液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)
液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)設(shè)計(jì),液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)設(shè)計(jì),液壓式,轉(zhuǎn)向,實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),系統(tǒng),設(shè)計(jì)
說明書
1 緒論
1.1 課題研究的目的和意義
21世紀(jì)是汽車工業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代,汽車工業(yè)逐步成為許多國家的支柱產(chǎn)業(yè)。為了控制汽車產(chǎn)品質(zhì)量,提高汽車品質(zhì),勢必對其總成及零部件提出更高更嚴(yán)格的要求。
近年來,隨著電子技術(shù),液壓技術(shù)的不斷發(fā)展,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中愈來愈多的采用電子器件。相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩大類:電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS(electro-hydraulic power steering)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。
在現(xiàn)代汽車上,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一,它也是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成,如何設(shè)計(jì)汽車的轉(zhuǎn)向特性,使汽車具有良好的操縱性能,始終是各汽車廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天,針對更多不同的駕駛?cè)巳海嚨牟倏v性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
由此應(yīng)運(yùn)而生的就是如何對轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行檢測和控制,從而使轉(zhuǎn)向機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)化,更好地適合現(xiàn)代汽車以及工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。目前汽車工業(yè),機(jī)械工業(yè)早已成為世界上各個(gè)國家關(guān)系到國際名聲的頭等大事。我國正處于社會主義的初級階段,尚屬于第三世界國家,發(fā)展中國家;無論在經(jīng)濟(jì)上還是科技上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家;尤其在機(jī)械工業(yè)上,世界上許多發(fā)達(dá)國家的機(jī)械工業(yè)都已達(dá)到了很好的程度,中華民族的復(fù)興都在于此。
1.2 課題任務(wù)
設(shè)計(jì)并建立一個(gè)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺,該試驗(yàn)臺用于對液壓助力式轉(zhuǎn)向機(jī)總成和閥體總成進(jìn)行一般性能試驗(yàn),從而得到轉(zhuǎn)向機(jī)的各個(gè)性能參數(shù)的準(zhǔn)確值,更好地設(shè)計(jì)或改進(jìn)液壓轉(zhuǎn)向機(jī),并使轉(zhuǎn)向機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)化,以適合當(dāng)代汽車工業(yè)和機(jī)械工業(yè)的發(fā)展要求。其中需要檢測的性能包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗(yàn)項(xiàng)目以及用戶提出的其它試驗(yàn)項(xiàng)目。
具體如下所示:
(1) 轉(zhuǎn)向器總?cè)?shù)測定
(2) 空載轉(zhuǎn)動力矩測定
(3) 輸出端自由行程測定
(4) 轉(zhuǎn)向力特性試驗(yàn)
(5) 轉(zhuǎn)向靈敏度特性試驗(yàn)
(6) 傳動效率試驗(yàn)
(7) 線角傳動比試驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)臺主要測量轉(zhuǎn)向機(jī)型號有:捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號的小型汽車轉(zhuǎn)向機(jī)。
具體技術(shù)指標(biāo)要求如下:
(1)輸出端液壓檢測系統(tǒng)
最大輸出負(fù)荷:6150—10000 N
要求勻速施加驅(qū)動力(靜壓力),驅(qū)動速度為:0.1 m/s
液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉(zhuǎn)向機(jī)輸出負(fù)荷的1/3
油箱容積(有效):80 L
(2)液壓助力系統(tǒng)
工作壓力:1.0-10 MPa 連續(xù)可調(diào),程序設(shè)定,示值精度±1% 設(shè)定值
工作流量:1.0-8.0 L/min,連續(xù)可調(diào)(手動),
油箱容積(有效):100 L
(3)轉(zhuǎn)向器輸入輸出端
最大輸入轉(zhuǎn)矩:±5 Nm,示值精度 0.5% FS
最大輸入轉(zhuǎn)角:雙向無限,示值精度±0.05°
最大輸入轉(zhuǎn)速:20—30 r/min
輸出端最大加載力:±6150—10000 N,示值精度 0.5% FS
輸出端要求勻速施加驅(qū)動力(靜壓力),驅(qū)動速度為:0.1m/s
最大輸出位移:±100mm,示值精度 0.5%FS。
1.3 本說明書的主要研究內(nèi)容
根據(jù)以上所敘述的課題研究的任務(wù),本文在查閱大量的國內(nèi)外資料和類似實(shí)驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上,在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上,對以下內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)研究。
系統(tǒng)總體方案的制定:
其中包括機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電動輸入系統(tǒng)、電氣檢測系統(tǒng)及其它部分設(shè)計(jì)的制定。
(1) 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
其中包括實(shí)驗(yàn)臺臺架、油箱,所使用的卡具設(shè)計(jì)等。
(2) 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
其中包括助力液壓系統(tǒng)和輸出端液壓檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。
(3) 電動輸入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
其中包括電機(jī)、減速器、相應(yīng)的傳感器件的選擇和計(jì)算。
(4) 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
其中包括單片機(jī)及擴(kuò)展芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
(5) 總結(jié)
其中包括設(shè)計(jì)小結(jié)、體會等。
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2 系統(tǒng)總體方案
本次設(shè)計(jì)所研究的系統(tǒng)可以對小型汽車轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行檢測,取得相關(guān)數(shù)據(jù),從而了解轉(zhuǎn)向機(jī)的性能狀況。本實(shí)驗(yàn)臺需要通過手動來操作,啟動電動機(jī)從而帶動整個(gè)液壓系統(tǒng)和電動機(jī)系統(tǒng)的工作。同時(shí)通過單片機(jī)系統(tǒng)采集各種傳感器發(fā)來的信號,進(jìn)行處理并反饋到液壓閥上,調(diào)節(jié)流量和方向。經(jīng)過多次檢測我們就可以得到所測轉(zhuǎn)向機(jī)的基本性能參數(shù)了。目前我國一些研究機(jī)構(gòu)也早已開展了對汽車轉(zhuǎn)向機(jī)性能研究和試驗(yàn)研究。本系統(tǒng)基本上屬于液壓系統(tǒng)加上電氣系統(tǒng)所組成,機(jī)械部分和電動機(jī)部分相應(yīng)少一些。
液壓系統(tǒng)又分為兩大部分,即:液壓助力系統(tǒng)和輸出端液壓檢測系統(tǒng)。液壓助力系統(tǒng)主要是給轉(zhuǎn)向機(jī)提供轉(zhuǎn)向助力;輸出端液壓檢測系統(tǒng)主要是給轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出端提供一定量的輸出負(fù)荷阻尼,從而檢測轉(zhuǎn)向機(jī)的性能。
本實(shí)驗(yàn)臺之所以選擇液壓系統(tǒng)為轉(zhuǎn)向機(jī)提供助力并給轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端提供一定量的輸出負(fù)荷阻尼有以下幾點(diǎn)原因:
(1) 同其他傳動方式比較,傳動效率相同,液壓傳動裝置重量輕,體積緊湊。
(2) 可實(shí)現(xiàn)無級變速,調(diào)速范圍大。
(3) 運(yùn)動件的慣性小,能夠頻繁迅速轉(zhuǎn)向;傳動工作平穩(wěn);系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸震,并能自動防止過載。
(4) 與電氣配合,容易實(shí)現(xiàn)動作和操作自動化。與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)配合,能實(shí)現(xiàn)各種控制工作。
(5) 元件以基本上系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。利于CAD技術(shù)的應(yīng)用,提高工效,降低成本。
電氣系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)臺采用的是MCS-51系列的8051單片機(jī)并帶有A/D及D/A接口電路、輸出顯示電路、檢測電路等幾部分組成。MCS-51單片機(jī)集成度高,可靠性好,功能強(qiáng),速度快,具有很高的性能價(jià)格比。小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化,它能方便的組裝成各種智能式測控設(shè)備。適應(yīng)的溫度范圍寬。易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)。便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。
在本實(shí)驗(yàn)臺中機(jī)械部分的設(shè)計(jì)主要是作為實(shí)驗(yàn)臺的臺架、油箱、液壓閥的法塊盒,及的主要器件的卡具體。雖然在內(nèi)容上看上去機(jī)械很簡單,但是由于數(shù)量多、體積大、非標(biāo)準(zhǔn)件多,設(shè)計(jì)量占很大比重。
一般情況下,在小型轎車上,轉(zhuǎn)向機(jī)的輸入端是方向盤,但為了能達(dá)到轉(zhuǎn)距勻速、平穩(wěn)的效果,本實(shí)驗(yàn)采用步進(jìn)電動機(jī)輸入。
2.1 實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)的組成及控制原理
圖2-1 系統(tǒng)整體框圖
整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)主要包括的部分:助力液壓系統(tǒng)、輸出端液壓檢測系統(tǒng),輸入端電動機(jī)系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、主機(jī)臺架及油箱總成、轉(zhuǎn)向機(jī)總成,卡具體等。其中電控部分采用單片機(jī)為主的測控系統(tǒng)。系統(tǒng)整體框圖如圖2-1所示。
2.2 液壓系統(tǒng)的工作原理
在本實(shí)驗(yàn)臺中液壓系統(tǒng)屬于主要工作部分。液壓助力系統(tǒng)主要是為了給轉(zhuǎn)向機(jī)提供助力轉(zhuǎn)向,由三相異步電動機(jī)帶動柱塞泵從油箱中吸取液壓油經(jīng)溢流閥調(diào)壓后進(jìn)入轉(zhuǎn)向機(jī)工作,轉(zhuǎn)向機(jī)所排出的液壓油再經(jīng)油路返回油箱。輸出端液壓檢測系統(tǒng)也是由三相異步電動機(jī)帶動葉片泵從油箱中吸取液壓油,液壓油經(jīng)溢流閥調(diào)壓后再經(jīng)調(diào)速閥調(diào)解流量和速度,而后在三位四通電磁換向閥的作用下即如液
圖2-2 液壓系統(tǒng)原理圖
壓缸,并驅(qū)動液壓缸推動轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端,為其提供負(fù)荷阻尼。液壓系統(tǒng)原理圖如圖2-2所示。
3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在前面的系統(tǒng)總體方案里已經(jīng)說到:本實(shí)驗(yàn)臺的功能是對小型汽車轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行規(guī)定的部分性能試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行檢測,取得相關(guān)數(shù)據(jù),從而了解轉(zhuǎn)向機(jī)的性能狀況。因此在本設(shè)計(jì)里采用液壓系統(tǒng)帶動阻尼缸對轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出端進(jìn)行檢測,并利用電動機(jī)對轉(zhuǎn)向機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩。
3.1 液壓助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)
由于所測量轉(zhuǎn)向機(jī)需要給于轉(zhuǎn)向助力,所以本試驗(yàn)臺需要設(shè)計(jì)一個(gè)液壓助力系統(tǒng)幫助其實(shí)現(xiàn)。
其中應(yīng)包括的主要元器件有:吸油濾清器、電機(jī)、液壓泵、壓力表、溢流閥、回油濾清器等。
3.1.1 液壓泵的選擇
3.1.1.1 設(shè)計(jì)要求
本試驗(yàn)臺主要測量轉(zhuǎn)向機(jī)型號有:捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號的轉(zhuǎn)向機(jī)。
流量:6.0—8.0 L/min 最高使用油壓:8.5—10 MPa 最大輸出負(fù)荷:6150—10000 N
3.1.1.2 液壓泵的流量、壓力計(jì)算
由于本液壓系統(tǒng)屬于一般系統(tǒng),應(yīng)該按照一本液壓系統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算。
Qp=K(ΣQs)max
Qp:液壓泵的流量,L/min
Qs:同時(shí)動作執(zhí)行元件的瞬時(shí)流量,L/min
K:系統(tǒng)泄露系數(shù),K=1.1—1.3
則:Qp=K(ΣQs)max=1.3×(8+1)=11.7 L/min
其中:設(shè)通過溢流閥的流量為1 L/min。
泵的額定流量應(yīng)該與計(jì)算所需流量相當(dāng),通過所算得的數(shù)據(jù)可以選擇流量略高于12 L/min的液壓泵。
泵的額定壓力可以比系統(tǒng)工作壓力高25%,所以可以選擇壓力在10--12.5 MPa左右的泵。
3.1.1.3 液壓泵的選擇
根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)所需要的工作流量和使用壓力可以選擇精度高,密封性能好,工作壓力高的10SCY14—1B型斜盤式軸向柱塞泵,如圖3-1所示。
排量:10 ml/r 額定壓力:32 MPa 額定轉(zhuǎn)速:1500 r/min 流量:15 L/min,1×10-5 m3/r,容積效率:92%--93% 重量:19 Kg。
則實(shí)際排量=15×0.92=13.8 L/min > 12.5 L/min,液壓缸選擇合理。
圖3-1 10SCY14—1B型斜盤式軸向柱塞泵
3.1.1.4 液壓泵的轉(zhuǎn)矩計(jì)算
輸入轉(zhuǎn)矩Ti=pq0/2πηm
Ti:液壓泵的輸入轉(zhuǎn)矩,N/m
p:液壓泵的工作壓力, pa
q0:液壓泵的排量,m3/r
ηm:液壓泵的機(jī)械效率,
由于在斜盤式軸向柱塞泵中,
總效率η=容積效率ηv×機(jī)械效率ηm,(查表得容積效率:92%--93%,總效率:81%--88%),
那么,機(jī)械效率大約等于總效率/容積效率。
ηm=88/93=0.946
當(dāng)泵的工作壓力為額定壓力、排量為額定排量時(shí):
Ti 1= pq0/2πηm=32×106×1×10-5/2π×0.946=53.8 N/m
當(dāng)泵的工作壓力為實(shí)際壓力、排量為實(shí)際排量時(shí):
Ti 2= pq0/2πηm=12.5×106×8×10-6/2π×0.946=16.8 N/m
3.1.1.5 液壓泵的輸入軸功率計(jì)算
驅(qū)動泵軸的機(jī)械功率:Pi=pQ/η Q= Q泵ηv/60
p:泵的工作的壓力,pa
Q:泵工作時(shí)出口處流量,m 3/s
η:總效率,81%—88%
Q= Q泵ηv/60=11.7×10-3/60=1.95×10-4 m 3/s
Pi=pQ/η=12.5×106×1.95×10-4/0.85=2867 W=2.867 KW
3.1.2 電動機(jī)的選擇
選擇電動機(jī)應(yīng)綜合考慮以下幾點(diǎn)因素:
(1) 根據(jù)機(jī)械負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求,選擇電動機(jī)。
(2) 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩,速度變化范圍選擇電動機(jī)。
(3) 根據(jù)使用場所環(huán)境條件選擇電動機(jī)。
(4) 根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)等選擇電動機(jī)。
在這里我們著重考慮電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負(fù)載的要求,是否能帶動起負(fù)載;電動機(jī)輸出的功率是否滿足泵的驅(qū)動軸的機(jī)械功率,這是問題的關(guān)鍵。其中,電動機(jī)輸出的功率是否滿足泵的驅(qū)動軸的機(jī)械功率是選擇電動機(jī)的主要參考因素,電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負(fù)載的要求為選擇電動機(jī)的參考因素。
3.1.2.1 電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇
由于泵的額定轉(zhuǎn)速:1500r/min ,在這里我們也選擇轉(zhuǎn)速與其相同的電動機(jī)。
3.1.2.2 電動機(jī)功率的計(jì)算
由常用電動機(jī)計(jì)算公式:P=T×N/9550得:
P:電動機(jī)功率,KW
T:電動機(jī)轉(zhuǎn)矩,N/m
N:電動機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min
P1= Ti 1×N/9550=53.8×1500/9550=8.45 KW
P2= Ti 2×N/9550=16.8×1500/9550=2.64 KW
3.1.2.3 電動機(jī)的選擇
可見,當(dāng)液壓泵額定工作時(shí),所需要的最大功率為8.45 KW,而當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí),所需要的最大功率為2.64 KW,兩者有較大的差距。根據(jù)實(shí)際情況,電動的功率應(yīng)該選擇其二者之間的數(shù)值,這樣既能保證不浪費(fèi)資源,又能保證液壓泵正常工作,系統(tǒng)正常運(yùn)行。
綜上,我們可以選擇三相異步電動機(jī)Y132M-4。
主要性能參數(shù):
額定功率:7.5 KW 額定電流:15.4A 轉(zhuǎn)速:1440 r/min
效率:0.87 功率因數(shù):0.85 重量:79Kg
P輸出=7.5×0.87 KW = 6.525 KW > Ti 2=2.64 KW;P輸出>Pi=2.867 KW
電動機(jī)選擇合適。
3.2 輸出端液壓檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)臺所測量的轉(zhuǎn)向機(jī)為齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向機(jī),轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出端有載荷輸出,需要測量(輸出力、位移等);因此,需要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)裝置來測量其具體數(shù)值,以方便了解轉(zhuǎn)向機(jī)的具體性能。
其中應(yīng)包括的主要元器件有:吸油濾清器、電機(jī)、液壓泵、單向閥、壓力表、溢流閥、調(diào)速閥、換向閥、液壓缸、回油濾清器等。
3.2.1 液壓缸的選擇
3.2.1.1 設(shè)計(jì)要求
本試驗(yàn)臺主要測量轉(zhuǎn)向機(jī)型號有:捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號的轉(zhuǎn)向機(jī)。
最大輸出負(fù)荷:6150—10000N
要求勻速施加驅(qū)動力(靜壓力),驅(qū)動速度為:0.1m/s
液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉(zhuǎn)向機(jī)前軸負(fù)荷的1/3
3.2.1.2 液壓缸的選擇與計(jì)算
根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)的最大輸出負(fù)荷:6150—10000N,液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉(zhuǎn)向機(jī)前軸負(fù)荷的1/3,可以算出液壓缸的最大輸出載荷。
F=6150/3—10000/3 N=2050—3334 N
在設(shè)計(jì)液壓缸的過程中,我們需要選取較高的一個(gè)數(shù)值,并在取稍大一些,選取F=3500 N
根據(jù)所確定的輸出推力,查表選擇:WY1-FA132B-6.3B-A拉桿式液壓缸。如圖3-2所示。
圖3-2 WY1-FA132B-6.3B-A拉桿式液壓缸
缸徑:32mm 活塞桿直徑:18mm(強(qiáng)力型) 推力:5.63KN 拉力:3.85KN 額定壓力:6.3mpa 最高工作壓力:10 mpa 允許最高工作速度:300mm/s 最低工作速度:8 mm/s 。
3.2.1.3 液壓缸的輸出力校核
F=P×S= P額定×πr2 =6.3×106×π×0.0162=5066 N
所計(jì)算出的數(shù)值大于所要求的最低數(shù)值3500 N,該液壓缸是合適的。滿足輸出推力的最小壓力Pmin=3500/π×0.0162=4.35 mpa
3.2.1.4 液壓缸額定工作時(shí),流量的計(jì)算
Q=V×S
Q:液壓缸的額定流量,m3/r
V:液壓缸所要求的驅(qū)動力的速度, 0.1m/s
S:液壓缸的內(nèi)腔面積,㎡
則:Q=V×S=0.1×π×0.0162=8.04×10-5 m3/ s=4.83 L/min
3.2.2 液壓泵的選擇
3.2.2.1 液壓泵的流量、壓力計(jì)算
由于本液壓系統(tǒng)屬于一般系統(tǒng),應(yīng)該按照一本液壓系統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算。
Qp=K(ΣQs)max
Qp:液壓泵的流量,L/min
Qs:同時(shí)動作執(zhí)行元件的瞬時(shí)流量,L/min
K:系統(tǒng)泄露系數(shù),K=1.1—1.3
則:Qp=K(ΣQs)max=1.1×(4.83+0.5)=5.86L/min
其中:設(shè)通過溢流閥的流量為1 L/min。
泵的額定流量應(yīng)該與計(jì)算所需流量相當(dāng),通過所算得的數(shù)據(jù)可以選擇流量略高于5.86 L/min的液壓泵。
泵的額定壓力可以比系統(tǒng)工作壓力高25%,P額定>Pmin×1.25=4.35×1.25=5.44mpa,所以可以選擇輸出壓力在5.44—7.87 mpa左右的泵。
3.2.2.2 液壓泵的選擇
根據(jù)液壓缸所需要的工作流量和使用壓力可以選擇結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、排量范圍大、壓力流量脈動小、噪聲低、壽命長的YB-A14B-JL型葉片泵(雙作用)。
主要性能參數(shù):
理論排量:14.5ml/r 額定壓力:7mpa 額定轉(zhuǎn)速:1000r/min 輸出流量:11.9L/min,容積效率:80%--94% 總效率:65%—82% 重量:10kg。
3.2.2.3 液壓泵的轉(zhuǎn)矩計(jì)算
輸入轉(zhuǎn)矩Ti=pq0/2πηm
Ti:液壓泵的輸入轉(zhuǎn)矩,N/m
p:液壓泵的工作壓力, pa
q0:液壓泵的排量,m 3/r
ηm:液壓泵的機(jī)械效率,
由于在雙作用葉片泵中,
總效率η=容積效率ηv×機(jī)械效率ηm,(查表得容積效率:80%--94%,總效率:65%--82%),
那么,機(jī)械效率大約等于總效率/容積效率。
ηm=82/94=0.872
當(dāng)泵的工作壓力為額定壓力、排量為額定排量時(shí):
Ti1=pq0/2πηm=7×106×14.5×10-6/2π×0.872=18.5 N/m
當(dāng)泵的工作壓力為實(shí)際壓力、排量為實(shí)際排量時(shí):
P=6.3mpa q=5.86 L/min=5.86×10-6 m 3/r
Ti2=pq0/2πηm=6.3×106×5.86×10-6/2π×0.872=6.73N/m
當(dāng)泵的工作壓力為滿足輸出推力的最小壓力Pmin=4.35mpa、排量為實(shí)際排量時(shí):
Tmin=Pq/2πη=4.35×106×5.86×10-6/2π×0.872=4.65N/m
3.2.2.4 液壓泵輸入軸功率的計(jì)算
驅(qū)動泵軸的機(jī)械功率:Pi=pQ/η Q= Q泵ηv/60
p:泵的工作的壓力,pa
Q:泵工作時(shí)出口處流量,m 3/s
η:總效率,62%—82%
Q= Q泵ηv/60=5.68×10-3/60=9.47×10-5m 3/s
Pi=pQ/η=4.35×106×9.47×10-5/0.80=514 W=0.514KW
3.2.3 電動機(jī)的選擇
在這里我們著重考慮電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負(fù)載的要求,是否能帶動起負(fù)載,這是問題的關(guān)鍵。其中,電動機(jī)輸出的功率是否滿足泵的驅(qū)動軸的機(jī)械功率是選擇電動機(jī)的主要參考因素,電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負(fù)載的要求為選擇電動機(jī)的參考因素。
3.2.3.1 電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇
由于泵的額定轉(zhuǎn)速:1000r/min ,在這里我們也選擇轉(zhuǎn)速與其相同的電動機(jī)。
3.2.3.2 電動機(jī)功率的計(jì)算
由常用電動機(jī)計(jì)算公式:P=T×N/9550得:
P:電動機(jī)功率,KW
T:電動機(jī)轉(zhuǎn)矩,N/m
N:電動機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min
P1=T1×N/9550=18.5×1000/9550=1.85 KW
P2=T2×N/9550=6.73×1000/9550=0.673 KW
Pmin= Tmin×N/9550=4.65×1000/9550=0.487 KW
3.2.3.3 電動機(jī)的選擇
可見,當(dāng)液壓泵額定工作時(shí),所需要的最大功率為1.85 KW,而當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí),所需要的最大功率為0.673 KW,兩者有較大的差距。根據(jù)實(shí)際情況,電動的功率應(yīng)該選擇其二者之間的數(shù)值,這樣既能保證不浪費(fèi)資源,又能保證液壓泵正常工作,系統(tǒng)正常運(yùn)行。
綜上,我們可以選擇三相異步電動機(jī)Y90S-6。
主要性能參數(shù):
額定功率:0.75 KW 額定電流:2.3A 轉(zhuǎn)速:910r/min
效率:0.725 功率因數(shù):0.7. 重量:21Kg
電動機(jī)的實(shí)際輸出功率P實(shí)際=0.75×0.72 KW = 0.54 KW>Pmin=0.487 KW;P實(shí)際>Pi=0.514KW,電動機(jī)選擇合適。
3.3 轉(zhuǎn)向機(jī)輸入端系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)臺所測量的轉(zhuǎn)向機(jī)均為小型車輛上所使用的轉(zhuǎn)向機(jī),所要求的輸入轉(zhuǎn)矩很小。在車輛的實(shí)際行駛中,車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤來操作,并由人手動輸入來完成;但為了在測量轉(zhuǎn)向機(jī)性能過程中保證輸入力矩平穩(wěn)、勻速、固定、可靠,在這里采用電機(jī)輸入,并利用減速器來達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。其中,需要對輸入的扭矩和轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量,還要在系統(tǒng)中加上扭矩傳感和轉(zhuǎn)角傳感器。
3.3.1 步進(jìn)電機(jī)的選型和計(jì)算
3.3.1.1 設(shè)計(jì)要求
最大輸入轉(zhuǎn)矩:5N·m ; 最大輸入轉(zhuǎn)速:20—30r/ min
3.3.1.2 電動機(jī)的選擇
本實(shí)驗(yàn)臺所選用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。
3.3.1.3 步進(jìn)電機(jī)的介紹
步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)組合電磁鐵的理論設(shè)計(jì)的,是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移,并用電脈沖信號進(jìn)行控制的特殊運(yùn)行方式的同步電動機(jī),在數(shù)字控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。它通過專用電源把電脈沖按一定順序供給定子各相控制繞組,在氣隙中產(chǎn)生類似于旋轉(zhuǎn)磁場的脈沖磁場。每輸入一個(gè)脈沖信號,電動機(jī)就移動一步。因此,步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)是我國目前應(yīng)用最廣泛的一種,它具有調(diào)速范圍廣,動態(tài)性能好,能快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。
3.3.1.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇
(1)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算
根據(jù)最大輸入轉(zhuǎn)矩:5N·m 得:
(2)步進(jìn)電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)
經(jīng)過計(jì)算本設(shè)計(jì)選用86BYG250B型號永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(jī)。如圖3-3所示。
表3-1是電動機(jī)技術(shù)參數(shù):
表 3-1
電機(jī)型號
相數(shù)
步距角
相電流
驅(qū)動電壓
最大靜轉(zhuǎn)矩
相電阻
相電感
重量
空載啟動頻率/轉(zhuǎn)速*
轉(zhuǎn)動慣量
86BYG250B
2/4
1.8°
5.0A
AC40V/60V
2.4Nm
0.5W
5.6mH
2.55kg
4.6KHZ/276轉(zhuǎn)/分
1.3
Kg.cm^2
圖3-3 86BYG250B型號永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(jī)
3.3.1.5 步進(jìn)電機(jī)的控制
圖3-4所示為步進(jìn)電機(jī)控制示意圖。它把電脈沖信號變換成角位移或直線位移,其角位移量θ或直線位移量s與電脈沖數(shù)成正比,其轉(zhuǎn)速n或線速度v與脈沖頻率f成正比。由步進(jìn)電動機(jī)的控制特性分析可見,在額定負(fù)載范圍內(nèi),角位移量θ或直線位移量s、轉(zhuǎn)速n或線速度v不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動而變化,因而很適合在開環(huán)系統(tǒng)中作執(zhí)行元件,使控制系統(tǒng)成本下降。
當(dāng)用微電腦進(jìn)行數(shù)字控制時(shí),它不需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,能直接把數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移,力求定子各繞組間沒有互感,定、轉(zhuǎn)子都采用凸極結(jié)構(gòu),不考慮空間磁場諧波的有害影響,盡一切可能去增加定位轉(zhuǎn)矩的幅值和定位精度,把轉(zhuǎn)速控制和調(diào)節(jié)放在次要地位。目前,步進(jìn)電動機(jī)的功率做的越來越大,已經(jīng)生產(chǎn)出功率步進(jìn)電動機(jī),它可以不通過傳動齒輪等力矩放大裝置,直接由功率步進(jìn)電動機(jī)來帶動機(jī)床運(yùn)動,從而簡化結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)精度。
圖3-4 步進(jìn)電機(jī)控制示意圖
3.3.2 減速器的選擇
根據(jù)選擇的步進(jìn)電機(jī),在本實(shí)驗(yàn)臺中選擇XB-50-100-1-6/6型單級諧波傳動減速器。
3.3.2.1 主要性能參數(shù):
輸入轉(zhuǎn)速3000r/min
輸入轉(zhuǎn)速1500r/min
輸入轉(zhuǎn)速1000r/min
傳動比
100
100
100
輸出轉(zhuǎn)矩/N·m
30
33
33.6
輸出轉(zhuǎn)速/r·min-1
30
15
10
輸入功率/KW
0.118
0.062
0.041
表3-2 所選減速器的主要性能參數(shù)
見表3-2,由于所選的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與減速器的額定轉(zhuǎn)速有較大的差距,因此無法根據(jù)減速器的性能參數(shù)表格來判斷減速器所輸出的轉(zhuǎn)矩;但經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)及其他試驗(yàn)臺所選型號和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得,選此減速器可以達(dá)到預(yù)定要求。輸出轉(zhuǎn)速小于20—30r/ min;輸出轉(zhuǎn)矩小于最大輸入轉(zhuǎn)矩:5N·m。所以減速器選擇合適。
3.3.2.2 諧波傳動減速器的介紹
諧波傳動減速器是一種結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、傳動比范圍大的減速器。它具有承載能力高、損耗小、效率高等特點(diǎn);此外,減速器本身的齒輪摩擦小且均勻、運(yùn)動平穩(wěn)、無沖擊,可以向密封空間傳遞動力。
3.4 其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.4.1 臺架總成的設(shè)計(jì)
臺架是支撐轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)體和安裝實(shí)驗(yàn)臺臺下裝置的空間。其空間的大小和臺面的高度及面積都與臺下設(shè)備的安裝和臺上設(shè)備的裝卡、操作人員的操作有很大的關(guān)系。因此設(shè)計(jì)的一定要合理。
本實(shí)驗(yàn)臺所設(shè)計(jì)的臺架為一個(gè)長方體(長:1600mm、寬:1100mm、高:760mm),
臺架由四根臺架立柱(方鋼40×40)所支撐。支撐臺面的由兩根臺架長橫梁(方鋼40×40)和兩根臺架短橫梁(方鋼40×40)所連接而成的長方形支架。此外還有臺架底座總成等部件組成(具體見零件圖XSA301)。
3.4.2 油箱總成的設(shè)計(jì)
油箱是實(shí)驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)的油源,其空間的大小關(guān)系到系統(tǒng)的油量是否夠用、是否省油、節(jié)省空間,達(dá)到最優(yōu)化效果。
本實(shí)驗(yàn)臺所設(shè)計(jì)的油箱也是一個(gè)長方體(長:1000mm、寬:500mm、高:600mm),板厚0.75 mm(詳見總裝圖XSA300).
3.5 傳感器的選擇
各參數(shù)的測量和采集主要靠各種傳感器來實(shí)現(xiàn),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(xué)量和生物量,而轉(zhuǎn)換后的信號也有各種形式。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(zhǔn)確、可靠且又經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求。因此,對傳感器有以下要求:
(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(yīng)快,工作可靠性高。
(4) 精度適當(dāng)且穩(wěn)定性好,即傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求,并長期穩(wěn)定。
(5) 適用性和適應(yīng)性強(qiáng),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(jì)。即成本低、壽命長,且易于使用、維修和校準(zhǔn)。
所選的傳感器的型號如表3-3所示:
表3-3 所選傳感器的型號及性能參數(shù)
型號
性能指標(biāo)
數(shù)量
備注
扭矩傳感器
T34FN
0-20 Nm
1
線位移傳感器
CWY200
0-200mm
1
壓力傳感器
C9B
20KN
1
角度變化檢出器
CP-5UY
輸出感度: Min.0.5/10°
1
直線性%(FS): ±1(300°)
3.5.1 位移傳感器
CWY系列導(dǎo)電塑料直線位移傳感器,小量程——測量長度30-300mm,壽命1000萬次,分辨率無窮小 , 適用于工程機(jī)械,宇宙裝置、導(dǎo)彈、飛機(jī)雷達(dá)天線的伺服系統(tǒng)以及注塑機(jī),木工機(jī)械,印刷機(jī),電子尺,機(jī)器人,工程監(jiān)測,電腦控制運(yùn)動器械等需要精確測量位移的場合。如圖3-5所示。
圖3-5 線位移傳感器CWY200
3.5.2 扭矩傳感器
圖3-6 扭矩傳感器T34FN
T34FN 扭矩法蘭專為靜態(tài)和動態(tài)的扭矩測量和速度測量設(shè)計(jì)的,可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室,測試部門以及生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量管理。 由于轉(zhuǎn)子可單獨(dú)安裝,因此靈活性大大增加。如圖3-6所示。
3.5.3 壓力傳感器
在對轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端進(jìn)行性能試驗(yàn)中,壓力傳感器C9B,當(dāng)液壓缸輸出端活塞桿與轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端活塞桿相向輸出時(shí),采用電阻應(yīng)變片式壓力傳感器,將它裝置在兩活塞桿同一軸向內(nèi),利用應(yīng)變片的變形測量轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端的輸出力的大小。
3.5.3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理
工作時(shí),將應(yīng)變片用粘合劑粘貼在彈性體上,彈性體受外力作用變形所產(chǎn)生的應(yīng)變就會傳遞到應(yīng)變片上,從而使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化,通過測量阻值的變化,就能得知外界被測量的大小。
在傳感器中實(shí)際采用多個(gè)電阻絲片,一般把四個(gè)測量應(yīng)變片,兩片貼在正應(yīng)變片區(qū),并將接在電橋兩個(gè)相對的臂上;另兩個(gè)貼在負(fù)應(yīng)變區(qū),接在另兩個(gè)相對臂上,以使一個(gè)應(yīng)變片的電阻溫度效應(yīng)為另一個(gè)相鄰應(yīng)變片所抵消。這樣的電路不但補(bǔ)償了溫度效應(yīng),而且可以得到較大輸出信號,這種補(bǔ)償電路稱全橋連接。
3.6 其他主要元器件的選取
通過電阻應(yīng)變片式壓力傳感器傳出的微小電壓再經(jīng)過放大和濾波,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入計(jì)算機(jī)中。
名稱
型號
性能指標(biāo)
數(shù)量
備注
空氣濾清器
EF1-25
1
低壓溢流閥
P-B25B
1
單向節(jié)流閥
DRVP-12
2
調(diào)速閥
Q-25B
1
吸油過濾器
WU-160×010-J
63L/min
80u
2
直回式回油過濾器
RFA-160×010-C
1
電磁換向閥
34DY-B10H-T
1
壓力表
LHGAM14×1.5
60MPa
2
先導(dǎo)式溢流閥
DB10A-1-30/31.5UW
220-50N//
1
表 3-4 其他主要元器件的選取
4 控制及檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)控制及檢測系統(tǒng)
4.1.1 實(shí)驗(yàn)臺控制及檢測系統(tǒng)的組成
控制系統(tǒng)的由以下主要器件組成:單片機(jī)8051、址鎖存器74LS373、譯碼器74L138、程序存儲器2764、數(shù)據(jù)存儲器6264、I/O口擴(kuò)展芯片8255、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D0809、數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A0832、鍵盤、LED顯示部分電路、扭矩傳感器T34FN、壓力傳感器C9B、線位移傳感器CWY200、角位移傳感器CP-5UY及相關(guān)電路等。
液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺控制及檢測系統(tǒng)框圖如圖4-1所示:
圖4-1 控制及檢測系統(tǒng)框圖
4.2 控制及檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.2.1 單片機(jī)的選擇
單片機(jī)選用:MCS-51系列的8051單片機(jī),理由如下:
MCS-51單片機(jī)集成度高,可靠性好,功能強(qiáng),速度快,具有很高的性能價(jià)格比。小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化,它能方便的組裝成各種智能式測控設(shè)備。適應(yīng)的溫度范圍寬。易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)。便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。
即用8051外接2764、6264及8255等芯片擴(kuò)展成一個(gè)較簡單的微機(jī)控制系統(tǒng)。編程的用戶程序由鍵盤盤輸入,修改程序也由鍵盤來完成。程序存入外部RAM,如果系統(tǒng)需要保存該程序,可以把錄音機(jī)接在錄音輸出口上將程序錄下來,每段程序輸入都可以顯示。系統(tǒng)中有時(shí)鐘電路模塊、復(fù)位電路、數(shù)碼顯示接口電路。
4.2.1.1 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計(jì)
時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟,各部分都以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn),有條不紊地一拍一拍地工作。因此,時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度,時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響微機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
由此,在本次設(shè)計(jì)中選用:內(nèi)部時(shí)鐘電路,即晶振電路。圖形見電氣原理圖。其中,振蕩頻率:60MHz,電容器C1,C2在30Pf左右。
單片機(jī)在接通電源啟動或出現(xiàn)故障后,程序需從頭開始執(zhí)行,機(jī)器內(nèi)部全部寄存器I/O接口等都必須重新復(fù)位,所以要求接復(fù)位電路。
由此,在本次設(shè)計(jì)中選用:復(fù)位電路。圖形見電氣原理圖。其中,電阻阻值為82KΩ,電容為10μf。
4.2.1.2 Mccs-51系列單片機(jī)的引腳及其功能
Mcs-51系列單片機(jī)是一個(gè)具有40根引腳的雙列直插式器件。
:編程和正常操作時(shí)的電源電壓為+5V。
:地電平。
:一個(gè)8位開漏雙向I/O口,它訪問外部存儲器的低8位地址和數(shù)據(jù)總線,在程序檢驗(yàn)時(shí)它也輸出指令字節(jié),口能吸入8個(gè)LSTTL輸入。
口:具有提升電阻的8位雙向I/O口,專供用戶使用,在程序檢驗(yàn)時(shí)它也接收低位地址字節(jié),口能吸入/輸出3個(gè)LSTTL輸入。
口:具有提升電阻為8位雙向I/O口,供系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)作高8位地址線用。在沒有外部存儲器擴(kuò)展時(shí),它也可以為用戶I/O口線使用。在程序檢驗(yàn)時(shí),它也接收高位地址和控制信號??谀芪?輸出3個(gè)LSTTL輸入。
口:具有提升電阻為8位雙向I/O口,該口的每一位單元可以獨(dú)立地定義為第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時(shí),口的結(jié)構(gòu)與操作與口完全相同,第二功能如下所示:
口引腳 第二功能
(串行輸入口)
(串行輸出口)
(外部中斷)
(外部中斷)
(定時(shí)器0外部輸入)
(定時(shí)器1外部輸入)
(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)
(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)
口能吸入/放出3個(gè)LSTTL輸入。
:訪問外部存儲器時(shí),用于鎖存地址低字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE主要是提供一個(gè)定時(shí)信號,在從外部程序存儲器取指時(shí)把口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中,每一個(gè)機(jī)器周期ALE二次有效.這個(gè)引腳也是EPROM編程時(shí)的編程脈沖輸入。
:程序存儲器允許輸出,是外部程序存儲器的讀選通信號。在工外部程序存儲器取指時(shí),每個(gè)周期有效二次,在從內(nèi)部程序存儲器取指時(shí),無脈沖。
:EA為高電平時(shí),CPU執(zhí)行北部程序存儲器的指令。為低電平時(shí),CPI僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。使用8051時(shí),必須接地。8751EPROM編程時(shí),這個(gè)引腳為21V編程電源輸入端。
:震蕩器的反相放大器輸入,使用外部震蕩器時(shí)必須接地。
:震蕩器反相放大器輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入,使用外部震蕩器時(shí)用于輸入外部震蕩信號。
:復(fù)位控制,在震蕩器運(yùn)行時(shí),使RST腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期為高電平,可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。CPU通過執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位來響應(yīng),在RST為高的第二周期時(shí)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位。在關(guān)斷前加上VPD,RAM的內(nèi)容將不變.
4.2.2 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的選用
試驗(yàn)臺系統(tǒng)采用MCS-51系列中的8051作為主控制器。
對于不同的單片機(jī)進(jìn)行比較:首先要選擇合適的存儲器。單片機(jī)內(nèi)部有兩種存儲器:一種是專門用來存放用戶程序和常數(shù)的程序存儲器;另一種是專門用來存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲器。兩者是嚴(yán)格分開的,不同的單片機(jī)這兩種存儲器的容量也不一致。一般選用片內(nèi)無程序存儲器的單片機(jī),通過片外擴(kuò)展組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。這種最小系統(tǒng)使用靈活,改寫程序方便。(1)選擇單片機(jī)還應(yīng)注意接口能力、指令系統(tǒng)、尋址方式及功耗等問題。(2)必須具備配套的開發(fā)系統(tǒng)。(3)選擇市場上的主流產(chǎn)品。
綜合以上因素,在與MCS-51系列的8051單片機(jī)相配合的眾多器件中可以選用:程序存儲器:2764如圖4-2所示 ;程序存儲器擴(kuò)展為8K,數(shù)據(jù)存儲器:6264,數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展為8K。如圖4-3所示。
圖4-2 程序存儲器2764引腳圖
圖4-3 數(shù)據(jù)存儲器74LS373引腳圖
4.2.3 地址鎖存器和譯碼器的選用
由于MCS-51單片機(jī)的口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線,因此在進(jìn)行程序存儲器擴(kuò)展時(shí),必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開來。
通常,地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373或8282,也可以使用帶清除端的八D鎖存器74LS273,地址鎖存信號為74LS373ALE。
綜合以上因素,結(jié)合所選用的單片機(jī)8051,從以上器件中選用鎖存器74LS373如圖(4-3),譯碼器74L138。
4.2.4 并行I/O擴(kuò)展接口的選用
本試驗(yàn)臺系統(tǒng)中所檢測得到的數(shù)據(jù)需要用顯示器顯示,并且用鍵盤輸入。因此需要與I/O擴(kuò)展接口相連接。在眾多器件中我選用8255。
8255的A口為控制試驗(yàn)臺輸入電機(jī)的接口。為防止功率放大器高雅的干擾,步進(jìn)電機(jī)及接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤與顯示設(shè)計(jì)在一起,8255的PC口擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制;PB口的PB0~PB3為鍵盤的行線;8051的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X5共20個(gè)列式鍵盤和五位八段共陰極LED顯示器。
在軟件設(shè)計(jì)上8255的PA口、PC口設(shè)置為輸出,PB口設(shè)置為輸入。
4.2.4.1 8255的工作方式
8255有三種基本工作方式:
方式0:基本輸入輸出
方式1:選通輸入輸出
方式2:雙向傳送
表4-1 8255接口工作狀態(tài)選擇表
0 0
0 1
1 0
0 1 0
0 1 0
0 1 0
A口數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)總線
B口數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)總線
C口數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)總線
0 0
0 1
1 0
1 1
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
總線數(shù)據(jù):A口
總線數(shù)據(jù):B口
總線數(shù)據(jù):C口
總線數(shù)據(jù):控制字寄存器
1 1
1
0 1 0
1 1 0
數(shù)據(jù)總線:三態(tài)
非法狀態(tài)
數(shù)據(jù)總線:三態(tài)
三種工作方式由工作方式控制字來決定。方式控制字的格式由CPU通過輸入/輸出指令來提供。三個(gè)端口中C口被分為兩個(gè)部分,上半部分隨A口稱為A組,下半部分隨B口稱為B口。其中A口可工作于方式0、1和2,而B口只能工作在方式0和1。另外,C口還具有位控制功能,它可通過工作方式控制字將其任意一位置“1”或者清“0”。
4.2.5 模數(shù)轉(zhuǎn)型A/D轉(zhuǎn)換器的選用
圖4-4 ADC0809引腳圖
A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。它與D/A轉(zhuǎn)換器一樣,是微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種重要接口,常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
在本實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)中具體應(yīng)用到與傳感器的連接中,并選用A/D0809。
4.2.5.1 A/D0809轉(zhuǎn)換器的工作原理
逐位反饋使次高位置1,進(jìn)行相同的過程直到SAR的所有位都被確定。轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后,SAR寄存器中的二進(jìn)制碼就是A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。如圖4-4所示。
主要特性:(1)8路8位A/D轉(zhuǎn)換器,即分辨率8位。(2)具有轉(zhuǎn)換起??刂贫恕#?)轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs。(4)單個(gè)+5V電源供電 。(5)模擬輸入電壓范圍0~+5V,不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 (6)工作溫度范圍為-40~+85攝氏度 。(7)低功耗,約15mW。
4.2.5.2 A/D0809轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì)方法
中斷方式:
圖4-5 DAC0832引腳圖
無論CPU暫停與否,實(shí)際上對控制過程來說都是處于等待狀態(tài),等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后再讀入數(shù)據(jù),因此速度慢,為了發(fā)揮計(jì)算機(jī)的效率,又是采用中斷方式。在這種方式中,CPU啟動A/D轉(zhuǎn)換后,即可轉(zhuǎn)而處理其他事情(如執(zhí)行主程序),一旦A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,則由A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)一轉(zhuǎn)換結(jié)束信號到單片機(jī)的管腳,CPU相應(yīng)中斷后,便讀入數(shù)據(jù)。這樣,在整個(gè)系統(tǒng)中CPU與A/D轉(zhuǎn)換器是并行工作的,所以提高了工作效率。為此,有時(shí)多回路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,我們不得不采用雙重中斷的辦法來解決(第一重中斷是定時(shí)采樣,第二重中斷是A/D轉(zhuǎn)換)。
4.2.6 數(shù)模轉(zhuǎn)型D/A轉(zhuǎn)換器的選用
D/A轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí),將需要轉(zhuǎn)換的數(shù)碼加在D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入端,D/A芯片的輸出端就建立起相應(yīng)的電流和電壓。
在本實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)中具體應(yīng)用到與調(diào)速閥的連接中,并選用D/A0832(DAC0832)。如圖4-5所示。
D/A0832是一種雙緩沖型D/A芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。她被分成三部分:由8位輸出寄存器和8位DAC0832寄存器組成的二次緩沖;一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換;控制電路完成對兩個(gè)鎖存器的寫入控制。
4.2.7 矩陣式鍵盤接口設(shè)計(jì)
4.2.7.1 矩陣式鍵盤工作原理
鍵盤設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上,行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。平時(shí)無按鍵動作時(shí),行線處于高電平狀態(tài),而當(dāng)有按鍵按下時(shí),行線電平狀態(tài)將由此行線相連接的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低,則行線電平為低;列線電平如果為高,則行線電平亦為高。這一點(diǎn)是識別矩陣鍵盤按鍵是否被按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用,各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此各按鍵彼此將相互發(fā)生影響,所以必須將行、列線信號配合起來并作適當(dāng)?shù)奶幚?,才能確定閉合鍵的位置。矩陣鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省很多的I/O接口。
4.2.7.2 按鍵的識別方法
掃描法:此方法分兩部進(jìn)行:第一步,識別鍵盤有無鍵被按下;第二步,如果有鍵被按下,識別出具體的按鍵。分述如下:
識別鍵盤有無鍵被按下:讓所有列線均置為0電平,檢查各行線電平是否有變化,如果有變化,則說明有鍵被按下,如果沒有變化,則說明無鍵被按下。
識別具體按鍵的方法:逐列置零電平,其余各列置為高電平,檢查各行線電平的變化,如果某行電平由高電平變?yōu)榱汶娖?,則可確定此行列交叉點(diǎn)處的按鍵被按下。
4.2.7.3 鍵盤工作方式
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,鍵盤掃描只是CPU工作的內(nèi)容之一。CPU在忙于各項(xiàng)工作時(shí),如何兼顧鍵盤的輸入,取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。其原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)鍵盤操作,又要不過多占用CPU的工作時(shí)間。通常,鍵盤的工作方式有三種,即:程序掃描,定時(shí)掃描和中斷掃描。
本實(shí)驗(yàn)臺所用電氣控制系統(tǒng)的鍵盤工作方式為定時(shí)掃描工作方式
具體介紹見(5.2)。
4.2.8 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路
步進(jìn)電機(jī)的控制完全可以通過各種邏輯電路來實(shí)現(xiàn),但這樣做的缺點(diǎn)是線路復(fù)雜、缺乏靈活性。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。微機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制有兩種方案:一種是所謂的串行法,即環(huán)行分配部分由邏輯電路組成,微機(jī)只提供頻率可調(diào)的脈沖信號、方向信號和勵(lì)磁方式信號。另一種是并行發(fā),即由微機(jī)軟件來完成脈沖分配的任務(wù)。
圖4-6 步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)的組成
微機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)主要利用微機(jī)的I/O口進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配,并配備相應(yīng)的驅(qū)動電路,如圖(4-6)為兩相步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)組成原理圖。當(dāng)相應(yīng)端的端口出現(xiàn)高電平時(shí),驅(qū)動電路的輸入端產(chǎn)生步進(jìn)脈沖。
5 程序設(shè)計(jì)
5.1 程序設(shè)計(jì)技術(shù)
由于該檢測實(shí)驗(yàn)的程序設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,現(xiàn)以鍵盤掃描方式的程序設(shè)計(jì)為例來介紹。定時(shí)掃描方式程序流程圖(5-1)如下:
鍵盤定時(shí)掃描方式:
定時(shí)掃描方式就是每隔一段時(shí)間對鍵盤掃描一次,它利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生一定時(shí)間(例如10 ms)的定時(shí),當(dāng)定時(shí)時(shí)間到就產(chǎn)生定時(shí)器溢出中斷。CPU響應(yīng)中斷后對鍵盤進(jìn)行掃描,并在有鍵按下時(shí)識別出該鍵,再執(zhí)行該鍵的功能程序。定時(shí)掃描方式的硬件電路與編程掃描方式相同,程序流程圖如圖(5-1)所示。
圖5-1 定時(shí)掃描方式程序流程圖
圖中,標(biāo)志1和標(biāo)志2是在單片機(jī)內(nèi)部RAM的位尋址區(qū)設(shè)置的兩個(gè)標(biāo)志位,
標(biāo)志1為去抖動標(biāo)志位,標(biāo)志2為識別完按鍵的標(biāo)志位。初始化時(shí)將這兩個(gè)標(biāo)志位設(shè)置為0,執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí),首先判別有無鍵閉合,若無鍵閉合,將標(biāo)志1和標(biāo)志2置0后返回;若有鍵閉合,先檢查標(biāo)志1,當(dāng)標(biāo)志1為0時(shí),說明還未進(jìn)行去抖動處理,此時(shí)置位標(biāo)志1,并中斷返回。由于中斷返回后要經(jīng)過10 ms后才會再次中斷,相當(dāng)于延時(shí)了10 ms,因此,程序無須再延時(shí)。
下次中斷時(shí),因標(biāo)志1為1,CPU再檢查標(biāo)志2,如標(biāo)志2為0說明還未進(jìn)行按鍵的識別處理,這時(shí),CPU先置位標(biāo)志2,然后進(jìn)行按鍵識別處理,再執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能子程序,最后,中斷返回。如標(biāo)志2已經(jīng)為1,則說明此次按鍵已做過識別處理,只是還未釋放按鍵。當(dāng)按鍵釋放后,在下一次中斷服務(wù)程序中,標(biāo)志1和標(biāo)志2又重新置0,等待下一次按鍵。
5.2 程序設(shè)計(jì)說明
下面為鍵輸入程序的清單,從該程序返回后輸入鍵的鍵號在累加器中。程序請單:
KEY1: MOV A, #03H
MOV DPTR, #7F00H
MOVX @DPTR, A ;8255初始化A口、B口為輸出口,C口為輸入口
ACALL KS1 ;調(diào)用判斷有無鍵閉合子程序
JNZ LK1
ACALL DIR ;調(diào)用顯示子程序,延遲5ms
AJMP KEY1
LK1: ACALL DIR ;延遲10ms
ACALL DIR
ACALL KS1 ; 調(diào)用判斷有無鍵閉合子程序
JNZ LK2
ACALL DIR ;調(diào)用顯示子程序,延遲5ms
AJMP KEY1
LK2: MOV R2, #OFEH ;掃描模式R2
MOV R4 ,#0
LK4: MOV DPRT, #7F01H ; 掃描模式—8255A口
MOV A, R2
MOVX @DPRT, A
INC DPTR
INC DPTR
MOVX A, @DPTR ;讀8255C口
JB Acc.0, LONE
MOV A, #00H ;0行有鍵閉合,首鍵號0--A
AJMP LKP
LKP: ADD A, R4 ;求鍵號
PUSH ACC ;鍵號進(jìn)行保護(hù)
LK3: ACALL DIR ;判斷鍵釋放否?
ACALL KS1
JNZ LK3
POP ACC ;鍵號--A
RET
NEXT: INC R4 ;列計(jì)數(shù)加1
MOV A, R2 ;判斷是否已掃描到最后列
JNB Acc0, KND ; 若仍無鍵入,轉(zhuǎn)KND
RL A
MOV R2, A
AJMP LK4
KND: AJMP KEY1
KS1: MOV DPTR, #7F01H ;全“0”—掃描口
MOV A, #00H
MOVX @DPTR, A
INC DPTR
INC DPTR
MOVX A, @DPTR ;讀鍵入狀態(tài)
CPL A
ANL A, #OF ;屏蔽高位
RET
結(jié) 論
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)及本次論文的研究,可得如下結(jié)論:
(1)選用電動變量軸向輸入,經(jīng)過扭矩傳感器加載的方式。這樣更加容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸入的平穩(wěn)性和均勻性,可以得到持續(xù)穩(wěn)定的輸入扭矩。
(2)被試件的輸出端采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動和加載,更容易實(shí)現(xiàn)兩者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。既可以正
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液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)
液壓式
轉(zhuǎn)向
實(shí)驗(yàn)
試驗(yàn)
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