行星减速器机械效率测量仪设计本科毕业设计.docx

合肥工业大学本科毕业设计目 录中文摘要1英文摘要21 绪论32 设计方案52.1 设计要求52.2 设计方案53 部件的选择73.1 驱动电机的选择73.2 传感器的选择103.2.1 转矩测量基本原理103.2.2 转速测量基本原理113.2.3 行星减速器的机械效率113.2.4 相关计算123.2.5 传感器的主要特性133.2.6 安装要求133.3 高速区联轴器的选择153.4 行星减速器的选择163.5 制动负载的选择17结 论19致 谢20参考文献2121行星减速器机械效率测量仪设计摘要：行星减速器是有两个行星轮围绕一个太阳轮旋转结构的减速器，有着体积小，重量轻，承载能力高，运转平稳等优点。但当其在不同情况下使用时，机械效率会发生很大的变化。机械效率是行星减速器的一个重要参数，在其使用中需了解它的机械效率，这样可以避免一些能源的浪费。对行星减速器而言，机械效率的测试就是需要测量它的输入和输出端的扭矩和转速。我的整体设计采用直观的面向对象的设计方法，使用两个传感器去测量所需要测量的物理量。设计的仪器的组装需要保证所有部件的中心线在一条直线上，避免过大的同轴度。部分测试装置采用了现代化的仪器，实现了完整的测试功能。系统的构成不仅降低了设备的成本，而且提高了测试工作的自动化水平和可靠性。关键词：行星减速器 同轴度abstract: planetary reducer is two planets round the sun rotating around a round structure of the reducer, has small volume, light weight, high bearing capacity, smooth operation, etc. but when its use in different cases, mechanical efficiency will happen very big change. mechanical efficiency is one of the important parameters of planetary reducer , in its use should be understand its mechanical efficiency, this can avoid some a waste of energy. on a planetary reducer is concerned, mechanical efficiency test is the need to measure its input and the output torque and speed. my overall design by using object object-oriented design method, the use of two sensor to measure the need of physical measurement. the design of the instrument need to be sure that all parts of the assembly lines in a straight line, avoid excessive coaxial degrees. part of the test device adopts the modern equipment, realize the complete test function. the structure of the system not only reduce the cost of the equipment, and improve the level of automation testing and reliability. keyworks：planetary reducer the coaxial tolerance 1 绪论 减速器在我国的发展已有40年的历史，广泛应用于国民经济及国防工业的各个领域。从行业内企业的发展情况来看，近年来，民营企业发展速度很快。一些发展速度较快的民营企业，在完成了原始积累后，不断发展壮大，他们紧跟市场变化，及时调整产品结构，对产品质量的要求也不断提高，加工能力即技术水平提高很快，企业已开始向规范化、标准化方向发展。 减速器在各行各业中十分广泛地使用着，是一种不可或缺的机械装置。当前减速器普遍存在着体积大、重量的，或者传动比大而机械效率过低的问题。当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。国内的减速器的材料品质和工艺水平上还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。国内使用的大型减速器，多从国外进口。60年代开始生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大、体积小、机械效率高等优点。但受其传动的理论限制，不能传递过大的功率。由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递功率小、传动比小、体积大、重量大、机械效率低等基本要求。无论在减少体积、减轻重量、提高效率、改善工艺、延长使用寿命和提高承载能力以及降低成本等等方面，有所改进的话，都将会促进资源的节省。因此，除了不断改进材料品质、提高工艺水平外，还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新。减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式。行星减速器是一种用途广泛的工业产品，有着体积小、重量轻、承载能力高，使用寿命长、运转平稳，噪音低，具有功率分流、多齿啮合独用的特性。适用于起重运输、工程机械、冶金、矿山、石油化工、建筑机械、轻工纺织、医疗器械、仪器仪表、汽车、船舶、兵器和航空航天等工业部门。机械效率就是指机械能在做能量转换过程中的损耗程度，效率越高，能量损耗就越少。机械效率作为行星减速器的一个重要参数，有着很重要的意义。机械效率是反映机械性能优劣的重要指标之一。机器在运作时，有用功所占比例越大，机械对总功的利用率就越高，机械的性能就越好，用机械效率来表示机械对总功的利用率。在行星减速器的使用过程中，我们很有必要对其的机械效率有一定的了解，这样有利于我们更加合理的选用合适的行星减速器，也有利于更加合理的安排减速器的使用环境，为资源的最大化利用提供一份合理的规划。 以前企业生产的行星减速器采用传统的二次仪表测试方法进行传动效率测试：分别用不同的二次仪表测量行星减速器输入、输出端的转矩、转速，再通过专用的数据处理卡进行处理，由于难于同步处理各组数据，测量系统操作复杂、可靠性查、测试的数据误差大、测量精度低，难以进行批量测试。我设计的仪器是采用labview8.0虚拟仪器图形编程语言开发的行星减速器机械效率测试系统。这仪器不仅减少了购置二次仪表的费用，而且极大地提高了测试效率，可以进行批量测试，每台行星减速器在线测试时间仅为15s，测试简单可靠。2 设计方案2.1 设计要求 1.了解所要求了解行星减速器机械效率测量仪基本结构特点和主要技术参数，分析测量仪传动系统、扭矩测量系统和负载阻尼的原理、结构；掌握相关设备的设计原则和基本知识。2.根据测量仪的结构特点，进行机械结构原理设计。3.给出测量仪的设计方案。4.采用autocad软件绘制系统的机构机械总图及零件图。5.收集整理设计材料，完成论文的撰写。2.2 设计方案测量行星减速器的机械效率，首先需要电机驱动其工作，利用传感器测量其输入和输出端的扭矩和转速，最后需要一个制动装置来充当负载。设计的具体方案如下：行星减速器机械效率测试系统以电动机为动力源，以磁粉制动器作为系统负载。电动机与行星减速器之间通过联轴器连接转矩、转速传感器，用于测试动力源输入行星减速器的转矩、转速；在行星减速器和磁粉制动器之间也通过联轴器连接转矩、转速传感器，用于测试行星减速器输出的转矩、转速。这两组信号和电流电压传感器的信号一起被输入到数据采集卡，并进入计算机进行处理，最终直接得到所要求测量的机械效率测量值。数据处理系统以pc机为核心，测试系统采用pci-9111数据采集卡实现数据采集处理功能。pci-9111是基于pci总线的12位的低损耗多功能采集卡，采集速率可达100khz，拥有16个数据采集通道，该卡提供labview语言的强大编程接口，使用方面。系统实现了labview语言与pci-9111数据采集卡之间的完美结合。下图是行星减速器机械效率测试系统硬件构成示意图：这个测量方案采用了labview8.0虚拟仪器图形编程语言开发的行星减速器机械效率测量系统，包括测量原理和方案。测试程序遵循面向对象的编程原则，采用由上至下的设计方法和模块化程序设计思路，实现了完整的测试功能。系统的构成不仅降低了设备成本，而且提高了测试工作的自动化水平和可靠性。此设计方案中各个主要部件都需要在装配时，各中心线尽量都在一条直线上，保证同轴度，避免由于转动带来的振荡，以致于影响各传感器的测量结果，最终给得到的结果带来很大的误差。3 部件的选择 我设计的行星减速器机械效率测量仪的结构较为简单，机械部分的主要部件有：驱动电动机、两个转矩转速传感器、高速区的联轴器、行星减速器和制动负载等。3.1 驱动电机的选择驱动电机的主要工作是驱动行星减速器，带动整个机械效率测量系统正常运作。由于整个仪器是一个效率测试试验台，每次测量都需要进行多组试验，需要对输入电压等已知信号不断变化，测量出行星减速器在各种输入电压下的机械效率，以便于我们更加全面得到行星减速器在各种条件下的机械效率，使测量更加完善，结果更加有用于行星减速器在实际的生产生活中应用。此外，测量需要有很高的精度，这就需要电动机的电压控制的精度达到一定的要求。日常生活中，应用最多的电动机主要有单相异步电动机、三相异步电动机、步进电机、伺服电机、永磁直流电机等。以下是各电动机的工作原理和特点：单相异步电动机是靠220v单相交流电源供电的一类电动机，其由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。在交流电机中，当定子绕组通过交流电流时，建立了电枢磁动势，它对电机能量转换和运行性能都有很大影响。所以单相交流绕组通过单相交流产生脉振磁动势，该磁动势可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁动势和，从而在气隙中建立正转和反转磁场和。这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。该电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩。这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩。单相异步电机的功率比较少，主要制成小型电机，而且使用的电源单一，使用范围有限。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生的电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量转换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的启动性能和调节电动机的转速。步进电机相对普通电机来说，它可以实现开环控制，即通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号。但是步进电机不适合使用在长时间同方向运转的情况，容易烧坏产品，即使用时通常都是短距离频繁动作较佳。一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机可分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。直流伺服电机容易实现调速，控制精度高，但维护成本高、操作麻烦；交流伺服电机维护方便，但价格高，精度没有直流的好。同步进电机相比，伺服电机的伺服精度高，转速范围大，额定转速内恒扭矩输出，多种控制模式；步进精度低，转速范围小，控制模式只有脉冲，扭矩根据电流可调。永磁直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。它是由一块或多块永磁体建立的直流电动机。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止、制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26khz调制波的对称交变矩形波。由于永磁直流电机是以自控是运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电动机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。永磁直流电动机有一定的缺点。其寿命没有异步电机的长，因为永磁电机有永磁体，其磁性会慢慢减弱，会达不到额定功率。但永磁直流电动机可以提供较大的扭矩，而且节能效果和转速方面都比异步电机好。综上所述，各种电动机都有着各自的优缺点，适用范围也不尽相同。行星减速器机械效率测试仪的电动机不需要特别大的输出功率，只需要能便于调控输入电压，继而实现控制转速的作用，而且电动机要与相关的电气装置连接，便于记录相关的电压数值。我采用的电动机是交流电机，型号是51k40a-s3t。这种电动机散热性能好，可用于长期运作的环境中；机体重量轻、振动小、噪音低而且还具有防水、防尘、防腐、节能、高性能、高效率和使用寿命长等特点，是普通电机无可替代的环保型产品；电机工作频率为50hz，电压可按要求设计，便于控制输入电压，易用于试验中；可与相关的电子产品一起使用，便于试验。但该种电动机价格较贵。电动机的功率是4kw，转速为2890r/min。一般的外观图如下:3.2 传感器的选择设计的行星减速器机械效率测试仪需要的传感器是转矩转速传感器，主要功能是测量行星减速器输入与输出端的转矩和转速，然后传输到相关的处理装置里，最终直接得到所要的机械效率测量值。扭矩转速的测量采用jn338型智能数字式转矩转速传感器。该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量，从而可方便地计算出轴输出功率，因此，利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数输出。3.2.1 转矩测量基本原理 传感器扭矩数值的测量采用应变电测原理，当应变轴受扭力影响产生微小变形后，粘贴在应变轴上的应变计阻值发生相应的变化，我们将具有相同应变特性的应变计组成测量电桥，应变电阻的变化即可转变为电压信号的变化进行测量。由于采用了能源与信号的无接触耦合，完美解决了旋转状态下扭矩（转矩）数值的测量。下图是扭矩测量的主要原理框图: 电源经过处理后送1，经耦合将能源送到应变轴上，由2变成稳定电压供应给应变轴上各电子器件。3将应变轴的微小变形转换成电信号，经过4放大送到5，经6输出，通过7整形后输出方波频率信号。x（t）、y（t）分别为转矩转速传感器提供的两路同频信号，则：式中：rx（0）为x（t）的自相关函数在=0时的估计值；ry（0）为y（t）的自相关函数在=0时的估计值；rxy（0）为x（t）、y（t）的互相关函数在=0时的估计值。扭矩为 式中k为比例系数，由传感器生产厂家确定。3.2.2 转速测量基本原理当测速码盘连续旋转时，通过光电开关输出具有一定周期宽度的脉冲信号，根据码盘的齿数和输出信号的频率，即可计算出相应的转速。转速可采用转矩转速传感器测量，如下： 式中：z为转矩转速传感器齿数；w为信号频率，hz；n为转速，r/min。采用快速傅里叶变换（fft）提取信号频率，该频率与轴的转速成正比。3.2.3 行星减速器的机械效率输入传感器和输出传感器分别将测得的输入扭矩p1、输入转速n1、输出扭矩p2、输出转速n2等信号送入数据采集器，检测装置的机械效率为 由于安装需要，在实际检测装置中，输入传感器与减速器之间，行星减速器与输出传感器之间各有一个联轴器。考虑到联轴器的机械效率l的影响，若行星减速器的机械效率为，则有： 则行星减速器的机械效率为 3.2.4 相关计算 根据选择的电动机可知，电动机的额定功率是40w，额定转速是2800r/min。此仪器是用来测量行星减速器的机械效率，所以没有固定的行星减速器，这里为了计算方便，选用传动比为246的行星减速器。大概计算各传感器所在处的扭矩：扭矩t，转速n，功率p之间存在以下关系： p=tn9550高速区: t1=955042890=13.22n.m转速最大不超过2800r/min低速区：取行星减速器的功率传动为0.8，则有： t2=955040.82890246=2.6n.m转速不超过2890246=11.75r/min根据以上计算结果，选择适当量程的转矩转速传感器。所选传感器的量程比计算结果稍大一点即可。由于行星减速器是可以跟换的，所以低速区的传感器的型号没法最终确定下来。高速区的转矩转速传感器的型号可以确定下来，即规格为100，以下是主要技术参数：转矩准确度0.5% f.s；过载能力为150% f.s；滞后0.5% f.s；重复性0.5% f.s；工作温度为-2060；转速不准确度为光电码盘（60个脉冲/转或120个脉冲/转）或旋转编码器（900-2700个脉冲/转），无积累误差；转矩测量范围0-20n.m；测量转速范围0-4000r/min。下图是转矩转速传感器的外形图：3.2.5 传感器的主要特性设计的行星减速器机械效率测试仪采用的转矩转速传感器是jn338型智能数字式转矩转速传感器。它的主要特性如下：1. 检测手段为应变电测技术；2. 测量精度高，信号检出、处理均用数字技术；3. 抗干扰能力强，无需调零即可工作；4. 可靠性高，信噪比高，工作寿命长；5. 既可以测量静态扭矩，也可测量旋转转矩；6. 能够测量稳态扭矩，也能测量过渡过程的动态转矩；7. 无需反复调零即可连续测量正反转矩；8. 无集流环、电刷等磨损件，可高速超长运行；9. 转矩信号的传递与是否旋转。转速大小及旋转方向无关；10. 测量弹性体强度大，可承受150%的过载；11. 体积小、重量轻、安装方便，有套装式、卡装式、联轴式等多种安装方式；12. 输出信号以频率形式给出，便于和计算机进行接口。3.2.6 安装要求传感器的安装必须由专业机械安装人员进行。下图是安装示意图： 安装方法：1. 测量传感器的轴径和中心高，待装；2. 使用两组联轴器，将传感器安装在动力设备与负载之间；3. 分别调整动力设备、负载、传感器的中心高和同轴度，要求同轴度小于0.05mm，然后将其固定，并紧固可靠，不允许有松动。使用小量程或高转速传感器时，更要严格保证连接的中心高和同轴度，否则可能造成测量误差及传感器的损坏；4. 连接时可选用刚性或弹性联轴器，在震动较大或同轴度无法保证安装要求时（大于0.05mm，小于0.2mm），建议选用弹性联轴器，安装同轴度超过0.2mm时，严禁使用；5. 安装底台面应有一定的强度，以保证安装的稳定性，避免造成过大的震动，否则可能造成测量数据不稳定，影响测量精度；6. 联轴器应紧靠传感器两端的轴肩；7. 传感器使用时推荐采用水平安装，进行其他角度的安装时，请慎重安装传感器，不允许承受过大的轴向力或弯矩，否则可能影响传感器的使用，甚至造成传感器的损坏。下图是联轴器安装方法示意图：联轴器与传感器连接时需要注意以下问题：1、 安装人员测量联轴器内径确定达到安装要求。2、 量程大于等于10牛米的传感器安装联轴器法兰时，应将传感器轴垂直放置，将上端联轴器垂直压入。如现场无压力机，可用铜棒将联轴器均匀轻轻打入，然后依次安装另一端联轴器。3、 量程小于10牛米的传感器安装联轴器时，传感器轴水平放置，将联轴器用手轻轻推入。3.3 高速区联轴器的选择 电动机与行星减速器之间的区域就是高速区，剩下的区域就是低速区。在高速区，由于轴转动速度很快，因此此区域各部件之间的同轴度只要稍微过大一点就会产生剧烈震荡。这个区域连接着一个转矩转速传感器，需要很高的同轴度，以免由于高速震荡导致传感器损坏。高速区对部件的同轴度和装配精度有着比低速区更高的要求。为了更好的使机械效率测量仪的使用，我在高速区采用梅花形弹性联轴器，在低速区采用普通的刚性联轴器。这是由于高速区转速太快，使用刚性联轴器容易造成震荡，损坏传感器；在低速区由于转速不高，不易产生剧烈震荡，使用普通的刚性联轴器就能满足功能要求。我选用的是ml系列梅花形弹性联轴器。它主要有两个带凸齿密切啮合并承受径向挤压以传递扭矩，当两轴线有相对偏移时，弹性元件发生相应的弹性变形，起到自动补偿作用。这方面很适合设计的传感器连接，除此之外，弹性联轴器还有以下特点：1.工作稳定可靠，具有良好的减振、缓冲和电绝缘性能；2.结构简单，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速场合；3.具有较大的轴向、径向和角向补偿能力；4.高强度聚氨酯弹性元件耐磨耐油，承载能力大，使用寿命长，安全可靠；5.联轴器无需润滑，维护工作量少，可连续长期运行。下图是弹性联轴器的二维图：3.4 行星减速器的选择设计的仪器就是行星减速器机械效率测试仪，原则上应该对行星减速器应该具有一定的普遍适用性，应该对多数行星减速器都有适用性。实际上，由于选择的转矩转速传感器有一定的适用范围，不可能对所有的行星减速器都适用。这里为了传感器选择的方便，我选定了传动比为246的行星减速器。在实际生产实验中，只要传感器的量程满足需求，一般常用的行星减速器都可以在这个试验台上适用，这两者是相互适应的关系。下图是行星减速器的图片：3.5 制动负载的选择任何一个试验台都需要负载，来完成整个机构的运作。我设计的机械效率试验台也需要一个通用性复杂。在实验台上，行星减速器可以任意调换，而制动负载不行，所以我选择了一个固定的通用负载_磁粉制动器。下面简述一下它的一些特点：1.高精度的转矩控制。转矩的控制范围非常广，而且控制精度高，传达转矩和激励电流成正确的比例，可实现高精度的控制。2.优越的耐久性、寿命长。采用耐热、耐磨耗、耐氧化、耐腐蚀超强的超合金磁粉，寿命长。3.稳定性超群的定转矩特性。磁粉的磁气特性甲，而且粉粒相互之间的结合力安定，滑动转矩非常稳定，与相互回转数没有关系能持久保持恒定的转矩。4.连续滑动运转使用。散热效果优良而且采用热变形均一的冷却构造，加上磁粉的高耐热性，容许连结与制动功率及滑动功率大，能够圆滑的滑动运转，不会引起震动。5.连结圆滑，无冲击。连结时的冲击极小，能够无冲击的圆滑启动、停止，而且阻力转矩极小，不会引起无用的发热量。6.适合高频运转。应答敏捷快捷及特别的散热构造