毕业设计（论文）-微摩擦测试仪机械装置设计

[27]QUOTE(4.9)式中:JM—浙合到电机轴上的总转动惯量(kg·m2)ωm—电动机的角速度(rad/s);n。—电动机转速(r/min);t。—加速时间(s).5.启动时电动机的负载转矩计算启动转矩包括电机的惯性力矩、轴承摩擦力矩及摩擦头的摩擦力矩。所以T启动=TG+T轴承+T摩擦头=20+6.54+25=51.54N·mm<T额定=200N·mm满足要求。电动机的调速一、直流电机调速系统方案的简介直流电机的转速公式为:QUOTE(4.10)式中:U—加在电枢电路上的电压;R—电动机电枢电路总电阻;Ф—电动机磁通;Ce—电动势常数;CT—转矩常数;T—电动机转矩。该公式也可以是直流电动机的调速公式，改变加在电动机电枢回路的电阻R，外加电压U或磁通中，都可以改变电动机的机械特性，从而对电动机进行调速.1，改变电枢电路电阻调速从式子(4.10)可知，当电枢电路串联附加电阻R时，见图4.3,其机械特性方程式变为QUOTE(4.11)式中:R0—电动机电枢电阻;R—电枢电路外串附加电阻。即电动机电枢电路中，串联电阻时特性的料率增加;在一定负载下，电动机的转速增加;因而实际转速降低了，如图4.3所示。R1＜R2＜R3＜R4nT1R1R2R3R4T图4.32.改变磁通调速在电动机励磁电路中，改变其串联电阻的大小，见图4.4a，或采用专门的励磁调节器来控制励磁电压，见图4.4b，都可以改变励磁电流和磁通.ФEVU1VCab图4.4直流电机改变励磁的调速简图a)励磁电路串联电阻调速b)用放大器控制励磁电压调速此时，电动机的电枢电压通常为恒定值，而且不串附加电阻，因为QUOTE(5.12)所以，理想空载转速与磁通成反比，即减弱磁通时，理想空载转速增加，机械特性抖率与磁通平方成正比，即随着磁通减弱，抖率急剧增加，此时转矩和电流与转速的关系如图4.5所示。

n0Ф2Ф2n0Ф1Ф121n0ФN21ФN33T2T1TNTb)图4.5调速时的n=f(T)与n=f()曲线a)n=f(T)曲线b)n=f()曲线在调速过程中，为使电动机容量得到充分利用，应该使电枢电流一直保持在额定电流IN，如图4.5中，垂直虚线，此时磁通与转速双曲线关系，如图4.5a中用曲线表示的双曲线.在曲线的左边各点工作时，电动机负载不足，容量没有得到充足牙l!用;在曲线右边个点工作时，电动机过载不能长期运行。因此，改变磁通调速适合于功率负载，实现恒功率调速。3.改变电枢电压调速当改变电枢电压U时，理想空载转速n也将改变，而机械特性的料率不变，此时机械特性方程式为QUOTE(5.13)其特性曲线是一组以U为参数的平行线，如图4.6所示。由此可见，在整个调速范围内均有较大的硬度，在允许的转速变化范围内，可以获得较低的稳定转速.这种调速方法的调速范围较宽，一般可达10～12。如采用闭环控制，调速范围可达几百至几千.改变电枢电压调速方式属于n恒转矩调速，并在空载或负载转T1矩变化时也能得到稳定的转速，UN通过电压正反方向变化，使电动U1机能平滑地运动和工作在四个U2象限，能实现回馈制动，而且控U3制功率小，效率高，配上各种调节器可组成指标较高的调速系0T统，因此在工业中得到广泛地应用图4.6直流电动机调压调速的机械特性改变电动机的电枢电压，需要有可变电压源，一般采用的有直流发电机，晶闸管变流器，PWM变换器，直流斩波器等.二、直流电机调速系统方案的确定因为此仪器要求在一定范围内平滑调速，所以选用PWM直流伺服调速系统。PWM直流伺服调速系统的工作原理是年利用大功率开关管开关时间的控制，将直流电压转换成一定频率的地方波电压，加在直流电机的电枢两端，通过对方波脉冲宽度的调整，即改变方波的“占空比”，来改变电枢上的平均电压，已达到调速的目的。本文使用单片机的PWM直流电机闭环调速系统。本系统结构简单，价格低廉，在实际应用中效果良好。采用硬件电路实现直流电机闭环调速系统已在实践中应用多年，其硬件组成复杂，调整困难，缺乏控制的灵活性。本文使用单片机的PWM直流电机闭环调速系统，结构简单，价格低廉，在实际应用中效果良好。本文的直流电机PWM闭环调速系统，使用低价位的单片微机89C2051为核心，实现闭环控制，并可进行数字显示和速度预置，使用方便。电机调速采用脉宽调制方式，与晶闸管调速相比技术先进，可减少对电源的污染。本调速系统已用于实际系统中，工作可靠，使用效果良好。主要有PWM信号发生、闭环调速微机控制、直流电机驱动等几部分组成。1.PWM信号发生电路PWM波可由具有PWM输出的单片机(如80C198等)通过编程产生，也可采用PWM专用芯片来实现。PWM波的频率太高时，对直流电机驱动的功率管要求太高，太低时产生电磁噪声较大。实践应用中PWM波的频率在18kHz左右效果最好。经综合分析，本系统采用两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。两片比较器U3,U2的A组接4040计数输出Q2～Q9端，B组接单片微机的P1端口。改变Pl端口的输出值，可使PWM信号的占空比产生变化，进行调速控制.计数器4040的计数输入端CLK接单片机ZO51晶振的振荡输出XTAL2。晶振选用18MHz时，经QO～Q2的8分频，Q2～Q9的256分频，产生的PWM波形的频率为17.6kHz，适合光藕及功率开关管的合理工作范围。计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2～Q9加1，当计数值小于或等于单片机P1端口输出值X时，U2的(A>B)输出端保持为低电平，当计数值大于X时U2的((A>B)输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2～Q9由全“1”变为全"0”时，(A>B)输出端又变为低电平，这样，在U2的(A>B)端得到PWM的信号，其占空比为(255-X/255)x10001，改变X值可改变PWM信号的占空比，进行直流电机的转速控制。使用此方法单片机只需根据调整量输出X值，PWM信号由三片通用数字电路生成，使软件大大简化，有利于单片机系统正常工作。由于单片机上电复位时P1端口输出全“1"，使用4585的B组与P1端口相连，升速时PO端口输出X按一定规律减少，降速时按一定规律增大。2.单片微机闭环速度控制电路本系统的闭环控制选用低价位的单片机89C2051，与带PWM输出的80C552及SOC198相比，无需外扩EPROM，且价格低的多。2051单片机片内有2K的flash程序存储器，15个Ii0口，两路16位的定时/计数器，指令及中断系统与8031兼容，给闭环速度控制带来很大的灵活性.闭环速度控制中测速传感器选用磁敏电阻传感器，测速盘固定在被测转轴上，每转1周输出60个脉冲信号。转速脉冲信号输入到2051单片机的INTO中断口P312端口上。软件设置INTO为下降沿中断，进入中断服务程序后开启定时/计数器0进行定时，测出每转的周期，再由软件计算出控制值X，由P1端口输出PWM波占空比的控制数.软件中还可进行显示线速度或角速度的转换计算，由八位驱码驱动器带动LED数码管进行显示。预置速度由按健S1,S2输入，进行“+’’、“-”控制，预置数也由LED数码管显示.显示使用了高集成度的MAX7219串行LED显示驱动器，带动八位LED数码管进行显示，前四位显示当前运行速度，后四位显示预置速度。MAX7219是24脚窄封装芯片，串行口工作频率最高1OMHz,八位LED显示，通过对译码模式寄存编程，可控制各位显示方式(BCD码或非译码)，显示是片内动态扫描模式，通过一个电阻和编程可控制亮度，并可多个芯片串联显示多达64位共阴极LED数码管。MAX7219的数据输入端DIN、时钟端CLK、数据锁定端L分别与2051单片机的P3.0,P3.1,P3.5端口相接。改变电阻R6的阻值可调整显示亮度，R6取值在3.9～10K几之间。使用MAX7219不可减少硬件电路，由于是片内动态扫描显示，并可降低功耗和简化软件设计.2051单片微机的上电复位使用了MAX812电压监控器，上电时约有200ms的延迟，以保证复位正常进行。为了防止掉电后预置数丢失，使用了备用电池保护2051单片机片内RAM数值.电源经变压整流后，一路经DC-AC开关电源输出5V直流电压给单片机系统供电，一路经三端稳压元件7812稳压输出12V电压供驱动大功率开关管使用。单片机系统电源与驱动电路部分电源隔离，以提高系统工作的可靠性和安全性.3.直流电机驱动系统电路U2生成的PWM信号经施密特反相器U6-3驱动光电藕合器O1，送至直流电机驱动电路。大功率开关管选用N沟道VMOS功率场效应管，它为压控元件，具有很高的输入阻杭，因而驱动功率很小，对驱动电路要求也较低。经光电藕合器传送的PWM信号，经并联使用的六施密特反相器，接到VMOS功率管Y1的栅极上，直接驱动即可。稳压管D4和电阻R8起保护作用。VMOS功率管的源极接直流电机绕组，经感杭器接电机直流电源负端。漏极接电机直流电源正端。快速关断二极管D3起保护作用，消除VMOS功率管开关过程由电机绕组产生的感生电势。电源是交流电压经C7,ZL,C8组成的滤波器后，由高压桥整流器件Z2整流，高压电解电容滤波后供VMOS功率管.VMOS功率管，快速关断二极管及高压电解电容器及整流桥等根据选用直流电机的电压、功率等要求确定相应型号和参数。本文所述的直流电机闭环调速系统以低价位单片微机89C2051为核心，PWM波的生成使用三片通用数字电路，显示使用了高集成度的八位LED串行译码驱动器MAX7219，电机驱动使用VMOS场效应管，反馈信号使用磁阻转速传感元件，实现了非接触测量，使系统设计合理。使用单片机定时器对传动轴的周期进行检测，可由软件计算出相应的线速度或角转速进行显示，并可进行速度定量预置。软件中可用PLD算法或查表的方法确定闭环控制的补偿量。这些是由数字线路组成的直流电机闭环调速系统所不及的。以前有人使用单片机的定时/计数器直接生成PWM波，这样使软件频繁工作在中断服务程度中，整体效果不太好。使用少量硬件后单片机仅输出X值，使软件工作量大大减少，程序中有充足时间进行闭环控制的测控和计算，使程序设计和软件运行合理可靠.小结转动系统是微摩擦测试仪的主体，是测试仪的设计难点之一它包括了整个转动装置，以及使其转动的电机驱动系统.由于采用悬臂梁测量结构，转动装置的轴向跳动量和径向跳动量显得尤为重要，它直接影响到测力传感器的精度和稳定性.转动装置还要考虑到振动因素，主体选用了整体式的壳体结构。传动选用皮带传动，减小电机的振动对主轴的影响.驱动电机选择调速性能好的直流伺服电机.电机调速采用脉宽调制方式，与晶闸管调速相比技术先进，可减少对电源的污染.直流电机PWM闭环调速系统，使用低价位的单片微机89C2051为核心，实现闭环控制，并可进行数字显示和速度预置，使用方便。微摩擦测试仪要研究在不同转速条件下的摩擦特性，良好的调速系统将有助于实验研究。结论此微摩擦力测试仪是在查阅了大量的文献资料的基础上，通过对目前已经研制出的一些结构进行分析比较，而设计出来的。在微摩擦测力传感器的设计上采用了平行板弹簧结构，把施力与测力通过一个测力臂来完成，可同时测量正压力和摩擦力.在主体结构上，采用半封闭式结构，使装置简洁化.在位置调整系统中，目前采用了手动调整方式，但不能做到很好的连续进给。今后在课题的深入开发过程中，可以采用伺服电机控制的自动连续进给方式.这样一来，X,Y,Z实现自动控制，可以实现纳米级微小切削。该测试仪不仅适用于摩擦系数的测量，而且还可用来进行摩擦与磨损试验，也可实现微小切削.论文主要完成了以下主要工作及解决的问题:1.通过广泛的调研和深入的讨论，针对微小摩擦测试的特点、难点，确定了微小摩擦测试仪的总体设计方案.2.根据总体设计方案，对实验仪的各部分进行了详细分析，使机构做到了小型化.3.在测力传感器上采用了平行板弹簧结构，使得摩擦头在被施力的状态下，保持和摩擦盘的接触状态不变。4.电机调速采用脉宽调制方式，使用低价位的单片微机89C2051为核心，实现闭环控制，并可进行数字显示和速度预置，使用方便.脉宽调制方式与晶闸管调速相比技术先进，可减少对电源的污染。本调速系统工作可靠，使用效果良好。5.完成了测力传感器的测试电路的设计，以及标定工作，为实际测量做好准备.目前，该测试仪的中体设计部分已经全部完成，正处在不断完善工程中。由于本课题涉及的内容比较广泛，加之本人的能力有限，该测试仪还存在许多需要完善的地方。比如，传感器的测试电路的噪声干扰问题、温漂问题，进给装置的自动控制的实现等问题，都有待于进一步的完善。致谢这篇论文是在导师刘文光硕士生导师的悉心指导下完成的，从论文的选题到课题的研究及最终论文的定稿都倾注了刘老师的大量心血和汗水。在将半年多的时间里，老师为我提供了良好的实验条件和宽松自由的学术环境，使得论文得以顺利地完成。刘老师渊博的学识，深入细致的思维方法，一丝不苟的治学态度和实事求是的工作作风是我受益匪浅。同时，刘老师饱满的工作热情和忘我的工作作风、和蔼可亲的性格也深深的影响我。借此机会我向刘老师表示衷心地感谢!在将半年多的论文写作学习期间，还得到了王佳莹硕士、黄红福硕士在科研上和生活上的大力支持。在此向他们表示诚挚的谢意!对研究生部的各位老师两年以来在学习、工作和生活上的关心和帮助以诚挚的谢意，同时对关心和帮助我的各位同学深表谢意!参考文献温诗著,黄平主编.摩擦学原理[M].北京：清华大学出版社，2002濮良贵,纪名刚主编.机械设计（第七版）[M].北京：高等教育出版社,2006孙桓,陈作模,葛文杰主编.机械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006杨捷斐.微动摩擦测试仪的研究设计[D].北京：北京邮电大学硕士学位论文，2008刘文广,刘莹,李小兵.微摩擦测试仪的研制[J].南昌大学学报（工科版），2004，26邹继斌，孙桂瑛，齐毓霖，等.微负荷摩擦测试系统[JJ.摩擦学学报，1998，18(4):369一372.DAVIDG.U.THEMECHANICALDESIGNPROCESS[M].NewYork:MCGRAW-HILL，INC,1992孟庆杰,于化东.微小摩擦力测试仪的研制与开发[D]长春理工大学硕士学位论文，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张宝铭，李勇。电刷摩擦系数测量。哈尔滨工业大学学报。1995:105~108石来德，袁礼平