齿轮性能综合实验台设计含9张CAD图
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齿轮性能综合实验台设计 Gear Performance Test-bed 摘 要 本文开发了一种齿轮综合性能实验台系统,本次设计的实验台主要的形成部分为 测控系统以及机械系统,在这之中,传感器,信号调整器,信号的精确采集控制和单 片机 【3】 为测控系统的主要形成部分。齿轮传动机构,轴承的紧固机构,增速器机构, 传感器的紧固机构,磁感制动器,加载装置,交流变电机,带轮系统,联轴器,力距 传感器以及标准砝码为机械系统的主要形成部分。通过不断改变标准砝码的质量,并 且电动机转速保持一致的状态下,经过磁感制动器的不断更改并测量的实时数据显示、 输出与输入,然后依据事先输入到计算机内的分组参数做出产品生产质量的判断。本 系统是较为典型的机电一体化系统。 关键词:齿轮 传感器 砝码 系统 ABSTRACT This task had developed a sort of the gear integration capability test-bed system. This test-bed had two kinds mostly components: mechanism system and measure controlling system. The mechanism mostly include: gear transmission framework, fasten framework of the sensor, fasten framework of bearing, speed up framework, loading epuipment, magnetic induction arrestor, strap wheel, altering electrical motor, join axis organ, wrest sensor, poise. The measure controlling setting and SCM. This system using load to a certainty molar poise at the circumstance of electromotor rotate speed has been defined, via altering magnetic induction arrestor to survey the display of data 、storage and output and also according input the computer grouping parameter to carry through judgaent of production quality. This system is a typical mechatronics system. Keywords: Gear Ensor Poise System I 目 录 绪 论 .1 第一章 设计概况 .3 1.1 设计任务 .3 1.1.1 齿轮传动精度的影响 .3 1.1.2 齿轮传动系统噪声分析 .3 1.1.3 润滑对齿轮失效的影响 .4 1.1.4 分析齿轮传动的特点和类型 .5 1.2 本设计的主要研究内容 .6 第二章 系统的总体方案 .7 2.1 测试系统的组成和控制原理 .7 2.2 机械系统的工作原理 .8 第三章 机械结 构的设计 .9 3.1 齿轮设计 .9 3.1.1 直齿圆柱齿轮的强度设计 .9 3.1.2 斜齿圆柱齿轮的强度设计 .12 3.2 带轮设计计算 .15 3.3 温度传感器 .17 第 四章 电气系 统设计 .19 4.1 计算机检测系统的组成 .19 4.2 电气系统的基本组成 .19 4.2.1 单片机 .19 4.2.2 地址锁存器 .20 4.2.3 程序存储 .20 4.2.4 数 据存储 .20 4.2.5 并行接口 8255.21 4.2.6 磁感制动器 .21 4.2.7 变频器 .22 4.2.8 扭矩传感器 .22 4.2.9 温度传感器 .22 4.3 电气系统的设计 .23 4.4 程序设计 .23 4.4.1 软件完成的主要内容 .23 4.4.2 程序设计技术 .24 4.4.3 程序设计说明 .24 结 论 .26 参考文献 .27 致 谢 .28 1 绪 论 随着科技的进步,人类的生活日新月异。只有顺应科技的脉搏,才能创造更高的 生产力,创造更多的经济财富,增强国家的综合实力,提高国际声望。所以现在迫切 需要我们开发出尖端的科技产品以及学会如何改进它们。这需要我们在日常生活中挖 掘出潜在的有用的东西来进行更深的研究和开发。例如,此次课题所设计的齿轮性能 综合实验台就是科研产品中一个极其实用的产物。本次设计的齿轮性能综合实验台集 机电于一体,并且安装有不同形状和精度的齿轮,利用扭矩、转速、温度等等传感器 进行跟踪采集以及现场大数据的跟踪处理,并且对它的综合性能进行多个方面测试 【1】 。 截至目前为止,我国有许多技术成熟的机械装备制造企业和研究机构单位,例如: 陕西法士特公司以及上海汽车齿轮总厂,已经完成汽车和摩托车专用齿轮、工程机械 齿轮变速器、工业齿轮变速箱和农业机械齿轮等,消化并引进了各式各样产品,比如说 齿轮和特殊的齿轮传动,齿轮专用的设备等,这种现象已经成为近十年来我国齿轮传动 制造业发生飞跃式发展标志。 1.手动汽车变速箱 (包含微型、轻型、中型以及重型),汽车变速箱、摩托车变速箱、 工程机械变挡变速箱,以及大中型农业机械变速传动的配套大多数都是国内生产制造, 并且满足主机制造商所需要达到的标椎,目前已经有部分齿轮和变速箱做到了出口国外。 在汽车自动变速器方面,仍受进出口产品的控制。 2. 在车辆传动方面,直齿齿轮、主动及被动螺旋齿轮和车轮减速器,绝大多数能 够确切满足国内规定的配套标准,传动行业以及锥齿轮行业正在以东风轿车为代表, 快速的发展进步和重整,而且已经看到了显著的发展和蜕变。 3. 在工业通用的齿轮箱这一方面,更是以 SEW 为代表的很多外资企业的正式入 驻,使得中国工业通用齿轮箱企业得到新生。为了让产品更具模块化与系统化,质量 及技术水平的提高,通过五年不间断的发展,终于形成可以与许多国际品牌针锋相对 的实力。目前一部分由中国企业生产的产品已经轻松达到国际所把控的标准,并且许 多产品已经可以出口西欧各国。 4. 在重载齿轮传动的制造方面,国内拥有许多代表型企业力量,例如:重庆齿轮 箱厂、南京高精度齿轮有限公司、郑州机械研究单位、沈阳矿山减速机股份有限公司 公司、杭州前进齿轮箱集团等等。在国外先进技术的引进与学习中,更是为我国大型 配套设备以及船舶工业的进步与发展发展做出了前所未有的巨大贡献。 5. 在比较特殊和专用车轮的传动方面,我们举例说明,比如各种非圆齿轮、塑料 齿轮、小模数的齿轮以及粉末冶金齿轮等一些比较特殊的齿轮,现在为止我国还欠缺 2 可以独当一面的企业,各企业可以被挖掘出来的技术力量还在发展之中。 6. 在专用的齿轮设备方面,过去的五年时间里民营企业得到了蓬勃发展,难以想 象,但国有企业的发展似乎没有那么理想,并没有得到快速且稳定的进步和提升。另 外,在设备的可靠性指标的严格规定下,一大部分国有齿轮设备制造企业的发展和自 我提升较慢,所以导致了在齿轮行业中一些精密的加工设备和仪器多数还需从国外进 口。但有一部分公司和企业成为设备国产化的曙光,比如说:重庆的重庆机床厂和南 京的南京第二机厂所研制的数控机床;秦川第三机床厂所研制的专用齿轮蜗杆磨齿机; 天津元昊公司的数控螺旋锥齿轮专用切割机对外的批量供货等等。种种我们历历在目 的改变,足以证明我国在齿轮行业做到的不断创新和突破为我国在齿轮行业的自主技 术研究带来了不容忽视的希望。 尽管前景令人振奋,但专家也指出。与欧洲、美国、日本相比,我国装备产业还 存在一定差距,主要表现为自主创新能力不足,新产品开发缓慢。例如,汽车专用的 自主变速器还需从国外进口,被国外技术所垄断; 关于比较特殊和专用车轮的传动技 术,国内暂时没有做到技术的领先,并且没有企业可以做到领头作用。塑料齿轮的使 用在国外已经成为常见现象,但在我国似乎没有得到过高的地位和重视,更是逊色与 世界普遍水平;对于国内的齿轮设备和技术的整体水平与日本乃至西方各国依旧有一段 不小的差距,较为突出的方面表现在自动化产品和许多较为高端产品的匮乏,绝大多 数先进的专业精密加工设备还需从国外进口。除了上述的种种,一些其他的问题也值 得我们重视,比如企业的管理层无序薄弱、信息收集速度慢、其他的市场竞争力和员 工的专业素养等。 3 第一章 设计概况 1.1 设计任务 现场测试数据的显示、输入和输出,然后针对在此之前输入到计算机的分组参数, 来对产品的质量和性能做出专业评估和判断。 经过制动磨合、增重或减重来调整轴承的间隙与进行齿轮精度测试,进而得到实 时采集到扭矩、速度、温度、噪声、压力等传感器有关数据然后进行处理。同时把多 通道传感器信号经过串口、并口的时候进行数据的跟踪采集并尝试找到抗干扰的方法。 1.1.1 齿轮传动精度的影响 在齿轮的制备时,由于考虑到刀具与齿轮坯在机床中会有一定的误差性安装,这 里包括刀具与机床在制造时引起的误差和在加工时会产生振动等原因,其成品也会存 有一定的误差。假如误差偏大以及精度不足,那么会对其传动质量以及承载能力产生 一定的干扰。然而假如精度要求偏高,那么加工时会产生一些阻碍,增加制造所需成 本。所以,依据齿轮的实际工作情况,判断齿轮的精度需要是非常重要的。 我国 GB10095-88 中,渐开线圆柱齿轮设定了 12 个精度层次,由第一级至第十二 级逐步降低。其精度的等级评估一般情况下将传动工况以及传动功率、转速和别的经 济技术要求为依据进行。但 6 级是一个相对高精度的等级,可以应用于高速、分度等 较高需求的齿轮传动,一般的机械大多使用 78 级,低齿轮精度能够选取 912 级。 齿轮精度等级的各个公差通过运动精度,传动稳定以及载荷分布均匀性这几个指标 进行划分,将其设定为几个公差组,即公差组、公差组,宽容。一般情况下能够选 取精度等级一致的公差组,然而亦可以通过使用要求不一致来选取精度等级不一致的 公差组。第公差等级精度等级的选取 6 9 详细内容展示在下图,第公差组一般情 况下要大于第公差精度等级,第和第公差组可以参考手册来确定其准确性。 齿轮传动侧面的缝隙能够表示在啮合传动时齿轮的工作齿廓相互接触时,基本圆 柱的内共段面上的非工作因廓之间的最小距离。对侧隙进行限制要求,能够避免齿轮 由于制造和安装产生的误差、热膨胀和轴承变形等干扰作用下产生问题。较为合理的 中心距极限偏差和齿厚极限偏差能够确保较为合理的侧面间隙。齿轮副的实际中心距 与其齿轮厚度两者之间存在明显的负比例关系,其和侧隙值间为正比例关系 【2】 。 4 1.1.2 齿轮传动系统噪声分析 在传统的齿轮传动的设计步骤中我们大部分更为重视功能和工作可行性,几乎不 去注重整体机械运行过程中产生的噪音。然而,因为人们对舒适的工作以及良好的生 活环境的需求性的持续提升,噪声弊端变得越来越突出。 因此想要从设计的最初就达到使齿轮的传动系统在工作时的噪声降低多个档次目 的,首要任务是了解齿轮系统噪声的具体类型以及产生的理由。 在齿轮系统中,因为其工作时所引起的噪声具有多样化,暂时可以将其归为两个 类,自鸣噪声和加速噪声。而在齿轮做啮合动作时,会形成较强的冲击,使其瞬间具 有比较高加速度,从而促使四周介质的连续震动。这类干扰形成的声辐射就被定义为 齿轮的加速度噪声。此外考虑到齿轮动态啮合力的干扰,系统的不同位置均能振动, 从而构成的声辐射就是自鸣噪声。 开式齿轮传动里加速度的噪声源自齿轮齿之间的相互冲击,其中自鸣噪声源自轮 体以及传动轴这两部分。假如其为封闭式齿轮传动,加速度噪声一方面会干扰齿轮箱 中的润滑油以及所存在的空气,紧跟其后的在齿轮箱中有所体现。鸣噪声会产生一方 面是因为齿轮机经过传动轴时造成的振动所导致,通常用其经过齿轮箱箱壁时的振动 来进行表示。大多数的情况下封闭齿轮的关键噪声源是自鸣噪声。 从而我们得知,存在于齿轮系统中的噪声强度一方面受到其啮合的动态激振力的 干扰,另一个方面就是和传动轴、轮体以及箱体等多样的结构、动态特点以及其动态 啮合力的表达和递呈有一定强有力的关联。通常而言,齿轮系统的噪声大多由下列多 个因素导致的: (1)齿轮最初的设计方案,参数选取未达到标准、重合短缺、齿轮轮廓修形不 够合适以及齿轮箱在结构上存在多处瑕疵等。 (2)齿轮在加工时存在错误,齿形误差和基节误差数值相差甚高,表面细纹过 多等。 (3)齿轮箱和齿轮系的偏心装配,接触的精度值缺欠,轴间平行度有瑕疵,轴 承旋转精度缺欠并且间隙不够匹配等。 1.1.3 润滑对齿轮失效的影响 齿轮副运行时的失效会对运动的形状以及呈递的功率产生直接的影响。当通过齿 轮副来运动以及转移的时候。在不能够调整的情况下,为有效避免齿轮失效,我们刚 开始会从机械这一方面来思考问题。例如选取较为良好的齿轮材料,对齿轮相关的设 计参数调整得到最佳数据,使用先进的热处理工艺和高精度的加工技术。这些属于必 要和有效的,不过通常去忽视了合理润滑的效果。 润滑是进行齿轮相对运动的探究,并相互作用的表面科学的一个重要组成部分。 5 比如,在小载荷的状况下齿轮副的表面粗糙度以及润滑油膜的厚度二者是恰好相反的。 为保证水动力膜的完整构成, 光滑的齿面通常是人们的首选,但需要注意的是齿面的 凸高度一定要低于油膜的厚度,又或者有更大的凸面被厚油膜覆盖,这两种方法都能够 实现分离摩擦牙齿表面的效果。后一种办法就是通过选择粘度恰当的乳化油液达到目 的。在载荷增加的时候,由于压力导致水动力膜与弹性流体动力膜无法保持从而破裂, 导致齿面发生撞击。当齿轮制备时选取先进的技术,能够在一定程度上缓解碰撞的产 生。但是这就要求选用先进的润滑工艺以及能与齿面构成边界润滑膜的齿轮油,能够 在一定程度上降低控制齿轮的失效 【2】 。 因此,适当的润滑能够避免、减少与延迟齿轮的故障。所以,齿轮润滑剂被认为 属于齿轮机构的组成部分之一。 1.1.4 分析齿轮传动的特点和类型 齿轮传动能够递呈交叉、平行又或者是交错轴间的扭矩和转动运动。 一、齿轮传动的特点 a)效率高 在普通的机械传动的过程中,传动效率是现在来讲最高的,闭式传动 效率多数情况下会处于 96%99%这一范围内,有一定的经济意义。 b)结构紧凑 皮带以及链传动结构所占取的空间以及位置偏小。 c)工作可靠、寿命长,能够进行准确且恰当的设计制造,使用保养程度高的齿 轮进行传动,工作非常稳定,寿命能够达到 10 年或 20 年,这是其他机械传动无法相 比的。对于在矿山工作的车辆与机器更加关键。 d)传动比较稳定 传动的稳定性通常属于传动性能的基础规定。恰恰因为这一特 性,齿轮传动才被广泛的应用。 二、齿轮传动的类型 在设备齿轮的传动中,有几种不同的形式,具体分为下面几种类型: a)开式和半开式传动往往会在农业机械以及简单的机械设备里面投入使用,但 是会由于有一些齿轮传动并没有安装防尘罩导致其暴露于外面,这样的情况被叫做开 式齿轮传动。上述形式一方面能使外部物质侵入机械内部,另一方面润滑效果与与其 不符,这就使得齿轮容易遭受损伤,因此其仅可以实行低速的传动。如果齿轮传动具 备基本的防护罩,在其进入油池的时候上述形式即为半开式齿轮传动。尽管我们已经 在相应条件下作出了不同以往的改进,但是始终无法确定杂物一律不会进入到机械内 部。 b)闭式传动 汽车、机床、航空发动机等工程使用的齿轮传动,全部为安装在 一个精密加工过的、封闭的箱体中,其就是封闭式齿轮传动。相较于开式以及半开式, 润滑和保护应该是最为优良的,所以会在大多的场所进行运用。 6 1.2 本设计的主要研究内容 本次设计的实验台主要的形成部分为测控系统以及机械系统,在这之中,传感器, 信号调整器,信号的精确采集控制和单片机 【3】 为测控系统的主要形成部分。齿轮传 动机构,轴承的紧固机构,增速器机构,传感器的紧固机构,磁感制动器,加载装置, 交流变电机,带轮系统,联轴器,力距传感器以及标准砝码为机械系统的主要形成部 分。通过不断改变标准砝码的质量,并且电动机转速保持一致的状态下,经过磁感制 动器的不断更改并测量的实时数据显示、输出与输入,然后依据事先输入到计算机内 的分组参数做出产品生产质量的判断。 7 第二章 系统的总体方案 齿轮综合实验台带有的主要技术性能: (1)实验台运行时的控制方式:可自动测试运行周期,可进行手动调试; (2)实验台模拟加载时状态:加载轴及加载负荷 05T,可无限进行调节; (3)制动器加载磨合; 运行噪声和异常噪声检测: 实验台控制计算机具有制动参数和传动力矩、功率、速度、噪声、温度的采集、 判断、显示、计算、输出和输入功能; 试验齿轮润滑和轴承润滑对传动振动温升和噪声的影响。 2.1 测试系统的组成和控制原理 本次设计的实验台主要的形成部分为测控系统以及机械系统,在这之中,传感器, 信号调整器,信号的精确采集控制和单片机 【3】 为测控系统的主要形成部分。齿轮传 动机构,轴承的紧固机构,增速器机构,传感器的紧固机构,磁感制动器,加载装置, 交流变电机,带轮系统,联轴器,力距传感器以及标准砝码为机械系统的主要形成部 分。该系统的整体框图如图 2.1 所示 【4】 。 图 2.1 系统结构框图 8 2.2 机械系统的工作原理 该系统使用特定质量的砝码,以恒定的转速为基础,通过调整磁粉发动机的制动 器来检测、储存和输出数据,同时依据事先输入电脑端的参数进行产品质量性能判断。 电磁原理以及磁粉转矩的呈递是磁感制动器最基本的理论基础,它这其中就包含 有传递转矩以及激磁电流,它们两者之间基本上可以用线性关系来表达,且关于同滑差 的情况,能够做到转矩的呈递,而且它有着一系列的优势,比如说反应快速以及结构 较为简洁等,因此可以说磁粉制动器是用途广泛、性能优越的自动控制元件。这就是 该系统选择使用它的重要因素。 我们经过制动器的磨合同砝码数量以及质量的升降来对轴承游隙和齿轮精度试验 做出更改,并且要跟踪获取采集和记录处理速度、扭矩、噪声以及温度等传感器的各 种现场实时数据。收集抗干扰措施。 图 2.2 齿轮箱的基本结构 9 第三章 机械结构的设计 3.1 齿轮设计 3.1.1 直齿圆柱齿轮的强度设计 1. 选择齿轮的精度、等级齿轮的类型以及齿轮齿数与材料 1)实验台是常用工作机,转速不高,因此可以选择 7 级精度(GB10095-88 ) 2 材料的选择:可以从第八版机械设计表 10-1 处了解到,如若选用小齿轮回 火,齿轮表面的硬度应为 230-240HBS;如若大齿轮正火,齿轮表面硬度 190- 200HBS【5】 。 3)选大齿轮齿数 =62,小齿轮齿数 = 圆整为 =42; 传动比1Z2Z3.415.6u2Z ;68.012Zi 2. 根据齿面接触强度设计 可从第八版机械设计一书中了解到设计计算公式(10-9a) ,即 312 22. HEt ZKTdu (3.1) 1)试选载荷系数 ;4.1t 2)小齿轮传递扭矩的计算 mNknPT .105.49605.05.9 462 (3.2) 3)可从第八版机械设计一书表 10-7 处了解到齿宽系数 ;1d 4)可从第八版机械设计一书表 10-6 处了解到材料的弹性系数 ;MPaZE8.19 5)可从第八版机械设计一书图 10-21d 处了解到,按小齿轮齿面硬度的平均 值 235HBS,在 MQ 和 ML 线中间(适当延长 MQ 和 ML 线)查取小齿轮的接触疲劳 10 强度极限 ;同理,在图 10-21c 中查取大齿轮的接触疲劳强度极限MPaH540im21 ;imH391 6)可从第八版公机械设计一书式 10-13 处了解到计算应力循环次数 (3.3)910765.230829611 hjLnN 9120843.5 (3.4) 7) 可从第八版 机械设计一书图 10-19 处了解到触疲劳寿命的系数 , ;9.1HNK.2HN 8) 计算接触疲劳许用应力 我们将失效率定为 1%,安全系数为 S=1,可从第八版机械设计一书公式(10- 12)处了解到 MPasIMHNH 5.370195.011 (3.5) sKimHNH 486.212 (3.5) (2)计算 1)小齿轮的分度圆直径为 ,代入 中的较小值td2H m ZuTKdHEdtt47.608.2932.615. 25.370819.0.413.4342 (3.6) 2)圆周速度 V 的计算 smndt /39.10647.1062 11 (3.7) 3)齿宽 b 的计算 mdt 47.6.12 (3.8) 4)齿宽与齿高之比 的计算hb 模数 mzdmtt 61.427.2 (3.9) 齿高 mht 61.325. (3.10) 69.18.347b (3.11) 5)计算载荷系数 根据 ,7 级精度,可以从第八版机械设计一书图 10-8 了解到动载sv/. 系数 ,直齿轮 ;021VK1THK 可从第八版机械设计一书表 10-2 了解到使用系数 ;1AK 可从第八版机械设计一书表 10-4 处了解到可用插值法得知 7 级精度,小齿 轮在相对支撑面做对称布置时, ,由, 从机械设计25.H 25.,69.8Hhb 书第八版 10-13 知, 所以荷系数:8.1FK7.102HVA 6)根据实际负荷系数修正计算出的指标圆直径,可从第八版机械设计一书 公式(10-10a)知 ; mKdtt 40.65.24.6332 (3.12) 7)模数的计算 m zd56.1420.2 (3.13) 12 3.依据齿根的弯曲强度设计 可从第八版机械设计一书公式(10-5)了解到弯曲强度的设计公式是 32FSadYZKTm (3.14) (1) 确认公式中计算值的准确性 1)可从第八版机械设计一书图 10-20c 处了解到小齿轮弯曲疲劳强度的极限 为 ;大齿轮弯曲疲劳强度的极限为 ;MPaFE3402 MPaFE310 2)可从第八版机械设计一书图 10-18 处了解到弯曲疲劳的寿命系数为 ;94.,8.21FNFNK 3)计算弯曲疲劳许用应力 弯曲疲劳安全系数定为 ,可以从第八版机械设计一书公式(10-12)了解5.1S 到 MPaFENF 72.02.389011 (3.15) SKFENF 68.5.1422 4)计算载荷系数 K 30.120.FVA (3.16) 5)查阅获取齿形系数 可从第八版机械设计一书表 10-5 了解到 ;26.,58.1FaFaY 6)查阅获取应力校正系数 可从第八版机械设计一书表 10-5 了解到 ;7.,4.21SaSa 7)对大、小齿轮的 进行计算,并加以比较FSaY 025.7.214581FSaY 13 (3.17) 016.8.25762FSaY 大齿轮的数值大。 (2)设计计算 986.052016.1743. .33 4M (3.18) 图 3.1 从动直齿轮 3.1.2 斜齿圆柱齿轮的强度设计 1. 选择齿轮的类型、齿轮的精度等级、齿轮齿数以及材料 1)实验台是常用工作机,转度不高,因此可以选择 7 级精度(GB10095-88 ) 2) 材料的选择:可以从第八版 机械设计一书的表 10-1 处了解到,如若选用 小齿轮回火,齿轮的表面硬度应为 230-240HBS;如若大齿轮正火,齿轮表面硬度 190-200HBS【 5】 。 3)选大齿轮齿数 =62,小齿轮齿数 圆整为 =42; 传动1Z3.415.622uZ2Z 比 ;68.012Zi 2. 依据齿面接触疲劳强度进行设计 可从第八版机械设计一书计算 公式(10-21)处了解到, 14 (3.19)312 2HEdtt ZuTK (1)对公式中的计算值进行确认 1)负荷系数测试 ;6.t 2)可从第八版机械设计中了解到选择面积系数如图 10-30 故 ;24.HZ 3)可从第八版机械设计一书中图 10-26;了解到 ,则850,76.21 ;1.21 4)许用接触应力 (3.20) MPaHH 25.48265.37021 (2)计算 1)小齿轮的分度圆直径 的计算,通过计算公式得:2td m dt 64.5310.4.2325.819.4342 (3.21) 2)圆周速度的计算 sndvt /69.2106.1062 (3.22) 3)齿宽 b 及模数 的计算ntm dt 4.53.2 (3.23) mZtnt 2.14 cos6.cosO2 mhnt 79.5. (3.25) 15 23.197.645hb 4)纵向重合度 的计算 3.14tan28.0tan8.0O2 Zd (3.26)5)负荷系数 K 的计算 已经确定使用系数为 ,依据 ,7 级精度。可从第八版 机械设计1Asv/69. 一书中表 10-4 处了解到,动态荷载系数如图 10-8 所示 ;可从第八版机械2.VK 设计一书,图 10-13 处了解到 ;可从第八版机械设计一书表 10-3 处35.F 了解到 ,故载荷系数为4.FH 21.4.1.HVAK 6)计算出的分度圆直径是根据实际载荷系数进行修正的,可从第八版机械设 计的公式(10-10a)得到 mKdtt 74.596.53332 7)模数的计算 nm Zdn 935.062 14cos7.59cosO12 (3.27) 3.按齿根弯曲强度的设计 可从第八版机械设计一书公式(10-17)处了解到 32 21cosFSadn YZKTm (3.28) (1)计算参数的确认 1)计算载荷系数 10.235.41.FVAK 2)依据纵向符合度,可从第八版机械设计图 10-28 处能够找到螺旋角的影 响系数 为 .80Y 3)等效齿数的计算 16 38.694.021cos6O3311 ZV (3.29) 7.sO3322V 4)检查齿形系数 根据第八版机械设计一书,表 10-5 ;34.2,6.1FaFaY 5)求应力修正系数 根据第八版机械设计一书,表 10-6 ; 68.1,7.21SaSaY 6)根据第八版机械设计 ,图 10-20c 为小齿轮弯曲疲劳强度极限为 ,大齿轮弯曲强度极限 。MPaFE3402MPFE301 7)可以从第八版机械设计一书图 10-18 处了解到,弯曲疲劳寿命系数是 94.,.21FNFNK 8)计算弯曲疲劳许用应力 这里取弯曲疲劳安全系数为 ,可以从第八版机械设计一书中公式(10-.1s 12)处了解到 MPaSKFENF 6.31925.40.92111 (3.30)9)计算大小齿轮的 ,并加以比较FSaY 0123.6.398427.21FSaFSaY (3.31)大齿轮的数值大。 (2)设计计算 6279.013.8.6914 0734nm (3.32) 17 圆整到:1.25 3.2 带轮设计计算 由于本设计的传动部分采用皮带传动,以下是对皮带传动电机额定功率的相关计 算 P=4KW,转速 r=6000r/min,传动比 i=2.5,转速误差不超过5% 1.定设计功率 Pca 依据机械设计书第八版,表 8-7 查得工作情况系数 ,1.AK 故 KMkmPKAca 4.1. 2. V 带带型的选择 依据 、 ,从机械设计书第八版,图 8-11 选用 B 型 V 带。can 3. 设定皮带轮的参考直径,检查皮带轮的带速 v 1)小滑轮的基本直径。可从第八版机械设计一书表 8-6 以及表 8-8 处了解到, b 型 V 带小带轮直径 ; d125 2)验算带速 v。可从第八版机械设计一书,公式(8-13)验算带的速度 smnd /28.6069061 (3.33) 因为 ,所以带速是合适的。smvs/3/5 3)计算大滑轮的参考直径。根据第八版机械设计中的公式(8-15a),计算出 大带轮的基准直径 ,即 ,可从第八版机械设计2did 5.3125.212 一书表 8-8 知圆整为 。 4.确定 V 带的中心距 a 和基准长度 dL 1)可从第八版机械设计一书公式(8-20)处了解到即 ,最开始确认的中心距为 780mm。21027.0dd 2)可从第八版机械设计一书公式(8-22)可以计算所需要的胶带参考长度 maaLddd4.26780412531257800212210 (3.34) 18 胶带的尺寸选自第八版机械设计一书表(8-2) 。mLd240 3)可依据第八版机械设计计算出实际的中心距 a,公式(8-23)。 Lad 8.762.4078200 (3.35) 中心距的上下浮动为 742mm885mm。 5.对小带轮上的包角 进行检验1 O OO 904.63.5718012 d (3.36) 6.带的根数 Z 的计算 1)单根 V 带的额定功率 的计算。rp 由 和 , 机械设计书第八版,表(8-4a)得md25in/9601 。KWP64.0 根据 , 和 B 型带,依据机械设计一书第八版,表(8-4b)in/91r. 得知 。p3. 依据第八版机械设计一书,表(8-5) 得知 ,依据机械设计一书第八96.0K 版,表(8-2 )得知 ,于是0.1L Wkr 824.1.3.6400 (3.37) 2)计算 V 带的根数 Z。 取 3 根6.284.1PrcaZ 图 3.2 从动带轮 19 3.3 温度传感器 在绝大多数工业测量中,我们通常接触并使用的温度传感器为热电偶传感器,把 需要检测的对象与之进行直接接触,其有着以下几方面的特点,一是具有一定的独立 性以及较高的精度;二是测量的范围广,其范围包含-50-1600,在这范围内能够 重复测量,特定的热电偶比如金铁-镍铬,能够测量至- 269,钨-铼最高可测温度能达 到 2800。 热电偶传感器的机理为通过热电偶效应把导体 A 和 B 相连构成闭环,就形成了 温度敏感元件如,具体细节展示在下图。如果其接触点 1 和 2 有一定的温度差距时, 就会生成一定的电动势,以至于在回路里具备电流,这又叫作热点效应。热电偶自该 效应起始就运行。热电偶的一侧由导线 A 和导线 B 焊接连接而成,被叫为工作端, 并以温度 t 调整测试介质然后放入。剩余一侧为参比端,在温度恒定是 的时候。如0t 果测量的介质温度发生了一些变化的时候,热电势亦能够产生变化,其呈递至电脑端 进行相应处理,这样来获取温度值的大小。 热电偶两侧的热电势差可以用下方的式子进行计算: Et=E(t)-E(t0) (3.38) 式中: 热电偶存在的热电势tE 热电势在温度 t 时的数值 热电势在温度 时的数值0t0 在参考端温度 保持恒定的那一刻,热电势就只与其工作端温度有关,为0t 。tfEt 如果构成热电偶的热电极的材料处在比较均匀的状态时,就会发现热电势的大小 与热电极本身的长度以及直径并没有直接关系,只与热电极的构成成分以及其两端的 温度高低有直接关系。 20 第四章 电气系统设计 电气系统属于整体齿轮综合试验台的核心构成零件。里面涉及交流电机的控制、 磁感制动器的控制和数据的采集以及显示,也包括控制程序设计等。假若把机械结构 当做人体的骨架,电气控制系统就可以被看成人体的大脑与布满全身的神经单元,起 到控制并反馈人体活动的作用 【7】 。 4.1 计算机检测系统的组成 一个计算机检测系统如果要达到没有缺陷就需使待测对象、微机端以及操作者间 能够较快以及连续地互换数据和相应的控制信息。总体设计开发的时候应该参考硬件 和软件上相应的方式,以确保三者相互之间的有关问题能够可靠和及时地交流信息以及 合理安排分时控制的时间排序,为了确保系统运作。在设计过程关注下列几个主要方面。 (1)选择微型计算机 由于测试的种类繁多,所需的精度高,系统稳定性好,能够在测试车间的恶劣条 件下运行。普通的微型计算机很难满足这些需求。然而,与各种微型计算机相比,工 业控制机器包括许多过程输入和输出功能;具有完善的外部设备 ;涵盖足够的贮存容量; 配备能够实时操作的系统以及过程中可断系统;高可靠性 ;非常高的电磁兼容性和抗干 扰性,对环境的适应性强。所以本文选取工业控制机器当作系统控制的主机。 (2)板卡的选择 基于工控机控,最普遍的 AD0809 转换板被用作 AD 卡,这是在综合考虑到经济 成本以及运行时对于捕获的信号要求后选择的。这个板卡能够直接连接到 CPU8 位数 据总线,相关构成并不复杂。能够经过中央单元发送脉冲开始运行。在数据转换期间, 转换过程可以随时中断。这种方法耗时更少,效率更高。 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。 21 4.2 电气系统的基本组成 4.2.1 单片机 我们选择的是 8031 单片机,单片机另一个名字叫做单片微控制器,它是集成在 芯片中的计算机系统。其有着一系列的优势,比如说体积较小,重量适宜,成本较低 等等。因为系统仅仅能够执行简单的操作,所以使用 8031 进行检查就能够满足需要 了。把 80C31CPU 当做核心的 单片机系统,其中心单元经过控制系统输入的接口连接 到驱动电机促使电动机运行,接口器件在控制系统中占据很关键的位置。此次的实验 台应该选用 8255 并行接口芯片成为接口电路,控制显示器和键盘 【8】 。 4.2.2 地址锁存器 为了防止 8031 内存地址不达到系统的规定要求,使用了 74LS343 地址锁存器进 行扩大。74 S373 是高电平触发通道,包括 8 个输入端从 D1 到 D8, 8 个输端从 Q1 到 Q8。在三态端子 OE 是有效低电平时,74LS373 端子 G 能够依据换能器的端子,促进 能量端子 G 成为有效高压电平同时使得输出会随着输入改变出现改变 ;当 G 为 1 的时 候,锁 存 器 一般处于透明的工作状况,就是指其输出状况会随着数据发生变化。假如 G 端自 1 转移至 0 的时候,数据被锁定,而输出端 Qi 不再继续作为输入的函数发生 变化,同时锁定前的值保持相同。终端 G(或 STB)能够直接连接到单片机锁定控制信 号的 ALE 终端,地址锁定在 ALE 终端 【 8】 的下边缘。 4.2.3 程序存储 因为 8031 芯片自身不具备内部程序存储器,因此在实践过程中大多需要扩展外 围内存来进行储存程序和数据。 程序存储器一般情况下为单读存储器,之所以选取其是由于其在断电后依旧可以 进行程序的保存,一旦系统重新通电,处理器就可以再次发出这些指令并执行它们。 该系统使用 8K8 的 EPROM2764 芯片当做程序内存。对于通过 PO 门发送的低 8 位 地址,该地址位于由 alle 信号的下边缘控制的锁存器之中。高 5 位的供给方为 P2.0P2.4。我们可以选择 74LS373 锁存器,因为它的控制端可以与 ALE 进行直接连 接,然后程序内存通信号 PSE 控制 eprom2764 的输出允许 OE 终端。 数据存储方面,常常是由 RAM 芯片所构成,RAM 芯片在关闭后不在保存所有已 经存储的数据。SRAM 大多应用于工业现场的测量和控制系统。因此,本系统采用 74LS373 作为地址锁定系统。 与此同时,系统的片选信号会在三八译码器 74LS138 中产生,同时与各个芯片 22 的片选端相连 【8】 。 4.2.4 数据存储 8031 单片机中的 RAM 为 128 个字节,考虑到其容量相对不足,所以此单片机需 要拓展一片 8K 字节静态 RAM6264【8】 。 图 4.1 数据存储器扩展 4.2.5 并行接口 8255 并行接口最基本的特征就是可以把信息以多数据线上的数据字节为单位传输到 I / O 设备或是被控对象。如图 4-2 系统中采用 8255 实现自动操作和显示。 8255A 是 INTEL 公司开发的具有 40 针双列大规模集成电路的可编程并行接口器件。 安装+ 5V 电源,输入及输出电平均可做到与 TTL 形成兼容。 23 D01234D567WRCSVC ILEVrefRbIout12XFER WDGNAC08-+ -+ 磁 粉 制 动 器 a bcd efg h1 11 270 X45.1k X474LS06 7.5K 15K 15K 0.1 F 5V 11111A1 A2 P0.1230.4P567ALEP2.7 P2.6 25P2.0132.4PSEN RD W VCRESTVXATL12P1.7 6541.3P20/P 1D23456D78GN OE1Q23456Q78 A01234A567D12345D678A89102OEVC E VC EOE WA89102D12345D678A01234A567GNDPM GND D12345D678VCADBCSTRALEOIN01 D12345D678CS VS CRETWRDALEPC43210PB 1 PB2 3803 LS 2 A089 825 74LS138Y02GND2BA1CVC V C(+)-V(+)C-12121Q23 5V 5 5 5V 5V R32K R10KR21K C 1230PF6MHZ20FC IN212V(-)C+TXDR R1INTOUT 380VMAX 23 M变频器 R1OUTTINVs PA43210 a bcd efg h11111 PA765 111abcdefgh 图 4.4 控制数显和键盘原理图 4.2.6 磁感制动器 磁感制动器在自动控制元件行列性能表现桌为突出。磁粉是它的工作媒介,激磁 电流是它的控制手段,可以轻松做到传递转矩或是控制制动的操作目的。 型号 额定转矩 (N.m) 激磁电流 (A) 允许滑差功率 (KW) 重量 (kg) FZ.40 100 1 8 45 4.2.7 变频器 变频器是比较特殊的电能控制装置,它的工作原理是利用功率半导体器件的开关 功能把工频电源转换成为另一个频率。 型号 适配电机容量 (KW) 额定输出电 流(A) 结构型式 冷却方式 备注 HF-G7-4R0T3 4.0 9 B4 风冷 三相 4.2.8 扭矩传感器 使用 CWA-80 速度传感器。 技术指标: 测量范围:0500gcm5Nm 输出信号:方波频率 原点输出:10KHz; 24 正向满量程:15KHz ; 反向满量程:5KHz ; 测量精度: 0.5F.S(非线性、滞后、重复性) 稳定性:0.5F.S 温度影响:0.5F.S/10 供电电源: 15VDC 频率响应:100is 输出电平 TTL,负载电流 100Ma 相对湿度: 85HR 相对环境的温度:-2050 过载能力:120% 外壳的保护等级:IP68 位置条件:任意位置 4.2.9 温度传感器 CW-100 液体温度传感器 【10】 技术特性: 电压电源(VDC) 5 温度范围() -2.575 0输出(MV) 1000 5% 灵敏度(MV/ ) 10 4.3 电气系统的设计 电机启动,通过控制磁粉制动器控制负载的大小,观察两轴的转矩转速,和油箱 的温度。显示并记录测量值。 25 D01234D567WRCSVC ILErefRbIout12XFE DGNA08-+-+磁 粉 制 动 器 a bcdefgh1 11 270 X45.1k 474LS067.5K 15K 0.1 F 5V 11A1 A2 P0.1230.4P567ALEP2.7 6 25P2.0132.4PSEN RDWVCRESTVXT12P1.765 41.3P20/P 1D23456D78GN OEQQA01234A567DD8A9102OEVC EVC EOE WA89102D12345D67A0AGNDPMGNDD12345D678VCABDCSTRLEOIN01 D12345D678CS VCRETWRDALEPC43 210PB 38LS 209 2 74LS138Y02GND2BACVC V C(+)-V(+)C-221Q23 5V 5 5 5V 5V R32K R10K21K C1 230PF6MHZ20F IN21V(-)C+TX R1INTOU380VMAX 23M变频器R1OUTINVs 432A10 a bcdefgh11 P765 1abcdefgh 图 4.5 电气原理图 4.4 程序设计 在本系统中编写一定的程序,便可以控制该齿轮综合试验台的运作,因为编程是 该系统能否正常运作的重要条件之一,因此程序的设计就显得尤为重要。 4.4.1 软件完成的主要内容 上述系统以汇编语言为基础。相较于二进制代码而言,其更有利于编写程序,因 为用于编写程序的助记符在固定范围里使编程过程更为简洁。其可以通过符号来代替 机器指令代码,同时确保助记符和指令大体上基本相同,使其灵活性得到保障。选取 具备良好操作特点的面向机器的汇编语言可以获得更好的程序质量 【18】 。 4.4.2 程序设计技术 该系统是用汇编语言进行编写的。汇编语言比机器语言的二进制代码更容易编程, 因为用于编写程序的助记符在固定范围里使编程过程更为简洁。其可以通过符号来代 替机器指令代码,同时确保助记符和指令大体上基本相同,使其灵活性得到保障。选 取具备良好操作特点的面向机器的汇编语言可以获得更好的程序质量。 26 4.4.3 程序设计说明 A/D 转换启动子程序 【18】 ADSTAR:PUSH A MOV RO,#40H MOV R1,#40H MOV R2,#00H SETB EA SETB IN1 MOV DPTR,#0BFFH MOV A,R2 MOVX DPTR,A SETB EX1 POP A RE A/D 转换结束中断处理子程序 ADINT1:PUSH PSW PUSH A PUSH DAP PUSH DPL MOV DPTR,#0BFFFH MOVX A,DPTR MOV R0,A INC R0 INC R2 MOV A,R2 MOV DPTR,A DJNZ R1,WAIT CLR EX1 WAIT: POP DPL POP DPL POP A POP PSW RET1 27 结 论 此次设计的齿轮性能综合实验台,从开题到计算、绘图直到完成设计。由于从前 对齿轮性能综合实验台技术没有进行过系统学习,而且属于近年来新兴的工业,所以 我只能通过查阅各类关于模具设计方面的资料、手册,和朱绚曼老师的指导,与同学 交流,反复修改图纸,从中吸取知识和经验。 通过本次毕业设计,对我的专业知识储备和能力的提升有着不可或缺的作用,是 对我大学期间所学知识的一次系统性巩固。 本次毕业设计同时让我了解到即便已经临近毕业,带着四年的学识,但是以后的 路依旧很长很艰辛,更要做好知识的容纳和概括。我会更加努力的让自己成为一个对 社会有贡献的人,为中国的机械行业贡献自己微薄的力量。 本次设计的图纸工作,使用的 AUTOCAD 及 UG 等软件完成。把计算机绘图应 28 用到机械设计方面,大大提高了工作效率,使我的机械绘图及软件的应用能力又有了 很大的提高。 设计中难免会出现一些差错,望各位老师给予批评指正。 29 参考文献 1朱喜林,张代治.机电一体化设计M.北京,科学出版社,2004,8. 2孙桓等.机械原理 M.高等教育出版社, 2006,7. 3高春甫.机电控制系统设计M.吉林大学,2003. 4黄仕君.AutoCAD 2008 实用教程M.北京邮电大学出版社,2008. 5濮良贵.机械设计 M.高等教育出版社, 2006. 6曹天汉.单片机原理与接口技术M.北京:电子出版社,2003,8. 7关慧珍.机械制造装备设计M .械工业出版社,2011. 8张毅刚.单片机应用设计M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1990. 9冯博琴.微型计算机原理与接口技术M.北京:清华大学出版社,2002. 10GB/T 161591996,单片机器件应用手册 S.北京:人民邮电出版社,1995. 11 徐灏.机械设计手册 M.机械工业出版社 1991 版. 12于骏一.机械制造技术基础M.机械工业出版社,2011,1. 13IF TOMM International Micromechanism Symposium.Tokyo Institute of Thechnology.to-kyo.June 1-3,1993. 14Robert J.Schilling.Fundamentals of Robertics-Analysis and Control,New Jersey:Prentice Hall,1990. 15刘朝儒等主编:机械制图M .高等教育出版社,2001 . 16B.D.Choat.Jips,Tools and Fixtures Design.The Institution of Production Engineers.1973. 17张远明.工程材料 M.高等教育出版社,2006. 18朱晓春.数控技术 M.机械工业出版社,2011. 30 致 谢 在整个设计过程中,我本着实事求是的原则,抱着科学、严谨的态度,主要按照 课本的步骤和老师的指导下,到图书馆查阅资料,在网上搜索一些相关的资料和相关 产品信息。这一次设计是大学四年来最系统、最完整的一次设计,也是最难的一次。 在设计的时候不停的计算、比较、修改,再比较、再修改,付出了一定的心血和汗水, 在期间也遇到不少的困难和挫折,幸好有老师的指导和帮助,才能够顺利的完成了设 计。 通过近四个月的毕业设计,使我们充分的掌握了一般的设计方法和步骤,不仅是 对所学知识的一个巩固,也从中得到新的启发和感受,同时也提高了自己运用理论知 识解决实际问题的能力,而且比较系统的理解了齿轮实验台设计的整个过程。 在本次设计中由于时间仓促加之本人的能力有限对本设计的一些缺点和不足还望 老师和专家谅解。希望各位老师专家提出宝贵意见,以便在今后的工作和学习中加以 改进,使整个设计方案更趋于合理和完善。 在论文完成之际,我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写 论文的过程中,朱绚曼老师倾注了大量的心血和汗水,无论是在论文的选题、构思和 资料的收集方面,还是在论文的研究方法以及成文定稿方面,都对我进行了悉心细致 的教诲和无私的帮助。 在论文的写作过程中,也得到了许多同学的宝贵建议,在此一并致以诚挚的谢意。 关心、支持、帮助过我的良师益友。 31
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