太阳能自动跟踪装置的设计_毕业论文设计任务书(编辑修改稿)

太阳能自动跟踪装置的设计_毕业论文设计任务书(编辑修改稿)内容摘要：

根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。 在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。 参考目前世界通用的算法，涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法：算法 l，采用中国国家气象局气象辐 射观测方法；算法 2，采用世界气象组织气象和观测方法。 由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增 大会增加控制系统的成本。 而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。 工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。 初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。 同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。 (2) 光电跟踪 传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，原则上由三大部件组成：位置检测器、控制组件、跟踪头。 位置检测器主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。 控制组件主要接受从位置检测器来的微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。 (3) 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 由上述讨论可知，开环的程序跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。 因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟 踪装烟台 大学文经学院毕业设计 6 置的方向。 而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。 特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪 费和部件的额外磨损。 如果两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。 在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度角度传感器。 当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。 这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。 这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于 目前许多大型太阳能发电装置。 但计算过程十分复杂，高精度角度传感器成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。 本设计选用光敏电阻光强比较法，光敏器件选为光敏电阻。 利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将四个完全相同的光敏电阻 4 分别放置于一块电池板的四个边界处，每两个相对，如图 所示。 如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，其中每相对两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，此时电动机不转动。 当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻 值减少，接收光强少的光敏电阻阻值增大，这样就产生了差值，从而通过控制部分驱动电动机转动，直至相对两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法。 图 光敏电阻位置 总体结构 如图 所示，机构结构：步进电机 1 固定在底座上，步进电机 1 的输出轴连接小齿轮 ，小齿轮与大齿轮啮合。 齿轮连接着主轴上，主轴安装在底座上 (主轴相对于底座可以转动 )，步进电机 2 安装在主轴上端的一块托盘上，步进电机 2 的输出轴通过联轴器直烟台 大学文经学院毕业设计 7 接与滚珠丝杠副相连接， 滚珠丝杠副两端由轴承支承。 丝杠上的滑块与支承杆相连，连接到太阳能板，太阳能板一端固定在托盘上，托盘焊接安装在主轴上 [10]。 机构实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏离时。 控制部分发出控制信号驱动步进电机 1 带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动；同时控制信号驱动步进电机 2带动滚珠丝杆转动，滑块的左右移动通过支承杆带动太阳能板转动，通过步进电机 步进电机 2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。 图 总体结构图 烟台 大学文经学院毕业设计 8 第 3 章 机械部分的设计 齿轮的选择 材料选择 选用直齿圆柱齿轮传动 [11]。 太阳能自动旋转装置为一般工作机器，速度不高，故选用 7 级精度（ GB 10095— 88）。 小齿轮的材料选用 40Cr（调质），硬度为 280HBS，大齿轮的材料选用 45 钢（调质），硬度为 240HBS。 尺寸计算 选小齿轮齿数 Z1=24，大齿轮齿数 Z2= 24=，取 Z2=77。 d1： d1=179。 √ {KT1 (u＋－ 1) Ze178。 }/(ǿd u [σh]) (31) (1) 根据公式及查表确定各计算数值： 1) 试选公式载荷系数 Kt=。 2) 设输入功率大约为 P1=10KW，小齿轮转速 n1=960r/min，所以小齿轮传递的转矩 T1=100000P1/n1N mm=99480N mm。 3) 选取齿宽系数 ǿd=1。 4) 材料的弹性影响系 Ze=185。 /178。 5) 小齿轮的接触疲劳强度极限 σhlim1=600MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限σhlim2=550MPa。 6) 应 力 循 环 次 数 N1=60n1jLh=609601( 2830015)=10179。 179。 ，N2=N1/=10179。 179。 7) 取接触疲劳寿命系数 Khn1=。 Khn2=。 8) 计算接触疲劳许用应力：取失效概率为 1%，安全系数 S=1，可得： [σh]1=(Khn1σhlim1) /S=600MPa=540MPa； [σh]2=(Khn2σhlim2) /S=550MPa=522,5MPa。 (2) 计算 1) 试算小齿轮分度圆直径 d1t，代入 [σh]中较小的值得： d1t=179。 √ {KtT1 (u＋－ 1) Ze178。 }/(ǿd u [σh]) =。 2) 计算圆周速度 v。 V=(πd1tn1)/601000=。 3) 计算齿宽 b。 b= ǿdd1t=1=。 4) 计算齿宽和齿高之比 b/h。 模数 mt=d1t/z1= 齿高 h=== b/h=烟台 大学文经学院毕业设计 9 5) 计算载荷系数。 根据 v=， 7 级精度，可得动载系数 Kt=； 直齿轮， Khα=Kfα=1； 使用系数 Ka=1； Khβ=。 由 b/h=， Khβ= 得 Kfβ=；故载荷系数 K=KaKvKhαKhβ=11= 6) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径为： d1=d1t179。 √175。 K/Kt175。 =179。 √175。 175。 175。 = 7)计算模数 m m=d1/z1= m： m=179。 √ (2KT1YfaYsa)/(ǿdz1178。 [σf]) (32) (1) 确定公式内的各计算数值 1) 小齿轮的弯曲疲劳强度极限 σfe1=500MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限σfe2=380MPa。 2) 弯曲疲劳寿命系数 Kfn1=， Kfn2=； 3) 计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 S= 得： [σf]1=(Kfn1σfe1)/S=500/= [σf]2=(Kfn2σfe2)/S=380/= 4) 计算载荷系数 K。 K=KaKvKfαKfβ=11= 5) 取齿形系数。 Yfa1=； Yfa2=。 6) 取应力校正系数。 Ysa1=；。 7) 计算大、小齿轮的 YfaYsa/[σf]并加以比较。 Yfa1Ysa1/[σf]1= Yfa2Ysa2/[σf]2=可知大齿轮的数值大。 (2) 设计计算 m= 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数 并就近圆整为标准值 m=，按接触强度算得的分度圆直径 d1=，算出小齿轮齿数 z1=d1/m=≈28 大齿轮齿数 z2=28=，取 z2=90。 这样设计的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，烟台 大学文经学院毕业设计 10 并做到结构紧凑，避免浪费。 (1) 计算分度圆直径 d1=z1m=28=70mm d2=z2m=90=225mm (2) 计算中心距 a=(d1+d2)/2=(70+225)/2mm= (3) 计算齿轮宽度 b=ǿdd1=170mm=70mm 取 B2=70mm， B1=75mm。 滚珠丝杠副的选择 滚珠丝杠副是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动 转化为回转运动的理想的产品。 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。 如图 所示，它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作。 由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密 仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 图 滚珠丝杠副 滚珠丝杠副常用的循环方式有两种：外循环和内循环。 滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。 滚珠每一个循环闭路称为列，公称直经 烟台 大学文经学院毕业设计 11 每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。 内循环滚珠丝杠副的每个螺母有 2列、 3 列、4列、 5 列等几种，每列只有一圈；外循环每列有 圈、 圈和 圈等几种。 外循环：外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。 外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。 外循环滚珠丝杠外循环结构和 制造工艺简单，使用广泛。 其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性。 内循环：内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型：圆柱凸键反向器，它的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽，反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚道方向。 扁圆镶块反向器，反向器为一般圆头平键镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽，用镶块的外轮廓定位。 两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。 但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。 滚珠丝杠副具有以下优 点： 与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3。 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动 ,所以能得到较高的运动效率，与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下 ,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3，在省电方面很有帮助。 高精度的保证。 滚珠丝杠副是用世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面 ,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 微进给可能。 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动 ,所以启动力矩极小 ,不会出现滑动 运动那样的爬行现象 ,能保证实现精确的微进给。 无侧隙、刚性高。 滚珠丝杠副可以加予压 ,由于予压力可使轴向间隙达到负值 ,进而得到较高的刚性 (滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力 ,在实际用于机械装置等时 ,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强 )。 高速进给可能。 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给运动。 材料选择 由于丝杠必须具有高耐磨性、高热硬性及足够韧性的要求，所以，选择刃具钢，其中低合金 工具钢由于合金元素的加入，更适合制造丝杠，所以选择 T20201（ CrWMn） [12]。 滚珠丝杠副结构的选择。