自走式单杆喷雾机构设计

自走式单杆喷雾机构设计摘要本文主要研究了利用单片机控制直流电机的转速从而实现了对喷杆自动往复运动的控制。设计主要分为两部分，机械部分和控制部分。机械部分涉及到凸轮机构的设计以及连杆机构的设计。通过凸轮机构带动连杆上下往复，再通过连杆机构带动喷杆的往复摇摆运动。控制部分主要利用MCS-51系列单片机控制PWM信号来调整直流电机的转速。同时利用重力传感器来检测人前进的速度，并将其转换成电信号传给单片机，单片机通过运算自动调整直流电机的转速。关键字：单片机 直流电机 凸轮 连杆 ABSTRACTThe paper has mainly learned about the control of spray tubes reciprocating swinging motion by the adjustment of DC motor with SCM. The design consists of two parts: the mechanical part and the control part. The mechanical part refers to the design of cam mechanism and the design of bar mechanism. The cam mechanism makes the bar move up and down, and then the bar mechanism brings the spray tube reciprocating swinging. The control part is to adjust the speed of DC motor with the control of PWM signal by SCM. At the same time, we use gravity sensor to measure the walking speed of people and convert it into electric signal. Then we bring the signal into SCM which will operate the signal and adjust the speed of DC motor.Key word : SCM DC motor cam bar 前 言目前，植保机械在我国粮棉的高产、稳产及林业、牧业的病虫害方之中发挥了巨大的作用，平均每年为国家减少粮食损失350多亿公斤，减少棉花损失1000多万担。但目前我国的施药器械和施药技术还比较落后，农药的有效利用率仅为20%-40%，大部分农药都流失到土壤和环境中，不仅浪费巨大，而且严重污染生态环境。所以，除了积极开发低毒高效施药和发展生物防治方法外，进行低量高效施药技术的研究及机具的研制开发，依然是一项长期的工作。 随着我国农业经营规模的缩小和种植结构的调整，市场对大中型植保机械的需求逐步递减，植保机械仍以背负式喷雾器为主。在我国有近7000万台的保有量，承担着60%左右的农业病虫害防治任务。背负式喷雾器的生产企业遍及全国各省，大多为小型个体家庭式企业，技术水平至少落后发达国家20-30年。尤其是目前农民大量使用的手动喷雾器，产品结构陈旧落后，喷射部件品种单一，作业效率低，药效利用率低，浪费大，污染严重，防治效率差。国外的植保机械多采用机电一体化技术，通过面板操作，可控制和调整系统压力、单位面积喷液量及多路喷杆的喷雾作业等。系统依据机组前进速度自动调节单位时间喷洒量，依据施药对象和环境严格控制施药量和雾粒直径大小，大大提高了工作效率和减少了对环境的污染。自走式单杆喷雾机构的设计，主要用于背负式喷雾器上，采用机电一体化技术，利用单片机控制喷杆自动往复运动的速度，旨在避免手动喷洒的不均匀、防止遗漏喷洒和重复喷洒等现象以及降低劳动量，从而提高喷洒效率，减少农民负担，有很好的研发价值。1 设计简介及任务1.1题目名称： 自走式单杆喷雾机构设计1.2 设计技术要求：此设计要求喷杆能够在控制系统的作用下，自动匀速来回摆动，通过传感器对人前进速度的测量所得数据，该机构能够自动得调整摇摆速度，保证农药喷洒的均匀性。综合利用所学的机械原理、机械设计、数控技术等课程，分析论证设计方案、性能结构参数，并进行相关的结构分析、设计。设计的自走式喷杆机构应具有安装调整容易、操作简便、系统稳定、反映迅速准确等性能。1.3 设计内容： 此设计采用机电一体化技术，主要分为两部分的设计，机械部分和控制部分。机械部分主要负责实现喷杆的匀速往复摆动。控制部分主要负责根据所传感器所检测到的人前进的速度来调整电机转速，实现喷洒面积的均匀性。 其基本组成如下： 控制部分 机械部分 数控装置 伺服系统 摆动机构 测量装置人2 机械部分设计2.1 往复摆动方案的选择根据所学内容，能够实现喷杆往复运动的方案有多种，如连杆机构、凸轮机构、螺旋传导机构，需对各方案进行分析，从中选取最优的方案。 2.1.1 方案一：连杆机构 连杆机构在平面运动的设计中得到了普遍的运用，如电风扇的摇摆机构，缝纫机的动力机构等。连杆机构有以下特点:利于润滑，磨损小，传载大，寿命长，易加工，精度高，制造成本低等。但是不能精确实现复杂的运动规律，设计计算比较复杂，惯性力不易平衡。连杆机构主要分为曲柄摇杆机构，双曲柄机构，双摇杆机构，曲柄滑块机构等。由于是利用电机带动360度旋转，进而带动喷杆往复摆动，所选用曲柄摇杆机构比较合适。如下图：当曲柄随着圆盘匀速转动时，摆杆也随之左右往复摆动。通过计算，当圆盘的转速为w1 时，杆2和杆3的转速分别为w2=-w1L1sin(1-3)L2sin(2-3) , w3=w1L1sin(1-2)L3sin(3-2)由式中得出，杆2和杆3的转速与其角度有关，而123随着圆盘的转动每时每刻都在变化的，因此w2和w3不恒定，杆3无法匀速运动。同时曲柄摇杆机构往复的平均速度也是不等的，具有急回特性，无法满足该设计所要求的匀速转动性能。摆杆在两个极限位置出现死点，容易出现卡死现象。所以不适合运用在此设计中。2.1.2 方案二：凸轮机构当从动件的位移、速度和加速度严格按照预订规律变化时，使用凸轮机构最为简便。如内燃机的配气机构，随着凸轮的连续转动，气阀杆可获得间歇的、按预期规律的运动。凸轮机构有以下的优缺点：优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便，因此在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械和机电一体化产品中得到广泛应用。缺点：1）凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只宜用于传力不大的场合； 2）凸轮轮廓加工比较困难； 3）从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。根据凸轮的优缺点可以看出，只需设计合理的机械结构，可以运用凸轮机构来实现喷杆的匀速往复转动。2.1.3 方案三：螺旋传动机构螺旋传动机构是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。根据螺杆和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式，主要有以下两种：一是螺杆转动，螺母移动，多用于机床的进给机构中；一是螺母固定，螺杆转动并移动，多用于螺旋起重器或螺旋压力机种。螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同，又可分为滑动螺旋（滑动摩擦）、滚动螺旋（滚动摩擦）和静压螺旋（流体摩擦）。滑动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁，但其主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低（一般为30%40%），磨损快，传动精度低等。相反，滚动螺旋和静压螺旋的摩擦阻力小，传动效率高(一般为90%以上)，但结构复杂，因此只有在高精度、高效率的重要传动中才宜采用，如数控、精密机床或测试装置中国的螺旋传动等。根据此机械部分的设计要求，宜采用螺杆转动，螺母移动的运动方式，以及滚动螺旋。利用电机带动螺杆转动时，螺母只能沿一方向移动，若需其往反方向移动时，则需使电机反方向转动。由于喷杆往复摆动频繁，则需电机快速正反交替旋转，一般电机难以满足此要求。因此，螺旋传动机构不适用与此机械部分的设计之中。2.1.4 方案的选择总上所述，选择方案二更为合理，通过凸轮机构来实现喷杆的往复运动。 2.2 凸轮机构的设计 2.2.1凸轮形状的选择按凸轮的形状可将凸轮机构分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮。其中盘形凸轮使用的最普遍最基本，因此选用盘形凸轮。2.2.2 往复摆动的实现凸轮机构可以实现上下往复运动和左右来回摆动两种运动形式。但由于喷杆摆动的角度大，若采用凸轮机构直接实现喷杆的往复摆动，则凸轮尺寸大，且凸轮轮廓的设计计算复杂，因此选用凸轮机构实现上下往复运动，再通过其他机构来将上下往复运动转换成喷杆的左右往复摇摆运动。通过查询相关资料，决定采用以下机构来实现往复摆动运动： 3 2 1 4 当凸轮匀速转动时，连杆1随之上下往复运动，通过滑块带动连杆2左右摇摆，由于连杆2和连杆3铰接，连杆3也随之摆动。连杆3即喷杆。其中tan a =H/L；当喷杆匀速转动时，a=wt,则 tan(wt)=H/L.此时，H=L*tan(wt)当凸轮的轮廓曲线能使从动件连杆1相对于铰支架4的高度H始终满足以上公式，则可以实现喷杆的匀速往复运动。2.2.3 凸轮轮廓曲线的设计根据设计要求，喷杆的摆动速度在1015/s为宜,即w=1015/s。设w=15/s，喷杆的摆动角度为90，则喷杆往复一圈为90*2=180。而凸轮转一圈为360，因此凸轮转动的角度和喷杆转动的角度之比为2：1。设连杆2和连杆3之间相互垂直，a的变化角度为-4545，L=40mm,则H=50*tan(15t) mm，H=-4040 mm，即连杆1的运动规律。根据连杆1的运动规律可以画出连杆1的位移路线图，如下：首先选定凸轮轮廓曲线的基圆半径，即当H=0 mm时，凸轮的轮廓矢径，设为Ro=40 mm。由于凸轮的回转中心在连杆1的延长线上，因此没有偏距圆，即偏距圆半径为0。根据基圆与连杆1的位移路线图可画出凸轮的轮廓，如下：从喷杆竖直时开始画圆，此时H=0 mm，R=Ro=40 mm。喷杆每转过10，即凸轮转过20,画圆，圆的半径为R=Ro+H，同时画一直线，表示转过多少度。当凸轮转动满一圈时，将凸轮转过各个角度时直线与圆的交点相连接所得到的曲线形状即为凸轮的形状。如上图粗线条所示。由图可以看出，当连杆在最低点与最高点时，即当喷杆在两个极限位置时，曲线的曲率变化较大，易造成大的冲击或者滚轮卡死现象，因此在两个极限位置，分别用圆弧过渡一下，使曲线更为平滑，减小冲击，防止滚轮卡死。其改后的图如下： 由图可见，在喷杆到达极限位置时，凸轮轮廓曲线两端都较为平滑，不再如此突兀。但是也因此喷杆在极限位置附近的速度不再匀速，而是作变速转动，且其速度由于计算非常复杂，因此并不可知。2.3 各部件的设计 2.3.1连接件1的 设计连接件1用于连接连杆2和连杆3。由前面内容可知，连杆2和连杆3是相互垂直连接在一起的，连杆3即为喷杆。因此连接件1既要能够安装并固定住喷杆，又要安装并固定连杆2，同时要保证两者的垂直度。通过对相关资料的查询与参考，设计将连杆2包含在连接件1中，其外形如下此连接件由三部分焊接而成，分别为上、下、右三部分。上面的套筒用于插入喷杆。喷杆直径约在20 mm左右，设套筒外径为30 mm，为方便喷杆插入套筒内，内径比喷杆直径大一些，取内径为21 mm，长30 mm。同时顶部有带螺纹的孔，是用于拧入螺钉来定位并且夹紧喷杆。选用M6的开槽球面大圆柱螺钉，易于拧紧。 下部的空心管是用于和底板相连接，将其他两部分进行5个维度的定位。通过推力球轴承，使连接件1能装配在底板上，同时又能绕该空心管中心线自由转动。该空心管上粗下细，中间有一轴肩，用于定位。取空心管内径为6 mm,大端外径为14 mm，长62.7 mm,小端外径为12 mm，长30 mm。如下图： 小端底部拧有螺母，用于防止连接件1向上的移动。选用M12的六角螺母，螺纹长度为15 mm.螺母上端和底板之间留有1 mm的空隙，因此螺母并不会影响连接件的转动。右边的部分为连杆2，其一端与连杆3相连，是连杆3的传动件，一端与连杆1相连，是连杆1的从动件。其形状如上图所示。在焊接过程中，要确保三部分的相互垂直性，同时防止漏焊等问题。2.3.2 连杆1和连杆2的连接部分设计连杆1和连杆2的连接部分要求既能使连杆1自由的上下滑动，又能带动连杆2自由摆动，因此连接部分摩擦越小越好。对于连接部分的设计有一下两种方案：方案一：用滑块连接。滑块是比较普遍的的连接件之一，其没有固定的标准规格，需根据需要来设计。根据本系统的性能特点，设计滑块形状如下：连杆2为空心轴，伸入滑块的前端通孔之内，两者间隙配合，滑块沿连杆2滑动，带动连杆2沿连杆1的一端作相对转动。连杆2和滑块通过销连接定位。连杆2和销为过盈配合，滑块与销为过渡配合。这样滑块就实现了两连杆的连接，将直线运动转换成摆动。但是由于连杆2和滑块之间接触面积比较大，这样其摩擦力随之增大，会影响连杆在滑块内的自由滑动，效率低。同时，在运动时，销心与连杆2之间沿连杆1的垂直距离随着转动的角度的变化而变化，会产生误差，因此不适合。方案二：两杆通过销轴直接相连。如下图所示：连杆1和销轴之间通过过盈配合固定在一起，销轴和连杆2之间可以任意滑动。连杆2和销轴之间是线接触，摩擦力小很多。同时，机构这个题尺寸减小，销轴是标准部件，无需另外加工设计，降低成本。两方案相比较而言，显然方案二更适合于本机构，因此选择方案二。销轴直径取8 mm，与连杆1之间通过H7/s6过盈配合紧固，与连杆2之间通过H7/g6间隙配合。2.3.3 连接杆2的设计连接杆2即连杆1，主要用于连接滑块以及为凸轮转动的从动件。其一端与连杆2相连，另一端与滚轮相连。连接杆2的设计外形如下图：如上图所示，两杆2一端与连杆2通过销轴连接，另一端通过圆柱销与滚轮连接，滚轮镶嵌在两杆2之内。根据设计原理，连杆1只能沿垂直方向上下滑动，因此在连杆下方设计一导轨。由于连杆只有一个自由度，即上下滑动，而不发生转动，因此弹簧的一端固定在连接杆2的中间部分上。连杆2会绕连接杆2的前端销孔中心转动，当其在两个极限位置时，如下图所示：根据计算，销轴中心和弹簧固定件中心之间的距离为20 mm，此时两者在运动时既不会相互碰撞，同时可以保证结构的紧凑性。2.3.4 导轨的设计导轨主要用于支撑与导向作用。导轨真的种类有很多，主要有V形导轨，矩形导轨和燕尾形导轨等。其中V形导向精度高，磨损后能自动补偿。分为凸形和凹形两种。凸形有利于排泄，不易保存润滑油，用于低速；凹形特点与凸形相反，高、低速均可采用。矩形导轨制造简单，承载能力大，不能自动补偿磨损，必须用镶条调整间隙，导向精度低，需良好的防护，主要用于载荷大的机床或组合导轨。燕尾形导轨制造较复杂，磨损不能自动补偿，用一根镶条可调整间隙，尺寸紧凑，调整方便，用于要就高度小的部件中。在本设计中采用燕尾形导轨，其设计如下：导轨的长度根据连接杆2底部滑行的部分来设计。连接杆2底部滑行的部分长30 mm，根据运动原理，连接杆2将上下滑动，最远的行程都为40 mm和-40 mm，因此导轨的长度为30+40+40=110 mm。导轨两端用6xM4螺栓定位紧固在底板上。导轨的材料采用HT200。2.3.5 滚轮的设计平面凸轮机构的从动件和凸轮的接触部分的类型基本分为3种：尖顶、滚子和平底。其中，使用尖顶时，结构简单，能实现较复杂的运动，但易磨损从而使运动失真，故多用于低速及受力不大的场合。滚子耐磨损，可传递较大的动力，但结构复杂，尺寸和重量大，不易润滑及销轴强度低等，广泛应用于中、低速。平底受力情况好，构造及维护简单，易润滑。但平底不能太长，多用于高速小型凸轮机构。综合分析三种接触部分的特点，选用滚子作为连杆1和凸轮的接触部分。本机构转速很小，同时使用滚子作为接触部分，可以减小凸轮轮廓，使结构相对紧凑。滚轮的设计如下：试验证明：相同材料比不同金属材料的粘着倾向大；单相材料、塑性材料比多相材料、脆性材料的粘着倾向大。为了减轻粘着磨损的程度，滚子的材料选用青铜，凸轮的材料采用HT200。滚子在铸造完进行粗加工以后，进行实效处理，硬度达到80-120HB。由于尺寸较小，因此滚子和连接杆1之间直接用销通过配合紧固即可。2.3.6 凸轮的设计在凸轮转动过程中，无法保证凸轮和滚轮始终保持接触。尤其此机构中凸轮是平行放置的，从动件在推程时被凸轮推出后无法再与凸轮接触，而停留在最高点。为了使从动件和凸轮始终保持接触，可以采用力封闭或形封闭。力封闭是应用重力、弹簧力或流体压力等外力使从动件保持和凸轮接触。结构比较简单，但力封闭产生的附加力会使构件受到较大的载荷。形封闭可用槽凸轮、凸缘凸轮、等径凸轮等来达到这个目的，但结构复杂，制造困难，运动规律也受到一定的限制。经过比较分析，采用压簧进行形封闭比较合适。压簧的一端固定在外壳上，另一端固定在连接杆2上。当滚轮处于最低点时，弹簧长度不变，当凸轮将连杆2向上推时，弹簧伸长，对连接杆2有一个向下的力，迫使滚轮和凸轮保持接触。凸轮外形的设计主要是根据前面所计算出的凸轮轮廓来决定，但此轮廓实际是根据原理图计算出的滚轮中心沿凸轮滚动时经过的轨迹，凸轮的外形曲率半径还需减去滚轮的半径其实际外形轮廓尺寸如下图：凸轮材料为HT200，在铸造完粗加工后需进行退火，硬度达到180-250HB。为减轻凸轮的重量，同时加强凸轮转动时的平衡性，在凸轮上挖去三个直径为30mm的圆。2.3.7 轴的设计轴是机械部分中很重要的一个部分，它一端与电机的伸出端相连，另一端则带动凸轮的旋转，传递扭矩，轴的刚度直接关系到凸轮转动的稳定性。轴的结构取决于受载情况，轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸等。其外形设计如下：轴的上方连有凸轮，轴的下方连着角接触轴承、底座和电机的伸出轴。其中凸轮和角接触轴承的定位都用的是轴肩。这种定位方式结构简单，定位可靠，可承受较大的轴向力。为避免应力集中，在轴肩处都选取了较大的过渡圆角。轴的下端直接和电机相连，通过过盈配合H7/s6来紧固，同时用紧定螺钉来加强连接的紧密性。轴的上端支撑凸轮，与凸轮也是通过过盈配合来紧固。同时通过一螺钉紧固轴端挡圈，保证了轴转动时的稳定性。下方轴肩定位角接触轴承，一方面承受凸轮的重量，另一方面使轴与底座相连，同时又能自由转动。 2.3.8 吊环的设计为使连接杆2能随凸轮的转动而不断上下运动，不间断，不卡死，必须加一弹簧做辅助。弹簧的一端固定在不动的外壳上，另一端固定在连接杆2上。由于滑块、凸轮、轴等都会旋转，若弹簧固定在其上，会跟着旋转，因此不合适。吊环主要用于固定弹簧的两端。其外形如下：吊环上端有一小孔，直径为2 mm,宽度为2 mm.弹簧的直径为1 mm,弹簧两端的吊钩可以套在小孔内，并且不易脱落。吊环下端攻有螺纹，用于拧入外壳或者连接杆2内固定住。为使吊环不易松动，下面的攻有螺纹的部分尺寸较大，取M8,长15 mm。固定于连接杆2上的吊环，下端全部拧入连接杆2中，不易松动。固定在外壳上的吊环，由于外壳较薄，因此吊环拧入外壳后，在外壳的另一面用六角螺母固定放松。由于位置关系，两吊环的安装方式不同，一个是垂直拧入连接件2内，另一个是水平固定在外壳上。同时吊环上设有轴肩，以此来定位。由于弹簧在凸轮的上方，因此吊环的中部圆柱高度设计得高于带动凸轮的轴的顶部，取圆柱的高度为10 mm，直径为10 mm。 2.3.9 底板的设计 底板主要用于固定和支撑其他部件，所以它的设计主要根据其他部件的位置和形状来决定。其外形如下：、底板下端有一伸出端，用于固定电机。底板上端分别支撑固定着连接杆1、导轨、轴还有外壳。底板的加工很重要，影响着所有零部件的安装与装配。为减轻机构整体的重量，底板的材料为铝合金。2.3.10 外壳的设计外壳主要起到密封保护的作用。外形比较简单，如下图：外壳也用铝合金制成，厚度取3 mm。四周用螺栓固定在底板上。在靠近连接杆1的一面，需去除一部分，如上图，使得喷杆和连接杆1能伸出并自由的转动。 2.4 各零件的选择2.4.1 滚动轴承的选择本机构共采用了两个滚动轴承，分别于用于支承和连接连接杆1和轴。支撑连接杆1的轴承主要受到喷杆和轴的重力，无径向力，因此选用单向推力轴承比较合适。它承载能力不大，只能承受一个方向的轴向载荷，可限制轴和外壳在一个方向的轴向位移。支撑连接杆2的轴承主要受到轴传递的扭矩，同时也受到凸轮和轴的重力，因此选用角接触球轴承，其承载能力大，可以同时承受径向载荷和轴向载荷，一般成对使用，使轴向力平衡。但本机构主要承受由上往下的力，且有底座支撑，因此用一个即可。2.4.2 直流电机的选择由于使用电池供电，无法使用交流电机。步进电机适合用于开环控制系统中，本设计中控制系统为闭环。同时喷杆转速慢，功率小。综合以上三点，小功率的直流电机最为合适，直流电机的调速只需改变其供电电压即可。 根据上面的内容，喷杆的角速度为w=15/s,喷杆的角速度和凸轮转动的角速度之比为2:1，因此凸轮的角速度为w=30/s。凸轮与直流电机通过轴相连，因此直流电机的输出转速为 n=5 r/min 这是人在一般正常走动时的速度，取人正常走路速度为1m/s，设计人在喷洒农药时，最快走路速度为2m/s,则直流电机的极限转速为10r/min。根据调速方法，在选用直流电机时可以选择负载转速更大的直流电机。 喷杆长约700mm，加上水的重量约为重约300g,因此喷杆摆动所需扭矩为 一般直流电机的速度都相对于这个速度大很多，要想得到这个转速，必须进行减速。为节省空间，不使用蜗轮蜗杆等减速装置，直接选用小功率直流减速电机。经过查询相关资料，选用深圳金顺来特电机有限公司生产的型号为JGB37-550直流减速电机，其空载转速为17r/min,电流为0.15A,负载转速为14r/min,电流为0.3A，扭矩为15kg.cm,功率为8W。2.5 校核2.5.1凸轮的校核2.5.1.1 凸轮压力角的校核凸轮机构的压力角是凸轮给从动件的正压力方向，即公法线n-n方向与从动件受力点速度v方向所夹的锐角。凸轮机构压力角的大小，不仅和机构传动时的受力情况好坏有关，还和凸轮尺寸的大小有关，当载荷和机构的运动规律确定以后，为了使凸轮有较小的尺寸，选取了较小的基圆半径。但此时压力角增大，不但是凸轮与从动件的作用力增大，而且使导路中的摩擦力也增大、当压力角大到某一临界值时，机构将发生自锁。【机械设计手册新版第二卷13-145】根据资料查得：滚子从动件盘形凸轮对心直动从动件的角计算式为： 凸轮转角（rad）凸轮基圆半径（mm）S从动件位移（mm）凸轮机构直动从动件在推程时许用压力角是 在直动从动件要就凸轮尽可能小可用到45或更大些。凸轮机构直动从动件在回程时许用压力角是 在本设计中，由于推程和回程时，凸轮轮廓相同，因此只要校核推程就可。 从最低端开始， 喷杆转动的角速度 又 因此 解得： 又 因此凸轮转过的角度时，会产生卡死现象，这一段轮廓需加以改善，使其更加平滑。2.5.1.2 曲率半径的校核对于带滚子的从动件，其理论轮廓的曲率半径为 ，其工作轮廓的曲率半径为 式中和都有正、负，凸轮外凸为正，内凹为负。为滚子半径。当凸轮外凸时，应使，否则工作轮廓就会出现尖点或形成交叉而产生干涉，此时不仅会出现轮廓变尖现象，还会产生运动失真。当凸轮内凹时，工作轮廓和理论轮廓都内凹，的绝对值大于的绝对值，因此不会引起变尖或干涉。【机械设计手册新版第二卷13-149】根据滚子半径的经验式，在本系统中，我们只需保证从动件运动不失真，并有一定的安全系数，因此需满足的条件是： 本系统中，=15 mm，为使结构尽量紧凑，选择保持，而改变，因此mm 由于计算过于复杂，在凸轮工作轮廓凹处与凸处分别倒圆角，凸出圆角半径为R=20 mm，凹处圆角半径为R=30 mm。这样在凸轮凹处与凸处就能保证曲率半径不低于18.75 mm。且倒完圆角后，凸轮凹处部分的压力角增大，基本满足许用压力角条件。2.5.2 连接杆1的校核连接杆1的下端是一根空心轴，需要对其进行强度和刚度的校核。2.5.2.1 空心轴的强度校核轴的材料为45钢，经调质处理，由机械设计手册表19.1-1查得材料力学数据为： 抗拉强度 屈服点 弯曲疲劳极限 扭转疲劳极限 许用疲劳应力 因为该轴既承弯矩，又承受扭矩，因此按许用弯曲应力进行最小端的校核： M轴小端上的合成弯矩（），轴上的弯矩主要来自喷杆， T轴传递的额定转矩（），电机的额定转矩为15kg.cm=1500，滚动轴承的传动效率为98%99%，凸轮的传动效率为70%，因此，空心轴小端上的转矩为 根据转应力变化性质而定的校正系数，由于转应力对称循环变化，因此 =1 空心圆轴的外径（mm），d=12 mm 空心圆轴外径与内径之比, =6 mm,因此=6/12=1/2 代入数据计算得： 2.5.2.2 轴疲劳强度的安全系数校核轴的疲劳强度是根据长期作用在周行的最大变载荷进行校核计算。危险截面安全系数S的校核计算公式为： 只考虑弯曲时的安全系数， 只考虑扭转时的安全系数， 对称循环应力下的材料弯曲疲劳强度极限（）； 对称循环应力下的材料扭转疲劳强度极限（）； 、弯曲和扭转时的有效应力集中系数； 表面质量系数； 、弯曲和扭转时的尺寸影响系数； 、材料拉伸和扭转时的平均应力折算系数； 、弯曲应力的应力幅和平均应力； 、扭转应力的应力幅和平均应力；查机械设计手册，表19.1-1得： ； ； 查表19.3-4得： ； 查表19.3-6得： ； ； 查表19.3-8得： ； 查表19.3-11得： 查表19.3-13得： ； ； ； =0； 代入式中得： 综合以上校核结果可知，此空心轴非常安全。 2.5.3轴的校核 本系统中，轴有着至关重要的作用，因此必须对此进行校核。与上面连接件上的空心管相同，此轴也采用了45钢。2.5.3轴的强度校核 3 电机调速控制部分3.1调速方法的选择根据励磁方式的不同，直流电机分为自励和他励两种类型。从电工学知，直流电机的机械特性为：式中，电动机的电枢电压； 电动机的电势常数 电动机的转矩常数 主磁极的磁通 电枢绕组电阻 电动机的电磁转矩 理想空载转速 机械特性斜率从式（1）中可以看出，分别改变、或，便可以调节直流电机的转速n。其中改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调节，但调速的范围不大，往往只是在额定转速以上做小范围的弱磁升速；调节为恒转矩调速，它具有调节细，可实现无极调速，平滑性好；特性硬度不变，相对稳定性好；调速过程能耗低，可节省降压启动设备，经济性好；调速范围宽等优点。因此选择选择改变电枢电压的方法来调速。改变电枢电压的方法有很多，最常见的是PWM（即脉宽调制法）。PWM是通过改变电枢电压接通时间与通电周期的比值，即“占空比”，来控制电机速度的一种速度调节方法。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如下图所示：可控开关S以固定的周期重复地接通刚和断开，当开关S接通时，直流供电电源U通过开关S施加到直流电机的两端，电机哎电源作用下转动，同时电机电枢电感储存能量，当开关S断开时，供电电源停止向电动机提供能量，但此时电枢电感所储存的能量将通过二极管VD使电机电枢电流继续维持，电枢电流仍然产生电磁转矩，使得电机继续旋转，开关S重复动作时，在电机电枢两端就形成了一系列电压脉冲波形，如下图所示：电机电枢电压的平均值Uav的理论计算式为： 其中：为占空比，即导通时间与脉冲周期之比。由表达式可知，平均电压由PWM波的占空比及电源电压决定，保持开关频率恒定，改变占空比就能改变相应的平均电压，从而实现直流电动机的调压调速。2 王兆安，黄俊. 电力电子技术（第4版）. 机械工业出版社. 2002.P150P155桥式可逆PWM变换器电路可以实现电机的正反转，电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。其电路图以及四个驱动电压波形图如下所示：其中，。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。反之，当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负变换，从电压波形可以看出，电动机的正反转取决于驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，即，则的平均值为正，电动机正转；反之，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果定义占空比，电压系数则在双极式可逆变换器中调速时，的可调范围为01相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：1）电流一定连续。2）可使电动机在四象限运行。3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。3.2 系统总体设计概述 本系统是基于8051单片机的H桥PWM波调速系统。单片机作为中央处理器，输出PWM信号，驱动H桥，从而实现对直流电机的调压调速；同时加速度传感器根据人的步频来测定人前进的速度，将其对应的电信号经过放大和整形，传给单片机，单片机经过运算后，对直流电机的转速进行相应的调整。 系统总体设计图如下： 单 PWM信号 MOSFETH桥 直流电机 片 机 整形放大 加速度传感器3.3单片机及相关芯片 3.3.1 单片机的选型单片机作为微型计算机领域的一支生力军，正在生机勃勃地迅速发展，不仅功能上有了很大提高，而且种类繁多。实际应用的需要，使8位单片机正处于极盛时期，品种越来越多，功能愈益增强。目前，国内主要选用美国Intel公司产品。Intel 公司主要生产了MCS-48、MCS-51和MCS-98三个系列，其中MCS-51系列无论在存储器容量、I/O的功能、系统功能的扩展、CPU的处理能力和指令系统功能等方面都具有很强的性能，而且价格低廉，性能价格比很高，以及其结构灵活，能组成各种不同的应用系统。因而目前国内普遍选用MCS-51系列单片机。【单片微型计算机应用系统设计与实现】为此，本系统中选用MCS-51中的8051单片机作为控制器。3.3.2 8051单片机简介8051单片机由8位CPU、4KB的只读存储器、128B的读/写存储器、32条并行I/O线、2个16位定时器、5个中断源的二级嵌套中断系统、1个全双工UART串行I/O口以及片内振荡器和时钟电路等组成。8051有40条外部引脚，其引脚图如下： 各引脚功能简要说明如下： Vss（20）： 电路接地Vcc（40）：正常运行和片内EPROM编程、校验时接+5V电源P0口（3239）：8位漏极开路型双向并行I/O端口。当访问外部存储器时，是复用的低8位地址/数据总线；在作内部程序校验时输出指令代码，并要求外接上拉电阻，编程时则输入指令代码，能以吸收电流方式驱动8个LSTTL负载。P1口（18）：8位准双向并行I/O端口。在片内EPROM编程、校验是用于传输低8位地址。能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。P2口（2128）：8位准双向并行I/O端口。当访问外部存储器时，用于输出高8位地址，在片内EPROM编程、校验时，用于传输高8位地址和控制信号。能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。P3口（1017）：8为准双向并行I/O端口，又是8个特殊的控制信号端口（又称第二变异功能）。其中第二变异功能端口分配如下：P3.0（10）/RXD：串行数据接收端口；P3.1（11）/TXD:串行数据发送端口；P3.2 (12) /INT0：外部中断0请求端口，低电平有效；P3.3 (13) /INT1：外部中断1请求端口，低电平有效； P3.4 (14) /T0：定时器/计数器0外部输入端口； P3.5 (15) /T1：定时器/计数器1外部输入端口; P3.6 (16) /WR：外部数据存储器写选通端口； P3.7 (17) /RD：外部数据存储器读选通端口； 在进行第二变异功能操作前，对P3口的输出锁存器必须由软件置“1”，P3口能驱动（吸入/输出电流）4个LSTTL负载，能直接接MOS电路的输入。 RST/Vpd (9): 当振荡器工作时，本引脚上出现两个机器周期的高电平将复位单片机。在RST与Vcc引脚之间连接一个约10F电容和一个约3.2k电阻，以保证可靠的加电复位功能。当Vcc处于掉电情况下，Vpd将作为内部RAM的备用电源。ALE/PROG（30）：当访问外部存储器是，ALE（允许地址锁存）输出信号将P0的低8位地址打入锁存器。在非访问外部存储器周期，它仍以振荡频率的1/6固定速率输出正脉冲信号，因而它能作外部时钟或定时脉冲。但是，每当访问外部数据存储器时，将少输出一个ALE脉冲，以1/12的振荡频率输出。当片内EPROM编程时为编程脉冲输入端口（PROG信号）。能驱动（吸收/输出电流）8个LSTTL负载。PSEN（29）：外部程序存储器读选通信号，低电平有效。在读取外部程序存储器指令时，每个机器周期PSEN输出两次有效信号，在执行内部程序存储器指令时，PSEN无输出。在访问外部程序存储，且执行对外部数据存储器读/写操作期间，这两次PSEN有效信号将不出现。PSEN能驱动8个LSTTL负载。EA/Vpp（31）：当EA端保持高电平且PC小于0FFFH时，CPU访问内部程序存储器；当PC值大于0FFFH且外部扩充有程序存储器。CPU自动转向外部程序存储器的执行；当EA为低电平有效时，CPU全部访问向外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。XTAL1（19）：振荡反向放大器输入端。在采用外部振荡器时接低电平。XTAL2（18）：振荡反向放大器输出和内部时钟发生器的输入端。在采用外部振荡器时用于输入外部振荡器信号。【单片微型计算机应用系统设计与实现】3.5驱动电路的设计本系统中驱动电路采用了IR2110集成芯片，其具有较强的驱动能力和保护功能。IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。降低了产品成本和减少体积。其引脚图如下： 各引脚简要说明如下： LO：低通道输出 COM：公共端 Vcc：低端固定电源电压 VS：高端浮置电源偏移电压 VB：高端浮置电源电压 HO：高端输出 VDD:逻辑电路电源电压 HIN：高通道逻辑电路 SD：输入有效与否的选择端，可用来过流过压保护 LIN：低通道输入 VSS：逻辑电路的地端3.6 伺服电路设计 3.6.1 电路原理本系统采用H桥式可逆PWM变换器电路。它可以实现电机的正反转，电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化，从而进行正反转。其电路图以及四个驱动电压波形图如下所示：其中，。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。反之，当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负变换，从电压波形可以看出，电动机的正反转取决于驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，即，则的平均值为正，电动机正转；反之，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果定义占空比，电压系数则在双极式可逆变换器中；调速时，的可调范围为01，相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零， 3.6.2 MOSFET的选用金氧半场效晶体管（MOSFET），是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。其中，功率MOSFET在电机调速，开关电源等各种领域应用非常广泛。其有以下：1、 具有较高的开关速度；2、 具有较宽的安全工作区而不会产生热点，并且具有正的电阻温度系数，因此适合并联使用；3、 具有较高的可靠性；4、 具有较强的过载鞥努力，短时过载能力通常是额定值的4倍；5、 具有较高的开启电压，可达2-6V（一般在1.5V-5V）.6、 由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此其驱动功率很小，对驱动电路要求低。功率MOSFET的结构如下： 它用一块P型硅半导体材料作衬底，在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO)绝缘层，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极)、S(源极)及D(漏极)。截止时，漏源极间加正电源，栅源极间电压为0；导电时，在栅源极间加正电压，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。当正电压大于开启电压时，漏极和源极导电。功率MOSFET组成的H桥电路如下图所示：选择N沟道TRF120型MOSFET作为