换挡机械手设计

吉林大学本科毕业设计说明书11 绪论1.1 课题研究的目的和意义21 世纪是汽车工业飞速发展的时代，汽车工业逐步成为许多国家的支柱产业。为了控制汽车产品质量，提高汽车品质，势必对其总成及零部件提出更高更严格的要求。近年来，随着电子技术，液压技术的不断发展，转向系统中愈来愈多的采用电子器件。相应的就出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两大类：电动液压助力转向系统 EHPS(electro-hydraulic power steering)、电控液压助力转向 ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。由此应运而生的就是如何对转向机进行检测和控制，从而使转向机的性能达到最优化，更好地适合现代汽车以及工程机械行业的发展。目前汽车工业，机械工业早已成为世界上各个国家关系到国际名声的头等大事。我国正处于社会主义的初级阶段，尚属于第三世界国家，发展中国家；无论在经济上还是科技上都远远落后于发达国家；尤其在机械工业上，世界上许多发达国家的机械工业都已达到了很好的程度，中华民族的复兴都在于此。1.2 课题任务设计并建立一个液压转向机实验台，该试验台用于对液压助力式转向机总成和阀体总成进行一般性能试验，从而得到转向机的各个性能参数的准确值，更好地设计或改进液压转向机，并使转向机的性能达到最优化，以适合当代汽第一章 绪论2车工业和机械工业的发展要求。其中需要检测的性能包括 QC/T529-2000 规定的部分性能试验项目以及用户提出的其它试验项目。具体如下所示：（1） 转向器总圈数测定（2） 空载转动力矩测定（3） 输出端自由行程测定（4） 转向力特性试验（5） 转向灵敏度特性试验（6） 传动效率试验（7） 线角传动比试验本实验台主要测量转向机型号有：捷达 10C1051、金杯海狮 20C1051、现代 H1、江淮瑞风 20C1055 等型号的小型汽车转向机。具体技术指标要求如下：（1）输出端液压检测系统最大输出负荷：615010000 N要求匀速施加驱动力（静压力） ，驱动速度为：0.1 m/s液压缸的活塞杆所承受的载荷为转向机输出负荷的 1/3油箱容积（有效）：80 L（2）液压助力系统工作压力：1.0-10 MPa 连续可调，程序设定，示值精度1% 设定值工作流量：1.0-8.0 L/min，连续可调（手动） ，油箱容积（有效）：100 L（3）转向器输入输出端最大输入转矩：5 Nm，示值精度 0.5% FS最大输入转角：双向无限，示值精度0.05吉林大学本科毕业设计说明书3最大输入转速：2030 r/min输出端最大加载力：615010000 N，示值精度 0.5% FS输出端要求匀速施加驱动力（静压力） ，驱动速度为：0.1m/s最大输出位移：100mm，示值精度 0.5%FS。1.3 本说明书的主要研究内容根据以上所叙述的课题研究的任务，本文在查阅大量的国内外资料和类似实验台的基础上，在大量调研的基础上，对以下内容进行了重点研究。系统总体方案的制定：其中包括机械系统、液压系统、电动输入系统、电气检测系统及其它部分设计的制定。（1） 机械系统的设计其中包括实验台台架、油箱，所使用的卡具设计等。（2） 液压系统的设计其中包括助力液压系统和输出端液压检测系统的设计等。（3） 电动输入系统的设计其中包括电机、减速器、相应的传感器件的选择和计算。（4） 电气系统设计其中包括单片机及扩展芯片系统设计。（5） 总结其中包括设计小结、体会等。第二章 系统总体方案42 系统总体方案本次设计所研究的系统可以对小型汽车转向机进行包括 QC/T529-2000 规定的部分性能试验项目进行检测，取得相关数据，从而了解转向机的性能状况。本实验台需要通过手动来操作，启动电动机从而带动整个液压系统和电动机系统的工作。同时通过单片机系统采集各种传感器发来的信号，进行处理并反馈到液压阀上，调节流量和方向。经过多次检测我们就可以得到所测转向机的基本性能参数了。目前我国一些研究机构也早已开展了对汽车转向机性能研究和试验研究。本系统基本上属于液压系统加上电气系统所组成，机械部分和电动机部分相应少一些。液压系统又分为两大部分，即：液压助力系统和输出端液压检测系统。液压助力系统主要是给转向机提供转向助力；输出端液压检测系统主要是给转向机的输出端提供一定量的输出负荷阻尼，从而检测转向机的性能。本实验台之所以选择液压系统为转向机提供助力并给转向机输出端提供一定量的输出负荷阻尼有以下几点原因：（1） 同其他传动方式比较，传动效率相同，液压传动装置重量轻，体积紧凑。（2） 可实现无级变速，调速范围大。（3） 运动件的惯性小，能够频繁迅速转向；传动工作平稳；系统容易实现缓冲吸震，并能自动防止过载。（4） 与电气配合，容易实现动作和操作自动化。与微电子技术和计算机配合，能实现各种控制工作。（5） 元件以基本上系列化、通用化和标准化。利于 CAD 技术的应用，提高工效，降低成本。电气系统本实验台采用的是 MCS-51 系列的 8051 单片机并带有 A/D 及 D/A接口电路、输出显示电路、检测电路等几部分组成。MCS-51 单片机集成度高，可靠性好，功能强，速度快，具有很高的性能价格比。小巧灵活、成本低、易吉林大学本科毕业设计说明书5于产品化，它能方便的组装成各种智能式测控设备。适应的温度范围宽。易扩展、控制功能强。便于实现多机和分布式控制。在本实验台中机械部分的设计主要是作为实验台的台架、油箱、液压阀的法块盒，及的主要器件的卡具体。虽然在内容上看上去机械很简单，但是由于数量多、体积大、非标准件多，设计量占很大比重。一般情况下，在小型轿车上，转向机的输入端是方向盘，但为了能达到转距匀速、平稳的效果，本实验采用步进电动机输入。2.1 实验台系统的组成及控制原理整个实验台系统主要包括的部分：助力液压系统、输出端液压检测系统，输入端电动机系统、电器控制系统、主机台架及油箱总成、转向机总成，卡具体等。其中电控部分采用单片机为主的测控系统。系统整体框图如图 2-1 所示。2.2 液压系统的工作原理在本实验台中液压系统属于主要工作部分。液压助力系统主要是为了给转向机提供助力转向，由三相异步电动机带动柱塞泵从油箱中吸取液压油经溢流图 2-1 系统整体框图第二章 系统总体方案6阀调压后进入转向机工作，转向机所排出的液压油再经油路返回油箱。输出端液压检测系统也是由三相异步电动机带动叶片泵从油箱中吸取液压油，液压油经溢流阀调压后再经调速阀调解流量和速度，而后在三位四通电磁换向阀的作用下即如液压缸，并驱动液压缸推动转向机输出端，为其提供负荷阻尼。液压系统原理图如图 2-2 所示。图 2-2 液压系统原理图吉林大学本科毕业设计说明书73 机械系统设计在前面的系统总体方案里已经说到:本实验台的功能是对小型汽车转向机进行规定的部分性能试验项目进行检测，取得相关数据，从而了解转向机的性能状况。因此在本设计里采用液压系统带动阻尼缸对转向机的输出端进行检测，并利用电动机对转向机输入转矩。3.1 液压助力系统设计由于所测量转向机需要给于转向助力，所以本试验台需要设计一个液压助力系统帮助其实现。其中应包括的主要元器件有：吸油滤清器、电机、液压泵、压力表、溢流阀、回油滤清器等。3.1.1 液压泵的选择3.1.1.1 设计要求本试验台主要测量转向机型号有：捷达 10C1051、金杯海狮 20C1051、现代 H1、江淮瑞风 20C1055 等型号的转向机。流量：6.08.0 L/min 最高使用油压：8.510 MPa 最大输出负荷：615010000 N3.1.1.2 液压泵的流量、压力计算由于本液压系统属于一般系统，应该按照一本液压系统的计算方法计算。Qp=K(Q s)maxQp：液压泵的流量，L/minQs：同时动作执行元件的瞬时流量，L/minK：系统泄露系数，K=1.11.3则：Q p=K(Q s)max=1.3(8+1)=11.7 L/min其中：设通过溢流阀的流量为 1 L/min。泵的额定流量应该与计算所需流量相当，通过所算得的数据可以选择流量第三章 机械系统设计8略高于 12 L/min 的液压泵。泵的额定压力可以比系统工作压力高 25%，所以可以选择压力在 10-12.5 MPa 左右的泵。3.1.1.3 液压泵的选择根据转向机所需要的工作流量和使用压力可以选择精度高，密封性能好，工作压力高的 10SCY141B 型斜盘式轴向柱塞泵，如图 3-1 所示。排量：10 ml/r 额定压力：32 MPa 额定转速：1500 r/min 流量：15 L/min，110 -5 m3/r，容积效率：92%-93% 重量：19 Kg。则实际排量=150.92=13.8 L/min 12.5 L/min，液压缸选择合理。3.1.1.4 液压泵的转矩计算输入转矩 Ti=pq0/2 mTi：液压泵的输入转矩，N/mp：液压泵的工作压力， paq0：液压泵的排量，m 3/r图 3-1 10SCY141B 型斜盘式轴向柱塞泵吉林大学本科毕业设计说明书9 m：液压泵的机械效率，由于在斜盘式轴向柱塞泵中，总效率 =容积效率 v机械效率 m， （查表得容积效率：92%-93%，总效率：81%-88%） ，那么，机械效率大约等于总效率/容积效率。 m=88/93=0.946当泵的工作压力为额定压力、排量为额定排量时：Ti 1= pq0/2 m=32106110-5/20.946=53.8 N/m当泵的工作压力为实际压力、排量为实际排量时：Ti 2= pq0/2 m=12.5106810-6/20.946=16.8 N/m3.1.1.5 液压泵的输入轴功率计算驱动泵轴的机械功率：P i=pQ/ Q= Q 泵 v/60p：泵的工作的压力，paQ：泵工作时出口处流量，m 3/s:总效率，81%88%Q= Q 泵 v/60=11.710-3/60=1.9510-4 m 3/sPi=pQ/=12.510 61.9510-4/0.85=2867 W=2.867 KW3.1.2 电动机的选择选择电动机应综合考虑以下几点因素：（1） 根据机械负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机。（2） 根据负载转矩，速度变化范围选择电动机。（3） 根据使用场所环境条件选择电动机。（4） 根据企业电网电压标准等选择电动机。在这里我们着重考虑电动机的转矩是否能满足负载的要求，是否能带动起第三章 机械系统设计10负载；电动机输出的功率是否满足泵的驱动轴的机械功率，这是问题的关键。其中，电动机输出的功率是否满足泵的驱动轴的机械功率是选择电动机的主要参考因素，电动机的转矩是否能满足负载的要求为选择电动机的参考因素。3.1.2.1 电动机转速的选择由于泵的额定转速：1500r/min ，在这里我们也选择转速与其相同的电动机。3.1.2.2 电动机功率的计算由常用电动机计算公式：P=TN/9550 得：P：电动机功率，KWT：电动机转矩，N/mN：电动机转速，r/minP1= Ti 1N/9550=53.81500/9550=8.45 KWP2= Ti 2N/9550=16.81500/9550=2.64 KW3.1.2.3 电动机的选择可见，当液压泵额定工作时，所需要的最大功率为 8.45 KW，而当系统实际工作时，所需要的最大功率为 2.64 KW,两者有较大的差距。根据实际情况，电动的功率应该选择其二者之间的数值，这样既能保证不浪费资源，又能保证液压泵正常工作，系统正常运行。综上，我们可以选择三相异步电动机 Y132M-4。主要性能参数：额定功率：7.5 KW 额定电流：15.4A 转速：1440 r/min效率：0.87 功率因数：0.85 重量：79KgP 输出 =7.50.87 KW = 6.525 KW T i 2=2.64 KW；P 输出 P i=2.867 KW电动机选择合适。3.2 输出端液压检测系统设计本实验台所测量的转向机为齿轮齿条式动力转向机，转向机的输出端有载吉林大学本科毕业设计说明书11荷输出，需要测量（输出力、位移等） ；因此，需要设计一个系统装置来测量其具体数值，以方便了解转向机的具体性能。其中应包括的主要元器件有：吸油滤清器、电机、液压泵、单向阀、压力表、溢流阀、调速阀、换向阀、液压缸、回油滤清器等。3.2.1 液压缸的选择3.2.1.1 设计要求本试验台主要测量转向机型号有：捷达 10C1051、金杯海狮 20C1051、现代 H1、江淮瑞风 20C1055 等型号的转向机。最大输出负荷：615010000N要求匀速施加驱动力（静压力） ，驱动速度为：0.1m/s液压缸的活塞杆所承受的载荷为转向机前轴负荷的 1/33.2.1.2 液压缸的选择与计算根据转向机的最大输出负荷：615010000N，液压缸的活塞杆所承受的载荷为转向机前轴负荷的 1/3，可以算出液压缸的最大输出载荷。F=6150/310000/3 N=20503334 N在设计液压缸的过程中，我们需要选取较高的一个数值，并在取稍大一些，选取 F=3500 N根据所确定的输出推力，查表选择：WY1-FA132B-6.3B-A 拉杆式液压缸。如图 3-2 所示。缸径：32mm 活塞杆直径：18mm（强力型） 推力：5.63KN 拉力：3.85KN 额定压力：6.3mpa 最高工作压力：10 mpa 允许最高工作速度：300mm/s 最低图 3-2 WY1-FA132B-6.3B-A 拉杆式液压缸第三章 机械系统设计12工作速度：8 mm/s 。3.2.1.3 液压缸的输出力校核F=PS= P 额定 r 2 =6.31060.016 2=5066 N所计算出的数值大于所要求的最低数值 3500 N，该液压缸是合适的。满足输出推力的最小压力 Pmin=3500/0.016 2=4.35 mpa3.2.1.4 液压缸额定工作时，流量的计算Q=VSQ:液压缸的额定流量，m 3/rV：液压缸所要求的驱动力的速度， 0.1m/sS:液压缸的内腔面积，则：Q=VS=0.10.016 2=8.0410-5 m3/ s=4.83 L/min3.2.2 液压泵的选择3.2.2.1 液压泵的流量、压力计算由于本液压系统属于一般系统，应该按照一本液压系统的计算方法计算。Qp=K(Q s)maxQp：液压泵的流量，L/minQs：同时动作执行元件的瞬时流量，L/minK：系统泄露系数，K=1.11.3则：Q p=K(Qs)max=1.1(4.83+0.5)=5.86L/min 其中：设通过溢流阀的流量为 1 L/min。泵的额定流量应该与计算所需流量相当，通过所算得的数据可以选择流量略高于 5.86 L/min 的液压泵。泵的额定压力可以比系统工作压力高 25%，P 额定 P-min1.25=4.351.25=5.44mpa，所以可以选择输出压力在 5.447.87 mpa 左右的泵。3.2.2.2 液压泵的选择吉林大学本科毕业设计说明书13根据液压缸所需要的工作流量和使用压力可以选择结构简单、性能稳定、排量范围大、压力流量脉动小、噪声低、寿命长的 YB-A14B-JL 型叶片泵（双作用） 。主要性能参数：理论排量：14.5ml/r 额定压力：7mpa 额定转速：1000r/min 输出流量：11.9L/min，容积效率：80%-94% 总效率：65%82% 重量：10kg。3.2.2.3 液压泵的转矩计算输入转矩 Ti=pq0/2 mTi：液压泵的输入转矩，N/mp：液压泵的工作压力， paq0：液压泵的排量，m 3/r m：液压泵的机械效率，由于在双作用叶片泵中，总效率 =容积效率 v机械效率 m， （查表得容积效率：80%-94%，总效率：65%-82%） ，那么，机械效率大约等于总效率/容积效率。 m=82/94=0.872当泵的工作压力为额定压力、排量为额定排量时：Ti1=pq0/2 m=710614.510-6/20.872=18.5 N/m当泵的工作压力为实际压力、排量为实际排量时：P=6.3mpa q=5.86 L/min=5.8610-6 m 3/rTi2=pq0/2 m=6.31065.8610-6/20.872=6.73N/m当泵的工作压力为满足输出推力的最小压力 Pmin=4.35mpa、排量为实际排量时：Tmin=Pq/2=4.3510 65.8610-6/20.872=4.65N/m第三章 机械系统设计143.2.2.4 液压泵输入轴功率的计算驱动泵轴的机械功率：P i=pQ/ Q= Q 泵 v/60p：泵的工作的压力，paQ：泵工作时出口处流量，m 3/s:总效率，62%82%Q= Q 泵 v/60=5.6810-3/60=9.4710-5m 3/sPi=pQ/=4.3510 69.4710-5/0.80=514 W=0.514KW3.2.3 电动机的选择在这里我们着重考虑电动机的转矩是否能满足负载的要求，是否能带动起负载，这是问题的关键。其中，电动机输出的功率是否满足泵的驱动轴的机械功率是选择电动机的主要参考因素，电动机的转矩是否能满足负载的要求为选择电动机的参考因素。3.2.3.1 电动机转速的选择由于泵的额定转速：1000r/min ，在这里我们也选择转速与其相同的电动机。3.2.3.2 电动机功率的计算由常用电动机计算公式：P=TN/9550 得：P：电动机功率，KWT：电动机转矩，N/mN：电动机转速，r/minP1=T1N/9550=18.51000/9550=1.85 KWP2=T2N/9550=6.731000/9550=0.673 KWPmin= TminN/9550=4.651000/9550=0.487 KW3.2.3.3 电动机的选择可见，当液压泵额定工作时，所需要的最大功率为 1.85 KW，而当系统实际工作时，所需要的最大功率为 0.673 KW,两者有较大的差距。根据实际情况，吉林大学本科毕业设计说明书15电动的功率应该选择其二者之间的数值，这样既能保证不浪费资源，又能保证液压泵正常工作，系统正常运行。综上，我们可以选择三相异步电动机 Y90S-6。主要性能参数：额定功率：0.75 KW 额定电流：2.3A 转速：910r/min效率：0.725 功率因数：0.7. 重量：21Kg电动机的实际输出功率 P 实际 =0.750.72 KW = 0.54 KWP min=0.487 KW；P 实际 P i=0.514KW，电动机选择合适。3.3 转向机输入端系统设计本实验台所测量的转向机均为小型车辆上所使用的转向机，所要求的输入转矩很小。在车辆的实际行驶中，车辆的转向系统由方向盘来操作，并由人手动输入来完成；但为了在测量转向机性能过程中保证输入力矩平稳、匀速、固定、可靠，在这里采用电机输入，并利用减速器来达到所要求的转速和转矩。其中，需要对输入的扭矩和转角进行测量，还要在系统中加上扭矩传感和转角传感器。3.3.1 步进电机的选型和计算3.3.1.1 设计要求最大输入转矩：5Nm ； 最大输入转速：2030r/ min 3.3.1.2 电动机的选择本实验台所选用的电机为步进电机。3.3.1.3 步进电机的介绍步进电机是根据组合电磁铁的理论设计的，是一种把电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移，并用电脉冲信号进行控制的特殊运行方式的同步电动机，在数字控制系统中作执行元件。它通过专用电源把电脉冲按一定顺序供给定子各相控制绕组，在气隙中产生类似于旋转磁场的脉冲磁场。每输入一个脉冲信号，电动机就移动一步。因此，步进电机又称为脉冲电动机。反应式步进第三章 机械系统设计16电动机是我国目前应用最广泛的一种，它具有调速范围广，动态性能好，能快速启动、制动和反转等特点。3.3.1.4 步进电机的选择（1）负载转矩的折算根据最大输入转矩：5Nm 得： /max0.352.LTTNm， 步 进 电 机 的 最 大 静 转 矩（ ）（ ）（ 1）（2）步进电动机的技术参数经过计算本设计选用 86BYG250B 型号永磁感应子式步进电动机。如图 3-3所示。表 3-1 是电动机技术参数：表 3-1电机型号相数步距角相电流驱动电压最大静转矩相电阻相电感重量空载启动频率/转速*转动惯量86BYG250B2/41.85.0AAC40V/60V2.4Nm0.55.6mH2.55kg4.6KHZ/276转/分1.3Kg.cm2图 3-3 86BYG250B 型号永磁感应子式步进电动机吉林大学本科毕业设计说明书173.3.1.5 步进电机的控制图 3-4 所示为步进电机控制示意图。它把电脉冲信号变换成角位移或直线位移，其角位移量 或直线位移量 s 与电脉冲数成正比，其转速 n 或线速度v 与脉冲频率 f 成正比。由步进电动机的控制特性分析可见，在额定负载范围内，角位移量 或直线位移量 s、转速 n 或线速度 v 不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，因而很适合在开环系统中作执行元件，使控制系统成本下降。当用微电脑进行数字控制时，它不需要进行 D/A 转换，能直接把数字脉冲信号转换为角位移，力求定子各绕组间没有互感，定、转子都采用凸极结构，不考虑空间磁场谐波的有害影响，尽一切可能去增加定位转矩的幅值和定位精度，把转速控制和调节放在次要地位。目前，步进电动机的功率做的越来越大，已经生产出功率步进电动机，它可以不通过传动齿轮等力矩放大装置，直接由功率步进电动机来带动机床运动，从而简化结构，提高系统精度。第三章 机械系统设计18图 3-4 步进电机控制示意图吉林大学本科毕业设计说明书193.3.2 减速器的选择根据选择的步进电机，在本实验台中选择 XB-50-100-1-6/6 型单级谐波传动减速器。3.3.2.1 主要性能参数：表 3-2 所选减速器的主要性能参数见表 3-2，由于所选的电动机的转速与减速器的额定转速有较大的差距，因此无法根据减速器的性能参数表格来判断减速器所输出的转矩；但经过经验及其他试验台所选型号和实验数据所得，选此减速器可以达到预定要求。输出转速小于 2030r/ min；输出转矩小于最大输入转矩：5Nm。所以减速器选择合适。3.3.2.2 谐波传动减速器的介绍谐波传动减速器是一种结构简单、重量轻、体积小、传动比范围大的减速器。它具有承载能力高、损耗小、效率高等特点；此外，减速器本身的齿轮摩擦小且均匀、运动平稳、无冲击，可以向密封空间传递动力。3.4 其他机械结构的设计3.4.1 台架总成的设计输入转速3000r/min输入转速1500r/min输入转速1000r/min传动比 100 100 100输出转矩/Nm30 33 33.6输出转速/rmin-130 15 10输入功率/KW 0.118 0.062 0.041第三章 机械系统设计20台架是支撑转向机实验台的实体和安装实验台台下装置的空间。其空间的大小和台面的高度及面积都与台下设备的安装和台上设备的装卡、操作人员的操作有很大的关系。因此设计的一定要合理。本实验台所设计的台架为一个长方体（长：1600mm、宽：1100mm、高：760mm） ，台架由四根台架立柱（方钢 4040）所支撑。支撑台面的由两根台架长横梁（方钢 4040）和两根台架短横梁（方钢 4040）所连接而成的长方形支架。此外还有台架底座总成等部件组成（具体见零件图 XSA301） 。3.4.2 油箱总成的设计油箱是实验台液压系统的油源，其空间的大小关系到系统的油量是否够用、是否省油、节省空间，达到最优化效果。本实验台所设计的油箱也是一个长方体（长：1000mm、宽：500mm、高：600mm） ，板厚 0.75 mm（详见总装图 XSA300）.3.5 传感器的选择各参数的测量和采集主要靠各种传感器来实现，传感器是借助于检测元件(敏感元件)接收一种形式的信息，并按一定的规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信号也有各种形式。无论何种传感器，作为测量与控制系统的首要环节，通常都必须具有快速、准确、可靠且又经济的实现信息转换的基本要求。因此，对传感器有以下要求:(1) 足够的容量。传感器的工作范围或量程足够大;具有一定过载能力。(2) 与测量或控制系统相匹配性好，转换灵敏度高，线性程度好。(3) 反应快，工作可靠性高。(4) 精度适当且稳定性好，即传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求，并长期稳定。(5) 适用性和适应性强，即动作能量小，对被测量的状态影响小;内部噪吉林大学本科毕业设计说明书21声小而又不易受外界干扰的影响，使用安全等。(6) 使用经济。即成本低、寿命长，且易于使用、维修和校准。所选的传感器的型号如表 3-3 所示：表 3-3 所选传感器的型号及性能参数型号 性能指标 数量备注扭矩传感器 T34FN 0-20 Nm 1线位移传感器CWY200 0-200mm 1压力传感器 C9B 20KN 1角度变化检出器CP-5UY 输出感度:Min.0.5/10 1 直线性%(FS):1(300)3.5.1 位移传感器CWY系列导电塑料直线位移传感器,小量程测量长度30-300mm，寿命1000万次，分辨率无穷小 , 适用于工程机械,宇宙装置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统以及注塑机,木工机械,印刷机,电子尺,机器人,工程监测,电脑控制运动器械等需要精确测量位移的场合。如图3-5所示。图 3-5 线位移传感器 CWY200第三章 机械系统设计223.5.2 扭矩传感器T34FN 扭矩法兰专为静态和动态的扭矩测量和速度测量设计的，可以应用于实验室，测试部门以及生产监控和质量管理。 由于转子可单独安装,因此灵活性大大增加。如图 3-6 所示。3.5.3 压力传感器在对转向机输出端进行性能试验中，压力传感器 C9B，当液压缸输出端活塞杆与转向机输出端活塞杆相向输出时，采用电阻应变片式压力传感器，将它装置在两活塞杆同一轴向内，利用应变片的变形测量转向机输出端的输出力的大小。3.5.3.1 电阻应变片的工作原理工作时，将应变片用粘合剂粘贴在弹性体上，弹性体受外力作用变形所产生的应变就会传递到应变片上，从而使应变片电阻值发生变化，通过测量阻值的变化，就能得知外界被测量的大小。在传感器中实际采用多个电阻丝片，一般把四个测量应变片，两片贴在正应变片区，并将接在电桥两个相对的臂上；另两个贴在负应变区，接在另两个相对臂上，以使一个应变片的电阻温度效应为另一个相邻应变片所抵消。这样的电路不但补偿了温度效应，而且可以得到较大输出信号，这种补偿电路称全图3-6 扭矩传感器T34FN吉林大学本科毕业设计说明书23桥连接。3.6 其他主要元器件的选取通过电阻应变片式压力传感器传出的微小电压再经过放大和滤波，经A/D转换卡转换成数字量后送入计算机中。名称 型号 性能指标数量备注空气滤清器EF1-25 1低压溢流阀P-B25B 1单向节流阀DRVP-12 2调速阀Q-25B 1吸油过滤器WU-160010-J 63L/min80u2直回式回油过滤器RFA-160010-C 1电磁换向阀34DY-B10H-T 1压力表LHGAM141.5 60MPa 2先导 DB10A-1-30/31.5UW 1第三章 机械系统设计24表 3-4 其他主要元器件的选取式溢流阀 220-50N/吉林大学本科毕业设计说明书254 控制及检测系统设计4.1 液压式转向机实验台系统控制及检测系统4.1.1 实验台控制及检测系统的组成控制系统的由以下主要器件组成：单片机 8051、址锁存器 74LS373、译码器 74L138、程序存储器 2764、数据存储器 6264、I/O 口扩展芯片 8255、模数转换器 A/D0809、数模转换器 D/A0832、键盘、LED 显示部分电路、扭矩传感器 T34FN、压力传感器 C9B、线位移传感器 CWY200、角位移传感器 CP-5UY 及相关电路等。液压式转向机性能实验台控制及检测系统框图如图 4-1 所示：光 电 隔 离 驱 动 电 路驱 动 电 路光 电 隔 离 步 进电 机微机 光 电 隔 离 驱 动 电 路 换 向 阀控 制 电 路 调 速 阀扭 矩 传 感 器T34FN线 位 移 传 感器 CWY20压 力 传 感 器9B角 位 移 传 感器 P-5UAD0895图 4-1 控制及检测系统框图4.2 控制及检测系统系统设计4.2.1 单片机的选择第四章 控制及检测系统设计26单片机选用：MCS-51 系列的 8051 单片机，理由如下：MCS-51 单片机集成度高，可靠性好，功能强，速度快，具有很高的性能价格比。小巧灵活、成本低、易于产品化，它能方便的组装成各种智能式测控设备。适应的温度范围宽。易扩展、控制功能强。便于实现多机和分布式控制。即用 8051 外接 2764、6264 及 8255 等芯片扩展成一个较简单的微机控制系统。编程的用户程序由键盘盘输入，修改程序也由键盘来完成。程序存入外部 RAM，如果系统需要保存该程序，可以把录音机接在录音输出口上将程序录下来，每段程序输入都可以显示。系统中有时钟电路模块、复位电路、数码显示接口电路。4.2.1.1 时钟电路和复位电路的设计时钟是单片机的心脏，各部分都以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响微机系统的稳定性。由此，在本次设计中选用：内部时钟电路，即晶振电路。图形见电气原理图。其中，振荡频率：60MHz，电容器 C1,C2 在 30Pf 左右。单片机在接通电源启动或出现故障后，程序需从头开始执行，机器内部全部寄存器 I/O 接口等都必须重新复位，所以要求接复位电路。由此，在本次设计中选用：复位电路。图形见电气原理图。其中，电阻阻值为 82K，电容为 10f。4.2.1.2 Mccs-51 系列单片机的引脚及其功能Mcs-51 系列单片机是一个具有 40 根引脚的双列直插式器件。：编程和正常操作时的电源电压为+5V。cV：地电平。s：一个 8 位开漏双向 I/O 口，它访问外部存储器的低 8 位地址和数据0P吉林大学本科毕业设计说明书27总线，在程序检验时它也输出指令字节， 口能吸入 8 个 LSTTL 输入。0P口：具有提升电阻的 8 位双向 I/O 口，专供用户使用，在程序检验时1P它也接收低位地址字节， 口能吸入/输出 3 个 LSTTL 输入。1P口：具有提升电阻为 8 位双向 I/O 口，供系统扩展时作高 8 位地址线2用。在没有外部存储器扩展时，它也可以为用户 I/O 口线使用。在程序检验时，它也接收高位地址和控制信号。 口能吸入/输出 3 个 LSTTL 输入。2P口：具有提升电阻为 8 位双向 I/O 口，该口的每一位单元可以独立地3P定义为第一 I/O 口功能或第二 I/O 口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与 口完全相同，第二功能如下所示：1口引脚 第二功能（串行输入口）0.3PDRx（串行输出口）1. T（外部中断）2.3 0IN（外部中断）.P1（定时器 0 外部输入）4.3 0T（定时器 1 外部输入）5. 1（外部数据存储器写选通）6.3PWR（外部数据存储器读选通）7. PD口能吸入/放出 3 个 LSTTL 输入。3：访问外部存储器时，用于锁存地址低字节的地址锁存允许PROGALE/第四章 控制及检测系统设计28输出。ALE 主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取指时把 口的低0P位地址字节锁存到外接的锁存器中，每一个机器周期 ALE 二次有效这个引脚也是 EPROM 编程时的编程脉冲输入。：程序存储器允许输出，是外部程序存储器的读选通信号。在工外部程PSEN序存储器取指时， 每个周期有效二次，在从内部程序存储器取指时，无PSEN脉冲。：EA 为高电平时，CPU 执行北部程序存储器的指令。 为低电平pVEA/ EA时，CPI 仅执行外部程序存储器的指令。使用 8051 时， 必须接地。8751EPROM 编程时，这个引脚为 21V 编程电源 输入端。pV：震荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地。1XTAL：震荡器反相放大器输入和内部时钟发生器的输入，使用外部震荡2器时用于输入外部震荡信号。：复位控制，在震荡器运行时，使 RST 脚至少保持两个机器周VPDRST/期为高电平，可实现复位操作。CPU 通过执行内部复位来响应，在 RST 为高的第二周期时执行内部复位。在 关断前加上 VPD,RAM 的内容将不变cV4.2.2 程序存储器和数据存储器的选用试验台系统采用 MCS-51 系列中的 8051 作为主控制器。对于不同的单片机进行比较：首先要选择合适的存储器。单片机内部有两种存储器：一种是专门用来存放用户程序和常数的程序存储器；另一种是专门用来存放数据的数据存储器。两者是严格分开的，不同的单片机这两种存储器的容量也不一致。一般选用片内无程序存储器的单片机，通过片外扩展组成单片机最小系统。这种最小系统使用灵活，改写程序方便。 （1）选择单片机还应注意接口能力、指令系统、寻址方式及功耗等问题。 （2）必须具备配套的开发吉林大学本科毕业设计说明书29系统。 （3）选择市场上的主流产品。综合以上因素，在与 MCS-51 系列的 8051 单片机相配合的众多器件中可以选用：程序存储器：2764 如图 4-2 所示 ；程序存储器扩展为 8K，数据存储器：6264，数据存储器扩展为 8K。如图 4-3 所示。图 4-2 程序存储器 2764 引脚图第四章 控制及检测系统设计30图 4-3 数据存储器 74LS373 引脚图4.2.3 地址锁存器和译码器的选用由于 MCS-51 单片机的 口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程0P序存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。通常，地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八 D 锁存器 74LS373 或 8282,也可以使用带清除端的八 D 锁存器 74LS273,地址锁存信号为 74LS373ALE。综合以上因素，结合所选用的单片机 8051，从以上器件中选用锁存器74LS373 如图（4-3） ，译码器 74L138。4.2.4 并行 I/O 扩展接口的选用本试验台系统中所检测得到的数据需要用显示器显示，并且用键盘输入。因此需要与 I/O 扩展接口相连接。在众多器件中我选用 8255。8255 的 A 口为控制试验台输入电机的接口。为防止功率放大器高雅的干扰，步进电机及接口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示设计在一起，8255 的 PC 口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB 口的 PB0PB3 为键盘吉林大学本科毕业设计说明书31的行线；8051 的 P1 口为显示器的字形输出口。该系统采用 4X5 共 20 个列式键盘和五位八段共阴极显示器。在软件设计上 8255 的 PA 口、PC 口设置为输出，PB 口设置为输入。4.2.4.1 8255 的工作方式8255 有三种基本工作方式：方式 0：基本输入输出方式 1：选通输入输出方式 2：双向传送表 4-1 8255 接口工作状态选择表1A0 RDWCS工 作 状 态0 00 11 00 1 00 1 00 1 0A 口数据：数据总线B 口数据：数据总线C 口数据：数据总线0 00 11 01 11 0 01 0 01 0 01 0 0总线数据：A 口总线数据：B 口总线数据：C 口总线数据：控制字寄存器1 110 1 01 1 0数据总线：三态非法状态数据总线：三态三种工作方式由工作方式控制字来决定。方式控制字的格式由 CPU 通过输入/输出指令来提供。三个端口中 C 口被分为两个部分，上半部分随 A 口称为A 组，下半部分随 B 口称为 B 口。其中 A 口可工作于方式 0、1 和 2，而 B 口只能工作在方式 0 和 1。另外，C 口还具有位控制功能，它可通过工作方式控制字将其任意一位置“1”或者清“0” 。 第四章 控制及检测系统设计324.2.5 模数转型 A/D 转换器的选用A/D 转换器是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机进行处理。它与 D/A 转换器一样，是微型机应用系统的一种重要接口，常用于数据采集系统。在本实验台系统中具体应用到与传感器的连接中，并选用 A/D0809。4.2.5.1 A/D0809 转换器的工作原理逐位反馈使次高位置1，进行相同的过程直到SAR 的所有位都被确定。转换过程结束后，SAR 寄存器中的二进制码就是 A/D 转换器的输入。如图 4-4 所示。主要特性：（1）8 路 8 位 AD 转换器，即分辨率 8 位。 （2）具有转换起停控制端。 （3）转换时间为 100s。 （4）单个5V 电源供电 。 （5）模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准。 （6）工作温度范围为-4085 摄氏度 。 （7）低功耗，约 15mW。4.2.5.2 A/D0809 转换器的程序设计方法中断方式：图 4-4 ADC0809 引脚图吉林大学本科毕业设计说明书33无论 CPU 暂停与否，实际上对控制过程来说都是处于等待状态，等待 A/D转换结束后再读入数据，因此速度慢，为了发挥计算机的效率，又是采用中断方式。在这种方式中，CPU 启动 A/D 转换后，即可转而处理其他事情（如执行主程序） ，一旦 A/D 转换结束，则由 A/D 转换器发一转换结束信号到单片机的 管脚，1INTCPU 相应中断后，便读入数据。这样，在整个系统中 CPU 与 A/D 转换器是并行工作的，所以提高了工作效率。为此，有时多回路数据采集系统中，我们不得不采用双重中断的办法来解决（第一重中断是定时采样，第二重中断是 A/D转换） 。4.2.6 数模转型 D/A 转换器的选用D/A 转换器的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟量。进行 D/A 转换时，将需要转换的数码加在 D/A 转换器的数据输入端，D/A 芯片的输出端就建立起相应的电流和电压。在本实验台系统中具体应用到与调速阀的连接中，并选用D/A0832（DAC0832） 。如图 4-5 所示。D/A0832 是一种双缓冲型 D/A 芯片。其内部结构如图所示。她被分成三部分：由 8 位输出寄存器和 8 位 DAC0832 寄存器组成的二次缓冲；一个 8 位 D/ACSWR1AGNDD7D6D0D1D2D3 D4D5VREFRfDGNDVccILEWR2XFERIout2Iout1DAC083211098765432 20141516171819131211图 4-5 DAC0832 引脚图第四章 控制及检测系统设计34转换器实现数/模转换；控制电路完成对两个锁存器的写入控制。4.2.7 矩阵式键盘接口设计4.2.7.1 矩阵式键盘工作原理键盘设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V 上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由此行线相连接的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。矩阵键盘的优点是可以节省很多的 I/O 接口。4.2.7.2 按键的识别方法扫描法：此方法分两部进行：第一步，识别键盘有无键被按下；第二步，如果有键被按下，识别出具体的按键。分述如下：识别键盘有无键被按下：让所有列线均置为 0 电平，检查各行线电平是否有变化，如果有变化，则说明有键被按下，如果没有变化，则说明无键被按下。识别具体按键的方法：逐列置零电平，其余各列置为高电平，检查各行线电平的变化，如果某行电平由高电平变为零电平，则可确定此行列交叉点处的按键被按下。4.2.7.3 键盘工作方式单片机应用系统中，键盘扫描只是 CPU 工作的内容之一。CPU 在忙于各项工作时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。键盘的工作方式的选取应根据实际应用系统中 CPU 工作的忙、闲情况而定。其原则是既要保证能及时响应键盘操作，又要不过多占用 CPU 的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即：程序扫描，定时扫描和中断扫描。吉林大学本科毕业设计说明书35本实验台所用电气控制系统的键盘工作方式为定时扫描工作方式具体介绍见（5.2） 。4.2.8 步进电机的驱动电路步