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吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文
1 緒 論
現(xiàn)代社會(huì)高度發(fā)展，城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，高樓大廈曾出不窮，如何讓人們的生活富足且具有更高的安全系數(shù)，是消防人員的重大責(zé)任。救生緩降器就是在高樓出現(xiàn)火災(zāi)等危險(xiǎn)情況時(shí)，供人們逃生的裝置。該裝置主要由新型限速器、繩索卷盤、安全帶、安全鉤、掛環(huán)及連接鋼絲繩等組成，性能優(yōu)異，安全可靠。
適用范圍
該裝置適用于各類高層建筑如辦公樓、寫字樓、公共娛樂場所、賓館、飯店、住宅、公寓、商廈、機(jī)關(guān)、醫(yī)院、學(xué)校等場所配備，并是消防部門施救裝置，還可用于高空作業(yè)等需勻速緩降的場合。
產(chǎn)品特點(diǎn)
1.降速平穩(wěn)，安全可靠。采用最新技術(shù)，完全消除重力加速度，降速平穩(wěn)均勻，限速阻尼感、安全感強(qiáng)，無空程。檢測結(jié)果表明：在使用載荷25-100kg時(shí)的下降速度為 0.5-2.0m/s，重復(fù)下降速度偏差≤±5%。
2.自動(dòng)+手動(dòng)，可懸停。除限速器自動(dòng)調(diào)速外，還可進(jìn)行手動(dòng)降速干預(yù)，可剎車懸停。
3.安全裕度高，使用壽命長。采用純裸鍍鋅鋼絲繩，強(qiáng)度高、阻燃、壽命長。
4.靈活實(shí)用的兩種使用方式。該裝置研制出便攜式（手提箱）和固定安裝式（壁掛箱）兩種產(chǎn)品，既可供多人（操控）穩(wěn)定使用，又可供個(gè)人（操控）移動(dòng)使用。
5.設(shè)計(jì)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)緊湊。限速器采用精鑄鋁合金外殼，精美，輕質(zhì)（僅重2.5kg）。
49
2 總體方案設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)題目：緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求：
1） 了解緩降器性能試驗(yàn)機(jī)的用途，主要構(gòu)成；策劃系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方案。
2） 了解緩降器性能試驗(yàn)機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)緩降器性能試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
3） 完成緩降器性能試驗(yàn)機(jī)的電氣部分設(shè)計(jì)。包括：直流電機(jī)的加載原理，直流電機(jī)控制器的控制電路，拉力測量電路設(shè)計(jì)，線速度測量電路設(shè)計(jì)，微機(jī)計(jì)數(shù)卡的原理框圖，控制軟件流程圖。
4） 完成翻譯譯文，最少工作量為5000漢字。
5） 針對本課題內(nèi)容需要繪制4張工作圖，撰寫2萬字設(shè)計(jì)說明書。
設(shè)計(jì)參數(shù)：1、繩的直徑：4mm。2、下降速度：1.5～2.0m/s。3、承載力：100kg。4、機(jī)架高度：1.5～2.0m。5、脈沖測長：100m。6、調(diào)速器：歐陸直流調(diào)速器。7、采集卡：宏拓7484采集卡。8、電磁離合器：2個(gè)，一開一合。
本設(shè)計(jì)為緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程中，需要由電機(jī)提供動(dòng)力。而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，傳遞的轉(zhuǎn)矩則較小，故不能將電動(dòng)機(jī)輸出軸和電磁離合器輸入軸直接聯(lián)結(jié)，須經(jīng)過減速、增扭過程，再與電磁離合器輸入軸聯(lián)結(jié)。在設(shè)計(jì)中，一般采用減速器作為電動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間的聯(lián)結(jié)裝置。在本設(shè)計(jì)中，我們采用錐齒-圓柱齒輪減速器做聯(lián)結(jié)裝置，將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過減速器傳遞給電磁離合器。電磁離合器通過繞在其上面的緩降繩與緩降盤聯(lián)結(jié)，緩降盤上裝有拉力傳感器，通過傳感器測定通過緩降盤的拉力的變化，傳遞給采集卡及微機(jī)控制系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)上裝有測速發(fā)電機(jī)，測定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。
在設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)和減速器之間通過V帶或聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，減速器和電磁離合器之間通過聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇V帶或聯(lián)軸器作為電動(dòng)機(jī)輸出軸與減速器輸入軸之間的聯(lián)接裝置。在設(shè)計(jì)中，一般將機(jī)器之間的傳動(dòng)設(shè)計(jì)成直線聯(lián)結(jié)形式，因此，我們選擇聯(lián)軸器作為減速器輸出軸和電磁離合器輸入軸之間的聯(lián)接裝置，選擇V帶作為電動(dòng)機(jī)輸出軸與減速器輸入軸之間的聯(lián)結(jié)裝置。之所以選擇錐齒-圓柱齒輪減速器，是因?yàn)橛盟蓪?shí)現(xiàn)將機(jī)器設(shè)計(jì)成直線傳動(dòng)形式的目的。考慮到減速的程度問題，選擇兩級錐齒-圓柱齒輪減速器。
綜上所述，系統(tǒng)總體傳動(dòng)方案如圖2.1所示。
在檢測中，需采集緩降繩所受拉力的大小及其下降速度的大小，將兩個(gè)參數(shù)分別列在坐標(biāo)軸橫縱坐標(biāo)上。當(dāng)拉力在245N～980N之間變化時(shí)，下降速度在1.5～2.0m/s之間變化，則試驗(yàn)機(jī)是合格的，可作為救生裝置裝在樓道內(nèi)。
實(shí)際上，我們是通過測定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來間接測定緩降繩的下降速度的。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測定是同過測速發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，具體測定過程見6.4節(jié)。
緩降繩下降速度-所受拉力（V-F曲線）曲線如圖2.2 所示。
3 電動(dòng)機(jī)的選擇
3.1 選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和結(jié)構(gòu)型式
電動(dòng)機(jī)的選擇既要考慮實(shí)用性、節(jié)能型，又要考慮其滿足設(shè)計(jì)要求的性能，在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中，人的重量為:25Kg～100 Kg,下降速度為:1.0m/s～1.5 m/s,設(shè)計(jì)中，我們均取最大值，作為緩降繩所受拉力和下降速度，則拉力F=mg=1000N,V=2 m/s,去工作機(jī)效率=0.9，可求得工作機(jī)（即電磁離合器繞繩輪）功率為：
===2.22KW (3-1)
式中，
——工作機(jī)效率；
––工作機(jī)要求的輸入功率；
F——工作機(jī)阻力；
V——工作機(jī)線速度。
電動(dòng)機(jī)所需的輸出功率為：
=（KW） (3-2)
式中，
––工作機(jī)要求的輸入功率；
––電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)效率。
設(shè)計(jì)中要求電動(dòng)機(jī)額定功率≥。
電動(dòng)動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)效率：=…
由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)查得V帶、軸承、聯(lián)軸器等的傳動(dòng)效率分別為：0.98、0.99、0.97、0.99、0.97、0.99、0.98，則
=0.98×0.99×0.97×0.99×0.97×0.99×0.98
=0.8768
則===2.532KW
故≥=2.532 KW。
取工作機(jī)鼓輪直徑（即電磁離合器繞繩輪直徑）D=400mm,則工作機(jī)軸轉(zhuǎn)速為：
===95.54r/min (3-3)
查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)表2-3，2-4知，錐齒-圓柱齒輪減速器傳動(dòng)比范圍為i=8~15,則電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為：=×=（8~15）×95.54 = （764.32~1433.1） r/min,查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)表2.1-2，取電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為：1000 r/min，電機(jī)額定功率為：=3KW，電機(jī)型號(hào)為：Y132S-6，將電機(jī)型號(hào)及主要尺寸列表如下
（表3.1）：
表3.1 電機(jī)型號(hào)及主要尺寸
型號(hào)
額定功率
（KW）
滿載功率
（r/min）
同步轉(zhuǎn)速
（r/min）
電機(jī)中心高
（mm）
外伸軸直徑和長度D×E
（mm）
Y132S-6
3
960
1000
132
38×80
3.2 分配傳動(dòng)比
電動(dòng)機(jī)選定以后，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速及工作機(jī)轉(zhuǎn)速即可確定傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比為：
i===10.01 。
下面將總傳動(dòng)比分配給錐齒-圓柱齒輪減速器，由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教材，對于錐齒-圓柱齒輪減速器，取錐齒輪傳動(dòng)比為=0.25i，并應(yīng)使≤3，最大允許＜4，我們?nèi)?0.25i=0.25×10.01=2.512≤3，取整數(shù)=2.5，符合要求。對于圓柱齒輪，要求=3~5，而實(shí)際上=i/=10.01/2.5=4.004，取=4，符合要求。
故錐齒輪和圓柱齒輪傳動(dòng)比分別為：=2.5，=4。
3.3 傳動(dòng)裝置動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)
3.3.1 各軸轉(zhuǎn)速
===960 r/min，
===384 r/min，
===96 r/min，
==96 r/min。
3.3.2 各軸功率
=×=2.532×0.98=2.4814KW，
=××=2.4814×0.99×0.97=2.3829 KW，
=××=2.3829×0.99×0.97=2.2883 KW，
=××=2.2883×0.99×0.98=2.22 KW。
3.3.3 各軸轉(zhuǎn)矩
=9550=9550=24.6887 N·m,
=9550=9550=59.2622 N·m,
=9550=9550=227.6382 N·m,
=9550=9550=220.8438 N·m。
將傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果列表如下（表3.2）：
4 減速器設(shè)計(jì)
由總體方案知，采用錐齒-圓柱齒輪減速器作為減速裝置，在減速器的設(shè)計(jì)中，總體尺寸主要由錐齒輪及圓柱齒輪的尺寸決定，因此，錐齒輪及圓柱齒輪的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。
4.1 圓錐齒輪設(shè)計(jì)
1. 選擇齒輪材料、熱處理
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用閉式軟齒輪設(shè)計(jì)。
大齒輪：45#，正火，齒面硬度：190～200HBS；
小齒輪：45#，調(diào)質(zhì)，齒面硬度：220～230HBS。
2. 選擇齒輪精度等級、齒數(shù)、齒寬系數(shù)
緩降器性能試驗(yàn)機(jī)為一般性提升、移位裝置，故選用8級精度。
對閉式軟齒輪，推薦小齒輪齒數(shù)=20～40,選=30，則
=×=75. ==2.5=。
由機(jī)械設(shè)計(jì)教材知，齒寬系數(shù)=0.25～0.3，取=0.26。
3. 確定相關(guān)參數(shù)
cos===0.9285, =，
cos===0.3714, =，
當(dāng)量齒數(shù)：===32.31，取=32，
===201.94，取=202，
當(dāng)量齒輪端面重合度： 。
4. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由≥ （4-1）
確定式中各項(xiàng)數(shù)值：
由表3.2知，==24.6887× N·mm,
載荷受中等沖擊，查機(jī)械設(shè)計(jì)（以下簡稱機(jī)設(shè)），初選載荷系數(shù)=1.5，
查機(jī)設(shè)表9-7，取彈性系數(shù)=189.8,
查機(jī)設(shè)圖9-14，取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=2.5，
由 =1.7651，查機(jī)設(shè)圖9-13，取接觸強(qiáng)度重合度系數(shù)=0.875。
由機(jī)設(shè)式9-11知，
=· （4-2）
分別查機(jī)設(shè)圖9-16（d）, 9-16（c）,取=525MPa，=390 MPa，
查機(jī)設(shè)表9-8，取=1.25，
對，設(shè)錐齒輪工作壽命為10年，則
，
，
查機(jī)設(shè)圖9-15，取，，
將以上各參數(shù)代入式（4-2），得
=·=×1=420 MPa，
=·=×1.15=359 MPa，
取=359 MPa設(shè)計(jì)。
將以上求得的、、、u、、、、代入式（4-1），得
≥
=
= 77.95mm,
則V===3.92m/s,
由機(jī)設(shè)表9-5，取=1.5，
由機(jī)設(shè)圖9-7，取=1.17，
又錐齒輪齒寬系數(shù)====0.4，
查機(jī)設(shè)圖9-10，取=1.11，查機(jī)設(shè)圖9-6，取=1.2，則
K==1.5×1.17×1.11×1.2=2.34,
所以，==77.95=90.94mm,
由= m, 所以m===3.013mm,由機(jī)設(shè)表9-1，選m=3。
錐齒輪主要幾何尺寸如下：
= m=3×30=90mm,
= m=3×75=225mm,
R ===121.17mm,
b=·R = 0.26·121.17=31.50mm,
因錐齒輪大小齒輪寬度相等，取齒寬==32mm,
=-2cos=-2×1.2m×cos=90-2×1.2×3×0.9285=83.315mm,
=-2cos=-2×1.2m×cos
=225-2×1.2×3×0.3714=222.326mm,
=+2cos=+2m×cos=90+2×1×3×0.9285=95.571mm,
=+2cos=+2m×cos=225+2×1×3×0.3714=227.228mm。
5. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
由 （4-3）
確定、、、：
由機(jī)設(shè)知，，
當(dāng)量齒數(shù) ，
，
查機(jī)設(shè)圖9-19，取=2.48，，
查機(jī)設(shè)圖9-20，取，，
查機(jī)設(shè)圖9-22（c），在ML上取，
同理，在機(jī)設(shè)圖9-22（d）上取，
查機(jī)設(shè)表9-8（c）,取，又應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，，查機(jī)設(shè)圖9-21，取，，故
，
，
將確定出的各項(xiàng)數(shù)值代入彎曲強(qiáng)度校核公式（4-3），得
，
故齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。
4.2 圓柱齒輪設(shè)計(jì)
1. 選擇齒輪材料、熱處理
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選閉式軟齒輪設(shè)計(jì)。
大齒輪：45#，正火，齒面硬度：190～200HBS；
小齒輪：45#，調(diào)質(zhì)，齒面硬度：230～240HBS。
2. 選擇齒輪精度等級、齒數(shù)、螺旋角
因緩降器性能試驗(yàn)機(jī)為一般性提升、移位裝置，故選用8級精度。
對閉式軟齒輪，推薦小齒輪齒數(shù)=20～40,選=25，則
，==4=。
初選螺旋角。
3. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由 （4-4）
確定式中各項(xiàng)數(shù)值：
由表3.2知，==59.2622× N·mm,
因載荷平穩(wěn)，初選載荷系數(shù)，
查機(jī)設(shè)表9-10，取齒寬系數(shù)，
查機(jī)設(shè)表9-7，取彈性系數(shù)=189.8,
查機(jī)設(shè)圖9-14，取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=2.42，
由式9-7，端面重合度，
縱向重合度，
查機(jī)設(shè)圖9-13，取接觸強(qiáng)度重合度系數(shù)，
又螺旋角系數(shù)，
設(shè)圓柱齒輪工作壽命為10年，由機(jī)設(shè)式9-12得應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
，
，
查機(jī)設(shè)圖9-15，取接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)，，
查機(jī)設(shè)圖9-16（d）,按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在MQ和ML線中間（適當(dāng)延長MQ和ML線）查得小齒輪接觸疲勞極限，同理，在圖（d）上查得大齒輪接觸疲勞極限，
查機(jī)設(shè)表9-8，取齒輪最小安全系數(shù)，則許用接觸應(yīng)力
，
，
取設(shè)計(jì)。
將以上所求各數(shù)據(jù)代入式（4-4），得
=
= 49.94mm,
則,
由機(jī)設(shè)表9-5，取使用系數(shù)，
由機(jī)設(shè)圖9-7，取動(dòng)載系數(shù)，
由機(jī)設(shè)圖9-10，取齒向載荷分布系數(shù)，
由機(jī)設(shè)圖9-6，取齒間載荷分配系數(shù)，則載荷系數(shù)
，
，
，
由機(jī)設(shè)表9-1，取斜齒圓柱齒輪模數(shù)。
圓柱齒輪主要幾何尺寸為：
中心距,取。
螺旋角，
故。
，
，
，
取大齒輪齒厚，小齒輪齒厚。
5. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
由 （4-5）
計(jì)算當(dāng)量齒輪端面重合度，
由機(jī)設(shè)表9-11知，端面壓力角
基圓柱上的螺旋角的余弦為
，
故，
由機(jī)設(shè)式9-13，重合度系數(shù)，
由機(jī)設(shè)圖9-28，取螺旋角系數(shù)，
當(dāng)量齒數(shù) ，
查機(jī)設(shè)圖9-19，取齒形系數(shù)，，
查機(jī)設(shè)圖9-20，取應(yīng)力修正系數(shù)，，
查機(jī)設(shè)圖9-21，取彎曲疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)，，
由機(jī)設(shè)9-22（c）, 按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在ML線（適當(dāng)延長）上查得小齒輪彎曲疲勞極限，同理，在圖（d）上查得大齒輪彎曲疲勞極限，
查機(jī)設(shè)表9-8，取齒輪最小安全系數(shù)，則許用彎曲應(yīng)力
，
，
將以上所求各數(shù)據(jù)代入式（4-5），得
，
故齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。
4.3 錐齒-圓柱齒輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)小結(jié)
4.3.1 錐齒輪數(shù)據(jù)
;;;;;;
;;;;;
;。
4.3.2 圓柱齒輪數(shù)據(jù)
;;;;;；；；;； ；
;;
；
；
。
4.4 軸、軸承、鍵及聯(lián)軸器型號(hào)的選擇
由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（以下簡稱機(jī)設(shè)課設(shè)），初估軸徑：，
電機(jī)軸：，取；
Ⅰ軸：，??；
Ⅱ軸：，取；
Ⅲ軸：，取。
4.4.1 Ⅰ-Ⅰ軸上軸徑、軸承、鍵及油封的確定
4.4.1.1 Ⅰ-Ⅰ軸上各軸段直徑
根據(jù)初估軸徑，取，則由機(jī)設(shè)課設(shè)得其他軸段直徑分別為：
，
取；
Ⅲ-Ⅳ軸段上有角接觸球軸承，
初取 ，
由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.4-3，??；
；
Ⅴ-Ⅵ軸段上有角接觸球軸承且應(yīng)和Ⅲ-Ⅳ軸段上軸承型號(hào)尺寸相同，故
；
。
所以各軸段直徑分別為：；；；
；；。
Ⅰ-Ⅰ軸上各軸段直徑尺寸及軸承安裝如圖4.1所示。
4.4.1.2 Ⅲ-Ⅳ及Ⅴ-Ⅵ軸段上軸承的確定
由機(jī)設(shè)課設(shè)，確定兩軸承的型號(hào)及尺寸如下：
型號(hào)：滾動(dòng)軸承7208C GB292-83
尺寸：
4.4.1.3 Ⅰ-Ⅱ軸段及Ⅵ-Ⅶ軸段上鍵的確定
Ⅰ-Ⅱ軸段上鍵：由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1，查得鍵
型號(hào)：鍵 GB1096-79
高度：；
Ⅵ-Ⅶ軸段上鍵：由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1，查得鍵
型號(hào)：鍵 GB1096-79
高度：。
4.4.1.4 Ⅱ-Ⅲ軸上油封的確定
因Ⅱ-Ⅲ軸軸徑，由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.5-4，確定油封的型號(hào)及尺寸如下：
型號(hào)：墊圈油封30 FZ/T92010-91
尺寸：，，。
4.4.2 Ⅱ-Ⅱ軸上軸徑、軸承、鍵的確定
方法同上，確定各尺寸如下：
1. 軸徑
；；；
；。
Ⅱ-Ⅱ軸上各軸段直徑尺寸及軸承安裝如圖4.2所示。
2. 軸承
型號(hào)：滾動(dòng)軸承7206C GB292-83
尺寸：
3. 鍵
Ⅱ-Ⅲ軸段上鍵：由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1，查得鍵
型號(hào)：鍵 GB1096-79
高度：；
Ⅳ-Ⅴ軸段上鍵：由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1，查得鍵
型號(hào)：鍵 GB1096-79
高度：。
4.4.3 Ⅲ-Ⅲ軸上軸徑、軸承、鍵及聯(lián)軸器的確定
方法同上，確定各尺寸如下：
1. 軸徑
；；；；
；；。
Ⅲ-Ⅲ軸上各軸段直徑尺寸及軸承安裝如圖4.3所示。
2. 軸承
型號(hào)：滾動(dòng)軸承7210C GB292-83
尺寸：
3. 鍵
Ⅱ-Ⅲ軸段上鍵：由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1，查得鍵
型號(hào)：鍵 GB1096-79
高度：；
Ⅶ-Ⅷ軸段上鍵：由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1，查得鍵
型號(hào)：鍵 GB1096-79
高度：。
4. 聯(lián)軸器
型號(hào)：YL7聯(lián)軸器 GB5843-86
長度：。
5 其它機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
5.1.1 帶傳動(dòng)的類型
帶傳動(dòng)是在兩個(gè)或多個(gè)帶輪之間用帶作為拉曳元件來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種撓性件傳動(dòng)。
帶傳動(dòng)分為摩擦傳動(dòng)和嚙合傳動(dòng)兩類。平帶﹑V帶﹑多楔帶﹑圓帶都是利用帶與帶之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的，同步帶則是靠帶齒與輪齒相嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。
5.1.2 帶傳動(dòng)的選擇
平帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)最簡單，帶輪也容易制造，使用成本低廉，形式多樣，傳動(dòng)中心距較大，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用較多。
V帶是一般機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的。V帶的橫截面呈等腰梯形，帶輪上也做出相應(yīng)的輪槽。傳動(dòng)時(shí)，V帶只和輪槽的兩個(gè)側(cè)面接觸，即以兩側(cè)面為工作面。根據(jù)槽面摩擦原理，在同樣的張緊力下，V帶傳動(dòng)較平帶傳動(dòng)能產(chǎn)生更大的摩擦力。V帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比較大，結(jié)構(gòu)較緊湊，并且V帶多已標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn)，因而V帶傳動(dòng)的應(yīng)用比平帶傳動(dòng)廣泛得多。
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中，我們采用V帶傳動(dòng)，將電機(jī)的輸出功率等傳遞給減速器。
5.1.3 V帶輪設(shè)計(jì)
1． V帶輪設(shè)計(jì)的要求
設(shè)計(jì)V帶輪時(shí)應(yīng)滿足的要求有：質(zhì)量??；結(jié)構(gòu)工藝性好；無過大的鑄造內(nèi)應(yīng)力；質(zhì)量分布均勻；轉(zhuǎn)速高時(shí)要經(jīng)過動(dòng)平衡；輪槽工作面要精加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。
2． 帶輪的材料
帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用的材料牌號(hào)為HT150或HT200；轉(zhuǎn)速較高時(shí)宜采用鑄鋼；小功率時(shí)可用鑄鋁或塑料。
在本設(shè)計(jì)中，我們采用HT200作為帶輪的材料。
3． 結(jié)構(gòu)尺寸
鑄鐵制V帶輪的典型結(jié)構(gòu)有以下幾種形式：（1）實(shí)心式；（2）腹板式；（3）孔板式；（4）橢圓剖面輪輻式。
帶輪基準(zhǔn)直徑 (d為軸的直徑， mm)時(shí)，采用實(shí)心式；時(shí)，采用腹板式（當(dāng)時(shí)，采用孔板式）；時(shí)，采用輪輻式。
帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)帶輪的基準(zhǔn)直徑選擇結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)帶的型號(hào)確定輪槽尺寸，如圖5.1所示，根據(jù)普通V帶輪的結(jié)構(gòu)形式及尺寸，確定電動(dòng)機(jī)輸出軸上V帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸如下：
；；；；；。
減速器輸入軸上V帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸如下：
；；；；；。
5.2 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)
5.2.1 聯(lián)軸器的分類
聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中一種常用軸系部件，它的基本功能是聯(lián)結(jié)兩軸，并傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩，并兼有安全保險(xiǎn)的作用。
聯(lián)軸器的種類較多，通常根據(jù)對相應(yīng)位移有無補(bǔ)償能力劃分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類。
剛性聯(lián)軸器對相應(yīng)位移無補(bǔ)償能力，且全部由剛性零件組成，也沒有緩沖減振能力，故適用于要求被聯(lián)結(jié)的兩軸嚴(yán)格對中，載荷平穩(wěn)的場合。
撓性聯(lián)軸器具有撓性，對相應(yīng)位移具有補(bǔ)償能力。按是否具有彈性元件又分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓性聯(lián)軸器兩種。有彈性元件的撓性聯(lián)軸器可以依靠彈性元件的變形與儲(chǔ)能性來緩沖﹑減振，改善傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能。
5.2.2 聯(lián)軸器的選擇
凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單﹑成本低﹑可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，在低速﹑無沖擊﹑軸的剛性大﹑對中性較好時(shí)常采用凸緣聯(lián)軸器。
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中，減速器輸出軸與電磁離合器輸入軸的聯(lián)結(jié)要求無沖擊，兩軸的剛性強(qiáng)，對中性要好，故選用凸緣聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)兩軸。我們知道，聯(lián)軸器所聯(lián)兩軸的尺寸由聯(lián)軸器決定，結(jié)合其所聯(lián)兩軸（減速器輸出軸與電磁離合器輸入軸）的尺寸大小，選擇聯(lián)軸器型號(hào)及尺寸如下：
型號(hào)：YL7聯(lián)軸器 GB5843-86
長度：。
5.3 電磁離合器的選擇
5.3.1 電磁離合器的特點(diǎn)
電磁離合器是利用通過激磁線圈的電流所產(chǎn)生的磁力來操縱離合器的各種結(jié)合元件，以達(dá)到離合器的接合或分離。
電磁離合器具有結(jié)構(gòu)簡單、操縱方便等優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（一） 提高系統(tǒng)的機(jī)械性能
1. 傳動(dòng)系統(tǒng)使用電磁離合器后，可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的快速啟動(dòng)，快速制動(dòng)及頻繁
的正反向控制。由于電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)不直接連接，在啟動(dòng)或制動(dòng)過程中，避免電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過大的沖擊電流。
2. 能使傳動(dòng)系統(tǒng)獲得較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)力矩通常為額定力矩的1.5～2.0倍，在電磁離合器作傳動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)過程中，可利用電動(dòng)機(jī)的慣性能量來增加 啟動(dòng)力矩。一般可增加到電動(dòng)機(jī)額定力矩的2.5～3.0倍。所以，在傳動(dòng)系統(tǒng)的相同條件下，利用電磁離合器啟動(dòng)，能使電動(dòng)機(jī)的容量減小。
3. 除牙嵌式電磁離合器外，其它形式的電磁離合器均可以在較頻繁地接地和脫開的場合下應(yīng)用。
4. 利用電的控制方法，可調(diào)節(jié)電磁離合器的力矩上升時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的連續(xù)平滑啟動(dòng)。
5. 利用磁粉或轉(zhuǎn)差式電磁離合器的力矩調(diào)節(jié)特性，可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的精密調(diào)節(jié)。又可利用其力矩與滑差速度無關(guān)的特性，在機(jī)械裝置中實(shí)現(xiàn)恒張力控制。
6. 能實(shí)現(xiàn)分支啟動(dòng)和多元化利用電動(dòng)機(jī)動(dòng)力。
7. 與所傳遞的力矩相比，電磁離合器耗能很小。
（二）提高傳動(dòng)系統(tǒng)的操作性能
1. 可實(shí)現(xiàn)集中控制與遠(yuǎn)距離操縱。
2. 能簡化操作程序，減少操作時(shí)間。
3. 容易實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化。
（三）操作安全和具有過載保護(hù)
1. 減少誤操作和誤動(dòng)作，提高操縱安全性。
2. 除牙嵌式電磁離合器外，其它形式的電磁離合器均可以起到過載保護(hù)的作用。
（四）維護(hù)方便，控制簡單
機(jī)械式、液壓式、氣動(dòng)式離合器均需配備操縱桿、管路、閥門和測量儀表等輔助設(shè)備，而電磁離合器控制線路卻很簡單，維護(hù)也方便。特別是濕式電磁離合器在正常使用中，其壽命是半永久性的。
當(dāng)然，電磁離合器也有其缺點(diǎn)，主要有以下幾點(diǎn)：
1. 剩磁問題，嚴(yán)重影響離合器的動(dòng)特性，使其力矩時(shí)間曲線上出現(xiàn)無響應(yīng)區(qū)。盡管人們?yōu)橄姶烹x合器剩磁問題作了不少努力，但仍不能滿意地解決這個(gè)問題。
2. 電磁離合器屬于磁性物件，在使用中有關(guān)部件被不同程度地磁化，吸引鐵屑影響傳動(dòng)系統(tǒng)壽命和精度。
3. 在使用中電磁離合器的發(fā)熱也是不可避免的。如果電磁離合器在傳動(dòng)系統(tǒng)中的位置不當(dāng)或散熱不良，均能影響傳動(dòng)系統(tǒng)得精度。
5.3.2 電磁離合器的分類
電磁離合器的分類比較復(fù)雜，但歸納起來可分為四種類型：
（一）摩擦片式電磁離合器；
（二）牙嵌式電磁離合器；
（三）磁粉式電磁離合器；
（四）轉(zhuǎn)差片式電磁離合器。
摩擦片式電磁離合器按不同情況可分為：
1. 根據(jù)使用條件可分為：濕式和干式。
濕式在使用時(shí)，用油來潤滑摩擦片和進(jìn)行冷卻。
干式在空氣中使用，不 加油，自冷。
2. 根據(jù)摩擦片在磁路中的情況，可分為在磁路內(nèi)和在磁路外兩種。
摩擦片在磁路內(nèi)，摩擦片本身是磁路的一部分，有磁力線通過。
摩擦片在磁路外，在摩擦片中沒有磁力線通過。
3. 根據(jù)線圈供電方式，有線圈靜止式和線圈回轉(zhuǎn)式兩種。
線圈靜止式就是由饋線直接供電，沒有集電環(huán)。
線圈回轉(zhuǎn)式則用電刷、集電環(huán)供電。
4. 根據(jù)摩擦片數(shù)目，有單片式和多片式。
單片式只有一對摩擦片。
多片式有兩對以上的摩擦片。
5. 根據(jù)摩擦片的磨損調(diào)整方式，可分為自動(dòng)調(diào)整式和人工調(diào)整式。
自動(dòng)調(diào)整式要有特殊的磨損自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)。
人工調(diào)整式則是在摩擦片達(dá)到某一磨損量時(shí)，需要人工進(jìn)行調(diào)整摩擦片間的間隙。
牙嵌式電磁離合器通常分為有滑環(huán)和無滑環(huán)兩種。
磁粉式電磁離合器又可根據(jù)供電方式、氣隙形式和勵(lì)磁線圈位置來分類。
1. 根據(jù)供電方式，磁粉式電磁離合器分為線圈回轉(zhuǎn)式和線圈靜止式兩種。線圈靜止式離合器供電方式簡單，應(yīng)用較多。
2. 根據(jù)氣隙，可分為單隙式和復(fù)隙式。
單隙式結(jié)構(gòu)簡單。
復(fù)隙式磁粉離合器有雙層磁粉氣隙結(jié)構(gòu)，它相當(dāng)于多片型摩擦離合器。復(fù)隙式磁粉離合器的特點(diǎn)是：外形尺寸小，能獲得較大的傳遞力矩；能使輸出軸的慣性力矩設(shè)計(jì)得較小，從而提高離合器的反應(yīng)速度。
復(fù)隙式磁粉離合器又可分為非分離復(fù)隙式磁粉離合器和分離復(fù)隙式磁粉離合器兩種。
3. 根據(jù)線圈位置，有外置線圈、內(nèi)置線圈和側(cè)置線圈三種形式。
外置線圈是將勵(lì)磁線圈裝于外部，而磁粉氣隙則在線圈的內(nèi)側(cè)。內(nèi)置線圈幾乎全是線圈回轉(zhuǎn)型的。側(cè)置線圈僅用于非分離復(fù)隙式結(jié)構(gòu)中。
轉(zhuǎn)差式電磁離合器有雙電樞和單電樞之分。單電樞又分為爪式和感應(yīng)式兩種。饋電方式也分靜止式和回轉(zhuǎn)式。
5.3.3 各種電磁離合器的使用范圍
（一）濕式有滑環(huán)多摩擦片的電磁離合器
優(yōu)點(diǎn)：摩擦片幾乎沒有磨損，不必調(diào)整，壽命長。
缺點(diǎn)：有空轉(zhuǎn)力矩、殘余力矩衰減過程時(shí)間長，接合與脫開動(dòng)作遲緩，接合頻率有限，要有給油裝置。
使用范圍：
1. 不允許摩擦片因磨損而產(chǎn)生鐵屑的場合；
2. 多油的條件；
3. 要求外形尺寸小，結(jié)合功不大的場合；
4. 裝拆不太方便的地方。
（二）干式有滑環(huán)多摩擦片的電磁離合器
優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)作快；空轉(zhuǎn)力矩小。
缺點(diǎn)：摩擦片有磨損；為了進(jìn)行人工填證摩擦片的間隙，在機(jī)械上要提供方便，因此占用空間較大；允許接合功??；溫升高會(huì)出現(xiàn)摩擦性能衰減現(xiàn)象。
使用范圍：
1. 要求動(dòng)作快，接合功小而力矩大的場合；
2. 便于調(diào)整的場合。
（三）干式有滑環(huán)單摩擦片的電磁離合器
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低；動(dòng)作快；允許接合功大；接合頻率高；沒有空轉(zhuǎn)力矩；動(dòng)力矩調(diào)節(jié)方便。
缺點(diǎn)：徑向尺寸大；摩擦片會(huì)磨損，常需更換；溫升太高會(huì)出現(xiàn)摩擦性能衰減現(xiàn)象。
使用范圍：
1. 對徑向尺寸沒有限制；
2. 操作頻率高；
3. 要求接合功大、動(dòng)作快。
（四）牙嵌式電磁離合器
優(yōu)點(diǎn)：傳遞力矩大；沒有空轉(zhuǎn)力矩；沒有磨損，不必調(diào)整；沒有摩擦發(fā)熱；傳動(dòng)無滑差；脫開快；能干濕兩用。
缺點(diǎn)：一般在停車中接合，接合時(shí)沒有摩擦片式的緩沖作用，有沖擊。
使用范圍：
1. 允許停車接合或負(fù)載力矩及慣量很小的場合；
2. 不希望有空轉(zhuǎn)力矩的場合；
3. 要求無滑差傳動(dòng)的場合。
（五）濕式無滑環(huán)多摩擦片的電磁離合器
這種離合器與有滑環(huán)離合器相比有如下特點(diǎn)：
1. 線圈處于固定靜止?fàn)顟B(tài)，能不間斷平穩(wěn)地引入電流，減少了元件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，特別有利于勵(lì)磁電路和控制電路的設(shè)計(jì)與布置；
2. 可避免電刷與滑環(huán)接觸時(shí)所產(chǎn)生的火花現(xiàn)象，因而較有滑環(huán)式安全可靠，特別是能符合防爆安全的使用條件；
3. 和有滑環(huán)相比不怕振動(dòng)，不怕高速磨損，因而不需要更換電刷和滑環(huán)，特別適合于不宜拆裝的位置；
4. 由于磁性組件與傳動(dòng)部分之間保持著氣隙，對離合器的斷開特性有很大好處；
5. 必須在有潤滑油的情況下使用。潤滑方式可以用外滴油法、油霧法及由
軸心供油的辦法等。
由于這種離合器結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，操作方便，運(yùn)行可靠，故被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、紡織、造紙、化工等工業(yè)部門和機(jī)械傳動(dòng)裝置中，大大地提高了機(jī)械自動(dòng)化水平。
（六）轉(zhuǎn)差式電磁離合器
這種離合器啟動(dòng)平穩(wěn)，可以用來限制由電動(dòng)機(jī)傳給從動(dòng)軸的力矩振動(dòng)，平穩(wěn)接通及斷開運(yùn)動(dòng)鏈，又可作為制動(dòng)裝置和安全保護(hù)裝置。在具有通風(fēng)機(jī)負(fù)載的深度調(diào)節(jié)問題上，這種離合器提供了解決的途徑。若改變接入的勵(lì)磁電流，輸出力矩便改變，轉(zhuǎn)差也隨之改變，所以可用于普通機(jī)床的主傳動(dòng)中，還可以用于壓力機(jī)、拉絲機(jī)等專用機(jī)床上。
（七）磁粉式電磁離合器
特點(diǎn)：
1. 輸出力矩與它的轉(zhuǎn)速無關(guān)；
2. 在整個(gè)工作范圍內(nèi)，力矩隨勵(lì)磁電流成線性地變化，因此具有很大的調(diào)整倍數(shù)；
3. 電磁時(shí)間常數(shù)最?。s毫秒級），沒有機(jī)械移動(dòng)的過渡過程，從動(dòng)部分慣性??；
4. 接通及控制無沖擊；
5. 所有滑動(dòng)都被局限在工作氣隙中，因此接合面能自動(dòng)地防磨損；
6. 在整個(gè)工作過程中，不需調(diào)整氣隙。
除了具有摩擦式電磁離合器的功用外，磁粉式電磁離合器還特別適用于連續(xù)滑動(dòng)工作。所以，它可以組成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無級變速。但在使用過程中要特別注意磁粉老化、高溫和密封三個(gè)問題。
上面敘述了各種電磁離合器的一般使用范圍，但選型時(shí)應(yīng)該全面地掌握各種電磁離合器的結(jié)構(gòu)性能，按照用途和使用目的進(jìn)行綜合考慮，選定合適的電磁離合器，才能有效地達(dá)到預(yù)期使用效果。
5.3.4 電磁離合器在機(jī)械傳動(dòng)裝置上的應(yīng)用形式
電磁離合器的應(yīng)用已經(jīng)遍及所有機(jī)械行業(yè)。小到儀表系統(tǒng)的調(diào)速，大到軋鋼機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)，都有電磁離合器的身影出現(xiàn)。在機(jī)械裝置中，電磁離合器的應(yīng)用形式主要有以下幾種：
（一）作為動(dòng)力連接
所謂動(dòng)力連接時(shí)指將電磁離合器設(shè)置在同一中心線上的兩根軸之間，在對接狀態(tài)下將兩根軸連接起來，也能自由地分離開，以此為主要目的的作用叫連接。
（二）用作傳動(dòng)離合
離合是這樣一種作用，在一根軸上用電磁離合器來控制著傳遞給其它軸的動(dòng)力。
這種作用的離合器結(jié)構(gòu)如圖5.2所示，它用兩個(gè)離合器互相連接在一起，并與負(fù)載軸組裝成一體，磁軛與軸固定，“聯(lián)結(jié)”與軸滑動(dòng)，通斷離合器的電源就能變換傳動(dòng)的動(dòng)力。
傳動(dòng)離合器可以實(shí)現(xiàn)分支驅(qū)動(dòng)，即在一個(gè)動(dòng)力源通過電磁離合器驅(qū)動(dòng)幾個(gè)機(jī)構(gòu)的體系中，可以任意地或者根據(jù)規(guī)定的程序驅(qū)動(dòng)其中一部分機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)或停止。
這種形式的離合器將在本課程設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。
（三）用作制動(dòng)
當(dāng)離合器電源切斷時(shí)，在彈簧力的作用下實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。離合器電源接通，電磁力克服彈簧力，使原動(dòng)機(jī)軸呈自由狀態(tài)而運(yùn)轉(zhuǎn)。
（四）用于正反轉(zhuǎn)
在這種形式的應(yīng)用中，主動(dòng)軸沿一定方向旋轉(zhuǎn)，用兩個(gè)電磁離合器與其組合起來，由電磁離合器的離合作用使負(fù)載的驅(qū)動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。
利用電磁離合器實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，與利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：
1. 此結(jié)構(gòu)僅將需要反轉(zhuǎn)的部分加以反轉(zhuǎn)，故正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，可快速實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)；
2. 可以任取正反轉(zhuǎn)速比；
3. 可以利用電動(dòng)機(jī)的慣性，使所需電機(jī)的容量小，電機(jī)不因反轉(zhuǎn)時(shí)過載電流而升溫；
4. 不需要用特殊電機(jī)，使用普通電機(jī)就能獲得良好的正反轉(zhuǎn)效果；
5. 耗能少。
除了上述電磁離合器的主要用途外，電磁離合器還用于變速、高頻度運(yùn)轉(zhuǎn)及過載保護(hù)等?？傊姶烹x合器非常實(shí)用，用處也非常廣泛。
5.3.5 電磁離合器的選擇
1-固定磁軛；2-中間導(dǎo)磁體；3-永久磁鐵組；4-膜片彈簧；5-繞繩輪；6-軸
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中，要求用兩個(gè)電磁離合器相互連接在一起，裝在同一根軸上，一開一合地分別控制繞在離合器繞繩輪上的緩降繩的上升與下降。當(dāng)左側(cè)離合器與軸連接時(shí)，右側(cè)離合器則與軸脫離，緩降繩按逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)；反之，當(dāng)左側(cè)離合器與軸脫離時(shí)，右側(cè)離合器則與軸連接，緩降繩按順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)。這樣，可實(shí)現(xiàn)往復(fù)循環(huán)測試，從而能夠節(jié)省時(shí)間，提高測試的效率。
根據(jù)這一原理，我們選擇無滑環(huán)帶永久磁鐵的電磁離合器。因?yàn)椋谝?，它可以將兩個(gè)同樣類型的離合器相互連接地裝在同一根軸上，實(shí)現(xiàn)交互控制，循環(huán)使用；第二，可以將其結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將原來的帶輪結(jié)構(gòu)改換成繞繩輪結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)繞繩控制功能；第三，其結(jié)構(gòu)不是太復(fù)雜，制造較為簡單，成本較低；第四，它的工作原理淺顯易懂，符合設(shè)計(jì)要求。
下面介紹一下這種離合器的工作原理：
磁軛1及線圈固定不動(dòng)，當(dāng)線圈未通電時(shí)，永久磁鐵組3與中間導(dǎo)磁體2吸合，主動(dòng)軸6與件2以鍵連接，輸入的動(dòng)力同過膜片彈簧4傳到繞繩輪5。當(dāng)線圈通電后，建立與永久磁鐵組相反的磁場，而排斥永久磁鐵，線圈產(chǎn)生的磁場通過件2形成閉合回路，而永久磁鐵組的磁力線在其內(nèi)部形成閉合回路，離合器分離。
5.4 傳感器的選擇
5.4.1 傳感器的分類
通常，人們把能使物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚ɑ螂姶帕浚┑钠骷蛟凶鰝鞲衅鳌鞲衅饕步袚Q能器或探測器。
傳感器的分類方法很多，通常采用以下兩種方法分類傳感器。
第一種是按照傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或物理效應(yīng)分類。主要有應(yīng)變式（將被測量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電阻輸出）、電容式（利用彈性電極在輸入作用下產(chǎn)生位移，使電容量變化而輸出）、壓電式（利用壓電材料的物質(zhì)效應(yīng)，將被測量轉(zhuǎn)換成電荷輸出）、壓阻式（利用半導(dǎo)體材料和集成電路等先進(jìn)工藝制成的一種輸出電阻變化的固體傳感器）等傳感器。
第二種是按照傳感器的使用來分類。主要有壓力傳感器（測量各種壓力）、測力傳感器（測定靜壓力、動(dòng)壓力、拉壓力等）、振動(dòng)傳感器（測量振幅、速度、加速度等）、溫度傳感器（測量各種溫度）等。
5.4.2 傳感器的選擇
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中，需測定緩降繩所受的拉力變化，故選擇測力傳感器，型號(hào)為型拉力傳感器。
工作時(shí)，傳感器將感應(yīng)到的緩降繩的拉力變化轉(zhuǎn)化為電量的變化，通過宏拓7484采集卡，將電量的變化傳遞到微機(jī)上，顯示出來。
6 數(shù)據(jù)采集與處理
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)中，拉力傳感器感應(yīng)并將采集到的信息傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其目的是：
1） 將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的離散數(shù)據(jù)信號(hào)。
2） 還原采集到的電信號(hào)的物理意義。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被采集的物理量
（溫度、壓力、流量等）經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后變成電量，因而采集到的數(shù)據(jù)是以電量的形式表現(xiàn)的。它雖然含有被采集物理量的信息，但沒有明確的物理意義，不便于處理和使用，必須把它還原成原來對應(yīng)的物理量。
3） 消除數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)。在數(shù)據(jù)的采集、傳送和轉(zhuǎn)換過程中，由于系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾和噪聲的影響，會(huì)在采集的數(shù)據(jù)中混入干擾信號(hào)，因而應(yīng)采用各種方法最大限度地消除混入數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)，以保證采集數(shù)據(jù)的精度。
4） 分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換加工，或在有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)之間進(jìn)行某些相互的運(yùn)算，以得到能表達(dá)數(shù)據(jù)內(nèi)在特征的二次數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)處理有多種類型。按處理的方式劃分，數(shù)據(jù)處理可分為實(shí)時(shí)處理、在線
處理和離線處理。一般來說，實(shí)時(shí)處理或在線處理由于處理時(shí)間受到限制，因而只能對有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些簡單、基本的處理；而離線處理由于處理時(shí)間不受限制，因而可以做各種復(fù)雜的處理。按處理的性質(zhì)劃分，數(shù)據(jù)處理可分為預(yù)處理和二次處理兩種。預(yù)處理通常是剔出數(shù)據(jù)奇異項(xiàng)、去除數(shù)據(jù)趨勢項(xiàng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和轉(zhuǎn)換等。二次處理有各種數(shù)學(xué)運(yùn)算，如微分、積分、傅立葉變換和小波變換等。對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理之前應(yīng)先對采集到的數(shù)據(jù)做某些預(yù)處理，使信號(hào)得到一次增強(qiáng)或凈化，從而使分析處理獲得高質(zhì)量的有用信號(hào)或更準(zhǔn)確的特征信息。
6.1 數(shù)據(jù)采集原理
計(jì)算機(jī)是一臺(tái)數(shù)字化設(shè)備，它只能處理數(shù)字信息，故使用計(jì)算機(jī)處理信號(hào)時(shí)必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換或數(shù)據(jù)采集。將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的離散數(shù)字信號(hào)，需要兩個(gè)環(huán)節(jié)：首先是采集，由連續(xù)的模擬信號(hào)得到離散信號(hào)；然后再通過A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)的數(shù)字化過程如圖6.1所示。
6.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集就是將被測對象的各種參量通過各種傳感元件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)記錄的過程。用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（data acquisition system, DAS）,它是計(jì)算機(jī)與外部世界聯(lián)系得橋梁，是獲取信息的重要途徑。
6.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖6.2所示，它的輸入信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩類。模擬信號(hào)由模擬類的傳感器輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理后得到，數(shù)字信號(hào)則由數(shù)字類傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)或開關(guān)信號(hào)得到。
傳感器的作用是把非電量轉(zhuǎn)變成電量（如電壓、電流或頻率）。在本課程設(shè)
計(jì)中，我們使用的是拉力傳感器，其作用是將拉力的變化轉(zhuǎn)變成電量的變化，輸出到A/D轉(zhuǎn)換器中。
放大器用來放大和緩沖輸入信號(hào)。由于傳感器輸出的信號(hào)較小，需要將其
放大，以滿足大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入要求。此外，某些傳感器內(nèi)阻比較大,輸出功率較小，這樣，放大器還起到了阻抗變換器的作用，用來緩沖輸入信號(hào)。常用的放大器有差分放大器、儀器放大器和隔離放大器等。
在傳感器和電路中的器件常會(huì)產(chǎn)生噪聲，人為的發(fā)射源也會(huì)通過各種耦合渠道使信號(hào)通道感染上噪聲，這種噪聲可以用濾波器來衰減，以提高模擬輸入信號(hào)的信噪比。
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往要對多個(gè)物理量進(jìn)行采集，即多路巡回檢測，這可以通過多路模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。多路模擬開關(guān)可以分時(shí)選通來自多個(gè)輸入通道的某一信號(hào)。
多路模擬開關(guān)之后是模擬通道的轉(zhuǎn)換部分，它包括采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取多路模擬開關(guān)輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。如果將采樣/保持電路放在多路模擬開關(guān)之前，還可以實(shí)現(xiàn)對瞬時(shí)信號(hào)進(jìn)行同步采樣。
采樣/保持器輸出的信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。由于輸入信號(hào)變化速度不同，系統(tǒng)對分辨力、精度、轉(zhuǎn)換速度及成本的要求也不同。
6.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)
1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都由計(jì)算機(jī)控制，使得數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率等大為提高，也節(jié)省了硬件投資。
2）軟件在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的作用越來越大，這增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。
3）數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相互結(jié)合得日益密切，形成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處理到控制的全部工作。
4)數(shù)據(jù)采集過程一般都具有“實(shí)時(shí)”特性，實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)是能滿足實(shí)際需要；對于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度，以滿足盡可能多的應(yīng)用環(huán)境。
5）隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電路集成度的提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來越小，可靠性越來越高。
6）總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，總線技術(shù)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要作用。
6.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)
1）系統(tǒng)分辨率 是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號(hào)最小變化量。通常用最低有效位（LSB）占系統(tǒng)滿度信號(hào)的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實(shí)際電壓數(shù)值來表示，有時(shí)也用滿度信號(hào)可以分的基數(shù)來表示。
2）系統(tǒng)精度 是指當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速度下，每個(gè)離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。A/D轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。而實(shí)際上系統(tǒng)精度往往達(dá)不到A/D，轉(zhuǎn)換器的精度，這是因?yàn)橄到y(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的精度。如前置放大器、濾波器、多路模擬開關(guān)等，只有這些部件的精度都明顯優(yōu)于A/D轉(zhuǎn)換器精度時(shí)，系統(tǒng)精度才能達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的精度。
3）采集頻率 又稱系統(tǒng)通過速率、吞吐率等，是指在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的采集次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個(gè)通道每秒鐘可采集的子樣數(shù)目。這里所說的“采集”包括對被測物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸、存儲(chǔ)等的全部過程。另外，在時(shí)間域上，與采集頻率對應(yīng)的指標(biāo)是采集周期，它是采集頻率的倒數(shù)，表示了系統(tǒng)每采集一個(gè)有效數(shù)據(jù)所用的時(shí)間。
4）動(dòng)態(tài)范圍 是指某個(gè)物理量的變化范圍。信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是指信號(hào)的最大幅值和最小幅值之比的分貝數(shù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值與最小幅值之比的分貝數(shù)，即
（6-1）
5)非線性失真 也稱諧波失真。當(dāng)給系統(tǒng)輸入一個(gè)頻率為f的正弦波時(shí)，其輸出中出現(xiàn)很多頻率為kf（k為正整數(shù)）的新的頻率分量的現(xiàn)象，稱為非線性失真。
6.2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式
選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，主要考慮被測信號(hào)的變化速率和通道數(shù)以及被測量精度﹑分辨率﹑速度的要求等。此外，還要考慮性能價(jià)格比等。常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下幾種結(jié)構(gòu)形式。
1．多通道共享采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器
如圖6.3所示，這種結(jié)構(gòu)形式采用分時(shí)轉(zhuǎn)換的工作方式，各路被測信號(hào)共用一個(gè)采樣/保持器和一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。在某一時(shí)刻，多種開關(guān)只能選擇其中某一路，把它接入到采樣/保持器的輸入端。當(dāng)采樣/保持器的輸出已經(jīng)充分逼近輸入信號(hào)時(shí)，在控制命令的作用下，采樣/保持器由采樣狀態(tài)進(jìn)入保持狀態(tài)，A/D轉(zhuǎn)換器開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后輸出數(shù)字信號(hào)。在轉(zhuǎn)換期間，多路開關(guān)可以將下一路接通到采樣/保持器的輸入端。系統(tǒng)不斷重復(fù)上述操作，實(shí)現(xiàn)多通道模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。采樣方式按順序或隨即進(jìn)行。
這種結(jié)構(gòu)形式很簡單，所用芯片數(shù)量少，適用于信號(hào)變化速率不高，對采樣信號(hào)不要求同步的場合。如果信號(hào)變化速率慢，也可以不用采樣/保持器。如果信號(hào)比較弱，混入的干擾信號(hào)比較大，還需要使用前置放大器和濾波器。
2．多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
如圖6.4所示，這種結(jié)構(gòu)雖然也是分時(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，各路共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，但每一路通道都有一個(gè)采樣/保持器，可以在同一個(gè)指令控制下對各路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，得到各路信號(hào)在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值。模擬開關(guān)分時(shí)地將各路采樣/保持器接到個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。這些同步采樣的數(shù)據(jù)可以描述各路信號(hào)的相互關(guān)系，這種結(jié)構(gòu)被成為同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如，為了測量三相瞬時(shí)功率，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須對同一時(shí)刻的三相電壓﹑電流進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行計(jì)算。由于各路信號(hào)串行地在共用的A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此這種結(jié)構(gòu)的速度仍然較慢。
3． 多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
如圖6.5所示，每個(gè)通道都有獨(dú)自的采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，各個(gè)通道的信號(hào)可以獨(dú)立進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過接口電路直接送到計(jì)算機(jī)中。這種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度最快，所用的硬件也最多，成本高。
6.3 程序控制設(shè)計(jì)
以采用為CPU的微型計(jì)算機(jī)對64路模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集為例，介紹程序控制的原理。測量物理參數(shù)的各傳感器的輸出電信號(hào)經(jīng)調(diào)理化處理（變化、放大、濾波等），輸入到多路轉(zhuǎn)換器。多路轉(zhuǎn)換器采用八片八通道的CD4051，用八位鎖存器和74LS138譯碼器進(jìn)行地址鎖存和譯碼，選通64路開關(guān)。通道選擇及采樣速率由程序設(shè)定。采樣/保持器選用LF398，A/D轉(zhuǎn)換器選用選用ADC0804，外接RC電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100us。
在定時(shí)中斷下，要求以中斷方式每隔10ms檢測一個(gè)通道，且用CTCO作為定時(shí)器，則應(yīng)對CTC編程如下：
（1）確定通道控制字。CTCO號(hào)通道的地址由地址譯碼器硬件決定為84H，并讓該CTC通道工作在自動(dòng)啟動(dòng)方式，上升沿啟動(dòng)，定標(biāo)系數(shù)為256，允許中斷，則控制字為B5H。
（2）確定輸入的時(shí)間常數(shù)。設(shè)時(shí)鐘周期，定標(biāo)系數(shù)，檢驗(yàn)間隔為，則輸入的時(shí)間常數(shù)為
（3）確定中斷向量。中斷向量的高八位有編程決定。中斷向量的低八位應(yīng)在CTC初始化時(shí)送到CTC0通道。CTC的中斷向量以為標(biāo)志，表示通道地址，就CTC0而言，，設(shè)，則中斷向量為F8H。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在CTC的2中斷方式下，對64路巡回檢測一邊的主程序和中斷服務(wù)程序流程圖如圖6.6666所示。 該……..
程序是針對8位A/D轉(zhuǎn)換器編寫的，若為12A/D轉(zhuǎn)換器需適當(dāng)修改。多路轉(zhuǎn)換器的口地址為01H，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)的口地址為02H，8212（1）、8212（2）的口地址分別為03H、04H。這時(shí)不采用采樣保持器。按中斷方式巡回檢測的主程序及中斷服務(wù)程序如圖6.6所示。
主程序如下：
ORG 2000H
START：LD SP，3000H ；設(shè)堆棧指針
LD A，40H ；中段向量頁面地址為40H
LD I，A ；40H送I寄存器
LD A，B5H
OUT （84H），A ；送通道控制字
LD A，62H
OUT （84H），A ；置時(shí)間常數(shù)
LD A，F(xiàn)8H
OUT （84H），A ；置中斷向量
LD HL，4200H ；設(shè)置數(shù)據(jù)區(qū)首址
LD B，40H ；B為計(jì)數(shù)器，采集64個(gè)點(diǎn)
LD C，00H ；置起始模擬信號(hào)通道為0通道
IM 2 ；置中斷方式2
EI ；開中斷
LOOP： HALT ；等待中斷
INC HL ；數(shù)據(jù)地址加1
INC C ；通道數(shù)加1
DEC B ；采樣次數(shù)減1
JR NZ，LOOP ；64次未采完返回再采
LD A，F(xiàn)3H ；關(guān)中斷
OUT （84H），A ；復(fù)位CTC
END
中斷服務(wù)程序如下：
ORG 40F8H
TAB： DW 2500H
ORG 2500H
PUSH AF ；保護(hù)現(xiàn)場
PUSH BC
PUSH DE
PUSH HL
LD A，C
OUT （01H），A ；通道數(shù)送所存器
LD D，040H ；延時(shí)，等待電路穩(wěn)定
LOOP1：DEC D
LD A，D
JR NZ，LOOP1
OUT （02H），A ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換
TEST： IN A，（04H） ；打開接口8212（2）
ADD A，80H
JR NC，TEST ；沒有進(jìn)位再檢測“轉(zhuǎn)換結(jié)束”標(biāo)志
IN A，（03H） ；打開接口8212（1）
LD （HL），A ；存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果
POP HL ；恢復(fù)現(xiàn)場
POP DE
POP BC
POP AF
EI
RETI
ORG 4200H
DATA： DS 40H ；給數(shù)存保留64單元
END
6.4 轉(zhuǎn)速測量
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中，需測定緩降繩的下降速度，將測定的速度與拉力大小分列在坐標(biāo)軸橫縱坐標(biāo)上，以檢測試驗(yàn)機(jī)是否合格。
我們是通過測定電機(jī)的轉(zhuǎn)速來間接測定緩降繩的下降速度的。常用的測速設(shè)備是測度發(fā)電機(jī)。
測速發(fā)電機(jī)是用于測定和自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種傳感器。它由帶有繞組的定子和轉(zhuǎn)子組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組被供給勵(lì)磁電壓并隨被測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子繞組則產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的感應(yīng)電動(dòng)