江苏师范大学本科生毕业设计 旋挖钻机钻杆牙嵌啮合状态检测系统设计
挖钻机的钻杆牙套是很容易磨损的，磨损以后维修有一定的困难。往常旋挖钻机的操作者仅仅依靠自己的直觉来判断机器的工作情况，难以做到精确把握。但是钻头的咬合情况能够显示在屏幕上的时候，机器的状态就一目了然，就就能够大大的降低钻头套杆的磨损程度。同时显示功能也能够降低操作人员的操作难度，可以有效的降低工程事故。 (2)机器在进行工作的过程中，其是进行钻、提、回转、弃土、在此转进的过程。我国生产的旋挖钻机木有回味定位的功能，所以在回转进行对准的时候会浪费较多的时间，这就大大的降低了施工效率。回位定位功能是指机器在转动的过程中，弃土作业之后能够自动的记录角度并转回，这样能够大大的提升生产效率。
(3)国外的旋挖钻机有混凝土灌注桩模式。其能够有效的显示出混凝土的相关性能，以此有效的保证桩的质量，对工程质量的提升有着积极意义。
(4)国外的旋挖钻机多功能化。其能够选取不同的钻具在不同的岩层中进行钻孔作业工作，钻具的更换工作能够提升机械的使用效率，大大的降低施工成本。
(5)国外的旋挖钻机采用电液比例伺服控制系统、PLC、CAN总线控制等。这样就能够大大的提升定位的精度，同时其能够进行深度的自动检测，并且当钻孔出现倾斜等问题的时候，还能够及时的报警，以调节钻具的工作。同时在进行工作的过程中，钻机显示屏幕能够显示出钻机的多组参数，以此为操作人员提供直观的数据显示，来保证工作的高效进行。
(6)国外的旋挖钻机安全保护好。钻机的设计考虑到人员安全采取了以下措施： － 驾驶室前窗配有FOPS； － 卷扬的高度限位；
－ 驾驶室内操作台安全控制；
－ 发动机、液压等参数显示、报警等。
(7)国外的旋挖钻机一般在控制功能上采用自己开发或者与专门的软件开发商合作设计的，其软件兼容性较好。但是我国的旋挖钻机在控制功能上面还没有自己独立的软件，难以与国外先进的旋挖钻机相提并论。
目前，我国的旋挖钻机与国际先进水平还存在很大的差距，虽然我国产品价格较低，但是不能满足社会的需求，所以难以进入到市场竞争中去。所以我们需要不断的对其进行改进，以提升其工作效率，来不断的走进建筑市场。 1.3本文的研究思路和研究内容 1.3.1研究思路
本设计采用振动测量和噪声测量来进行状态的检测。文中主要分析钻杆运动状态的振动特征，结合实际工作状况和实测结果，确定测点位置，利用本人设计的检测系统实现了振动和噪声两个信号的采集和分析。 1.3.2研究内容
1.系统整体方案设计，确定一种能够满足课题要求的设计方案。
2.测量元件进行选择，选择测量质量好，价格便宜、能够实用的测量元件。
3.控制系统进行设计，采用PLC控制，用传感器接受信号输入，控制系统的运行状况。
1.4本章小结
本章主要说明课题来源、背景以及旋挖钻机国内概况与国外的主要差距，提出 设计的思路和研究内容。
第二章 整体方案设计研究
2.1方案的提出
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方案主要是一个大致的方向，方案主要包括项目的最后目的、项目步骤、相关处理措施等内容，方案主要目的是保障工作的有序进行，降低工作中的偏差。
本课题为旋挖钻机钻杆牙嵌啮合状态检测系统设计。题目简介为多节钻杆通过类似于花键的方式，传递扭矩和压力。牙嵌周期性可靠地啮合和分离是工作的必要条件。研发啮合和分离状态识别方法，设计检测系统。根据课题内容和要求，提出合理的方案。 2.2方案的内容
本设计采用两大系统，分别是测试系统和控制系统。通过两个系统的结合对旋挖钻机钻杆牙嵌啮合状态进行检测，其中测试系统是由测试元件（传感器）来测量所要测的信号，自动采集数据，控制系统采用PLC控制，通过PLC进行记录，并对信号进行分析处理，从而最终确定出钻杆钻头啮合情况，检测超标则报警控制。如图2-1所示。 A/D转换模块 PLC 显示 振噪器振器噪 动声动声传 传感感超超 器器标标 报报警警 图2-1 检测系统示意图
从上图中可以看出，此检查系统的主要部件是传感器，这与一般机械的检测系统的原理类似，传感器是主要部件，所以需要对传感器进行充分的了解，并能较合理地选用。控制系统则是采用PLC控制为核心，对信号进行采集、分析和处理，并且能够有报警控制。 2.3本章小结
本章主要从课题任务出发，结合课题简介和要求对课题提出啮合状态检测方案，选择合理方案并进行合理的阐述以便满足课题所要达到的要求。
第三章 测量系统设计
3.1测试技术概况 3.1.1测试与测量系统
测试技术是测量和试验技术的统称。试验是逐步确定产品设计和研发的重中之重，其
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与最后成果的好坏有着直接联系。现代机械设备研发创新设计的过程中，试验研究都是必不可少的环节。试验的过程中，需要精确的测量相关物理量，以保证结果的准确可行性。当然，不仅是各类工程试验需要测量，机器和生产过程的运行监测、控制和故障诊断也需要在线测量。
静态测量和动态测量是组成工程测量的重要组成部分，静态测量的是物理量是定值的测量，例如对机械尺寸的测量以保证尺寸在误差范围内。动态测量主要是对变动的物理量的测量，例如电流的大小变化、温度的变化，伸缩率的变化等。动态测量是本文研究中的重点内容。
在产品开发试验的过程中，需要对试验过程中的各种物理量进行精确的测量，同时做好记录以便于进一步的处理分析，得到所要求的定量的试验结果。在运行监测或控制系统中，实时测量的各种时间变量则用于过程参数监视、故障诊断或者作为控制系统的控制、反馈变量。根据用途的不同，测量系统进行测量的组成构成也存在较大的差异。 测量系统的一般构成如图3-1所示。 显示 敏感元件 转换元件 调理电路 接口（数字化） 传感器 反馈、控制 或监测诊断 计算机（或含微处理器的仪器、控制器等） 分析结 果 存储 图3-1 测量系统的一般构成
上图中被测量的信号经过传感器可以变为数字信息，以传入到进算计中去进行分析储存，信号的输入到转变放大的过程的顺利准确直接决定了结果的准确性。模拟信号是一个随着时间变化而变化的物理量，其转变为电信号以后是一个连续的信号，可以取的时间上的任意的值。在幅值（大小）上也是连续的，即可以得到任意的合理值。数字量是随着时间不断变化的物理量，其在时间和幅值上面都是离散型表示的，能够得到离散的一组数据，幅值的变化也是离散型的，而是以某个最小量的个数来表示。一般传感器的输出（经或未经信号调理）是模拟量，而只有数字量才能被计算机所接受，才能进行各种数字计算或处理。由模拟量到数字量必须通过图中所示的“数字化”处理，即“模/数转换”。 3.1.2测试技术的发展概况
测试技术的发展离不了软件技术以及工程科学研究的发展，其以物理学、计算机学、电子微机等为基础。现代工程测试技术与仪器的发展包括以下几个方面的内容： 1.新原理新技术在测试技术中的应用
最近20年，科学技术有着很大的发展，理论研究的不断深入同时其在现实中应用的
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成功案例也不断的增多，各种物理、化学、微电子等技术也被广泛的应用到工程测量中去。这就不断的增大了测量技术的发展，测量精度和效率得到很大提高。
2.新型传感器的出现
目前，电磁、半导体等新材料技术的不断发展，测量技术的传感器技术也发展很快，特别是微电子的发展较为迅速的情况下。测量技术的发展主要包括：新传感器的出现、性能的提升、微型化电子技术的发展等。微电子技术的发展，使得传感器具有校正、判断、处理信号的功能，这也就是所谓的智能传感器。
3.计算机测试系统与虚拟仪器的应用
计算机测试系统与虚拟仪器的应用主要包括传感器网络、测试过程、仪器控制技术、远程测试、因特尔网、编程、虚拟仪器等。 3.2测量理论和方法
旋挖钻机钻杆是采用牙嵌式啮合，在啮合状态中会产生误差，在运动状态下会产生振动与噪声，所以测量系统要测量系统的振动和噪声状况，还要要求测量精度高，发现指标超标要具有报警功能。
3.2.1振动噪声测量理论和方法 1.振动噪声产生的原因
啮合过程中的噪声是由机械振动形成的。机械振动是工业生产和日常生活中极为常见的现象。机械设备内部的运动构件的刚性不能过大，其需要有一定的弹性，刚性过大对机械的维修制造带来了很大的困难，但是弹性会导致在运动的过程中的受力不均匀等问题，震动过大的问题也是时常存在的。机械在工作的过程中，振动主要表现为声音较大。声音较大会给工作者造成一定的困扰，影响其工作。
2.振动噪声测量理论
机械振动测试是研究和解决工程中问题的必要条件，也是机械振动学的重要内容。目前，机械的动力学参数的求解还不能用公式进行正确的技术，阻尼、频率、机械阻抗等内容在进行理论计算的时候往往假设很多方面的内容，其与实际情况差异较大，所以目前振动测试是较为准确的一种方法，也可以振动测试则是唯一的求解方法。根据目的的不同，其往往可以分为以下两种情况：
1）找到产生振动的原因，然后才去相应的措施来消除此种现象。
2）对设备的结构进行改进，以提升其抗振动性能，来达到降低振动危害的现象。 声学测量对于噪声较低的机器设备的开发有着积极意义，其能够有效的诊断出机械振动，对机械的改进设计意义重大。因此，声学研究对于提高产品制造质量与设备的故障诊断具有重要意义。
噪声在进行传播的过程中，其会产生一个声压，声压是某一个瞬间该点的压强与没有声波时候的压强差。声波在进行垂直传播的过程中，单位面积单位时间通过的声音的能量叫做声强。人耳朵能够听到声音到产生痛处的声压比是106，所以用声压值或者声强值来表示声音的强弱不是很方便，需要在进行计算的过程中不能采用声音的强弱。人的耳对声音的感受是对数形式的，我们往往用一个成倍关系来表示声音的强弱，一般用声压级、声强级和声功率级，级的单位为dB(分贝)。 （1）声压级
正常的听觉，其能够承受的最大声压与能够听到最低的声音是87比1。由于其数量范围很大，通常采用分贝数来度量声音与噪声。分贝是功率比的量度，其定义式为
?W1? dB?10lg?? (3-1)
?W2?式中 W1、W2——分别表示测量功率和参考功率。
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又因为功率正比于声压的平方，上式可以写为
?p1?p12? dB?10lg2?201g? (3-2) ??p0?p0?分贝表示的是一个相对量。
实际上采用敏锐听力阈值（p0=0.00002Pa=20(μPa)作为声压级的参考声压，因此声压级表示为
p?? Lp?20lg?? （3-3）
0.00002??式中 Lp——声压级/dB；
P ——声源的均方根压力(Pa)。 （2）功率、强度和功率级
根据上文，声音的大小一般用功率表示其能量。一般用瓦特，声音在传播的过程中，其不断的扩大到越来越大的空间中去，对于一个平面波或球面波，在传播方向上的声强I为
?p? I?rmsc2 ??W （3-4） A0式中 ρ0——介质的平均质量密度； W ——声功率（W）; A ——面积。
声功率级（Lw）用分贝表示，给定参考声压10?12W。因此声功率级定义为 dB (3-5) 10?12没有直接测量功率级的仪器，但可从声压级测量值计算得到。 （3）声压级的合成
当两个纯音同一时间发生时，其合成效应取决于接收器处的声压幅值、频率和相位。考虑空间某点如下的两个声波
Lw?10lgW??p?Pcos??t??? （3-6）
1111p?Pcos??222t?? （3-6a）
2? 式中 p——瞬时声压； P——声压幅值； ??2πf——圆频率； ?——相位角。
由着两个波产生的瞬时声压是这两个瞬时声压之和。合成纯音的均方声压由下式给出
21T2??p?pdt （3-6b） p12rmsT0将式（3-6）和式（3-6a）代入式（3-6b）并积分，得到
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