緩降器性能試驗機設計

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吉林大學本科生畢業(yè)論文 1 緒 論 現(xiàn)代社會高度發(fā)展，城市化進程進一步加快，高樓大廈曾出不窮，如何讓人們的生活富足且具有更高的安全系數(shù)，是消防人員的重大責任。救生緩降器就是在高樓出現(xiàn)火災等危險情況時，供人們逃生的裝置。該裝置主要由新型限速器、繩索卷盤、安全帶、安全鉤、掛環(huán)及連接鋼絲繩等組成，性能優(yōu)異，安全可靠。 　　適用范圍 　　該裝置適用于各類高層建筑如辦公樓、寫字樓、公共娛樂場所、賓館、飯店、住宅、公寓、商廈、機關(guān)、醫(yī)院、學校等場所配備，并是消防部門施救裝置，還可用于高空作業(yè)等需勻速緩降的場合。 　　產(chǎn)品特點 　　1.降速平穩(wěn)，安全可靠。采用最新技術(shù)，完全消除重力加速度，降速平穩(wěn)均勻，限速阻尼感、安全感強，無空程。檢測結(jié)果表明：在使用載荷25-100kg時的下降速度為 0.5-2.0m/s，重復下降速度偏差≤±5%。 　　2.自動+手動，可懸停。除限速器自動調(diào)速外，還可進行手動降速干預，可剎車懸停。 　　3.安全裕度高，使用壽命長。采用純裸鍍鋅鋼絲繩，強度高、阻燃、壽命長。 4.靈活實用的兩種使用方式。該裝置研制出便攜式（手提箱）和固定安裝式（壁掛箱）兩種產(chǎn)品，既可供多人（操控）穩(wěn)定使用，又可供個人（操控）移動使用。 5.設計先進，結(jié)構(gòu)緊湊。限速器采用精鑄鋁合金外殼，精美，輕質(zhì)（僅重2.5kg）。 49 2 總體方案設計 設計題目：緩降器性能試驗機設計 設計要求： 1） 了解緩降器性能試驗機的用途，主要構(gòu)成；策劃系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方案。 2） 了解緩降器性能試驗機的工作原理，設計緩降器性能試驗機的機械結(jié)構(gòu)。 3） 完成緩降器性能試驗機的電氣部分設計。包括：直流電機的加載原理，直流電機控制器的控制電路，拉力測量電路設計，線速度測量電路設計，微機計數(shù)卡的原理框圖，控制軟件流程圖。 4） 完成翻譯譯文，最少工作量為5000漢字。 5） 針對本課題內(nèi)容需要繪制4張工作圖，撰寫2萬字設計說明書。 設計參數(shù)：1、繩的直徑：4mm。2、下降速度：1.5～2.0m/s。3、承載力：100kg。4、機架高度：1.5～2.0m。5、脈沖測長：100m。6、調(diào)速器：歐陸直流調(diào)速器。7、采集卡：宏拓7484采集卡。8、電磁離合器：2個，一開一合。 本設計為緩降器性能試驗機設計。在設計的過程中，需要由電機提供動力。而電動機的轉(zhuǎn)速較高，傳遞的轉(zhuǎn)矩則較小，故不能將電動機輸出軸和電磁離合器輸入軸直接聯(lián)結(jié)，須經(jīng)過減速、增扭過程，再與電磁離合器輸入軸聯(lián)結(jié)。在設計中，一般采用減速器作為電動機與工作機之間的聯(lián)結(jié)裝置。在本設計中，我們采用錐齒-圓柱齒輪減速器做聯(lián)結(jié)裝置，將電動機的動力通過減速器傳遞給電磁離合器。電磁離合器通過繞在其上面的緩降繩與緩降盤聯(lián)結(jié)，緩降盤上裝有拉力傳感器，通過傳感器測定通過緩降盤的拉力的變化，傳遞給采集卡及微機控制系統(tǒng)。在電動機上裝有測速發(fā)電機，測定電動機轉(zhuǎn)速的變化。 在設計中，電動機和減速器之間通過V帶或聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，減速器和電磁離合器之間通過聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。實際選擇時應根據(jù)實際情況選擇V帶或聯(lián)軸器作為電動機輸出軸與減速器輸入軸之間的聯(lián)接裝置。在設計中，一般將機器之間的傳動設計成直線聯(lián)結(jié)形式，因此，我們選擇聯(lián)軸器作為減速器輸出軸和電磁離合器輸入軸之間的聯(lián)接裝置，選擇V帶作為電動機輸出軸與減速器輸入軸之間的聯(lián)結(jié)裝置。之所以選擇錐齒-圓柱齒輪減速器，是因為用它可實現(xiàn)將機器設計成直線傳動形式的目的?？紤]到減速的程度問題，選擇兩級錐齒-圓柱齒輪減速器。 綜上所述，系統(tǒng)總體傳動方案如圖2.1所示。 在檢測中，需采集緩降繩所受拉力的大小及其下降速度的大小，將兩個參數(shù)分別列在坐標軸橫縱坐標上。當拉力在245N～980N之間變化時，下降速度在1.5～2.0m/s之間變化，則試驗機是合格的，可作為救生裝置裝在樓道內(nèi)。 實際上，我們是通過測定電動機的轉(zhuǎn)速來間接測定緩降繩的下降速度的。電動機轉(zhuǎn)速的測定是同過測速發(fā)電機來實現(xiàn)的，具體測定過程見6.4節(jié)。 緩降繩下降速度-所受拉力（V-F曲線）曲線如圖2.2 所示。 3 電動機的選擇 3.1 選擇電動機的型號和結(jié)構(gòu)型式 電動機的選擇既要考慮實用性、節(jié)能型，又要考慮其滿足設計要求的性能，在緩降器性能試驗機設計中，人的重量為:25Kg～100 Kg,下降速度為:1.0m/s～1.5 m/s,設計中，我們均取最大值，作為緩降繩所受拉力和下降速度，則拉力F=mg=1000N,V=2 m/s,去工作機效率=0.9，可求得工作機（即電磁離合器繞繩輪）功率為： ===2.22KW (3-1) 式中， ——工作機效率； ––工作機要求的輸入功率； F——工作機阻力； V——工作機線速度。 電動機所需的輸出功率為： =（KW） (3-2) 式中， ––工作機要求的輸入功率； ––電動機至工作機的傳動效率。 設計中要求電動機額定功率≥。 電動動機至工作機的傳動效率：=… 由機械設計課程設計查得V帶、軸承、聯(lián)軸器等的傳動效率分別為：0.98、0.99、0.97、0.99、0.97、0.99、0.98，則 =0.98×0.99×0.97×0.99×0.97×0.99×0.98 =0.8768 則===2.532KW 故≥=2.532 KW。 取工作機鼓輪直徑（即電磁離合器繞繩輪直徑）D=400mm,則工作機軸轉(zhuǎn)速為： ===95.54r/min (3-3) 查機械設計課程設計表2-3，2-4知，錐齒-圓柱齒輪減速器傳動比范圍為i=8~15,則電機的轉(zhuǎn)速范圍為：=×=（8~15）×95.54 = （764.32~1433.1） r/min,查機械設計課程設計表2.1-2，取電機同步轉(zhuǎn)速為：1000 r/min，電機額定功率為：=3KW，電機型號為：Y132S-6，將電機型號及主要尺寸列表如下 （表3.1）： 表3.1 電機型號及主要尺寸 型號 額定功率 （KW） 滿載功率 （r/min） 同步轉(zhuǎn)速 （r/min） 電機中心高 （mm） 外伸軸直徑和長度D×E （mm） Y132S-6 3 960 1000 132 38×80 3.2 分配傳動比 電動機選定以后，根據(jù)電動機的滿載轉(zhuǎn)速及工作機轉(zhuǎn)速即可確定傳動裝置的總傳動比為： i===10.01 。 下面將總傳動比分配給錐齒-圓柱齒輪減速器，由機械設計課程設計教材，對于錐齒-圓柱齒輪減速器，取錐齒輪傳動比為=0.25i，并應使≤3，最大允許＜4，我們?nèi)?0.25i=0.25×10.01=2.512≤3，取整數(shù)=2.5，符合要求。對于圓柱齒輪，要求=3~5，而實際上=i/=10.01/2.5=4.004，取=4，符合要求。 故錐齒輪和圓柱齒輪傳動比分別為：=2.5，=4。 3.3 傳動裝置動力與運動參數(shù)設計 3.3.1 各軸轉(zhuǎn)速 ===960 r/min， ===384 r/min， ===96 r/min， ==96 r/min。 3.3.2 各軸功率 =×=2.532×0.98=2.4814KW， =××=2.4814×0.99×0.97=2.3829 KW， =××=2.3829×0.99×0.97=2.2883 KW， =××=2.2883×0.99×0.98=2.22 KW。 3.3.3 各軸轉(zhuǎn)矩 =9550=9550=24.6887 N·m, =9550=9550=59.2622 N·m, =9550=9550=227.6382 N·m, =9550=9550=220.8438 N·m。 將傳動裝置運動和動力參數(shù)計算結(jié)果列表如下（表3.2）： 4 減速器設計 由總體方案知，采用錐齒-圓柱齒輪減速器作為減速裝置，在減速器的設計中，總體尺寸主要由錐齒輪及圓柱齒輪的尺寸決定，因此，錐齒輪及圓柱齒輪的設計是至關(guān)重要的。 4.1 圓錐齒輪設計 1. 選擇齒輪材料、熱處理 根據(jù)設計要求，選用閉式軟齒輪設計。 大齒輪：45#，正火，齒面硬度：190～200HBS； 小齒輪：45#，調(diào)質(zhì)，齒面硬度：220～230HBS。 2. 選擇齒輪精度等級、齒數(shù)、齒寬系數(shù) 緩降器性能試驗機為一般性提升、移位裝置，故選用8級精度。 對閉式軟齒輪，推薦小齒輪齒數(shù)=20～40,選=30，則 =×=75. ==2.5=。 由機械設計教材知，齒寬系數(shù)=0.25～0.3，取=0.26。 3. 確定相關(guān)參數(shù) cos===0.9285, =， cos===0.3714, =， 當量齒數(shù)：===32.31，取=32， ===201.94，取=202， 當量齒輪端面重合度： 。 4. 按齒面接觸疲勞強度設計 由≥ （4-1） 確定式中各項數(shù)值： 由表3.2知，==24.6887× N·mm, 載荷受中等沖擊，查機械設計（以下簡稱機設），初選載荷系數(shù)=1.5， 查機設表9-7，取彈性系數(shù)=189.8, 查機設圖9-14，取節(jié)點區(qū)域系數(shù)=2.5， 由 =1.7651，查機設圖9-13，取接觸強度重合度系數(shù)=0.875。 由機設式9-11知， =· （4-2） 分別查機設圖9-16（d）, 9-16（c）,取=525MPa，=390 MPa， 查機設表9-8，取=1.25， 對，設錐齒輪工作壽命為10年，則 ， ， 查機設圖9-15，取，， 將以上各參數(shù)代入式（4-2），得 =·=×1=420 MPa， =·=×1.15=359 MPa， 取=359 MPa設計。 將以上求得的、、、u、、、、代入式（4-1），得 ≥ = = 77.95mm, 則V===3.92m/s, 由機設表9-5，取=1.5， 由機設圖9-7，取=1.17， 又錐齒輪齒寬系數(shù)====0.4， 查機設圖9-10，取=1.11，查機設圖9-6，取=1.2，則 K==1.5×1.17×1.11×1.2=2.34, 所以，==77.95=90.94mm, 由= m, 所以m===3.013mm,由機設表9-1，選m=3。 錐齒輪主要幾何尺寸如下： = m=3×30=90mm, = m=3×75=225mm, R ===121.17mm, b=·R = 0.26·121.17=31.50mm, 因錐齒輪大小齒輪寬度相等，取齒寬==32mm, =-2cos=-2×1.2m×cos=90-2×1.2×3×0.9285=83.315mm, =-2cos=-2×1.2m×cos =225-2×1.2×3×0.3714=222.326mm, =+2cos=+2m×cos=90+2×1×3×0.9285=95.571mm, =+2cos=+2m×cos=225+2×1×3×0.3714=227.228mm。 5. 校核齒根彎曲疲勞強度 由 （4-3） 確定、、、： 由機設知，， 當量齒數(shù) ， ， 查機設圖9-19，取=2.48，， 查機設圖9-20，取，， 查機設圖9-22（c），在ML上取， 同理，在機設圖9-22（d）上取， 查機設表9-8（c）,取，又應力循環(huán)次數(shù)，，查機設圖9-21，取，，故 ， ， 將確定出的各項數(shù)值代入彎曲強度校核公式（4-3），得 ， 故齒根彎曲疲勞強度滿足要求。 4.2 圓柱齒輪設計 1. 選擇齒輪材料、熱處理 根據(jù)設計要求，選閉式軟齒輪設計。 大齒輪：45#，正火，齒面硬度：190～200HBS； 小齒輪：45#，調(diào)質(zhì)，齒面硬度：230～240HBS。 2. 選擇齒輪精度等級、齒數(shù)、螺旋角 因緩降器性能試驗機為一般性提升、移位裝置，故選用8級精度。 對閉式軟齒輪，推薦小齒輪齒數(shù)=20～40,選=25，則 ，==4=。 初選螺旋角。 3. 按齒面接觸疲勞強度設計 由 （4-4） 確定式中各項數(shù)值： 由表3.2知，==59.2622× N·mm, 因載荷平穩(wěn)，初選載荷系數(shù)， 查機設表9-10，取齒寬系數(shù)， 查機設表9-7，取彈性系數(shù)=189.8, 查機設圖9-14，取節(jié)點區(qū)域系數(shù)=2.42， 由式9-7，端面重合度， 縱向重合度， 查機設圖9-13，取接觸強度重合度系數(shù)， 又螺旋角系數(shù)， 設圓柱齒輪工作壽命為10年，由機設式9-12得應力循環(huán)次數(shù) ， ， 查機設圖9-15，取接觸強度壽命系數(shù)，， 查機設圖9-16（d）,按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在MQ和ML線中間（適當延長MQ和ML線）查得小齒輪接觸疲勞極限，同理，在圖（d）上查得大齒輪接觸疲勞極限， 查機設表9-8，取齒輪最小安全系數(shù)，則許用接觸應力 ， ， 取設計。 將以上所求各數(shù)據(jù)代入式（4-4），得 = = 49.94mm, 則, 由機設表9-5，取使用系數(shù)， 由機設圖9-7，取動載系數(shù)， 由機設圖9-10，取齒向載荷分布系數(shù)， 由機設圖9-6，取齒間載荷分配系數(shù)，則載荷系數(shù) ， ， ， 由機設表9-1，取斜齒圓柱齒輪模數(shù)。 圓柱齒輪主要幾何尺寸為： 中心距,取。 螺旋角， 故。 ， ， ， 取大齒輪齒厚，小齒輪齒厚。 5. 校核齒根彎曲疲勞強度 由 （4-5） 計算當量齒輪端面重合度， 由機設表9-11知，端面壓力角 基圓柱上的螺旋角的余弦為 ， 故， 由機設式9-13，重合度系數(shù)， 由機設圖9-28，取螺旋角系數(shù)， 當量齒數(shù) ， 查機設圖9-19，取齒形系數(shù)，， 查機設圖9-20，取應力修正系數(shù)，， 查機設圖9-21，取彎曲疲勞強度壽命系數(shù)，， 由機設9-22（c）, 按小齒輪齒面硬度平均值235HBS，在ML線（適當延長）上查得小齒輪彎曲疲勞極限，同理，在圖（d）上查得大齒輪彎曲疲勞極限， 查機設表9-8，取齒輪最小安全系數(shù)，則許用彎曲應力 ， ， 將以上所求各數(shù)據(jù)代入式（4-5），得 ， 故齒根彎曲疲勞強度滿足要求。 4.3 錐齒-圓柱齒輪設計數(shù)據(jù)小結(jié) 4.3.1 錐齒輪數(shù)據(jù) ;;;;;; ;;;;; ;。 4.3.2 圓柱齒輪數(shù)據(jù) ;;;;;；；；;； ； ;; ； ； 。 4.4 軸、軸承、鍵及聯(lián)軸器型號的選擇 由機械設計課程設計（以下簡稱機設課設），初估軸徑：， 電機軸：，??； Ⅰ軸：，??； Ⅱ軸：，??； Ⅲ軸：，取。 4.4.1 Ⅰ-Ⅰ軸上軸徑、軸承、鍵及油封的確定 4.4.1.1 Ⅰ-Ⅰ軸上各軸段直徑 根據(jù)初估軸徑，取，則由機設課設得其他軸段直徑分別為： ， ??； Ⅲ-Ⅳ軸段上有角接觸球軸承， 初取 ， 由機設課設表2.4-3，??； ； Ⅴ-Ⅵ軸段上有角接觸球軸承且應和Ⅲ-Ⅳ軸段上軸承型號尺寸相同，故 ； 。 所以各軸段直徑分別為：；；； ；；。 Ⅰ-Ⅰ軸上各軸段直徑尺寸及軸承安裝如圖4.1所示。 4.4.1.2 Ⅲ-Ⅳ及Ⅴ-Ⅵ軸段上軸承的確定 由機設課設，確定兩軸承的型號及尺寸如下： 型號：滾動軸承7208C GB292-83 尺寸： 4.4.1.3 Ⅰ-Ⅱ軸段及Ⅵ-Ⅶ軸段上鍵的確定 Ⅰ-Ⅱ軸段上鍵：由機設課設表2.3-1，查得鍵 型號：鍵 GB1096-79 高度：； Ⅵ-Ⅶ軸段上鍵：由機設課設表2.3-1，查得鍵 型號：鍵 GB1096-79 高度：。 4.4.1.4 Ⅱ-Ⅲ軸上油封的確定 因Ⅱ-Ⅲ軸軸徑，由機設課設表2.5-4，確定油封的型號及尺寸如下： 型號：墊圈油封30 FZ/T92010-91 尺寸：，，。 4.4.2 Ⅱ-Ⅱ軸上軸徑、軸承、鍵的確定 方法同上，確定各尺寸如下： 1. 軸徑 ；；； ；。 Ⅱ-Ⅱ軸上各軸段直徑尺寸及軸承安裝如圖4.2所示。 2. 軸承 型號：滾動軸承7206C GB292-83 尺寸： 3. 鍵 Ⅱ-Ⅲ軸段上鍵：由機設課設表2.3-1，查得鍵 型號：鍵 GB1096-79 高度：； Ⅳ-Ⅴ軸段上鍵：由機設課設表2.3-1，查得鍵 型號：鍵 GB1096-79 高度：。 4.4.3 Ⅲ-Ⅲ軸上軸徑、軸承、鍵及聯(lián)軸器的確定 方法同上，確定各尺寸如下： 1. 軸徑 ；；；； ；；。 Ⅲ-Ⅲ軸上各軸段直徑尺寸及軸承安裝如圖4.3所示。 2. 軸承 型號：滾動軸承7210C GB292-83 尺寸： 3. 鍵 Ⅱ-Ⅲ軸段上鍵：由機設課設表2.3-1，查得鍵 型號：鍵 GB1096-79 高度：； Ⅶ-Ⅷ軸段上鍵：由機設課設表2.3-1，查得鍵 型號：鍵 GB1096-79 高度：。 4. 聯(lián)軸器 型號：YL7聯(lián)軸器 GB5843-86 長度：。 5 其它機械結(jié)構(gòu)設計 5.1 帶傳動設計 5.1.1 帶傳動的類型 帶傳動是在兩個或多個帶輪之間用帶作為拉曳元件來傳遞運動和動力的一種撓性件傳動。 帶傳動分為摩擦傳動和嚙合傳動兩類。平帶﹑V帶﹑多楔帶﹑圓帶都是利用帶與帶之間的摩擦力實現(xiàn)傳動的，同步帶則是靠帶齒與輪齒相嚙合傳遞運動和動力的。 5.1.2 帶傳動的選擇 平帶傳動結(jié)構(gòu)最簡單，帶輪也容易制造，使用成本低廉，形式多樣，傳動中心距較大，在農(nóng)業(yè)機械中應用較多。 V帶是一般機械傳動中應用最廣泛的。V帶的橫截面呈等腰梯形，帶輪上也做出相應的輪槽。傳動時，V帶只和輪槽的兩個側(cè)面接觸，即以兩側(cè)面為工作面。根據(jù)槽面摩擦原理，在同樣的張緊力下，V帶傳動較平帶傳動能產(chǎn)生更大的摩擦力。V帶傳動的傳動比較大，結(jié)構(gòu)較緊湊，并且V帶多已標準化大批量生產(chǎn)，因而V帶傳動的應用比平帶傳動廣泛得多。 在緩降器性能試驗機設計中，我們采用V帶傳動，將電機的輸出功率等傳遞給減速器。 5.1.3 V帶輪設計 1． V帶輪設計的要求 設計V帶輪時應滿足的要求有：質(zhì)量??；結(jié)構(gòu)工藝性好；無過大的鑄造內(nèi)應力；質(zhì)量分布均勻；轉(zhuǎn)速高時要經(jīng)過動平衡；輪槽工作面要精加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。 2． 帶輪的材料 帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用的材料牌號為HT150或HT200；轉(zhuǎn)速較高時宜采用鑄鋼；小功率時可用鑄鋁或塑料。 在本設計中，我們采用HT200作為帶輪的材料。 3． 結(jié)構(gòu)尺寸 鑄鐵制V帶輪的典型結(jié)構(gòu)有以下幾種形式：（1）實心式；（2）腹板式；（3）孔板式；（4）橢圓剖面輪輻式。 帶輪基準直徑 (d為軸的直徑， mm)時，采用實心式；時，采用腹板式（當時，采用孔板式）；時，采用輪輻式。 帶輪的結(jié)構(gòu)設計，主要是根據(jù)帶輪的基準直徑選擇結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)帶的型號確定輪槽尺寸，如圖5.1所示，根據(jù)普通V帶輪的結(jié)構(gòu)形式及尺寸，確定電動機輸出軸上V帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸如下： ；；；；；。 減速器輸入軸上V帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸如下： ；；；；；。 5.2 聯(lián)軸器的設計 5.2.1 聯(lián)軸器的分類 聯(lián)軸器是機械傳動中一種常用軸系部件，它的基本功能是聯(lián)結(jié)兩軸，并傳遞運動和扭矩，并兼有安全保險的作用。 聯(lián)軸器的種類較多，通常根據(jù)對相應位移有無補償能力劃分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類。 剛性聯(lián)軸器對相應位移無補償能力，且全部由剛性零件組成，也沒有緩沖減振能力，故適用于要求被聯(lián)結(jié)的兩軸嚴格對中，載荷平穩(wěn)的場合。 撓性聯(lián)軸器具有撓性，對相應位移具有補償能力。按是否具有彈性元件又分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓性聯(lián)軸器兩種。有彈性元件的撓性聯(lián)軸器可以依靠彈性元件的變形與儲能性來緩沖﹑減振，改善傳動系統(tǒng)的工作性能。 5.2.2 聯(lián)軸器的選擇 凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單﹑成本低﹑可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，在低速﹑無沖擊﹑軸的剛性大﹑對中性較好時常采用凸緣聯(lián)軸器。 在緩降器性能試驗機設計中，減速器輸出軸與電磁離合器輸入軸的聯(lián)結(jié)要求無沖擊，兩軸的剛性強，對中性要好，故選用凸緣聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)兩軸。我們知道，聯(lián)軸器所聯(lián)兩軸的尺寸由聯(lián)軸器決定，結(jié)合其所聯(lián)兩軸（減速器輸出軸與電磁離合器輸入軸）的尺寸大小，選擇聯(lián)軸器型號及尺寸如下： 型號：YL7聯(lián)軸器 GB5843-86 長度：。 5.3 電磁離合器的選擇 5.3.1 電磁離合器的特點 電磁離合器是利用通過激磁線圈的電流所產(chǎn)生的磁力來操縱離合器的各種結(jié)合元件，以達到離合器的接合或分離。 電磁離合器具有結(jié)構(gòu)簡單、操縱方便等優(yōu)點。主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （一） 提高系統(tǒng)的機械性能 1. 傳動系統(tǒng)使用電磁離合器后，可實現(xiàn)該系統(tǒng)的快速啟動，快速制動及頻繁 的正反向控制。由于電動機與傳動系統(tǒng)不直接連接，在啟動或制動過程中，避免電動機出現(xiàn)過大的沖擊電流。 2. 能使傳動系統(tǒng)獲得較高的啟動轉(zhuǎn)矩。電動機的啟動力矩通常為額定力矩的1.5～2.0倍，在電磁離合器作傳動系統(tǒng)的啟動過程中，可利用電動機的慣性能量來增加 啟動力矩。一般可增加到電動機額定力矩的2.5～3.0倍。所以，在傳動系統(tǒng)的相同條件下，利用電磁離合器啟動，能使電動機的容量減小。 3. 除牙嵌式電磁離合器外，其它形式的電磁離合器均可以在較頻繁地接地和脫開的場合下應用。 4. 利用電的控制方法，可調(diào)節(jié)電磁離合器的力矩上升時間，以實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的連續(xù)平滑啟動。 5. 利用磁粉或轉(zhuǎn)差式電磁離合器的力矩調(diào)節(jié)特性，可實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的精密調(diào)節(jié)。又可利用其力矩與滑差速度無關(guān)的特性，在機械裝置中實現(xiàn)恒張力控制。 6. 能實現(xiàn)分支啟動和多元化利用電動機動力。 7. 與所傳遞的力矩相比，電磁離合器耗能很小。 （二）提高傳動系統(tǒng)的操作性能 1. 可實現(xiàn)集中控制與遠距離操縱。 2. 能簡化操作程序，減少操作時間。 3. 容易實現(xiàn)控制自動化。 （三）操作安全和具有過載保護 1. 減少誤操作和誤動作，提高操縱安全性。 2. 除牙嵌式電磁離合器外，其它形式的電磁離合器均可以起到過載保護的作用。 （四）維護方便，控制簡單 機械式、液壓式、氣動式離合器均需配備操縱桿、管路、閥門和測量儀表等輔助設備，而電磁離合器控制線路卻很簡單，維護也方便。特別是濕式電磁離合器在正常使用中，其壽命是半永久性的。 當然，電磁離合器也有其缺點，主要有以下幾點： 1. 剩磁問題，嚴重影響離合器的動特性，使其力矩時間曲線上出現(xiàn)無響應區(qū)。盡管人們?yōu)橄姶烹x合器剩磁問題作了不少努力，但仍不能滿意地解決這個問題。 2. 電磁離合器屬于磁性物件，在使用中有關(guān)部件被不同程度地磁化，吸引鐵屑影響傳動系統(tǒng)壽命和精度。 3. 在使用中電磁離合器的發(fā)熱也是不可避免的。如果電磁離合器在傳動系統(tǒng)中的位置不當或散熱不良，均能影響傳動系統(tǒng)得精度。 5.3.2 電磁離合器的分類 電磁離合器的分類比較復雜，但歸納起來可分為四種類型： （一）摩擦片式電磁離合器； （二）牙嵌式電磁離合器； （三）磁粉式電磁離合器； （四）轉(zhuǎn)差片式電磁離合器。 摩擦片式電磁離合器按不同情況可分為： 1. 根據(jù)使用條件可分為：濕式和干式。 濕式在使用時，用油來潤滑摩擦片和進行冷卻。 干式在空氣中使用，不 加油，自冷。 2. 根據(jù)摩擦片在磁路中的情況，可分為在磁路內(nèi)和在磁路外兩種。 摩擦片在磁路內(nèi)，摩擦片本身是磁路的一部分，有磁力線通過。 摩擦片在磁路外，在摩擦片中沒有磁力線通過。 3. 根據(jù)線圈供電方式，有線圈靜止式和線圈回轉(zhuǎn)式兩種。 線圈靜止式就是由饋線直接供電，沒有集電環(huán)。 線圈回轉(zhuǎn)式則用電刷、集電環(huán)供電。 4. 根據(jù)摩擦片數(shù)目，有單片式和多片式。 單片式只有一對摩擦片。 多片式有兩對以上的摩擦片。 5. 根據(jù)摩擦片的磨損調(diào)整方式，可分為自動調(diào)整式和人工調(diào)整式。 自動調(diào)整式要有特殊的磨損自動調(diào)整機構(gòu)。 人工調(diào)整式則是在摩擦片達到某一磨損量時，需要人工進行調(diào)整摩擦片間的間隙。 牙嵌式電磁離合器通常分為有滑環(huán)和無滑環(huán)兩種。 磁粉式電磁離合器又可根據(jù)供電方式、氣隙形式和勵磁線圈位置來分類。 1. 根據(jù)供電方式，磁粉式電磁離合器分為線圈回轉(zhuǎn)式和線圈靜止式兩種。線圈靜止式離合器供電方式簡單，應用較多。 2. 根據(jù)氣隙，可分為單隙式和復隙式。 單隙式結(jié)構(gòu)簡單。 復隙式磁粉離合器有雙層磁粉氣隙結(jié)構(gòu)，它相當于多片型摩擦離合器。復隙式磁粉離合器的特點是：外形尺寸小，能獲得較大的傳遞力矩；能使輸出軸的慣性力矩設計得較小，從而提高離合器的反應速度。 復隙式磁粉離合器又可分為非分離復隙式磁粉離合器和分離復隙式磁粉離合器兩種。 3. 根據(jù)線圈位置，有外置線圈、內(nèi)置線圈和側(cè)置線圈三種形式。 外置線圈是將勵磁線圈裝于外部，而磁粉氣隙則在線圈的內(nèi)側(cè)。內(nèi)置線圈幾乎全是線圈回轉(zhuǎn)型的。側(cè)置線圈僅用于非分離復隙式結(jié)構(gòu)中。 轉(zhuǎn)差式電磁離合器有雙電樞和單電樞之分。單電樞又分為爪式和感應式兩種。饋電方式也分靜止式和回轉(zhuǎn)式。 5.3.3 各種電磁離合器的使用范圍 （一）濕式有滑環(huán)多摩擦片的電磁離合器 優(yōu)點：摩擦片幾乎沒有磨損，不必調(diào)整，壽命長。 缺點：有空轉(zhuǎn)力矩、殘余力矩衰減過程時間長，接合與脫開動作遲緩，接合頻率有限，要有給油裝置。 使用范圍： 1. 不允許摩擦片因磨損而產(chǎn)生鐵屑的場合； 2. 多油的條件； 3. 要求外形尺寸小，結(jié)合功不大的場合； 4. 裝拆不太方便的地方。 （二）干式有滑環(huán)多摩擦片的電磁離合器 優(yōu)點：動作快；空轉(zhuǎn)力矩小。 缺點：摩擦片有磨損；為了進行人工填證摩擦片的間隙，在機械上要提供方便，因此占用空間較大；允許接合功?。粶厣邥霈F(xiàn)摩擦性能衰減現(xiàn)象。 使用范圍： 1. 要求動作快，接合功小而力矩大的場合； 2. 便于調(diào)整的場合。 （三）干式有滑環(huán)單摩擦片的電磁離合器 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，價格低；動作快；允許接合功大；接合頻率高；沒有空轉(zhuǎn)力矩；動力矩調(diào)節(jié)方便。 缺點：徑向尺寸大；摩擦片會磨損，常需更換；溫升太高會出現(xiàn)摩擦性能衰減現(xiàn)象。 使用范圍： 1. 對徑向尺寸沒有限制； 2. 操作頻率高； 3. 要求接合功大、動作快。 （四）牙嵌式電磁離合器 優(yōu)點：傳遞力矩大；沒有空轉(zhuǎn)力矩；沒有磨損，不必調(diào)整；沒有摩擦發(fā)熱；傳動無滑差；脫開快；能干濕兩用。 缺點：一般在停車中接合，接合時沒有摩擦片式的緩沖作用，有沖擊。 使用范圍： 1. 允許停車接合或負載力矩及慣量很小的場合； 2. 不希望有空轉(zhuǎn)力矩的場合； 3. 要求無滑差傳動的場合。 （五）濕式無滑環(huán)多摩擦片的電磁離合器 這種離合器與有滑環(huán)離合器相比有如下特點： 1. 線圈處于固定靜止狀態(tài)，能不間斷平穩(wěn)地引入電流，減少了元件的轉(zhuǎn)動慣量，特別有利于勵磁電路和控制電路的設計與布置； 2. 可避免電刷與滑環(huán)接觸時所產(chǎn)生的火花現(xiàn)象，因而較有滑環(huán)式安全可靠，特別是能符合防爆安全的使用條件； 3. 和有滑環(huán)相比不怕振動，不怕高速磨損，因而不需要更換電刷和滑環(huán)，特別適合于不宜拆裝的位置； 4. 由于磁性組件與傳動部分之間保持著氣隙，對離合器的斷開特性有很大好處； 5. 必須在有潤滑油的情況下使用。潤滑方式可以用外滴油法、油霧法及由 軸心供油的辦法等。 由于這種離合器結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，操作方便，運行可靠，故被廣泛應用于機床、紡織、造紙、化工等工業(yè)部門和機械傳動裝置中，大大地提高了機械自動化水平。 （六）轉(zhuǎn)差式電磁離合器 這種離合器啟動平穩(wěn)，可以用來限制由電動機傳給從動軸的力矩振動，平穩(wěn)接通及斷開運動鏈，又可作為制動裝置和安全保護裝置。在具有通風機負載的深度調(diào)節(jié)問題上，這種離合器提供了解決的途徑。若改變接入的勵磁電流，輸出力矩便改變，轉(zhuǎn)差也隨之改變，所以可用于普通機床的主傳動中，還可以用于壓力機、拉絲機等專用機床上。 （七）磁粉式電磁離合器 特點： 1. 輸出力矩與它的轉(zhuǎn)速無關(guān)； 2. 在整個工作范圍內(nèi)，力矩隨勵磁電流成線性地變化，因此具有很大的調(diào)整倍數(shù)； 3. 電磁時間常數(shù)最?。s毫秒級），沒有機械移動的過渡過程，從動部分慣性?。? 4. 接通及控制無沖擊； 5. 所有滑動都被局限在工作氣隙中，因此接合面能自動地防磨損； 6. 在整個工作過程中，不需調(diào)整氣隙。 除了具有摩擦式電磁離合器的功用外，磁粉式電磁離合器還特別適用于連續(xù)滑動工作。所以，它可以組成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)無級變速。但在使用過程中要特別注意磁粉老化、高溫和密封三個問題。 上面敘述了各種電磁離合器的一般使用范圍，但選型時應該全面地掌握各種電磁離合器的結(jié)構(gòu)性能，按照用途和使用目的進行綜合考慮，選定合適的電磁離合器，才能有效地達到預期使用效果。 5.3.4 電磁離合器在機械傳動裝置上的應用形式 電磁離合器的應用已經(jīng)遍及所有機械行業(yè)。小到儀表系統(tǒng)的調(diào)速，大到軋鋼機的動力傳動，都有電磁離合器的身影出現(xiàn)。在機械裝置中，電磁離合器的應用形式主要有以下幾種： （一）作為動力連接 所謂動力連接時指將電磁離合器設置在同一中心線上的兩根軸之間，在對接狀態(tài)下將兩根軸連接起來，也能自由地分離開，以此為主要目的的作用叫連接。 （二）用作傳動離合 離合是這樣一種作用，在一根軸上用電磁離合器來控制著傳遞給其它軸的動力。 這種作用的離合器結(jié)構(gòu)如圖5.2所示，它用兩個離合器互相連接在一起，并與負載軸組裝成一體，磁軛與軸固定，“聯(lián)結(jié)”與軸滑動，通斷離合器的電源就能變換傳動的動力。 傳動離合器可以實現(xiàn)分支驅(qū)動，即在一個動力源通過電磁離合器驅(qū)動幾個機構(gòu)的體系中，可以任意地或者根據(jù)規(guī)定的程序驅(qū)動其中一部分機構(gòu)運動或停止。 這種形式的離合器將在本課程設計中得到應用。 （三）用作制動 當離合器電源切斷時，在彈簧力的作用下實現(xiàn)制動。離合器電源接通，電磁力克服彈簧力，使原動機軸呈自由狀態(tài)而運轉(zhuǎn)。 （四）用于正反轉(zhuǎn) 在這種形式的應用中，主動軸沿一定方向旋轉(zhuǎn)，用兩個電磁離合器與其組合起來，由電磁離合器的離合作用使負載的驅(qū)動軸實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 利用電磁離合器實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，與利用電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)相比，有如下優(yōu)點： 1. 此結(jié)構(gòu)僅將需要反轉(zhuǎn)的部分加以反轉(zhuǎn)，故正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量小，可快速實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)； 2. 可以任取正反轉(zhuǎn)速比； 3. 可以利用電動機的慣性，使所需電機的容量小，電機不因反轉(zhuǎn)時過載電流而升溫； 4. 不需要用特殊電機，使用普通電機就能獲得良好的正反轉(zhuǎn)效果； 5. 耗能少。 除了上述電磁離合器的主要用途外，電磁離合器還用于變速、高頻度運轉(zhuǎn)及過載保護等?？傊姶烹x合器非常實用，用處也非常廣泛。 5.3.5 電磁離合器的選擇 1-固定磁軛；2-中間導磁體；3-永久磁鐵組；4-膜片彈簧；5-繞繩輪；6-軸 在緩降器性能試驗機設計中，要求用兩個電磁離合器相互連接在一起，裝在同一根軸上，一開一合地分別控制繞在離合器繞繩輪上的緩降繩的上升與下降。當左側(cè)離合器與軸連接時，右側(cè)離合器則與軸脫離，緩降繩按逆時針方向運動；反之，當左側(cè)離合器與軸脫離時，右側(cè)離合器則與軸連接，緩降繩按順時針方向運動。這樣，可實現(xiàn)往復循環(huán)測試，從而能夠節(jié)省時間，提高測試的效率。 根據(jù)這一原理，我們選擇無滑環(huán)帶永久磁鐵的電磁離合器。因為，第一，它可以將兩個同樣類型的離合器相互連接地裝在同一根軸上，實現(xiàn)交互控制，循環(huán)使用；第二，可以將其結(jié)構(gòu)改進，將原來的帶輪結(jié)構(gòu)改換成繞繩輪結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)繞繩控制功能；第三，其結(jié)構(gòu)不是太復雜，制造較為簡單，成本較低；第四，它的工作原理淺顯易懂，符合設計要求。 下面介紹一下這種離合器的工作原理： 磁軛1及線圈固定不動，當線圈未通電時，永久磁鐵組3與中間導磁體2吸合，主動軸6與件2以鍵連接，輸入的動力同過膜片彈簧4傳到繞繩輪5。當線圈通電后，建立與永久磁鐵組相反的磁場，而排斥永久磁鐵，線圈產(chǎn)生的磁場通過件2形成閉合回路，而永久磁鐵組的磁力線在其內(nèi)部形成閉合回路，離合器分離。 5.4 傳感器的選擇 5.4.1 傳感器的分類 通常，人們把能使物理量或化學量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚ɑ螂姶帕浚┑钠骷蛟凶鰝鞲衅?。傳感器也叫換能器或探測器。 傳感器的分類方法很多，通常采用以下兩種方法分類傳感器。 第一種是按照傳感器的結(jié)構(gòu)特點或物理效應分類。主要有應變式（將被測量轉(zhuǎn)換成相應電阻輸出）、電容式（利用彈性電極在輸入作用下產(chǎn)生位移，使電容量變化而輸出）、壓電式（利用壓電材料的物質(zhì)效應，將被測量轉(zhuǎn)換成電荷輸出）、壓阻式（利用半導體材料和集成電路等先進工藝制成的一種輸出電阻變化的固體傳感器）等傳感器。 第二種是按照傳感器的使用來分類。主要有壓力傳感器（測量各種壓力）、測力傳感器（測定靜壓力、動壓力、拉壓力等）、振動傳感器（測量振幅、速度、加速度等）、溫度傳感器（測量各種溫度）等。 5.4.2 傳感器的選擇 在緩降器性能試驗機設計中，需測定緩降繩所受的拉力變化，故選擇測力傳感器，型號為型拉力傳感器。 工作時，傳感器將感應到的緩降繩的拉力變化轉(zhuǎn)化為電量的變化，通過宏拓7484采集卡，將電量的變化傳遞到微機上，顯示出來。 6 數(shù)據(jù)采集與處理 在緩降器性能試驗機系統(tǒng)中，拉力傳感器感應并將采集到的信息傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，其目的是： 1） 將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的離散數(shù)據(jù)信號。 2） 還原采集到的電信號的物理意義。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被采集的物理量 （溫度、壓力、流量等）經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后變成電量，因而采集到的數(shù)據(jù)是以電量的形式表現(xiàn)的。它雖然含有被采集物理量的信息，但沒有明確的物理意義，不便于處理和使用，必須把它還原成原來對應的物理量。 3） 消除數(shù)據(jù)中的干擾信號。在數(shù)據(jù)的采集、傳送和轉(zhuǎn)換過程中，由于系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾和噪聲的影響，會在采集的數(shù)據(jù)中混入干擾信號，因而應采用各種方法最大限度地消除混入數(shù)據(jù)中的干擾信號，以保證采集數(shù)據(jù)的精度。 4） 分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征。通過對采集到的數(shù)據(jù)進行變換加工，或在有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)之間進行某些相互的運算，以得到能表達數(shù)據(jù)內(nèi)在特征的二次數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)處理有多種類型。按處理的方式劃分，數(shù)據(jù)處理可分為實時處理、在線 處理和離線處理。一般來說，實時處理或在線處理由于處理時間受到限制，因而只能對有限的數(shù)據(jù)進行一些簡單、基本的處理；而離線處理由于處理時間不受限制，因而可以做各種復雜的處理。按處理的性質(zhì)劃分，數(shù)據(jù)處理可分為預處理和二次處理兩種。預處理通常是剔出數(shù)據(jù)奇異項、去除數(shù)據(jù)趨勢項，對數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波和轉(zhuǎn)換等。二次處理有各種數(shù)學運算，如微分、積分、傅立葉變換和小波變換等。對數(shù)據(jù)進行二次處理之前應先對采集到的數(shù)據(jù)做某些預處理，使信號得到一次增強或凈化，從而使分析處理獲得高質(zhì)量的有用信號或更準確的特征信息。 6.1 數(shù)據(jù)采集原理 計算機是一臺數(shù)字化設備，它只能處理數(shù)字信息，故使用計算機處理信號時必須將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，即模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換或數(shù)據(jù)采集。將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的離散數(shù)字信號，需要兩個環(huán)節(jié)：首先是采集，由連續(xù)的模擬信號得到離散信號；然后再通過A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號。模擬信號的數(shù)字化過程如圖6.1所示。 6.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集就是將被測對象的各種參量通過各種傳感元件做適當轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到計算機進行數(shù)據(jù)處理或存儲記錄的過程。用于數(shù)據(jù)采集的成套設備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（data acquisition system, DAS）,它是計算機與外部世界聯(lián)系得橋梁，是獲取信息的重要途徑。 6.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖6.2所示，它的輸入信號分為模擬信號和數(shù)字信號兩類。模擬信號由模擬類的傳感器輸出信號經(jīng)調(diào)理后得到，數(shù)字信號則由數(shù)字類傳感器輸出的數(shù)字信號或開關(guān)信號得到。 傳感器的作用是把非電量轉(zhuǎn)變成電量（如電壓、電流或頻率）。在本課程設 計中，我們使用的是拉力傳感器，其作用是將拉力的變化轉(zhuǎn)變成電量的變化，輸出到A/D轉(zhuǎn)換器中。 放大器用來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較小，需要將其 放大，以滿足大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入要求。此外，某些傳感器內(nèi)阻比較大,輸出功率較小，這樣，放大器還起到了阻抗變換器的作用，用來緩沖輸入信號。常用的放大器有差分放大器、儀器放大器和隔離放大器等。 在傳感器和電路中的器件常會產(chǎn)生噪聲，人為的發(fā)射源也會通過各種耦合渠道使信號通道感染上噪聲，這種噪聲可以用濾波器來衰減，以提高模擬輸入信號的信噪比。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往要對多個物理量進行采集，即多路巡回檢測，這可以通過多路模擬開關(guān)來實現(xiàn)。多路模擬開關(guān)可以分時選通來自多個輸入通道的某一信號。 多路模擬開關(guān)之后是模擬通道的轉(zhuǎn)換部分，它包括采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取多路模擬開關(guān)輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。如果將采樣/保持電路放在多路模擬開關(guān)之前，還可以實現(xiàn)對瞬時信號進行同步采樣。 采樣/保持器輸出的信號送至A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。由于輸入信號變化速度不同，系統(tǒng)對分辨力、精度、轉(zhuǎn)換速度及成本的要求也不同。 6.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點 1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都由計算機控制，使得數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率等大為提高，也節(jié)省了硬件投資。 2）軟件在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的作用越來越大，這增加了系統(tǒng)設計的靈活性。 3）數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相互結(jié)合得日益密切，形成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處理到控制的全部工作。 4)數(shù)據(jù)采集過程一般都具有“實時”特性，實時的標準是能滿足實際需要；對于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度，以滿足盡可能多的應用環(huán)境。 5）隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電路集成度的提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來越小，可靠性越來越高。 6）總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應用，總線技術(shù)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要作用。 6.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標 1）系統(tǒng)分辨率 是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量。通常用最低有效位（LSB）占系統(tǒng)滿度信號的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值來表示，有時也用滿度信號可以分的基數(shù)來表示。 2）系統(tǒng)精度 是指當系統(tǒng)工作在額定采集速度下，每個離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。A/D轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。而實際上系統(tǒng)精度往往達不到A/D，轉(zhuǎn)換器的精度，這是因為系統(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的精度。如前置放大器、濾波器、多路模擬開關(guān)等，只有這些部件的精度都明顯優(yōu)于A/D轉(zhuǎn)換器精度時，系統(tǒng)精度才能達到A/D轉(zhuǎn)換器的精度。 3）采集頻率 又稱系統(tǒng)通過速率、吞吐率等，是指在滿足系統(tǒng)精度指標的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時間內(nèi)所完成的采集次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個通道每秒鐘可采集的子樣數(shù)目。這里所說的“采集”包括對被測物理量進行采樣、量化、編碼、傳輸、存儲等的全部過程。另外，在時間域上，與采集頻率對應的指標是采集周期，它是采集頻率的倒數(shù)，表示了系統(tǒng)每采集一個有效數(shù)據(jù)所用的時間。 4）動態(tài)范圍 是指某個物理量的變化范圍。信號的動態(tài)范圍是指信號的最大幅值和最小幅值之比的分貝數(shù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值與最小幅值之比的分貝數(shù)，即 （6-1） 5)非線性失真 也稱諧波失真。當給系統(tǒng)輸入一個頻率為f的正弦波時，其輸出中出現(xiàn)很多頻率為kf（k為正整數(shù)）的新的頻率分量的現(xiàn)象，稱為非線性失真。 6.2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，主要考慮被測信號的變化速率和通道數(shù)以及被測量精度﹑分辨率﹑速度的要求等。此外，還要考慮性能價格比等。常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下幾種結(jié)構(gòu)形式。 1．多通道共享采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器 如圖6.3所示，這種結(jié)構(gòu)形式采用分時轉(zhuǎn)換的工作方式，各路被測信號共用一個采樣/保持器和一個A/D轉(zhuǎn)換器。在某一時刻，多種開關(guān)只能選擇其中某一路，把它接入到采樣/保持器的輸入端。當采樣/保持器的輸出已經(jīng)充分逼近輸入信號時，在控制命令的作用下，采樣/保持器由采樣狀態(tài)進入保持狀態(tài)，A/D轉(zhuǎn)換器開始進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后輸出數(shù)字信號。在轉(zhuǎn)換期間，多路開關(guān)可以將下一路接通到采樣/保持器的輸入端。系統(tǒng)不斷重復上述操作，實現(xiàn)多通道模擬信號的數(shù)據(jù)采集。采樣方式按順序或隨即進行。 這種結(jié)構(gòu)形式很簡單，所用芯片數(shù)量少，適用于信號變化速率不高，對采樣信號不要求同步的場合。如果信號變化速率慢，也可以不用采樣/保持器。如果信號比較弱，混入的干擾信號比較大，還需要使用前置放大器和濾波器。 2．多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 如圖6.4所示，這種結(jié)構(gòu)雖然也是分時轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，各路共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，但每一路通道都有一個采樣/保持器，可以在同一個指令控制下對各路信號同時進行采樣，得到各路信號在同一時刻的瞬時值。模擬開關(guān)分時地將各路采樣/保持器接到個A/D轉(zhuǎn)換器上進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。這些同步采樣的數(shù)據(jù)可以描述各路信號的相互關(guān)系，這種結(jié)構(gòu)被成為同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如，為了測量三相瞬時功率，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須對同一時刻的三相電壓﹑電流進行采樣，然后進行計算。由于各路信號串行地在共用的A/D轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換，因此這種結(jié)構(gòu)的速度仍然較慢。 3． 多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 如圖6.5所示，每個通道都有獨自的采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，各個通道的信號可以獨立進行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過接口電路直接送到計算機中。這種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度最快，所用的硬件也最多，成本高。 6.3 程序控制設計 以采用為CPU的微型計算機對64路模擬信號進行數(shù)據(jù)采集為例，介紹程序控制的原理。測量物理參數(shù)的各傳感器的輸出電信號經(jīng)調(diào)理化處理（變化、放大、濾波等），輸入到多路轉(zhuǎn)換器。多路轉(zhuǎn)換器采用八片八通道的CD4051，用八位鎖存器和74LS138譯碼器進行地址鎖存和譯碼，選通64路開關(guān)。通道選擇及采樣速率由程序設定。采樣/保持器選用LF398，A/D轉(zhuǎn)換器選用選用ADC0804，外接RC電路，轉(zhuǎn)換時間約為100us。 在定時中斷下，要求以中斷方式每隔10ms檢測一個通道，且用CTCO作為定時器，則應對CTC編程如下： （1）確定通道控制字。CTCO號通道的地址由地址譯碼器硬件決定為84H，并讓該CTC通道工作在自動啟動方式，上升沿啟動，定標系數(shù)為256，允許中斷，則控制字為B5H。 （2）確定輸入的時間常數(shù)。設時鐘周期，定標系數(shù)，檢驗間隔為，則輸入的時間常數(shù)為 （3）確定中斷向量。中斷向量的高八位有編程決定。中斷向量的低八位應在CTC初始化時送到CTC0通道。CTC的中斷向量以為標志，表示通道地址，就CTC0而言，，設，則中斷向量為F8H。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在CTC的2中斷方式下，對64路巡回檢測一邊的主程序和中斷服務程序流程圖如圖6.6666所示。 該…….. 程序是針對8位A/D轉(zhuǎn)換器編寫的，若為12A/D轉(zhuǎn)換器需適當修改。多路轉(zhuǎn)換器的口地址為01H，啟動A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號的口地址為02H，8212（1）、8212（2）的口地址分別為03H、04H。這時不采用采樣保持器。按中斷方式巡回檢測的主程序及中斷服務程序如圖6.6所示。 主程序如下： ORG 2000H START：LD SP，3000H ；設堆棧指針 LD A，40H ；中段向量頁面地址為40H LD I，A ；40H送I寄存器 LD A，B5H OUT （84H），A ；送通道控制字 LD A，62H OUT （84H），A ；置時間常數(shù) LD A，F(xiàn)8H OUT （84H），A ；置中斷向量 LD HL，4200H ；設置數(shù)據(jù)區(qū)首址 LD B，40H ；B為計數(shù)器，采集64個點 LD C，00H ；置起始模擬信號通道為0通道 IM 2 ；置中斷方式2 EI ；開中斷 LOOP： HALT ；等待中斷 INC HL ；數(shù)據(jù)地址加1 INC C ；通道數(shù)加1 DEC B ；采樣次數(shù)減1 JR NZ，LOOP ；64次未采完返回再采 LD A，F(xiàn)3H ；關(guān)中斷 OUT （84H），A ；復位CTC END 中斷服務程序如下： ORG 40F8H TAB： DW 2500H ORG 2500H PUSH AF ；保護現(xiàn)場 PUSH BC PUSH DE PUSH HL LD A，C OUT （01H），A ；通道數(shù)送所存器 LD D，040H ；延時，等待電路穩(wěn)定 LOOP1：DEC D LD A，D JR NZ，LOOP1 OUT （02H），A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換 TEST： IN A，（04H） ；打開接口8212（2） ADD A，80H JR NC，TEST ；沒有進位再檢測“轉(zhuǎn)換結(jié)束”標志 IN A，（03H） ；打開接口8212（1） LD （HL），A ；存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 POP HL ；恢復現(xiàn)場 POP DE POP BC POP AF EI RETI ORG 4200H DATA： DS 40H ；給數(shù)存保留64單元 END 6.4 轉(zhuǎn)速測量 在緩降器性能試驗機設計中，需測定緩降繩的下降速度，將測定的速度與拉力大小分列在坐標軸橫縱坐標上，以檢測試驗機是否合格。 我們是通過測定電機的轉(zhuǎn)速來間接測定緩降繩的下降速度的。常用的測速設備是測度發(fā)電機。 測速發(fā)電機是用于測定和自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的一種傳感器。它由帶有繞組的定子和轉(zhuǎn)子組成。根據(jù)電磁感應原理，當轉(zhuǎn)子繞組被供給勵磁電壓并隨被測電動機轉(zhuǎn)動時，定子繞組則產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的感應電動