液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì),液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì),液壓式,轉(zhuǎn)向,實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),系統(tǒng),設(shè)計(jì)
審批表任務(wù)書(shū)
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目
液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
擬指導(dǎo)學(xué)生數(shù)
1
課題類(lèi)型
結(jié)合課題情況：
指導(dǎo)教師姓名
所在單位
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介（主要包括工作內(nèi)容、要求，對(duì)指導(dǎo)多名學(xué)生的題目應(yīng)明確個(gè)學(xué)生的工作內(nèi)容）
設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)，用于對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)的輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)力矩測(cè)定、輸出端自由行程測(cè)定、線(xiàn)角傳動(dòng)比試驗(yàn)等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。
設(shè)計(jì)要求：
1.試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)試驗(yàn)樣品進(jìn)行輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)力矩測(cè)定試驗(yàn)。
2.試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端自由行程測(cè)定。
3.要求勻速施加輸出端阻尼，驅(qū)動(dòng)速度為0.1m/s。
4.測(cè)量數(shù)據(jù)能及時(shí)準(zhǔn)確的輸出顯示并記錄。
工作內(nèi)容：
1. 了解設(shè)計(jì)的裝置的用途、構(gòu)成。搜集相應(yīng)的資料，了解國(guó)內(nèi)外的情況。
2. 設(shè)計(jì)總體方案。設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的電器原理圖。
3. 零件圖設(shè)計(jì)，總圖量不少于4張A0圖紙。
4. 完成外文資料翻譯5000漢字。
5. 撰寫(xiě)2萬(wàn)字設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
時(shí)間安排：
第七學(xué)期：調(diào)研，收集資料，了解國(guó)內(nèi)外研究情況，做英文翻譯。
第八學(xué)期：
1-2周 完成總體方案設(shè)計(jì)；
3-6周 完成機(jī)器系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)。
7-8周 完成液壓及零件設(shè)計(jì)。
9-11周 完成電氣原理設(shè)計(jì)。
12-13周 系統(tǒng)憂(yōu)化。撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
參考資料：機(jī)電一體化手冊(cè)
單片機(jī)原理與應(yīng)用
測(cè)試與傳感技術(shù)
微機(jī)測(cè)控技術(shù)
機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)
系專(zhuān)家組審核意見(jiàn)：
年 月 日
住結(jié)合課題情況指 ①在研項(xiàng)目 ②預(yù)研項(xiàng)目；課題類(lèi)型是指：①設(shè)計(jì) ②論文 ③軟件
設(shè)計(jì)
開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
班 級(jí)：
專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化
指導(dǎo)教師：
開(kāi) 題 報(bào) 告
一、 課題介紹
1 課題名稱(chēng)：液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2 課題背景：
近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中愈來(lái)愈多的采用電子器件。相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩大類(lèi)：電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS(electro-hydraulic power steering)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。
在現(xiàn)代汽車(chē)上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一，它也是決定汽車(chē)主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，如何設(shè)計(jì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性，使汽車(chē)具有良好的操縱性能，始終是各汽車(chē)廠(chǎng)家和科研機(jī)構(gòu)的重要課題。特別是在車(chē)輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車(chē)流密集化的今天，針對(duì)更多不同的駕駛?cè)巳?，汽?chē)的操縱性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
從上世紀(jì)四十年代起，為減輕駕駛員體力負(fù)擔(dān)，在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了液壓助力系統(tǒng)HPS(hydraulic power steering)，它是建立在機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，額外增加了一個(gè)液壓系統(tǒng)，一般有油泵、V形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。由于其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用的最多，根據(jù)控制閥形式有轉(zhuǎn)閥式和滑閥式之分。這個(gè)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的新功能是液力支持轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)，因此可以減少駕駛員作用在方向盤(pán)上的力。EHPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其特點(diǎn)是原來(lái)有發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的液壓助力泵改由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取代了由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，節(jié)省了燃油消耗。ECHPS是在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電控裝置構(gòu)成的。電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性可根據(jù)轉(zhuǎn)向速率、車(chē)速等參數(shù)設(shè)計(jì)為可變助力特性，使駕駛員能夠更輕松便捷的操縱汽車(chē)。
由此就應(yīng)運(yùn)而生的就是如何對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和控制，從而使轉(zhuǎn)向機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)化，更好地適合現(xiàn)代汽車(chē)以及工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。目前汽車(chē)工業(yè)，機(jī)械工業(yè)早已成為世界上各個(gè)國(guó)家關(guān)系到國(guó)際名聲的頭等大事。我國(guó)正處于社會(huì)主義的初級(jí)階段，尚屬于第三世界國(guó)家，發(fā)展中國(guó)家；無(wú)論在經(jīng)濟(jì)上還是科技上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家；尤其在機(jī)械工業(yè)上，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)械工業(yè)都已達(dá)到了很好的程度，中華民族的復(fù)興都在于此。
3 工作內(nèi)容和要求：
設(shè)計(jì)并建立一個(gè)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)用于對(duì)液壓助力式轉(zhuǎn)向機(jī)總成和閥體總成進(jìn)行一般性能試驗(yàn)，從而得到轉(zhuǎn)向機(jī)的各個(gè)性能參數(shù)的準(zhǔn)確值，更好地設(shè)計(jì)或改進(jìn)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)，并使轉(zhuǎn)向機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)化，以適合當(dāng)代汽車(chē)工業(yè)和機(jī)械工業(yè)的發(fā)展要求。其中需要檢測(cè)的性能包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗(yàn)項(xiàng)目以及用戶(hù)提出的其它試驗(yàn)項(xiàng)目。
具體如下所示：
1. 轉(zhuǎn)向器總?cè)?shù)測(cè)定
2. 輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)力矩測(cè)定
3. 輸出端自由行程測(cè)定
4. 轉(zhuǎn)向力特性試驗(yàn)
5. 轉(zhuǎn)向靈敏度特性試驗(yàn)
6. 傳動(dòng)效率試驗(yàn)
7. 線(xiàn)角傳動(dòng)比試驗(yàn)
3.1 本設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求：
3.1.1 原轉(zhuǎn)向機(jī)存在的問(wèn)題與不足:
傳統(tǒng)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)，汽車(chē)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)是由駕駛員操縱方向盤(pán)，通過(guò)轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車(chē)輪而實(shí)現(xiàn)的。普通的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立在機(jī)械轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，通常根據(jù)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷(xiāo)式。常用的有兩種是齒輪齒條式和循環(huán)球式(用于需要較大的轉(zhuǎn)向力時(shí))。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是我們最常見(jiàn)的，目前大部分低端轎車(chē)采用的就是齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
雖然傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作最可靠，但是也存在很多固有的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向車(chē)輪之間的機(jī)械連接而產(chǎn)生一些自身無(wú)法避免的缺陷：①汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性受駕駛員駕駛技術(shù)的影響嚴(yán)重；②轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比固定，使汽車(chē)轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性隨車(chē)速、側(cè)向加速度等變化而變化，駕駛員必須提前針對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性幅值和相位的變化進(jìn)行一定的操作補(bǔ)償，從而控制汽車(chē)按其意愿行駛。這就變相地增加了駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，使汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛存在很大的不安全隱患；③液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差，一般轎車(chē)每行駛一百公里要多消耗0.3~0.4升的燃料。
3.1.2 本設(shè)計(jì)的要求：
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)型號(hào)有：捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號(hào)的轉(zhuǎn)向機(jī)。
具體技術(shù)指標(biāo)要求如下：
（1）輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)
最大輸出負(fù)荷：6150—10000N
要求勻速施加驅(qū)動(dòng)力（靜壓力），驅(qū)動(dòng)速度為：0.1m/s
液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉(zhuǎn)向機(jī)輸出負(fù)荷的1/3
油箱容積（有效）：80 L
（2）液壓助力系統(tǒng)
工作壓力：1.0-10 MPa 連續(xù)可調(diào)，程序設(shè)定，示值精度±1% 設(shè)定值
工作流量：1.0-8.0 L / min，連續(xù)可調(diào)（手動(dòng)），
油箱容積（有效）：100 L
（3）轉(zhuǎn)向器輸入輸出端
最大輸入轉(zhuǎn)矩：±5Nm，示值精度 0.5 % FS
最大輸入轉(zhuǎn)角：雙向無(wú)限，示值精度 ±0.05°
最大輸入轉(zhuǎn)速：20—30r/ min
輸出端最大加載力 ：±6150—10000N，示值精度 0.5 % FS
輸出端要求勻速施加驅(qū)動(dòng)力（靜壓力），驅(qū)動(dòng)速度為：0.1m/s
最大輸出位移：±100 mm，示值精度 0.5 % FS
3.1.3 總體設(shè)計(jì)方案：
3.1.3.1機(jī)械系統(tǒng)組成：
1.試驗(yàn)臺(tái)的基本組成如圖1所示，可分為如下5個(gè)組成部分：
(1)主機(jī)臺(tái)架。包括被試轉(zhuǎn)向機(jī)總成、被控閥體總成、轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)向機(jī)輸出齒條液壓加載裝置、輸入軸轉(zhuǎn)矩傳感器、輸入軸轉(zhuǎn)角傳感器、輸出端壓力傳感器、輸出端位移傳感器、各個(gè)儀表、以及安裝這些總成的基礎(chǔ)平臺(tái)和安裝夾具。
(2)泵站。包括助力油泵及電機(jī)總成、檢測(cè)輸出端油泵及電機(jī)總成、油箱、恒壓控制裝置、調(diào)壓調(diào)速回路。
圖1 系統(tǒng)總體圖
3.1.3.2 液壓系統(tǒng)：
包括液壓助立系統(tǒng)和輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)。
圖2 液壓系統(tǒng)原理圖
液壓系統(tǒng)原理圖 如圖2:
3.1.3.3 控制及檢測(cè)系統(tǒng)的組成如圖3 所示:
控制及檢測(cè)系統(tǒng)可分為如下幾個(gè)組成部分：
包括單片機(jī)（8051、74L138、74L377、2764、6264、8255、A/D 0809、D/A0832）測(cè)量接口板、顯示器、鍵盤(pán)等。
4 課題的重點(diǎn)和難點(diǎn)：
1.試驗(yàn)臺(tái)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相互之間的傳動(dòng)關(guān)系，尺寸配合。
2. 輸出端檢測(cè)液壓系統(tǒng)，助力液壓系統(tǒng)的選擇和計(jì)算。
3.電氣原理部分的設(shè)計(jì)，即各種傳感器的選擇。
4.轉(zhuǎn)向機(jī)輸入端裝置的設(shè)計(jì)。
5 可能用到的主要知識(shí)和技能：
機(jī)電一體化設(shè)計(jì)
單片機(jī)原理及接口技術(shù)
機(jī)電傳動(dòng)控制
機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析
典型機(jī)械（電）產(chǎn)品構(gòu)造
6 需要自學(xué)的知識(shí)和技能：
傳感器與執(zhí)行器
單片機(jī)原理及接口技術(shù)
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)等
二、 工作計(jì)劃:
第七學(xué)期（已完成）：
調(diào)研，搜集資料，了解國(guó)內(nèi)外研究狀況；
了解原有試驗(yàn)臺(tái)，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，做英語(yǔ)翻譯，完成開(kāi)題報(bào)告。
第八學(xué)期：
1-4周 提出試驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)方案，進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。
5-7周 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工、裝配和調(diào)試。
8-9周 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選購(gòu)和裝配。
10-12周 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試。
13-14周 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，準(zhǔn)備答辯。
三、參考文獻(xiàn):
[1].機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析. 高春甫，校內(nèi)教材. 2001.06
[2].機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ). 朱喜林，科學(xué)出版社. 2005.07
[3].MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù). 李華，北京航空航天大學(xué)出版社. 2003.10
[4].典型機(jī)械（電）產(chǎn)品構(gòu)造. 鄭玉華，科學(xué)出版社. 2004.07
[5].單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù).張迎新.北京:國(guó)防工業(yè)出版社
[6].汽車(chē)傳感器識(shí)別與檢修精華.吳文琳,李美生.北京:機(jī)械工業(yè)出版社
[7].機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè).顧冠群,萬(wàn)德均.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社
[8].機(jī)電傳動(dòng)控制.鄧星鐘.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001
6
說(shuō)明書(shū)
中 文 摘 要
本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種小型汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)的性能測(cè)試系統(tǒng)——液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該系統(tǒng)利用液壓助力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端也有一個(gè)液壓檢測(cè)系統(tǒng)為轉(zhuǎn)向機(jī)為其提供負(fù)荷阻尼。同時(shí)采集各種傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)，對(duì)其分析處理后，來(lái)檢測(cè)被試驗(yàn)轉(zhuǎn)向機(jī)的性能與可靠性。本系統(tǒng)是典型的機(jī)電液一體化系統(tǒng)。
根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的要求，系統(tǒng)所測(cè)量的參數(shù)包括輸入端的空載轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩、 工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和旋轉(zhuǎn)角度，輸出端的輸出力及輸出位移等。整個(gè)系統(tǒng)包括液壓助力系統(tǒng)，輸入端液壓檢測(cè)系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架總成，臺(tái)上卡具體總成，傳感器，單片機(jī)，微機(jī)等部件。
本系統(tǒng)采用了步進(jìn)電機(jī)控制輸入端，使得輸入轉(zhuǎn)矩更佳平穩(wěn)。利用了液壓系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端進(jìn)行檢測(cè)，與傳動(dòng)效率相同的比較，液壓傳動(dòng)裝置重量輕，體積緊湊；可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，調(diào)速范圍很大，傳動(dòng)工作平穩(wěn)；更容易與電氣配合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作和操作自動(dòng)化；
本系統(tǒng)可以測(cè)出常見(jiàn)的各種小型汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)的性能參數(shù)，并達(dá)到一定的精度，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)向機(jī) 液壓系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)
說(shuō)明書(shū)
英文摘要
Title : The Redirector’s Experiment Platform Of Hydraulic System
Abstract
This task had designed and explored a testing system that test the roadlouse’s capability of redirector —— hydraulic experiment platform of redirector. The system makes use of the system of hydraulic to drive the redirector’s output end and makes it to do axle motion . At the output end of the redirector there is also a system that text the output end by the hydraulic system. The system offers the load resistance to the redirector. Meanwhile , by gathering and analyzing the signals from the sensors ,the system can test the capability and the reliability of the redirector . The system is a typical mechatronic system .
As requirement of the experiment , the testing parameters include the motion of the input end ,when it is idling ; the motion and the rotated corner when it is working ; the output power and the output distance ,etc . The whole system is consist of the hydraulic assistant system ,the hydraulic testing system ,the driving system for the step-motor , the frame parts ,the fastener parts ,sensors , SCM and the personal computer ,etc .
The system make use of step-motor to control input end ,which can make the input motion more smooth .Taking advantage of the hydraulic system to test the output end of the redirector .Compare with the other system ,it has a light weight ,a tight volume ,and it can also achieve the stepless speed , so it has a wide scope of timing .Its transimission is smooth , so it is easier to coordinate with the electric system ,and to realize the automatic motion and operation.
The system can test out the capability parameters of the redirector of the roadlouse and it can reach to a fixed precision ,so it can satisfy the requirement of the experiment .
Keywords: redirector hydraulic system step-motor experiment platform
說(shuō)明書(shū)
目 錄
1 緒論 1
1.1 課題研究的目的和意義 1
1.2 課題任務(wù) 1
1.3 本說(shuō)明書(shū)的主要研究?jī)?nèi)容 3
2 系統(tǒng)總體方案 4
2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的組成及控制原理 5
2.2 液壓系統(tǒng)的工作原理 5
3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6
3.1 液壓助力系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7
3.2 輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10
3.3 轉(zhuǎn)向機(jī)輸入端系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15
3.4 其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18
3.5 傳感器的選擇 19
3.6 其他主要元器件的選取 22
4 控制及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23
4.1 液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)控制及檢測(cè)系統(tǒng) 23
4.2 控制及檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23
5 程序設(shè)計(jì) 33
5.1 程序設(shè)計(jì)技術(shù) 33
5.2 程序設(shè)計(jì)說(shuō)明 34
結(jié)論 37
致謝 38
參考文獻(xiàn) 39
圖1 壓力表支架三維立體模型1 40
圖2 壓力表支架三維立體模型2 41
說(shuō)明書(shū)
1 緒論
1.1 課題研究的目的和意義
21世紀(jì)是汽車(chē)工業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代，汽車(chē)工業(yè)逐步成為許多國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。為了控制汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量，提高汽車(chē)品質(zhì)，勢(shì)必對(duì)其總成及零部件提出更高更嚴(yán)格的要求。
近年來(lái)，隨著電子技術(shù)，液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中愈來(lái)愈多的采用電子器件。相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩大類(lèi)：電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS(electro-hydraulic power steering)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。
在現(xiàn)代汽車(chē)上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一，它也是決定汽車(chē)主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，如何設(shè)計(jì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性，使汽車(chē)具有良好的操縱性能，始終是各汽車(chē)廠(chǎng)家和科研機(jī)構(gòu)的重要課題。特別是在車(chē)輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車(chē)流密集化的今天，針對(duì)更多不同的駕駛?cè)巳?，汽?chē)的操縱性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
由此應(yīng)運(yùn)而生的就是如何對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和控制，從而使轉(zhuǎn)向機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)化，更好地適合現(xiàn)代汽車(chē)以及工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。目前汽車(chē)工業(yè)，機(jī)械工業(yè)早已成為世界上各個(gè)國(guó)家關(guān)系到國(guó)際名聲的頭等大事。我國(guó)正處于社會(huì)主義的初級(jí)階段，尚屬于第三世界國(guó)家，發(fā)展中國(guó)家；無(wú)論在經(jīng)濟(jì)上還是科技上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家；尤其在機(jī)械工業(yè)上，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)械工業(yè)都已達(dá)到了很好的程度，中華民族的復(fù)興都在于此。
1.2 課題任務(wù)
設(shè)計(jì)并建立一個(gè)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)用于對(duì)液壓助力式轉(zhuǎn)向機(jī)總成和閥體總成進(jìn)行一般性能試驗(yàn)，從而得到轉(zhuǎn)向機(jī)的各個(gè)性能參數(shù)的準(zhǔn)確值，更好地設(shè)計(jì)或改進(jìn)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)，并使轉(zhuǎn)向機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)化，以適合當(dāng)代汽車(chē)工業(yè)和機(jī)械工業(yè)的發(fā)展要求。其中需要檢測(cè)的性能包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗(yàn)項(xiàng)目以及用戶(hù)提出的其它試驗(yàn)項(xiàng)目。
具體如下所示：
（1） 轉(zhuǎn)向器總?cè)?shù)測(cè)定
（2） 空載轉(zhuǎn)動(dòng)力矩測(cè)定
（3） 輸出端自由行程測(cè)定
（4） 轉(zhuǎn)向力特性試驗(yàn)
（5） 轉(zhuǎn)向靈敏度特性試驗(yàn)
（6） 傳動(dòng)效率試驗(yàn)
（7） 線(xiàn)角傳動(dòng)比試驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)型號(hào)有：捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號(hào)的小型汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)。
具體技術(shù)指標(biāo)要求如下：
（1）輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)
最大輸出負(fù)荷：6150—10000 N
要求勻速施加驅(qū)動(dòng)力（靜壓力），驅(qū)動(dòng)速度為：0.1 m/s
液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉(zhuǎn)向機(jī)輸出負(fù)荷的1/3
油箱容積（有效）：80 L
（2）液壓助力系統(tǒng)
工作壓力：1.0-10 MPa 連續(xù)可調(diào)，程序設(shè)定，示值精度±1% 設(shè)定值
工作流量：1.0-8.0 L/min，連續(xù)可調(diào)（手動(dòng)），
油箱容積（有效）：100 L
（3）轉(zhuǎn)向器輸入輸出端
最大輸入轉(zhuǎn)矩：±5 Nm，示值精度 0.5% FS
最大輸入轉(zhuǎn)角：雙向無(wú)限，示值精度±0.05°
最大輸入轉(zhuǎn)速：20—30 r/min
輸出端最大加載力：±6150—10000 N，示值精度 0.5% FS
輸出端要求勻速施加驅(qū)動(dòng)力（靜壓力），驅(qū)動(dòng)速度為：0.1m/s
最大輸出位移：±100mm，示值精度 0.5%FS。
1.3 本說(shuō)明書(shū)的主要研究?jī)?nèi)容
根據(jù)以上所敘述的課題研究的任務(wù)，本文在查閱大量的國(guó)內(nèi)外資料和類(lèi)似實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)研究。
系統(tǒng)總體方案的制定：
其中包括機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電動(dòng)輸入系統(tǒng)、電氣檢測(cè)系統(tǒng)及其它部分設(shè)計(jì)的制定。
（1） 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
其中包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架、油箱，所使用的卡具設(shè)計(jì)等。
（2） 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
其中包括助力液壓系統(tǒng)和輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。
（3） 電動(dòng)輸入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
其中包括電機(jī)、減速器、相應(yīng)的傳感器件的選擇和計(jì)算。
（4） 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
其中包括單片機(jī)及擴(kuò)展芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
（5） 總結(jié)
其中包括設(shè)計(jì)小結(jié)、體會(huì)等。
43
2 系統(tǒng)總體方案
本次設(shè)計(jì)所研究的系統(tǒng)可以對(duì)小型汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，取得相關(guān)數(shù)據(jù)，從而了解轉(zhuǎn)向機(jī)的性能狀況。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要通過(guò)手動(dòng)來(lái)操作，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)從而帶動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的工作。同時(shí)通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)采集各種傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)，進(jìn)行處理并反饋到液壓閥上，調(diào)節(jié)流量和方向。經(jīng)過(guò)多次檢測(cè)我們就可以得到所測(cè)轉(zhuǎn)向機(jī)的基本性能參數(shù)了。目前我國(guó)一些研究機(jī)構(gòu)也早已開(kāi)展了對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)性能研究和試驗(yàn)研究。本系統(tǒng)基本上屬于液壓系統(tǒng)加上電氣系統(tǒng)所組成，機(jī)械部分和電動(dòng)機(jī)部分相應(yīng)少一些。
液壓系統(tǒng)又分為兩大部分，即：液壓助力系統(tǒng)和輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)。液壓助力系統(tǒng)主要是給轉(zhuǎn)向機(jī)提供轉(zhuǎn)向助力；輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)主要是給轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出端提供一定量的輸出負(fù)荷阻尼，從而檢測(cè)轉(zhuǎn)向機(jī)的性能。
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)之所以選擇液壓系統(tǒng)為轉(zhuǎn)向機(jī)提供助力并給轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端提供一定量的輸出負(fù)荷阻尼有以下幾點(diǎn)原因：
（1） 同其他傳動(dòng)方式比較，傳動(dòng)效率相同，液壓傳動(dòng)裝置重量輕，體積緊湊。
（2） 可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，調(diào)速范圍大。
（3） 運(yùn)動(dòng)件的慣性小，能夠頻繁迅速轉(zhuǎn)向；傳動(dòng)工作平穩(wěn)；系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸震，并能自動(dòng)防止過(guò)載。
（4） 與電氣配合，容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)作和操作自動(dòng)化。與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)配合，能實(shí)現(xiàn)各種控制工作。
（5） 元件以基本上系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。利于CAD技術(shù)的應(yīng)用，提高工效，降低成本。
電氣系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的是MCS-51系列的8051單片機(jī)并帶有A/D及D/A接口電路、輸出顯示電路、檢測(cè)電路等幾部分組成。MCS-51單片機(jī)集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，具有很高的性能價(jià)格比。小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，它能方便的組裝成各種智能式測(cè)控設(shè)備。適應(yīng)的溫度范圍寬。易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)。便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。
在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中機(jī)械部分的設(shè)計(jì)主要是作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)架、油箱、液壓閥的法塊盒，及的主要器件的卡具體。雖然在內(nèi)容上看上去機(jī)械很簡(jiǎn)單，但是由于數(shù)量多、體積大、非標(biāo)準(zhǔn)件多，設(shè)計(jì)量占很大比重。
一般情況下，在小型轎車(chē)上，轉(zhuǎn)向機(jī)的輸入端是方向盤(pán)，但為了能達(dá)到轉(zhuǎn)距勻速、平穩(wěn)的效果，本實(shí)驗(yàn)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入。
2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的組成及控制原理
圖2-1 系統(tǒng)整體框圖
整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)主要包括的部分：助力液壓系統(tǒng)、輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)，輸入端電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、主機(jī)臺(tái)架及油箱總成、轉(zhuǎn)向機(jī)總成，卡具體等。其中電控部分采用單片機(jī)為主的測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)整體框圖如圖2-1所示。
2.2 液壓系統(tǒng)的工作原理
在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中液壓系統(tǒng)屬于主要工作部分。液壓助力系統(tǒng)主要是為了給轉(zhuǎn)向機(jī)提供助力轉(zhuǎn)向，由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)柱塞泵從油箱中吸取液壓油經(jīng)溢流閥調(diào)壓后進(jìn)入轉(zhuǎn)向機(jī)工作，轉(zhuǎn)向機(jī)所排出的液壓油再經(jīng)油路返回油箱。輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)也是由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉片泵從油箱中吸取液壓油，液壓油經(jīng)溢流閥調(diào)壓后再經(jīng)調(diào)速閥調(diào)解流量和速度，而后在三位四通電磁換向閥的作用下即如液
圖2-2 液壓系統(tǒng)原理圖
壓缸，并驅(qū)動(dòng)液壓缸推動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端，為其提供負(fù)荷阻尼。液壓系統(tǒng)原理圖如圖2-2所示。
3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在前面的系統(tǒng)總體方案里已經(jīng)說(shuō)到:本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能是對(duì)小型汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行規(guī)定的部分性能試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，取得相關(guān)數(shù)據(jù)，從而了解轉(zhuǎn)向機(jī)的性能狀況。因此在本設(shè)計(jì)里采用液壓系統(tǒng)帶動(dòng)阻尼缸對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出端進(jìn)行檢測(cè)，并利用電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩。
3.1 液壓助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)
由于所測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)需要給于轉(zhuǎn)向助力，所以本試驗(yàn)臺(tái)需要設(shè)計(jì)一個(gè)液壓助力系統(tǒng)幫助其實(shí)現(xiàn)。
其中應(yīng)包括的主要元器件有：吸油濾清器、電機(jī)、液壓泵、壓力表、溢流閥、回油濾清器等。
3.1.1 液壓泵的選擇
3.1.1.1 設(shè)計(jì)要求
本試驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)型號(hào)有：捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號(hào)的轉(zhuǎn)向機(jī)。
流量：6.0—8.0 L/min 最高使用油壓：8.5—10 MPa 最大輸出負(fù)荷：6150—10000 N
3.1.1.2 液壓泵的流量、壓力計(jì)算
由于本液壓系統(tǒng)屬于一般系統(tǒng)，應(yīng)該按照一本液壓系統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算。
Qp=K(ΣQs)max
Qp：液壓泵的流量，L/min
Qs：同時(shí)動(dòng)作執(zhí)行元件的瞬時(shí)流量，L/min
K：系統(tǒng)泄露系數(shù)，K=1.1—1.3
則：Qp=K(ΣQs)max=1.3×(8+1)=11.7 L/min
其中：設(shè)通過(guò)溢流閥的流量為1 L/min。
泵的額定流量應(yīng)該與計(jì)算所需流量相當(dāng)，通過(guò)所算得的數(shù)據(jù)可以選擇流量略高于12 L/min的液壓泵。
泵的額定壓力可以比系統(tǒng)工作壓力高25%，所以可以選擇壓力在10--12.5 MPa左右的泵。
3.1.1.3 液壓泵的選擇
根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)所需要的工作流量和使用壓力可以選擇精度高，密封性能好，工作壓力高的10SCY14—1B型斜盤(pán)式軸向柱塞泵，如圖3-1所示。
排量：10 ml/r 額定壓力：32 MPa 額定轉(zhuǎn)速：1500 r/min 流量：15 L/min，1×10-5 m3/r，容積效率：92%--93% 重量：19 Kg。
則實(shí)際排量=15×0.92=13.8 L/min > 12.5 L/min，液壓缸選擇合理。
圖3-1 10SCY14—1B型斜盤(pán)式軸向柱塞泵
3.1.1.4 液壓泵的轉(zhuǎn)矩計(jì)算
輸入轉(zhuǎn)矩Ti=pq0/2πηm
Ti：液壓泵的輸入轉(zhuǎn)矩，N/m
p：液壓泵的工作壓力， pa
q0：液壓泵的排量，m3/r
ηm：液壓泵的機(jī)械效率，
由于在斜盤(pán)式軸向柱塞泵中，
總效率η=容積效率ηv×機(jī)械效率ηm，（查表得容積效率：92%--93%，總效率：81%--88%），
那么，機(jī)械效率大約等于總效率/容積效率。
ηm=88/93=0.946
當(dāng)泵的工作壓力為額定壓力、排量為額定排量時(shí)：
Ti 1= pq0/2πηm=32×106×1×10-5/2π×0.946=53.8 N/m
當(dāng)泵的工作壓力為實(shí)際壓力、排量為實(shí)際排量時(shí)：
Ti 2= pq0/2πηm=12.5×106×8×10-6/2π×0.946=16.8 N/m
3.1.1.5 液壓泵的輸入軸功率計(jì)算
驅(qū)動(dòng)泵軸的機(jī)械功率：Pi=pQ/η Q= Q泵ηv/60
p：泵的工作的壓力，pa
Q：泵工作時(shí)出口處流量，m 3/s
η:總效率，81%—88%
Q= Q泵ηv/60=11.7×10-3/60=1.95×10-4 m 3/s
Pi=pQ/η=12.5×106×1.95×10-4/0.85=2867 W=2.867 KW
3.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇
選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)綜合考慮以下幾點(diǎn)因素：
（1） 根據(jù)機(jī)械負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)。
（2） 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，速度變化范圍選擇電動(dòng)機(jī)。
（3） 根據(jù)使用場(chǎng)所環(huán)境條件選擇電動(dòng)機(jī)。
（4） 根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)等選擇電動(dòng)機(jī)。
在這里我們著重考慮電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿(mǎn)足負(fù)載的要求，是否能帶動(dòng)起負(fù)載；電動(dòng)機(jī)輸出的功率是否滿(mǎn)足泵的驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械功率，這是問(wèn)題的關(guān)鍵。其中，電動(dòng)機(jī)輸出的功率是否滿(mǎn)足泵的驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械功率是選擇電動(dòng)機(jī)的主要參考因素，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿(mǎn)足負(fù)載的要求為選擇電動(dòng)機(jī)的參考因素。
3.1.2.1 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇
由于泵的額定轉(zhuǎn)速：1500r/min ，在這里我們也選擇轉(zhuǎn)速與其相同的電動(dòng)機(jī)。
3.1.2.2 電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算
由常用電動(dòng)機(jī)計(jì)算公式：P=T×N/9550得：
P：電動(dòng)機(jī)功率，KW
T：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N/m
N：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min
P1= Ti 1×N/9550=53.8×1500/9550=8.45 KW
P2= Ti 2×N/9550=16.8×1500/9550=2.64 KW
3.1.2.3 電動(dòng)機(jī)的選擇
可見(jiàn)，當(dāng)液壓泵額定工作時(shí)，所需要的最大功率為8.45 KW，而當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)，所需要的最大功率為2.64 KW,兩者有較大的差距。根據(jù)實(shí)際情況，電動(dòng)的功率應(yīng)該選擇其二者之間的數(shù)值，這樣既能保證不浪費(fèi)資源，又能保證液壓泵正常工作，系統(tǒng)正常運(yùn)行。
綜上，我們可以選擇三相異步電動(dòng)機(jī)Y132M-4。
主要性能參數(shù)：
額定功率：7.5 KW 額定電流：15.4A 轉(zhuǎn)速：1440 r/min
效率：0.87 功率因數(shù)：0.85 重量：79Kg
P輸出 =7.5×0.87 KW = 6.525 KW ＞ Ti 2=2.64 KW；P輸出 ＞Pi=2.867 KW
電動(dòng)機(jī)選擇合適。
3.2 輸出端液壓檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所測(cè)量的轉(zhuǎn)向機(jī)為齒輪齒條式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)，轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出端有載荷輸出，需要測(cè)量（輸出力、位移等）；因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)裝置來(lái)測(cè)量其具體數(shù)值，以方便了解轉(zhuǎn)向機(jī)的具體性能。
其中應(yīng)包括的主要元器件有：吸油濾清器、電機(jī)、液壓泵、單向閥、壓力表、溢流閥、調(diào)速閥、換向閥、液壓缸、回油濾清器等。
3.2.1 液壓缸的選擇
3.2.1.1 設(shè)計(jì)要求
本試驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)型號(hào)有：捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號(hào)的轉(zhuǎn)向機(jī)。
最大輸出負(fù)荷：6150—10000N
要求勻速施加驅(qū)動(dòng)力（靜壓力），驅(qū)動(dòng)速度為：0.1m/s
液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉(zhuǎn)向機(jī)前軸負(fù)荷的1/3
3.2.1.2 液壓缸的選擇與計(jì)算
根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)的最大輸出負(fù)荷：6150—10000N，液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉(zhuǎn)向機(jī)前軸負(fù)荷的1/3，可以算出液壓缸的最大輸出載荷。
F=6150/3—10000/3 N=2050—3334 N
在設(shè)計(jì)液壓缸的過(guò)程中，我們需要選取較高的一個(gè)數(shù)值，并在取稍大一些，選取F=3500 N
根據(jù)所確定的輸出推力，查表選擇：WY1-FA132B-6.3B-A拉桿式液壓缸。如圖3-2所示。
圖3-2 WY1-FA132B-6.3B-A拉桿式液壓缸
缸徑：32mm 活塞桿直徑：18mm（強(qiáng)力型） 推力：5.63KN 拉力：3.85KN 額定壓力：6.3mpa 最高工作壓力：10 mpa 允許最高工作速度：300mm/s 最低工作速度：8 mm/s 。
3.2.1.3 液壓缸的輸出力校核
F=P×S= P額定×πr2 =6.3×106×π×0.0162=5066 N
所計(jì)算出的數(shù)值大于所要求的最低數(shù)值3500 N，該液壓缸是合適的。滿(mǎn)足輸出推力的最小壓力P min=3500/π×0.0162=4.35 mpa
3.2.1.4 液壓缸額定工作時(shí)，流量的計(jì)算
Q=V×S
Q:液壓缸的額定流量，m3/r
V：液壓缸所要求的驅(qū)動(dòng)力的速度， 0.1m/s
S:液壓缸的內(nèi)腔面積，㎡
則：Q=V×S=0.1×π×0.0162=8.04×10-5 m3/ s=4.83 L/min
3.2.2 液壓泵的選擇
3.2.2.1 液壓泵的流量、壓力計(jì)算
由于本液壓系統(tǒng)屬于一般系統(tǒng)，應(yīng)該按照一本液壓系統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算。
Qp=K(ΣQs)max
Qp：液壓泵的流量，L/min
Qs：同時(shí)動(dòng)作執(zhí)行元件的瞬時(shí)流量，L/min
K：系統(tǒng)泄露系數(shù)，K=1.1—1.3
則：Qp=K(ΣQs)max=1.1×(4.83+0.5)=5.86L/min
其中：設(shè)通過(guò)溢流閥的流量為1 L/min。
泵的額定流量應(yīng)該與計(jì)算所需流量相當(dāng)，通過(guò)所算得的數(shù)據(jù)可以選擇流量略高于5.86 L/min的液壓泵。
泵的額定壓力可以比系統(tǒng)工作壓力高25%，P額定＞P min×1.25=4.35×1.25=5.44mpa，所以可以選擇輸出壓力在5.44—7.87 mpa左右的泵。
3.2.2.2 液壓泵的選擇
根據(jù)液壓缸所需要的工作流量和使用壓力可以選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、排量范圍大、壓力流量脈動(dòng)小、噪聲低、壽命長(zhǎng)的YB-A14B-JL型葉片泵（雙作用）。
主要性能參數(shù)：
理論排量：14.5ml/r 額定壓力：7mpa 額定轉(zhuǎn)速：1000r/min 輸出流量：11.9L/min，容積效率：80%--94% 總效率：65%—82% 重量：10kg。
3.2.2.3 液壓泵的轉(zhuǎn)矩計(jì)算
輸入轉(zhuǎn)矩Ti=pq0/2πηm
Ti：液壓泵的輸入轉(zhuǎn)矩，N/m
p：液壓泵的工作壓力， pa
q0：液壓泵的排量，m 3/r
ηm：液壓泵的機(jī)械效率，
由于在雙作用葉片泵中，
總效率η=容積效率ηv×機(jī)械效率ηm，（查表得容積效率：80%--94%，總效率：65%--82%），
那么，機(jī)械效率大約等于總效率/容積效率。
ηm=82/94=0.872
當(dāng)泵的工作壓力為額定壓力、排量為額定排量時(shí)：
Ti1=pq0/2πηm=7×106×14.5×10-6/2π×0.872=18.5 N/m
當(dāng)泵的工作壓力為實(shí)際壓力、排量為實(shí)際排量時(shí)：
P=6.3mpa q=5.86 L/min=5.86×10 -6 m 3/r
Ti2=pq0/2πηm=6.3×106×5.86×10-6/2π×0.872=6.73N/m
當(dāng)泵的工作壓力為滿(mǎn)足輸出推力的最小壓力P min=4.35mpa、排量為實(shí)際排量時(shí)：
T min=Pq/2πη=4.35×106×5.86×10-6/2π×0.872=4.65N/m
3.2.2.4 液壓泵輸入軸功率的計(jì)算
驅(qū)動(dòng)泵軸的機(jī)械功率：Pi=pQ/η Q= Q泵ηv/60
p：泵的工作的壓力，pa
Q：泵工作時(shí)出口處流量，m 3/s
η:總效率，62%—82%
Q= Q泵ηv/60=5.68×10-3/60=9.47×10-5m 3/s
Pi=pQ/η=4.35×106×9.47×10-5/0.80=514 W=0.514KW
3.2.3 電動(dòng)機(jī)的選擇
在這里我們著重考慮電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿(mǎn)足負(fù)載的要求，是否能帶動(dòng)起負(fù)載，這是問(wèn)題的關(guān)鍵。其中，電動(dòng)機(jī)輸出的功率是否滿(mǎn)足泵的驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械功率是選擇電動(dòng)機(jī)的主要參考因素，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿(mǎn)足負(fù)載的要求為選擇電動(dòng)機(jī)的參考因素。
3.2.3.1 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇
由于泵的額定轉(zhuǎn)速：1000r/min ，在這里我們也選擇轉(zhuǎn)速與其相同的電動(dòng)機(jī)。
3.2.3.2 電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算
由常用電動(dòng)機(jī)計(jì)算公式：P=T×N/9550得：
P：電動(dòng)機(jī)功率，KW
T：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N/m
N：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min
P1=T1×N/9550=18.5×1000/9550=1.85 KW
P2=T2×N/9550=6.73×1000/9550=0.673 KW
P min= T min×N/9550=4.65×1000/9550=0.487 KW
3.2.3.3 電動(dòng)機(jī)的選擇
可見(jiàn)，當(dāng)液壓泵額定工作時(shí)，所需要的最大功率為1.85 KW，而當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)，所需要的最大功率為0.673 KW,兩者有較大的差距。根據(jù)實(shí)際情況，電動(dòng)的功率應(yīng)該選擇其二者之間的數(shù)值，這樣既能保證不浪費(fèi)資源，又能保證液壓泵正常工作，系統(tǒng)正常運(yùn)行。
綜上，我們可以選擇三相異步電動(dòng)機(jī)Y90S-6。
主要性能參數(shù)：
額定功率：0.75 KW 額定電流：2.3A 轉(zhuǎn)速：910r/min
效率：0.725 功率因數(shù)：0.7. 重量：21Kg
電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出功率P實(shí)際=0.75×0.72 KW = 0.54 KW＞P min=0.487 KW；P實(shí)際＞Pi=0.514KW，電動(dòng)機(jī)選擇合適。
3.3 轉(zhuǎn)向機(jī)輸入端系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所測(cè)量的轉(zhuǎn)向機(jī)均為小型車(chē)輛上所使用的轉(zhuǎn)向機(jī)，所要求的輸入轉(zhuǎn)矩很小。在車(chē)輛的實(shí)際行駛中，車(chē)輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤(pán)來(lái)操作，并由人手動(dòng)輸入來(lái)完成；但為了在測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)性能過(guò)程中保證輸入力矩平穩(wěn)、勻速、固定、可靠，在這里采用電機(jī)輸入，并利用減速器來(lái)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。其中，需要對(duì)輸入的扭矩和轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，還要在系統(tǒng)中加上扭矩傳感和轉(zhuǎn)角傳感器。
3.3.1 步進(jìn)電機(jī)的選型和計(jì)算
3.3.1.1 設(shè)計(jì)要求
最大輸入轉(zhuǎn)矩：5N·m ； 最大輸入轉(zhuǎn)速：20—30r/ min
3.3.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所選用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。
3.3.1.3 步進(jìn)電機(jī)的介紹
步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)組合電磁鐵的理論設(shè)計(jì)的，是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線(xiàn)位移，并用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制的特殊運(yùn)行方式的同步電動(dòng)機(jī)，在數(shù)字控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。它通過(guò)專(zhuān)用電源把電脈沖按一定順序供給定子各相控制繞組，在氣隙中產(chǎn)生類(lèi)似于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的脈沖磁場(chǎng)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就移動(dòng)一步。因此，步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)為脈沖電動(dòng)機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是我國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的一種，它具有調(diào)速范圍廣，動(dòng)態(tài)性能好，能快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。
3.3.1.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇
（1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算
根據(jù)最大輸入轉(zhuǎn)矩：5N·m 得：
（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)
經(jīng)過(guò)計(jì)算本設(shè)計(jì)選用86BYG250B型號(hào)永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。如圖3-3所示。
表3-1是電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)：
表 3-1
電機(jī)型號(hào)
相數(shù)
步距角
相電流
驅(qū)動(dòng)電壓
最大靜轉(zhuǎn)矩
相電阻
相電感
重量
空載啟動(dòng)頻率/轉(zhuǎn)速*
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
86BYG250B
2/4
1.8°
5.0A
AC40V/60V
2.4Nm
0.5W
5.6mH
2.55kg
4.6KHZ/276轉(zhuǎn)/分
1.3
Kg.cm^2
圖3-3 86BYG250B型號(hào)永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
3.3.1.5 步進(jìn)電機(jī)的控制
圖3-4所示為步進(jìn)電機(jī)控制示意圖。它把電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線(xiàn)位移，其角位移量θ或直線(xiàn)位移量s與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速n或線(xiàn)速度v與脈沖頻率f成正比。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制特性分析可見(jiàn)，在額定負(fù)載范圍內(nèi)，角位移量θ或直線(xiàn)位移量s、轉(zhuǎn)速n或線(xiàn)速度v不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化，因而很適合在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)成本下降。
當(dāng)用微電腦進(jìn)行數(shù)字控制時(shí)，它不需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，能直接把數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，力求定子各繞組間沒(méi)有互感，定、轉(zhuǎn)子都采用凸極結(jié)構(gòu)，不考慮空間磁場(chǎng)諧波的有害影響，盡一切可能去增加定位轉(zhuǎn)矩的幅值和定位精度，把轉(zhuǎn)速控制和調(diào)節(jié)放在次要地位。目前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率做的越來(lái)越大，已經(jīng)生產(chǎn)出功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它可以不通過(guò)傳動(dòng)齒輪等力矩放大裝置，直接由功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)精度。
圖3-4 步進(jìn)電機(jī)控制示意圖
3.3.2 減速器的選擇
根據(jù)選擇的步進(jìn)電機(jī)，在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中選擇XB-50-100-1-6/6型單級(jí)諧波傳動(dòng)減速器。
3.3.2.1 主要性能參數(shù)：
輸入轉(zhuǎn)速3000r/min
輸入轉(zhuǎn)速1500r/min
輸入轉(zhuǎn)速1000r/min
傳動(dòng)比
100
100
100
輸出轉(zhuǎn)矩/N·m
30
33
33.6
輸出轉(zhuǎn)速/r·min -1
30
15
10
輸入功率/KW
0.118
0.062
0.041
表3-2 所選減速器的主要性能參數(shù)
見(jiàn)表3-2，由于所選的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與減速器的額定轉(zhuǎn)速有較大的差距，因此無(wú)法根據(jù)減速器的性能參數(shù)表格來(lái)判斷減速器所輸出的轉(zhuǎn)矩；但經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)及其他試驗(yàn)臺(tái)所選型號(hào)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得，選此減速器可以達(dá)到預(yù)定要求。輸出轉(zhuǎn)速小于20—30r/ min；輸出轉(zhuǎn)矩小于最大輸入轉(zhuǎn)矩：5N·m。所以減速器選擇合適。
3.3.2.2 諧波傳動(dòng)減速器的介紹
諧波傳動(dòng)減速器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、傳動(dòng)比范圍大的減速器。它具有承載能力高、損耗小、效率高等特點(diǎn)；此外，減速器本身的齒輪摩擦小且均勻、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)沖擊，可以向密封空間傳遞動(dòng)力。
3.4 其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.4.1 臺(tái)架總成的設(shè)計(jì)
臺(tái)架是支撐轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)體和安裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)下裝置的空間。其空間的大小和臺(tái)面的高度及面積都與臺(tái)下設(shè)備的安裝和臺(tái)上設(shè)備的裝卡、操作人員的操作有很大的關(guān)系。因此設(shè)計(jì)的一定要合理。
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所設(shè)計(jì)的臺(tái)架為一個(gè)長(zhǎng)方體（長(zhǎng)：1600mm、寬：1100mm、高：760mm），
臺(tái)架由四根臺(tái)架立柱（方鋼40×40）所支撐。支撐臺(tái)面的由兩根臺(tái)架長(zhǎng)橫梁（方鋼40×40）和兩根臺(tái)架短橫梁（方鋼40×40）所連接而成的長(zhǎng)方形支架。此外還有臺(tái)架底座總成等部件組成（具體見(jiàn)零件圖XSA301）。
3.4.2 油箱總成的設(shè)計(jì)
油箱是實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的油源，其空間的大小關(guān)系到系統(tǒng)的油量是否夠用、是否省油、節(jié)省空間，達(dá)到最優(yōu)化效果。
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所設(shè)計(jì)的油箱也是一個(gè)長(zhǎng)方體（長(zhǎng)：1000mm、寬：500mm、高：600mm），板厚0.75 mm（詳見(jiàn)總裝圖XSA300）.
3.5 傳感器的選擇
各參數(shù)的測(cè)量和采集主要靠各種傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳感器是借助于檢測(cè)元件(敏感元件)接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。它獲取的信息，可以是各種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信號(hào)也有各種形式。無(wú)論何種傳感器，作為測(cè)量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，通常都必須具有快速、準(zhǔn)確、可靠且又經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求。因此，對(duì)傳感器有以下要求:
(1) 足夠的容量。傳感器的工作范圍或量程足夠大;具有一定過(guò)載能力。
(2) 與測(cè)量或控制系統(tǒng)相匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高，線(xiàn)性程度好。
(3) 反應(yīng)快，工作可靠性高。
(4) 精度適當(dāng)且穩(wěn)定性好，即傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿(mǎn)足要求，并長(zhǎng)期穩(wěn)定。
(5) 適用性和適應(yīng)性強(qiáng)，即動(dòng)作能量小，對(duì)被測(cè)量的狀態(tài)影響小;內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響，使用安全等。
(6) 使用經(jīng)濟(jì)。即成本低、壽命長(zhǎng)，且易于使用、維修和校準(zhǔn)。
所選的傳感器的型號(hào)如表3-3所示：
表3-3 所選傳感器的型號(hào)及性能參數(shù)
型號(hào)
性能指標(biāo)
數(shù)量
備注
扭矩傳感器
T34FN
0-20 Nm
1
線(xiàn)位移傳感器
CWY200
0-200mm
1
壓力傳感器
C9B
20KN
1
角度變化檢出器
CP-5UY
輸出感度: Min.0.5/10°
1
直線(xiàn)性%(FS): ±1(300°)
3.5.1 位移傳感器
CWY系列導(dǎo)電塑料直線(xiàn)位移傳感器,小量程——測(cè)量長(zhǎng)度30-300mm，壽命1000萬(wàn)次，分辨率無(wú)窮小 , 適用于工程機(jī)械,宇宙裝置、導(dǎo)彈、飛機(jī)雷達(dá)天線(xiàn)的伺服系統(tǒng)以及注塑機(jī),木工機(jī)械,印刷機(jī),電子尺,機(jī)器人,工程監(jiān)測(cè),電腦控制運(yùn)動(dòng)器械等需要精確測(cè)量位移的場(chǎng)合。如圖3-5所示。
圖3-5 線(xiàn)位移傳感器CWY200
3.5.2 扭矩傳感器
圖3-6 扭矩傳感器T34FN
T34FN 扭矩法蘭專(zhuān)為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的扭矩測(cè)量和速度測(cè)量設(shè)計(jì)的，可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試部門(mén)以及生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量管理。 由于轉(zhuǎn)子可單獨(dú)安裝,因此靈活性大大增加。如圖3-6所示。
3.5.3 壓力傳感器
在對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端進(jìn)行性能試驗(yàn)中，壓力傳感器C9B，當(dāng)液壓缸輸出端活塞桿與轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端活塞桿相向輸出時(shí)，采用電阻應(yīng)變片式壓力傳感器，將它裝置在兩活塞桿同一軸向內(nèi)，利用應(yīng)變片的變形測(cè)量轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端的輸出力的大小。
3.5.3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理
工作時(shí)，將應(yīng)變片用粘合劑粘貼在彈性體上，彈性體受外力作用變形所產(chǎn)生的應(yīng)變就會(huì)傳遞到應(yīng)變片上，從而使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量阻值的變化，就能得知外界被測(cè)量的大小。
在傳感器中實(shí)際采用多個(gè)電阻絲片，一般把四個(gè)測(cè)量應(yīng)變片，兩片貼在正應(yīng)變片區(qū)，并將接在電橋兩個(gè)相對(duì)的臂上；另兩個(gè)貼在負(fù)應(yīng)變區(qū)，接在另兩個(gè)相對(duì)臂上，以使一個(gè)應(yīng)變片的電阻溫度效應(yīng)為另一個(gè)相鄰應(yīng)變片所抵消。這樣的電路不但補(bǔ)償了溫度效應(yīng)，而且可以得到較大輸出信號(hào)，這種補(bǔ)償電路稱(chēng)全橋連接。
3.6 其他主要元器件的選取
通過(guò)電阻應(yīng)變片式壓力傳感器傳出的微小電壓再經(jīng)過(guò)放大和濾波，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入計(jì)算機(jī)中。
名稱(chēng)
型號(hào)
性能指標(biāo)
數(shù)量
備注
空氣濾清器
EF1-25
1
低壓溢流閥
P-B25B
1
單向節(jié)流閥
DRVP-12
2
調(diào)速閥
Q-25B
1
吸油過(guò)濾器
WU-160×010-J
63L/min
80u
2
直回式回油過(guò)濾器
RFA-160×010-C
1
電磁換向閥
34DY-B10H-T
1
壓力表
LHGAM14×1.5
60MPa
2
先導(dǎo)式溢流閥
DB10A-1-30/31.5UW
220-50N//
1
表 3-4 其他主要元器件的選取
4 控制及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)控制及檢測(cè)系統(tǒng)
4.1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制及檢測(cè)系統(tǒng)的組成
控制系統(tǒng)的由以下主要器件組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)8051、址鎖存器74LS373、譯碼器74L138、程序存儲(chǔ)器2764、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264、I/O口擴(kuò)展芯片8255、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D0809、數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A0832、鍵盤(pán)、LED顯示部分電路、扭矩傳感器T34FN、壓力傳感器C9B、線(xiàn)位移傳感器CWY200、角位移傳感器CP-5UY及相關(guān)電路等。
液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制及檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖4-1所示：
圖4-1 控制及檢測(cè)系統(tǒng)框圖
4.2 控制及檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.2.1 單片機(jī)的選擇
單片機(jī)選用：MCS-51系列的8051單片機(jī)，理由如下：
MCS-51單片機(jī)集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，具有很高的性能價(jià)格比。小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，它能方便的組裝成各種智能式測(cè)控設(shè)備。適應(yīng)的溫度范圍寬。易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)。便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。
即用8051外接2764、6264及8255等芯片擴(kuò)展成一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)。編程的用戶(hù)程序由鍵盤(pán)盤(pán)輸入，修改程序也由鍵盤(pán)來(lái)完成。程序存入外部RAM，如果系統(tǒng)需要保存該程序，可以把錄音機(jī)接在錄音輸出口上將程序錄下來(lái)，每段程序輸入都可以顯示。系統(tǒng)中有時(shí)鐘電路模塊、復(fù)位電路、數(shù)碼顯示接口電路。
4.2.1.1 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計(jì)
時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，各部分都以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響微機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
由此，在本次設(shè)計(jì)中選用：內(nèi)部時(shí)鐘電路，即晶振電路。圖形見(jiàn)電氣原理圖。其中，振蕩頻率：60MHz，電容器C1,C2在30Pf左右。
單片機(jī)在接通電源啟動(dòng)或出現(xiàn)故障后，程序需從頭開(kāi)始執(zhí)行，機(jī)器內(nèi)部全部寄存器I/O接口等都必須重新復(fù)位，所以要求接復(fù)位電路。
由此，在本次設(shè)計(jì)中選用：復(fù)位電路。圖形見(jiàn)電氣原理圖。其中，電阻阻值為82KΩ，電容為10μf。
4.2.1.2 Mccs-51系列單片機(jī)的引腳及其功能
Mcs-51系列單片機(jī)是一個(gè)具有40根引腳的雙列直插式器件。
：編程和正常操作時(shí)的電源電壓為+5V。
：地電平。
：一個(gè)8位開(kāi)漏雙向I/O口，它訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器的低8位地址和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，在程序檢驗(yàn)時(shí)它也輸出指令字節(jié)，口能吸入8個(gè)LSTTL輸入。
口：具有提升電阻的8位雙向I/O口，專(zhuān)供用戶(hù)使用，在程序檢驗(yàn)時(shí)它也接收低位地址字節(jié)，口能吸入/輸出3個(gè)LSTTL輸入。
口：具有提升電阻為8位雙向I/O口，供系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)作高8位地址線(xiàn)用。在沒(méi)有外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，它也可以為用戶(hù)I/O口線(xiàn)使用。在程序檢驗(yàn)時(shí)，它也接收高位地址和控制信號(hào)。口能吸入/輸出3個(gè)LSTTL輸入。
口：具有提升電阻為8位雙向I/O口，該口的每一位單元可以獨(dú)立地定義為第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)與操作與口完全相同，第二功能如下所示：
口引腳 第二功能
（串行輸入口）
（串行輸出口）
（外部中斷）
（外部中斷）
（定時(shí)器0外部輸入）
（定時(shí)器1外部輸入）
（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）
（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）
口能吸入/放出3個(gè)LSTTL輸入。
：訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用于鎖存地址低字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE主要是提供一個(gè)定時(shí)信號(hào)，在從外部程序存儲(chǔ)器取指時(shí)把口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中，每一個(gè)機(jī)器周期A(yíng)LE二次有效．這個(gè)引腳也是EPROM編程時(shí)的編程脈沖輸入。
：程序存儲(chǔ)器允許輸出，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在工外部程序存儲(chǔ)器取指時(shí)，每個(gè)周期有效二次，在從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器取指時(shí)，無(wú)脈沖。
：EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行北部程序存儲(chǔ)器的指令。為低電平時(shí)，CPI僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令。使用8051時(shí)，必須接地。8751EPROM編程時(shí)，這個(gè)引腳為21V編程電源輸入端。
：震蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時(shí)必須接地。
：震蕩器反相放大器輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入，使用外部震蕩器時(shí)用于輸入外部震蕩信號(hào)。
：復(fù)位控制，在震蕩器運(yùn)行時(shí)，使RST腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期為高電平，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。CPU通過(guò)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位來(lái)響應(yīng)，在RST為高的第二周期時(shí)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位。在關(guān)斷前加上VPD,RAM的內(nèi)容將不變．
4.2.2 程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選用
試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)采用MCS-51系列中的8051作為主控制器。
對(duì)于不同的單片機(jī)進(jìn)行比較：首先要選擇合適的存儲(chǔ)器。單片機(jī)內(nèi)部有兩種存儲(chǔ)器：一種是專(zhuān)門(mén)用來(lái)存放用戶(hù)程序和常數(shù)的程序存儲(chǔ)器；另一種是專(zhuān)門(mén)用來(lái)存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。兩者是嚴(yán)格分開(kāi)的，不同的單片機(jī)這兩種存儲(chǔ)器的容量也不一致。一般選用片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)，通過(guò)片外擴(kuò)展組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。這種最小系統(tǒng)使用靈活，改寫(xiě)程序方便。（1）選擇單片機(jī)還應(yīng)注意接口能力、指令系統(tǒng)、尋址方式及功耗等問(wèn)題。（2）必須具備配套的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。（3）選擇市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。
綜合以上因素，在與MCS-51系列的8051單片機(jī)相配合的眾多器件中可以選用：程序存儲(chǔ)器：2764如圖4-2所示 ；程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8K，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：6264，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8K。如圖4-3所示。
圖4-2 程序存儲(chǔ)器2764引腳圖
圖4-3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器74LS373引腳圖
4.2.3 地址鎖存器和譯碼器的選用
由于MCS-51單片機(jī)的口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)，因此在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須利用地址鎖存器將地址信號(hào)從地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)中分離開(kāi)來(lái)。
通常，地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373或8282,也可以使用帶清除端的八D鎖存器74LS273,地址鎖存信號(hào)為74LS373ALE。
綜合以上因素，結(jié)合所選用的單片機(jī)8051，從以上器件中選用鎖存器74LS373如圖（4-3），譯碼器74L138。
4.2.4 并行I/O擴(kuò)展接口的選用
本試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中所檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)需要用顯示器顯示，并且用鍵盤(pán)輸入。因此需要與I/O擴(kuò)展接口相連接。在眾多器件中我選用8255。
8255的A口為控制試驗(yàn)臺(tái)輸入電機(jī)的接口。為防止功率放大器高雅的干擾，步進(jìn)電機(jī)及接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤(pán)與顯示設(shè)計(jì)在一起，8255的PC口擔(dān)任鍵盤(pán)的列線(xiàn)及顯示器的掃描控制；PB口的PB0～PB3為鍵盤(pán)的行線(xiàn)；8051的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X5共20個(gè)列式鍵盤(pán)和五位八段共陰極ＬＥＤ顯示器。
在軟件設(shè)計(jì)上8255的PA口、PC口設(shè)置為輸出，PB口設(shè)置為輸入。
4.2.4.1 8255的工作方式
8255有三種基本工作方式：
方式0：基本輸入輸出
方式1：選通輸入輸出
方式2：雙向傳送
表4-1 8255接口工作狀態(tài)選擇表
0 0
0 1
1 0
0 1 0
0 1 0
0 1 0
A口數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)總線(xiàn)
B口數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)總線(xiàn)
C口數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)總線(xiàn)
0 0
0 1
1 0
1 1
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
總線(xiàn)數(shù)據(jù)：A口
總線(xiàn)數(shù)據(jù)：B口
總線(xiàn)數(shù)據(jù)：C口
總線(xiàn)數(shù)據(jù)：控制字寄存器
1 1
1
0 1 0
1 1 0
數(shù)據(jù)總線(xiàn)：三態(tài)
非法狀態(tài)
數(shù)據(jù)總線(xiàn)：三態(tài)
三種工作方式由工作方式控制字來(lái)決定。方式控制字的格式由CPU通過(guò)輸入/輸出指令來(lái)提供。三個(gè)端口中C口被分為兩個(gè)部分，上半部分隨A口稱(chēng)為A組，下半部分隨B口稱(chēng)為B口。其中A口可工作于方式0、1和2，而B(niǎo)口只能工作在方式0和1。另外，C口還具有位控制功能，它可通過(guò)工作方式控制字將其任意一位置“1”或者清“0”。
4.2.5 模數(shù)轉(zhuǎn)型A/D轉(zhuǎn)換器的選用
圖4-4 ADC0809引腳圖
A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。它與D/A轉(zhuǎn)換器一樣，是微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種重要接口，常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中具體應(yīng)用到與傳感器的連接中，并選用A/D0809。
4.2.5.1 A/D0809轉(zhuǎn)換器的工作原理
逐位反饋使次高位置1，進(jìn)行相同的過(guò)程直到SAR的所有位都被確定。轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后，SAR寄存器中的二進(jìn)制碼就是A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。如圖4-4所示。
主要特性：（1）8路8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。（2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕＃?）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs。（4）單個(gè)＋5V電源供電 。（5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度校準(zhǔn)。 （6）工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度 。（7）低功耗，約15mW。
4.2.5.2 A/D0809轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì)方法
中斷方式：
圖4-5 DAC0832引腳圖
無(wú)論CPU暫停與否，實(shí)際上對(duì)控制過(guò)程來(lái)說(shuō)都是處于等待狀態(tài)，等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后再讀入數(shù)據(jù)，因此速度慢，為了發(fā)揮計(jì)算機(jī)的效率，又是采用中斷方式。在這種方式中，CPU啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，即可轉(zhuǎn)而處理其他事情（如執(zhí)行主程序），一旦A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，則由A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)一轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)到單片機(jī)的管腳，CPU相應(yīng)中斷后，便讀入數(shù)據(jù)。這樣，在整個(gè)系統(tǒng)中CPU與A/D轉(zhuǎn)換器是并行工作的，所以提高了工作效率。為此，有時(shí)多回路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，我們不得不采用雙重中斷的辦法來(lái)解決（第一重中斷是定時(shí)采樣，第二重中斷是A/D轉(zhuǎn)換）。
4.2.6 數(shù)模轉(zhuǎn)型D/A轉(zhuǎn)換器的選用
D/A轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，將需要轉(zhuǎn)換的數(shù)碼加在D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入端，D/A芯片的輸出端就建立起相應(yīng)的電流和電壓。
在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中具體應(yīng)用到與調(diào)速閥的連接中，并選用D/A0832（DAC0832）。如圖4-5所示。
D/A0832是一種雙緩沖型D/A芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。她被分成三部分：由8位輸出寄存器和8位DAC0832寄存器組成的二次緩沖；一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換；控制電路完成對(duì)兩個(gè)鎖存器的寫(xiě)入控制。
4.2.7 矩陣式鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì)
4.2.7.1 矩陣式鍵盤(pán)工作原理
鍵盤(pán)設(shè)置在行、列線(xiàn)交點(diǎn)上，行、列線(xiàn)分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。行線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接到+5V上。平時(shí)無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí)，行線(xiàn)處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線(xiàn)電平狀態(tài)將由此行線(xiàn)相連接的列線(xiàn)電平?jīng)Q定。列線(xiàn)電平如果為低，則行線(xiàn)電平為低；列線(xiàn)電平如果為高，則行線(xiàn)電平亦為高。這一點(diǎn)是識(shí)別矩陣鍵盤(pán)按鍵是否被按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤(pán)中行、列線(xiàn)為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此各按鍵彼此將相互發(fā)生影響，所以必須將行、列線(xiàn)信號(hào)配合起來(lái)并作適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。矩陣鍵盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省很多的I/O接口。
4.2.7.2 按鍵的識(shí)別方法
掃描法：此方法分兩部進(jìn)行：第一步，識(shí)別鍵盤(pán)有無(wú)鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識(shí)別出具體的按鍵。分述如下：
識(shí)別鍵盤(pán)有無(wú)鍵被按下：讓所有列線(xiàn)均置為0電平，檢查各行線(xiàn)電平是否有變化，如果有變化，則說(shuō)明有鍵被按下，如果沒(méi)有變化，則說(shuō)明無(wú)鍵被按下。
識(shí)別具體按鍵的方法：逐列置零電平，其余各列置為高電平，檢查各行線(xiàn)電平的變化，如果某行電平由高電平變?yōu)榱汶娖剑瑒t可確定此行列交叉點(diǎn)處的按鍵被按下。
4.2.7.3 鍵盤(pán)工作方式
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤(pán)掃描只是CPU工作的內(nèi)容之一。CPU在忙于各項(xiàng)工作時(shí)，如何兼顧鍵盤(pán)的輸入，取決于鍵盤(pán)的工作方式。鍵盤(pán)的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。其原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)鍵盤(pán)操作，又要不過(guò)多占用CPU的工作時(shí)間。通常，鍵盤(pán)的工作方式有三種，即：程序掃描，定時(shí)掃描和中斷掃描。
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用電氣控制系統(tǒng)的鍵盤(pán)工作方式為定時(shí)掃描工作方式
具體介紹見(jiàn)（5.2）。
4.2.8 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路
步進(jìn)電機(jī)的控制完全可以通過(guò)各種邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這樣做的缺點(diǎn)是線(xiàn)路復(fù)雜、缺乏靈活性。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制有兩種方案：一種是所謂的串行法，即環(huán)行分配部分由邏輯電路組成，微機(jī)只提供頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)、方向信號(hào)和勵(lì)磁方式信號(hào)。另一種是并行發(fā)，即由微機(jī)軟件來(lái)完成脈沖分配的任務(wù)。
圖4-6 步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)的組成
微機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)主要利用微機(jī)的I/O口進(jìn)行脈沖的環(huán)形分配，并配備相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，如圖（4-6）為兩相步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)組成原理圖。當(dāng)相應(yīng)端的端口出現(xiàn)高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的輸入端產(chǎn)生步進(jìn)脈沖。
5 程序設(shè)計(jì)
5.1 程序設(shè)計(jì)技術(shù)
由于該檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的程序設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，現(xiàn)以鍵盤(pán)掃描方式的程序設(shè)計(jì)為例來(lái)介紹。定時(shí)掃描方式程序流程圖（5-1）如下：
鍵盤(pán)定時(shí)掃描方式：
定時(shí)掃描方式就是每隔一段時(shí)間對(duì)鍵盤(pán)掃描一次，它利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生一定時(shí)間（例如10 ms）的定時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到就產(chǎn)生定時(shí)器溢出中斷。CPU響應(yīng)中斷后對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)識(shí)別出該鍵，再執(zhí)行該鍵的功能程序。定時(shí)掃描方式的硬件電路與編程掃描方式相同，程序流程圖如圖（5-1）所示。
圖5-1 定時(shí)掃描方式程序流程圖
圖中，標(biāo)志1和標(biāo)志2是在單片機(jī)內(nèi)部RAM的位尋址區(qū)設(shè)置的兩個(gè)標(biāo)志位，
標(biāo)志1為去抖動(dòng)標(biāo)志位，標(biāo)志2為識(shí)別完按鍵的標(biāo)志位。初始化時(shí)將這兩個(gè)標(biāo)志位設(shè)置為0，執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，首先判別有無(wú)鍵閉合，若無(wú)鍵閉合，將標(biāo)志1和標(biāo)志2置0后返回；若有鍵閉合，先檢查標(biāo)志1，當(dāng)標(biāo)志1為0時(shí)，說(shuō)明還未進(jìn)行去抖動(dòng)處理，此時(shí)置位標(biāo)志1，并中斷返回。由于中斷返回后要經(jīng)過(guò)10 ms后才會(huì)再次中斷，相當(dāng)于延時(shí)了10 ms，因此，程序無(wú)須再延時(shí)。
下次中斷時(shí)，因標(biāo)志1為1，CPU再檢查標(biāo)志2，如標(biāo)志2為0說(shuō)明還未進(jìn)行按鍵的識(shí)別處理，這時(shí)，CPU先置位標(biāo)志2，然后進(jìn)行按鍵識(shí)別處理，再執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能子程序，最后，中斷返回。如標(biāo)志2已經(jīng)為1，則說(shuō)明此次按鍵已做過(guò)識(shí)別處理，只是還未釋放按鍵。當(dāng)按鍵釋放后，在下一次中斷服務(wù)程序中，標(biāo)志1和標(biāo)志2又重新置0，等待下一次按鍵。
5.2 程序設(shè)計(jì)說(shuō)明
下面為鍵輸入程序的清單，從該程序返回后輸入鍵的鍵號(hào)在累加器中。程序請(qǐng)單：
KEY1: MOV A, #03H
MOV DPTR, #7F00H
MOVX @DPTR, A ；8255初始化A口、B口為輸出口，C口為輸入口
ACALL KS1 ；調(diào)用判斷有無(wú)鍵閉合子程序
JNZ LK1
ACALL DIR ；調(diào)用顯示子程序，延遲5ms
AJMP KEY1
LK1: ACALL DIR ;延遲10ms
ACALL DIR
ACALL KS1 ; 調(diào)用判斷有無(wú)鍵閉合子程序
JNZ LK2
ACALL DIR ；調(diào)用顯示子程序，延遲5ms
AJMP KEY1
LK2: MOV R2, #OFEH ;掃描模式R2
MOV R4 ,#0
LK4: MOV DPRT, #7F01H ; 掃描模式—8255A口
MOV A, R2
MOVX @DPRT, A
INC DPTR
INC DPTR
MOVX A, @DPTR ；讀8255C口
JB Acc.0, LONE
MOV A, #00H ；0行有鍵閉合，首鍵號(hào)0--A
AJMP LKP
LKP: ADD A, R4 ；求鍵號(hào)
PUSH ACC ；鍵號(hào)進(jìn)行保護(hù)
LK3: ACALL DIR ；判斷鍵釋放否？
ACALL KS1
JNZ LK3
POP ACC ；鍵號(hào)--A
RET
NEXT: INC R4 ；列計(jì)數(shù)加1
MOV A, R2 ；判斷是否已掃描到最后列
JNB Acc0, KND ； 若仍無(wú)鍵入，轉(zhuǎn)KND
RL A
MOV R2, A
AJMP LK4
KND: AJMP KEY1
KS1: MOV DPTR, #7F01H ;全“0”—掃描口
MOV A, #00H
MOVX @DPTR, A
INC DPTR
INC DPTR
MOVX A, @DPTR ；讀鍵入狀態(tài)
CPL A
ANL A, #OF ；屏蔽高位
RET
結(jié) 論
通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)及本次論文的研究，可得如下結(jié)論：
（1）選用電動(dòng)變量軸向輸入，經(jīng)過(guò)扭矩傳感器加載的方式。這樣更加容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸入的平穩(wěn)性和均勻性，可以得到持續(xù)穩(wěn)定的輸入扭矩。
（2）被試件的輸出端采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和加載，更容易實(shí)現(xiàn)兩者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。既可以正
收藏