扭转试验机毕业设计论文

摘要扭转试验机在学校，工厂广泛用于测量金属及其非金属材料的机械性能的，是学校和工厂不可或缺的试验设备。现在的扭转试验机均是以微机控制、记录为主要特点的电子扭转试验机。学校的旧式试验设备存在故障率高，工作性能不可靠，有时达不到试验所要求的精度，所以本设计就原扭转试验机的传动部分，控制部分加以改造，配以计算机为主的测量控制系统，从新构建一个与现行扭转试验机相一致的电子扭转试验机。本设计说明书包括：概论、总体设计和结论三大部分。通过对我校教学实习基地的一台扭转试验机的结构和性能的研究，从可转换扭转试验机的传动部分，控制与调速部分以及检测部分加以设计，本说明书介绍了伺服电动机和摆线针轮减速器的计算和选型设计，扭转试验机改造方案、改造部位。在传感技术与测控技术的普遍应用的条件下，本设计采用扭矩传感器和光电编码器用于测量扭矩和扭角的数值。在控制系统上将单片机应用到扭转试验机上，其控制也采用了扭矩专用测控软件。改造后的扭转试验机，采用了电子自动平衡测力装置，可控伺服电机，摆线针轮减速，传感记录，电脑手动两控转换并增设了记录装置。 关键词：伺服电机；摆线针轮减速器；计算机控制系统；扭转试验机。AbstractTorsion test machine in the research departments universities and mining materials laboratory used to determine various metallic and non-metallic materials to reverse the admission test of mechanical properties , has been widely used. Now the most advanced materials torsion test machine is the computer measurement, control at the core of electronic materials torsion test machine. But the old materials torsion test of the machine most stringent design, manufacture exquisite. This is designed to test the original old part of the machine, based on eliminating its outdated measurement control, with a new computer-core measurement control system to replace the relevant parts, Construction of a new computer can operate control and automatic measurement, with the existing product line of electronic torsion test machine. Design Manual: An Introduction, the overall design and conclusions of the three most. I passed the school teaching practice base of a testing machine to reverse the structure and properties of, for-cycloid reducer and the characteristics of existing conditions, determined to reverse the programme of testing machine, introduced a servo motor and cycloid Reducer-round selection of calculation and design and reverse the test machine transformation programme, the transformation of location, design and computer control system of reversing the testing machine they should pay attention to the problem. After the reverse of the testing machine, using an electronic self-balancing force measurement devices, servo motor-cycloid speed control system and the addition of a recorded device, it can exert both positive and negative aspects of torque to reverse the trial. Key words: servo motor; cycloid reducer; the computer control system; reversing the test machine.目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1设计目的21.2设计任务21.3构造及工作原理31.4主要的组成构件3第二章 伺服电动机52.1交流伺服电机及其调速分类和特点52.2直流伺服电机及其调速系统72.3交流伺服电机速度控制原理82.4变频与伺服的关系及应用92.5交流伺服电机的变频调速原理112.6变频调速系统的分类122.7电动机的选型计算16第三章 摆线针轮减速器183.1摆线针轮行星齿轮传动的特点203.2 传动比计算233.3摆线针轮减速器设计25第四章 传感器的选用314.1传感器选用的一般原则：314.2 数字式扭矩传感器技术性能及应用33第五章 光电编码器原理及应用电路415.1 光电编码器原理415.2 LEC型光电编码器主要技术指标43第六章 操控系统446.1 控制系统的结构及硬件电路设计446.2永磁伺服电动机的控制电路456.3监测及报警电路466.4时钟及复位电路476.5 软件设计476.6结论48参考文献52致谢辞53附录一54附录二6165第一章 绪论1.1设计目的 毕业设计是学生在校学习阶段的最后一个教学环节，也是学生完成工程师基本训练的重要环节。其目的是培养学生综合运用所学的专业和基础理论知识，独立解决本专业一般工程技术问题的能力，树立正确的设计思想和工作作风。毕业设计说明书不只反映了设计的思想内容，方法和步骤，而且还反映了学生的文理修养和作风。本说明书分为概述、设计内容、总结三大部分，分别介绍了此次扭转试验机改造的设计任务；有关扭转试验机改造总体方案确定及框图、摆线针轮减速器的设计计算、进给伺服系统机械部分设计计算及校核、光电编码器的选型；主要是对本次毕业设计的心得。1.2设计任务题目：两用扭转实验机的改造设计（10400）将机械式扭转实验机改造成可转换扭转实验机，要求微机控制全自动实验机和机械式扭转实验机易于切换，本机加荷系统采用伺服电机和摆线针轮减速器传动。设计参数如下：1、扭矩测量范围（N.m）：10-400 2、扭转测量精度（%）：1级 1%；3、扭矩角测量范围（度）：0-9999；4、扭矩角测量相对误差（%）：1%；5、夹头间最大间距（mm）:600 或 650；6、加载速度（/min）：0.005-1000度/min，无级调速；7、夹持实验尺寸（mm）: 6-20 或8-30；8、电源：单相220/5010%或三相380/5010%；9、功率（KW）： 0.75；10、主机尺寸： 170050085011、主机重量（Kg）： 550 1.3构造及工作原理本机（图表1）加载由计算机控制交流伺服控制系统，通过交流伺服电动机，摆线针轮减速机带动主动夹头旋转加载，扭转和扭角检测采用高精度扭矩传感器和光电编码器，计算动态显示试验扭角扭矩曲线，加载速率，试验力峰值等。检测方法符合GB10128-88金属室温扭转方法的要求。本试验机主要用于对金属材料或非金属材料进行扭转试验，也可以对零部件或构件进行扭转试验，是航空航天，建材行业，交通运输，科研部门，各类大专院校和工矿企业力学实验室用来测定材料扭转性能必备的检测仪器。加载方法 采用交流伺服电机及驱动器，扭矩和扭转角的检测：采用高精度对称扭矩传感器；扭转角的检测采用高精度LEC型光电编码器。操作特点具有手动操作（有正反向手动操作按钮）和计算机操作两种方式。基于WINDOWS平台下的专用测控软件，采用人机交互方式分析计算被测材料的机械性能指标，实验数据自动处理，动态显示试验曲线，试验结果储存，打印。也可人工干预分析过程，提高分析的准确度。1.4主要的组成构件1）伺服电机 2）摆线针轮减速器 3）传感器 4) 编码器及计算机控制系统图表 1改装后的扭转实验机的想象图传动简图第二章 伺服电动机伺服电动机也称为执行电动机。在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。伺服电动机有交流和直流两种。他们的最大特点之可控。再有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没有控制信号输入则停止转动；改变控制电压的大小和相位（或极性）就可以改变伺服电机的转速和转向。因此，它与普通电机相比具有如下特点：1、调速范围宽广，四伏电动机的转速随着控制电压的改变，能在宽广的范围内连续调节；2、转子的惯性小，即能实现迅速的启动、停转；3、控制功率小，过载能力力强，可靠性性好。2.1交流伺服电机及其调速分类和特点交流伺服电机在自动控制系统中用作执行元件。它的任务是将电信号转换成为轴上的角位移或角速度的变化。交流伺服电动机应具有的基本性能是：良好的可控性，运行稳定和快速反应。良好的可控性是指单向供电时无自传现象； 运行稳定是指转速随着转矩的增加而均匀下降；快速响应是指交流伺服电动机接到控制信号时能快速启动，失去信号时能自动制动并迅速停止转动。长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。2.1.1异步型交流伺服电动机 异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。 2.1.2同步型交流伺服电动机 同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。交流伺服电机的控制方法有三种：1、幅值控制 2、相位控制 3、幅值-相位控制。 2.2直流伺服电机及其调速系统直流伺服电动机在自动控制系统中和交流伺服电动机一样，用作执行元件。对它的主要要求是要有下垂的机械特性，线性的调节特性和对控制信号能做出快速的响应。直流伺服电动机通常用于功率稍大的系统中，其输出功率一般为1W600W。但也有数千瓦的，它的基本结构和工作原理与普通直流他励电动机相同，不同点只是它做得比较细长一些以便满足快速响应的要求。直流伺服电机的调速由公式：直流电机调速有三种方法：（1）改变电区电压U：由额定电压向下调低，转速也由额定转速向下调低，调速范围大。（2）改变磁通量（即改变ke）：改变激磁回路的电阻可改变。由于激磁回路电感大，电气时间常数大，调速快速性差，转速只能由额定转速向上调高。（3）在电枢回路中串联调节电阻。转速只能调低，铜耗大，不经济。直流伺服电机通常采用调压调速。直流伺服电机与交流伺服电机的机械特性比较，前者堵转矩大，特性曲线线性度好，机械特性较硬。缺点是有换向器，结构复杂，需要经常维护，产生无线电干扰。在确定系统中采用何种电动机时许综合考虑其电机特点所以在本次扭转试验机改造毕业设计中所用的电机选用交流伺服电机。2.3交流伺服电机速度控制原理一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。 速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。 对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。 换一种说法是： 1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。 2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。 3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。2.4变频与伺服的关系及应用随着工业水平的发展，自动化水平的提高，变频技术和伺服在工业自动化控制上有着广泛的应用，变频技术： 简单的变频器只能调节交流电机的速度，这时可以开环也可以闭环要视控制方式和变频器而定，这就是传统意义上的V/F控制方式。现在很多的变频已经通过数学模型的建立，将交流电机的定子磁场UVW3相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流的分量，现在大多数能进行力矩控制的著名品牌的变频器都是采用这样方式控制力矩，UVW每相的输出要加摩尔效应的电流检测装置，采样反馈后构成闭环负反馈的电流环的PID调节；这样可以既控制电机的速度也可控制电机的力矩，而且速度的控制精度优于v/f控制，编码器反馈也可加可不加，加的时候控制精度和响应特性要好很多。伺服系统：1、伺服驱动器 在发展了变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环（变频器没有该环）都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的伺服强大很多，主要的一点可以进行精确的位置控制。通过上位控制器发送的脉冲序列来控制速度和位置（当然也有些伺服内部集成了控制单元或通过总线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里），驱动器内部的算法和更快更精确的计算以及性能更优良的电子器件使之更优越于变频器。2、电机方面 伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机），也就是说当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电源时，伺服电机就能根据电源变化产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机，电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本。就是说不是变频器输出不了变化那么快的电源信号，而是电机本身就反应不了，所以在变频的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。当然即使不设定变频器的输出能力还是有限的，有些性能优良的变频器就可以直接驱动伺服电机。两者的共同点：交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术，在直流电机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的，也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节：变频就是将工频的50、60HZ的交流电先整流成直流电，然后通过可控制门极的各类晶体管（IGBT，IGCT等）通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的波形类似于正余弦的脉动电，由于频率可调，所以交流电机的速度就可调了（n=60f/2p ，n转速，f频率， p极对数）。由于变频器和伺服在性能和功能上的不同，所以应用也不大相同：1、在速度控制和力矩控制的场合要求不是很高的一般用变频器，也有在上位加位置反馈信号构成闭环用变频进行位置控制的，精度和响应都不高。现有些变频也接受脉冲序列信号控制速度的，但好象不能直接控制位置。2、 在有严格位置控制要求的场合中只能用伺服来实现，还有就是伺服的响应速度远远大于变频，有些对速度的精度和响应要求高的场合也用伺服控制，能用变频控制的运动的场合几乎都能用伺服取代，关键是两点：一是价格伺服远远高于变频，二是功率的原因：变频最大的能做到几百KW，甚至更高，伺服最大就几十KW。伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。变频是伺服控制的一个必须的内部环节，伺服驱动器中同样存在变频（要进行无级调速）。但伺服将电流环速度环或者位置环都闭合进行控制，这是很大的区别。除此外，伺服电机的构造与普通电机是有区别的，要满足快速响应和准确定位。现在市面上流通的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服，但这种电机受工艺限制，很难做到很大的功率，十几KW以上的同步伺服价格及其昂贵，这样在现场应用允许的情况下多采用交流异步伺服，这时很多驱动器就是高端变频器，带编码器反馈闭环控制。2.5交流伺服电机的变频调速原理由可知，改变定子电源频率可以改变同步转速和电动机的转速。又有异步电动机的电势公式可知外加电压近似于频率和磁通的乘积成正比，即，由于C为常数，则，因此，若外加电压不变，则磁通随频率改变而改变，亦即频率降低，则磁通增加；、频率增加，磁通降低。显而易见，前者有可能造成电动机的磁路过饱和，从而导致电流的增加而引起铁心过热。为了解决这一问题，这要求在变频调速系统中降频的同时最好降压，即频率与电压能协调控制，亦即Ux必须与f成比例的变化。一般来说，在恒转矩变频调速系统中，如果能保持定值，则可保证调速过程中电动机的过载能力保持不变。同时，可满足磁通基本不变的要求。而在恒功率调速时，如能满足定值的条件，则调速过程中电动机的过载能力也保持不变，但此时磁通将发生变化，如果此时亦按恒转矩调速满足定值的条件，则磁通将基本保持不变，但电动机的过载能力将在调速过程中改变。从而根据协调控制的方法不同，可以有不同的调速特性。2.6变频调速系统的分类变频调速系统可以分为交-直-交变频调速与交-交变频调速两大类。前者常称为带直流环节的间接变频调速，后者则常称为直接变频调速。在专业课学习过程中可知：交-交变频调速与交-直-交变频调速相比，其优点是：节省了换流环节，提高了效率；在低频时波形较好，电动机谐损耗及转矩的脉动大大减小。其缺点是：最高频率受电网频率的限制，且主回路元件数量多。故一般适用于低速、大容量的场合，如球磨机、矿井提升机、电力机车及轧机的转动。扭转试验机的改造选用交-直-交变频调速。在交直交变频调速系统中，首先将电网中交流电整流成直流电，再通过逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。前者目前主要采用晶闸管整流器来完成；逆变器的作用与整流器的作用相反，一般包括逆变电路及换流电路两部分。逆变电路又有单相与多相、零式与侨式之分。换流电路是保证当前导通的一只晶闸管换为后一只晶闸管导通时，确保前者能可靠关断的装置。就整个变频装置而言，又根据从直流变到交流的中间环节滤波方法的不同而派生出两种不同的线路，即所谓电压型变频调速系统和电路型变频调速系统。图示为电压型变频调速系统的原理框图BR速度给定 频率发生器环形计数器脉冲放大器F/V变换器直流放大器移相电路变频M变频器 系统中，晶闸管整流、移相触发电路、脉冲放大器、电压及速度负反馈环节的电路及原理与交流调速系统没有多大差别，其中，速度给定与频率发生器电路是用来将给定电压变换为一定频率脉冲信号的电路，通常采用单结晶体管振荡器，也有采用晶体管多谐振荡器、间歇振荡器等组成。该输出脉冲分别送至环形计数器及频率/电压变换器中。环形计数器实质是一个分频器，它把来自频率发生器的脉冲6个一组依次分配，经过脉冲放大后，顺序触发逆变器的6只晶闸管来实现逆变。频率/电压变换器是为了实现电压与频率的协调控制的。因为在变频的同时，必须相应的改变直流电压，以满足调速系统的要求。频率/电压变换器把脉冲信号变换为宽度与频率成线性关系的矩形波。即当脉冲信号的频率增高时，其输出电压也增高，控制晶闸管整流器的控制角a前移，使晶闸管整流器的输出电压也增高。目前通用型变频器主要是交-直-交变频器，其主要电路为下图。同时变频器的核心电路，有整流回路（交-直变换）直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直-交变换）组成，当然还包括限流电路，制动电路，控制电路等组成。1）整流电路（交-直转换）如下图所示，通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为12001600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。2）滤波电路（能耗电路） 逆变器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们随的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命。3）逆变电路（直交转换）逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出。通常的中小容量的变频器主回路器件一般采用集成模块或智能模块。智能模块的内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。如三菱公司生产的IPMPM50RSA120，富士公司生产的7MBP50RA060，西门子公司生产的BSM50GD120等，内部集成了整流模块、功率因数校正电路、IGBT逆变模块及各种检测保护功能。模块的典型开关频率为20KHz，保护功能为欠电压、过电压和过热故障时输出故障信号灯。逆变电路中都设置有续流电路。续流电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同步转速也随之下降。为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中，寄生电感释放能量提供通道。另外，当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保护。2.7电动机的选型计算所得设计的扭转数据加以折算进行电动机的选择计算。1） 折算到电动机轴上的转矩 式（2.1） 式（2.2） 式（2.3） 电动机负载转矩生产机械负载转矩电动机旋转角速度电动机功率2） 工作状态下的载荷负载转矩在正常状态下，工作状态负荷转矩应不超过电动机额定转矩的80% 式（2.4）电动机额定转矩 N*M工作状态载荷转矩 N*M 式（2.5） 式（2.6）1、 鉴于此选择的电机为型号额定功率额定转速最大转矩额定转矩HC-KFS730.75KW2.4N*M7.2N*M3000R/MIN所以运用交直交变频调速系统将电机的运转速度调至87转/分钟。第三章 摆线针轮减速器摆线针轮行星齿轮传动的典型结构和各部分名称如图所示。两个相同的摆线行星轮C，经滚子轴承3安装在偏心套2上，行星轮采用变态外摆线的等距曲线作齿廓。双偏心套2又用键连接固定在输入轴1上组成转臂H。该偏心套的两个偏心位置相错180度。固定针轮P由针齿壳6，针齿套7和针齿销8组成，针齿工作部分为圆柱形销套。轴销式W机构由装在输出轴端部销盘上的销轴4，销套5和行星轮上的销孔组成。采用这种W机构可将摆线轮的转动等角速地传给输出轴V。为便于分析其运动特点，将这种减速器的结构用下图简化但输入轴I和转臂(偏心套)一起绕Oz转动时，就带动摆线轮B沿着固定的针矢以绝对的角速度W2滚动，也就是绕轴O2作行星传动，即绕轴O2公转同时还绕自己的轴线OB做反方向的减速转动即自转。显然，摆线轮B的运动以等角速比传递到与输入轴I同轴线的输出轴V上去，必须加一个传动比等于1的等角速度传动机构。这种机构就是输出机构，通常称为机构。 摆线针轮行星齿轮传动的主要符号 摆线轮齿数 针轮齿数 传动比 中心矩 基圆半径 滚圆半径 摆线轮节圆半径 针轮节圆半径 摆线短幅系数 针轮系数 摆线轮齿顶圆半径 针齿中心圆半径 摆线轮齿根圆半径 针齿套外圆半径 摆线轮柱销孔半径 针齿销半径 柱销中心半径 柱销套外圆半径 柱销中心圆半径 柱销半径3.1摆线针轮行星齿轮传动的特点1）传动比大 和一般减速器相比，这种减速器的减速比可以很大，以及减速可达987（特殊情况可达7115），而及减速可达1215133（最大可达7969），如果采用多级组合型式可达或更大。例如某设备上应用的四级摆线减速机速比为1100155，输入轴转速为1500转/分时。输入轴每天只转2转。 一对定轴齿轮速比一般不大于7，传动比过大时，大小齿轮的工作情况差别较大，结构尺寸也过大。蜗杆涡轮速比一般也不大于70。类型一级传动二级传动圆柱齿轮减速器 直齿减速器 斜齿减速器圆锥齿轮减速器 直齿减速器 斜齿和圆锥齿减速器涡轮减速器摆线针齿行星减速器2）结构紧凑，体积小，重量轻。 与同等功率的其他类型减速器相比，其体积可减小一半，重量了减轻三分之二左右。可节省大量钢材，且小巧轻便。3）效率高由于采用了针齿加套，销轴加套，啮合表面没有相对滑动，而是纯滚动，滚动替换了滑动，故其效率较涡轮减速器，渐开线一级查减速器和PM减速器都高。据国外实测，一级减速器效率可达90-94%，而涡轮减速器效率只65-75%。PM减速器效率大约85%左右4.）运转平稳，无噪音摆线针轮减速器同时啮合的齿数很多，两个摆线轮又位差180度的装载偏心套上，偏心运动得到平衡，啮合部位得到切削加工，因此运转非常平稳，噪音很小，改善工人劳动条件。5）耐冲击，超负荷能力强 一般的渐开线齿轮同时啮合的齿数少，其重叠系数小，而摆线减速器传递动力大，同时啮合的齿数理论上为摆线轮的一半。因有误差的影响，实际呢合的齿数大约为摆线轮齿数的三分之一，故耐冲击和超负荷能力较强。据天津减速器厂对i=43机型的实测，冲击负荷达额定负荷的3.5倍时，减速器仍完好无损；日本进行静扭矩试验，加载到额定扭矩的十倍，减速器齿和柱销等环节都很正常。6）寿命长，故障少，转拆方便，维修简单。摆线减速器的摆线轮和针轮、柱销均为轴承钢。硬度达RC62-64，油井切削加工，耐磨性能好，因此寿命长。据介绍，摆线减速器在负荷下可使用10-15年，一般负荷下使用三十年以上。减速器的输入，输出轴同在一条直线上，且零件较少，结构紧凑，重量轻，因此装拆方便，维修方便。7）飞轮转矩小，便于启动、制动，转向。 摆线减速器的飞轮矩与电动机及负荷的飞轮矩相比，几乎可以忽略。因此李于启动、制动、转向。事物都是一分为二的，摆线减速器也有其弱点：这种传动结构复杂，制造较困难，加工和装配精度要求较高同时需要专门的加工设备，而且摆线轮尚缺乏一套完善的测量工具。此外，转臂轴承受力较大，轴承寿命不易保证。这些问题都限制了摆线行星传动的应用范围。另外：由于摆线传动没有可分性，多齿啮合，多销孔啮合，因此对于加工精度和装配精度要求较高。摆线磨齿机的诞生解决了对摆线齿形的加工这一关键。1. 主要零件的热处理质量要求高，大尺寸摆线轮锻造和热处理困难，稍加疏忽易出现裂纹。2. 关键零件需要较好的刚材制造。3. 体积小，散热条件不好，特别是大功率摆线减速器，散热和润滑比较困难。4. 摆线齿轮没有精确的测量方法和测量工具，相邻周节误差和周节累积误差都不能测量。因此摆线齿轮的质量不好保证。目前检验办法是测量摆线轮齿顶到对方齿底的径向长度。5. 基本理论复杂，不如渐开线齿轮易掌握（但这种情况将随着他的逐步推广有所改变）。目前，摆线针轮行星传动多用于高速轴转速n1500r/min 和输入功率N100KW的场合，国内最大输入功率达75KW。3.2 传动比计算 针对摆线轮针齿行星传动，轮1即为摆线轮，齿数其角速度为，轮2即齿数为的针齿，其角速度为，同样可写成： 式（3.1）通常针轮固定不动，故： 式（3.2）等式成为： 式（3.3）摆线针齿行星传动中，因针轮固定，转臂H和摆线轮的速比： 式（3.4）负号表示转臂H与摆线轮的转向相反，因针齿与摆线轮齿数相差1，即： 式（3.5）故减速比： 式（3.6）结论：在摆线针齿传动中，当针齿固定不动时转臂H和摆线轮的减速比的绝对值等于摆线轮的齿数。摆线轮的转向与转臂H相反。为了把摆线轮B的运动以等角速比传递到与输入轴Z同轴线的输出轴V上去,必须加一个传动比等于1的等角速传动机构,这种机构就是输出机构,通常称W机构。3.3摆线针轮减速器设计1 预选 参考3-3，预选，参考表3-4，预选2 查的值, 由7-1查得3 求针轮半径和摆线宽度B按式 式（3.7）取 式（3.8）式中,将， 代入上式得： 式（3.9）参考表3-7取摆线轮宽度 式（3.10）取4. 求A 圆整成0.5毫米的倍数 式（3.11）圆整 5. 求出的精确值 式（3.12）6确定针齿尺寸 式（3.13）取，针失销半径7 确定实际针径系数 式（3.14） 8 校核失形是否发生沉切不发生沉切的条件是因为 式（3.15）所以： 式（3.16） 不发生沉切9校核接触强度 式（3.17）由表3-1根据, 式（3.18）10:验算针矢销弯曲强度利用二支点结构，并由图3-9查的针轮不必抽矢。按式: 式（3.19）取将，代入上式得： 式（3.20）实际取，故针矢弯曲强度足够。11.确定摆线轮的主要尺寸：矢顶圆半径： 式（3.21）矢根圆半径： 式（3.22）宽度12.选择转臂轴承并验算出轴承寿命参考表3-2选用50228轴承（RN228无外圈圆柱棍子轴承）其， 名义径向负荷按式计算并考虑到制造误差的影响 式（3.23）当量动载荷 式（3.24）转速 式（3.25）由 式（3.26）13.确定柱销数目和参考表3-6即=2柱销控中心圆半径 式（3.27）取两个摆线轮间距 式（3.28）14：计算机构柱销的弯曲强度 式（3.29）参考表3-6取第四章 传感器的选用4.1传感器选用的一般原则：现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。2、灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3、频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。 4、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。5、稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 6、精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。4.2 数字式扭矩传感器技术性能及应用4.2.1数字式扭矩传感器的基本性能在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数:旋转扭矩,为了检测旋转扭矩传统使用较多的是扭转角相位差式传感器，该方法是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近（磁或光）传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号；缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。（见图一） 图一 扭转角相位差式扭矩传感器示意图 扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术。它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。 将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。 （见图二）但是在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。图二 基本的扭矩传感器由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的