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原文传递螺栓扳手测控系统的研究与设计

论文题名：	螺栓扳手测控系统的研究与设计
关键词：	螺栓扳手;高速铁路;线路质量;螺栓松紧技术;嵌入式技术;线路维修;联结质量;测控系统
摘要：	随着我国铁路提速线路的进一步完善，尤其是客运专线、高速铁路的发展，对线路的质量提出更严格的要求。论文对目前线路上松紧螺栓工作现状的进行了深入调研，在广泛参考国内外螺栓松紧技术发展，借鉴其他行业螺栓松紧自动化技术的基础上，采用电液比例控制及嵌入式技术，融合智能仪表思想，提出了一种新型螺栓扳手的设计方案，实现对双头螺栓智能化松紧动作，并对所拧紧扭矩进行精确调整，实时显示扭矩、状态等信息。该液压螺栓扳手的研制成功，极大地提高线路维修作业效率，降低操作劳动强度，提高铁道线路钢轨扣件和钢轨连接螺母的联结质量，以适应我国铁路的高速发展的需求。螺栓扳手的测控系统采用了电液比例阀控马达技术，扭矩通过扭矩传感器直接测量，并进行负反馈的闭环控制，采用了以16位单片机MSP430F1611为核心的测控硬件系统，软件采用基于μC/OS-Ⅱ实时操作系统的软件架构，数字PID控制器调节扭矩控制算法实现扭矩的精确控制。论文主要完成了以下几个方面的工作：首先介绍了螺栓扳手的研究背景，回顾了轨枕用螺栓扳手的发展及研究现状，指出了目前螺栓扳手存在的问题，指明了论文研究的方向；同时对本设计所采用的嵌入式技术以及智能仪表技术等技术进行了较系统的探讨，并由此明确了本论文的主要内容、目的及研究工作。其次，对螺栓扳手的测控系统进行总体设计与建模分析。通过螺栓扳手的设计目标的分析，对其进行了总体设计，提出了螺栓扳手的结构与工作原理。对其测控系统进行了详尽的需求分析，设计了电液比例阀控马达扭矩控制系统，选用了扭矩传感器，并对控制系统工作原理及各组成部分进行了详细分析，建立并分析了阀控马达系统的数学模型，确定了数字PID控制器控制调节方法。由此，分析设计了测控系统的硬件和软件总体方案，通过对嵌入式系统现状的分析选择了μC/OS-Ⅱ实时操作系统并进行了硬件系统的选型设计。再次，对螺栓扳手的硬件、软件分别进行了研究与设计。综合考虑系统需求、经济性、可靠性、接口方便性等因素，为测控系统选择了具体的电子元器件，同时对系统的各部分功能电路进行了详细的设计，包括CPU功能电路、传感器电路、信号调理电路、数据采集电路、电液比例阀驱动电路、开关电磁阀驱动电路、人机接口电路、电源电路、及辅助调试电路等，并在此过程中论证了数据采集系统的精度、考虑并分析了系统抗干扰性；对于测控系统的软件设计，介绍了MSP430的软件开发环境和测控系统软件的总体结构；对μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统在MSP430F1611上的进行了移植，并对测控系统的软件进行具体的分层设计，以及确定了数字PID控制器的参数。最后，试制了样机并进行了系统功能测试和现场试验。系统功能测试结果表明所有逻辑动作无误，能实现自动化松紧螺栓动作，系统各功能均达到设计要求；现场试验及结果表明螺栓扳手扭矩控制精度达到设计要求，检测、显示扭矩数据真实可靠，系统扭矩加载平稳、快速，松紧螺栓效率高，重复性好、可靠性高等特点。
作者：	楚建军
专业：	载运工具运用工程
导师：	傅勤毅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文