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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
1. 緒論
1.1 選題的依據(jù)及意義
隨著飛機(jī)和導(dǎo)彈的快速發(fā)展，要求其具有更高的性能和穩(wěn)定性,這就要我們通過對(duì)他們的性能參數(shù)進(jìn)行測量評(píng)估進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)，但一架真正的飛機(jī)或一枚導(dǎo)彈的成本太高,我們不可能也沒有必要用一架真正的飛機(jī)或?qū)梺磉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù),這就要求我們采用一些比較合理的實(shí)驗(yàn)裝置來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)或?qū)椀娘w行狀態(tài)，這樣飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)得以發(fā)展。該轉(zhuǎn)臺(tái)可以將重物放在其上面也可以用來對(duì)飛行員進(jìn)行培訓(xùn)，因?yàn)樗梢阅M飛機(jī)在空中飛行的各種姿態(tài)。該裝置的出現(xiàn)既達(dá)到了對(duì)飛機(jī)或?qū)椥阅軈?shù)的采集，進(jìn)而改進(jìn)，在成本上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一架飛機(jī)或?qū)椀膬r(jià)格，對(duì)飛機(jī)和導(dǎo)彈的發(fā)展具有不可估量的價(jià)值。
1.2 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢
目前,大部分飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)采用串聯(lián)式機(jī)構(gòu),而本設(shè)計(jì)則采用并聯(lián)式機(jī)械機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)其承載能力大,機(jī)構(gòu)簡單。本機(jī)構(gòu)由上下兩個(gè)工作平臺(tái),下平臺(tái)固定在地面上,上平臺(tái)用來放待實(shí)驗(yàn)的物品,在上下平臺(tái)之間采用三個(gè)液壓缸連接,通過液壓缸上聲高度的不同,來實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)的傾斜,而上平臺(tái)可由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到模擬飛機(jī)在飛行過程中的各種狀態(tài)。
飛行模擬器研制及應(yīng)用被認(rèn)為是飛行模擬技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)性工程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一直受到世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家的高度重視。美國是世界上最早開展飛行模擬器研究和應(yīng)用的國家，在技術(shù)和數(shù)量上一直居領(lǐng)先地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國的飛行模擬器研制和采辦費(fèi)用每年增長一倍，僅1995年～2000年的費(fèi)用就高達(dá)36億美元。俄羅斯同樣是世界上的飛行模擬大國和強(qiáng)國，他們的所有飛機(jī)都配備有相應(yīng)的飛行模擬器，僅空中飛行模擬器就有20余種，其中包括先進(jìn)的空地綜合飛行模擬系統(tǒng)。值得提出的是，俄羅斯在飛行模擬器的基礎(chǔ)理論研究，特別是人-機(jī)工效學(xué)和飛行員建模與仿真等方面都名列前茅。英、德、法等國的飛行模擬器研制及應(yīng)用也始終處于世界先進(jìn)行列。
我國在飛行模擬器研制及應(yīng)用方面雖然起步比美、俄、英法等國較晚，但仍是世界上發(fā)展飛行模擬器較早的國家。于20世紀(jì)60年代開始使用射擊練習(xí)器和儀表飛行練習(xí)器，并建立了研究用飛機(jī)控制系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)。20世紀(jì)80年代發(fā)展更快，先后研制成功了一系列研制用飛行模擬器和工程用飛行模擬器，并普及設(shè)計(jì)、制造和使用了各個(gè)機(jī)種的飛行模擬訓(xùn)練器。出此，我國還是世界上少數(shù)能夠設(shè)計(jì)和建造空中飛行模擬器的國家之一，所以可堪稱為“飛行模擬器大國”。
2 . 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)可以是微機(jī)、單片機(jī)、可編程控制器等，考慮到本次設(shè)計(jì)的飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)僅有3個(gè)液壓缸和一個(gè)電動(dòng)機(jī)，控制器需要進(jìn)行的運(yùn)算量不大，而且本系統(tǒng)提供的功能并不復(fù)雜，單片機(jī)MCS-51足以。所以從節(jié)省成本的角度出發(fā)選擇了單片機(jī)控制系統(tǒng)。
將本次單片機(jī)的控制系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)模塊：
顯示部分
逆變電路
單
片
機(jī)
位移和轉(zhuǎn)速檢測電路
片外存儲(chǔ)器
鍵盤部分
光電隔離
驅(qū)動(dòng)電路
電動(dòng)機(jī)
圖2-1 單片機(jī)模塊圖
2.1 單片機(jī)的選用及功能介紹
MCS-51系列單片機(jī)是美國INTEL公司在1980年推出的8位單片微型計(jì)算機(jī)。其典型產(chǎn)品有8031、8051和8751三種機(jī)型，除片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的容量不同外，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳完全相同。在此我們選用了較為常用的8051芯片。其引腳示意圖如圖3.1-1所示：MCS-51系列單片機(jī)由微處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行和并行的I/O接口、中斷系統(tǒng)合振蕩器構(gòu)成。
8051的P0.0～P0.7這8根引腳采用分時(shí)復(fù)用的方法作低8位地址線與雙向8位數(shù)據(jù)線；P2.0～P2.4這5根引腳在訪問片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口時(shí)，提供高位地址；P2.5～P2.7和P1.0這4根引腳接2片74LS138譯碼器，產(chǎn)生片選信號(hào)；引腳ALE接地址鎖存器74LS373、8155、8279和SA4828的使能端；EA/VPP端因不訪問片內(nèi)存儲(chǔ)器而接地；X1、X2接6MHz的晶振；RESET端接重啟電路。[8]
2.2 片外存儲(chǔ)器功能簡介
片外存儲(chǔ)器擴(kuò)展包括程序存儲(chǔ)器（ROM）擴(kuò)展和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）擴(kuò)展。
MCS-51系列單片機(jī)具有64KB的程序存儲(chǔ)空間，其中8051、8071片內(nèi)有4KB的程序存儲(chǔ)器，8031片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器。當(dāng)采用8051、8071型單片機(jī)而程序超過4KB，或采用8031單片機(jī)時(shí)，就需對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行外部擴(kuò)展。
外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展原理如圖2-2所示：[2]
指令
EPROM
P0口
ALE
P2口
數(shù)據(jù)輸出
鎖存器
數(shù)據(jù)輸入
圖2-2 外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展原理圖
外部程序存儲(chǔ)器可選用EPROM、E2PROM、PAGED EPROM和KEPROM等。紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM，典型產(chǎn)品有Intel公司的系列芯片2716（2Kx8位）、2732A（4Kx8位）、2764A（8Kx8位）、27128A（16Kx8位）、27256（32Kx8位）和27512（64Kx8位）等，在這些芯片上均設(shè)有一個(gè)玻璃口，在紫外線下照射20分鐘左右，存儲(chǔ)中的各位信息均變?yōu)?。以后通過編程器可將這些程序固化到這些芯片中。
如在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠內(nèi)部的RAM是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此必須擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM兩種。以下為靜態(tài)RAM與MCS-51的接口外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法如圖2-3所示：[2]
D～D
地址
RAM
P0口
ALE
P2口
鎖存器
譯 碼
圖2-3 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展原理圖
6264是8Kx8位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)芯片，采用CMOS工藝制造，單一+5V供電，額定功率200mW，典型存儲(chǔ)時(shí)間200ns，為28線雙列直插式封裝。6264的A0～A12這13條地址線與鎖存器的輸出及P2口對(duì)應(yīng)線相連，6264的D0～D7這8條數(shù)據(jù)線與8031的P0口對(duì)應(yīng)相連，6264的和與8031的和對(duì)應(yīng)，CS0接高電平。[8]
按照這種片選方式，6264的8KB地址范圍不唯一，6000H～7FFFH是一種地址范圍。當(dāng)向該片6000H單元寫有個(gè)數(shù)據(jù)DATA時(shí)，可用如下指令：
MOV A，#DATA
MOV DPTA，#6000H
MOVX @DPTR，A
從7FFFH單元讀一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，可用如下指令：
MOV DPTR，#7FFFH
MOVX A，@DPTR
上面討論的是8031擴(kuò)展一片EPROM或RAM的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，可能需要擴(kuò)展多片EPROM或RAM。本次設(shè)計(jì)要擴(kuò)展8Kx8位的EPROM和8Kx8位的RAM各3片。當(dāng)CPU通過指令MOVC A，@A+DPTR發(fā)出讀EPROM操作時(shí)，P2、P0發(fā)出的地址信號(hào)應(yīng)能選擇其中一片的一個(gè)存儲(chǔ)單元，即8片2764不應(yīng)該同時(shí)被選中，這就是所謂的片選。我們采用了地址法譯碼，譯碼芯片為2片74LS138?？偣部商峁?6個(gè)片選信號(hào)。
2.3 顯示與鍵盤部分設(shè)計(jì)
顯示設(shè)備有CRT、LCD、LED等，我們選用的是功能簡單的LED數(shù)碼管顯示器。
LED顯示器由7條發(fā)光二極管組成顯示字段，有的還帶有小數(shù)點(diǎn)dp。將7段發(fā)光二極管陰極連在一起，稱為共陰接法，當(dāng)某個(gè)字段的陽極為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的字段就點(diǎn)亮。
LED要正常工作需要通過I/O接口芯片8155與8051相連。
8155芯片內(nèi)具有256個(gè)字節(jié)的RAM，兩個(gè)8位、一個(gè)6位的可編程I/O和一個(gè)14位計(jì)數(shù)器，與MCS-51接口簡單，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最廣泛的芯片。[8]
8155可以和MCS-51直接相連。8155的RAM和各端口地址如下：
RAM的地址：000H～00FFH
命令口：0200H
A口：0201H
B口：0202H
C口：0203H
定時(shí)器低位：0204H
定時(shí)器高位：0205H
設(shè)8051RAM中有6個(gè)顯示緩沖單元79H～7EH，分別存放6位顯示器的顯示數(shù)據(jù)。8155的A口掃描輸出總有一位為高電平，8155的B口輸出相應(yīng)位的顯示數(shù)據(jù)的段數(shù)據(jù)，使每一位顯示出一個(gè)字符，其余位為暗，依次改變A口輸出的餓高電平位及B口輸出對(duì)應(yīng)的段數(shù)據(jù)，6位顯示器就顯示出緩沖器的顯示字符。程序清單如下：
DIR： MOV R0，#79H ；顯示緩沖區(qū)首址送R0
MOV R3，#01H ；使顯示器最右邊位亮
MOV A，R3
LD0： MOV DPTR，#0101H ；掃描值送入PA口
MOVX @DPTR，A
INC DPTR ；指向PB口
MOV A，@R0 ；取顯示數(shù)據(jù)
MOV A，#12H ；加上偏移量
MOVX A，@A+PC ；取出字形
MOVX @DPTR，A ；送出顯示
ACALL DL1 ；延時(shí)
INC R0 ；緩沖區(qū)地址加1
MOV A，R3 ；
JB ACC.5，LD1 ；掃到第6個(gè)顯示位了嗎？
RL A ；沒有，R3左環(huán)移一位，掃描下一個(gè)顯示位
MOV R3，A
AJMP LD0
LD1： RET
DSEG： DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH ；顯示段碼表
DSEG1： DB 7DH，07H，7FH，6FH，77H，7CH
DSEG2： DB 39H，5EH，79H，71H，73H，3EH
DSEG3： DB 31H，61H，1CH，23H，40H，03H
DSEG4： DB 18H，00H，00H，00H
DL1： MOV R7，#02H ；延時(shí)子程序
DL： MOV R6，#0FFH
DL6：DJNZ R6，DL6
DJNZ R7，DL
RET
鍵盤共設(shè)有32個(gè)鍵，由4條行線8條列線組成開關(guān)矩陣。對(duì)于開關(guān)矩陣的接法大多數(shù)單片機(jī)的入門教科書上大多是采用8155作為鍵盤I/O的接口芯片，但8155芯片不具備中斷請(qǐng)求輸出端，于是不得不采用鍵盤掃描程序不斷的檢測是否有按鍵被使用，這樣就給單片機(jī)造成了很大的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，運(yùn)算量較大時(shí)有可能造成系統(tǒng)無法響應(yīng)，所以我們?cè)谶@里選用了專門用于鍵盤連接的8279芯片。
8279采用單一＋5V電源供電，40腳封裝。
2.4 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)
交流異步電動(dòng)機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、維護(hù)方便的特點(diǎn)，在生產(chǎn)和生活中得到廣泛應(yīng)用。與其他種類電動(dòng)機(jī)相比，交流異步電動(dòng)機(jī)的市場占有量始終第一位。
然而，長期以來，交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速始終是一個(gè)不好解決的難題。直到20世紀(jì)70年代，由于計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生，以及近20年來新型快速的電力電子原件的出現(xiàn)，才使得交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速成為可能，并得到迅速的普及。[9]目前，交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已廣泛用于數(shù)控機(jī)床、風(fēng)機(jī)、泵類、傳帶機(jī)、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設(shè)備的動(dòng)力源或運(yùn)動(dòng)源，并起到節(jié)約電能、提高設(shè)備自動(dòng)化、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的良好效果。因此，交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代自動(dòng)控制專業(yè)技術(shù)人員必須要掌握的知識(shí)?，F(xiàn)代流行的交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制方法是變頻變壓法（VVVF）。這種調(diào)速方法的原理比較簡單，而且有20多年比較成熟的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，因此應(yīng)用得較多，市場上也有較多的相關(guān)產(chǎn)品。
2.4.1 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理
根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由式(2-1)表示：
…………………………………………………………………………(2-1)[9]
式中: n--電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
p--電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)
f--電源頻率
s--轉(zhuǎn)差率
由上式可知，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f。其中，改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法效果最理想，這就是所謂變頻調(diào)速。
2.4.2主電路和逆變電路工作原理
變頻調(diào)速實(shí)質(zhì)上是向交流異步電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)頻率可控的電源。能實(shí)現(xiàn)這一功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，即先將交流電轉(zhuǎn)變成直流電（整流、濾波），再將直流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的矩形波交流電（逆變）。圖2-4[2]是主電路的原理圖，它是變頻器常用的最基本的格式。
圖2-4 電壓型交-直-交變頻調(diào)速主電路
（1）.主電路中各元件的功能
主電路中各元件的功能如下。
交-直電路
整流管D1～D6組成三相整流橋，對(duì)三相交流電進(jìn)行全波整流。整流后的直流電壓
U=1.35 x 380V = 513V[2]
濾波電容Cr濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。
當(dāng)變頻器通電時(shí)，瞬時(shí)沖擊電流較大，為了保護(hù)電路元件，加限流電阻Ra。延時(shí)一段時(shí)間后，通過控制電路使開關(guān)JK閉合，將限流電阻短路。
電源指示燈LP除了指示電源通斷外，還可以在電源斷開時(shí)，作為濾波電容Cr放電通路和指示。濾波電容Cr容量通常很大；所以放電的時(shí)間較長（數(shù)分鐘），幾百伏的高電壓會(huì)威脅人員安全，因此，在維修時(shí)要等指示燈熄滅后進(jìn)行。
Rc是制動(dòng)電阻。電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)過程中處于發(fā)電狀態(tài)，由于電路是處在斷開情況下，增加的電能無處釋放，使電路電壓不斷升高，將會(huì)損壞電路元件。所以，應(yīng)給一個(gè)放電通路，使這部分再生電流耗在電阻Rc上。制動(dòng)時(shí)，通過控制電路使開關(guān)管Tc導(dǎo)通，形成放電通路。
直-交電路[2]
逆變開關(guān)管T1～T6組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的矩形波交流電。逆變管可以選擇絕緣柵雙極晶體管IGBT、功率效應(yīng)管MOSFET。
續(xù)流二極管D7～D12的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂箷r(shí)，雖然電壓突變將為0，但由于電動(dòng)機(jī)線圈的電感作用，儲(chǔ)存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二級(jí)管提供通道，維持電流繼續(xù)在線圈中流動(dòng)。另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，續(xù)流二級(jí)管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。
電阻R1～R6、電容C1～C6、二極管D13～D18組成緩沖電路，來保護(hù)逆變開關(guān)管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時(shí)，要受集電極電流Ic和集電極與發(fā)射極間電壓VCE的沖擊，如圖所示，因此要通過緩沖電路進(jìn)行緩解。當(dāng)逆變開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，VCE迅速升高，Ic迅速降低，過高增長率的電壓對(duì)逆變開關(guān)管造成危害，所以通過在逆變開關(guān)管兩端并聯(lián)電容（C1～C6）來減少電壓增長率；當(dāng)逆變開關(guān)管開通時(shí)，VCE迅速降低，而Ic則迅速升高，并聯(lián)在逆變開光管兩端的電容（C1～C6)由于電壓降低，將通過逆變開關(guān)管放電，這將加速電流Ic的增長率，造成逆變開光管的損壞。所以增加電阻（R1～R6），限制電容的放電電流?？墒钱?dāng)逆變開光管關(guān)斷時(shí)，該電阻又會(huì)阻止電容的充電。為了解決這個(gè)矛盾，在電子兩端并聯(lián)二極管（D13～D18），使電容在充電時(shí)，避開電阻，通過二極管充電，在放電時(shí)，通過電子放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。
（2） 三相逆變橋的工作原理
三相逆變橋的電路簡圖如圖2-5（a）[9]所示，圖中R、Y、B為逆變橋的輸出。圖2-5（b）[9]是各逆變管導(dǎo)通的時(shí)序，其中深色部分表示逆變導(dǎo)管。圖2-5（b）可以看出，每一時(shí)刻總能有3只逆變管導(dǎo)通，另3只逆變管關(guān)斷；并且T1與T4、T2與T5、T3與T6每對(duì)逆變管不能同時(shí)導(dǎo)通。
在t1時(shí)間段,T1、T3、T5這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從R到Y(jié)和從B到Y(jié)（設(shè)從R到Y(jié)、從Y到B、從B到R為正方向），得到線電壓為URY和-UYB。
在t2時(shí)間段，T1、T5、T6這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從R到Y(jié)和從R到B，得到的線電壓為URY和-UBR。
在t3時(shí)間段，T1、T2、T6這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從R到B和從Y到B，得到的線電壓為-UBR和UYB。
在t4時(shí)間段，T2、T4、T6這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從Y到R和從Y到B，得到的線電壓為-URY和UYB。[9]
圖2-5 電路簡圖和逆變管通斷時(shí)序
在t5時(shí)間段，T2、T3、T4這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從Y到R和從B到R，得到的線電壓為-URY和UBR。
在t6時(shí)間段，T3、T4、T5這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從B到R和從B到Y(jié)，得到的線電壓為UBR和-UYB。
線電壓URY、UYB、UBR的波形見圖2-6[9]。從圖中可以看出，三者之間互差120，它們的幅值是U。
圖2-6 逆變輸出線電壓波形
因此，只要按圖的規(guī)律控制6只逆變管的導(dǎo)通和關(guān)斷，就可以把直流電逆變成矩形波三相交流電；而絕、形波三相交流電的頻率可在逆變是受到控制。
然而，矩形波不是正弦波，含有許多高次諧波成分，將使交流異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱、力矩下降、振動(dòng)噪聲等不利結(jié)果。為了使輸出的波形接近正弦波，可采用正弦脈寬調(diào)制波。
2.4.3 變頻與變壓
由前面的敘述可知改變電源頻率可達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，但實(shí)際上當(dāng)交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，必定會(huì)造成通過電動(dòng)機(jī)鐵芯的磁通量的改變。由于電動(dòng)機(jī)的磁通容量與電動(dòng)機(jī)的鐵芯大小有關(guān)，通常在設(shè)計(jì)時(shí)與達(dá)到最大容量，因此，當(dāng)磁通量增加時(shí)，將產(chǎn)生磁飽和，造成實(shí)際磁通量增加不上去，產(chǎn)生電流波形畸變，削弱電磁力矩，影響機(jī)械特性。
為了解決機(jī)械特性下降的問題，一種解決方案是設(shè)法維持磁通量恒定不變，即設(shè)法使
E / f = KΦ = 常數(shù)
這就要求，當(dāng)電動(dòng)機(jī)改變電源頻率f時(shí)，E與應(yīng)該作相應(yīng)的變化，來維持它們的比值不變。由于阻抗上產(chǎn)生的壓降相對(duì)于加在繞組端的電源電壓U很小，可略去。則：
U ≈ E
這就說明可以通過調(diào)節(jié)電壓U，使其跟隨頻率f的變化的方法達(dá)到使磁通恒定不變的目的，從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
怎樣實(shí)現(xiàn)變頻的同時(shí)也變壓？我們采用的方法是脈寬調(diào)制（PWM）。將圖3-6所示的一個(gè)周期的輸出波形用一組等寬脈沖波來表示，如圖2-7[10]所示。
圖2-7含有等寬載波的脈寬調(diào)制波形
如圖2-8所示，買個(gè)脈沖的寬度為t1,相鄰脈沖的間隔為t2，t1+t2=Tz(脈沖周期)。則等寬脈沖的占空比α為
α=t1/（t1+t2）
調(diào)節(jié)占空比α，就可以調(diào)節(jié)輸出的平均電壓；調(diào)節(jié)PWM波的頻率1/T，就可以改變電源頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。通過控制電路，可以容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖波的占空比和PWM波的頻率分別進(jìn)行調(diào)整。[10]
但是，雖然實(shí)現(xiàn)了變頻與變壓，可是逆變電路輸出的電壓波形仍然是一組矩形波，而不是正弦波，仍然存在許多高次諧波的成分，因此還要進(jìn)行改變。
一種方法是將等寬的脈沖波變成寬度漸變的脈沖波，其寬度變化規(guī)律應(yīng)符合正弦波的變化規(guī)律，如圖所示。我們把這樣的波稱為正弦脈寬調(diào)制波，簡稱SPWM波。SPWM波大大地減少了諧波成分，可以得到基本滿意的效果。
產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波SPWM的方法是：用一組等腰三角形波與一個(gè)正弦波進(jìn)行比較，如圖所示，其相等的時(shí)刻（即交點(diǎn)）作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時(shí)刻。
圖2-8 SPWM波形生成方法
將這組等腰三角形波稱為載波，而正弦波則稱為調(diào)制波。正弦波的頻率和扶植時(shí)刻控制的，如圖2-8[11]所示，改變正弦波的頻率，就可以改變輸出電源的頻率，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變正弦波的幅值，也就改變了正弦波與載波的交點(diǎn)，使輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化，從而改變了輸出電壓。[11]
2.4.4 電動(dòng)機(jī)與單片機(jī)的接口
在調(diào)制波的頻率、幅值和載波的頻率這3項(xiàng)參數(shù)中，不論哪一項(xiàng)發(fā)生變化時(shí)，都使得載波與調(diào)制波的交點(diǎn)發(fā)生變化。因此，在每一次調(diào)整時(shí)，都要重新計(jì)算交點(diǎn)的坐標(biāo)。顯然，單片機(jī)的計(jì)算能力和速度不足以勝任這項(xiàng)任務(wù)。過去通常的作法是：對(duì)計(jì)算做一些簡化，并事先計(jì)算出交點(diǎn)坐標(biāo)，將其制成表格，使用時(shí)進(jìn)行查表調(diào)用。但即使這樣，單片機(jī)的負(fù)擔(dān)也很重。
為了使單片機(jī)從這一沉重的負(fù)擔(dān)中解脫出來，近些年來，一些廠商推出了專用于生成三相或單項(xiàng)SPWM波控制信號(hào)的大規(guī)模集成電路芯片，如HEF4752、SLE4520、SA4828等。采用這樣的集成電路芯片，可以大大地減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，使單片機(jī)可以空出大量的時(shí)間用于檢測和監(jiān)控。在本次設(shè)計(jì)中，我們采用的便是SA4828 三相SPWM波控制芯片。
SA4828時(shí)MITEL公司推出的一種專用于三相SPWM信號(hào)發(fā)生和控制的集成芯片。它既可以單獨(dú)使用，也可以與大多數(shù)型號(hào)的單片機(jī)接口。該芯片的主要特點(diǎn)為：全數(shù)字控制；兼容INTEL系列和MOTOROLA系列單片機(jī)；輸出調(diào)制波頻率范圍0～4kHz；16位調(diào)速分辨率；載波頻率最高可達(dá)24kHz；內(nèi)部ROM固化3種可選波形；可選最小脈寬和延遲時(shí)間（死區(qū)）；可單獨(dú)調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載；看門狗定時(shí)器。
SA4828采用28腳的DIP和SOIC封裝。來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)通過總線控制和譯碼進(jìn)入初始化寄存器或控制寄存器。它們對(duì)相控邏輯電路進(jìn)行控制。外部時(shí)鐘輸入經(jīng)分頻器分成設(shè)定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所選定的片內(nèi)ROM中的調(diào)制波形進(jìn)行比較，自動(dòng)生成SPWM輸出脈沖。通過脈沖刪除電路，刪去比較窄的脈沖（如圖所示），因?yàn)檫@樣的脈沖不起任何作用，只會(huì)增加開關(guān)管的損耗。通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，保證任何橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管不會(huì)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路。看門狗定時(shí)器用來防止程序跑飛，當(dāng)時(shí)間條件滿足時(shí)快速封鎖輸出。
片內(nèi)ROM存有3種可供選擇的波形，它們是純正弦波、增強(qiáng)型波形和高效波形。如圖所示。每一種波形各1536個(gè)采樣值。增強(qiáng)型波形又稱三次諧波，它可以使輸出提高20%，三相諧波互相抵消，防止電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。高效型波形又稱帶死區(qū)的三次諧波，它是進(jìn)一步優(yōu)化的三次諧波，可以減小逆變開關(guān)管的損耗，提高功率利用率。
寄存器列陣包含8個(gè)8位寄存器R0～R5和R14、R15。其中R0～R5用來暫存來自單片機(jī)的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可能是初始化數(shù)據(jù),或者是控制數(shù)據(jù)；而R14、R15是兩個(gè)虛擬的寄存器，物理上不存在。當(dāng)向R14寫操作時(shí)，實(shí)際是將R0～R5中存放的48位數(shù)據(jù)送入初始化寄存器。當(dāng)向R15寫操作時(shí)，是將R0～R5中存放的48位數(shù)據(jù)送入控制寄存器。
SA4828芯片可以與多種不同種類單片機(jī)接口，這次我們選用的是INTEL公司的8051單片機(jī)。8051的地址與數(shù)據(jù)總線，因此，SA4828芯片的MUX引腳接高電平或者懸空不接。通過8051的P0口與SA4828的AD口相連，提供8位數(shù)據(jù)和低8位地址，SA4828芯片中的地址鎖存器可以鎖存來自8051的低8位地址，從而將AD口輸入的地址與數(shù)據(jù)分開。SA4828的地址鎖存器由8051的ALE信號(hào)控制。同時(shí)，連接的控制信號(hào)還有讀、寫信號(hào)RD和WR。SA4828的片選信號(hào)CS用譯碼器74LS138的控制信號(hào)SASEL控制。[8]
SA4828的8個(gè)寄存器的地址為,寄存器R0～R5的地址：0000H～0005H;虛擬寄存器R14,R15的地址:000EH,000FH。
SA4828的SETTRIP引腳接8051的P1.1，使單片機(jī)能夠在異常情況下封鎖SA4828的輸出。ZPPR引腳接8051的P3.2（INT0），測量調(diào)制波的頻率，用于顯示。SA4828的TRIP引腳接一只發(fā)光二極管，當(dāng)SA4828的輸出被封鎖時(shí)，發(fā)光二極管燈亮報(bào)警。SA4828的6個(gè)輸出引腳RPHT、YPHT、BPHT、RPHB、YPHB、BPHB分別通過各自的驅(qū)動(dòng)電路，來驅(qū)動(dòng)逆變橋的6只開關(guān)管。
2.5 位移和轉(zhuǎn)速檢測部分的設(shè)計(jì)
2.5.1 位移檢測傳感器和轉(zhuǎn)速檢測傳感器的選用
由于轉(zhuǎn)臺(tái)控制量的要求精度較高，必須采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，又由設(shè)計(jì)要求可知所設(shè)計(jì)的液壓飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)統(tǒng)必須具備位置檢測功能。所以必須通過高精度的位移傳感器對(duì)位移量進(jìn)行檢測和絕對(duì)式編碼器對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，反饋給單片機(jī)，通過單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理的結(jié)果作為控制量對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)液壓缸升降速度的精確和工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的控制，也就是對(duì)位移量的精確控制。在此我們選用光柵位移檢測傳感器。原因有如下幾點(diǎn)：
（1）輸出數(shù)字信號(hào)。光柵傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，這使得它易于與數(shù)字電路，特別是單片機(jī)接口。這樣就省去了模-數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，簡化了電路。
（2）高精度。由于在某些使用場合下對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的工作精度要求較高，所以應(yīng)選用具有較高精度的位移檢測傳感器。而光柵尺完全符合這種需求，由于精密的光刻技術(shù)和電子細(xì)分技術(shù)，以及莫爾條紋所具有的對(duì)局部誤差的消除作用，光柵傳感器可以得到很高的測量精度。目前，用于長度測量的光柵，其測量誤差可控制在0.2～0.4μm/m以內(nèi)，精度為0.5～3μm/1500mm，分辨率可做到0.1μm，允許計(jì)數(shù)速度為200mm/s。
（3）具備大量程。這次我們?cè)O(shè)計(jì)的同步頂升系統(tǒng)，其每個(gè)液壓缸的最大行程為400mm，所以需要傳感器具有較大的量程。但是一般的大量程的傳感器其分辨率都不高，但光柵尺卻可以很好的克服這個(gè)缺點(diǎn)。
（4）性價(jià)比高。在測量精度方面，光柵傳感器和絕對(duì)式編碼器僅次于激光測量，而成本卻低的多。[10]
但是由于光柵傳感器的光柵片一般是用玻璃制作的，而且移動(dòng)光柵片與固定光柵片之間的間隙很小，因此對(duì)環(huán)境條件如濕度、溫度、振動(dòng)、沖擊等較為敏感。環(huán)境的變化會(huì)影響光柵傳感器的性能和可靠性。所以設(shè)計(jì)液壓缸的結(jié)構(gòu)時(shí)我們將光柵尺密封在活塞內(nèi)腔中，但不與活塞一起上下運(yùn)動(dòng)，活塞升降時(shí)應(yīng)盡量避免油液滲透進(jìn)內(nèi)腔污染光柵尺和電子原件。千斤頂?shù)牡鬃赏ㄟ^螺釘與固定支架相連，可提高千斤頂?shù)姆€(wěn)定性，減少振動(dòng)，亦可保護(hù)光柵傳感器。
2.5.2 光柵位移和轉(zhuǎn)速傳感器與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)
單片機(jī)與光柵傳感器的接口電路如圖2-9所示。它有3個(gè)部分組成，包括光柵信號(hào)檢測電路、辨向電路、位置計(jì)數(shù)電路。
光柵信號(hào)檢測電路由光敏三極管和兩個(gè)比較器LM339組成。來自光柵的莫爾條紋照到光敏三極管Ta和Tb上，它們所輸出的電信號(hào)加到兩個(gè)比較器的鎮(zhèn)輸入端上，而在這2個(gè)比較器的負(fù)輸入端分別由2個(gè)5.1kΩ的電阻和2個(gè)5.1kΩ的可調(diào)電阻形成一定的參考電壓，該參考電壓應(yīng)使光柵輸出的Ua、Ub的高、低電平寬度一樣（即整形）。從LM339輸出的整形后的電壓信號(hào)Ua、Ub送到辨向電路中去，辨向電路是由與門Y1、Y2、異或門E1E2E3和4位寄存器95組成。95的數(shù)據(jù)輸入端D1接收Ua，D0接收Ub，接收脈沖由單片機(jī)的ALE和T0端提供。因此，當(dāng)95的接收脈沖端LD有脈沖下降沿產(chǎn)生時(shí)，則Ua、Ub的電平分別由D1和D0端輸入到Q1、Q0去。
當(dāng)莫爾條紋上移時(shí)，電偏平變化序列為00011110；但當(dāng)莫爾條紋下移時(shí)，電平變化序列為00101101。在考慮的現(xiàn)新行狀態(tài)和上次狀態(tài)時(shí)，則有邏輯信號(hào)如表所列。從表中可以看出，但把上次與本次的狀態(tài)組合成一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)于莫爾條紋上移的情況，兩端的位總是不等，中間兩位總是相等，對(duì)于莫爾條紋下移的情況，兩端的位總是相等，中間兩位總是不等。利用這種明顯相反的特點(diǎn)，通過邏輯電平辨別光柵移動(dòng)方向。
因此，在4位寄存器95中，把Q0輸出接到D2輸入端，把Q1輸出接到D3輸入端，其意義也就是Q3、Q2寄存Ua、Ub原來的電平，用Q1、Q0寄存Ua、Ub現(xiàn)在的電平。這樣在95中就形成了表3-1[10]中所列的代碼。
從單片機(jī)送來的脈沖信號(hào)是95接收數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的頻率較高，但這個(gè)信號(hào)從95的LD段輸入時(shí)，就產(chǎn)生了這種情況：只有當(dāng)現(xiàn)行的Ua、Ub電平變化時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生表所列的編碼；如果Ua、Ub電平不變，在95中的Q3Q2的數(shù)碼和Q1Q0中的數(shù)碼會(huì)完全一樣。例如，UaUb=01，而且不變，則接收數(shù)據(jù)信號(hào)從LD輸入時(shí)，95接收的結(jié)果為0101,當(dāng)UaUb=00時(shí)，在95接收后為0000。這些情況有利于判別Ua、Ub電平變化。很明顯，有如下結(jié)論：
（1）當(dāng)Ua、Ub不變時(shí)，95的Q3Q2和Q1Q0相同。所以，只有當(dāng)Q2Q1不等時(shí)，
Q3Q0也不等；當(dāng)Q2Q1相等時(shí)，Q3Q0也相同。
（2）當(dāng)Ua、Ub變化時(shí)，95的Q3Q2寄存Q1Q0上次的數(shù)據(jù)，Q1Q0寄存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，即Ua、Ub電平。表中有，Q3Q0相同，Q2Q1不同時(shí)，莫爾條紋下移；Q3Q0不同，Q2Q1相同時(shí)，莫爾條紋上移。
為了實(shí)現(xiàn)上面2點(diǎn)結(jié)論，在圖中采用了Y1、Y2、E1、E2、E3組成的邏輯電路。當(dāng)Ua、Ub不變時(shí)，Y1、Y2不應(yīng)產(chǎn)生任何計(jì)數(shù)信號(hào)。這時(shí)，由于Ua、Ub不變，則有Q2Q1不等，Q3Q0也不等；或者Q2Q1相同，Q3Q0也相同。當(dāng)Q2Q1不等時(shí)，就輸出1，同時(shí)Q3Q0也不等，E3也輸出1，這樣，E1就會(huì)輸出0。所以Y1、Y2也就輸出0，它們都不會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)。當(dāng)Q2Q1相同，Q3Q0也相同時(shí)，E2輸出0,E3輸出0,故E1也輸出0,使Y1、Y2 必定輸出0，也不會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)。
在Ua、Ub變化的情況下，當(dāng)莫爾條紋上移時(shí)，則必有Q2Q1相同，Q3Q0不同。這時(shí)，E2輸出0，E3輸出1,使E1輸出1。因此,Y1輸出0,Y2輸出1.Y2輸出的上升沿使4位加/減同步計(jì)數(shù)器193進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。
當(dāng)莫爾條紋下移時(shí)，必有Q2Q1不同，Q3Q0相同。這時(shí)E2輸出1，E3輸出0，使E1輸出1。因此，Y輸出1，Y2輸出0。Y1輸出的上升沿使4位加/減同步計(jì)數(shù)器193進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。
位置計(jì)數(shù)電路由2片93串聯(lián)組成，形成8位計(jì)數(shù)器。193是4位加/減計(jì)數(shù)器，加法計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)信號(hào)由CU端輸入，進(jìn)位信號(hào)從CY端輸出；減法計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)信號(hào)由CD端輸入，借位信號(hào)從BW端輸出。193可以預(yù)置數(shù)據(jù)，預(yù)置數(shù)據(jù)從D0～D3輸入，接收預(yù)置數(shù)據(jù)的脈沖信號(hào)從LD端輸入。當(dāng)LD=0時(shí)，193接收D0～D3輸入的數(shù)據(jù)。CLR是清0端，CLR=1時(shí)193清0。在預(yù)置和計(jì)數(shù)時(shí)，要求CLR=0。
在圖3-9中，2個(gè)193的LD端連在一起，通過電阻R1接+5V，并經(jīng)電容C0接地。所以，愛接通電源的瞬間有CLR=0，LD=0，使193接收D0～D3輸入的數(shù)據(jù)，即193清0。然后，193的內(nèi)容由CU和CD端的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)確定。單片機(jī)通過P1口接收193輸出的8位數(shù)據(jù)，從而得到光柵的現(xiàn)行位置。
3． 機(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該液壓飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)由升降系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成，可以通過升降系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)上工作平臺(tái)的傾斜角度、通過傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)上工作平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到模擬飛機(jī)或?qū)椩诳罩酗w行時(shí)的各種姿態(tài)，而控制系統(tǒng)則用來控制升降系統(tǒng)中各個(gè)液壓缸上升的高度和傳動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從而達(dá)到工作平臺(tái)要求的工作角度和旋轉(zhuǎn)速度。升降系統(tǒng)有液壓式、氣電式、氣壓式、汽液兩用式等，考慮到成本、實(shí)用性、使用舒適度等因素，我們最終選用了技術(shù)比較成熟的液壓系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)有齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、螺紋傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)，考慮到有沖擊則采用帶輪傳動(dòng)，同時(shí)采用離合器從而減少對(duì)電動(dòng)機(jī)的慣性沖擊?？刂葡到y(tǒng)可以是微機(jī)、單片機(jī)、可編程控制器等，考慮到本次設(shè)計(jì)的飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)僅有3個(gè)液壓缸和一個(gè)電動(dòng)機(jī)，控制器需要進(jìn)行的運(yùn)算量不大，而且本系統(tǒng)提供的功能并不復(fù)雜，單片機(jī)MCS-51足以。所以從節(jié)省成本的角度出發(fā)選擇了單片機(jī)控制系統(tǒng)。
該液壓飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。
3.1升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
升降系統(tǒng)有液壓式、氣電式、汽液兩用式等，考慮到成本、實(shí)用性、使用舒適度等因素，我們最終選用了技術(shù)比較成熟的液壓系統(tǒng)。該升降系統(tǒng)由三個(gè)液壓缸組成。
我們所設(shè)計(jì)的液壓飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的主要參數(shù)是總高約1500mm，最大行程為400mm，最大載荷為1t。因液壓飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)載荷較大，位置精度要求較高，故上升速度不宜過大，最大上升速度應(yīng)控制在50mm/min以內(nèi)。
3.1.1液壓缸結(jié)構(gòu)
由于液壓缸的外形尺寸較大，需承受的較大的沖擊載荷，所以初步擬定采用了法蘭型液壓缸的結(jié)構(gòu)原型，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)液壓缸的使用特性進(jìn)行調(diào)整其總體結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。
為了實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)的傾斜角度，液壓缸的工作臺(tái)與活塞桿應(yīng)采用轉(zhuǎn)動(dòng)連接副相連。當(dāng)液壓缸工作時(shí)，液壓缸的工作臺(tái)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所以設(shè)計(jì)時(shí)將活塞桿頂部插入球頭，與工作臺(tái)形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。如圖3-3所示。球頭與活塞桿采用緊固螺釘固定。
由于光柵尺尺寸較長，只能將活塞和活塞桿做成中空狀來放置光柵傳感器。這樣活塞與活塞桿之間不宜采用螺母緊固，方便起見，我們將活塞和活塞桿合為一體，材料同為45號(hào)鋼。工作時(shí)發(fā)光元件與光敏元件隨活塞作同步運(yùn)動(dòng)，光柵尺下端固定在底蓋上不動(dòng)，光源與光柵尺的相對(duì)位移量通過讀數(shù)頭轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)。
圖3-2液壓缸總體結(jié)構(gòu)圖
圖3-3 液壓缸的工作臺(tái)與活塞之間的連接
由于液壓缸的行程較長，達(dá)400mm，當(dāng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度去承載重物時(shí)容易產(chǎn)生較大的彎曲力矩使活塞桿折斷。所以有必要設(shè)計(jì)一個(gè)支撐套進(jìn)行保護(hù)。支撐套與油缸壁之間采用通孔螺釘緊固。
由于光柵傳感器放在液壓缸內(nèi)部，考慮到其信號(hào)線的連接問題，我們將油缸底蓋與液壓缸底座之間留有一定空間。為了方便裝卸，不宜將底蓋與油缸焊接。經(jīng)過多方面的考慮，比較了多種方案后，采用了如圖3-4所示的方法固定底蓋。圖3-4中液壓缸底座處轉(zhuǎn)有4個(gè)螺紋孔，用4個(gè)型號(hào)為M16x44的六角頭螺栓將底蓋頂起至油缸卡槽處。螺桿長度比實(shí)際所需的長3～5mm，可通過增加墊片的方法達(dá)到使4個(gè)螺栓平均分配載荷的目的。底蓋上套有密封圈，防止漏油。液壓缸底座與油缸通過4個(gè)內(nèi)六角螺釘緊固。在底座和油缸兩側(cè)各開一個(gè)通孔用于連接光柵傳感器的信號(hào)線。
3.1.2 液壓缸零部件分析
由于液壓缸可能會(huì)在比較惡劣的條件下使用，而且在裝載和卸載重物時(shí)，可能會(huì)因操作不當(dāng)而對(duì)千斤頂?shù)鬃斐奢^大沖擊，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)遭到破壞。所以底座采用具有較高強(qiáng)度和韌性的球墨鑄鐵QT600－３。
圖3-4液壓缸底蓋的固定方式
油缸是液壓系統(tǒng)的主要零件，它與底座、底蓋、油口、導(dǎo)向套等零件構(gòu)成密封的容器，用于容納壓力油液，同時(shí)還是活塞的運(yùn)動(dòng)軌道。所以設(shè)計(jì)油缸時(shí)，應(yīng)該正確的確定各部分的尺寸，保證液壓缸有足夠的輸出力、運(yùn)動(dòng)速度和有效行程，同時(shí)還必須具有一定的強(qiáng)度，能足以承受液壓力、負(fù)載力和意外的沖擊力；缸筒的內(nèi)表面應(yīng)具有合適的公差等級(jí)、表面粗糙度和形位公差等級(jí)，以保證液壓缸的密封性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和耐用性。
對(duì)油缸材料的可選空間很大，對(duì)其進(jìn)行篩選需要有足夠的耐心。對(duì)油缸的要求：1．要有足夠的強(qiáng)度，能長期承受最高工作壓力及短期動(dòng)態(tài)壓力而不致產(chǎn)生永久變形；2．要有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝時(shí)的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲；3．內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向套的摩擦作用下，能長期工作而磨損很少，尺寸公差等級(jí)和形位公差等級(jí)足以保證活塞密封件的密封性；4．最好還需要有良好的可焊性，以防在需要焊接的時(shí)候不致產(chǎn)生裂紋或過大變形。[4]最后我們選定各方面性能良好的45號(hào)鋼。油缸毛坯普遍采用退火的冷拔或熱軋無縫鋼管，現(xiàn)在國內(nèi)市場上已有內(nèi)孔經(jīng)珩磨或內(nèi)孔精加工的無縫鋼管賣，只需按所要求的長度切割即可。
本次設(shè)計(jì)雖然活塞與活塞桿采用了一體式設(shè)計(jì)，采用相同的材料，但對(duì)他們的工藝要求很不相同，所以分開來介紹。
由于活塞在液體壓力的作用下沿缸筒往復(fù)滑動(dòng)，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動(dòng)壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的滑動(dòng)配合表面；間隙過大，會(huì)引起液壓缸內(nèi)部泄露，降低容積效率，使液壓缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能?；钊牧衔覀冞x用的是45號(hào)鋼。活塞外徑的配合一般采用f9的公差等級(jí)，外徑對(duì)內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.02mm，端面與軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圓度和圓柱度一般不大于外徑公差之半，內(nèi)孔的工作表面粗糙度Ra值選用0.16μm。
活塞桿要在導(dǎo)向套中滑動(dòng)，一般采用H8/f7的配合。太緊了，摩擦力大，太松了，容易引起卡滯現(xiàn)象和單邊磨損。其圓度和圓柱度公差不大于直徑公差之半。安裝活塞的軸徑與外圓的同軸度公差不大于0.01mm，是為了保證活塞缸外圓與活塞外圓的同軸度，以避免活塞與缸筒、活塞桿與導(dǎo)向套的卡滯現(xiàn)象。安裝活塞的軸肩端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，以保證活塞安裝不產(chǎn)生歪斜。
活塞桿的外圓粗糙度Ra值取0.16μm。太光滑了，表面無法形成油膜，反而不利于潤滑。為了提高耐磨性和防銹性，活塞桿表面需進(jìn)行鍍鉻處理，鍍層厚0.03～0.05mm，并進(jìn)行拋光或磨削加工。
活塞桿導(dǎo)向套裝在缸筒和支撐套的內(nèi)側(cè)，被限制在缸筒和支撐套的卡槽之內(nèi)，但不固定死。用以對(duì)活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒的密封。上方裝有防塵圈，以防止活塞桿在后退時(shí)把雜質(zhì)、灰塵及水分帶到密封裝置處，損壞密封裝置。如圖3-5所示：
導(dǎo)向套的材料我們選用的是摩擦系數(shù)較小、耐磨性好的青銅ZQSn-1。導(dǎo)向套外圓與缸筒內(nèi)孔工作表面的配合多為H8/f7，內(nèi)孔與活塞桿外圓的配合也可采用H8/f7。外圓與內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.03mm，圓度和圓柱度公差0.05mm。
本次設(shè)計(jì)中所有的密封裝置都采用的是O型密封圈。O型密封圈在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，除了自密封作用外，由于壓力的作用和液體分子與金屬表面相互作用的結(jié)果，又業(yè)中所含的“極性分子”便在金屬便表面形成一個(gè)堅(jiān)固的邊界層油膜，且對(duì)軸產(chǎn)生很大的附著力。該油膜始終存在于密封件與往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸之間，從泄露的角度看，這是有害的，長時(shí)間的使用后會(huì)造成油液的泄露；但它對(duì)運(yùn)動(dòng)密封面的再潤滑卻起到異常重要的作用。所用材料是橡膠。符合GB3452.1-82的標(biāo)準(zhǔn)。[4]
圖3-5 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)
液壓缸底座與油缸之間的連接、光柵尺密封層與活塞之間的連接還有支撐套與油缸壁之間的連接件采用的都是沉頭內(nèi)六角螺釘。符合GB70-85的標(biāo)準(zhǔn)。工作臺(tái)與蓋板之間的連接和對(duì)油缸底蓋的頂升都采用了六角頭螺栓，并符合GB5783-86的標(biāo)準(zhǔn)。
3.1.3油缸的壁厚校驗(yàn)
油缸的額定壓力Pn應(yīng)低于一定極限：
………………………………………………………（3-1）[4]
式中：Pn－額定工作壓力；
D1－油缸外徑，本次為116mm；
D－油缸內(nèi)徑，本次為86mm；
σS－油缸材料屈服強(qiáng)度。
油缸的材料為45號(hào)鋼，查表可得σS=360MPa；
由此可知上式 右邊=50.745 MPa
液壓缸最大工作載荷為1t，面積為4757.1mm2
…………………………(3-2) [4]
其中：Wmax為最大工作載荷，本次為10000N。
經(jīng)校驗(yàn)，油缸壁所受壓力在許可范圍之內(nèi)。
3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算
傳動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，為了防止在啟動(dòng)和關(guān)閉是電動(dòng)機(jī)受到?jīng)_擊，在電動(dòng)機(jī)與軸連接處采用離合器，然后通過皮帶輪將動(dòng)力傳到工作臺(tái)帶動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到模擬飛行的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于工作時(shí)平臺(tái)上將放重物為了減少軸承所承受的稠向力,所以在工作臺(tái)下用滾球與支撐臺(tái)接觸,既減少了對(duì)軸承的力而且采用滾珠是滾動(dòng)摩檫使得摩檫力不是很大從而所需要的轉(zhuǎn)距不大。該系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、離合器、皮帶輪以及軸和軸承組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。
圖3-6傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖
3.2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)是已經(jīng)系列化了的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)中，主要根據(jù)所需電動(dòng)機(jī)的輸出功率、工作條件及經(jīng)濟(jì)要求，從產(chǎn)品目錄中選擇其類型、結(jié)構(gòu)形式、容量（功率）和轉(zhuǎn)速、并確定其型號(hào)。
（1）電動(dòng)機(jī)類型的選擇
因?yàn)槿嘟涣鳟惒诫妱?dòng)機(jī)（特別是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，價(jià)格便宜和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛。尤其在中小功率，無須調(diào)速而又長期帶動(dòng)穩(wěn)定或變動(dòng)載荷的設(shè)備中用得較多。
在選擇電動(dòng)機(jī)的類型時(shí)，主要考慮的是：靜載荷或慣性載荷的大小，工作機(jī)械長期連續(xù)工作還是重復(fù)短時(shí)工作，工作環(huán)境是否多灰塵或水土飛濺等方面。
對(duì)于一般用途，無特殊要求的工作機(jī)械（如機(jī)床，鼓風(fēng)機(jī)，水泵等）通常選用J2或JO2型電動(dòng)機(jī)。對(duì)于灰塵較多或水土飛濺的地方（如磨粉機(jī)，碾米機(jī)，農(nóng)用機(jī)械，礦山機(jī)械等）則必須選用JO2型封閉自冷式電動(dòng)機(jī)。
對(duì)于起動(dòng)載荷或慣性載荷較大的機(jī)械（如連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械，壓縮機(jī)，錘擊機(jī)，柱塞式泵等），則宜選用JO3或JO2型電動(dòng)機(jī)。
對(duì)于各種型式的起重機(jī)，牽引機(jī)和冶金機(jī)械設(shè)備等，必須選用JZ，JZR型起重及冶金用三相異步電動(dòng)機(jī)。
（2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇
同一功率的異步電動(dòng)機(jī)有每分鐘轉(zhuǎn)速為3000、1500、1000、750的幾種。當(dāng)工作機(jī)械（如鼓風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)等）轉(zhuǎn)速較高時(shí)，一般選用同步轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分的電動(dòng)機(jī)較為經(jīng)濟(jì)。如果工作機(jī)械的轉(zhuǎn)速太低（即傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比太大），將導(dǎo)致傳動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，所以需要全面考慮。
在一般機(jī)械中1500和1000轉(zhuǎn)/分的電動(dòng)機(jī)用得最多。它們適應(yīng)性大，供應(yīng)普遍。同步轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分的電動(dòng)機(jī)，只有要求低轉(zhuǎn)速，在功率較大，起動(dòng)次數(shù)頻繁等情況下才使用。
（3）電動(dòng)機(jī)功率的選擇
電動(dòng)機(jī)功率的選擇與電動(dòng)機(jī)本身發(fā)熱，載荷大小，工作時(shí)間的長短有關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)不同的工作情況考慮。對(duì)于長期連續(xù)工作，載荷穩(wěn)定或很少變化的工作機(jī)械，一般應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定功率約大于所需功率10%來選擇電動(dòng)機(jī)。
可以通過以下幾種方法確定電動(dòng)機(jī)的功率：
1. 可以在測定和估算出工作機(jī)構(gòu)的有用功率，查表得到有關(guān)機(jī)械傳動(dòng)的效率之后，運(yùn)用公式計(jì)算
2. 看看功率相仿的同類型機(jī)械所用的電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行類比選擇。
3. 假如根據(jù)同類機(jī)器進(jìn)行仿造，需要重新考慮電動(dòng)機(jī)功率，則可先用鉗型電流表測定機(jī)器的滿載電流，然后按“2.5安約需1千瓦”的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算出來。[5]
（4）電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和具體選擇
由于工作臺(tái)最大載荷為1t,約為10000N。由f=u*F,T=f*L………………（3-3）[5]
式中：
f-摩檫力,單位N;
u-摩檫系數(shù),單位1;
F-物體重力,單位N;
T-扭距,單位Nm;
L-力臂長度,單位m。
在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)有：式中:n-轉(zhuǎn)速,單位r/min?？晒浪愠鯬1.2kW
考慮到V帶傳動(dòng)、離合器和設(shè)計(jì)余量取該電動(dòng)機(jī)的額定功率P為1.5kw。據(jù)以上計(jì)算所得電動(dòng)機(jī)參數(shù)以及考慮到電機(jī)工作的環(huán)境選擇砂輪電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為：Y100L-6。其功率為1.5kw，同步轉(zhuǎn)速為1000r/min，滿載轉(zhuǎn)速為9400r/min、電流3.97A、效率77.5%、功率因數(shù)（cos?）0.74，堵轉(zhuǎn)電流為額定電流的6倍，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2倍。[5]Y2系例三相異步電動(dòng)機(jī)完全封閉，外扇冷式、鼠籠型結(jié)構(gòu)。具有設(shè)計(jì)新穎、造型美觀、噪聲低、效率和轉(zhuǎn)矩較高、起動(dòng)性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。整機(jī)采用F級(jí)絕緣，且按國際慣例的絕緣結(jié)構(gòu)評(píng)定方法設(shè)計(jì)，從而大大提高了整機(jī)安全可靠性。
3.2.2 計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)距及尺寸設(shè)計(jì)與校核
3.2.2.1軸轉(zhuǎn)距計(jì)算
取軸的離合器的傳動(dòng)效率為0.99
1軸：
……………………………………………（3-4）………………………………………（3-5）[6]
2軸：
由于設(shè)計(jì)的方案中，與軸進(jìn)行裝配的零件只有離合器，重量都比較輕，故所受的彎矩很小，可以忽略不計(jì)。因此下面將主要校核軸徑尺寸、軸的剛度以及軸的扭轉(zhuǎn)變形。
3.2.2.2軸尺寸設(shè)計(jì)
根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
………………………………………………（3-6）[6]
其中： 為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為Mpa
T 為軸所受的扭矩，單位為N.mm
為軸的抗扭截面系數(shù)，單位為
n 為軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min
p為軸傳遞的功率，單位為kw
d 為計(jì)算截面處的直徑，單位為mm
由上式可得的直徑[6]
其中
根據(jù)所選軸的材料為45號(hào)鋼，查表15—3，取[6]
則對(duì)于1軸：
所以取與離合器配合段的軸徑為50mm， 則另一端安裝皮帶輪處的直徑為40mm。
對(duì)于2軸：
所以取與皮帶輪配合段的軸徑為45mm， 則另一端安裝工作臺(tái)處的直徑為60mm并采用花鍵形式。
3.2.2.3 校核各軸的扭轉(zhuǎn)剛度
根據(jù)下面公式進(jìn)行校荷各軸
…………………………………………………………………（3-7）[6]
設(shè)計(jì)時(shí)，各軸選材都為45號(hào)鋼，其，在這里取30mpa，由于各軸的結(jié)構(gòu)形式基本相同，故它們的扭距圖也相同。如下圖2-7所示：
圖3-7各軸的扭矩示意圖
對(duì)于1軸:
故合適。
對(duì)于2軸：
故合適。
3.2.2.4校核各軸的扭轉(zhuǎn)變形
校核各軸的扭轉(zhuǎn)變形，主要根據(jù)下面的公式進(jìn)行計(jì)算：
……………………………………………………………（3-8）[6]
式中：
T-為軸所受的扭距，單位為N.mm
G-為軸的材料的剪切彈性摸量，單位為MPa，對(duì)于鋼材，
-為軸截面的極慣性矩，單位為，對(duì)于圓軸，
l-為軸的長度，取單位長度
軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為：
其中為軸每米長的允許扭轉(zhuǎn)角，與軸的使用場合有關(guān)。對(duì)于一般傳動(dòng)軸，可取，在這里取0.7。
對(duì)于1軸：
故安全。
對(duì)于2軸：
故安全。
3.2.3 鍵的選擇與校核
在設(shè)計(jì)完軸的尺寸和確定完聯(lián)軸器的類型后，由于各軸所獲得的轉(zhuǎn)矩是通過軸和聯(lián)軸器之間的鍵聯(lián)接方式實(shí)驗(yàn)的，所以下面來確定鍵的尺寸和強(qiáng)度。
對(duì)于1軸：
（1） 確定鍵聯(lián)接的類型和尺寸
選用平鍵聯(lián)接，由于聯(lián)軸器的鍵槽類型為A型，故選用A型平鍵。[5]
根據(jù)d = 40mm，中查得鍵的截面尺寸為：寬度b=12mm，高度h =8mm，由鍵的長度系列，取鍵長L=50mm
（2） 校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度
鍵、軸的材料是鋼而輪轂為鑄鐵，查機(jī)械手冊(cè)得許用擠壓應(yīng)力，取其平均值為55mpa。
………………………………………………………(3-9) [6]
式中:
T-傳遞的轉(zhuǎn)距,單位為Nm；
k-鍵與輪轂鍵槽的接觸高度,k=0.5h,此處h為鍵的高度,單位為mm；
l-鍵的工作長度,單位為mm；
d-軸的直徑,單位為mm；
[]-鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力,單位為MPa；
[P]- 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用應(yīng)力,單位為MPa。
鍵的工作長度為 ，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度[6]
由式子2-9可得：
故合適
對(duì)于2軸：
（1） 確定鍵聯(lián)接的類型和尺寸
選用平鍵聯(lián)接，由于離合器的鍵槽類型為A型，故選用A型平鍵。
根據(jù)d = 45mm，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得鍵的截面尺寸為：寬度b=14mm，高度h =9mm，由鍵的長度系列，取鍵長L=42mm
（2） 校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度
鍵、軸的材料是鋼而輪轂為鑄鐵，查機(jī)械手冊(cè)得許用擠壓應(yīng)力，取其平均值為55mpa。
鍵的工作長度為 ，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度
由式子2-9可得：
故合適。
3.2.4 皮帶的選擇
已知傳動(dòng)比i=2 ，電動(dòng)機(jī)功率為1.1KW，轉(zhuǎn)速n=910r/min，每天工作8小時(shí)，皮帶初步定為普通V帶。
（1） 確定計(jì)算功率
Pca =KAP………………………………………………………………………(3-10) [6]
式中：
Pca–計(jì)算功率，單位為KW；
P- 傳遞的額定功率（例如電動(dòng)機(jī)的額定功率），單位為KW；
KA-工作情況系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)中，查表8—6