双跨柔性转子实验装置设计.docx

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双跨柔性转子实验装置设计

摘要

当今社会，机械工业是一个国家的重要产业，机械工业的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开机械工业的发展。

在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。

在新的市场需求的推动下，对双跨柔性转子实验装置进行改良和优化是当务之急。

有大型双跨柔性转子实验装置生产设备企业对设备的安全指标的有着一定生产的严格要求。

在生产设备的企业，充分考虑到在设备运行中可能出现的问题，从而减少噪声污染引起的振动或不当操作设备的现象等。

国内双跨柔性转子实验装置的研发及制造要与全球号召的高效经济、安全稳定主题保持一致。

双跨柔性转子实验装置的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。

本次设计是关于双跨柔性转子实验装置结构的设计，通过对传统的双跨柔性转子实验装置结构进行了改进和优化，使得此种类型的双跨柔性转子实验装置结构的使用范围更广泛，更加灵活，并且对今后的选型设计工作有一定的参考价值。

关键词：

双跨柔性转子实验装置；结构；效率；参考

absraote

The inverted pendulum is a typical high order system, with multi- variable, non-linear, 

strong-coupling, fleet and absolutely instable. It is representative as an ideal model to prove new control theory and techniques. During the control process, pendulum can effectively reflect many key problems such as equanimity, robust, follow-up and track, therefore.This paper studies a control method of double inverted pendulum . First of all, the mathematical model of the double inverted pendulum is established, then make a control design to double inverted pendulum on the mathematical model, and determine the system performance index weight matrix ,  by using genetic algorithm in order to attain the system state feedback control matrix. Finally, the simulation of the system is made by. After several test matrix  value the results are not satisfactory response, then we optimize  matrix by using Genetic Algorithm. Simulation results show:

 The system response can meet the design requirements effectively after Genetic Algorithm optimization. 

Smalltwistedpaperbrokenmachineforordinaryhome,notonlycanbeusedformincedmeat,canalsobeusedwithcrushedpeanuts,crushedice,spicesandotherfood,smallpowerrequirements,poweredbythemotordrive,reasonablestructuredesign,canmeetthefamilykitchengenerallymeatfoodconsistingmainlyofmincedrequired.

Keyword:

pneumaticmanipulator；cylinder；pneumaticloop；Fourdegreesoffreedom.

目录

摘要2

Abstract2

第一章引言2

1.1课题的研究背景和意义2

1.2双跨柔性转子实验装置的国内外研究概况2

1.3双跨柔性转子实验装置的工作原理2

第二章双跨柔性转子实验装置的总体设计2

2.1双跨柔性转子实验装置的方案布局图2

2.2数据采集与信号分析系统的设计2

2.3该实验装置的实验步骤2

第三章双跨柔性转子实验装置设计2

3.1直流电机的工作原理及选型计算2

3.1.1直流电机的工作原理2

3.1.2直流电机的选型计算2

3.2圆盘的工作原理及作用2

3.2.1圆盘的工作原理2

3.2.2圆盘的作用2

3.3轴承的选择计算2

3.4转动轴的选择计算2

第四章双跨柔性转子实验装置的三维建模2

4.1轴承座的三维建模2

4.2台体的三维建模2

4.3双跨柔性转子实验装置的三维建模2

第五章三维软件设计总结2

结论28

致谢29

参考文献2

第一章引言

1.1课题的研究背景和意义

由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少的。

但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。

封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。

因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。

人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。

机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。

在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。

机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。

现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。

人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。

电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。

这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。

人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。

又一方面实践促进人脑智力。

在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。

大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。

在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。

相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。

在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。

在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专业，有分支机构。

在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到的峰值。

由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。

但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。

封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。

因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。

人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。

综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。

从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。

综合和专业水平。

有机械工程全面而专业的冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。

在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。

1.2双跨柔性转子实验装置的国内外研究概况

早在60年代人们就开始了对双跨柔性转子实验装置的研究，1966年Schaefer和Cannon应用Bang-Bang控制理论，将一个曲轴稳定于倒立位置。

在60年代后期，作为一个典型的不稳定、严重非线性证例提出了双跨柔性转子实验装置的概念，并用其检验控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的控制能力，受到世界各国许多科学家的重视，从而用不同的控制方法控制不同类型的双跨柔性转子实验装置，成为具有挑战性的课题之一。

1975年采用最优控制和状态重构完成对一级双跨柔性转子实验装置的稳定控制，1978年采用微机处理实现了二级双跨柔性转子实验装置的控制，1983年实现了双电机三级双跨柔性转子实验装置的稳定控制，国内虽然从80年代才开始对双跨柔性转子实验装置进行研究，但成效颇丰，1982年西安交通大学采用最优控制和降维观测器完成二级双跨柔性转子实验装置的研究和控制，1983年国防科技大学完 成一级双跨柔性转子实验装置的研究控制，1988年徐红兵等采用模糊神经网络控制算法实现二级双跨柔性转子实验装置的稳定性控制，1995张明廉等应用智能控制理论完成三级双跨柔性转子实验装置的研究控制，2001年9月北京师范大学李洪兴教授领导的复杂系统实时智能控制实验室采用变论域自适应模糊控制成功地实现了三级双跨柔性转子实验装置实物系统控制，又于 2002年8月在国际上首次成功实现了四级双跨柔性转子实验装置控制系统。

1.3双跨柔性转子实验装置的工作原理

柔性转子临界转速试验台主要是为了完成转子系统临界转速测量、轴心轨迹测量和油膜涡动实验。

转子在某些转速或其附近运转时，将引起剧烈的横向弯曲振动，甚至会造成转轴和轴承的破坏，而当转速在这些转速的一定范围之外时，运转趋于平稳，这些引起剧烈振动的特定转速称为该转子的临界转速。

柔性转子临界转速的测定装置主要包括模拟实验台和数据采集与信号分析系统两部分。

模拟实验台主要是由电机，转子和支撑，转子由等直径轴和若干转盘组成，转盘在轴上的位置可以改变，转轴的直径为，转盘分为两种规格，转子转速的变化通过串激电机改变电压实现的。

数据采集与信号分析系统主要是模拟台调速器，前置适配器GDZZ_150，两个非接触涡流式位移传感器，光电转速传感器，信号调理器和数据采集接口箱AZ016G组成。

第二章双跨柔性转子实验装置的总体设计

2.1双跨柔性转子实验装置的方案布局图

本次设计的题目是双跨柔性转子实验装置的设计，实验台由电机、两根轴、轴承、质量盘等等组成，其据图方案布局图如下：

2.2数据采集与信号分析系统的设计

本实验将采用振动及动态信号采集分析系统CRASV6.1中的旋转机械振动状态监测和分析软件包VmCras实现数据采集与处理。

测定柔性转子的临界转速，可以通过旋转机械振动状态监测和分析软件VmCras所测得的轴心轨迹图或波特图得出。

通过将两个涡流传感器分别置于轴某一截面相互垂直的两个方向上，把两个方向上的振动信号分别输入信号分析仪的X轴和Y轴，由此测得转子的涡动运动，这种涡动运动的轨迹称为轴心轨迹。

转子的轴心轨迹一般近似为椭圆，当转子通过临界转速时，椭圆迅速变大，椭圆轴线方向迅速改变；通过临界转速后，椭圆又缩小。

波特图反映了转子振幅和相位随转速变化的关系，如图2所示。

由波特图可以看出，转子通过临界转速时，振幅迅速变大，相位迅速改变；通过临界转速后振幅迅速变小。

2.3该实验装置的实验步骤

该实验装置的具体实验步骤为：

1、实验前查阅柔性转子临界转速的相关资料，预习实验指导书中相关内容，对柔性转子的临界转速有初步的了解。

2、熟悉实验所用设备和仪器，按照实验指导书中相关介绍连线组建实验系统，接线要认真仔细。

接线完成后，对照实验指导书检查线路是否正确，在此期间不得开启电源。

3、移开实验台上两个转子的支撑件，检查轴、转子及轴承是否良好。

实验前为保证轴承正常工作，需要在螺钉孔滴入适量润滑油。

4、打开数据采集接口箱、前置适配器、信号调理器电源，检查各设备是否正常工作，预热十分钟。

5、开启微机，运行CRASV6.1软件，进入振动及动态信号采集分析系统界面，点击旋转机械振动监示及诊断软件包VmCras，进入临界转速实验子系统。

第三章双跨柔性转子实验装置设计

3.1直流电机的工作原理及选型计算

3.1.1直流电机的工作原理

在此次的双跨柔性转子实验装置的结构设计中，我们采用直流电机驱动，并且直流电机也是一种最常用的电机，在各行各业中得到广泛的使用。

直流电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。

所以直流电动机又称两个电动机。

直流电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小个特点。

目前应用较多的转子结构有两种形式：

一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

直流电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。

当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，电动机将反转。

3.1.2直流电机的选型计算

已知整个双跨柔性转子实验装置的结构中，电机所受到的负载来自通过转动轴上各个零件的重力，圆盘的转动惯量以及各方面的摩擦力，在这里，我们取总重量为10Kg，转动速度为1~2r/min。

即：

根据本次设计由于为了该机构的方便使用，我们选择直流电机驱动，直流电机的型号是92BL-A类型的。

具体的电机设计计算如下：

1）直流电机设计计算

1、确定运行时间

本次设计加速时间

负载速度（m/min）

有速度可知每秒移动50mm，

2.电机转速

3.负载转矩

式中：

TL为电机的额定转矩；

为摩擦系数;

PB为电机的机械效率;

4.负载惯量

左右水平运动

电机的负载惯量为：

总惯量为：

5.电机转矩

启动转矩

必须转矩

；

S为安全系数，这里取1.0

根据以上得出数据，我们选用直流电机型号为92BL-A，采用直流电源驱动，根据电机的特性曲线以及参数表如下：

根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用直流电机的具体型号为92BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.3KW，额定转矩为1.3N.m，最大转矩为2.6N.m，额定转速为3000r/min。

3.2圆盘的工作原理及作用

3.2.1圆盘的工作原理

圆盘，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

这是目前应用最多的传感器，圆盘是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于圆盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90旱牧铰仿龀逍藕拧，根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。

根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

1.1增量式编码器

 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差为每转一个脉冲，用于基准点定位。

它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。

其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

1.2绝对式编码器

绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。

这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。

显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。

目前国内已有16位的绝对编码器产品。

绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。

绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。

编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。

它的特点是：

1.可以直接读出角度坐标的绝对值；

2.没有累积误差；

3.电源切除后位置信息不会丢失。

但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。

3.2.2圆盘的作用

测量角位移的数字编码器。

它具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优点，是测量轴转角位置的一种最常用的位移传感器。

码盘分为绝对式编码器和增量编码器两种，前者能直接给出与角位置相对应的数字码；后者利用计算系统将旋转码盘产生的脉冲增量针对某个基准数进行加减以求得角位移。

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由码盘（光栅盘）和光电检测装置组成。

码盘（光栅盘）是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于圆盘与电动机同轴，电动机旋转时，码盘（光栅盘）与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。

3.3轴承的选择计算

根据根据条件，轴承预计寿命16×365×8=48720小时；

（1）已知nⅡ=458.2r/min 两轴承径向反力：

FR1=FR2=500.2N；

初先两轴承为深沟球轴承6205型。

根据课本P265（11-12）得轴承内部轴向力FS=0.63FR则FS1=FS2=0.63FR1=315.1N；

（2）∵FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端

FA1=FS1=315.1N   FA2=FS2=315.1N；

（3）计算当量载荷

P1、P2根据课本P263表（11-9）取f P=1.5;根据课本P262（11-6）式得

P1=fP（x1FR1+y1FA1）=1.5×（1×500.2+0）=750.3N； 

P2=fp（x2FR1+y2FA2）=1.5×（1×500.2+0）=750.3N； 

（4）轴承寿命计算

∵P1=P2故取P=750.3N； 

∵深沟球轴承ε=3； 

3.4转动轴的选择计算

轴是组成机械的重要零件之一，它是安装各种传动零件，使之绕其轴线转动传动转矩或回转运动，并通过轴承与机座相联接。

轴与其上的零件组成一个组合体—轴系部件，在轴的设计中不能只考虑轴本身，必须和轴系零、不见的整个结构密切联系起来。

由于振动输送所用的轴即传递扭矩又承受弯矩，所以我所设计的阶梯轴为转轴，由于小带轮已经设计好，大带轮的尺寸也就定了，只剩下轴径的确定，轴的初步设计是根据扭转强度，校核弯曲强度，由于轴的材料很多，主要根据轴的使用条件，对轴的强度、刚度、和其他机械性能等的要求，采用热处理方式，同时考虑制造加工工艺并力求经济合理，通过设计计算来选择轴的材料，选用最常见的45#钢作为轴的材料,且其需用切应力为40MPa

轴与其上的零件组合成一个组合体，在轴的设计中不能只考虑轴本身，必须和轴系零部件的整个结构密切联系起来。

轴的结构设计是在初算轴径的基础上进行的。

为满足轴上零件的定位、紧固要求和便于轴的加工和轴上零件的装拆，通常将轴设计成阶梯轴。

轴的结构设计的任务是合理确定阶梯轴的形状和全部结构尺寸。

轴的材料选用45号钢，为保证其力学性能，进行调质或正火处理。

1、初步计算轴的直径

按照扭转强度估算轴的最小直径，写成设计公式，轴的最小直径

mm，查表16.2，c=112,p=20.35,n=851,代入设计公式得

=32.26mm。

考虑到轴上有键槽以及其他因素的影响，应适当增加轴径以补偿键槽对轴强度的削弱。

取轴的直径d为40mm，即最右端装带轮处的直径为40mm。

装有密封元件和滚动轴承处的直径，应与密封元件和轴承的内孔径尺寸保持一致。

轴上两个支点的轴承，应尽量采用相同的型号，便于轴承座孔的加工。

相临轴段的直径不同形成轴肩。

当轴肩用于轴上零件定位和承受轴向力时，应具有一定的高度，轴肩处的直径差一般取5—10mm，这里轴肩出的直径差选择5mm，然后协调各段轴的长度，考虑到要装轴承座和机构的合理性，还有螺钉等的长度及其他各方面的因素，初步确定轴的各段长度。

轴的强度计算一般可分为三种：

1）按扭转强度或刚度计算；

2）按弯扭合成强度计算；

3）精确强度校核计算。

当轴的支撑位置和轴所受的载荷大小、方向、作用点及载荷种类均已确定，支撑反力及弯矩可求得时，可按照弯曲或者弯扭合成强度进行轴的强度计算。

作用在轴上的载荷一般按集中载荷考虑，如本设计中的带传动对轴的力，其作用点取在轮缘宽度的中点。

计算时，通常把轴当作置于铰链支座上的双支点梁，一般轴的支点近似取为轴承宽度中点。

由于本设计所用轴主要是受弯曲强度，很少的扭转强度，是根据扭转强度设计，应校核轴的弯曲强度，首先分析轴的受力，左端受的是圆锥筛的重力，右端是带轮对轴的力，中间是轴承座的两个支撑力。

左端的作用力包括筛自身的重力、物料的重力、物料旋转产生的离心力。

所以考虑圆锥筛对轴产生作用力时，仅是一个经验数据。

在这里，假设圆锥筛为实心，对轴的作用力取其重力的

。

筛的材料为不锈钢，密度是

=7.38㎏/,锥筛大端直径为D=

，小端直径是d=360

，H=1140

，h=510

，所以锥筛的体积

即

0.2

;

所以,筛的重力约为

故取G=

=3846.5N。

轴径是按扭转强度初步设计的，所以要校核轴的弯曲强度，轴的强度校核也就是找出危险截面，看危险截面是否满足轴径条件，如果危险截面满足，那么别的轴径肯定满足；根据轴的实际尺寸，承受的弯矩、扭矩图考虑应力集中，表面状态，尺寸影响等因素，及轴材料的疲劳极限，计算危险截面的情况是否满足条件。

我