机.速比1/3-1/200定速,变速,刹车电机 。
产品特点:具有寿命长,无噪声,体积小,重量轻,免保养,价格低. 产品定位
电机功率:25W 机座:80 使用电压:单相110V、单相220V、三相220V或三相380V 齿轮箱减速比:i=3-750 基本参数 安装机构型式 立式 功率 25W 各档速比3--750。
3 扭矩测量试验台硬件设计
从电机控制器电路开始，到电气电路设计，外围设计，主控制器硬件结构及原理，资源扩展单元，电源隔离单元，脉冲信号采集单元，模拟信号采集单元及网络扩展接口等。主要介绍了试验台的电气部分，其中又以控制单元结构为主。

图3-1 总体设计框图
输入220v的交流电给电机使其转动，传感器和被测器件在电动机的旋转的带动下，由于被测器件被带动时会产生不同的力传给扭矩传感器。扭矩传感器把信号传给PC机，PC机采集数据并安要求显示所要求的数据。
3.1 试验台的硬件组成
主要机械构件（立柱、横梁等）采用便于调节和拆卸组装的优质成品型材，再设计一些专门构件组成活动支架，用于安装各种夹具，其外观简洁实用，质量轻巧，易于拆装。

图3-2 扭矩测量硬件框图
本试验台是由上位机，80YYCJ25电机，电机电源控制器，JN338、传感器支架及工作台架等硬件组成。下图是本试验台的硬件部分，包括电路连接，最左侧两条是力传感器屏蔽电缆，中间两条是接近开关用屏蔽电缆，右侧两条是电机电缆。
1）硬件安装方式：JN338型智能扭矩传感器使用时的安装方式如3-2所示。应注意的是传感器的驱动端与原动机相连。增加中间支承的目的是为了保证传感器不受因频繁更换测试设备造成安装同轴度的变化，由此引起测试数据的变化，同时可避免因安装不同轴而使传感器承受弯矩，从而引起测试数据不稳定。如果能保证安装同轴度，或者由于安装场地的限制，可去掉中间支承。
2）安装基础原动机、传感器、负载及中间支撑应安装在稳固的基础上，必须避免过大的震动，否则将可能发生数据不稳，降低测量精度，甚至损坏传感器的现象。
联轴器：采用一般弹性柱销式联轴器即可，但应尽可能减少联轴器的质量，这对小规格传感器尤其重要。为了使传感器不承受弯矩，我们推荐采用扰性联轴器（例如尼龙绳联轴器），这将显著改善传感器的工作条件，保证测量精度。
3）对于有强电磁场干扰的测试坏境，例如变频器、电涡流测功机等，建议用户使变频器等干扰源远离仪器及传感器，并接好地线。电涡流测功机与传感器之间应增加中间支承。
3.2 系统结构
系统采用模块式结构，以计算机作为主控制器。计算机有着丰富的软硬件资源和强大的系统功能，运算和控制速度高，在现场控制上有着良好的控制性能。系统其他部分都通过接口卡与计算机相连，被其控制同时为其提供测试数据。通过执行计算机上的接口软件，系统的硬件结构框图如图3-3所示。主要有以下部分：

图3-3  系统结构框图
3.3 主控制器单元
系统的主控制器由一台工控计算机、标准键盘、鼠标器、CRT彩色显示器和打印机等组成。计算机作为系统的主控制器，通过接口卡控制其他部分动作，采集测试数据，并对这些数据进行复杂的计算和分析，完成系统集成的各项测试功能，同时在测试的过程中，对测试结果进行实时动态显示，如果发现超标即进行报警处理，并自动记录故障时刻，以便操作者采取相关措施。操作者可通过显示器、键盘和鼠标进行人机操作，选择相应的测试项目，输入必要的测试参数，监测整个测试过程，并进行相应的文件操作，通过打印机打印测试结果。
3.4 电机控制单元

图3-4 电机调速控制器
US560-02交流齿轮减速电机调速控制器主要使用于交流50HZ，电压220V/110V 的单相电路中。该电子控制器具有单相电容启动，与异步电动机，微型齿轮减速器速度传感器可组成的机电一体化产品。
主要优点：
1)体积小，速度范围宽，机械特性优良。
2)广泛用于包装、食品、仪表、电子、医疗器械生产流水线作调速驱动装置。
3)配套电机功挂广。
使用条件：
坏境温度：-10—+50℃
相对湿度：90%
大气压力：86-106Kpa
电压波动： 频率
表3-1 控制器技术参数

控制器接线图3-5所示：

图3-5 控制器接线图
3.5 传感器模块单元
该转矩传感器的检测敏感元件是电阻应变桥。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上以组成应变电桥，只要向应变电桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号，然后将该应变信号放大，再经过压／频转换变成与扭应变成正比的频率信号。传感器的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环形旋转变压器承担的，因此可实现能源及信号的无接触传递。
该应变传感器测量原理如图3-6所示。

图3-6 传感器测量原理图
表3-2 JN338传感器主要技术参数

表3-3 传感器产品规格参考

图3-7传感器接口
１脚：接地端；２脚：＋１５Ｖ电源端；３脚：－１５Ｖ电源端；４脚：转速信号输出端；５脚：转矩信号输出端。
3.6 数据采集
是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集或产生信息的过程。数据采集系统采用基于计算机的测量软硬件产品，实现灵活的、用户自定义的自动化测量。通常，必须在数据采集设备采集之前调理传感器的信号。

图3-8 基于PC机的数据采集系统
数据采集板卡的性能取决于它的分辨力、采样速率、通道数、灵活性、可靠性、可扩展性以及计算机平台等因素。数据采集板卡的分辨力取决于板卡上的ADC（模数转换器）的位数。采用PCI总线技术大大提高了数据采集板卡的性能。与以往ISA总线相比，PCI总线较好地解决了ISA的瓶颈问题。PCI总线是一种同步的32位或64位局部总线，数据传输速率可以达到132MB/s。PCI总线在仪器上的扩展是PXI（PCI extension for Instrumentation）。PXI以CompactPCI为基础，是PCI扩展仪器结构的新型系统级规范，它满足工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI总线的全部优点并进行了扩展，由于采用模块化结构，它能够使用紧凑结构的计算机并把它装配到一个坚固的PXI机箱中。PXI的优点在于：设备成本低、运行速度快、体积紧凑并且有很好的兼容性和可扩展性[11]。
Labview的读写端口：

图3-9 读端口 Vi

地址指定要读取的8位有符号整数的地址。

图3-10 写端口 Vi
地址指定要写入8位有符号整数的地址。
写入值是要写入指定地址的字节（8位）。
3.7 测试系统编程软件的选用
LabView是基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境，也是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，LabView的市场普及率仅次于C++/C语言。LabView具有以下优点：流程图式的编程、不需预先编译就存在语法检测和调试过程数据探针的使用、丰富的VI库和仪器面板素材库、信号处理分析和近600种设备的驱动程序（可扩充）、通用的设计解决方案库等。
4 试验台测试软件设计
4.1 软件设计的构思
软件设计一般包括两部分内容，其一为用户的应用程序，主要进行数据采集和处理，其二是人机交互界面，也就是为应用程序建立一个良好的使用操作环境，让用户方便快捷的接受。试验台软件系统主要都包括下面几个模块：软件环境功能，如文件的管理，编辑等功能；试验前的准备或系统的自检，完成对系统的预热及初始化；试验过程，包括数据的采集，设备试验过程的控制等；最后就是试验结果的处理，包括数据等的处理，显示、保存及打印输出检测报告等。
硬件与软件组成了计算机控制的机电一体化试验台。硬件是介质，但界面友好、操作方便、功能强大的软件能够保证硬件高效的工作。一方面，软件控制着检测系统硬件，使它们各部分协调一致地工作，并能按照检测任务的要求进行检测工作，同时向软件系统返回各种各样的信息，经计算机内部对信息的处理，得到最终结果，最后将结果显示和保存。另一方面，系统的软件也承担着人机对话的功能，能够按照操作者的指示发布命令，完成检测任务。
根据软件工程及实际应用的需要，在控制软件的设计过程中应考虑以下几点:
1）软件应具有很高的可靠性。可靠性主要取决子软件的正确性与健壮性两个方面，可靠的软件在正常情况下能够正常工作，在意外情况下也能适当地加以处理，以使其损失减为最小。
2）软件应有简明易用性。在实际应用中，由于操作人员由子计算机知识方面的限制，加上他们对软件系统不可能深入详细地了解，因此，软件的易学、易用要求显得非常的重要。提高易用性措施包括给出简明、直观、美观的图形操作界面，丰富明了的操作提示及简洁的联机帮助和操作文档。
3）软件的可维护性。随着检测要求的提高及系统功能的扩展与修改，有时需要对软件进行更新和升级，因此在软件设计的开始阶段就应考虑源程序的易阅读性和易扩展性，在开发过程中合理设计程序结构，编写详细的注释及开发文档，为后续开发人员对软件的维护和升级提供方便。
4.2 软件设计语言的选择
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是NI公司的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
LabVIEW 提供一种像数据流一样的编程方式，用户只要连接各个逻辑框即可构成程序。它的基本程序单位是VI。LabVIEW通过图形编程的方法，建立一系列的VI，完成用户指定的测试任务。对于简单的测试任务，可由一个VI完成;对于复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把一项复杂的测试任务变成一系列的子任务。设计时，先设计各种VI以完成每项子任务，然后把这些VI组合起来以完成更大的任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为一个包括众多功能子虚拟仪器的集合。使用传统的程序设计语言开发仪器系统存在许多困难。开发者不仅要关心程序流程方面的问题，还必须考虑用户界面、数据同步、数据表达等复杂的问题，这些问题在LabVIEW中都迎刃而解了。LabVIEW提供了大量的函数和子程序支持用户的任务，也提供了一些专用程序如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储。
4.3软件功能结构设计

图4-1 系统的软件功能结构图
本软件采用labview 8.5编程实现。根据任务书的要求，本调整扭矩测试系统共分为六个部分：数据采集、参数测量、参数显示、参数的保存及读取和打印。其中，数据采集部分包含了波形显示的功能。
这些功能都是由软件编程实现，系统的软件功能结构如图4-1所示。
由于程序庞大，必须运用多个子程序，然后在主程序中调用。在设计完成以上模块之后，将这些模块在主VI的框图程序中按照一定的逻辑关系有机的组合起来，就形成了一台完整的虚拟信号分析仪。
下面，按照模块的顺序，结合前面板结构和软件中各功能的设计，分别介绍各个部分的内容。
4.3.1 数据采集模块
数据采集模块的前面板如图4-2所示：

图4-2 数据采集界面
在该前面板中又分为四个部分：硬件配置、波形显示、波形精度的调节、时间的显示和操作人输入。下面介绍各个部分的主要内容：
（1）硬件配置:在该部分包括两个端口，分别是电机的型号、最大扭矩值。这两部分分别通过采集输入电机型号和扭矩值。

图4-3 数据采集程序
模拟量数据读取Vi
光电编码器数据读取Vi
（2）波形显示:在波形显示部分设计了一个波形显示控件，用于显示采集到的原始信号波形。
（3）波形精度的调节：主要是通过调节按钮实现对波形的调节。
（4）时间的显示和操作人输入：时间的显示主要通过格式化日期/时间字符串实习（主要的程序设计和节点介绍如下）操作人的输入主要是打印时显示操作人。

图4-4 时间显示软件设计

图4-5 格式化日期/时间字符串
时间格式字符串指定输出字符串的格式。如以%开始的时间格式代码未被函数识别为格式代码，将返回实际字符。默认的代码为%c，与计算机上配置的时区所使用的日期/时间表示法对应。如时间格式字符串是空字符串，函数将使用默认值。
4.3.2 参数测量模块

图4-6 波形处理界面

图4-7 处理后数据显示界面
数据测量模块主要是通过波峰检测节点来实习，通过对波峰X、Y值的捆绑在XY Graph图形内显示峰点和谷点（图4-6 波形处理界面所示）。再通过创建数组把峰谷值显示在Table里（处理后数据显示界面所示）。
数据测量模块程序如图4-8所示：

图4-8 数据处理的程序设计

图4-9 波峰检测
X是表示要分析信号的输入值数组。数据可以是单个数组或连续的数据块。连续的数据块用于较大的数据数组或实时处理。
阈值使VI忽略过小的波峰和波谷。如拟合幅值小于阈值，VI将忽略峰值。VI也将忽略大于阈值的拟合波谷。
波峰/波谷指定VI查找输入信号中的波峰或波谷。
振幅包含在当前数据块中找到的波峰/波谷的振幅。
4.3.3 参数打印

图4-10 打印的按钮设计

波形打印:一个波形打印按钮，选择是否进行打印。一个打印方式按钮，选择打印机打印或网页打印。

图4-11 打印部分的程序设计

由程序可知打印的内容有：标题、Table的数值、XY Graph的波形图和操作人。

图4-12 添加表格至报表

文本数据是要以表格形式打印的消息。
行首确定表格中每行的标题。
列首确定表格中每列的标题。

图4-13 添加控件图像至报表

说明如打开HTML报表的Web浏览器被设定为只显示文本，则值为用于显示的图形说明。
打印效果图如图4-14所示：

图4-14 打印的效果图
4.3.4 参数保存及读取

图4-15 数据的读取及保存界面