基于PLC控制的汽车等速万向节性能试验台设计.doc

毕 业 设 计基于PLC控制的汽车等速万向节性能试验台设计教 学 系： 指导教师： 专业班级： 学生姓名：_ 毕业设计(论文)任务书学生姓名专业班级指导教师工作单位设计(论文)题目: 基于PLC控制的汽车等速万向节性能试验台设计设计（论文）主要内容：设计的试验台，满足汽车等速万向节各项性能试验要求，符合经济、实用的原则；测控系统要求采用PLC控制系统；试验数据采集和数据处理有较高的精度：2%；试验台应能自动连续调整试验速度；试验台应能自动处理试验数据，绘制相应性能曲线；要求完成的主要任务及其时间安排:根据汽车零部件性能测试标准，完成测控试验台总体方案设计及论证；完成试验台总体技术方案设计，绘制试验台原理框图；完成试验台主要装置结构设计，并绘制试验台总装配图和主要零件图；完成测试系统硬件和测控软件设计；编写设计说明书；必读参考资料：1. 杨杰民. 现代汽车发动机构造M.上海交通大学出版社，1999，182-2602. 清华大学汽车工程系. 汽车构造M. 人民邮电出版社，2000，25-1423. 张义民.汽车零部件可靠性设计M.北京理工大学出版社，2000-94. 赵燕.可编程控制器原理与应用. 北京：北京大学出版，20085. 张建民，机电一体化系统设计，北京：北京理工大学出版社，2006.2； 指导教师签名： 教研室主任签名：毕业设计(论文)开题报告题目基于PLC控制的汽车等速万向节性能试验台设计一、 课题研究目的及意义：随着现代交通的日益发达和汽车工业的不断发展,近年来高速公路建设在我国发展的很快,随之而来的就是各种问题的凸显,由此对于汽车的性能便要求的更高。现在汽车的发展方向是更舒适、安全、适用方向;发展环保、节能型汽车的发展方向。但是最基本的还是安全性能。而汽车零部件的性能直接影响和决定了汽车整车的性能(包括安全性能)。而万向节装置就是汽车中非常重要的一个部件。而本次毕业设计(基于PLC控制的汽车等速万向节性能试验台设计)中的等速万向节就是一种万向节,等速万向节是主动轴与从动轴的转速（角速度）相等的万向节。在前轮驱动的汽车上，其前桥都装有等速万向节传动轴（驱动兼转向）。等速万向节总成是汽车发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，保证汽车在各种行使条件下所必需的牵引力与车速，使两者能协调变化并有足够的变化范围，并保证汽车左右驱动车轮能适应差速要求。等速万向节总成产品要求严格的质量保证，其中的多项性能指标是质量保证的基本要素。等速万向节总成的性能状态是通过摆角、位移、摆动力矩、启动力矩、轴向间隙、圆周间隙、滑动力等参数来衡量的。在60年代,德国的GKN设计制造了测试上述八项参数的等速万向节传动轴八项功能试验机,一次安装可以连续测试,这种设备设计精巧,至今还在使用。该试验台的显著特点就是一次装夹可以进行八项功能的测试,但是八项功能的测试必须经过八次手工手工操作分别完成,而且需要人工记录,限制了测试效率的进一步提高。从国内万向节检测设备的发展来看,尽管许多元件制造商和科研机构已经研究开发了许多性能良好的试验台,如刘温增的BSW40型汽车万向节摆角摆矩检测仪；杨可森的万向节力矩性能在线检测仪；丁国清的转向管柱万向节微小摆动扭矩测量系统；陈敏贤的汽车等速节传动轴的八功能测试台。但是这些检测设备还存在着诸多的不足之处。本次的毕业设计就是要利用计算机辅助技术,运用可编程控制器(简称PLC可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。)来控制试验台,更加科学的测试出等速万向节的性能。通过本次的毕业设计,我们可以很好的了解等速万向节、可编程控制、机床试验台等一些专业知识,对我们自身的能力会有很好的锻炼。2 基本内容和技术方案：根据试验台的主要功能按照JB/T 10189-2000中华人民共和国机械行业标准汽车用等速万向节及其总成，等速万向节定义为输出轴和输入轴等于1的瞬时角速度比传递运动的万向节，可以进行以下试验：旋转间隙试验、许用工作角度许用滑移量试验、最小静扭破坏强度、扭转疲劳强度试验、周期循环寿命试验、等速万向节总成密封性能试验、旋转灵活性试验。（1）旋转间隙试验 本试验主要用于测量等速万向节及其总成的旋转间隙，在施加力矩重锤的作用下，连续测三次，取最大值为旋转间隙。（2）许用工作角度许用滑移量试验 本试验用于测量中心固定型等速万向节的许用工作角度，伸缩型等速万向节的许用工作角度和不同工作角度时的伸缩滑移量。在两种不同的转速下，分别拖动尾架、转动头架，并记录不同转速下的许用工作角度、许用滑移量。（3）最小静扭破坏强度本试验用于测定等速万向节总成的最小静扭矩破坏强度，扭转试样的方向应等同于汽车行驶的方向，扭矩至其破坏，并记录下扭矩和扭转角。（4）扭转疲劳强度试验本试验用于测定等速万向节总成的扭转疲劳寿命，根据试验条件，对试样重复加扭矩，测试一般进行到试样破坏为止，以确定循环次数。（5）周期循环寿命试验本试验测定等速万向节总成相对一定转速、伸缩状态和扭矩是的寿命，模拟试样在汽车中的工作，在各档位的转速下，逐级加载相应的扭矩，转动对应的时间（或循环次数），各转速下都转动一遍为1个循环，直到试样破坏为止，记录转速、加载扭矩、运转时间、循环次数。（6）等数万向节总成密封罩性能试验本试验可以分为离心试验、常温回转耐久性试验、低温回转耐久性试验、高温回转耐久性试验。在本次基于PLC控制的汽车等速万向节性能试验台设计中选择测量的是等速万向节的最小静扭破坏强度及其许用工作角度，其中等速万向节选择的是球笼式等速万向节，其结构如下图1。许用工作角度的定义为等速万向节传递动力的最大工作角度，万向节铰接角度超过这一角度时，等速万向节的零件将发生干涉，需要在不同的转速下，测量其许用工作角度。最小静扭破坏强度的定义为等速万向节总成在工作角度为0度时，且扭转速度不高于6r/min时扭曲破坏的下限值，扭转试样的方向应等同于汽车行驶的方向，扭矩至其破坏，并记录下扭矩和扭转角。本试验台主体结构：左边依次为三相可调频电机，转速转矩传感器、夹具箱体、气动卡盘，其中电机给等速万向节提供动力，可根据实际情况调整电机转速，电机的调速由PLC控制变频器完成，转速转矩传感器用于测量试验中等速万向节的转速以及转矩，夹具箱体用于夹紧试件，并传递动力，夹具箱体上的气动卡盘可由PLC控制自动夹紧，夹具箱体上安装有接近开关，当检测到试件时可自动夹紧，整个试验台左边部分都安装在工作台上，工作台由伺服电机带动丝杆运动，伺服电机由伺服驱动器控制，工作台的移动速度可由PLC控制，同时工作台上装有位移传感器，可测试件的滑移量，移动的工作台也可以装夹不同长度的试件。试验台的右边是一个旋转工作台，旋转工作台上有夹具箱体，旋转工作台由伺服电机控制，可精确控制工作台的旋转角度，角度由角度传感器测量，所以该试验台可以测量等速万向节的许用工作角度，测量时等速万向节旋转中心线要和旋转工作台的中心在一条线上，以保证试验的正常测量。球笼式等速万向节1，扭矩检测装置2，控制装置3，夹具4，试样5，扭矩加载装置6，电机整体方案图三、进度安排：3.1 完成总体方案设计及论证。第1-2周3.2 完成总体技术方案设计及论证。第3-4周3.3 完成实验台装配图，主要部件装备图设计。第5-8周3.4 完成微机应用系统硬件和测控软件设计。第9-10周3.5 绘制试验台总图或者一个部件的三维造型图。第11周3.6 编写设计说明书。第12周四、指导老师意见：指导教师签名： 年 月 日郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期： 目录摘要1Abstract21 绪论3 1.1 研究背景及意义31.2 国内外研究现状及发展趋势31.3本课题研究的主要内容42 试验台的功能分析52.1 等速万向节总成概述52.2 等速万向节试验台相关要求62.3 试验台测试项目83 试验台的硬件设计93.1 硬件设计的基本原则93.2 硬件选型93.2.1 电机的选型93.2.2 夹具箱体的设计93.2.3 气动卡盘的选型103.2.4 旋转工作台的选择113.2.5伺服电机的选择113.3传感器的选择113.3.1转速转矩传感器123.3.2角度传感器123.3.3位移传感器133.3.4接近开关的选择134.试验台的软件设计144.1软件设计整体思路144.2PLC的选择144.3控制系统程序的编写144.4PLC控制系统电路图17 4.5数据采集卡17结束语20参考文献21致谢22摘要汽车等速万向节性能试验台是一种等速万向节性能检测设备，它代替人力劳动实现了检测过程的自动化。在汽车的传动系统中，经常采用万向节传动装置来实现一对轴线相交且相对位置经常变化的转轴之间的动力传递。因此等速万向节在汽车中起到了非常重要的作用，所以对等速万向节的性能检测就显得尤为重要。汽车等速万向节需要检测的主要参数包括摆动力矩，启动力矩，许用工作角度，轴向滑移量等。本次设计的汽车等速万向节性能试验台可以测量等速万向节的启动力矩，许用工作角度，以及轴向滑移量，整个试验台通过PLC进行控制，实现自动化，控制方便，测量数据，分析处理数据准确，相比传统的试验台有很大的改善。关键词：等速万向节，试验台，启动力矩，许用工作角度，准确AbstractAutomotive CVJ performance test station is a section of constant velocity joint performance testing equipment, it replaces human labor to automate the detection process.Car in the drive, the universal joint transmission device often used to achieve a pair of power transmission axis intersecting and constantly changing the relative position between the shaft. So CVJ played a very important role in the car, so the constant velocity joint performance testing is particularly important. Automotive CVJ main parameters to be detected include swing torque, starting torque, allowable working angle, axial slip amount.The design of the car CVJ performance test station can measure the constant velocity joint starting torque, allowable working angle, and axial slippage, the entire test rig is controlled by PLC, automated, easy to control, measurement data, analysis and processing data accuracy, compared to traditional test bench has greatly improved.Keywords: constant velocity joints, test bench, starting torque, allowable working angle, accurate1：绪论汽车工业的发展，及用户对汽车使用，转向的更高追求，要求汽车有更好的动力性，操纵性，及舒适性，促使了对等速万向节更高的要求。前轮必须具有转向和驱动两种功能，作为转向轮，要求车轮能在一定的转角范围内任意偏转某一角度，作为驱动轮，则要求半轴在车轮偏转过程中一相同的角速度不断地把动力从减速器传递到车轮。在这样两个两个不重合，且位置还经常变化的两轴间传递动力的机构就是等速万向节。等速万向节是把两个轴线不重合的轴连接起来，并使两轴以相同的角速度传递运动的机构。英文名称：CV Joint (Constant Velocity Joint) 等速万向节，是主动轴与从动轴的转速（角速度）相等的万向节。在前轮驱动的汽车上，其前桥都装有等速万向节传动轴（驱动兼转向）。等速万向节是轿车传动系统中的重要部件，其作用是将发动机的动力从变速器传递到汽车的驱动轮，满足轿车传动轴外端转角的要求；将发动机的动力平稳、可靠的传递给车轮；补偿轿车内端悬架的跳动。驱动轿车高速行驶。前轮驱动汽车的动力，要从由发动机、变速器和主减速器组成的动力总成直接传送到前轮。而前轮既是驱动轮，又是转向轮，转向时偏转的角度很大，最大可达40以上。这时，就不能采用传统的、偏转角很小的普通万向传动轴了。因为，普通万向节在偏转角大时，会产生转速和扭矩的较大波动。所以，必须应用偏转角大、角速度均匀的等速万向节传动轴才行。等速万向节的原理和圆锥齿轮啮合的道理相似，由于传力点的位置总是处于两轴夹角的平分面上，因而保证了等速运动。等速万向节的缺点是结构比较复杂，制造工艺精密，成本较高，因此还不能完全代替普通万向节。等速万向节的出现，大大推动了前轮驱动汽车和全轮驱动汽车的发展。前轮驱动用的等速万向节，又分车轮端固定型和差速器端滑动型两种，后者在轴向可以滑动伸缩，以补偿轴向长度的变化。（如图1）1.1研究背景及意义等速万向节总成是汽车发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，保证汽车在各种行使条件下所必需的牵引力与车速，使两者能协调变化并有足够的变化范围，并保证汽车左右驱动车轮能适应差速要求。该零件的好坏，直接影响到汽车驾驶的振动、噪声、安全性、平稳性和舒适性等。等速万向节总成产品要求严格的质量保证，其中的多项性能指标是质量保证的基本要素。等速万向节总成的性能状态是通过摆角、位移、摆动力矩、启动力矩、轴向间隙、圆周间隙、滑动力等参数来衡量的。近年来随着最新的虚拟仪器测试技术、可靠性技术、先进的计算机技术，以及数字信号处理方法和现代控制理论的发展和成熟，形成了等速万向节总成性能测试的计算机辅助测试技术，而传统的仪表加人工的性能测试方法逐步被淘汰。我国“八五”开始重视轿车的发展，作为关键零部件之一的等速万向节被国家列为重点扶持且优先发展的关键产品之一。但由于起步较晚，与国外相比，无论产品设计还是制造技术都存在一定差距，而现有的测试手段更是与国际标准难以接轨。到目前为止，在我国由于没有统一的检测等速万向节总成性能的国家标准，因此各制造厂家在生产时多数都是根据需要进行单项或多项指标的检测，所依据的功能指标和内容（包括：测试精度、范围等）不尽相同，且检测方法落后，测试效率和测试自动化程度比较低。生产厂家迫切需要一套现代化的检测装置，以便于企业能随时进行质量检测和控制，建立系统化的质量标准，使产品适应激烈的市场化的竞争，因此在这方面开发和创新是十分有必要和有意义的.1.2国内外的研究现状以及发展趋势 在60年代，德国的GKN设计制造了检测等速驱动轴万向节的试验机，一次安装可以连续测试，这种测试设备由于设计精巧，至今还在使用。除了移动力通过电传绘图仪输出，其他均用仪表模拟指示人工读出。这台试验台的显著特点是一次装夹可进行多项功能的测试，但是测试必须经过多次手工操作分别完成，而且数据需人工记录，限制了测试效率的进一步提高。自从电子计算机出现后产品的测试技术得到了飞速的发展。在计算机的控制下，测试参数的设置、数据的采集、处理记录、测试结果输出等繁琐的操作轻而易举地实现自动化，从而大大地提高了测试效率和测试精度，更好地保证了传动的质量，提高产品的市场竞争力，并节约了大量的人力、物力和财力。从国内万向节检测设备的发展来看，尽管许多元件制造商和科研机构已经研究开发了许多性能良好的试验台，如刘温增的BSW40型汽车万向节摆角摆矩检测仪；杨可森的万向节力矩性能在线检测仪；丁国清的转向管柱万向节微小摆动扭矩测量系统；陈敏贤的汽车等速节传动轴的八功能测试台。但是这些检测设备还存在着诸多的不足之处。1.3本课题研究的主要内容本课题主要研究内容是基于PLC控制的汽车等速万向节性能试验台设计，等速万向节性能试验台测试是可实现自动控制，试验台满足汽车等速万向节各项性能试验要求，符合经济、实用的原则，测控系统采用PLC控制，试验台可以进行数据采集和数据处理并且有较高的精度（2%），试验台能自动连续调整试验速度，并能自动处理试验数据，绘制相应性能曲线。2：试验台的功能分析2.1等速万向节总成概述2.1.1等速万向节在汽车上的应用万向节是汽车上有一个很重要的部件，是实现变角度动力传递的机件，用于需要改变传动轴线方向的位置。等速万向节是输出轴和输入轴以等于1的瞬时角速度比传递运动的万向节。由于受轴向尺寸的限制，要求偏角又比较大，单个的万向节不能使输出轴与轴入轴的瞬时角速度相等，容易造成振动，加剧机件的损坏，产生很大的噪音，所以广泛采用各式各样的等速万向节。在前驱动汽车上，每个半轴用两个等速万向节，靠近变速驱动桥的万向节是半轴内侧万向节，靠近车轴的是半轴外侧万向节。在后驱动汽车上，发动机、离合器与变速器作为一个整体安装在车架上，而驱动桥通过弹性悬挂与车架连接，两者之间有一个距离，需要进行连接。汽车运行中路面不平产生跳动，负荷变化或者两个总成安装的位差等，都会使得变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间的夹角和距离发生变化，因此在后驱动汽车的万向节传动形式都采用双万向节，就是传动轴两端各有一个万向节，其作用是使传动轴两端的夹角相等，保证输出轴与轴入轴的瞬时角速度始终相等。2.1.2等速万向节及其分类等速万向节按工作性能分为中心固定型和伸缩型等速万向节。前者是只能改变工作角度的等速万向节，后者既能改变工作角度，又能进行轴向的伸缩滑移运动。按结构型式分，在汽车的发展历史上，曾出现过各种各样的等速万向节，经过长年的考核，目前只剩下了球笼式万向节、三球销式万向节、球叉式万向节和双联式万向节等几种等速万向节。目前，在现代汽车中使用最多的主要是球笼式等速万向节和三球销式等速万向节，特别是二者配合在一起组成等速万向节总成广泛地用在汽车传动系中。以球笼式等速万向节为例。球笼式等速万向节包括BJ型、RF型、DOJ型、VL型万向节。BJ型万向节是滚道在径向截面上为椭圆形，钢球与滚道为四点接触的中心固定型等速万向节。RF型万向节是滚道在径向截面上为圆形，钢球与滚道为二点接触的中心固定型等速万向节。BJ型、RF型万向节如图2.1所示。DOJ型万向节是可轴向移动的球笼式等速万向节，如图2.2所示。VL型万向节是钢球由在内、外套上的直滚道交叉处具有外球面的保持架夹持，内、外套上的直滚道在轴向等角度反向斜置的伸缩型等速万向节，如图2.3所示。图2.1图2.2图2.3球笼式等速万向节主要由钟形壳、星形套、钢球和保持架（亦称球笼）构成。钟形壳的内径球面与保持架的外径球面组成一个转动定心球面副；保持架的内径球面与星形套的外径球面也组成一个转动定心球面副。两个球面副的球心重合于两轴轴线的交点。钢球一般为六个，相应地，保持架有六个周向腰鼓形槽，以在其轴向方向夹持六个钢球。在钟形壳的内径球面上，周向等分地开有六个环面内槽;在星形套的外径表面上，也周向等分地开有六个窝面外槽。它们分别与六个钢球共扼接触，以传递运动和扭矩。钟形壳一般通过螺栓与驱动轴（或被驱动轴）连接；星形套通过花键与被驱动轴（或驱动轴）相连接。环面的轴线偏离两轴轴线的交点（球面副的球心），钟形壳、星形套环面的轴线偏心量应相等。环面的素线是一段圆弧。环面的母线是不完整的半椭圆曲线。因为在传递扭矩过程中，钢球既和钟形壳相接触又同时和星形套接触，同一个钢球的角速度相等，因此固定端具有同步等速性。球笼式等速万向节具有单节瞬时同步、两轴间角位移大、效率高、安装拆卸方便、能承受重载及冲击载荷等突出优点。2.2等速万向节试验台相关要求2.2.1试验台的技术要求和技术指标（1）试件长度范围：250-1200mm；试件直径范围2035mm（2）工件安装角度：固定端等速万向节050，偏摆速度为5/s，转速060r/min，扭矩小于100NM。移动端等速万向节030，速度为5/s，滑移范围0100mm，伸缩最大施加力500N。（3）转速01200r/min范围内可调节（4）试验台装有角度位移以及转速转矩传感器，可根据试验项目的不同，显示转速转矩角度等参数。（5）试验台外形尺寸：2500*500*750（6）试验台总质量：约300kg2.2.2试验台功能测试项目不同类型的等速万向节总成的工作原理大致相同，但其性能却有较大的区别。等速万向节总成性能上的参数主要包括：许用工作角度、许用滑移量、轴向间隙、轴向力、圆周间隙、滑动力、摆动力矩、启动力矩、最小静扭破坏强度、扭转疲劳强度、周期循环寿命、密封罩性能等，这些性能参数是等速万向节总成质量达标的重要指标。许用工作角度：等速万向节能传递动力的最大工作角度，万向节铰接角度超过这一角度时，等速万向节的零件将发生干涉。许用滑移量：伸缩型等速万向节在许用工作角度下的伸缩滑移行程。启动力矩：等速万向节绕转动中心转动所需的力矩值。驱动方式及检测方式包括：摆角驱动方式：伺服电机旋转工作台，带动万向节摆动。启动力矩与主轴回转驱动方式：电机驱动主轴运转。滑移驱动方式：伺服电机驱动丝杠螺母，然后带动滑移端外套前后移动。测量与检测方式：转速扭矩传感器检测启动力矩，角度位移传感器检测摆角，直线位移传感器控制滑移距离。2.2.3试验台的结构方案本试验台主体结构：左边依次为三相可调频电机，转速转矩传感器、夹具箱体、气动卡盘，其中电机给等速万向节提供动力，可根据实际情况调整电机转速，电机的调速由PLC控制变频器完成，转速转矩传感器用于测量试验中等速万向节的转速以及转矩，夹具箱体用于夹紧试件，并传递动力，夹具箱体上的气动卡盘可由PLC控制自动夹紧，夹具箱体上安装有接近开关，当检测到试件时可自动夹紧，整个试验台左边部分都安装在工作台上，工作台由伺服电机带动丝杆运动，伺服电机由伺服驱动器控制，工作台的移动速度可由PLC控制，同时工作台上装有位移传感器，可测试件的滑移量，移动的工作台也可以装夹不同长度的试件。试验台的右边是一个旋转工作台，旋转工作台上有夹具箱体，旋转工作台由伺服电机控制，可精确控制工作台的旋转角度，角度由角度传感器测量，所以该试验台可以测量等速万向节的许用工作角度，测量时等速万向节旋转中心线要和旋转工作台的中心在一条线上，以保证试验的正常测量。整个试验台由PLC控制，实现自动化，更加人性化高效，其结构图如下2.4。图2.42.3试验台测试项目本试验台只用于测量等速万向节的启动力矩、许用工作角度、许用滑移量。（1）固定端启动力矩测试启动力矩定义：万向节固定端与传动轴身之间的夹角在任意角度位置(08)条件下，总成转速由零达到60r/min时所需的启动力矩。测试方法：在任意摆角位置条件下，伺服电机控制总成转速，扭矩转速传感器测试万向节所需要的启动力矩大小。(2)滑移曲线的测试滑移曲线含义：以图纸标注位置为零位，滑移端在不同轴向位移时所能达到的许用工作角度，由此做出的轴向位移与最大摆角关系曲线。测试方法：伺服电机通过皮带传动付带动丝杠螺母运动,推动尾架沿轴向方向滑动到某一设定位置(080mm)后，摆动台摆动，当摆动台转动到最大摆角位置时，记录此时的摆角大小。最终从位移传感器和角度位移传感器上测得不同轴向位置条件下的摆角值，即可得到不同位移与摆角的关系曲线。3:试验台的硬件设计3.1硬件设计的基本原则硬件设计是整个测试系统设计的基础。硬件设计应该在对整个系统进行分析的基础上，根据系统的测试要求来进行设计，做到精度高，稳定性好，满足系统的测试要求。一般来说测控系统硬件设计部分包括传感器的选择、运动控制电路及数据采集电路的设计。首先要明确被测参数及测量方法，选择合适的传感器，将获取的物理信号转化为模拟信号并显示于将放大、滤波集为一体的所选二次智能仪表面板上；其次，选取性价比好，性能稳定的运动控制和数据采集卡/板，与计算机直接进行数据通讯，选用变频器以实现下试样转速的可调；再者，设计相应的测量机构，对伺服驱动系统进行选择；还包括加载系统改造以及在数据信号获取、传输及处理的整个过程中用于屏蔽和抗干扰的硬件措施等。对于不同的测试对象，测控系统设计的具体要求是不同的，等速万向节总成性能试验台测控系统有其自身的特点，在设计中应充分考虑其自身特点，并结合现场测试环境及测试人员的具体情况。根据本系统特点，在硬件设计和选型上遵循以下原则：(1) 测试精确性：采用精确而灵敏的可靠性硬件设备，提高测试系统的数据精确度。(2) 安全可靠：选购设备要考虑等速万向节总成性能试验台试验环境的具体特点，保证系统安全。考虑温度、湿度、压力、振动、噪声等对系统稳定性和可靠性的影响，要有超载量和过载保护，保证输入、输出正常工作。(3) 经济合理：在满足系统性能指标及安全可靠的前提下，在选购硬件时，应尽可能地降低价格，以便提高整个系统的性价比。3.2硬件选型3.2.1电机的选型 电机的作用是给整个等速万向节试件提供动力,本实验台选择的电机是变频调速三相异步电机,根据前面试验要求,试件所需启动力矩最大为20NM,因为试验中启动力矩会发生变化,选择恒功率电机,根据下图电机选型选择YVP112M-4,标称功率为4KW.三相异步电动机通过变频器来变频调速,本实验台中选用的变频器为汇川变频器,其型号为MD380T1.5GB,输出功率为4KW.3.2.2夹具箱体的设计夹具箱体的作用连接电机和工件之间一个重要的部件，夹具箱体不仅要起到支撑作用，还要传递力矩转速，所以在整个试验台中非常重要。夹具箱体的主要由花键轴，轴承，轴承盖，箱体以及箱盖组成，试验台的左侧夹具箱体分别连接转速转矩传感器和气动卡盘，试验台右侧的夹具箱体只连接气动卡盘。轴的材料选择为:调质处理的45号钢，其硬度为HBW=217-255如图d1=28mm(根据转速转矩传感器和电机型号选出) d2=d1+2*h1=28+2*(0.07*28+2)=35.92根据轴承型号取d2=35 d3=d2+2*h2=35+2*2.5+40mm L1=L联孔-2=44-2=42mm（44mm由联轴器可选出）经过计算花键轴的尺寸如上图所示，整个夹具箱体的结构如下图所示3.2.3气动卡盘的选择气动卡盘回转缸内藏气压筒夹夹头提供用户安装筒夹夹头系统时极大的方便性。用户只需要准备法兰连接盘与压缩空气源，即可以快速地完成筒夹夹头系统的安装工作，并即刻展开加工作业。与传统的筒夹夹头系统相较，气动筒夹卡盘可以节省油压回转缸、油压帮浦、油冷却设备等安装步骤与设备成本，因此能带给用户极大的成本效益。而本次试验台所选用的是朝铨气动卡盘，朝铨JAP200/JASR/CPC/CPB气动卡盘的本体精度达0.010mm，高转速可达5000RPM，是一款高阶高性能的气动筒夹卡盘。有中空通孔，可搭配自动送料系统工作以提升生产效率。目前JAP200气动卡盘已广泛应用于数控车床或加工专用机的工件夹持系统、传统车床改装自动化、研磨床或是安装于数控加工中心的第四轴分度夹头等各式应用。根据前面试验台要求，等速万向节夹持半径范围2035mm，选用气动卡盘的型号为JA5-25。3.2.4旋转工作台的选择旋转工作台主要作用是支撑试验台右侧的夹具箱体，并带动等速万向节旋转，测量其许用工作角度，根据夹具箱体的宽度大约为300mm，选择旋转工作台直径为400mm，旋转工作台内部结构复杂，可直接购买电动旋转工作台，这种工作台可实现自动化操作，精度高，工作台的旋转直接由伺服电机直接带动，同时安装方便，工作台安装家具箱体容易。因此选用联英精机ZX110-400旋转工作台，其具体尺寸参数如下：产品型号：ZD105XZ400WM 角度范围：360台面尺寸：400mm 传动比: 7201驱动机构: 蜗轮和蜗杆机构 导轨形式: 轴承步进电机(1.8): 57BYG 主体材料: 铝合金表面处理: 阳极氧化发黑 中心承载: 75kg重量: 21kg 重复定位精度：0.002=7.2速度：5/sec 分辨率: 0.0025=9（无细分）, 0.000125=0.45（20细分）3.2.5伺服电机的选择伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。本试验中选用山洋伺服电机,型号为山洋P50B08075HXS1J,功率为750W,伺服驱动器选用山洋伺服驱动器RS1A03AA.3.3传感器的选型3.3.1转速转矩传感器传感器安装于功率传动轴之间，它和TR-1型转矩转速功率测量仪及CZ型磁粉制动器配合使用，可以测量各种发动机、电机、风机、压缩机、液压泵、齿轮箱等动力机械及传动机械在0-6000转/分范围内的转矩转速功率。本次选用龙鼎金陆的DN-08D型号的转速转矩传感器,其具体参数如下:3.3.2角度传感器 试验台中选用的是角位移传感器选用WDD35系列精密导电塑料电位器。主要技术指标如下所示.WDD35D-4 线性精度0.5%外径:36.5mm轴径:6mm轴长：16mm阻值：1-10K阻值公差:15%;独立线性精度：0.5%;理论电气转角:3452;分辨率:无限；功率：2W(70);电阻温度系数(ppm/):400;工作温度范围:-55-125;机械转角:360(连续);寿命：3000万次3.3.3位移传感器 本试验台中位移是测控系统中的最重要参数之一，它不仅影响到直线运动控制的精度，还影响位移参数及其他参数的测量精度。这就要求使用高精度的位移传感器。本测控系统采用了WDL系列光栅尺。WDL光栅尺具有线性精度高、理论上无限的分辨力、平滑性优良、动态噪声小、机械寿命长、伺服槽安装等优良性能。主要技术指标如下所示。3.3.4接近开关的选择接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机（plc)装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无触点开关），它既有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节等。接近开关选择OMKQN 中国沪工集团LJ12A3-4-Z/BX,检测方式为金属,检测距离为4mm,工作电压DC6-36V通用,分为常开和常闭两种形式,本试验台中选用常开和常闭两种接近开关.4:试验台的软件设计4.1软件设计整体思路本试验台用可编程控制器PLC来进行控制，可编程控制器PLC主要用来控制伺服电机的运转，三相异步电动机的调频，以及气动卡盘的夹紧放松，用PLC控制整个系统，不仅要能进行手动控制，也可以通过程序进行自动控制。试验台的检测，可以通过各种传感器直接进行测量，对采集到的信号数据进行处理，再通过显示器显示出来，处理信号的电路模块和PLC显示器组成一个系统，可实现对等速万向节的自动控制检测，其控制系统构思图见图4.1。图4.14.2PLC的选择根据试验台要求，PLC所需的I/O分配表如下图3.2：X1急停开关Y1伺服电机1使能信号X2启动Y2伺服电机1脉冲信号X3停止Y3伺服电机1方向信号X4电机正转Y6伺服电机2使能信号X5电机反转Y7伺服电机2脉冲信号X6电机停止Y10伺服电机2方向信号X7伺服电机1正转Y11变频器运行/停止X10伺服电机1反转Y12变频器正/反信号X11伺服电机2正转Y13伺服驱动器总开关X12伺服电机2反转Y14变频器总开关X13进给速率*10Y15气动卡盘夹紧信号X14进给速率*100Y16气动卡盘松开信号X15气动卡盘夹紧X16气动卡盘放松X17工作台回零图4.2 本试验台PLC所控制的系统较为简单，只需要控制两个伺服电机的运转和三相异步电机的调速，其中实验过程中，三相异步电机频率只需用PLC直接控制频率即可，而在试验中，两个伺服电机往往不需要同时动作，只要旋转工作台的旋转即可，所以本试验中选用的PLC为三菱FX2N-48MR-001，三菱FX2N-48MR-001WEI继电器输出型，输入输出点数都为24，扩展模块可用点数48-64，输入输出电压为24V,PLC电源电压为220V。4.3控制系统程序的编写LD X002ANI X001OR Y014OUT Y014LD X004OR Y011ANI X003ANI X005ANI Y012OUT Y011LD X005OR Y012ANI X003ANI X004ANI Y011OUT Y012LD X006RST C240OUT T0 K1LD T0OR M2ANI T1OUT M2LD M2OUT C240 K0OUT T1 K100LD T1MOV C240 D0DMUL D0 K6LD X002OR Y013ADI X003OUT Y013OUT T3 K20LD T3OUT Y001OUT Y006LDP X013ORP X014ORP M2AND X007DMOV K0 D0LDP T3DMOV K10000 D2DMOV K0 D8142LD X013ANI X014OUT Y002LD X013OR X014OR M2AND X007LD X013OR X014AND X010ORBMPSAND T4DPLSY D2 D0 Y003MPPOUT T4 K1LD X003OR M2ANI X007AND X010OUT M2LDP X013ORP X014ORP M2AND X011DMOV K0 D0LDP T4DMOV K10000 D2DMOV K0 D8142LD X013ANI X014OUT Y005LD X013OR X014OR M2AND X011LD X013OR X014AND X012ORBMPSAND T5DPLSY D2 D0 Y006MPPOUT T5 K1LD X003OR M2ANI X010AND X011OUT M2LD X015ADI X016OUT Y015LD X016ADI X015OUT Y016END4.4PLC控制系统电路图 根据试验台要求，PLC电路图如下图4.3图4.34.5数据采集卡数据采集(DAQ)，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非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(IEEE1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。本试验台中用到的传感器有转速转矩传感器，角位移传感器，选用研华PCI-1711多功能数据采集卡，号进行处理，再通过显示器显示出来。（图4.4研华PCI-1711多功能数据采集卡）图4.4 华研CI-1711多功能数据采集卡提供16路单端模拟量输入通道，当测量一个单端信号源时，只需一根导线将信号连接到输入端口，被测的输入电