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油嘴高压液体流量自动检测机 测量与控制系统设计 摘要 本文论述了油嘴高压液体流量自动检测机的测量与控制系统的研 制，并着重论述了油嘴高压液体流量自动检测机的测量与控制系统的方 案设计、具体设计、测量与控制系统设计以及系统的电磁兼容性。首先， 在介绍国内外关于油嘴高压液体流量自动检测机的研究现状基础上，叙 述了本课题的研究和应用背景。其次，详细论证了油嘴高压液体流量自 动检测机的测量与控制系统的方案设计，并详细论述了单片机系统的硬 件设计、软件设计以及友好人机接口设计。在介绍油嘴高压液体流量自 动检测机结构的基础上，分析测量各个环节对测量结果的影响并对各个 环节进行合理的误差分配以及测量结果误差评定。再次，详细论述了对 流量传感器输出信号正交脉冲方波的处理。指出了原有正交脉冲计数方 法的若干问题，针对这些问题采用集成芯片计数来进行解决。最后，论 述了测量与控制系统设计以及测量与控制系统的电磁兼容性设计。 关键词：喷油嘴，高压液体流量测量，测量与控制系统，正交脉冲计数 误差分配，人机接口 m e a s ur ea n dc o n tr ois y s t e mo ft h ea u t o m a ticm a c hin e f orhig hpr e s s ur eliq uid flo wo fn o z ziem e a s ure a b s t r a c t nt h ist h e s is ，t h emeasurea n dc o n tr o is y s t e mo ft h ea u t o m a t ic m a c h in eo fa u t omeasur eh ig hpressur eliq u idf io wo fn o zz ieis d iscus s e da n di tss c h e m ed e s ig na n di t sd e t a iie d d es ig niss t u d ie d e s p e c ia liy a tf irs t ， b a s e do n a n in tr o d u c t io no ft h ec urr e n t s i t u a t io no ft h e m a c h in eo fa u t omeasur et h eh ig hpressur eiiq u id f io wo fn o z z ies t u d ie s ，t h eresear c ha n da p p lic a t io nb a c k gr o u n d o ft h epr o je c tisd is c uss e d a f t ert h is ，t h ef o c uso fd iscus s io n ss hif t e dt ot h emeasur ea n dc o n tr ois y s t e ms c h e m a ticd e sig n a n d t h e d e ta ile dd e s ig no ft h emeasur ea n dc o n tr o is y s t e m ism a in ly d iscus s e d f o ilo w in gt h is ，b a s e do na nin tr o d u c t io no fth e s tru c t ur eo ft h ea u t o m e a sur e m e n tm a c hin e ，err oranaiy siso fe a c h s e g m e n tr e s u i t inmeasur e m e n tv a lu eisd iscuss e d ， t h er e a s o n a b le err ord is tr ibu t io nisd o n e a n d t h eerr oro fmeasur e m e n tr e s u i t se v a iu a t e d f o ur t h iy ， th ep a p erd e t a iie dd e s crib eo nh o wt od e a w i t ht h eq u a dr a tu r e p u ls ew h ic ho u t p u t fromliq u idf lo wm e t er p o in t o u tt h elim i t a t io no fo ld p a t ho nq u a d ra tu r ep u is ec o u n t ， a n din tr o d u c ea nin t e gra t io nc h ipt oc o n q u ert h eiim i t a t io no fo ld p a t h t h es tru c ture ds o f t w ar ed e s ig no fc o n tr o is y s t e ma n dt h e pr in c ip ie ar ed is c u s s e dt h ed e s ig no fc o m m u n ic a t io no ft h ew h o le s y s t e m isa is os t u d ie dt h or o u g h iy a n dinth is p a p er ， t h e communic a tio n pr o t o c oi a n dt h ecommunic a tio n pr o c es s are n tr o d u c e dind e t a ji int h ee n do ft h isp a p er ，t h em a n m a c h jn e in terfa ce isdes crib e d a tias t ，eie c tromag n e ticc o m p a tibi iityis n tr o d u c e d 1n dext erm s ：n 0 zzie ，hig hpre s s urei iquidfio w ，m ea s urean dc 0 n tr0 sys te m ， qu a d ra turep uis ec o u n t ，errordis tribu tio n ，m an m a chine n t er f a c e 机械科学研究院硕1 一学位论文 符号清单 a 吸收衰减 b 多次衰减 c 0 。二氧化碳 d屏蔽体的厚度 f 液体流量，l m i n g b 5 7 7 2 8 6标准代号 j b t7 2 9 6 9 4 标准代号 k 流量传感器输出一个脉冲对应的体积，( l ) m时间t 内累计脉冲数 n 时间t 内流量传感器输出脉冲数为n n o x 氮氧化合物 p p m 百万分之一 q每个缸的冲程容积，( l ) r反射衰减 s q l碳颗粒 t流量传感器输出脉冲周期 t计数时间 t y定时器溢出中断周期 v 。要求的气体容积，( l ) v波动的油液容积，( l ) x残余脉动 z 每次旋转的压缩等效缸体( l ) o磁导率，h m u ，相对磁导率 6 泵的循环变化指数 1 机械科学研究院硕士学位论文 6 k 6 0 6 n 6 ， 6 流量传感器输出脉冲的极限误差 电导率，1 q m 4 倍频脉冲计数的极限误差 相对电导率 定时器时间基准的极限误差 2 机械科学研究院硕士学位论文 图2 一l 工作原理图 图2 2 测量与控制系统结构图 图2 3 主机架结构示意图 图2 4 定时计数时序图 图3 1 控制卡原理图 图3 - 2 接口卡原理图 图3 3 电平转换原理图 图3 5 复位波形 图3 6 正时钟相关延迟波形 图3 7 三态输出时序 图3 8 总线控制时序 图3 9 简单逻辑框图 插图清单 图3 一l0 简化的数字噪声滤波器逻辑 图3 1 1 信号通过数字噪声滤波器传播 图3 12 四倍正交编码器 图3 13 典型接口时序 图3 14 计数电路原理图信号采集、处理 图3 15 通信流程图 图3 16 人机接口结构图 图3 一l7 人机接口主界面 图3 18 连续测量菜单 图3 - 1 9 校准菜单 图3 2 0 调试界面 7 l o 1 l l3 i9 2 0 2 6 2 8 2 9 3 l 3 l 3 1 3 2 33 33 3 5 3 6 4 4 4 6 4 7 4 8 4 9 5 0 型! 壁型兰竺塑堕璺圭堂堡笙壅 表格清单 表格l 绝对最大容量 表格2d c 特性v d d = 5 v 5 ：t a = 一4 0 8 5 表格3 引脚描述 2 7 2 8 2 9 表格4 开关特性条件在t a = 一4 0 + 8 5 v ，von = 5 0 5 时最小最大具体描述 表格5 通信协议 表格6 特性参数( f ：1 5 0 k h z ) 3 0 4 0 5 5 机械科学研究院硕上学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 喷油嘴偶件是喷油器的重要部件之一，喷油器是柴油机燃油喷射系统的重要部 件之一。喷油器的主要作用是使燃油在一定的压力下，通过喷油嘴偶件，以雾状 的形式喷入柴油发动机的燃烧室，并合理分布，以便和空气混合形成最有利于燃 烧的可燃混合气，以促进燃油的引燃和燃烧。 利用喷油泵使柴油产生高压，并通过喷油器将高压燃油喷成雾状的过程称为燃 油的雾化。燃油的雾化需要两个条件，一是高压状态下的油，二是高压油流经喷 油嘴偶件，由喷油嘴喷孑l 喷出形成油雾。柴油雾化后，可以大大地增加柴油颗粒 的表面积，例如：1 m l 柴油，如果是球形，直径为1 2 4 r a m ，其表面积为4 8 3 m m 2 ， 如果雾化成直径1 0um 的均匀油滴，则油滴总数将为2 9 9 * 1 07 ，表面积为 1 5 + 1 0 5 m m 2 ，表面积增加了3 1 0 倍。这样细小的油滴被喷到高温空气中去，不但 提高了加热速度，也增加了与空气接触的机会，因此柴油能迅速气化和氧化，促 进了可燃混合气的形成和加快燃烧的进程。 喷油嘴偶件的流量直接影响着喷油器对燃油的雾化质量，柴油的雾化质量，包 括雾化细度和雾化的均匀程度，柴油的粒度愈细并均匀，则表明柴油雾化质量愈 好，愈有利于燃烧。燃油的雾化质量决定着柴油机的排放，柴油机的效率，柴油 机噪音以及柴油机其他诸多性能参数。 实际上，喷油嘴偶件的流量对雾化的均匀程度也产生很大的影响。提高喷射压 力，减小喷孔直径固然可以减小雾化粒度，但柴油的贯穿力度减小，大量的柴油 集中在喷口附近的位置，这样也不利于燃烧充分的进行。增大喷孔直径可以提高 柴油的贯穿力度，但柴油的雾化粒度却要有所增大。另外由于实际上加工工艺决 定了喷孔内壁存在着一定的圆度误差，径向跳动等形位误差。由于燃油的温度对 燃油的密度，燃油的粘度都有影响，而且，燃油的温度会直接影响着喷孔的尺i t 大小。所以，喷油嘴的燃油流量与燃油的温度也有一定的关系，喷油嘴的燃油流 量不能仅仅从喷孔直径测量值与喷射压力值推导出，而必须直接进行喷油嘴流量 的液体测量才能把上述问题综合反映出来。 机械科学研究院硕士学也论文 柴油机排放对喷油嘴偶件流量准确度及精确度提出了非常高的要求 世界上许多国家的专业研究机构和卫生与健康组织开展了柴油机排放物对人 体和环境生物健康影响的研究。研究结果表明，在柴油机总的颗粒排放物中含有 严重的致癌性，致变形物质。一些实验室最新的研究表明，碳颗粒( s q l ) 很可 能是肿瘤形成的发展基。此外n o 。排放造成人体呼吸器官疾病和皮肤病，并将造 成工业设备腐蚀和破坏植物生长等。柴油机特别是直喷式柴油机以其良好的经济 性和较低的c 0 2 排放量而得到了越来越广泛的应用。柴油机的有害排放物的危害 日益凸现，其限值控制势在必行，而如何真实反应油嘴偶件的产品质量，如何提 高批量检测喷油嘴偶件的燃油流量准确度及精确度，如何使相应的检测装备适应 现代工业发展的形势，是我国当前面临而亟待解决的课题。 1 2 前人在本选题研究领域中的工作成果简述及国内现状 喷油嘴流量测量方法及设备有很多。从测量介质上看有气体测量设备，液体测 量设备。从测量方法上可分为：计时法，容积法，传感器测量法。 1 ) 原奥地利f & m 公司采用的喷油嘴喷孔流量仪。此装置主要是用于加工过 程中的流量控制。该仪器由三部分组成，负压发生器，r o t a 玻璃转子流量 计，测量机构。在进入8 0 年代、9 0 年代时，只是原喷孔测量仪所使用的流 量工作规的检定系统有所改进。 2 ) 7 0 年代后期，b a c h a r a c h 公司发展的变容流量测量试验台。燃油泵喷油量 的测量，由操作者选择的符合制造厂使用的计量单位显示出来，自动计算每 喷射2 5 次，5 0 次或1 0 0 次的流量平均值，喷油次数由操作者根据测量速度 对稳定性的需要来选择，发光二极管数显喷油量和其他控制参数；对选定喷 油次数的分配泵每缸平均喷油量的计算：对油泵总供油量或各缸供油量的测 量；显示数据后能自动打印出油泵转速和供油量，自动地循序测量各缸的供 油量。此装置用于喷油器总成的流量测量，但测量结果受环境温度影响比较 大，而且，由于不同油泵喷出油压不同引起测量结果的差异不可避免。 3 ) 9 0 年代，德国莫瓦特公司与b o s c h 公司合作生产的m l d - - 2 0 0 0 多孔喷油 嘴高压液体流量试验台，h d p - - 2 4 0 0 多功能流量试验台。此设备用于对喷油 嘴偶件成品的流量测量。此检定系统价格昂贵，高达数十万美金，而且检测 效率为2 分，只。无论是价格还是效率都很难满足国内的喷油嘴水平对检测方 式和效率的要求。 4 ) 9 0 年代，英国a m c h e n 公司研制的e d m 加流量闭环检测。该检测是在钻 2 机械科学研究院硕士学位论文 床加工喷油嘴的同时进行的，这种多工序自动数字控制钻床能自动进行校 准，以保证流量检测能和用户自有的标准流量测量设备相兼容。加工后的喷 油嘴检测的结果如果达不到要求的流量精度，将作报废处理。实际上这并不 是专用的检测装置，而是一台加工机床，为了提高加工精度，加上一闭环流 量检测。当然这种结合与喷油嘴偶件成品的流量测量都是为了提高喷油嘴偶 件成品的流量准确度。此设备在制作成本及使用成本上过于昂贵，并不适用 于国内要求水平。 国内目前能够进行高效稳定的喷油嘴偶件的高压液体流量测量测试设备还是 处于空白状态。在喷油嘴的批量生产中，喷油嘴偶件的高压液体流量值，大多处 于心中无数听之任之的状态。为了解决实际生产中的问题，虽然有些厂家采用气 体对油嘴偶件进行测量的方法，但由于这种方法不能真实模拟油嘴偶件的实际工 作状况，因此，在批量生产中使用受到限制。在这一方面，我们与国际水平尚有 很大距离。随着中国的国际化进程的进一步加快，油嘴产品也要面向国际市场， 我们必须要缩短与国际水平的差距，研制我国的喷油嘴偶件高压液体流量检测设 备，使喷油嘴偶件能进行批量的、有效的，快速稳定的液体流量测量，以满足企 业的需求。 1 3本选题研究的主要内容及意义 近几年来，随着交流的增加，经济的发展，政府对于节约能源，环境保护的认 识也日益提高，针对柴油机的污染物排放，喷油嘴偶件的流量都做了相应的规定。 例如1 9 9 4 年发布了新的柴油机喷油嘴偶件技术条件j b t7 2 9 6 9 4 标准以替代 g b 5 7 7 2 8 6 柴油机喷油嘴偶件技术条件标准，对喷油嘴偶件流量作了如下规定 3 1 3 喷油嘴偶件的最大和最小流量值对被测偶件流量的算术平均值的偏差率 不大于3 ，否则应进行流量分组，同一组喷油器偶件中最大和最小值对该组标 定值的流量偏差率应不大于2 。 喷油嘴偶件流量分组要求，由用户与制造厂商定。 在1 9 9 9 年发布的g b l 7 6 9 1 标准明确规定了各个阶段的车辆用压燃式发动机 ( 包括柴油机) 的排放限值。一氧化碳质量，碳氢化合物质量，氮氧化物质量以 及颗粒物的极限值2 0 0 1 年分别为4 9 9 ( k w h ) ，1 2 3 9 ( k w h ) ，9 0 9 ( k w h ) ， 3 机械科学研究院硕士学位论文 0 6 8 9 ( k w h ) ( 发动机功率8 5 k w ) ，o 4 0 9 ( k w h ) ( 发动机功率8 5 k w ) 。 2 0 0 6 年分别为4 o g ( k w h ) ，1 1 9 ( k w h ) ，7 o g ( k w h ) ，0 15 9 ( k w h ) ( 发动机功率8 5 k w ) ，0 1 5 9 ( k w h ) ( 发动机功率8 5 k w ) 。由规定可以看出， 在对柴油机污染物的排放限值上，我们正在努力与国际接轨，而这对喷油嘴偶件 的流量质量提出了极高的要求。国内油嘴生产企业就迫切需要采用高效，稳定的 液体流量测量设备来提高喷油嘴偶件质量。 社会的发展对柴油机性能提出了一定的要求：柴油机在工作状态下要环保，节 约能源，柴油机生产要有良好的经济效益。为了达到环保要求，柴油机在工作状 态下污染物排放要低于一定的限值：为了达到节约能源要求，柴油机要提高工作 效率；为了达到有更好的经济效益要求，柴油机生产成本要降低。柴油机的生产 要满足这些要求，就要对喷油嘴偶件提出很高的低成本限制以及质量要求，特别 是喷油嘴偶件的流量精度要求。喷油嘴偶件流量精度要达到很高的要求，作为喷 油嘴偶件流量精度保证的喷油嘴偶件流量测量设备就要达到极高的测量精度。喷 油嘴偶件的生产在满足喷油嘴偶件流量精度要求的基础上，又有很高的低成本限 制，降低成本的有效方法之一就是提高生产效率，作为生产过程中的流量检测环 节也要有相应的高检测效率。为了方便企业管理，统筹规划以及有效的工艺分析， 对大量测量结果的统计分析也是非常必要的。针对国内油泵油嘴企业当前的这种 需求，提出了喷油嘴偶件流量测量装置的研制这一课题。本选题就此课题的测量 与控制系统予以论述。结合此装置所需达到的目的，本选题需做以下内容研究。 在保证高测量精度方面，要进行以下一些研究设计： 1 )结合喷油嘴偶件流量测量装置机械结构各环节进行合理的误差分配。 2 )针对流量传感器输出信号进行有效处理。 在提高测量效率方面，要进行以下一些研究设计： 1 )结合喷油嘴偶件的工艺特点及测量方式要求，合理进行测量与控制功能 划分。 2 )计算机控制的自动化系统设计及软件优化。 3 )进行批量测量的可靠性控制。 在统计功能方面，需要对大量测量结果进行有效的统计分析功能设计。 此测量装置的研制将会为有效的降低柴油机有害污染物的排放：提高柴油机工 作效率、节约能源；减少柴油机装配过程中调平衡的周期提供一种有力的支持。 本选题提出了一种测量与控制系统解决方案，经实验汪明，这是一种可靠的 测量与控制方案，满足了用户的多种需求。此解决方案对相似或相近的机电一体 4 机械科学研究院硕士学位论文 化设备控制系统设计具有一定的参考，借鉴价值。 1 4 论文的结构安排 首先，介绍油嘴流量检测机测量与控制系统方案设计 其次，测量与自动控制系统设计 再次，系统的电磁兼容性 最后，对油嘴流量检测机几点关键问题的提出、讨论与总结 5 机械科学研究院碗士学位论文 第2 章油嘴流量检测机测量与控制系统方案设计 2 1 引言 所研制油嘴高压液体流量自动检测机是应用于工厂生产，在保证装置稳定、 可靠运行的基础上，必须能够尽可能的提高生产效率，满足生产要求。此装置的 测量与控制系统要十分稳定，功能丰富。综合考虑以上因素，测量与控制系统采 用单片机系统与工控机系统来共同实现。 此装置的研制主要分为两个部分，机械结构设计、测量与控制系统设计。但 是两部分工作是有机结合起来的，在进行本部分 作的同时，必须兼顾另一部分 的工作。任何一方单独的去工作都有可能造成无法弥补的错误，致使大量的返工。 在进行测量与控制系统设计时，必须紧密结合机械结构设计的进行。要设计出切 实可靠的测量与控制系统，必须对装置的整体工作机理，机械结构设计的原理有 深刻的理解。此装置应用于工厂生产，在保证装置稳定、可靠运行的基础上，必 须能够尽可能的提高牛产效率，满足生产要求。此装置的测量与控制系统要十分 稳定，功能丰富。本章介绍此装置的总体结构设计并讨论测量与控制系统方案设 计。 此装置的测量与控制系统设计是按照不同功能模块来逐步进行的。进行功能 模块的划分，有利于把复杂的任务简单化。功能模块的设计还可以划分为具体的 功能单元设计以及子单元的联立工作。而且增强了设计成果的可复用性，减少了 设计的工作量。比如通信单元，在数据传输的过程中要用到，在命令传输的过程 中也要用到。类似的具有通用效用的单元做成固定的功能模块，方便其他任务执 行的调用，减少其他任务设计的工作量，以及总体任务的工作量。 2 2 测量与控制系统方案设计 2 2 1 油嘴流量检测机工作原理 在进行高压液体流量测量的过程中，测量油液的压力，温度对油嘴液体流量 的结果影响很大，只有在稳定的油压力、油温度下进行测量，其结果才有意义。 所以要有高压供油系统、恒温控制系统提供恒温恒压的测量介质油液。 6 机械科学研究院硕士学位论文 图2 1 工作原理图 由于所研制装置要实现高精度、高可靠性、快速的液体流量测量，同时具有 丰富的测量功能，此研制装置包括高精度流量测量系统、标准件定位测量机构、 可移动式自动定位及测量机构、计算机数据处理及控制系统。工作原理如图2 1 所示。 高压供油系统是提供压力稳定的高压液体油液，作为测量介质。采用高压机 泵来实现介质油的高压供给。 恒温控制系统则是控制流经被测工件的测量介质温度处于一个稳定的范围 内。 标准件定位测量机构是用来标定及校准设备工作状况的一套定位机构。 可移动式自动定位及测量机构是用来快速切换工位，把被测工件从上料工位 切换至测量工位，然后对工件快速自动定位，进行测量的机构装置。 高精度流量测量系统是对已定位工件进行接通油路，测量工件流量的测量装 置。 7 机械科学研究院硕士学位论文 计算机数据采集及控制系统包括对流量、压力、温度信号的采集处理及传输， 对各部分子系统进行联立自动控制，实现高精度、高效率、多功能测量的目的。 2 2 2 油嘴流量检测机测量与控制系统的基本要求 为了满足油嘴流量检测机的测量控制、各项运动控制和其他控制的要求， 油嘴流量检测机的测量与控制系统应该具有以下功能： ( 1 ) 检测： ( 2 ) 开关量控制； ( 3 ) 多工位自动切换； ( 4 ) 通信； ( 5 ) 友好的人机接口； ( 6 ) 故障处理； ( 7 ) 数据统计，查询； ( 8 ) 结果打印； 测量与控制系统首先实现的功能就是测量，检测单元用于工件的流量值测量并 记录测量结果、测量条件、时间等相关信息。后续操作利用这些信息进行其他处 理。 在连续自动的测量过程中，考虑到动作安全可靠、测值可靠等因素，一些执行 元件的状态必需实时监测。比如测量过程的动作秩序必须是，工件换位，工件水 平方向定位，工件垂直方向定位，切换油路，读取数值，延时至读值稳定，换回 油路，工件送下，工件送出同时把新待测工件切换至测量工位。在进行每一步动 作之前必须保证上一步动作己执行完毕。如果在工件水平定位动作结束之前，开 始工件垂直方向定位动作，则会造成上压头顶坏或工件损坏等不良后果。为避免 此类不良后果发生，加入一些接近开关用于判断动作的执行状态。 为了提高测量的效率以及操作者的安全性，把上料工位与测量工位分立开来。 这样操作者在上料的过程中可以进行安全的操作，而且可以利用测量工位对工件 进行测量的同时进行上料，缩短了测量周期。测量与控制系统必须有效可靠的进 行自动工位切换。 测量与控制系统采用的是单片机加工控机的主从控制系统，两个控制单元之间 必须进行可靠的通信才能保证系统安全有效的工作。工控机用来实现友好人机接 口，数据统计、分析、处理。单片机系统用来采集数据，执行动作控制，开关量 控制。工控机对用户输入的相关命令、设置参数等信息要传递与单片机系统，而 r 机械科学研究院硕士学位论文 单片机系统采集的数据、对开关量状态的读取等信息要传递至工控机系统。 友好的人机接口不仅仅是提供直观的用户界面，而且要具有强大的容错功能设 计以及丰富的满足不同功能需求的调试手段设计。 连续自动测量过程中，系统对各个重要关键的部件，位置进行实时监测，如有 异常，中断系统运行，给出具体的出错提示信息及相应的解决方法。 在进行了一天、一周、一个月或很长一段时间的测量使用后，如需对测量结果 有一个宏观的了解，进行测值的保存、统计就必不可少。根据不同条件的查询， 更可以获得不同条件下的宏观统计信息。 对测量或统计结果的打印可方便的提供报表信息。代替手工抄写的工作，提高 了效率，减少了工作量。 2 2 3 油嘴流量检测机测量与控制系统的构成要素及测量与控制系统方 案 油嘴流量检测机分为机构本体和测量与控制系统两大部分。测量与控制系统 的主要作用是根据用户的指令对机构本体进行操作和控制，完成作业的各种动作， 采集处理数据。测量与控制系统的性能在很大程度上决定了油嘴流量检测机的性 能。一个良好的控制系统要有灵活方便的操作方式，多种形式的控制方式和安全 可靠地运行。构成油嘴流量检测机控制系统的要素主要有： ( 1 ) 单片机硬件系统及软件系统，计算机硬件系统及软件系统； ( 2 ) 输入，输出设备及装置； ( 3 ) 驱动器： ( 4 ) 检测单元。 根据测量与控制系统的基本要求，本项目采用i p c + 单片机控制系统主从式结 构。 2 3 油嘴流量检测机的测量与控制系统总体结构 9 机械科学研究院硕士学位论文 图2 2 测量与控制系统结构图 采用主从控制的系统用主、从两个c p u 进行控制。主c p u 进行数据处理， 友好人机接口处理，统计查询信息处理，测量结果、统计结果打印。从c p u 进行 数据采集，数据传输，动作执行。 2 4 测量与控制系统参数计算 2 4 1 油嘴流量检测机的基本结构 油嘴流量检测机主要由高压供油系统、恒温控制系统、高精度流量测量系统、 标准件定位测量机构、可移动式自动定位及测量机构、计算机数据采集及控制系 统组成。油嘴流量检测机的基本结构如图2 - 3 所示， 1 0 机械科学研究院硕士学位论文 图2 3 主机架结构示意图 由高压供油系统、恒温控制系统提供恒温恒压的测量介质油液。由一两位三 通截止式换向阀切换油路。待机状态下，油路切换至流经标准件回路，进行工件 测量时，油路切换至流经工件回路。标准件定位测量机构由一凸轮弹簧压紧装置 组成，方便标准件的更换，固定。可移动式自动定位及测量机构包括水平移动工 件，垂直移动工件以及测量机构。水平移动通过气缸加精密直线导轨来实现移动， 通过精确定位装置实现移动后的定位。垂直移动由气缸加自动浮动定位装置来实 现。垂直动作气缸顶升工件安装座脱离工件安装座托板，自动浮动装置实现工件 的精密定位，换向阀切换油路至测量工件回路实现对工件的精密测量。 机械科学研究院硕士学位论文 2 4 2 测量环节不确定度分析及误差分配 测量系统对流量值的获取是通过对电信号的处理来间接获取的。测量前端的 流量传感器根据流量的不同发出周期不同的两路正交方波脉冲。测量与控制系统 结合流量传感器输出两路正交方波脉冲信号与实际流量的对应关系，通过对两路 正交脉冲的处理，综合考虑其他干扰因素，比如测量油压、测量介质油温度、测 量介质油粘度对流量值的影响，端面密封泄漏对流量值的影响等，最终给出切实 可靠的流量值。流量值的给出要经过多个环节处理，其中每一个环节都存着不确 定的因素。 流量读值及处理误差，对于流量与正交脉冲的周期的对应关系，其最大误差 由流量传感器的自身的性能指标给出( 详细介绍参见3 3 1 流量信号采集处理) 。 对于正交脉冲的处理，采用的是固定时间内的脉冲计数，然后根据所计的脉冲个 数以及计数的时间来求出单个脉冲的周期。在流量传感器与单片机的接口电路中 添加了对正交脉冲处理的集成电路，该集成电路对流量传感器的输出脉冲进行4 倍频，然后计数的处理。这样对脉冲的计数精度也提高了4 倍。那么每对应流量 传感器四分之一的脉冲输出，计数器加1 。脉冲计数采用的是上升沿触发。对应每 一个上升沿，计数器加1 。如果计数起始时刻为脉冲刚过上升沿，而终止时刻又接 近下一个上升沿到来。计数器的计数将比实际脉冲数少1 ，如图2 - 4 中a 脉冲所示 ( 图2 4 中c 脉冲为理想条件计数脉冲) 。 反之，如果计数起始时刻为接近下一个上升沿到来，而终止时刻脉冲刚过上 升沿，计数器的计数将比实际脉冲数多1 ，如图2 - 4 中b 脉冲所示。计数误差为 1 n ，其中n 为计数值。可以看出，当n 逐渐增大时，计数误差便会越来越小。 在进行测量的过程中，可以适当的延长计数时间，使计数误差的影响降至可以忽 略。由时自j 基准带来的影响可以通过相应的修正予以消减至可以忽略。 1 2 机械科学研究院硕士学位论文 计时开始 a t 门厂 厂 厂 n = l t l = ln = 2 ：n = lh = 2 r r r 且 n = n - 1 ：1| n = n + l 图2 4 定时计数时序图 n ；n 流量测量系统的误差分配 测量结果的总误差是由各单项误差的综合影响所确定。在进行测量工作的， 应根据给定测量总误差的允差来选择测量方案，合理进行误差分配，确定各单项 误差，以确保精度。进行流量测量的各个环节中，对流量值产生影响的各误差因 素，流量传感器正交脉冲输出误差，计数误差互不相关。流量传感器输出一个脉 冲对应k ( l ) 的体积，公称值为0 0 4 1 0 l 。定义流量为f ，流量传感器输出脉 冲周期为t ，采用单片机内部定时器溢出中断周期t y 作为时间基准，计数时间为 t = 4 t 。，公称值为o 3 4 9 5 2 s 。在时间t 内累计脉冲数为m ，流量传感器输出脉冲数 为n ，则流量值可用下式表示： f = 器= 等= 型t ( ) 丁( s )f ( s ) 1 3 ( 2 - 1 ) 。_ _ _ _ _ 。_ _ 。h 。_ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ 。_ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - 一 机械科学研究院硕士学位论文 流量值的极限误差可以用下式表示 6 = t 厄吒再i = v i 烈o f2 2 刮o f2 d 十2 一3 f 2 q 2( 2 2 ) 式中d - = 篆6 。= t n f6 。 t 单位为s ，n 为无量纲量 。= 筹6 。= - + 9 。 t 单位为s ，k 单位为l ，n 为无量纲量 d 3 ：等6 ，：芝6 ， t 单位为s ，k 单位为l ，n 为无量纲量 6 。流量传感器输出脉冲的极限误差 6 。4 倍频脉冲计数的极限误差 6 t 定时器时自j 基准的极限误差 测量系统的测量总不确定度为0 5 ，对应流量值为1 ( l m i n ) 时，在时间t 内理论上输出脉冲数计算如下： 流量传感器输出脉冲周期为： t = 警= 嵩筹= o ”脚”3 s 陋s ， 时间t 内理论上累计脉冲数： m ：三：竺：塑! 孥+ 4 ：5 8 2 5 l 。 2 4 + 1 0 一s 系统极限误差 6 = 0 0 0 5 丰1 ( l m in ) = 0 0 0 5 ( l m in ) = 0 8 3 3 3 1 04 ( l s ) 现确定各6 ，使满足 a 雁鬲丽硒 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 式中6 。，6 。，6 。为任意值，根据实际条件需要来确定 首先假设各个局部误差对函数误差的影响相等，在进行计数测量过程中，考 虑到视疲劳的影响因素，数值显示取为每o - 4 s 左右更新次，所以时间基准可以 设置为定时器4 次溢出中断进行一次处理。即可以取 t = 4 * 8 7 3 8 * 1 0 一s = o 3 4 9 5 2 s 流量传感器输出脉冲数为 n = 5 8 2 5 按等作用原则进行初步分配误差，即 1 4 机械科学研究院倾 一学位论文 6 k = d 1 + 面1 a k = 4 8 1 1 4 8 1 0 。“万1 一4 8 1 1 4 + 1 0 5 + 2 4 4 1 0 3 f = 1 1 5 4 7 3 6 1 0 。7 ( l ) 6 = d 2 * 丽1 a n ：4 8 1 1 4 t 1 0 钆昙 t ：4 8 1 1 4 t 1 0 “竺：丝鉴圣= o 0 4 4 1 0 _ j = 6 3 0 6 3 * 1 0 5 = 0 4 2 0 4 2 6 ，= d 3 + 面1 m = 4 8 1 1 4 4 1 0 n 面1 _ t 2 ：4 8 1 1 4 s 1 0 - 5s 一j o 0 4 + 1 0 。+ 1 4 6 一( 8 7 3 8 4 1 0 3 1 2 = 6 2 9 0 5 * 1 0 5 = 0 6 2 9 0 5 * 1 0 4 ( s ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) o ， = 生括 = d ： 嘿 d 2 i i 式 叭 由 机械科学研究院碗上学位论文 由流量计方波脉冲输出的特性决定着必然存在着d 。= t 1 的量化误差。而采用 接口芯片的四分频计数，可使这一量化误差缩减为原来的1 4 ，即6 。= - + 0 2 5 。 由时问基准带来的不确定度计算： 在选用1 2 m h z 晶振时，1 6 个振荡周期定时计数器加1 。定时器的溢出时间按 下式计算 6 5 5 3 5 + 1 6 h 。丁 则f = 6 5 5 3 5 + 1 6 y = 1 ，0 4 8 ，5 6 0 t y = 4 ，1 9 4 ，2 4 0 t( 2 1 1 ) 其中f 为晶振频率 t 为定时器溢出周期 在晶振频率公称值为1 2 m h z 时，t = 4 * t y = 0 3 4 9 5 2s 。 由式2 1 1 可知，晶振频率的极限误差通过下式计算 6 ，一4 1 9 4 2 4 0 + 6 ， ；4 1 9 4 2 4 0 + 二。+ 0 9 4 6 8 8 + 1 0 。4 0 3 4 9 5 2 = 3 2 5 0 9 0 要求晶振的频率精度为3 2 5 0 9 0 1 2m h z = 2 7 1 p p m 综合考虑价格以及元件是否容易购买等因素，选用1 0 0p p m 晶振。选用此晶 振的极限误差通过下式计算 6 ，= 4 1 9 4 2 4 04 6 ， 咄4 1 9 4 石两q 1 0 6 q 2 q 0 6 ：0 3 4 9 5 2 + 1 0 一4 由上述计算可以看出各单相极限误差均未超出按等作用原则所得的允差。对 各环节所分配误差不用做任何调整便满足要求。 实际上系统的测量极限误差为 1 6 机械科学研究院硕士学位论直 汹。2 + ( 分；+ a ? 一+ j ( 淼) 2 协+ ( 筹卜2 矾( 警卜2 s a 啦1 二 = + 4 2 0 0 1 6 2 + 2 8 6 11 2 + o 5 9 0 1 241 0 。 = 4 0 0 6 4 + 8 1 8 5 9 + 0 3 4 8 2 1 0 3 = - - - 3 5 4 1 3 + 1 0 5 化s 1 ；2 1 2 4 8 8 1 0 3 f l r n i n ) 2 5 总结 测量与控制系统总体结构和驱动方式确定后，其功能实现对控制系统性能提 出了很高的要求。测量与控制系统的设计是经过多次修改才成为图2 2 所示的结 构。该控制系统以单片机控制系统为基础，利用工控机来实现友好人机接口，数 据统计，分析处理。系统由计算机来完成系统的人机接口功能，该结构使系统的 各个控制单元的任务划分十分明确，充分体现了结构化、模块化的设计思想。采 用这种分布式结构体系以及后面章节所要介绍的模块化软件设计思想，可以很大 程度的提高系统的可靠性、降低开发工作量并使得系统容易维护和升级，因而比 较圆满的实现了控制系统的各种性能指标。作为后继的液体流量自动检测机开发， 针对用户的不同需求，测量与控制系统只需能够进行高效，精确测量。对于统计 数据处理，打印等功能，并不需要每台自动检测机都具备。对于某个企业、工厂 来说，可以用有一台能够进行数据统计的设备即可完成对所有测量结果的统计。 这样，只需在其他的设备上留有测量结果数据的传输接口，便可实现对整个工厂 的油嘴流量测量结果完整统计了。 1 7 机槭科学研究院硕士学位论文 3 1 引言 第3 章测量与控制系统设计 油嘴高压液体流量自动检测机要能够实现这样的功能，测量过程的完全自动 化，操作者可以只负责上料以及根据测量、分组结果进行一些简单处理。这要求 系统能够自动进行工位切换的控制、定位工件的控制、工件上料状态的识别、系 统动作执行状态的感知、测量条件改变的感知、测量结果的获取、处理、分析、 存储、显示以及按用户要求分组结果的显示。本章论述自动测量与控制系统的设 计。由单片机自动控制系统来实现工位切换的控制、定位工件的控制、工件上料 状态的识别、系统动作执行状态的感知、测量条件改变的感知、测量结果的获取、 分组结果的显示。数据采集系统实现流量传感器与单片机的接口。测量结果的处 理、分析、存储、显示、打印输出以及按用户要求分组结果的显示由计算机控制 系统来实现。 3 2 单片机自动控制系统设计 单片机控制系统实现动作可靠的自动执行及状态实时监测，包括孔板流量、 测量油压力、测量介质温度。对于流量值的获取需要增加数据接口电路进行处理。 对于油压力、测量油温度的获取可使用单片机a d 直接进行处理。 3 2 1 单片机控制系统硬件系统设计 单片机控制系统硬件系统采用基于十六位单片机的控制卡及开关量输入，输 出的接口卡实现。 3 2 1 1控制卡及接口卡简介 单片机控制系统采用基于i n t e l8 0 c 1 9 6 k b 十六位c p u 的控制系统与输入 输出接口系统。 1 8 机械科学研究院硕士学位论文 控制卡特点 串口通信 8 通道数据采集 4 路高速输入 6 路高速输出 8 位数据总线 图3 - 1 控制卡原理图 接口卡特点 12 路t t l 电平数字量或继电器可选输入通道 9 路t t l 电平数字量或继电器可选输出通道 1 9 机械科学研究院硕士学位论文 4 路高速输出通道 2 路高速输入通道 1 路中断输入 高输出驱动能力 图3 2 接口卡原理图 低输入负载数字量i o 卡是一款基于s t d 总线的插卡式板卡，它带有1 2 个 数字量输入通道、1 2 个数字量输出通道和一个5 5 5 时基电路，4 路高速输出通道， 两路模拟数字通道。 它的数字量t o 通道是t t l 兼容或继电器i ，o 可选的。 输入信号形式一t t l 电平或2 4 v ；输出信号形式一t t l 电平或2 4 v 、图腾柱 输出或集电极开路输出 2 0 机械科学研究院硕士学位论文 3 2 1 2控制卡及接口卡选用 单片机系统要实现与工控机的通信， 单片机与工控机系统的距离很短( 2 m ) 所以对单片机控制卡要求要有通信功能。 而且对数据传输的速率要求不是很高， 拟采用r s 2 3 2 c 串行通信方式。整个测量与控制系统有1 0 路开关量信号的输入 3 路集电极开路输出，3 路t t l 兼容电平输出。 3 2 1 3输入输出设备及装置、执行单元设计 测量与控制系统的动作实现是通过输入输出设备及装置来进行的。依助于输 入设备来感知测量条件的状态、动作执行情况，从而做出相应的准确判断、后继 处理，控制输出设备做出相应的动作或故障提示，在保护操作者安全工作的条件 下保证设备稳定、可靠的运行。 测量与控制系统的执行单元包括工位切换及水平定位执行单元、工件垂直方 向移动及垂直方向定位执行单元、油路切换单元。工位切换及水平定位执行单元 主要是由一个气缸加导轨滑块执行动作，由两个气缸感应接近开关判断动作执行 状态。工件垂直方向移动及垂直方向定位执行单元由一个气缸加相应的机械浮动 机构执行动作，由两个气缸感应接近开关判断动作执行状态。油路切换单元是由 电控截止换向阀以及相应的蓄能装置来实现快速稳定油路切换动作。 感知测量条件的状态、动作执行情况的输入有测量条件判断6 路：冷却机启停 状态、高压泵电机启停状态、黄按钮按下与否状态、黑按钮按下与否状态、玻璃 挡板是否处于下位、测量工位上料工件是否正常；动作执行状态判断4 路：水平动 作气缸伸出到位判断、水平动作气缸收缩到位判断、垂直动作气缸顶升到位判断、 垂直动作气缸收缩到位判断。 动作执行状态判断 动作执行是依靠气缸来实现，判断动作执行的状况可以通过判断气缸中的活 塞环来完成。采用气缸磁感应接近开关。磁感应接近开关具有以下特点： 1 ) 非接触检测，无机械力撞击的影响。2 ) 无机械磨损，工作寿命氏。3 ) 响应时 间短。4 ) 封闭式结构、防尘、无触点、无火花及无噪音，不仅适用于一般场合， 也适用于要求防爆的场合。5 ) 输出信号灵活，能适应各种处理需要，它具有常开、 常闭和常开常闭转换功能。6 ) 体积小，安装调试方便。7 ) 具有极性保护功能，当直 流电流的正负极接错时，开关不会损坏，并且具有过流、过压、短路保护，有效 防止了开关的损坏。8 ) 具有不同的电压等级，外形尺寸系列，工作距离系列，引 2 1 机械科学研究院硕十学位论文 线方式及外部接线等，以满足不同的使用场合，安装条件的需要。 通过判断各接近开关的状态即可有效获取当前动作执行的情况