液壓式轉(zhuǎn)向機實驗臺系統(tǒng)設(shè)計
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設(shè)計翻譯資料
中文題目： 程序操縱器
英文題目：Programmable Controllers
學生姓名：
學 號：
班 級：
專 業(yè)：機械工程及自動化
指導教師：
程序操縱器
制造業(yè)的機械設(shè)備需要那些能夠生成并且跟隨制定的軌道和實現(xiàn)邏輯性的控制的控制單元。控制一個單元的主要條件是執(zhí)行一個有效的控制順序，這個控制順序需要使用邏輯的發(fā)展逐步進展的順序。程序邏輯操縱器已經(jīng)在制造業(yè)和自動化工業(yè)運用上顯露出來。在顯微鏡技術(shù)人員的幫助下，程序邏輯操縱器已經(jīng)卷入了繼電器邏輯推理的替換中，類似物和數(shù)字系統(tǒng)的控制中，并且經(jīng)入了制造業(yè)的自動化細胞中、控制中。
程序邏輯操縱器的嶄新的發(fā)展來自于一個由自治能力的管理器，這個管理其能夠履行一個繼電器的邏輯任務(wù)，但是需要很大程度的可靠性。用金屬線穿起的數(shù)字控制者的信號是難以更改的：程序邏輯操縱器是可操作的和可重編的。大多數(shù)裝置目前是能夠使用的，能夠直接編輯出基于繼電器邏輯符號或者是流程圖所使用的“語言”。
程序邏輯操縱器能夠脫離緊跟著的普通的開發(fā)一個計算機程序的步驟而獨立發(fā)展。程序邏輯操縱器也能夠面對新的控制系統(tǒng)的伸縮性。由于迅速衰退的消費和不斷增加的潛力，它們的運用在更小的機器里已經(jīng)變的更加普遍。
程序邏輯操縱器是由計算器的計數(shù)器和記憶計算單元這樣的主要的數(shù)字標準所制造的，程序邏輯操縱器被定義為一個連續(xù)的邏輯裝置，根據(jù)程序邏輯操縱器在輸入信號上的執(zhí)行，這個邏輯裝置生成產(chǎn)品信號。計算機操縱器和程序控制器的主要不同是程序控制器的設(shè)計是為了與工業(yè)進程直接地產(chǎn)生接觸面，然而計算機系統(tǒng)要求資料獲得，信號進程，記憶和邏輯，外圍裝備，并且在加工供給之前。大多數(shù)根據(jù)程序邏輯操縱器使用微機來編輯，從而代替了傳統(tǒng)的直接工作位置。雖然程序邏輯操縱器主要的功能是在繼電器梯形邏輯中的繼電器工作代替，但是很多程序邏輯操縱器現(xiàn)在能夠在windows環(huán)境工作下在BASIC，C語言，BOOLEAN代數(shù)學和圖畫基本程序系統(tǒng)下被編輯。
一個典型的程序邏輯操縱器的構(gòu)造有數(shù)字數(shù)5-13顯示出來。這個操縱器包括完整的動力供應(yīng)，中央處理器，輸入設(shè)備（包括和輸入設(shè)備有關(guān)聯(lián)的感應(yīng)器或轉(zhuǎn)換器），輸出設(shè)備，固體繼電器，指示燈，與輸出系統(tǒng)相連的發(fā)動機啟動裝置。
工業(yè)設(shè)備的連結(jié)物是依靠輸入和輸出的接觸面的表示方法來完成的。輸入設(shè)備的接觸面被設(shè)計成接收從進程和機器操縱器來的信號，并且把它們轉(zhuǎn)換成一種對于程序邏輯操縱器來說是一種對于程序邏輯操作器來說是一種可以接受的形式。輸出設(shè)備的接觸面把程序邏輯操縱器的控制信號轉(zhuǎn)換成一種能夠被例如象負載被激活的程序進程設(shè)備所使用的一種形式。輸入接觸面和輸出接觸面保持相對的獨立分開，并且這兩種類型被設(shè)計成在組織構(gòu)造上是標準的。加工部分是程序邏輯操縱器的主要組成部件，并且它執(zhí)行多種邏輯功能實現(xiàn)輸入設(shè)備的操作，并且決定著特定的輸出設(shè)備。近年來，這些設(shè)備已經(jīng)納入了曾加其自身精確性和決策潛力的設(shè)計。程序控制器的記憶功能通常用來儲存詳細說明輸入和輸出步驟的邏輯程序。
1. 程序邏輯操縱器系統(tǒng)縱覽
一臺程序邏輯操縱器基于的系統(tǒng)包括一個帶有離散的和相似的輸入輸出設(shè)備的中央處理器。連接輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的儀器是由末端的條或片制造而成的，并且這些設(shè)備覆蓋了全部輸入設(shè)備的AC和DC的電壓量。并且對于輸出設(shè)備達到了10安培的電流量。與微機不同，一臺程序邏輯操縱器不需要一個監(jiān)視器，但是它卻有能力擁有幾種型號的外圍設(shè)備，連接這些裝置能夠看到設(shè)備正在運行的程序狀態(tài)。微機是一種通常用于監(jiān)視和規(guī)劃程序邏輯操縱器的外圍設(shè)備，監(jiān)督程序設(shè)備也可以用于接收和規(guī)劃程序邏輯操縱器程序邏輯操縱器并不要求一個以前它們編程和運行時用的監(jiān)視器或鍵盤。程序邏輯操縱器運行一個逐漸減少的指令，發(fā)出設(shè)計命令僅僅是為了解決一個非常特殊的程序設(shè)置。程序邏輯操縱器沒有能力或者是需要去執(zhí)行任務(wù)操縱者的意思，是以為它們無論在什么時候都只運行一個程序。雖然程序邏輯操縱器有能力連接建立網(wǎng)狀系統(tǒng)，但是這些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常僅僅是相同的制造者的程序邏輯操縱器，并且是極其深入的。目前，大多數(shù)程序邏輯操縱器的計劃是有益的，提供了一條私人電腦系統(tǒng)和大型電腦系統(tǒng)之間的紐帶。程序邏輯操縱器通常被設(shè)計為用于粗糙的工業(yè)環(huán)境。
作為一個運行控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，程序邏輯和程序邏輯操縱器的選擇是基于幾種事實的。它們是：
l 全部的費用
l 減輕程序設(shè)計的強度
l 輸入輸出設(shè)備的連接
l 抵抗工業(yè)環(huán)境的能力
l 減輕系統(tǒng)的保養(yǎng)要求
l 技術(shù)支持和訓練
l 減輕電腦網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)相容性和與其他系統(tǒng)的交換
2. 程序控制器的特點
擬訂一個程序邏輯操縱器的計劃是要由周圍的圖表的幫助來支持的，一個梯形圖表，或是原文形式的邏輯方程式。這個程序系統(tǒng)包含一個鍵盤來進入這個控制邏輯和其他的資料或錄影信息，也允許編程者使用繼電器體型圖表或者其他的編輯語言來把控制邏輯輸入到內(nèi)存中。支持操作程序邏輯操縱器和服務(wù)的動力是輸出信號的一個動力來源。它也常用于保護程序邏輯操縱器免受輸電線干擾的噪音。這個操作系統(tǒng)包含一系列的聯(lián)系不斷的操作執(zhí)行。它們是輸入設(shè)備的掃描范圍，程序掃描范圍，輸出設(shè)備掃描范圍，服務(wù)通訊。
在一個梯形邏輯中主要的要素有：欄桿，橫擋，支線，輸入設(shè)備，輸出設(shè)備，計時器和計數(shù)器。
欄桿是一些筆直的線，提供能量來源給繼電器和邏輯系統(tǒng)。橫擋是水平的并且包含支線，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。當輸入顯示“ON”或是“HIGH”的時候，輸入就是真的。當輸入顯示“OFF”或“LOW”時，輸入就結(jié)束了。輸出可以參照作為一組線圈并且在橫擋的右邊。
一個梯形程序包括一組用于控制一臺機器或是一組程序的說明。進入微型操作者的邏輯順序補充滿足了梯形程序。梯形邏輯性是一種基于電力繼電器圖表的圖解式程序語言。取代了電力的持續(xù)供給，梯形邏輯尋找到了邏輯橫擋持續(xù)。一個梯形圖認為所有的在一個電器設(shè)備的周圍和掃描它們成圖畫似的元素。這個允許你看見你是如何控制周圍的操作在你實際地開始自然的系統(tǒng)操作。在一個梯形圖表里，所有的輸入裝置在這一系列或通過這個梯形的橫擋的平行的組合是被表示的。最后的關(guān)于橫擋的要素是接收作為在橫擋上的一個輸入條件狀態(tài)下的一個結(jié)果的動作行為。
3. 說明縱覽
程序邏輯操縱器按分類地減少計算機指令并為工業(yè)操作運用設(shè)計的。接下來的說明縱覽是為了提供一系列的說明，這些說明對于每個說明都有一個簡潔的描述。
說明能夠被劃分成如下的子集合：
二進制說明
計時器和計數(shù)器說明
通信說明
ASM2說明，輸入和輸出暫停說明
對比說明
數(shù)字說明，移動和邏輯的說明
復制檔案和填充檔案的說明
十進制轉(zhuǎn)換，選入選出法和LIFO的說明
順序說明，控制說明，和成比例的完整的引出說明
4. 二進制說明
第一個說明的子集合是二進制說明，這個說明是有條件的說明，并且能夠是輸入或輸出的說明。它們被廣泛地應(yīng)用到程序邏輯操縱器的設(shè)計中。這些說明中第一是如果關(guān)閉說是要檢查的。這個說明是一個有條件的輸入輸出說明，并檢查記憶地點和狀態(tài)，或當二進制在位（1）的時候，程序邏輯操縱器的輸入和輸出地址位變成現(xiàn)實。
下一個說明是當打開說明時的審查。這個說明是一個有條件的輸入說明并檢查一個記憶的邏輯狀態(tài)或輸入/輸出地址位，并且當這個位關(guān)閉或（0）的時候是真實的。
下一個說明是輸出生動的說明。這是一個輸出說明，當位的地址優(yōu)先于它是真實的時候，該說明變成現(xiàn)實或（1）。輸出變成錯的或當一個位的條件在邏輯的順序優(yōu)先于這個輸出，那么就是假的。
5. 計時器和計數(shù)器的說明
計時器和計數(shù)器是輸出設(shè)備的說明，這些說明有用于建立時間準確的普通說明、參數(shù)、積累價值（ACC）、并且預先安排價值（PRE）。計時器和計數(shù)器也有依靠這種類型的計時器和計數(shù)器說明的狀態(tài)位。
第一個在這個子集合的說明是延遲說明的計時器。這個輸出說明計時器間隙當這個位條件優(yōu)先于它在橫擋中是真實的。計時器的輸出設(shè)備是真的，當計時器的積累價值（ACC）是相等的或更大的相對于預先安排的價值說明的狀態(tài)位是計時器操作位（DN），這個位是當計時器是真的時候的輸出設(shè)置的，計時器能力位（EN），是當橫擋條件是真的并且是重新設(shè)置的；當橫擋條件是假的時候而設(shè)置的；并且計時器計時位（TT）是當橫擋條件是真的時候和累積價值（ACC）比預先安排價值少的時候設(shè)置的，當計時器操作位（DN）是真的或橫擋條件是假的時候是重新設(shè)置的。下一個說明是計時器放棄耽擱說明。當橫擋條件優(yōu)先于它是假的時候，輸出說明計時間隔。當計時器是最初能夠依靠橫擋條件變成真的時候，計時器輸出設(shè)備是真實的，并且輸出設(shè)備屬于真實的；當計時器的橫擋條件變成假的時候，并保持假的狀態(tài)直到計時器的預先安排價值接近累積價值（ACC）。
6. 通訊說明
通訊說明是常用于在程序邏輯操縱器之間的輸出說明與在一臺程序邏輯操縱器網(wǎng)絡(luò)工作連接的不同的交點。
第一項說明是段落閱讀/段落書寫（MSG）說明。這個說明在一臺聯(lián)網(wǎng)工作機上從一個節(jié)遷移材料到另一個節(jié)。當能夠多使信息遷移直到目前的遷移發(fā)生在程序瀏覽最后的時候一直是懸而未定的。第二項說明是服務(wù)通訊說明（SVC）。當橫擋的條件優(yōu)先于說明是正確的時候，這個說明干擾了程序?qū)τ趯嵭蟹?wù)通訊操作循環(huán)的分配的瀏覽。
7. 順序說明
順序說明是常用于連續(xù)的機器控制運用的輸出說明。幾個順序參數(shù)一定是對于合適的操作已經(jīng)制定的。
8. 控制說明
控制說明是有條件的或者是遵守使用者對于改變命令的輸出說明，并且這個命令也在制造者瀏覽程序中。這些說明的目的是把瀏覽的時間縮減到最小的程度。
輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的這兩種類型對于系統(tǒng)積分儀是組件和類似是有效的。組件輸入裝置是那些擁有或開或關(guān)閉的輸出狀態(tài)。分離的輸入裝置的事例是機械限制轉(zhuǎn)換器、搜集轉(zhuǎn)換器、推入按紐、繼電器接觸通訊、接觸轉(zhuǎn)換器、和有一個開或關(guān)閉狀態(tài)的任何的大量其他裝置。另一個組件輸入裝置是一個光學的把普通文改為電碼，這種電碼生成一個律動的擁有來和關(guān)信號的一個系列，這些信號基于輸入軸的有關(guān)系的位置。這種類型的裝置典型地在每個輸入位置的周期擁有１０２４個脈沖，當把普通文改為電碼作為在程序溶解狀態(tài)下的輸入裝置被利用時，高速計數(shù)器是要求的。
模擬的輸入裝置有一個不間斷的范圍，并與它們的輸出狀態(tài)相結(jié)合。模擬輸入裝置的基于狀態(tài)；例如一個溫度、壓力、應(yīng)力和拉力或是重量上的改變的輸入條件輸出４-２０毫安或０-１０伏特ＤＣ的事例是換能器。其他類型的模擬輸入裝置包括輸出一個不間斷的變化的抵抗性在ＯＨＭＳ。
不連續(xù)的輸出裝置是那些當被開動的時候，已經(jīng)有了一個開或關(guān)閉的狀態(tài)。例如：不連續(xù)的輸出裝置和試驗性的燈，電子繼電器和計數(shù)器，充氣的和水力的參閱閥和多樣的角、各種聲音、或者其他的相似裝置。
模擬的輸出系統(tǒng)是相對于模擬的輸入系統(tǒng)在一個程序邏輯操縱器程序中是相似的。沿著輸出系統(tǒng)的一個超過主要的發(fā)生范圍能夠被收集并為程序邏輯操縱器所運用。在一個連續(xù)不斷的形式中，模擬的輸入是變化的。輸出設(shè)備是由一個材料取得卡連接在一起的，并給發(fā)動機操縱器提供信號或其他的輔助設(shè)備，這些設(shè)備要求模擬的輸入信號。
9. 程序邏輯操縱器編輯的基礎(chǔ)
程序邏輯操縱器利用一種獨特的編輯格式來涉及到梯形編程。這種梯形程序包含一樣的說明，這些說明表示了外部的輸入和輸出設(shè)備并且個別的其他說明被應(yīng)用于使用者程序。使用者程序在普通的程序邏輯操縱器控制器的操作下被掃描，并且這種輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的狀態(tài)被檢查來使得編輯的梯形邏輯記入。最為廣泛的應(yīng)用說明是當關(guān)閉時的檢查說明，這種說明在與繼電器邏輯中的普通的公開接觸是很相似的；如果打開，這種檢查與普通的關(guān)閉繼電器邏輯的接觸是相似的，并且輸出設(shè)備與繼電器線圈是相似的。
一個梯形程序包含個別性的橫擋，這些橫擋知道包含一個輸出說明和一個或多個輸入說明。輸出說明也被設(shè)置在橫擋較遠的右邊，并且輸入說明在輸出說明的左邊。每一個說明都擁有一個表示它作用的一個輸入、輸出，或內(nèi)部聯(lián)系和內(nèi)部繼電器、計時器、計數(shù)器，和其他說明的有關(guān)地址。輸入和輸出設(shè)備擁有了實際的“絕對仿真的”設(shè)備，和堅固的金屬線與之配合。輸入設(shè)備包括這樣一些設(shè)備：提供一個依靠改變機器條件產(chǎn)生數(shù)字的或類似的信號。輸出設(shè)備包括繼電器、發(fā)動機引擎、引航燈，和其他的一個典型的負載或有標準的繼電器邏輯的設(shè)備。內(nèi)部的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備不可能和任何安全防真的設(shè)備相連接，但是通過編輯可以被用于控制輸出設(shè)備。
在程序邏輯操縱器控制器操作中，制造者決定著在資料檔案中的位置的開或關(guān)閉的狀態(tài)。這種資料檔案是在制造者分配給儲存這種信息中的一個記憶選定路線。
表1 說明狀況
地址位
關(guān)閉時的檢查
打開時的檢查
輸出狀態(tài)
邏輯0
假
真
假
邏輯1
真
假
真
一旦，制造者決定在資料檔案中的地址位的狀態(tài)，那么它運行橫檔邏輯并能通過在使用者程序中的橫檔的邏輯連續(xù)來改變輸出設(shè)備的狀態(tài)。輸入說明取決于在輸出設(shè)備將要打開或關(guān)閉下的條件。
在表1中我們看到的狀態(tài)位指示關(guān)閉時的檢查說明、打開時的檢查說明、并且橫檔的輸出狀態(tài)總保持時全真的。說明的真/假狀態(tài)時控制器操作的基礎(chǔ)，作為在接下來的段落中的表示。
在控制者操作中，制造者決定著在材料檔案中的地址位的開/關(guān)狀態(tài)，評定橫檔邏輯，并根據(jù)橫檔的邏輯連續(xù)改變輸出狀態(tài)。按分類更多的，輸入說明建立了在制造者將作出一個輸出說明真或假下的條件。這些條件如下：
1. 當制造者在一個橫檔中找到一條連續(xù)的真的輸入說明的路徑時，輸出狀態(tài)說明將變成真的。在這一點上，它遵守著“橫檔條件是真的”。
圖1 簡單的橫檔使用繼電器邏輯
2. 當制造者在一個橫檔中不能找到一個連續(xù)的真的輸入說明的路徑時，輸出狀態(tài)說明將變成假的，它遵守著“橫檔條件是假的”。
表1顯示輸出的開/關(guān)狀態(tài)取決于改變在橫檔中的輸入狀態(tài)。
圖2 梯形邏輯圖解和簡單的橫檔操作
表2 程序邏輯操縱器在BOOLEAN邏輯原則下操作
時間
輸入
輸出
地址位狀態(tài)（地址位資料檔案B3）
關(guān)閉時
打開時
輸出狀態(tài)
關(guān)閉時
打開時
輸出狀態(tài)
1
假
真
假
0
0
0
2
真
真
全真
1
0
1
3
真
假
全假
1
1
0
4
假
假
恢復假
0
1
0
程序邏輯操縱器在BOOLEAN邏輯原則下操作。第一種邏輯類型是串連的邏輯（AND）；當所有的輸入條件是真的時候，在一個串連的路徑優(yōu)先于一個輸出，這個輸出將實現(xiàn)。如圖3所示。
圖3 連續(xù)輸入
下一個邏輯連續(xù)類型是并聯(lián)的邏輯。在這種情況下，當一個或任何邏輯路徑是真的，輸出就能實現(xiàn)。如圖4所示。
圖4 并連輸入
以上的例子使用分支的觀點來提供雙重的路徑來為A和B的輸入。這種分支的觀點也能夠被利用于一個橫檔的輸出部分。數(shù)目字5-17使用一個輸入分支來允許更多的輸入條件組合數(shù)字來形同相同的分支（OR邏輯條件）。如果其中一個邏輯條件分支形成一個真實的邏輯路徑，輸出將成為現(xiàn)實。如果其中一個平行的分支形成一個真的邏輯路徑，輸出將不能實現(xiàn)。
輸入和輸出分支能夠被安頓來提供一個更有效的程序邏輯操縱器程序的形式。一個冗長的內(nèi)容需要是可排除的，并且因此，制造者的掃描時間減少。一個被安頓的分支是一個邏輯函數(shù)開始和結(jié)束帶有另一個分支。使用者也能編輯并聯(lián)輸出在一個橫檔上來允許一個直的邏輯路徑去控制復合的輸出。當有一個真的邏輯路徑時，所有的輸出將實現(xiàn)。
12
審批表任務(wù)書
畢業(yè)設(shè)計題目
液壓式轉(zhuǎn)向機實驗臺系統(tǒng)設(shè)計
擬指導學生數(shù)
1
課題類型
結(jié)合課題情況：
指導教師姓名
所在單位
畢業(yè)設(shè)計題目簡介（主要包括工作內(nèi)容、要求，對指導多名學生的題目應(yīng)明確個學生的工作內(nèi)容）
設(shè)計任務(wù)：設(shè)計試驗臺，用于對轉(zhuǎn)向機的輸入端轉(zhuǎn)動力矩測定、輸出端自由行程測定、線角傳動比試驗等技術(shù)指標進行檢測。
設(shè)計要求：
1.試驗臺可對轉(zhuǎn)向機試驗樣品進行輸入端轉(zhuǎn)動力矩測定試驗。
2.試驗臺可對轉(zhuǎn)向機輸出端自由行程測定。
3.要求勻速施加輸出端阻尼，驅(qū)動速度為0.1m/s。
4.測量數(shù)據(jù)能及時準確的輸出顯示并記錄。
工作內(nèi)容：
1. 了解設(shè)計的裝置的用途、構(gòu)成。搜集相應(yīng)的資料，了解國內(nèi)外的情況。
2. 設(shè)計總體方案。設(shè)計檢測系統(tǒng)的電器原理圖。
3. 零件圖設(shè)計，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2萬字設(shè)計說明書。
時間安排：
第七學期：調(diào)研，收集資料，了解國內(nèi)外研究情況，做英文翻譯。
第八學期：
1-2周 完成總體方案設(shè)計；
3-6周 完成機器系統(tǒng)原理圖設(shè)計。
7-8周 完成液壓及零件設(shè)計。
9-11周 完成電氣原理設(shè)計。
12-13周 系統(tǒng)憂化。撰寫設(shè)計說明書。
參考資料：機電一體化手冊
單片機原理與應(yīng)用
測試與傳感技術(shù)
微機測控技術(shù)
機械設(shè)計手冊
系專家組審核意見：
年 月 日
住結(jié)合課題情況指 ①在研項目 ②預研項目；課題類型是指：①設(shè)計 ②論文 ③軟件
設(shè)計
開題報告
學生姓名：
學 號：
班 級：
專 業(yè)：機械工程及自動化
指導教師：
開 題 報 告
一、 課題介紹
1 課題名稱：液壓式轉(zhuǎn)向機實驗臺系統(tǒng)設(shè)計
2 課題背景：
近年來，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)巳海嚨牟倏v性設(shè)計顯得尤為重要。
從上世紀四十年代起，為減輕駕駛員體力負擔，在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了液壓助力系統(tǒng)HPS(hydraulic power steering)，它是建立在機械系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，額外增加了一個液壓系統(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)向的運動，因此可以減少駕駛員作用在方向盤上的力。EHPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其特點是原來有發(fā)動機帶動的液壓助力泵改由電機驅(qū)動，取代了由發(fā)動機驅(qū)動的方式，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、車速等參數(shù)設(shè)計為可變助力特性，使駕駛員能夠更輕松便捷的操縱汽車。
由此就應(yīng)運而生的就是如何對轉(zhuǎn)向機進行檢測和控制，從而使轉(zhuǎn)向機的性能達到最優(yōu)化，更好地適合現(xiàn)代汽車以及工程機械行業(yè)的發(fā)展。目前汽車工業(yè)，機械工業(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)濟上還是科技上都遠遠落后于發(fā)達國家；尤其在機械工業(yè)上，世界上許多發(fā)達國家的機械工業(yè)都已達到了很好的程度，中華民族的復興都在于此。
3 工作內(nèi)容和要求：
設(shè)計并建立一個液壓轉(zhuǎn)向機實驗臺，該試驗臺用于對液壓助力式轉(zhuǎn)向機總成和閥體總成進行一般性能試驗，從而得到轉(zhuǎn)向機的各個性能參數(shù)的準確值，更好地設(shè)計或改進液壓轉(zhuǎn)向機，并使轉(zhuǎn)向機的性能達到最優(yōu)化，以適合當代汽車工業(yè)和機械工業(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. 輸入端轉(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
3.1 本設(shè)計內(nèi)容與要求：
3.1.1 原轉(zhuǎn)向機存在的問題與不足:
傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機械系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向運動是由駕駛員操縱方向盤，通過轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車輪而實現(xiàn)的。普通的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立在機械轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，通常根據(jù)機械式轉(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)。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是我們最常見的，目前大部分低端轎車采用的就是齒輪齒條式機械轉(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，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于方向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間的機械連接而產(chǎn)生一些自身無法避免的缺陷：①汽車的轉(zhuǎn)向特性受駕駛員駕駛技術(shù)的影響嚴重；②轉(zhuǎn)向傳動比固定，使汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性隨車速、側(cè)向加速度等變化而變化，駕駛員必須提前針對汽車轉(zhuǎn)向特性幅值和相位的變化進行一定的操作補償，從而控制汽車按其意愿行駛。這就變相地增加了駕駛員的操縱負擔，使汽車轉(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)濟性差，一般轎車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)計的要求：
本實驗臺主要測量轉(zhuǎn)向機型號有：捷達10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風20C1055等型號的轉(zhuǎn)向機。
具體技術(shù)指標要求如下：
（1）輸出端液壓檢測系統(tǒng)
最大輸出負荷：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)向機輸出負荷的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：±5Nm，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—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)動力（靜壓力），驅(qū)動速度為：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)計方案：
3.1.3.1機械系統(tǒng)組成：
1.試驗臺的基本組成如圖1所示，可分為如下5個組成部分：
(1)主機臺架。包括被試轉(zhuǎn)向機總成、被控閥體總成、轉(zhuǎn)向機輸入軸電動驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向機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、各個儀表、以及安裝這些總成的基礎(chǔ)平臺和安裝夾具。
(2)泵站。包括助力油泵及電機總成、檢測輸出端油泵及電機總成、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 控制及檢測系統(tǒng)的組成如圖3 所示:
控制及檢測系統(tǒng)可分為如下幾個組成部分：
包括單片機（8051、74L138、74L377、2764、6264、8255、A/D 0809、D/A0832）測量接口板、顯示器、鍵盤等。
4 課題的重點和難點：
1.試驗臺本身的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，相互之間的傳動關(guān)系，尺寸配合。
2. 輸出端檢測液壓系統(tǒng)，助力液壓系統(tǒng)的選擇和計算。
3.電氣原理部分的設(shè)計，即各種傳感器的選擇。
4.轉(zhuǎn)向機輸入端裝置的設(shè)計。
5 可能用到的主要知識和技能：
機電一體化設(shè)計
單片機原理及接口技術(shù)
機電傳動控制
機電控制系統(tǒng)設(shè)計與分析
典型機械（電）產(chǎn)品構(gòu)造
6 需要自學的知識和技能：
傳感器與執(zhí)行器
單片機原理及接口技術(shù)
機械系統(tǒng)設(shè)計等
二、 工作計劃:
第七學期（已完成）：
調(diào)研，搜集資料，了解國內(nèi)外研究狀況；
了解原有試驗臺，閱讀相關(guān)文獻，做英語翻譯，完成開題報告。
第八學期：
1-4周 提出試驗臺改進方案，進行總體方案設(shè)計。
5-7周 機械系統(tǒng)設(shè)計、加工、裝配和調(diào)試。
8-9周 測控系統(tǒng)設(shè)計、選購和裝配。
10-12周 系統(tǒng)軟件設(shè)計和調(diào)試。
13-14周 撰寫設(shè)計說明書，準備答辯。
三、參考文獻:
[1].機電控制系統(tǒng)設(shè)計與分析. 高春甫，校內(nèi)教材. 2001.06
[2].機電一體化設(shè)計基礎(chǔ). 朱喜林，科學出版社. 2005.07
[3].MCS-51系列單片機實用接口技術(shù). 李華，北京航空航天大學出版社. 2003.10
[4].典型機械（電）產(chǎn)品構(gòu)造. 鄭玉華，科學出版社. 2004.07
[5].單片微型計算機原理、應(yīng)用及接口技術(shù).張迎新.北京:國防工業(yè)出版社
[6].汽車傳感器識別與檢修精華.吳文琳,李美生.北京:機械工業(yè)出版社
[7].機電一體化設(shè)計手冊.顧冠群,萬德均.南京:江蘇科學技術(shù)出版社
[8].機電傳動控制.鄧星鐘.武漢:華中科技大學出版社,2001
6
說明書
中 文 摘 要
本文開發(fā)設(shè)計了一種小型汽車轉(zhuǎn)向機的性能測試系統(tǒng)——液壓式轉(zhuǎn)向機系統(tǒng)實驗臺。該系統(tǒng)利用液壓助力系統(tǒng)驅(qū)動轉(zhuǎn)向機輸出端進行軸向運動，在轉(zhuǎn)向機輸出端也有一個液壓檢測系統(tǒng)為轉(zhuǎn)向機為其提供負荷阻尼。同時采集各種傳感器發(fā)來的信號，對其分析處理后，來檢測被試驗轉(zhuǎn)向機的性能與可靠性。本系統(tǒng)是典型的機電液一體化系統(tǒng)。
根據(jù)本實驗的要求，系統(tǒng)所測量的參數(shù)包括輸入端的空載轉(zhuǎn)動扭矩、 工作時轉(zhuǎn)動力矩和旋轉(zhuǎn)角度，輸出端的輸出力及輸出位移等。整個系統(tǒng)包括液壓助力系統(tǒng)，輸入端液壓檢測系統(tǒng)，步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，實驗臺臺架總成，臺上卡具體總成，傳感器，單片機，微機等部件。
本系統(tǒng)采用了步進電機控制輸入端，使得輸入轉(zhuǎn)矩更佳平穩(wěn)。利用了液壓系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向機輸出端進行檢測，與傳動效率相同的比較，液壓傳動裝置重量輕，體積緊湊；可實現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍很大，傳動工作平穩(wěn)；更容易與電氣配合，實現(xiàn)動作和操作自動化；
本系統(tǒng)可以測出常見的各種小型汽車轉(zhuǎn)向機的性能參數(shù)，并達到一定的精度，滿足了設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)向機 液壓系統(tǒng) 步進電機 實驗臺
說明書
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
說明書
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 本說明書的主要研究內(nèi)容 3
2 系統(tǒng)總體方案 4
2.1 實驗臺系統(tǒng)的組成及控制原理 5
2.2 液壓系統(tǒng)的工作原理 5
3 機械系統(tǒng)設(shè)計 6
3.1 液壓助力系統(tǒng)設(shè)計 7
3.2 輸出端液壓檢測系統(tǒng)設(shè)計 10
3.3 轉(zhuǎn)向機輸入端系統(tǒng)設(shè)計 15
3.4 其他機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 18
3.5 傳感器的選擇 19
3.6 其他主要元器件的選取 22
4 控制及檢測系統(tǒng)設(shè)計 23
4.1 液壓式轉(zhuǎn)向機實驗臺系統(tǒng)控制及檢測系統(tǒng) 23
4.2 控制及檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計 23
5 程序設(shè)計 33
5.1 程序設(shè)計技術(shù) 33
5.2 程序設(shè)計說明 34
結(jié)論 37
致謝 38
參考文獻 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
說明書
1 緒論
1.1 課題研究的目的和意義
21世紀是汽車工業(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)向機進行檢測和控制，從而使轉(zhuǎn)向機的性能達到最優(yōu)化，更好地適合現(xiàn)代汽車以及工程機械行業(yè)的發(fā)展。目前汽車工業(yè)，機械工業(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)濟上還是科技上都遠遠落后于發(fā)達國家；尤其在機械工業(yè)上，世界上許多發(fā)達國家的機械工業(yè)都已達到了很好的程度，中華民族的復興都在于此。
1.2 課題任務(wù)
設(shè)計并建立一個液壓轉(zhuǎn)向機實驗臺，該試驗臺用于對液壓助力式轉(zhuǎn)向機總成和閥體總成進行一般性能試驗，從而得到轉(zhuǎn)向機的各個性能參數(shù)的準確值，更好地設(shè)計或改進液壓轉(zhuǎn)向機，并使轉(zhuǎn)向機的性能達到最優(yōu)化，以適合當代汽車工業(yè)和機械工業(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)向機型號有：捷達10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風20C1055等型號的小型汽車轉(zhuǎn)向機。
具體技術(shù)指標要求如下：
（1）輸出端液壓檢測系統(tǒng)
最大輸出負荷：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)向機輸出負荷的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)容進行了重點研究。
系統(tǒng)總體方案的制定：
其中包括機械系統(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、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
其中包括單片機及擴展芯片系統(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)向機進行包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗項目進行檢測，取得相關(guān)數(shù)據(jù)，從而了解轉(zhuǎn)向機的性能狀況。本實驗臺需要通過手動來操作，啟動電動機從而帶動整個液壓系統(tǒng)和電動機系統(tǒng)的工作。同時通過單片機系統(tǒng)采集各種傳感器發(fā)來的信號，進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)向機的基本性能參數(shù)了。目前我國一些研究機構(gòu)也早已開展了對汽車轉(zhuǎn)向機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，機械部分和電動機部分相應(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)向機的輸出端提供一定量的輸出負荷阻尼，從而檢測轉(zhuǎn)向機的性能。
本實驗臺之所以選擇液壓系統(tǒng)為轉(zhuǎn)向機提供助力并給轉(zhuǎn)向機輸出端提供一定量的輸出負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、通用化和標準化。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單片機集成度高，可靠性好，功能強，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。易擴展、控制功能強。便于實現(xiàn)多機和分布式控制。
在本實驗臺中機械部分的設(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)容上看上去機械很簡單，但是由于數(shù)量多、體積大、非標準件多，設(shè)計量占很大比重。
一般情況下，在小型轎車上，轉(zhuǎn)向機的輸入端是方向盤，但為了能達到轉(zhuǎn)距勻速、平穩(wěn)的效果，本實驗采用步進電動機輸入。
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)，輸入端電動機系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、主機臺架及油箱總成、轉(zhuǎn)向機總成，卡具體等。其中電控部分采用單片機為主的測控系統(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)向機提供助力轉(zhuǎn)向，由三相異步電動機帶動柱塞泵從油箱中吸取液壓油經(jīng)溢流閥調(diào)壓后進入轉(zhuǎn)向機工作，轉(zhuǎn)向機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)向機輸出端，為其提供負荷阻尼。液壓系統(tǒng)原理圖如圖2-2所示。
3 機械系統(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)向機進行規(guī)定的部分性能試驗項目進行檢測，取得相關(guān)數(shù)據(jù)，從而了解轉(zhuǎn)向機的性能狀況。因此在本設(shè)計里采用液壓系統(tǒng)帶動阻尼缸對轉(zhuǎn)向機的輸出端進行檢測，并利用電動機對轉(zhuǎn)向機輸入轉(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、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)向機型號有：捷達10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風20C1055等型號的轉(zhuǎn)向機。
流量：6.0—8.0 L/min 最高使用油壓：8.5—10 MPa 最大輸出負荷：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，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×機械效率ηm，（查表得容積效率：92%--93%，總效率：81%--88%），
那么，機械效率大約等于總效率/容積效率。
ηm=88/93=0.946
當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 電動機的選擇
選擇電動機應(yīng)綜合考慮以下幾點因素：
（1） 根據(jù)機械負載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機。
（2） 根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩，速度變化范圍選擇電動機。
（3） 根據(jù)使用場所環(huán)境條件選擇電動機。
（4） 根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)電壓標準等選擇電動機。
在這里我們著重考慮電動機的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負載的要求，是否能帶動起負載；電動機輸出的功率是否滿足泵的驅(qū)動軸的機械功率，這是問題的關(guān)鍵。其中，電動機輸出的功率是否滿足泵的驅(qū)動軸的機械功率是選擇電動機的主要參考因素，電動機的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負載的要求為選擇電動機的參考因素。
3.1.2.1 電動機轉(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。
3.1.2.2 電動機功率的計算
由常用電動機計算公式：P=T×N/9550得：
P：電動機功率，KW
T：電動機轉(zhuǎn)矩，N/m
N：電動機轉(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 電動機的選擇
可見，當液壓泵額定工作時，所需要的最大功率為8.45 KW，而當系統(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)向機為齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向機，轉(zhuǎn)向機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、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)向機型號有：捷達10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風20C1055等型號的轉(zhuǎn)向機。
最大輸出負荷：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)向機前軸負荷的1/3
3.2.1.2 液壓缸的選擇與計算
根據(jù)轉(zhuǎn)向機的最大輸出負荷：6150—10000N，液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉(zhuǎn)向機前軸負荷的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P min=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，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＞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：液壓泵的機械效率，
由于在雙作用葉片泵中，
總效率η=容積效率ηv×機械效率ηm，（查表得容積效率：80%--94%，總效率：65%--82%），
那么，機械效率大約等于總效率/容積效率。
ηm=82/94=0.872
當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
當泵的工作壓力為滿足輸出推力的最小壓力P min=4.35mpa、排量為實際排量時：
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算
驅(qū)動泵軸的機械功率：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 電動機的選擇
在這里我們著重考慮電動機的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負載的要求，是否能帶動起負載，這是問題的關(guān)鍵。其中，電動機輸出的功率是否滿足泵的驅(qū)動軸的機械功率是選擇電動機的主要參考因素，電動機的轉(zhuǎn)矩是否能滿足負載的要求為選擇電動機的參考因素。
3.2.3.1 電動機轉(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。
3.2.3.2 電動機功率的計算
由常用電動機計算公式：P=T×N/9550得：
P：電動機功率，KW
T：電動機轉(zhuǎn)矩，N/m
N：電動機轉(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 電動機的選擇
可見，當液壓泵額定工作時，所需要的最大功率為1.85 KW，而當系統(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
電動機的實際輸出功率P實際=0.75×0.72 KW = 0.54 KW＞P min=0.487 KW；P實際＞Pi=0.514KW，電動機選擇合適。
3.3 轉(zhuǎn)向機輸入端系統(tǒng)設(shè)計
本實驗臺所測量的轉(zhuǎn)向機均為小型車輛上所使用的轉(zhuǎn)向機，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，在這里采用電機輸入，并利用減速器來達到所要求的轉(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 步進電機的選型和計算
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 電動機的選擇
本實驗臺所選用的電機為步進電機。
3.3.1.3 步進電機的介紹
步進電機是根據(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，并用電脈沖信號進行控制的特殊運行方式的同步電動機，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，電動機就移動一步。因此，步進電機又稱為脈沖電動機。反應(yīng)式步進電動機是我國目前應(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 步進電機的選擇
（1）負載轉(zhuǎn)矩的折算
根據(jù)最大輸入轉(zhuǎn)矩：5N·m 得：
（2）步進電動機的技術(shù)參數(shù)
經(jīng)過計算本設(shè)計選用86BYG250B型號永磁感應(yīng)子式步進電動機。如圖3-3所示。
表3-1是電動機技術(shù)參數(shù)：
表 3-1
電機型號
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)子式步進電動機
3.3.1.5 步進電機的控制
圖3-4所示為步進電機控制示意圖。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。由步進電動機的控制特性分析可見，在額定負載范圍內(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。
當用微電腦進行數(shù)字控制時，它不需要進行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，步進電動機的功率做的越來越大，已經(jīng)生產(chǎn)出功率步進電動機，它可以不通過傳動齒輪等力矩放大裝置，直接由功率步進電動機來帶動機床運動，從而簡化結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)精度。
圖3-4 步進電機控制示意圖
3.3.2 減速器的選擇
根據(jù)選擇的步進電機，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，選此減速器可以達到預定要求。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、準確、可靠且又經(jīng)濟的實現(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)的準確度能滿足要求，并長期穩(wěn)定。
(5) 適用性和適應(yīng)性強，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。即成本低、壽命長，且易于使用、維修和校準。
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
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 , 適用于工程機械,宇宙裝置、導彈、飛機雷達天線的伺服系統(tǒng)以及注塑機,木工機械,印刷機,電子尺,機器人,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)向機輸出端進行性能試驗中，壓力傳感器C9B，當液壓缸輸出端活塞桿與轉(zhuǎn)向機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。這樣的電路不但補償了溫度效應(yīng)，而且可以得到較大輸出信號，這種補償電路稱全橋連接。
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)字量后送入計算機中。
名稱
型號
性能指標
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 單片機的選擇
單片機選用：MCS-51系列的8051單片機，理由如下：
MCS-51單片機集成度高，可靠性好，功能強，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。易擴展、控制功能強。便于實現(xiàn)多機和分布式控制。
即用8051外接2764、6264及8255等芯片擴展成一個較簡單的微機控制系統(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、復位電路、數(shù)碼顯示接口電路。
4.2.1.1 時鐘電路和復位電路的設(shè)計
時鐘是單片機的心臟，各部分都以時鐘頻率為基準，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的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響微機系統(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，機器內(nèi)部全部寄存器I/O接口等都必須重新復位，所以要求接復位電路。
由此，在本次設(shè)計中選用：復位電路。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系列單片機的引腳及其功能
Mcs-51系列單片機是一個具有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)擴展時作高8位地址線用。在沒有外部存儲器擴展時，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?？谀芪?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。
：復位控制，在震蕩器運行時，使RST腳至少保持兩個機器周期為高電平，可實現(xiàn)復位操作。CPU通過執(zhí)行內(nèi)部復位來響應(yīng)，在RST為高的第二周期時執(zhí)行內(nèi)部復位。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。
對于不同的單片機進行比較：首先要選擇合適的存儲器。單片機內(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。兩者是嚴格分開的，不同的單片機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，通過片外擴展組成單片機最小系統(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 ；程序存儲器擴展為8K，數(shù)據(jù)存儲器：6264，數(shù)據(jù)存儲器擴展為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單片機的口是分時復用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進行程序存儲器擴展時，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的接口。為防止功率放大器高雅的干擾，步進電機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，以便于計算機進行處理。它與D/A轉(zhuǎn)換器一樣，是微型機應(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。 （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)是把計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。進行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?shù)奶幚恚拍艽_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 步進電機的驅(qū)動電路
步進電機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雜、缺乏靈活性。隨著微機技術(shù)的發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)采用微機對步進電機進行控制。微機對步進電機的控制有兩種方案：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)，即由微機軟件來完成脈沖分配的任務(wù)。
圖4-6 步進電機的微機控制系統(tǒng)的組成
微機控制的步進電機系統(tǒng)主要利用微機的I/O口進行脈沖的環(huán)形分配，并配備相應(yīng)的驅(qū)動電路，如圖（4-6）為兩相步進電機的微機控制系統(tǒng)組成原理圖。當相應(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，它利用單片機內(nèi)部的定時器產(chǎn)生一定時間（例如10 ms）的定時，當定時時間到就產(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，標志1和標志2是在單片機內(nèi)部RAM的位尋址區(qū)設(shè)置的兩個標志位，
標志1為去抖動標志位，標志2為識別完按鍵的標志位。初始化時將這兩個標志位設(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，將標志1和標志2置0后返回；若有鍵閉合，先檢查標志1，當標志1為0時，說明還未進行去抖動處理，此時置位標志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，相當于延時了10 ms，因此，程序無須再延時。
下次中斷時，因標志1為1，CPU再檢查標志2，如標志2為0說明還未進行按鍵的識別處理，這時，CPU先置位標志2，然后進行按鍵識別處理，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。當按鍵釋放后，在下一次中斷服務(wù)程序中，標志1和標志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 ；鍵號進行保護
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
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