太阳系运动模型结构与控制系统的研发（可编辑）

太阳系运动模型结构与控制系统的研发（可编辑） 太阳系运动模型结构与控制系统的研发 分类号 学号 M201070511学校代码10487 密 级硕士学位论文 太阳系运动模型结构与控制系统的研发 学位申请人 : 秦 龙 学 科 专 业: 机械工程 指 导 教 师: 严思杰 副教授答 辩 日 期: 2012年 05月 19日华中科技 大学硕士学位论文 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Research on the structure and control system ofsolar system Candidate : Qin Long Major : Mechanical Engineering Supervisor : Vice Prof. Yan Sijie HuaZhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430074, P. R. China May, 2012 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的 研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其它个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体, 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密?,在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“?”) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年月 日华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的快速发展,现代科技馆作为其产物也必定要面临着自主创新与突 破,而展品 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 作为科技馆的关键,是以传播科学知识和培养科学兴趣为目的的。本 文研究设计了太阳系模型展品,向观众演示太阳系运动规律,激发观众的科学思维。 研究课题主要内容如下: 1、详细分析了太阳系运动模型的功能需求,确定模型的总体机械结构 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和“工 控机+运动控制卡+伺服电机”伺服半闭环控制系统的总体控制方案; 2、阐述了太阳系模型的机械结构方案设计。并详细介绍了三大大结构模块的设 计,包括八大行星模型公转和自转部分、太阳模型自转与发光部分和月亮绕地球公转 部分的机械结构部分,然后,简要说明了模型盖板和安装座的结构设计; 3、设计研究了太阳系模型控制系统的硬件系统。提出了以研华 PCI-1240U运动控 制卡为控制核心的控制系统,详细叙述了控制系统的各个子系统的设计,包括控制卡 单元系统、电源系统、传感系统、伺服电机和直流减速电机系统。最后给出了电器柜 的设计和电器元件的布置安排; 4、完成了模型控制系统软件的设计。根据展品模型界面需求,详细分析了控 制系 统的总体控制思想,并提出了各个交互界面的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 。 该展品是承接湖南省科技馆的重要展品,已经展出近一年,结果表明,其运行 稳 定可靠,结构简单美观,便于维护保养,并由人机交互观众可欣赏特定日期天 象、特 殊天象和公转演示等运动规律,符合现代科学技术馆的主题。 关键词:太阳系运动模型日心说 特殊天象八星连珠人机交互界面 I 华中科技大学硕士学位论文 Abstract With the rapid development of science and technology, modern science and technology, as its product, is bound to be faced with self-innovation and self-breakthrough. Exhibits design, to convey scientific knowledge and stimulate scientific enthusiasm, is the central part of the science and technology. A solar moving model system was designed,which is to demonstrate the movement rules of the solar system, and inspire the scientific thinking of audience. This thesis mainly covers the following research work: The functional requirements of the solar system were analyzed in detail; the system structural module was established; and the control scheme was chosen, that is “industrial PC, movement control cards combined with servo motors”The mechanical structure frame design was developed. The main module design is: the revolutions and rotations of eight planets, emitting light and rotation of the sun, the revolution of the moon around the earth. Then the covering board and support structure were briefly introduced The hardware design of the solar control system was researched. The core of the control system based on PCI-1240U was proposed. All subsystems, consist of control cards unit, power, sensing, servo motor and DC geared motor, were elaborately presented. At last, the electrical control cabinet design and electrical components location arrangement were givenThe software design of the solar system was carried out. According to the requirement of the exhibits model HMI, overall control concept of the control system was in-depth described, and the design scheme of each human interface was put forwardThis exhibits model, as the important one of Hunan Science and Technology Museum, has run nearly one year. The result shows, the solar system model possesses the outstanding performance such as stable and reliable operation, simple and beautiful structure and easy maintenance. Though HMI, movement rules, such as special astronomical phenomena, the astronomical phenomenon in any certain date, and the revolution of the solar system, can be appreciated, and the model meets the subject of science and technology museum, extremelyKeywords:Solar moving model system; Heliocentric theory; Special astronomical phenom- ena; Eight planets in a line; HMI II 华中科技大学硕士学位论文 目 录 摘要 I AbstractII 1 绪 论 1.1 课题来源..1 1.2 课题研究的目的及意义1 1.3 国内外科技馆及其展品的发展2 1.4 本课题研究的主要内容3 2 太阳系运动模型的整体方案设计 2.1 展项的科学原理及展项目标.5 2.2 展项模型的设计原则.5 2.3 太阳系展项模型的特点6 2.4 太阳系展项模型的功能分析和技术指标7 2.5 展项模型的总体方案选择..8 2.6 数控技术概述. 11 2.7 本章小结 12 3 太阳系运动模型的整体机械结构设计 3.1 八大行星模型公转和自转部分设计14 3.2 太阳模型自转与发光部分设计 17 3.3 月亮绕地球公转部分设计18 3.4 行星模型公转内齿轮盘设计与齿轮校核19 3.5 盖板的设计. 23 3.6 安装座的设计 24 3.7 模型的现场展出效果 25 III 华中科技大学硕士学位论文 3.8 本章小结. 25 4太阳系运动模型控制系统硬件设计 4.1 控制系统总体介绍26 4.2 模型控制系统上位机. 27 4.3 运动控制卡27 4.4 控制系统电源. 31 4.5 控制系统传感系统 32 4.6 伺服电机和直流减速电机33 4.7 控制系统电气控制柜. 38 4.9 本章小结41 5 太阳系运动模型控制系统软件开发 5.1 系统软件总体设计42 5.2 Access数据库设计45 5.3 程序的设计与实现48 5.5 本章小结53 6 总结与展望 6.1 总结. 54 6.2展望. 55 致 谢 56 参考文献57 附录 攻读学位期间发表学术论文目录 60 IV 华中科技大学硕士学位论文 1 绪 论 1.1 课题来源 该研究课题是湖南科技馆的委托项目,是该科技馆的核心展品之一。展品名称为 “太阳系”。该课题的主要目的是,运用日心说原理研究设计太阳系的运动模型,引导 观众参与科学与工程项目活动,最后,达到传播科学知识,培养科学人才的目的;主 要内容有,太阳系运动模型的总体方案设计、机械结构设计和控制系统的软硬件设 计。 1.2 课题研究的目的及意义 目的:由于我国科学技术水平的不断发展,使得科技馆必定成为科技、经济与社 会发展到一定阶段的产物;它是科技进步的象征,是人类的文明精华展示场所,是文 化教育事业的重要组成部分之一;而日心说的研究发现,是科学概念和实验研究方法 [1] 的里程碑 ,通过这一学说的确立,促进了思想进步和自然科学的发展,以及科学研究 环境的改善和许多数学、物理、天文学等自然科学理论的发现、创立和发展;这些都 [2] 促进了科学实验的进步,加速了生产力发展,带来了第一次工业革命 。尽管在改革开 放以来,我国经济社会的快速发展为科技馆建设提供了很好的经济基础,科技馆内的 展品得到不断更新,发生了质的变化,但是我国科技馆的质量和发达国家或地区相比 [3] 存在较大的差距 ,主要表现在人多馆少,展品陈旧、内容简单、形式内容呆板、缺乏 新意,缺乏能够深入浅出的介绍科学的吸引民众的手段,不能实现满足人们对科学技 [4] 术普及,以及提高科学素养的需要 。 对于推进我国科技馆建设,根据我国科技馆现状和存在的问题,科技馆在展品设 计中应该突出解读和传播科学文化、科学精神、科学思想和创新思维,通过引导人们 [4] 动手,促进动脑,引导探寻科技的兴替,历史的兴衰 。 意义:本项目承接了科技馆太空馆的设计与展示工作,包括设定展区规划主题, 建立概念模型,最后设计出展项原型等。以日心说原理设计的太阳系科技馆 展品,向 观众演示太阳系运动规律;并特别地,演示出由于太阳系中八大行星绕太阳公转和月 亮绕地球公转,而形成的特殊天象等天文奇观,以求能够达到激起观众感官享受和理 智学习,激发观众的科学思维,培养其兴趣。该展品在太空馆中处于非常重要的地 1 华中科技大学硕士学位论文 位。 1.3 国内外科技馆及其展品的发展 科技馆作为博物馆的一个系列,是由自然博物馆、科技博物馆发展而来的,属于 综合性展馆,与传统的陈列式和不可动手操作的博物馆、天文馆以及水族馆等专业科 技馆不同,是科技进步的象征和人类文明的展示场所。通过引导观众参与的科技馆, 更能够加深观众对所看展品的印象,以及理解其科学原理。通过实践证明,这种观众 参与式的展示方式是科技馆得以发展的源泉与动力。 1.3.1 国外发展现状 科技博物馆最早出现在 19世纪以后,有代表性的是 1802年创建的法国工艺研究 院的技术博物馆、1857 年创建的英国科技博物馆和 1903 年建成的德意志博物馆;19 世纪初至 19世纪中叶,这些科技馆主要是收藏陈列实物,但是随着科技的发展,在 19 世纪末至 20世纪初,科技博物馆的展品得到不断更新,后来逐步让观众能够参与;第 一座新型科学技术博物馆是德意志博物馆,该馆通过借助发明科学家原始的仪器和机 械、模型等进行表演,通过展示自然科学技术的各分支学科的发展过程,使其可以被 不同文化层次的人都能够容易所理解,并且馆内的很多展品都是参与型的;20 世纪初 期至 20世纪中叶,在美国出现了创建科技馆的狂潮,而且在展品设计上,完全颠覆了 一般科技博物馆的展品陈列方式,几乎普遍采用了观众的参与原则,主要是通过讲解 和表演科学实验,和让观众自己操作其展品,来传播科学知识和技术;到了 20世纪 60 年代,科技博物馆发生了深刻的变化,一些发达国家产生了科技馆的机构;1969 年, 2 开放的加拿大安大略科学中心,建筑面积达 4.7万 m ,展品共计约 700 套;1933年, 出现了北美洲现代科技馆发展史上最早的典范,即芝加哥创建的规模宏大的科学与工 业博物馆,随后,很多大城市相继建立了科学技术馆,其中主要的有 30个,每年参观 这些博物馆的人数高达 2000万人次;美国科技馆实现了向人们普及科学技术新发展的 作用。很大部分的科技馆或科技中心,是在 1960年之后建成的,总体来看,全世界有 80%的科技馆分布在欧洲、北美洲一些经济发达、博物馆历史悠久的国家,科技馆西 [4] 欧有一定数量,美国相对多些,日本密度目前世界最大 。 西方科技馆,由于其经济发达,展品相对成熟,充分运用了当前的数字技术、虚 拟技术等科学,使其成为各年龄层次的观众学习科学知识,培养科学精神的科技场 所;目前国外科技馆相关展品有国外某公司的日心说软件控制模型,它创建了精确的 椭圆轨道模型,能够准确展示一万年以内的任何时刻的八大行星位置,并能够计算 2 华中科技大学硕士学位论文 出,很多卫星的位置坐标,更能够实时绘出准确位置的动态模拟图形,但是,它并不 能介绍并展示一些相关的特殊天象(八星连珠等),不能很好满足观众的好奇心,因此 [5] 只可作为科学研究使用 。 1.3.2 国内发展现状 我国最早出现科技馆是在 20世纪 80年代,主要功能是科普展览教育,中国科技 2 馆一期工程在 1984年开工,建筑面积近 2万 m ,于 1988年 9月竣工并向社会开放, 2 接着,进行了二期工程和三期工程,总面积高达 6万 m ;各省、市、自治区也大都创 建了一定规模的科技馆,一般省级科技馆年参观人数都在 10万人次;根据《中国科普 统计》,直到 2006年,其中有 300座(港澳台地区未统计在内)对外开放和建成的科 [4] 技馆 。 但是我国科技馆很多缺乏具有鲜明特色,不能适应现代科技、社会发展的需 求。 科普资源展品缺乏新意,陈旧落后,内容单一,形式死板,不注重动手操作,互动性 差,吸引力不够,而且后续更新慢,以致很难理解展品展出的科学意图,失去了科技 馆最根本的意义和作用。目前我国的科技馆相关展品有苏州市古代天文计时仪器研究 所的纯机械式模型,该展品虽然采用手动方式,八大行星采用比例运动,但是并不能 实时展示八大行星的运动规律,缺乏时间与行星位置相对应,不能实现很好的互动效 [4] 果 。 目前,也有很多新建的科技馆采用 3D或 4D电影形式来演示太阳系运动规律,采 用软件控制,将观众放置在太空中,让其感受行星相对位置和相对运动,感受太阳系 的构造和规律,这种展出形式并不能产生互动的效果,而且展览空间占用率大,消耗 和投资高。 1.4 本课题研究的主要内容 本文围绕着太阳系运动模型结构与控制系统的方案设计及具体实现进行了 详细的 论述,其主要内容包括以下几部分: (1)太阳系展品模型的整体方案设计 首先由科技馆展品的功能任务出发,确立太阳系运动模型的预期达到的要求和技 术指标,对其功能需求进行分解、分析,最终设计出“工控机+运动控制卡+伺服电 机”的整体方案。 (2)太阳系展品模型的整体机械结构设计 首先简要介绍模型的总体机械机构设计方案,然后详细介绍行星模型公转和自转 3 华中科技大学硕士学位论文 部分、太阳模型自转与发光部分和月球绕地球公转部分的机械结构设计。 (3)控制系统硬件的设计 硬件设计包括控制系统总体方案和各个子控制系统的确定,以及伺服电机及其配 套驱动器的选型,运动控制卡与伺服驱动器的接线,伺服驱动器与伺服电机的接线, 电气控制柜的设计和个性化人工界面的设计等。同时还介绍了传感器的安装和驱动器 参数的设置的内容,最后提出系统抗干扰的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。 (4)控制系统软件的设计 通过对功能需求进行详细分析,明确其控制对象,确立软件控制思路,系统采用 模块化编程思想。要求实现模型的功能要求,如公转演示、指定日期、特殊天象等, 具有清晰的设计思路和实现原理。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 太阳系运动模型的整体方案设计 根据该展馆主题和模式的要求,确定了该展品的展览思想和内容,主要有:能够 展示出太阳系八大行星自转和成比例公转演示,包括历史上任何一时刻的太阳系各行 星的位置,和各行星因不同公转周期而形成的特殊天象(如八星连珠、六星连珠等)。 2.1 展项的科学原理及展项目标 在科学史上,人类对太阳系内行星运动规律的发现与认识,对实验物理学和理论 物理学起着促进和发展的作用,并且为经典力学奠定了基础;在当时的古希腊,人被 认为是万物的中心,而地球被认为是宇宙的几何中心,并且所有星体都是围绕地球而 运动,这就是地心说;而在十六世纪,波兰天文学家哥白尼(N.Copernicus 1473- 1543),他认为以太阳为中心,包括地球在内的所有行星都是绕太阳的轨道运动,这就 是日心说;如果按照哥白尼的思想,以太阳为中心,行星轨道的排列顺序是,水星、 金星、地球、火星、木星和土星,而月球则是绕地球公转的卫星,后来经过伽利略、 开普勒和牛顿等人的进一步研究,研究出了行星运动的规律,最终确立了哥白尼的日 [6] 心地动说,而开普勒三定律的发现直接导致了牛顿万有引力定律的发现 。 开普勒三定律:(1)每一行星沿椭圆轨道绕太阳运行,太阳位于椭圆轨道的一个 r 焦点上;(2)行星运动时,太阳到行星的矢径 在相等的时间间隔内,扫过同样大小的 面积;(3)行星绕太阳公转周期T的平方正比于行星椭圆轨道半长轴 a的立方,且它们 [6] 3 2 的比值为一恒量,即 a T C 。 浑天仪又名球形天体观测仪是天体系统的模型,西方的浑天仪最早由埃拉托色尼 于公元前255年发明。我国古人很早就会制造这种仪器,浑天说的代表人物东汉天文学 家张衡于公元年115任太史令期间,发明制造出漏水转浑天仪,它可以用来直观、形象 [7] 地了解日、月、星辰的相互位置和运动规律 。 本展品运用开普勒定律制作的精美的太阳系比例模型。观众观察行星之间的相对 运动,并可通过按钮选择不同的天体现象进行观察。通过日心说模型的展示,让人们 了解人类宇宙观的发展,并了解开普勒定律的原理,以处在银河系第三人称的位置独 立和直观地观看浩瀚宇宙中太阳系的行星运动变化,帮助观众更好学习科学知识,理 解太阳系的原理与运动规律。 2.2 展项模型的设计原则 科技馆是从自然博物馆、科技博物馆发展而来的,当然,有很多在功能和性质上 5 华中科技大学硕士学位论文 他们之间有相互重叠。但是科技馆展品与其一般机械设备有很多不同之处,在展品展 示上要以科学性为原则,观众互动,强调可操作性和参与型,简单可靠,安全 至上, 维修方便,以科学的方式让观众能够在短时间内理解展品展示的意义和目的,通过人 [8] 机交互,更加深刻理解展品的思想和科学精神 。总有,充分考虑上述原则要求才可以 设计出符合科技馆主题的展品,才能保证展品具有启发性、趣味性、科技性和知识性 [9] 。 科技馆展品虽然精度比较低,功能较一般机床简单,但是其属于创意设计,创新 要求新颖。由于展品面对的是各种不同教育层次的人群,需要从观众的角度仔细思 考,牢牢把握观众互动性的思想,因此,在满足展出功能效果的要求,符合展区氛围 和思想目的前提下,尽量设计简单化,对每个创意深深挖掘,认真思考其结果和观众 的反馈结果,这样,运用最简单的成本达到展览的目的,甚至能够保证不太懂科学的 观众都能够参与进来,而不会因为科技含量较高而使观众望而却步;科技馆的展品设 计往往得结实耐用、经得起青少年反复“折腾”,而且保证观众期望的展品的演示结果 [10] 快速,而且能够保证连续不断 。 2.3 太阳系展项模型的特点 科技馆展品的主要任务是,以观众参与式方式,面向公众传播科学思想,培养科 学意识普及科学知识等。为了与科技馆的主题相呼应,而且考虑到展项美观、使用方 便、经济合理等要求而必须做到模型简化,太阳系运动模型展品具有如下特点: 1 为了更好展示太阳系运动的效果和增加趣味性,展项模型应具有手动和自动两 种模式。手动模式下,能够直观地观看因各大行星工作周期不同而形成的特殊天象 (如,八星连珠、六星连珠等)和人为选择的特定日期(1800年 1月 1日??2999年 12月 31日)的天象(如,生日当天天象等);自动模式(无人操作)时,可以观看太 阳系当天天象和太阳系各行星公转演示,和特殊天象; 2 可以将地球作为系统参考运转的行星,并将地球公转周期设置为 30s,然后查 找资料找出各行星公转周期数据,确定公转周期比例,这样便设置出其他行星公转的 速度,这样可以方便观众定性比较各行星的公转周期的大小; 3 展项模型的公转运动必是观众观看学习的核心部分。通过资料查得,八大行星 的自转周期悬殊,而且其自转运动影响因子小,为了方便起见,本设计采用只需手动 旋转开关控制各行星自转与否,并且自转演示无需按照实际比例转动。 6 华中科技大学硕士学位论文 2.4 太阳系展项模型的功能分析和技术指标 2.4.1 展项模型的功能需求分析 根据太阳系模型的展览要求及其特点分析可知,模型需要实现的功能如下: (1)八大行星围绕太阳的公转,需要八台伺服电机,并且在发出回零命令时, 电机能够控制八大行星回到初始位置; (2)八大行星和太阳的自转,需要八个直流减速电机来完成,电机转速不宜过 快,以方便观众能够用肉眼感受到其自转。并通过旋转按钮确定行星和太阳模型自转 与否; (3)个性化的人工界面。控制软件能够实现公转演示,特殊天象演示,以及特定 日期的展示,并能够实现加载动画和科普知识的说明等。此部分内容在软件设计部分 将详细阐述; (4)安全可靠功能。对于人身安全而言,必须在保证观众的人身安全;对于硬件 可靠性,由于展馆维护人员较少,操作频繁等,也必须保证该机电产品的可靠性要 求;对于电气可靠性,需采用屏蔽、隔离、接地、滤波等方法来减弱外部环境和该系 统的相互干扰;对于软件可靠性,对软件进行破坏性试验,以减少软件中的错误,保 持错误保障能力,错误识别能力以及软件系统对外界干扰的敏感性。 2.4.2 展项模型的各项性能指标 展项模型的技术性能指标主要如下: (1) 工业供电电压三相交流 380V,控制电路为直流 24V; (2) 展项总重量约 3000KG; (3) 机械部分总直径 3500mm,高 1400mm。 (4) 保证地球 30s公转一周,即假定地球公转周期为 30s。受机械零部件加工装 配精度限制,八行星公转周期即运动速度有以下限制:外围天王星和海王星公转轨道 移动速度不能超过 2r/min,木星土星公转轨道移动速度不能超过 5r/min,水星金星地球火 星公转轨道移动速度不能超过 20r/min。否则不仅产生难以忍受的噪声,严 重的还会引 起震荡或飞车,破坏闭环控制和自动增益,导致运动失常,损坏齿轮,电机和驱动 器。 (5) 伺服电机采用指令脉冲输入输出的位置控制模式; (6) 8个行星公转轨道是圆形,各轨道在同一平面上,且等距,与水平面形成 7?夹角; 7 华中科技大学硕士学位论文 (7) 可以演示出历史上特定时刻或时段的天象,诸如八星连珠、火星冲日、五 星连珠等; (8) 控制软件的操作系统平台为 Windows XP; (9) 噪声:机械正常运转周围噪声?85db 测试范围:外围栏外 1m范围。 2.5 展项模型的总体方案选择 总体方案主要由机械系统和控制系统组成,如今,数控技术广泛应用在机电一体 化中,具有高效、新型、灵活性很强、技术密集度和自动化程度很高等特点。最后, 提出了采用开放性数控系统来设计该太阳系模型系统,并且采用伺服半闭环控制系统 的控制框架: 1)机械系统:机械机构能够在首先要满足我们的展品主题和思想的功能要求 前提 下,同时满足结构简单、观众参与性强、使用方便、外形美观、经济合理、并且安全 [8] 可靠等各项要求,并尽量使得重量轻、体积小、能耗少、效率高 。该机械结构设计非 常紧凑,占地面积很小,尽量用最简单的机械结构来满足功能要求。机械系统作为整 个设备的躯体,没有机械系统的支持,根本就不可能存在机械系统上的控制功能。 2)控制系统:太阳系展品,作为动力机电设备,电气控制系统是该装置的重要组 成灵魂,其方案的优劣将会直接影响到整个装置的性能和表现,在保证系统安全可靠 和观众互动的同时,也要注重展品精确稳定、调试和维护方便。通过上位机软件发出 命令来控制机械系统执行机构的运动,执行机构的运动数据反馈给上位机,最终协调 各个执行元件运动,以满足加工要求。 2.5.1 太阳系展项模型的机械系统方案选择 机械系统作为整个设备的基础,巧妙的执行机构的设计可以简化控制过程的复杂 性,其结构的总体设计、布局和工艺过程紧密联系。机械系统的设计至少要保证其安 全可靠,不能出现结构之间干涉现象,甚至造成人身安全事故,在满足功能要求前提 下尽量设计简单。 本课题采用数控技术来完成设计,该结构是一种数控机械设备,用于展示太阳系 运动规律。其机械结构示意图,如图2-1所示。机械结构主要包括主体机械主体部分及 其辅助机构部分,其中主体部分主要包括伺服电机、齿轮、导向滚轮、行星自转部分 机构等;辅助机构部分主要包括外围装饰支架,如展台平台、木支座、电气保护盒 等。以太阳为中心,靠近太阳由近到远依次为水星、金星、地球(月亮)、火星、木 星、土星、天王星、海王星。各行星在自己的轨道上完成围绕太阳公转,公转的同时 8 华中科技大学硕士学位论文 行星能够自转。图 2-1 展项机械结构简图 2.5.2 太阳系展项模型的控制方案选择 目前,在工业自动化控制领域中,以单片机、IPC机和 PLC为控制核心的控制方 案得到广泛运用。基于单片机的控制系统设计简单、使用简单、成本低廉,广泛运用 于汽车、仪器仪表、医用设备、家用电器等行业,但是单片机在恶劣工作环境情况下 [11] 稳定性差,抗干扰性能差,故障率高,对环境依耐性强,开发周期长 。 PLC 在工业控制领域有了几十年的应用与发展,其抗干扰能力强,功能更加丰 富,使用更加方便,故障率低,易于设备的扩展,便于维护,开发周期短。PLC 结合 [8] 扩展模块,可以用于过程控制、顺序控制、运动控制、信息控制、远程控制等 ,广泛 适用于多点开关量的运动控制。而且,PLC 未来的发展方向将是一体化、多功能、开 [12-13] 放式 。 在数控系统的开发中,IPC 机与运动控制卡的控制方案得以广泛的应用,它的优 点有高稳定性、方便维护,容易扩充。如图 2-2所示,为 PLC和运动控制卡在数控系 统的运用。 9 华中科技大学硕士学位论文图 2-2 PLC和控制卡在数控系统的运用 而且相对于 PLC而言,控制卡能够实现连续运动的功能。如图 2-3,为控制卡在 数控系统的具体应用。 图 2-3 运动控制卡的工业运用 针对太阳系运动模型的功能需求分析,控制对象为:8个伺服电机,8个接近开关 (能够接受零位信号)、9 个直流减速电机等。其中需要对 8个伺服电机进行连续运动 控制。最后,选择“IPC 机+运动控制卡+伺服电机”的运动控制方案。运动控制卡的 型号初选:研华 PCI 1240U,它具有独立 4轴动作控制和实现指令脉冲输入输出的位置 控制模式功能。控制方案如图 2-4所示。 10 华中科技大学硕士学位论文 命命令令 命命令令 上上位位机机 运动控 运动控制制卡卡 伺服 伺服电机 电机 数据 数据 数据 数据 数数 据据 接近开 接近开关关图 2-4 太阳系展项控制方案 2.6 数控技术概述 2.6.1 数控技术简介 数控技术是利用数字控制方法对工作过程实现自动控制的技术。它作为一门边缘 科学技术,它综合了计算机、自动控制、电气传动、电机、测量、监控、机械制造等 学科领域的最新成果。如今,在机械制造领域中,数控技术是实现计算机集成制造、 柔性制造、工厂自动化的重要基础之一,已成为核心技术之一。随着数控技术的不断 发展和应用领域的扩大,在 IT、汽车、轻工、医疗等所需装备的数字化成为必然趋势 的重要行业的发展中,起着举足轻重的作用。 数控技术最早地应用于机床设备中,即机床数控技术,定义为“用数字化信息对 机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。”数控机床是一个装有程序控制系统的机 床,该机床能够按照机床规定的数字化代码,经过数控系统的逻辑处理与运算,发出 控制指令,完成要求的机械动作,自动完成零件的加工工作。数控技术是一种技术密 [14] 集、灵活度很强和自动化程度非常高的机电一体化加工设备 。 数控机床具有如下优点: 1)具有高度柔性、强灵活性; 2)加工精度高; 3)加工质量稳定、可靠; 4)生产率高; 5)改善劳动条件; [14] 6)利于生产管理现代化。随着自动控制理论、计算机技术、电子技术、精密测量技术和机械制造技术的进 一步发展,数控技术必将走向高速度、高精度、开放型、智能化和高可靠性道路。 2.6.2 展项模型数控系统简介 11 华中科技大学硕士学位论文 [15] 数控机床由信息输入装置、数控装置、机床本体以及辅助装置组成 。如图 2-5 所示。 图 2-5 模型数控系统的组成 1)信息输入装置。完成将程序读取到数控装置中; 2)数控装置。即 CNC 装置,为数控系统的核心部分。通过编译、执行内存中的 加工程序,实现多种功能要求。包括:转速功能、插补功能、通信和存储功 能。输出指令脉冲信号控制伺服机构,控制机床活动部件的运动。本课题研 究 的运动控制卡即为数控装置; 3)伺服驱动装置。又称伺服系统,它是数控装置与机床的联系环节。首先,接收 来自数控装置的微弱指令信号,然后经过调解、转换、放大后,传递给伺服驱 动器,进而来驱动伺服电机,最后通过执行部件驱动机床的运动。伺服系统分 为步进电机伺服系统、交流伺服系统、直流伺服系统和直线伺服系统。而伺服 电机均带有反馈元件,如位置测量元件和速度测量元件,来实现闭环或半闭环 的位置控制和速度控制; 4)机床本体。它是数控机床的机械部分。主要由床身、立柱、工作台、导轨等组 成; 5)测量装置。主要用于闭环和半闭环系统。测量装置 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 实际的位移量反馈给数 控装置中的比较器,如数控装置发出的指令信号进行比较。如果不一致,则数 控装置发出运动控制信号,控制移动部件向消除该影响的方向移动。如此不断 比较指令信号和反馈信号,然后控制,知道差值消除,运动即停止。本设计的 接近开关即为测量装置; [15] 6)辅助装置。主要完成辅助工作。包括有照明、电气、液压等装置。 2.7 本章小结 本章首先以符合科技馆主题的一致性条件下,简单介绍了展项的科学原理与展出 目标。在此基础上,讨论了科技馆展品的设计原则要求,然后根据要求阐述了太阳系 展品的设计特点要求。进一步分析设计要求,结合其技术指标,最终确定了太阳系运 12 华中科技大学硕士学位论文 动模型的机械结构总体方案,然后根据现在自动化控制的方案中选择了“IPC 机+运动 控制卡+伺服电机”的运动控制方案,具体的机械结构和控制系统部分都将在后面章节 中详细阐述。最后,对本课题研究中运用到的相关的技术??数控技术做了简单的描 述。 13 华中科技大学硕士学位论文 3 太阳系运动模型的整体机械结构设计 太阳系展品模型机械结构的设计影响到整个设备的成本、外观、安全可靠性和执 [16] 行效率 。展品的设计要在满足观众参与性需求的条件下,通过分析其功能需 求和对 比类似科技馆展项确定其展出内容。最后,可以将总体结构运动方案确定为 8 个本身 不发光的行星的公转、月亮绕地球的公转以及 8 个行星和太阳的自转。对于公转部 分,采用伺服电机驱动齿轮传动以实现行星的公转。 我们都知道,8个行星中除了水星公转轨道为圆之外,其他的行星都是绕太阳以椭 [17] 圆轨道公转。八大行星与黄道平面之间最大不超过 7? 。并且,八大行星的公转轨 道平面之间的距离差相差比较大,例如,木星和火星之间的公转平面距离要比水星和 金星之间的公转平面距离大非常多。另外,各行星和太阳的自转轨道相差非常大。 如果展品的模型设计完全按照大阳系的比例设计,模型的体积大,成本高,而且 会影响展出效果,分散观众的注意力,不能突出展品的主题。并且展品设计比一般的 机械设计更要求从考虑设计简单。为了达到赏心悦目的效果,因此需要对其机械结构 在一些方面做一定的优化设计。 1)考虑到公转椭圆轨道短轴与长轴之比最大不超过 0.25,公转轨道均采用简单的 圆形轨道结构; 2)行星模型公转轨道之间距离相等; 3)行星的球体大小差别非常大,不需要按照各自球体的实际大小来比例设计; 4)太阳和八大行星模型处在同一公转平面上,并与水平面成 7?的倾角,这样也便 于观众观看展品的运转情况; 5)为了观众观看方便,均将八大行星和月亮的自转旋转轴设计为垂直于公转平 面,即保证其自转运动平面与其公转运动平面平行; 6)简单设计起见,假设太阳仅自转,月亮模型仅公转; 7)在太阳模型内放置灯泡,代表太阳发光;将八大行星和月亮球体表面涂抹成实 际的颜色; 8)在公转表面上涂抹成望远镜中观察宇宙的颜色和图像。 3.1 八大行星模型公转和自转部分设计 前面提过,对于该模型设计来说,越简单的设计越能够满足要求。八大行星模型 的公转设计采用电机小齿轮驱动大内齿轮啮合传动,伺服电机驱动小齿轮,小齿轮带 [18] 动大齿轮传动 。齿轮机构,是通过轮齿齿廓直接接触来传递两轴间的运动和动力, 14 华中科技大学硕士学位论文 在各种传动机构中应用最为广泛,如图 3-1。齿轮机构的优点有: 1)传动效率高; 2)传递功率范围大; 3)传动比准确; [18] 4)工作可靠、使用寿命长等。图 3-1 齿轮传动 如图 3-2 所示,伺服电机齿轮内啮合传动内齿轮盘,将行星自转机构通过连接 板、支柱固定在内齿轮盘上,这样便实现了行星模型的公转运动演示。其中定位论和 支撑轮分别用来实现内齿轮盘在圆周运动时得以定位(防止速度过快时,齿轮飞出等 危险)和支撑(滚动,减小摩擦)。图 3-2 八大行星模型公转部分 八大行星、太阳模型用轻木球来代替,并分别通过紧定螺钉固定各在图 3-3 中 1 15 华中科技大学硕士学位论文 支撑杆上。其中,为了减少加工和装配的难度,降低噪声,内齿轮盘、支柱、支撑 轮、定位轮均采用尼龙材料,伺服电机内齿轮采用铜齿轮。 图 3-3 行星模型自转部分 自转是指围绕自身旋转,由于实际八大行星自转轨道相差很大,有几乎垂直于地 球公转平面(黄道面)如地球、水星等,也有接近平行于黄道面,如天王星。为了简 化设计,并易于观众参观欣赏,行星模型自转轨道设计为垂直于公转轨道。图 3-4 八大行星模型自转导电机构部分 对于八大行星自转部分,采用直流 24V减速电机直接驱动行星模型来完成,如图 3-3 所示。在行星公转时,研究设计了一种导电机构,以求保证直流减速电机在公转 16 华中科技大学硕士学位论文 的同时能够自转稳定可靠(导线不能出现缠绕现象),如图 3-4所示。最后将该导电 机构固定在安装座上,提供 24V电压给导电机构的导电轮,直流减速电机电缆连接至 紫铜带(图 3-2)上,由于导电机构安装完成后,弹簧会一直处于拉伸状态,使得导 电轮与紫铜片可靠接触,从而保证电机供电稳定可靠,完成自转运动。 其中自转导 电机构实物图如图 3-5所示。 图 3-5 行星自转导电部分实物图 3.2 太阳模型自转与发光部分设计 本设计中,太阳模型只完成自转和发光。同样太阳模型的自转也从简单可靠考 虑,直接使用直流减速电机驱动其球体运动,保证太阳的自转。并将小灯泡固定在图 3-6 太阳模型自转导电机构部分 球体内部,并且提供灯泡直流 24V 电压,实现太阳模型的发光。另外,如图 3-6,研 究设计了一种导电机构??集电环和碳刷配合使用,一个跟随太阳模型运动,另一个 固定在安装座上。这样,将灯泡电缆和电源电缆分别固定在集电环和碳刷架上,可保 17 华中科技大学硕士学位论文 证集电环与碳刷架上的碳刷紧密可靠接触,保证太阳(灯泡)的发光。太阳模型如图 3-7所示。 图 3-7 太阳模型 3.3 月亮绕地球公转部分设计 本设计中,月亮不自转,月亮绕地球公转的转速无需按照与其他行星公转周期比 例设计,要求转速比较低即可(月球自转和月球公转的转速不是展品的主要特点),以 便易于欣赏。为了简化设计,可以利用地球自转的同时,通过同步带带动月亮绕地球 公转。 图 3-8 同步带传动机构 同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿的环形胶带和具有相应齿的带轮所组 [19] 成的机构 ,如图 3-8 所示。同步带传动的动力和运动,是通过带齿和带轮上的齿槽 相啮合来完成。同步带传动不仅拥有普通带传动的优点,可以缓和载荷冲击,运行平 稳,低噪音和低振动。另外,同普通带传动相比,同步带传动还有其它优点: 18 华中科技大学硕士学位论文 1. 工作时无滑动,传动比准确。 2. 传动效率高,节能。 3. 传动比范围大,结构紧凑。 [20] 4. 维修保养方便,工作费低。 如图 3-9所示,将支撑月亮模型的支撑杆(用于固定月球)固定在上固定盖 2和 下固定盖 3 之间。两个同步带和四个同步带轮的组合结构,就可以完成地球自转的同 时,月亮的公转。四个同步带轮中,将带轮 1 用紧定螺钉固定在用于支撑地球的杆 1 上,带轮 2和 3同样方法同时固定在一端的销轴 8上,然后将上固定盖 2和下固定盖 3 与带轮 4固定在一起(可以看出,月球支撑杆未固定在地球支撑杆上)。这样,实现了 月亮绕地球公转运动。由于大同步带轮与小同步带轮的齿数比为 2:1,因此地球自转 4 圈,月亮公转 1圈。图 3-9 地球和月球同步带传动 3.4 行星模型公转内齿轮盘设计与齿轮校核 前面介绍过,行星模型的公转是依靠伺服电机驱动铜齿轮,然后铜齿轮啮合传动 内齿轮公转盘(材质尼龙 66,考虑到降低展品噪声,并尽量减少摩擦和功率消耗,提 [21] 高舒适度),采用内啮合形式 。内齿轮公转盘沿导轨公转,如图 3-2所示,设计定位 轮和支撑轮来保证内齿轮盘顺畅圆周运动,通过支撑轮滚动来减少旋转摩擦,通过定 位轮起导向和保证运转安全保护作用。在太阳系中,以太阳为中心,靠近太阳依次为 水星、金星、地球(月亮)、火星、木星、土星、天王星、海王星。因此需要 设计八个 19 华中科技大学硕士学位论文 同心等距的内齿轮公转盘。 3.4.1 内齿轮盘设计 为了维护、降低成本和设计简单,与八大行星公转内齿轮盘啮合的铜齿轮选 用相 同的齿数,初选铜齿轮模数 m 3mm、 Z 20, d 60mm,轮齿宽度 b 20mm。 0 0 0 查阅科普知识,根据行星距离太阳的实际位置、展馆展项占地面积要求和设 计简单美 观,确定展项的各行星的公转轨道直径,如表 3-1所示。 表 3-1 行星公转参数 天王 海王 行星 水星 金星 地球 火星 木星 土星 月球 星 星 距太阳平 0.038 均距离百 58 108 150 228 778 1427 2870 4497 44 万千米 设计轨道 400 800 1200 1600 20002400 2800 3200 100 直径mm 根据场地面积要求,最大内齿轮齿轮设计为 Z 1044, m 3mm,即分度圆直径 1 d 3132mm。内齿轮厚度均为 8mm,设计出八大行星的齿数和分度圆直径如表 3-2 1 * * 0 所示(按照标准直齿圆柱齿轮设计, h 1, ,压力角 )。 c 0.25 a 20 a 表 3-2 行星齿数和分度圆直径 行星 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 齿数 112 244 380 512 642 774 912 1044 分度圆直 336 732 1140 1536 19262322 2736 3132 径(mm) 因为小铜齿轮直径较小,可以采用普通的滚齿机就可以加工完成,而与之啮 合的 大齿轮最大的直径为 d 3132mm,而且为内齿轮,加工困难,为了降低成本和 减少加 1 工难度,将各内齿轮加工为相等的几分,如图 3-10所示,而且选择特种加工 手段