齒輪性能綜合試驗臺設計,齒輪性能綜合試驗臺設計,齒輪,性能,機能,綜合,試驗臺,設計 吉林大學機械科學與工程學院 畢業(yè)設計題目審批表（暨設計任務書） 畢業(yè)設計題目 齒輪性能綜合試驗臺 擬指導學生數 1 課題類型： 2 結合課題情況： 1 指導教師姓名 所在單位 機械學院 設計題目簡介（主要包括工作內容、要求等）對指導學生的題目應明確個學生的工作內容） 1. 設計任務：通過制動器磨合以及增減砝碼來改變軸承游隙和齒輪精度試驗，從而獲得扭矩、轉速、溫度、噪聲、壓力等傳感器實時采集和處理各種現場數據；并且對多路傳感器信號通過串、并口的同時采集及抗干擾措施。 2. 設計要求：分析齒輪對傳動精度影響，齒輪傳動系統的噪聲分析 3. 主要參數：試驗臺總功率： 4KW；砝碼 m=80kg；帶輪增速比 u=1.5:1； 電機以變頻3000r/min無級調速運行，輸出n=6000-7000r/min； V帶帶型：A型；直齒輪：Z1=62,Z2=42； 4. 工作內容：1）草圖A0一張 2）CAD圖紙 ，三維設計A1 3）設計說明書 20000字 4）外文翻譯 5000以上漢字 4.時間安排 第七學期第1周～第八學期第3周 外文翻譯及開題報告 第八學期第4周～第八學期第8周 方案設計及總體裝配圖 第八學期第9周～第八學期第12周 部件圖幾零件圖 第八學期第13周～第八學期第15周 電器原理圖設計 第八學期第16周 撰寫設計說明書 5.參考資料 數控技術 哈爾濱工業(yè)大學出版社 MCS-51系列單片機系統及起應用 高等教育出版社 機電一體化技術手冊 機械工業(yè)出版社 機電一體化設計基礎 科學出版社 機電一體化原理及應用 國防工業(yè)出版社 機械設計手冊 機械工業(yè)出版社 機床設計手冊 機械工業(yè)出版社 審核意見： 負責人： 年 月 日 注：結合課題情況指（1）在研項目（2）預研項目：課題類型（1）設計（2）論文（3）軟件 本科生畢業(yè)設計（論文） 開題報告 學生姓名： 學 號： 班 級： 專 業(yè)： 機械 指導教師： 齒輪性能綜合試驗臺 開題報告 1. 本課題研究的目的和意義 2 齒輪綜合性能試驗臺研究目的 該綜合試驗臺集機、電、液、氣為一體，通過扭矩、轉速、溫度、噪聲、壓力等傳感器實時采集和處理各種現場數據，對其綜合性能進行測試。 2 我國齒輪傳動制造行業(yè)的現狀分析及與國外相關行業(yè)對比 目前，我國以上海汽車齒輪總廠、陜西法士特公司為代表的骨干齒輪制造企業(yè)和研究所，完成汽車齒輪、摩托車齒輪、工程機械齒輪傳動、農機齒輪、工業(yè)齒輪變速箱和高速重載齒輪、特殊專用齒輪傳動、齒輪專用裝備等各類產品的技術引進和消化，使我國齒輪傳動制造業(yè)近十年得到了跨越式的發(fā)展。 首先，汽車手動變速箱（含重、中、輕、微），轎車變速箱，摩托車齒輪、工程機械換擋變速箱，大、中型農機變速傳動的配套，已經基本立足國內生產，基本滿足了主機廠的配套需要，并已經有部分齒輪件出口或變速箱出口。在汽車自動變速箱方面，目前仍被進口產品控制。 其次，在車輛驅動橋、主被動螺旋錐齒輪、直齒錐齒輪及輪邊減速機方面，大部分能滿足國內配套需要。以東風車橋為代表的驅動橋與錐齒輪產業(yè)正在整合重組發(fā)展，已經看到快速發(fā)展的希望。 第三，在工業(yè)通用變速箱領域，SEW等一批國外獨資企業(yè)的進入激活了中國工業(yè)通用變速箱企業(yè)為代表，在產品系列化、模塊化、質量與技術水平方面，最近五年有了突飛猛進的發(fā)展，形成了與國際品牌的激烈競爭。我國企業(yè)生產的部分產品達到了國際水平，有部分產品已經出口歐美。 第四，在高速重載齒輪傳動制造方面，我國有已南京高精齒輪股份有限公司（南京高速齒輪箱廠）、重慶齒輪箱廠、杭州前進齒輪箱集團、鄭州機械研究所、洛陽中重減速機公司、沈陽礦山減速機公司為代表的企業(yè)。這些企業(yè)在引進技術的過程中，為我國大型成套裝備配套與船舶工業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻。 第五，特殊、專用車輪傳動方面，如非圓齒輪、塑料齒輪、粉末冶金齒輪、小模數齒輪等，我國目前沒有形成龍頭企業(yè)，企業(yè)的技術潛力尚待發(fā)揮。 第六，齒輪專用裝備方面，近五年來民營企業(yè)發(fā)展較快，國有企業(yè)發(fā)展比較慢。大多數國有齒輪裝備制造企業(yè)的裝備可靠性指標進步較慢，致使齒輪行業(yè)的大部分主導精加工裝備仍是以進口為主。部分齒輪企業(yè)裝備國產化的希望主要有：秦川機床廠的蝸桿砂輪磨齒機；重慶機床廠、南京二機長的數控機床；螺旋錐齒輪磨齒機床的研制成功；天津元昊公司數控螺旋錐齒輪切齒機床的批量供貨；杭州天辰精密齒輪檢具、量具、夾具；長城潤滑油對齒輪行業(yè)的潤滑市場服務。這些都讓我國齒輪行業(yè)看到了自立創(chuàng)新、自主發(fā)展的希望。 雖然前景令人振奮，但專家也指出，同歐、美、日相比，中國齒輪行業(yè)還存在一定差距，主要表現為：自主創(chuàng)新能力不足、新品開發(fā)慢。如在汽車自動變速箱方面，目前仍被進口產品控制；在特殊、專用齒輪傳動方面，我國目前還沒有形成龍頭企業(yè)，企業(yè)的技術潛力尚待發(fā)揮。尤其是塑料齒輪在國外的應用越來越普遍，但在我國并未得到應有重視，已遠遠落后世界水平；國產齒輪裝備水平從整體上看，仍與歐、美、日存在較大差距，特別是高端產品、自動化產品不足，齒輪行業(yè)的大部分主導精加工裝備仍以進口為主。此外還存在著市場競爭無序、企業(yè)管理薄弱、信息化程度低、從業(yè)人員綜合素質有待提高的問題。 2. 課題任務 檢測數據現場顯示、存儲及輸出，并根據預先輸入計算機的分組參數進行產品質量性能判斷。 本試驗臺也可用于研究汽車各種系列前、中、后橋總成的制動器制動性能測試與磨合試驗，并能夠對橋總成進行綜合性能的在線檢測。 通過制動器磨合以及增減砝碼來改變軸承游隙和齒輪精度試驗，從而獲得扭矩、轉速、溫度、噪聲、壓力等傳感器實時采集和處理各種現場數據；并且對多路傳感器信號通過串、并口的同時采集及抗干擾措施。 3. 本設計內容與要求 l 齒輪傳動精度影響 輪齒加工時，由于輪坯、刀具在機床上的安裝誤差，機床和刀具的制造誤差以及加工時所引起的振動等原因，加工出來的齒輪存在著不同程度的誤差。加工誤差大、精度低，將影響齒輪的傳動質量和承載能力；反之，若精度要求過高，將給加工帶來困難，提高制造成本。因此，根據齒輪的實際工作條件，對齒輪加工精度提出適當的要求至關重要。 我國國標GB10095-88中，對漸開線圓柱齒輪規(guī)定了12個精度等級，第l級精度最高，第12級最低。齒輪精度等級主要根據傳動的使用條件、傳遞的功率、圓周速度以及其它經濟、技術要求決定。6級是高精度等級，用于高速、分度等要求高的齒輪傳動，一般機械中常用7～8級，對精度要求不高的低速齒輪可使用9～12級。 　 齒輪每個精度等級的公差根據對運動準確性、傳動平穩(wěn)性和載荷分布均勻性等三方面要求，劃分成三個公差組，即第I公差組、第II公差組、第III公差組。在一般情況下，可選三個公差組為同一精度等級，但也容許根據使用要求的不同，選擇不同精度等級的公差組組合。第II公差級精度等級6～9級的選擇可參閱下表，第III公差組一般不得低于第II公差組的精度等級，第I公差組和第III公差組的精度等級可參閱有關手冊加以確定。 齒輪傳動的側隙是指一對齒輪在嚙合傳動中，工作齒廓相互接觸時，在兩基圓柱的內公切面上，兩個非工作因廓之間的最小距離jn。規(guī)定側隙，可避免因制造、安裝誤差以及熱膨脹或承載變形等原因而導致輪齒卡住。合適的側隙可通過適當的齒厚極限偏差和中心距極限偏差來保證，齒輪副的實際中心距越大，齒厚越小，其側隙就越大。 l 齒輪傳動系統的噪聲分析 ??在傳統齒輪傳動類產品(如工業(yè)減速箱、汽車變速器等)的設計過程中，人們往往只注重功能的實現和工作的可靠性，很少關心整個機械的運轉噪聲問題。但隨著人們對工作和生活環(huán)境舒適度要求的不斷提高，噪聲問題也隨之愈發(fā)凸顯出來。 為從設計角度出發(fā)降低齒輪傳動系統的噪聲，我們就應首先來分析一下齒輪系統噪聲的種類和發(fā)生機理。 ??? ?在齒輪系統中，根據機理的不同，可將噪聲分成加速度噪聲和自鳴噪聲兩種。一方面，在齒輪輪齒嚙合時，由于沖擊而使齒輪產生很大的加速度并會引起周圍介質擾動，由這種擾動產生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲。另一方面，在齒輪動態(tài)嚙合力作用下，系統的各零部件會產生振動，這些振動所產生的聲輻射稱為自鳴噪聲。 ???? 對于開式齒輪傳動，加速度噪聲由輪齒沖擊處直接輻射出來，自鳴噪聲則由輪體、傳動軸等處輻射出來。對于閉式齒輪傳動，加速度噪聲先輻射到齒輪箱內的空氣和潤滑油中，再通過齒輪箱輻射出來。自鳴噪聲則由齒輪體的振動通過傳動軸引起支座振動，從而通過齒輪箱箱壁的振動而輻射出來。一般說來，自鳴噪聲是閉式齒輪傳動的主要聲源。 ???? 因此，齒輪系統的噪聲強度不僅與輪齒嚙合的動態(tài)激勵力有關，而且還與輪體、傳動軸．軸承及箱體等的結構形式、動態(tài)特性以及動態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關。一般來說，齒輪系統噪聲發(fā)生的原因主要有以下幾個方面： (1)齒輪設計方面 參數選擇不當，重合度過小，齒廓修形不當或沒有修形，齒輪箱結構不合理等。 (2)齒輪加工方面 基節(jié)誤差和齒形誤差過大，齒側間隙過大，表面粗糙度過大等。 ? (3)輪系及齒輪箱方面 裝配偏心，接觸精度低，軸的平行度差，軸，軸承、支承的剛度不足，軸承的回轉精度不高及間隙不當等。 (4)其他方面輸入扭矩。負載扭矩的波動，軸系的扭振，電動機及其它傳動副的平衡情況等。 l 齒輪試驗臺的主要技術性能 ? 試驗控制方式：自動測試循環(huán)/手動調試 ? 試驗臺模擬加載狀態(tài)：加載軸負荷0～5T，無級可調。 ? 制動器加載磨合； ? 運行噪聲及異響檢測 ? 試驗臺控制計算機具有制動參數和傳動轉矩、轉速、功率、噪聲、溫升的參數采集、計算、判斷、顯示、存儲和輸出功能； ? 試驗臺控制計算機具有產品工藝參數設定、修改功能；參數修改權限確認功能；開機自檢功能；單步調試功能；程序檢測功能； ? 試驗齒輪制造精度對軸線回轉精度、傳動的震動與噪聲的影響； ? 試驗軸承精度、軸承預緊量和支撐剛度等對軸線回轉精度、傳動的震動與噪聲的影響； ? 試驗齒輪潤滑和軸承潤滑對傳動震動溫升和噪聲的影響。 l 具體技術指標要求如下 ? 試驗臺總功率： ~ 4KW； ? 砝碼 m=80kg； ? 帶輪增速比 u=1.5:1； ? 電機以變頻3000r/min無級調速運行，輸出n=6000~7000r/min； ? V帶帶型：A型； ? 直齒輪：Z1=62,Z2=42； 4. 總體方案設計 該試驗臺主要由機械系統和測控系統組成。其中機械系統主要包括：齒輪傳動機構，傳感器的固定機構，軸承的固定機構，增速器機構，加載裝置，磁粉制動器，皮帶輪，皮帶，交流電機，聯軸器，扭矩傳感器，砝碼。測控系統主要包括：傳感器，信號調理裝置，信號采集與控制裝置和微機。 5. 設計進度計劃 1—2周 了解該試驗臺概況，閱讀相關文獻，作英文翻譯； 3—4周 提出試驗臺改進方案，進行總體方案設計； 5—7周 機械系統設計﹑加工﹑裝配與調試； 8—9周 測控系統設計﹑選購與裝配； 10—12周 系統軟件設計與調試； 13—14周 撰寫設計說明書，準備答辯 6. 參考資料 1) 高春甫．機電控制系統設計．吉林大學，2003 2) 王毅． 單片機器件應用手冊． 北京：人民郵電出版社，1995 3) 侯洪生，董國耀．機械工程圖學．科學出版社，2001 4) 譚慶昌，趙洪志，曾平．機械設計．吉林科學技術出版社，1995 5) 瑞士KISTLER力傳感器及其信號調理儀使用說明書 6) 蔣敦斌，李文英．非電量測量與傳感器應用．國防工業(yè)出版社，2005 9 吉林大學本科畢業(yè)設計說明書 中文摘要 本文開發(fā)了一種齒輪綜合性能試驗臺系統，該系統利用加載一定質量的砝碼，在電動機轉速一定的情況之下，通過改變磁粉制動器來檢測數據現場顯示、存儲及輸出，并根據預先輸入計算機的分組參數進行產品質量性能判斷。本系統是典型的機電一體化系統。 該試驗臺主要由機械系統和測控系統組成。其中機械系統主要包括：齒輪傳動機構，傳感器的固定機構，軸承的固定機構，增速器機構，加載裝置，磁粉制動器，皮帶輪，皮帶，交流電機，聯軸器，扭矩傳感器，砝碼。測控系統主要包括：傳感器，信號調理裝置，信號采集與控制裝置和單片機。 關鍵詞：齒輪 傳感器 砝碼 英文摘要 Title ：The testing machine of the gear integration capability test-bed system. Abstract This task had developed a sort of the gear integration capability test-bed system.This system using load to a certainty molar poise.at the circumstance of electromotor rotate speed has been defined,via altering magnetic induction arrestor to survey the display of data 、storage and output,and also accoding input the computer grouping parameter to carry through judgment of production quality. This system is a typical example that simulate the robot with the machine and electrons. This test-bed had two kinds mostly components :mechanism system and measure controlling system.The mechanism mostly include:gear transmission framework,fasten framework of the sensor,fasten framework of bearing,speed up framework,loading epuipment, magnetic induction arrestor,strap wheel,strap,altering electrical motor,join axis organ,wrest sensor,poise.The measure controlling system mostly include:sensor,signal dispose setting,signal collection and controlling setting and SCM. Keywords:gear sensor poise 43 目錄 1. 緒 論 1 1.1 課題研究的目的和意義 1 1.2 國內外的研究狀況 1 1.3 課題任務 3 1.4 本論文的主要研究內容 9 2. 系統總體方案 10 2.1試驗系統的組成及控制原理 11 2.2機械系統的工作原理： 12 3 機械結構設計 13 3.1直齒圓柱齒輪設計： 13 3.2 傳感器選擇 23 4 電氣系統設計 26 4.1計算機檢測系統的組成 26 4.2 電氣系統的基本組成 27 4.3 電氣系統的設計 33 4.4 交流電機及其控制 33 4.5程序設計 39 結論 42 致謝 43 參考文獻 43 圖1 44 圖2 44 圖3 45 1. 緒 論 1.1 課題研究的目的和意義 隨著科技的進步，人類的生活可謂日新月異，一日千里，只有緊跟著科技的脈搏，才可能創(chuàng)造更高生產力，才能創(chuàng)造更多的經濟財富，提高國家的綜合實力，增加國際威望。這就迫切需要我們研制高尖端的科技產品，如何提升，這就需要我們在日常生活中能夠將有潛在使用價值的東西挖掘出來，以備進一步的研究及開發(fā)利用，如本課題所研究的齒輪綜合性能試驗臺，它就是一種很實用的科研產品。 該綜合試驗臺集機、電為一體，通過安裝不同精度不同形式的齒輪，利用扭矩、轉速、溫度等傳感器來進行實時采集和處理各種現場數據，對其綜合性能進行測試。 1.2 國內外的研究狀況 目前，我國以上海汽車齒輪總廠、陜西法士特公司為代表的骨干齒輪制造企業(yè)和研究所，完成汽車齒輪、摩托車齒輪、工程機械齒輪傳動、農機齒輪、工業(yè)齒輪變速箱和高速重載齒輪、特殊專用齒輪傳動、齒輪專用裝備等各類產品的技術引進和消化，使我國齒輪傳動制造業(yè)近十年得到了跨越式的發(fā)展。 1.汽車手動變速箱（含重、中、輕、微），轎車變速箱，摩托車齒輪、工程機械換擋變速箱，大、中型農機變速傳動的配套，已經基本立足國內生產，基本滿足了主機廠的配套需要，并已經有部分齒輪件出口或變速箱出口。在汽車自動變速箱方面，目前仍被進口產品控制。 2.在車輛驅動橋、主被動螺旋錐齒輪、直齒錐齒輪及輪邊減速機方面，大部分能滿足國內配套需要。以東風車橋為代表的驅動橋與錐齒輪產業(yè)正在整合重組發(fā)展，已經看到快速發(fā)展的希望。 3.在工業(yè)通用變速箱領域，SEW等一批國外獨資企業(yè)的進入激活了中國工業(yè)通用變速箱企業(yè)為代表，在產品系列化、模塊化、質量與技術水平方面，最近五年有了突飛猛進的發(fā)展，形成了與國際品牌的激烈競爭。我國企業(yè)生產的部分產品達到了國際水平，有部分產品已經出口歐美。 4.在高速重載齒輪傳動制造方面，我國有已南京高精齒輪股份有限公司（南京高速齒輪箱廠）、重慶齒輪箱廠、杭州前進齒輪箱集團、鄭州機械研究所、洛陽中重減速機公司、沈陽礦山減速機公司為代表的企業(yè)。這些企業(yè)在引進技術的過程中，為我國大型成套裝備配套與船舶工業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻。 5.特殊、專用車輪傳動方面，如非圓齒輪、塑料齒輪、粉末冶金齒輪、小模數齒輪等，我國目前沒有形成龍頭企業(yè)，企業(yè)的技術潛力尚待發(fā)揮。 6.齒輪專用裝備方面，近五年來民營企業(yè)發(fā)展較快，國有企業(yè)發(fā)展比較慢。大多數國有齒輪裝備制造企業(yè)的裝備可靠性指標進步較慢，致使齒輪行業(yè)的大部分主導精加工裝備仍是以進口為主。部分齒輪企業(yè)裝備國產化的希望主要有：秦川機床廠的蝸桿砂輪磨齒機；重慶機床廠、南京二機長的數控機床；螺旋錐齒輪磨齒機床的研制成功；天津元昊公司數控螺旋錐齒輪切齒機床的批量供貨；杭州天辰精密齒輪檢具、量具、夾具；長城潤滑油對齒輪行業(yè)的潤滑市場服務。這些都讓我國齒輪行業(yè)看到了自立創(chuàng)新、自主發(fā)展的希望。 雖然前景令人振奮，但專家也指出，同歐、美、日相比，中國齒輪行業(yè)還存在一定差距，主要表現為：自主創(chuàng)新能力不足、新品開發(fā)慢。如在汽車自動變速箱方面，目前仍被進口產品控制；在特殊、專用齒輪傳動方面，我國目前還沒有形成龍頭企業(yè)，企業(yè)的技術潛力尚待發(fā)揮。尤其是塑料齒輪在國外的應用越來越普遍，但在我國并未得到應有重視，已遠遠落后世界水平；國產齒輪裝備水平從整體上看，仍與歐、美、日存在較大差距，特別是高端產品、自動化產品不足，齒輪行業(yè)的大部分主導精加工裝備仍以進口為主。此外還存在著市場競爭無序、企業(yè)管理薄弱、信息化程度低、從業(yè)人員綜合素質有待提高的問題。 1.3 課題任務 檢測數據現場顯示、存儲及輸出，并根據預先輸入計算機的分組參數進行產品質量性能判斷。 本試驗臺也可用于研究汽車各種系列前、中、后橋總成的制動器制動性能測試與磨合試驗，并能夠對橋總成進行綜合性能的在線檢測。 通過制動器磨合以及增減砝碼來改變軸承游隙和齒輪精度試驗，從而獲得扭矩、轉速、溫度、噪聲、壓力等傳感器實時采集和處理各種現場數據；并且對多路傳感器信號通過串、并口的同時采集及抗干擾措施。 1.3.1齒輪傳動精度影響 輪齒加工時，由于輪坯、刀具在機床上的安裝誤差，機床和刀具的制造誤差以及加工時所引起的振動等原因，加工出來的齒輪存在著不同程度的誤差。加工誤差大、精度低，將影響齒輪的傳動質量和承載能力；反之，若精度要求過高，將給加工帶來困難，提高制造成本。因此，根據齒輪的實際工作條件，對齒輪加工精度提出適當的要求至關重要。 我國國標GB10095-88中，對漸開線圓柱齒輪規(guī)定了12個精度等級，第l級精度最高，第12級最低。齒輪精度等級主要根據傳動的使用條件、傳遞的功率、圓周速度以及其它經濟、技術要求決定。6級是高精度等級，用于高速、分度等要求高的齒輪傳動，一般機械中常用7～8級，對精度要求不高的低速齒輪可使用9～12級。 　 齒輪每個精度等級的公差根據對運動準確性、傳動平穩(wěn)性和載荷分布均勻性等三方面要求，劃分成三個公差組，即第I公差組、第II公差組、第III公差組。在一般情況下，可選三個公差組為同一精度等級，但也容許根據使用要求的不同，選擇不同精度等級的公差組組合。第II公差級精度等級6～9級的選擇可參閱下表，第III公差組一般不得低于第II公差組的精度等級，第I公差組和第III公差組的精度等級可參閱有關手冊加以確定。 齒輪傳動的側隙是指一對齒輪在嚙合傳動中，工作齒廓相互接觸時，在兩基圓柱的內公切面上，兩個非工作因廓之間的最小距離jn。規(guī)定側隙，可避免因制造、安裝誤差以及熱膨脹或承載變形等原因而導致輪齒卡住。合適的側隙可通過適當的齒厚極限偏差和中心距極限偏差來保證，齒輪副的實際中心距越大，齒厚越小，其側隙就越大。 1.3.2齒輪傳動系統的噪聲分析 ?在傳統齒輪傳動類產品(如工業(yè)減速箱、汽車變速器等)的設計過程中，人們往往只注重功能的實現和工作的可靠性，很少關心整個機械的運轉噪聲問題。但隨著人們對工作和生活環(huán)境舒適度要求的不斷提高，噪聲問題也隨之愈發(fā)凸顯出來。 為從設計角度出發(fā)降低齒輪傳動系統的噪聲，我們就應首先來分析一下齒輪系統噪聲的種類和發(fā)生機理。 ??? 在齒輪系統中，根據機理的不同，可將噪聲分成加速度噪聲和自鳴噪聲兩種。一方面，在齒輪輪齒嚙合時，由于沖擊而使齒輪產生很大的加速度并會引起周圍介質擾動，由這種擾動產生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲。另一方面，在齒輪動態(tài)嚙合力作用下，系統的各零部件會產生振動，這些振動所產生的聲輻射稱為自鳴噪聲。 ???? 對于開式齒輪傳動，加速度噪聲由輪齒沖擊處直接輻射出來，自鳴噪聲則由輪體、傳動軸等處輻射出來。對于閉式齒輪傳動，加速度噪聲先輻射到齒輪箱內的空氣和潤滑油中，再通過齒輪箱輻射出來。自鳴噪聲則由齒輪體的振動通過傳動軸引起支座振動，從而通過齒輪箱箱壁的振動而輻射出來。一般說來，自鳴噪聲是閉式齒輪傳動的主要聲源。 ???? 因此，齒輪系統的噪聲強度不僅與輪齒嚙合的動態(tài)激勵力有關，而且還與輪體、傳動軸．軸承及箱體等的結構形式、動態(tài)特性以及動態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關。一般來說，齒輪系統噪聲發(fā)生的原因主要有以下幾個方面： (1)齒輪設計方面 參數選擇不當，重合度過小，齒廓修形不當或沒有修形，齒輪箱結構不合理等。 (2)齒輪加工方面 基節(jié)誤差和齒形誤差過大，齒側間隙過大，表面粗糙度過大等。 ? (3)輪系及齒輪箱方面 裝配偏心，接觸精度低，軸的平行度差，軸，軸承、支承的剛度不足，軸承的回轉精度不高及間隙不當等。 (4)其他方面輸入扭矩。負載扭矩的波動，軸系的扭振，電動機及其它傳動副的平衡情況等。 a）系統可對變速器試驗樣品進行性能試驗。 b）針對力及扭矩、位移等參數，系統可分別對以上參數進行檢測。 c）要求勻速施加驅動力(靜壓力)，驅動速度可調。 d）測試數據可存儲及顯示輸出。 1.3.3潤滑對齒輪失效影響 工作中的齒輪副發(fā)生失效，與所傳遞的運動和動力的性狀直接有關。在使用齒輪副的目的—“完成特定的運動和動力的傳遞“。不可改變時，為了防止齒輪失效，人們首先從機械角度考慮問題。如選擇優(yōu)良的齒輪材料，合理的齒輪設計參數，先進的熱處理技術及高精度的機加工工藝等。這都是必不可少且行之有效的，但往往忽略了合理潤滑的作用。 潤滑是研究齒輪相對運動，相互作用的表面科學所不可缺少的內容。例如，在負荷不大的情況下，齒輪副的表面粗糙度與潤滑油膜厚度成為一對矛盾。為保證流體動力膜的形成，可以要求更光滑的齒面，使凸起高度小于油膜厚度，也可以要求更厚的油膜將稍大的凸起掩蓋，二者都可達到將摩擦齒面隔開的目的。這后一種辦法就是通過選用合適粘度的乳化油實現的。在負荷變大的情況下，流體動力膜及彈流膜在壓力下不能保持住而發(fā)生破裂，使齒面凸峰相碰。在齒輪制造中采用先進技術是減輕這種碰撞的必要條件，但不是充分條件。只有當同時采用先進的潤滑技術，選用可與齒面形成邊界潤滑膜的齒輪油時，控制齒輪失效才成為可能。 由此可見，合理潤滑可以避免，減輕和延緩齒輪失效。因而，人們將齒輪潤滑劑看作是齒輪機構的元件之一。 1.3.4齒輪傳動的特點及類型分析 齒輪傳動能傳遞兩個平行軸或相交軸或交錯軸間的回轉運動和轉矩。 一、 齒輪傳動的特點 a)效率高?? 在常用的機械傳動中，以齒輪傳動效率為最高，閉式傳動效率為96%~99%，這對大功率傳動有很大的經濟意義。 b）結構緊湊?? 比帶、鏈傳動所需的空間尺寸小。 c)工作可靠、壽命長?? 設計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動，工作十分可靠，壽命可長達一二十年，這也是其它機械傳動所不能比擬的。這對車輛及在礦井內工作的機器尤為重要。 d)傳動比穩(wěn)定?? 傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應用，正是由于其具有這一特點。 二、齒輪傳動的類型 齒輪傳動就裝置形式分： a）開式、半開式傳動??? 在農業(yè)機械、建筑機械以及簡易的機械設備中，有一些齒輪傳動沒有防塵罩或機殼，齒輪完全暴露在外邊，這叫開式齒輪傳動。這種傳動不僅外界雜物極易侵入，而且潤滑不良，因此工作條件不好，輪齒也容易磨損，故只宜用于低速傳動。齒輪傳動裝有簡單的防護罩，有時還把大齒輪部分地浸入油池中，則稱為半開式齒輪傳動。它工作條件雖有改善，但仍不能做到嚴密防止外界雜物侵入，潤滑條件也不算最好。 b）閉式傳動?? 而汽車、機床、航空發(fā)動機等所用的齒輪傳動，都是裝在經過精確加工而且封閉嚴密的箱體(機匣)的，這稱為閉式齒輪傳動(齒輪箱)。它與開式或半開式的相比，潤滑及防護等條件最好，多用于重要的場合。 按齒面硬度分： ??? a）軟齒面齒輪?? 輪齒工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC； b）硬齒面齒輪?? 輪齒工作面的硬度大于350HBS或38HRC。 1.3.5 使用變頻器的注意事項分析 物理環(huán)境 a)工作溫度。變頻器內部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產品一般要求為0～55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，變頻器一般應安裝在箱體上部，并嚴格遵守產品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。 b)環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內部易出現結露現象，其絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。 c)腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能，在這種情況下，應把控制箱制成封閉式結構，并進行換氣。 d)振動和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機械振動和沖擊時，會引起電氣接觸不良。這時除了提高控制柜的機械強度、遠離振動源和沖擊源外，還應使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內電磁開關之類產生振動的元器件。設備運行一段時間后，應對其進行檢查和維護。 電氣環(huán)境 a)防止電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內儀表和電子系統，應該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統無法工作，導致控制單元失靈或損壞。 b)防止輸入端過電壓。變頻器電源輸入端往往有過電壓保護，但是，如果輸入端高電壓作用時間長，會使變頻器輸入端損壞。因此，在實際運用中，要核實變頻器的輸入電壓、單相還是三相和變頻器使用額定電壓。特別是電源電壓極不穩(wěn)定時要有穩(wěn)壓設備，否則會造成嚴重后果。 接地 變頻器正確接地是提高控制系統靈敏度、抑制噪聲能力的重要手段，變頻器接地端子E(G)接地電阻越小越好，接地導線截面積應不小于2mm2，長度應控制在20m以內。變頻器的接地必須與動力設備接地點分開，不能共地。信號輸入線的屏蔽層，應接至E(G)上，其另一端絕不能接于地端，否則會引起信號變化波動，使系統振蕩不止。變頻器與控制柜之間應電氣連通，如果實際安裝有困難，可利用銅芯導線跨接。 防雷 在變頻器中，一般都設有雷電吸收網絡，主要防止瞬間的雷電侵入，使變頻器損壞 。但在實際工作中，特別是電源線架空引入的情況下，單靠變頻器的吸收網絡是不能滿足要求的。在雷電活躍地區(qū)，這一問題尤為重要，如果電源是架空進線，在進線處裝設變頻專用避雷器(選件)，或有按規(guī)范要求在離變頻器20m的遠處預埋鋼管做專用接地保護。如果電源是電纜引入，則應做好控制室的防雷系統，以防雷電竄入破壞設備。實踐表明，這一方法基本上能夠有效解決雷擊問題。 具體技術指標如下： ? 試驗臺總功率：4KW； ? 砝碼 m=80kg； ? 帶輪增速比 u=1.5:1； ? 電機以變頻3000r/min無級調速運行，輸出n=6000～7000r/min； ? V帶帶型：B型； ? 直齒輪：Z1=62,Z2=42； 1.4 本論文的主要研究內容 該試驗臺主要由機械系統和測控系統組成。其中機械系統主要包括：齒輪傳動機構，傳感器的固定機構，軸承的固定機構，增速器機構，加載裝置，磁粉制動器，皮帶輪，皮帶，交流電機，聯軸器，扭矩傳感器，砝碼。測控系統主要包括：傳感器，信號調理裝置，信號采集與控制裝置和單片機。 2. 系統總體方案 齒輪試驗臺的主要技術性能 1)試驗控制方式：自動測試循環(huán)/手動調試 2)試驗臺模擬加載狀態(tài)：加載軸負荷0～5T，無級可調。 3)制動器加載磨合； 運行噪聲及異響檢測 試驗臺控制計算機具有制動參數和傳動轉矩、轉速、功率、噪聲、溫升的參數采集、計算、判斷、顯示、存儲和輸出功能； 試驗臺控制計算機具有產品工藝參數設定、修改功能；參數修改權限確認功能；開機自檢功能；單步調試功能；程序檢測功能； 試驗齒輪制造精度對軸線回轉精度、傳動的震動與噪聲的影響； 試驗軸承精度、軸承預緊量和支撐剛度等對軸線回轉精度、傳動的震動與噪聲的影響； 試驗齒輪潤滑和軸承潤滑對傳動震動溫升和噪聲的影響。 2.1試驗系統的組成及控制原理 該試驗臺主要由機械系統和測控系統組成。其中機械系統主要包括：齒輪傳動機構，傳感器的固定機構，軸承的固定機構，增速器機構，加載裝置，磁粉制動器，皮帶輪，皮帶，交流電機，聯軸器，扭矩傳感器，砝碼。測控系統主要包括：傳感器，信號調理裝置，信號采集與控制裝置和單片機。該系統的整體框圖如圖2-1所示。 圖2-1系統結構框圖 2.2機械系統的工作原理： 該系統利用加載一定質量的砝碼，在電動機轉速一定的情況之下，通過改變磁粉制動器來檢測數據現場顯示、存儲及輸出，并根據預先輸入計算機的分組參數進行產品質量性能判斷。 對于磁粉制動器，它是根據電磁原理和利用磁粉傳遞轉矩的，它具有激磁電流和傳遞轉矩基本成線性關系，在同滑差無關的情況下能夠傳遞一定的轉矩，響應速度快、結構簡單等優(yōu)點，可以說磁粉制動器是一種多用途、性能優(yōu)越的自動控制元件。這也正是本系統選用它的原因。 通過制動器磨合以及增減砝碼來改變軸承游隙和齒輪精度試驗，從而獲得扭矩、轉速、溫度、噪聲等傳感器實時采集和處理各種現場數據；并且對多路傳感器信號通過串、并口的同時采集及抗干擾措施。 圖2-2齒輪箱的基本構成 3 機械結構設計 3.1直齒圓柱齒輪設計： 3.1.1直齒圓柱齒輪強度設計 1．選擇齒輪材料 熱處理 精度等級 因是一般用途的齒輪傳動,齒輪材料可選用45鋼,傳遞功率不大,且結構尺寸無嚴格要求,可選用軟齒面齒輪傳動。 由《機械設計》書參考表9-3,選小齒輪調質,齒面硬度230-240HBS,大齒輪正火,齒面硬度190-200HBS,精度為8級。 2．選取齒輪齒數 閉式軟齒面齒輪傳動,可以多選些,初選 取,傳動比 3．按齒面接觸疲勞強度設計 對閉式軟齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面接觸強度，故按接觸強度設計，校核齒根彎曲強度。 確定式中各項數值: 因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數; 由《機械設計》書參考表9-10,選取; 由《機械設計》書參考表9-7,查得; 由《機械設計》書參考圖9-14，查得； 式9-7, 由《機械設計》書參考由圖9-13,查得; 由式9-12, 由《機械設計》書參考圖9-15，按允許一定點蝕，查得，； 由《機械設計》書參考圖9-16d,按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在MQ和ML線中間（適當延長MQ和ML線）查取，同理，在圖9-16C中查??； 由《機械設計》書參考表9－8，選?。? 取設計齒輪參數。 由《機械設計》書參考表9-5，查得； 由《機械設計》書參考圖9-7，查得； 由《機械設計》書參考圖9-10，查得； 由《機械設計》書參考表9-6，查得； 則； 選取。 齒輪主要幾何尺寸： 取中心距，則d=m z=155mm d=m z=105mm a=（m z+ m z）/2=130； ，取， 4．校核齒根彎曲疲勞強度 由《機械設計》書參考式9-13， 由《機械設計》書參考圖9-19、圖9-20按 查得 由《機械設計》書參考圖9-21，查得 ； 由《機械設計》書參考圖9－22c，按小齒輪齒面硬度均值235HBS，在ML線(適當延長)上查得；同理，由《機械設計》書參考圖9－22b上，查得； 由《機械設計》書參考表9－8，選??； 將確定出得各項數值代入彎曲強度校核公式，得 可見齒根彎曲疲勞強度足夠。 圖3-1 從動直齒輪 3.1.2斜齒圓柱齒輪強度設計 按齒面接觸疲勞強度設計： 閉式軟齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面接觸強度，故按齒面接觸強度設計，校核齒根彎曲疲勞強度。 下面確定式中的參數： 因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數; 由《機械設計》書參考表9-10選取齒寬系數，由表9-7，可以查得，由《機械設計》書參考圖9-14，可以查得， 由《機械設計》書參考公式9-7， 。 由《機械設計》書參考圖9-13，可以查得， ， 由式9-12, 由《機械設計》書參考圖9-15，按允許一定的點蝕，查有，， 由《機械設計》書參考圖9-16d，按小齒輪齒面硬度平均值，在MQ和ML線查取，同理，在圖9-1c中查取。 由表9-8，查有（取一般可靠度99%考慮） 取其中的較小的來設計參數。至此，把以上確定的參數帶入到設計公式 中，得： 由《機械設計》書參考查表9-5，查有； 由《機械設計》書參考圖 9-7，查有；由圖9-10，查有； 由《機械設計》書參考表9-6，查有。那么，總的系數， 重新修正齒輪直徑：，， m=/cos=2.549 由《機械設計》書參考查表9-1，按第一系列的標準模數選取，這樣齒輪的主要參數就是： 那么，齒輪的分度圓直徑為： 或按照下述計算 ， 圓滑中心距為，螺旋角，， 齒輪的齒寬 取大齒輪的齒寬，小齒輪的齒寬為。 下面按照齒根彎曲疲勞強度校核 齒面接觸疲勞強度校核的條件： 計算當量齒輪端面重合度：， 由《機械設計》書參考9-11給出的公式：， 由《機械設計》書參考公式9-13， 由《機械設計》書參考圖9-28，查得 ，那么： 由《機械設計》書參考圖9-19，圖9-20，按查得： ， ； ， ； 由《機械設計》書參考圖9-22c，按小齒輪的齒面硬度值 ，在ML線查取，同理，在圖9-2b中查取。 由《機械設計》書參考表9-8，選用 （一般可靠度）： 將以上確定的各個參數帶入到彎曲強度校核公式中得： 至此，斜齒輪的設計校核工作就基本完成了。 3.1.3帶輪的設計計算 由于本設計的傳動部分采用帶傳動，所以以下是帶傳動的相關計算，已知電機額定功率P=4KW，轉速r=6000r/min,傳動比 i=0.68 轉速誤差不超過±5% 1）確定設計功率Pd Pd=KAP 查KA=1.2 Pd=1.2x4=4.8KW 2) 選V帶型號 據Pd和n1器選用B型V帶 3）選擇帶輪直徑D1 D2 B型V帶Dmin=125mm,應使D1≥Dmin，考慮小帶輪轉速并不是很高，結構尺寸有無特別限制，據整個試樣機的空間布局，故選D1=172mm， 驗算帶速V=πD1n1/60x6000=9m/s， 帶速在5-25m/之間，不低，D1選擇合適D2=iD1=2.5*172=430mm。 4）確定中心距a 和帶長Ld 設計條件中并未特殊要求中心距，考慮制樣機總體結構和布局向初選中心距0.7(D2+D1)≤a0≤2(D2+D1),421 ≤a0≤1204初選a0=780mm, 帶長Ld=2a0+π(D2+D1)/2+(D2-D1)/4a0=2530mm,取Ld=2528mm a的調整范圍為742mm——885mm 5) 驗算小帶輪包角α=180- (D2-D1)×57.3°/a=161.1°＞120° 6) 確定V帶根數 Z=Pd/（P0+⊿P0 ）KaKL,查表P0 =3.85KW,又⊿P0=Kbn1(1-1/Ki) 查表Kb=0.0026494，Ki =1.1373，⊿P0=0.28KW,查表Ka=0.95，KL=1.03 代入公式Z=3.2,所以取Z=3。 圖3-2 從動帶輪 3.2 傳感器選擇 科學技術離不開測量。測量的目的就是要獲得被測對象的有關物理或化學性質的信息，以便根據這些信息對被測對象進行評價或控制，完成這一功能的器件就我們稱之為傳感器。也就是說傳感器是借助于檢測元件(敏感元件)接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將它轉換成另一種信息的裝置。它獲取的信息，可以是各種物理量、化學量和生物量，而轉換后的信號也有各種形式。傳感器分類方法很多，常用的有2種:一種是按被測的參數分，另一種是按變換原理來分。通常按被測的參數來分類，可分為熱工參數:溫度、比熱、壓力、流量、液位等;機械量參數:位移、力、加速度、重量等;物性參數:比重、濃度、算監(jiān)度等;狀態(tài)量參數:顏色、裂紋、磨損等。溫度傳感器屬于熱工參數。 溫度傳感器按傳感器于被測介質的接觸方式可分為2大類:一類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器，接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸，通過熱傳導及對流原理達到熱平衡，這時的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高，并在一定程度上還可測量物體內部的溫度分布，但對于運動的、熱容量比較小的、或對感溫元件有腐蝕作用的對象，這種方法將會產生很大的誤差。非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。目前最常用的是輻射熱交換原理。此種測溫方法的主要特點是可測量運動狀態(tài)的小目標及熱容量小或變化迅速的對象，也可測溫度場的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。無論何種傳感器，作為測量與控制系統的首要環(huán)節(jié)，通常都必須具有快速、準確、可靠且又經濟的實現信息轉換的基本要求。傳感器是信息技術的前沿尖端產品，被廣泛用于工農業(yè)生產、科學研究和生等領域，尤其是溫度傳感器，使用范圍廣，數量多，居各種傳感器之首。另外，溫度傳感器的發(fā)展大致經歷了主要以下的3個階段; (1) 傳統的分立式溫度傳感器(含敏感元件);主要是能夠進行非電量和電量之間轉換。 (2) 模擬集成溫度傳感器/控制器; (3) 智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式、由集成化向智能化、網絡化的方向發(fā)展。 同時，對傳感器有以下要求: (1) 足夠的容量。傳感器的工作范圍或量程足夠大;具有一定過載能力。 (2) 與測量或控制系統相匹配性好，轉換靈敏度高，線性程度好。 (3) 反應快，工作可靠性高。 (4) 精度適當且穩(wěn)定性好，即傳感器的靜態(tài)響應與動態(tài)響應的準確度能滿足要求，并長期穩(wěn)定。 (5) 適用性和適應性強，即動作能量小，對被測量的狀態(tài)影響小;內部噪聲小而又不易受外界干擾的影響，使用安全等。 (6) 使用經濟。即成本低、壽命長，且易于使用、維修和校準。 3.2.1 扭矩轉速傳感器 CWZ-80型扭矩轉速傳感器通過彈性軸、兩組磁電信號發(fā)生器，把被測轉矩、轉速轉換成具有相位差的兩組交流電信號，這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉速成正比，而其相位差的變化部分又與被測轉矩成正比。將傳感器的這兩組電信號用專用屏蔽電纜線送入NC型扭矩測量儀或裝有扭矩卡的計算機，即可得到轉矩、轉速及功率的精確值。CWZ-80型扭矩轉速傳感器與NC-2A型扭矩儀或CB2000卡配套使用，是一種測量各種動力機械轉動力矩、轉速、及機械功率的精密測量儀器。其用途十分廣泛，在電機、風機、水泵、齒輪及減速箱、鐵路機車、汽車拖拉機、飛機、船舶、礦山 機械、液壓氣動元件等幾乎所有機械制造部門及其科研院所、大專院校均有廣泛的應用。 圖3-3 扭矩轉速傳感器 性能指標 　　轉矩測量精度：分為0.1級和0.2級。 　　(1)靜校一直接用砝碼產生標準力矩校準時，其測量誤差0.l級不大于額定值的±0.1％；0.2級不大于額定值的±0.2％。 　　(2)轉速變化的附加誤差——在規(guī)定轉速范圍內變化時，轉矩讀數變化不大于額定轉矩的±0.l%。 　　(3)轉矩測量過負載能力：在超載不大于120％額定轉矩時，仍然能保證轉矩測量精度。 3.2.2 溫度傳感器 熱電偶傳感器是工業(yè)測量中應用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質的影響，具有較高的精確度;測量范圍廣，可從-50℃-1600℃進行連續(xù)測量，特殊的熱電偶如金鐵-鎳鉻，最低可測到-269℃，鎢-錸最高可達2800℃。 熱電偶傳感器主要按照熱電效應來工作。將兩種不同的導體A和B 連接起來，組成一個閉合回路，即構成感溫元件，如圖1所示。當導體A和B的兩個接點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢，因而在回路中形成一定大小的電流，這種現象即稱為熱電效應，也叫溫差電效應。熱電偶就是利用這一效應進行工作的。熱電偶的一端是將A、B兩種導體焊接在一起，稱為工作端，置于溫度為t的被測介質中。另一端稱為參比端或自由端，放于溫度為t0的恒定溫度下。當工作端的被測介質溫度發(fā)生變化時，熱電勢隨之發(fā)生變化，將熱電勢送入計算機進行處理，即可得到溫度值。 熱電偶兩端的熱電勢差可以用下式表示: Et=E(t)-E(t0) 式中:Et—熱電偶的熱電勢 ??? E(t)—溫度為t時的熱電勢 ??? E(t0)—溫度為t0時的熱電勢 當參比端的溫度t0恒定時，熱電勢只于工作端的溫度有關，即Et=f(t)。 當組成熱電偶的熱電極的材料均勻時，其熱電勢的大小與熱電極本身的長度和直徑無關，只與熱電極的成分及兩端的溫度有關。 4 電氣系統設計 電氣系統是整個齒輪綜合試驗臺的重要組成部分。其中包括交流電機的控制、磁粉制動器的控制及數據的采集和顯示，還有控制程序設計等。如果說機械結構是人的骨架的話，那么電氣控制系統就是人的大腦和布滿全身的神經單元，起到控制并反饋人體活動的作用。 4.1計算機檢測系統的組成 一個完整的計算機檢測系統，需要在微機、被控制對象和操作者之間適時、不斷地交換數據信息和控制信息。在總體設計時，要綜合考慮硬件和軟件措施，解決三者之間可靠的、適時的進行信息交換的通路和分時控制的時序安排問題，保證系統能正常地運行。設計中主要考慮以下幾大方面。 （1）選擇微型計算機 因為該系統試驗內容繁多、要求的精度大、穩(wěn)定性高及在試驗車間環(huán)境惡劣的情況下工作。普通的微機難以達到要求。而同普通的微機比較，工業(yè)控制機具有豐富的過程輸入/輸出功能；完善的外部設備；足夠的存儲容量；配有實時操作系統和過程中斷系統；很高的可靠性；極高的電磁兼容性及抗干擾能力，有很強的環(huán)境適應性。所以該項目選擇了工業(yè)控制機作為控制系統的主機。 （2）板卡選用 在工控機控制的基礎上，由于需要采集的信號不是很多，所以考慮到經濟成本問題，采用最常見的AD0809轉換板作為AD板卡。該板卡可直接與CPU8位數據總線相連，結構簡單。可以通過CPU發(fā)出脈沖信號來啟動。在數據轉換中可采用中斷方式結束轉換過程。此方式占用CPU時間少，效率高。采用2個8255芯片作為外擴I/O接口，控制16位LED顯示器和24位鍵盤，以及行程開關和直流電機的驅動控制。 4.2 電氣系統的基本組成 4.2.1單片機 選用8031單片機，單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。由于系統只執(zhí)行簡單的操作，用8031執(zhí)行控制足夠。以80C31CPU為核心的單片機系統，CPU通過接口器件與電動機的驅動器相連，帶動電動機工作，其中接口器件是控制系統的入口，在控制系統中有重要的作用。本實驗臺選用8255并行接口芯片作為接口電路，控制顯示器及鍵盤等。 4.2.2 地址鎖存器 為防止8031的內存地址不能滿足系統需要，采用74LS343地址鎖存器進行擴展。74LS373是高電平觸發(fā)選通，當使能端G有效時，輸出直接跟隨輸入變化，當使能端由高變低時，才將輸入狀態(tài)鎖存直到下一次使能信號變高為止。 4.2.3 程序存儲 由于8031芯片本身沒有內部程序存儲器，故在實際使用中常需要擴展外圍存儲器，作為程序和數據的存儲。 通常程序存儲器一般采用只讀存儲器，因為這種存儲器在電源關斷后，仍能保存程序，在系統上電后，CPU可取出這些指令予以重新執(zhí)行。本系統采用8K×8的EPROM2764芯片作為程序存儲器。在P0口送出的低8位地址時，地址由信號ALE的下降沿控制鎖存到鎖存器中，高5位由P2.0～P2.4提供，鎖存器采用74LS373鎖存器，控制端直接與ALE相連。則程序存儲器讀選通信號PSEN控制EPROM2764的輸出允許端OE。 數據存儲器一般采用RAM芯片，這種存儲器在電源關斷后，存儲的數據將全部丟失。在工業(yè)現場測控系統中，通常采用SRAM。所以，在本系統中采用8K×8的SRAM6264芯片作為數據存儲器。 程序存儲器和數據存儲器通過外部地址鎖存器與8031聯結。目前，常用的地址鎖存器芯片有：74LS273、74LS373、8282等。在本系統中采用74LS373作為地址鎖存器。 同時，系統的片選信號由三－八譯碼器74LS138產生，并連接到各個芯片的片選端。 4.2.4 數據存儲 圖4-1 數據存儲器擴展 8031單片機內RAM為128個字節(jié)，因其容量不能滿足設計要求，故本機擴展8K字節(jié)靜態(tài)RAM6264一片。 4.2.5 D/A轉換器:D/A轉換器的作用是將數字量轉換成模擬量。將數字量轉換成模擬電流的工作由D/A轉換器完成。該系統采用D/A0832進行數模轉換。 4.2.6 A/D轉換器： A/D轉換器是將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數字信號，以便計算機進行處理。它與D/A轉換器一樣，是微型計算機應用系統中的一種重要接口，長用于數據采集系統。本系統采用A/D0809進行模數轉換。它是數據采集系統的核心， 擔負著將模擬信號變換成適合于數字 處理的二進制代碼的任務。D/A轉換器 是把數字量轉換成模擬量的線性電路器 件，它為微機系統的數字信號與外部 環(huán)境的模擬信號之間提供了一種接口， 從而廣泛地應用在數據采集的模擬輸入 輸出系統中。 ADC0809是8位的A/D轉換芯片，它采用逐次逼近的方法完成A/D轉換的。由于ADC0809是靠脈沖信號來啟動轉換的，因此需要由符合電路要求的脈沖信號。由于0809芯片片內沒有時鐘電路，需要外部引入時鐘脈沖控制0809工作。因為8031的ALE輸出帶有時鐘頻率的功能，故將ALE端經分頻觸發(fā)器分頻得到的信號，直接連接于0809的CLK接口上作為時鐘脈沖使用。由于ALE腳的頻率是8031單片機時鐘頻率的1/6,因為單片機的時鐘頻率采用12Mhz，ALE的引腳頻率為2Mhz，故采用四分頻觸發(fā)器將頻率分頻為500Khz，滿足0809的頻率要求。分頻器在電氣圖中表現為可直接應用的模塊。 關于0809的片選，在8031端口夠用的條件下，可直接與p口連接。但本例中端口有限，使用74L138芯片作為片選信號的來源。 圖4-2 并行接口8255 4.2.7 并行接口8255 并行接口最基本的特點是在多根數 據線上以數據字節(jié)為單位與I/O設備或被 控對象傳送信息。系統中采用8255實現 自動操作和顯示。 8255A是INTEL公司開發(fā)的一個可 編程并行接口器件，為40條引腳雙列直 插式大規(guī)模集成電路。它采用單+5V電 源供電,輸入輸出電平與TTL兼容。 8255A的內部電路由三部分組成(如圖所示)： 1）與CPU的總線接口電路； 2）內部邏輯控制電路； 3）外設接口電路。 CPU接口 內部邏輯 外設接口 I/O PA7～PA0 I/O PC7～PC4 I/O PC3～PC0 I/O PB7～PB0 DB 數據 總線 緩沖器 A組 控制 A組端口A(8) B組端口B(8) 讀/寫控制 邏輯 A組端口C上半部(4) B組端口C下半部(4) B組 控制 · A0 A1 RESET 8位內部數據總線 圖4-3 8255A的結構框圖 8255A有三個位并行口，PA、PB和PC。都可以選擇作為輸入輸出工作模式，但在功能和結構上有些差異。 PA口：一個8位數據輸出鎖存器和緩沖器；一個8位數據輸入鎖存器。 PB口：一個8位數據輸出鎖存器和緩沖器；一個8位數據輸入緩沖器。 PC口：一個8位的輸出鎖存器；一個8位數據輸入緩沖器。 圖4-4 8255控制數顯和鍵盤原理圖 4.2.8 磁粉制動器 磁粉制動器是一種性能優(yōu)越的自動控制元件。它以磁粉為工作介質，以激磁電流為控制手段，達到控制制動或傳遞轉矩的目的。 型號 額定轉矩(N.m) 激磁電流（A） 允許滑差功率（KW） 重量（kg） FZ.40 100 1 8 45 4.2.9 變頻器 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。 型號 適配電機容量 （KW） 額定輸出電流 （A） 結構型式 冷卻方式 備注 HF-G7-4R0T3 4.0 9 B4 風冷 三相 4.2.10 扭矩轉速傳感器 選用CWZ-80轉矩轉速傳感器。 技術指標: 測量范圍：0～500gcm～5Nm 輸出信號：方波頻率 零點輸出：10KHz； 正向滿量程：15KHz； 反向滿量程：5KHz； 測量精度：0.5％F.S（非線性、滯后、重復性） 穩(wěn)定性：0.5％F.S 溫度影響：0.5％F.S/10℃ 供電電源：15VDC 頻率響應：100is 輸出電平TTL,負載電流100Ma 相對濕度：85％HR 工作環(huán)境溫度：-20℃～50℃ 過載能力：120％ 外殼保護等級：IP68 位置要求：任意位置 4.2.11溫度傳感器 CW-100液體溫度傳感器 技術特性： 電壓電源（VDC） 5 溫度范圍(℃) -2.5～＋75 0℃輸出（mV） 10005% 靈敏度（mV/℃） 10 4.3 電氣系統的設計 電機啟動，通過控制磁粉制動器控制負載的大小，觀察兩軸的轉矩轉速，和油箱的溫度。顯示并記錄測量值。 圖4-5 電氣原理圖 4.4 交流電機及其控制 交流電動機分為異步電動機和同步電動機兩類。異步電動機按照定子相數的不同分為單項異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。三相異步電動機結構簡單，運行可靠，成本低廉等優(yōu)點，廣泛應用于工農業(yè)生產中。 1. 三相異步電動機的基本結構 三相異步電動機的構造也分為兩部分：定子與轉子。 （1）定子： 定子是電動機固定部分，作用是用來產生旋轉磁場。它主要由定子鐵心、定子繞組和機座組成。 （2）轉子： 轉子是重點掌握的部分，轉子有兩種，鼠籠式與繞線式。掌握他們各自的特點與區(qū)別。鼠籠式用于中小功率（100k以下）的電動機，他的結構簡單，工作可靠，使用維護方便。繞線式可以改善啟動性能和調節(jié)轉速，定子與轉子之間的 氣隙大小，會影響電動機的性能，一般氣隙厚度為0.2-1.5mm之間。 2. 三相異步電動機的工作原理 掌握公式n1=60f/P、S=(n1-n)/n1、n=(1-S)60f/P，同時明白它們的意義（很重要），要能夠靈活運用這些公式，進行計算。同時記?。和ǔｋ妱訖C在額定負載下的轉差率SN約為0.01-0.06。 3. 三相異步電動機的機械特性 （1）在等速轉動時，電動機的轉矩必須和阻轉矩相平衡。 （2）當負載轉矩增大時，最初瞬間電動機的轉矩T。 （3）一般三相異步電動機的過載系數是1.8-2.2 . （4）電動機剛啟動時n=0,s=1. 4. 三相異步電動機的起動 （1）直接起動 啟動時轉差率為1，轉子中感應電動勢很大，轉子電流也很大。當電動機在額定電壓下啟動時，稱為直接啟動，直接啟動的電流約為額定電流的5-7倍。一般來說，額定功率為7.5kw以下的小容量異步電動機可直接起動。 直接起動控制線路所用電器包括組合開關、按鈕、交流接觸器中間繼電器、熱繼電器及熔斷器。（2）鼠籠式異步電動機的降壓起動。 （3）繞線式三相異步電動機的起動 目前較常用的交流電動機有兩種：1、三相異步電動機。2、單相交流電動機。第一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。一、三相異步電動機的旋轉原理??? 三相異步電動機要旋轉起來的先決條件是具有一個旋轉磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產生旋轉磁場的。我們知道，但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產生一個旋轉磁場，其產生的過程如圖1所示。圖中分四個時刻來描述旋轉磁場的產生過程。電流每變化一個周期，旋轉磁場在空間旋轉一周，即旋轉磁場的旋轉速度與電流的變化是同步的。旋轉磁場的轉速為：n=60f/P 式中f為電源頻率、P是磁場的磁極對數、n的單位是：每分鐘轉數。根據此式我們知道，電動機的轉速與磁極數和使用電源的頻率有關，為此，控制交流電動機的轉速有兩種方法：1、改變磁極法；2、變頻法。以往多用第一種方法，現在則利用變頻技術實現對交流電動機的無級變速控制。 ??? 觀察圖1還可發(fā)現，旋轉磁場的旋轉方向與繞組中電流的相序有關。相序A、B、C順時針排列，磁場順時針方向旋轉，若把三 根電源線中的任意兩根對調，例如將B相電流通入C相繞組中，相電流通入B相繞組中，則相序變?yōu)椋篊、B、A，則磁場必然逆時針方向旋轉。利用這一特性我們可很方便地改變三相電動機的旋轉方向。定子繞組產生旋轉磁場后，轉子導條（鼠籠條）將切割旋轉磁場的磁力線而產生感應電流，轉子導條中的電流又與旋轉磁場相互作用產生電磁力，電磁力產生的電磁轉矩驅動轉子沿旋轉磁場方向以n1的轉速旋轉起來。一般情況下，電動機的實際轉速n1低于旋轉磁場的轉速n。因為假設n=n1，則轉子導條與旋轉磁場就沒有相對運動，就不會切割磁力線，也就不會產生電磁轉矩，所以轉子的轉速n1必然小于n。為此我們稱三相電動機為異步電動機。 二、單相交流電動機的旋轉原理 ??? 單相交流電動機只有一個繞組，轉子是鼠籠式的。當單相正弦電流通過定子繞組時，電動機就會產生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。這個交變脈動磁場可分解為兩個以相同轉速、旋轉方向互為相反的旋轉磁場，當轉子靜止時，這兩個旋轉磁場在轉子中產生兩個大小相等、方向相反的轉矩，使得合成轉矩為零，所以電動機無法旋轉。當我們用外力使電動機向某一方向旋轉時（如順時針方向旋轉），這時轉子與順時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變?。晦D子與逆時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破了，轉子所產生的總的電磁轉矩將不再是零，轉子將順著推動方向旋轉起來。 ?????? 要使單相電動機能自動旋轉起來，我們可在定子中加上一個起動繞組，起動繞組與主繞組在空間上相差90度，起動繞組要串接一個合適的電容，使得與主繞組的電流在相位上近似相差90度，即所謂的分相原理。這樣兩個在時間上相差90度的電流通入兩個在空間上相差90度的繞組，將會在空間上產生（兩相）旋轉磁場，如圖2所示。在這個旋轉磁場作用下，轉子就能自動起動，起動后，待轉速升到一定時，借助于一個安裝在轉子上的離心開關或其他自動控制裝置將起動繞組斷開，正常工作時只有主繞組工作。因此，起動繞組可以做成短時工作方式。但有很多時候，起動繞組并不斷開，我們稱這種電動機為電容式單相電動機，要改變這種電動機的轉向，可由改變電容器串接的位置來實現。 ??? 在單相電動機中，產生旋轉磁場的另一種方法稱為罩極法，又稱單相罩極式電動機。此種電動機定子做成凸極式的，有兩極和四極兩種。每個磁極在1/3--1/4全極面處開有小槽，如圖3所示，把磁極分成兩個部分，在小的部分上套裝上一個短路銅環(huán)，好象把這部分磁極罩起來一樣，所以叫罩極式電動機。單相繞組套裝在整個磁極上，每個極的線圈是串聯的，連接時必須使其產生的極性依次按N、S、N、S排列。當定子繞組通電后，在磁極中產生主磁通，根據楞次定律，其中穿過短路銅環(huán)的主磁通在銅環(huán)內產生一個在相位上滯后90度的感應電流，此電流產生的磁通在相位上也滯后于主磁通，它的作用與電容式電動機的起動繞組相當，從而產生旋轉磁場使電動機轉動起來。 同步電動機的原理 同步電動機是屬于交流電機，定子繞組與異步電動機相同。它的轉子旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁