（机械电子工程专业论文）减摇鳍测控系统的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 埔尊 j v 减摇鳍是一种应用最广泛的主动式减摇装置。早期的减摇鳍控制器是由 模拟电路组成的，电路构成复杂、稳定性及抗干扰能力差。随着微型计算机 技术的发展，减摇鳍控制系统中也应用了计算机控制技术。微型计算机减摇 鳍控制器有着模拟电路组成的减摇鳍控制器不可比拟的优越性，它具有体积 小、参数易于调整，可由用于各种船舶，具有很好的通用性。 目前，国内外的各种减摇鳍的控制器大多数采用单片机作为控制器的核 心，都是以控制减摇鳍的运动为主，功能比较单一，自检测部分所涉及的很 少。同时，现有的控制器的数据处理能力远远不能满足先进、智能控制方法 在减摇鳍控制器中的应用。因此，减摇鳍控制系统的完善和更新研究很有必 要，并且成为一种需求。 本文采用先进的新型微型计算机混合信号片上系统( s y s t e mo nc m p ) c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心，取代n 3 5 减摇鳍原来的控制器，设计一套减摇鳍测 控系统，在完成原有减摇鳍控制器功能的同时，增加自检测功能，使减摇鳍 测控系统的功能更加完善，提高其整体性能。同时，简化电路，提高减摇鳍 的可靠性和抗干扰能力。本文的研究内容主要包括以下几方面： 1 、减摇鳍测控系统中小型仿真转台的设计。仿真转台主要用于减摇鳍测 控系统自检铡过程中，产生相对规律的船舶横摇信号，用于检测系统的性能。 2 、对减摇鳍测控系统的硬件构成进行综合设计。其功能涵盖了n j 5 减摇 鳍控制器的全部功能。在此基础上增加了转台的控制部分及对故障及状态检 测信号的采集。 3 、对自检测部分的软件进行编制。包括转台的控制程序模块、角度信号 采集程序模块、故障及状态采集程序模块、显示程序模块等等，这些程序模 块构成了自检测部分的控制程序主体。 以上三个部分互相融合为一个整体，共同构成了完整的减摇鳍测控系统。 关键词：减摇鳍；c 8 0 5 1 f 0 2 0 ；转台：步进电机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i a b s t r a c t t h ef i ns t a b i l i z e ri so n eo ft h em o s t p o p u l a rs h i p s t a b i l i z e d e q u i p m e n t t h ee a r l yf i ns t a b i l i z e rc o n t r o l l e ri sm a d eo ft h es i m l a t e c i r c u i t ，i ti sb a dt h a tt h ec i r c u i tf o r m sc o m p l i c a t e d n e s s ，s t a b i l i t y a n di n t e r f e r e n c e f r e ea b i l i t y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo f t h e i c r o c o p u t e r ，t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e rh a v eb e e n u s e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo ff i ns t a b i l i z e rt o o t h em i c r o c o m p u t e r f i ns t a b i l i z e r c o n t r o l l e rh a ss t a b i l i z e r st h a ts i m u l a t i o nc i r c u i t m a k e s u ps u p e r i o r i t y t h a tc o n t r o l l e r sc a n tb e c o m p a r e d ，i t i s s m a l1 ，t h ep a r a m e t e ri se a s yt oa d j u s t ，c a nb eu s e di nv a r i o u sk i n d s o fs h i p i n g ，h a v ev e r yg o o dc o n m o n a b i l i t y a tp r e s e n t m o s tc o n t r o l l e r so fd i f f e r e n tf i ns t a b i l i z e r sb o t h a th o m ea n da b r o a da d o p tt h ec o n t r o l l e ro ft h em i c r o c o m p u t e ra st h e c o r e ，a n dr e l ym a i n l yo nc o n t r o l l i n gt h em o v e m e n to ft h ef ins t a b i l i z e r t h ef u n c t i o no ft h ec o n t r o l l e t si sm o n o t o n o u s ，t h e r ea r ef e wo n e st h a t m e a s u r e da n di n v o l v e dp a r t i yb yo n e s e l f - t e s t i n g b e s i d e s ，t h ed a t a p r o c e s s i n ga b i l i t yo ft h ee x i s t i n gc o n t r o l l e ri sf a rf r o mm e e t i n gt h e a p p l i c a t i o n i nt h ec o n t r o l l e ri nt h e f i ns t a b i l i z e ro fm e t h o do f a d v a n c e dp e r s o n ，i n t e l l e c t u a lc o n t r 0 1 s ot h ep e r f e c t i o na n du p g r a d i n g a n di ss t u d i e do ft h ec o n t r o ls y s t e mo ff i ns t a b i l i z e ri sv e r yn e c e s s a r y ， a n db e c o m eak i n do fd e m a n d i nt h i st e x t ，t h ea d v a n c e dn e w t y p em i c r o c o m p u t e r ( s y s t e mo nc h i p ) w i t hm i x i n gt h e s i g n a l c 8 0 5 1 f 0 2 0 i sa c o r e ，a n dr e p l a c e st h e c o n t r o l l e ro fn j 5s e r i e sf i ns t a b i l i z e r s n ot h eb a s i so fo r i g i n a l s t a b i l i z e r ，w ed e s i g n sas e to fo b s e r v ea n dc o n t r o lt h es y s t e mt of i n s t a b i l i z e r s ， w h i l e f i n i s h i n gh a v i n g ac o n t r o l l e rf u n c t i o no f s t a b i l i z e ro r i g i n a l l y ，i n c r e a s em e a s u r e m e n tf u n c t i o nb yo n e s e l f ，i ti s m o r ep e r f e c tt om a k et h es t a b i l i z e ro b s e r v ea n dc o n t r o lt h es y s t e m a t i c f u n c t i o n ，i t s g l o b a l i t y c a nb e i m p r o v e d b e s i d e s ，s i m p l i f y t h e c i r c u i t ，i m p r o v ed e p e n d a b i l i t yo ft h e s t a b i l i z e ra n di n t e r f e r e n c e f r e ea b i l i t y t h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st e x ti n c l u d et h ef o l l o w i n g a s p e c t sm a i n l y ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 t h es m a l ls c a l ee m u l a t i o nr e v o l v i n gt a b l eo ft h ef i ns t a b i l i z e r o b s e r v e sa n dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di nt h i st e x t t h ee m u l a t i o n r e v o l v i n gt a b l eisu s e di nt h eo b s e r v e sa n dc o n t r o lt h es y s t e mo ff i n s t a b i l i z e rt op r o d u c et h er e l a t i v el a ws h a k e st h es i g n a lo fs h i p i n g i nt h ec o u r s eo fm e a s u r i n gm a i n l yt h ep e r f o r m a n c ef o rt h ed e t e c t i o n s y s t e m 2 t h eh a r d w a r eo ft h ef i ns t a b i l i z e ro b s e r v e sa n dc o n t r o ls y s t e m i s d e s i g n e ds y n t h e t i c a l l y a 1 l f u n c t i o n so ft h ec o n t r o l l e rh a s c o n t a i n e dn j 5s e r i e sf i ns t a b i l i z e r ss t a b i l i z e r ，a n di n c r e a s e dt h e c o n t r o lo ft h er e v o l v i n gt a b l ea n dc o l l e c t i o no ft h es i g n a lt h a tt h e t r o u b l ea n ds t a t em e a s u r e d 3 t h es o f t w a r eo fm e a s u r i n g i t s e l fp a r ti sm a d eu pi nt h i st e x t i n c l u d i n gp r o c e d u r em o d u l e o fc o n t r o l l i n go fr e v o l v i n gt a b l e ，t h e p r o c e d u r em o d u l e o fg a t h e r i n ga n g l es i g n a l ，t h ep r o c e d u r em o d u l eo f g a t h e r i n gt r o u b l ea n ds t a t es i g n a l s ，p r o c e d u r em o d u l eo fs h o w s e t c t h e s e p r o c e d u r e m o d u l eh a sb e e nf o r m e d m e a s u r i n g i t s e l f c o n t r o l p r o c e d u r es u b j e c t s t h ea b o v e m e n t i o n e dt h r e ep a r t sp e r m e a t eaw h o l ee a c ho t h e r ，f o r m t h et h ef i ns t a b i l i z e ro b s e r v e sa n dc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：f i ns t a b i l i z e r ：c 8 0 5 1 f 0 2 0 ：r e v o l v i n gt a b l e ：s t e p p i n g m o t o r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 减摇鳍测控系统研究的背景、意义及目的 减摇鳍的最早专利是在1 8 8 9 由约翰i 桑尼克罗夫特( j o h n i t h o r n e y c r o f t ) 获得的。1 9 2 3 年日本的元良信太郎设计了第一套减摇鳍， 经装船试验得到了良好的减摇效果。1 9 3 5 年英国的布朗( b r o w n ) 兄弟公司 设计的减摇鳍成功的应用到一艘2 2 0 0 吨的海峡渡轮，从此减摇鳍得到了广泛 的应用。目前许多国家的海军中高速舰船、许多商船和其他船只都装有减摇 鳍。我国在6 0 年代初开始研制减摇鳍，目前由哈尔滨工程大学和中船总7 0 4 研究所设计了几个系列的减摇鳍，装备到了各种军船和其他船舶。”。 减摇鳍是一种主动式船舶横摇减摇装置，适用于装备中、高航速的各类 船舶。它以减摇效果好并且结构简单、重量轻、制造成本低、可靠性高等优 点广泛用于各类船舶上，要正确控制减摇鳍并且获得很好的减摇效果，控制 系统的性能是至关重要的。 随着计算机技术的发展，特别是单片机技术的发展，减摇鳍控制系统中 也应用了计算机控制技术。8 0 年代英国的m u i r h e a dv i c t r i c 公司研制生产 了m v - 1 0 0 减摇鳍单片机控制器。我国也于8 0 年代末研制了减摇鳍单片机控 制系统。此后，随着控制技术及微型计算机技术的发展，减摇鳍控制器也在 不断的发展。 就减摇鲳控制器的发展而论大致有两个发展方向： 控制方法 所应用的控制方法向高自动化、智能化的方向发展，各种先进的控制方 法、检测方法、诊断方法得以应用到减摇鳍控制系统中。 处理器 数据处理器( c p u ) 的使用有两个方向：( 1 ) 沿用传统的处理器单片 机。( 2 ) 用p c 机代替单片机。两者在应用上各有利弊，单片机的处理速度不 及p c 机，这在一定程度上限制了控制方法的应用，但其具有稳定性好、抗干 扰能力强、体积小、安装方便等优点，同时成本比较低，目前还是得到关广 泛的应用；p c 机处理速度快，可以应用计算量比较大、高智能化的控制方法， 抗干扰能力略逊于单片机，同时成本比较高。但也是减摇鳍控制器的发展方 向之一。 此外，减摇鳍控制系统的整体功能的完善和增加，使之更适合于应用和 1 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 操作，也是研究的趋势。 减摇鳍微型计算机控制器与过去的模拟电路控制器相比，有很大的优点 ： 微型计算机减摇鳍控制器的电路硬件简单，参数调整非常方便，可以 方便的应用于各种船舶，所以这种控制器具有通用性。 微型计算机减摇鳍控制器具有检测、诊断故障的功能，所以便于保养、 维修和维护减摇器系统的正常工作。 微型计算机减摇鳍控制器可以有效的克服零位漂移等问题。 微型计算机减摇鳍控制器由于其运行和处理数据的速度很快，所以可 以使用的控制方法范围不断扩大，比如p i d 、模糊控制、最优控制和自适应 控制技术等等m ，。 虽然微型计算机减摇鳍控制器具有这么多优点，但到目前为止，许多潜 力还没有真正发挥出来，内部资源的利用还不够充分，数据处理能力的利用 还有很大空间。特别是单片机技术的不断进步，更为微型计算机减摇鳍控制 器的设计和发展提供了广阔的空间。 无论b r o w n 公司的m v 型系列减摇鳍控制器，还是哈尔滨工程大学船舶减 摇与控制技术研究所的n j 系列减摇鳍的控制器都存在不完整性。例如：m v l 0 0 减摇鳍的控制器采用的是6 8 0 0 0 系列单片机微处理器，不但数据处理能力受 到了限制，而且电路构成复杂，抗干扰能力差；n j 系列减摇鳇的控制器采用 的是8 0 9 7 b h 单片机微处理器，数据处理能力虽然目前可以满足要求，但大计 算量控制算法的应用也受到了限制。在实际应用中，电路构成的复杂、庞大， 在一定程度上降低了抗干扰能力，同时给调试带来了很大不便。 就n j 系列减摇鳇控制系统面言，控制系统的自检，包括在系泊状态下对 减摇工况检测、生摇工况检测和减摇鳍系统各个设备的检测，以及船舶航行 情况下减摇鳍系统各个设备的检测，如：电源、传感器以及故障检测点即、 油温、油位、回油路滤油器、伺服油路滤油器、鳍角等等，以确定工作是否 正常。在检测减摇工况时，由于角速度传感器是固定在控制箱上的，所以无 法产生船的横摇信号，只有通过人工方法产生这一信号，该信号的产生不仅 有很大的随机性，而且不易操作，给现场调试及检测带来了很大不便。 此外，由于随动系统有自身的检测、报警及自动控制功能，减摇鳍控制 器没有对随动系统的检测信号进行收集处理，正确对减摇鳍各种部件检测信 号的集中分析处理，可以为减摇鳍很好的工作提供可靠的保证。这不但丰富 了减摇鳍的控制器功能，还可以增加整套系统的整体性。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因此，设汁一套电路结构简单、可靠性高、性能好、数据处理能力强、 功能完善的单片机减摇鳍控制器显得很有必要。 1 2 本文提出的减摇鳍测控系统 综合上节所述，本课题提出以新型微型计算机片上系统( s o c ) c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心，设计一套减摇鳍测控系统，在完成原有减摇鳍控制器功 能的同时，增加自检测功能，使减摇鳍测控系统的功能更加完善，提高其整 体性能。本文提出的减摇鳍测控系统从整体上划分为自检测部分和减摇鳍控 制部分，二者并不是完全独立而是互相融合的整体，共同完成减摇鳍系统的 检测及控制。图1 1 是减摇鳍测控系统的功能示意图。 图1 1 减摇鳍测控系统功能示意图 减摇鳍的控制部分所要完成的功能如下： 数据的采集功能：包括船舶横摇角速度信号、船舶航速信号的采集。 减摇鳍鳍角控制指令：主要控制减摇鳍的转角，实现减摇鳍的减摇或 者生摇等功能。 减摇鳍操纵指令的接收：包括启动停止、生摇减摇、归零、正常 寂静等操纵指令信号。 p i d 系数设定：根据不同舰船的情况，设定合适的系数，满足不同舰 船的需要，提高减摇鳍控制器的通用性。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 自检测部分包括：( 1 ) 一套结构简单、体积小、重量轻、可移植性好、 精度高、响应速度快、用于模仿舰船的横摇运动的微型姿态仿真装景( 转台) 及其运动控制子系统，它可以为减摇鳍控制器调试过程及减摇鳢装船检测提 供便利的条件。( 2 ) 对状态检测信号的采集、判别及编码显示。主要功能包 括： 转台转动周期设定：可以根据实际情况，设定转台的转动周期。 转台驱动系统的控制功能：用于控制转台的转动速度、转动方向、启 动、停止和归零、转动周期的设定等功能。 状态检测：包括左前、右前、左后、右后鳍的故障检测、手动、解脱 等状态信号的检测，并进行编码显示。 显示功能：用于显示故障及其他信息。 1 3 本文的主要工作 根据课题的提出及其所要完成的功能，本文虽然以自检测部分为重点研 究和设计对象，但同时也兼顾了减摇鳍控制部分的设计，使二者融合为一套 完整的减摇鳍测控系统。 首先。设计减摇鳍测控系统转台。对转台的结构进行论证，确定方案之 后，设计减摇鳍测控系统转台的整体装配图。在此基础上设计转台的零件， 包括轴、支架、台体等等及对转台关键部件的校核。确定转台的各种指标达 到设计标准。 其次，设计减摇鳍测控系统转台的驱动系统。包括确定驱动电机类型， 根据设计精度要求，确定电机的各项指标，如速度、功率、转矩等等。在此 基础上确定控制电机的方法，驱动转台运动，使其符合系统设计的要求。 再次，设计减摇鳍测控系统的硬件结构。根据减摇鳍测控系统要实现的 功能，进行硬件设计。包括c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的端口配置及其外围电路的设 计，如数据采集电路、步进电机控制电路和显示电路等等。 最后，针对自检测部分所涉及到的软件控制程序进行设计。包括步进电 机控制程序、转台角度采集模块、控制信号输出程序模块以及故障检测、显 示程序模块的设计。 以上所述构成了本文的主要内容，以下章节针对本文的具体工作进行了 详细阐述。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章减摇鳍测控系统中转台的机械结构设计 减摇鳕测控系统中的转台，用来实现仿真船舶横摇运动近似正弦的 运动，是自检测部分的重要组成部分，是自检测部分的核心。除了用于自检 测之外，还用于减摇鳍测控系统的调试，为减摇鳍测控系统各项性能的检验 和测试提供仿真信号。下面就转台的设计过程作以详细地阐述和分析。 2 1 转台的设计要求 转台的设计要求其具有结构简单、体积小、重量轻、可移植性好、精度 高、响应速度快的特点，以适应实际应用的需要。下面就转台的技术指标和 极限参数作以介绍。 2 1 1 技术指标要求 根据舰船在实际航行对的摇摆情况，确定转台的主要技术指标，这些指 标必须满足减摇鳍澳4 控系统的需要及要求。 转台的最大摆角 最大摆角是指转台在仿真舰船横摇运动时的最大摆动角度，本文设计的 转台最大摇摆角为：4 5 0 。 b 转台的运动周期 运动周期是指转台在仿真舰船横摇运动的周期，本文设计的转台运动周 期范围为：3 2 5 秒。 c 转台的工作温度 转台的工作温度是指转台所要适应的工作环境的温度，本文设计的湿度 范围为：o 5 0 d 转台的承载重量 转台的承载重量是指转台的承载能力，因为转台所承载的重量主要来自 角度传感器，所以其承载能力要求并不是很高，本文设定为l k g 。 e 转台的定位精度 转台转台的定位精度是指转台在最大要求摆角处的实际角度与要求的角 度之间的误差。因为本转台属于低精度，只要满足功能要求即可，本文设定 为o 0 5 0 。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 2 转台速度、加速度指标的计算 转台的重要指标主要是指转台运动的角速度、角加速度，这是决定转台 结构设计和零件设计的关键参数。同时，也是决定驱动元件的重要条件。通 过对其极限参数的计算，为以后转台零件的设计及驱动元件的选择提供可靠 的数据。 在通常情况下舰船在海中航行时，由于海浪的作用使舰船产生横摇运动， 这种横摇运动可以近似为正弦运动，因此可以把转台的运动形式看作如下形 式的正弦函数n n ，即： 仃 o ( 0 2 瓯s i i l ( 詈f ) ( 2 一1 ) 式中：o ( t ) 转台摇摆角，r a d 吼转台的展大摆角，r a d ，取值范围为+ 4 5 0 一4 5 0 r 转台的摆动周期，s ，取值范围为3 2 5 s 根据式( 2 1 ) 可以计算出输入信号的角速度、角加速度， 转台摇摆角速度的计算 舯卜岛等c o s ( 和 式中：国( f ) 转台的摇摆角速度，r a d s 由式( 2 - 2 ) 可以推出 国。= 岛等 将吼、丁代入式( 2 3 ) 计算可得： = 4 5 ”2 _ a = 1 6 4 5r a d s b 转台摇摆角加速度的计算 计算公式见式( 2 - 4 ) 删2 酬锄等等s i n 亭。 式中：a ( t ) 转台摇摆角加速度，r a d s 2 由式( 2 - 4 ) 可以推出 6 具体如下。 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 口一= e 。2 丁万2 7 - - ( 2 5 ) 将吼、丁代入式( 2 5 ) 计算可得： 口一= 4 5 0 x _ 2 x 。挈 = 3 4 4 5r a d s 2 2 2 转台的结构论证 2 2 1 单自由度转台的结构形式及特点 单自由度转台的机构一般可分为两种结构，我们可以借用电阻之间的关 系称之为“串联”和“并联”结构，两者各有其优缺点。 a “串联”结构的转台 这种结构的转台是指其驱动电机的主动轴与转台台架的从动轴由连轴器 联结，两者的中心在同一条直线上，结构示意图见图2 1 。这样可以保证主 动轴与从动轴之间的同轴度，便于保证传动的精度。这种结构的单自由度转 台由于主动轴与从动轴的转动角度、角速度是同步的，因而转台的运动精度 全部取决于驱动电机的控制精度。如果要保证较高的精度，只能靠选用精度 较高的驱动电机或者采用合适的控制方式。例如选用步进电机，其步距角只 有很小才能满足需要。即使选用精度较高的电机、采用先进的控制方式，改 变精度的程度也不是很大，这样不但使成本增加，而且使控制电路复杂，不 宜维护，使使用的范围受到了一定程度的限制n 。 图2 1 “串联”结构转台示意图 b “并联”结构的转台 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 这种结构的转台是指其驱动电机的主动轴与转台台架的从动轴由齿轮或 皮带联结，两者的中心在两条平彳亍的直线上，结构示意图见图2 2 和图2 3 。 这种结构的转台由于采用了齿轮或皮带传动，可以通过改变其传动比例，在 很大程度上改变转台的传动精度，这是一种提高传动精度最有效的办法之一。 其适用范围也有所扩大m ，。 这种结构的转台也有其不足之处，例如：悬臂粱情况。图2 2 的结构中， 两个传动齿轮的轴端都处于悬臂梁状态，在传动中会产生震动，影响传动精 度。图2 3 的结构中，其中一个传动齿轮处于悬臂粱状态，这样对传动精度 的影响大大减小了。如果负载很小的情况下，这种结构完全可以满足传动的 精度需要。 图2 2 “并联”结构转台示意图( 1 ) 图2 3 “并联”结构转台示意图( 2 ) 2 2 2 本文所选择的转台的结构 本文转台的结构及各部件的布局见图2 4 所示。该结构与图2 3 所示的 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的结构大致相同。转台的装配图见附录a 。 2 3 转台零件的设计、校核 2 3 1 机械零件的设计原则 零件是机械的制造单元体，为了保证机械满足安全性、可靠性要求，防 止个别零件的失效而影响整部机械j 下常工作，设计机械零件时应遵循下面一 些基本准则，这些准则是设计机械零件的应遵守的规律和理论依据，主要有： 强度、刚度、耐磨性和振动稳定性等m ”。 a 强度准则 强度是零件抵抗破裂及塑性变形的能力。满足强度准则就是保证零件在 使用期限内既不发生任何形式的破裂( 表面疲劳、压溃、整体断裂等) ，也不 产生超过容许的塑性变形，防止因零件强度不足而影响机械正常工作或导致 严重事故。 强度准则可表达为下面的强度判定条件： 对简单应力状态 盯b 1 = 二粤 ( 2 6 ) 或 r 【f 】= 粤 6 ( 2 7 ) 对复杂应力状态d o p 】 ( 2 8 ) 式中：盯、r 零件的工作应力 b 】、【】零件的许用应力 仃。、r l h 零件材料的极限应力 盯。零件在复杂应力状态下的当量应力 s 安全系数 b 闻0 度准贝0 刚度是零件抵抗弹性变形的能力。满足剐度准则就是要保证零件工作时 的弹性变形量不超过容许的限度。避免零件因刚度不足失去正常几何形状和 相互间的正确位置而影响机械的使用性能。例如机床床身的工作应力远远低 于其材料的强度极限，床身的基本尺寸和形状是由具有足够刚度这一准则来 确定的，以保证机床加工零件的精度。 9 啥尔滨工程大学硕士学位论文 刚度准则可表达为下面的刚度判定条件 y m ( 2 9 ) 妒眵】 ( 2 1 0 ) 式中：y 、舻零件工作时的线变形量( 伸长、挠度等) 和角变形量( 偏转角、 扭转角) m 、b 卜一零件的许用线变形量和许用角变形量 c 耐磨性准则 耐磨性是零件在工作中抵抗各种磨损的能力。满足耐磨性准则就是要保 证零件在规定的寿命期间内摩擦表面因磨损产生的尺寸和形状的改变量不超 过容许的限度，不致因过度磨损造成零件强度不足或机器精度丧失而过早报 废。例如轮齿表面应具有足够的耐磨性，以防过渡磨损破坏传动的平稳性和 造成轮齿的折断。机床主轴与轴承、刀架与导轨接触表面也必须具有良好的 耐磨性，以保证机床在使用期内的运转精度和加工精度。 影响磨损的因素很多，机理复杂，目前尚无完善的计算方法，设计中通 常采用下面的条件性计算准则： p 扫】 ( 2 1 1 ) p v 扫川 ( 2 1 2 ) 式中：p 、p v 摩擦面间的比压和比压与相对滑动速度的乘积 l p j 、扫v 】许用比压和许用p v 值 即通过限制摩擦面单位面积上的压力和摩擦功耗来控制零件摩擦率，保 证其足够寿命。此外，还需合理选择摩擦副材料、改善润滑状态、进行表面 耐磨处理等，力求提高零件的耐磨性，减少磨损。 d 振动稳定性准则 振动稳定性是机器及其零部件在工作时不发生超过容许的振动的性能。 满足振动稳定性准则就是要避免零件或系统的自振频率厂与周期性干扰力频 率l 相等或接近，以免发生共振和因之而导致的零件甚至整个系统的破坏。 其判定条件为， 六 1 1 5 f ( 2 1 4 ) e 寿命准则 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 磨损、腐蚀、疲劳都会成为机械零件丧失工作能力的原因。其中疲劳寿 命计算研究最多，磨损只能利用一些经验数据计算。 f 可靠性原则 对于重要的机械零部件要求计算其可靠度，作为可靠性的性能指标。可 靠性是指有一大批零件，共有眠个，一定的工作条件下进行试验，如在时间 t 后仍有。个正常工作，则这批零件在该条件下，达到工作时间f 的可靠度r 为 r ：丝：盟：1 一生( 2 一1 5 ) n n n an 。 式中：n ，在时间f 内失效的零件数 g 精度准则 对于要求离精度的机械零件或机构，要求其运动误差小于许用值。如在 精密机械中，导轨的直线性误差、齿轮传动的转角误差等，都有一定的精度 要求。可以按零件图给定的公差值，求出机构的误差，与要求的机构精度比 较。或由给定的机构误差，求出每个机械零件允许的误差值。 2 3 2 转台轴、齿轮的设计 本文中转台的零部件是组成转台的重要部分，主要包括转台支架、转台 台架、电机支架、传动轴、传动齿轮等等，具体零部件的零件图见附录a 。 这里只叙述主要部件的设计。 a 轴的设计” 转台的传动轴包括两段，分别转台台架联接共同构成转台的运动部分。 两者均采用阶梯式设计，具体尺寸及结构见附录a 。轴的材料采用应用较为 广泛的4 5 号优质碳素钢。 b 传动齿轮的设计m ， 齿轮传动是应用最广泛的一种机械传动方式，其优点是传动功率和速度 的范围广，传动比精确、可靠，传动效率高，工作可靠，寿命长，结构紧凑。 本文中的转台就是采用齿轮传动方式的。齿形为直齿圆柱齿，单级齿轮传动 的传动比一般不大于7 ，本文采用的传动比为5 5 。两个齿轮的基本参数见表 2 1 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 齿轮各参数取值表 齿齿数模数齿宽变位系数分度圆压力角齿顶高系数顶隙系数 轮( z )( m )( b )( x )( 口) ( 吃) ( c + ) 12 0l60 2 0 010 2 5 21 1 0l6o2 0 。10 2 5 根据以上参数可以算出两齿轮的啮合的主要几何尺寸： 分度圆直径 计算公式为： d = ( 2 - 1 6 ) 式中：d 分度圆直径，m m z 齿数 m 模数，咖 将齿轮l 、2 的参数z 、m 代入式( 2 - 1 6 ) 可得：d ，= 2 0 ，d ，= 1 1 0 。 齿项圆直径 计算公式为： 以= d + 2 h o ( 2 1 7 ) 式中：d 。齿顶圆直径，m l n h 。齿顶高，m m 将齿轮l 、2 的参数而、d 2 代入式( 2 一1 7 ) 可得：以，= 2 2 ，吮：= 1 1 2 。 基圆直径 计算公式为： 以= d i c o s 口 ( 2 1 8 ) 式中：以基圆直径，m 将齿轮l 、2 的参数吐、d 2 、口代入式( 2 1 8 ) 可得： 以2 1 8 7 9 4 d 0 2 = 1 0 3 3 6 6 中心距 计算公式为： a = ( d l + d 2 ) 2 ( 2 - 1 9 ) 式中：d 中心距 将齿轮l 、2 的参数d l 、d 2 代入式( 2 - 1 9 ) 可得：口= 6 5 。 重合度 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i _ i i j ；_ ；i ；- ；i _ i ；i j i e i ；i _ _ ；_ i _ _ i i ；i - _ e e j j l l i - 计算公式为： 巳= k l ( t a r i 口。l t a i l 口) + z 2 ( t a n 口。2 一t a l i 口 ( 2 2 0 ) h 式中：占。齿轮的重合度 口齿顶圆压力角，t a d 口分度圆压力角，t a d 其中齿顶圆压力角计算如下： j a = a r c c o s = 生( 2 - 2 1 ) 。d。 将齿轮l 、2 的参数d d 6 2 、d 小d n 代入式( 2 2 1 ) 可得： 口。1 2 3 i 3 2 口。2 2 2 2 6 4 将齿轮1 、2 的参数口矿a 。2 、口代入式( 2 2 0 ) 可得： 毛2 i 7 l 由于本文中的转台是用来仿真舰船的横摇运动近似正弦的运动，因 而齿轮的使用并不是全周的所有齿都会用到，只用到其中一部分。在本文的 设计中大齿轮从动齿轮根据转台的摆角的大小，采用的是扇形齿轮结构 ( 见附录a ) ，既可以满足传动的要求，又可以减小负载的转动惯量的同时， 还减小了转台的外形尺寸，节省转台的占用空间。 2 - 3 - 3 转台轴、齿轮的校核 为了保证转台的所需的各项指标，满足工作的需要，对转台的关键部件 进行校核是必不可少的。其中传动部件是最重要的部件，担负着转台的运动 的传递，运动精度除了靠控制方法来保证以外，在很大程度上也取决于传动 部件的各项指标。 轴的校核m ， 由于本文中的转台轴是以传递转矩为主的传动轴，所以可以按许用切应 力来计算和校核。实心圆轴的强度条件为： 下下 。2 赤2 击【7 】r ( 2 - 2 0 ) 式中：f ，切应力，m p a 【f 】，许用切应力，m p a r 轴所受的转距，n 姗 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 职轴的抗扭矩截面系数，衄3 d 轴的直径，l l m l 由式( 2 2 0 ) 可以得到下式： ，、j 7 1 d 手v o 2 b - # 一 丁的计算见第三章3 1 2 节所述： r 。2 5 m ( f ) 。 = 3 4 5 6k g - c m = 3 4 5 6n - m m f 】，经查表2 2 可以得到，取3 5 m p a 。 将这两个值代入式( 2 2 1 ) 计算可得 d ，7 l 1 jo 2 1 r r ：，3 4 5 6 一 、o 2 3 5 = 3 6 7 m m 本文转台的两段轴的最小直径为8 r m ，满足强度条件要求。 表2 2 轴常用材料的【f 】，值1 ( 2 2 1 ) 轴的材料 q 2 3 5 ，2 0q 2 5 5 ，2 7 5 ，3 54 5 i4 0 c r ，3 5 s i m n m r m p a 1 2 2 02 0 3 0 3 0 4 0 1 4 0 5 2 b 齿轮的校核m ， 齿轮的校核按大齿轮齿根弯曲疲劳强度校核，弯鳇疲劳许用应力计算公 式见式( 2 - 2 2 ) ： 【盯】f ：垒学 ( 2 2 2 ) j ) f 式中：【盯】，弯曲疲劳许用应力，m p a 听。齿轮材料弯曲疲劳极限应力，m p a 弯曲疲劳强度计算的寿命系数 l 尺寸系数 岛实验齿轮的应力修正系数 品弯曲疲劳强度安全系数 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以上各参数均可在图表中查取( 见参考文献 5 3 ) ，查得的各参数的取值 如表2 3 。 表2 3 弯曲疲劳强度许用应力各参数的取值表 o f l i r a匕 乓，s f 1 8 02 51 2 01 2 5 将表2 3 中各值代入式( 2 2 2 ) 计算可得： 盯】f 。7 2 0 m p a 大齿轮的弯瞌疲劳强度计算，计算公式见式( 2 2 3 ) ： ：孕k k ( 一2 3 ) 22 3 盯f 2 = 了。一，舟j 曲j ( 一 o c - 1 1 f h 式中：盯，大齿轮的弯曲强度，m p a k 载荷系数 齿形系数 应力修正系数 匕重合度系数 以上各参数均可在图表中查取( 见参考文献 5 3 ) ，查得的各参数的取值 如表2 4 所示。 表2 4 弯曲疲劳强度各参数取值表 将表2 4 中各值以及其他参数代入式( 2 2 3 ) 计算可得： 听2 2 1 9 7 m p a 由以上计算可知：盯，：p 】，齿轮的弯曲疲劳强度足够。 2 5 本章小结 本章对减摇鳍测控系统转台的机械结构设计进行了总体详细阐述。提出 转台的设计技术指标，通过论证转台的结构形式，确定本文中转台的结构形 式，在此基础上叙述了主要部件的设计过程及联接形式的确定，并且对关键 部件的强度进行了校核。本结构转台的特点如下： 充分利用台架下面的空间，结构简单、紧凑，空间外形尺寸小，便于 安装。 传动方式采用大传动比的齿轮传动方式，这样可以保证传动精度。 由于本文中的转台是用来仿真舰船的横摇运动近似正弦的运动， 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因而齿轮的使用并不是全周的所有齿都会用到，只用到其中一部分。在本文 的设计中大齿轮一从动齿轮根据转台的摆角的大小，采用扇形齿轮结构， 既可以满足传动的要求，又可以减小负载的转动惯量，同时还减小了转台的 外形尺寸，节省转台的占用空间。 驱动电机的固定采用嵌入式固定方式，这样可以在安装精度上保证电 机的主动轴与台架的从动轴之间的平行度，提高传动的稳定性和精度。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章减摇鳍测控系统中转台驱动部分的设计 减摇鳍测控系统转台的驱动部分是驱动转台产生模仿舰船横摇运动的关 键部分，选择合适的驱动电机及合适的控制方法会使系统运行稳定，易于控 制和操纵，同时也可以使系统得以简化。 3 1 驱动电动机的选择 在自动控制系统中，有一类小功率电机用于信号的检测、变换和传递， 作执行元件或信号元件，这类小功率电机称为控制电机。与普通电机相比， 控制电机的功率小、体积小；力能指标，如效率和功率因数等方面没有普通 电机高。对控制电机的基本要求是：高可靠性、高精度和快速响应。这类小 电机包括以下几种m m n “。 自动控制系统中常用的控制电机有伺服电动机、测速发电机、自整角 机、旋转变压器、步进电动机和小功率同步电动机。 伺服电动机能将输入的电压信号变换为轴上的角位移或角速度输出， 能带动负载，在系统中作为执行元件。 测速发电机的输出电压精确地与转速成正比，在系统中用来检测转速 或进行速度反馈，也可作为微分、积分的计算元件。 0 自整角机用作角度的传输、变换，通常是两台或多台组合使用。根据 使用要求不同，自整角机分控制式和力矩式，前者输出电压信号，用于随动 系统；后者输出转矩，用于指示系统。 旋转变压器的输出电压是转子转角的正弦、余弦或其他函数，主要用 作坐标变换、三角运算，也可以作为角度数据传输和移相元件使用。 步进电动机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的控制电 机，每输入一个脉冲，步迸电动机就移进步，也称为脉冲电机。其位移量 与电脉冲数成正比，其线速度或角速度与脉冲频率成正比。 本系统设计的转台所选的驱动电机，属于伺服电机的一种，带一定负载 的同时，还要在自检过程中控制角度的输出。 3 1 1 电机的选择 本系统所采用的是步进电动机，它是纯粹的数字控制电动机，非常适合 于单片机控制。近年来，由于数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展， 推动了步进电动机的应用，开辟了广阔的前景。广泛应用于工业控制系统中。 1 7 哈尔滨工程犬学硕士学位论文 它是一种将电脉冲信号转换成用位移或转速的控制电机，给一个脉冲信号， 电机就转动一个角度或前进一步，其机械角位移和转速分别与输入电机绕组 的脉冲个数和脉冲频率成比例，可通过改变脉冲频率在大范围内调速。由于其 输入为电脉冲，以调速范围宽，易于计算机或其它数字元件接口，适用于数 字控制系统。步进电机的特点归纳起来主要有以下几点“。 由于受脉冲信号控制，步进电机比交、直流电机更适宜做伺服控制； 步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，具有良好的跟随性，步 距误差不长期积累，可以组成结构简单而精度相当高的开环控制系统，精度 要求更高时则可利用编码器等组成闭环控制系统： 步进电机的动态响应快，控制性能好，易于起、停、正反转，达到预 定位置时可迅速停止，并有自锁能力； 转速可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩： 步距角有相当大的选