太陽能自動跟蹤裝置的設計_畢業論文設計任務書(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的算法，涉及到赤緯角和時角的大致有二種算法：算法 l，采用中國國家氣象局氣象輻 射觀測方法；算法 2，采用世界氣象組織氣象和觀測方法。由此可以看出，該種跟蹤方案不論采取何種算法，算法過程都十分復雜，計算量的增 大會增加控制系統的成本。而且這種跟蹤裝置為開環系統，無角度反饋值做比較，因而為了達到高精度跟蹤的要求，不僅對機械結構的加工水平有較嚴格的要求，而且與儀器的安裝是否正確關系極為密切。工程生產中必須要求機械結構加工精度足夠高。初始化安裝時，儀器的中心南北線與觀測點的地理南北線要求重合。同時，還要通過儀器底部的水平準直儀將底面調節到與地面保持水平，使儀器的高度角零點處于地面水平面內。 (2) 光電跟蹤 傳統的光電跟蹤是采用一級傳感器跟蹤方式，這種跟蹤系統，原則上由三大部件組成：位置檢測器、控制組件、跟蹤頭。位置檢測器主要由性能經過挑選的光敏傳感器組成，如四象限光電池、光敏電阻等。控制組件主要接受從位置檢測器來的微弱信號，經放大后送到跟蹤頭，跟蹤頭實為跟蹤裝置的執行元件。 (3) 視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合 由上述討論可知，開環的程序跟蹤存在許多局限性，主要是在開始運行前需要精確定位，出現誤差后不能自動調整等。因此使用程序跟蹤方法時，需要定期的人為調整跟 蹤裝煙臺 大學文經學院畢業設計 6 置的方向。而傳感器跟蹤也存在響應慢、精度差、穩定性差、某些情況下出現錯誤跟蹤等缺點。特別是多云天氣會試圖跟蹤云層邊緣的亮點，電機往復運行，造成了能源的浪 費和部件的額外磨損。如果兩者結合，各取其長處，可以獲得較滿意的跟蹤結果。在視日運動軌跡跟蹤的基礎上加兩個高精度角度傳感器。當跟蹤裝置開始運行時，用兩片高精度角度傳感器初始定位，在運行當中，以程序控制為主，角度傳感器瞬時測量作反饋，對程序進行累積誤差修正。這樣能在任何氣候條件下使聚光器得到穩定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方案跟蹤精度高，工作過程穩定，應用于 目前許多大型太陽能發電裝置。但計算過程十分復雜，高精度角度傳感器成本也很高，對于需要降低成本的小型太陽能利用裝置來講，該種跟蹤方式并不十分適用。 本設計選用光敏電阻光強比較法，光敏器件選為光敏電阻。利用光敏電阻在光照時阻值發生變化的原理，將四個完全相同的光敏電阻 4分別放置于一塊電池板的四個邊界處，每兩個相對，如圖 所示。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時，其中每相對兩個光敏電阻接收到的光強度相同，所以它們的阻值相同，此時電動機不轉動。當太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時，接收光強多的光敏電阻阻 值減少，接收光強少的光敏電阻阻值增大，這樣就產生了差值，從而通過控制部分驅動電動機轉動，直至相對兩個光敏電阻上的光照強度相同，稱為光敏電阻光強比較法。 圖 光敏電阻位置 總體結構 如圖 所示，機構結構：步進電機 1 固定在底座上，步進電機 1 的輸出軸連接小齒輪 ，小齒輪與大齒輪嚙合。齒輪連接著主軸上，主軸安裝在底座上 (主軸相對于底座可以轉動 )，步進電機 2 安裝在主軸上端的一塊托盤上，步進電機 2 的輸出軸通過聯軸器直煙臺 大學文經學院畢業設計 7 接與滾珠絲杠副相連接， 滾珠絲杠副兩端由軸承支承。絲杠上的滑塊與支承桿相連，連接到太陽能板，太陽能板一端固定在托盤上，托盤焊接安裝在主軸上 [10]。 機構實現自動跟蹤的原理：當太陽光線發生偏離時。控制部分發出控制信號驅動步進電機 1 帶動小齒輪轉動，小齒輪帶動大齒輪和主軸轉動；同時控制信號驅動步進電機 2帶動滾珠絲桿轉動，滑塊的左右移動通過支承桿帶動太陽能板轉動，通過步進電機 步進電機 2 的共同工作實現對太陽方位角和高度角的跟蹤。 圖 總體結構圖 煙臺 大學文經學院畢業設計 8 第 3 章 機械部分的設計 齒輪的選擇 材料選擇 選用直齒圓柱齒輪傳動 [11]。太陽能自動旋轉裝置為一般工作機器，速度不高，故選用 7 級精度（ GB 10095— 88）。小齒輪的材料選用 40Cr（調質），硬度為 280HBS，大齒輪的材料選用 45 鋼（調質），硬度為 240HBS。 尺寸計算 選小齒輪齒數 Z1=24，大齒輪齒數 Z2= 24=，取 Z2=77。 d1： d1=179。√ {KT1 (u＋－ 1) Ze178。}/(?d u [σh]) (31) (1) 根據公式及查表確定各計算數值： 1) 試選公式載荷系數 Kt=。 2) 設輸入功率大約為 P1=10KW，小齒輪轉速 n1=960r/min，所以小齒輪傳遞的轉矩 T1=100000P1/n1N mm=99480N mm。 3) 選取齒寬系數 ?d=1。 4) 材料的彈性影響系 Ze=185。/178。 5) 小齒輪的接觸疲勞強度極限 σhlim1=600MPa，大齒輪的接觸疲勞強度極限σhlim2=550MPa。 6) 應 力 循 環 次 數 N1=60n1jLh=609601( 2830015)=10179。 179。，N2=N1/=10179。 179。 7) 取接觸疲勞壽命系數 Khn1=。Khn2=。 8) 計算接觸疲勞許用應力：取失效概率為 1%，安全系數 S=1，可得： [σh]1=(Khn1σhlim1) /S=600MPa=540MPa； [σh]2=(Khn2σhlim2) /S=550MPa=522,5MPa。 (2) 計算 1) 試算小齒輪分度圓直徑 d1t，代入 [σh]中較小的值得： d1t=179。√ {KtT1 (u＋－ 1) Ze178。}/(?d u [σh]) = 。 2) 計算圓周速度 v。 V=(πd1tn1)/601000=。 3) 計算齒寬 b。 b= ?dd1t=1=。 4) 計算齒寬和齒高之比 b/h。 模數 mt=d1t/z1= 齒高 h=== b/h=煙臺 大學文經學院畢業設計 9 5) 計算載荷系數。 根據 v=， 7 級精度，可得動載系數 Kt=； 直齒輪， Khα=Kfα=1； 使用系數 Ka=1； Khβ=。 由 b/h=， Khβ= 得 Kfβ=；故載荷系數 K=KaKvKhαKhβ=11= 6) 按實際的載荷系數校正所得的分度圓直徑為： d1=d1t179。√175。K/Kt175。=179。√175。175。175。= 7)計算模數 m m=d1/z1= m： m=179。√ (2KT1YfaYsa)/(?dz1178。 [σf]) (32) (1) 確定公式內的各計算數值 1) 小齒輪的彎曲疲勞強度極限 σfe1=500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限σfe2=380MPa。 2) 彎曲疲勞壽命系數 Kfn1=， Kfn2=； 3) 計算彎曲疲勞許用應力。 取彎曲疲勞安全系數 S= 得： [σf]1=(Kfn1σfe1)/S=500/= [σf]2=(Kfn2σfe2)/S=380/= 4) 計算載荷系數 K。 K=KaKvKfαKfβ=11= 5) 取齒形系數。 Yfa1=； Yfa2=。 6) 取應力校正系數。 Ysa1=； 。 7) 計算大、小齒輪的 YfaYsa/[σf]并加以比較。 Yfa1Ysa1/[σf]1= Yfa2Ysa2/[σf]2=可知大齒輪的數值大。 (2) 設計計算 m= 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數 m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數 m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關，可取由彎曲強度算得的模數 并就近圓整為標準值 m=，按接觸強度算得的分度圓直徑 d1=，算出小齒輪齒數 z1=d1/m=≈28 大齒輪齒數 z2=28=，取 z2=90。 這樣設計的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，煙臺 大學文經學院畢業設計 10 并做到結構緊湊，避免浪費。 (1) 計算分度圓直徑 d1=z1m=28=70mm d2=z2m=90=225mm (2) 計算中心距 a=(d1+d2)/2=(70+225)/2mm= (3) 計算齒輪寬度 b=?dd1=170mm=70mm 取 B2=70mm， B1=75mm。 滾珠絲杠副的選擇 滾珠絲杠副是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動 轉化為回轉運動的理想的產品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。如圖 所示，它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發展，這項發展的重要意義就是將軸承從滑動動作變成滾動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業設備和精密 儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 圖 滾珠絲杠副 滾珠絲杠副常用的循環方式有兩種：外循環和內循環。滾珠在循環過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環；始終與絲杠保持接觸的稱為內循環。滾珠每一個循環閉路稱為列，公稱直經 煙臺 大學文經學院畢業設計 11 每個滾珠循環閉路內所含導程數稱為圈數。內循環滾珠絲杠副的每個螺母有 2 列、 3 列、4列、 5 列等幾種，每列只有一圈；外循環每列有 圈、 圈和 圈等幾種。 外循環：外循環是滾珠在循環過程結束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環。外循環滾珠絲杠螺母副按滾珠循環時的返回方式主要有端蓋式、插管式和螺旋槽式。外循環滾珠絲杠外循環結構和 制造工藝簡單，使用廣泛。其缺點是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾道的平穩性。 內循環：內循環均采用反向器實現滾珠循環，反向器有兩種類型：圓柱凸鍵反向器，它的圓柱部分嵌入螺母內，端部開有反向槽，反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵定位，以保證對準螺紋滾道方向。扁圓鑲塊反向器，反向器為一般圓頭平鍵鑲塊，鑲塊嵌入螺母的切槽中，其端部開有反向槽，用鑲塊的外輪廓定位。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的外輪廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。 滾珠絲杠副具有以下優 點： 與滑動絲杠副相比驅動力矩為 1/3。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動 ,所以能得到較高的運動效率，與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到 1/3 以下 ,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的 1/3，在省電方面很有幫助。 高精度的保證。滾珠絲杠副是用世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環境方面 ,對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。 微進給可能。滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動 ,所以啟動力矩極小 ,不會出現滑動 運動那樣的爬行現象 ,能保證實現精確的微進給。 無側隙、剛性高。滾珠絲杠副可以加予壓 ,由于予壓力可使軸向間隙達到負值 ,進而得到較高的剛性 (滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力 ,在實際用于機械裝置等時 ,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強 )。 高速進給可能。滾珠絲杠由于運動效率高、發熱小、所以可實現高速進給運動。 材料選擇 由于絲杠必須具有高耐磨性、高熱硬性及足夠韌性的要求，所以，選擇刃具鋼，其中低合金 工具鋼由于合金元素的加入，更適合制造絲杠，所以選擇 T20xx1（ CrWMn） [12]。 滾珠絲杠副結構的選擇 根據防塵、可以防護條件以及對調隙及預緊的要求，可以選擇適當的結構形式。例如，當允許有間隙存在時（如垂直運動）可選用具有單圓弧形螺紋軌道的單螺母滾珠絲杠副；