轉動慣量測試儀設計【4張CAD圖紙+畢業(yè)論文+任務書】

轉動慣量測試儀設計

40頁 18000字數(shù)+論文說明書+任務書+4張CAD圖紙【詳情如下】

prt0001.prt.2

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滾筒部件圖.dwg

轉動慣量測試儀裝配圖.dwg

轉動慣量測試儀設計論文.doc

鏈輪零件圖.dwg

齒輪零件圖.dwg

轉動慣量測試儀設計

目錄

摘要 I

Abstract II

第一章  引言 1

1.1設計目的 2

1.2設計任務 2

1.3構造及工作原理 3

1.4主要的組成構件 3

第二章  伺服電動機 5

2.1交流伺服電機及其調速分類和特點 5

2.2直流伺服電機及其調速系統(tǒng) 7

2.3交流伺服電機速度控制原理 8

2.4變頻與伺服的關系及應用 9

2.5交流伺服電機的變頻調速原理 11

2.6變頻調速系統(tǒng)的分類 12

2.7電動機的選型計算 16

第三章 傳感器的選用 31

3.1傳感器選用的一般原則： 31

3.2 數(shù)字式扭矩傳感器技術性能及應用 33

第四章 光電編碼器原理及應用電路 41

4.1 光電編碼器原理 41

4.2  LEC型光電編碼器主要技術指標 43

第五章 操控系統(tǒng) 44

4.1 控制系統(tǒng)的結構及硬件電路設計 44

4.2永磁伺服電動機的控制電路 45

4.3監(jiān)測及報警電路 46

4.4時鐘及復位電路 47

4.6結　論 48

參考文獻 52

摘要

轉動慣量測試儀在學校，工廠廣泛用于測量金屬及其非金屬材料的機械性能的，是學校和工廠不可或缺的試驗設備。

現(xiàn)在的轉動慣量測試儀均是以微機控制、記錄為主要特點的電子轉動慣量測試儀。學校的舊式試驗設備存在故障率高，工作性能不可靠，有時達不到試驗所要求的精度，所以本設計就原轉動慣量測試儀的傳動部分，控制部分加以改造，配以計算機為主的測量控制系統(tǒng)，從新構建一個與現(xiàn)行轉動慣量測試儀相一致的電子轉動慣量測試儀。

本設計說明書包括：概論、總體設計和結論三大部分。通過對我校教學實習基地的一臺轉動慣量測試儀的結構和性能的研究，從可轉換轉動慣量測試儀的傳動部分，控制與調速部分以及檢測部分加以設計，本說明書介紹了伺服電動機和擺線針輪減速器的計算和選型設計，轉動慣量測試儀改造方案、改造部位。在傳感技術與測控技術的普遍應用的條件下，本設計采用扭矩傳感器和光電編碼器用于測量扭矩和扭角的數(shù)值。在控制系統(tǒng)上將單片機應用到轉動慣量測試儀上，其控制也采用了扭矩專用測控軟件。改造后的轉動慣量測試儀，采用了電子自動平衡測力裝置，可控伺服電機，擺線針輪減速，傳感記錄，電腦手動兩控轉換并增設了記錄裝置。 

關鍵詞：伺服電機；擺線針輪減速器；計算機控制系統(tǒng)；轉動慣量測試儀。

Abstract

Torsion test machine in the research departments universities and mining materials laboratory used to determine various metallic and non-metallic materials to reverse the admission test of mechanical properties , has been widely used. 

Now the most advanced materials torsion test machine is the computer measurement, control at the core of electronic materials torsion test machine. But the old materials torsion test of the machine most stringent design, manufacture exquisite. This is designed to test the original old part of the machine, based on eliminating its outdated measurement control, with a new computer-core measurement control system to replace the relevant parts, Construction of a new computer can operate control and automatic measurement, with the existing product line of electronic torsion test machine. 

Design Manual: An Introduction, the overall design and conclusions of the three most. I passed the school teaching practice base of a testing machine to reverse the structure and properties of, for-cycloid reducer and the characteristics of existing conditions, determined to reverse the programme of testing machine, introduced a servo motor and cycloid Reducer-round selection of calculation and design and reverse the test machine transformation programme, the transformation of location, design and computer control system of reversing the testing machine they should pay attention to the problem. After the reverse of the testing machine, using an electronic self-balancing force measurement devices, servo motor-cycloid speed control system and the addition of a recorded device, it can exert both positive and negative aspects of torque to reverse the trial. 

Key words: servo motor; cycloid reducer; the computer control system; reversing the test machine.

引言四年的大學生活接近尾聲時，我們進行了為期近四個月的畢業(yè)設計。畢業(yè)設計是對大學四年來我們所學到的基礎知識和專業(yè)知識的一次系統(tǒng)性的總結與綜合運用，同時也是培養(yǎng)我們分析問題和解決問題能力的良好的機會，而且畢業(yè)設計也是大學教學的最后一個重要環(huán)節(jié)。因此，認真踏實地做好這次畢業(yè)設計不僅意味著我們能否順利畢業(yè)，而且對今后我們走上工作崗位后能否很出色的做好自己的工作也有十分重要意義。另外，畢業(yè)設計還可以培養(yǎng)我們獨立思考，開發(fā)思維和協(xié)調工作的能力，這對今后踏入社會以后能否盡快地適應社會也有很大的幫助。機械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設水平的主要標志之一。這是因為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術的現(xiàn)代化程度，都會通過機械工業(yè)的發(fā)展程度反映出來。人們之所以要廣泛使用機器，是由于機器既能承擔人力所不能或不便進行的工作，又能較人工生產(chǎn)改進產(chǎn)品的質量，特別是能夠大大提高勞動生產(chǎn)率和改善勞動條件。機械工業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各個部門提供技術裝備和促進技術改造的重要任務，在現(xiàn)代化建設的進程中起著主導和決定性的作用。所以通過大量設計制造和廣泛使用各種各樣先進的機器，就能大大加強和促進國民經(jīng)濟發(fā)展的力度，加速我國的社會主義現(xiàn)代化建設。

    機械加工工藝是實現(xiàn)產(chǎn)品設計，保證產(chǎn)品質量、節(jié)約能源、降低成本的重要手段，是企業(yè)進行生產(chǎn)準備，計劃調度、加工操作、生產(chǎn)安全、技術檢測和健全勞動組織的重要依據(jù)，也是企業(yè)上品種、上質量、上水平，加速產(chǎn)品更新，提高經(jīng)濟效益的技術保證。然而夾具又是制造系統(tǒng)的重要組成部分，不論是傳統(tǒng)制造，還是現(xiàn)代制造系統(tǒng)，夾具都是十分重要的。因此，好的夾具設計可以提高產(chǎn)品勞動生產(chǎn)率，保證和提高加工精度，降低生產(chǎn)成本等，還可以擴大機床的使用范圍，從而使產(chǎn)品在保證精度的前提下提高效率、降低成本。當今激烈的市場競爭和企業(yè)信息化的要求,企業(yè)對夾具的設計及制造提出了更高的要求。我們這些即將大學畢業(yè)的機械工程及自動化專業(yè)的學生，要進行對本專業(yè)所學習的知識進行綜合的運用和掌握，為此我們要進行畢業(yè)設計，要自己動手進行思考問題，為社會主義現(xiàn)代化建設的發(fā)展貢獻力量，也要從此邁出展現(xiàn)自己價值的第一步。

1.1設計目的

　 畢業(yè)設計是學生在校學習階段的最后一個教學環(huán)節(jié)，也是學生完成工程師基本訓練的重要環(huán)節(jié)。其目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學的專業(yè)和基礎理論知識，獨立解決本專業(yè)一般工程技術問題的能力，樹立正確的設計思想和工作作風。畢業(yè)設計說明書不只反映了設計的思想內(nèi)容，方法和步驟，而且還反映了學生的文理修養(yǎng)和作風。

本說明書分為概述、設計內(nèi)容、總結三大部分，分別介紹了此次玩具箱玩具柜關閉件試驗機的設計任務；有關玩具箱玩具柜關閉件試驗機的設計總體方案確定及框圖、擺線針輪減速器的設計計算、進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算及校核、光電編碼器的選型；主要是對本次畢業(yè)設計的心得。

1.2設計任務

1． 課題任務

   規(guī)則構件的轉動慣量是建立復雜系統(tǒng)動力學模型的必備參數(shù)，是解決復雜系統(tǒng)（如汽車）動力學問題的關鍵參數(shù)，因此，進行轉動慣量測試儀設計就具有重要的經(jīng)濟價值與社會意義。本課題的主要任務是設計一不規(guī)則型體轉動慣量測試設備，要求能測質量在0-500公斤范圍內(nèi)不規(guī)則型體的轉動慣量。

2． 課題要求

具體要求如下： 

1、 調研和查閱相關文獻，掌握不規(guī)則構件的轉動慣量測量方法。

5.4時鐘及復位電路

利用8098 的內(nèi)部振蕩電路構成時鐘電路,定時石英晶振的頻率f ocs = 12 MHz。采用自動上電和手動兩種復位方法,其電路圖如圖4

鍵盤、顯示及打印機管理電路

該系統(tǒng)采用3 ×8 行列式鍵盤和8 位八段共陰極L ED 顯示器,用8255 的PA 口作為鍵盤的列線及顯示器的字位線,用8098 的P4 、P214 、P217 作為鍵盤的行線。8255 的PB 口為顯示器的字形輸出口,PC口為打印機的輸出口,具體電路見圖5。

6.6結　論

材料轉動慣量測試儀采用8098 單片機控制系統(tǒng)前后,分別對低碳鋼、鑄鐵進行了扭轉試驗,結果表明:由于控制系統(tǒng)選用了8098 單片機,使得整機工作可靠性高,性能價格比好,工作精度達015 %;同時,利用8098 的脈沖寬度調制功能,使電機控制電路簡單,對電機增減速、正反轉及停轉的控制方便、可靠;控制系統(tǒng)的故障檢測及報警電路簡單適用,整個測試過程自動完成。

3）關鍵設置質量管理點

對工程質量有重大影響的施工和對工藝技術有特殊要求的工序設置質量管理點,對其實行強化管理,重點控制。這是提高工程整體質量水平,防止質量事故發(fā)生的重要方法。質量點的活動實施步驟是:

(1) 通過對工程特點和施工條件等因素的綜合分析,確定需要設置質量管理點的關鍵部位。

(2) 對設置質量管理點項目提出質量目標控制值,并制定強化管理的具體措施。

(3) 明確質量管理點活動的負責人,落實責任措施,以保證目標控制值的實現(xiàn)。

4 ）控制材料及構件質量

材料和構件進貨時正確處理質量和成本的關系,保證材料和構件的進貨是確保工程質量,實現(xiàn)合同目標的基礎和前提。降低材料成本,提高工程效益只能通過增加供銷信息,根據(jù)調查確定幾個產(chǎn)品質量信得過的廠家,然后經(jīng)過評比,選擇廠家和合理進貨渠道,減少中間環(huán)節(jié),以降低倉儲及施工損失等措施來實現(xiàn)。決不能為降低成本而降低材料和構件的進貨質量標準。項目材料和構件進貨由項目經(jīng)理親自抓,材料員具體負責材料的訂貨,材料進場后由實驗員進行現(xiàn)場取樣驗收,需送實驗室的立即送檢,合格后材料員進行保管,并按定額發(fā)給各施工班組(3) 加強對工序質量的檢查,實行由班組長、質量員,主管技術和質量的項目負責人(項目技術負責人)組成的三級內(nèi)部驗收制度。發(fā)現(xiàn)不符合質量要求的分項工程,不準進入下道工序，自檢合格后請監(jiān)理進行驗收,由于工程質量不合格施工組自負返工損失費，管理人員也要按一定的工料費比例扣罰獎金。加強動態(tài)跟蹤管理,嚴格控制工序質量,有助于防止?jié)B、漏、孔殼、堵塞等質量通病,保證分項工程達到質量計劃要求。質量的好壞關系著許許多多人的生命財產(chǎn)安全,讓我們共同關注質量,把它當作工程的首要任務。

參考文獻

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[15] 王國強. 工程機械設計與維修叢書—現(xiàn)代設計技術. 化學工業(yè)出版社，2006. 

題目： 轉動慣量測試儀設計 一、畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容、要求 不規(guī)則構件的轉動慣量是建立復雜系統(tǒng)動力學模型的必備參數(shù)，是解決復雜系統(tǒng)（如汽車）動力學問題的關鍵參數(shù)，因此，進行轉動慣量測試儀設計就 具有重要的經(jīng)濟價值與社會意義。本課題的主要任務 是 設計一不規(guī)則型體轉動慣量測試設備，要求能測質量在 0斤范圍內(nèi)不規(guī)則型體的轉動慣量 。 具體要求如下： 1、 調研和查閱相關文獻，掌握不規(guī)則構件的轉動慣量測量方法。 2、 對各種不同的轉動慣量測量方法進行分析、比較，選擇綜合性能指標最優(yōu)的轉動慣量測量方法，在此基礎上，進行轉動 慣量測試儀總體設計。 3、 繪制轉動慣量測試儀機械結構裝配圖和主要零部件圖。 4、對轉動慣量測試儀電氣控制部分進行設計，繪制電氣控制部分電路圖。 二、畢業(yè)設計（論文）應完成的工作 畢業(yè)設計應完成的工作包括： 1、完成二萬字左右的畢業(yè)設計說明書（論文）；在畢業(yè)設計說明書（論文）中必須包括詳細的 300單詞的 英文摘要； 畢業(yè)設計說明書要有嚴格的理論分析與設計方案分析與比較，有充分的設計計算依據(jù)和較詳細的設計計算過程，有明確的定量設計計算結果； 2、獨立完成與課題 或專業(yè) 相關，不少于四萬字符的指定英文資料翻 譯（附英文原文）； 3、 繪制轉動慣量測試儀機械結構裝配圖和主要零部件圖， 繪圖工作量折合紙 3 張以上，其中必須包含兩張 上的計算機繪圖圖紙； 4、繪制轉動慣量測試儀的控制部分電路圖。 三、應收集的資料及主要參考文獻 [1] 賀占魁 , 樊啟泰 . 復雜不規(guī)則剛體轉動慣量的測試原理和方法 [J]，機械設計與研究， 2003， 19（ 2）： 59[2] 唐應時等 J]. 現(xiàn)代制造工程，2009，（ 6）： 81[3] 任培，袁中凡 . 轉動慣量測試系統(tǒng)的 研制 [J]. 中國測試技術， 2007， 33（ 1）：37[4] 杜登惠 . 動力總成轉動慣量測量及誤差分析 [J]. 車輛與動力技術， 2007（ 4）：10[5] 胡育輝編著 . 數(shù)控銑床加工中心 [M]. 沈陽：遼寧科學技術出版社， 2005. [6] 洪鐘德 . 簡明機械設計手冊 [M]. 北京：同濟大學出版社， 2002. [7] 楊明忠 . 機械設計 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2001. [8] 吳宗澤 . 機械零件設計手冊 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2004. [9] ., ]. 2001. [10] 濮良貴，紀名剛 七版） [M]等教育出版社， 2001. 轉動慣量測試儀設計 一、畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容、要求 不規(guī)則構件的轉動慣量是建立復雜系統(tǒng)動力學模型的必備參數(shù)，是解決復雜系統(tǒng)（如汽車）動力學問題的關鍵參數(shù)，因此， 進行轉動慣量測試儀設計就 具有重要的經(jīng)濟價值與社會意義。本課題的主要任務 是 設計一不規(guī)則型體轉動慣量測試設備，要求能測質量在 0斤范圍內(nèi)不規(guī)則型體的轉動慣量 。 具體要求如下： 4、 調研和查閱相關文獻，掌握不規(guī)則構件的轉動慣量測量方法。 5、 對各種不同的轉動慣量測量方法進行分析、比較，選擇綜合性能指標最優(yōu)的轉動慣量測量方法，在此基礎上，進行轉動慣量測試儀總體設計。 6、 繪制轉動慣量測試儀機械結構裝配圖和主要零部件圖。 4、對轉動慣量測試儀電氣控制部分進行設計，繪制電氣控制部分電路圖。 二、畢業(yè)設計（論文）應完成的工作 畢業(yè)設計應完成的工作包括： 1、完成二萬字左右的畢業(yè)設計說明書（論文）；在畢業(yè)設計說明書（論文）中必須包括詳細的 300單詞的 英文摘要； 畢業(yè)設計說明書要有嚴格的理論分析與設計方案分析與比較，有充分的設計計算依據(jù)和較詳細的設計計算過程，有明確的定量設計計算結果； 2、獨立完成與課題 或專業(yè) 相關，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）； 3、 繪制轉動慣量測試儀機械結構裝配圖和主要零部件圖， 繪圖工作量折合紙 3 張以上，其中必須包含兩張 上的計算機繪圖圖紙； 4、繪制轉動慣量測試儀的控制部分電路圖。 三、應收集的資料及主要參考文獻 [1] 賀占魁 , 樊啟泰 . 復雜不規(guī)則剛體轉動慣量的測試原理和方法 [J]，機械設計與研究， 2003， 19（ 2）： 59[2] 唐應時等 J]. 現(xiàn)代制造工程，2009，（ 6）： 81[3] 任培，袁中凡 . 轉動慣量測試系統(tǒng)的研制 [J]. 中國測試技術， 2007， 33（ 1）：37[4] 杜登惠 . 動力總成轉動慣量測量及誤差分析 [J]. 車輛與動力技術， 2007（ 4）：10[5] 胡育輝編著 . 數(shù)控銑床加工中心 [M]. 沈陽：遼寧科學技術出版社， 2005. [6] 洪鐘德 . 簡明機械設計手冊 [M]. 北京：同濟大學出版社， 2002. [7] 楊明忠 . 機械設計 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2001. [8] 吳宗澤 . 機械零件設計手冊 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2004. [9] ., ]. 2001. [10] 濮良貴，紀名剛 七版） [M]等教育出版社， 2001. I 轉動慣量測試儀設計 目錄 摘要 .................................................................. 1 ............................................................. 2 第一章 引言 ........................................................... 1 ........................................................ 5 ........................................................ 5 .................................................. 5 .................................................. 7 第二章 伺服電動機 ..................................... 錯誤 !未定義書簽。 .................. 錯誤 !未定義書簽。 ........................ 錯誤 !未定義書簽。 ........................ 錯誤 !未定義書簽。 .......................... 錯誤 !未定義書簽。 ..................................... 14 ............................................. 15 ............................................... 19 第 三 章 傳感器的選用 ................................................... 21 ......................................... 21 字式扭矩傳感器技術性能及應用 ................................ 23 第 四 章 光電編碼器原理及應用電路 ....................................... 30 電編碼器原理 ................................................ 30 .................................. 32 第 五 章 操控系統(tǒng) ....................................................... 33 制系統(tǒng)的結構及硬件電路設計 .................................. 33 ....................................... 34 ................................................. 35 ................................................. 36 論 ......................................................... 37 參考文獻 .............................................................. 39 1 摘要 轉動慣量測試儀在學校，工廠廣泛用于測量金屬及其非金屬材料的機械性能的，是學校和工廠不可或缺的試驗設備。 現(xiàn)在的轉動慣量測試儀均是以微機控制、記錄為主要特點的電子轉動慣量測試儀。學校的舊式試驗設備存在故障率高，工作性能不可靠，有時達不到試驗所要求的精度，所以本設計就原轉動慣量測試儀的傳動部分，控制部分加以改造，配 以計算機為主的測量控制系統(tǒng)，從新構建一個與現(xiàn)行轉動慣量測試儀相一致的電子轉動慣量測試儀。 本設計說明書包括：概論、總體設計和結論三大部分。通過對我校教學實習基地的一臺轉動慣量測試儀的結構和性能的研究，從 可轉換轉動慣量測試儀的傳動部分，控制與調速部分以及檢測部分加以設計， 本說明書介紹了伺服電動機和擺線針輪減速器的計算和選型設計，轉動慣量測試儀改造方案、改造部位。在傳感技術與測控技術的普遍應用的條件下，本設計采用扭矩傳感器和光電編碼器用于測量扭矩和扭角的數(shù)值。在控制系統(tǒng)上將單片機應用到轉動慣量測試儀上，其控制也 采用了扭矩專用測控軟件。改造后的轉動慣量測試儀， 采用了電子自動平衡測力裝置，可控伺服電機，擺線針輪減速，傳感記錄，電腦手動兩控轉換并增設了記錄裝置。 關鍵詞 ：伺服電機；擺線針輪減速器；計算機控制系統(tǒng)；轉動慣量測試儀。 2 in to to of is at of of is to of on a to of a of of I of a to of to of a of of of to of an of a it 3 to 4 引言 四年的大學生活接近尾聲時，我們進行了為期近 四 個月的畢業(yè)設計。畢業(yè)設計是對大學四年來我們所學到的基礎知識和專業(yè)知識的一次系統(tǒng)性的總結與綜合運用，同時也是培養(yǎng)我們分析問題和解決問題能力的良好的機會，而且畢業(yè)設計也是大學教學的最后一個重要環(huán)節(jié)。因此， 認真踏實地做好這次畢業(yè)設計不僅意味著我們能否順利畢業(yè)，而且對今后我們走上工作崗位后能否很出色的做好自己的工作也有十分重要意義。另外，畢業(yè)設計還可以培養(yǎng)我們獨立思考，開發(fā)思維和協(xié)調工作的能力，這對今后踏入社會以后能否盡快地適應社會也有很大的幫助。機械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設水平的主要標志之一。這是因為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術的現(xiàn)代化程度，都會通過機械工業(yè)的發(fā)展程度反映出來。人們之所以要廣泛使用機器，是由于機器既能承擔人力所不能或不便進行的工作，又能較人工生產(chǎn)改進產(chǎn)品的質量，特別是能夠大大提高勞動生 產(chǎn)率和改善勞動條件。機械工業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各個部門提供技術裝備和促進技術改造的重要任務，在現(xiàn)代化建設的進程中起著主導和決定性的作用。所以通過大量設計制造和廣泛使用各種各樣先進的機器，就能大大加強和促進國民經(jīng)濟發(fā)展的力度，加速我國的社會主義現(xiàn)代化建設。 機械加工工藝是實現(xiàn)產(chǎn)品設計，保證產(chǎn)品質量、節(jié)約能源、降低成本的重要手段，是企業(yè)進行生產(chǎn)準備，計劃調度、加工操作、生產(chǎn)安全、技術檢測和健全勞動組織的重要依據(jù)，也是企業(yè)上品種、上質量、上水平，加速產(chǎn)品更新，提高經(jīng)濟效益的技術保證。然而夾具又是 制造系統(tǒng)的重 要組成部分 ， 不論是傳統(tǒng)制造 ， 還是現(xiàn)代制造系統(tǒng) ， 夾具都是十分重要的。因此，好的夾具設計可以提高產(chǎn)品勞動生產(chǎn)率，保證和提高加工精度，降低生產(chǎn)成本等，還可以擴大機床的使用范圍，從而使產(chǎn)品在保證精度的前提下提高效率、降低成本。 當今激烈 的 市場競爭和企業(yè)信息化的要求 ,企業(yè)對夾具的設計及制造提出了更高的要求。我們這些即將大學畢業(yè)的機械 工 5 程及自動化 專業(yè)的學生，要進行對本專業(yè)所學習的知識進行綜合的運用和掌握，為此我們要進行畢業(yè)設計，要自己動手進行思考問題，為社會主義現(xiàn)代化建設的發(fā)展貢獻力量，也要從此邁出展現(xiàn)自己價值的第一步。 計目的 畢業(yè)設計是學生在校學習階段的最后一個教學環(huán)節(jié)，也是學生完成工程師基本訓練的重要環(huán)節(jié)。其目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學的專業(yè)和基礎理論知識，獨立解決本專業(yè)一般工程技術問題的能力，樹立正確的設計思想和工作作風。畢業(yè)設計說明書不只反映了設計的思想內(nèi)容，方法和步驟，而且還反映了學生的文理修養(yǎng)和作風。 本說明書分為概述、設計內(nèi)容、總結三 大 部分，分別介紹了此 次玩具箱玩具柜關閉件試驗機的設計任務 ；有關 玩具箱玩具柜關閉件試驗機的設計 總體方案確定及框圖、 擺線針輪減速器的設計計算 、進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算 及校核、 光電編碼器的選型 ；主要是對本次畢業(yè)設計的心得。 計任務 1． 課題任務 規(guī)則構件的轉動慣量是建立復雜系統(tǒng)動力學模型的必備參數(shù)，是解決復雜系統(tǒng)（如汽車）動力學問題的關鍵參數(shù)，因此，進行轉動慣量測試儀設計就具有重要的經(jīng)濟價值與社會意義。本課題的主要任務是設計一不規(guī)則型體轉動慣量測試設備，要求能測質量在 0 2． 課題要求 具體要求如下： 1、 調研和查閱相關文獻，掌握不規(guī)則構件的轉動慣量測量方法。 6 2、 對各種不同的轉動慣量測量方法進行分析、比較，選擇綜合性能指標最優(yōu)的轉動 慣量測量方法，在此基礎上，進行轉動慣量測試儀總體設計。 3、 繪制轉動慣量測試儀機械結構裝配圖和主要零部件圖。 4、對轉動慣量測試儀電氣控制部分進行設計，繪制電氣控制部分電路圖。 本課題要求學生具備較好的機械設計專業(yè)理論知識與實際應用能力。并且能運用三維 件進行機械輔助設計，從而培養(yǎng)學生較好的 力。同時應具備繪制和閱讀機械圖樣的能力。要求學生積極、廣泛地收集相關資料，查閱參考文獻。翻譯相關英文資料。在做論文期間，要求學生抓緊有限時間，根據(jù)課題工作進度計劃，按期完成相關工作。應有端正、嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，定 期匯報工作成績。 造及工作原理 本機（圖表 1）加載由計算機控制交流伺服控制系統(tǒng)，通過交流伺服電動機，擺線針輪減速機帶動主動夾頭旋轉加載，扭轉和扭角檢測采用高精度扭矩傳感器和光電編碼器，計算動態(tài)顯示試驗扭角扭矩曲線，加載速率，試驗力峰值等。檢測方法符合 本試驗機主要用于對金屬材料或非金屬材料進行扭轉試驗，也可以對零部件或構件進行扭轉試驗，是航空航天，建材行業(yè)，交通運輸，科研部門，各類大專院校和工礦企業(yè)力學實驗室用來測定材料扭轉性能必備的檢測儀器。 加載方法 采用交流伺服電機及驅動器，扭矩和扭轉角的檢測：采用高精度對稱扭矩傳感器；扭轉角的檢測采用高精度 操作特點 具有手動操作（有正反向手動操作按鈕）和計算機操作兩種方式。 7 基于 臺下的專用測控軟件，采用人機交互方式分析計算被測材料的機械性能指標，實驗數(shù)據(jù)自動處理，動態(tài)顯示試驗曲線，試驗結果儲存，打印。也可人工干預分析過程，提高分析的準確度。 要的組成構件 1）伺服電機 2）擺線針輪減速器 3）傳感器 4) 編碼器及計算機控制系統(tǒng) 8 第二章 伺服電動機 伺服電動機也稱為執(zhí)行電動機。在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電信號轉換為軸上的轉角或轉速，以帶動控制對象。伺服電動機有交流和直流兩種。他們的最大特點之可控。再有控制信號輸入時，伺服電動機就轉動；沒有控制信號輸入則停止轉動；改變控制電壓的大小和相位（或極性）就可以改變伺服電機的轉速和轉向。因此，它與普通電機相比具有如下特點： 1、調速范圍寬廣，四伏電動機的轉速隨著控制電壓的改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調節(jié)； 2、轉子的慣性小，即能實現(xiàn)迅速的啟動、停轉； 3、控制功率小，過載能力力強，可靠 性性好。 流伺服電機及其調速分類和特點 交流伺服電機在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件。它的任務是將電信號轉換成為軸上的角位移或角速度的變化。交流伺服電動機應具有的基本性能是：良好的可控性，運行穩(wěn)定和快速反應。良好的可控性是指單向供電時無自傳現(xiàn)象； 運行穩(wěn)定是指轉速隨著轉矩的增加而均勻下降；快速響應是指交流伺服電動機接到控制信號時能快速啟動，失去信號時能自動制動并迅速停止轉動。 長期以來，在要求調速性能較高的場合，一直占據(jù)主導地位的是應用直流電動機的調速系統(tǒng)。但直流電動機都存在一些固有的缺點，如電刷和換向 器易磨損，需經(jīng)常維護。換向器換向時會產(chǎn)生火花，使電動機的最高速度受到限制，也使應用環(huán)境受到限制，而且直流電動機結構復雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動機，特別是鼠籠式感 9 應電動機沒有上述缺點，且轉子慣量較直流電機小，使得動態(tài)響應更好。在同樣體積下，交流電動機輸出功率可比直流電動機提高 10﹪～ 70﹪，此外，交流電動機的容量可比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉速?，F(xiàn)代數(shù)控機床都傾向采用交流伺服驅動，交流伺服驅動已有取代直流伺服驅動之勢 。 步型交流伺服電動機 異步型交流伺服電 動機指的是交流感應電動機。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應電動機。其結構簡單，與同容量的直流電動機相比，質量輕 1/2，價格僅為直流電動機的 1/3。缺點是不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍很廣的平滑調速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流。因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞 。 這種鼠籠轉子的異步型交流伺服電動機簡稱為異步型交流伺服電動機，用 步型交流伺服電動機 同步型交流伺服電動機雖較感應電動機復雜，但比直流電動機簡單。它的定子與感應電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉子卻不同，按不同的轉子結構又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。其中磁滯式和反應式同步電動機存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。數(shù)控機床中多用永磁式同步電動機。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點是結構簡單、運行可靠、效率較高；缺點是體積大、啟動特性欠佳。但永磁式同步電動機采用高剩磁感應，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動外形尺寸約小 1/2，質量減輕 60﹪，轉子慣量減到直流電動機的 1/5。它與異步電動機相比，由于采用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關的雜散損耗，所以效率高。又因為沒有電 磁式同步電動機所需的集電環(huán)和電刷等，其機械可靠性與感應（異步）電動機相同， 10 而功率因數(shù)卻大大高于異步電動機，從而使永磁同步電動機的體積比異步電動機小些。這是因為在低速時，感應（異步）電動機由于功率因數(shù)低，輸出同樣的有功功率時，它的視在功率卻要大得多，而電動機主要尺寸是據(jù)視在功率而定的。 交流伺服電機的控制方法有三種： 1、幅值控制 2、相位控制 3、幅值 流伺服電機及其調速系統(tǒng) 直流伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中和交流伺服電動機一樣，用作執(zhí)行元件。對它的主要要求是要有下垂的機械特性，線性的 調節(jié)特性和對控制信號能做出快速的響應。 直流伺服電動機通常用于功率稍大的系統(tǒng)中，其輸出功率一般為1W— 600W。但也有數(shù)千瓦的，它的基本結構和工作原理與普通直流他勵電動機相同，不同點只是它做得比較細長一些以便滿足快速響應的要求。 直流伺服電機的調速 由公式： 直流電機調速有三種方法： （ 1）改變電區(qū)電壓 U：由額定電壓向 下調低，轉速也由額定轉速向下調低，調速范圍大。 （ 2）改變磁通量 Φ （即改變 改變激磁回路的電阻可改變 Φ 。由于激磁回路電感大，電氣時間常數(shù)大，調速快速性差，轉速只能由額定轉速向上調高。 （ 3）在電樞回路中串聯(lián)調節(jié)電阻。轉速只能調低，銅耗大，不經(jīng)濟。直流伺服電機通常采用調壓調速。 11 直流伺服電機與交流伺服電機的機械特性比較，前者堵轉矩大，特性曲線線性度好，機械特性較硬。缺點是有換向器，結構復雜，需要經(jīng)常維護，產(chǎn)生無線電干擾。在確定系統(tǒng)中采用何種電動機時許綜合考慮其電機特點 所以在本次轉動慣量測試儀改造畢業(yè)設 計中所用的電機選用交流伺服電機 。 流伺服電機速度控制原理 一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式。 速度控制和轉矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。就伺服驅動器的響應速度來看，轉矩模式運算量最小，驅動器對控制信號的響應最快；位置模式運算量最大，驅動器對控制信號的響應最慢。 對運動中的動態(tài)性能有比較高的要求時，需要實時對電機進行調整。那么如果控制器本身的運算速度很慢（比如 低端運動控制器），就用位置方式控制。如果控制器運算速度比較快 ，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅動器移到控制器上，減少驅動器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運動控制器）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉矩方式控制，把速度環(huán)也從驅動器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而且，這時完全不需要使用伺服電機。 換一種說法是： 1、轉矩控制：轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現(xiàn)為例如 10V 對應 5外部模擬量設定為 5部負載等 于 電機不轉，大于 2 轉（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）。可以通過即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應用主要在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。 2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值 。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。應用領域如數(shù)控機床、印刷機械等等。 3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán) 制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。 頻與伺服的關系及應用 隨著工業(yè)水平的發(fā)展，自動 化 水平的提高，變頻技術和伺服在工業(yè)自動化控制上有著廣泛的應用，變頻技術： 簡單的變頻器只能調節(jié)交流電機的速度，這時可以開環(huán)也可以閉環(huán)要視控制方式和變頻器而定，這就是傳統(tǒng)意義上的 V/F 控制方式。現(xiàn)在很多的變頻已經(jīng)通過數(shù)學模型的建立，將交流電機的定子磁場 在大多數(shù)能進行力矩控制的著名品牌的變頻器都是采用這樣方式控制力矩， 樣反饋后構成閉 13 環(huán)負反饋的電流環(huán)的 節(jié)；這 樣可以既控制電機的速度也可控制電機的力矩，而且速度的控制精度優(yōu)于 v/f 控制，編碼器反饋也可加可不加，加的時候控制精度和響應特性要好很多。伺服系統(tǒng) ： 1、伺服驅動器 在發(fā)展了變頻技術的前提下，在驅動器內(nèi)部的電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)（變頻器沒有該環(huán)）都進行了比一般變頻更精確的控制技術和算法運算，在功能上也比傳統(tǒng)的伺服強大很多，主要的一點可以進行精確的位置控制。通過上位控制器發(fā)送的脈沖序列來控制速度和位置（當然也有些伺服內(nèi)部集成了控制單元或通過總線通訊的方式直接將位置和速度等參數(shù)設定在驅動器里），驅動器內(nèi)部的算法和 更快更精確的計算以及性能更優(yōu)良的電子器件使之更優(yōu)越于變頻器 。 2、電機方面 伺服電機的材料、結構和加工工藝要遠遠高于變頻器驅動的交流電機（一般交流電機或恒力矩、恒功率等各類變頻電機），也就是說當驅動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時，伺服電機就能根據(jù)電源變化產(chǎn)生響應的動作變化，響應特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅動的交流電機，電機方面的嚴重差異也是兩者性能不同的根本。就是說不是變頻器輸出不了變化那么快的電源信號，而是電機本身就反應不了，所以在變頻的內(nèi)部算法設定時為了保護電機做了相應的過載設定。當然即使不設定變頻器的輸出能力還是有限的，有些性能優(yōu)良的變頻器就可以直接驅動伺服電機 。 兩者的共同點：交流伺服的技術本身就是借鑒并應用了變頻的技術，在直流電機的伺服控制的基礎上通過變頻的 式模仿直流電機的控制方式來實現(xiàn)的，也就是說交流伺服電機必然有變頻的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的 50、 60交流電先整流成直流電，然后通過可控制門極的各類晶體管（ ）通過載波頻率和 節(jié)逆變?yōu)轭l率可調的波形類似于正余弦的脈動電，由于頻率可調，所以交流電機的速度就可調了 14 （ n=60f/2p ， n 轉速， 由于變頻器和伺服在性能和功能上的不同，所以應用也不大相同 ： 1、在速度控制和力矩控制的場合要求不是很高的一般用變頻器，也有在上位加位置反饋信號構成閉環(huán)用變頻進行位置控制的，精度和響應都不高?，F(xiàn)有些變頻也接受脈沖序列信號控制速度的，但好象不能直接控制位置。 2、 在有嚴格位置控制要求的場合中只能用伺服來實現(xiàn)，還有就是伺服的響應速度遠遠大于變頻，有些對速度的精度和響應要求高的場合也用伺服控制，能用變頻控制的運動的場合幾乎都能用伺服取代，關鍵是兩點：一是價格伺服遠遠高于變頻，二是功率的原因：變頻最 大的能做到幾百 至更高，伺服最大就幾十 服的基本概念是準確、精確、快速定位。變頻是伺服控制的一個必須的內(nèi)部環(huán)節(jié)，伺服驅動器中同樣存在變頻（要進行無級調速）。但伺服將電流環(huán)速度環(huán)或者位置環(huán)都閉合進行控制，這是很大的區(qū)別。除此外，伺服電機的構造與普通電機是有區(qū)別的，要滿足快速響應和準確定位?，F(xiàn)在市面上流通的交流伺服電機多為永磁同步交流伺服，但這種電機受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾 樣在現(xiàn)場應用允許的情況下多采用交流異步伺服，這時很多驅動器就是高端變頻器，帶編碼器 反饋閉環(huán)控制 。 流伺服電機的變頻調速原理 由 s)-(1}{n{ n } r /m m r / m i m i n}{-}{ / 6 0 { f } ??? 可知，改變定子電源頻率可以改變同步轉速和電動機的轉速。又有異步電動機的電勢公式可知外加電壓近似于頻率和磁通的乘積成正比，即 ??? 由于 f/ ??? ，因此，若外加電壓不變，則磁通隨頻 15 率改變而改變，亦即頻率降低，則磁通增加；、頻率增加，磁通降低。顯而易見，前者有可能造成電動機的磁路過飽 和，從而導致電流的增加而引起鐵心過熱。為了解決這一問題，這要求在變頻調速系統(tǒng)中降頻的同時最好降壓，即頻率與電壓能協(xié)調控制，亦即 一般來說，在恒轉矩變頻調速系統(tǒng)中，如果能保持 ?/值，則可保證調速過程中電動機的過載能力保持不變。同時，可滿足磁通 ? 基本不變的要求。而在恒功率調速時，如能滿足 ?定值的條件，則調速過程中電動機的過載能力也保持不變，但此時磁通將發(fā)生 變化，如果此時亦按恒轉矩調速滿足 ?/值的條件，則磁通將基本保持不變，但電動機的過載能力將在調速過程中改變。從而根據(jù) /調控制的方法不同，可以有不同的調速特性。 頻調速系統(tǒng)的分類 變頻調速系統(tǒng)可以分為交 交變頻調速與交 者常稱為帶直流環(huán)節(jié)的間接變頻調速，后者則常稱為直接變頻調速。 在專業(yè)課學習過程中可知：交 直 優(yōu)點是：節(jié)省了換流環(huán)節(jié)，提高了效率；在低頻時波 形較好，電動機諧損耗及轉矩的脈動大大減小。其缺點是：最高頻率受電網(wǎng)頻率的限制，且主回路元件數(shù)量多。故一般適用于低速、大容量的場合，如球磨機、礦井提升機、電力機車及軋機的轉動。轉動慣量測試儀的改造選用交 交變頻調速。在交直交變頻調速系統(tǒng)中，首先將電網(wǎng)中交流電整流成直流電，再通過逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調的交流電。前者目前主要采用晶閘管整流器來完成；逆變器的作用與整流器的作用相反，一般包括逆變電路及換流電路兩部分。逆變電路又有單相與多相、零式與僑式之分。換流電 16 路是保證當前導通的一只晶閘管換為后一只晶閘管導 通時，確保前者能可靠關斷的裝置。就整個變頻裝置而言，又根據(jù)從直流變到交流的中間環(huán)節(jié)濾波方法的不同而派生出兩種不同的線路，即所謂電壓型變頻調速系統(tǒng)和電路型變頻調速系統(tǒng)。 圖示為電壓型變頻調速系統(tǒng)的原理框圖 系統(tǒng)中，晶閘管整流、移相觸發(fā)電路、脈沖放大器、電壓及速度負反饋環(huán)節(jié)的電路及原理與交流調速系統(tǒng)沒有多大差別，其中，速度給定與頻率發(fā)生器電路是用來將給定電壓變換為一定頻率脈沖信號的電路，通常采用單結晶體管振蕩器，也有采用晶體管多諧振蕩器、間歇振蕩 器等組成。該輸出脈沖分別送至環(huán)形計數(shù)器及頻率 /電壓變換器中。環(huán)形計數(shù)器實質是一個分頻器，它把來自頻率發(fā)生器的脈沖 6 個一組依次分配，經(jīng)過脈沖放大后，順序觸發(fā)逆變器的 6只晶閘管來實現(xiàn)逆變。頻率 /電壓變換器是為了實現(xiàn)電壓與頻率的協(xié)調控制的。因為在變頻的同時，必須相應的改變直流度給定 － ～ 頻率 發(fā)生器 環(huán)形 計數(shù)器 脈沖 放大器 F/V 變換器 直流 放大 器 移相 電路 變頻 M － ～ 變頻器 17 電壓，以滿足調速系統(tǒng)的要求。頻率 /電壓變換器把脈沖信號變換為寬度與頻率成線性關系的矩形波。即當脈沖信號的頻率增高時，其輸出電壓也增高，控制晶閘管整流器的控制角 a 前移，使晶閘管整流器的輸出電壓也增高。 目前通用型變頻器主要是交 交變頻器，其 主要電路為下圖。同時變頻器的核心電路，有整流回路（交 流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直 成，當然還包括限流電路，制動電路，控制電路等組成。 1）整流電路（交 如下圖所示，通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一 般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號和浪涌過電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當電源電壓為三相 380流器件的最大反向電壓一般為 1200— 1600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。 18 2）濾波電路（能耗電路） 逆變器的負載屬感性負載的異步電動機，無論異步電動機處于電動或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾 波電路和異步電動機之間，總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件來緩沖。同時，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動，直流濾波電路起到對整流電路的輸出進行濾波的作用。 通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個電容器串聯(lián)和并聯(lián)構成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因為電解電容器容量有較大的離散性，這將使它們隨的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個阻值等相的勻壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會嚴重制約變頻器的壽命。 3） 逆變電路（直交轉換） 逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉換成頻率和電壓都可以任意調節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。 最常見的逆變電路結構形式是利用六個功率開關器件（ 成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中功率開關器件 的導 19 通與關斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。 通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、 保護電路及驅動電路。如三菱公司生產(chǎn)的 士公司生產(chǎn)的7門子公司生產(chǎn)的 ，內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、 塊的典型開關頻率為 20護功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時輸出故障信號燈。逆變電路中都設置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當頻率下降時，異步電動機的同步轉速也隨之下降。為異步電動機的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當位于同一橋臂上的兩個開關，同 時處于開通狀態(tài)時將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實際的通用變頻器中還設有緩沖電路等各種相應的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時，對換流器件進行保護。 動機的選型計算 所得設計的扭轉數(shù)據(jù)加以折算進行電動機的選擇計算。 1） 折算到電動機軸上的轉矩 W* ?? 式（ 0 0??? ? 式（ 74 6 7*l ???? ? 式（ — 電動機負載轉矩 — 生產(chǎn)機械負載轉矩 20 — 電動機旋轉角速度 — 電動機功率 2） 工作狀態(tài)下的載荷負載轉矩 在正常狀態(tài)下，工作狀態(tài)負荷轉矩應不超過電動機額定轉矩的 80% Tr m %*Tm s ? 式（ — 電動機額定轉矩 N*M — 工作狀態(tài)載荷轉矩 N*M 0*T ? 式（ 8 7 5 NT ? 式（ 1、 鑒于此選擇的電機為 所以運用交直交 變頻調速系統(tǒng)將電機的運轉速度調至 87轉 /分鐘。 型號 額定功率 額定轉速 最大轉矩 額定轉矩 3000R/21 第三章 傳感器的選用 感器選用的一般原則： 現(xiàn)代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量 環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。 1、根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型 要進行 — 個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因 為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。 在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。 2、靈敏度的選擇 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出 信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠擾信號。 22 傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 3、 頻率響應特性 傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有 — 定延遲，希 望延遲時間越短越好。 傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。 在動態(tài)測量中，應根據(jù)信號的特點 (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等 )響應特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。 4、線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。 但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性 ，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。 5、穩(wěn)定性 傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。 23 在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。 傳感器的穩(wěn)定性有定量指標，在超過使用期后，在使 用前應重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。 在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴格，要能夠經(jīng)受住長時間的考驗。 6、精度 精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。 如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量 值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。 對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿足使用要求。 字式扭矩傳感器技術性能及應用 字式扭矩傳感器的基本性能 在旋轉動力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù) :旋轉扭矩 ,為了檢測旋轉扭矩傳統(tǒng)使用較多的是扭轉角相位差式傳感器，該方法是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數(shù)、形狀及安裝角度完全相同的齒輪，在齒輪的外側各安裝著一只接近（磁或光）傳感器。當彈性軸旋轉時，這兩組傳感器 就可以測量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點：實現(xiàn)了轉矩信號的非接觸傳遞，檢測信號 24 為數(shù)字信號；缺點：體積較大，不易安裝，低轉速時由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。（見圖一） 圖一 扭轉角相位差式扭矩傳感器 示意圖 扭矩測試比較成熟的檢測手段為應變電測技術。它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優(yōu)點。 將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上，并組成應變橋，若向應變橋提供工作電源即可測試該彈性軸受扭的電信號。這就是基本的扭矩傳感器模式。 （見圖二）但是在旋轉動力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉體上的應變橋的橋壓輸入及檢測到的應變信號輸出如何可靠地在旋轉部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導電滑環(huán)來完成。 圖二 基本的扭矩傳感器 由于導電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉軸的轉速及導電滑環(huán)的使用壽命。及由于接觸不可靠引起信號波動，因而造成測量誤差大甚至測量不成功。為了克服導電滑環(huán)的缺陷，另一個辦法就是采用無線電遙測的方法 :將扭矩應變信號在旋轉軸上 25 放大并進行 V/F 轉換成頻率信號，通過載波調制用無線電發(fā)射的方法從旋轉軸上發(fā)射至軸外，再用無線電接 收的方法，就可以得到旋轉軸受扭的信號（見圖三）。 圖三 旋轉軸上的能源供應是固定在旋轉軸上的電池。該方法即為遙測扭矩儀。 （見圖四）遙測扭矩儀成功之處在于克服了電滑環(huán)的兩項缺陷，但也存在著三個不足之處，其一：易受使用現(xiàn)場電磁波的干擾；其二：由于是電池供電，所以只能 短期使用。其三：由于在旋轉軸上附加了結構，易引起高轉速時的動平衡問題。在小量程及小直徑軸時更突出。數(shù)字式扭矩傳感器吸取了上述各種方法的優(yōu)點并克服了其缺陷 ,在應變傳感器的基礎上設計了兩組旋轉變壓器 ,實現(xiàn)了能源及信號的非接觸傳遞。并做到了扭矩信號的傳遞與是否旋轉無關，與轉速大小無關，與旋轉方向無關。 26 圖四 字式扭矩傳感器 特點 1．既可以測量靜止扭矩，也可以測量旋轉轉矩； 2．既可以測量靜態(tài)扭矩，也可以測量動態(tài)扭矩； 3．檢測精度高，穩(wěn)定性好；抗干擾性強； 4．體積小，重量輕，多種安裝結構，易于安裝使用； 5．不需反復調零即可連續(xù)測量正反轉扭矩； 6．沒有導電環(huán)等磨損件，可以高轉速長時間運行； 7．傳感器輸出高電平頻率信號可直接送計算機處理； 8．測量彈性體強度大可承受 100%的過載。 字式扭矩傳感器 測量原理 將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應變橋 ,向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經(jīng)過壓 /頻轉換，變成與扭應變成正比的頻率信號。本系統(tǒng)的能源輸入及信號輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)型變壓器承擔的 ,因此實現(xiàn)了無接觸的能源及信號傳遞功能。（虛線內(nèi)為旋轉部分） （見圖五）。 27 圖五 字式扭矩傳感器 原理結構 在一段特制的彈性軸上粘貼上專用的測扭應片并組成變橋，即為基礎扭矩傳感器；在軸上固定著：（ 1）能源環(huán)形變壓器的次級線圈，（ 2）信號環(huán)形變壓器初級線圈，（ 3）軸上印刷電路板，電路板上包含整流穩(wěn)定電源、儀表放大電路、 V/傳感器的外殼上固定著（ 1）激磁電路，（ 2）能源環(huán)形變壓器的初級線圈（輸入），（ 3）信號環(huán)形變壓器次級線圈（輸出），（ 4）信號處理電路。 字式扭矩傳感器 工 作過程 向傳感器提供 ±15V 電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生 400方波，經(jīng)過 率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器 到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到 ±5V 的直流電源，該電源做運算放大器 工作電源；由基準電源 雙運放 成的高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)生±精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及 V/F 轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的 大成 v 的強信號，再通過 V/F 轉換器 過信號環(huán)形變壓器 經(jīng)過傳感器外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為 既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉變壓器動 之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。 28 本傳感器輸出的頻率信號在零點時為 量程時為 5滿量程變量為 5000 個數(shù) /每秒。轉速測量采用光電齒輪或者磁電齒輪的測量方法，軸每旋轉一周可產(chǎn)生 60個脈沖，高速或中速采樣時可以用測頻的方法，低速采樣時可以用測周期的方法。本傳感器精度可達 ±～ ±（ F·S ）。由于傳感器輸出為頻率信號，所以無需 字式扭矩傳感器的 應用范圍 1．檢測發(fā)電機，電動機 ，內(nèi)燃機等旋轉動力設備輸出扭矩及功率； 2．檢測減速機，風機，泵，攪拌機，卷揚機，螺旋槳，鉆探機械等設備的負載 扭矩及輸入功率； 3．檢測各種機械加工中心，自動機床的工作過程中的扭矩； 4．各種旋轉動力設備系統(tǒng)所傳遞的扭矩及效率； 5．檢測扭矩的同時可以檢測轉速，軸向力； 6．可用于制造粘度計，電動（氣動，液力）扭力扳手。 7．使用兩組聯(lián)軸器，將傳感器安裝在動力源和負載之間。 字式扭矩傳感器的 安裝方式 本傳感器屬貫通形安裝方法，一般需要通過聯(lián)軸器安裝，為了便于在特殊要求的條件下使用，本傳感器還有七種變形結構： 1． 如果要求傳動系統(tǒng)的軸向不因安裝了傳感器 而加長，則可使用智能聯(lián)軸器 可以承擔聯(lián)軸器的功能。也就是一種帶檢測功能的聯(lián)軸器。 29 2． 被測傳動系統(tǒng)不允許加長但可以拆卸時，則可以使用套裝式扭矩傳感器套在被測軸上即可測試。 3． 被測傳動系統(tǒng)既不允許加長又不可以拆卸時，則可以使用在現(xiàn)場組裝的卡裝式扭矩傳感器。從軸的兩側卡在軸上即可進行測試。即可長期監(jiān)測也可短期檢測。與電流鉗形表相似。 4． 有的測試系統(tǒng)既有扭力又有軸向力時則可以使用轉矩轉速軸向力三參數(shù)傳感器；既可以避免軸向力對扭力測試的干擾又可以測量軸向力的信號； 5． 在高轉速或超高轉速下測試時可以使用 無軸承式轉矩轉速傳感器； 6． 如果被測系統(tǒng)為不旋轉狀態(tài)時可以使用扭矩傳感變送器； 7．如果被測系統(tǒng)最大值在 5mN·m 至 1N·m 時可以使用小量程轉矩轉速傳感器。 能轉矩轉速測量儀 為了更方便的使用本系列扭矩傳感器特配合設計了智能轉矩轉速測量儀與計算機虛擬儀器，該兩種儀器可以直接顯示出正在測量的轉矩，轉速，功率值的數(shù)值及曲線，也可以設定轉矩的限定值，超值報警，還可以保存本次測量的轉矩峰值及曲線，并且可以打印出上述各參數(shù)及曲線圖 。 30 第四章 光電編碼器原理及應用電路 電編碼器原理 光電編碼 器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光 電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖 1所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差 90。 根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。 量式編碼器 原理輸出三增量式編碼器是直接利用光電轉組方波脈沖 A、 相；A、 沖相位差 90海傭煞獎愕嘏卸銑魴較潁鳽相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構造簡單，機械平均