齒輪性能綜合試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
齒輪性能綜合試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì),齒輪性能綜合試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì),齒輪,性能,機(jī)能,綜合,試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì)
吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
中文摘要
本文開發(fā)了一種齒輪綜合性能試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用加載一定質(zhì)量的砝碼，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況之下，通過改變磁粉制動(dòng)器來檢測數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示、存儲(chǔ)及輸出，并根據(jù)預(yù)先輸入計(jì)算機(jī)的分組參數(shù)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量性能判斷。本系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。
該試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。其中機(jī)械系統(tǒng)主要包括：齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳感器的固定機(jī)構(gòu)，軸承的固定機(jī)構(gòu)，增速器機(jī)構(gòu)，加載裝置，磁粉制動(dòng)器，皮帶輪，皮帶，交流電機(jī)，聯(lián)軸器，扭矩傳感器，砝碼。測控系統(tǒng)主要包括：傳感器，信號(hào)調(diào)理裝置，信號(hào)采集與控制裝置和單片機(jī)。
關(guān)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(nèi)外的研究狀況 1
1.3 課題任務(wù) 3
1.4 本論文的主要研究內(nèi)容 9
2. 系統(tǒng)總體方案 10
2.1試驗(yàn)系統(tǒng)的組成及控制原理 11
2.2機(jī)械系統(tǒng)的工作原理： 12
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3.1直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)： 13
3.2 傳感器選擇 23
4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26
4.1計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)的組成 26
4.2 電氣系統(tǒng)的基本組成 27
4.3 電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 33
4.4 交流電機(jī)及其控制 33
4.5程序設(shè)計(jì) 39
結(jié)論 42
致謝 43
參考文獻(xiàn) 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(jìn)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(chǎn)力，才能創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)財(cái)富，提高國家的綜合實(shí)力，增加國際威望。這就迫切需要我們研制高尖端的科技產(chǎn)品，如何提升，這就需要我們在日常生活中能夠?qū)⒂袧撛谑褂脙r(jià)值的東西挖掘出來，以備進(jìn)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(yàn)臺(tái)，它就是一種很實(shí)用的科研產(chǎn)品。
該綜合試驗(yàn)臺(tái)集機(jī)、電為一體，通過安裝不同精度不同形式的齒輪，利用扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度等傳感器來進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對(duì)其綜合性能進(jìn)行測試。
1.2 國內(nèi)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(jī)械齒輪傳動(dòng)、農(nóng)機(jī)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(dòng)、齒輪專用裝備等各類產(chǎn)品的技術(shù)引進(jìn)和消化，使我國齒輪傳動(dòng)制造業(yè)近十年得到了跨越式的發(fā)展。
1.汽車手動(dòng)變速箱（含重、中、輕、微），轎車變速箱，摩托車齒輪、工程機(jī)械換擋變速箱，大、中型農(nóng)機(jī)變速傳動(dòng)的配套，已經(jīng)基本立足國內(nèi)生產(chǎn)，基本滿足了主機(jī)廠的配套需要，并已經(jīng)有部分齒輪件出口或變速箱出口。在汽車自動(dòng)變速箱方面，目前仍被進(jìn)口產(chǎn)品控制。
2.在車輛驅(qū)動(dòng)橋、主被動(dòng)螺旋錐齒輪、直齒錐齒輪及輪邊減速機(jī)方面，大部分能滿足國內(nèi)配套需要。以東風(fēng)車橋?yàn)榇淼尿?qū)動(dòng)橋與錐齒輪產(chǎn)業(yè)正在整合重組發(fā)展，已經(jīng)看到快速發(fā)展的希望。
3.在工業(yè)通用變速箱領(lǐng)域，SEW等一批國外獨(dú)資企業(yè)的進(jìn)入激活了中國工業(yè)通用變速箱企業(yè)為代表，在產(chǎn)品系列化、模塊化、質(zhì)量與技術(shù)水平方面，最近五年有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，形成了與國際品牌的激烈競爭。我國企業(yè)生產(chǎn)的部分產(chǎn)品達(dá)到了國際水平，有部分產(chǎn)品已經(jīng)出口歐美。
4.在高速重載齒輪傳動(dòng)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(jìn)齒輪箱集團(tuán)、鄭州機(jī)械研究所、洛陽中重減速機(jī)公司、沈陽礦山減速機(jī)公司為代表的企業(yè)。這些企業(yè)在引進(jìn)技術(shù)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(xiàn)。
5.特殊、專用車輪傳動(dòng)方面，如非圓齒輪、塑料齒輪、粉末冶金齒輪、小模數(shù)齒輪等，我國目前沒有形成龍頭企業(yè)，企業(yè)的技術(shù)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(shù)國有齒輪裝備制造企業(yè)的裝備可靠性指標(biāo)進(jìn)步較慢，致使齒輪行業(yè)的大部分主導(dǎo)精加工裝備仍是以進(jìn)口為主。部分齒輪企業(yè)裝備國產(chǎn)化的希望主要有：秦川機(jī)床廠的蝸桿砂輪磨齒機(jī)；重慶機(jī)床廠、南京二機(jī)長的數(shù)控機(jī)床；螺旋錐齒輪磨齒機(jī)床的研制成功；天津元昊公司數(shù)控螺旋錐齒輪切齒機(jī)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(duì)齒輪行業(yè)的潤滑市場服務(wù)。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(xiàn)為：自主創(chuàng)新能力不足、新品開發(fā)慢。如在汽車自動(dòng)變速箱方面，目前仍被進(jìn)口產(chǎn)品控制；在特殊、專用齒輪傳動(dòng)方面，我國目前還沒有形成龍頭企業(yè)，企業(yè)的技術(shù)潛力尚待發(fā)揮。尤其是塑料齒輪在國外的應(yīng)用越來越普遍，但在我國并未得到應(yīng)有重視，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后世界水平；國產(chǎn)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(chǎn)品、自動(dòng)化產(chǎn)品不足，齒輪行業(yè)的大部分主導(dǎo)精加工裝備仍以進(jìn)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(zhì)有待提高的問題。
1.3 課題任務(wù)
檢測數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示、存儲(chǔ)及輸出，并根據(jù)預(yù)先輸入計(jì)算機(jī)的分組參數(shù)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量性能判斷。
本試驗(yàn)臺(tái)也可用于研究汽車各種系列前、中、后橋總成的制動(dòng)器制動(dòng)性能測試與磨合試驗(yàn)，并能夠?qū)蚩偝蛇M(jìn)行綜合性能的在線檢測。
通過制動(dòng)器磨合以及增減砝碼來改變軸承游隙和齒輪精度試驗(yàn)，從而獲得扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、噪聲、壓力等傳感器實(shí)時(shí)采集和處理各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)；并且對(duì)多路傳感器信號(hào)通過串、并口的同時(shí)采集及抗干擾措施。
1.3.1齒輪傳動(dòng)精度影響
輪齒加工時(shí)，由于輪坯、刀具在機(jī)床上的安裝誤差，機(jī)床和刀具的制造誤差以及加工時(shí)所引起的振動(dòng)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(dòng)質(zhì)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(jù)齒輪的實(shí)際工作條件，對(duì)齒輪加工精度提出適當(dāng)?shù)囊笾陵P(guān)重要。
我國國標(biāo)GB10095-88中，對(duì)漸開線圓柱齒輪規(guī)定了12個(gè)精度等級(jí)，第l級(jí)精度最高，第12級(jí)最低。齒輪精度等級(jí)主要根據(jù)傳動(dòng)的使用條件、傳遞的功率、圓周速度以及其它經(jīng)濟(jì)、技術(shù)要求決定。6級(jí)是高精度等級(jí)，用于高速、分度等要求高的齒輪傳動(dòng)，一般機(jī)械中常用7～8級(jí)，對(duì)精度要求不高的低速齒輪可使用9～12級(jí)。
齒輪每個(gè)精度等級(jí)的公差根據(jù)對(duì)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性、傳動(dòng)平穩(wěn)性和載荷分布均勻性等三方面要求，劃分成三個(gè)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(gè)公差組為同一精度等級(jí)，但也容許根據(jù)使用要求的不同，選擇不同精度等級(jí)的公差組組合。第II公差級(jí)精度等級(jí)6～9級(jí)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(jí)，第I公差組和第III公差組的精度等級(jí)可參閱有關(guān)手冊加以確定。
齒輪傳動(dòng)的側(cè)隙是指一對(duì)齒輪在嚙合傳動(dòng)中，工作齒廓相互接觸時(shí)，在兩基圓柱的內(nèi)公切面上，兩個(gè)非工作因廓之間的最小距離jn。規(guī)定側(cè)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(dǎo)致輪齒卡住。合適的側(cè)隙可通過適當(dāng)?shù)凝X厚極限偏差和中心距極限偏差來保證，齒輪副的實(shí)際中心距越大，齒厚越小，其側(cè)隙就越大。
1.3.2齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲分析
?在傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)類產(chǎn)品(如工業(yè)減速箱、汽車變速器等)的設(shè)計(jì)過程中，人們往往只注重功能的實(shí)現(xiàn)和工作的可靠性，很少關(guān)心整個(gè)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲問題。但隨著人們對(duì)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(shè)計(jì)角度出發(fā)降低齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲，我們就應(yīng)首先來分析一下齒輪系統(tǒng)噪聲的種類和發(fā)生機(jī)理。
??? 在齒輪系統(tǒng)中，根據(jù)機(jī)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(shí)，由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度并會(huì)引起周圍介質(zhì)擾動(dòng)，由這種擾動(dòng)產(chǎn)生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲。另一方面，在齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)的各零部件會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)所產(chǎn)生的聲輻射稱為自鳴噪聲。
???? 對(duì)于開式齒輪傳動(dòng)，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(dòng)軸等處輻射出來。對(duì)于閉式齒輪傳動(dòng)，加速度噪聲先輻射到齒輪箱內(nèi)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(dòng)通過傳動(dòng)軸引起支座振動(dòng)，從而通過齒輪箱箱壁的振動(dòng)而輻射出來。一般說來，自鳴噪聲是閉式齒輪傳動(dòng)的主要聲源。
???? 因此，齒輪系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度不僅與輪齒嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力有關(guān)，而且還與輪體、傳動(dòng)軸．軸承及箱體等的結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)態(tài)特性以及動(dòng)態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關(guān)。一般來說，齒輪系統(tǒng)噪聲發(fā)生的原因主要有以下幾個(gè)方面：
(1)齒輪設(shè)計(jì)方面 參數(shù)選擇不當(dāng)，重合度過小，齒廓修形不當(dāng)或沒有修形，齒輪箱結(jié)構(gòu)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(cè)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(zhuǎn)精度不高及間隙不當(dāng)?shù)取?
(4)其他方面輸入扭矩。負(fù)載扭矩的波動(dòng)，軸系的扭振，電動(dòng)機(jī)及其它傳動(dòng)副的平衡情況等。
a）系統(tǒng)可對(duì)變速器試驗(yàn)樣品進(jìn)行性能試驗(yàn)。
b）針對(duì)力及扭矩、位移等參數(shù)，系統(tǒng)可分別對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行檢測。
c）要求勻速施加驅(qū)動(dòng)力(靜壓力)，驅(qū)動(dòng)速度可調(diào)。
d）測試數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)及顯示輸出。
1.3.3潤滑對(duì)齒輪失效影響
工作中的齒輪副發(fā)生失效，與所傳遞的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的性狀直接有關(guān)。在使用齒輪副的目的—“完成特定的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞“。不可改變時(shí)，為了防止齒輪失效，人們首先從機(jī)械角度考慮問題。如選擇優(yōu)良的齒輪材料，合理的齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)，先進(jìn)的熱處理技術(shù)及高精度的機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)，相互作用的表面科學(xué)所不可缺少的內(nèi)容。例如，在負(fù)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(duì)矛盾。為保證流體動(dòng)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(dá)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(shí)現(xiàn)的。在負(fù)荷變大的情況下，流體動(dòng)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(jìn)技術(shù)是減輕這種碰撞的必要條件，但不是充分條件。只有當(dāng)同時(shí)采用先進(jìn)的潤滑技術(shù)，選用可與齒面形成邊界潤滑膜的齒輪油時(shí)，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(jī)構(gòu)的元件之一。
1.3.4齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)及類型分析
齒輪傳動(dòng)能傳遞兩個(gè)平行軸或相交軸或交錯(cuò)軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。
一、 齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)
a)效率高?? 在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，以齒輪傳動(dòng)效率為最高，閉式傳動(dòng)效率為96%~99%，這對(duì)大功率傳動(dòng)有很大的經(jīng)濟(jì)意義。
b）結(jié)構(gòu)緊湊?? 比帶、鏈傳動(dòng)所需的空間尺寸小。
c)工作可靠、壽命長?? 設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng)，工作十分可靠，壽命可長達(dá)一二十年，這也是其它機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。這對(duì)車輛及在礦井內(nèi)工作的機(jī)器尤為重要。
d)傳動(dòng)比穩(wěn)定?? 傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對(duì)傳動(dòng)性能的基本要求。齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用，正是由于其具有這一特點(diǎn)。
二、齒輪傳動(dòng)的類型
齒輪傳動(dòng)就裝置形式分：
a）開式、半開式傳動(dòng)??? 在農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑機(jī)械以及簡易的機(jī)械設(shè)備中，有一些齒輪傳動(dòng)沒有防塵罩或機(jī)殼，齒輪完全暴露在外邊，這叫開式齒輪傳動(dòng)。這種傳動(dòng)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(dòng)。齒輪傳動(dòng)裝有簡單的防護(hù)罩，有時(shí)還把大齒輪部分地浸入油池中，則稱為半開式齒輪傳動(dòng)。它工作條件雖有改善，但仍不能做到嚴(yán)密防止外界雜物侵入，潤滑條件也不算最好。
b）閉式傳動(dòng)?? 而汽車、機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等所用的齒輪傳動(dòng)，都是裝在經(jīng)過精確加工而且封閉嚴(yán)密的箱體(機(jī)匣)的，這稱為閉式齒輪傳動(dòng)(齒輪箱)。它與開式或半開式的相比，潤滑及防護(hù)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(xiàng)分析
物理環(huán)境
a)工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產(chǎn)品一般要求為0～55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用時(shí)應(yīng)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(yīng)安裝在箱體上部，并嚴(yán)格遵守產(chǎn)品說明書中的安裝要求，絕對(duì)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(shí)，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其絕緣性能就會(huì)大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時(shí)，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(huì)腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會(huì)加速塑料器件的老化，降低絕緣性能，在這種情況下，應(yīng)把控制箱制成封閉式結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行換氣。
d)振動(dòng)和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機(jī)械振動(dòng)和沖擊時(shí)，會(huì)引起電氣接觸不良。這時(shí)除了提高控制柜的機(jī)械強(qiáng)度、遠(yuǎn)離振動(dòng)源和沖擊源外，還應(yīng)使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開關(guān)之類產(chǎn)生振動(dòng)的元器件。設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢查和維護(hù)。
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(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對(duì)附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表和電子系統(tǒng)，應(yīng)該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對(duì)儀表的干擾。所有的元器件均應(yīng)可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應(yīng)接地。如果處理不好電磁干擾，往往會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無法工作，導(dǎo)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(hù)，但是，如果輸入端高電壓作用時(shí)間長，會(huì)使變頻器輸入端損壞。因此，在實(shí)際運(yùn)用中，要核實(shí)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(shí)要有穩(wěn)壓設(shè)備，否則會(huì)造成嚴(yán)重后果。
接地
變頻器正確接地是提高控制系統(tǒng)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(dǎo)線截面積應(yīng)不小于2mm2，長度應(yīng)控制在20m以內(nèi)。變頻器的接地必須與動(dòng)力設(shè)備接地點(diǎn)分開，不能共地。信號(hào)輸入線的屏蔽層，應(yīng)接至E(G)上，其另一端絕不能接于地端，否則會(huì)引起信號(hào)變化波動(dòng)，使系統(tǒng)振蕩不止。變頻器與控制柜之間應(yīng)電氣連通，如果實(shí)際安裝有困難，可利用銅芯導(dǎo)線跨接。
防雷
在變頻器中，一般都設(shè)有雷電吸收網(wǎng)絡(luò)，主要防止瞬間的雷電侵入，使變頻器損壞 。但在實(shí)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(wǎng)絡(luò)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(jìn)線，在進(jìn)線處裝設(shè)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(yuǎn)處預(yù)埋鋼管做專用接地保護(hù)。如果電源是電纜引入，則應(yīng)做好控制室的防雷系統(tǒng)，以防雷電竄入破壞設(shè)備。實(shí)踐表明，這一方法基本上能夠有效解決雷擊問題。
具體技術(shù)指標(biāo)如下：
? 試驗(yàn)臺(tái)總功率：4KW；
? 砝碼 m=80kg；
? 帶輪增速比 u=1.5:1；
? 電機(jī)以變頻3000r/min無級(jí)調(diào)速運(yùn)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(nèi)容
該試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。其中機(jī)械系統(tǒng)主要包括：齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳感器的固定機(jī)構(gòu)，軸承的固定機(jī)構(gòu)，增速器機(jī)構(gòu)，加載裝置，磁粉制動(dòng)器，皮帶輪，皮帶，交流電機(jī)，聯(lián)軸器，扭矩傳感器，砝碼。測控系統(tǒng)主要包括：傳感器，信號(hào)調(diào)理裝置，信號(hào)采集與控制裝置和單片機(jī)。
2. 系統(tǒng)總體方案
齒輪試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)性能
1)試驗(yàn)控制方式：自動(dòng)測試循環(huán)/手動(dòng)調(diào)試
2)試驗(yàn)臺(tái)模擬加載狀態(tài)：加載軸負(fù)荷0～5T，無級(jí)可調(diào)。
3)制動(dòng)器加載磨合；
運(yùn)行噪聲及異響檢測
試驗(yàn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)具有制動(dòng)參數(shù)和傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率、噪聲、溫升的參數(shù)采集、計(jì)算、判斷、顯示、存儲(chǔ)和輸出功能；
試驗(yàn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)具有產(chǎn)品工藝參數(shù)設(shè)定、修改功能；參數(shù)修改權(quán)限確認(rèn)功能；開機(jī)自檢功能；單步調(diào)試功能；程序檢測功能；
試驗(yàn)齒輪制造精度對(duì)軸線回轉(zhuǎn)精度、傳動(dòng)的震動(dòng)與噪聲的影響；
試驗(yàn)軸承精度、軸承預(yù)緊量和支撐剛度等對(duì)軸線回轉(zhuǎn)精度、傳動(dòng)的震動(dòng)與噪聲的影響；
試驗(yàn)齒輪潤滑和軸承潤滑對(duì)傳動(dòng)震動(dòng)溫升和噪聲的影響。
2.1試驗(yàn)系統(tǒng)的組成及控制原理
該試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。其中機(jī)械系統(tǒng)主要包括：齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳感器的固定機(jī)構(gòu)，軸承的固定機(jī)構(gòu)，增速器機(jī)構(gòu)，加載裝置，磁粉制動(dòng)器，皮帶輪，皮帶，交流電機(jī)，聯(lián)軸器，扭矩傳感器，砝碼。測控系統(tǒng)主要包括：傳感器，信號(hào)調(diào)理裝置，信號(hào)采集與控制裝置和單片機(jī)。該系統(tǒng)的整體框圖如圖2-1所示。
圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2.2機(jī)械系統(tǒng)的工作原理：
該系統(tǒng)利用加載一定質(zhì)量的砝碼，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況之下，通過改變磁粉制動(dòng)器來檢測數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示、存儲(chǔ)及輸出，并根據(jù)預(yù)先輸入計(jì)算機(jī)的分組參數(shù)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量性能判斷。
對(duì)于磁粉制動(dòng)器，它是根據(jù)電磁原理和利用磁粉傳遞轉(zhuǎn)矩的，它具有激磁電流和傳遞轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系，在同滑差無關(guān)的情況下能夠傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以說磁粉制動(dòng)器是一種多用途、性能優(yōu)越的自動(dòng)控制元件。這也正是本系統(tǒng)選用它的原因。
通過制動(dòng)器磨合以及增減砝碼來改變軸承游隙和齒輪精度試驗(yàn)，從而獲得扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、噪聲等傳感器實(shí)時(shí)采集和處理各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)；并且對(duì)多路傳感器信號(hào)通過串、并口的同時(shí)采集及抗干擾措施。
圖2-2齒輪箱的基本構(gòu)成
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)：
3.1.1直齒圓柱齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)
1．選擇齒輪材料 熱處理 精度等級(jí)
因是一般用途的齒輪傳動(dòng),齒輪材料可選用45鋼,傳遞功率不大,且結(jié)構(gòu)尺寸無嚴(yán)格要求,可選用軟齒面齒輪傳動(dòng)。
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考表9-3,選小齒輪調(diào)質(zhì),齒面硬度230-240HBS,大齒輪正火,齒面硬度190-200HBS,精度為8級(jí)。
2．選取齒輪齒數(shù)
閉式軟齒面齒輪傳動(dòng),可以多選些,初選
取,傳動(dòng)比
3．按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
對(duì)閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)，承載能力一般取決于齒面接觸強(qiáng)度，故按接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，校核齒根彎曲強(qiáng)度。
確定式中各項(xiàng)數(shù)值:
因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數(shù);
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考表9-10,選取;
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考表9-7,查得;
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9-14，查得；
式9-7,
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考由圖9-13,查得;
由式9-12,
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9-15，按允許一定點(diǎn)蝕，查得，；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》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(dāng)延長MQ和ML線）查取，同理，在圖9-16C中查??；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考表9－8，選?。?
取設(shè)計(jì)齒輪參數(shù)。
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考表9-5，查得；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9-7，查得；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9-10，查得；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》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(qiáng)度
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考式9-13，
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9-19、圖9-20按 查得
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9-21，查得 ；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9－22c，按小齒輪齒面硬度均值235HBS，在ML線(適當(dāng)延長)上查得；同理，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9－22b上，查得；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考表9－8，選?。?
將確定出得各項(xiàng)數(shù)值代入彎曲強(qiáng)度校核公式，得
可見齒根彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。
圖3-1 從動(dòng)直齒輪
3.1.2斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)
按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)：
閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)，承載能力一般取決于齒面接觸強(qiáng)度，故按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。
下面確定式中的參數(shù)：
因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數(shù);
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考表9-10選取齒寬系數(shù)，由表9-7，可以查得，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9-14，可以查得，
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考公式9-7，
。
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9-13，可以查得， ，
由式9-12,
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9-15，按允許一定的點(diǎn)蝕，查有，，
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》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(shè)計(jì)參數(shù)。至此，把以上確定的參數(shù)帶入到設(shè)計(jì)公式 中，得：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考查表9-5，查有；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖 9-7，查有；由圖9-10，查有；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考表9-6，查有。那么，總的系數(shù)，
重新修正齒輪直徑：，，
m=/cos=2.549
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考查表9-1，按第一系列的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)選取，這樣齒輪的主要參數(shù)就是：
那么，齒輪的分度圓直徑為：
或按照下述計(jì)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(qiáng)度校核
齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核的條件：
計(jì)算當(dāng)量齒輪端面重合度：，
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考9-11給出的公式：，
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考公式9-13，
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9-28，查得 ，那么：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書參考圖9-19，圖9-20，按查得：
， ；
， ；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》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(jī)械設(shè)計(jì)》書參考表9-8，選用 （一般可靠度）：
將以上確定的各個(gè)參數(shù)帶入到彎曲強(qiáng)度校核公式中得：
至此，斜齒輪的設(shè)計(jì)校核工作就基本完成了。
3.1.3帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
由于本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)部分采用帶傳動(dòng)，所以以下是帶傳動(dòng)的相關(guān)計(jì)算，已知電機(jī)額定功率P=4KW，轉(zhuǎn)速r=6000r/min,傳動(dòng)比 i=0.68 轉(zhuǎn)速誤差不超過±5%
1）確定設(shè)計(jì)功率Pd
Pd=KAP 查KA=1.2 Pd=1.2x4=4.8KW
2) 選V帶型號(hào)
據(jù)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(yīng)使D1≥Dmin，考慮小帶輪轉(zhuǎn)速并不是很高，結(jié)構(gòu)尺寸有無特別限制，據(jù)整個(gè)試樣機(jī)的空間布局，故選D1=172mm，
驗(yàn)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(shè)計(jì)條件中并未特殊要求中心距，考慮制樣機(jī)總體結(jié)構(gòu)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(diào)整范圍為742mm——885mm
5) 驗(yàn)算小帶輪包角α=180- (D2-D1)×57.3°/a=161.1°＞120°
6) 確定V帶根數(shù) 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(dòng)帶輪
3.2 傳感器選擇
科學(xué)技術(shù)離不開測量。測量的目的就是要獲得被測對(duì)象的有關(guān)物理或化學(xué)性質(zhì)的信息，以便根據(jù)這些信息對(duì)被測對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)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(zhuǎn)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(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信號(hào)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(shù)分，另一種是按變換原理來分。通常按被測的參數(shù)來分類，可分為熱工參數(shù):溫度、比熱、壓力、流量、液位等;機(jī)械量參數(shù):位移、力、加速度、重量等;物性參數(shù):比重、濃度、算監(jiān)度等;狀態(tài)量參數(shù):顏色、裂紋、磨損等。溫度傳感器屬于熱工參數(shù)。
溫度傳感器按傳感器于被測介質(zhì)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(duì)象要有良好的熱接觸，通過熱傳導(dǎo)及對(duì)流原理達(dá)到熱平衡，這時(shí)的示值即為被測對(duì)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(nèi)部的溫度分布，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)的、熱容量比較小的、或?qū)Ω袦卦懈g作用的對(duì)象，這種方法將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測溫的測溫元件與被測對(duì)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(diǎn)是可測量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小目標(biāo)及熱容量小或變化迅速的對(duì)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(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，通常都必須具有快速、準(zhǔn)確、可靠且又經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求。傳感器是信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生等領(lǐng)域，尤其是溫度傳感器，使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之首。另外，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了主要以下的3個(gè)階段;
(1) 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件);主要是能夠進(jìn)行非電量和電量之間轉(zhuǎn)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(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。
同時(shí)，對(duì)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(tǒng)相匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高，線性程度好。
(3) 反應(yīng)快，工作可靠性高。
(4) 精度適當(dāng)且穩(wěn)定性好，即傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求，并長期穩(wěn)定。
(5) 適用性和適應(yīng)性強(qiáng)，即動(dòng)作能量小，對(duì)被測量的狀態(tài)影響小;內(nèi)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(jīng)濟(jì)。即成本低、壽命長，且易于使用、維修和校準(zhǔn)。
3.2.1 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器
CWZ-80型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器通過彈性軸、兩組磁電信號(hào)發(fā)生器，把被測轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成具有相位差的兩組交流電信號(hào)，這兩組交流電信號(hào)的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，而其相位差的變化部分又與被測轉(zhuǎn)矩成正比。將傳感器的這兩組電信號(hào)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(jì)算機(jī)，即可得到轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及功率的精確值。CWZ-80型扭矩轉(zhuǎn)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(dòng)力機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)速、及機(jī)械功率的精密測量儀器。其用途十分廣泛，在電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、齒輪及減速箱、鐵路機(jī)車、汽車拖拉機(jī)、飛機(jī)、船舶、礦山 機(jī)械、液壓氣動(dòng)元件等幾乎所有機(jī)械制造部門及其科研院所、大專院校均有廣泛的應(yīng)用。
圖3-3 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器
性能指標(biāo)
轉(zhuǎn)矩測量精度：分為0.1級(jí)和0.2級(jí)。
(1)靜校一直接用砝碼產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力矩校準(zhǔn)時(shí)，其測量誤差0.l級(jí)不大于額定值的±0.1％；0.2級(jí)不大于額定值的±0.2％。
(2)轉(zhuǎn)速變化的附加誤差——在規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩讀數(shù)變化不大于額定轉(zhuǎn)矩的±0.l%。
(3)轉(zhuǎn)矩測量過負(fù)載能力：在超載不大于120％額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，仍然能保證轉(zhuǎn)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(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精確度;測量范圍廣，可從-50℃-1600℃進(jìn)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(dá)2800℃。
熱電偶傳感器主要按照熱電效應(yīng)來工作。將兩種不同的導(dǎo)體A和B 連接起來，組成一個(gè)閉合回路，即構(gòu)成感溫元件，如圖1所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)接點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢，因而在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象即稱為熱電效應(yīng)，也叫溫差電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)進(jìn)行工作的。熱電偶的一端是將A、B兩種導(dǎo)體焊接在一起，稱為工作端，置于溫度為t的被測介質(zhì)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(dāng)工作端的被測介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電勢隨之發(fā)生變化，將熱電勢送入計(jì)算機(jī)進(jìn)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(shí)的熱電勢
??? E(t0)—溫度為t0時(shí)的熱電勢
當(dāng)參比端的溫度t0恒定時(shí)，熱電勢只于工作端的溫度有關(guān)，即Et=f(t)。
當(dāng)組成熱電偶的熱電極的材料均勻時(shí)，其熱電勢的大小與熱電極本身的長度和直徑無關(guān)，只與熱電極的成分及兩端的溫度有關(guān)。
4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電氣系統(tǒng)是整個(gè)齒輪綜合試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分。其中包括交流電機(jī)的控制、磁粉制動(dòng)器的控制及數(shù)據(jù)的采集和顯示，還有控制程序設(shè)計(jì)等。如果說機(jī)械結(jié)構(gòu)是人的骨架的話，那么電氣控制系統(tǒng)就是人的大腦和布滿全身的神經(jīng)單元，起到控制并反饋人體活動(dòng)的作用。
4.1計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)的組成
一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)，需要在微機(jī)、被控制對(duì)象和操作者之間適時(shí)、不斷地交換數(shù)據(jù)信息和控制信息。在總體設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮硬件和軟件措施，解決三者之間可靠的、適時(shí)的進(jìn)行信息交換的通路和分時(shí)控制的時(shí)序安排問題，保證系統(tǒng)能正常地運(yùn)行。設(shè)計(jì)中主要考慮以下幾大方面。
（1）選擇微型計(jì)算機(jī)
因?yàn)樵撓到y(tǒng)試驗(yàn)內(nèi)容繁多、要求的精度大、穩(wěn)定性高及在試驗(yàn)車間環(huán)境惡劣的情況下工作。普通的微機(jī)難以達(dá)到要求。而同普通的微機(jī)比較，工業(yè)控制機(jī)具有豐富的過程輸入/輸出功能；完善的外部設(shè)備；足夠的存儲(chǔ)容量；配有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和過程中斷系統(tǒng)；很高的可靠性；極高的電磁兼容性及抗干擾能力，有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。所以該項(xiàng)目選擇了工業(yè)控制機(jī)作為控制系統(tǒng)的主機(jī)。
（2）板卡選用
在工控機(jī)控制的基礎(chǔ)上，由于需要采集的信號(hào)不是很多，所以考慮到經(jīng)濟(jì)成本問題，采用最常見的AD0809轉(zhuǎn)換板作為AD板卡。該板卡可直接與CPU8位數(shù)據(jù)總線相連，結(jié)構(gòu)簡單?？梢酝ㄟ^CPU發(fā)出脈沖信號(hào)來啟動(dòng)。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中可采用中斷方式結(jié)束轉(zhuǎn)換過程。此方式占用CPU時(shí)間少，效率高。采用2個(gè)8255芯片作為外擴(kuò)I/O接口，控制16位LED顯示器和24位鍵盤，以及行程開關(guān)和直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。
4.2 電氣系統(tǒng)的基本組成
4.2.1單片機(jī)
選用8031單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。由于系統(tǒng)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(jī)系統(tǒng)，CPU通過接口器件與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器相連，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，其中接口器件是控制系統(tǒng)的入口，在控制系統(tǒng)中有重要的作用。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(nèi)存地址不能滿足系統(tǒng)需要，采用74LS343地址鎖存器進(jìn)行擴(kuò)展。74LS373是高電平觸發(fā)選通，當(dāng)使能端G有效時(shí)，輸出直接跟隨輸入變化，當(dāng)使能端由高變低時(shí)，才將輸入狀態(tài)鎖存直到下一次使能信號(hào)變高為止。
4.2.3 程序存儲(chǔ)
由于8031芯片本身沒有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，故在實(shí)際使用中常需要擴(kuò)展外圍存儲(chǔ)器，作為程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
通常程序存儲(chǔ)器一般采用只讀存儲(chǔ)器，因?yàn)檫@種存儲(chǔ)器在電源關(guān)斷后，仍能保存程序，在系統(tǒng)上電后，CPU可取出這些指令予以重新執(zhí)行。本系統(tǒng)采用8K×8的EPROM2764芯片作為程序存儲(chǔ)器。在P0口送出的低8位地址時(shí)，地址由信號(hào)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(chǔ)器讀選通信號(hào)PSEN控制EPROM2764的輸出允許端OE。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一般采用RAM芯片，這種存儲(chǔ)器在電源關(guān)斷后，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將全部丟失。在工業(yè)現(xiàn)場測控系統(tǒng)中，通常采用SRAM。所以，在本系統(tǒng)中采用8K×8的SRAM6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器通過外部地址鎖存器與8031聯(lián)結(jié)。目前，常用的地址鎖存器芯片有：74LS273、74LS373、8282等。在本系統(tǒng)中采用74LS373作為地址鎖存器。
同時(shí)，系統(tǒng)的片選信號(hào)由三－八譯碼器74LS138產(chǎn)生，并連接到各個(gè)芯片的片選端。
4.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
圖4-1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展
8031單片機(jī)內(nèi)RAM為128個(gè)字節(jié)，因其容量不能滿足設(shè)計(jì)要求，故本機(jī)擴(kuò)展8K字節(jié)靜態(tài)RAM6264一片。
4.2.5 D/A轉(zhuǎn)換器:D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電流的工作由D/A轉(zhuǎn)換器完成。該系統(tǒng)采用D/A0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
4.2.6 A/D轉(zhuǎn)換器：
A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。它與D/A轉(zhuǎn)換器一樣，是微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的一種重要接口，長用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用A/D0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。它是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心， 擔(dān)負(fù)著將模擬信號(hào)變換成適合于數(shù)字 處理的二進(jìn)制代碼的任務(wù)。D/A轉(zhuǎn)換器 是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的線性電路器 件，它為微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)與外部 環(huán)境的模擬信號(hào)之間提供了一種接口， 從而廣泛地應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集的模擬輸入 輸出系統(tǒng)中。
ADC0809是8位的A/D轉(zhuǎn)換芯片，它采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的。由于ADC0809是靠脈沖信號(hào)來啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的，因此需要由符合電路要求的脈沖信號(hào)。由于0809芯片片內(nèi)沒有時(shí)鐘電路，需要外部引入時(shí)鐘脈沖控制0809工作。因?yàn)?031的ALE輸出帶有時(shí)鐘頻率的功能，故將ALE端經(jīng)分頻觸發(fā)器分頻得到的信號(hào)，直接連接于0809的CLK接口上作為時(shí)鐘脈沖使用。由于ALE腳的頻率是8031單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/6,因?yàn)閱纹瑱C(jī)的時(shí)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(xiàn)為可直接應(yīng)用的模塊。
關(guān)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(hào)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(diǎn)是在多根數(shù)
據(jù)線上以數(shù)據(jù)字節(jié)為單位與I/O設(shè)備或被
控對(duì)象傳送信息。系統(tǒng)中采用8255實(shí)現(xiàn)
自動(dòng)操作和顯示。
8255A是INTEL公司開發(fā)的一個(gè)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(nèi)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(nèi)部邏輯控制電路；
3）外設(shè)接口電路。
CPU接口
內(nèi)部邏輯
外設(shè)接口
I/O PA7～PA0
I/O PC7～PC4
I/O PC3～PC0
I/O PB7～PB0
DB
數(shù)據(jù)
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(nèi)部數(shù)據(jù)總線
圖4-3 8255A的結(jié)構(gòu)框圖
8255A有三個(gè)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(jié)構(gòu)上有些差異。
PA口：一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器；一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。
PB口：一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器；一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。
PC口：一個(gè)8位的輸出鎖存器；一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。
圖4-4 8255控制數(shù)顯和鍵盤原理圖
4.2.8 磁粉制動(dòng)器
磁粉制動(dòng)器是一種性能優(yōu)越的自動(dòng)控制元件。它以磁粉為工作介質(zhì)，以激磁電流為控制手段，達(dá)到控制制動(dòng)或傳遞轉(zhuǎn)矩的目的。
型號(hào)
額定轉(zhuǎn)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(dǎo)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(hào)
適配電機(jī)容量
（KW）
額定輸出電流
（A）
結(jié)構(gòu)型式
冷卻方式
備注
HF-G7-4R0T3
4.0
9
B4
風(fēng)冷
三相
4.2.10 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器
選用CWZ-80轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。
技術(shù)指標(biāo):
測量范圍：0～500gcm～5Nm
輸出信號(hào)：方波頻率 零點(diǎn)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(fù)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(yīng)：100is
輸出電平TTL,負(fù)載電流100Ma
相對(duì)濕度：85％HR
工作環(huán)境溫度：-20℃～50℃
過載能力：120％
外殼保護(hù)等級(jí)：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(shù)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(tǒng)的設(shè)計(jì)
電機(jī)啟動(dòng)，通過控制磁粉制動(dòng)器控制負(fù)載的大小，觀察兩軸的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(jī)及其控制
交流電動(dòng)機(jī)分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩類。異步電動(dòng)機(jī)按照定子相數(shù)的不同分為單項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)、兩相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。
1. 三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造也分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。
（1）定子：
定子是電動(dòng)機(jī)固定部分，作用是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。它主要由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座組成。
（2）轉(zhuǎn)子：
轉(zhuǎn)子是重點(diǎn)掌握的部分，轉(zhuǎn)子有兩種，鼠籠式與繞線式。掌握他們各自的特點(diǎn)與區(qū)別。鼠籠式用于中小功率（100k以下）的電動(dòng)機(jī)，他的結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，使用維護(hù)方便。繞線式可以改善啟動(dòng)性能和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，定子與轉(zhuǎn)子之間的 氣隙大小，會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的性能，一般氣隙厚度為0.2-1.5mm之間。
2. 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理
掌握公式n1=60f/P、S=(n1-n)/n1、n=(1-S)60f/P，同時(shí)明白它們的意義（很重要），要能夠靈活運(yùn)用這些公式，進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)記?。和ǔｋ妱?dòng)機(jī)在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率SN約為0.01-0.06。
3. 三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性
（1）在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩必須和阻轉(zhuǎn)矩相平衡。
（2）當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，最初瞬間電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T。
（3）一般三相異步電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)是1.8-2.2 .
（4）電動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)n=0,s=1.
4. 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)
（1）直接起動(dòng)
啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)差率為1，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動(dòng)勢很大，轉(zhuǎn)子電流也很大。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定電壓下啟動(dòng)時(shí)，稱為直接啟動(dòng)，直接啟動(dòng)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(dòng)機(jī)可直接起動(dòng)。
直接起動(dòng)控制線路所用電器包括組合開關(guān)、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(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)。
（3）繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)
目前較常用的交流電動(dòng)機(jī)有兩種：1、三相異步電動(dòng)機(jī)。2、單相交流電動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理??? 三相異步電動(dòng)機(jī)要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組就是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)定子中的三個(gè)繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當(dāng)在定子繞組中通入三相電源時(shí)，定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，其產(chǎn)生的過程如圖1所示。圖中分四個(gè)時(shí)刻來描述旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生過程。電流每變化一個(gè)周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：n=60f/P 式中f為電源頻率、P是磁場的磁極對(duì)數(shù)、n的單位是：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)此式我們知道，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)，為此，控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(xiàn)在則利用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的無級(jí)變速控制。
??? 觀察圖1還可發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關(guān)。相序A、B、C順時(shí)針排列，磁場順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，若把三
根電源線中的任意兩根對(duì)調(diào)，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(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱?dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場后，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條（鼠籠條）將切割旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流又與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場方向以n1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來。一般情況下，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n1低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n。因?yàn)榧僭O(shè)n=n1，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場就沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)切割磁力線，也就不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必然小于n。為此我們稱三相電動(dòng)機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)。
二、單相交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理
??? 單相交流電動(dòng)機(jī)只有一個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。當(dāng)單相正弦電流通過定子繞組時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場，這個(gè)磁場的強(qiáng)弱和方向隨時(shí)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(gè)磁場是交變脈動(dòng)磁場。這個(gè)交變脈動(dòng)磁場可分解為兩個(gè)以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動(dòng)機(jī)無法旋轉(zhuǎn)。當(dāng)我們用外力使電動(dòng)機(jī)向某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)（如順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)），這時(shí)轉(zhuǎn)子與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變??；轉(zhuǎn)子與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變大。這樣平衡就打破了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)起來。
?????? 要使單相電動(dòng)機(jī)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)起來，我們可在定子中加上一個(gè)起動(dòng)繞組，起動(dòng)繞組與主繞組在空間上相差90度，起動(dòng)繞組要串接一個(gè)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(gè)在時(shí)間上相差90度的電流通入兩個(gè)在空間上相差90度的繞組，將會(huì)在空間上產(chǎn)生（兩相）旋轉(zhuǎn)磁場，如圖2所示。在這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場作用下，轉(zhuǎn)子就能自動(dòng)起動(dòng)，起動(dòng)后，待轉(zhuǎn)速升到一定時(shí)，借助于一個(gè)安裝在轉(zhuǎn)子上的離心開關(guān)或其他自動(dòng)控制裝置將起動(dòng)繞組斷開，正常工作時(shí)只有主繞組工作。因此，起動(dòng)繞組可以做成短時(shí)工作方式。但有很多時(shí)候，起動(dòng)繞組并不斷開，我們稱這種電動(dòng)機(jī)為電容式單相電動(dòng)機(jī)，要改變這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，可由改變電容器串接的位置來實(shí)現(xiàn)。
??? 在單相電動(dòng)機(jī)中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的另一種方法稱為罩極法，又稱單相罩極式電動(dòng)機(jī)。此種電動(dòng)機(jī)定子做成凸極式的，有兩極和四極兩種。每個(gè)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(gè)部分，在小的部分上套裝上一個(gè)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(dòng)機(jī)。單相繞組套裝在整個(gè)磁極上，每個(gè)極的線圈是串聯(lián)的，連接時(shí)必須使其產(chǎn)生的極性依次按N、S、N、S排列。當(dāng)定子繞組通電后，在磁極中產(chǎn)生主磁通，根據(jù)楞次定律，其中穿過短路銅環(huán)的主磁通在銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)在相位上滯后90度的感應(yīng)電流，此電流產(chǎn)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)繞組相當(dāng)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。
同步電動(dòng)機(jī)的原理
同步電動(dòng)機(jī)是屬于交流電機(jī)，定子繞組與異步電動(dòng)機(jī)相同。它的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁
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