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1、摘要 扭轉試驗機在學校，工廠廣泛用于測量金屬及其非金屬材料的機械性能的。尤其是學校，工廠不可或缺的試驗設備。 現在的扭轉試驗機均是以微機控制、記錄為主要特點的電子扭轉試驗機。學校的舊式試驗設備存在故障率高，工作性能不可靠，有時達不到試驗所要求的精度，所以本設計就原扭轉試驗機的傳動部分，控制部分加以改造，配以計算機為主的測量控制系統(tǒng)，從新構建一個與現行扭轉試驗機相一致的電子扭轉試驗機。 本設計說明書包括：概論、總體設計和結論三大部分。通過對我校教學實習基地的一臺扭轉試驗機的結構和性能的研究，針對擺線針輪減速器的特點并結合現有條件，確定了扭轉試驗機改造方案，介紹了伺服電動機和擺線針輪減速器的

2、計算和選型設計及扭轉試驗機改造方案、改造部位、計算機控制系統(tǒng)設計及改造扭轉試驗機時應注意的問題。改造后的扭轉試驗機，采用了電子自動平衡測力裝置，伺服電機擺線針輪調速系統(tǒng)并增設了記錄裝置，本說明書介紹了伺服電動機和擺線針輪減速器的計算和選型設計，扭轉試驗機改造方案、改造部位。在傳感技術與測控技術的普遍應用的條件下，本設計采用扭矩傳感器和光電編碼器用于測量扭矩和扭角的數值。在控制系統(tǒng)上將單片機應用到扭轉試驗機上，其控制也采用了扭矩專用測控軟件。改造后的扭轉試驗機，采用了電子自動平衡測力裝置，可控伺服電機，擺線針輪減速，傳感記錄，電腦手動兩控轉換并增設了記錄裝置。 關鍵詞：伺服電機；擺線針輪

3、減速器；計算機控制系統(tǒng)；扭轉試驗機。 ABSTRACT Torsion test machine in the research departments universities and mining materials laboratory used to determine various metallic and non-metallic materials to reverse the admission test of mechanical properties , has been widely used. Now the most advanced materials t

4、orsion test machine is the computer measurement, control at the core of electronic materials torsion test machine. But the old materials torsion test of the machine most stringent design, manufacture exquisite. This is designed to test the original old part of the machine, based on eliminating its o

5、utdated measurement control, with a new computer-core measurement control system to replace the relevant parts, Construction of a new computer can operate control and automatic measurement, with the existing product line of electronic torsion test machine. Design Manual: An Introduction, the overa

6、ll design and conclusions of the three most. I passed the school teaching practice base of a testing machine to reverse the structure and properties of, for-cycloid reducer and the characteristics of existing conditions, determined to reverse the programme of testing machine, introduced a servo moto

7、r and cycloid Reducer-round selection of calculation and design and reverse the test machine transformation programme, the transformation of location, design and computer control system of reversing the testing machine they should pay attention to the problem. After the reverse of the testing machin

8、e, using an electronic self-balancing force measurement devices, servo motor-cycloid speed control system and the addition of a recorded device, it can exert both positive and negative aspects of torque to reverse the trial. Key words: servo motor;-cycloid reducer; the computer control system;reve

9、rsing the test machine. 目 錄 緒論………………………………………………………………………………… 6 第1章 扭轉試驗機……………………………………………………8 1.1扭轉試驗機的發(fā)展………………………………………………8 1.2 構造及工作原理……………………………………………………… 9 1.3 主要組成構件……………………………………………………………9 第2章 伺服電動機…………………………………………………10 2.1交流伺服電動機及

10、其調速分類和特點……………………… 11 2.2 同步型交流伺服電動機………………………………………… 12 2.3 直流伺服電機及調速系統(tǒng)……………………………………… 13 2.4 交流伺服電機速度控制原理…………………………………… 14 2.5 變頻與伺服的關系及應用……………………………………… 16 2.6 交流伺服電機的變頻調速原理………………………………… 18 2.7 變頻調速系統(tǒng)的分類…………………………………………… 19 2.8 電動機的選型計算………………………………………………… 24 第3章 擺線

11、針輪減速器………………………………………… 26 3.1擺線針輪行星輪的傳動特點…………………………………… 29 3.2 傳動計算…………………………………………………………… 31 3.3 擺線針輪減速器的設計………………………………… 33 第4章 傳感器的應用……………………………………………… 43 第5章 數字式扭轉傳感器……………………………………… 46 5.1技術性能及應用……………………………………………46 5.2扭矩傳感器的特點……………………………………………48 5.3測量原理……………………………

12、…………………………50 5.4傳感器原理結構及工作原理…………………………………51 5.5應用范圍及安裝方式…………………………………………52 第6章 光電編碼器的原理及應用電路………………………55 6.1 光電編碼器原理…………………………………………… 55 6.2 LEC型光電編碼器的主要技術數據……………………… 57 第7章 操作系統(tǒng)…………………………………………………59 7.1 操作系統(tǒng)的結構及硬件設計電路…………………………59 7.2 軟件設計……………………………………………………63 7.3 結論………………

13、…………………………………………64 第8章 經濟性技術分析…………………………………………67 參考文獻………………………………………………………………69 致謝辭 ………………………………………………………………70 附錄一 ………………………………………………………………71 附錄二 ………………………………………………………………77 緒論 本機加載由計算機控制進口交流伺服控制系統(tǒng)，通過交流伺服電動機，擺線針輪減速機帶動主動夾頭旋轉加載，扭矩和扭角檢測采用高精度扭矩傳感器和光電編碼器，計算機動態(tài)顯示試驗扭角扭矩曲線，加載速率，試驗力峰值等。檢測方法

14、符合GB10128-88金屬室溫扭轉試驗方法的要求。本試驗機主要用于對金屬材料或非金屬材料進行扭轉試驗，也可以對零部件或構件進行扭轉試驗，是航空航天，建材行業(yè)，交通運輸，科研部門，各類大專院校和工礦企業(yè)力學實驗室用來測定材料扭轉性能必備的檢測儀器。 　 加載方式：采用進口交流伺服電機及驅動器，可正反兩個方向施加扭矩； 　　扭矩和扭轉角的檢測：采用高精度對稱扭矩傳感器，扭轉角的檢測采用高精度LEC型光電編碼器。 　　操作：具有手動操作（有正反向手動操作按鈕）和計算機操作兩種方式； 　　基于WINDOWS平臺下的專用測控軟件，采用人機交互方式分析計算被試材料的機械性能指標，試驗數據自動處

15、理，動態(tài)顯示試驗曲線，試驗結果可存儲，打印，也可人工干預分析過程提高分析的準確度。 十幾年來，隨著科學技術的發(fā)展，扭轉試驗技術也在不斷進步，扭轉試驗產品不斷改進完善，并且有了階段性的突破，使新的扭轉試驗機功能更強，可靠性更穩(wěn)定，功率增大，結構簡單，維修方便。 畢業(yè)設計是學生在校學習階段的最后一個教學環(huán)節(jié)，也是學生完成工程師基本訓練的重要環(huán)節(jié)。培養(yǎng)學生綜合運用所學的專業(yè)和基礎理論知識，獨立解決本專業(yè)一般工程技術問題的能力，樹立正確的設計思想和工作作風。畢業(yè)設計說明書不只反映了設計的思想內容，方法和步驟，而且還反映了學生的文理修養(yǎng)和作風。 本說明書分為概述、設計內容、總結三大部分，分別介紹了

16、此次扭轉試驗機改造的設計任務；有關扭轉試驗機改造總體方案確定及框圖、擺線針輪減速器的設計計算、進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算及校核、光電編碼器的選型；主要是對本次畢業(yè)設計的心得。 本書在編寫過程中，得到了指導老師和各位老師及同學的大力支持和熱心幫助，在此表示衷心感謝。 圖表 1改裝后的扭轉實驗機圖 第1章 扭轉試驗機 1.1扭轉實驗機的發(fā)展 上個世紀70年代，測控技術產生了一個飛躍，就是試驗機在加載電機和液壓伺服控制裝置上加進了電子計算機。利用計算機可以對動態(tài)測試過程進行實時監(jiān)督，計算復雜的可變控制方式，大大簡化了收集和分析數據的過程。使用計算機，

17、用程序來操縱與紀錄試驗可以實現許多以前人工不可以完成的試驗。而直到本世紀初，國內的材料試驗機所采用的技術仍然停留在電液壓伺服系統(tǒng)的水平上，核心的技術-PC機的軟件設計開發(fā)，由于行業(yè)和經濟性等原因，沒有進行深究，使我國的材料試驗機的測控技術長時間停滯不前。 目前，我國科研院所、高等院校及各類職業(yè)技術院校所配備的材料試驗機絕大多數是機械式或是電子式試驗機，設備老化現象嚴重，測試精度低，在測控技術飛速發(fā)展的今天，急需更新換代。當前,工科院校的學生社會需求出現供不應求的狀況，各大院校擴招規(guī)模也急劇增大，與其對應的實驗設備不足的矛盾也較為突出，各大工科院校急需增加如用于材料力學實驗的較先進的

18、扭轉試驗機等設備。我國市場上扭轉試驗機絕大多數是微機控制全自動扭轉試驗機，主要用于科研單位、工礦企業(yè)、標準計量單位對材料進行檢測，而對學生的材料力學實驗并不適合，并且價格昂貴。目前國內較綜合、先進的試驗機有SNL－500型數控扭轉拉伸試驗機，該實驗機將扭轉、拉伸兩種功能合為一體，即在一臺試驗機上可同時完成多種材料力學實驗。 同時數控系統(tǒng)用于試驗機的控制及試驗結果的處理，把材料力學實驗教學中扭轉實驗和拉伸實驗的全過程、細節(jié)、重點、難點內容用程序設計語言描述出來，SNL--500型扭轉拉伸試驗機，因針對各大工科院校學生進行材料力學實驗而設計制造，且具有一機多用等特點，因而較受高校歡迎。新一代的全數

19、字化控制的材料試驗機近幾年發(fā)展迅速，但從高校實驗教學要求來看，數控扭轉試驗機仍不能完全取代機械式扭轉試驗機，SNL－500型數控扭轉拉伸試驗機這類設計代表了高校需求趨勢。目前國內很多高校都根據自身的需要和具體情況對機械式試驗機進行改造，因此我們所研究可轉換扭轉實驗機的設計具有廣泛的應用前景。 1.2構造及工作原理 本機（圖3-1）加載由計算機控制交流伺服控制系統(tǒng)，通過交流伺服電動機，擺線針輪減速機帶動主動夾頭旋轉加載，扭轉和扭角檢測采用高精度扭矩傳感器和光電編碼器，計算動態(tài)顯示試驗扭角扭矩曲線，加載速率，試驗力峰值等。檢測方法符合GB10128-88金屬室溫扭轉方法的要求。 加載方法

20、 采用交流伺服電機及驅動器，扭矩和扭轉角的檢測：采用高精度對稱扭矩傳感器；扭轉角的檢測采用高精度LEC型光電編碼器。 操作特點 具有手動操作（有正反向手動操作按鈕）和計算機操作兩種方式。 基于WINDOWS平臺下的專用測控軟件，采用人機交互方式分析計算被測材料的機械性能指標，實驗數據自動處理，動態(tài)顯示試驗曲線，試驗結果儲存，打印。也可人工干預分析過程，提高分析的準確度。 1.3主要的組成構件 (1) 伺服電機 (2) 擺線針輪減速器 (3) 傳感器 (4) 編碼器及

21、計算機控制系統(tǒng) 第2章 伺服電動機 伺服電動機也稱為執(zhí)行電動機。在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電信號轉換為軸上的轉角或轉速，以帶動控制對象。伺服電動機有交流和直流兩種。他們的最大特點之可控。再有控制信號輸入時，伺服電動機就轉動；沒有控制信號輸入則停止轉動；改變控制電壓的大小和相位（或極性）就可以改變伺服電機的轉速和轉向。因此，它與普通電機相比具有如下特點： (1)、調速范圍寬廣，四伏電動機的轉速隨著控制電壓的改變，能在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)； (2)、轉子的慣性小，即能實現迅速的啟動、停轉； (3)、控制功率

22、小，過載能力力強，可靠性性好。 2.1交流伺服電機及其調速分類和特點 交流伺服電機在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件。它的任務是將電信號轉換成為軸上的角位移或角速度的變化。交流伺服電動機應具有的基本性能是：良好的可控性，運行穩(wěn)定和快速反應。良好的可控性是指單向供電時無自傳現象； 運行穩(wěn)定是指轉速隨著轉矩的增加而均勻下降；快速響應是指交流伺服電動機接到控制信號時能快速啟動，失去信號時能自動制動并迅速停止轉動。 長期以來，在要求調速性能較高的場合，一直占據主導地位的是應用直流電動機的調速系統(tǒng)。但直流電動機都存在一些固有的缺點，如電刷和換向器易磨損，需經常維護。換向器換向時會產生火花，使電動機的最高

23、速度受到限制，也使應用環(huán)境受到限制，而且直流電動機結構復雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動機，特別是鼠籠式感應電動機沒有上述缺點，且轉子慣量較直流電機小，使得動態(tài)響應更好。在同樣體積下，交流電動機輸出功率可比直流電動機提高10﹪～70﹪，此外，交流電動機的容量可比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉速。現代數控機床都傾向采用交流伺服驅動，交流伺服驅動已有取代直流伺服驅動之勢。 異步型交流伺服電動機 異步型交流伺服電動機指的是交流感應電動機。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應電動機。其結構簡單，與同容量的直流電動機相比，質量輕1/2，價格僅

24、為直流電動機的1/3。缺點是不能經濟地實現范圍很廣的平滑調速，必須從電網吸收滯后的勵磁電流。因而令電網功率因數變壞。 這種鼠籠轉子的異步型交流伺服電動機簡稱為異步型交流伺服電動機，用IM表示。 2.2同步型交流伺服電動機 同步型交流伺服電動機雖較感應電動機復雜，但比直流電動機簡單。它的定子與感應電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉子卻不同，按不同的轉子結構又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。其中磁滯式和反應式同步電動機存在效率低、功率因數較差、制造容量不大等缺點。數控機床中多用永磁式同步電動機。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點是結構簡單、運行可靠、效

25、率較高；缺點是體積大、啟動特性欠佳。但永磁式同步電動機采用高剩磁感應，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動外形尺寸約小1/2，質量減輕60﹪，轉子慣量減到直流電動機的1/5。它與異步電動機相比，由于采用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關的雜散損耗，所以效率高。又因為沒有電磁式同步電動機所需的集電環(huán)和電刷等，其機械可靠性與感應（異步）電動機相同，而功率因數卻大大高于異步電動機，從而使永磁同步電動機的體積比異步電動機小些。這是因為在低速時，感應（異步）電動機由于功率因數低，輸出同樣的有功功率時，它的視在功率卻要大得多，而電動機主要尺寸是據視在功率而定的。 交流伺服電機的控制方法有三種：(1)、幅

26、值控制 (2)、相位控制 (3)、幅值---相位控制。 2.3直流伺服電機及其調速系統(tǒng) 直流伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中和交流伺服電動機一樣，用作執(zhí)行元件。對它的主要要求是要有下垂的機械特性，線性的調節(jié)特性和對控制信號能做出快速的響應。 直流伺服電動機通常用于功率稍大的系統(tǒng)中，其輸出功率一般為1W—600W。但也有數千瓦的，它的基本結構和工作原理與普通直流他勵電動機相同，不同點只是它做得比較細長一些以便滿足快速響應的要求。 直流伺服電機的調速 由公式： 直流電機調速有三種方法： （1）改變電區(qū)電壓U：由額定電壓向下調低，轉速也由額定轉速向下調低，調速范圍大。 （2）改變磁通量Φ

27、（即改變ke）：改變激磁回路的電阻可改變Φ。由于激磁回路電感大，電氣時間常數大，調速快速性差，轉速只能由額定轉速向上調高。 （3）在電樞回路中串聯調節(jié)電阻。轉速只能調低，銅耗大，不經濟。直流伺服電機通常采用調壓調速。 直流伺服電機與交流伺服電機的機械特性比較，前者堵轉矩大，特性曲線線性度好，機械特性較硬。缺點是有換向器，結構復雜，需要經常維護，產生無線電干擾。在確定系統(tǒng)中采用何種電動機時許綜合考慮其電機特點 所以在本次扭轉試驗機改造畢業(yè)設計中所用的電機選用交流伺服電機。 2.4交流伺服電機速度控制原理 一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式 。

28、 速度控制和轉矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。就伺服驅動器的響應速度來看，轉矩模式運算量最小，驅動器對控制信號的響應最快；位置模式運算量最大，驅動器對控制信號的響應最慢。 對運動中的動態(tài)性能有比較高的要求時，需要實時對電機進行調整。那么如果控制器本身的運算速度很慢（比如PLC，或低端運動控制器），就用位置方式控制。如果控制器運算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅動器移到控制器上，減少驅動器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運動控制器）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉矩方式控制，把速度環(huán)也從驅動器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而且

29、，這時完全不需要使用伺服電機。 換一種說法是： 1、轉矩控制：轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉，外部負載等于2.5Nm時電機不轉，大于2.5Nm時電機反轉（通常在有重力負載情況下產生）?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數值來實現。應用主要在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時更改以確保

30、材質的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。 2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數來確定轉動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。應用領域如數控機床、印刷機械等等。 3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速

31、，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。 2.5變頻與伺服的關系及應用 隨著工業(yè)水平的發(fā)展，自動化水平的提高，變頻技術和伺服在工業(yè)自動化控制上有著廣泛的應用，變頻技術： 簡單的變頻器只能調節(jié)交流電機的速度，這時可以開環(huán)也可以閉環(huán)要視控制方式和變頻器而定，這就是傳統(tǒng)意義上的V/F控制方式?，F在很多的變頻已經通過數學模型的建立，將交流電機的定子磁場UVW3相轉化為可以控制電機轉速和轉矩的兩個電流的分量，現在大多數能進行力矩控制的著名品牌的變頻器都是采用這樣方式控制力矩，UVW每相的輸出要加摩爾效應的電流檢測裝置，采

32、樣反饋后構成閉環(huán)負反饋的電流環(huán)的PID調節(jié)；這樣可以既控制電機的速度也可控制電機的力矩，而且速度的控制精度優(yōu)于v/f控制，編碼器反饋也可加可不加，加的時候控制精度和響應特性要好很多。伺服系統(tǒng)： (1)、伺服驅動器 在發(fā)展了變頻技術的前提下，在驅動器內部的電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)（變頻器沒有該環(huán)）都進行了比一般變頻更精確的控制技術和算法運算，在功能上也比傳統(tǒng)的伺服強大很多，主要的一點可以進行精確的位置控制。通過上位控制器發(fā)送的脈沖序列來控制速度和位置（當然也有些伺服內部集成了控制單元或通過總線通訊的方式直接將位置和速度等參數設定在驅動器里），驅動器內部的算法和更快更精確的計算以及性能更優(yōu)良的電子器

33、件使之更優(yōu)越于變頻器。 (2)、電機方面 伺服電機的材料、結構和加工工藝要遠遠高于變頻器驅動的交流電機（一般交流電機或恒力矩、恒功率等各類變頻電機），也就是說當驅動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時，伺服電機就能根據電源變化產生響應的動作變化，響應特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅動的交流電機，電機方面的嚴重差異也是兩者性能不同的根本。就是說不是變頻器輸出不了變化那么快的電源信號，而是電機本身就反應不了，所以在變頻的內部算法設定時為了保護電機做了相應的過載設定。當然即使不設定變頻器的輸出能力還是有限的，有些性能優(yōu)良的變頻器就可以直接驅動伺服電機！ 兩者的共同點：　　交流伺服的技術本身就是借

34、鑒并應用了變頻的技術，在直流電機的伺服控制的基礎上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現的，也就是說交流伺服電機必然有變頻的這一環(huán)節(jié)：變頻就是將工頻的50、60HZ的交流電先整流成直流電，然后通過可控制門極的各類晶體管（IGBT，IGCT等）通過載波頻率和PWM調節(jié)逆變?yōu)轭l率可調的波形類似于正余弦的脈動電，由于頻率可調，所以交流電機的速度就可調了（n=60f/2p ，n轉速，f頻率， p極對數）。由于變頻器和伺服在性能和功能上的不同，所以應用也不大相同：　　(1)、在速度控制和力矩控制的場合要求不是很高的一般用變頻器，也有在上位加位置反饋信號構成閉環(huán)用變頻進行位置控制的，精度和響應都

35、不高。現有些變頻也接受脈沖序列信號控制速度的，但好象不能直接控制位置。(2)、 在有嚴格位置控制要求的場合中只能用伺服來實現，還有就是伺服的響應速度遠遠大于變頻，有些對速度的精度和響應要求高的場合也用伺服控制，能用變頻控制的運動的場合幾乎都能用伺服取代，關鍵是兩點：一是價格伺服遠遠高于變頻，二是功率的原因：變頻最大的能做到幾百KW，甚至更高，伺服最大就幾十KW。伺服的基本概念是準確、精確、快速定位。變頻是伺服控制的一個必須的內部環(huán)節(jié)，伺服驅動器中同樣存在變頻（要進行無級調速）。但伺服將電流環(huán)速度環(huán)或者位置環(huán)都閉合進行控制，這是很大的區(qū)別。除此外，伺服電機的構造與普通電機是有區(qū)別的，要滿足快速

36、響應和準確定位?，F在市面上流通的交流伺服電機多為永磁同步交流伺服，但這種電機受工藝限制，很難做到很大的功率，十幾KW以上的同步伺服價格及其昂貴，這樣在現場應用允許的情況下多采用交流異步伺服，這時很多驅動器就是高端變頻器，帶編碼器反饋閉環(huán)控制。 2.6交流伺服電機的變頻調速原理 由可知，改變定子電源頻率可以改變同步轉速和電動機的轉速。又有異步電動機的電勢公式可知外加電壓近似于頻率和磁通的乘積成正比，即，由于C為常數，則，因此，若外加電壓不變，則磁通隨頻率改變而改變，亦即頻率降低，則磁通增加；、頻率增加，磁通降低。顯而易見，前者有可能造成電動機的磁路過飽和，從而導致電流的增加而引起鐵心過熱。為

37、了解決這一問題，這要求在變頻調速系統(tǒng)中降頻的同時最好降壓，即頻率與電壓能協(xié)調控制，亦即Ux必須與f成比例的變化。 一般來說，在恒轉矩變頻調速系統(tǒng)中，如果能保持定值，則可保證調速過程中電動機的過載能力保持不變。同時，可滿足磁通基本不變的要求。而在恒功率調速時，如能滿足定值的條件，則調速過程中電動機的過載能力也保持不變，但此時磁通將發(fā)生變化，如果此時亦按恒轉矩調速滿足定值的條件，則磁通將基本保持不變，但電動機的過載能力將在調速過程中改變。從而根據協(xié)調控制的方法不同，可以有不同的調速特性。 2.7變頻調速系統(tǒng)的分類 變頻調速系統(tǒng)可以分為交-直-交變頻調速與交-交變頻調速兩大類。前者常稱為帶直流

38、環(huán)節(jié)的間接變頻調速，后者則常稱為直接變頻調速。 在專業(yè)課學習過程中可知：交-交變頻調速與交-直-交變頻調速相比，其優(yōu)點是：節(jié)省了換流環(huán)節(jié)，提高了效率；在低頻時波形較好，電動機諧損耗及轉矩的脈動大大減小。其缺點是：最高頻率受電網頻率的限制，且主回路元件數量多。故一般適用于低速、大容量的場合，如球磨機、礦井提升機、電力機車及軋機的轉動。 扭轉試驗機的改造選用交-直-交變頻調速。在交直交變頻調速系統(tǒng)中，首先將電網中交流電整流成直流電，再通過逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調的交流電。前者目前主要采用晶閘管整流器來完成；逆變器的作用與整流器的作用相反，一般包括逆變電路及換流電路兩部分。逆變電路又有單相與

39、多相、零式與僑式之分。 換流電路是保證當前導通的一只晶閘管換為后一只晶閘管導通時，確保前者能可靠關斷的裝置。就整個變頻裝置而言，又根據從直流變到交流的中間環(huán)節(jié)濾波方法的不同而派生出兩種不同的線路，即所謂電壓型變頻調速系統(tǒng)和電路型變頻調速系統(tǒng)。 圖2.1為電壓型變頻調速系統(tǒng)的原理框圖 系統(tǒng)中，晶閘管整流、移相觸發(fā)電路、脈沖放大器、電壓及速度負反饋環(huán)節(jié)的電路及原理與交流調速系統(tǒng)沒有多大差別，其中，速度給定與頻率發(fā)生器電路是用來將給定電壓變換為一定頻率脈沖信號的電路，通常采用單結晶體管振蕩器，也有采用晶體管多諧振蕩器、間歇振蕩器等組成。該輸出脈沖分別送至環(huán)形計數器及頻率/電壓變換器中。

40、BR 速度給定 － 　 ～ 頻率 發(fā)生器 環(huán)形 計數器 脈沖 放大器 F/V 變換器 直流 放大器 移相 電路 變頻 M － 　　～ 變頻器 圖2.1 環(huán)形計數器實質是一個分頻器，它把來自頻率發(fā)生器的脈沖6個一組依次分配，經過脈沖放大后，順序觸發(fā)逆變器的6只晶閘管來實現逆變。頻率/電壓變換器是為了實現電壓與頻率的協(xié)調控制的。因為在變頻的同時，必須相應的改變直流電壓，以滿足調速系統(tǒng)的要求。 頻率/電壓變換器把脈沖信號變換為寬度與頻率成線性關系的矩形波。即當脈沖信號的頻率增高時，其輸出電壓也增高，控

41、制晶閘管整流器的控制角a前移，使晶閘管整流器的輸出電壓也增高。 目前通用型變頻器主要是交-直-交變頻器，其主要電路為下圖。同時變頻器的核心電路，有整流回路（交-直變換）直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直-交變換）組成，當然還包括限流電路，制動電路，控制電路等組成。 （1）整流電路（交直轉換） 如下圖所示，通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進行整流，經中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經過吸收電容和壓敏電阻網絡引入整流橋的輸入端。網絡的作用，是吸收交流電網的高頻諧波信號和浪涌過電

42、壓，從而避免由此而損壞變頻器。當電源電壓為三相380V時，整流器件的最大反向電壓一般為1200—1600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍 （2）濾波電路（能耗電路） 逆變器的負載屬感性負載的異步電動機，無論異步電動機處于電動或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動機之間，總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件來緩沖。同時，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動，直流濾波電路起到對整流電路的輸出進行濾波的作用。 通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個電容器串聯和并聯構成電容器組，以得到所需的耐壓值

43、和容量。另外，因為電解電容器容量有較大的離散性，這將使它們隨的電壓不相等。因此，電容器要各并聯一個阻值等相的勻壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會嚴重制約變頻器的壽命。 （3）逆變電路（直交轉換） 逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉換成頻率和電壓都可以任意調節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。 最常見的逆變電路結構形式是利用六個功率開關器件（GTR、IGBT、GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中功率開關器件的導通與關斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。 通常的中小容

44、量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護電路及驅動電路。如三菱公司生產的IPMPM50RSA120，富士公司生產的7MBP50RA060，西門子公司生產的BSM50GD120等，內部集成了整流模塊、功率因數校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測保護功能。模塊的典型開關頻率為20KHz，保護功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時輸出故障信號燈。逆變電路中都設置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當頻率下降時，異步電動機的同步轉速也隨之下降。為異步電動機的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當位于同一橋臂

45、上的兩個開關，同時處于開通狀態(tài)時將會出現短路現象，并燒毀換流器件。所以在實際的通用變頻器中還設有緩沖電路等各種相應的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時，對換流器件進行保護。 2.8 電動機的選型計算 所的設計的扭轉數據加以折算進行電動機的選擇計算。 折算到電動機軸上的轉矩 見式（2.1） 見式（2.2） 見式（2.3） ——電動機負載轉矩 ——生產機械負載轉矩 ——電動機旋轉角速度 ——電動機功率

46、 工作狀態(tài)下的載荷負載轉矩在正常狀態(tài)下，工作狀態(tài)負荷轉矩應不超過電動機額定轉矩的 見式（2.4） ——電動機額定轉矩 N*M ——工作狀態(tài)載荷轉矩 N*M 1、 鑒于此選擇的電機為 表2.1 型號 額定功率 額定轉矩 最大轉矩 額定轉速 AC200-30 1.1KW 4.8N.m 20N.m 2000r/min 所以運用交直交變頻調速系統(tǒng)將電機的運轉速度調至71轉/分鐘 第3章 擺線針輪減速

47、器 擺線針輪行星齒輪傳動的典型結構和各部分名稱如圖所示。兩個相同的擺線行星輪C，經滾子軸承3安裝在偏心套2上，行星輪采用變態(tài)外擺線的等距曲線作齒廓。雙偏心套2又用鍵連接固定在輸入軸1上組成轉臂H。該偏心套的兩個偏心位置相錯180度 固定針輪P由針齒殼6，針齒套7和針齒銷8組成，針齒工作部分為圓柱形銷套。軸銷式W機構由裝在輸出軸端部銷盤上的銷軸4，銷套5和行星輪上的銷孔組成。采用這種W機構可將擺線輪的轉動等角速地傳給輸出軸V。 圖3.1

48、 圖3.2 為便于分析其運動特點以及方便的表達擺線針輪減速器的各部分結構，將這種減速器的結構簡化成圖3.3來表達。 圖3.3 但輸入軸I和轉臂(偏心套)一起繞Oz轉動時，就帶動擺線輪B沿著固定的針矢以絕對的角速度W2滾動，也就是繞軸O2作行星傳動，即繞軸O2公轉同時還繞自己的軸線OB做反方向的減速轉動即自轉。顯然，擺線輪B的運動以等角速比傳遞到與輸入軸I同軸線的輸出軸V上去，必須加一個傳動比等于1的等角速度傳動機構。這種機構就是輸出機構，通常稱為機構。 擺線針輪行星齒輪傳動的主要符號 ——擺線輪齒數

49、 ——針輪齒數 ——傳動比 ——中心矩 ——基圓半徑 ——滾圓半徑 ——擺線輪節(jié)圓半徑 ——針輪節(jié)圓半徑 ——擺線短幅系數 ——針輪系數 ——擺線輪齒頂圓半徑 ——針齒中心圓半徑 ——擺線輪齒根圓半徑 ——針齒套外圓半徑 ——擺線輪柱銷孔半徑 ——針齒銷半徑 ——柱銷中心半徑

50、 ——柱銷套外圓半徑 ——柱銷中心圓半徑 ——柱銷半徑 3.1擺線針輪行星齒輪傳動的特點： （1）:傳動比大 和一般減速器相比，這種減速器的減速比可以很大，以及減速可達9~87（特殊情況可達7~115），而及減速可達121~5133（最大可達7969），如果采用多級組合型式可達或更大。例如某設備上應用的四級擺線減速機速比為1100155，輸入軸轉速為1500轉/分時。輸入軸每天只轉2轉。 一對定軸齒輪速比一般不大于7，傳動比過大時，大小齒輪的工作情況差別較大，結構尺寸也過大。蝸桿渦輪速比一般也不大于70。

51、 表3.1 類型 一級傳動 二級傳動 圓柱齒輪減速器 直齒減速器 斜齒減速器 圓錐齒輪減速器 直齒減速器 斜齒和圓錐齒減速器 渦輪減速器 擺線針齒行星減速器 （2）.結構緊湊，體積小，重量輕。 與同等功率的其他類型減速器相比，其體積可減小一半，重量了減輕三分之二左右。可節(jié)省大量鋼材，且小巧輕便。 （3）效率高 由于采用了針齒加套，銷軸加套，嚙合表面沒有相對滑動，而是純滾動，滾動替換了滑動，故其效率較渦輪減速器，漸開線一級查減速器和PM減速器

52、都高。據國外實測，一級減速器效率可達90-94%，而渦輪減速器效率只65-75%。PM減速器效率大約85%左右 （4.）運轉平穩(wěn)，無噪音 擺線針輪減速器同時嚙合的齒數很多，兩個擺線輪又位差180度的裝載偏心套上，偏心運動得到平衡，嚙合部位得到切削加工，因此運轉非常平穩(wěn)，噪音很小，改善工人勞動條件。 （5）.耐沖擊，超負荷能力強 一般的漸開線齒輪同時嚙合的齒數少，其重疊系數小，而擺線減速器傳遞動力大，同時嚙合的齒數理論上為擺線輪的一半。因有誤差的影響，實際呢合的齒數大約為擺線輪齒數的三分之一，故耐沖擊和超負荷能力較強。據天津減速器廠對i=43機型的實測，沖擊負荷達額定負荷的3.5倍

53、時，減速器仍完好無損；日本進行靜扭矩試驗，加載到額定扭矩的十倍，減速器齒和柱銷等環(huán)節(jié)都很正常。 （6）.壽命長，故障少，轉拆方便，維修簡單。 擺線減速器的擺線輪和針輪、柱銷均為軸承鋼。硬度達RC62-64，油井切削加工，耐磨性能好，因此壽命長。據介紹，擺線減速器在負荷下可使用10-15年，一般負荷下使用三十年以上。 減速器的輸入，輸出軸同在一條直線上，且零件較少，結構緊湊，重量輕，因此裝拆方便，維修方便。 （7.）飛輪轉矩小，便于啟動、制動，轉向。 擺線減速器的飛輪矩與電動機及負荷的飛輪矩相比，幾乎可以忽略。因此李于啟動、制動、轉向。 事物都是一分為二的，擺線減速器也有其弱點

54、： 這種傳動結構復雜，制造較困難，加工和裝配精度要求較高同時需要專門的加工設備，而且擺線輪尚缺乏一套完善的測量工具。此外，轉臂軸承受力較大，軸承壽命不易保證。這些問題都限制了擺線行星傳動的應用范圍。另外： 由于擺線傳動沒有可分性，多齒嚙合，多銷孔嚙合，因此對于加工精度和裝配精度要求較高。擺線磨齒機的誕生解決了對擺線齒形的加工這一關鍵。 （1） 主要零件的熱處理質量要求高，大尺寸擺線輪鍛造和熱處理困難，稍加疏忽易出現裂紋。 （2） 關鍵零件需要較好的剛材制造 （3） 體積小，散熱條件不好，特別是大功率擺線減速器，散熱和潤滑比較困難 （4） 擺線齒輪沒有精確的測量方法和測量工具，相鄰周

55、節(jié)誤差和周節(jié)累積誤差都不能測量。因此擺線齒輪的質量不好保證。目前檢驗辦法是測量擺線輪齒頂到對方齒底的徑向長度。 （5） 基本理論復雜，不如漸開線齒輪易掌握（但這種情況將隨著他的逐步推廣有所改變） 目前，擺線針輪行星傳動多用于高速軸轉速n≤1500r/min 和輸入功率N≤100KW的場合，國內最大輸入功率達75KW。 3.2 傳動比計算 圖3.4 針對擺線輪針齒行星傳動，輪1即為擺線輪，齒數其角速度為，輪2即齒數為的針齒，其角速度為，同樣可寫成： 見式（3

56、.1） 通常針輪固定不動，故： 等式成為： 見式（3.2） 擺線針齒行星傳動中，因針輪固定，轉臂H和擺線輪的速比： 見式（3.3） 負號表示轉臂H與擺線輪的轉向相反，因針齒與擺線輪齒數相差1， 即： 故減速比： 結論：在擺線針齒傳動中，當針齒固定不動時轉臂H和擺線輪的減速比的絕對值等于擺線輪的齒數。擺線輪的轉向與轉臂H相反。為了把擺線輪B的運動以等角速比傳遞到與輸入軸Z同軸線的輸出軸V上去,必須加一個傳動比等于1的等角速傳動機構,這種機構就是輸出

57、機構,通常稱W機構。 3.3擺線針輪減速器設計 3.3.1預選 參考7-3，預選， 參考表7-4，預選=1.3 3.3.2查的值 i=71,, =1.5, 由7-1查得 =1.43 3.3.3求針輪半徑和擺線寬度B按式 見式（3.4） 取 =97500×1.1/71×71×0.94=100815公斤/厘米 式中, 見式（3.5） 將，， 代入上式得： 22.06 參考表7-7取mm 擺線輪寬度B=0.15=0.15×225=33.75mm 取B=32m

58、m 3.3.4. 求A 圓整成0.5mm的倍數 0.65×225/72=2.03mm 見式（3.6） 圓整 3.3.5. 求出的精確值 2×72/225=0.64mm 見式（3.7） 3.3.6．確定針齒尺寸 =22.5/1.5×sin180/72=6.54mm 見式（3.8） 取，=7mm 針失銷半徑=8mm 3.3.7確定實際針徑系數 =225/7×0.04=1.4 3.3.8校核失形是否發(fā)生沉切 不發(fā)生沉切的條

59、件是 見式（3.9） 因為 所以： 見式（3.10） 不發(fā)生沉切 3.3.9．校核接觸強度 見式（3.11） 由表7-1根據,, 見式（3.12） 3.3.10:驗算針矢銷彎曲強度 利用二支點結構，并由圖7-9查的針輪不必抽矢。按式:

60、 見式（3.13） 取 將，，代入上式得： 實際取， 故針矢彎曲強度足夠。 3.3.11.確定擺線輪的主要尺寸： 矢頂圓半徑： 見式（3.14） 矢根圓半徑： 寬度 3.3.12.選擇轉臂軸承并驗算出軸承壽命 參考表7-2選用50228軸承（RN228無外圈圓柱棍子軸承）其， ， 名義徑向負荷按式計算 并考慮到制造誤差的影響 見式（3.15） 當量動載荷 轉速 由公式（3.16）： 3.3

61、.13.確定柱銷數目和 參考表7-6即=2 柱銷控中心圓半徑 見式（3.17） 取 兩個擺線輪間距 3.3.14：計算機構柱銷的彎曲強度 見式（3.18） 參考表7-6取 表格3.2 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 9 2.83 2.37 2.11 2.00 2.06 3.23 2.75 2.40 2.25 2.15 3.64

62、 2.99 2.60 2.36 2.29 11 2.70 2.27 2.04 1.90 2.02 3.10 2.60 2.25 2.16 2.05 3.51 2.88 2.50 2.28 2.20 17 2.52 2.11 1.88 1.77 1.80 2.90 2.45 2.10 1.94 1.91 3.30 2.87 2.38 2.14 2.60 25 2.42 2.05 1.80 1.70 1.72 2.80 2.40 2.03 1.87 1.84 3.19 2.63 2.27 2.07

63、 1.99 29 2.39 2.01 1.78 1.67 1.69 2.77 2.30 2.01 1.85 1.81 3.16 2.59 2.26 2.05 1.97 43 2.32 1.96 1.75 1.62 1.64 2.69 2.24 1.97 1.79 1.76 3.07 2.53 2.21 1.98 1.91 59 2.29 1.92 1.71 1.59 1.60 2.64 2.20 1.93 1.76 1.72 2.99 2.49 2.17 1.95 1.88 71 2.27 1

64、.93 1.72 1.60 1.61 2.65 2.21 1.93 1.77 1.73 3.02 2.50 2.19 1.95 1.89 87 2.25 1.91 1.70 1.57 1.58 2.62 2.18 1.92 1.75 1.71 2.99 2.48 2.16 1.93 1.86 表3.3 標準機型軸承表 機 型 毫米 擺線輪 數量 輸出軸 數量 輸入軸 推薦 代用（去外環(huán)） 帶電機 數量 不帶電機 1 150 502207 2207 2 外50209 里210

65、 各1 302 1 304 302 2 180 502307 2307 2 50211 212 1 403 1 404 403 3 220 502310 2310 2 50214 215 1 405 1 406 405 4 270 502312 2312 2 50217 218 1 42407 1 410 42407 5 330 502319 2219 2 50220 221 1 42407 1 410 42407 6 390 502219 2219 2 50220 221

66、1 42409 1 414 42409 7 450 502228 2228 2 326 1 42411 1 416 42411 8 540 502328 2328 2 1 42414 1 420 42414 9 630 502330 2 1 42416 1 422 42416 表3.4 溫度系數 0.95 0.90 0.85 0.8 0.75 0.70 0.60 軸承的工作溫度 125 150 175 200 225 250 300 表3.5 i <11 12~23 24~35 36~59 60~87 0.42~0.55 0.48~0.65 0.55~0.74 0.55~0.74 0.54~0.67 表3.6 i 〈11 12~23 24~35 36~59 60~87 3.85~2.85 2.8~2 2~1.15 1.5~1 1.5~0.99 表3.7 針失套毫米 14 17