畢業(yè)設(shè)計（論文）-微摩擦測試儀機械裝置設(shè)計

[27]QUOTE(4.9)式中:JM—浙合到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)ωm—電動機的角速度(rad/s);n?！妱訖C轉(zhuǎn)速(r/min);t。—加速時間(s).5.啟動時電動機的負載轉(zhuǎn)矩計算啟動轉(zhuǎn)矩包括電機的慣性力矩、軸承摩擦力矩及摩擦頭的摩擦力矩。所以T啟動=TG+T軸承+T摩擦頭=20+6.54+25=51.54N·mm<T額定=200N·mm滿足要求。電動機的調(diào)速一、直流電機調(diào)速系統(tǒng)方案的簡介直流電機的轉(zhuǎn)速公式為:QUOTE(4.10)式中:U—加在電樞電路上的電壓;R—電動機電樞電路總電阻;Ф—電動機磁通;Ce—電動勢常數(shù);CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù);T—電動機轉(zhuǎn)矩。該公式也可以是直流電動機的調(diào)速公式，改變加在電動機電樞回路的電阻R，外加電壓U或磁通中，都可以改變電動機的機械特性，從而對電動機進行調(diào)速.1，改變電樞電路電阻調(diào)速從式子(4.10)可知，當(dāng)電樞電路串聯(lián)附加電阻R時，見圖4.3,其機械特性方程式變?yōu)镼UOTE(4.11)式中:R0—電動機電樞電阻;R—電樞電路外串附加電阻。即電動機電樞電路中，串聯(lián)電阻時特性的料率增加;在一定負載下，電動機的轉(zhuǎn)速增加;因而實際轉(zhuǎn)速降低了，如圖4.3所示。R1＜R2＜R3＜R4nT1R1R2R3R4T圖4.32.改變磁通調(diào)速在電動機勵磁電路中，改變其串聯(lián)電阻的大小，見圖4.4a，或采用專門的勵磁調(diào)節(jié)器來控制勵磁電壓，見圖4.4b，都可以改變勵磁電流和磁通.ФEVU1VCab圖4.4直流電機改變勵磁的調(diào)速簡圖a)勵磁電路串聯(lián)電阻調(diào)速b)用放大器控制勵磁電壓調(diào)速此時，電動機的電樞電壓通常為恒定值，而且不串附加電阻，因為QUOTE(5.12)所以，理想空載轉(zhuǎn)速與磁通成反比，即減弱磁通時，理想空載轉(zhuǎn)速增加，機械特性抖率與磁通平方成正比，即隨著磁通減弱，抖率急劇增加，此時轉(zhuǎn)矩和電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖4.5所示。

n0Ф2Ф2n0Ф1Ф121n0ФN21ФN33T2T1TNTb)圖4.5調(diào)速時的n=f(T)與n=f()曲線a)n=f(T)曲線b)n=f()曲線在調(diào)速過程中，為使電動機容量得到充分利用，應(yīng)該使電樞電流一直保持在額定電流IN，如圖4.5中，垂直虛線，此時磁通與轉(zhuǎn)速雙曲線關(guān)系，如圖4.5a中用曲線表示的雙曲線.在曲線的左邊各點工作時，電動機負載不足，容量沒有得到充足牙l!用;在曲線右邊個點工作時，電動機過載不能長期運行。因此，改變磁通調(diào)速適合于功率負載，實現(xiàn)恒功率調(diào)速。3.改變電樞電壓調(diào)速當(dāng)改變電樞電壓U時，理想空載轉(zhuǎn)速n也將改變，而機械特性的料率不變，此時機械特性方程式為QUOTE(5.13)其特性曲線是一組以U為參數(shù)的平行線，如圖4.6所示。由此可見，在整個調(diào)速范圍內(nèi)均有較大的硬度，在允許的轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，可以獲得較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速.這種調(diào)速方法的調(diào)速范圍較寬，一般可達10～12。如采用閉環(huán)控制，調(diào)速范圍可達幾百至幾千.改變電樞電壓調(diào)速方式屬于n恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，并在空載或負載轉(zhuǎn)T1矩變化時也能得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，UN通過電壓正反方向變化，使電動U1機能平滑地運動和工作在四個U2象限，能實現(xiàn)回饋制動，而且控U3制功率小，效率高，配上各種調(diào)節(jié)器可組成指標(biāo)較高的調(diào)速系0T統(tǒng)，因此在工業(yè)中得到廣泛地應(yīng)用圖4.6直流電動機調(diào)壓調(diào)速的機械特性改變電動機的電樞電壓，需要有可變電壓源，一般采用的有直流發(fā)電機，晶閘管變流器，PWM變換器，直流斬波器等.二、直流電機調(diào)速系統(tǒng)方案的確定因為此儀器要求在一定范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以選用PWM直流伺服調(diào)速系統(tǒng)。PWM直流伺服調(diào)速系統(tǒng)的工作原理是年利用大功率開關(guān)管開關(guān)時間的控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的地方波電壓，加在直流電機的電樞兩端，通過對方波脈沖寬度的調(diào)整，即改變方波的“占空比”，來改變電樞上的平均電壓，已達到調(diào)速的目的。本文使用單片機的PWM直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應(yīng)用中效果良好。采用硬件電路實現(xiàn)直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)已在實踐中應(yīng)用多年，其硬件組成復(fù)雜，調(diào)整困難，缺乏控制的靈活性。本文使用單片機的PWM直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應(yīng)用中效果良好。本文的直流電機PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使用低價位的單片微機89C2051為核心，實現(xiàn)閉環(huán)控制，并可進行數(shù)字顯示和速度預(yù)置，使用方便。電機調(diào)速采用脈寬調(diào)制方式，與晶閘管調(diào)速相比技術(shù)先進，可減少對電源的污染。本調(diào)速系統(tǒng)已用于實際系統(tǒng)中，工作可靠，使用效果良好。主要有PWM信號發(fā)生、閉環(huán)調(diào)速微機控制、直流電機驅(qū)動等幾部分組成。1.PWM信號發(fā)生電路PWM波可由具有PWM輸出的單片機(如80C198等)通過編程產(chǎn)生，也可采用PWM專用芯片來實現(xiàn)。PWM波的頻率太高時，對直流電機驅(qū)動的功率管要求太高，太低時產(chǎn)生電磁噪聲較大。實踐應(yīng)用中PWM波的頻率在18kHz左右效果最好。經(jīng)綜合分析，本系統(tǒng)采用兩片4位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計數(shù)器4040組成了PWM信號發(fā)生電路。兩片比較器U3,U2的A組接4040計數(shù)輸出Q2～Q9端，B組接單片微機的P1端口。改變Pl端口的輸出值，可使PWM信號的占空比產(chǎn)生變化，進行調(diào)速控制.計數(shù)器4040的計數(shù)輸入端CLK接單片機ZO51晶振的振蕩輸出XTAL2。晶振選用18MHz時，經(jīng)QO～Q2的8分頻，Q2～Q9的256分頻，產(chǎn)生的PWM波形的頻率為17.6kHz，適合光藕及功率開關(guān)管的合理工作范圍。計數(shù)器4040每來8個脈沖，其輸出Q2～Q9加1，當(dāng)計數(shù)值小于或等于單片機P1端口輸出值X時，U2的(A>B)輸出端保持為低電平，當(dāng)計數(shù)值大于X時U2的((A>B)輸出端為高電平。隨著計數(shù)值的增加，Q2～Q9由全“1”變?yōu)槿?0”時，(A>B)輸出端又變?yōu)榈碗娖?，這樣，在U2的(A>B)端得到PWM的信號，其占空比為(255-X/255)x10001，改變X值可改變PWM信號的占空比，進行直流電機的轉(zhuǎn)速控制。使用此方法單片機只需根據(jù)調(diào)整量輸出X值，PWM信號由三片通用數(shù)字電路生成，使軟件大大簡化，有利于單片機系統(tǒng)正常工作。由于單片機上電復(fù)位時P1端口輸出全“1"，使用4585的B組與P1端口相連，升速時PO端口輸出X按一定規(guī)律減少，降速時按一定規(guī)律增大。2.單片微機閉環(huán)速度控制電路本系統(tǒng)的閉環(huán)控制選用低價位的單片機89C2051，與帶PWM輸出的80C552及SOC198相比，無需外擴EPROM，且價格低的多。2051單片機片內(nèi)有2K的flash程序存儲器，15個Ii0口，兩路16位的定時/計數(shù)器，指令及中斷系統(tǒng)與8031兼容，給閉環(huán)速度控制帶來很大的靈活性.閉環(huán)速度控制中測速傳感器選用磁敏電阻傳感器，測速盤固定在被測轉(zhuǎn)軸上，每轉(zhuǎn)1周輸出60個脈沖信號。轉(zhuǎn)速脈沖信號輸入到2051單片機的INTO中斷口P312端口上。軟件設(shè)置INTO為下降沿中斷，進入中斷服務(wù)程序后開啟定時/計數(shù)器0進行定時，測出每轉(zhuǎn)的周期，再由軟件計算出控制值X，由P1端口輸出PWM波占空比的控制數(shù).軟件中還可進行顯示線速度或角速度的轉(zhuǎn)換計算，由八位驅(qū)碼驅(qū)動器帶動LED數(shù)碼管進行顯示。預(yù)置速度由按健S1,S2輸入，進行“+’’、“-”控制，預(yù)置數(shù)也由LED數(shù)碼管顯示.顯示使用了高集成度的MAX7219串行LED顯示驅(qū)動器，帶動八位LED數(shù)碼管進行顯示，前四位顯示當(dāng)前運行速度，后四位顯示預(yù)置速度。MAX7219是24腳窄封裝芯片，串行口工作頻率最高1OMHz,八位LED顯示，通過對譯碼模式寄存編程，可控制各位顯示方式(BCD碼或非譯碼)，顯示是片內(nèi)動態(tài)掃描模式，通過一個電阻和編程可控制亮度，并可多個芯片串聯(lián)顯示多達64位共陰極LED數(shù)碼管。MAX7219的數(shù)據(jù)輸入端DIN、時鐘端CLK、數(shù)據(jù)鎖定端L分別與2051單片機的P3.0,P3.1,P3.5端口相接。改變電阻R6的阻值可調(diào)整顯示亮度，R6取值在3.9～10K幾之間。使用MAX7219不可減少硬件電路，由于是片內(nèi)動態(tài)掃描顯示，并可降低功耗和簡化軟件設(shè)計.2051單片微機的上電復(fù)位使用了MAX812電壓監(jiān)控器，上電時約有200ms的延遲，以保證復(fù)位正常進行。為了防止掉電后預(yù)置數(shù)丟失，使用了備用電池保護2051單片機片內(nèi)RAM數(shù)值.電源經(jīng)變壓整流后，一路經(jīng)DC-AC開關(guān)電源輸出5V直流電壓給單片機系統(tǒng)供電，一路經(jīng)三端穩(wěn)壓元件7812穩(wěn)壓輸出12V電壓供驅(qū)動大功率開關(guān)管使用。單片機系統(tǒng)電源與驅(qū)動電路部分電源隔離，以提高系統(tǒng)工作的可靠性和安全性.3.直流電機驅(qū)動系統(tǒng)電路U2生成的PWM信號經(jīng)施密特反相器U6-3驅(qū)動光電藕合器O1，送至直流電機驅(qū)動電路。大功率開關(guān)管選用N溝道VMOS功率場效應(yīng)管，它為壓控元件，具有很高的輸入阻杭，因而驅(qū)動功率很小，對驅(qū)動電路要求也較低。經(jīng)光電藕合器傳送的PWM信號，經(jīng)并聯(lián)使用的六施密特反相器，接到VMOS功率管Y1的柵極上，直接驅(qū)動即可。穩(wěn)壓管D4和電阻R8起保護作用。VMOS功率管的源極接直流電機繞組，經(jīng)感杭器接電機直流電源負端。漏極接電機直流電源正端?？焖訇P(guān)斷二極管D3起保護作用，消除VMOS功率管開關(guān)過程由電機繞組產(chǎn)生的感生電勢。電源是交流電壓經(jīng)C7,ZL,C8組成的濾波器后，由高壓橋整流器件Z2整流，高壓電解電容濾波后供VMOS功率管.VMOS功率管，快速關(guān)斷二極管及高壓電解電容器及整流橋等根據(jù)選用直流電機的電壓、功率等要求確定相應(yīng)型號和參數(shù)。本文所述的直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)以低價位單片微機89C2051為核心，PWM波的生成使用三片通用數(shù)字電路，顯示使用了高集成度的八位LED串行譯碼驅(qū)動器MAX7219，電機驅(qū)動使用VMOS場效應(yīng)管，反饋信號使用磁阻轉(zhuǎn)速傳感元件，實現(xiàn)了非接觸測量，使系統(tǒng)設(shè)計合理。使用單片機定時器對傳動軸的周期進行檢測，可由軟件計算出相應(yīng)的線速度或角轉(zhuǎn)速進行顯示，并可進行速度定量預(yù)置。軟件中可用PLD算法或查表的方法確定閉環(huán)控制的補償量。這些是由數(shù)字線路組成的直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)所不及的。以前有人使用單片機的定時/計數(shù)器直接生成PWM波，這樣使軟件頻繁工作在中斷服務(wù)程度中，整體效果不太好。使用少量硬件后單片機僅輸出X值，使軟件工作量大大減少，程序中有充足時間進行閉環(huán)控制的測控和計算，使程序設(shè)計和軟件運行合理可靠.小結(jié)轉(zhuǎn)動系統(tǒng)是微摩擦測試儀的主體，是測試儀的設(shè)計難點之一它包括了整個轉(zhuǎn)動裝置，以及使其轉(zhuǎn)動的電機驅(qū)動系統(tǒng).由于采用懸臂梁測量結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動裝置的軸向跳動量和徑向跳動量顯得尤為重要，它直接影響到測力傳感器的精度和穩(wěn)定性.轉(zhuǎn)動裝置還要考慮到振動因素，主體選用了整體式的殼體結(jié)構(gòu)。傳動選用皮帶傳動，減小電機的振動對主軸的影響.驅(qū)動電機選擇調(diào)速性能好的直流伺服電機.電機調(diào)速采用脈寬調(diào)制方式，與晶閘管調(diào)速相比技術(shù)先進，可減少對電源的污染.直流電機PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使用低價位的單片微機89C2051為核心，實現(xiàn)閉環(huán)控制，并可進行數(shù)字顯示和速度預(yù)置，使用方便。微摩擦測試儀要研究在不同轉(zhuǎn)速條件下的摩擦特性，良好的調(diào)速系統(tǒng)將有助于實驗研究。結(jié)論此微摩擦力測試儀是在查閱了大量的文獻資料的基礎(chǔ)上，通過對目前已經(jīng)研制出的一些結(jié)構(gòu)進行分析比較，而設(shè)計出來的。在微摩擦測力傳感器的設(shè)計上采用了平行板彈簧結(jié)構(gòu)，把施力與測力通過一個測力臂來完成，可同時測量正壓力和摩擦力.在主體結(jié)構(gòu)上，采用半封閉式結(jié)構(gòu)，使裝置簡潔化.在位置調(diào)整系統(tǒng)中，目前采用了手動調(diào)整方式，但不能做到很好的連續(xù)進給。今后在課題的深入開發(fā)過程中，可以采用伺服電機控制的自動連續(xù)進給方式.這樣一來，X,Y,Z實現(xiàn)自動控制，可以實現(xiàn)納米級微小切削。該測試儀不僅適用于摩擦系數(shù)的測量，而且還可用來進行摩擦與磨損試驗，也可實現(xiàn)微小切削.論文主要完成了以下主要工作及解決的問題:1.通過廣泛的調(diào)研和深入的討論，針對微小摩擦測試的特點、難點，確定了微小摩擦測試儀的總體設(shè)計方案.2.根據(jù)總體設(shè)計方案，對實驗儀的各部分進行了詳細分析，使機構(gòu)做到了小型化.3.在測力傳感器上采用了平行板彈簧結(jié)構(gòu)，使得摩擦頭在被施力的狀態(tài)下，保持和摩擦盤的接觸狀態(tài)不變。4.電機調(diào)速采用脈寬調(diào)制方式，使用低價位的單片微機89C2051為核心，實現(xiàn)閉環(huán)控制，并可進行數(shù)字顯示和速度預(yù)置，使用方便.脈寬調(diào)制方式與晶閘管調(diào)速相比技術(shù)先進，可減少對電源的污染。本調(diào)速系統(tǒng)工作可靠，使用效果良好。5.完成了測力傳感器的測試電路的設(shè)計，以及標(biāo)定工作，為實際測量做好準(zhǔn)備.目前，該測試儀的中體設(shè)計部分已經(jīng)全部完成，正處在不斷完善工程中。由于本課題涉及的內(nèi)容比較廣泛，加之本人的能力有限，該測試儀還存在許多需要完善的地方。比如，傳感器的測試電路的噪聲干擾問題、溫漂問題，進給裝置的自動控制的實現(xiàn)等問題，都有待于進一步的完善。致謝這篇論文是在導(dǎo)師劉文光碩士生導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題到課題的研究及最終論文的定稿都傾注了劉老師的大量心血和汗水。在將半年多的時間里，老師為我提供了良好的實驗條件和寬松自由的學(xué)術(shù)環(huán)境，使得論文得以順利地完成。劉老師淵博的學(xué)識，深入細致的思維方法，一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和實事求是的工作作風(fēng)是我受益匪淺。同時，劉老師飽滿的工作熱情和忘我的工作作風(fēng)、和藹可親的性格也深深的影響我。借此機會我向劉老師表示衷心地感謝!在將半年多的論文寫作學(xué)習(xí)期間，還得到了王佳瑩碩士、黃紅福碩士在科研上和生活上的大力支持。在此向他們表示誠摯的謝意!對研究生部的各位老師兩年以來在學(xué)習(xí)、工作和生活上的關(guān)心和幫助以誠摯的謝意，同時對關(guān)心和幫助我的各位同學(xué)深表謝意!參考文獻溫詩著,黃平主編.摩擦學(xué)原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002濮良貴,紀名剛主編.機械設(shè)計（第七版）[M].北京：高等教育出版社,2006孫桓,陳作模,葛文杰主編.機械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006楊捷斐.微動摩擦測試儀的研究設(shè)計[D].北京：北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008劉文廣,劉瑩,李小兵.微摩擦測試儀的研制[J].南昌大學(xué)學(xué)報（工科版），2004，26鄒繼斌，孫桂瑛，齊毓霖，等.微負荷摩擦測試系統(tǒng)[JJ.摩擦學(xué)學(xué)報，1998，18(4):369一372.DAVIDG.U.THEMECHANICALDESIGNPROCESS[M].NewYork:MCGRAW-HILL，INC,1992孟慶杰,于化東.微小摩擦力測試儀的研制與開發(fā)[D]長春理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002.11一2003.12NervanasatnvK.Measurementofwearinsmallboreswear.1978,49:247DemianT，PasluA.MeasuringoffrictiontotqueinverticalcenterbearingsPolandPlocof3”InterConf,Warsaw,Poland,198266~68HubelA.Wearofsmallbearingsmadeofplasticmaterial一testmethodandresultsPrroeof3”‘InterConf，warsaw，Poland,1981.137~140張寶銘，李勇。電刷摩擦系數(shù)測量。哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報。1995:105~108石來德，袁禮平