電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)限位部分的改良設(shè)計(jì)

1、1前言1.1選題背景我國(guó)電動(dòng)執(zhí)行器的研制開(kāi)發(fā)起步比較晚，是從蘇聯(lián)有觸點(diǎn)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿制開(kāi)始的，從60年代末、70年代初開(kāi)始，逐步發(fā)展了DDZ- II和DDZ- III系列產(chǎn)品。80年代以來(lái)，隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)執(zhí)行器的發(fā)展也十分迅速，市場(chǎng)上逐漸形成了無(wú)觸點(diǎn)的DKJ型角行程和DKZ型直行程兩大類產(chǎn)品，這是我國(guó)生產(chǎn)的唯一的、最早的電動(dòng)執(zhí)行器，其特點(diǎn)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等，由于這些優(yōu)點(diǎn)而被早期的國(guó)營(yíng)大型企業(yè)使用。隨著現(xiàn)代工控計(jì)算機(jī)管理的發(fā)展，我國(guó)的儀器儀表行業(yè)的整體綜合技術(shù)水平也得到了普遍上升，所以在儀器儀表產(chǎn)品中開(kāi)始普遍采用微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了多數(shù)產(chǎn)品的智能化?，F(xiàn)

2、在，DKJ、DKZ系列與以前相比有了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，這主要體現(xiàn)在一下兩方面：（1）生產(chǎn)出的智能電子型、戶外型、隔爆型等改進(jìn)產(chǎn)品直接受計(jì)算機(jī)的控制；（2）電路控制部分被封裝在一個(gè)小型塑料盒中，即形成了便于維護(hù)的即插即用型的模塊。所以，很大程度上提高了普通DKJ型和DKZ型的可靠性、負(fù)載能力、精度、信號(hào)品質(zhì)系數(shù)等，與此同時(shí)也降低了對(duì)環(huán)境條件的要求1。 自1929年LIMITORQUE公司制造出世界上第一臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以來(lái)，國(guó)際上的電動(dòng)執(zhí)行器的技術(shù)水平也得到了迅猛發(fā)展。從20世紀(jì)80年代起，國(guó)外陸續(xù)推出了符合各種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這些新產(chǎn)品在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)都取得了非常好的應(yīng)用效果2。隨著高新

3、科技的迅猛發(fā)展，國(guó)外目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出新一代智能化電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品，在這些產(chǎn)品中電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)在閥門(mén)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，他們的優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單可靠、技術(shù)先進(jìn)。國(guó)際著名的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)公司，英國(guó)的ROTORK（羅托克）生產(chǎn)的ITQ系列智能化電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅擁有智能控制、智能通信、支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線的功能，而且其獨(dú)有的雙密封系統(tǒng)和紅外線非侵入式設(shè)定使其可以在任何環(huán)境中被使用，防水防爆，調(diào)試以及故障排除簡(jiǎn)單，終身可靠3。另一家國(guó)際著名公司德國(guó)Hartmann&Braun公司的新一代智能型電動(dòng)執(zhí)行器MOE700實(shí)現(xiàn)了電子一體化，變頻變速定位監(jiān)控等功能。在該領(lǐng)域擁有世界先進(jìn)水平的公司還有

4、美國(guó)的JORDAN和LIMITORQUE公司等4。JORDAN公司的智能型電動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)作頻率是20004000/h，頻率非常之高，相比國(guó)內(nèi)的電動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)作頻率都在2000/h以下，一般動(dòng)作頻率達(dá)到1200/h就已經(jīng)算是很高的了5。歸結(jié)起來(lái)，國(guó)際上智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：（1）智能控制和智能通信。利用微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)，智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信、在線自動(dòng)標(biāo)定、PID調(diào)劑以及自動(dòng)校正和自動(dòng)診斷等多種控制技術(shù)要求的功能，能有效提高控制水平。（2）機(jī)電一體化性能。新型智能化電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將伺服放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)合為一體，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路使用功能強(qiáng)大的集成模塊，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且控制性能更

5、好。（3）更為先進(jìn)的控制策略。先進(jìn)的控制方法有利于解決電機(jī)的慣性問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位，提高控制精度。例如：Nucom電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用先進(jìn)的電制動(dòng)技術(shù)，其控制精度可以達(dá)到1/250，而國(guó)產(chǎn)的DKJ和DKZ型電動(dòng)執(zhí)行器的控制精度一般為2.5/100。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為電動(dòng)閥門(mén)的動(dòng)力裝置，是工業(yè)自動(dòng)化儀表中的執(zhí)行單元。它接受來(lái)自工控機(jī)、計(jì)算機(jī)、調(diào)節(jié)器等儀表系統(tǒng)的控制信號(hào)，自動(dòng)完成調(diào)節(jié)過(guò)程，直接影響著閥門(mén)的使用性能。因此，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性，甚至關(guān)系到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。1.2選題意義 隨著能源化工、鋼鐵和建筑等現(xiàn)代化工業(yè)高速發(fā)展以及與其有密切聯(lián)系的水、氣、油等流體

6、在工業(yè)上的應(yīng)用，管道系統(tǒng)中的電動(dòng)閥門(mén)也將扮演著很重要的角色。從而對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能和使用要求也會(huì)相應(yīng)的提高，迫切需要新一代的智能化產(chǎn)品來(lái)替代目前正在使用的產(chǎn)品，因此研制開(kāi)發(fā)性能先進(jìn)、功能完善的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離控制、現(xiàn)場(chǎng)操作、集中控制功能的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來(lái)滿足國(guó)內(nèi)和國(guó)外廣大用戶生產(chǎn)使用的要求，也對(duì)形成我國(guó)自己的產(chǎn)品具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容和目的 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)具有廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外也紛紛對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)要求改進(jìn)角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械限位部分，即將機(jī)械限位改為電子限位。根據(jù)查閱國(guó)內(nèi)外電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的工廠希望在

7、控制系統(tǒng)得到閥門(mén)、龍頭以及驅(qū)動(dòng)器當(dāng)下位置的反饋信號(hào)。因?yàn)閭鞲衅鞯墓ぷ魉俣群涂煽啃缘膬?yōu)勢(shì)明顯：全固態(tài)，因此無(wú)磨損或誤差修改；快速輸出開(kāi)關(guān)狀態(tài)；磁滯和重復(fù)性可以比機(jī)械設(shè)備更多的進(jìn)行電子定義；無(wú)焊接或輸出端腐蝕；很少或者根本不受堵塞或濕度影響；無(wú)觸點(diǎn)抖動(dòng)，使得維護(hù)和調(diào)試更加簡(jiǎn)單，快捷。預(yù)期研究結(jié)果：（1）保證閥門(mén)開(kāi)度不會(huì)超過(guò)它的極限位置；（2）保證力矩輸出不會(huì)超出設(shè)定上限3000N；（3）實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)溫保護(hù)；（4）增設(shè)了報(bào)警電路，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度超過(guò)指定范圍或者扭矩過(guò)大時(shí)，進(jìn)行報(bào)警警告。2電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)本章節(jié)主要介紹了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)部分零件的計(jì)算與選型，傳動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)示意如圖2.1

8、所示。圖2.1 機(jī)械傳動(dòng)部分示意圖2.1 電機(jī)型號(hào)的確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸扭矩、一級(jí)蝸輪蝸桿采用4頭蝸桿，減速比為10，蝸桿傳動(dòng)效率為0.76（1個(gè)）， 滾子軸承的傳動(dòng)效率0.98（4個(gè)），彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率0.99(3個(gè))，二級(jí)蝸輪蝸桿減速比為31，蝸桿傳動(dòng)效率為0.73（1個(gè)），齒輪傳動(dòng)效率0.9（2個(gè)），一級(jí)圓柱齒輪的傳動(dòng)比為3，所以總傳動(dòng)率為0.6。2.1.1折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩為 （2.1）式中：，分別為電機(jī)輸出軸扭矩和執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸扭矩，；執(zhí)行機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比；執(zhí)行機(jī)構(gòu)總的傳動(dòng)效率。2.1.2 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算功率為 （2.2）查手冊(cè)7，選擇Y100L2-4型三相異步電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)額定功率為，

9、額定轉(zhuǎn)速為。2.2 一級(jí)蝸輪蝸桿減速裝置的設(shè)計(jì)2.2.1 選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù)GB/T 10085-1988的推薦，采用漸開(kāi)線蝸桿（ZI）。漸開(kāi)線蝸桿傳動(dòng)相比于阿基米德蝸桿傳動(dòng)和法向直廓蝸桿傳動(dòng)，其效率和承載能力有了明顯提高，但是由于蝸桿本身以及與其相配的蝸輪的加工有一定難度，使其價(jià)格較高。2.2.2 選擇蝸輪蝸桿材料蝸桿用45號(hào)鋼、淬火、硬度4555HRC，渦輪用鑄造鋁鐵青銅（ZCuAl10Fe3），它的耐磨性較錫青銅差一些，但價(jià)格便宜，一般用于傳動(dòng)速度不高的場(chǎng)合。2.2.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) （2.3）式中：一級(jí)蝸輪上的扭矩，；K載荷系數(shù)；材料的彈性系數(shù)，；蝸桿傳動(dòng)的接觸線長(zhǎng)度和

10、曲率半徑對(duì)接觸強(qiáng)度的影響系數(shù)，簡(jiǎn)稱接觸系數(shù)；蝸輪齒面的許用接觸應(yīng)力，。（1）確定作用在一級(jí)蝸輪上的扭矩按傳動(dòng)效率 減速比為10，則 （2.4）（2）確定載荷系數(shù)K因?yàn)楣ぷ鬏d荷較穩(wěn)定，故取齒向載荷分布系數(shù) ；由表11-56選取使用系數(shù)；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)。則 （2.5）（3）確定彈性影響系數(shù)ZE因選用的是鑄造鋁鐵青銅和鋼蝸桿相配，故。（4）確定接觸系數(shù)先假定蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距的比值，查圖6得11-18。（5）確定許用接觸應(yīng)力查表11-76蝸輪的基本需用接觸應(yīng)力。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為 （2.6）式中：j蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，每個(gè)輪齒嚙合的次數(shù)； 工作壽命。壽命系數(shù) （2.7）則 （2.

11、8）（6）計(jì)算中心距 （2.9）查表取標(biāo)準(zhǔn)，因傳動(dòng)比為10，故從表11-26中取模數(shù)，蝸桿分度圓直徑。這時(shí)，從圖11-186查出接觸系數(shù)，因?yàn)?，所以以上?jì)算結(jié)果可用。2.2.4 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)和幾何尺寸（1）蝸桿軸向齒距 （2.10）直徑系數(shù) （2.11）齒頂圓直徑 （2.12）齒根圓直 （2.13）蝸桿軸向齒厚 （2.14）分度圓導(dǎo)程角。（2）蝸輪蝸輪齒數(shù)；變位系數(shù)；驗(yàn)算傳動(dòng)比傳動(dòng)比沒(méi)有誤差。蝸輪分度圓直徑 （2.15）蝸輪節(jié)圓直徑 （2.16）蝸輪喉圓直徑 (2.17)蝸輪齒根圓直徑 (2.18)蝸輪咽喉母圓半徑 (2.19)圖2.2 蝸輪蝸桿尺寸示意圖2.2.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)

12、度 （2.20）式中：蝸輪上的扭矩，； 蝸桿，蝸輪的分度圓直徑，mm； 齒形系數(shù)； 螺旋角系數(shù)。計(jì)算當(dāng)量齒數(shù) （2.21）根據(jù) ，從圖11-196查的齒形系數(shù)。螺旋角系數(shù) （2.22）從表11-86查的由鑄造鋁鐵青銅的基本許用彎曲應(yīng)力。壽命系數(shù) （2.23）許用彎曲應(yīng)力 （2.23） （2.25）彎曲強(qiáng)度是滿足的。2.2.6 驗(yàn)算效率 （2.26）已知；與相對(duì)滑動(dòng)速度有關(guān)： （2.27）從表11-186查的 ；代入式中得，大于原估計(jì)值，因此不用重算。2.2.7 對(duì)蝸桿軸校核（1）計(jì)算蝸桿和蝸輪的轉(zhuǎn)矩 （2.28） （2.29）（2）計(jì)算圓周力、徑向力、軸向力 （2.30） （2.31） （2.

13、32）（3）對(duì)蝸桿軸受力分析受力分析如圖所2.3示圖2.3 一級(jí)蝸桿軸的受力分析1）取垂直平面計(jì)算對(duì)A點(diǎn)取矩 （2.33）從而可得。 2）取水平面進(jìn)行計(jì)算 （2.34）對(duì)A點(diǎn)取矩 （2.35）求得，。3）畫(huà)彎矩圖和扭矩圖并分析危險(xiǎn)面 （2.36），C點(diǎn)處為危險(xiǎn)面。4）校核軸的強(qiáng)度 （2.37）式中：軸的計(jì)算應(yīng)力，； M軸所受的彎矩，； T軸所受的扭矩，。 （2.38）所以滿足強(qiáng)度要求。2.2.8 軸承的選擇及校核計(jì)算（1）軸承的選擇 采用角接觸球軸承，根據(jù)軸直徑為20，選擇角接觸球軸承的型號(hào)為7004C，主要參數(shù)為：；基本額定靜載荷；基本額定動(dòng)載荷；極限轉(zhuǎn)速為14000（r/min）。（2）軸

14、承壽命的校核1）已知 （2.39）查表4.6-37查的7004C型號(hào)軸承的；根據(jù)，查表13-5得，。軸承受力分析如圖2.4所示。FrFaeFr1Fd1Fd2Fr2圖2.4 軸承的受力分析2） （2.40） （2.41）因?yàn)?，所以軸承1被壓緊軸承2放松，所以有 （2.42）可得。3） = （2.43） （2.44）因?yàn)镻1P2，所以只需對(duì)軸承1進(jìn)行校核。 （2.45） （2.46）所以可得，即軸承滿足壽命要求。2.3 二級(jí)蝸輪蝸桿減速裝置的設(shè)計(jì)由于二級(jí)蝸輪蝸桿減速裝置的設(shè)計(jì)與一級(jí)蝸輪蝸桿減速裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程相似，所以在本章節(jié)里只列出該裝置的相關(guān)參數(shù)，具體計(jì)算過(guò)程以及相關(guān)校核請(qǐng)參考2.2節(jié)。2.3.

15、1 選擇蝸桿傳動(dòng)類型以及蝸輪蝸桿材料同樣的選用漸開(kāi)線蝸桿傳動(dòng)。蝸桿用45號(hào)鋼、淬火、硬度4555HRC，渦輪用鑄鋁鐵青銅（ZCuAl10Fe3）。它的耐磨性較錫青銅差一些，但價(jià)格便宜，一般用于傳動(dòng)速度不高的場(chǎng)合。2.3.2 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)和幾何尺寸根據(jù)計(jì)算并查表取標(biāo)準(zhǔn)，因傳動(dòng)比為31，故從表11-2中取模數(shù)，蝸桿分度圓直徑。（1）蝸桿軸向齒距；直徑系數(shù)；齒頂圓直徑；齒根圓直徑；分度圓導(dǎo)程角；蝸桿軸向齒厚。（2）蝸輪蝸輪齒數(shù)；變位系數(shù)；驗(yàn)算傳動(dòng)比傳動(dòng)比沒(méi)有誤差；蝸輪分度圓直徑；蝸輪節(jié)圓直徑；蝸輪喉圓直徑；蝸輪齒根圓直徑；蝸輪咽喉母圓半徑。2.4一級(jí)圓柱齒輪減速器參數(shù)計(jì)算2.4.1選擇精度等

16、級(jí)、材料及齒數(shù)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；減速器一般選用7級(jí)精度（GB10095-88）；選擇，傳動(dòng)比為3；選取螺旋角，初選螺旋角2.4.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即： （2.47）查閱資料可得，載荷系數(shù)；材料的彈性影響系數(shù)系數(shù) ；小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)；計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，；選取接觸疲勞壽命系數(shù)；取失效概率為1，安全系數(shù)s=1，計(jì)算可得接觸疲勞需用應(yīng)力，。2.4.3計(jì)算（1）計(jì)算小齒輪分度圓直徑d1t，代入中較小的值。 （2.48）（2）計(jì)算齒寬b及齒寬與齒高之比齒寬 （2.49）模數(shù)

17、 = （2.50）齒高 （2.51） （2.52）（3）查閱資料可得，使用系數(shù)，7級(jí)精度，動(dòng)載系數(shù)， ，對(duì)于直齒輪，所以通過(guò)計(jì)算可得載荷系數(shù)。（4）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 （2.53）（5）計(jì)算模數(shù) （2.54）2.4.4按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 （2.55）查資料可得，計(jì)算載荷系數(shù)；齒形系數(shù)，；應(yīng)力校正系數(shù)，；小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度，大齒輪的彎曲疲勞極限；彎曲疲勞壽命系數(shù)，（1）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)， （2.56） （2.57）（2）計(jì)算大、小齒輪的并加以比較 （2.58） （2.59） 大齒輪的數(shù)值大。（3）設(shè)計(jì)計(jì)算 （2.60）對(duì)比計(jì)算結(jié)果，

18、由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)，但為了同時(shí)滿足接觸疲勞強(qiáng)度，需按接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) （2.61）則大齒輪齒數(shù)。2.4.5幾何尺寸計(jì)算（1）計(jì)算中心距 （2.62）圓整中心距離。（2）計(jì)算大、小齒輪的分度圓直徑 （2.63） （2.64）（3）計(jì)算齒輪寬度 （2.65）圓整后取，。3電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制部分設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由數(shù)字控制部分和執(zhí)行部分組成，其基本組成如圖3.1所示8。控制部分采用了先進(jìn)的集成電路，以89C52RC+單片機(jī)為核心。我們可以預(yù)先設(shè)定閥門(mén)的靈敏度、零點(diǎn)和行程等整定參數(shù)，通過(guò)數(shù)字量的輸入信號(hào)設(shè)定閥門(mén)位置。 驅(qū)

19、動(dòng)電路外擴(kuò)RAM和EEPROM AD0AD7P1數(shù)據(jù)線89C52RC+單片機(jī)P2數(shù)據(jù)線 P0數(shù)據(jù)線零/滿位調(diào)整，位置反饋，控制信號(hào)電壓/電流的檢測(cè)鍵盤(pán)輸入A/D轉(zhuǎn)換器 圖3.1 控制器結(jié)構(gòu)示意圖電流、電壓及溫度、位置傳感器將檢測(cè)到的驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流、電壓以及步進(jìn)電機(jī)溫度、輸出軸位置信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，控制步進(jìn)電機(jī)正/反轉(zhuǎn)，并實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速以及閥的位置的控制。3.1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)限位部分的改良設(shè)計(jì)3.1.1 普通電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械限位的介紹普通電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械限位機(jī)構(gòu)由行程開(kāi)關(guān)限位機(jī)構(gòu)構(gòu)成，它的功能是作為電氣極限位置限位，當(dāng)角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸處于0或90的位

20、置為極限位置9。執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸到了其中一個(gè)極限位置時(shí)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)生動(dòng)作。即常閉觸頭變?yōu)槌ｉ_(kāi)觸頭，從而切斷電動(dòng)機(jī)的供電電源，起到保護(hù)作用。行程開(kāi)關(guān)限位機(jī)構(gòu)由凸輪組件和行程開(kāi)關(guān)兩大部分構(gòu)成，其動(dòng)作過(guò)程是在輸出軸后端安裝一只凸輪組件，凸輪組件與主軸同步旋轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪組件中某一只凸輪與行程開(kāi)關(guān)組件某一只開(kāi)關(guān)相碰時(shí)，行程開(kāi)關(guān)從常閉狀態(tài)變?yōu)槌ｉ_(kāi)狀態(tài)10。凸輪組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.2所示。1，2 齒輪軸 3，4 內(nèi)齒輪凸輪圖3.2 凸輪組件結(jié)構(gòu)示意圖3.1.2 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電子限位部分的改良設(shè)計(jì) 普通的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中位置傳感器的選用通常為角位移型變阻器式傳感器，這種位移傳感器的工作原理是通過(guò)改變電位計(jì)元件的電

21、刷位置，實(shí)現(xiàn)將位移轉(zhuǎn)換為電阻11。這種傳感器實(shí)際上是由一個(gè)金屬電阻絲或一個(gè)繞線電阻與一個(gè)電刷（或觸頭）組成的可變電阻。觸頭的移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)位移量轉(zhuǎn)換為電阻變化。如圖3.3中的電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測(cè)物體相連。物體的位移引起電位器移動(dòng)端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，以把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。圖3.3 角位移型變阻式傳感器角位移型變阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；受環(huán)境因素（如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等）影響小；可以實(shí)現(xiàn)輸出-輸入之間任意函數(shù)關(guān)系；輸出信號(hào)大，一般不需要放大。缺點(diǎn)是

22、由于其電刷移動(dòng)時(shí)電阻以匝電阻為階梯而變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統(tǒng)中用作位移反饋元件，則過(guò)大的階躍電壓會(huì)引起系統(tǒng)振蕩；因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻之間的摩擦，因此需要較大的輸入能量；由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會(huì)降低測(cè)量精度，分辨率較低；動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測(cè)量變化緩慢的量。而該智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置傳感器選用的是霍爾式角位移傳感器12。該位移傳感器的測(cè)量原理是傳感器的位置固定，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出軸上貼有若干對(duì)小磁鋼，小磁鋼越多，則精度及分辨率越高。為了判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，采用了兩個(gè)相同的霍爾傳感器H1和H2。測(cè)量角度時(shí)，每當(dāng)一個(gè)磁鋼轉(zhuǎn)過(guò)霍爾傳感器時(shí)，引起磁場(chǎng)的變

23、化，傳感器便輸出一個(gè)脈沖，計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度。該裝置示意如圖3.4所示。1，2霍爾傳感器 3.小磁鋼 4.轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)圖3.4 霍爾式角位移傳感器采用霍爾傳感器來(lái)獲得位置信號(hào)，霍爾式角位移傳感器能夠?qū)⑤敵鲚S的轉(zhuǎn)過(guò)的角度準(zhǔn)確的傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度超出設(shè)定的范圍，立即切斷異步電機(jī)的供電電源，保證閥門(mén)的安全關(guān)閉或全開(kāi)13?；魻杺鞲衅鞯膬?yōu)點(diǎn)是具有無(wú)接觸無(wú)磨損，分辨率高壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量位移、速度、轉(zhuǎn)向等參數(shù)，通過(guò)微處理器處理，可進(jìn)行任意確定工作區(qū)間、改變一定轉(zhuǎn)速等設(shè)定。3.2 單片機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)3.2.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)控制器的輸出（P3.0

24、，P3.5）控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置與給定值相等。單片機(jī)的輸出通過(guò)邏輯互鎖電路控制2個(gè)固態(tài)繼電器（KSSR1，KSSR2）接通或斷開(kāi)以控制步進(jìn)電機(jī)2個(gè)線圈通電或斷電（電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)）14。具體電路如圖3.5所示。圖3.5 驅(qū)動(dòng)電路邏輯互鎖電路用于確保2個(gè)固態(tài)繼電器不會(huì)同時(shí)接通，防止電機(jī)燒毀。其真值表如表1所示。從表中可以看出，通過(guò)邏輯互鎖電路后，電機(jī)的2個(gè)線圈不會(huì)同時(shí)通電，電機(jī)出現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)3種狀態(tài)。表3.1 邏輯互鎖電路真值表P3.0P3.5Kssr1Kssr2電機(jī)狀態(tài)00不導(dǎo)通不導(dǎo)通停止01不導(dǎo)通導(dǎo)通反轉(zhuǎn)10導(dǎo)通不導(dǎo)通正轉(zhuǎn)11不導(dǎo)通不導(dǎo)通停止3.2

25、.2 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路的作用是為單片機(jī)工作時(shí)，提供所需要的時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路程序，為了保證實(shí)現(xiàn)同步工作方式，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作15?；跁r(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生包括芯片內(nèi)部方式和外部方式兩種，本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)時(shí)鐘方式。內(nèi)時(shí)鐘方式是指：利用芯片內(nèi)部電路；在XTALl，XTAL2的引腳上外接定時(shí)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，內(nèi)部振蕩器能產(chǎn)上自激振蕩，利用儀器可以觀察到XTAL2輸出的正弦波，定時(shí)元件可以采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振電路。晶體應(yīng)在1.2MHVZ-12MHZ之間任選一款，電容應(yīng)在20pf-60pf之間選擇，通常以30pf左右最為合適。電容C1和C

26、2的大小對(duì)振蕩頻率有微小影響，能起到頻率微調(diào)作用。具體電路組成如圖3.6所示。圖3.6 時(shí)鐘電路3.2.3 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是使單片機(jī)初始化為0000H，使其從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行時(shí)出錯(cuò)使系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)時(shí)，為使單片機(jī)能重新正常工作，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。RSET引腳是復(fù)位的輸入端。復(fù)位信號(hào)是有效的高電平，其有效持續(xù)時(shí)間持續(xù)24個(gè)震蕩脈沖周期。具體電路組成如圖3.7所示。圖3.7 復(fù)位電路3.2.4 外部存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)為了保證用戶編寫(xiě)的程序在系統(tǒng)掉電時(shí)不會(huì)丟失，本系統(tǒng)采用2764的EEPROM存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)用戶

27、編寫(xiě)的程序。電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM是近年來(lái)開(kāi)始被廣泛使用的一種只讀存儲(chǔ)器，它能在應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行在線改寫(xiě)，并能在掉電的情況下保存數(shù)據(jù)而不需保證電源，因而完全符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。在本系統(tǒng)，用戶設(shè)定的程序就存于EEPROM 2764中。2764與單片機(jī)之間采用I2C總線通訊方式16。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用89C52RC+單片機(jī)的P3. 4和P3. 5來(lái)模擬I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸格式和時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)89C52RC+與EEPROM 2764的數(shù)據(jù)傳輸。P3. 4模擬串行時(shí)鐘線，P3. 5模擬串行數(shù)據(jù)線。2764的器件地址為A0H, C4為去藕電容。3.2.5 USB接口電路的設(shè)計(jì)在該智能儀器和控制

28、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我要用鍵盤(pán)來(lái)輸入?yún)?shù)或?qū)Τ瓕?xiě)的進(jìn)程進(jìn)行管理等。在一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤(pán)和顯示部分是系統(tǒng)中必不可少的輸入輸出設(shè)備，是控制系統(tǒng)與操作人員對(duì)話的窗口。因此鍵盤(pán)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的一種重要的輸入方式。對(duì)于USB接口芯片，通常分為普通和DMA（直接存儲(chǔ)器存?。﹥煞N工作模式。相對(duì)于普通模式，DMA數(shù)據(jù)傳輸模式傳輸速率更快，更適合于視頻數(shù)字信號(hào)等高速、實(shí)時(shí)信號(hào)的傳送。而本次設(shè)計(jì)中的USB僅選擇普通工作模式即可，用于連接外接鍵盤(pán)。具體電路如圖3.8所示。圖3.8 USB接口電路3.2.6 霍爾傳感器電路的設(shè)計(jì)（1）霍爾傳感器的選擇霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，常用于開(kāi)關(guān)信號(hào)采集的是CS3020

29、，這種傳感器是一個(gè)3端器，只要接上電源、地，即可工作，它的電源電壓是4.524V；靈敏度為3.1250.125MV/V；零點(diǎn)漂移0.06%；精度等級(jí)是C3級(jí)，分度數(shù)3000；工作溫度范圍是-55125；輸出通常是集電極開(kāi)路（OC）門(mén)輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖3.9所示，CS3020的外形圖，將有字面對(duì)準(zhǔn)自己，三根引腳從左向右分別是Vcc，地，輸出。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。17圖3.9 CS3020外形圖（2）霍爾傳感器裝置的安裝此裝置安裝示意圖是完全模擬電動(dòng)機(jī)構(gòu)中傳感器的安裝位置。鋁塊和傳感器提前安裝在一起，裝好之后再一起固定在固定支架上。傳感器通過(guò)兩個(gè)螺母

30、擰緊在鋁塊上。鋁塊則通過(guò)兩個(gè)螺釘固定在支架上，并保證傳感器與磁鋼的接近距離為8mm，如圖3.10所示。圖3.10 霍爾傳感器安裝示意圖（3）信號(hào)傳輸電路和信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)在輸出軸的圓盤(pán)上均勻分布12個(gè)小鋼磁，每個(gè)磁鋼之間的角度為30。，每當(dāng)一個(gè)磁鋼轉(zhuǎn)過(guò)霍爾傳感器時(shí)，引起磁場(chǎng)的變化，傳感器輸出脈沖頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理后，直接傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)程序運(yùn)算得出輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度，從而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及停轉(zhuǎn)。選用的傳感器是開(kāi)關(guān)元件，直接輸出為脈沖頻率信號(hào)，但是由于存在電磁噪聲干擾，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和整形，提高采集準(zhǔn)確度和抗干擾能力，處理后的信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。其處理電路設(shè)計(jì)如圖

31、3.11所示，采用有源帶通濾波器OPAMP對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，LM358對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形17。圖3.11 信號(hào)處理電路圖3.2.7 各種保護(hù)電路的設(shè)計(jì)（1）力矩輸出保護(hù) 在執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部，安裝有扭矩開(kāi)關(guān)，它由2級(jí)輸出軸直接驅(qū)動(dòng)，以連續(xù)準(zhǔn)確的檢測(cè)扭矩。裝有檢測(cè)原型中的扭矩變化的扭矩彈簧，防止在過(guò)載條件下閥門(mén)和執(zhí)行器損壞。一旦執(zhí)行器的輸出軸扭矩超過(guò)上限3000N，扭矩開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，執(zhí)行器立刻停下。（2）電機(jī)過(guò)熱保護(hù)為了保護(hù)電機(jī)，有3個(gè)串聯(lián)的過(guò)熱保護(hù)開(kāi)關(guān)被埋入了步進(jìn)電機(jī)的各相繞組里。一旦某一繞組的溫度超過(guò)150度時(shí)，過(guò)熱保護(hù)開(kāi)關(guān)就會(huì)切斷控制電路，當(dāng)繞組的溫度降低到110度以后電機(jī)就會(huì)被重新啟動(dòng)。（3）報(bào)警保

32、護(hù)電路當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度超過(guò)90度時(shí)，行程開(kāi)關(guān)S1閉合，使電路導(dǎo)通，系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警程序，通過(guò)74LS07驅(qū)動(dòng)，發(fā)光二極管發(fā)光和蜂鳴器發(fā)聲。該電路的工作由單片機(jī)源程序控制。具體電路如圖3.12所示。圖3.12 越界報(bào)警電路3.3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)3.3.1 程序流程圖設(shè)計(jì)初始化系統(tǒng)檢測(cè)有錯(cuò)誤?手動(dòng)/自動(dòng)選擇：手動(dòng)?自動(dòng)各開(kāi)關(guān)量和零/滿位、力矩的設(shè)定數(shù)據(jù)采集及濾波處理控制輸出有錯(cuò)誤?有通訊?通訊服務(wù)LCD顯示D/A輸出錯(cuò)誤處理手動(dòng)錯(cuò)誤處理YNYNNYNY報(bào)警開(kāi)始結(jié)束3.3.2 電子限位程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，在監(jiān)控循環(huán)中查詢I/O口P1和P2（即霍爾傳感器H1和H2的輸出端）的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)閥位

33、的反饋和控制。源代碼如下：（1）變量定義BITREG1 DATA 20H; 可供尋址的存儲(chǔ)空間OLDHALLH1 BIT BITREG1.0；用于判斷H1是否翻轉(zhuǎn)OLDHALLH2 BIT BITREG1.1；用于判斷H2是否翻轉(zhuǎn)BITX BIT BITREG1.2；用于做“位異或”BITY BIT BITREG1.3HALLH1 BIT P1；H1輸入口 HALLH2 BIT P2； H2輸入口 （2）主程序進(jìn)入監(jiān)控循環(huán)LOOP: MOV C, HALLH1；判斷H1是否跳變 MOV BITX, C MOV C, OLDHALLAH1 LCALL BITXOR MOV C, BITY JC

34、POSPROH1；H1有跳變，則調(diào)用閥位處理函數(shù)POSPROCA MOV C, HALLH2； 判斷H2是否跳變 MOV BITX, C MOV C, OLDHALLAH2 LCALL BITXOR MOV C, BITY JC POSPROH2；H2有跳變，則調(diào)用閥位處理函數(shù)POSPROCB (3)閥位處理函數(shù)A，霍爾傳感器H1跳變后，判斷H2狀態(tài)。 POSPROCA: MOV C, HALLH1；MOV C, HALLH2；采樣霍爾傳感器H1、H2的值 JC APOSADD；H1與H2不一致為順時(shí)針轉(zhuǎn)向，閥位計(jì)數(shù)器加1操作 MOV A, CUROPOS DEC A MOV CURPOS,

35、A LJMP HALLH1END APOSADD: MOV A, CURPOS INC A MOV CURPOS, A HALLAEND: MOV C, HALLH1; 將霍爾傳感器中的值保存，以用于下次比較 MOV OLDHALLH1, C RET4 結(jié) 論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大特點(diǎn)就是在具有一般執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械限位的功能外，對(duì)現(xiàn)有的電子限位進(jìn)行了改進(jìn)。與傳統(tǒng)電子限位方式相比，霍爾式角位移傳感器能夠?qū)⑤敵鲚S的轉(zhuǎn)過(guò)的角度準(zhǔn)確的傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度超出設(shè)定的范圍，立即切斷異步電機(jī)的供電電源，保證閥門(mén)的安全關(guān)閉或全開(kāi)。也就使其具有了無(wú)接觸無(wú)磨損，分辨率高壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量位移、速度、轉(zhuǎn)向等參數(shù)，通過(guò)微處理器處理，可進(jìn)行任意確定工作區(qū)間、改變一定轉(zhuǎn)速等設(shè)定的優(yōu)點(diǎn)。此次智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)限位部分的改良設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，不僅成功實(shí)現(xiàn)了通過(guò)霍爾傳感器和單片機(jī)獲取輸出軸準(zhǔn)確位置，