二維跟蹤太陽光伏發(fā)電裝置設計(雙搖桿式)

1、單位代碼 0 2 學 號 080105507 分 類 號 TH6 密 級 畢業(yè)設計說明書二維跟蹤光伏發(fā)電裝置設計（雙搖桿式） 院（系）名稱 工學院機械系 專業(yè)名稱機械設計制造及其自動化 學生姓名畢凱 指導教師李安生 2012 年 5 月 15 日 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁I二維跟蹤太陽光伏發(fā)電裝置設計（雙搖桿式）二維跟蹤太陽光伏發(fā)電裝置設計（雙搖桿式）摘要摘要在太陽能產(chǎn)業(yè)上，二維跟蹤裝置有著獨到的作用，本文主要針對太陽能產(chǎn)業(yè)太陽能電池板的太陽能追蹤設計了二維跟蹤裝置，實現(xiàn)跟蹤的自動化。增加了太陽能利用率。 該太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置實現(xiàn)了自動追蹤、復位等功能并實現(xiàn)了高效率太陽能轉

2、化的目的。為了現(xiàn)實這些動作，采用部件設計，分別實現(xiàn)這些動作。控制系統(tǒng)把各個部件的獨立運動協(xié)調(diào)起來，形成了一個有規(guī)則運動系統(tǒng)。各個部件的聯(lián)接，先造出一個合格的機械本體，把各個部件安裝在機械本體上，形成一個機器。關鍵詞： 太陽能；接近開關；步進電機。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁II2 dimensions trail installation design Author: Tutor: Abstract In the estate of sun energy , 2 dimensions trail installation have original role, this paper

3、tracks mainly according to the sun energy of the industrial cell panel of sun energy of sun energy, have designed 2 dimensions to trail installation, realize the automation that trailed. Have increased the utilization rate of sun energy. It is tracked voluntarily that this sun energy is industrial t

4、o produce 2 dimensions to trail installation to realize , the functions such as reset the purpose that has realized the efficient transformation of sun energy. For these realistic movements, with parts, design and difference realize these movements. Control system coordinates the independent sport o

5、f every parts , have formed one have regular sport system. The coupling of every parts makes a acceptable mechanical body first, install every parts in mechanical body on, form a machine. Keywords: Sun energy; Is close to switch; Walk into generator. 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁III目錄1 1 緒論緒論 .1 12 2 總體方案設計總體方

6、案設計 .5 52.1 總體設計的思路 .52.2 總體設計方案的采用 .53 3 傳動機構設計傳動機構設計 .8 83.1 電機的計算與選型 .83.2 減速齒輪的設計計算 .153.3 接近開關的選型 .183.4 電池組板框架結構設計 .213.5 俯仰角的跟蹤 .224 4 二維跟蹤裝置構主要零部件的校核二維跟蹤裝置構主要零部件的校核 .23234.1 軸承的選取及校核 .234.1.1 軸承的軸向固定.234.1.2 軸承組合的調(diào)整.244.1.3 軸承的潤滑和密封.244.1.4 軸上零件的周向定位.244.2 軸的設計及校核 .264.3 齒輪的校核 .29結論結論 .3232致

7、謝致謝 .3333參考文獻參考文獻 .3434 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁11 緒論太陽能（Solar Energy） ，一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能進一步發(fā)展。太陽能的利用有被動式利用（光熱轉換）和光電轉換兩種方式。太陽能發(fā)電一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風能，化學能，水的勢能等等。太陽能能源是來自地球外部天體的能源（主要是太陽能）人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。正是各種

8、植物通過光合作用把太陽能轉變成化學能在植物體內(nèi)貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的。它們實質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風能、等也都是由太陽能轉換來的。 地球本身蘊藏的能量 通常指與地球內(nèi)部的熱能有關的能源和與原子核反應有關的能源。 原子核反應有關的能源正是核能。原子核的結構發(fā)生變化時能釋放出大量的能量，稱為原子核能，簡稱核能，俗稱原子能。它則來自于地殼中儲存的鈾、钚等發(fā)生裂變反應時的核裂變能資源，以及海洋中貯藏的氘、氚、鋰等發(fā)生聚變反應時的核聚變能資源。這些物質(zhì)在發(fā)生原子核反應時釋放出能量。目前核能最大的用途是發(fā)電。此外，還

9、可以用作其它類型的動力源、熱源等。 全世界的潮汐能折合成煤約為每年 30 億噸，而實際可用的只是淺海區(qū)那一部分，每年約可折合為 6000 萬噸煤。 太陽能利用基本方式可以分為如下 4 大類。 太陽能是氫原子核在超高溫時聚變釋放的巨大能量，太陽能是人類能源的寶庫，如化石能源、地球上的風能、生物質(zhì)能都來源于太陽。太陽能的利用 間接利用太陽能：化石能源（光能-化學能）生物質(zhì)能（光能-化學能） 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁2直接利用太陽能：集熱器（有平板型集熱器、聚光式集熱器） （光能-內(nèi)能）太陽能電池：（光能-電能）一般應用在人造衛(wèi)星、宇宙飛船、打火機、手表等方面。 中材聯(lián)建建材技術研究中心

10、是中國民用太陽能發(fā)電的首家科研單位，該單位已經(jīng)掌握了太陽能發(fā)電的核心技術，愛迪陽光萬用太陽能是其最新研發(fā)的節(jié)能型產(chǎn)品。據(jù)有關部門統(tǒng)計表面，太陽能的利用還不是很普及，利用太陽能發(fā)電還存在成本高、轉換效率低的問題，但是太陽能電池在為人造衛(wèi)星提供能源方面得到了應用。太陽能是太陽內(nèi)部或者表面的黑子連續(xù)不斷的核聚變反應過程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為 1369w/。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達 173000TW。在海平面上的標準峰值強度為 1kw/m2，地球表面某一點 24h 的年平均輻射強度為 0.20kw/，相當于有102000TW 的能量，人類依賴

11、這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外） ，雖然太陽能資源總量相當于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。 盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的二十二億分之一，但已高達 173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于 500 萬噸煤，每秒照射到地球的能量則為 49940000000 焦。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、

12、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。 太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁3太陽能分類太陽能光伏光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導體物料（例如硅）制成的固體光伏電池組成。由于沒有活動的部分，故可以長時間操作而不會導致任何損耗。簡單的光伏電池可為手表以及計算機提供能源，較復雜的光伏系統(tǒng)可

13、為房屋提供照明，并入電網(wǎng)供電。光伏板 組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產(chǎn)生更多電能。近年，天臺及建筑物表面均可使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光伏設施通常被稱為附設于建筑物的光伏系統(tǒng)。 據(jù)調(diào)研顯示由于產(chǎn)能過剩導致全球 5 大制造商利潤縮水，2012 年光伏組件安裝量將有所減少，這是 10 余年來首次出現(xiàn)下降。據(jù)彭博 6 位分析師的平均預測全球家庭與商業(yè)機構將安裝 24.8GW 的光伏組件。這相當于約 20 座核反應堆的發(fā)電量，但與去年新增 27.7GW 的光伏裝機量相比下降 10%。據(jù)彭博新能源財經(jīng)估計，自 1999 年以來年均安裝量已增長 61%。 據(jù)彭博

14、新能源財經(jīng)預計，今年光伏組件產(chǎn)能將躍居 38GW，比需求量平均預測高出 53 個百分點。這家位于倫敦的研究機構預計今年安裝量將下滑至 24.6GW。 產(chǎn)能過剩使最大的光伏制造商擁有高達 30%利潤率的日子消失殆盡。天合光能 2月 23 日表示其 2011 年四季度毛利率為 7.1%，較一年前下跌 31%。尚德也表示其四季度毛利率已從 17%跌至 9.9%。 今年中國光伏裝機量有望實現(xiàn)翻番，并消化富余產(chǎn)量。尚德與天合光能 1 月表示，今年中國將新增 4 至 5GW 的裝機量，而 2011 年為 2.2GW。 中國第三大組件制造商天合光能預計今年出貨量將增至 2.1GW，漲幅達 39%。英利綠色能

15、源控股有限公司預計今年出貨量將高達 2.5GW，較 2011 年增長 56%。尚德電力昨日表示，出貨量可能將達到 2.5GW，漲幅達 19%。 太陽熱能現(xiàn)代的太陽熱能科技將陽光聚合，并運用其能量產(chǎn)生熱水、蒸氣和電力。除了運用適當?shù)目萍紒硎占柲芡猓ㄖ镆嗫衫锰柕墓夂蜔崮?，方法是在設計時加入合適的裝備，例如巨型的向南窗戶或使用能吸收及慢慢釋放太陽熱力的建筑材料。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁4本畢業(yè)設計課題的主要目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論、專業(yè)知識和專業(yè)基本技能分析和解決實際問題，訓練初步工程設計的能力。根據(jù)機械設計、制造及其自動化專業(yè)的特點，著重地培養(yǎng)以下幾方面能力：

16、1調(diào)查研究、中外文獻檢索、閱讀與翻譯的能力；2綜合運用基礎理論、專業(yè)理論和知識分析解決實際問題的能力；3查閱和使用專業(yè)設計手冊的能力；4設計、計算與繪圖的能力，包括使用計算機進行繪圖的能力；5撰寫設計說明書（論文）的能力。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁52 總體方案設計2.1 總體設計的思路在確定太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置設計方案前，必須對太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置設計基本步驟及其基本原則，使設計的方案更合理設計太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置大體上可分為兩個階段： 一、系統(tǒng)分析階段 1、根據(jù)系統(tǒng)的目標，明確所采用太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置的目的和任務。 2、分析太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置所

17、在系統(tǒng)的工作環(huán)境。 3、根據(jù)太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置的工作要求，確定太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置的基本功能和方案。如太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置的自由度、所能承載的重量、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應性。 二、技術設計階段 1、根據(jù)系統(tǒng)的要求選擇太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置的結構形式 2、擬訂太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置的作業(yè)方式。3、確定驅動系統(tǒng)的類型。 4、計算動力元件的功率及校核受力件的承載能力。 5、選擇個部件的具體集體夠，進行太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置總裝圖的設計。 6、繪制太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置的零件圖，并確定尺寸。2.2 總體設計方案的采用在太陽能產(chǎn)業(yè)上，二維跟蹤裝置

18、有著獨到的作用，本文主要針對太陽能產(chǎn)業(yè)太陽能電池板的太陽能追蹤設計了二維跟蹤裝置，實現(xiàn)跟蹤的自動化。增加了太陽能利用率。 該太陽能產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)二維跟蹤裝置實現(xiàn)了自動追蹤、復位等功能并實現(xiàn)了高效率太陽能轉化的目的。為了現(xiàn)實這些動作，采用部件設計，分別實現(xiàn)這些動作?？刂葡到y(tǒng) 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁6把各個部件的獨立運動協(xié)調(diào)起來，形成了一個有規(guī)則運動系統(tǒng)。各個部件的聯(lián)接，先造出一個合格的機械本體，把各個部件安裝在機械本體上，形成一個機器。項目分析方案如下：由于設計目標是太陽能光線垂直度大于 80% ，也就是說天陽能電池板極限位置和太陽能光線角度大于 72電池板面積確定：按 100W 板 1

19、.33*0.55 的尺寸 1KW=7.315 平方米按 200W 板 1.58*0.80 的尺寸 1KW=6.3832 平方米。這個還是跟天氣相關的，下表為鄭州氣候情況：降雨日平均每月 5 天，降雨率為 16%，平均日照強度為 150Wm2(瓦每平方米)本設計中選用 8 平方米綜合考量跟蹤裝置后設計面板尺寸為 2 米*4 米雙搖桿尺寸為 2.5 米，擺桿支點距離為 4.5 米，模擬發(fā)現(xiàn)極限位置與太陽能光線夾角為 77，大于設計要求的 72，故方案可行。方案圖形如下： 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁7 圖 1、機構方案具體機構如下：圖 2、具體機構設計 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁

20、83 3 傳動機構設計傳動機構設計3.1 電機的計算與選型步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上 步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好 步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)

21、知識。 感應子式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。 （必須采用雙極電壓驅動） ，而反應式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為 C=,D=.一個二相電機的內(nèi)部繞組與四

22、相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相） ，這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動, 這種裝置就是步進電機驅動器, 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號,加以放大以驅動步進電機。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁9典型的步進電機驅動控制系統(tǒng)主要由三部分組成： 1. 步進控制器，由單片機實現(xiàn)。 2驅動器，把單片機輸出的脈

23、沖加以放大，以驅動步進電機。 3步進電機。 現(xiàn)以三相六拍為例： 步 序 控 制 位 C B A 控制模型 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A 1 1 1 1 1 0 0 1 F9H AB 1 1 1 1 1 0 1 1 FBH B 1 1 1 1 1 0 1 0 FAH BC 1 1 1 1 1 1 1 0 FEH C 1 1 1 1 1 1 0 0 FCH CA 1 1 1 1 1 1 0 1 FDH 以上為步進電機正轉時的控制順序及數(shù)學模型。因此，步進驅動控制器實際上就是按上述的控制方式所規(guī)定的順序送脈沖序列，即可實現(xiàn)驅動步進電機三相六拍方式的轉動。輸入順序脈沖序列的速率就

24、是步進電機的速率。使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)功率放大是驅動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流） 。平均電流越大電激勵矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，到目前為止，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數(shù)等。感應子式步進電機：1、特點： 感應子式與傳統(tǒng)的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因

25、永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應子式某種程度上可以看作是低速同步的電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。 （必須采用雙極電壓驅動） ，而反應式電機則不能如此。例如：四相，八相運 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁10行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=. 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相） ，這樣使用時，既

26、可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 2、分類 感應子式電機以相數(shù)可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG 為感應子式步進電機代號） 、57BYG、86BYG、110BYG、 （國際標準） ，而像 70BYG、90BYG、130BYG 等均為國內(nèi)標準。 3、步進電機的靜態(tài)指標術語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、S 磁場的激磁線圈對數(shù)。常用 m 表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)用 n 表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方

27、式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用 表示。=360 度（轉子齒數(shù) J*運行拍數(shù)） ，以常規(guī)二、四相，轉子齒為 50 齒電機為例。四拍運行時步距角為 =360 度/（50*4）=1.8 度（俗稱整步） ，八拍運行時步距角為 =360 度/（50*8）=0.9 度（俗稱半步） 。 定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安

28、匝數(shù)成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 4、動態(tài)指標及術語： 1、步距角精度： 步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在 5%之內(nèi)，八拍運行時應在 15%以內(nèi)。 2、失步： 電機運轉時運轉的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 3、失調(diào)角： 轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁114、最大空載起動頻率： 電機在某種驅動形式、電

29、壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 5、最大空載的運行頻率： 電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。 6、運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如下圖所示： 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流） ，平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。 如下圖所示： 其中，曲線 3 電流最大、或電壓最高;曲線 1 電流最小、或電

30、壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。 要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。 7、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應子式的共振區(qū)一般在 180-250pps 之間（步距角 1.8 度）或在 400pps 左右（步距角為 0.9 度） ，電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。 8、電機正反轉控制： 當電機繞組通電時序為 AB-BC-CD-DA 或()時為正轉，通電時序為 DA-CD-BC-AB 或()時為反轉。（一） 等效

31、轉動慣量計算計算簡圖見圖 1-3。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下2()Jkg cm式進行計算：201122()()2MSLzGJJJJJzg式中 步進電機轉子轉動慣量；J2()kg cm ，傳動滾軸的轉動慣量；1J2J2()kg cm 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁12 3421110.78 100.0028JdLkg cm 3422220.78 100.021JdLkg cm 3420.78 101450.035sJkg cm 98GN代入上式：201122()()2MSLzGJJJJJzg =20.048kg cm 考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。 /0.024MJJ

32、滿足慣量匹配的要求。（二） 電機力矩的計算二維跟蹤裝置在不同的工況下，所需轉動力矩不同，下面分別按各階段進行計算。1、 起動力矩M起在起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下： max0afMMMM起 22maxmaxmax2101060602aaannMJJJtt maxmax0360bpVn上式中傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉動慣量J2()kg cm 電機最大角加速度2(/)rad s 電機最大轉速maxn( /min)r 運動部件最大快進速度maxV(/min)mm 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁13 脈沖當量（）p/mm 步 步進電機步距角b( )o 運動部件從停止起動

33、加速到最大速度所需時間at ( ) s maxmax0360bpVn180001.57500( /min)0.01360r起動加速時間60atms 22maxmaxmax2101060602aaannMJJJtt9.675Ncm摩擦力矩()fMNcm 002fF LMi上式中導軌的摩擦力0F ()N /012Ff G 導軌摩擦系數(shù)/, f f 運動部件總重量G ()N 傳動鏈總效率，一般取 0.7 0.85/012Ff G7.34N折算到電機上的摩擦力矩()fMNcm 002fF LMi0.32Ncm附加摩擦力矩0M 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁1420000(1)2PF LMi式 2

34、0000(1)2PF LMi 0202113(1)2mFlzz 0.026Ncm折算到電機軸上的軸向負載力矩tM =002ttFlMiNcm上述三項合計： max0afMMMM起 10.27Ncm2、回位所需力矩M回 0fMMM回 0.76Ncm 從上面計算可以看出，兩種工況下，以快速起動所需力矩最大，以M起M回此項作為初選步進電機的依據(jù)。 從數(shù)控機械課程設計指導書表 4-24 查出，當步進電機為三相六拍時 max0.831qjMM最大靜力矩=maxjM10.27Ncm設計所選電機為 100W,以太陽能光伏發(fā)電為負載驅動后，發(fā)電機在太陽強度 150W/M2(鄭州平均日照水平)正常情況下，仍然可

35、以提供 1KW 以上的功率輸出，符合設計要求。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁153.2 減速齒輪的設計計算1）材料及熱處理；選擇小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。2）精度等級選用 7 級精度；3）試選小齒輪齒數(shù) z120，大齒輪齒數(shù) z2680 的；4）選取螺旋角。初選螺旋角 14因為低速級的載荷大于高速級的載荷，所以通過低速級的數(shù)據(jù)進行計算按式（1021）試算，即 dt 3212HEHdtZZuuTK5）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值（1） 試選 Kt1.6（2） 選取區(qū)域系數(shù) ZH2

36、.433（3） 選取尺寬系數(shù) d1（4） 查得 10.75，20.87，則 121.62（5） 查得材料的彈性影響系數(shù) ZE189.8Mpa（6） 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 Hlim1600MPa；大齒輪的解除疲勞強度極限 Hlim2550MPa；（7） 計算應力循環(huán)次數(shù)N160n1jLh601921（283005）3.3210e8 N2N1/56.64107（8） 查得接觸疲勞壽命系數(shù) KHN10.95；KHN20.98（9） 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1，安全系數(shù) S1，由式（1012）得 H10.95600MPa570MPa H20.98550MPa539MPa

37、HH1H2/2554.5MPa 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁166）計算（1）試算小齒輪分度圓直徑 d1td1t 32112HEHdtZZuuTK=67.853235 .5548 .189433. 25662. 11101911.62（2）計算圓周速度v=0.68m/s10006021ndt10006085192.67（3）計算齒寬 b 及模數(shù) mntb=dd1t=167.85mm=67.85mmmnt=3.3911coszdt2014cos85.67。h=2.25mnt=2.253.39mm=7.63mmb/h=67.85/7.63=8.89（4）計算縱向重合度 =0.3181tan

38、14 =1.59tan318. 01z。（5）計算載荷系數(shù) K 已知載荷平穩(wěn)，所以取 KA=1根據(jù) v=0.68m/s,7 級精度，由圖 108 查得動載系數(shù) KV=1.11；由表 104 查的 KH 的計算公式和直齒輪的相同，故 KH=1.12+0.18(1+0.61 )11 +0.231067.85=1.42223查得 KF=1.36查得 KH=KH=1.4。故載荷系數(shù) 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁17 K=KAKVKHKH=11.031.41.42=2.05（6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式得 d1=mm=73.6mm31/ttKKd36 . 1/05. 285.6

39、7（7）計算模數(shù) mn mn =mm=3.7411coszd20cos146 .73。2齒根彎曲強度設計由式(1017) mn 3212cos2FSaFadYYzKTY1）確定計算參數(shù)（1）計算載荷系數(shù)K=KAKVKFKF=11.031.41.36=1.96（2）根據(jù)縱向重合度 =0.318dz1tan=1.59，查得螺旋角影響系數(shù) Y0。88（3）計算當量齒數(shù)z1=z1/cos =20/cos 14 =21.8933。 z2=z2/cos =100/cos 14 =109.4733。（4）查取齒型系數(shù)查得 YFa1=2.724；Yfa2=2.172（5）查取應力校正系數(shù)查得 Ysa1=1.5

40、69；Ysa2=1.798 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁18（6）計算FF1=500MpaF2=380MPaKFN1=0.95KFN2=0.98F1=339.29MpaF2=266MPa（7）計算大、小齒輪的并加以比較 FSaFaYY=0.0126 111FSaFaYY29.339569. 174. 2=0.01468 222FSaFaYY266798. 1172. 2 大齒輪的數(shù)值大。2）設計計算mn=2.432201468. 062. 120119188. 014cos96. 12mn=2.53.3 接近開關的選型本設計中要求二維跟蹤裝置在太陽下山后，進行系統(tǒng)恢復初始位置，所以需要

41、一個接近開關作為信號。電感式接近開關由三大部分組成：振蕩器、開關電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場。當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉換成開關信號，觸發(fā)驅動控制器件，從而達到非接觸式之檢測目的 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁19接近傳感器可以在不與目標物實際接觸的情況下檢測靠近傳感器的金屬目標物。根據(jù)操作原理，接近傳感器大致可以分為以下三類：利用電磁感應的高頻振蕩型，使用磁鐵的磁力型和利用電容變化的電容型。（一） 高頻振蕩型接近傳感器的工作原理電感式接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放

42、大、觸發(fā)及輸出電路等組成。振蕩器在傳感器檢測面產(chǎn)生一個交變電磁場，當金屬物體接近傳感器檢測面時，金屬中產(chǎn)生的渦流吸收了振蕩器的能量，使振蕩減弱以至停振。振蕩器的振蕩及停振這二種狀態(tài)，轉換為電信號通過整形放大轉換成二進制的開關信號，經(jīng)功率放大后輸出。下面為詳細介紹：1、通用型接近傳感器的工作原理目標物高頻磁場振幅檢測電路輸出電路CL圖 41振蕩電路中的線圈 L（如圖 41）產(chǎn)生一個高頻磁場。當目標物接近磁場時，由于電磁感應在目標物中產(chǎn)生一個感應電流（渦電流） 。隨著目標物接近傳感器，感應電流增強，引起振蕩電路中的負載加大。然后，振蕩減弱直至停止。傳感器利用振幅檢測電路檢測到振蕩狀態(tài)的變化，并輸出

43、檢測信號。振幅變化的程度隨目標物金屬種類的不同而不同，因此檢測距離也隨目標物金屬的種類不同而不同。2、 所有金屬型傳感器的工作原理所有金屬型傳感器基本上屬于高頻振蕩型。和普通型一樣，它也有一個振蕩電路，電路中因感應電流在目標物內(nèi)流動引起的能量損失影響到振蕩頻率。目標物接近傳感器時，不論目標物金屬種類如何，振蕩頻率都會提高。傳感器檢測到這個變化并輸出檢測信號。3、 有色金屬型傳感器工作原理 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁20有色金屬傳感器基本上屬于高頻振蕩型。它有一個振蕩電路，電路中因感應電流在目標物內(nèi)流動引起的能量損失影響到振蕩頻率的變化。當鋁或銅之類的有色金屬目標物接近傳感器時，振蕩頻

44、率增高；當鐵一類的黑色金屬目標物接近傳感器時，振蕩頻率降低。如果振蕩頻率高于參考頻率，傳感器輸出信號。（二） 主要技術參數(shù)目前市場上的主要產(chǎn)品有以下幾中： 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁21在本設計中我們選用 XL-LJM8 短圓圓柱電感式接近開關。3.4 電池組板框架結構設計太陽能電池框架結構設計，太陽能電池板重量較輕，結果規(guī)則，本設計采用扁鋼焊接成電池板框架，將太陽能電池板有規(guī)律的安裝在框架上，進行并聯(lián)連接。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁22具體方案連接方式如下：3.5 俯仰角的跟蹤本設計中俯仰角的跟蹤由太陽光傳感器為信號采集器，通過 PLC 控制步進電機，確保二維跟蹤裝置太

45、陽能面板和太陽光線垂直。太陽光傳感器有如下特性：1. 太陽傳感器。它可識別水平，垂直各 360 度。太陽所在的位置，識別，陰天，多云天，半陰天，晴天及晚上白天。跟蹤方位識別。 2. 識別電路處理和侍服驅動。采用數(shù)字芯片完成以上各信息的處理?？墒谭鞣N普通電機，步進電機。整機功耗電流 3mA，芯片工作電壓 5V。 國際先進的太陽跟蹤設備，采用的是電腦數(shù)據(jù)理論，需要地球經(jīng)緯度地區(qū)的的數(shù)據(jù)和設定。 3. 電路原理、設備技術復雜。智能太陽跟蹤儀采用識別理論技術，電路簡單元件少，沒有經(jīng)緯度和數(shù)據(jù)信息的理論。一年四季太陽運行的路線不用考慮。太陽從哪個方向升起，到哪個方向落下，它都會準確無誤的識別太陽升起和

46、落下的位置。如果把他安放在行走的車或船上，不論向何方行駛，跟蹤儀都能正對太陽。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁23 4 二維跟蹤裝置構主要零部件的校核4.1 軸承的選取及校核4.1.1 軸承的軸向固定為了使軸和軸上零件在及其中有確定的位置，以防止軸系的軸向竄動，軸承必須作軸向固定，同時還應從結構上保證在工作溫度變化時軸系能自由伸縮，以免軸承承受過大的附加載荷或被卡死。常見的軸向固定方式方式有兩種28。1）兩端單向固定這種軸承利用軸肩頂住軸承內(nèi)圈、軸承蓋頂住軸承外圈，每個支承各限制軸系單方向軸向移動，兩個支撐組合使軸系位置固定。為補償軸的受熱伸長，在一端軸承蓋與外圈端面之間應留有熱補償間隙

47、 0.25-0.4mm。熱補償間隙值可在裝配時通過增減軸承蓋與箱體間調(diào)整墊片的厚度來獲得。這種形式結構簡單，安裝方便，但僅適用于跨距較小、溫度變化不大的軸。2）一端雙向固定，一端游動這種軸承采用深溝球軸承，左端軸承為固定支撐，其內(nèi)外圈均作雙向固定，可承受雙向軸向載荷；右端軸承為游動支撐，其內(nèi)圈作雙向固定，外圈與軸承蓋之間留有適當間隙，外圈兩側均未固定，其外徑與座孔為間隙配合，軸承可在座孔中軸向移動，當溫度變化時軸可以自由伸縮。顯然，游動支撐不能承受并傳遞軸向載荷。這種結構形式適于溫度變化較大的長軸。不論采用那種固定方式，軸承組合的固定都是根據(jù)具體情況通過軸承內(nèi)圈與軸、外圈與軸承座孔的軸向固定方

48、式來實現(xiàn)的。內(nèi)圈與軸的軸向固定其原則及方法均與一般軸系零件相同；外圈與軸承座孔的軸向固定可利用軸承蓋?？子脧椥該跞Α⑤S承座空的凸肩、套筒的凸肩以及他們的組合來實現(xiàn)，具體選擇時要考慮軸向載荷的大小和方向、轉速高低、軸承的類型及支撐的固定形式等情況。3）兩端游動支承 對于一對人字齒輪軸，由于人字齒輪本身的相互軸向陽位作用，它們的軸承內(nèi)外圈的軸向緊固應設計成只保證其中一根軸相對機座有固定的軸向位置，而另一根軸上的兩個軸承都必須是游動的，以防止齒輪卡死或人字齒的兩側受力不均勻。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁24軸承游隙及軸上零件位置的調(diào)整 。圓錐齒輪或蝸桿在裝配時；通常需要進行軸向位置的調(diào)整。

49、為了便于調(diào)整，可將確定其軸向位置的軸承裝在一個套杯中，套杯則裝在外殼孔中。通過增減套杯端面與外殼之間墊片的厚度，即可調(diào)整圓錐齒輪或蝸桿的軸向位置。4.1.2 軸承組合的調(diào)整1）軸承間隙的調(diào)整為確保軸承正常運轉，一般要留有適當?shù)妮S承間隙。裝配時常用兩種方法調(diào)整軸承間隙：一種是靠增減調(diào)整墊片厚度調(diào)整軸承間隙；另一種是利用調(diào)整螺釘通過軸承外圈壓蓋 2 來移動軸承外圈的位置以調(diào)整軸承間隙，調(diào)整之后，用螺母鎖緊防松。2）軸系軸向位置的調(diào)整調(diào)整軸系軸向位置的目的是保證軸上某些零件獲得準確的工作位置。要求兩分度圓錐頂重合才能保證其正確嚙合。軸承的預緊是指其軸向預緊。對某些可調(diào)游隙式軸承在安裝時給予一定的軸向

50、預緊力。使內(nèi)外圈產(chǎn)生相對位移，消除軸承游隙，并在套圈和滾動體接觸處產(chǎn)生一定的彈性預變形，借此提高軸的旋轉精度和軸承組合的剛性，減少振動和噪聲。預緊力可以利用在軸承外圈之間加金屬墊片或將外圈磨窄等方法獲得。軸承的配合是指內(nèi)圈與軸頸、外圈與軸承座孔的配合。由于軸承是標準件，故規(guī)定軸承內(nèi)圈與軸頸的配合取基孔制。外圈與座孔的配合取基軸制。4.1.3 軸承的潤滑和密封軸承潤滑的主要目的是減少摩擦與磨損，同時也起冷卻、防銹、吸振和減少噪聲等作用。軸承中使用的潤滑劑主要是潤滑脂和潤滑油。4.1.4 軸上零件的周向定位凡是與軸一起傳遞轉矩的軸上零件均需與軸作周向固定。常用的周向固定方法有鍵連接、花鍵聯(lián)接、過盈

51、配合聯(lián)接和緊釘聯(lián)接等。選擇固定方式時應根據(jù)所傳遞的轉矩的大小和性質(zhì)、對中精度要求等因素來決定。1） ,選取鍵的長度為 180mm。軸深為 11mm。同時為了保證榨油裝置有良1832hb好的對中性。故選擇螺旋機構于軸之間的配合為 H7/h6。 2），選取鍵的長度為 70mm。軸深為 11mm。同時為了保證榨油裝置有良好1832hb的對中性。故選擇壓榨螺旋與軸之間的配合為 H7/h6。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁25同樣聯(lián)軸器與軸的聯(lián)接，選用平鍵為，選取平鍵長度為 72聯(lián)軸器1628hb與軸的配合為 H7/k6。滾動軸承與軸的周向定位是借過度配合來保證的此處選軸的尺寸公差分別為圓錐滾子軸

52、承 k6,圓柱滾子軸承 m6。3）確定軸上圓角和倒角尺寸，參考機械設計27表 15-2 選取倒角如圖 4-5，各個軸間的圓角如下圖，未注倒圓角一律 R2。本設計選用：3530 雙列向心球面滾子軸承軸承的校核1）徑向力5 .1682121VHrFFF1）派生力，NYFFrAdA7 .522NYFFrBdB7 .5222）軸向力由于，dAdBaFNFF7 .2757 .522231所以軸向力為，223aAF7 .52aBF3）當量載荷由于，eFFrAaA32. 1eFFrBaB31. 0所以，。4 . 0AX6 . 1AY1BX0BY由于為一般載荷，所以載荷系數(shù)為，故當量載荷為2 . 1pfNFY

53、FXfPaAArAApA04.509)(22.202)(aBBrBBpBFYFXfP4）軸承壽命的校核hhPCrnLAh240001098. 3)(6010716 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁264.2 軸的設計及校核軸的受力分析及校核：(1) 求軸的扭矩mmNmNnPT.67655.655.67200417. 195509550(2) 求齒輪上的作用力圓周力 NdTFt1 .14955 .906765522徑向力 NaFFntr1 .566125915cos20tan1 .1495costan, ,軸向力 NFFtx3 .428125915tan1 .1495tan, ,(3) 繪水

54、平方向的彎矩圖支反力 NRAH3 .11212001501 .1495 NRBH8 .373200501 .1495D 截面的彎矩 mmNlRMAHDH.56065503 .1121.1)1(mmNlRMBHDH.560701508 .3732)2(水平彎矩圖見(d)（4）繪垂直方向的彎矩圖支反力 NRAV7 .32720025 .903 .4281501 .566 NRBV4 .23820025 .903 .428501 .566 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁27D 截面的彎矩 mmNlRMAVDV.16385507 .327.1)1( mmNlRMBVDV.357601504 .2

55、38.2)2(垂直彎矩圖見(f)(5)繪合成彎矩圖D 截面的合成彎矩 NMMMDVDHD2 .58410163855606522)1(2)1(21 NMMMDVDHD8 .66502357605607022)2(2)2(22 (6) 合成彎矩圖見(g)(7) 繪扭矩圖 扭矩圖見圖(h) (8)繪當量彎矩圖 已知MPaob600,MPab2751,則應力系數(shù)為 46. 06002751obb D 截面的當量轉矩：mmNT.3 .311216765546. 0 D 截面左右兩個截面的當量彎矩： mmNTMMD.7 .661833 .311212 .58410222211）（ mmNTMMD.5 .

56、734243 .311218 .66502)(222222 當量彎矩圖見(i) (9) 校核 D 截面的軸徑mmmmMdb254 .132751 . 07 .661831 . 033111 mmmmMdb2587.132751 . 05 .734241 . 033122 故該軸合格。 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁28因軸 II 和 III 所受的扭矩小于軸 I，故兩軸也滿足要求。（b）軸的受力圖（c）水平方向受力圖（d）水平方向的彎矩圖（e）垂直方向的受力圖（f）垂直方向的彎矩圖（g）合成彎矩圖 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁29（h）扭矩圖（i）當量彎矩圖4.3 齒輪的校核設計

57、中減速增扭機構采用行星齒輪減速器，行星齒輪減速器具有，結構緊湊，重量輕，傳動比較大的特點，下面對傳動機構齒輪進行驗算，驗算齒輪強度，應選擇相同模數(shù)承受載荷最大的齒數(shù)最小的齒輪，進行接觸應力和彎曲應力驗算。一般對高速傳動的齒輪驗算齒面接觸應力，對低速傳動的齒輪驗算齒根彎曲應力。對硬齒面、軟齒芯滲碳淬火的齒輪，一定要驗算齒根彎曲應力。 接觸應力的驗算公式為（MPa）123j12081SjuK K K K K NZmuBn j彎曲應力的驗算公式為 5123w22081 10()SwjK K K K NMPaZm BYn 式中 N-齒輪傳遞功率（KW） ，N=；dN -電動機額定功率（KW） ；dN -從電動機到所計算的齒輪的機械效率； 黃河科技學院畢業(yè)設計 說明書 第 頁30 -齒輪計算轉速（r/min）;jn m-初算的齒輪模數(shù)（mm）; B-齒寬（mm） Z-小齒輪齒數(shù)； u-大齒輪與小齒輪齒數(shù)之比，u1， “+”號用于外嚙合， “-”號用于內(nèi)嚙合； -壽命系數(shù)：SKSTnNQKK K K K-工作期限系數(shù)：TK160TOnTKmCT-齒輪在機器工作期限（）內(nèi)的總工作時間（h） ，對于中型機器的齒輪取ST=1