微摩擦測(cè)試儀機(jī)械裝置設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：微摩擦力測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)系別航空與機(jī)械工程系專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)學(xué)號(hào)108102322學(xué)生姓名孫衛(wèi)琪指導(dǎo)教師劉文光二○一四年五月[27]=JMωmnt。(4.9)式中:JM—浙合到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)ωm—電動(dòng)機(jī)的角速度(rad/s);n?！妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);t?！铀贂r(shí)間(s).5）啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩包括電機(jī)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(dòng)=TG+T軸承+T摩擦頭=20+6.54+25=51.54N·mm<T額定=200N·mm滿足要求。4.3.3電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方案的簡(jiǎn)介直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:n=U/CeΦ-(R/CeCTΦ2)T(4.10)式中:U—加在電樞電路上的電壓;R—電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻;Ф—電動(dòng)機(jī)磁通;Ce—電動(dòng)勢(shì)常數(shù);CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù);T—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。該公式也可以是直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速公式，改變加在電動(dòng)機(jī)電樞回路的電阻R，外加電壓U或磁通中，都可以改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速.2、改變電樞電路電阻調(diào)速?gòu)氖阶?4.10)可知，當(dāng)電樞電路串聯(lián)附加電阻R時(shí)，見圖4.3,其機(jī)械特性方程式變?yōu)閚=U/CeΦ-(R+Ro)T/CeCtΦ2(4.11)式中:R0—電動(dòng)機(jī)電樞電阻;R—電樞電路外串附加電阻。即電動(dòng)機(jī)電樞電路中，串聯(lián)電阻時(shí)特性的料率增加;在一定負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加;因而實(shí)際轉(zhuǎn)速降低了，如圖4.3所示。圖4.33、改變磁通調(diào)速在電動(dòng)機(jī)勵(lì)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(lì)磁調(diào)節(jié)器來(lái)控制勵(lì)磁電壓，見圖4.4b，都可以改變勵(lì)磁電流和磁通.圖4.4直流電機(jī)改變勵(lì)磁的調(diào)速簡(jiǎn)圖a)勵(lì)磁電路串聯(lián)電阻調(diào)速b)用放大器控制勵(lì)磁電壓調(diào)速此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞電壓通常為恒定值，而且不串附加電阻，因?yàn)閚=U/CeΦ-RT/CeCtΦ=No-KmT(5.12)所以，理想空載轉(zhuǎn)速與磁通成反比，即減弱磁通時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速增加，機(jī)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(shí)轉(zhuǎn)矩和電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖4.5所示。b)圖4.5調(diào)速時(shí)的n=f(T)與n=f()曲線在調(diào)速過(guò)程中，為使電動(dòng)機(jī)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(shí)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(diǎn)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載不足，容量沒(méi)有得到充足牙l!用;在曲線右邊個(gè)點(diǎn)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)過(guò)載不能長(zhǎng)期運(yùn)行。因此，改變磁通調(diào)速適合于功率負(fù)載，實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。4、改變電樞電壓調(diào)速當(dāng)改變電樞電壓U時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速n也將改變，而機(jī)械特性的料率不變，此時(shí)機(jī)械特性方程式為(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。圖4.6直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性由此可見，在整個(gè)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(dá)10～12。如采用閉環(huán)控制，調(diào)速范圍可達(dá)幾百至幾千.改變電樞電壓調(diào)速方式屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，并在空載或負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)也能得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，通過(guò)電壓正反方向變化，使電動(dòng)機(jī)能平滑地運(yùn)動(dòng)和工作在四個(gè)象限，能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，而且控制功率小，效率高，配上各種調(diào)節(jié)器可組成指標(biāo)較高的調(diào)速系統(tǒng)，因此在工業(yè)中得到廣泛地應(yīng)用改變電動(dòng)機(jī)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(jī)，晶閘管變流器，PWM變換器，直流斬波器等.5、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方案的確定因?yàn)榇藘x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(shí)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(jī)的電樞兩端，通過(guò)對(duì)方波脈沖寬度的調(diào)整，即改變方波的“占空比”，來(lái)改變電樞上的平均電壓，已達(dá)到調(diào)速的目的。本文使用單片機(jī)的PWM直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。采用硬件電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)已在實(shí)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(jī)的PWM直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。本文的直流電機(jī)PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使用低價(jià)位的單片微機(jī)89C2051為核心，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，并可進(jìn)行數(shù)字顯示和速度預(yù)置，使用方便。電機(jī)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(jìn)，可減少對(duì)電源的污染。本調(diào)速系統(tǒng)已用于實(shí)際系統(tǒng)中，工作可靠，使用效果良好。主要有PWM信號(hào)發(fā)生、閉環(huán)調(diào)速微機(jī)控制、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)等幾部分組成。1）PWM信號(hào)發(fā)生電路PWM波可由具有PWM輸出的單片機(jī)(如80C198等)通過(guò)編程產(chǎn)生，也可采用PWM專用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。PWM波的頻率太高時(shí)，對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率管要求太高，太低時(shí)產(chǎn)生電磁噪聲較大。實(shí)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(jì)數(shù)器4040組成了PWM信號(hào)發(fā)生電路。兩片比較器U3,U2的A組接4040計(jì)數(shù)輸出Q2～Q9端，B組接單片微機(jī)的P1端口。改變Pl端口的輸出值，可使PWM信號(hào)的占空比產(chǎn)生變化，進(jìn)行調(diào)速控制.計(jì)數(shù)器4040的計(jì)數(shù)輸入端CLK接單片機(jī)ZO51晶振的振蕩輸出XTAL2。晶振選用18MHz時(shí)，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(jì)數(shù)器4040每來(lái)8個(gè)脈沖，其輸出Q2～Q9加1，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于或等于單片機(jī)P1端口輸出值X時(shí)，U2的(A>B)輸出端保持為低電平，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于X時(shí)U2的((A>B)輸出端為高電平。隨著計(jì)數(shù)值的增加，Q2～Q9由全“1”變?yōu)槿?0”時(shí)，(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(hào)，其占空比為(255-X/255)x10001，改變X值可改變PWM信號(hào)的占空比，進(jìn)行直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。使用此方法單片機(jī)只需根據(jù)調(diào)整量輸出X值，PWM信號(hào)由三片通用數(shù)字電路生成，使軟件大大簡(jiǎn)化，有利于單片機(jī)系統(tǒng)正常工作。由于單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)P1端口輸出全“1"，使用4585的B組與P1端口相連，升速時(shí)PO端口輸出X按一定規(guī)律減少，降速時(shí)按一定規(guī)律增大。2）單片微機(jī)閉環(huán)速度控制電路本系統(tǒng)的閉環(huán)控制選用低價(jià)位的單片機(jī)89C2051，與帶PWM輸出的80C552及SOC198相比，無(wú)需外擴(kuò)EPROM，且價(jià)格低的多。2051單片機(jī)片內(nèi)有2K的flash程序存儲(chǔ)器，15個(gè)Ii0口，兩路16位的定時(shí)/計(jì)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(lái)很大的靈活性.閉環(huán)速度控制中測(cè)速傳感器選用磁敏電阻傳感器，測(cè)速盤固定在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，每轉(zhuǎn)1周輸出60個(gè)脈沖信號(hào)。轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)輸入到2051單片機(jī)的INTO中斷口P312端口上。軟件設(shè)置INTO為下降沿中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后開啟定時(shí)/計(jì)數(shù)器0進(jìn)行定時(shí)，測(cè)出每轉(zhuǎn)的周期，再由軟件計(jì)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(jìn)行顯示線速度或角速度的轉(zhuǎn)換計(jì)算，由八位驅(qū)碼驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。預(yù)置速度由按健S1,S2輸入，進(jìn)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(dòng)器，帶動(dòng)八位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，前四位顯示當(dāng)前運(yùn)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(guò)對(duì)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(dòng)態(tài)掃描模式，通過(guò)一個(gè)電阻和編程可控制亮度，并可多個(gè)芯片串聯(lián)顯示多達(dá)64位共陰極LED數(shù)碼管。MAX7219的數(shù)據(jù)輸入端DIN、時(shí)鐘端CLK、數(shù)據(jù)鎖定端L分別與2051單片機(jī)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(dòng)態(tài)掃描顯示，并可降低功耗和簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì).2051單片微機(jī)的上電復(fù)位使用了MAX812電壓監(jiān)控器，上電時(shí)約有200ms的延遲，以保證復(fù)位正常進(jìn)行。為了防止掉電后預(yù)置數(shù)丟失，使用了備用電池保護(hù)2051單片機(jī)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(jī)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(dòng)大功率開關(guān)管使用。單片機(jī)系統(tǒng)電源與驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路U2生成的PWM信號(hào)經(jīng)施密特反相器U6-3驅(qū)動(dòng)光電藕合器O1，送至直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。大功率開關(guān)管選用N溝道VMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管，它為壓控元件，具有很高的輸入阻杭，因而驅(qū)動(dòng)功率很小，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求也較低。經(jīng)光電藕合器傳送的PWM信號(hào)，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(dòng)即可。穩(wěn)壓管D4和電阻R8起保護(hù)作用。VMOS功率管的源極接直流電機(jī)繞組，經(jīng)感杭器接電機(jī)直流電源負(fù)端。漏極接電機(jī)直流電源正端。快速關(guān)斷二極管D3起保護(hù)作用，消除VMOS功率管開關(guān)過(guò)程由電機(jī)繞組產(chǎn)生的感生電勢(shì)。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(jī)的電壓、功率等要求確定相應(yīng)型號(hào)和參數(shù)。本文所述的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)以低價(jià)位單片微機(jī)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(dòng)器MAX7219，電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用VMOS場(chǎng)效應(yīng)管，反饋信號(hào)使用磁阻轉(zhuǎn)速傳感元件，實(shí)現(xiàn)了非接觸測(cè)量，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。使用單片機(jī)定時(shí)器對(duì)傳動(dòng)軸的周期進(jìn)行檢測(cè)，可由軟件計(jì)算出相應(yīng)的線速度或角轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示，并可進(jìn)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(bǔ)償量。這些是由數(shù)字線路組成的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)所不及的。以前有人使用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)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(jī)僅輸出X值，使軟件工作量大大減少，程序中有充足時(shí)間進(jìn)行閉環(huán)控制的測(cè)控和計(jì)算，使程序設(shè)計(jì)和軟件運(yùn)行合理可靠.本章小結(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)是微摩擦測(cè)量裝置的主體，是測(cè)試儀的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一它包括了整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，以及使其轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).由于采用懸臂梁測(cè)量結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的軸向跳動(dòng)量和徑向跳動(dòng)量顯得尤為重要，它直接影響到測(cè)力傳感器的精度和穩(wěn)定性.轉(zhuǎn)動(dòng)裝置還要考慮到振動(dòng)因素，主體選用了整體式的殼體結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)選用皮帶傳動(dòng)，減小電機(jī)的振動(dòng)對(duì)主軸的影響.驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇調(diào)速性能好的直流伺服電機(jī).電機(jī)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(jìn)，可減少對(duì)電源的污染.直流電機(jī)PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使用低價(jià)位的單片微機(jī)89C2051為核心，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，并可進(jìn)行數(shù)字顯示和速度預(yù)置，使用方便。微摩擦測(cè)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(shí)驗(yàn)研究。結(jié)論此微摩擦力測(cè)量裝置是在查閱了大量的文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)目前已經(jīng)研制出的一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較，而設(shè)計(jì)出來(lái)的。在微摩擦測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)上采用了平行板彈簧結(jié)構(gòu)，把施力與測(cè)力通過(guò)一個(gè)測(cè)力臂來(lái)完成，可同時(shí)測(cè)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(jiǎn)潔化.在位置調(diào)整系統(tǒng)中，目前采用了手動(dòng)調(diào)整方式，但不能做到很好的連續(xù)進(jìn)給。今后在課題的深入開發(fā)過(guò)程中，可以采用伺服電機(jī)控制的自動(dòng)連續(xù)進(jìn)給方式.這樣一來(lái)，X,Y,Z實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)微小切削。該測(cè)試儀不僅適用于摩擦系數(shù)的測(cè)量，而且還可用來(lái)進(jìn)行摩擦與磨損試驗(yàn)，也可實(shí)現(xiàn)微小切削.論文主要完成了以下主要工作及解決的問(wèn)題:通過(guò)廣泛的調(diào)研和深入的討論，針對(duì)微小摩擦測(cè)試的特點(diǎn)、難點(diǎn)，確定了微小摩擦測(cè)試儀的總體設(shè)計(jì)方案.根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀的各部分進(jìn)行了詳細(xì)分析，使機(jī)構(gòu)做到了小型化.在測(cè)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。電機(jī)調(diào)速采用脈寬調(diào)制方式，使用低價(jià)位的單片微機(jī)89C2051為核心，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，并可進(jìn)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(jìn)，可減少對(duì)電源的污染。本調(diào)速系統(tǒng)工作可靠，使用效果良好。完成了測(cè)力傳感器的測(cè)試電路的設(shè)計(jì)，以及標(biāo)定工作，為實(shí)際測(cè)量做好準(zhǔn)備.目前，該測(cè)試儀的中體設(shè)計(jì)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(cè)試儀還存在許多需要完善的地方。比如，傳感器的測(cè)試電路的噪聲干擾問(wèn)題、溫漂問(wèn)題，進(jìn)給裝置的自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，都有待于進(jìn)一步的完善。

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