液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實驗臺系統(tǒng)設(shè)計,液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實驗臺系統(tǒng)設(shè)計,液壓式,轉(zhuǎn)向,實驗,試驗,系統(tǒng),設(shè)計 說明書 1 緒論 1.1 課題研究的目的和意義 21世紀(jì)是汽車工業(yè)飛速發(fā)展的時代，汽車工業(yè)逐步成為許多國家的支柱產(chǎn)業(yè)。為了控制汽車產(chǎn)品質(zhì)量，提高汽車品質(zhì)，勢必對其總成及零部件提出更高更嚴(yán)格的要求。 近年來，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：電動液壓助力轉(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，它也是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，如何設(shè)計汽車的轉(zhuǎn)向特性，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更多不同的駕駛?cè)巳?，汽車的操縱性設(shè)計顯得尤為重要。 由此應(yīng)運而生的就是如何對轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行檢測和控制，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)代汽車以及工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。目前汽車工業(yè)，機(jī)械工業(yè)早已成為世界上各個國家關(guān)系到國際名聲的頭等大事。我國正處于社會主義的初級階段，尚屬于第三世界國家，發(fā)展中國家；無論在經(jīng)濟(jì)上還是科技上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家；尤其在機(jī)械工業(yè)上，世界上許多發(fā)達(dá)國家的機(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)計并建立一個液壓轉(zhuǎn)向機(jī)實驗臺，該試驗臺用于對液壓助力式轉(zhuǎn)向機(jī)總成和閥體總成進(jìn)行一般性能試驗，從而得到轉(zhuǎn)向機(jī)的各個性能參數(shù)的準(zhǔn)確值，更好地設(shè)計或改進(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)代汽車工業(yè)和機(jī)械工業(yè)的發(fā)展要求。其中需要檢測的性能包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗項目以及用戶提出的其它試驗項目。 具體如下所示： （1） 轉(zhuǎn)向器總?cè)?shù)測定 （2） 空載轉(zhuǎn)動力矩測定 （3） 輸出端自由行程測定 （4） 轉(zhuǎn)向力特性試驗 （5） 轉(zhuǎn)向靈敏度特性試驗 （6） 傳動效率試驗 （7） 線角傳動比試驗 本實驗臺主要測量轉(zhuǎn)向機(jī)型號有：捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號的小型汽車轉(zhuǎn)向機(jī)。 具體技術(shù)指標(biāo)要求如下： （1）輸出端液壓檢測系統(tǒng) 最大輸出負(fù)荷：6150—10000 N 要求勻速施加驅(qū)動力（靜壓力），驅(qū)動速度為：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）， 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)動力（靜壓力），驅(qū)動速度為：0.1m/s 最大輸出位移：±100mm，示值精度 0.5%FS。 1.3 本說明書的主要研究內(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內(nèi)外資料和類似實驗臺的基礎(chǔ)上，在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，對以下內(nèi)容進(jìn)行了重點研究。 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)、電動輸入系統(tǒng)、電氣檢測系統(tǒng)及其它部分設(shè)計的制定。 （1） 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計 其中包括實驗臺臺架、油箱，所使用的卡具設(shè)計等。 （2） 液壓系統(tǒng)的設(shè)計 其中包括助力液壓系統(tǒng)和輸出端液壓檢測系統(tǒng)的設(shè)計等。 （3） 電動輸入系統(tǒng)的設(shè)計 其中包括電機(jī)、減速器、相應(yīng)的傳感器件的選擇和計算。 （4） 電氣系統(tǒng)設(shè)計 其中包括單片機(jī)及擴(kuò)展芯片系統(tǒng)設(shè)計。 （5） 總結(jié) 其中包括設(shè)計小結(jié)、體會等。 43 2 系統(tǒng)總體方案 本次設(shè)計所研究的系統(tǒng)可以對小型汽車轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗項目進(jìn)行檢測，取得相關(guān)數(shù)據(jù)，從而了解轉(zhuǎn)向機(jī)的性能狀況。本實驗臺需要通過手動來操作，啟動電動機(jī)從而帶動整個液壓系統(tǒng)和電動機(jī)系統(tǒng)的工作。同時通過單片機(jī)系統(tǒng)采集各種傳感器發(fā)來的信號，進(jìn)行處理并反饋到液壓閥上，調(diào)節(jié)流量和方向。經(jīng)過多次檢測我們就可以得到所測轉(zhuǎn)向機(jī)的基本性能參數(shù)了。目前我國一些研究機(jī)構(gòu)也早已開展了對汽車轉(zhuǎn)向機(jī)性能研究和試驗研究。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，從而檢測轉(zhuǎn)向機(jī)的性能。 本實驗臺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)荷阻尼有以下幾點原因： （1） 同其他傳動方式比較，傳動效率相同，液壓傳動裝置重量輕，體積緊湊。 （2） 可實現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍大。 （3） 運動件的慣性小，能夠頻繁迅速轉(zhuǎn)向；傳動工作平穩(wěn)；系統(tǒng)容易實現(xiàn)緩沖吸震，并能自動防止過載。 （4） 與電氣配合，容易實現(xiàn)動作和操作自動化。與微電子技術(shù)和計算機(jī)配合，能實現(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)本實驗臺采用的是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)。便于實現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。 在本實驗臺中機(jī)械部分的設(shè)計主要是作為實驗臺的臺架、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)械很簡單，但是由于數(shù)量多、體積大、非標(biāo)準(zhǔn)件多，設(shè)計量占很大比重。 一般情況下，在小型轎車上，轉(zhuǎn)向機(jī)的輸入端是方向盤，但為了能達(dá)到轉(zhuǎn)距勻速、平穩(wěn)的效果，本實驗采用步進(jìn)電動機(jī)輸入。 2.1 實驗臺系統(tǒng)的組成及控制原理 圖2-1 系統(tǒng)整體框圖 整個實驗臺系統(tǒng)主要包括的部分：助力液壓系統(tǒng)、輸出端液壓檢測系統(tǒng)，輸入端電動機(jī)系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、主機(jī)臺架及油箱總成、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 在本實驗臺中液壓系統(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，由三相異步電動機(jī)帶動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。輸出端液壓檢測系統(tǒng)也是由三相異步電動機(jī)帶動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)動液壓缸推動轉(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 在前面的系統(tǒng)總體方案里已經(jīng)說到:本實驗臺的功能是對小型汽車轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行規(guī)定的部分性能試驗項目進(jìn)行檢測，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)計里采用液壓系統(tǒng)帶動阻尼缸對轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出端進(jìn)行檢測，并利用電動機(jī)對轉(zhuǎn)向機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩。 3.1 液壓助力系統(tǒng)設(shè)計 由于所測量轉(zhuǎn)向機(jī)需要給于轉(zhuǎn)向助力，所以本試驗臺需要設(shè)計一個液壓助力系統(tǒng)幫助其實現(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)計要求 本試驗臺主要測量轉(zhuǎn)向機(jī)型號有：捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號的轉(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)的計算方法計算。 Qp=K(ΣQs)max Qp：液壓泵的流量，L/min Qs：同時動作執(zhí)行元件的瞬時流量，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)通過溢流閥的流量為1 L/min。 泵的額定流量應(yīng)該與計算所需流量相當(dāng)，通過所算得的數(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型斜盤式軸向柱塞泵 3.1.1.4 液壓泵的轉(zhuǎn)矩計算 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： Ti 1= pq0/2πηm=32×106×1×10-5/2π×0.946=53.8 N/m 當(dāng)泵的工作壓力為實際壓力、排量為實際排量時： 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算 驅(qū)動泵軸的機(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 電動機(jī)的選擇 選擇電動機(jī)應(yīng)綜合考慮以下幾點因素： （1） 根據(jù)機(jī)械負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機(jī)。 （2） 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，速度變化范圍選擇電動機(jī)。 （3） 根據(jù)使用場所環(huán)境條件選擇電動機(jī)。 （4） 根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)等選擇電動機(jī)。 在這里我們著重考慮電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負(fù)載的要求，是否能帶動起負(fù)載；電動機(jī)輸出的功率是否滿足泵的驅(qū)動軸的機(jī)械功率，這是問題的關(guān)鍵。其中，電動機(jī)輸出的功率是否滿足泵的驅(qū)動軸的機(jī)械功率是選擇電動機(jī)的主要參考因素，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負(fù)載的要求為選擇電動機(jī)的參考因素。 3.1.2.1 電動機(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)速與其相同的電動機(jī)。 3.1.2.2 電動機(jī)功率的計算 由常用電動機(jī)計算公式：P=T×N/9550得： P：電動機(jī)功率，KW T：電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，N/m N：電動機(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 電動機(jī)的選擇 可見，當(dāng)液壓泵額定工作時，所需要的最大功率為8.45 KW，而當(dāng)系統(tǒng)實際工作時，所需要的最大功率為2.64 KW,兩者有較大的差距。根據(jù)實際情況，電動的功率應(yīng)該選擇其二者之間的數(shù)值，這樣既能保證不浪費資源，又能保證液壓泵正常工作，系統(tǒng)正常運行。 綜上，我們可以選擇三相異步電動機(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 電動機(jī)選擇合適。 3.2 輸出端液壓檢測系統(tǒng)設(shè)計 本實驗臺所測量的轉(zhuǎn)向機(jī)為齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向機(jī)，轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出端有載荷輸出，需要測量（輸出力、位移等）；因此，需要設(shè)計一個系統(tǒng)裝置來測量其具體數(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)計要求 本試驗臺主要測量轉(zhuǎn)向機(jī)型號有：捷達(dá)10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風(fēng)20C1055等型號的轉(zhuǎn)向機(jī)。 最大輸出負(fù)荷：6150—10000N 要求勻速施加驅(qū)動力（靜壓力），驅(qū)動速度為：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)計液壓缸的過程中，我們需要選取較高的一個數(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。滿足輸出推力的最小壓力Pmin=3500/π×0.0162=4.35 mpa 3.2.1.4 液壓缸額定工作時，流量的計算 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)的計算方法計算。 Qp=K(ΣQs)max Qp：液壓泵的流量，L/min Qs：同時動作執(zhí)行元件的瞬時流量，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)通過溢流閥的流量為1 L/min。 泵的額定流量應(yīng)該與計算所需流量相當(dāng)，通過所算得的數(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＞Pmin×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)簡單、性能穩(wěn)定、排量范圍大、壓力流量脈動小、噪聲低、壽命長的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： Ti1=pq0/2πηm=7×106×14.5×10-6/2π×0.872=18.5 N/m 當(dāng)泵的工作壓力為實際壓力、排量為實際排量時： 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)泵的工作壓力為滿足輸出推力的最小壓力Pmin=4.35mpa、排量為實際排量時： Tmin=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算 驅(qū)動泵軸的機(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 電動機(jī)的選擇 在這里我們著重考慮電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負(fù)載的要求，是否能帶動起負(fù)載，這是問題的關(guān)鍵。其中，電動機(jī)輸出的功率是否滿足泵的驅(qū)動軸的機(jī)械功率是選擇電動機(jī)的主要參考因素，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負(fù)載的要求為選擇電動機(jī)的參考因素。 3.2.3.1 電動機(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)速與其相同的電動機(jī)。 3.2.3.2 電動機(jī)功率的計算 由常用電動機(jī)計算公式：P=T×N/9550得： P：電動機(jī)功率，KW T：電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，N/m N：電動機(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 Pmin= Tmin×N/9550=4.65×1000/9550=0.487 KW 3.2.3.3 電動機(jī)的選擇 可見，當(dāng)液壓泵額定工作時，所需要的最大功率為1.85 KW，而當(dāng)系統(tǒng)實際工作時，所需要的最大功率為0.673 KW,兩者有較大的差距。根據(jù)實際情況，電動的功率應(yīng)該選擇其二者之間的數(shù)值，這樣既能保證不浪費資源，又能保證液壓泵正常工作，系統(tǒng)正常運行。 綜上，我們可以選擇三相異步電動機(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 電動機(jī)的實際輸出功率P實際=0.75×0.72 KW = 0.54 KW＞Pmin=0.487 KW；P實際＞Pi=0.514KW，電動機(jī)選擇合適。 3.3 轉(zhuǎn)向機(jī)輸入端系統(tǒng)設(shè)計 本實驗臺所測量的轉(zhuǎn)向機(jī)均為小型車輛上所使用的轉(zhuǎn)向機(jī)，所要求的輸入轉(zhuǎn)矩很小。在車輛的實際行駛中，車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤來操作，并由人手動輸入來完成；但為了在測量轉(zhuǎn)向機(jī)性能過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，并利用減速器來達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。其中，需要對輸入的扭矩和轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量，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)的選型和計算 3.3.1.1 設(shè)計要求 最大輸入轉(zhuǎn)矩：5N·m ； 最大輸入轉(zhuǎn)速：20—30r/ min 3.3.1.2 電動機(jī)的選擇 本實驗臺所選用的電機(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)計的，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，并用電脈沖信號進(jìn)行控制的特殊運行方式的同步電動機(jī)，在數(shù)字控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。它通過專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)生類似于旋轉(zhuǎn)磁場的脈沖磁場。每輸入一個脈沖信號，電動機(jī)就移動一步。因此，步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)是我國目前應(yīng)用最廣泛的一種，它具有調(diào)速范圍廣，動態(tài)性能好，能快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等特點。 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)電動機(jī)的技術(shù)參數(shù) 經(jīng)過計算本設(shè)計選用86BYG250B型號永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(jī)。如圖3-3所示。 表3-1是電動機(jī)技術(shù)參數(shù)： 表 3-1 電機(jī)型號 相數(shù) 步距角 相電流 驅(qū)動電壓 最大靜轉(zhuǎn)矩 相電阻 相電感 重量 空載啟動頻率/轉(zhuǎn)速* 轉(zhuǎn)動慣量 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型號永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(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。它把電脈沖信號變換成角位移或直線位移，其角位移量θ或直線位移量s與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速n或線速度v與脈沖頻率f成正比。由步進(jìn)電動機(jī)的控制特性分析可見，在額定負(fù)載范圍內(nèi)，角位移量θ或直線位移量s、轉(zhuǎn)速n或線速度v不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動而變化，因而很適合在開環(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，它不需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，能直接把數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，力求定子各繞組間沒有互感，定、轉(zhuǎn)子都采用凸極結(jié)構(gòu)，不考慮空間磁場諧波的有害影響，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)電動機(jī)的功率做的越來越大，已經(jīng)生產(chǎn)出功率步進(jìn)電動機(jī)，它可以不通過傳動齒輪等力矩放大裝置，直接由功率步進(jìn)電動機(jī)來帶動機(jī)床運動，從而簡化結(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)，在本實驗臺中選擇XB-50-100-1-6/6型單級諧波傳動減速器。 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) 見表3-2，由于所選的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與減速器的額定轉(zhuǎn)速有較大的差距，因此無法根據(jù)減速器的性能參數(shù)表格來判斷減速器所輸出的轉(zhuǎn)矩；但經(jīng)過經(jīng)驗及其他試驗臺所選型號和實驗數(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 諧波傳動減速器的介紹 諧波傳動減速器是一種結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、傳動比范圍大的減速器。它具有承載能力高、損耗小、效率高等特點；此外，減速器本身的齒輪摩擦小且均勻、運動平穩(wěn)、無沖擊，可以向密封空間傳遞動力。 3.4 其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 3.4.1 臺架總成的設(shè)計 臺架是支撐轉(zhuǎn)向機(jī)實驗臺的實體和安裝實驗臺臺下裝置的空間。其空間的大小和臺面的高度及面積都與臺下設(shè)備的安裝和臺上設(shè)備的裝卡、操作人員的操作有很大的關(guān)系。因此設(shè)計的一定要合理。 本實驗臺所設(shè)計的臺架為一個長方體（長：1600mm、寬：1100mm、高：760mm）， 臺架由四根臺架立柱（方鋼40×40）所支撐。支撐臺面的由兩根臺架長橫梁（方鋼40×40）和兩根臺架短橫梁（方鋼40×40）所連接而成的長方形支架。此外還有臺架底座總成等部件組成（具體見零件圖XSA301）。 3.4.2 油箱總成的設(shè)計 油箱是實驗臺液壓系統(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。 本實驗臺所設(shè)計的油箱也是一個長方體（長：1000mm、寬：500mm、高：600mm），板厚0.75 mm（詳見總裝圖XSA300）. 3.5 傳感器的選擇 各參數(shù)的測量和采集主要靠各種傳感器來實現(xiàn)，傳感器是借助于檢測元件(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)換后的信號也有各種形式。無論何種傳感器，作為測量與控制系統(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)的實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本要求。因此，對傳感器有以下要求: (1) 足夠的容量。傳感器的工作范圍或量程足夠大;具有一定過載能力。 (2) 與測量或控制系統(tǒng)相匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高，線性程度好。 (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)與動態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求，并長期穩(wěn)定。 (5) 適用性和適應(yīng)性強(qiáng)，即動作能量小，對被測量的狀態(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，且易于使用、維修和校準(zhǔn)。 所選的傳感器的型號如表3-3所示： 表3-3 所選傳感器的型號及性能參數(shù) 型號 性能指標(biāo) 數(shù)量 備注 扭矩傳感器 T34FN 0-20 Nm 1 線位移傳感器 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 直線性%(FS): ±1(300°) 3.5.1 位移傳感器 CWY系列導(dǎo)電塑料直線位移傳感器,小量程——測量長度30-300mm，壽命1000萬次，分辨率無窮小 , 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,電腦控制運動器械等需要精確測量位移的場合。如圖3-5所示。 圖3-5 線位移傳感器CWY200 3.5.2 扭矩傳感器 圖3-6 扭矩傳感器T34FN T34FN 扭矩法蘭專為靜態(tài)和動態(tài)的扭矩測量和速度測量設(shè)計的，可以應(yīng)用于實驗室，測試部門以及生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量管理。 由于轉(zhuǎn)子可單獨安裝,因此靈活性大大增加。如圖3-6所示。 3.5.3 壓力傳感器 在對轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端進(jìn)行性能試驗中，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，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，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，通過測量阻值的變化，就能得知外界被測量的大小。 在傳感器中實際采用多個電阻絲片，一般把四個測量應(yīng)變片，兩片貼在正應(yīng)變片區(qū)，并將接在電橋兩個相對的臂上；另兩個貼在負(fù)應(yīng)變區(qū)，接在另兩個相對臂上，以使一個應(yīng)變片的電阻溫度效應(yīng)為另一個相鄰應(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，這種補(bǔ)償電路稱全橋連接。 3.6 其他主要元器件的選取 通過電阻應(yīng)變片式壓力傳感器傳出的微小電壓再經(jīng)過放大和濾波，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入計算機(jī)中。 名稱 型號 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 吸油過濾器 WU-160×010-J 63L/min 80u 2 直回式回油過濾器 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 控制及檢測系統(tǒng)設(shè)計 4.1 液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)實驗臺系統(tǒng)控制及檢測系統(tǒng) 4.1.1 實驗臺控制及檢測系統(tǒng)的組成 控制系統(tǒng)的由以下主要器件組成：單片機(jī)8051、址鎖存器74LS373、譯碼器74L138、程序存儲器2764、數(shù)據(jù)存儲器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、LED顯示部分電路、扭矩傳感器T34FN、壓力傳感器C9B、線位移傳感器CWY200、角位移傳感器CP-5UY及相關(guān)電路等。 液壓式轉(zhuǎn)向機(jī)性能實驗臺控制及檢測系統(tǒng)框圖如圖4-1所示： 圖4-1 控制及檢測系統(tǒng)框圖 4.2 控制及檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 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)展成一個較簡單的微機(jī)控制系統(tǒng)。編程的用戶程序由鍵盤盤輸入，修改程序也由鍵盤來完成。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，每段程序輸入都可以顯示。系統(tǒng)中有時鐘電路模塊、復(fù)位電路、數(shù)碼顯示接口電路。 4.2.1.1 時鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計 時鐘是單片機(jī)的心臟，各部分都以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(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)計中選用：內(nèi)部時鐘電路，即晶振電路。圖形見電氣原理圖。其中，振蕩頻率：60MHz，電容器C1,C2在30Pf左右。 單片機(jī)在接通電源啟動或出現(xiàn)故障后，程序需從頭開始執(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)計中選用：復(fù)位電路。圖形見電氣原理圖。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)是一個具有40根引腳的雙列直插式器件。 ：編程和正常操作時的電源電壓為+5V。 ：地電平。 ：一個8位開漏雙向I/O口，它訪問外部存儲器的低8位地址和數(shù)據(jù)總線，在程序檢驗時它也輸出指令字節(jié)，口能吸入8個LSTTL輸入。 口：具有提升電阻的8位雙向I/O口，專供用戶使用，在程序檢驗時它也接收低位地址字節(jié)，口能吸入/輸出3個LSTTL輸入。 口：具有提升電阻為8位雙向I/O口，供系統(tǒng)擴(kuò)展時作高8位地址線用。在沒有外部存儲器擴(kuò)展時，它也可以為用戶I/O口線使用。在程序檢驗時，它也接收高位地址和控制信號。口能吸入/輸出3個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，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） （定時器0外部輸入） （定時器1外部輸入） （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 口能吸入/放出3個LSTTL輸入。 ：訪問外部存儲器時，用于鎖存地址低字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE主要是提供一個定時信號，在從外部程序存儲器取指時把口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中，每一個機(jī)器周期ALE二次有效．這個引腳也是EPROM編程時的編程脈沖輸入。 ：程序存儲器允許輸出，是外部程序存儲器的讀選通信號。在工外部程序存儲器取指時，每個周期有效二次，在從內(nèi)部程序存儲器取指時，無脈沖。 ：EA為高電平時，CPU執(zhí)行北部程序存儲器的指令。為低電平時，CPI僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。使用8051時，必須接地。8751EPROM編程時，這個引腳為21V編程電源輸入端。 ：震蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時必須接地。 ：震蕩器反相放大器輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入，使用外部震蕩器時用于輸入外部震蕩信號。 ：復(fù)位控制，在震蕩器運行時，使RST腳至少保持兩個機(jī)器周期為高電平，可實現(xiàn)復(fù)位操作。CPU通過執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位來響應(yīng)，在RST為高的第二周期時執(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 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的選用 試驗臺系統(tǒng)采用MCS-51系列中的8051作為主控制器。 對于不同的單片機(jī)進(jìn)行比較：首先要選擇合適的存儲器。單片機(jī)內(nèi)部有兩種存儲器：一種是專門用來存放用戶程序和常數(shù)的程序存儲器；另一種是專門用來存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲器。兩者是嚴(yán)格分開的，不同的單片機(jī)這兩種存儲器的容量也不一致。一般選用片內(nèi)無程序存儲器的單片機(jī)，通過片外擴(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題。（2）必須具備配套的開發(fā)系統(tǒng)。（3）選擇市場上的主流產(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：程序存儲器：2764如圖4-2所示 ；程序存儲器擴(kuò)展為8K，數(shù)據(jù)存儲器：6264，數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展為8K。如圖4-3所示。 圖4-2 程序存儲器2764引腳圖 圖4-3 數(shù)據(jù)存儲器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)的口是分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲器擴(kuò)展時，必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開來。 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 本試驗臺系統(tǒng)中所檢測得到的數(shù)據(jù)需要用顯示器顯示，并且用鍵盤輸入。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口為控制試驗臺輸入電機(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。鍵盤與顯示設(shè)計在一起，8255的PC口擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PB口的PB0～PB3為鍵盤的行線；8051的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X5共20個列式鍵盤和五位八段共陰極ＬＥＤ顯示器。 在軟件設(shè)計上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 B口數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)總線 C口數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)總線 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 總線數(shù)據(jù)：A口 總線數(shù)據(jù)：B口 總線數(shù)據(jù)：C口 總線數(shù)據(jù)：控制字寄存器 1 1 1 0 1 0 1 1 0 數(shù)據(jù)總線：三態(tài) 非法狀態(tài) 數(shù)據(jù)總線：三態(tài) 三種工作方式由工作方式控制字來決定。方式控制字的格式由CPU通過輸入/輸出指令來提供。三個端口中C口被分為兩個部分，上半部分隨A口稱為A組，下半部分隨B口稱為B口。其中A口可工作于方式0、1和2，而B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)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于計算機(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)。 在本實驗臺系統(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)行相同的過程直到SAR的所有位都被確定。轉(zhuǎn)換過程結(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?。（3）轉(zhuǎn)換時間為100μs。（4）單個＋5V電源供電 。（5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點和滿刻度校準(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)計方法 中斷方式： 圖4-5 DAC0832引腳圖 無論CPU暫停與否，實際上對控制過程來說都是處于等待狀態(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)揮計算機(jī)的效率，又是采用中斷方式。在這種方式中，CPU啟動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解決（第一重中斷是定時采樣，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，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。 在本實驗臺系統(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8位D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換；控制電路完成對兩個鎖存器的寫入控制。 4.2.7 矩陣式鍵盤接口設(shè)計 4.2.7.1 矩陣式鍵盤工作原理 鍵盤設(shè)置在行、列線交點上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由此行線相連接的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平如果為高，則行線電平亦為高。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否被按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用，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、列線信號配合起來并作適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。矩陣鍵盤的優(yōu)點是可以節(jié)省很多的I/O接口。 4.2.7.2 按鍵的識別方法 掃描法：此方法分兩部進(jìn)行：第一步，識別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識別出具體的按鍵。分述如下： 識別鍵盤有無鍵被按下：讓所有列線均置為0電平，檢查各行線電平是否有變化，如果有變化，則說明有鍵被按下，如果沒有變化，則說明無鍵被按下。 識別具體按鍵的方法：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處的按鍵被按下。 4.2.7.3 鍵盤工作方式 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU工作的內(nèi)容之一。CPU在忙于各項工作時，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實際應(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響應(yīng)鍵盤操作，又要不過多占用CPU的工作時間。通常，鍵盤的工作方式有三種，即：程序掃描，定時掃描和中斷掃描。 本實驗臺所用電氣控制系統(tǒng)的鍵盤工作方式為定時掃描工作方式 具體介紹見（5.2）。 4.2.8 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路 步進(jìn)電機(jī)的控制完全可以通過各種邏輯電路來實現(xiàn)，但這樣做的缺點是線路復(fù)雜、缺乏靈活性。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。微機(jī)對步進(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、方向信號和勵磁方式信號。另一種是并行發(fā)，即由微機(jī)軟件來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，驅(qū)動電路的輸入端產(chǎn)生步進(jìn)脈沖。 5 程序設(shè)計 5.1 程序設(shè)計技術(shù) 由于該檢測實驗的程序設(shè)計較為復(fù)雜，現(xiàn)以鍵盤掃描方式的程序設(shè)計為例來介紹。定時掃描方式程序流程圖（5-1）如下： 鍵盤定時掃描方式： 定時掃描方式就是每隔一段時間對鍵盤掃描一次，它利用單片機(jī)內(nèi)部的定時器產(chǎn)生一定時間（例如10 ms）的定時，當(dāng)定時時間到就產(chǎn)生定時器溢出中斷。CPU響應(yīng)中斷后對鍵盤進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時識別出該鍵，再執(zhí)行該鍵的功能程序。定時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)置的兩個標(biāo)志位， 標(biāo)志1為去抖動標(biāo)志位，標(biāo)志2為識別完按鍵的標(biāo)志位。初始化時將這兩個標(biāo)志位設(shè)置為0，執(zhí)行中斷服務(wù)程序時，首先判別有無鍵閉合，若無鍵閉合，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，說明還未進(jìn)行去抖動處理，此時置位標(biāo)志1，并中斷返回。由于中斷返回后要經(jīng)過10 ms后才會再次中斷，相當(dāng)于延時了10 ms，因此，程序無須再延時。 下次中斷時，因標(biāo)志1為1，CPU再檢查標(biāo)志2，如標(biāo)志2為0說明還未進(jìn)行按鍵的識別處理，這時，CPU先置位標(biāo)志2，然后進(jìn)行按鍵識別處理，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，則說明此次按鍵已做過識別處理，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)計說明 下面為鍵輸入程序的清單，從該程序返回后輸入鍵的鍵號在累加器中。程序請單： 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0--A AJMP LKP LKP: ADD A, R4 ；求鍵號 PUSH ACC ；鍵號進(jìn)行保護(hù) LK3: ACALL DIR ；判斷鍵釋放否？ ACALL KS1 JNZ LK3 POP ACC ；鍵號--A RET NEXT: INC R4 ；列計數(shù)加1 MOV A, R2 ；判斷是否已掃描到最后列 JNB Acc0, KND ； 若仍無鍵入，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 通過畢業(yè)設(shè)計及本次論文的研究，可得如下結(jié)論： （1）選用電動變量軸向輸入，經(jīng)過扭矩傳感器加載的方式。這樣更加容易實現(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)動和加載，更容易實現(xiàn)兩者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。既可以正