毕业设计（论文）-气压传动流量控制阀的结构设计及产品开发

1、摘要随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 以 及 现 代 工 业 数 字 化 的 发 展 要 求 ， 在 气 压 传 动 流 量 控 制 领 域 出 现 了 数 字 式 流 量 控 制 阀 技 术 ， 并 且 得 到 了 迅 速 发 展 。 而 如 何 降 低 数 字 阀 的 成 本 ， 提 高 控 制 精 度 ， 简 化 数 字 阀 结 构 成 为 当 前 数 字 阀 研 究 的 主 要 方 向 。 本 设 计 用 MCS-51系 列 中 的 STC89C52RC单 片 机 作 为 控 制 核 心 ， 以 步 进 电 机 作 为 执 行 元 件 设 计 了 一 个 低 成 本 ， 高 可

2、靠 性 的 增 量 式 数 字 流 量 阀 。 通 过 矩 阵 键 盘 设 定 所 需 流 量 值 ， 流 量 计 读 取 当 前 管 道 流 量 ， 经 过 单 片 机 的 处 理 ， 输 出 控 制 信 号 控 制 步 进 电 机 转 动 以 改 变 阀 口 的 通 流 面 积 ， 从 而 控 制 流 量 ， 并 能 实 时 显 示 当 前 流 量 状 况 。 在 对 阀 的 结 构 设 计 和 系 统 的 硬 件 电 路 设 计 的 基 础 上 ， 设 计 数 字 流 量 阀 的 控 制 方 案 。 另 外 本 文 还 对 气 压 传 动 流 量 控 制 阀 各 组 成 零 件 的 材

3、料 选 择 选 择 、 毛 坯 成 型 和 加 工 工 艺 进 行 了 详 细 设 计 。 整 个 系 统 结 构 简 单 ， 易 于 控 制 ， 工 作 可 靠 ， 很 好 的 实 现 了 在 给 定 条 件 下 的 功 能 。 关键词：数字流量控制阀，单片机，步进电机AbstractWith the development of computer technology and the requirements of the development of modern industry and digitization, the digital flow control valve tech

4、nology began to emerge in the flow control domain, and it developed rapidly. So the main research directions of digital valve are to reduce the cost of digital valve, improve the accuracy of control and simplify the structure of digital valve.This design uses the STC89C52RC chip of MCS-51 series mic

5、rocontrollers as the core, and stepper motor as executive components to control, designed a cheap, high reliability incremental digital flow valve. Through the matrix keyboard, we can set the required flow value, and the flowmeter read the current flow value, then the microcontroller output the cont

6、rol signal to control the stepper motor rotation, the pipeline section area will change and the flow can be controlled. Also，the current flow value will be showed on the LED. Through the structure design and the hardware circuit design of digital valve, the control plans and procedures of the system

7、 are also be analysis and designed. The whole system structure is simple, easy to control, and reliable to work. And it is realized the function very well in a given situation.Keyword: digital flow control valve, microcontroller, stepper motor目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 研究背景11.3 研究目的和意义21.4 数字流量阀的国内外研究现状21

8、.5 研究的主要内容4第2章 数字流量阀的阀门结构设计52.1 阀门的结构设计52.1.1 阀体62.1.2 阀芯62.2 阀门的工作原理与分析72.2.1 阀门的工作原理72.2.2 阀门的特性分析82.3 本章小结9第3章 数字流量阀的控制方案与软件设计103.1 数字流量阀的控制方案设计103.1.1 数字流量阀的控制方式103.1.2 单片机的工作方式103.2 控制系统的软件设计113.3 本章小结11第4章 阀体加工工艺134.1 确定毛坯、绘制毛坯简图134.1.1 选择毛坯134.1.2 确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量134.1.3 绘制节流阀阀体铸造毛坯简图144.2 拟定

9、节流阀阀体工艺路线154.2.1 定位基准的选择154.2.2 表面加工方法的确定154.2.3 加工阶段的划分164.2.4 工序的集中与分散164.2.5 工序顺序的安排16第5章 结论18致谢19参考文献20第1章 绪论1.1 引言基 于 单 片 机 的 数 字 流 量 控 制 阀 是 利 用 数 字 信 号 直 接 控 制 气 流 的 流 量 的 阀 类 ， 是 集 机 电 液 气 为 一 体 的 自 动 控 制 系 统 的 结 晶 。 在 工 业 领 域 中 流 量 控 制 是 一 种 非 常 实 用 的 控 制 系 统 ， 它 的 准 确 控 制 在 工 业 中 随 处 可 见 1

10、， 近 年 来 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 把 微 处 理 器 作 为 流 量 阀 的 控 制 单 元 变 得 简 单 而 有 效 。 本 文 主 要 以 单 片 机 作 为 控 制 单 元 控 制 步 进 电 机 改 变 阀 口 的 通 流 面 积 以 达 到 控 制 流 量 的 目 的 ， 实 现 利 用 数 字 信 号 直 接 控 制 气 流 的 流 量 功 能 。 1.2 研究背景在 工 业 控 制 中 ， 流 量 控 制 系 统 属 于 过 程 控 制 系 统 ， 它 们 大 多 数 都 属 于 恒 值 控 制 系 统 或 随 动 系 统 。 工 业 生 产 中 的

11、过 程 控 制 是 流 量 测 量 与 仪 表 应 用 的 一 大 领 域 ， 流 量 与 温 度 、 压 力 和 物 位 一 起 统 称 为 过 程 控 制 中 的 四 大 参 数 ， 人 们 通 过 这 些 参 数 对 生 产 过 程 进 行 监 视 与 控 制 。 对 流 体 流 量 进 行 正 确 测 量 和 调 节 是 保 证 生 产 过 程 安 全 经 济 运 行 、 提 高 产 品 质 量 、 降 低 物 质 消 耗 、 提 高 经 济 效 益 、 实 现 科 学 管 理 的 基 础 。 流 量 的 检 测 和 控 制 在 化 工 、 能 源 电 力 、 冶 金 、 石 油 等

12、领 域 应 用 广 泛 2。 例 如 在 一些常见的气压传动系统中 ， 需 要 维 持 气压马达的 为 正 常 转速 值 ， 这 就 需 要 对 系统供气量 进 行 控 制 ， 使 使整个系统安全正常 运 行 3。 又 如 在 气压缸的运动过程中 ， 需要控制气压缸活塞的移动速度，避免活塞过 快 或 过 慢 ， 影 响 产 品 质 量 和 生 产 效 率 等 ， 这 些 都 是 流 量 控 制 阀 在 工 业 生 产 中 的 具 体 应 用 。 在 常 规 的 流 量 控 制 系 统 中 ， 多 采 用 人 工 控 制 流 量 阀 来 控 制 流 量 大 小 ， 这 种 控 制 方 式 在 工

13、 业 生 产 中 生 产 效 率 低 、 成 本 高 ， 已 经 越 来 越 不 适 应 更 高 要 求 的 生 产 条 件 和 控 制 要 求 。 近 年 来 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 把 微 处 理 器 作 为 流 量 阀 的 控 制 单 元 变 得 简 单 而 有 效 。 微 处 理 器 作 为 数 字 阀 的 组 成 部 分 ， 其 优 点 是 降 低 成 本 和 提 高 可 靠 性 ， 并 给 系 统 带 来 许 多 必 要 的 特 性 ， 如 计 算 和 编 程 的 功 能 ， 与 计 算 机 直 接 连 接 无 需 模 数 转 换 等 4。 因 此 为 了 适

14、应 当 代 工 业 生 产 的 自 动 化 与 数 字 化 发 展 的 要 求 ， 以 及 对 于 传 统 流 量 控 制 方 式 的 改 进 ， 对 于 数 字 流 量 控 制 阀 的 研 究 是 很 有 必 要 的 。 1.3 研究目的和意义数 字 流 量 控 制 阀 可 以 对 流 量 进 行 准 确 的 控 制 ， 具 有 响 应 速 度 快 ， 可 靠 性 高 ， 环 境 适 应 性 强 ， 能 克 服 人 力 手 动 控 制 的 诸 多 局 限 性 ， 并 且 应 用 广 泛 ， 特 别 是 在 大 批 量 需 要 流 量 控 制 的 场 合 ， 数 字 流 量 控 制 阀 能 够

15、 很 大 的 节 约 生 产 成 本 和 管 理 费 用 ， 这 使 数 字 流 量 控 制 能 够 在 现 代 农 业 、 管 道 输 送 等 领 域 成 为 不 可 替 代 的 一 项 重 要 技 术 。 但 是 由 于 国 内 生 产 技 术 以 及 工 艺 条 件 等 原 因 ， 目 前 市 场 上 的 部 分 数 字 流 量 阀 与 国 外 先 进 水 平 相 比 还 是 有 很 大 的 差 距 ， 同 等 规 格 下 的 产 品 在 性 能 参 数 、 可 靠 性 、 精 确 度 等 方 面 不 及 国 外 先 进 产 品 ， 而 且 大 多 结 构 复 杂 ， 操 作 不 便 ，

16、 性 价 比 低 ， 对 于 数 字 流 量 阀 的 这 些 缺 点 和 不 足 之 处 ， 本 课 题 设 计 的 数 字 流 量 控 制 阀 应 该 满 足 以 下 几 个 要 求 ： 1.降 低 成 本 ， 低 成 本 有 利 于 产 品 的 推 广 应 用 ， 所 以 本 设 计 需 要 注 意 的 一 个 重 要 方 面 就 是 降 低 成 本 ； 2.提 高 精 度 ， 高 精 度 是 数 字 流 量 阀 与 普 通 流 量 阀 巨 大 优 势 所 在 ， 所 以 设 计 中 应 该 保 持 控 制 精 度 ， 突 出 数 字 流 量 阀 的 优 点 ； 3.操 作 方 便 ， 这

17、 也 是 数 字 流 量 阀 与 一 般 控 制 阀 门 巨 大 区 别 之 一 ， 本 设 计 要 求 只 需 按 键 设 定 流 量 值 ， 然 后 由 控 制 系 统 处 理 ， 自 动 完 成 控 制 ， 真 正 实 现 数 字 化 操 作 ； 4.结 构 简 单 ， 与 现 今 市 场 上 的 数 字 流 量 阀 相 比 ， 设 计 应 该 结 构 简 单 ， 采 取 模 块 化 设 计 有 利 于 系 统 维 护 ；以 上 所 述 也 即 是 本 课 题 研 究 的 目 的 和 意 义 所 在 。 1.4 数字流量阀的国内外研究现状早 期 的 流 量 控 制 阀 主 要 有 伺 服

18、 阀 和 电 液 阀 两 种 ， 但 是 这 两 种 阀 门 都 是 通 过 将 电 转 换 为 模 拟 量 来 控 制 压 力 、 流 量 和 方 向 。 它 们 不 能 直 接 接 受 计 算 机 的 数 字 控 制 信 号 ， 而 是 需 要 通 过 比 较 昂 贵 的 模 数 转 换 和 数 模 转 换 器 ， 同 时 为 了 实 现 计 算 机 的 自 动 控 制 还 需 要 安 装 位 置 和 速 度 检 测 器 等 ， 使 用 操 作 比 较 复 杂 。 自 1981年 第 十 届 国 际 流 体 动 力 博 览 会 上 首 次 展 出 数 字 阀 以 来 ， 发 展 很 快 。

19、 我 国 1987年 在 北 京 由 中 国 科 学 技 术 交 流 中 心 举 办 的 展 览 会 上 ， 第 一 次 展 出 了 数 字 阀 ， 这 是 北 京 钢 铁 设 计 研 究 总 院 研 制 的 5。 数 字 阀 的 出 现 使 电 脑 直 接 实 行 流 量 控 制 成 为 可 能 。 目 前 市 面 上 流 量 控 制 系 统 发 展 的 已 经 比 较 成 熟 ， 但 是 数 字 流 量 控 制 阀 生 产 成 本 较 高 ， 虽 然 控 制 精 度 和 可 靠 性 都 远 远 高 于 其 他 阀 门 种 类 ， 但 是 由 于 性 价 比 不 高 ， 在 一 般 的 流

20、量 控 制 领 域 应 用 不 是 很 广 泛 。 应 用 比 较 普 遍 的 流 量 阀 还 是 功 能 单 一 ， 半 数 字 化 阀 门 ， 控 制 方 式 主 要 是 依 靠 物 理 原 理 进 行 控 制 。 例 如 在 供 暖 以 及 空 调 系 统 中 常 用 的 流 量 控 制 系 统 自 力 式 流 量 控 制 阀 ， 它 是 一 个 新 的 调 节 阀 种 类 ， 相 对 于 手 动 调 节 阀 ， 它 的 优 点 是 能 够 自 动 调 节 ， 但 是 自 力 式 流 量 阀 从 结 构 上 说 是 一 个 双 阀 组 合 ， 即 由 一 个 手 动 调 节 阀 组 和

21、自 动 平 衡 阀 组 组 成 ， 手 动 调 节 阀 组 的 作 用 是 设 定 流 量 ， 自 动 平 衡 阀 组 的 作 用 是 维 持 流 量 恒 定 ， 所 以 从 本 质 上 讲 自 力 式 调 节 阀 主 要 是 通 过 物 理 稳 压 实 现 控 制 。 具 有 完 全 意 义 上 的 利 用 数 字 信 号 进 行 流 量 控 制 的 系 统 在 国 内 市 场 应 用 还 不 是 很 广 泛 ， 通 过 对 现 有 的 数 字 流 量 控 制 阀 的 研 究 可 以 发 现 ， 其 结 构 大 都 主 要 包 括 三 个 部 分 ， 即 流 量 计 ， 控 制 系 统 ，

22、电 动 阀 门 。 流 量 计 是 指 示 被 测 流 量 和 在 选 定 的 时 间 间 隔 内 流 体 总 量 的 仪 表 ， 简 单 来 说 就 是 用 于 测 量 管 道 或 明 渠 中 流 体 流 量 的 一 种 仪 表 。 在 数 字 流 量 控 制 系 统 中 常 用 的 有 差 压 式 流 量 计 、 涡 轮 流 量 计 、 电 磁 流 量 计 等 。 数 字 流 量 控 制 系 统 的 核 心 部 件 是 微 处 理 器 ， 现 在 大 多 采 用 与 工 业 标 准 的 MCS-5l指 令 集 和 输 出 管 脚 相 兼 容 的 MCS-51系 列 单 片 机 6。 电 动

23、 阀 门 是 流 量 控 制 的 执 行 元 件 ， 在 目 前 市 场 上 用 作 流 量 控 制 的 电 动 阀 门 主 要 有 两 种 ， 一 是 步 进 电 机 ， 另 外 一 种 是 电 磁 阀 。 利 用 步 进 电 机 作 为 执 行 元 件 时 ， 控 制 模 块 根 据 所 测 的 流 量 与 给 定 流 量 比 较 ， 决 定 阀 芯 动 作 方 向 ， 并 发 出 控 制 脉 冲 ， 驱 动 步 进 电 机 ， 使 其 带 动 阀 芯 转 动 ， 通 过 改 变 节 流 面 积 ， 即 可 达 到 控 制 出 流 量 的 目 的 5 6。 利 用 电 磁 阀 作 为 执

24、行 元 件 时 ， 主 要 由 控 制 模 块 输 出 触 发 信 号 控 制 电 磁 阀 的 开 闭 ， 磁 阀 是 用 电 磁 效 应 进 行 控 制 ， 主 要 的 控 制 方 式 由 继 电 器 控 制 。 按 照 阀 门 的 种 类 ， 数 字 阀 主 要 可 以 分 为 两 类 ： 增 量 式 数 字 阀 与 高 速 开 关 式 数 字 阀 。 增 量 式 数 字 阀 ， 即 步 进 电 机 式 的 数 字 阀 ， 这 一 类 产 品 在 上 世 纪 八 十 年 代 末 至 九 十 年 代 占 据 了 液 压 数 字 阀 领 域 的 主 流 ， 国 外 的 日 本 东 京 计 器

25、公 司 开 发 了 全 系 列 的 液 压 数 字 阀 ， 其 中 包 括 数 字 压 力 阀 、 数 字 流 量 阀 以 及 数 字 比 例 方 向 阀 等 ， 我 国 当 时 的 广 研 所 也 是 积 极 开 展 研 究 的 知 名 单 位 之 一 。 而 高 速 开 关 数 字 阀 即 电 磁 阀 ， 其 应 用 到 目 前 为 止 已 经 很 多 ， 从 数 量 看 已 超 过 增 量 式 数 字 阀 ， 但 其 性 能 的 提 高 至 今 仍 处 在 研 发 过 程 ， 在 上 世 纪 八 十 年 代 ， 浙 江 大 学 、 北 京 理 工 大 学 等 院 校 就 进 行 了 很

26、多 的 相 关 研 究 7。 近 十 年 来 控 制 阀 技 术 的 发 展 十 分 迅 速 ， 以 数 字 式 阀 门 定 位 器 为 核 心 的 控 制 阀 数 字 解 决 方 案 ， 极 大 提 升 了 控 制 阀 使 用 性 能 ， 使 之 有 了 一 个 质 的 飞 跃 ， 进 而 成 为 工 业 生 产 的 智 能 设 备 。 利 用 智 能 化 控 制 阀 （ 数 字 式 阀 门 定 位 器 ） 自 带 阀 位 （ 行 程 ） 、 输 出 、 气 源 等 参 量 传 感 器 直 接 进 行 状 态 监 测 ， 以 故 障 识 别 、 逻 辑 思 维 推 理 、 鲁 棒 性 的 广

27、 义 专 家 系 统 进 行 在 线 预 测 性 维 护 ， 提 升 并 维 持 了 性 能 ， 减 少 了 运 行 故 障 和 提 高 了 使 用 寿 命 ， 对 工 业 生 产 有 显 著 的 经 济 效 益 。 在 现 阶 段 ， 控 制 阀 技 术 的 发 展 趋 势 是 “ 三 高 ” ， 即 高 集 成 、 高 性 能 、 高 智 能 8。 本 课 题 对 于 数 字 流 量 控 制 阀 的 研 究 设 计 只 是 作 为 基 础 性 设 计 ， 利 用 单 片 机 作 微 处 理 器 ， 力 争 用 最 低 的 成 本 和 最 简 的 结 构 ， 而 且 易 于 控 制 来 实

28、现 数 字 流 量 控 制 阀 的 功 能 。 1.5 研究的主要内容1.根 据 条 件 和 参 数 选 取 合 适 的 流 量 计 ， 研 究 利 用 单 片 机 对 流 量 计 输 出 信 号 的 采 集 和 处 理 的 问 题 ； 2.设 计 最 优 的 控 制 方 案 并 编 制 成 程 序 ， 通 过 对 输 入 信 号 的 处 理 实 现 对 电 动 阀 门 的 控 制 ； 3.设 计 阀 门 机 械 结 构 ， 作 为 流 量 阀 的 执 行 单 元 ， 力 求 简 单 易 用 ；4.设计气压传动流量控制阀各组成零件的毛坯成型和加工工艺。第2章 数字流量阀的阀门结构设计2.1 阀

29、门的结构设计在 气 压 传 动 系 统 中 ， 经 常 要 求 控 制 气 动 执 行 元 件 的 运 动 速 度 ， 这 要 靠 调 节 压 缩 空 气 的 流 量 来 实 现 。 凡 用 来 控 制 气 体 流 量 的 阀 ， 称 为 流 量 控 制 阀 。 流 量 控 制 阀 就 是 通 过 改 变 阀 的 通 流 截 面 积 来 实 现 流 量 控 制 的 元 件 ， 它 包 括 节 流 阀 、 单 向 节 流 阀 、 排 气 节 流 阀 和 柔 性 节 流 阀 等 。 其 中 节 流 阀 和 单 向 节 流 阀 的 工 作 原 理 与 液 压 阀 中 同 类 型 阀 相 似 。 本

30、文 设 计 的 流 量 控 制 阀 为 节 流 阀 。 在 本 设 计 中 ， 阀 门 的 结 构 很 简 单 ， 主 要 由 阀 体 、 阀 芯 和 密 封 螺 母 等 三 部 分 构 成 ， 还 包 括 其 他 紧 固 件 。 如 图 2.1所 示 。 图2.1 阀 门 结 构 示 意 图密 封 螺 母 通 过 管 螺 纹 与 阀 体 连 接 紧 固 。 阀 芯 则 通 过 螺 纹 连 接 再 密 封 螺 母 上 。 阀 芯 通 过 步 进 电 机 的 带 动 而 转 动 ， 它 们 之 间 的 连 接 通 过 一 个 机 械 转 换 结 构 ， 即 将 步 进 电 机 的 转 动 转 换

31、 为 阀 芯 的 直 线 位 移 ， 这 里 省 略 了 这 个 结 构 ， 用 一 个 连 接 槽 来 代 替 。 2.1.1 阀体阀 体 是 阀 门 的 主 体 结 构 ， 它 固 定 安 装 在 管 道 之 中 ， 气 流 通 过 阀 体 从 右 端 流 入 下 端 流 出 。 阀 体 的 设 计 应 在 保 证 强 度 的 前 提 下 尽 可 能 结 构 简 单 ， 便 于 安 装 ， 这 样 不 仅 可 以 减 小 体 积 ， 还 可 以 节 省 成 本 。 阀 体 的 尺 寸 结 构 如 图 2.2所 示 。 图2.2 阀体 三 视 图2.1.2 阀芯 阀 芯 是 阀 门 的 另

32、一 个 组 成 部 分 ， 它 是 一 个 可 动 部 件 ， 其 主 要 作 用 就 是 改 变 阀 体 的 通 流 面 积 。 阀 芯 的 主 体 是 一 个 M8的 螺 栓 ， 另 一 端 与 步 进 电 机 连 接 ， 通 过 步 进 电 机 的 转 动 而 旋 转 ， 从 而 能 产 生 上 下 位 移 。 阀 芯 的 设 计 是 尽 量 按 照 螺 纹 零 件 结 构 的 国 家 标 准 设 计 ， 这 样 便 于 生 产 加 工 ， 降 低 了 生 产 成 本 ， 并 且 能 够 批 量 生 产 。 阀 芯 结 构 尺 寸 如 图 2.3所 示 。 图2.3 阀 芯 结 构 尺

33、寸 图其 中 螺 栓 螺 纹 为 普 通 细 牙 螺 纹 ， 螺 距 P为 1mm， 即 阀 芯 每 旋 转 一 圈 ， 阀 芯 上 下 移 动 的 行 程 为 1mm， 阀 芯 与 阀 体 连 接 即 构 成 了 一 个 很 简 单 的 阀 门 结 构 2425。 2.2 阀门的工作原理与分析2.2.1 阀门的工作原理数 字 流 量 阀 的 阀 门 工 作 原 理 如 图 2.4所 示 。 图2.4 阀 门 工 作 原 理 图气 流 经 过 阀 体 ， 排 气 管 道 截 面 是 一 个 圆 ， 直 径 为 6mm， 阀 芯 直 径 为 6mm， 因 此 阀 芯 刚 好 完 全 挡 住 管

34、道 气 流 。 当 阀 门 工 作 时 ， 如 果 测 到 的 实 际 气 流 量 比 需 要 的 气 流 量 大 ， 则 单 片 机 会 控 制 步 进 电 机 转 动 ， 步 进 电 机 左 转 带 动 阀 芯 顺 时 针 旋 转 ， 由 于 阀 体 和 阀 芯 是 螺 纹 连 接 ， 阀 芯 会 向 下 移 动 ， 旋 转 一 圈 的 上 下 行 程 为 1mm， 阀 芯 的 向 下 移 动 使 管 道 截 面 面 积 减 小 ， 从 而 流 量 减 小 。 同 理 ， 当 所 测 的 实 际 流 量 值 小 于 需 要 的 流 量 时 ， 单 片 机 控 制 步 进 电 机 逆 时 针

35、 旋 转 ， 从 而 阀 芯 向 上 移 动 ， 通 流 面 积 增 大 ， 流 量 变 大 。 流 量 阀 的 工 作 完 全 由 数 字 信 号 控 制 ， 通 过 输 出 脉 冲 控 制 步 进 电 机 转 动 ， 脉 冲 个 数 与 电 机 所 转 圈 数 成 正 比 例 关 系 ， 这 样 就 建 立 了 脉 冲 个 数 与 阀 芯 上 下 偏 移 量 的 一 个 线 性 关 系 ， 实 现 了 数 字 流 量 阀 的 精 确 控 制 。 而 且 这 样 设 计 阀 门 与 转 阀 相 比 ， 避 免 了 步 进 电 机 直 接 受 到 流 体 的 力 矩 作 用 ， 即 阀 芯 不

36、 是 直 接 通 过 旋 转 多 少 角 度 来 控 制 通 流 截 面 开 度 ， 阀 芯 所 受 到 的 主 要 是 平 行 于 气 流 方 向 的 剪 切 力 ， 理 论 来 上 说 不 管 气 流 量 有 多 大 ， 所 受 压 力 有 多 强 ， 步 进 电 机 带 动 阀 芯 转 动 所 需 的 扭 矩 都 是 一 定 的 ， 这 样 不 仅 可 以 保 护 电 机 不 受 到 损 坏 ， 而 且 不 需 要 选 择 扭 矩 和 功 率 很 大 的 步 进 电 机 即 可 实 现 控 制 ， 很 大 的 降 低 了 数 字 阀 的 成 本 。 2.2.2 阀门的特性分析由 上 一

37、节 分 析 知 道 ， 通 流 截 面 的 面 积 大 小 是 由 阀 芯 的 上 下 偏 移 量 改 变 的 ， 所 以 可 以 通 过 数 学 关 系 分 析 阀 芯 行 程 h与 通 流 截 面 积 S的 关 系 ， 如 图 2.5所 示 。 图2.5 偏 移 量 h与 通 流 截 面 的 关 系假 设 阀 门 初 始 状 态 是 全 关 闭 ， 即 h=0， 此 时 通 流 面 积 （ 图 中 阴 影 部 分 ） S=0。 当 阀 芯 向 上 移 动 时 ， 会 有 hR和 hR时 ： cos= (2-1) S=+Rsin(h-R) (2-2) 由式（2-1）可得：=arccos (2

38、-3） 将 式 （ 2-3） 带 入 （ 2-2） 即 可 得 到 通 流 面 积 : S=+Rsin(arccos)*(h-R) (2-4) 当hR时：cos= （2-5） S=-Rsin(R-h) （2-6） 同理，由（2-5）可以得到=arccos (2-7） 将 式 （2-7） 带 入 （ 4-6） 即 可 得 到 通 流 面 积 : S=-Rsin(arccos)*(R-h) (2-8) 而 当 h=6mm时 ， 阀 门 全 开 ， 通 流 截 面 积 S=28.26mm2此 时 管 道 流 量 值 为 最 大 ， 预 设 流 量 值 不 能 大 于 最 大 流 量 值 。 2.3

39、本章小结本 章 设 计 了 数 字 流 量 阀 的 阀 体 结 构 ， 阐 述 了 数 字 阀 的 工 作 原 理 ， 并 通 过 计 算 得 到 了 阀 门 控 制 与 通 流 截 面 积 直 接 的 关 系 ， 所 设 计 的 阀 门 结 构 简 单 合 理 ， 符 合 课 题 的 设 计 要 求 。第3章 数字流量阀的控制方案与软件设计3.1 数字流量阀的控制方案设计3.1.1 数字流量阀的控制方式本 设 计 控 制 方 案 设 计 基 本 思 路 是 反 馈 控 制 。 反 馈 控 制 是 指 将 系 统 的 输 出 信 息 返 送 到 输 入 端 ， 与 输 入 信 息 进 行 比

40、较 ， 并 利 用 二 者 的 偏 差 进 行 控 制 的 过 程 。 在 控 制 系 统 中 ， 如 果 返 回 的 信 息 的 作 用 是 抵 消 输 入 信 息 ， 称 为 负 反 馈 ， 负 反 馈 可 以 使 系 统 趋 于 稳 定 ； 若 其 作 用 是 增 强 输 入 信 息 ， 则 称 为 正 反 馈 ， 正 反 馈 可 以 使 信 号 得 到 加 强 。 当 今 的 自 动 控 制 技 术 都 是 基 于 反 馈 的 概 念 ， 反 馈 控 制 是 控 制 论 中 的 灵 魂 ,反 馈 理 论 的 要 素 包 括 三 个 部 分 ： 测 量 、 比 较 和 执 行 。 测 量

41、 关 心 的 变 量 ， 与 期 望 值 相 比 较 ， 用 这 个 误 差 纠 正 调 节 控 制 系 统 的 响 应 ， 一 般 闭 环 控 制 系 统 均 采 用 负 反 馈 ， 又 称 负 反 馈 控 制 系 统 。 所 以 本 设 计 中 数 字 流 量 阀 的 控 制 系 统 是 一 个 具 有 负 反 馈 的 闭 环 控 制 系 统 ， 这 种 控 制 方 式 也 是 工 业 自 动 化 中 普 遍 的 控 制 方 式 。 数 字 流 量 阀 控 制 系 统 的 结 构 图 如 图 3.1所 示 。 图 3.1 控 制 系 统 结 构 图单 片 机 处 理 设 定 流 量 值 与

42、 流 量 传 感 器 所 测 流 量 值 的 偏 差 来 控 制 步 进 电 机 转 动 ， 进 而 控 制 数 字 阀 门 通 流 截 面 积 增 大 或 减 小 以 消 除 偏 差 ， 最 终 使 输 出 流 量 值 稳 定 在 设 定 流 量 值 误 差 范 围 内 。 3.1.2 单片机的工作方式由 前 文 知 道 ， 流 量 传 感 器 的 输 出 信 号 是 脉 冲 数 字 信 号 ， 由 单 片 机 的 定 时 计 数 器 0计 传 感 器 输 出 的 脉 冲 数 。 单 片 机 在 工 作 时 有 定 时 计 数 器 1定 时 1s， 由 传 感 器 参 数 知 道 传 感 器

43、 输 出 脉 冲 是 420450PCS/L,在 传 感 器 测 量 的 最 佳 流 量 范 围 内 ， 我 们 选 取 输 出 脉 冲 参 数 为 440PCS/L.假 定 1s内 ， 定 时 计 数 器 0计 数 为 X,则 当 前 管 道 流 量 大 小 为 （1000*X/440） ml/s。 单 片 机 测 得 管 道 流 量 大 小 后 ， 通 过 计 算 当 前 流 量 大 小 与 设 定 流 量 大 小 的 差 值 来 控 制 步 进 电 机 正 /反 转 ， 当 差 值 大 于 100ml/s时 ， 步 进 电 机 正 /反 转 2圈 ， 阀 芯 行 程 为 3mm， 能 改

44、 变 的 最 大 通 流 面 积 为 35.6mm2； 然 后 传 感 器 再 次 测 量 管 道 流 量 ， 单 片 机 控 制 步 进 电 机 再 次 修 正 ， 当 差 值 在 50 100ml/s范 围 内 时 ， 步 进 电 机 正 /反 转 1圈 ， 阀 芯 行 程 为 1.5mm， 能 改 变 的 最 大 通 流 面 积 为 18.0 mm2； 当 差 值 在 10 50ml/s时 ， 步 进 电 机 正 /反 转 0.5圈 ， 阀 芯 行 程 为 0.75mm； 当 差 值 在 5 10ml/s时 ， 步 进 电 机 正 /反 转 0.2圈 ， 阀 芯 行 程 为 0.3mm，

45、 此 时 阀 门 处 于 微 调 阶 段 ； 当 差 值 小 于 5ml/s时 ， 由 于 测 量 误 差 和 控 制 精 度 有 一 定 范 围 的 原 因 ， 系 统 会 默 认 为 此 时 管 道 流 量 已 经 稳 定 为 预 设 流 量 值 大 小 ， 控 制 阀 门 处 于 平 衡 状 态 ， 单 片 机 将 不 会 输 出 控 制 指 令 ， 直 到 管 道 流 量 突 然 发 生 变 化 。 3.2 控制系统的软件设计本 设 计 采 用 C语 言 在 Keil C环 境 下 编 程 ， 采 用 模 块 化 设 计 方 法 ， 按 照 功 能 分 为 主 程 序 、 显 示 子

46、程 序 、 电 机 驱 动 子 程 序 、 键 盘 扫 描 子 程 序 、 延 时 子 程 序 。 其 中 电 机 采 用 的 是 单 四 拍 的 驱 动 工 作 方 式 ， 电 机 转 动 一 圈 需 要 单 片 机 输 出 2048个 脉 冲 ， 键 盘 读 值 采 用 的 是 行 列 扫 描 编 码 的 方 法 。 主 程 序 的 流 程 图 如 图 3.2所 示 。 3.3 本章小结本 章 阐 述 了 数 字 流 量 阀 的 控 制 方 式 与 软 件 编 程 思 路 ， 给 出 了 控 制 系 统 的 结 构 图 和 软 件 流 程 图 ， 软 件 用 C语 言 编 写 。 图3.2

47、 主程序流程图第4章 阀体加工工艺4.1 确定毛坯、绘制毛坯简图4.1.1 选择毛坯由 于 节 流 阀 阀 体 工 作 过 程 中 有 一 定 流 通 阻 力 , 密 封 面 受 介 质 的 冲 刷 和 侵 蚀 小 ， 且 其 外 形 复 杂 ， 毛 坯 选 用 铸 件 。 生 产 中 采 用 砂 型 机 器 造 型 及 壳 型 铸 造 方 法 制 造 毛 坯 。 4.1.2 确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量要确定毛坯的尺寸公差及机械加工余量，应先确定如下各项因素。1、公差等级铸 件 公 差 有 16级 ， 代 号 为 CT1CT16， 常 用 的 为 CT4CT13， 该 阀 体 零 件 毛

48、 坯 采 用 砂 型 机 器 造 型 及 壳 型 铸 造 ， 查 大 批 量 生 产 的 毛 坯 铸 件 的 公 差 等 级 表 可 得 WCB铸 钢 采 用 此 铸 造 方 法 通 常 能 达 到 的 公 差 等 级 为 CT8CT10， 取 CT9， 进 而 根 据 毛 坯 铸 件 各 个 基 本 尺 寸 查 铸 件 尺 寸 公 差 表 得 相 应 的 铸 件 尺 寸 公 差 。 2、 要 求 的 机 械 加 工 余 量 除 非 另 有 规 定 ， 要 求 的 机 械 加 工 余 量 适 用 于 整 个 毛 坯 铸 件 。 要 求 的 机 械 加 工 余 量 等 级 有 10级 ， 称 之

49、 为 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H、 J和 K级 ， 其 中 A、 B级 仅 用 于 特 殊 场 合 。 根 据 毛 坯 材 料 WCB铸 钢 和 砂 型 机 器 造 型 及 壳 型 铸 造 方 法 查 毛 坯 铸 件 典 型 的 机 械 加 工 余 量 等 级 表 得 要 求 的 铸 件 加 工 余 量 等 级 为 G级 ， 根 据 毛 坯 最 大 尺 寸 查 要 求 的 铸 件 机 械 加 工 余 量 （ RMA） 表 得 要 求 的 铸 件 机 械 加 工 余 量 。 3、铸件尺寸及公差节流阀阀体如图4.1所示。阀体铸件公差如表4.1所示。图4.1 阀体表4.1 尺寸公差

50、零件尺寸及公差铸造毛胚尺寸阀体宽度尺寸20+1.4/-1.4mm阀体长度尺寸20+1.0/-1.0mm阀体高度尺寸34+1.4/-1.4mm下端出气孔尺寸6+1.0/-1.0mm内腔圆尺寸 8.5+1.25/-1.25mm进气孔尺寸 6+0.8/-0.8mm4.1.3 绘制节流阀阀体铸造毛坯简图绘制毛坯简图如图4.2所示。图4.2 阀体毛坯简图4.2 拟定节流阀阀体工艺路线4.2.1 定位基准的选择定位基准有粗基准和精基准之分，通常先确定精基准，然后再确定粗基准。1、精基准的选择根 据 该 阀 体 零 件 的 技 术 要 求 和 装 配 要 求 ， 选 择 阀 体 上 端 安 装 阀 芯 面

51、作 为 精 基 准 加 工 出 气 管 ； 选 择 左 侧 阀 体 面 作 为 精 基 准 加 工 进 气 孔 ； 以 阀 体 为 下 端 面 为 精 基 准 加 工 内 腔 。 2、粗基准的选择作 为 粗 基 准 的 表 面 应 平 整 ， 没 有 飞 边 、 毛 刺 或 其 他 表 面 缺 欠 。 本 阀 体 零 件 以 下 端 面 作 为 粗 基 准 ， 加 工 阀 体 上 端 安 装 阀 芯 的 面 ， 之 后 又 可 以 这 已 加 工 的 上 端 面 作 为 精 基 准 加 工 原 先 作 粗 基 准 的 下 端 面 。4.2.2 表面加工方法的确定表4.2 阀体零件各表面加工方案

52、加工表面尺寸精度等级表面粗糙度Ra加工方案备注阀体上端面IT71.6粗铣半精铣精铣阀体下端面IT1212.5铣阀体四周面IT1212.5铣阀体内腔IT71.6粗镗精镗攻丝阀座孔IT83.2粗镗半精镗出气孔IT1212.5镗进气孔IT1212.5镗攻丝4.2.3 加工阶段的划分该 阀 体 零 件 加 工 质 量 要 求 较 低 ， 机 械 加 工 余 量 不 大 ， 大 多 粗 加 工 一 次 即 可 达 到 要 求 ， 但 由 于 习 惯 还 是 将 加 工 阶 段 划 分 成 粗 加 工 和 精 加 工 两 个 阶 段 。 在 加 工 过 程 中 ， 基 本 上 粗 加 工 完 一 个 面

53、随 后 便 进 行 精 加 工 。4.2.4 工序的集中与分散该 阀 体 零 件 选 用 工 序 分 散 原 则 安 排 加 工 工 序 。 该 阀 体 零 件 的 生 产 类 型 为 大 批 生 产 ， 可 以 采 用 普 通 机 床 配 以 专 用 工 、 夹 具 ， 以 提 高 生 产 效 率 ； 而 且 运 用 工 序 分 散 原 则 使 工 件 在 每 道 工 序 中 的 工 步 内 容 减 少 ， 对 工 人 技 能 要 求 降 低 ， 有 利 于 降 低 劳 动 成 本 。 4.2.5 工序顺序的安排1、机械加工工序（1）遵循“先基准后其他”原则，首先加工精基准阀体上端面。（2）

54、遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排精加工工序。（3）遵循“先主后次”原则，先加工主要表面阀体上下端面，后加工次要表面阀体四周表面和各个孔。（4）遵循“先面后孔”原则，先加工阀体的各表面，再加工阀体内腔、出气孔和进气孔。2、热处理工序铸造成型后清砂，去应力退火。3、辅助工序在铣床上加工阀体各表面时，都要安排校正工序；精加工后，安排去毛刺、清洗和终检工序。第5章 结论本 课 题 设 计 的 基 于 单 片 机 的 数 字 流 量 控 制 阀 结 构 简 单 、 操 作 容 易 、 精 确 可 靠 并 且 价 格 便 宜 ， 能 够 很 好 的 应 用 在 一 般 工 业 流 量 控 制

55、 领 域 。 采 用 模 块 化 设 计 方 式 ， 运 用 数 字 技 术 、 单 片 机 技 术 、 计 算 机 辅 助 设 计 技 术 等 先 进 技 术 ， 利 用 电 子 技 术 、 机 械 设 计 、 步 进 电 机 控 制 、 单 片 机 原 理 等 方 面 的 知 识 设 计 了 一 种 增 量 式 的 数 字 流 量 阀 。 阀 门 设 计 的 原 理 正 确 、 阀 门 结 构 简 单 、 控 制 方 式 合 理 精 确 。 总 结 本 课 题 的 设 计 和 研 究 ， 有 如 下 成 果 和 特 点 ： 1、 设 计 了 阀 门 的 机 械 结 构 ， 绘 制 了 CA

56、D图 纸 并 给 出 了 详 细 的 结 构 尺 寸 。 阀 门 的 结 构 设 计 包 括 阀 体 、 阀 芯 、 密 封 螺 母 连 接 方 式 和 阀 门 工 作 原 理 等 ， 阀 门 由 数 字 信 号 驱 动 步 进 电 机 控 制 ， 全 自 动 化 操 作 。 2、 设 计 了 数 字 流 量 阀 的 控 制 方 案 和 软 件 的 编 制 。 控 制 系 统 采 用 的 是 负 反 馈 的 闭 环 控 制 ， 能 很 好 的 消 除 偏 差 并 维 持 平 衡 ， 系 统 在 控 制 流 量 时 能 实 时 的 显 示 当 前 流 量 。 软 件 设 计 简 单 可 靠 ， 采 用 模 块 化 编 程 易 于 检 查 排 错 。 3、 设 计 了 气 压 传 动 流 量 控 制 阀 各 组 成 零 件 的 毛 坯 成 型 和 加 工 工 艺。首先确定毛坯、绘制毛坯简图，然后拟定节流阀阀体工艺路线。本 设 计 在 阀 门 控 制 自 动 化 方 面 做 了 比 较 有 意 义 的 尝