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本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
翻譯資料
中文題目： 網(wǎng)絡(luò)傳輸方法應用于可編程
邏輯控制器編程
英文題目： Using the net transformation method to program programmable logic controllers
學生姓名：趙鳳巳
學 號：14021223
班 級：140212
專 業(yè)：機械
指導教師：高春甫
14
網(wǎng)絡(luò)傳輸方法應用于可編程邏輯控制器編程
摘要：
這篇文章描述了把分離的制造程序合成一系列控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方法（MTS）。文章討論了連續(xù)系統(tǒng)的圖表方程式設(shè)計步驟。有系統(tǒng)地陳述了控制存儲器的實驗原理。文章論證了圖表方程式通過一種階梯式邏輯語言，即可編程邏輯控制器的一種運用，為記錄提供了基礎(chǔ)。MTS方法（網(wǎng)絡(luò)傳輸方法）模擬分離程序和PLC編程的作用通過一個精選的分離技術(shù)過程的自動化例子用插圖表示出來。
關(guān)鍵字：制造程序，過程控制，控制算法，可編程序控制器，程序語言。
1． 序言
PLC是目前基礎(chǔ)的和常用的制造過程自動化工具。它允許分離程序和持續(xù)程序的自動化。PLC編程的基本實驗是過程控制算法的知識，它為用控制器的程序語言寫運用（程序）提供了基礎(chǔ)。
有一種新的方法允許合成分離制造程序的控制算法，這種方法就是網(wǎng)絡(luò)傳輸方法。（MTS）它存在于一種基本程序操作與一種外部易變控制系統(tǒng)的建立的對應。
MTS方法的優(yōu)勢在于它允許復雜分離程序控制算法的設(shè)計。這種優(yōu)勢在連續(xù)控制系統(tǒng)的合成方法中是沒有的。傳統(tǒng)的方法在合成系統(tǒng)輸入的常數(shù)系數(shù)n>3和內(nèi)部狀態(tài)k>7時作用是有限的。
用MST方法合成控制算法的步驟，以及PLC程序，在Fig.1中圖表形式表示。一般來說，用MTS方法進行PLC編程的步驟包括：
1．在口語中描述的基礎(chǔ)上確定程序的算法。它是由執(zhí)行指令網(wǎng)絡(luò)來表示的。
2．確定控制算法，他的合成分兩部：
——構(gòu)造使執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕顒泳W(wǎng)絡(luò)。
——建立控制系統(tǒng)存儲器。
3．確定圖表方程式
4．用階梯圖語言寫出PLC應用圖表方程式。
下文不僅表述了MTS方法，還表述了它在PLC編程中的作用，用模型和精選的分離技術(shù)程序來例證。
2．MTS——網(wǎng)絡(luò)傳輸方法
用MTS方法把分離的制造程序合成連續(xù)的控制系統(tǒng)的連續(xù)過程在下面描述。
2．1 程序的功能圖表和其口語描述
程序的功能圖表是它分解成初級階段的基礎(chǔ)，必須在程序的初始狀態(tài)中呈現(xiàn)，圖表必須包含所有的活動元素和系統(tǒng)，以及信號元素。這是程序分解為初級階段以及確定它們實現(xiàn)的條件時不可缺少的，上述的實驗記錄在初級階段的口語描述中反映出來，如下所示：
步驟Z：*步驟名*
實現(xiàn) ：Ri
表明 ：Yi或Ti
這里Z是第i個初級階段，Ri是第i個激活元素或系統(tǒng)；Yi或Ti，邏輯或時間類型變量決定步驟Zi實現(xiàn)的結(jié)果。
程序的口語描述應該包括初級階段的個別描述，在配合預定過程實現(xiàn)的指令中描述。
2． 2控制網(wǎng)——程序算法
程序的控制網(wǎng)用圖形符號Fig.2來描述其算法。圖形符號的作用意義和原理對用執(zhí)行指令網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)程序的書寫過程來說是很必要的。一個控制網(wǎng)是一個程序算法的數(shù)學幾何分析。
下面的元素是用來夠建一個控制網(wǎng)：
（a）執(zhí)行指令Fig.1a的幾何符號是個矩形。它們描述分離制造程序的基本步驟。
（b）狀態(tài)盒的幾何符號是個菱形，它們描述初級階段實現(xiàn)的邏輯或時間狀態(tài)一個狀態(tài)盒有一個輸入和兩個輸出：Y(yes)和N(no)。輸出狀態(tài)盒的描述代表應該用下面的方式來理解。
在一個用狀態(tài)盒來描述其狀態(tài)結(jié)果的步驟的現(xiàn)實過程中，它的輸出值有T=0和N=1，狀態(tài)的完成由盒子輸出狀態(tài)（T=1和N=0）的改變結(jié)果來描述。且因此在與之相連的步驟中，以及下一步驟實現(xiàn)的開始中體現(xiàn)。
兩種類型狀態(tài)盒描述如下：
——初級階段狀態(tài)盒，這些是用于描述步驟實現(xiàn)的狀態(tài)。
——獨立狀態(tài)盒(Fig.1c)，用來描述不直接與其特定相連的初級階段程序狀態(tài)實現(xiàn)。
（c）邏輯執(zhí)行指令節(jié)點，它來描述代數(shù)二進制指令。兩者交叉部分的幾何符號是一個圓圈。（Fig.1d）相連部分的符號是一個打叉的圓。（Fig.1e）
（d）信號分枝。它意味著分枝節(jié)點后的信號與節(jié)點前的信號有同樣的值。
（e）開始、停止和警告盒。這些描述程序下面的步驟：在它剛開始實現(xiàn)時，在實現(xiàn)結(jié)果時，以及狀態(tài)與預定的程序算法不一致時。
分離制造程序的控制網(wǎng)是其算法的一種數(shù)學模型。它用圖表詳細說明程序過程和程序特定實現(xiàn)的邏初級階段輯狀態(tài)。控制網(wǎng)用習慣上下描述，用個別現(xiàn)象的指令。
在Fig.3中描述一個程序執(zhí)行指令網(wǎng)絡(luò)的例子。
附屬f和f，敘述程序基本步驟實現(xiàn)的狀況，可能在執(zhí)行初級階段指令網(wǎng)絡(luò)的最初被確定。附屬f決定著步驟Z開始實現(xiàn)時的程序狀態(tài)。用執(zhí)行指令盒輸入位置的信號來描述。
Fig2. 幾何符號用來建立控制網(wǎng):執(zhí)行指令盒(a)，基本步驟狀態(tài)盒（b），
獨立狀態(tài)盒（c），交叉節(jié)點（d），連接節(jié)點（e），信號分枝（f），開始盒（g），停止盒（h），及警報盒（i）。
附屬f決定著步驟Z開始實現(xiàn)時的程序狀態(tài)。它用執(zhí)行指令盒步驟Z的狀態(tài)盒輸出N的位置的信號來描述。確定附屬f和f的原理在圖Fig.3中表示。
基于上述的原因，特定程序步驟實現(xiàn)的邏輯狀態(tài)可能在執(zhí)行指令網(wǎng)絡(luò)的最初被確定，并被單獨描述。
F（zi）= f*f （1）
Eq.（1）為合成的連續(xù)控制系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。
執(zhí)行指令網(wǎng)絡(luò)的基本優(yōu)勢是它限制了布爾函數(shù)的圖形描述；因此它可以被用來寫過程描述邏輯獨立性反復無常的程序算法。
2．3 有源網(wǎng)——控制算法
有源網(wǎng)的建是控制網(wǎng)傳輸?shù)慕Y(jié)果。它在制一套在一套控制系輸出變量之上的程序初級階段圖?？刂葡到y(tǒng)的輸出信號控制著個別初級階段的實現(xiàn)。
在輸出變量系統(tǒng)之上繪制階段圖的原理從如下關(guān)系中來：
控制實現(xiàn)初級階段
ie. YiRiZi
圖Fig.4提出一個有源網(wǎng)例子。
Fig.3 控制網(wǎng)舉例
Fig.4 有源網(wǎng)舉例
實際上，有源網(wǎng)描述了控制系統(tǒng)的輸出信號。因為程序的輸出變量與控制系統(tǒng)的輸入變量是同時性的，而且輸出信號控制著特定程序步驟的實現(xiàn)，下面等式產(chǎn)生：
（2）
為了保證控制系統(tǒng)根據(jù)預定算法實現(xiàn)需要完成下面假定：
f*f=1——在那與步驟Zi的實現(xiàn)想一致的控制系統(tǒng)中
f*f=0——在控制系統(tǒng)的工作循環(huán)的持續(xù)步驟中 （3）
如果控制系統(tǒng)有存儲器Eg.(3)的實現(xiàn)只是可能。它是控制系統(tǒng)存儲器即控制算法壓縮的本質(zhì)的實現(xiàn)。
2．4 控制系統(tǒng)存儲器的實現(xiàn)
用MTS方法設(shè)計控制系統(tǒng)存儲器在附屬f、f，及f*f的分析的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了。在有源網(wǎng)基礎(chǔ)上的幾何描述，在Eg.(3)中完成。控制系統(tǒng)存儲器通過利用邏輯回輸封閉電路和基本存儲器電池實現(xiàn)。存儲器的實現(xiàn)在于執(zhí)行下面的活動：
（a） 確定附屬f、f和f*f，在有源網(wǎng)基礎(chǔ)上。
（b） 描述附屬f、f和f*f，在有源網(wǎng)基礎(chǔ)上，用幾何方法。
（c） 描述輸出變量函數(shù)F*（Y）控制系統(tǒng)所有Y和F*（Y），用幾何方法。
（d） 選擇確保先決條件（3）完成的存儲器的實現(xiàn)的原理，存儲器的實現(xiàn)原理將在文章后面闡述。
（e） 計數(shù)所有與涉及附屬F*（Y）的存儲器實現(xiàn)連接的附屬。
（f） 重復（a）~（e）給出的涉及連續(xù)輸出變量的附屬F*（Y）的確定，以及控制系統(tǒng)輔助變量F（M）的活動，直到最后一個。
輸出和控制系統(tǒng)連續(xù)輔助變量的函數(shù)如此為其圖表方程式的確定提供了基礎(chǔ)。
2．4．1 存儲器實現(xiàn)原理
下邊描述連續(xù)控制系統(tǒng)存儲器實現(xiàn)的基本原理。
原理1
如果f=
和 f=
然后：用一個邏輯封閉回輸電路。它具有Xk+Yi的形式。
Xk是一個使附屬f取0值的變量，在與步驟Zi的實現(xiàn)相一致的控制系統(tǒng)的部分階段中。
Yi是一個控制步驟Zi的實現(xiàn)的輸出變量信號。
原理1也習慣用來實現(xiàn)提出記錄基本存儲的邏輯條件的附屬f。
原理2
如果f由原理1決定：
而f*f=
然后： 用一個邏輯回輸封閉電路。它具有xi+yi或xj+mj的形式。
Xj是使附屬f在與步驟Zi的實相一致的部分階段中取0值的變量。
yk，mj是輸出變量yk的信號或在附屬f應該取1值的控制系統(tǒng)階段中取0值的輔助變量mj，而且1值在與步Zi實現(xiàn)的完結(jié)時刻相一致的控制系統(tǒng)階段中
ym是一種在與步驟Zi的實現(xiàn)相一致的控制系統(tǒng)階段中的輸出變量yk的信號，f f*f=0，且在與步驟Zi實現(xiàn)的完結(jié)時刻相一致的控制系統(tǒng)的階段中值為0。
原理3
如果f*f=
然后：用輔助變量M1，變量M1的內(nèi)容產(chǎn)生于下面的關(guān)系：
其中：
f——記錄M1的存儲器
f——去除M1的存儲器
f——一個確定討論程序最后階段的實現(xiàn)完結(jié)的邏輯條件的附屬
原理4
如果f*f=
然后：用兩個輔助變量M1和M2
變量1和變量2的內(nèi)容產(chǎn)生于如下關(guān)系：
（a） 變量M1：根據(jù)原理4
（b） 變量M2：
其中，fa是決定上述步驟Zi的狀態(tài)盒輸出TAK的附屬。這必須是一個f在上述步驟Zi實現(xiàn)的控制程序階段中值為0的階段。
M2是變量M2的一個信號。
上面描述的存儲器實現(xiàn)原理允許用當代制造系統(tǒng)中占優(yōu)勢的MTS法把分離的制造程序合成連續(xù)的控制系統(tǒng)。
2．5算法方程式
由于控制系統(tǒng)存儲器的實現(xiàn)。附屬f和f有如下形式：
（4）
這里：X是輸出變量信號。Y是輸出變量信號，m是基礎(chǔ)存儲器信號。
最后，由于存儲器的實現(xiàn)，控制器所有輸出變量的函數(shù)基本都確定了。它們以下面形式：
（5）
同輔助函數(shù)一樣：
（6）
這里，f是第j個存儲器邏輯狀態(tài)記錄，而f是第j個存儲器的刪除邏輯狀態(tài)。
輸出和輔助變量函數(shù)組成算法方程式的確定基礎(chǔ)。它們有如下形式：
（7）
方程式（7）用于用作為一種PLC的運用的LD語言來寫程序。LD語言是編程語言的基礎(chǔ)，用專用PLC編程。
3． PLC控制器編程
MTS方法用于PLC控制器編程將用一個液體物質(zhì)A和B自動混合程序舉例來說明。
3．1 液體物質(zhì)A和B混合加熱程序
圖5表示了一個液體物質(zhì)混合加熱程序的功能圖表。其口語描述如下：
程序由兩個同時實現(xiàn)的步驟Z1和Z2開始：
步驟Z1：*裝滿瓶A*
實現(xiàn)：EZ1+
發(fā)出信號：WP1=1
步驟Z2：*裝滿瓶B*
實現(xiàn)：EZ2+
發(fā)出信號：WP2=1
Fig.5液體物質(zhì)A和B混合加熱程序功能圖表
Fig.6液體物質(zhì)混合加熱程序算法
在步驟Z1和Z2實現(xiàn)完結(jié)之后，步驟Z3和Z4同時開始執(zhí)行。
步驟Z3：*配制物質(zhì)A*
實現(xiàn)：EZ3+
發(fā)出信號：WP4=1
步驟Z4：*配制物質(zhì)B*
實現(xiàn)：EZ4+
發(fā)出信號：WP4=1
在步驟Z3和Z4實現(xiàn)完結(jié)后，步驟Z5和Z6同時開始執(zhí)行。
步驟Z5：*混合物質(zhì)A和物質(zhì)B*
實現(xiàn)：M
發(fā)出信號：a=1
步驟Z6：*加熱物質(zhì)A和B*
實現(xiàn)：G
發(fā)出信號：a=1
步驟Z5和Z6實現(xiàn)完結(jié)后，步驟Z7開始執(zhí)行。
步驟Z7：*倒出混合物*
實現(xiàn)：EZ5+
發(fā)出信號：WP3=0
程序循環(huán)實現(xiàn)。
圖6中的控制網(wǎng)描述了程序算法，圖7a有源網(wǎng)重述了控制系統(tǒng)的輸出信號。
在對圖7所表明的關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，它闡明了：
1． 附屬fp1*和fk1*，根據(jù)原理3，有fp1*SWP3和fk1*。附屬fs1和fR1按如下等式：fs1=WP1+m1和fR1=WP3
2． 附屬fp2*和fk2*，根據(jù)原理3，有有fp2*SWP3和fk2*。附屬fs2和fR2按如下等式：fs2=WP2+m2和fR2=WP3
3． 附屬fp3*，根據(jù)原理1，應有fp3*=WP1*WP2+y3。附屬fk3*fk3=
4． 附屬fp4*，根據(jù)原理1，應有fp4*=WP1*WP2+y4。
5． 附屬附屬附屬fp5*fp3=WP4及附屬fk5*fk5=
6． 附屬fp6*fp6=WP4及附屬fp6*fp6=
7． 附屬fp7*，根據(jù)原理1，應有fp7*=a+y7。附屬fp7*fk7=WP3
Fig.7液體物質(zhì)混合加熱程序控制算法：有源網(wǎng)（a）和輸出函數(shù)表示附屬和輔助變量（b）
Fig.8 PLC輸入輸出電路算法
在確定了fpi*和fki*以及fsj和fRj的基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)的設(shè)計的算法方程式可確定。計算出PLC有多少個輸出和輸入電路，（圖8），它有如下形式：
液體物質(zhì)混合加熱過程的控制程序，用LD語言寫出，如圖9所示，邏輯算法用階梯符號所示。
I——控制器輸入信號
Q——控制器輸出信號
M——旗幟
Fig.9液體物質(zhì)混合加熱過程控制程序
4． 結(jié)論
這篇文章描述了一種新的MTS方法，以及它用于模擬分離程序和PLC編程。MTS方法的核心由一種分離制造程序算法的數(shù)學網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)成。它由一個控制網(wǎng)表示?？刂凭W(wǎng)的基本優(yōu)勢是它是一個邏輯網(wǎng)。準確來說，它描述了程序的進步，及其初級階段實現(xiàn)的邏輯條件。
控制網(wǎng)構(gòu)成了控制算法確定的基礎(chǔ)。它有兩個階段。第一個包括由于控制系統(tǒng)有源網(wǎng)的建立而完成的程序算法的傳輸，描述其輸出信號。在第二步中控制系統(tǒng)存儲器實現(xiàn)。實際上，一個控制算法建立，使分離制造程序的控制算法的圖表方程式可以確定。
圖表方程式用于PLC編程來書寫其應用，其應用的書寫由階梯邏輯語來實現(xiàn)。LD語言是PLC編程語言的基礎(chǔ)（標準）。目前，任何控制都有其LD語言軟件，因此MTS方法可以被用于每一個PLC編程。
MTS方法允許同時期占優(yōu)勢的制造系統(tǒng)的程序控制算法的合成。
參考文獻
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哈弗曼，D.A.，1954。連續(xù)電路開關(guān)分析。富蘭克林協(xié)會會刊。257冊。
米立，G.H.，1955。連續(xù)電路合成方法。比爾系統(tǒng)技術(shù)雜志，24冊。
特瑞斯克，W.,1982。波蘭女學者。數(shù)字系統(tǒng)理論基礎(chǔ)及合成方法。WNT，華沙。
吉林大學機械科學與工程學院
畢業(yè)設(shè)計題目審批表（暨設(shè)計任務(wù)書）
畢業(yè)設(shè)計題目
齒輪性能綜合試驗臺
擬指導學生數(shù)
1
課題類型： 2
結(jié)合課題情況： 1
指導教師姓名
所在單位
機械學院
設(shè)計題目簡介（主要包括工作內(nèi)容、要求等）對指導學生的題目應明確個學生的工作內(nèi)容）
1. 設(shè)計任務(wù)：通過制動器磨合以及增減砝碼來改變軸承游隙和齒輪精度試驗，從而獲得扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、噪聲、壓力等傳感器實時采集和處理各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)；并且對多路傳感器信號通過串、并口的同時采集及抗干擾措施。
2. 設(shè)計要求：分析齒輪對傳動精度影響，齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲分析
3. 主要參數(shù)：試驗臺總功率： 4KW；砝碼 m=80kg；帶輪增速比 u=1.5:1；
電機以變頻3000r/min無級調(diào)速運行，輸出n=6000-7000r/min；
V帶帶型：A型；直齒輪：Z1=62,Z2=42；
4. 工作內(nèi)容：1）草圖A0一張
2）CAD圖紙 ，三維設(shè)計A1
3）設(shè)計說明書 20000字
4）外文翻譯 5000以上漢字
4.時間安排
第七學期第1周～第八學期第3周 外文翻譯及開題報告
第八學期第4周～第八學期第8周 方案設(shè)計及總體裝配圖
第八學期第9周～第八學期第12周 部件圖幾零件圖
第八學期第13周～第八學期第15周 電器原理圖設(shè)計
第八學期第16周 撰寫設(shè)計說明書
5.參考資料
數(shù)控技術(shù) 哈爾濱工業(yè)大學出版社
MCS-51系列單片機系統(tǒng)及起應用 高等教育出版社
機電一體化技術(shù)手冊 機械工業(yè)出版社
機電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 科學出版社
機電一體化原理及應用 國防工業(yè)出版社
機械設(shè)計手冊 機械工業(yè)出版社
機床設(shè)計手冊 機械工業(yè)出版社
審核意見：
負責人：
年 月 日
注：結(jié)合課題情況指（1）在研項目（2）預研項目：課題類型（1）設(shè)計（2）論文（3）軟件
本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
開題報告
學生姓名：
學 號：
班 級：
專 業(yè)： 機械
指導教師：
齒輪性能綜合試驗臺
開題報告
1. 本課題研究的目的和意義
2 齒輪綜合性能試驗臺研究目的
該綜合試驗臺集機、電、液、氣為一體，通過扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、噪聲、壓力等傳感器實時采集和處理各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對其綜合性能進行測試。
2 我國齒輪傳動制造行業(yè)的現(xiàn)狀分析及與國外相關(guān)行業(yè)對比
目前，我國以上海汽車齒輪總廠、陜西法士特公司為代表的骨干齒輪制造企業(yè)和研究所，完成汽車齒輪、摩托車齒輪、工程機械齒輪傳動、農(nóng)機齒輪、工業(yè)齒輪變速箱和高速重載齒輪、特殊專用齒輪傳動、齒輪專用裝備等各類產(chǎn)品的技術(shù)引進和消化，使我國齒輪傳動制造業(yè)近十年得到了跨越式的發(fā)展。
首先，汽車手動變速箱（含重、中、輕、微），轎車變速箱，摩托車齒輪、工程機械換擋變速箱，大、中型農(nóng)機變速傳動的配套，已經(jīng)基本立足國內(nèi)生產(chǎn)，基本滿足了主機廠的配套需要，并已經(jīng)有部分齒輪件出口或變速箱出口。在汽車自動變速箱方面，目前仍被進口產(chǎn)品控制。
其次，在車輛驅(qū)動橋、主被動螺旋錐齒輪、直齒錐齒輪及輪邊減速機方面，大部分能滿足國內(nèi)配套需要。以東風車橋為代表的驅(qū)動橋與錐齒輪產(chǎn)業(yè)正在整合重組發(fā)展，已經(jīng)看到快速發(fā)展的希望。
第三，在工業(yè)通用變速箱領(lǐng)域，SEW等一批國外獨資企業(yè)的進入激活了中國工業(yè)通用變速箱企業(yè)為代表，在產(chǎn)品系列化、模塊化、質(zhì)量與技術(shù)水平方面，最近五年有了突飛猛進的發(fā)展，形成了與國際品牌的激烈競爭。我國企業(yè)生產(chǎn)的部分產(chǎn)品達到了國際水平，有部分產(chǎn)品已經(jīng)出口歐美。
第四，在高速重載齒輪傳動制造方面，我國有已南京高精齒輪股份有限公司（南京高速齒輪箱廠）、重慶齒輪箱廠、杭州前進齒輪箱集團、鄭州機械研究所、洛陽中重減速機公司、沈陽礦山減速機公司為代表的企業(yè)。這些企業(yè)在引進技術(shù)的過程中，為我國大型成套裝備配套與船舶工業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻。
第五，特殊、專用車輪傳動方面，如非圓齒輪、塑料齒輪、粉末冶金齒輪、小模數(shù)齒輪等，我國目前沒有形成龍頭企業(yè)，企業(yè)的技術(shù)潛力尚待發(fā)揮。
第六，齒輪專用裝備方面，近五年來民營企業(yè)發(fā)展較快，國有企業(yè)發(fā)展比較慢。大多數(shù)國有齒輪裝備制造企業(yè)的裝備可靠性指標進步較慢，致使齒輪行業(yè)的大部分主導精加工裝備仍是以進口為主。部分齒輪企業(yè)裝備國產(chǎn)化的希望主要有：秦川機床廠的蝸桿砂輪磨齒機；重慶機床廠、南京二機長的數(shù)控機床；螺旋錐齒輪磨齒機床的研制成功；天津元昊公司數(shù)控螺旋錐齒輪切齒機床的批量供貨；杭州天辰精密齒輪檢具、量具、夾具；長城潤滑油對齒輪行業(yè)的潤滑市場服務(wù)。這些都讓我國齒輪行業(yè)看到了自立創(chuàng)新、自主發(fā)展的希望。
雖然前景令人振奮，但專家也指出，同歐、美、日相比，中國齒輪行業(yè)還存在一定差距，主要表現(xiàn)為：自主創(chuàng)新能力不足、新品開發(fā)慢。如在汽車自動變速箱方面，目前仍被進口產(chǎn)品控制；在特殊、專用齒輪傳動方面，我國目前還沒有形成龍頭企業(yè)，企業(yè)的技術(shù)潛力尚待發(fā)揮。尤其是塑料齒輪在國外的應用越來越普遍，但在我國并未得到應有重視，已遠遠落后世界水平；國產(chǎn)齒輪裝備水平從整體上看，仍與歐、美、日存在較大差距，特別是高端產(chǎn)品、自動化產(chǎn)品不足，齒輪行業(yè)的大部分主導精加工裝備仍以進口為主。此外還存在著市場競爭無序、企業(yè)管理薄弱、信息化程度低、從業(yè)人員綜合素質(zhì)有待提高的問題。
2. 課題任務(wù)
檢測數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示、存儲及輸出，并根據(jù)預先輸入計算機的分組參數(shù)進行產(chǎn)品質(zhì)量性能判斷。
本試驗臺也可用于研究汽車各種系列前、中、后橋總成的制動器制動性能測試與磨合試驗，并能夠?qū)蚩偝蛇M行綜合性能的在線檢測。
通過制動器磨合以及增減砝碼來改變軸承游隙和齒輪精度試驗，從而獲得扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、噪聲、壓力等傳感器實時采集和處理各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)；并且對多路傳感器信號通過串、并口的同時采集及抗干擾措施。
3. 本設(shè)計內(nèi)容與要求
l 齒輪傳動精度影響
輪齒加工時，由于輪坯、刀具在機床上的安裝誤差，機床和刀具的制造誤差以及加工時所引起的振動等原因，加工出來的齒輪存在著不同程度的誤差。加工誤差大、精度低，將影響齒輪的傳動質(zhì)量和承載能力；反之，若精度要求過高，將給加工帶來困難，提高制造成本。因此，根據(jù)齒輪的實際工作條件，對齒輪加工精度提出適當?shù)囊笾陵P(guān)重要。
我國國標GB10095-88中，對漸開線圓柱齒輪規(guī)定了12個精度等級，第l級精度最高，第12級最低。齒輪精度等級主要根據(jù)傳動的使用條件、傳遞的功率、圓周速度以及其它經(jīng)濟、技術(shù)要求決定。6級是高精度等級，用于高速、分度等要求高的齒輪傳動，一般機械中常用7～8級，對精度要求不高的低速齒輪可使用9～12級。
齒輪每個精度等級的公差根據(jù)對運動準確性、傳動平穩(wěn)性和載荷分布均勻性等三方面要求，劃分成三個公差組，即第I公差組、第II公差組、第III公差組。在一般情況下，可選三個公差組為同一精度等級，但也容許根據(jù)使用要求的不同，選擇不同精度等級的公差組組合。第II公差級精度等級6～9級的選擇可參閱下表，第III公差組一般不得低于第II公差組的精度等級，第I公差組和第III公差組的精度等級可參閱有關(guān)手冊加以確定。
齒輪傳動的側(cè)隙是指一對齒輪在嚙合傳動中，工作齒廓相互接觸時，在兩基圓柱的內(nèi)公切面上，兩個非工作因廓之間的最小距離jn。規(guī)定側(cè)隙，可避免因制造、安裝誤差以及熱膨脹或承載變形等原因而導致輪齒卡住。合適的側(cè)隙可通過適當?shù)凝X厚極限偏差和中心距極限偏差來保證，齒輪副的實際中心距越大，齒厚越小，其側(cè)隙就越大。
l 齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲分析
??在傳統(tǒng)齒輪傳動類產(chǎn)品(如工業(yè)減速箱、汽車變速器等)的設(shè)計過程中，人們往往只注重功能的實現(xiàn)和工作的可靠性，很少關(guān)心整個機械的運轉(zhuǎn)噪聲問題。但隨著人們對工作和生活環(huán)境舒適度要求的不斷提高，噪聲問題也隨之愈發(fā)凸顯出來。
為從設(shè)計角度出發(fā)降低齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲，我們就應首先來分析一下齒輪系統(tǒng)噪聲的種類和發(fā)生機理。
??? ?在齒輪系統(tǒng)中，根據(jù)機理的不同，可將噪聲分成加速度噪聲和自鳴噪聲兩種。一方面，在齒輪輪齒嚙合時，由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度并會引起周圍介質(zhì)擾動，由這種擾動產(chǎn)生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲。另一方面，在齒輪動態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)的各零部件會產(chǎn)生振動，這些振動所產(chǎn)生的聲輻射稱為自鳴噪聲。
???? 對于開式齒輪傳動，加速度噪聲由輪齒沖擊處直接輻射出來，自鳴噪聲則由輪體、傳動軸等處輻射出來。對于閉式齒輪傳動，加速度噪聲先輻射到齒輪箱內(nèi)的空氣和潤滑油中，再通過齒輪箱輻射出來。自鳴噪聲則由齒輪體的振動通過傳動軸引起支座振動，從而通過齒輪箱箱壁的振動而輻射出來。一般說來，自鳴噪聲是閉式齒輪傳動的主要聲源。
???? 因此，齒輪系統(tǒng)的噪聲強度不僅與輪齒嚙合的動態(tài)激勵力有關(guān)，而且還與輪體、傳動軸．軸承及箱體等的結(jié)構(gòu)形式、動態(tài)特性以及動態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關(guān)。一般來說，齒輪系統(tǒng)噪聲發(fā)生的原因主要有以下幾個方面：
(1)齒輪設(shè)計方面 參數(shù)選擇不當，重合度過小，齒廓修形不當或沒有修形，齒輪箱結(jié)構(gòu)不合理等。
(2)齒輪加工方面 基節(jié)誤差和齒形誤差過大，齒側(cè)間隙過大，表面粗糙度過大等。
? (3)輪系及齒輪箱方面 裝配偏心，接觸精度低，軸的平行度差，軸，軸承、支承的剛度不足，軸承的回轉(zhuǎn)精度不高及間隙不當?shù)取?
(4)其他方面輸入扭矩。負載扭矩的波動，軸系的扭振，電動機及其它傳動副的平衡情況等。
l 齒輪試驗臺的主要技術(shù)性能
? 試驗控制方式：自動測試循環(huán)/手動調(diào)試
? 試驗臺模擬加載狀態(tài)：加載軸負荷0～5T，無級可調(diào)。
? 制動器加載磨合；
? 運行噪聲及異響檢測
? 試驗臺控制計算機具有制動參數(shù)和傳動轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率、噪聲、溫升的參數(shù)采集、計算、判斷、顯示、存儲和輸出功能；
? 試驗臺控制計算機具有產(chǎn)品工藝參數(shù)設(shè)定、修改功能；參數(shù)修改權(quán)限確認功能；開機自檢功能；單步調(diào)試功能；程序檢測功能；
? 試驗齒輪制造精度對軸線回轉(zhuǎn)精度、傳動的震動與噪聲的影響；
? 試驗軸承精度、軸承預緊量和支撐剛度等對軸線回轉(zhuǎn)精度、傳動的震動與噪聲的影響；
? 試驗齒輪潤滑和軸承潤滑對傳動震動溫升和噪聲的影響。
l 具體技術(shù)指標要求如下
? 試驗臺總功率： ~ 4KW；
? 砝碼 m=80kg；
? 帶輪增速比 u=1.5:1；
? 電機以變頻3000r/min無級調(diào)速運行，輸出n=6000~7000r/min；
? V帶帶型：A型；
? 直齒輪：Z1=62,Z2=42；
4. 總體方案設(shè)計
該試驗臺主要由機械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。其中機械系統(tǒng)主要包括：齒輪傳動機構(gòu)，傳感器的固定機構(gòu)，軸承的固定機構(gòu)，增速器機構(gòu)，加載裝置，磁粉制動器，皮帶輪，皮帶，交流電機，聯(lián)軸器，扭矩傳感器，砝碼。測控系統(tǒng)主要包括：傳感器，信號調(diào)理裝置，信號采集與控制裝置和微機。
5. 設(shè)計進度計劃
1—2周 了解該試驗臺概況，閱讀相關(guān)文獻，作英文翻譯；
3—4周 提出試驗臺改進方案，進行總體方案設(shè)計；
5—7周 機械系統(tǒng)設(shè)計﹑加工﹑裝配與調(diào)試；
8—9周 測控系統(tǒng)設(shè)計﹑選購與裝配；
10—12周 系統(tǒng)軟件設(shè)計與調(diào)試；
13—14周 撰寫設(shè)計說明書，準備答辯
6. 參考資料
1) 高春甫．機電控制系統(tǒng)設(shè)計．吉林大學，2003
2) 王毅． 單片機器件應用手冊． 北京：人民郵電出版社，1995
3) 侯洪生，董國耀．機械工程圖學．科學出版社，2001
4) 譚慶昌，趙洪志，曾平．機械設(shè)計．吉林科學技術(shù)出版社，1995
5) 瑞士KISTLER力傳感器及其信號調(diào)理儀使用說明書
6) 蔣敦斌，李文英．非電量測量與傳感器應用．國防工業(yè)出版社，2005
9
吉林大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書
中文摘要
本文開發(fā)了一種齒輪綜合性能試驗臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用加載一定質(zhì)量的砝碼，在電動機轉(zhuǎn)速一定的情況之下，通過改變磁粉制動器來檢測數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示、存儲及輸出，并根據(jù)預先輸入計算機的分組參數(shù)進行產(chǎn)品質(zhì)量性能判斷。本系統(tǒng)是典型的機電一體化系統(tǒng)。
該試驗臺主要由機械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。其中機械系統(tǒng)主要包括：齒輪傳動機構(gòu)，傳感器的固定機構(gòu)，軸承的固定機構(gòu)，增速器機構(gòu)，加載裝置，磁粉制動器，皮帶輪，皮帶，交流電機，聯(lián)軸器，扭矩傳感器，砝碼。測控系統(tǒng)主要包括：傳感器，信號調(diào)理裝置，信號采集與控制裝置和單片機。
關(guān)鍵詞：齒輪 傳感器 砝碼
英文摘要
Title ：The testing machine of the gear integration capability test-bed system.
Abstract
This task had developed a sort of the gear integration capability test-bed system.This system using load to a certainty molar poise.at the circumstance of electromotor rotate speed has been defined,via altering magnetic induction arrestor to survey the display of data 、storage and output,and also accoding input the computer grouping parameter to carry through judgment of production quality. This system is a typical example that simulate the robot with the machine and electrons.
This test-bed had two kinds mostly components :mechanism system and measure controlling system.The mechanism mostly include:gear transmission framework,fasten framework of the sensor,fasten framework of bearing,speed up framework,loading epuipment, magnetic induction arrestor,strap wheel,strap,altering electrical motor,join axis organ,wrest sensor,poise.The measure controlling system mostly include:sensor,signal dispose setting,signal collection and controlling setting and SCM.
Keywords:gear sensor poise
43
目錄
1. 緒 論 1
1.1 課題研究的目的和意義 1
1.2 國內(nèi)外的研究狀況 1
1.3 課題任務(wù) 3
1.4 本論文的主要研究內(nèi)容 9
2. 系統(tǒng)總體方案 10
2.1試驗系統(tǒng)的組成及控制原理 11
2.2機械系統(tǒng)的工作原理： 12
3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
3.1直齒圓柱齒輪設(shè)計： 13
3.2 傳感器選擇 23
4 電氣系統(tǒng)設(shè)計 26
4.1計算機檢測系統(tǒng)的組成 26
4.2 電氣系統(tǒng)的基本組成 27
4.3 電氣系統(tǒng)的設(shè)計 33
4.4 交流電機及其控制 33
4.5程序設(shè)計 39
結(jié)論 42
致謝 43
參考文獻 43
圖1 44
圖2 44
圖3 45
1. 緒 論
1.1 課題研究的目的和意義
隨著科技的進步，人類的生活可謂日新月異，一日千里，只有緊跟著科技的脈搏，才可能創(chuàng)造更高生產(chǎn)力，才能創(chuàng)造更多的經(jīng)濟財富，提高國家的綜合實力，增加國際威望。這就迫切需要我們研制高尖端的科技產(chǎn)品，如何提升，這就需要我們在日常生活中能夠?qū)⒂袧撛谑褂脙r值的東西挖掘出來，以備進一步的研究及開發(fā)利用，如本課題所研究的齒輪綜合性能試驗臺，它就是一種很實用的科研產(chǎn)品。
該綜合試驗臺集機、電為一體，通過安裝不同精度不同形式的齒輪，利用扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度等傳感器來進行實時采集和處理各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對其綜合性能進行測試。
1.2 國內(nèi)外的研究狀況
目前，我國以上海汽車齒輪總廠、陜西法士特公司為代表的骨干齒輪制造企業(yè)和研究所，完成汽車齒輪、摩托車齒輪、工程機械齒輪傳動、農(nóng)機齒輪、工業(yè)齒輪變速箱和高速重載齒輪、特殊專用齒輪傳動、齒輪專用裝備等各類產(chǎn)品的技術(shù)引進和消化，使我國齒輪傳動制造業(yè)近十年得到了跨越式的發(fā)展。
1.汽車手動變速箱（含重、中、輕、微），轎車變速箱，摩托車齒輪、工程機械換擋變速箱，大、中型農(nóng)機變速傳動的配套，已經(jīng)基本立足國內(nèi)生產(chǎn)，基本滿足了主機廠的配套需要，并已經(jīng)有部分齒輪件出口或變速箱出口。在汽車自動變速箱方面，目前仍被進口產(chǎn)品控制。
2.在車輛驅(qū)動橋、主被動螺旋錐齒輪、直齒錐齒輪及輪邊減速機方面，大部分能滿足國內(nèi)配套需要。以東風車橋為代表的驅(qū)動橋與錐齒輪產(chǎn)業(yè)正在整合重組發(fā)展，已經(jīng)看到快速發(fā)展的希望。
3.在工業(yè)通用變速箱領(lǐng)域，SEW等一批國外獨資企業(yè)的進入激活了中國工業(yè)通用變速箱企業(yè)為代表，在產(chǎn)品系列化、模塊化、質(zhì)量與技術(shù)水平方面，最近五年有了突飛猛進的發(fā)展，形成了與國際品牌的激烈競爭。我國企業(yè)生產(chǎn)的部分產(chǎn)品達到了國際水平，有部分產(chǎn)品已經(jīng)出口歐美。
4.在高速重載齒輪傳動制造方面，我國有已南京高精齒輪股份有限公司（南京高速齒輪箱廠）、重慶齒輪箱廠、杭州前進齒輪箱集團、鄭州機械研究所、洛陽中重減速機公司、沈陽礦山減速機公司為代表的企業(yè)。這些企業(yè)在引進技術(shù)的過程中，為我國大型成套裝備配套與船舶工業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻。
5.特殊、專用車輪傳動方面，如非圓齒輪、塑料齒輪、粉末冶金齒輪、小模數(shù)齒輪等，我國目前沒有形成龍頭企業(yè)，企業(yè)的技術(shù)潛力尚待發(fā)揮。
6.齒輪專用裝備方面，近五年來民營企業(yè)發(fā)展較快，國有企業(yè)發(fā)展比較慢。大多數(shù)國有齒輪裝備制造企業(yè)的裝備可靠性指標進步較慢，致使齒輪行業(yè)的大部分主導精加工裝備仍是以進口為主。部分齒輪企業(yè)裝備國產(chǎn)化的希望主要有：秦川機床廠的蝸桿砂輪磨齒機；重慶機床廠、南京二機長的數(shù)控機床；螺旋錐齒輪磨齒機床的研制成功；天津元昊公司數(shù)控螺旋錐齒輪切齒機床的批量供貨；杭州天辰精密齒輪檢具、量具、夾具；長城潤滑油對齒輪行業(yè)的潤滑市場服務(wù)。這些都讓我國齒輪行業(yè)看到了自立創(chuàng)新、自主發(fā)展的希望。
雖然前景令人振奮，但專家也指出，同歐、美、日相比，中國齒輪行業(yè)還存在一定差距，主要表現(xiàn)為：自主創(chuàng)新能力不足、新品開發(fā)慢。如在汽車自動變速箱方面，目前仍被進口產(chǎn)品控制；在特殊、專用齒輪傳動方面，我國目前還沒有形成龍頭企業(yè)，企業(yè)的技術(shù)潛力尚待發(fā)揮。尤其是塑料齒輪在國外的應用越來越普遍，但在我國并未得到應有重視，已遠遠落后世界水平；國產(chǎn)齒輪裝備水平從整體上看，仍與歐、美、日存在較大差距，特別是高端產(chǎn)品、自動化產(chǎn)品不足，齒輪行業(yè)的大部分主導精加工裝備仍以進口為主。此外還存在著市場競爭無序、企業(yè)管理薄弱、信息化程度低、從業(yè)人員綜合素質(zhì)有待提高的問題。
1.3 課題任務(wù)
檢測數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示、存儲及輸出，并根據(jù)預先輸入計算機的分組參數(shù)進行產(chǎn)品質(zhì)量性能判斷。
本試驗臺也可用于研究汽車各種系列前、中、后橋總成的制動器制動性能測試與磨合試驗，并能夠?qū)蚩偝蛇M行綜合性能的在線檢測。
通過制動器磨合以及增減砝碼來改變軸承游隙和齒輪精度試驗，從而獲得扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、噪聲、壓力等傳感器實時采集和處理各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)；并且對多路傳感器信號通過串、并口的同時采集及抗干擾措施。
1.3.1齒輪傳動精度影響
輪齒加工時，由于輪坯、刀具在機床上的安裝誤差，機床和刀具的制造誤差以及加工時所引起的振動等原因，加工出來的齒輪存在著不同程度的誤差。加工誤差大、精度低，將影響齒輪的傳動質(zhì)量和承載能力；反之，若精度要求過高，將給加工帶來困難，提高制造成本。因此，根據(jù)齒輪的實際工作條件，對齒輪加工精度提出適當?shù)囊笾陵P(guān)重要。
我國國標GB10095-88中，對漸開線圓柱齒輪規(guī)定了12個精度等級，第l級精度最高，第12級最低。齒輪精度等級主要根據(jù)傳動的使用條件、傳遞的功率、圓周速度以及其它經(jīng)濟、技術(shù)要求決定。6級是高精度等級，用于高速、分度等要求高的齒輪傳動，一般機械中常用7～8級，對精度要求不高的低速齒輪可使用9～12級。
齒輪每個精度等級的公差根據(jù)對運動準確性、傳動平穩(wěn)性和載荷分布均勻性等三方面要求，劃分成三個公差組，即第I公差組、第II公差組、第III公差組。在一般情況下，可選三個公差組為同一精度等級，但也容許根據(jù)使用要求的不同，選擇不同精度等級的公差組組合。第II公差級精度等級6～9級的選擇可參閱下表，第III公差組一般不得低于第II公差組的精度等級，第I公差組和第III公差組的精度等級可參閱有關(guān)手冊加以確定。
齒輪傳動的側(cè)隙是指一對齒輪在嚙合傳動中，工作齒廓相互接觸時，在兩基圓柱的內(nèi)公切面上，兩個非工作因廓之間的最小距離jn。規(guī)定側(cè)隙，可避免因制造、安裝誤差以及熱膨脹或承載變形等原因而導致輪齒卡住。合適的側(cè)隙可通過適當?shù)凝X厚極限偏差和中心距極限偏差來保證，齒輪副的實際中心距越大，齒厚越小，其側(cè)隙就越大。
1.3.2齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲分析
?在傳統(tǒng)齒輪傳動類產(chǎn)品(如工業(yè)減速箱、汽車變速器等)的設(shè)計過程中，人們往往只注重功能的實現(xiàn)和工作的可靠性，很少關(guān)心整個機械的運轉(zhuǎn)噪聲問題。但隨著人們對工作和生活環(huán)境舒適度要求的不斷提高，噪聲問題也隨之愈發(fā)凸顯出來。
為從設(shè)計角度出發(fā)降低齒輪傳動系統(tǒng)的噪聲，我們就應首先來分析一下齒輪系統(tǒng)噪聲的種類和發(fā)生機理。
??? 在齒輪系統(tǒng)中，根據(jù)機理的不同，可將噪聲分成加速度噪聲和自鳴噪聲兩種。一方面，在齒輪輪齒嚙合時，由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度并會引起周圍介質(zhì)擾動，由這種擾動產(chǎn)生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲。另一方面，在齒輪動態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)的各零部件會產(chǎn)生振動，這些振動所產(chǎn)生的聲輻射稱為自鳴噪聲。
???? 對于開式齒輪傳動，加速度噪聲由輪齒沖擊處直接輻射出來，自鳴噪聲則由輪體、傳動軸等處輻射出來。對于閉式齒輪傳動，加速度噪聲先輻射到齒輪箱內(nèi)的空氣和潤滑油中，再通過齒輪箱輻射出來。自鳴噪聲則由齒輪體的振動通過傳動軸引起支座振動，從而通過齒輪箱箱壁的振動而輻射出來。一般說來，自鳴噪聲是閉式齒輪傳動的主要聲源。
???? 因此，齒輪系統(tǒng)的噪聲強度不僅與輪齒嚙合的動態(tài)激勵力有關(guān)，而且還與輪體、傳動軸．軸承及箱體等的結(jié)構(gòu)形式、動態(tài)特性以及動態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關(guān)。一般來說，齒輪系統(tǒng)噪聲發(fā)生的原因主要有以下幾個方面：
(1)齒輪設(shè)計方面 參數(shù)選擇不當，重合度過小，齒廓修形不當或沒有修形，齒輪箱結(jié)構(gòu)不合理等。
(2)齒輪加工方面 基節(jié)誤差和齒形誤差過大，齒側(cè)間隙過大，表面粗糙度過大等。
? (3)輪系及齒輪箱方面 裝配偏心，接觸精度低，軸的平行度差，軸，軸承、支承的剛度不足，軸承的回轉(zhuǎn)精度不高及間隙不當?shù)取?
(4)其他方面輸入扭矩。負載扭矩的波動，軸系的扭振，電動機及其它傳動副的平衡情況等。
a）系統(tǒng)可對變速器試驗樣品進行性能試驗。
b）針對力及扭矩、位移等參數(shù)，系統(tǒng)可分別對以上參數(shù)進行檢測。
c）要求勻速施加驅(qū)動力(靜壓力)，驅(qū)動速度可調(diào)。
d）測試數(shù)據(jù)可存儲及顯示輸出。
1.3.3潤滑對齒輪失效影響
工作中的齒輪副發(fā)生失效，與所傳遞的運動和動力的性狀直接有關(guān)。在使用齒輪副的目的—“完成特定的運動和動力的傳遞“。不可改變時，為了防止齒輪失效，人們首先從機械角度考慮問題。如選擇優(yōu)良的齒輪材料，合理的齒輪設(shè)計參數(shù)，先進的熱處理技術(shù)及高精度的機加工工藝等。這都是必不可少且行之有效的，但往往忽略了合理潤滑的作用。
潤滑是研究齒輪相對運動，相互作用的表面科學所不可缺少的內(nèi)容。例如，在負荷不大的情況下，齒輪副的表面粗糙度與潤滑油膜厚度成為一對矛盾。為保證流體動力膜的形成，可以要求更光滑的齒面，使凸起高度小于油膜厚度，也可以要求更厚的油膜將稍大的凸起掩蓋，二者都可達到將摩擦齒面隔開的目的。這后一種辦法就是通過選用合適粘度的乳化油實現(xiàn)的。在負荷變大的情況下，流體動力膜及彈流膜在壓力下不能保持住而發(fā)生破裂，使齒面凸峰相碰。在齒輪制造中采用先進技術(shù)是減輕這種碰撞的必要條件，但不是充分條件。只有當同時采用先進的潤滑技術(shù)，選用可與齒面形成邊界潤滑膜的齒輪油時，控制齒輪失效才成為可能。
由此可見，合理潤滑可以避免，減輕和延緩齒輪失效。因而，人們將齒輪潤滑劑看作是齒輪機構(gòu)的元件之一。
1.3.4齒輪傳動的特點及類型分析
齒輪傳動能傳遞兩個平行軸或相交軸或交錯軸間的回轉(zhuǎn)運動和轉(zhuǎn)矩。
一、 齒輪傳動的特點
a)效率高?? 在常用的機械傳動中，以齒輪傳動效率為最高，閉式傳動效率為96%~99%，這對大功率傳動有很大的經(jīng)濟意義。
b）結(jié)構(gòu)緊湊?? 比帶、鏈傳動所需的空間尺寸小。
c)工作可靠、壽命長?? 設(shè)計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動，工作十分可靠，壽命可長達一二十年，這也是其它機械傳動所不能比擬的。這對車輛及在礦井內(nèi)工作的機器尤為重要。
d)傳動比穩(wěn)定?? 傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應用，正是由于其具有這一特點。
二、齒輪傳動的類型
齒輪傳動就裝置形式分：
a）開式、半開式傳動??? 在農(nóng)業(yè)機械、建筑機械以及簡易的機械設(shè)備中，有一些齒輪傳動沒有防塵罩或機殼，齒輪完全暴露在外邊，這叫開式齒輪傳動。這種傳動不僅外界雜物極易侵入，而且潤滑不良，因此工作條件不好，輪齒也容易磨損，故只宜用于低速傳動。齒輪傳動裝有簡單的防護罩，有時還把大齒輪部分地浸入油池中，則稱為半開式齒輪傳動。它工作條件雖有改善，但仍不能做到嚴密防止外界雜物侵入，潤滑條件也不算最好。
b）閉式傳動?? 而汽車、機床、航空發(fā)動機等所用的齒輪傳動，都是裝在經(jīng)過精確加工而且封閉嚴密的箱體(機匣)的，這稱為閉式齒輪傳動(齒輪箱)。它與開式或半開式的相比，潤滑及防護等條件最好，多用于重要的場合。
按齒面硬度分：
??? a）軟齒面齒輪?? 輪齒工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC；
b）硬齒面齒輪?? 輪齒工作面的硬度大于350HBS或38HRC。
1.3.5 使用變頻器的注意事項分析
物理環(huán)境
a)工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產(chǎn)品一般要求為0～55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，變頻器一般應安裝在箱體上部，并嚴格遵守產(chǎn)品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。
b)環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。
c)腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能，在這種情況下，應把控制箱制成封閉式結(jié)構(gòu)，并進行換氣。
d)振動和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機械振動和沖擊時，會引起電氣接觸不良。這時除了提高控制柜的機械強度、遠離振動源和沖擊源外，還應使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開關(guān)之類產(chǎn)生振動的元器件。設(shè)備運行一段時間后，應對其進行檢查和維護。
電氣環(huán)境
a)防止電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表和電子系統(tǒng)，應該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統(tǒng)無法工作，導致控制單元失靈或損壞。
b)防止輸入端過電壓。變頻器電源輸入端往往有過電壓保護，但是，如果輸入端高電壓作用時間長，會使變頻器輸入端損壞。因此，在實際運用中，要核實變頻器的輸入電壓、單相還是三相和變頻器使用額定電壓。特別是電源電壓極不穩(wěn)定時要有穩(wěn)壓設(shè)備，否則會造成嚴重后果。
接地
變頻器正確接地是提高控制系統(tǒng)靈敏度、抑制噪聲能力的重要手段，變頻器接地端子E(G)接地電阻越小越好，接地導線截面積應不小于2mm2，長度應控制在20m以內(nèi)。變頻器的接地必須與動力設(shè)備接地點分開，不能共地。信號輸入線的屏蔽層，應接至E(G)上，其另一端絕不能接于地端，否則會引起信號變化波動，使系統(tǒng)振蕩不止。變頻器與控制柜之間應電氣連通，如果實際安裝有困難，可利用銅芯導線跨接。
防雷
在變頻器中，一般都設(shè)有雷電吸收網(wǎng)絡(luò)，主要防止瞬間的雷電侵入，使變頻器損壞 。但在實際工作中，特別是電源線架空引入的情況下，單靠變頻器的吸收網(wǎng)絡(luò)是不能滿足要求的。在雷電活躍地區(qū)，這一問題尤為重要，如果電源是架空進線，在進線處裝設(shè)變頻專用避雷器(選件)，或有按規(guī)范要求在離變頻器20m的遠處預埋鋼管做專用接地保護。如果電源是電纜引入，則應做好控制室的防雷系統(tǒng)，以防雷電竄入破壞設(shè)備。實踐表明，這一方法基本上能夠有效解決雷擊問題。
具體技術(shù)指標如下：
? 試驗臺總功率：4KW；
? 砝碼 m=80kg；
? 帶輪增速比 u=1.5:1；
? 電機以變頻3000r/min無級調(diào)速運行，輸出n=6000～7000r/min；
? V帶帶型：B型；
? 直齒輪：Z1=62,Z2=42；
1.4 本論文的主要研究內(nèi)容
該試驗臺主要由機械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。其中機械系統(tǒng)主要包括：齒輪傳動機構(gòu)，傳感器的固定機構(gòu)，軸承的固定機構(gòu)，增速器機構(gòu)，加載裝置，磁粉制動器，皮帶輪，皮帶，交流電機，聯(lián)軸器，扭矩傳感器，砝碼。測控系統(tǒng)主要包括：傳感器，信號調(diào)理裝置，信號采集與控制裝置和單片機。
2. 系統(tǒng)總體方案
齒輪試驗臺的主要技術(shù)性能
1)試驗控制方式：自動測試循環(huán)/手動調(diào)試
2)試驗臺模擬加載狀態(tài)：加載軸負荷0～5T，無級可調(diào)。
3)制動器加載磨合；
運行噪聲及異響檢測
試驗臺控制計算機具有制動參數(shù)和傳動轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率、噪聲、溫升的參數(shù)采集、計算、判斷、顯示、存儲和輸出功能；
試驗臺控制計算機具有產(chǎn)品工藝參數(shù)設(shè)定、修改功能；參數(shù)修改權(quán)限確認功能；開機自檢功能；單步調(diào)試功能；程序檢測功能；
試驗齒輪制造精度對軸線回轉(zhuǎn)精度、傳動的震動與噪聲的影響；
試驗軸承精度、軸承預緊量和支撐剛度等對軸線回轉(zhuǎn)精度、傳動的震動與噪聲的影響；
試驗齒輪潤滑和軸承潤滑對傳動震動溫升和噪聲的影響。
2.1試驗系統(tǒng)的組成及控制原理
該試驗臺主要由機械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。其中機械系統(tǒng)主要包括：齒輪傳動機構(gòu)，傳感器的固定機構(gòu)，軸承的固定機構(gòu)，增速器機構(gòu)，加載裝置，磁粉制動器，皮帶輪，皮帶，交流電機，聯(lián)軸器，扭矩傳感器，砝碼。測控系統(tǒng)主要包括：傳感器，信號調(diào)理裝置，信號采集與控制裝置和單片機。該系統(tǒng)的整體框圖如圖2-1所示。
圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2.2機械系統(tǒng)的工作原理：
該系統(tǒng)利用加載一定質(zhì)量的砝碼，在電動機轉(zhuǎn)速一定的情況之下，通過改變磁粉制動器來檢測數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示、存儲及輸出，并根據(jù)預先輸入計算機的分組參數(shù)進行產(chǎn)品質(zhì)量性能判斷。
對于磁粉制動器，它是根據(jù)電磁原理和利用磁粉傳遞轉(zhuǎn)矩的，它具有激磁電流和傳遞轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系，在同滑差無關(guān)的情況下能夠傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，響應速度快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，可以說磁粉制動器是一種多用途、性能優(yōu)越的自動控制元件。這也正是本系統(tǒng)選用它的原因。
通過制動器磨合以及增減砝碼來改變軸承游隙和齒輪精度試驗，從而獲得扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、噪聲等傳感器實時采集和處理各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)；并且對多路傳感器信號通過串、并口的同時采集及抗干擾措施。
圖2-2齒輪箱的基本構(gòu)成
3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1直齒圓柱齒輪設(shè)計：
3.1.1直齒圓柱齒輪強度設(shè)計
1．選擇齒輪材料 熱處理 精度等級
因是一般用途的齒輪傳動,齒輪材料可選用45鋼,傳遞功率不大,且結(jié)構(gòu)尺寸無嚴格要求,可選用軟齒面齒輪傳動。
由《機械設(shè)計》書參考表9-3,選小齒輪調(diào)質(zhì),齒面硬度230-240HBS,大齒輪正火,齒面硬度190-200HBS,精度為8級。
2．選取齒輪齒數(shù)
閉式軟齒面齒輪傳動,可以多選些,初選
取,傳動比
3．按齒面接觸疲勞強度設(shè)計
對閉式軟齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面接觸強度，故按接觸強度設(shè)計，校核齒根彎曲強度。
確定式中各項數(shù)值:
因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數(shù);
由《機械設(shè)計》書參考表9-10,選取;
由《機械設(shè)計》書參考表9-7,查得;
由《機械設(shè)計》書參考圖9-14，查得；
式9-7,
由《機械設(shè)計》書參考由圖9-13,查得;
由式9-12,
由《機械設(shè)計》書參考圖9-15，按允許一定點蝕，查得，；
由《機械設(shè)計》書參考圖9-16d,按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在MQ和ML線中間（適當延長MQ和ML線）查取，同理，在圖9-16C中查??；
由《機械設(shè)計》書參考表9－8，選??；
取設(shè)計齒輪參數(shù)。
由《機械設(shè)計》書參考表9-5，查得；
由《機械設(shè)計》書參考圖9-7，查得；
由《機械設(shè)計》書參考圖9-10，查得；
由《機械設(shè)計》書參考表9-6，查得；
則；
選取。
齒輪主要幾何尺寸：
取中心距，則d=m z=155mm
d=m z=105mm
a=（m z+ m z）/2=130；
，取，
4．校核齒根彎曲疲勞強度
由《機械設(shè)計》書參考式9-13，
由《機械設(shè)計》書參考圖9-19、圖9-20按 查得
由《機械設(shè)計》書參考圖9-21，查得 ；
由《機械設(shè)計》書參考圖9－22c，按小齒輪齒面硬度均值235HBS，在ML線(適當延長)上查得；同理，由《機械設(shè)計》書參考圖9－22b上，查得；
由《機械設(shè)計》書參考表9－8，選取；
將確定出得各項數(shù)值代入彎曲強度校核公式，得
可見齒根彎曲疲勞強度足夠。
圖3-1 從動直齒輪
3.1.2斜齒圓柱齒輪強度設(shè)計
按齒面接觸疲勞強度設(shè)計：
閉式軟齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面接觸強度，故按齒面接觸強度設(shè)計，校核齒根彎曲疲勞強度。
下面確定式中的參數(shù)：
因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數(shù);
由《機械設(shè)計》書參考表9-10選取齒寬系數(shù)，由表9-7，可以查得，由《機械設(shè)計》書參考圖9-14，可以查得，
由《機械設(shè)計》書參考公式9-7，
。
由《機械設(shè)計》書參考圖9-13，可以查得， ，
由式9-12,
由《機械設(shè)計》書參考圖9-15，按允許一定的點蝕，查有，，
由《機械設(shè)計》書參考圖9-16d，按小齒輪齒面硬度平均值，在MQ和ML線查取，同理，在圖9-1c中查取。
由表9-8，查有（取一般可靠度99%考慮）
取其中的較小的來設(shè)計參數(shù)。至此，把以上確定的參數(shù)帶入到設(shè)計公式 中，得：
由《機械設(shè)計》書參考查表9-5，查有；
由《機械設(shè)計》書參考圖 9-7，查有；由圖9-10，查有；
由《機械設(shè)計》書參考表9-6，查有。那么，總的系數(shù)，
重新修正齒輪直徑：，，
m=/cos=2.549
由《機械設(shè)計》書參考查表9-1，按第一系列的標準模數(shù)選取，這樣齒輪的主要參數(shù)就是：
那么，齒輪的分度圓直徑為：
或按照下述計算
，
圓滑中心距為，螺旋角，，
齒輪的齒寬
取大齒輪的齒寬，小齒輪的齒寬為。
下面按照齒根彎曲疲勞強度校核
齒面接觸疲勞強度校核的條件：
計算當量齒輪端面重合度：，
由《機械設(shè)計》書參考9-11給出的公式：，
由《機械設(shè)計》書參考公式9-13，
由《機械設(shè)計》書參考圖9-28，查得 ，那么：
由《機械設(shè)計》書參考圖9-19，圖9-20，按查得：
， ；
， ；
由《機械設(shè)計》書參考圖9-22c，按小齒輪的齒面硬度值 ，在ML線查取，同理，在圖9-2b中查取。
由《機械設(shè)計》書參考表9-8，選用 （一般可靠度）：
將以上確定的各個參數(shù)帶入到彎曲強度校核公式中得：
至此，斜齒輪的設(shè)計校核工作就基本完成了。
3.1.3帶輪的設(shè)計計算
由于本設(shè)計的傳動部分采用帶傳動，所以以下是帶傳動的相關(guān)計算，已知電機額定功率P=4KW，轉(zhuǎn)速r=6000r/min,傳動比 i=0.68 轉(zhuǎn)速誤差不超過±5%
1）確定設(shè)計功率Pd
Pd=KAP 查KA=1.2 Pd=1.2x4=4.8KW
2) 選V帶型號
據(jù)Pd和n1器選用B型V帶
3）選擇帶輪直徑D1 D2
B型V帶Dmin=125mm,應使D1≥Dmin，考慮小帶輪轉(zhuǎn)速并不是很高，結(jié)構(gòu)尺寸有無特別限制，據(jù)整個試樣機的空間布局，故選D1=172mm，
驗算帶速V=πD1n1/60x6000=9m/s， 帶速在5-25m/之間，不低，D1選擇合適D2=iD1=2.5*172=430mm。
4）確定中心距a 和帶長Ld
設(shè)計條件中并未特殊要求中心距，考慮制樣機總體結(jié)構(gòu)和布局向初選中心距0.7(D2+D1)≤a0≤2(D2+D1),421 ≤a0≤1204初選a0=780mm,
帶長Ld=2a0+π(D2+D1)/2+(D2-D1)/4a0=2530mm,取Ld=2528mm
a的調(diào)整范圍為742mm——885mm
5) 驗算小帶輪包角α=180- (D2-D1)×57.3°/a=161.1°＞120°
6) 確定V帶根數(shù) Z=Pd/（P0+⊿P0 ）KaKL,查表P0 =3.85KW,又⊿P0=Kbn1(1-1/Ki)
查表Kb=0.0026494，Ki =1.1373，⊿P0=0.28KW,查表Ka=0.95，KL=1.03
代入公式Z=3.2,所以取Z=3。
圖3-2 從動帶輪
3.2 傳感器選擇
科學技術(shù)離不開測量。測量的目的就是要獲得被測對象的有關(guān)物理或化學性質(zhì)的信息，以便根據(jù)這些信息對被測對象進行評價或控制，完成這一功能的器件就我們稱之為傳感器。也就是說傳感器是借助于檢測元件(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、化學量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信號也有各種形式。傳感器分類方法很多，常用的有2種:一種是按被測的參數(shù)分，另一種是按變換原理來分。通常按被測的參數(shù)來分類，可分為熱工參數(shù):溫度、比熱、壓力、流量、液位等;機械量參數(shù):位移、力、加速度、重量等;物性參數(shù):比重、濃度、算監(jiān)度等;狀態(tài)量參數(shù):顏色、裂紋、磨損等。溫度傳感器屬于熱工參數(shù)。
溫度傳感器按傳感器于被測介質(zhì)的接觸方式可分為2大類:一類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器，接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸，通過熱傳導及對流原理達到熱平衡，這時的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高，并在一定程度上還可測量物體內(nèi)部的溫度分布，但對于運動的、熱容量比較小的、或?qū)Ω袦卦懈g作用的對象，這種方法將會產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。目前最常用的是輻射熱交換原理。此種測溫方法的主要特點是可測量運動狀態(tài)的小目標及熱容量小或變化迅速的對象，也可測溫度場的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。無論何種傳感器，作為測量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，通常都必須具有快速、準確、可靠且又經(jīng)濟的實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求。傳感器是信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究和生等領(lǐng)域，尤其是溫度傳感器，使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之首。另外，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了主要以下的3個階段;
(1) 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件);主要是能夠進行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換。
(2) 模擬集成溫度傳感器/控制器;
(3) 智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。
同時，對傳感器有以下要求:
(1) 足夠的容量。傳感器的工作范圍或量程足夠大;具有一定過載能力。
(2) 與測量或控制系統(tǒng)相匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高，線性程度好。
(3) 反應快，工作可靠性高。
(4) 精度適當且穩(wěn)定性好，即傳感器的靜態(tài)響應與動態(tài)響應的準確度能滿足要求，并長期穩(wěn)定。
(5) 適用性和適應性強，即動作能量小，對被測量的狀態(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。即成本低、壽命長，且易于使用、維修和校準。
3.2.1 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器
CWZ-80型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器通過彈性軸、兩組磁電信號發(fā)生器，把被測轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成具有相位差的兩組交流電信號，這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，而其相位差的變化部分又與被測轉(zhuǎn)矩成正比。將傳感器的這兩組電信號用專用屏蔽電纜線送入NC型扭矩測量儀或裝有扭矩卡的計算機，即可得到轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及功率的精確值。CWZ-80型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器與NC-2A型扭矩儀或CB2000卡配套使用，是一種測量各種動力機械轉(zhuǎn)動力矩、轉(zhuǎn)速、及機械功率的精密測量儀器。其用途十分廣泛，在電機、風機、水泵、齒輪及減速箱、鐵路機車、汽車拖拉機、飛機、船舶、礦山 機械、液壓氣動元件等幾乎所有機械制造部門及其科研院所、大專院校均有廣泛的應用。
圖3-3 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器
性能指標
轉(zhuǎn)矩測量精度：分為0.1級和0.2級。
(1)靜校一直接用砝碼產(chǎn)生標準力矩校準時，其測量誤差0.l級不大于額定值的±0.1％；0.2級不大于額定值的±0.2％。
(2)轉(zhuǎn)速變化的附加誤差——在規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時，轉(zhuǎn)矩讀數(shù)變化不大于額定轉(zhuǎn)矩的±0.l%。
(3)轉(zhuǎn)矩測量過負載能力：在超載不大于120％額定轉(zhuǎn)矩時，仍然能保證轉(zhuǎn)矩測量精度。
3.2.2 溫度傳感器
熱電偶傳感器是工業(yè)測量中應用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精確度;測量范圍廣，可從-50℃-1600℃進行連續(xù)測量，特殊的熱電偶如金鐵-鎳鉻，最低可測到-269℃，鎢-錸最高可達2800℃。
熱電偶傳感器主要按照熱電效應來工作。將兩種不同的導體A和B 連接起來，組成一個閉合回路，即構(gòu)成感溫元件，如圖1所示。當導體A和B的兩個接點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因而在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象即稱為熱電效應，也叫溫差電效應。熱電偶就是利用這一效應進行工作的。熱電偶的一端是將A、B兩種導體焊接在一起，稱為工作端，置于溫度為t的被測介質(zhì)中。另一端稱為參比端或自由端，放于溫度為t0的恒定溫度下。當工作端的被測介質(zhì)溫度發(fā)生變化時，熱電勢隨之發(fā)生變化，將熱電勢送入計算機進行處理，即可得到溫度值。
熱電偶兩端的熱電勢差可以用下式表示:
Et=E(t)-E(t0)
式中:Et—熱電偶的熱電勢
??? E(t)—溫度為t時的熱電勢
??? E(t0)—溫度為t0時的熱電勢
當參比端的溫度t0恒定時，熱電勢只于工作端的溫度有關(guān)，即Et=f(t)。
當組成熱電偶的熱電極的材料均勻時，其熱電勢的大小與熱電極本身的長度和直徑無關(guān)，只與熱電極的成分及兩端的溫度有關(guān)。
4 電氣系統(tǒng)設(shè)計
電氣系統(tǒng)是整個齒輪綜合試驗臺的重要組成部分。其中包括交流電機的控制、磁粉制動器的控制及數(shù)據(jù)的采集和顯示，還有控制程序設(shè)計等。如果說機械結(jié)構(gòu)是人的骨架的話，那么電氣控制系統(tǒng)就是人的大腦和布滿全身的神經(jīng)單元，起到控制并反饋人體活動的作用。
4.1計算機檢測系統(tǒng)的組成
一個完整的計算機檢測系統(tǒng)，需要在微機、被控制對象和操作者之間適時、不斷地交換數(shù)據(jù)信息和控制信息。在總體設(shè)計時，要綜合考慮硬件和軟件措施，解決三者之間可靠的、適時的進行信息交換的通路和分時控制的時序安排問題，保證系統(tǒng)能正常地運行。設(shè)計中主要考慮以下幾大方面。
（1）選擇微型計算機
因為該系統(tǒng)試驗內(nèi)容繁多、要求的精度大、穩(wěn)定性高及在試驗車間環(huán)境惡劣的情況下工作。普通的微機難以達到要求。而同普通的微機比較，工業(yè)控制機具有豐富的過程輸入/輸出功能；完善的外部設(shè)備；足夠的存儲容量；配有實時操作系統(tǒng)和過程中斷系統(tǒng)；很高的可靠性；極高的電磁兼容性及抗干擾能力，有很強的環(huán)境適應性。所以該項目選擇了工業(yè)控制機作為控制系統(tǒng)的主機。
（2）板卡選用
在工控機控制的基礎(chǔ)上，由于需要采集的信號不是很多，所以考慮到經(jīng)濟成本問題，采用最常見的AD0809轉(zhuǎn)換板作為AD板卡。該板卡可直接與CPU8位數(shù)據(jù)總線相連，結(jié)構(gòu)簡單?？梢酝ㄟ^CPU發(fā)出脈沖信號來啟動。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中可采用中斷方式結(jié)束轉(zhuǎn)換過程。此方式占用CPU時間少，效率高。采用2個8255芯片作為外擴I/O接口，控制16位LED顯示器和24位鍵盤，以及行程開關(guān)和直流電機的驅(qū)動控制。
4.2 電氣系統(tǒng)的基本組成
4.2.1單片機
選用8031單片機，單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。由于系統(tǒng)只執(zhí)行簡單的操作，用8031執(zhí)行控制足夠。以80C31CPU為核心的單片機系統(tǒng)，CPU通過接口器件與電動機的驅(qū)動器相連，帶動電動機工作，其中接口器件是控制系統(tǒng)的入口，在控制系統(tǒng)中有重要的作用。本實驗臺選用8255并行接口芯片作為接口電路，控制顯示器及鍵盤等。
4.2.2 地址鎖存器
為防止8031的內(nèi)存地址不能滿足系統(tǒng)需要，采用74LS343地址鎖存器進行擴展。74LS373是高電平觸發(fā)選通，當使能端G有效時，輸出直接跟隨輸入變化，當使能端由高變低時，才將輸入狀態(tài)鎖存直到下一次使能信號變高為止。
4.2.3 程序存儲
由于8031芯片本身沒有內(nèi)部程序存儲器，故在實際使用中常需要擴展外圍存儲器，作為程序和數(shù)據(jù)的存儲。
通常程序存儲器一般采用只讀存儲器，因為這種存儲器在電源關(guān)斷后，仍能保存程序，在系統(tǒng)上電后，CPU可取出這些指令予以重新執(zhí)行。本系統(tǒng)采用8K×8的EPROM2764芯片作為程序存儲器。在P0口送出的低8位地址時，地址由信號ALE的下降沿控制鎖存到鎖存器中，高5位由P2.0～P2.4提供，鎖存器采用74LS373鎖存器，控制端直接與ALE相連。則程序存儲器讀選通信號PSEN控制EPROM2764的輸出允許端OE。
數(shù)據(jù)存儲器一般采用RAM芯片，這種存儲器在電源關(guān)斷后，存儲的數(shù)據(jù)將全部丟失。在工業(yè)現(xiàn)場測控系統(tǒng)中，通常采用SRAM。所以，在本系統(tǒng)中采用8K×8的SRAM6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲器。
程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器通過外部地址鎖存器與8031聯(lián)結(jié)。目前，常用的地址鎖存器芯片有：74LS273、74LS373、8282等。在本系統(tǒng)中采用74LS373作為地址鎖存器。
同時，系統(tǒng)的片選信號由三－八譯碼器74LS138產(chǎn)生，并連接到各個芯片的片選端。
4.2.4 數(shù)據(jù)存儲
圖4-1 數(shù)據(jù)存儲器擴展
8031單片機內(nèi)RAM為128個字節(jié)，因其容量不能滿足設(shè)計要求，故本機擴展8K字節(jié)靜態(tài)RAM6264一片。
4.2.5 D/A轉(zhuǎn)換器:D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電流的工作由D/A轉(zhuǎn)換器完成。該系統(tǒng)采用D/A0832進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
4.2.6 A/D轉(zhuǎn)換器：
A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便計算機進行處理。它與D/A轉(zhuǎn)換器一樣，是微型計算機應用系統(tǒng)中的一種重要接口，長用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用A/D0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。它是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心， 擔負著將模擬信號變換成適合于數(shù)字 處理的二進制代碼的任務(wù)。D/A轉(zhuǎn)換器 是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的線性電路器 件，它為微機系統(tǒng)的數(shù)字信號與外部 環(huán)境的模擬信號之間提供了一種接口， 從而廣泛地應用在數(shù)據(jù)采集的模擬輸入 輸出系統(tǒng)中。
ADC0809是8位的A/D轉(zhuǎn)換芯片，它采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的。由于ADC0809是靠脈沖信號來啟動轉(zhuǎn)換的，因此需要由符合電路要求的脈沖信號。由于0809芯片片內(nèi)沒有時鐘電路，需要外部引入時鐘脈沖控制0809工作。因為8031的ALE輸出帶有時鐘頻率的功能，故將ALE端經(jīng)分頻觸發(fā)器分頻得到的信號，直接連接于0809的CLK接口上作為時鐘脈沖使用。由于ALE腳的頻率是8031單片機時鐘頻率的1/6,因為單片機的時鐘頻率采用12Mhz，ALE的引腳頻率為2Mhz，故采用四分頻觸發(fā)器將頻率分頻為500Khz，滿足0809的頻率要求。分頻器在電氣圖中表現(xiàn)為可直接應用的模塊。
關(guān)于0809的片選，在8031端口夠用的條件下，可直接與p口連接。但本例中端口有限，使用74L138芯片作為片選信號的來源。
圖4-2 并行接口8255
4.2.7 并行接口8255
并行接口最基本的特點是在多根數(shù)
據(jù)線上以數(shù)據(jù)字節(jié)為單位與I/O設(shè)備或被
控對象傳送信息。系統(tǒng)中采用8255實現(xiàn)
自動操作和顯示。
8255A是INTEL公司開發(fā)的一個可
編程并行接口器件，為40條引腳雙列直
插式大規(guī)模集成電路。它采用單+5V電
源供電,輸入輸出電平與TTL兼容。
8255A的內(nèi)部電路由三部分組成(如圖所示)：
1）與CPU的總線接口電路；
2）內(nèi)部邏輯控制電路；
3）外設(shè)接口電路。
CPU接口
內(nèi)部邏輯
外設(shè)接口
I/O PA7～PA0
I/O PC7～PC4
I/O PC3～PC0
I/O PB7～PB0
DB
數(shù)據(jù)
總線
緩沖器
A組
控制
A組端口A(8)
B組端口B(8)
讀/寫控制
邏輯
A組端口C上半部(4)
B組端口C下半部(4)
B組
控制
·
A0
A1
RESET
8位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線
圖4-3 8255A的結(jié)構(gòu)框圖
8255A有三個位并行口，PA、PB和PC。都可以選擇作為輸入輸出工作模式，但在功能和結(jié)構(gòu)上有些差異。
PA口：一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器；一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。
PB口：一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和緩沖器；一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。
PC口：一個8位的輸出鎖存器；一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。
圖4-4 8255控制數(shù)顯和鍵盤原理圖
4.2.8 磁粉制動器
磁粉制動器是一種性能優(yōu)越的自動控制元件。它以磁粉為工作介質(zhì)，以激磁電流為控制手段，達到控制制動或傳遞轉(zhuǎn)矩的目的。
型號
額定轉(zhuǎn)矩(N.m)
激磁電流（A）
允許滑差功率（KW）
重量（kg）
FZ.40
100
1
8
45
4.2.9 變頻器
變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。
型號
適配電機容量
（KW）
額定輸出電流
（A）
結(jié)構(gòu)型式
冷卻方式
備注
HF-G7-4R0T3
4.0
9
B4
風冷
三相
4.2.10 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器
選用CWZ-80轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。
技術(shù)指標:
測量范圍：0～500gcm～5Nm
輸出信號：方波頻率 零點輸出：10KHz；
正向滿量程：15KHz；
反向滿量程：5KHz；
測量精度：0.5％F.S（非線性、滯后、重復性）
穩(wěn)定性：0.5％F.S
溫度影響：0.5％F.S/10℃
供電電源：15VDC
頻率響應：100is
輸出電平TTL,負載電流100Ma
相對濕度：85％HR
工作環(huán)境溫度：-20℃～50℃
過載能力：120％
外殼保護等級：IP68
位置要求：任意位置
4.2.11溫度傳感器
CW-100液體溫度傳感器
技術(shù)特性：
電壓電源（VDC）
5
溫度范圍(℃)
-2.5～＋75
0℃輸出（mV）
10005%
靈敏度（mV/℃）
10
4.3 電氣系統(tǒng)的設(shè)計
電機啟動，通過控制磁粉制動器控制負載的大小，觀察兩軸的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，和油箱的溫度。顯示并記錄測量值。
圖4-5 電氣原理圖
4.4 交流電機及其控制
交流電動機分為異步電動機和同步電動機兩類。異步電動機按照定子相數(shù)的不同分為單項異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。三相異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，成本低廉等優(yōu)點，廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。
1. 三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)
三相異步電動機的構(gòu)造也分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。
（1）定子：
定子是電動機固定部分，作用是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。它主要由定子鐵心、定子繞組和機座組成。
（2）轉(zhuǎn)子：
轉(zhuǎn)子是重點掌握的部分，轉(zhuǎn)子有兩種，鼠籠式與繞線式。掌握他們各自的特點與區(qū)別。鼠籠式用于中小功率（100k以下）的電動機，他的結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，使用維護方便。繞線式可以改善啟動性能和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，定子與轉(zhuǎn)子之間的 氣隙大小，會影響電動機的性能，一般氣隙厚度為0.2-1.5mm之間。
2. 三相異步電動機的工作原理
掌握公式n1=60f/P、S=(n1-n)/n1、n=(1-S)60f/P，同時明白它們的意義（很重要），要能夠靈活運用這些公式，進行計算。同時記住：通常電動機在額定負載下的轉(zhuǎn)差率SN約為0.01-0.06。
3. 三相異步電動機的機械特性
（1）在等速轉(zhuǎn)動時，電動機的轉(zhuǎn)矩必須和阻轉(zhuǎn)矩相平衡。
（2）當負載轉(zhuǎn)矩增大時，最初瞬間電動機的轉(zhuǎn)矩T。
（3）一般三相異步電動機的過載系數(shù)是1.8-2.2 .
（4）電動機剛啟動時n=0,s=1.
4. 三相異步電動機的起動
（1）直接起動
啟動時轉(zhuǎn)差率為1，轉(zhuǎn)子中感應電動勢很大，轉(zhuǎn)子電流也很大。當電動機在額定電壓下啟動時，稱為直接啟動，直接啟動的電流約為額定電流的5-7倍。一般來說，額定功率為7.5kw以下的小容量異步電動機可直接起動。
直接起動控制線路所用電器包括組合開關(guān)、按鈕、交流接觸器中間繼電器、熱繼電器及熔斷器。（2）鼠籠式異步電動機的降壓起動。
（3）繞線式三相異步電動機的起動
目前較常用的交流電動機有兩種：1、三相異步電動機。2、單相交流電動機。第一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。一、三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)原理??? 三相異步電動機要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個旋轉(zhuǎn)磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。我們知道，但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其產(chǎn)生的過程如圖1所示。圖中分四個時刻來描述旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生過程。電流每變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：n=60f/P 式中f為電源頻率、P是磁場的磁極對數(shù)、n的單位是：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)此式我們知道，電動機的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)，為此，控制交流電動機的轉(zhuǎn)速有兩種方法：1、改變磁極法；2、變頻法。以往多用第一種方法，現(xiàn)在則利用變頻技術(shù)實現(xiàn)對交流電動機的無級變速控制。
??? 觀察圖1還可發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關(guān)。相序A、B、C順時針排列，磁場順時針方向旋轉(zhuǎn)，若把三
根電源線中的任意兩根對調(diào)，例如將B相電流通入C相繞組中，相電流通入B相繞組中，則相序變?yōu)椋篊、B、A，則磁場必然逆時針方向旋轉(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱訖C的旋轉(zhuǎn)方向。定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場后，轉(zhuǎn)子導條（鼠籠條）將切割旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線而產(chǎn)生感應電流，轉(zhuǎn)子導條中的電流又與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場方向以n1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來。一般情況下，電動機的實際轉(zhuǎn)速n1低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n。因為假設(shè)n=n1，則轉(zhuǎn)子導條與旋轉(zhuǎn)磁場就沒有相對運動，就不會切割磁力線，也就不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必然小于n。為此我們稱三相電動機為異步電動機。
二、單相交流電動機的旋轉(zhuǎn)原理
??? 單相交流電動機只有一個繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。當單相正弦電流通過定子繞組時，電動機就會產(chǎn)生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。這個交變脈動磁場可分解為兩個以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場，當轉(zhuǎn)子靜止時，這兩個旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動機無法旋轉(zhuǎn)。當我們用外力使電動機向某一方向旋轉(zhuǎn)時（如順時針方向旋轉(zhuǎn)），這時轉(zhuǎn)子與順時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變??；轉(zhuǎn)子與逆時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動方向旋轉(zhuǎn)起來。
?????? 要使單相電動機能自動旋轉(zhuǎn)起來，我們可在定子中加上一個起動繞組，起動繞組與主繞組在空間上相差90度，起動繞組要串接一個合適的電容，使得與主繞組的電流在相位上近似相差90度，即所謂的分相原理。這樣兩個在時間上相差90度的電流通入兩個在空間上相差90度的繞組，將會在空間上產(chǎn)生（兩相）旋轉(zhuǎn)磁場，如圖2所示。在這個旋轉(zhuǎn)磁場作用下，轉(zhuǎn)子就能自動起動，起動后，待轉(zhuǎn)速升到一定時，借助于一個安裝在轉(zhuǎn)子上的離心開關(guān)或其他自動控制裝置將起動繞組斷開，正常工作時只有主繞組工作。因此，起動繞組可以做成短時工作方式。但有很多時候，起動繞組并不斷開，我們稱這種電動機為電容式單相電動機，要改變這種電動機的轉(zhuǎn)向，可由改變電容器串接的位置來實現(xiàn)。
??? 在單相電動機中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的另一種方法稱為罩極法，又稱單相罩極式電動機。此種電動機定子做成凸極式的，有兩極和四極兩種。每個磁極在1/3--1/4全極面處開有小槽，如圖3所示，把磁極分成兩個部分，在小的部分上套裝上一個短路銅環(huán)，好象把這部分磁極罩起來一樣，所以叫罩極式電動機。單相繞組套裝在整個磁極上，每個極的線圈是串聯(lián)的，連接時必須使其產(chǎn)生的極性依次按N、S、N、S排列。當定子繞組通電后，在磁極中產(chǎn)生主磁通，根據(jù)楞次定律，其中穿過短路銅環(huán)的主磁通在銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個在相位上滯后90度的感應電流，此電流產(chǎn)生的磁通在相位上也滯后于主磁通，它的作用與電容式電動機的起動繞組相當，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使電動機轉(zhuǎn)動起來。
同步電動機的原理
同步電動機是屬于交流電機，定子繞組與異步電動機相同。它的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁