齿轮综合性能试验台设计与开发

关键词：齿轮传感器砝码英文摘要Title:Thetestingmachineofthegearintegrationcapabilitytest-bedsystem.systemusingloadtoacertaintymolarpoise.atthecircumstanceofelectromotorrotatespeedhasbeendefined,viaalteringmagneticinductionarrestortosurveythedisplayofdata、storageandoutput,andalsoaccodinginputgroupingparametertocarrythroughjudgmentofproductionquality.Thissystemis吉林大学本科毕业设计说明书1Thistest-bedhadtwokindsmostlycomponents:mechanismsystemandmeasurecontrollingsystem.Themechanismmostlyinclude:geartransmissionframework,fastenframeworkofthesensor,fastenframeworkofbearing,speedupframework,loadingepuipment,magneticinductionarrestor,strapwheel,strap,alteringelectricalmotor,joinaxisorgan,wrestsensor,poise.Themeasurecontrollingsystemmostlyinclude:sensor,signaldisposesetting,signalcollectionandcontrollingsettingKeywords:gearsensorpoise吉林大学本科毕业设计说明书0 11.1课题研究的目的和意义 1.2国内外的研究状况 1.3课题任务 1.4本论文的主要研究内容 82.系统总体方案 2.1试验系统的组成及控制原理 3机械结构设计 3.2传感器选择 4电气系统设计 4.1计算机检测系统的组成 4.2电气系统的基本组成 4.3电气系统的设计 4.4交流电机及其控制 4.5程序设计 结论 致谢 参考文献 吉林大学本科毕业设计说明书11.1课题研究的目的和意义随着科技的进步，人类的生活可谓日新月异，一日千里，只有紧跟着科技的脉搏，才可能创造更高生产力，才能创造更多的经济财富，提高国家的综合实力，增加国际威望。这就迫切需要我们研制高尖端的科技产品，如何提升，这就需要我们在日常生活中能够将有潜在使用价值的东西挖掘出来，以备进一步的研究及开发利用，如本课题所研究的齿轮综合性能试验台，它就是一种很实用的科研产品。该综合试验台集机、电为一体，通过安装不同精度不同形式的齿轮，利用扭矩、转速、温度等传感器来进行实时采集和处理各种现场数据，对其综合性能进行测试。1.2国内外的研究状况目前，我国以上海汽车齿轮总厂、陕西法士特公司为代表的骨干齿轮制造企业和研究所，完成汽车齿轮、摩托车齿轮、工程机械齿轮传动、农机齿轮、工业齿轮变速箱和高速重载齿轮、特殊专用齿轮传动、齿轮专用装备等各类产品的技术引进和消化，使我国齿轮传动制造业近十年得到了跨越式的发展。1.汽车手动变速箱(含重、中、轻、微),轿车变速箱，摩托车齿轮、工程机械换挡变速箱，大、中型农机变速传动的配套，已经基本立足国内生产，基本满足了主机厂的配套需要，并已经有部分齿轮件出口或变速箱出口。在汽车自动变速箱方面，目前仍被进口产品控制。2.在车辆驱动桥、主被动螺旋锥齿轮、直齿锥齿轮及轮边减速机方面，大部分能满足国内配套需要。以东风车桥为代表的驱动桥与锥齿轮产业正在整合重组发展，已经看到快速发展的希望。3.在工业通用变速箱领域，SEW等一批国外独资企业的进入激活了中国工业通用变速箱企业为代表，在产品系列化、模块化、质量与技术水平方面，最吉林大学本科毕业设计说明书2近五年有了突飞猛进的发展，形成了与国际品牌的激烈竞争。我国企业生产的部分产品达到了国际水平，有部分产品已经出口欧美。4.在高速重载齿轮传动制造方面，我国有已南京高精齿轮股份有限公司(南京高速齿轮箱厂)、重庆齿轮箱厂、杭州前进齿轮箱集团、郑州机械研究所、洛阳中重减速机公司、沈阳矿山减速机公司为代表的企业。这些企业在引进技术的过程中，为我国大型成套装备配套与船舶工业的发展做出了重大贡献。5.特殊、专用车轮传动方面，如非圆齿轮、塑料齿轮、粉末冶金齿轮、小模数齿轮等，我国目前没有形成龙头企业，企业的技术潜力尚待发挥。6.齿轮专用装备方面，近五年来民营企业发展较快，国有企业发展比较慢。大多数国有齿轮装备制造企业的装备可靠性指标进步较慢，致使齿轮行业的大部分主导精加工装备仍是以进口为主。部分齿轮企业装备国产化的希望主要有：秦川机床厂的蜗杆砂轮磨齿机；重庆机床厂、南京二机长的数控机床；螺旋锥齿轮磨齿机床的研制成功；天津元昊公司数控螺旋锥齿轮切齿机床的批量供货；杭州天辰精密齿轮检具、量具、夹具；长城润滑油对齿轮行业的润滑市场服务。这些都让我国齿轮行业看到了自立创新、自主发展的希望。虽然前景令人振奋，但专家也指出，同欧、美、日相比，中国齿轮行业还存在一定差距，主要表现为：自主创新能力不足、新品开发慢。如在汽车自动变速箱方面，目前仍被进口产品控制；在特殊、专用齿轮传动方面，我国目前还没有形成龙头企业，企业的技术潜力尚待发挥。尤其是塑料齿轮在国外的应用越来越普遍，但在我国并未得到应有重视，已远远落后世界水平；国产齿轮装备水平从整体上看，仍与欧、美、日存在较大差距，特别是高端产品、自动化产品不足，齿轮行业的大部分主导精加工装备仍以进口为主。此外还存在着市场竞争无序、企业管理薄弱、信息化程度低、从业人员综合素质有待提高的1.3课题任务吉林大学本科毕业设计说明书3检测数据现场显示、存储及输出，并根据预先输入计算机的分组参数进行产品质量性能判断。本试验台也可用于研究汽车各种系列前、中、后桥总成的制动器制动性能测试与磨合试验，并能够对桥总成进行综合性能的在线检测。通过制动器磨合以及增减砝码来改变轴承游隙和齿轮精度试验，从而获得扭矩、转速、温度、噪声、压力等传感器实时采集和处理各种现场数据；并且对多路传感器信号通过串、并口的同时采集及抗干扰措施。1.3.1齿轮传动精度影响轮齿加工时，由于轮坯、刀具在机床上的安装误差，机床和刀具的制造误差以及加工时所引起的振动等原因，加工出来的齿轮存在着不同程度的误差。加工误差大、精度低，将影响齿轮的传动质量和承载能力；反之，若精度要求过高，将给加工带来困难，提高制造成本。因此，根据齿轮的实际工作条件，对齿轮加工精度提出适当的要求至关重要。我国国标GB10095-88中，对渐开线圆柱齿轮规定了12个精度等级，第1级精度最高，第12级最低。齿轮精度等级主要根据传动的使用条件、传递的功率、圆周速度以及其它经济、技术要求决定。6级是高精度等级，用于高速、分度等要求高的齿轮传动，一般机械中常用7～8级，对精度要求不高的低速齿轮可使用9～12级。齿轮每个精度等级的公差根据对运动准确性、传动平稳性和载荷分布均匀性等三方面要求，划分成三个公差组，即第I公差组、第II公差组、第III公差组。在一般情况下，可选三个公差组为同一精度等级，但也容许根据使用要求的不同，选择不同精度等级的公差组组合。第II公差级精度等级6～9级的选择可参阅下表，第III公差组一般不得低于第II公差组的精度等级，第I公差组和第III公差组的精度等级可参阅有关手册加以确定。齿轮传动的侧隙是指一对齿轮在啮合传动中，工作齿廓相互接触时，在两吉林大学本科毕业设计说明书4基圆柱的内公切面上，两个非工作因廓之间的最小距离jn。规定侧隙，可避免因制造、安装误差以及热膨胀或承载变形等原因而导致轮齿卡住。合适的侧隙可通过适当的齿厚极限偏差和中心距极限偏差来保证，齿轮副的实际中心距越大，齿厚越小，其侧隙就越大。1.3.2齿轮传动系统的噪声分析在传统齿轮传动类产品(如工业减速箱、汽车变速器等)的设计过程中，人们往往只注重功能的实现和工作的可靠性，很少关心整个机械的运转噪声问题。但随着人们对工作和生活环境舒适度要求的不断提高，噪声问题也随之愈发凸为从设计角度出发降低齿轮传动系统的噪声，我们就应首先来分析一下齿轮系统噪声的种类和发生机理。在齿轮系统中，根据机理的不同，可将噪声分成加速度噪声和自鸣噪声两种。一方面，在齿轮轮齿啮合时，由于冲击而使齿轮产生很大的加速度并会引起周围介质扰动，由这种扰动产生的声辐射称为齿轮的加速度噪声。另一方面，在齿轮动态啮合力作用下，系统的各零部件会产生振动，这些振动所产生的声辐射称为自鸣噪声。对于开式齿轮传动，加速度噪声由轮齿冲击处直接辐射出来，自鸣噪声则由轮体、传动轴等处辐射出来。对于闭式齿轮传动，加速度噪声先辐射到齿轮箱内的空气和润滑油中，再通过齿轮箱辐射出来。自鸣噪声则由齿轮体的振动通过传动轴引起支座振动，从而通过齿轮箱箱壁的振动而辐射出来。一般说来，自鸣噪声是闭式齿轮传动的主要声源。因此，齿轮系统的噪声强度不仅与轮齿啮合的动态激励力有关，而且还与轮体、传动轴.轴承及箱体等的结构形式、动态特性以及动态啮合力在它们之间的传递特性有关。一般来说，齿轮系统噪声发生的原因主要有以下几个方面：(1)齿轮设计方面参数选择不当，重合度过小，齿廓修形不当或没有修形，齿轮箱结构不合理等。吉林大学本科毕业设计说明书5(2)齿轮加工方面基节误差和齿形误差过大，齿侧间隙过大，表面粗糙度(3)轮系及齿轮箱方面装配偏心，接触精度低，轴的平行度差，轴，轴承、支承的刚度不足，轴承的回转精度不高及间隙不当等。(4)其他方面输入扭矩。负载扭矩的波动，轴系的扭振，电动机及其它传动副的平衡情况等。a)系统可对变速器试验样品进行性能试验。b)针对力及扭矩、位移等参数，系统可分别对以上参数进行检测。c)要求匀速施加驱动力(静压力),驱动速度可调。d)测试数据可存储及显示输出。1.3.3润滑对齿轮失效影响工作中的齿轮副发生失效，与所传递的运动和动力的性状直接有关。在使用齿轮副的目的—“完成特定的运动和动力的传递“。不可改变时，为了防止齿轮失效，人们首先从机械角度考虑问题。如选择优良的齿轮材料，合理的齿轮设计参数，先进的热处理技术及高精度的机加工工艺等。这都是必不可少且行之有效的，但往往忽略了合理润滑的作用。润滑是研究齿轮相对运动，相互作用的表面科学所不可缺少的内容。例如，在负荷不大的情况下，齿轮副的表面粗糙度与润滑油膜厚度成为一对矛盾。为保证流体动力膜的形成，可以要求更光滑的齿面，使凸起高度小于油膜厚度，也可以要求更厚的油膜将稍大的凸起掩盖，二者都可达到将摩擦齿面隔开的目的。这后一种办法就是通过选用合适粘度的乳化油实现的。在负荷变大的情况下，流体动力膜及弹流膜在压力下不能保持住而发生破裂，使齿面凸峰相碰。在齿轮制造中采用先进技术是减轻这种碰撞的必要条件，但不是充分条件。只有当同时采用先进的润滑技术，选用可与齿面形成边界润滑膜的齿轮油时，控由此可见，合理润滑可以避免，减轻和延缓齿轮失效。因而，人们将齿轮吉林大学本科毕业设计说明书6润滑剂看作是齿轮机构的元件之一。1.3.4齿轮传动的特点及类型分析齿轮传动能传递两个平行轴或相交轴或交错轴间的回转运动和转矩。a)效率高在常用的机械传动中，以齿轮传动效率为最高，闭式传动效率为96%~99%,这对大功率传动有很大的经济意义。b)结构紧凑比带、链传动所需的空间尺寸小。c)工作可靠、寿命长设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的。这对车辆及在矿井内工作的机器尤为重要。d)传动比稳定传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，正是由于其具有这一特点。齿轮传动就装置形式分：a)开式、半开式传动在农业机械、建筑机械以及简易的机械设备中，有一些齿轮传动没有防尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外边，这叫开式齿轮传动。这种传动不仅外界杂物极易侵入，而且润滑不良，因此工作条件不好，轮齿也容易磨损，故只宜用于低速传动。齿轮传动装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分地浸入油池中，则称为半开式齿轮传动。它工作条件虽有改善，但仍不能做到严密防止外界杂物侵入，润滑条件也不算最好。b)闭式传动而汽车、机床、航空发动机等所用的齿轮传动，都是装在经过精确加工而且封闭严密的箱体(机匣)的，这称为闭式齿轮传动(齿轮箱)。它与开式或半开式的相比，润滑及防护等条件最好，多用于重要的场a)软齿面齿轮轮齿工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC;吉林大学本科毕业设计说明书7b)硬齿面齿轮轮齿工作面的硬度大于350HBS或38HRC。1.3.5使用变频器的注意事项分析物理环境a)工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃,但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。b)环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。c)腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能，在这种情况下，应把控制箱制成封闭式结构，并进行换气。d)振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。电气环境a)防止电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。b)防止输入端过电压。变频器电源输入端往往有过电压保护，但是，吉林大学本科毕业设计说明书8如果输入端高电压作用时间长，会使变频器输入端损坏。因此，在实际运用中，要核实变频器的输入电压、单相还是三相和变频器使用额定电压。特别是电源电压极不稳定时要有稳压设备，否则会造成严重后果。接地变频器正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段，变频器接地端子E(G)接地电阻越小越好，接地导线截面积应不小于2mm2,长度应控制在20m以内。变频器的接地必须与动力设备接地点分开，不能共地。信号输入线的屏蔽层，应接至E(G)上，其另一端绝不能接于地端，否则会引起信号变化波动，使系统振荡不止。变频器与控制柜之间应电气连通，如果实际安装有困难，可利用铜芯导线跨接。防雷在变频器中，一般都设有雷电吸收网络，主要防止瞬间的雷电侵入，使变频器损坏。但在实际工作中，特别是电源线架空引入的情况下，单靠变频器的吸收网络是不能满足要求的。在雷电活跃地区，这一问题尤为重要，如果电源是架空进线，在进线处装设变频专用避雷器(选件),或有按规范要求在离变频器20m的远处预埋钢管做专用接地保护。如果电源是电缆引入，则应做好控制室的防雷系统，以防雷电窜入破坏设备。实践表明，这一方法基本上能够有效解决雷击问题。具体技术指标如下：>带轮增速比u=1.5:1;>电机以变频3000r/min无级调速运行，输出n=6000～7000r/min;>V带带型：B型；1.4本论文的主要研究内容9该试验台主要由机械系统和测控系统组成。其中机械系统主要包括：齿轮传动机构，传感器的固定机构，轴承的固定机构，增速器机构，加载装置，磁粉制动器，皮带轮，皮带，交流电机，联轴器，扭矩传感器，砝码。测控系统主要包括：传感器，信号调理装置，信号采集与控制装置和单片机。2.系统总体方案齿轮试验台的主要技术性能1)试验控制方式：自动测试循环/手动调试运行噪声及异响检测试验台控制计算机具有产品工艺参数设定、修改功能；参数修改权限确认功能；开机自检功能；单步调试功能；程序检测功能；试验齿轮制造精度对轴线回转精度、传动的震动与噪声的影响；试验轴承精度、轴承预紧量和支撑刚度等对轴线回转精度、传动的震动与噪声试验齿轮润滑和轴承润滑对传动震动温升和噪声的影响。2.1试验系统的组成及控制原理该试验台主要由机械系统和测控系统组成。其中机械系统主要包括：齿轮传动机构，传感器的固定机构，轴承的固定机构，增速器机构，加载装置，磁粉制动器，皮带轮，皮带，交流电机，联轴器，扭矩传感器，砝码。测控系统主要包括：传感器，信号调理装置，信号采集与控制装置和单片机。该系统的整体框图如图2-1所示。图2-1系统结构框图该系统利用加载一定质量的砝码，在电动机转速一定的情况之下，通过改变磁粉制动器来检测数据现场显示、存储及输出，并根据预先输入计算机的分组参数进行产品质量性能判断。对于磁粉制动器，它是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的，它具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系，在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，响应速度快、结构简单等优点，可以说磁粉制动器是一种多用途、性能优越的自动控制元件。这也正是本系统选用它的原因。通过制动器磨合以及增减砝码来改变轴承游隙和齿轮精度试验，从而获得扭矩、转速、温度、噪声等传感器实时采集和处理各种现场数据；并且对多路传感器信号通过串、并口的同时采集及抗干扰措施。3机械结构设计3.1直齿圆柱齿轮设计：3.1.1直齿圆柱齿轮强度设计1.选择齿轮材料热处理精度等级因是一般用途的齿轮传动，齿轮材料可选用45钢，传递功率不大，且结构尺寸无严由《机械设计》书参考表9-3,选小齿轮调质，齿面硬度230-240HBS,大齿轮正火，齿面硬度190-200HBS,精度为8级。2.选取齿轮齿数3.按齿面接触疲劳强度设计对闭式软齿面齿轮传动，承载能力一般取决于齿面接触强度，故按接触强度设计，校核齿根弯曲强度。确定式中各项数值：因载荷平稳，可初选载荷系数K,=1.4;由《机械设计》书参考表9-10,选取φ=0.5Z=1898√MPa;由《机械设计》书参考图9-14,查得·=2.50;Zx₁=1.03,Zv₂=1.10;吉林大学本科毕业设计说明书选取m=2.5。a=(mz₁+mz₂)/2=130;b=φ₁d₁=124,取B₂=124mm,B₁=126mm4.校核齿根弯曲疲劳强度Yr=2.58Y=1.56Yr=2.14由《机械设计》书参考图9-22c,按小齿轮齿面硬度均值235HBS,在ML由《机械设计》书参考表9-8,选取Smn=1.25将确定出得各项数值代入弯曲强度校核公式，得可见齿根弯曲疲劳强度足够。3.1.2斜齿圆柱齿轮强度设计按齿面接触疲劳强度设计：闭式软齿面齿轮传动，承载能力一般取决于齿面接触强度，故按齿面接触强度设计，校核齿根弯曲疲劳强度。下面确定式中的参数：K,=1.4因载荷平稳，可初选载荷系数K,=1.4Ep=0.318×Q₄×Z₁×tgβ=0.318×0.4×20×tg11.25=0.682。Zp=√cosβ=√cos11.25°=0.98,设计公式吉林大学本科毕业设计说明书由《机械设计》书参考表9-6,查有那么,总的系数K=K×K₁×Kg×Ka=2.635,m,=m,/cosβ=2.549那么,齿轮的分度圆直径为：d₁=m,z₁=2.549×61=155.487d=m,z₁=2.549×61=155.489或按照下述计算圆滑中心距为a₁=130mm,螺旋角齿轮的齿宽b=φ₄·d₁=0.5×155.487≈78mm,取大齿轮的齿宽B₂=78mm,小齿轮的齿宽为B=82mm。cosβ,=cosβ·cosa,/cosa,=cosl1.25°·cos20/cos20.6304=0.97由《机械设计》书参考公式9-13,由《机械设计》书参考图9-28,查得Y=0.87,那么:由《机械设计》书参考图9-19,图9-20,按Z,查得：Yra₁=2.53,Y=1.63;由《机械设计》书参考图9-22c,按小齿轮的齿面硬度值235HBS,在ML线将以上确定的各个参数带入到弯曲强度校核公式中得：至此，斜齿轮的设计校核工作就基本完成了。3.1.3带轮的设计计算由于本设计的传动部分采用带传动，所以以下是带传动的相关计算，已知电机额定功率P=4KW,转速r=6000r/min,传动比i=0.68转速误差不超过±5%1)确定设计功率Pd据Pa和n1器选用B型V带3)选择带轮直径D1D2B型V带Dmin=125mm,应使D1≥Dmin,考虑小带轮转速并不是很高，结构尺寸有无特别限制，据整个试样机的空间布局，故选D1=172mm,4)确定中心距a和带长Ld带长Ld=2ao+π(D₂+D1)/2+(D2-D1)/4ao=2530mm,取Ld=2528mm5)验算小带轮包角α=180-(D₂-D1)×57.3°/a=161.1°>120°查表Kb=0.0026494,Ki=1.1373,△Po=0.28KW,查表Ka=0.95,KL=1.03Z=3.2,Z=3.2,图3-2从动带轮3.2传感器选择传感器，一类是非接触式温度传感器，接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并在一定程度上还可测量物体内部的温度分布，但对于运动的、热容量比较小的、或对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。目前最常用的是辐射热交换原理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。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。传感器是信息技术的前沿尖端产品，被广泛用于工农业生产、科学研究和生等领域，尤其是温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。另外，温度传感器的发展大致经历了主要以下的3个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件);主要是能够进行非电量和电量之(3)智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由(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。3.2.1扭矩转速传感器性能指标转矩测量精度：分为0.1级和0.2级。准时，其测量误差0.1级不大于额定值的±0.1%;0.2级不大于额定值的±0.2%。转矩的±0.1%。图3-3图3-3扭矩转于120%额定转矩时，仍然能保证转矩测量精度。3.2.2温度传感器热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接进行连续测量，特殊的热电偶如金铁-镍铬，最低可测到-269℃,钨-铼最高可达2800℃。热电偶传感器主要按照热电效应来工作。将两种不同的导体A和B连接起来，组成一个闭合回路，即构成感温元件，如图1所示。当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象即称为热电效应，也叫温差电效应。热电偶就是利用这一效应进行工作的。热电偶的一端是将A、B两种导体焊接在一起，称为工作端，置于温度为t的被测介质中。另一端称为参比端或自由端，放于温度为t0的恒定温度下。当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。热电偶两端的热电势差可以用下式表示：Et=E(t)-E(tO)E(t)—温度为t时的热电势E(tO)—温度为t0时的热电势当参比端的温度t0恒定时，热电势只于工作端的温度有关，即Et=f(t)。当组成热电偶的热电极的材料均匀时，其热电势的大小与热电极本身的长度和直径无关，只与热电极的成分及两端的温度有关。电气系统是整个齿轮综合试验台的重要组成部分。其中包括交流电机的控制、磁粉制动器的控制及数据的采集和显示，还有控制程序设计等。如果说机械结构是人的骨架的话，那么电气控制系统就是人的大脑和布满全身的神经单元，起到控制并反馈人体活动的作用。4.1计算机检测系统的组成(1)选择微型计算机因为该系统试验内容繁多、要求的精度大、稳定性高及在试验车间环境恶劣的情况下工作。普通的微机难以达到要求。而同普通的微机比较，工业控制机具有丰富的过程输入/输出功能；完善的外部设备；足够的存储容量；配有实时操作系统和过程中断系统；很高的可靠性；极高的电磁兼容性及抗干扰能力，有很强的环境适应性。所以该项目选择了工业控制机作为控制系统的主机。(2)板卡选用在工控机控制的基础上，由于需要采集的信号不是很多，所以考虑到经济成本问题，采用最常见的AD0809转换板作为AD板卡。该板卡可直接与CPU8位数据总线相连，结构简单。可以通过CPU发出脉冲信号来启动。在数据转换中可采用中断方式结束转换过程。此方式占用CPU时间少，效率高。采用2个8255芯片作为外扩I/O接口，控制16位LED显示器和24位键盘，以及行程开关和直流电机的驱动控制。4.2电气系统的基本组成选用8031单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。由于系统只执行简单的操作，用8031执行控制足够。以80C31CPU为核心的单片机系统，CPU通过接口器件与电动机的驱动器相连，带动电动机工作，其中接口器件是控制系统的入口，在控制系统中有重要的作用。本实验台选用8255并行接口芯片作为接口电路，控制显示器及键盘等。为防止8031的内存地址不能满足系统需要，采用74LS343地址锁存器进行扩展。74LS373是高电平触发选通，当使能端G有效时，输出直接跟随输入变化，当使能端由高变低时，才将输入状态锁存直到下一次使能信号变高为止。由于8031芯片本身没有内部程序存储器，故在实际使用中常需要扩展外围存储器，作为程序和数据的存储。通常程序存储器一般采用只读存储器，因为这种存储器在电源关断后，仍能保存程序，在系统上电后，CPU可取出这些指令予以重新执行。本系统采用由信号ALE的下降沿控制锁存到锁存器中，高5位由P2.0～P2.4提供，锁存器采用74LS373锁存器，控制端直接与ALE相连。则程序存储器读选通信号数据存储器一般采用RAM芯片，这种存储器在电源关断后，存储的数据将吉林大学本科毕业设计说明书为地址锁存器。同时，系统的片选信号由三一八译码器74LS138产生，并连接到各个芯片的片选端。4.2.4数据存储8031单片机内RAM为128个字节，因其容量不能满足设计要求，故本机扩换器的作用是将数字量转换成模拟量。将需需P2.0-P2.4ALFP0.0-P0.7PSENAP2.5P2.7图4-1数据存储器扩展数字量转换成模拟电流的工作由D/A转换器完成。该系统采用D/A0832进行数模转换。4.2.6A/D转换器：A/D转换器是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机进行处理。它与D/A转换器一样，是微型计算机应用系统中的一种重要接口，长用于数据采集系统。本系统采用A/D0809进行模数转换。它是数据采集系统的核心，担负着将模拟信号变换成适合于数字处理的二进制代码的任务。D/A转换器是把数字量转换成模拟量的线性电路器件，它为微机系统的数字信号与外部环境的模拟信号之间提供了一种接口，从而广泛地应用在数据采集的模拟输入输出系统中。转换芯片，它采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。由于ADCO809是靠脉冲信号来启动转换的，因此需要由符合电路要求的脉冲信号。由于0809芯片片内没有时钟电路，需要外部引入时钟脉冲控制0809工作。因为8031的ALE输出带有时钟频率的功能，故将ALE端经分频触发器分频得到的信号，直接连接于0809的CLK接口上作为时钟脉冲使用。由于ALE脚的频率是8031单片机时钟频率的1/6,因为单片机的时钟频率采用12Mhz,ALE的引脚频率为2Mhz,故采用四分频触发器将频率分频为500Khz,满足0809的频率要求。分频器在电气图中表现为可直接应用的模块。关于0809的片选，在8031端口够用的条件下，可直接与p口连接。但本例中端口有限，使用74L138芯片作为片选信号的来源。并行接口最基本的特点是在多根数据线上以数据字节为单位与I/0设备或被控对象传送信息。系统中采用8255实现编程并行接口器件，为40条引脚双列直插式大规模集成电路。它采用单+5V电8255A的内部电路由三部分组成(如图所示):2)内部逻辑控制电路；3)外设接口电路。图42并行接口8255吉林大学本科毕业设计说明书内部逻辑内部逻辑A组控制A组端口C数据总线缓冲器RESET制逻辑B组端口C下半部(4)>I/OPB₇~PBI/OPC₇~PC₄A组端8位内部数据总线控制CPU接口外设接口图4-38255A的结构框图8255A有三个位并行口，PA、PB和PC。都可以选择作为输入输出工作模式，但在功能和结构上有些差异。PA口：一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输入锁存器。PB口：一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输入缓冲器。PC口：一个8位的输出锁存器；一个8位数据输入缓冲器。吉林大学本科毕业设计说明书图)2D:304)8WRRDALEPC>CPC1PA7PA3PA2PA1CoPAoPBoPB1PB2PB3点图4-48255控制数显和键盘原理图4.2.8磁粉制动器磁粉制动器是一种性能优越的自动控制元件。它以磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到控制制动或传递转矩的目的。型号额定转矩激磁电流(A)允许滑差功率重量(kg)184.2.9变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。型号适配电机容量额定输出电流结构型式冷却方式备注HF-G7-4ROT39风冷三相4.2.10扭矩转速传感器输出信号：方波频率零点输出：10KHz;测量精度：≤0.5%F.S(非线性、滞后、重复性)稳定性：0.5%F.S温度影响：0.5%F.S/10℃频率响应：100is输出电平TTL,负载电流100Ma相对湿度：≤85%HR过载能力：120%位置要求：任意位置CW-100液体温度传感器技术特性：电压电源(VDC)5温度范围(℃)0℃输出(mV)灵敏度(mV/℃)4.3电气系统的设计图4-5电气原理图4.4交流电机及其控制交流电动机分为异步电动机和同步电动机两类。异步电动机按照定子相数的不同分为单项异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等优点，广泛应用于工农业生产中。三相异步电动机的构造也分为两部分：定子与转子。(1)定子：定子是电动机固定部分，作用是用来产生旋转磁场。它主要由定子铁心、定子(2)转子：转子是重点掌握的部分，转子有两种，鼠笼式与绕线式。掌握他们各自的特点与区别。鼠笼式用于中小功率(100k以下)的电动机，他的结构简单，工作可2.三相异步电动机的工作原理吉林大学本科毕业设计说明书掌握公式nl=60f/P、S=(nl-n)/n1、n=(1-S)60f/P,同时明白它们的意义(很重要),要能够灵活运用这些公式，进行计算。同时记住：通常电动机在额定负载下的转差率SN约为0.01-0.06。3.三相异步电动机的机械特性(1)在等速转动时，电动机的转矩必须和阻转矩相平衡。(2)当负载转矩增大时，最初瞬间电动机的转矩T。(3)一般三相异步电动机的过载系数是1.8-2.2.(4)电动机刚启动时n=0,s=1.4.三相异步电动机的起动(1)直接起动启动时转差率为1,转子中感应电动势很大，转子电流也很大。当电动机在额定电压下启动时，称为直接启动，直接启动的电流约为额定电流的5-7倍。一般来说，额定功率为7.5kw以下的小容量异步电动机可直接起动。直接起动控制线路所用电器包括组合开关、按钮、交流接触器中间继电器、热继电器及熔断器。(2)鼠笼式异步电动机的降压起动。(3)绕线式三相异步电动机的起动sXx×定子绕组星型连接机有两种：1、三相异步电动机。2、单相交流电动机。用在工业上，而第二种多用在民用电器上。一、三相异步电动机的旋转原场相互作用产力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速理三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步场相互作用产力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速P根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，相电流通入B子导条(鼠笼条)将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁图2图2二、单相交流电动机的旋转原理单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时(如顺时针方向旋转),这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割旋转方向的旋转磁场间的切害在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生(两相)旋转磁场，如图2所示。在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开，正常工作时只有主绕组工作。因此，起动绕组可以做成短时工作方式。但有很多时候，起动绕组并不断开，我们称这种电动机为电容式单相电动机，要改变这种电动机的转向，可由改变电容器串接的位置来实现。式电动机。此种电动机定子做成凸极式的，有两极和四极两种。每个磁极在套装上一个短路铜环，好象把这部分磁极罩起来一样，所以叫罩极式电动机。单相绕组套装在整个磁极上，每个极的线