（机械电子工程专业论文）基于少齿差传动的电动执行器的研究与开发.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 电动执行器是工业过程控制中的重要设备，用于对阀门进行控制和调节。而 现有的国产电动执行器存在控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精 度低、可靠性差等问题。本文对现有的国内外电动执行器进行了深入对比和分析， 在借鉴和传承现有电动执行器优点的基础上，进行了基于少齿差传动的电动执行 器的研究和开发工作。 第一章概述了电动执行器的重要作用，介绍了电动执行器的国内外现状，指 出了未来电动执行器的发展趋势。 第二章首先概述了电动执行器是由控制器和执行机构两部分组成的，提出了 电动执行器的总体功能设计要求。通过比较现有的减速传动机构，因n n 型渐开 线少齿差行星传动机构有很大的传动比大和较高的传动效率从而可以减小执行器 体积，且制造加工方便，成本较低，执行机构中减速传动机构采用了n n 型渐开 线少齿差行星传动，然后进行了控制器的控制方案及主要功能设计。 第三章首先介绍了n n 型渐开线少齿差行星传动的组成、传动形式及其传动 比与配齿计算公式，然后讨论了渐开线少齿差行星传动的两个主要限制条件和它 对设计参数的影响，最后进行了设计参数的选择计算以及实例的计算分析。 第四章首先介绍了控制器的工作原理。在硬件方面，考虑到通讯、控制的及 时、稳定、转换的精度和速度等几方面，选用了a t 8 9 c 5 2 单片机、l c m 0 9 c y r 3 液晶显示器、m a x1 2 4 7 四通道串行1 2 位a d 转换器及高精密导电塑料电位器传 感器，完成了单片机及其外围基本电路、液晶显示、开度反馈和v a 输出电路的 设计；在软件方面，用汇编语言编写，完成了数据采集及处理、通讯、键盘管理 等主要软件程序设计；然后应用c a n 总线技术实现对电动执行器的远程通信。 最后采用南京伟福实业有限公司设计生产的伟福l a b 2 0 0 0 系列仿真实验仪进 行了系统的仿真调试。 关键词：电动执行器，n n 型渐开线少齿差行星传动，a t 8 9 c 5 2 ，c a n 总线 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t 1 1 1 e e l e c t r i ca c t u a t o ri s w i d e l yu s e dt oo p e r l l t ca n dr e g u l a t ev a l v e si nm o d a l l c o n t r o ls y s t e m a n dt h ed o m e s t i ce q u i p m e n te x i s t sm a n y p r o b l e m s s u c ha s ：b a c k w a r d e o n l x o l m e t h o d s ，m o l em e c h a n i c a ld r i v e ，c o m p l e xs t n l c t t l t l e , l o wp r e c i s i o n p o s i t i o n i n g , p o o rr e l i a b i l i t ya n ds o no n t h ea u t h o ra n a l y z e di nd e t a i lt h ee l e c t r i c f l , d 2 1 1 a t o ra th o m ea n da b r o a d ，t h e ns t u d i e da n dt l e v e l o r , 饯tt h ei n t e l l i g e n te l e c t r i c a c t u a t o rb a s e do nt h es m a l lt o o t hn u m b e rd i f f e r e n c em m s m i s s i 孔ea u t h o ro v e r v i e w c dt h ei m p o r t a n t1 0 1 eo fe l e e l r i ea c t u a t o r si ne l a a p t e ri , t h e n i n t r o d u c e dt h es i t u a t i o no fe l e e l r i ca c t u a t o r sa th o m ea n da b r o a d , p o i n t e dt h ef u t u r eo f t h ee l e e t r i ea c , t u a t o rt r e n d 啊”a u t h o ro v e r v i e w e dt h a tt h ee l e c t r i ca c t u l t t o l i sd i v i d e di n t ot h ea c t u a t i n g e q u i p m e n ta n dt h ec o n t r o l l e ri ne l u i p t e r i i , p r o p o s e dt h eo v e r a l l f u n c t i o n a ld e s i g n r e q u i r e m e n t so ft h ee l e c t r i ca c l f l 1 a t o l b yc o m p a r i n gt h e s t m gd e c e l e r a t i o nd r i v e , t h e a c t u a t o ra d o p t sn nt y p eo fs m a l lt o o t hm m l b 口d i f f e r e n c el r a m m i s s i o nf o ri t sl a i 曲e r g e a rr a t i od r i v ea n dh i 曲e rt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y8 0 1 1 st or e d u c et h ea c t u a t o r 8 v o l u m e ，c o n v e n i e n c em a n u f a c t u r i n ga n dl o wc o s t t h e nd e s i g n e dt h ec o n t r o lp r o 蓼a m a n dt h em a i nf u n c t i o no f e o n l z o l l c r 啊1 ea u t h o ri n l r o d u e e dt h ec o m p o s i t i o n , d r i v ef o r m s , t r a n s m i s s i o ng e a rr a t i oa n d d i s t r i b u t i o nf o r m u l ao ft h en nt y p eo fs m a l lt o o t hn u m b e rd i f f e r e n c et r a n s m i s s i o n i n , t h e nd i s c u s s e dt h et w om a i nc o n d i t i o n so ft h es m a l lt o o t hn u m b e rd i f f e r e n c e l z a n s m i s s i o na n di t si m p a c to nt h ed e s i g np a r a m e t e r s f i n a l l y ，t h ea u t h o rc a l c u l a t e dt h e d e s i g np a r a m e t e r sa n dt h ec a s e 。 1 1 l ea u t h o ri n t r o d u c e dt h ec o n t r o l l e rp r i n c i p l ei nc h a p t e r1 v o nt h eh a r d w a r e s i d e , t a k i n gt i m e l i n e s s , s t a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l ，t h es p 恍j da n da c c u r a c y o fc h a n g ea n ds oo ni n t oa c c o u n t , t h ea u t h o rs e l e c t e dt h ea t 8 9 c 5 2 ，l c i m 0 9 c b ， m a x l 2 4 7a n dh i 曲p r e c i s i o nc o n d u c t i v ep l a s t i cp o t c n t i o m e t e rs e n s o r , t h e nc o m p l e t e d $ c ma n di t so u t l y i n gb a s i cc i r c u i t , i c dd i s p l a y , o p e n i n gf e e d b a c ka n dv ao u t p u t c i r c u i t ；o nt h es o t t w a r es i d e , t h ea u t h o rc o m p l e t e dt h em a j o rs o t t w a r eo fd a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c 燧s i n g , c o m m u n i c a t i o na n dk e , l o o a r dm a n a g e m e n ti na s s e m b l e r l a n g u a g e ；t l a o no nt h eb a s i so fi n t e l l i g e n c e , t h ec a n b u st e c h n o l o g yf o rl o n g - d i s t a n c e c o m m u n i c a t i o ni sr e s e a r c h e da n da p p l i e a t e d f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nd e b u g g i n go fs y s t e mi sd e s i g n e dw i t hw a v el a b 2 0 0 0 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 m a n u f a c t e di nn a n j i n gw a v e l t d i 蛳o r ( h ：e l e c 缸 i ca c t u a t o r ，n nf o r ms m a l lt 0 0 0 1n u m b e rd i 岱蝴p l a n 由r y m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭塞堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：害平群签字日期： 2 0 。7 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废态堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：李洋群导师签名 签字日期： 2 岬年月7 日签字日期：品一7 年6 月7e t 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 当今世界工业高速发展。与工业发展密切联系的水、气( 汽) 、油等流体领域 已成为工业发展重点。流体领域在工业应用中离不开管网系统，而阀门是管网系 统中的主要组成部分，它是用来截断或调节管道系统中介质流量的装置，广泛应 用于大型化工、石油、冶金、电力等行业对压力、流量、温度进行调节。执行器 是控制和驱动阀门的重要装置 l 】。 目前，执行器按照驱动装置类型可分为电动执行器、气动执行器和电液执行 器三种。其中广泛使用的是电动和气动执行器，但是考虑到气动执行器需要气源、 空气净化设备等一系列复杂装置，对现场的要求比较高，因此气动执行器有很大 的使用局限性。电动执行器相对于气动执行器具有以下优点。 无需特殊的气源和空气净化等装置。即使电源失电时，也能保持原执行位 置； 可远距离传输信号，电缆敷设比气管和液体管道敷设方便，且便于线路检 查； 可以很方便地与计算机连接，更适应采用电子信息新技术； 体积较小，使用方便。 因此在目前的阀门控制领域中，电动执行器应用广泛。它动作和响应极快， 工作效率高，调速性能好。从五十年代起就开始广泛地应用于我国的各个工业部 门。但目前生产和应用的仍是六十年代设计的产品，它的主要作用只是代替入力 去操纵那些大口径的阀门。随着现代化大工业对电动阀门要求的不断提高，其在 功能和使用上的缺点暴露越来越明显：结构复杂、控制精度较低、安全性不好、 缺乏完善的故障处理和报警装置、不能很好地实现人机对话等。随着微电子技术 和电力电子技术的发展，出现了新一代智能电动执行器，它不仅克服了原来产品 的不足，还增加了许多功能，扩展了使用领域，提高了各项性能指标，而成本增 加不多，可以大量更新现有的装置。在工业自动化领域，智能电动执行器正以其 独特的优势受至各部门的重视，它不仅可以实现某些常规模模拟仪表的功能，而 且可以将人们的思维和解决问题的方式方法以软件的形式加入至b 系统中，从而具 备智能化的特点【2 】。 长期以来，县外的许多相关厂家一直对阀门电动装置及其控制器进行着不懈 的研究开发和改进工作，并投入了大量的入力和物力。同时得益于微机控制及通 讯技术、微电子技术等现代科学技术的发展，取得了相当的成就。近年来开发了 重庆大学硕士学位论文1 绪论 诸多种类的执行机构及智能化程度越来越高的控制器，逐步形成了新一代的智能 电动执行器。相比较而言，我国在这方面起步较晚，投入较少，同时受国内微机、 电子等现代技术推广水平相对较低的影响，国内智能化、微机化的成型产品目前 为数尚不算多。但随着国内工业自动化水平的日益提高，技术密集的要求亦越来 越高，迫切需要新一代的智能化电动执行器来代替目前使用的产品，以提高自动 化程度和生产效率。国外这方面的产品虽然功能较为完善和先进，但其价格较为 昂贵，和国内现有的设备也不甚配套；并且售后服务不够完善，零配件购置困难。 由于种种原因，国内的厂家所推出的智能电动执行器尚且很难称作真正意义上的 新一代产品，且针对性太强，适应性较差。可以说，开发适合我国国情的、性能 先进、功能完善、符合我国使用标准和使用规范习惯的智能电动执行器，以满足 国内广大用户的需求，是有着重大的现实意义的：产品也肯定有着广阔的应用前 景和良好的经济前景。本课题正是基于上述背景和原因应运而生的，致力于基于 少齿差传动的新一代智能电动执行器实用性的研究与开发。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 近年来，数字技术和微处理器技术的迅猛发展给工业过程检测、控制带来较 大的变化，这在国内的相关行业可窥一斑。智能电动执行器与控制技术紧密相连， 也是现代控制技术的具体应用领域之一，但就国内执行器领域的目前状况来说， 微机的应用和开发尚无显著的进步可言 改革开放以来，国内在执行器领域以引进为主，辅之以一定程度的消化和吸 收，但在改进和创新方面缺乏一定的力度。如鞍山阀门厂引进日本的相关技术， 所生产的系列电动执季亍器具有相当好的性能和控制精度；其基本误差；1 ；回 差：1 ；死区：0 8 1 o ( 可调整到o 4 ) 。整个系统可用d c 4 - 2 0 m a 或d c l - 5 v 的模拟信号进行控制，并可对行程、灵敏度和零点进行现场标定。吴忠仪表厂引 进了山武霍尼韦尔的v a 和h a 两大系列产品，上海自动化仪表七厂引入了梅索 尼兰的三个品种的产品，大连第三仪表厂和四川仪表十一厂又引入了西门子的电 动执行器m 。可见，目前的主要工作和精力都放在消化吸收上，在进一步改进和创 新上用力不多。至于数字化、智能化工作则刚刚起步，无重大发展。国内一些单 位已在执行器智能化方面做了一些探索，如上海工业自动化仪表研究所开发了新 型智能电动执行器，其主要特点是：主要技术指标超过国内现有产品，工作死区 小于o 5 级，基本回差和误差都小于l 级。使用方便，具有自诊断、自调整和p i d 调节功能。但目前仅是个别使用，没有形成产品。 近些年来，由于微电子技术和计算机技术等高新技术发展迅速，控制理论不 断有新的突破，生产制造工艺推陈出新，这些新事物在国外的推广较为迅速，加 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 之国外的一些大公司有较强的技术实力和物力作后盾，智能电动执行器在国外己 开发出新一代产品，并形成许多系列，广泛应用于许多工业领域中。英国的 r o t o r k 公司、德国的s i m e n s 公司、美国的v a l t e k 公司和l i m i t o r q u e 公 司等国几家国外著名公司生产的智能电动执行器功能强大、简单可靠、技术先进， 代表着该领域的世界先进水平，它们的产品主要有以下几个特点啪： 智能化控制 在过程控制中，需要通过调整阀门的开度来调节流量和压力。通常执行机构 按照外部发来的控制信号驱动阀门，这些控制信号来自控制系统的微处理器。作 为智能化的第一步，在电动执行器中增加带有控制智能的伺服放大器，其后是增 加给定值控制功能，可按给定值自动进行p i d 调节，控制流量和压力等过程变量。 例如v a l t e k 公司的s t a r p a c 智能化阀门电动装置能响应外部4 - 2 0 m a 模拟信号或 经过r s - 4 8 5 通讯口发来的数字信号或按自身程序设定的参数进行p i d 控制。 全面保护 智能化阀门电动装置具有高度的自身保护及系统保护功能。 例如装有三相电机的执行机构有可能因为相线连错而反转，导致执行机构和 阀门损坏。而智能型的电动执行器则可以通过监视电源的相序以及输入控制信号 的情况确保电机正确起动。此外，在阀门卡住的情况下保护功能还可以避免电机 被烧坏，因为在电动机通电期间不断的检测阀门的动作情况，若发现在一定的时 间内不动作，就认为发生卡住的情况，控制器就会发出命令，切断电动机的电源 同时发出报警信号。英国的r o t o r k 公司生产的i q 型智能化阀门电动装置就具 有上述两种保护功能。首先它装有相同步器( 自动相旋转调整装置) ，可确保i q 的三相电动机始终具有正确的相旋转电源；其次，如果阀门被卡住，当启动信号 发出7 1 5 秒后无任何动作，i q 的执行器内部的逻辑电路可将相应的触点断开。 除了有自身保护功能外，智能化阀门电动装置还具有系统保护功能，即当某 些部件出现故障或系统出现其他问题时，会自动采取应急措施以免事故。 智能化的通讯 智能化阀门电动装置采用数字通讯的办法与主控制室相连。主控制室送出的 可寻址数字信号通过电缆被电动装置接收，电动装置的微处理器根据收到的信号 对电动装置进行相应的控制。例如美国的l i m i t o r q u e 公司的o o n r o l i n e 系统就 是采用数字通讯技术将各种设备连接成一个局部网络( u 心) ，一个典型的系统可 以包括电动执行器、计算机阀门控制器( c v c ) 、网络连线、网络接口部件( n i u ) 以及主计算机。n i u 与主计算机之间采用标准的a s c 字符码通过串行口进行通 讯【4 】【5 j 。 此外，智能电动执行器允许工程师在远地对其进行监控、整定和修改参数或 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 算法等。例如v a l t e k 公司的s t a r p a c 在出厂时就被配有p c 软件，仪表工程师利 用这些软件可以对阀门电动装置编程，p c 与系统之间通过r s - 4 8 5 串行口按照经 过修改的h a r t 协议相连1 6 。 智能化的诊断 在阀门电动装置上装有一些附加的传感器，专门用于故障诊断，而在电路方 面也设置了各项监测功能，如电源相序和后备电池的电压检测。微处理器在运行 中连续对整个系统进行监视，一旦发现问题立即执行预定的程序，自动采取应急 措施并报警。而微处理器和传感器本身的运行也同时受到监测【7 1 。 当出现故障需要专家协助解决时，有的智能化阀门电动装置还可以通过调制 解调器与专家实时联网，以便及时诊断和排除故障。 一体化的结构 一体化的结构把整个控制回路装在一个现场仪表中，使控制系统的设计、安 装、操作和维护等工作大为简化，且减少因信号传输中的泄漏和干扰等因素对系 统的影响，提高可靠性。 此外，智能化阀门电动装置在结构设计上充分考虑到抗恶劣工作环境的因素， 其组件多带有保护涂层以防腐蚀，外壳采用密封式，经得起温度湿度的大范围变 化和振动冲击的考验，保证工作可靠。例如r o t o r k 公司生产的0 3 0 0 系列电动 装置就带有防水保护和双层密封外壳，工作温度在一3 0 0 c 一+ 7 0 0 c 之间网。 1 3 本课题研究目的和意义 电动执行器是驱动和控制阀门的重要装置，实现电动执行器的智能化是阀门 控制系统发展的趋势。而现有的国产电动执行器存在控制手段落后、机械传动机 构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。长期以来，我国采用的电动执 行器大都是进口产品，在工程应用中受到许多限制，尤其是价格较高制约了管网 自动化及远程控制的实现，因此，开展具有我国自主知识产权的电动执行器的研 制具有十分重要的意义。 通过深入对比和分析现有国内外电动执行器，在借鉴和传承现有电动执行器 优点的基础上，本课题进行了基于少齿差传动的智能电动执行器的研究和开发工 作，所研究的基于少齿差传动的智能电动执行器集常规仪表的检测、控制、执行 和调节等作用于一身，具有智能化的控制、显示、诊断、保护和通讯功能。且该 系统具有动作快、保护完善以及便于和计算机通讯等优点，使系统更加适合于工 业现场的应用。 1 4 本课题的主要研究内容 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 本课题是在充分了解国内外智能电动执行器技术现状和发展趋势的基础上， 详细分析了当前国内有关生产厂家的产品特点和使用范围，认真研究了其优点和 不足之处；并结合国内的用户使用环境及由此衍生出的使用要求，开发了本装置。 并在国内同类产品通用功能的基础上，进一步提高了其智能化程度，增加了远程 通讯功能，为大规模、集成他的应用打下了良好的基础。所涉及的具体工作有如 下几个方面： 执行机构中减速机构的设计 在本课题中，研制了双级内行星齿轮传动机构( n n 型传动机构) ，该机构具 有较高的传动效率，能极大地减小传动机构的体积。这种新技术不仅方便了电动 执行器的设计，简化了制造工艺，而且提高了设计的可靠性。 控制器硬件的电路设计 主要包括单片机及其外国基本电路和远程通讯部分。 控制器由单片机、a 仍转换器、位置传感器、显示器、d ，a 转换器、输入键 盘等组成。在开发过程中，我们在电路结构设计的基础上，考虑到通讯、控制的 及时、稳定、转换的精度秘速度等几方面，主要完成对微处理器的选择、时钟频 率和d 转换器的选用，阀位变送功能的实现和显示器的选择等。 在智能化的基础上，研究并应用了a 谢总线技术实现对电动执行器的远程通 信。 控制器软件的设计 用汇编语言编写，完成了软件的设计方案，论文完成了数据采集及处理、通 讯、键盘管理等主要软件程序设计。 5 重庆大学硕士学位论文2 基于少齿差传动的电动执行器的总体设计 2 基于少齿差传动的电动执行器的总体设计 2 1 电动执行器概述 2 1 1 电动执行器的组成 电动执行器的构成框图如图2 1 所示，执行器从整体上可分为控制器和执行机 构两部分。控制器控制器采用单片机作为控制器的核心，配以相应的外围电路。 由示意图可看出，电动执行器的控制过程是一闭环控制，通过设定信号和反馈信 号的比较控制电机运转，驱动阀门动作，这样可得到较高的控制精度【埘。执行机 构则由电机、减速机构、输出及反馈等部分组成。所有这些部分组成在一起，形 成一体化的机构，从而具有更多的功能，更方便人们的使用，也使整机具有完善 的综合性能。本章的总体设计也分为两部分进行。 执行执辫 l i 最瓣弩冈j i 图2 1 整体结构示意框图 f i g2 1i n d i c , a t eo v e r a l ls l l u c t u r cd i a 寄锄 2 1 2 电动执行器功能的设计要求 要求电动执行器具有如下功能： ( 卜体化结构设计，直接接收4 2 0 m a o 5 v 的控制信号，输出隔离的4 2 0 m a 阀位反馈信号； 根据阀门特性及起动、停止要求设定起动、停止时间。分别是：7 5 s 、1 5 s 、 3 0 s ； 控制信号断路故障判断、报警及保护功能。断路故障对可使执行机构或开、 或关、或保特、或在o 1 0 0 之间预置的任意值； c a n 总线远程通讯功能。 2 2 执行机构中传动机构的设计 执行机构主要是在控制器控制下完成设定动作的机械执行部分。主要由电动 6 重庆大学硕士学位论文 2 基于少齿差传动的电动执行器的总体设计 机、主传动机构、开度传感器和手动调整机构等部分组成，它是用于直接驱动阀 门的。其中，减速传动机构尤为重要。 随着我国电力、冶金、石油和化工工业的发展，用户不断提出对各种不同输 出速度电动执行器的需求，并要求减速传动机构具有体积小、重量轻、传动比大、 效率高、承载麓力大、运转可靠以及寿命长等特点。现有减速传动机构的种类虽 然很多，但普通的圆柱齿轮传动显得传动比小、体积大、结构笨重；普通的蜗轮 传动在大的传动比时，效率较低；摆线针轮行星传动虽能满足以上提出的要求， 但其成本较高，需要专用设备制造，而渐开线少齿差行星传动不但基本上能满足 以上提出的要求，并可用通用刀具在插齿机上加工，因而成本较低。 为此，本课题研究了双级内行星齿轮传动机构( 以下简称n n 型传动机构) ， 这种新技术不仅方便了电动执行器的设计，简化了制造工艺，而且提高了设计的 可靠性。 n n 型传动机构如图2 2 所示，它分主减速级和辅助减速级两部分。由内行星 轮副五和z 4 构成主减速级，由内行星轮副z 1 和z 2 构成辅助减速级，辅助减速级中 的一个齿轮借助于平键与输出轴联接。这样辅助减速级在完成减速的同时将低速 运动传递给输出轴输出，简化了角行程电动执行器的整体结构。 图2 2n n 型行星机构简图 f i g2 2 n nt y p eo f p l a n e t a r yg e a rm m m l i | s i o d 蛐 图2 2 所示是一种适用于传动比岛： 1 5 0 的结构形式，当设计低速电动执行器 时，使用该结构较为有利。设计时若主、辅级的齿数差相同，而且z 2 = z 3 ，则双 联齿轮只有径向摆动，而输出轴的速度为零( = o ) ，这种情况要绝对避免 此外，n n 型传动机构的两套内齿轮副应设计减少齿差，即一齿差、二齿差、 三齿差或四齿差等。 2 3 控制器设计 2 3 i 控制方案的设计 7 重庆大学硕士学位论文2 基于少齿差传动的电动执行器的总体设计 根据课题的要求，我们设计了以8 9 c 5 2 单片机为核心的电动执行器的控制器。 整个控制系统以总线型分散控制系统的形式进行设计。各个节点完成对各自节点 的有关信息的采集，过程控制等任务；上位计算机则监控各个节点的状态，并且 对各节点的历史数据进行存储，同时也可通过上位机实现对每一个节点的设 置及其操作。各节点也可以单独地在每一个控制回路中实现其执行器的功能。整 个控制系统的结构图如图2 3 所示。 圈2 3 控制器结构框图 f i g 2 3f r a m e 捌n w 由l f o rc o n t r o u 日 由于本系统中的执行器可能安装在环境干扰比较大的场合，所改选用抗干扰 性好的c a n 总线来实现系统通信。c a n 总线最初由德国的b o s c h 公司为汽车检 测、控制系统设计的，在汽车发动机中由火花塞产生的高频干扰和机械振动都非 常强，而c a n 总线总能够在这样的环境下可靠的工作，可见其有很强的抗干扰能 力。另外，c a n 总线的开发成本是众多总线中最低的，所以在本系统这样传输数 据量不大的控制系统中，可以保证在满足控制要求的前提下，实现较高的性价比。 2 3 2 控制器的主要功能 数据的采集。包括下位机对模拟给定和阍位反馈的采集以及上位机定期从 下位机采集操作信息和阀位的状态等。 3 重庆大学硕士学位论文2 基于少齿差传动的电动执行器的总体设计 数据的显示。下位机通过数码管显示阀位的实际值与给定值以及阀位的状 态，同时送出4 2 0 m a 或者l 5 v 的模拟信号到模拟显示表进行显示。 过程控制。本课题控制对象是电动调节阀，可以说它是一个随动控制系统， 给定值是在不停的变化的。下位机实时检测给定值与阀位实际值，控制阀位的动 作。 通信。采用c a n 总线实现上位机与下位机的通信以及下位机的不同节点之 间的通信。 数据库的管理。上位机定期地采集下位机的状态信息以及对下位机的操作 信息到数据库中进行保存。用户可以随时查询。 故障的检测以及故障处理与报警。 9 重庆大学硕士学位论文3n n 型渐开线少齿差传动机构设计 3n n 型渐开线少齿差行星传动机构设计 3 1 渐开线少齿差行星传动概述 随着现代工业的发展，机械化和自动化水平的不断提高，各工业部门需要大 量减速器，并要求减速器的体积小、重量轻、传动比大、效率高、承载能力大、 运转可靠以及寿命长等。减速器的种类虽然很多，但普通的圆柱齿轮减速器体积 大、结构笨重；普通的蜗轮减速器在大的传动比时，效率较低；摆线针轮行星减 速器虽能满足以上提出的要求，但其成本较高，需要专用设备制造；而渐开线少 齿差行星减速器不但基本上能满足以上提出的要求，并可用通用刀具在插齿机上 加工，因而成本较低。 濒开线少齿差行星减速器具有以下优点n ，； 结构紧凑、体积小、重量轻 由于采用内啮合行星传动，所以结构紧凑；当传动比相等时与同功率的普通 圆柱齿轮减速器相比，体积和重量均可减少 毒。 传动比范围大 n 型( 即k - h - v 型，因在这种机构中有一个内齿轮，用字母n 表示一个内齿 轮，所以称为n 型) 一级减速器当传动比为1 0 1 0 0 以上：二级串联的减速器， 传动比可达一万以上；三级串联的减速器，传动比可达百万以上。n n 型( 即2 k - h 双内啮合正号机构，因在这种机构中有二个内齿轮，所以称为n n 型) 一级减速 器的传动比为1 0 0 1 0 0 0 以上 效率较高 n 型一级减速器当传动比为1 0 1 0 0 时，效率为8 0 9 4 ；n n 型当传动比为 1 0 2 0 0 时，效率为7 0 9 3 。效率随着传动比的增加而降低。 运转平稳、噪音小、承载能力大 由予这种减速器是内啮合传动两啮合轮齿一为凹齿、一为凸齿，两者的曲率 中心在同一方向，曲率半径又接近相等，因此接触面积大，使轮齿的接触强度大 为提高：又因采用短齿制，轮齿的弯曲强度也提高了。此外，少齿差传动时，因 侧隙很小，轮齿受力后引起变形，不再是一对轮齿啮合，而是几对轮齿同时啮合， 所以运转平稳、噪音小，并且在相同的模数情况下，可比普通的圆柱齿轮减速器 传递较大的功率。 结构简单、船工方便、成本低 由于结构简单，并可用一般的齿轮刀具和插齿机等加工，所以加工方便、成 本低。 1 0 重庆大学硕士学位论文 3n n 型渐开线少齿差传动机构设计 输入轴和输出轴在同一轴线上，安装和使用较为方便。 运转可靠，使用寿命长 但是，这种减速器还存在以下缺点： 计算较复杂 当内齿轮与彳亍星轮的齿数差小于5 时，容易产生各种干涉，为了避免这些干 涉，需采用变位齿轮，所以计算较复杂。 转臂轴承受力较大，寿命较短 由于齿轮交位后礁合角较大，所以转臂轴承上径向载荷较大( 用截锥形齿胚 可减小径向力) ；并且轴承转速还稍高于输入轴的转速，所以转臂轴承是减速器的 薄弱环节，因而使高速轴传递的功率受到限制，一般高速轴的转速1 5 0 0 1 8 0 0 转分。目前一般传递的功率在0 0 2 1 0 0 千瓦之间。 有的结构需加平衡块 n n 型及某些n 型减速器，需要仔细地进行动平衡，否则会引起较大的振动。 不过，随着人们对它认识的深入，以及轴承性能的提高等，有些缺点是可以 被克服的 3 2n n 型渐开线少齿差行星传动的原理及特点 3 2 1n n 型渐开线少齿差行星传动的组成和传动形式 n n 型传动是一种行星传动，可以实现大传动比传动，其结构简图如图3 1 所 示，它由转臂h 和四个齿轮所组成。四个齿轮是：第一级的固定内齿轮4 和第二 级的从动内齿轮2 ，以及与两个内齿轮相啮合的双联行星齿轮l 一3 。当电动机带 动偏心轴转动时，行星齿轮与内齿轮啮合，由于内齿轮4 固定不动，迫使双联行 星轮即绕内齿轮公转，又绕自身中心自转，带动内齿轮2 输出运动。它具有传动 比大、体积小、效率高、齿形容易加工等特点【1 2 j 。 图3 1n n 型彳亍星机构籀母 f i g3 1n nt y p eo f p l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o ns k e t c h 重庆大学硕士学位论文3n n 型渐开线少齿差传动机构设计 该n n 型少齿差传动中的两个啮合齿轮的齿数差z 2 一z i 和z 一互在1 4 的 范围内，具有较大的传动啮合角。若各级的齿数差相等时，即z 2 一z 1 = z 4 一z 3 ， 其模数m 也应相等，齿轮副的中心距也相同，则可用同一把刀具和变位量加工。 3 2 2n n 型渐开线少齿差行星传动的传动比与配齿计算 n n 型少齿差传动的传动比特点及范围，尤其是两个内齿轮副的齿数差，双联 行星轮两个外齿轮的齿数差对传动比的影响及其规律性对n n 型传动的使用及设 计都很重要。另外，n n 型传动的齿数对传动比影响很大，任一齿数的微小改变都 会引起传动比大幅度变化，所以绘定传动比时4 个齿轮齿数的确定，郎其配齿计 算是一项复杂的工作。 传动比计算公式 少齿差行星传动是属动轴轮系，啮合过程中行星轮的中心作圆周运动。采用 转化机构法计算传动比：给整个行星齿轮传动机构加上一个与行星架转动速度n 。 相反的速度一n 。，使其转化为相当于行星架固定不动的定轴线齿轮传动机构，这 样就可以用计算定轴轮系的传动比公式计算转化机构的传动比1 1 3 】。可以求得机构 传动比珏，为； 和卺= 壶= 番毫 d 互互 式中 n 。玛分别为偏心轴h 与内齿轮2 的转速： z 1 ，磊分别为双联行星轮两个外齿轮的齿数； z ：。z | 玢别为两个内齿轮的齿数。 n n 型传动由两个内齿轮副组成，构成双内啮合行星齿轮传动。两个内齿轮副 内、外齿轮的齿数差分别为z 2 一z l ，互一互。实用中齿数差有两种取值情况，一 种是两个内齿轮副的齿数差相同，即z 2 一五= z 4 一互的情况；另一种是两个内齿 轮副的齿数差不相同的情况，本课题属于前者。设； 齿数差幺一z l = z 4 一z 3 = x错齿数z 3 一z l = j ( 3 2 ) 变换上式可得各齿轮齿数与k j 的关系为 z 2 = z t + k ，z 3 = z l + j ，z i = z + k ( 3 3 ) 将( 3 2 ) 与( 3 3 ) 式中有关公式代入( 3 1 ) 式，可得 妊裁= c z , - z , ) z , l - c z - z , ) z , = 趾警出( 3 4 ) k 2 露赢2 2 _ 严4 通过上述处理，传动比k 成为齿数z 1 、齿数差k 与错齿数j 的函数，由于考 虑了齿数差与错齿数对传动比的影响，显然比( 3 1 ) 式更为适用。 重庆大学硕士学位论文 3n n 型渐开线少齿差传动机构设计 由( 3 4 ) 式可知：k 值越小，j 的绝对值i j i 越小，z l 越大时，传动比f 。：越大， 但需注意，齿数差k 越小，则减速器的啮合效率越低1 1 5 】( 其原因是随齿数差减少 啮合角n 增大，齿轮的径向压力相应增大，使齿面产生径向滑动，增加构件的摩 擦损失) ，故这种内齿轮副用于行星轮系减速器中的动力传动时，一般取齿数差 k 2 ；如果取j 为正值，邸忍 互，传动比f h 2 均为正值，此时输入轴与输出轴 转向相同。反之j 取负值时由于齿数z 一般远大于j 的绝对值，因此传动比均为 负值，所以设计时欲使传动比为正值，应取j 0 ，即互 五，反之欲使传动比为 负值，应取j 为负值，即五互。 配齿计算 在进行n n 型传动设计时，首先需要解决的，也必须解决的问题是如何根据 给定的传动比确定四个齿轮齿数。 由( 3 4 ) 式，设k ，j 为常数，可以得到关于z 1 的一次二元方程： z ? + ( 置+ 刀z 1 + 尉( 1 一 h 2 ) = 0 根据求根公式，舍去负根，可得齿数z l 为 1 ，_ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 一 z ；= 妻【一( 趸+ ，) + ( 足+ t 移一4 j 乞，( 1 一妨2 ) 】 ( 3 5 ) 二 只要预先选定k ，j 之值，将k , j 与给定传动比0 ，的数值一并代入上式，即 可求出z 1 。如果z l 带有小数部分应取整，然后与k j 一并代入( 3 4 ) 式计算实际 传动眈，取整后计算出的实际传动比与给定值必有误差，只能得到近似解；如果 由( 3 5 ) 式求出的恰为整数，计算出的实际传动比必定与给定值完全相同，此时 可得到准确解。最后将z l ，k 与j 代入( 3 3 ) 式，即可确定其余齿数z 2 ，互与互 之值。 3 3 渐开线少齿差行星传动的两个主要限制条件 3 3 1 主要限制条件问题的讨论 n n 型传动的两个内齿轮副都属于渐开线少齿差内齿轮副，对于一个渐开线少 齿差内齿轮副而言，其干涉限制条件很多，如果将内、外齿轮分开计算，其干涉 限制条件可多达十几条。但理论分析与应用实践表明，其齿轮副存在几个主要干 涉限制条件，与其它条件掇比，它们构成更强的约束，在它们褥到满足后，其余 条件可自行满足或易于通过。 图3 2 给出了4 幅封闭图例，虻= o 8 和 二= o 6 ( 短齿) 的封闭图各两张分 别为1 齿差和3 齿差情况。正常齿( 二= 1 ) 的情况实际应用很少，本文不予讨论。 封闭图中，外齿轮齿数为互，交位系数为五，内齿轮齿数为z 2 ，变位系数 重庆大学硕士学位论文3n n 型渐开线少齿差传动机构设计 ；卸b - ； = 5 9 。 1 ，j z ：i 8 0 。 l 鬈 一l - ， j卅艮6 l 2 = 2 7 2 _ l 0 lj 够 s l c ， j 暑o b o l2 5 7 泫3 ：t = 6 0 1 当 一l 。c _ 一 s 一1 b j to b ：。 = 5 72 - 。，。：一s 0 一l 之 一1 圈3 2 渐开线少齿差内齿轮副封闭圈 f i g3 2c l o s u r ep l a n so f i n t e r n a lg e a rp a i r 限制线l 表示齿廓重迭干涉条件g i l 2 = 0 限制线厶嚷示重合度1 2 = 1 限制线3 _ 表示外齿轮齿顶与内齿轮齿根之顶隙q 2 = o 2 5 m 限制线4 _ 表示外齿轮插齿时不产生顶切的极限情况 限制线5 - 表示内齿轮插齿对不产生径向切入顶切的极限情况 为x 2 ，内、外齿轮均用插齿刀加工，插齿刀齿数z 0 ；2 5 ，齿顶高k = 1 2 5 m ( m 为模数) ，变位系数x o = 0 。封闭图绘制时考虑了各种可能存在的限制条件，图中 各限制曲线分别表示各限制条件的极限情况，不构成实际约束的限制条件，图中 不予表明。现以筏= o 8 的短齿，3 齿差时的封闭图为例说明( 图3 2 中b 图) 。图 b 中限制线l 表示齿廓重迭干涉条件g s 。：= 0 ，限制线2 表示重合度= l ，限制 线3 表示外齿轮齿顶与内齿轮齿根之顶隙c l ：= 0 2 5 m ，限制线4 和5 分别表示外 齿轮插齿时不产生顶切和内齿轮插齿时不产生径向切入顶切的极限情况，各限制 线包围的范围为设计可行域。 观察封闭图可知，在齿顶高系数较大，且齿数差较大时( 与齿数多少有关) ， 1 4 重庆大学硕士学位论文 3n n 型渐开线少齿差传动机构设计 封闭图右方由3 个限制曲线构成约束，它们分别代表g l ，：= 0 ，毛：= 1 和 c 1 ，= 0 2 5 m ，如懿= o 8 的短齿，3 齿差时即是如此，见图3 2 中b 图。齿顶高系 数很小时( 例如k = o 6 的短齿) ，或齿数差极小时( 例如h ：= o 8 的短齿，l 齿差 的情况) ，c 1 ，= 0 2 5 m 的限制将退居次要地位，构不成实际约束，在封闭图右方仅 由两个限制曲线构成约束，它们是e 。= o