小型飞机水平尾翼系统设计含4张CAD图.zip
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设计任务书XXX 学院 XXX 专业 XXXX 届 题 目小型飞机水平尾翼系统设计专业班级学生姓名指导老师任务书下发日期设计截止日期毕业设计(论文)的主要内容:本题目来源于教师自选题目,小型飞机水平尾翼系统设计是应用专业知识完成小型飞机水平尾翼控制系统和机械系统的设计。通过该研究,使学生在此系统总体方案设计、机械结构设计、电控系统设计、编写技术文件、查阅文献和设计软件应用能力方面受到一次综合训练,达到巩固和综合运用所学知识,掌握正确设计思想与方法,培养学生的工程应用能力。本文设计开发了一种小型飞机水平尾翼的控制系统。该系统通过位于驾驶舱的操纵机构来作为输入,通过旋转编码器检测角度信号,利用单片机作为控制元件来控制步进电机的运动,从而实现尾翼正负方向的旋转运动。本系统是比较典型的机电一体化系统。毕业设计(论文)的主要要求:设计完成:(1)总体方案设计;(2)机械总装配设计、零件详细结构设计;(3)控制部分选型及设计 设计原始文件:(1)小型飞机水平尾翼试验系统中操纵机构示意图,见附图1。(2)小型飞机水平尾翼试验系统尾翼部分齿轮传动系统示意图采,见附图2。设计要求:(1)系统用步进电动机作为驱动执行元件;(2)由单片机或可编程序控制器组成控制系统;(3)尾翼运动过程中不能有冲击、振动现象;(4)尾翼可稳定在任意位置;(5)尾翼倾角应能实时显示;(6)尾翼倾角误差2。设备总装配图(计算机出图);设备所有零件图(计算机出图);手绘图A1张;设计图纸数量不少于3.5张A0 图纸;设计说明书不少于1.5万字,正文页数不少于30页;译文与开题报告不少于3000字。主要参考文献:1 朱喜林主编.机电一体化设计基础M.北京:科学出版社,2004.2 高春甫等编著.机电控制系统设计M.长春,吉林大学出版社,2003.3 邓星钟主编.机电传动控制M.武汉:华中科技出版社,2001.4 顾冠群,万德均主编.机电一体化设计手册M.南京:江苏科学技术出版社,1996.5 房小翠主编.单片微型计算机与机电接口技术M.北京:国防工业出版社,2002.任务书编制教师(签章): 年 月 日教研室审核意见:教研室主任(签章): 年 月 日学院审核意见:学院院长(签章): 年 月 日备注注:任务书中的数据、图表及其他文字说明可作为附件附在任务书后面,并在主要要求中标明:“见附件”附图1图1 操纵机构示意图附图2图2 尾翼部分齿轮传动系统示意图指导教师资格及题目审批表指导教师姓名所在单位指导教师职称所学专业设计(论文)题目小型飞机水平尾翼系统设计题 目 类 型设计题 目来 源科 研实验室建设论文工程生产自 拟题目真实性程度真实题目新旧新题难度等级难一般模拟旧题较难设计(论文)地点校内设计(论文)时间自 3 月 11 日至 6 月 15 日校外题目概要(设计(论文)的目的、可行性、技术路线等):随着社会的不断进步,飞机的种类、性能和用途也随之不断发展。飞机在做为一种交通工具的同时,人们也希望它能成为生活娱乐的一份子。现在人们已经着手设计一种适合人们娱乐的小型飞机,丰富人们的业余生活,减轻人们在现代社会中的压力。所以我们现在尝试设计适合该小型飞机的水平尾翼控制系统。该系统是设计通过步进电机或者电液伺服系统来代替机械式控制系统,从而实现飞机起飞、降落、左转弯或右转弯时对水平尾翼的控制。该设计能减轻飞机操作人员的体力消耗,并且能比较精确的控制飞机尾翼的运动,使人们对飞机的操控变得准确简单。从本世纪初飞机发明以来,人们的生活发生了很大的变化,飞机给我们带了来无与伦比的快节奏和高效率,所以本课题具有很强的现实意义。课题以机械结构设计知识为主,结合自动控制等方面的知识,所涉及到的知识较全面,参考资料较为完备,有利于学生了解生产的实际情况,适合作为本科毕业设计课题。技术路线:(1)设计准备,搜集资料;(2)小型飞机水平尾翼系统总体方案布置设计;(3)小型飞机水平尾翼控制系统进行设计。教研室意见:教研室主任签字:年 月 日学院(系)审查意见:院长(系主任)签字:年 月 日 备注:1.此表由拟担任毕业设计(论文)指导工作的教师填写,每个题目填报一张表,一式两份;2.部分分项填写时,只在对应项内打“”即可; 3.表中真实题目是指在学校、生产、科研及其它单位实际立项的课题; 4.指导教师如果是外聘,应在所在单位栏中加注(外聘)字样; 5.在毕业设计(论文)工作开始前,各院(系)将此表汇总,报教务处备案。小型飞机水平尾翼系统设计 THE DESIGN OF SMALL AIRCRAFT HORIZONTAL TAIL SYSTEM摘 要本文所讲述的小型飞机水平尾翼系统是控制小型飞机飞行和保障飞机安全的重要组成部分。主要设计工作包括以下几方面:1确定总体设计方案,调研国内外飞机水平尾翼系统的发展现状,根据设计要求,来设计方案。2完成机械结构的设计,主要包括轴的计算、齿轮的计算、电动机的选型和计算。3完成控制系统的设计,主要包括控制系统硬件电路设计、单片机及程序选择等。本设计充分考虑了空气受力、气动效率、推进力、操纵性能与控制能力等方面因素的影响,最终完成了毕业设计。关键词:飞机尾翼系统、控制、效率;AbstractThe small aircraft horizontal tail system described in this paper is an important part of controlling small aircraft flight and ensuring aircraft safety. The main design work includes the following aspects:1. Determine the overall design plan, investigate the development status of aircraft horizontal tail system at home and abroad, and design according to design requirements.2. The design of the mechanical structure is completed, including the calculation of the shaft, the calculation of the gear, the selection and calculation of the motor.3. Complete the design of the control system, including control system hardware circuit design, microcontroller and program selection.The design fully considers the influence of air force, aerodynamic efficiency, propulsion, handling performance and control ability, and finally completes the graduation design.Keywords: aircraft tail system, control, efficiency;目 录第1章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外的研究状况11.3 课题任务11.4 本设计的主要研究内容和要求11.4.1 主要研究内容11.4.2 设计参数及要求1第2章 系统总体方案42.1 系统的工作要求42.2 试验系统构成和控制原理6第3章 机械结构设计103.1 轴的计算103.2 齿轮计算113.3 步进电机的选型和计算143.3.1 步进电机先容143.3.2 步进电机的特点153.3.3 步进电机的选择153.3.4 步进电机的控制163.3.5 步进电机应用中的注意点18第4章 控制系统设计194.1 小型飞机水平尾翼控制系统的组成194.2 控制系统硬件电路设计194.3 MCS-51单片机引脚描述和片外总线结构194.4 MCS-51系列单片机系统扩展244.4.1程序存储器扩展电路244.4.2 静态数据存储器扩展254.4.3 地址锁存器274.5 8155可编程并行I/O扩展接口284.5.1 8155芯片介绍284.5.2 8051单片机和8155的接口304.6 由8155构成的键盘、显示器接口电路314.7 光电旋转编码器314.8 程序设计324.8.1 程序设计技术324.8.2 程序设计说明34第5章 设计总结36致 谢37参考文献3740第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义 从本世纪初飞机发明以来,人们的生活发生了很大的变化,飞机给我们带了来无与伦比的快节奏和高效率。随着社会的不断进步,飞机的种类、性能和用途也随之不断发展。飞机在做为一种交通工具的同时,人们也希望它能成为生活娱乐的一份子。现在人们已经着手设计一种适合人们娱乐的小型飞机,丰富人们的业余生活,减轻人们在现代社会中的压力。所以我们现在尝试设计适合该小型飞机的水平尾翼控制系统。该系统是设计通过步进电机或者电液伺服系统来代替机械式控制系统,从而实现飞机起飞、降落、左转弯或右转弯时对水平尾翼的控制。该设计能减轻飞机操作人员的体力消耗,并且能比较精确的控制飞机尾翼的运动,使人们对飞机的操控变得准确简单。飞行控制系统在现代的飞机中的主要作用,总结看来有两点:最终使飞机能够自动控制;提高飞机的性能。1.2 国内外的研究状况21世纪初,美国莱特兄弟使全球飞机发展实现历史性跨越。当时大部分觉得,飞机靠自身动力飞行纯粹是无稽之谈,但莱特兄弟却不以为然。1900年到1902年间,在1000多次尝试后,他们在1903年创造了全球第一架靠自身动力飞行的载人飞机,将其命名为“飞行者”1号。最终,试飞告捷。同一年,莱特兄弟还建立了“莱特飞机公司”。这也标志着人类在飞机领域取得重大进展。一定程度上来说,飞机的出现改变了人类20世纪的历史。在飞机出现不久,便被应用到军事领域,范围包括:运输、侦察等任务。飞机还广泛用于民用领域,已成为今天世界至关重要的交通工具。飞机出现后,航空运输业也取得重大进展。物资运输更加简便,人们不再对当地现有资源过分依赖。很多不宜长久运输的牲畜和很难时间保存的各种食品,也能够通过飞机而跨越国界,使世界各地的人们共同享用。100年的发展后,相比于最初莱特兄弟制造的飞机,今天的飞机在形状、作用等出现显著变化。它运用了多种诸如机械、动力学、计算机等多科技领域多方面的技术,使飞行速度超过了音速,从而使飞机很多方面的性能得到了改善。而用于娱乐的小型飞机的设计和开发正处于起步阶段,国内外的研究人员在此种飞机的设计上也还是处在不断学习的过程中。当然,研究的成果也是比较明显的。例如,在小型飞机操控性能的研究上,已经使其变得比一般飞机的操控更加简单和方便,大众对操作过程的掌握上也更加容易。这为小型飞机用于娱乐提供了较好的条件。当然,研究的过程中还存在很多的不足,如:如何使飞机在较低的飞行速度和高度下保证有足够高的灵敏度和安全性;在遇到特殊情况下非专业飞行员在操作失误时,如何控制飞机的飞行等等。这些还等着我们去研究,去完善。1.3 课题任务 本课题要研制出针对飞机尾翼动作的自动控制系统,包括手柄,执行机构和控制器。 具体要求如下:1) 要求系统用步进电机作为执行元件;2) 由单片机或可编程控制器组成控制系统;3) 尾翼运动过程中不能有冲击振动现象;4) 尾翼可稳定在任意位置;5) 尾翼倾角应能实时显示;6) 尾翼倾角误差1.4 本设计的主要研究内容和要求1.4.1 主要研究内容对于这些任务,查询国内外文献记录,广泛调研后,主要的研究内容如下:1.制定总体方案设计部分有:驱动、机械、信号机检测系统及其它部分设计。2.设计机械结构主要包括操纵机构、尾翼齿轮传动系统等。3.电气系统设计其中包括单片机及扩展芯片系统设计。4.总结其中包括设计小结、体会等。1.4.2 设计参数及要求(1)要求:实现对尾翼转角的控制。(2)参数:最大转角:(左右尾翼)运动形式:左右尾翼分开运动驱动方式:步进电机尺 寸:340x380x645实现单片机控制操纵(3)工作任务:设计机械系统:CAD绘图,A03设计电气系统:CAD绘图,A01(电气原理图)系统软件:100句以上说明书:20000字外文翻译:5000汉字查阅有关资料:15篇以上(4) 工作计划1、第1周第4周:(1)调研,收集有关资料;(2)整理和筛选有关资料;(3)消化理解设计中涉及到的知识;(4)翻译5000字;(5)开题报告。2、第5周第16周:(1)第五周十周:完成草图;:机械系统设计(完成机械系统装配图1张,CAD绘图,AO图纸);:电器系统设计:a:硬件设计(电气原理图一张,AO图纸) b:软件编程(2)第11周第13周:完成CAD绘图和设计说明书;(3)第1四周第15周:出图、打印说明书、准备答辩。第2章 系统总体方案2.1 系统的工作要求飞机的种类、形状和用途千差万别,但任何一架飞机都有六个基本特征:1提供足够的升力;2具有较高的气动效率(升阻比);3产生足够的推进力;4具有良好的稳定特征;5具有满意的操纵与控制能力;6具有满意的全机受力受热特性。飞机是否稳定必须按三个相互垂直的轴来考虑,这三个轴都通过飞机重心。纵轴指的是从机头到机身的轴;横轴指的是与纵轴垂直并经过重心的轴;通过重心直上直下的轴叫主轴。机绕水平轴的运动称为俯仰运动(即头部和弓形);围绕主轴的运动称为偏航运动;围绕垂直轴的运动称为翻滚运动。有些围绕飞机的问题也由此出现,如:如何保证控制横向、纵向和方向稳定。俯仰稳定是纵向稳定的别名,来衡量飞机围绕横轴的稳定性。干扰纵向稳定的一个重要原因是迎角变化。飞机稳定飞行时,如有一个小的外力影响,如忽然的一阵风,增大或减小迎角,飞机便会抬头或低头,围绕横轴上下摇动。外力失效后,飞行员依靠飞机气动面产生的一个力矩而不操纵飞机,使它回到先前的平衡状态,这架飞机便是纵向稳定的。若飞机不能自动回到平衡状态,就称为纵向不稳定。干扰飞机的纵向稳定的原因很多,水平尾翼和重心位置是主要因素。进行设计工作时,计算和明确重心位置是首要工作,发动机安装位置,油箱位置和大型载荷位置都要统筹考虑。水平尾翼是确保飞机纵向稳定的基本要求。水平尾翼和机翼类似,也会造成额外升力,但其主要功能是使稳定并使飞机纵向力矩平衡,故又叫做水平安定面。由于离重心较远,水平尾翼总体面积不大,所造成的升力很小,但产生的力矩很大。水平尾翼对飞机纵向稳定的作用原理如下:首先假定飞机处于水平平衡飞行状态,一股风从下吹向机头,把机头抬了起来。此刻,机翼迎角变大,与此同时,尾翼的迎角也变大。一定的范围中,迎角变大,升力也变大,所以尾翼会产生一个升力,方向向上。因为此力会造成与抬起机头力矩相反的力矩,按下机头。飞机会很快回到之前的水平飞行状态,尽管在此过程中会经历短暂的上下摇摆。类似地,若阵风在上方吹向机头,按下机头,从而会减小机翼和尾翼的迎角。由于机翼的安装角小,迎角减小的结果是它呈负迎角状态,从而产生的气动力方向朝下,也就是负升力。在这里会产生抬头力矩,抬高机头,经历短时间的摆动,飞机将回到先前的水平飞行状态。方向稳定也叫做航向稳定,也就是飞机围绕垂直主轴的稳定状态。飞行时,飞机要维持原有航向,若存在一些影响使飞机离开了原有航向,这时就会产生一个偏航角。具备稳定方向性能的飞机可在干扰消失后,回到原有航向上飞行,不然,飞机的方向不稳定。横向稳定指围绕纵轴的稳定情况,又叫做滚动稳定。机翼的上反角、下反角和后掠角用于确保横向稳定。上反角是指飞机左右两个翼面的翼梢较高,呈现V字形的角度。下反角正好相反,翼梢较低。上反角的作用是保持横向稳定,下反角却会破坏侧向稳定。飞机除了能作稳定飞行,并能通过空气动力学保证稳定飞行之外,控制性也要稳定。若飞机不平稳,尽管飞起不易,但还能飞起来,然而,若飞机不能操纵,就完全不能飞。有时,设计飞机故意让它具有一定的不稳定性,目的是提高它的机动性,要保证这一点,对操纵系统的要求就更高了。由此可见,操纵对于飞机来说是何等重要了。一架飞机的操作性好指的是飞行员只要用很小的力,就可以使飞机对舵面的偏转迅速作出反应,改变飞行状态。但飞行的操作机构和气动操纵面并不是越灵敏越好。若太灵敏,飞行员便由于每时每刻要留心飞机的实时控制情况,从而飞行员无暇兼顾其它工作。飞机操纵与飞机稳定性也紧密联系,具体要求却总相互矛盾。稳定性良好,操纵性可能灵敏度不够;操纵性很好,稳定性又不尽人意。因此,要具体情况具体分析,合理安排实际需要,协调使综合性能与稳定性均能满足要求。通常,战斗机的操纵性应该很灵敏,稳定性差一点问题不大。而民航机强调的是安全,稳定性要求应该高一些,操纵特性可以稍差一点。另外,操纵飞机还与机动性联系。机动性,是说飞机在一段时间内飞行时所表现的性能如:改变飞行速度、高度和方向。表现机动性的指标包括:转弯半径、加速性能、大迎角飞行能力、爬升率、盘旋角速度等。而对战斗机来说。机动性高于对手是取胜的关键因素之一。飞机操纵的灵敏性,很大程度上决定了机动性的情况。由于驾驶该种小型飞机是面向广大普通民众的一种娱乐项目,因此它因该具有良好的操控性能和安全性能。因而,在对飞机方向的控制,也就是对飞机尾翼的控制因该简单方便,应在驾驶杆和尾翼之间加设传感器和传动机构,这也是我们此次设计的重点。在驾驶杆的横向和纵向各设有一个三角位移传感器。在这两个方向上,驾驶杆转过的角度和位移将由传感器收到,再把其转变为数字信号传给传动机构。我们所采用的传动机构为伺服步进电机传动机构,在接受到来自于传感器的信号,传动机构能控制尾翼做相应的动作。2.2 试验系统构成和控制原理完全系统的组成部分包括:操纵系统、步进电机控制系统、信号检测系统、信号处理系统、尾翼齿轮传动系统组成。飞行员借助十字轴操纵手柄来操纵飞机,通过角度传感器来检测信号,并将信号传给信号处理系统,再将信号传递给步进电机,由步进电机带动齿轮传动系统,进而带动水平尾翼轴来控制水平尾翼的动作,水平尾翼轴上的传感器将检测到的信号反馈给信号处理器,形成一个反馈控制,相对精确地对水平尾翼进行控制。1操纵系统十字操纵杆有四个方向的运动,即前、后、左、右偏转。尾翼的上下偏转由操纵杆的前后运动实现;左右两尾翼的一上一下偏转由操纵杆的左右运动实现。而飞机平稳飞行时,机翼和尾翼确保空气动力和飞机重力的力矩平衡。如果驾驶员把操纵杆向前推,传感器接将收到信号并将信号传给传动机构,传动机构便使尾翼向下偏转,产生的空气动力和力矩破坏了先前的平衡状态。气流吹着尾翼,造成了一个力,方向向上,飞机中心后面是其作用面,进而造成了一个力矩,抬起机尾。该力矩按下机头,飞机从而降落。前推与后拉操纵杆与控制尾翼相似,将使飞机抬头和升起。驾驶员通过操纵杆左右偏转来实现飞机的方向偏转。假设向左推动操纵杆,操纵杆的偏转角度和位移传给传感器,并将作为输入信号传给步进伺服电机传动机构,左尾翼在此作用后向上偏转,迎角变小,空气对左尾翼的作用下降,从而右尾翼向下偏转,迎角变大,故空气对右尾翼作用上升。由左右尾翼的压力差相对纵轴产生的力矩使飞机往左偏,飞机向左转。飞机向右偏转与向左偏转类似,即通过操纵杆向右动作与向左动作来实现。图2.1 操纵机构示意图1. 信号检测系统信号检测系统主要由角度测量仪等相关元器件组成,通过角度测量仪来测量。十字轴转动时将使所对应轴产生相应转角,再将此角信号转变成电信号。把电信号处理过后,由步进电机驱动电路来对步进电机的运动进行控制,由此带动齿轮对水平尾翼进行控制。安装角度测量仪在水平尾翼的转动轴处从而便于检测尾翼的转角,把该信号返回且判断角度是否符合所需要的精度,在飞机尾翼转角不够或过大时,检测出其差值,并依照差值来作出对应的动作来最终使转角符合要求。此外,该过程中还要不断地对水平尾翼的转角、判断、动作进行检测,直到满足要求为止。2. 信号处理系统该系统主要由单片机、地址锁存器、存储器、I/O口扩展芯片、步进电机驱动电路等组成。其主要任务是把在处理过后信号检测系统检测到的信号输出给步进电机。3. 步进电机控制系统功率放大器:分为前置放大和大功率驱动两方面,前者用来推动大功率器件装备,构成器件大多为射极跟随器、反相器等器件;后置放大都是大功率器件,是驱动电路中最关键的部分。脉冲频率的实现:输出一个控制字即等于发出一个步进脉冲,脉冲与脉冲之间要存在时间间隔,也就是脉冲周期,它反映了步进电机的步进频率,也就是速度。产生脉冲周期的方式很简单,主要有两种:运用程序循环延时和运用定时器中断。程序循环延时占用计算机机时较为严重,而且在计算机验时阶段将不能处理其他事务,此外,延时并不很精确,但实现简单,计算机的硬件资源不会被占用,主要用在CPU较空闲的场合;定时器中断可以精确定时,而且CPU运行时间不会被占用,但有的时候系统另外扩展定时器却是需要的。5尾翼齿轮传动系统 尾翼部分的动力主要由步进电机来提供,通过一级齿轮传动系统进行减速,来带动尾翼轴使其旋转,从而对整个尾翼的运动进行控制。齿轮传动系统的减速比为1:3,步进电机的步距角将会被减小3倍再传给尾翼轴。步进电机的步距角是1.8 ,经齿轮减速系统后减小为0.6 。所以此系统的精度相对而言是比较高的,并符合要求。图2.2 尾翼部分齿轮传动系统示意图第3章 机械结构设计在前面的论述中可以了解到,操纵杆的前推和后拉运动,实现对尾翼同时正转或反转一定角度,操纵杆的左右动作将使得左右尾翼在不同方向上进行一定角度的旋转。要使这些功能能够实现,必须对相应的元件进行计算和校核。在飞机飞行的过程中,对飞机方向控制主要由尾翼实现,因而承受较大的力,现对尾翼上的轴和齿轮进行校核。3.1 轴的计算飞机水平尾翼存在着可转动的部分,此部分叫做襟翼。相应地,小型飞机的襟翼也比较小。在进行计算时,襟翼可以被等效为一个矩形,长为300mm|宽为100mm。襟翼的边缘是襟翼的转轴所处位置。襟翼存在着转动范围,即和水平面所夹角是45。另外与此同时,小型飞机的飞行速度不高,最高速度500km/h,约为138.89m/s。当天气状况不理想时,出于安全考虑,此类型的小型飞机就不飞行,反过来看,飞行时的天气状况也良好。在计算过程中可以用极限情况来模拟计算,如果在极限情况下,飞机仍能安全飞行,那么飞机就是安全的。现以飞机飞行的最高速度来进行计算,同时假定襟翼与空气相对速度之间的夹角为90,而且把空气视为粒子,其速度为正,空气粒子在与襟翼撞击之后的速度变为零(实际上空气的速度仍然为正)。空气的密度=1.29g/L 。襟翼转轴主要受扭矩。现以冲量的计算方法来计算襟翼的受力,(转轴的材料为45钢,取30MPa)面积s=0.1x0.3=0.03v=500km/h138.89m/s Ft=mvF=mv/t=Vv/t=svv=1.290.03x138.89x138.89=746.54 N现假设力F作用于襟翼的离转轴最远的边缘距离为d=0.07m,则转矩 M=F d=746.54x0.07=52.258 Nm根据扭转强度条件设计轴的直径d由强度条件可知则故安装轴最低轴承处的轴径为20mm.。同样,襟翼前的传动轴的最小轴径为20mm,在传动比大于1时轴径更小。此次设计是按照传动比为1来设计传动轴的,因而传动轴的最小轴径为20mm。3.2 齿轮计算1)材料、热处理方式、精度、齿数选择根据设计要求,选材40MnB,选择表面淬火的热处理方式,使齿面硬度在4855HRC。尾翼齿轮传动载荷分布均匀性要求较高,选择精度为887。选小齿轮齿数=20,= i=602)按齿跟弯曲疲劳强度设计一般而言,弯曲强度决定闭式硬齿面齿轮的综合承载能力,故而设计时先根据弯曲强度,再来校核接触强度。 由式确定式中各项数值:由于载荷相对平稳,在使用系数K 表,查K =1,所以初选载荷系数K =2;所选用的电机转矩 =9.7N m=970N mm由式 ,计算端面重合度=1.68由式 =0.7参考齿系数表,选择=0.7依照应力修正系数图及外齿形系数图查得=2.8 =1.56=2.32 =1.7由式=8.63查表得 Y=0.88,Y=0.89选 S= 1.60按齿面硬度均值51HRC,查表得=450MPa =248MPa同理, =250 MPa =0.0176同理,=0.0161所以,取前者设计齿轮。设计齿轮模数:把已确定的数代入公式,求得: = =1.31mm修正: =0.82m/s查表得 则: K=KKKK =1.32m=m=1.31mm考虑到磨损,选用m=2mm的标准模数确定齿轮几何参数d=m Z=220=40mmd=m Z=260=120mma=80mmb=400.7=28mm 取=35,=30校核齿面接触疲劳强度 从弹性系数表可得Z=189.8依照节点区域系数图得到从接触强度重合度系数表得到依照接触强度寿命系数图得到=0.92由渗碳淬火钢和表面碳化(火焰或感应淬火)的图,按齿面硬度均值51HRc,在MQ和ML线之间查出=由最小安全系数参考值表查得.25 =746 =780取前者作为强度条件。将确定的各个数代入接触强度校核公式,得 =350 M Pa所以满足齿面接触疲劳强度。3.3 步进电机的选型和计算3.3.1 步进电机先容脉冲电机是步进电机的别称,能把输入信号转化成相对应直线或旋转增量运动,属于伺服时机。制造步进电机时,首先依照组合电磁铁理论设计,以电脉冲信号行使控制作用,转化信号为相应的直线或位移。脉冲通过专用电源转到定子各相控制绕组,按一定次序在气隙中产生脉冲磁场,和旋转磁场相像。脉冲信号决定电动机运动。3.3.2 步进电机的特点1)全数字化控制。利用数字脉冲信号进行控制作用,一个脉冲对应一个步距,也就是输入指令与输出指令都是数字化的,也即数模转换是不必要的,从而更便于连接计算机。2)步距角存在较大误差,但并不会积累误差。尽管步进电机的存在较大误差的步距角,但其位移量却由输入脉冲数决定,因而当不失步时,步进电机转一周时累积的误差为零,所以具有其精度较高。3)控制系统容易,低成本。除却功率放大电路,其余硬件电路均可用软件来灵活控制,并且电机结构简单,没有滑环和电刷,便于维修。4)方便调速。步进电机转速随控制脉冲频率的增大而增大,变化控制脉冲频率,电机转速便可被调节,范围较大,此外启动、反转、定位也很简便。5)分辨率固定。分辨率无法改变,因为步距角或运动增量已固定,主要应用领域是开环控制系统,但不利于向数字控制高度方向发展。6)分辨率低。这是步进电机的一个主要缺点,由于输入功率的一大部分转变成热能耗散,所以电机发热发烫严重。7)不适合大惯量负载。8)低速时易发生摇晃,所以要加附加阻尼。3.3.3 步进电机的选择(1)步进电动机的技术参数通过以上对所须转距的计算,加上控制系统对传动精度的要求,选用86HB2A118308型号反应式步进电动机。相关参数见表3-1。表3-1 电动机技术参数:相 数2相电阻1.2步距角1.8分配方式二相四拍相电感11.5mHV最大静转距9.7Nm静态相电流4A转动惯量2700g外型尺寸外 径80x80mm长 度80mm轴 径16mm重 量3.8kg3.3.4 步进电机的控制图3-2示意图为步进电机的控制,信号直线位移量s或角位移量随电脉冲数的增大而增大,其线速度v或转速n随脉冲频率f的增大而增大。分析步进电动机控制特性知,角位移量或直线位移量s、转速n或线速度v在额定负载范围内不会随着环境状况、负载、电源电压变化,故而在开环系统中很适合作执行元件,减少整个系统生产价格。用微电脑进行数字控制时,不用进行D/A转换,所以能把数字脉冲信号直接转变成角位移。使定子各绕组间没有互感,且定、转子使用凸极结构,不考虑空间磁场谐波影响,能提高定位转矩的幅值和定位精度,然后来考虑n的相关控制问题。现在,由于步进电动机功率得到大幅提高,传动齿轮力矩等放大装置可以考虑不使用,这样,机床运动视为由功率步进电动机驱动。与此同时,整个结构和系统得到简化,系统精度得到提高。光电隔离电路属于电动机驱动电路一部分。从脉冲分配器输出的信号将控制电动机的励磁绕组,该励磁绕组也被放大。由于电动机的驱动电压高,电流也很大。如果输出信号和电源直接连接。放大器会产生强电干扰。轻轻破坏计算机程序的运行,然后破坏接口电路和计算机。因此,通常在接口电路功率放大器之间增加隔离电路,通常使用光耦合器。该组合物是发光装置和光接收装置,输入端是连接到发光源的引线,输出端是连接到光接收元件的引线。通常,发光二极管是发光器件,光电晶体管是光接收器件。输入端接收输入信号时,LED将打开并发光。在光电晶体管曝光后,由于光敏效应产生光电流,输出来自输出端,从而实现电信号的传输,介质很轻。输入和输出是分开的。单电压电路是驱动电路所用的。如图32是基本电路示意图,经控制大功率开关TDE的通、断来控制绕组线圈,R为限流电阻。采用这种控制电路简单、方便,应用广泛。图3-3 步进电机单电压驱动电路3.3.5 步进电机应用中的注意点1、用在低速场合,即:转速不超过1000转/min,(0.9度时6666PPS),最好在1000-3000PPS(0.9度)间使用,在此区间使电机运行能够用减速机,这样电机便具备较高效率,噪音也不大。2、最好不要用全步状态,因为步进电机在全步状态下振动较大。3、12V仅是标称电压为12V的电机。另外,驱动电压伏特不是其他电动机的电压值。可以根据驱动器选择驱动电压(推荐:57BYG DC 24V-36V,86BYG DC 50V,110BYG超过DC 80V),当然除了12V恒压驱动外,12伏还可以使用其他驱动电源,但应考虑温升。4、使用具有大转动惯量的负载时,选择大框架电机。5、当速度较高或有大惯量负载时,电机应逐渐提速升频,一般来说,它不应以额定转速启动,这样电机不会失步,并且可以降低噪音,并且可以提高定位精度。6、为了获得高精度,必须通过机械减速来增加电机的速度,或者使用高细分驱动器。除了这个5相电机,它可以考虑,但价格更昂贵,并没有很多制造商。7、使用区间不包括振动区,果真需要的话,解决办法是:改变电流、电压或增加阻尼。8、当工作电压低于600PPS(0.9度)时,电机使用低电压,低电流和大电感。9、应先选择电机后择驱动。第4章 控制系统设计4.1 小型飞机水平尾翼控制系统的组成在此次设计中,要实现对水平尾翼的自动控制,需要设计一个控制系统,单片机是主控制元件。此系统的组成部分包括: 74LS373地址锁存器、8051单片机、6264静态数据存储器、2764程序存储器、8155可编程并行I/O口扩展芯片、74LS138译码器、旋转编码器等。4.2 控制系统硬件电路设计1、主控制器 CPU:中央处理单元2、总 线 包括地址BUS,控制BUS,数据BUS。 3、存 储 器 包括数据存储器和程序存储器及其扩展4、接 口 包括外部设备接口及其驱动电路4.3 MCS-51单片机引脚描述和片外总线结构单片机特性:(1)结构小、成本低,产品化容易,在组成智能测试和控制设备和仪器仪表时,较为方便。(2)可靠性高,可适用温度范围广。(3)扩展容易、较强的控制性能。(4)实现多机控制和分布式控制时方便。MCS-51单片机硬件结构存在的特点:1、内部程序存储器(ROM)和内部数据存储器(RAM)容量MCS-51F单片机内部ROM和内部RAM容量见4-1。表4-1 MCS-51单片机存储器容量2、外部程序存储器和外部数据存储器寻址空间MCS-51能在不受影响时处理64KB的外部数据存储器,程序存储器的内部和外部存储器空间是64KB。所以MCS-51外部程序存储器的最大寻址范围是64KB。3、输入/输出(I/O)口MCS-51 MCU中的I / O端口种类繁多,数量齐全,特别是在有全双工串行端口的情况下。串口由两条I / O线组成。能以编程来选择对四种工作模式进行选择。 MCS-51有32条I / O线。4、定时/计数器与寄存器区MCS-51子系列有2个16位定时/计数器,四种工作模式可由编程来实现。四个通用寄存器区在MCS-51的内部RAM中,含有32个通用寄存器,来实现多种中断或子程序嵌套。5、中断与堆栈MCS-51有5个中断源,分为两个优先级,每个中断源的优先级以及堆栈位置能够进行编程,堆栈深度128字节。6、指令系统与MCS-48相比,MCS-51还具有指令系统,但性能更强。主要方面是系统增加了减法,乘法,除法,比较,堆栈操作(即插入和弹出)和各种位。操作说明,在振荡器频率为12MHz时,大部分指令的执行时间为1s,少部分为2s,乘法和除法指令为4s。结合上面的描述可知,I / O线不计为用户I / O线。 除了8051/8057之外,用户使用的I / O线仅为P1端口,第二部分在使用第一个功能时用作P3端口。 图4-1显示了根据引脚功能分类的MCS-51微控制器的片外总线结构。见于4-1,除了电源,时钟,访问用户I / O端口和复位外,微控制器的其他引脚也设置为扩展系统。CS-51 MCU的片外三总线正是它们的组成部分。即:地址BUS(AB):宽是16位,故其外部存储器直接寻址是64K字节,P0口经地址锁存器为16位地址总线给低8位地址(A0A7);高8位地址(A8A15)由P2口直接提供。 数据BUS(DB):8位,P0口来给予。 控制BUS(CB):由4根独立控制线组成:RESET、 、ALE 、P3口的第二功能状态。单片机的择取:(1)比较不同的微控制器:首先选择合适的内存。单片机内部存在着两种存储器:一种是程序存储器,专门去储存用户程序和常数;另一种是数据存储器,用于存放数据。他们是绝对独立的,不同单片机有不同的存储器容量。一般来说,选的单片机其片内无程序存储器,靠片外扩展构成最小单片机系统。该系统能够灵活使用,方便改写程序。在选择单片机时还要留心接口能力、指令系统、寻址方式及功耗等问题。(2)相应开发系统必须具备。(3)选择市场上的主流产品。通过对以上单片机性能特点的综合考虑,此次设计中选用8051单片机, 80它是一种直插式元件,且是双列式,引脚四十个,32根引脚要4个并口中,可当作数据线、I/O线、地址线,此中,P3口还具备第二功能(用于中断和定时)。除此之外,还有其它引脚部分:6根控制引脚、2根电源引脚。每个引脚的功能解释和描述如下:(1)端口引脚P0.0P0.7、P1.0P1.7、P2.0P2.7、P3.0P3.7端口P0:双向端口,漏极开路为82位。当数据总线(当内部上拉电阻有效时)和8位地址访问外部存储器时,程序用作输出命令字节(需要外部上拉电阻),P0端口有8 LSTTL负载驱动能力。端口P1:带有上拉电阻的8位准双向端口。驱动四个LSTTL负载以驱动MOS输入,无需外部上拉电阻。P2端口:P2KOUS是一个8位准双向端口,带有上拉电阻。访问外部存储器时,其功能是具有高8位地址的输出端口。它能够驱动四个相同的负载。类似地,可以在没有外部上拉电阻的情况下驱动MOS输入。P3端口:P3端口是一个8位准双向端口,带有上拉电阻。它可以驱动4个LSTTL负载。类似地,可以在没有外部上拉电阻的情况下驱动MOS输入。此外,P3端口还负责MCS-51的所有特殊功能。(2)控制引脚和电源引脚RST / VPD,ALE / PROG,PSEN和EA / VPPREST / VPD:当振荡器工作时,该引脚产生高电平(低到高转换)。时间是两个机器周期,重置微控制器。在掉电期间,VCC可以连接到备用电源,而VPD则为内部RAM供电以保护内部RAM数据。ALE / PROG:允许地址锁存输出。当片外数据存储器工作时,ALE是地址锁存器,低8位,所以允许输出信号;当片外数据存储器没有运行时,由ALE输出频率引起的固定频率是振荡频率的1/6,可以应用于外部时钟或外部定时器。但在执行片外数据存取指令时会少一个ALE脉冲,而内置了EPROM的单片机,在写EPROM时则经ALE接收编程脉冲(PROG功能)。PSEN:输出端,读取片外程序存储器传递信号。当读取片外数据存储器中的指令时,PSEN的有效数在每个周期中为两次。而每次对片外数据存储器进行访问时, PSEN脉冲减少两个;PSEN在执行片内程序存储器的指令时没有效用。EA / VPP:当EA为高电平且PC值小于OFFFH(4K)时,片内程序存储器中的程序由CPU执行;当EA为低电平时,片外程序存储器中的程序由CPU执行。因为片上数据存储器8031不具有它,所以8031必须是EA连接到低电平。12V电源(VPP)的输入端在内置了EPROM的单片机对EPROM编程时,是本引脚。(3)外部振荡器引脚XTAL1和XTAL2XTAL1:内部振荡器反相放大器的输入。使用外部振荡器时,该引脚接地。XTAL2:内部时钟发生器和内部振荡器反相放大器的输入。当使用外部振荡源时,外部振荡信号连接到该引脚。(4)主电源引脚VSS和VCCVSS:接地端。VCC:正常运行过程中,接+5V电源。图4-2 8051管脚图4.4 MCS-51系列单片机系统扩展4.4.1程序存储器扩展电路8051内部存储器容量小,故需扩展存储器。UV擦除的电可编程只读存储器EPROM可用作MCS-51微控制器的外部程序存储器。本设计采用2764A(8Kx8)系列精细片剂。芯片有一个玻璃窗。当在紫外光下照射约20分钟时,存储器的信息变为1.此时,程序可以在芯片中固化程序。2764A是一款电可编程,UV擦除只读存储器,具有+ 5V单电源,8字节,75mA运行电源,35mA保持电流,250ns最大读出时间,28引脚直插式封装,双排。管脚图见4-3。 2764A各引脚的含义如下:A0-A12是13个地址线,可以通过8K字节寻址; O0-O7是数据输出线;它是芯片选择线;它是数据输出选通线;它是编程脉冲输入端;它是编程电源;它是主要的电源。4.4.2 静态数据存储器扩展其容量,在8031系统里,比较小,此外由于该存储器设计不用考虑刷新情况,因而简单的是与微处理器的接口。但相比于动态RAM,要消耗不小的功率,价格也不。该设计选静态RAM,选择芯片6264。6264管脚配置见于4-4。各引脚定义如下:A0A12:片内13位地址线;I/O0I/O7:双向数据线;:片选信号线;:读允许信号线;:写信号线。表4-2是6264操作方式。表4-2 6264的操作方式方式D0D7XHXX未选中(掉电)高阻XXLX未选中(掉电)高阻HLHH输出禁止高阻HLHL 读DOUTLLHH写DINLLHL写DIN4.4.3 地址锁存器鉴于MCS-51微处理器的P0口地址/数据BUS,故而当程序存储器扩展时,地址信号必须经地址锁存器与地址/数据BUS隔离。74LS373地址锁存器的管脚配置见图4-5 当74LS373的锁存控制端G用作地址锁存器和STB时,它可以直接连接到微控制器的ALE端子,地址锁存位置是ALE下降沿。还有些应用系统RAM和I/O容量较大,当芯片要的片选信号比可利用的地址线多,通常用全地址译码法。通常,地址译码器用74LS138,逻辑功能见表4-3。 C B A 1 0 00 0 01 1 1 1 1 1 1 01 0 00 0 11 1 1 1 1 1 0 11 0 00 1 01 1 1 1 1 0 1 11 0 00 1 11 1 1 1 0 1 1 11 0 01 0 01 1 1 0 1 1 1 11 0 01 0 11 1 0 1 1 1 1 11 0 01 1 01 0 1 1 1 1 1 11 0 01 1 10 1 1 1 1 1 1 1其他状态x x x1 1 1 1 1 1 1 1表4-3 74LS138功能表如果三根最高位地址线被译码器的输入端占据使用,片内地址线就只有13根地址线,所以每个8K字节空间要和8根输出线分别对应。6264是8K字节RAM,所以寻址要13根低位地址线(A0A12),经三八译码器后,外围芯片的片选线即为其它三根高位地址线A13A15。图上还有三根地址线,可使扩展三片8K字节RAM或三个外围接口电路。4.5 8155可编程并行I/O扩展接口4.5.1 8155芯片介绍8155芯片具有256字节的静态RAM,访问时间400ns;单+ 5V电源;两个8位,一个6位并行I / O端口,可编程,14位定时器/计数器;40引脚双列直插式封装。无需添加硬件逻辑,8155可以连接到MCS-51微控制器。由于8155具有RAM和I / O端口,因此它是MCS-51微控制器系统中最常用的外设接口芯片之一。两个8位并行I / O端
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