液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì),液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì),液壓式,轉(zhuǎn)向,實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),系統(tǒng),設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 1 緒論 1.1 課題研究的目的和意義 21世紀(jì)是汽車(chē)工業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代，汽車(chē)工業(yè)逐步成為許多國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。為了控制汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量，提高汽車(chē)品質(zhì)，勢(shì)必對(duì)其總成及零部件提出更高更嚴(yán)格的要求。 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)，液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中愈來(lái)愈多的采用電子器件。相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩大類(lèi)：電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS(electro-hydraulic power steering)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。 在現(xiàn)代汽車(chē)上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一，它也是決定汽車(chē)主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，如何設(shè)計(jì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性，使汽車(chē)具有良好的操縱性能，始終是各汽車(chē)廠(chǎng)家和科研機(jī)構(gòu)的重要課題。特別是在車(chē)輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車(chē)流密集化的今天，針對(duì)更多不同的駕駛?cè)巳?，汽?chē)的操縱性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。 由此應(yīng)運(yùn)而生的就是如何對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和控制，從而使轉(zhuǎn)向機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)化，更好地適合現(xiàn)代汽車(chē)以及工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。目前汽車(chē)工業(yè)，機(jī)械工業(yè)早已成為世界上各個(gè)國(guó)家關(guān)系到國(guó)際名聲的頭等大事。我國(guó)正處于社會(huì)主義的初級(jí)階段，尚屬于第三世界國(guó)家，發(fā)展中國(guó)家；無(wú)論在經(jīng)濟(jì)上還是科技上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家；尤其在機(jī)械工業(yè)上，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)械工業(yè)都已達(dá)到了很好的程度，中華民族的復(fù)興都在于此。 1.2 課題任務(wù) 設(shè)計(jì)并建立一個(gè)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)用于對(duì)液壓助力式轉(zhuǎn)向機(jī)總成和閥體總成進(jìn)行一般性能試驗(yàn)，從而得到轉(zhuǎn)向機(jī)的各個(gè)性能參數(shù)的準(zhǔn)確值，更好地設(shè)計(jì)或改進(jìn)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)，并使轉(zhuǎn)向機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)化，以適合當(dāng)代汽車(chē)工業(yè)和機(jī)械工業(yè)的發(fā)展要求。其中需要檢測(cè)的性能包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗(yàn)項(xiàng)目以及用戶(hù)提出的其它試驗(yàn)項(xiàng)目。 具體如下所示： （1） 轉(zhuǎn)向器總?cè)?shù)測(cè)定 （2） 空載轉(zhuǎn)動(dòng)力矩測(cè)定 （3） 輸出端自由行程測(cè)定 （4） 轉(zhuǎn)向力特性試驗(yàn) （5） 轉(zhuǎn)向靈敏度特性試驗(yàn) （6） 傳動(dòng)效率試驗(yàn) （7） 線(xiàn)角傳動(dòng)比試驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)型號(hào)有：捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號(hào)的小型汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)。 具體技術(shù)指標(biāo)要求如下： （1）輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng) 最大輸出負(fù)荷：6150—10000 N 要求勻速施加驅(qū)動(dòng)力（靜壓力），驅(qū)動(dòng)速度為：0.1 m/s 液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉(zhuǎn)向機(jī)輸出負(fù)荷的1/3 油箱容積（有效）：80 L （2）液壓助力系統(tǒng) 工作壓力：1.0-10 MPa 連續(xù)可調(diào)，程序設(shè)定，示值精度±1% 設(shè)定值 工作流量：1.0-8.0 L/min，連續(xù)可調(diào)（手動(dòng)）， 油箱容積（有效）：100 L （3）轉(zhuǎn)向器輸入輸出端 最大輸入轉(zhuǎn)矩：±5 Nm，示值精度 0.5% FS 最大輸入轉(zhuǎn)角：雙向無(wú)限，示值精度±0.05° 最大輸入轉(zhuǎn)速：20—30 r/min 輸出端最大加載力：±6150—10000 N，示值精度 0.5% FS 輸出端要求勻速施加驅(qū)動(dòng)力（靜壓力），驅(qū)動(dòng)速度為：0.1m/s 最大輸出位移：±100mm，示值精度 0.5%FS。 1.3 本說(shuō)明書(shū)的主要研究?jī)?nèi)容 根據(jù)以上所敘述的課題研究的任務(wù)，本文在查閱大量的國(guó)內(nèi)外資料和類(lèi)似實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)研究。 系統(tǒng)總體方案的制定： 其中包括機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電動(dòng)輸入系統(tǒng)、電氣檢測(cè)系統(tǒng)及其它部分設(shè)計(jì)的制定。 （1） 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 其中包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架、油箱，所使用的卡具設(shè)計(jì)等。 （2） 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 其中包括助力液壓系統(tǒng)和輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。 （3） 電動(dòng)輸入系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 其中包括電機(jī)、減速器、相應(yīng)的傳感器件的選擇和計(jì)算。 （4） 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 其中包括單片機(jī)及擴(kuò)展芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 （5） 總結(jié) 其中包括設(shè)計(jì)小結(jié)、體會(huì)等。 43 2 系統(tǒng)總體方案 本次設(shè)計(jì)所研究的系統(tǒng)可以對(duì)小型汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，取得相關(guān)數(shù)據(jù)，從而了解轉(zhuǎn)向機(jī)的性能狀況。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要通過(guò)手動(dòng)來(lái)操作，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)從而帶動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的工作。同時(shí)通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)采集各種傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)，進(jìn)行處理并反饋到液壓閥上，調(diào)節(jié)流量和方向。經(jīng)過(guò)多次檢測(cè)我們就可以得到所測(cè)轉(zhuǎn)向機(jī)的基本性能參數(shù)了。目前我國(guó)一些研究機(jī)構(gòu)也早已開(kāi)展了對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)性能研究和試驗(yàn)研究。本系統(tǒng)基本上屬于液壓系統(tǒng)加上電氣系統(tǒng)所組成，機(jī)械部分和電動(dòng)機(jī)部分相應(yīng)少一些。 液壓系統(tǒng)又分為兩大部分，即：液壓助力系統(tǒng)和輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)。液壓助力系統(tǒng)主要是給轉(zhuǎn)向機(jī)提供轉(zhuǎn)向助力；輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)主要是給轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出端提供一定量的輸出負(fù)荷阻尼，從而檢測(cè)轉(zhuǎn)向機(jī)的性能。 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)之所以選擇液壓系統(tǒng)為轉(zhuǎn)向機(jī)提供助力并給轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端提供一定量的輸出負(fù)荷阻尼有以下幾點(diǎn)原因： （1） 同其他傳動(dòng)方式比較，傳動(dòng)效率相同，液壓傳動(dòng)裝置重量輕，體積緊湊。 （2） 可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，調(diào)速范圍大。 （3） 運(yùn)動(dòng)件的慣性小，能夠頻繁迅速轉(zhuǎn)向；傳動(dòng)工作平穩(wěn)；系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸震，并能自動(dòng)防止過(guò)載。 （4） 與電氣配合，容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)作和操作自動(dòng)化。與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)配合，能實(shí)現(xiàn)各種控制工作。 （5） 元件以基本上系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。利于CAD技術(shù)的應(yīng)用，提高工效，降低成本。 電氣系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的是MCS-51系列的8051單片機(jī)并帶有A/D及D/A接口電路、輸出顯示電路、檢測(cè)電路等幾部分組成。MCS-51單片機(jī)集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，具有很高的性能價(jià)格比。小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，它能方便的組裝成各種智能式測(cè)控設(shè)備。適應(yīng)的溫度范圍寬。易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)。便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。 在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中機(jī)械部分的設(shè)計(jì)主要是作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)架、油箱、液壓閥的法塊盒，及的主要器件的卡具體。雖然在內(nèi)容上看上去機(jī)械很簡(jiǎn)單，但是由于數(shù)量多、體積大、非標(biāo)準(zhǔn)件多，設(shè)計(jì)量占很大比重。 一般情況下，在小型轎車(chē)上，轉(zhuǎn)向機(jī)的輸入端是方向盤(pán)，但為了能達(dá)到轉(zhuǎn)距勻速、平穩(wěn)的效果，本實(shí)驗(yàn)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入。 2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的組成及控制原理 圖2-1 系統(tǒng)整體框圖 整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)主要包括的部分：助力液壓系統(tǒng)、輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)，輸入端電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、主機(jī)臺(tái)架及油箱總成、轉(zhuǎn)向機(jī)總成，卡具體等。其中電控部分采用單片機(jī)為主的測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)整體框圖如圖2-1所示。 2.2 液壓系統(tǒng)的工作原理 在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中液壓系統(tǒng)屬于主要工作部分。液壓助力系統(tǒng)主要是為了給轉(zhuǎn)向機(jī)提供助力轉(zhuǎn)向，由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)柱塞泵從油箱中吸取液壓油經(jīng)溢流閥調(diào)壓后進(jìn)入轉(zhuǎn)向機(jī)工作，轉(zhuǎn)向機(jī)所排出的液壓油再經(jīng)油路返回油箱。輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)也是由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉片泵從油箱中吸取液壓油，液壓油經(jīng)溢流閥調(diào)壓后再經(jīng)調(diào)速閥調(diào)解流量和速度，而后在三位四通電磁換向閥的作用下即如液 圖2-2 液壓系統(tǒng)原理圖 壓缸，并驅(qū)動(dòng)液壓缸推動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端，為其提供負(fù)荷阻尼。液壓系統(tǒng)原理圖如圖2-2所示。 3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在前面的系統(tǒng)總體方案里已經(jīng)說(shuō)到:本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能是對(duì)小型汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行規(guī)定的部分性能試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，取得相關(guān)數(shù)據(jù)，從而了解轉(zhuǎn)向機(jī)的性能狀況。因此在本設(shè)計(jì)里采用液壓系統(tǒng)帶動(dòng)阻尼缸對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出端進(jìn)行檢測(cè)，并利用電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩。 3.1 液壓助力系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于所測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)需要給于轉(zhuǎn)向助力，所以本試驗(yàn)臺(tái)需要設(shè)計(jì)一個(gè)液壓助力系統(tǒng)幫助其實(shí)現(xiàn)。 其中應(yīng)包括的主要元器件有：吸油濾清器、電機(jī)、液壓泵、壓力表、溢流閥、回油濾清器等。 3.1.1 液壓泵的選擇 3.1.1.1 設(shè)計(jì)要求 本試驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)型號(hào)有：捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號(hào)的轉(zhuǎn)向機(jī)。 流量：6.0—8.0 L/min 最高使用油壓：8.5—10 MPa 最大輸出負(fù)荷：6150—10000 N 3.1.1.2 液壓泵的流量、壓力計(jì)算 由于本液壓系統(tǒng)屬于一般系統(tǒng)，應(yīng)該按照一本液壓系統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算。 Qp=K(ΣQs)max Qp：液壓泵的流量，L/min Qs：同時(shí)動(dòng)作執(zhí)行元件的瞬時(shí)流量，L/min K：系統(tǒng)泄露系數(shù)，K=1.1—1.3 則：Qp=K(ΣQs)max=1.3×(8+1)=11.7 L/min 其中：設(shè)通過(guò)溢流閥的流量為1 L/min。 泵的額定流量應(yīng)該與計(jì)算所需流量相當(dāng)，通過(guò)所算得的數(shù)據(jù)可以選擇流量略高于12 L/min的液壓泵。 泵的額定壓力可以比系統(tǒng)工作壓力高25%，所以可以選擇壓力在10--12.5 MPa左右的泵。 3.1.1.3 液壓泵的選擇 根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)所需要的工作流量和使用壓力可以選擇精度高，密封性能好，工作壓力高的10SCY14—1B型斜盤(pán)式軸向柱塞泵，如圖3-1所示。 排量：10 ml/r 額定壓力：32 MPa 額定轉(zhuǎn)速：1500 r/min 流量：15 L/min，1×10-5 m3/r，容積效率：92%--93% 重量：19 Kg。 則實(shí)際排量=15×0.92=13.8 L/min > 12.5 L/min，液壓缸選擇合理。 圖3-1 10SCY14—1B型斜盤(pán)式軸向柱塞泵 3.1.1.4 液壓泵的轉(zhuǎn)矩計(jì)算 輸入轉(zhuǎn)矩Ti=pq0/2πηm Ti：液壓泵的輸入轉(zhuǎn)矩，N/m p：液壓泵的工作壓力， pa q0：液壓泵的排量，m3/r ηm：液壓泵的機(jī)械效率， 由于在斜盤(pán)式軸向柱塞泵中， 總效率η=容積效率ηv×機(jī)械效率ηm，（查表得容積效率：92%--93%，總效率：81%--88%）， 那么，機(jī)械效率大約等于總效率/容積效率。 ηm=88/93=0.946 當(dāng)泵的工作壓力為額定壓力、排量為額定排量時(shí)： Ti 1= pq0/2πηm=32×106×1×10-5/2π×0.946=53.8 N/m 當(dāng)泵的工作壓力為實(shí)際壓力、排量為實(shí)際排量時(shí)： Ti 2= pq0/2πηm=12.5×106×8×10-6/2π×0.946=16.8 N/m 3.1.1.5 液壓泵的輸入軸功率計(jì)算 驅(qū)動(dòng)泵軸的機(jī)械功率：Pi=pQ/η Q= Q泵ηv/60 p：泵的工作的壓力，pa Q：泵工作時(shí)出口處流量，m 3/s η:總效率，81%—88% Q= Q泵ηv/60=11.7×10-3/60=1.95×10-4 m 3/s Pi=pQ/η=12.5×106×1.95×10-4/0.85=2867 W=2.867 KW 3.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)綜合考慮以下幾點(diǎn)因素： （1） 根據(jù)機(jī)械負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)。 （2） 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，速度變化范圍選擇電動(dòng)機(jī)。 （3） 根據(jù)使用場(chǎng)所環(huán)境條件選擇電動(dòng)機(jī)。 （4） 根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)等選擇電動(dòng)機(jī)。 在這里我們著重考慮電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿(mǎn)足負(fù)載的要求，是否能帶動(dòng)起負(fù)載；電動(dòng)機(jī)輸出的功率是否滿(mǎn)足泵的驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械功率，這是問(wèn)題的關(guān)鍵。其中，電動(dòng)機(jī)輸出的功率是否滿(mǎn)足泵的驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械功率是選擇電動(dòng)機(jī)的主要參考因素，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿(mǎn)足負(fù)載的要求為選擇電動(dòng)機(jī)的參考因素。 3.1.2.1 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 由于泵的額定轉(zhuǎn)速：1500r/min ，在這里我們也選擇轉(zhuǎn)速與其相同的電動(dòng)機(jī)。 3.1.2.2 電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算 由常用電動(dòng)機(jī)計(jì)算公式：P=T×N/9550得： P：電動(dòng)機(jī)功率，KW T：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N/m N：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min P1= Ti 1×N/9550=53.8×1500/9550=8.45 KW P2= Ti 2×N/9550=16.8×1500/9550=2.64 KW 3.1.2.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 可見(jiàn)，當(dāng)液壓泵額定工作時(shí)，所需要的最大功率為8.45 KW，而當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)，所需要的最大功率為2.64 KW,兩者有較大的差距。根據(jù)實(shí)際情況，電動(dòng)的功率應(yīng)該選擇其二者之間的數(shù)值，這樣既能保證不浪費(fèi)資源，又能保證液壓泵正常工作，系統(tǒng)正常運(yùn)行。 綜上，我們可以選擇三相異步電動(dòng)機(jī)Y132M-4。 主要性能參數(shù)： 額定功率：7.5 KW 額定電流：15.4A 轉(zhuǎn)速：1440 r/min 效率：0.87 功率因數(shù)：0.85 重量：79Kg P輸出=7.5×0.87 KW = 6.525 KW ＞ Ti 2=2.64 KW；P輸出＞Pi=2.867 KW 電動(dòng)機(jī)選擇合適。 3.2 輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所測(cè)量的轉(zhuǎn)向機(jī)為齒輪齒條式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)，轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出端有載荷輸出，需要測(cè)量（輸出力、位移等）；因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)裝置來(lái)測(cè)量其具體數(shù)值，以方便了解轉(zhuǎn)向機(jī)的具體性能。 其中應(yīng)包括的主要元器件有：吸油濾清器、電機(jī)、液壓泵、單向閥、壓力表、溢流閥、調(diào)速閥、換向閥、液壓缸、回油濾清器等。 3.2.1 液壓缸的選擇 3.2.1.1 設(shè)計(jì)要求 本試驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)型號(hào)有：捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號(hào)的轉(zhuǎn)向機(jī)。 最大輸出負(fù)荷：6150—10000N 要求勻速施加驅(qū)動(dòng)力（靜壓力），驅(qū)動(dòng)速度為：0.1m/s 液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉(zhuǎn)向機(jī)前軸負(fù)荷的1/3 3.2.1.2 液壓缸的選擇與計(jì)算 根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)的最大輸出負(fù)荷：6150—10000N，液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉(zhuǎn)向機(jī)前軸負(fù)荷的1/3，可以算出液壓缸的最大輸出載荷。 F=6150/3—10000/3 N=2050—3334 N 在設(shè)計(jì)液壓缸的過(guò)程中，我們需要選取較高的一個(gè)數(shù)值，并在取稍大一些，選取F=3500 N 根據(jù)所確定的輸出推力，查表選擇：WY1-FA132B-6.3B-A拉桿式液壓缸。如圖3-2所示。 圖3-2 WY1-FA132B-6.3B-A拉桿式液壓缸 缸徑：32mm 活塞桿直徑：18mm（強(qiáng)力型） 推力：5.63KN 拉力：3.85KN 額定壓力：6.3mpa 最高工作壓力：10 mpa 允許最高工作速度：300mm/s 最低工作速度：8 mm/s 。 3.2.1.3 液壓缸的輸出力校核 F=P×S= P額定×πr2 =6.3×106×π×0.0162=5066 N 所計(jì)算出的數(shù)值大于所要求的最低數(shù)值3500 N，該液壓缸是合適的。滿(mǎn)足輸出推力的最小壓力Pmin=3500/π×0.0162=4.35 mpa 3.2.1.4 液壓缸額定工作時(shí)，流量的計(jì)算 Q=V×S Q:液壓缸的額定流量，m3/r V：液壓缸所要求的驅(qū)動(dòng)力的速度， 0.1m/s S:液壓缸的內(nèi)腔面積，㎡ 則：Q=V×S=0.1×π×0.0162=8.04×10-5 m3/ s=4.83 L/min 3.2.2 液壓泵的選擇 3.2.2.1 液壓泵的流量、壓力計(jì)算 由于本液壓系統(tǒng)屬于一般系統(tǒng)，應(yīng)該按照一本液壓系統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算。 Qp=K(ΣQs)max Qp：液壓泵的流量，L/min Qs：同時(shí)動(dòng)作執(zhí)行元件的瞬時(shí)流量，L/min K：系統(tǒng)泄露系數(shù)，K=1.1—1.3 則：Qp=K(ΣQs)max=1.1×(4.83+0.5)=5.86L/min 其中：設(shè)通過(guò)溢流閥的流量為1 L/min。 泵的額定流量應(yīng)該與計(jì)算所需流量相當(dāng)，通過(guò)所算得的數(shù)據(jù)可以選擇流量略高于5.86 L/min的液壓泵。 泵的額定壓力可以比系統(tǒng)工作壓力高25%，P額定＞Pmin×1.25=4.35×1.25=5.44mpa，所以可以選擇輸出壓力在5.44—7.87 mpa左右的泵。 3.2.2.2 液壓泵的選擇 根據(jù)液壓缸所需要的工作流量和使用壓力可以選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、排量范圍大、壓力流量脈動(dòng)小、噪聲低、壽命長(zhǎng)的YB-A14B-JL型葉片泵（雙作用）。 主要性能參數(shù)： 理論排量：14.5ml/r 額定壓力：7mpa 額定轉(zhuǎn)速：1000r/min 輸出流量：11.9L/min，容積效率：80%--94% 總效率：65%—82% 重量：10kg。 3.2.2.3 液壓泵的轉(zhuǎn)矩計(jì)算 輸入轉(zhuǎn)矩Ti=pq0/2πηm Ti：液壓泵的輸入轉(zhuǎn)矩，N/m p：液壓泵的工作壓力， pa q0：液壓泵的排量，m 3/r ηm：液壓泵的機(jī)械效率， 由于在雙作用葉片泵中， 總效率η=容積效率ηv×機(jī)械效率ηm，（查表得容積效率：80%--94%，總效率：65%--82%）， 那么，機(jī)械效率大約等于總效率/容積效率。 ηm=82/94=0.872 當(dāng)泵的工作壓力為額定壓力、排量為額定排量時(shí)： Ti1=pq0/2πηm=7×106×14.5×10-6/2π×0.872=18.5 N/m 當(dāng)泵的工作壓力為實(shí)際壓力、排量為實(shí)際排量時(shí)： P=6.3mpa q=5.86 L/min=5.86×10-6 m 3/r Ti2=pq0/2πηm=6.3×106×5.86×10-6/2π×0.872=6.73N/m 當(dāng)泵的工作壓力為滿(mǎn)足輸出推力的最小壓力Pmin=4.35mpa、排量為實(shí)際排量時(shí)： Tmin=Pq/2πη=4.35×106×5.86×10-6/2π×0.872=4.65N/m 3.2.2.4 液壓泵輸入軸功率的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)泵軸的機(jī)械功率：Pi=pQ/η Q= Q泵ηv/60 p：泵的工作的壓力，pa Q：泵工作時(shí)出口處流量，m 3/s η:總效率，62%—82% Q= Q泵ηv/60=5.68×10-3/60=9.47×10-5m 3/s Pi=pQ/η=4.35×106×9.47×10-5/0.80=514 W=0.514KW 3.2.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 在這里我們著重考慮電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿(mǎn)足負(fù)載的要求，是否能帶動(dòng)起負(fù)載，這是問(wèn)題的關(guān)鍵。其中，電動(dòng)機(jī)輸出的功率是否滿(mǎn)足泵的驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械功率是選擇電動(dòng)機(jī)的主要參考因素，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿(mǎn)足負(fù)載的要求為選擇電動(dòng)機(jī)的參考因素。 3.2.3.1 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 由于泵的額定轉(zhuǎn)速：1000r/min ，在這里我們也選擇轉(zhuǎn)速與其相同的電動(dòng)機(jī)。 3.2.3.2 電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算 由常用電動(dòng)機(jī)計(jì)算公式：P=T×N/9550得： P：電動(dòng)機(jī)功率，KW T：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N/m N：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min P1=T1×N/9550=18.5×1000/9550=1.85 KW P2=T2×N/9550=6.73×1000/9550=0.673 KW Pmin= Tmin×N/9550=4.65×1000/9550=0.487 KW 3.2.3.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 可見(jiàn)，當(dāng)液壓泵額定工作時(shí)，所需要的最大功率為1.85 KW，而當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)，所需要的最大功率為0.673 KW,兩者有較大的差距。根據(jù)實(shí)際情況，電動(dòng)的功率應(yīng)該選擇其二者之間的數(shù)值，這樣既能保證不浪費(fèi)資源，又能保證液壓泵正常工作，系統(tǒng)正常運(yùn)行。 綜上，我們可以選擇三相異步電動(dòng)機(jī)Y90S-6。 主要性能參數(shù)： 額定功率：0.75 KW 額定電流：2.3A 轉(zhuǎn)速：910r/min 效率：0.725 功率因數(shù)：0.7. 重量：21Kg 電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出功率P實(shí)際=0.75×0.72 KW = 0.54 KW＞Pmin=0.487 KW；P實(shí)際＞Pi=0.514KW，電動(dòng)機(jī)選擇合適。 3.3 轉(zhuǎn)向機(jī)輸入端系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所測(cè)量的轉(zhuǎn)向機(jī)均為小型車(chē)輛上所使用的轉(zhuǎn)向機(jī)，所要求的輸入轉(zhuǎn)矩很小。在車(chē)輛的實(shí)際行駛中，車(chē)輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤(pán)來(lái)操作，并由人手動(dòng)輸入來(lái)完成；但為了在測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)性能過(guò)程中保證輸入力矩平穩(wěn)、勻速、固定、可靠，在這里采用電機(jī)輸入，并利用減速器來(lái)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。其中，需要對(duì)輸入的扭矩和轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，還要在系統(tǒng)中加上扭矩傳感和轉(zhuǎn)角傳感器。 3.3.1 步進(jìn)電機(jī)的選型和計(jì)算 3.3.1.1 設(shè)計(jì)要求 最大輸入轉(zhuǎn)矩：5N·m ； 最大輸入轉(zhuǎn)速：20—30r/ min 3.3.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所選用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。 3.3.1.3 步進(jìn)電機(jī)的介紹 步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)組合電磁鐵的理論設(shè)計(jì)的，是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線(xiàn)位移，并用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制的特殊運(yùn)行方式的同步電動(dòng)機(jī)，在數(shù)字控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。它通過(guò)專(zhuān)用電源把電脈沖按一定順序供給定子各相控制繞組，在氣隙中產(chǎn)生類(lèi)似于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的脈沖磁場(chǎng)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就移動(dòng)一步。因此，步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)為脈沖電動(dòng)機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是我國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的一種，它具有調(diào)速范圍廣，動(dòng)態(tài)性能好，能快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。 3.3.1.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇 （1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算 根據(jù)最大輸入轉(zhuǎn)矩：5N·m 得： （2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù) 經(jīng)過(guò)計(jì)算本設(shè)計(jì)選用86BYG250B型號(hào)永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。如圖3-3所示。 表3-1是電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)： 表 3-1 電機(jī)型號(hào) 相數(shù) 步距角 相電流 驅(qū)動(dòng)電壓 最大靜轉(zhuǎn)矩 相電阻 相電感 重量 空載啟動(dòng)頻率/轉(zhuǎn)速* 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 86BYG250B 2/4 1.8° 5.0A AC40V/60V 2.4Nm 0.5W 5.6mH 2.55kg 4.6KHZ/276轉(zhuǎn)/分 1.3 Kg.cm^2 圖3-3 86BYG250B型號(hào)永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 3.3.1.5 步進(jìn)電機(jī)的控制 圖3-4所示為步進(jìn)電機(jī)控制示意圖。它把電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線(xiàn)位移，其角位移量θ或直線(xiàn)位移量s與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速n或線(xiàn)速度v與脈沖頻率f成正比。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制特性分析可見(jiàn)，在額定負(fù)載范圍內(nèi)，角位移量θ或直線(xiàn)位移量s、轉(zhuǎn)速n或線(xiàn)速度v不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化，因而很適合在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)成本下降。 當(dāng)用微電腦進(jìn)行數(shù)字控制時(shí)，它不需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，能直接把數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，力求定子各繞組間沒(méi)有互感，定、轉(zhuǎn)子都采用凸極結(jié)構(gòu)，不考慮空間磁場(chǎng)諧波的有害影響，盡一切可能去增加定位轉(zhuǎn)矩的幅值和定位精度，把轉(zhuǎn)速控制和調(diào)節(jié)放在次要地位。目前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率做的越來(lái)越大，已經(jīng)生產(chǎn)出功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它可以不通過(guò)傳動(dòng)齒輪等力矩放大裝置，直接由功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)精度。 圖3-4 步進(jìn)電機(jī)控制示意圖 3.3.2 減速器的選擇 根據(jù)選擇的步進(jìn)電機(jī)，在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中選擇XB-50-100-1-6/6型單級(jí)諧波傳動(dòng)減速器。 3.3.2.1 主要性能參數(shù)： 輸入轉(zhuǎn)速3000r/min 輸入轉(zhuǎn)速1500r/min 輸入轉(zhuǎn)速1000r/min 傳動(dòng)比 100 100 100 輸出轉(zhuǎn)矩/N·m 30 33 33.6 輸出轉(zhuǎn)速/r·min-1 30 15 10 輸入功率/KW 0.118 0.062 0.041 表3-2 所選減速器的主要性能參數(shù) 見(jiàn)表3-2，由于所選的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與減速器的額定轉(zhuǎn)速有較大的差距，因此無(wú)法根據(jù)減速器的性能參數(shù)表格來(lái)判斷減速器所輸出的轉(zhuǎn)矩；但經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)及其他試驗(yàn)臺(tái)所選型號(hào)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得，選此減速器可以達(dá)到預(yù)定要求。輸出轉(zhuǎn)速小于20—30r/ min；輸出轉(zhuǎn)矩小于最大輸入轉(zhuǎn)矩：5N·m。所以減速器選擇合適。 3.3.2.2 諧波傳動(dòng)減速器的介紹 諧波傳動(dòng)減速器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、傳動(dòng)比范圍大的減速器。它具有承載能力高、損耗小、效率高等特點(diǎn)；此外，減速器本身的齒輪摩擦小且均勻、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)沖擊，可以向密封空間傳遞動(dòng)力。 3.4 其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.4.1 臺(tái)架總成的設(shè)計(jì) 臺(tái)架是支撐轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)體和安裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)下裝置的空間。其空間的大小和臺(tái)面的高度及面積都與臺(tái)下設(shè)備的安裝和臺(tái)上設(shè)備的裝卡、操作人員的操作有很大的關(guān)系。因此設(shè)計(jì)的一定要合理。 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所設(shè)計(jì)的臺(tái)架為一個(gè)長(zhǎng)方體（長(zhǎng)：1600mm、寬：1100mm、高：760mm）， 臺(tái)架由四根臺(tái)架立柱（方鋼40×40）所支撐。支撐臺(tái)面的由兩根臺(tái)架長(zhǎng)橫梁（方鋼40×40）和兩根臺(tái)架短橫梁（方鋼40×40）所連接而成的長(zhǎng)方形支架。此外還有臺(tái)架底座總成等部件組成（具體見(jiàn)零件圖XSA301）。 3.4.2 油箱總成的設(shè)計(jì) 油箱是實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的油源，其空間的大小關(guān)系到系統(tǒng)的油量是否夠用、是否省油、節(jié)省空間，達(dá)到最優(yōu)化效果。 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所設(shè)計(jì)的油箱也是一個(gè)長(zhǎng)方體（長(zhǎng)：1000mm、寬：500mm、高：600mm），板厚0.75 mm（詳見(jiàn)總裝圖XSA300）. 3.5 傳感器的選擇 各參數(shù)的測(cè)量和采集主要靠各種傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳感器是借助于檢測(cè)元件(敏感元件)接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。它獲取的信息，可以是各種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信號(hào)也有各種形式。無(wú)論何種傳感器，作為測(cè)量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，通常都必須具有快速、準(zhǔn)確、可靠且又經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求。因此，對(duì)傳感器有以下要求: (1) 足夠的容量。傳感器的工作范圍或量程足夠大;具有一定過(guò)載能力。 (2) 與測(cè)量或控制系統(tǒng)相匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高，線(xiàn)性程度好。 (3) 反應(yīng)快，工作可靠性高。 (4) 精度適當(dāng)且穩(wěn)定性好，即傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿(mǎn)足要求，并長(zhǎng)期穩(wěn)定。 (5) 適用性和適應(yīng)性強(qiáng)，即動(dòng)作能量小，對(duì)被測(cè)量的狀態(tài)影響小;內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響，使用安全等。 (6) 使用經(jīng)濟(jì)。即成本低、壽命長(zhǎng)，且易于使用、維修和校準(zhǔn)。 所選的傳感器的型號(hào)如表3-3所示： 表3-3 所選傳感器的型號(hào)及性能參數(shù) 型號(hào) 性能指標(biāo) 數(shù)量 備注 扭矩傳感器 T34FN 0-20 Nm 1 線(xiàn)位移傳感器 CWY200 0-200mm 1 壓力傳感器 C9B 20KN 1 角度變化檢出器 CP-5UY 輸出感度: Min.0.5/10° 1 直線(xiàn)性%(FS): ±1(300°) 3.5.1 位移傳感器 CWY系列導(dǎo)電塑料直線(xiàn)位移傳感器,小量程——測(cè)量長(zhǎng)度30-300mm，壽命1000萬(wàn)次，分辨率無(wú)窮小 , 適用于工程機(jī)械,宇宙裝置、導(dǎo)彈、飛機(jī)雷達(dá)天線(xiàn)的伺服系統(tǒng)以及注塑機(jī),木工機(jī)械,印刷機(jī),電子尺,機(jī)器人,工程監(jiān)測(cè),電腦控制運(yùn)動(dòng)器械等需要精確測(cè)量位移的場(chǎng)合。如圖3-5所示。 圖3-5 線(xiàn)位移傳感器CWY200 3.5.2 扭矩傳感器 圖3-6 扭矩傳感器T34FN T34FN 扭矩法蘭專(zhuān)為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的扭矩測(cè)量和速度測(cè)量設(shè)計(jì)的，可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試部門(mén)以及生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量管理。 由于轉(zhuǎn)子可單獨(dú)安裝,因此靈活性大大增加。如圖3-6所示。 3.5.3 壓力傳感器 在對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端進(jìn)行性能試驗(yàn)中，壓力傳感器C9B，當(dāng)液壓缸輸出端活塞桿與轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端活塞桿相向輸出時(shí)，采用電阻應(yīng)變片式壓力傳感器，將它裝置在兩活塞桿同一軸向內(nèi)，利用應(yīng)變片的變形測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端的輸出力的大小。 3.5.3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理 工作時(shí)，將應(yīng)變片用粘合劑粘貼在彈性體上，彈性體受外力作用變形所產(chǎn)生的應(yīng)變就會(huì)傳遞到應(yīng)變片上，從而使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量阻值的變化，就能得知外界被測(cè)量的大小。 在傳感器中實(shí)際采用多個(gè)電阻絲片，一般把四個(gè)測(cè)量應(yīng)變片，兩片貼在正應(yīng)變片區(qū)，并將接在電橋兩個(gè)相對(duì)的臂上；另兩個(gè)貼在負(fù)應(yīng)變區(qū)，接在另兩個(gè)相對(duì)臂上，以使一個(gè)應(yīng)變片的電阻溫度效應(yīng)為另一個(gè)相鄰應(yīng)變片所抵消。這樣的電路不但補(bǔ)償了溫度效應(yīng)，而且可以得到較大輸出信號(hào)，這種補(bǔ)償電路稱(chēng)全橋連接。 3.6 其他主要元器件的選取 通過(guò)電阻應(yīng)變片式壓力傳感器傳出的微小電壓再經(jīng)過(guò)放大和濾波，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入計(jì)算機(jī)中。 名稱(chēng) 型號(hào) 性能指標(biāo) 數(shù)量 備注 空氣濾清器 EF1-25 1 低壓溢流閥 P-B25B 1 單向節(jié)流閥 DRVP-12 2 調(diào)速閥 Q-25B 1 吸油過(guò)濾器 WU-160×010-J 63L/min 80u 2 直回式回油過(guò)濾器 RFA-160×010-C 1 電磁換向閥 34DY-B10H-T 1 壓力表 LHGAM14×1.5 60MPa 2 先導(dǎo)式溢流閥 DB10A-1-30/31.5UW 220-50N// 1 表 3-4 其他主要元器件的選取 4 控制及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)控制及檢測(cè)系統(tǒng) 4.1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制及檢測(cè)系統(tǒng)的組成 控制系統(tǒng)的由以下主要器件組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)8051、址鎖存器74LS373、譯碼器74L138、程序存儲(chǔ)器2764、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264、I/O口擴(kuò)展芯片8255、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D0809、數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A0832、鍵盤(pán)、LED顯示部分電路、扭矩傳感器T34FN、壓力傳感器C9B、線(xiàn)位移傳感器CWY200、角位移傳感器CP-5UY及相關(guān)電路等。 液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制及檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖4-1所示： 圖4-1 控制及檢測(cè)系統(tǒng)框圖 4.2 控制及檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.2.1 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)選用：MCS-51系列的8051單片機(jī)，理由如下： MCS-51單片機(jī)集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，具有很高的性能價(jià)格比。小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，它能方便的組裝成各種智能式測(cè)控設(shè)備。適應(yīng)的溫度范圍寬。易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)。便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。 即用8051外接2764、6264及8255等芯片擴(kuò)展成一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)。編程的用戶(hù)程序由鍵盤(pán)盤(pán)輸入，修改程序也由鍵盤(pán)來(lái)完成。程序存入外部RAM，如果系統(tǒng)需要保存該程序，可以把錄音機(jī)接在錄音輸出口上將程序錄下來(lái)，每段程序輸入都可以顯示。系統(tǒng)中有時(shí)鐘電路模塊、復(fù)位電路、數(shù)碼顯示接口電路。 4.2.1.1 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，各部分都以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響微機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 由此，在本次設(shè)計(jì)中選用：內(nèi)部時(shí)鐘電路，即晶振電路。圖形見(jiàn)電氣原理圖。其中，振蕩頻率：60MHz，電容器C1,C2在30Pf左右。 單片機(jī)在接通電源啟動(dòng)或出現(xiàn)故障后，程序需從頭開(kāi)始執(zhí)行，機(jī)器內(nèi)部全部寄存器I/O接口等都必須重新復(fù)位，所以要求接復(fù)位電路。 由此，在本次設(shè)計(jì)中選用：復(fù)位電路。圖形見(jiàn)電氣原理圖。其中，電阻阻值為82KΩ，電容為10μf。 4.2.1.2 Mccs-51系列單片機(jī)的引腳及其功能 Mcs-51系列單片機(jī)是一個(gè)具有40根引腳的雙列直插式器件。 ：編程和正常操作時(shí)的電源電壓為+5V。 ：地電平。 ：一個(gè)8位開(kāi)漏雙向I/O口，它訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器的低8位地址和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，在程序檢驗(yàn)時(shí)它也輸出指令字節(jié)，口能吸入8個(gè)LSTTL輸入。 口：具有提升電阻的8位雙向I/O口，專(zhuān)供用戶(hù)使用，在程序檢驗(yàn)時(shí)它也接收低位地址字節(jié)，口能吸入/輸出3個(gè)LSTTL輸入。 口：具有提升電阻為8位雙向I/O口，供系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)作高8位地址線(xiàn)用。在沒(méi)有外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，它也可以為用戶(hù)I/O口線(xiàn)使用。在程序檢驗(yàn)時(shí)，它也接收高位地址和控制信號(hào)?？谀芪?輸出3個(gè)LSTTL輸入。 口：具有提升電阻為8位雙向I/O口，該口的每一位單元可以獨(dú)立地定義為第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)與操作與口完全相同，第二功能如下所示： 口引腳 第二功能 （串行輸入口） （串行輸出口） （外部中斷） （外部中斷） （定時(shí)器0外部輸入） （定時(shí)器1外部輸入） （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 口能吸入/放出3個(gè)LSTTL輸入。 ：訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用于鎖存地址低字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE主要是提供一個(gè)定時(shí)信號(hào)，在從外部程序存儲(chǔ)器取指時(shí)把口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中，每一個(gè)機(jī)器周期ALE二次有效．這個(gè)引腳也是EPROM編程時(shí)的編程脈沖輸入。 ：程序存儲(chǔ)器允許輸出，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在工外部程序存儲(chǔ)器取指時(shí)，每個(gè)周期有效二次，在從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器取指時(shí)，無(wú)脈沖。 ：EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行北部程序存儲(chǔ)器的指令。為低電平時(shí)，CPI僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令。使用8051時(shí)，必須接地。8751EPROM編程時(shí)，這個(gè)引腳為21V編程電源輸入端。 ：震蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時(shí)必須接地。 ：震蕩器反相放大器輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入，使用外部震蕩器時(shí)用于輸入外部震蕩信號(hào)。 ：復(fù)位控制，在震蕩器運(yùn)行時(shí)，使RST腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期為高電平，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。CPU通過(guò)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位來(lái)響應(yīng)，在RST為高的第二周期時(shí)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位。在關(guān)斷前加上VPD,RAM的內(nèi)容將不變． 4.2.2 程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選用 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)采用MCS-51系列中的8051作為主控制器。 對(duì)于不同的單片機(jī)進(jìn)行比較：首先要選擇合適的存儲(chǔ)器。單片機(jī)內(nèi)部有兩種存儲(chǔ)器：一種是專(zhuān)門(mén)用來(lái)存放用戶(hù)程序和常數(shù)的程序存儲(chǔ)器；另一種是專(zhuān)門(mén)用來(lái)存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。兩者是嚴(yán)格分開(kāi)的，不同的單片機(jī)這兩種存儲(chǔ)器的容量也不一致。一般選用片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)，通過(guò)片外擴(kuò)展組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。這種最小系統(tǒng)使用靈活，改寫(xiě)程序方便。（1）選擇單片機(jī)還應(yīng)注意接口能力、指令系統(tǒng)、尋址方式及功耗等問(wèn)題。（2）必須具備配套的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。（3）選擇市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。 綜合以上因素，在與MCS-51系列的8051單片機(jī)相配合的眾多器件中可以選用：程序存儲(chǔ)器：2764如圖4-2所示 ；程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8K，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：6264，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8K。如圖4-3所示。 圖4-2 程序存儲(chǔ)器2764引腳圖 圖4-3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器74LS373引腳圖 4.2.3 地址鎖存器和譯碼器的選用 由于MCS-51單片機(jī)的口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)，因此在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須利用地址鎖存器將地址信號(hào)從地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)中分離開(kāi)來(lái)。 通常，地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373或8282,也可以使用帶清除端的八D鎖存器74LS273,地址鎖存信號(hào)為74LS373ALE。 綜合以上因素，結(jié)合所選用的單片機(jī)8051，從以上器件中選用鎖存器74LS373如圖（4-3），譯碼器74L138。 4.2.4 并行I/O擴(kuò)展接口的選用 本試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中所檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)需要用顯示器顯示，并且用鍵盤(pán)輸入。因此需要與I/O擴(kuò)展接口相連接。在眾多器件中我選用8255。 8255的A口為控制試驗(yàn)臺(tái)輸入電機(jī)的接口。為防止功率放大器高雅的干擾，步進(jìn)電機(jī)及接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤(pán)與顯示設(shè)計(jì)在一起，8255的PC口擔(dān)任鍵盤(pán)的列線(xiàn)及顯示器的掃描控制；PB口的PB0～PB3為鍵盤(pán)的行線(xiàn)；8051的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X5共20個(gè)列式鍵盤(pán)和五位八段共陰極ＬＥＤ顯示器。 在軟件設(shè)計(jì)上8255的PA口、PC口設(shè)置為輸出，PB口設(shè)置為輸入。 4.2.4.1 8255的工作方式 8255有三種基本工作方式： 方式0：基本輸入輸出 方式1：選通輸入輸出 方式2：雙向傳送 表4-1 8255接口工作狀態(tài)選擇表 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 A口數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)總線(xiàn) B口數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)總線(xiàn) C口數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)總線(xiàn) 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 總線(xiàn)數(shù)據(jù)：A口 總線(xiàn)數(shù)據(jù)：B口 總線(xiàn)數(shù)據(jù)：C口 總線(xiàn)數(shù)據(jù)：控制字寄存器 1 1 1 0 1 0 1 1 0 數(shù)據(jù)總線(xiàn)：三態(tài) 非法狀態(tài) 數(shù)據(jù)總線(xiàn)：三態(tài) 三種工作方式由工作方式控制字來(lái)決定。方式控制字的格式由CPU通過(guò)輸入/輸出指令來(lái)提供。三個(gè)端口中C口被分為兩個(gè)部分，上半部分隨A口稱(chēng)為A組，下半部分隨B口稱(chēng)為B口。其中A口可工作于方式0、1和2，而B(niǎo)口只能工作在方式0和1。另外，C口還具有位控制功能，它可通過(guò)工作方式控制字將其任意一位置“1”或者清“0”。 4.2.5 模數(shù)轉(zhuǎn)型A/D轉(zhuǎn)換器的選用 圖4-4 ADC0809引腳圖 A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。它與D/A轉(zhuǎn)換器一樣，是微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種重要接口，常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中具體應(yīng)用到與傳感器的連接中，并選用A/D0809。 4.2.5.1 A/D0809轉(zhuǎn)換器的工作原理 逐位反饋使次高位置1，進(jìn)行相同的過(guò)程直到SAR的所有位都被確定。轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后，SAR寄存器中的二進(jìn)制碼就是A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。如圖4-4所示。 主要特性：（1）8路8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。（2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs。（4）單個(gè)＋5V電源供電 。（5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度校準(zhǔn)。 （6）工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度 。（7）低功耗，約15mW。 4.2.5.2 A/D0809轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì)方法 中斷方式： 圖4-5 DAC0832引腳圖 無(wú)論CPU暫停與否，實(shí)際上對(duì)控制過(guò)程來(lái)說(shuō)都是處于等待狀態(tài)，等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后再讀入數(shù)據(jù)，因此速度慢，為了發(fā)揮計(jì)算機(jī)的效率，又是采用中斷方式。在這種方式中，CPU啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，即可轉(zhuǎn)而處理其他事情（如執(zhí)行主程序），一旦A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，則由A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)一轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)到單片機(jī)的管腳，CPU相應(yīng)中斷后，便讀入數(shù)據(jù)。這樣，在整個(gè)系統(tǒng)中CPU與A/D轉(zhuǎn)換器是并行工作的，所以提高了工作效率。為此，有時(shí)多回路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，我們不得不采用雙重中斷的辦法來(lái)解決（第一重中斷是定時(shí)采樣，第二重中斷是A/D轉(zhuǎn)換）。 4.2.6 數(shù)模轉(zhuǎn)型D/A轉(zhuǎn)換器的選用 D/A轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，將需要轉(zhuǎn)換的數(shù)碼加在D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入端，D/A芯片的輸出端就建立起相應(yīng)的電流和電壓。 在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中具體應(yīng)用到與調(diào)速閥的連接中，并選用D/A0832（DAC0832）。如圖4-5所示。 D/A0832是一種雙緩沖型D/A芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。她被分成三部分：由8位輸出寄存器和8位DAC0832寄存器組成的二次緩沖；一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換；控制電路完成對(duì)兩個(gè)鎖存器的寫(xiě)入控制。 4.2.7 矩陣式鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì) 4.2.7.1 矩陣式鍵盤(pán)工作原理 鍵盤(pán)設(shè)置在行、列線(xiàn)交點(diǎn)上，行、列線(xiàn)分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。行線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接到+5V上。平時(shí)無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí)，行線(xiàn)處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線(xiàn)電平狀態(tài)將由此行線(xiàn)相連接的列線(xiàn)電平?jīng)Q定。列線(xiàn)電平如果為低，則行線(xiàn)電平為低；列線(xiàn)電平如果為高，則行線(xiàn)電平亦為高。這一點(diǎn)是識(shí)別矩陣鍵盤(pán)按鍵是否被按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤(pán)中行、列線(xiàn)為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此各按鍵彼此將相互發(fā)生影響，所以必須將行、列線(xiàn)信號(hào)配合起來(lái)并作適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。矩陣鍵盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省很多的I/O接口。 4.2.7.2 按鍵的識(shí)別方法 掃描法：此方法分兩部進(jìn)行：第一步，識(shí)別鍵盤(pán)有無(wú)鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識(shí)別出具體的按鍵。分述如下： 識(shí)別鍵盤(pán)有無(wú)鍵被按下：讓所有列線(xiàn)均置為0電平，檢查各行線(xiàn)電平是否有變化，如果有變化，則說(shuō)明有鍵被按下，如果沒(méi)有變化，則說(shuō)明無(wú)鍵被按下。 識(shí)別具體按鍵的方法：逐列置零電平，其余各列置為高電平，檢查各行線(xiàn)電平的變化，如果某行電平由高電平變?yōu)榱汶娖?，則可確定此行列交叉點(diǎn)處的按鍵被按下。 4.2.7.3 鍵盤(pán)工作方式 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤(pán)掃描只是CPU工作的內(nèi)容之一。CPU在忙于各項(xiàng)工作時(shí)，如何兼顧鍵盤(pán)的輸入，取決于鍵盤(pán)的工作方式。鍵盤(pán)的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。其原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)鍵盤(pán)操作，又要不過(guò)多占用CPU的工作時(shí)間。通常，鍵盤(pán)的工作方式有三種，即：程序掃描，定時(shí)掃描和中斷掃描。 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用電氣控制系統(tǒng)的鍵盤(pán)工作方式為定時(shí)掃描工作方式 具體介紹見(jiàn)（5.2）。 4.2.8 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)的控制完全可以通過(guò)各種邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這樣做的缺點(diǎn)是線(xiàn)路復(fù)雜、缺乏靈活性。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制有兩種方案：一種是所謂的串行法，即環(huán)行分配部分由邏輯電路組成，微機(jī)只提供頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)、方向信號(hào)和勵(lì)磁方式信號(hào)。另一種是并行發(fā)，即由微機(jī)軟件來(lái)完成脈沖分配的任務(wù)。 圖4-6 步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 微機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)主要利用微機(jī)的I/O口進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，并配備相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，如圖（4-6）為兩相步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)組成原理圖。當(dāng)相應(yīng)端的端口出現(xiàn)高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的輸入端產(chǎn)生步進(jìn)脈沖。 5 程序設(shè)計(jì) 5.1 程序設(shè)計(jì)技術(shù) 由于該檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的程序設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，現(xiàn)以鍵盤(pán)掃描方式的程序設(shè)計(jì)為例來(lái)介紹。定時(shí)掃描方式程序流程圖（5-1）如下： 鍵盤(pán)定時(shí)掃描方式： 定時(shí)掃描方式就是每隔一段時(shí)間對(duì)鍵盤(pán)掃描一次，它利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生一定時(shí)間（例如10 ms）的定時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到就產(chǎn)生定時(shí)器溢出中斷。CPU響應(yīng)中斷后對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)識(shí)別出該鍵，再執(zhí)行該鍵的功能程序。定時(shí)掃描方式的硬件電路與編程掃描方式相同，程序流程圖如圖（5-1）所示。 圖5-1 定時(shí)掃描方式程序流程圖 圖中，標(biāo)志1和標(biāo)志2是在單片機(jī)內(nèi)部RAM的位尋址區(qū)設(shè)置的兩個(gè)標(biāo)志位， 標(biāo)志1為去抖動(dòng)標(biāo)志位，標(biāo)志2為識(shí)別完按鍵的標(biāo)志位。初始化時(shí)將這兩個(gè)標(biāo)志位設(shè)置為0，執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，首先判別有無(wú)鍵閉合，若無(wú)鍵閉合，將標(biāo)志1和標(biāo)志2置0后返回；若有鍵閉合，先檢查標(biāo)志1，當(dāng)標(biāo)志1為0時(shí)，說(shuō)明還未進(jìn)行去抖動(dòng)處理，此時(shí)置位標(biāo)志1，并中斷返回。由于中斷返回后要經(jīng)過(guò)10 ms后才會(huì)再次中斷，相當(dāng)于延時(shí)了10 ms，因此，程序無(wú)須再延時(shí)。 下次中斷時(shí)，因標(biāo)志1為1，CPU再檢查標(biāo)志2，如標(biāo)志2為0說(shuō)明還未進(jìn)行按鍵的識(shí)別處理，這時(shí)，CPU先置位標(biāo)志2，然后進(jìn)行按鍵識(shí)別處理，再執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能子程序，最后，中斷返回。如標(biāo)志2已經(jīng)為1，則說(shuō)明此次按鍵已做過(guò)識(shí)別處理，只是還未釋放按鍵。當(dāng)按鍵釋放后，在下一次中斷服務(wù)程序中，標(biāo)志1和標(biāo)志2又重新置0，等待下一次按鍵。 5.2 程序設(shè)計(jì)說(shuō)明 下面為鍵輸入程序的清單，從該程序返回后輸入鍵的鍵號(hào)在累加器中。程序請(qǐng)單： KEY1: MOV A, #03H MOV DPTR, #7F00H MOVX @DPTR, A ；8255初始化A口、B口為輸出口，C口為輸入口 ACALL KS1 ；調(diào)用判斷有無(wú)鍵閉合子程序 JNZ LK1 ACALL DIR ；調(diào)用顯示子程序，延遲5ms AJMP KEY1 LK1: ACALL DIR ;延遲10ms ACALL DIR ACALL KS1 ; 調(diào)用判斷有無(wú)鍵閉合子程序 JNZ LK2 ACALL DIR ；調(diào)用顯示子程序，延遲5ms AJMP KEY1 LK2: MOV R2, #OFEH ;掃描模式R2 MOV R4 ,#0 LK4: MOV DPRT, #7F01H ; 掃描模式—8255A口 MOV A, R2 MOVX @DPRT, A INC DPTR INC DPTR MOVX A, @DPTR ；讀8255C口 JB Acc.0, LONE MOV A, #00H ；0行有鍵閉合，首鍵號(hào)0--A AJMP LKP LKP: ADD A, R4 ；求鍵號(hào) PUSH ACC ；鍵號(hào)進(jìn)行保護(hù) LK3: ACALL DIR ；判斷鍵釋放否？ ACALL KS1 JNZ LK3 POP ACC ；鍵號(hào)--A RET NEXT: INC R4 ；列計(jì)數(shù)加1 MOV A, R2 ；判斷是否已掃描到最后列 JNB Acc0, KND ； 若仍無(wú)鍵入，轉(zhuǎn)KND RL A MOV R2, A AJMP LK4 KND: AJMP KEY1 KS1: MOV DPTR, #7F01H ;全“0”—掃描口 MOV A, #00H MOVX @DPTR, A INC DPTR INC DPTR MOVX A, @DPTR ；讀鍵入狀態(tài) CPL A ANL A, #OF ；屏蔽高位 RET 結(jié) 論 通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)及本次論文的研究，可得如下結(jié)論： （1）選用電動(dòng)變量軸向輸入，經(jīng)過(guò)扭矩傳感器加載的方式。這樣更加容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸入的平穩(wěn)性和均勻性，可以得到持續(xù)穩(wěn)定的輸入扭矩。 （2）被試件的輸出端采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和加載，更容易實(shí)現(xiàn)兩者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。既可以正