畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于動力機械傳動效率測量系統(tǒng)的設(shè)計.doc

濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計1 前言1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當(dāng)今社會的發(fā)展，是信息化發(fā)展的社會。在信息時代，人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)及獲取、傳輸與處理。而傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段，是現(xiàn)代科學(xué)的中樞系統(tǒng)。它是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的可輸出信號的元器件或裝置的總稱。傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程所要獲取的信息都要通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的信號。如果把計算機比喻為處理和識別信息的“大腦 ”把通信系統(tǒng)比喻為傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”，那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺器官”。傳感器技術(shù)是在 20 世紀(jì)的中期才剛剛問世的。在那時，與計算機技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)相比傳感技術(shù)的發(fā)展都落后于它們，不少先進(jìn)的成果仍停留在實驗研究階段，并沒有投入到實際生產(chǎn)與應(yīng)用中，轉(zhuǎn)化率比較低。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，發(fā)展迅猛，同計算機技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱，許多國家已將傳感器技術(shù)列為與通信技術(shù)和計算機技術(shù)同等重要的位置?，F(xiàn)代傳感器技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力和廣泛的開發(fā)空間 發(fā)展前景十分廣闊。在國外，傳感器技術(shù)主要是在各國不斷發(fā)展與提高的工業(yè)化浪潮下誕生的，并在初期多用于國家級項目的科研研發(fā)以及各國軍事技術(shù)、航空航天領(lǐng)域的試驗研究。然而，隨著各國機械工業(yè)、電子、計算機、自動化等相關(guān)信息化產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，以日本和歐美等西方國家為代表的傳感器研發(fā)及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已在國際市場中逐步占有了重要的份額。我國從20世紀(jì) 60 年代開始傳感技術(shù)的研究與開發(fā)，經(jīng)過從“六五”到“九五”的國家攻關(guān)，在傳感器研究開發(fā)、設(shè)計、制造、可靠性改進(jìn)等方面獲得長足的進(jìn)步，初步形成了傳感器研究，開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的體系，并在數(shù)控機床攻關(guān)中取得了一批可喜的，為世界矚目的發(fā)明專利與工況監(jiān)控系統(tǒng)或儀器的成果。但從總體上講，它還不能適應(yīng)我國經(jīng)濟與科技的迅速發(fā)展 我國不少傳感器、信號處理和識別系統(tǒng)仍然依賴進(jìn)口。同時，我國傳感技術(shù)產(chǎn)品的市場競爭力優(yōu)勢尚未形成，產(chǎn)品的改進(jìn)與革新速度慢，生產(chǎn)與應(yīng)用系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進(jìn)少。1.2選題的意義機械效率是反映機械性能的優(yōu)劣的重要標(biāo)志之一。齒輪減速器傳動是一種在工程實際中被廣泛應(yīng)用的傳動機械。任何機械在其運行過程中受到多種因素的影響都會有能量的損失,齒輪減速器傳動也不例外。此外,當(dāng)今的機械傳動正朝著大功率、小體積、高效率以及長壽命的方向發(fā)展,機械工業(yè)各領(lǐng)域中都非常重視對齒輪傳動機械效率的研究,它的效率的好壞直接影響到整個設(shè)備的運行效率，還會影響到整個設(shè)備的費用，影響到企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此，研究機械傳動裝置效率極其影響因素顯得尤為重要，它為最大限度地在設(shè)計，使用齒輪減速器傳動裝置過程中提高其效率，從而提高企業(yè)經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。 齒輪傳動以其傳動功率和速度的適用范圍廣、傳遞比穩(wěn)定、傳動效率高、使用壽命長、可靠性能好和結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點而被廣泛的應(yīng)用。但在對齒輪傳動效率進(jìn)行測試時，因其功率損失（即齒輪嚙合時的摩擦損失、攪動潤滑油時的油阻損失以及軸承的摩擦損失等）相對較小，若采用傳統(tǒng)的手工測試手段，不但操作復(fù)雜、可靠性能差、測試的數(shù)據(jù)誤差大、測量精度低，而且得到的測試數(shù)據(jù)很難正確表達(dá)效率與轉(zhuǎn)速、效率與扭矩之間的關(guān)系，所以用現(xiàn)代的測試技術(shù)替代傳統(tǒng)的測試手段已成為不可回避的現(xiàn)實。為此，我們利用微電子技術(shù)，實現(xiàn)了齒輪傳動效率的計算機輔助測試。其測試過程簡單，測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。1.3設(shè)計的內(nèi)容和目的旋轉(zhuǎn)機械的功率與效率是機械工業(yè)中常見的物理量。旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)的功率是作用在旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩與旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速的積，P = k Mn式中，k為與單位制有關(guān)的系數(shù)， M為作用在旋轉(zhuǎn)的機械上的扭矩，n為轉(zhuǎn)速。 旋轉(zhuǎn)機械的輸出功率P出與輸入功率P入之比就是該旋轉(zhuǎn)機械的效率，即 = P出/P入該設(shè)計題目屬于機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容，應(yīng)用到課程包括：測試技術(shù)、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計、機械設(shè)計、機械原理、機械零件、機電傳動、機械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械制造及基礎(chǔ)、互換性與技術(shù)測量、數(shù)控技術(shù)、計算機輔助電路設(shè)計、計算機輔助繪圖等。完成基于動力機械傳動效率測量系統(tǒng)的整體設(shè)計，包括整體動力機械的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)、傳感器的調(diào)整和固定系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等幾個部分。 該系統(tǒng)的指標(biāo)如下： 采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀、傳感器及磁粉制動器等電子儀器完成系統(tǒng)配置； 采用ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，此傳感器串接于功率扭力軸之間，它與ZJYW1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀配合使用，可以測量06000轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)的扭矩與轉(zhuǎn)速； 施力系統(tǒng)的動力源采用調(diào)速電機，速度調(diào)節(jié)范圍為06000轉(zhuǎn)/分；采用CZ型磁粉制動器的制動功率為20kgM；實驗裝置要求不同心度誤差應(yīng)小于0.1mm。圖1.3 機床主軸箱的功率與效率測試系統(tǒng)框圖 此裝置中，為了避免在傳感器扭力軸上產(chǎn)生附加彎矩，安裝時，必須使被測機械、傳感器、負(fù)載等具有較好的同心度。當(dāng)存在彎矩時，不僅降低了測量精度，在某些情況下，甚至可能使扭力軸損壞。本裝置要求不同心度誤差應(yīng)小于0.1mm。此裝置的全部聯(lián)軸器均采用橈性聯(lián)接（用尼龍繩、聯(lián)軸器），使聯(lián)軸器只能傳遞扭矩，不傳遞彎矩。這樣將顯著改善傳感器的工作條件，以保證較高的測量精度。圖1.4測試系統(tǒng)原理框圖2 總體設(shè)計方案測定效率的方式主要有兩種：封閉功率流式與開放功率流式。前者者采用輸出功率反饋給輸入的方式，電源只供給齒輪傳動中摩擦阻力所消耗的功率，可以大大減小功耗。后者借助一個加載裝置（機械制動器、電磁測功器或磁粉制動器）來消耗齒輪傳動所傳遞的能量。其優(yōu)點是與實際工作情況一致，簡單易行，實驗裝置安裝方便；缺點是動力消耗大，對于需作較長時間試驗的場合（如疲勞試驗），消耗能力尤其嚴(yán)重。因此這種實驗方案采用較多。2.1轉(zhuǎn)速測量方法的選擇轉(zhuǎn)速計根據(jù)工作原理分為計數(shù)式、模擬式和同步式三大類。計數(shù)式轉(zhuǎn)速測量的方法是用某種方法數(shù)出一定時間內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù)；模擬式的測量方法是測出由瞬時轉(zhuǎn)速引起的某種物理量（如離心力、發(fā)電機的輸出電壓）的變化，同步式的測量方法是利用已知頻率的閃光與旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)同步來測出轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換方式的不同，有不同的轉(zhuǎn)速測量方法，測量方法如下。（1）技術(shù)式 機械式：利用齒輪傳動，適合中、低速測量，結(jié)構(gòu)簡單價格便宜。 光電式：利用來自旋轉(zhuǎn)被測體上光線，適合中高速，沒有扭矩?fù)p失結(jié)構(gòu)簡單。 電磁式；利用磁電轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成磁電沖，適合中高速。（2）模擬式 機械式：利用離心率與速度平方成正比的關(guān)系，適合中低速，結(jié)構(gòu)簡單。 電容式：利用電容充放電回路產(chǎn)生與速度成正比的電流，最高可測10000r/m. 發(fā)電機式：利用電機直流與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系，可遠(yuǎn)距離指示。（3）同步式 機械式：帶動帶槽的圓盤，目測與旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速，中速，無扭矩?fù)p失。 閃光式：利用已知頻率閃光測出與旋轉(zhuǎn)體同步頻率。 該方案選用ZJYW1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀，ZJYW1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀，通過與ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器配套使用，是一種測量各種動力機械的傳動力矩和轉(zhuǎn)速的高精度直讀式（數(shù)字顯示）的電子儀器。在它的面板上有兩個顯示窗，一個窗用于顯示轉(zhuǎn)矩（Nm）；另一個窗用于顯示轉(zhuǎn)速（rpm）。儀器還具有轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模擬量輸出，可與A/D板或SC-16型光線記錄示波器配用，對瞬時變化的轉(zhuǎn)速波形進(jìn)行測試或記錄，繪制動態(tài)曲線，供作過渡過程動態(tài)分析用。此外，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀與其它非電量-相位差變換器傳感器配套使用，可對拉力、壓力、重力、厚度和流量等非電量進(jìn)行測量。這就對于我國機械工業(yè)的新產(chǎn)品試制或現(xiàn)有產(chǎn)品的質(zhì)量檢查以及質(zhì)量的提高提供了一種新式的實驗設(shè)備。2.2轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的選擇目前在轉(zhuǎn)矩測量中, 傳遞類轉(zhuǎn)矩傳感器應(yīng)用十分廣泛。該類傳感器按轉(zhuǎn)矩信號的產(chǎn)生方式可分為光學(xué)式、光電式、磁電式、應(yīng)變式、電容式、鋼弦式及機械式。同時還可根據(jù)信號傳輸?shù)姆椒ú煌譃榻佑|型和非接觸型兩種。一般每分鐘幾百轉(zhuǎn)以下的低轉(zhuǎn)速場合采用接觸式。每分鐘幾百轉(zhuǎn)至一萬轉(zhuǎn)甚至更高的轉(zhuǎn)速場合采用非接觸式。從轉(zhuǎn)矩傳感器的發(fā)展歷程來看, 電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器由于具有測量精度高, 結(jié)構(gòu)簡單, 造價低廉, 方便與計算機相聯(lián)等一系列優(yōu)點, 無疑代表轉(zhuǎn)矩傳感器的最新發(fā)展方向。接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器, 其特點是:非常適合測量靜止扭矩, 也可以測量低速轉(zhuǎn)動扭矩;體積小、重量輕、易于安裝; 存在導(dǎo)電滑環(huán)的磨損, 壽命有限, 不適合高轉(zhuǎn)速場合。無接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的特點:無接觸, 使用壽命不限; 轉(zhuǎn)換精度高,A/D轉(zhuǎn)換內(nèi)碼可達(dá) 10 萬以上; 由于采用微電子技術(shù), 測量可靠性大大提高;體積小, 重量輕, 易于安裝; 由于內(nèi)藏CPU 電路, 可以實現(xiàn)各種補償。使其精度大大提高, 最高可達(dá)(0.030.1)%F.S。此種傳感器與以往的其它類型的傳感器相比較而言, 由于真正實現(xiàn)了數(shù)字的無線發(fā)射與接收, 因此它可以直接與帶有 232 或 485 的數(shù)字儀表或計算機相聯(lián),可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)測量與控制, 是屬于一種智能型數(shù)字轉(zhuǎn)矩傳感器。綜上所述選擇ZJ型傳感器，此傳感器串接于功率扭力軸之間，它與ZJYW1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量配合使用，可以測量06000轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)的扭矩與轉(zhuǎn)速。此傳感器的內(nèi)、外齒輪是多極的磁性結(jié)合。其內(nèi)、外齒輪并不嚙合，齒頂間留有工作氣隙。內(nèi)、外齒輪的齒頂相對時，氣隙最窄；齒頂和齒槽相對時，氣隙變寬。內(nèi)外齒輪在相對旋轉(zhuǎn)時，齒頂與齒槽交替相對。當(dāng)轉(zhuǎn)動一個齒時，工作氣隙發(fā)生一個周期的變化，磁路的磁阻和磁通隨之相應(yīng)作周期變化。因此，在感應(yīng)線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電訊號。此電訊號瞬時值的變化和內(nèi)、外齒輪的相對位置的變化是一致的。ZJ型傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由扭力軸、永久磁鋼、感應(yīng)線圈、轉(zhuǎn)筒、小電機、殼體等部件組成。當(dāng)扭力桿與套筒（轉(zhuǎn)筒）發(fā)生相對運動時，在每一個檢測線圈內(nèi)感應(yīng)出近似正弦波的信號；在扭力桿（軸）上沒有負(fù)載時，兩端檢測線圈所輸出的信號有一個固定的相位差；當(dāng)扭力桿加上負(fù)載后，扭力桿被扭轉(zhuǎn)（扭轉(zhuǎn)變形角 ）其變形大小與傳送的扭力矩T成正比，從檢測線圈感應(yīng)輸出的信號發(fā)生相位差的變化。這相位差的變化反映所要測量的扭力矩。圖2.2結(jié)構(gòu)原理圖 ZJ型傳感器屬于接觸式類型，所以該傳感器能長時間地穩(wěn)定操作，精確地測量低轉(zhuǎn)速至高轉(zhuǎn)速的扭矩，廣泛地應(yīng)用于測量各種變速齒輪裝置的扭矩比、轉(zhuǎn)速比和機械效率。ZJ型傳感器頂部的小電機是用于當(dāng)測量轉(zhuǎn)速較低時（低于400轉(zhuǎn)/分），甚至在靜止壯態(tài)下使用的。此小電機通過三角皮帶傳動，帶動轉(zhuǎn)筒、內(nèi)齒輪和永久磁鋼，使內(nèi)外齒輪之間有足夠大的相對轉(zhuǎn)速，以保證低速時的測量精度（注意：驅(qū)動小電機的轉(zhuǎn)向應(yīng)與傳感器主軸的轉(zhuǎn)向相反）2.3加載裝置的選擇加載裝置分為靜載加載裝置和動載加載裝置靜載加載裝置，在靜載加載裝置中包括重物加載、機械式加載、氣壓加載和液壓加載。動載加載裝置，動載加載裝置也稱為激震裝置。它包括慣性力加載、激震器加載，其中包括震動臺。液壓加載裝置的特點：優(yōu)點：(1)液壓傳動的各種元件、可根據(jù)需要方便、靈活地來布置；(2)重量輕、體積小、反應(yīng)速度快；(3)操縱控制很方便，可實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速；(4)可自動實現(xiàn)過載保護(hù)；(5)一般采用礦物油為工作介質(zhì)，相對運動面可自行潤滑，使用壽命長；(6)很容易實現(xiàn)直線運動；(7)容易實現(xiàn)機器自動化，當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后，不僅可實現(xiàn)更高程度的自動控制，而且可以實現(xiàn)遙控。缺點：需要良好的維護(hù)保養(yǎng)由于液壓部件是精密部件并在高壓力之下使用，因此需要良好的維護(hù)保養(yǎng)，以防止生銹、污垢、油變質(zhì)等等，所以必須保持清潔和使用適當(dāng)?shù)囊簤河?。磁粉制動器特點：（1）可以輕松進(jìn)行大范圍的控制。 （2）可以達(dá)到連續(xù)滑動運轉(zhuǎn)。 （3）可以得到安定的扭力。 （4）無鳴叫音。運動面的滯滑現(xiàn)象會發(fā)生于摩擦方式，但是在此不會出現(xiàn)，而且也不會發(fā)出連結(jié)音，所以運轉(zhuǎn)是相當(dāng)安靜。 （5）熱容量很大。由于使用了耐熱性優(yōu)越的磁粉及運用了理想的冷卻方法，即使是過于嚴(yán)酷的連續(xù)滑動運轉(zhuǎn)，也是可以安心使用。 （6）可以達(dá)到平順的連續(xù)及驅(qū)動狀態(tài)。由于靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)幾乎一樣，所以完全連結(jié)時不會產(chǎn)生震蕩，可以實現(xiàn)負(fù)載加減速度。綜上所述選擇CZ型磁粉制動器，磁粉制動器是“電磁粉末制動器”的簡稱，是一種以高導(dǎo)磁性的磁粉為工作媒介的，以激磁電流為控制手段的性能優(yōu)越的新型自動化控制元件。CZ型磁粉制動器是根據(jù)電磁原理，通過磁鏈而傳遞力矩的新型制動器材。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單。在定子與轉(zhuǎn)子的間隙中填入磁粉。在尚未加載前（激磁線圈未通過電流時），磁粉主要附著在定子的表面。當(dāng)慢慢加載時，激磁線圈通過直流電流，此時產(chǎn)生強磁通，磁粉立即沿磁通連接成一條條鏈形，此刻磁粉間的結(jié)合力和磁粉與工作間的摩擦力產(chǎn)生制動力矩。該力矩與激磁電流基本成正比（線性關(guān)系）。電流增大，制動力也慢慢增大（激磁電流增大的幅值是有一定限度的）。輸入的機械能在磁粉制動器內(nèi)轉(zhuǎn)換成克服摩擦制動力矩而變成熱能。為了防止磁粉發(fā)熱，使磁粉制動力矩穩(wěn)定，需要采取降溫冷卻措施。較大的磁粉制動器，一般使用水冷卻。CZ型磁粉制動器的激磁電流由WIJ-2型穩(wěn)定電源箱供給。在這個穩(wěn)定電源箱面板的左下方設(shè)有“電流調(diào)節(jié)”旋鈕，可任意調(diào)節(jié)各種輸出穩(wěn)恒直流電流的大小，以控制磁粉制動器產(chǎn)生各種制動力矩。圖2.3 磁粉制動器1- 激磁線圈 2-定子3-磁粉 4-轉(zhuǎn)子5-扭力軸 6-水管接頭綜上所述本設(shè)計采用ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、ZJYW1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀、CZ型磁粉制動器等電子儀器完成系統(tǒng)配置。3 機械系統(tǒng)設(shè)計3.1電動機的選型由工作原理知由于此裝置的需要電動機應(yīng)選用調(diào)速電機，速度調(diào)節(jié)范圍為06000轉(zhuǎn)/分。配套驅(qū)動器SCA-B4-70-10時，可以進(jìn)行速度和位置控制，最大輸出功率可達(dá)700W。調(diào)速范圍是：0 6000轉(zhuǎn)/分。初選電動機型號為RECM343/3，其參數(shù)如下表3.1所示表 3.1 RECM343/3技術(shù)數(shù)據(jù)輸出功率/KW42額定轉(zhuǎn)速/(r/min)5000啟動扭矩/(N.m)8轉(zhuǎn)動慣量/62電壓/v24/48質(zhì)量/Kg173.2聯(lián)軸器的選型一般采用彈性柱銷式聯(lián)軸器即可，但是應(yīng)盡可能減少聯(lián)軸器的質(zhì)量，這些對小規(guī)格傳感器和高速傳感器尤其重要。為了使傳感器不承受彎矩，應(yīng)該采用擾性聯(lián)軸器（例如尼龍繩聯(lián)軸器），這將顯著改善傳感器的工作條件，保證測量的精度。這類聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的能力很大，結(jié)構(gòu)更為簡單，安裝制造方便，耐久性非常好，還具有一定的緩沖和吸震的能力。圖3.1 LX1聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩 （3.1）由表查得,故由（3-2）得計算轉(zhuǎn)矩為= （3.2）式中，T為公稱轉(zhuǎn)矩，；為工作情況系數(shù)。從GB/T-5014-2003中查得LX1型彈性柱銷聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩250，許用最大轉(zhuǎn)速8500，軸徑12-24 mm之間，故合用。3.3軸座的設(shè)計及其軸承的選型為了避免傳感器在彈性軸上產(chǎn)生彎矩，在安裝時必須使原動機、傳感器、負(fù)載三者之間具有良好的同軸度，當(dāng)存在彎矩時，將會降低測量的精度，在有些情況下，甚至可能使彈性軸發(fā)生損壞。在使用小規(guī)格的傳感器時，尤其應(yīng)保證較高的同軸度。ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的安裝一般為水平安裝，也可以作垂直安裝，但不允許傳感器承受過大的軸向力。增加中間支承的目的是為了保證傳感器不受因頻繁更換測試設(shè)備而造成安裝同軸度的變化，由此引起測試數(shù)據(jù)的變化，同時可避免因安裝不同軸使傳感器承受較大的彎矩，從而引起測試數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定。如果能保證安裝同軸度（0.05mm），或者由于安裝場地的限制，可去掉中間支承。圖3.3 軸承支座 由于對此位置的軸承要求不是很嚴(yán)格不需要進(jìn)行承載能力計算，故根據(jù)軸頸選擇相應(yīng)的軸承即可。查GB/T 276-1944得選用6001型軸承d=12，基本額定靜載荷2.38，極限轉(zhuǎn)速1900026000r/min.3.4基座的設(shè)計該機械傳動效率測量臺是一個多功能綜合試驗臺，可進(jìn)行有關(guān)典型機械傳動如帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動及組合等基本實驗，試驗臺可用同一底座及其配套設(shè)施組裝成多種測試機械性能的綜合試驗臺。該底座設(shè)計有4條T型槽，可以靈活的把各種設(shè)備布局在實驗臺上，改變了以往根據(jù)底座的尺寸來改變實驗設(shè)備的做法，大大的降低了實驗經(jīng)費，還可以根據(jù)設(shè)備需要配備小底座，以提高設(shè)備的高度提高整個設(shè)備的同軸度，該設(shè)計很好的提高了測試的準(zhǔn)確性，盡可能小的較少了誤差。為整個實驗的成功打下了良好的基礎(chǔ)。圖3.4 底座 3.5傳感器的選型及其原理說明有方案論證得傳感器選擇ZJ系列ZJ系列轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器主要用于測量各種動力機械的轉(zhuǎn)速和扭矩，在選用傳感器時，首先要確定被測設(shè)備的最大扭矩和轉(zhuǎn)速的大小，被測設(shè)備的最大扭矩最好使用在傳感器額定扭矩的2/3120%的范圍內(nèi)，且最高轉(zhuǎn)速不要超過傳感器的額定轉(zhuǎn)速。這樣既可保證所選傳感器能在長期使用中的安全可靠性，又可以保證較高的測量精度。在知道被測功率及工作轉(zhuǎn)速時，可按下式計算被測扭矩的大小。計算扭矩：M = =47.6 (3.5)M：牛頓米N：轉(zhuǎn)/分P：千瓦有計算可得選擇ZJ50型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，額定扭矩50，額定轉(zhuǎn)速06000.圖3.5 ZJ50型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 圖3-5為傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，它由機座、扭力軸、內(nèi)齒輪、外齒輪、磁鋼、線圈軸承等組成。內(nèi)齒輪、磁鋼固定在套筒上，線圈固定在端蓋上，外齒輪固定在扭力軸上，當(dāng)內(nèi)外齒輪發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時，由于磁通不斷變化，在線圈中便感應(yīng)出近似正弦波的感應(yīng)電勢小u1、u2，兩感應(yīng)電勢的初始相位差是恒定的，考慮到正、反加載，0設(shè)計在大約180位置上，當(dāng)加上扭力時，扭力軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。在彈性范圍內(nèi)加扭矩與機械扭矩成正比，這時u1、u2訊號的相位差要發(fā)生變化，=0。當(dāng)傳感器的扭矩增加到額定值時，變化的相位大約為90。因此，測量出就等于間接測量出軸上的外加轉(zhuǎn)矩，這樣，傳感器就實現(xiàn)了把機械量(扭角變化)轉(zhuǎn)化成電子置(相位差變化)的過程。圖3-6為訊號的時序波形圖。此時，扭力軸的機械扭轉(zhuǎn)角為360Z的(Z為齒輪齒數(shù))。圖3.6時序波形圖 了確保傳感器測量精度，在使用環(huán)境溫度和標(biāo)定溫度不相同時，按下式堆傳感器標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行修正： (3.5)式中：Xt溫度為t時的傳感器系數(shù)；溫度為時的傳感器系數(shù)，即銘牌上所標(biāo)注的系數(shù)值；t測量時實際環(huán)境溫度(C)；標(biāo)定傳感器時的環(huán)境溫度(C)；G剪切彈性模量G時溫度系數(shù)，本傳感器變形軸材料為50CrVA，G=0.027%/C，。3.5.1小電機的用途傳感器上端的小電機是一個輔助電機。因為ZI傳感器規(guī)定低于600r/min轉(zhuǎn)速時要啟動小電機，否則，影響扭矩測量精度。其原因為：ZJ傳感器為磁電式傳感器，轉(zhuǎn)速過低將引起信號幅度的下降，而有可能使得儀器無法正常工作出現(xiàn)異常，一般要求信號幅度大于0.2V有效值。：轉(zhuǎn)速過低，扭矩信號頻率下降將引起扭矩測量誤差（整量化誤差）的增大。因此啟動小電機，提高傳感器內(nèi)外齒的相對轉(zhuǎn)速，以解決影響傳感器工作的問題。如若要求不高，可以將顯示轉(zhuǎn)速減去小電機轉(zhuǎn)速（可在主軸不轉(zhuǎn)時啟動小電機測得），但要注意因小電機為異步電機，且為皮帶傳動，其轉(zhuǎn)速不可能是絕對穩(wěn)定的。如若要求高精度測量轉(zhuǎn)速（例如測齒輪箱效率），可以選用帶內(nèi)齒套桶測速的傳感器，可實時扣除小電機轉(zhuǎn)速，此時儀器顯示的是主軸真正的轉(zhuǎn)速。4控制系統(tǒng)設(shè)計4.1電路工作原理由于在設(shè)備中加了兩個測轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的傳感器裝置，當(dāng)傳感器內(nèi)外齒輪發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時，由于磁通不斷變化，在線圈中邊感應(yīng)出近似正弦波的感應(yīng)電式，由于有兩個傳感器，故輸出的有兩個模擬信號兩個脈沖信號，所以此電路采用兩個8255實現(xiàn)0/1信號的轉(zhuǎn)化，采用AD574實現(xiàn)數(shù)轉(zhuǎn)換4.2單片機的選擇單片機是整個系統(tǒng)的核心，其程序主要包括模擬信號通道選擇部分、并行數(shù)據(jù)采集部分和并行數(shù)據(jù)傳輸部分；單片機選擇80C52能很好的滿足檢測系統(tǒng)性能的要求，其部分引腳功能如下：圖4.2 80C52管腳圖 主電源引腳Vcc和Vss Vcc-(40腳)接+5V電壓； Vss-(20腳)接地。 外接晶體引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1(19腳)接外部晶體的一個引腳。在單片機的內(nèi)部，它是一個反向放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。此檢測系統(tǒng)采用外部振蕩器，而此引腳作為驅(qū)動端。XTAL2(18腳)接外部晶體的另一端。在單片機內(nèi)部，接至上述振蕩器的反向放大器的輸出端就可以。 控制或其它電源復(fù)位引腳RST/VDP、ALE/PROG、PSEN和EA/Vpp RST/Vpd (9腳)當(dāng)振蕩器運行的時侯，再次引腳上 出現(xiàn)兩個機械周期的高電平時單片機故為。根據(jù)檢測系統(tǒng)電路圖可知，該系統(tǒng)復(fù)合電路實現(xiàn)80C52的復(fù)位(手動復(fù)位電路和上電復(fù)位電路)，在上電復(fù)位電路中，在9引腳和Vss引腳之間連接一個約8.2K的下拉電阻，與Vcc引腳之間連接一個約10F的電容，以保證可靠地復(fù)位。 Vcc掉電期間，此引腳可接上備用的電源，以保證內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不會丟失。當(dāng)Vcc主電源下掉到低于規(guī)定的電平時，而Vpd在其規(guī)定的電壓范圍(50.5V)內(nèi)，Vpd就向內(nèi)部RAM提供備用的電源，完成掉電保護(hù)的功能。 ALE/(30腳)當(dāng)訪問外部存儲器的時候，ALE(允許地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的地位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率周期性的出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用對外輸出的時鐘，或用于定時的目的。然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時侯，將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(吸收或輸出電流)8個LS型的TTL輸入電路。 (29腳)此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。再從外部程序存儲器讀取指令(常數(shù))期間，每個機器出現(xiàn)。周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不同樣可驅(qū)動（吸收或輸出）8個LS型TTL輸入。 /Vpp(31引腳)當(dāng)端保持高電平時，訪問內(nèi)部的程序存儲器，但在PC(程序計數(shù)器)值超過1FFFH的時侯，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲期內(nèi)的程序。當(dāng)保持低電平時，則只訪問程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。80C52編程期間，在EPROM編程期間，此引腳也用于施加21伏的編程電源(Vpp)。 輸出/輸入(I/O)引腳P0、P1、P2、P3（共32根） P0口（39腳-32腳）是雙向8位三態(tài)I/O口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位機數(shù)據(jù)總線是復(fù)用的，能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LS TTL的負(fù)載。 P1口(1腳-8腳)是8位準(zhǔn)雙向I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I/O口。P1口能驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個LS TTL負(fù)載。 P2口(21腳-28腳)是8位準(zhǔn)雙向I/O口。在訪問外部存儲器的時侯，它可以作為擴展電路的高8位地址總線送出高8位地址。在EPROM編程和程序驗證期間，它接受高8為誒地址，P2可以驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個LS TTL負(fù)載。 P3口(10腳-17腳)是8位準(zhǔn)雙向I/O口，在MCS-51中，這8個引腳還用于專門的功能，時復(fù)的時候用雙功能口。P3能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS TTL負(fù)載。作為第一功能使用時，就是作為普通的I/O口用，功能和操作方法與P1口是相同的。作為第二功能使用時，各引腳的定義如下表4.2所示，值得強調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨立的定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。表4.2 P3口各線的第二功能定義口線引腳第二功能P3.010RxD(串行輸入口)P3.111TxD(串行輸出口)P3.212(外部中斷0)P3.313(外部中斷1)P3.414T0(定時器0外部輸入)P3.515T1(定時器1外部輸入)P3.616(外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖)P3.717(外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖)綜上所述，80C52單片機通過內(nèi)外三線(數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線)控制數(shù)據(jù)的傳輸工作，完成數(shù)據(jù)的采集，計算，存儲的一體化過程。4.3A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇AD574是美國AD公司生產(chǎn)的一種12位高速逐次逼近型模數(shù)變換器，圖4-3所示片內(nèi)自備時鐘基準(zhǔn)源，變換時間很快(25 s)，數(shù)字量輸出具有三態(tài)緩沖器，可直接與微機的總線接El，又可直接采用雙極性模擬信號輸入，有著廣泛的應(yīng)用場合和用途，供電電源為1 5 V，邏輯電源為+5 VCS ：片選，低有效CSCE ：片允許，高有效8031的WR和RD相與非后接CE，以確保AD574A在被啟動變換或讀出變換結(jié)果的操作時，CE有效RC ：讀變換，高為讀AD變換結(jié)果，低為啟動AD變換128 ：數(shù)據(jù)格式，高為12位并行輸出，低為8位(或4位)并行輸出本設(shè)計令其接地A0 ：字節(jié)地址短周期，高為8位變換輸出低4位，低為12位變換輸出高8位STS ：變換狀態(tài)，高為正在變換，低為變換結(jié)束STS總共有三種接法：(1)空著：只能在啟動變換25 s以后讀AD結(jié)果；(2)接靜態(tài)端口線：可用查詢方法，待STS為低后再讀AD變換結(jié)果；(3)接外部中斷線：可引起中斷后，讀AD變換結(jié)果本設(shè)計夸其接P1oREFIN ：基準(zhǔn)輸入REFOUT ：基準(zhǔn)輸出BIP OFF ：雙極性方式時，偏置電壓輸入端DBIIDB0：12位數(shù)據(jù)總線10VSPAN ：單極性010 V模擬量輸入；雙極性0 5 V模擬量輸入該設(shè)計采用雙極性0 5 V圖4.3 AD574管腳圖 4.4接口芯片的選擇8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個8位并行I/O口。具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。 其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強。8255可作為單片機與多種外設(shè)連接時的中間接口電路。 8255作為主機與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程,所以必須具有