畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于動(dòng)力機(jī)械傳動(dòng)效率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)1 前言1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展，是信息化發(fā)展的社會(huì)。在信息時(shí)代，人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對(duì)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(duì)被測(cè)對(duì)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(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置的總稱。傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)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(hào)。如果把計(jì)算機(jī)比喻為處理和識(shí)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(shí)，與計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)研究階段，并沒有投入到實(shí)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(jì)算機(jī)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(guó)家已將傳感器技術(shù)列為與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(guó)外，傳感器技術(shù)主要是在各國(guó)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(guó)家級(jí)項(xiàng)目的科研研發(fā)以及各國(guó)軍事技術(shù)、航空航天領(lǐng)域的試驗(yàn)研究。然而，隨著各國(guó)機(jī)械工業(yè)、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)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(guó)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(guó)際市場(chǎng)中逐步占有了重要的份額。我國(guó)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(guó)家攻關(guān)，在傳感器研究開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、可靠性改進(jìn)等方面獲得長(zhǎng)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(jī)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(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展 我國(guó)不少傳感器、信號(hào)處理和識(shí)別系統(tǒng)仍然依賴進(jìn)口。同時(shí)，我國(guó)傳感技術(shù)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)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(jī)械效率是反映機(jī)械性能的優(yōu)劣的重要標(biāo)志之一。齒輪減速器傳動(dòng)是一種在工程實(shí)際中被廣泛應(yīng)用的傳動(dòng)機(jī)械。任何機(jī)械在其運(yùn)行過程中受到多種因素的影響都會(huì)有能量的損失,齒輪減速器傳動(dòng)也不例外。此外,當(dāng)今的機(jī)械傳動(dòng)正朝著大功率、小體積、高效率以及長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展,機(jī)械工業(yè)各領(lǐng)域中都非常重視對(duì)齒輪傳動(dòng)機(jī)械效率的研究,它的效率的好壞直接影響到整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行效率，還會(huì)影響到整個(gè)設(shè)備的費(fèi)用，影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，研究機(jī)械傳動(dòng)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(jì)，使用齒輪減速器傳動(dòng)裝置過程中提高其效率，從而提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。 齒輪傳動(dòng)以其傳動(dòng)功率和速度的適用范圍廣、傳遞比穩(wěn)定、傳動(dòng)效率高、使用壽命長(zhǎng)、可靠性能好和結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用。但在對(duì)齒輪傳動(dòng)效率進(jìn)行測(cè)試時(shí)，因其功率損失（即齒輪嚙合時(shí)的摩擦損失、攪動(dòng)潤(rùn)滑油時(shí)的油阻損失以及軸承的摩擦損失等）相對(duì)較小，若采用傳統(tǒng)的手工測(cè)試手段，不但操作復(fù)雜、可靠性能差、測(cè)試的數(shù)據(jù)誤差大、測(cè)量精度低，而且得到的測(cè)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(cè)試技術(shù)替代傳統(tǒng)的測(cè)試手段已成為不可回避的現(xiàn)實(shí)。為此，我們利用微電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了齒輪傳動(dòng)效率的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試。其測(cè)試過程簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。1.3設(shè)計(jì)的內(nèi)容和目的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的功率與效率是機(jī)械工業(yè)中常見的物理量。旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jī)械上的扭矩，n為轉(zhuǎn)速。 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的輸出功率P出與輸入功率P入之比就是該旋轉(zhuǎn)機(jī)械的效率，即 = P出/P入該設(shè)計(jì)題目屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，應(yīng)用到課程包括：測(cè)試技術(shù)、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械零件、機(jī)電傳動(dòng)、機(jī)械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械制造及基礎(chǔ)、互換性與技術(shù)測(cè)量、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助繪圖等。完成基于動(dòng)力機(jī)械傳動(dòng)效率測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，包括整體動(dòng)力機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分。 該系統(tǒng)的指標(biāo)如下： 采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x、傳感器及磁粉制動(dòng)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(cè)量?jī)x配合使用，可以測(cè)量06000轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)的扭矩與轉(zhuǎn)速； 施力系統(tǒng)的動(dòng)力源采用調(diào)速電機(jī)，速度調(diào)節(jié)范圍為06000轉(zhuǎn)/分；采用CZ型磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)功率為20kgM；實(shí)驗(yàn)裝置要求不同心度誤差應(yīng)小于0.1mm。圖1.3 機(jī)床主軸箱的功率與效率測(cè)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(shí)，必須使被測(cè)機(jī)械、傳感器、負(fù)載等具有較好的同心度。當(dāng)存在彎矩時(shí)，不僅降低了測(cè)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(cè)量精度。圖1.4測(cè)試系統(tǒng)原理框圖2 總體設(shè)計(jì)方案測(cè)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(dòng)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(gè)加載裝置（機(jī)械制動(dòng)器、電磁測(cè)功器或磁粉制動(dòng)器）來消耗齒輪傳動(dòng)所傳遞的能量。其優(yōu)點(diǎn)是與實(shí)際工作情況一致，簡(jiǎn)單易行，實(shí)驗(yàn)裝置安裝方便；缺點(diǎn)是動(dòng)力消耗大，對(duì)于需作較長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)的場(chǎng)合（如疲勞試驗(yàn)），消耗能力尤其嚴(yán)重。因此這種實(shí)驗(yàn)方案采用較多。2.1轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的選擇轉(zhuǎn)速計(jì)根據(jù)工作原理分為計(jì)數(shù)式、模擬式和同步式三大類。計(jì)數(shù)式轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法是用某種方法數(shù)出一定時(shí)間內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù)；模擬式的測(cè)量方法是測(cè)出由瞬時(shí)轉(zhuǎn)速引起的某種物理量（如離心力、發(fā)電機(jī)的輸出電壓）的變化，同步式的測(cè)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(cè)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(cè)量方法，測(cè)量方法如下。（1）技術(shù)式 機(jī)械式：利用齒輪傳動(dòng)，適合中、低速測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜。 光電式：利用來自旋轉(zhuǎn)被測(cè)體上光線，適合中高速，沒有扭矩?fù)p失結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)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(jiǎn)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(cè)10000r/m. 發(fā)電機(jī)式：利用電機(jī)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(jī)械式：帶動(dòng)帶槽的圓盤，目測(cè)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(cè)出與旋轉(zhuǎn)體同步頻率。 該方案選用ZJYW1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x，ZJYW1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x，通過與ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器配套使用，是一種測(cè)量各種動(dòng)力機(jī)械的傳動(dòng)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(gè)顯示窗，一個(gè)窗用于顯示轉(zhuǎn)矩（Nm）；另一個(gè)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(duì)瞬時(shí)變化的轉(zhuǎn)速波形進(jìn)行測(cè)試或記錄，繪制動(dòng)態(tài)曲線，供作過渡過程動(dòng)態(tài)分析用。此外，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x與其它非電量-相位差變換器傳感器配套使用，可對(duì)拉力、壓力、重力、厚度和流量等非電量進(jìn)行測(cè)量。這就對(duì)于我國(guó)機(jī)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(shí)驗(yàn)設(shè)備。2.2轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的選擇目前在轉(zhuǎn)矩測(cè)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(hào)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(jī)械式。同時(shí)還可根據(jù)信號(hào)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)量精度高, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 造價(jià)低廉, 方便與計(jì)算機(jī)相聯(lián)等一系列優(yōu)點(diǎn), 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(diǎn)是:非常適合測(cè)量靜止扭矩, 也可以測(cè)量低速轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǎng)合。無接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的特點(diǎn):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(cè)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(shí)現(xiàn)各種補(bǔ)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(shí)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(jì)算機(jī)相聯(lián),可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)測(cè)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(cè)量配合使用，可以測(cè)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(duì)時(shí)，氣隙最窄；齒頂和齒槽相對(duì)時(shí)，氣隙變寬。內(nèi)外齒輪在相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒頂與齒槽交替相對(duì)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒時(shí)，工作氣隙發(fā)生一個(gè)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(hào)。此電訊號(hào)瞬時(shí)值的變化和內(nèi)、外齒輪的相對(duì)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(jī)、殼體等部件組成。當(dāng)扭力桿與套筒（轉(zhuǎn)筒）發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在每一個(gè)檢測(cè)線圈內(nèi)感應(yīng)出近似正弦波的信號(hào)；在扭力桿（軸）上沒有負(fù)載時(shí)，兩端檢測(cè)線圈所輸出的信號(hào)有一個(gè)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(cè)線圈感應(yīng)輸出的信號(hào)發(fā)生相位差的變化。這相位差的變化反映所要測(cè)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(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定操作，精確地測(cè)量低轉(zhuǎn)速至高轉(zhuǎn)速的扭矩，廣泛地應(yīng)用于測(cè)量各種變速齒輪裝置的扭矩比、轉(zhuǎn)速比和機(jī)械效率。ZJ型傳感器頂部的小電機(jī)是用于當(dāng)測(cè)量轉(zhuǎn)速較低時(shí)（低于400轉(zhuǎn)/分），甚至在靜止壯態(tài)下使用的。此小電機(jī)通過三角皮帶傳動(dòng)，帶動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)速，以保證低速時(shí)的測(cè)量精度（注意：驅(qū)動(dòng)小電機(jī)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(dòng)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(jī)械式加載、氣壓加載和液壓加載。動(dòng)載加載裝置，動(dòng)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(dòng)臺(tái)。液壓加載裝置的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)液壓傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)大范圍的無級(jí)調(diào)速；(4)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)；(5)一般采用礦物油為工作介質(zhì)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)面可自行潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)；(6)很容易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；(7)容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)化，當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后，不僅可實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)控制，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控。缺點(diǎn)：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?dòng)器特點(diǎn)：（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(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。 （3）可以得到安定的扭力。 （4）無鳴叫音。運(yùn)動(dòng)面的滯滑現(xiàn)象會(huì)發(fā)生于摩擦方式，但是在此不會(huì)出現(xiàn)，而且也不會(huì)發(fā)出連結(jié)音，所以運(yùn)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(yùn)用了理想的冷卻方法，即使是過于嚴(yán)酷的連續(xù)滑動(dòng)運(yùn)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(dòng)狀態(tài)。由于靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)幾乎一樣，所以完全連結(jié)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生震蕩，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載加減速度。綜上所述選擇CZ型磁粉制動(dòng)器，磁粉制動(dòng)器是“電磁粉末制動(dòng)器”的簡(jiǎn)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(dòng)化控制元件。CZ型磁粉制動(dòng)器是根據(jù)電磁原理，通過磁鏈而傳遞力矩的新型制動(dòng)器材。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(shí)），磁粉主要附著在定子的表面。當(dāng)慢慢加載時(shí)，激磁線圈通過直流電流，此時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)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(dòng)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(dòng)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(jī)械能在磁粉制動(dòng)器內(nèi)轉(zhuǎn)換成克服摩擦制動(dòng)力矩而變成熱能。為了防止磁粉發(fā)熱，使磁粉制動(dòng)力矩穩(wěn)定，需要采取降溫冷卻措施。較大的磁粉制動(dòng)器，一般使用水冷卻。CZ型磁粉制動(dòng)器的激磁電流由WIJ-2型穩(wěn)定電源箱供給。在這個(gè)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(dòng)器產(chǎn)生各種制動(dòng)力矩。圖2.3 磁粉制動(dòng)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(jì)采用ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、ZJYW1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x、CZ型磁粉制動(dòng)器等電子儀器完成系統(tǒng)配置。3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1電動(dòng)機(jī)的選型由工作原理知由于此裝置的需要電動(dòng)機(jī)應(yīng)選用調(diào)速電機(jī)，速度調(diào)節(jié)范圍為06000轉(zhuǎn)/分。配套驅(qū)動(dòng)器SCA-B4-70-10時(shí)，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(dòng)機(jī)型號(hào)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(dòng)扭矩/(N.m)8轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)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(cè)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(jiǎn)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(jì)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(jì)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(shí)必須使原動(dòng)機(jī)、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(shí)，將會(huì)降低測(cè)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(shí)，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(cè)試設(shè)備而造成安裝同軸度的變化，由此引起測(cè)試數(shù)據(jù)的變化，同時(shí)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(cè)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(chǎng)地的限制，可去掉中間支承。圖3.3 軸承支座 由于對(duì)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(jì)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(jì)該機(jī)械傳動(dòng)效率測(cè)量臺(tái)是一個(gè)多功能綜合試驗(yàn)臺(tái)，可進(jìn)行有關(guān)典型機(jī)械傳動(dòng)如帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及組合等基本實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)可用同一底座及其配套設(shè)施組裝成多種測(cè)試機(jī)械性能的綜合試驗(yàn)臺(tái)。該底座設(shè)計(jì)有4條T型槽，可以靈活的把各種設(shè)備布局在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，改變了以往根據(jù)底座的尺寸來改變實(shí)驗(yàn)設(shè)備的做法，大大的降低了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，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(gè)設(shè)備的同軸度，該設(shè)計(jì)很好的提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性，盡可能小的較少了誤差。為整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(cè)量各種動(dòng)力機(jī)械的轉(zhuǎn)速和扭矩，在選用傳感器時(shí)，首先要確定被測(cè)設(shè)備的最大扭矩和轉(zhuǎn)速的大小，被測(cè)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(zhǎng)期使用中的安全可靠性，又可以保證較高的測(cè)量精度。在知道被測(cè)功率及工作轉(zhuǎn)速時(shí)，可按下式計(jì)算被測(cè)扭矩的大小。計(jì)算扭矩：M = =47.6 (3.5)M：牛頓米N：轉(zhuǎn)/分P：千瓦有計(jì)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(jī)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(shì)小u1、u2，兩感應(yīng)電勢(shì)的初始相位差是恒定的，考慮到正、反加載，0設(shè)計(jì)在大約180位置上，當(dāng)加上扭力時(shí)，扭力軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。在彈性范圍內(nèi)加扭矩與機(jī)械扭矩成正比，這時(shí)u1、u2訊號(hào)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(shí)，變化的相位大約為90。因此，測(cè)量出就等于間接測(cè)量出軸上的外加轉(zhuǎn)矩，這樣，傳感器就實(shí)現(xiàn)了把機(jī)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(hào)的時(shí)序波形圖。此時(shí)，扭力軸的機(jī)械扭轉(zhuǎn)角為360Z的(Z為齒輪齒數(shù))。圖3.6時(shí)序波形圖 了確保傳感器測(cè)量精度，在使用環(huán)境溫度和標(biāo)定溫度不相同時(shí)，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(shí)的傳感器系數(shù)；溫度為時(shí)的傳感器系數(shù)，即銘牌上所標(biāo)注的系數(shù)值；t測(cè)量時(shí)實(shí)際環(huán)境溫度(C)；標(biāo)定傳感器時(shí)的環(huán)境溫度(C)；G剪切彈性模量G時(shí)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(jī)的用途傳感器上端的小電機(jī)是一個(gè)輔助電機(jī)。因?yàn)閆I傳感器規(guī)定低于600r/min轉(zhuǎn)速時(shí)要啟動(dòng)小電機(jī)，否則，影響扭矩測(cè)量精度。其原因?yàn)椋篫J傳感器為磁電式傳感器，轉(zhuǎn)速過低將引起信號(hào)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(hào)幅度大于0.2V有效值。：轉(zhuǎn)速過低，扭矩信號(hào)頻率下降將引起扭矩測(cè)量誤差（整量化誤差）的增大。因此啟動(dòng)小電機(jī)，提高傳感器內(nèi)外齒的相對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)速（可在主軸不轉(zhuǎn)時(shí)啟動(dòng)小電機(jī)測(cè)得），但要注意因小電機(jī)為異步電機(jī)，且為皮帶傳動(dòng)，其轉(zhuǎn)速不可能是絕對(duì)穩(wěn)定的。如若要求高精度測(cè)量轉(zhuǎn)速（例如測(cè)齒輪箱效率），可以選用帶內(nèi)齒套桶測(cè)速的傳感器，可實(shí)時(shí)扣除小電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時(shí)儀器顯示的是主軸真正的轉(zhuǎn)速。4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1電路工作原理由于在設(shè)備中加了兩個(gè)測(cè)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(gè)傳感器，故輸出的有兩個(gè)模擬信號(hào)兩個(gè)脈沖信號(hào)，所以此電路采用兩個(gè)8255實(shí)現(xiàn)0/1信號(hào)的轉(zhuǎn)化，采用AD574實(shí)現(xiàn)數(shù)轉(zhuǎn)換4.2單片機(jī)的選擇單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其程序主要包括模擬信號(hào)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(jī)選擇80C52能很好的滿足檢測(cè)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(gè)引腳。在單片機(jī)的內(nèi)部，它是一個(gè)反向放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。此檢測(cè)系統(tǒng)采用外部振蕩器，而此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。XTAL2(18腳)接外部晶體的另一端。在單片機(jī)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(yùn)行的時(shí)侯，再次引腳上 出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械周期的高電平時(shí)單片機(jī)故為。根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)電路圖可知，該系統(tǒng)復(fù)合電路實(shí)現(xiàn)80C52的復(fù)位(手動(dòng)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(gè)約8.2K的下拉電阻，與Vcc引腳之間連接一個(gè)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(huì)丟失。當(dāng)Vcc主電源下掉到低于規(guī)定的電平時(shí)，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(chǔ)器的時(shí)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(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率周期性的出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)的目的。然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)侯，將跳過一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)8個(gè)LS型的TTL輸入電路。 (29腳)此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。再從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令(常數(shù))期間，每個(gè)機(jī)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(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不同樣可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出）8個(gè)LS型TTL輸入。 /Vpp(31引腳)當(dāng)端保持高電平時(shí)，訪問內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器，但在PC(程序計(jì)數(shù)器)值超過1FFFH的時(shí)侯，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)期內(nèi)的程序。當(dāng)保持低電平時(shí)，則只訪問程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(chǔ)器時(shí)，與地址總線的低8位機(jī)數(shù)據(jù)總線是復(fù)用的，能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)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(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)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(chǔ)器的時(shí)侯，它可以作為擴(kuò)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(yàn)證期間，它接受高8為誒地址，P2可以驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)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(gè)引腳還用于專門的功能，時(shí)復(fù)的時(shí)候用雙功能口。P3能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)LS TTL負(fù)載。作為第一功能使用時(shí)，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(shí)，各引腳的定義如下表4.2所示，值得強(qiáng)調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨(dú)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(shí)器0外部輸入)P3.515T1(定時(shí)器1外部輸入)P3.616(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫脈沖)P3.717(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖)綜上所述，80C52單片機(jī)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(jì)算，存儲(chǔ)的一體化過程。4.3A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇AD574是美國(guó)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(shí)鐘基準(zhǔn)源，變換時(shí)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(jī)的總線接El，又可直接采用雙極性模擬信號(hào)輸入，有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)變換或讀出變換結(jié)果的操作時(shí)，CE有效RC ：讀變換，高為讀AD變換結(jié)果，低為啟動(dòng)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(jì)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(dòng)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(jì)夸其接P1oREFIN ：基準(zhǔn)輸入REFOUT ：基準(zhǔn)輸出BIP OFF ：雙極性方式時(shí)，偏置電壓輸入端DBIIDB0：12位數(shù)據(jù)總線10VSPAN ：?jiǎn)螛O性010 V模擬量輸入；雙極性0 5 V模擬量輸入該設(shè)計(jì)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(gè)8位并行I/O口。具有3個(gè)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(qiáng)。8255可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時(shí)的中間接口電路。 8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機(jī)相連的3個(gè)總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時(shí)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