PVC管材性能检测系统的设计说明.docx
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PVC管材性能检测系统的设计说明
前言
1选题背景和意义
目前中国塑料管道生产能力达300万吨,主要有PVC、PE和PP-R管道三大类,其中PVC管道是市场份额最大的塑料管道,占塑料管道近70%的份额。
PVC管材生产线1600余条。
年生产能力250万吨以上,2003年PVC管道(管件)年产量达120多万吨。
在塑料管道中,PVC的份额为70%,PE占25%,PP-R占4%,其它占1%。
虽然PVC管道的快速发展吸引众多企业进入这个行业投资,但在国生产众多厂家(2000多家)众,年产能力在1万吨的仅有70多家,年产3万吨以上的企业为20多家并拥有行业60%的产量。
整体而言,国小口径、低附加值的管道企业多,大口径、高技术含量的企业少。
国部分生产厂家的产能分别是:
华亚塑胶:
10万吨、宝硕:
8万吨、国风集团:
8万吨、中材管道:
6.5万吨、永高:
4.5万吨、亚通:
4万吨、凯乐:
4万吨、顾地:
3万吨、久利:
3万吨。
1998-2003年PVC管道的产量。
PVC管材的迅速发展来自于诸多因素的推动。
在全国新建、改建、扩建工程中,建筑排水管道70%采用塑料管,建筑雨水排水管道50%采用塑料管,城市排水管道20%采用塑料管,建筑给水、热水供应和供暖管道60%采用塑料管;城市供水管道(DN400以下)50%采用塑料管,村镇供水管道60%采用塑料管;城市燃起管道(中低压管)50%采用塑料管,建筑电线穿线护套管80%采用塑料管。
重大工程的投资又将有力拉动对PVC管道的需求。
如“南水北调”、西部打开发振兴东北老工业基地。
虽然PVC管道的快速发展吸引众多企业进入这个行业投资,但在国生产众多厂家(2000多家)众,年产能力在1万吨的仅有70多家。
因此市场上的产品性能有着很大的差别。
以前的手动施压不够直观,误差大,而且效率低。
所以为了减小误差,提高检测效率,规市场提高产品质量PVC管材性能的检测尤为重要。
2方案论证
机械部分采用单立柱结构,结构简单易于加工。
执行原件选用用直流伺服电机精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位。
伺服电动机输出力较小无法达到5000N的试验力,为了增大力矩实现5000N试验力,同时能够控制一定的速度选用直齿圆柱齿轮减速器对电动机输出的力进行增大并降低输出转速。
在减速器输出端连接滚珠丝杠,滚珠丝杠的高精度、可逆性和高效率特点既保证了将电机的回转运动转变成直线运动又确保了测试仪器的精密性。
在减速器和滚珠丝杠间用同步带传动,保证准确的传动比的同时减少震动和冲击载荷的影响。
测试头部分选用优质合金钢热处理,以减少探头的变形对实验数据的影响,同时也保证了测试头的耐用性。
在这些部件的共同作用下测试机以一定的速度对管材施加一定的力,测试PVC管材的抗压性能。
电气部分初步计划采用两路传感器器采集信号,一路检测力值由贴片式压力传感器采集受力大小转变成电信号,一路检测位移由光电编码器传递。
传感器采集到数字信号,直接输入至A/D转换器,转换成数字信号后由单片机进行处理,换算成实际力值和位移值后在液晶显示器上实时显示出来。
同时由D/A转换器直接输出电压值,给相应的伺服控制器去控制直流伺服电机,通过同步带带动丝杠传动,直接传递给中横梁进行上下移动,对管材施加压力。
整个试验过程结束后,按标准计算公式计算出强度值,判断合格与否,以备查询和打印结果。
1机械部分的设计
1.1电机的选择
1.1.1、选择电机应综合考虑的问题
(1)根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、正反转、调速等要求,选择电动机类型。
(2)负载转矩、速度变化围和启动频繁程度等要求,考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩,选择电机功率,并确定冷却通风方式。
所选电动机功率应留有余量,负荷率一般取0.8~0.9。
过大的备用功率会使电机效率降低,对于感应电动机,其功率因数将变坏,并使按电动机最大转矩校验的强度和生产的机械造价提高。
(3)根据使用场所的环境条件,如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃气体等考虑必要的保护方式,选择电动机的结构型式。
(4)根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求,确定电动机的电压等级和类型。
(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求,以及机械减速机构的复杂程度,选择电动机额定转速。
除此之外,选择电动机还必须符合节能要求,考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易,以及产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。
此试验机根据设计要求选用伺服电机,以下是选择过程。
1.1.2确定传动路线
电机
1.1.3各传动部分效率
η1—同步带传动的效率,取0.96;
η2—减速器的传动效率,取0.84;
η3—丝杠传动的效率,取0.6;
η4—轴承(滚动轴承)的效率,取0.98;
1.1.4选用电机最小功率计算
P=
(W)
1.1.5电机选择
根据最小功率选择110SZ54型三相混合式步进电机,其技术参数为:
转矩:
908N·m;转速:
3000r/min;额定电压:
220V;电流:
2A;额定功率:
308W;
1.1.6确定传动比
横梁最大移动速度200㎜/min,丝杠导程L0=6mm,动力源采用步进电机。
可计算出传动比i
传动比比较大,故采用减速器降速:
1.2丝杠的设计计算
初步确定实验仪器最大载荷为5KN最大传动速度为200mm/min,初选丝杠的最大直径d=36mm,最小直径d1=29mm,螺距P=6mm。
由于最大传动速度为200mm/min,是低速传动,所以选定丝杠螺母副材料为中碳钢,牙型为等腰梯形,牙型角α=30°。
外螺纹以锥面贴紧不易松动。
与矩形螺纹相比,传动效率略低,但工艺性好,牙根强度高,对中性好。
梯形螺纹是最常用的传动螺纹。
查表5-12滑动螺旋副材料的许用压力[p]及摩擦系数f得,许用压力为7.5-13MPa取[p]=13MPa摩擦系数f为0.11-0.17取f=0.17.
1.2.1丝杠耐磨性校核
校核公式为:
式中F-丝杠的轴向力(单位为N);
A-丝杠工作面积(单位为
);
d2-丝杠螺纹中径(单位为mm);
h-丝杠螺纹工作高度(单位为mm),h=6mm;
P—丝杠螺纹螺距(单位为mm),P=6mm;
H—丝杠螺母副高度(单位为mm),H=80mm;
满足耐磨性条件。
1.2.2自锁性校核
满足自锁性。
1.2.3丝杠螺纹的强度校核
查表5-13得,滑动螺母副材料的许用应力[σ]=225Mpa.
丝杠的强度计算公式为:
式中:
F-丝杠所受的轴向压力(或拉力),单位为N;
A-丝杠的危险截面面积;
,单位为
;
WT-丝杠的抗扭截面系数,
,单位为
;
d1-丝杠小径,单位为mm;
T-丝杠所受的最大扭矩,
,单位为N·mm。
满足强度要求。
1.2.4丝杠螺母副纹牙的强度校核
纹牙多发生剪切和挤压破坏,一般螺母材料强度低于螺杆,故只需校核螺母螺纹牙的强度,螺纹牙的危险截面在牙根部。
螺纹牙的剪切强度校核公式为:
螺纹牙的剪切强度校核公式为:
式中:
b-丝杠螺母副螺纹牙根部的厚度,单位为mm,b=0.65P=3.9mm;
l-弯曲离臂,单位为mm,l=(D-D2)/2;
[τ]-滑动丝杠螺母副的许用剪切应力,单位为Mpa,查表5-13得,[τ]=0.6[σ]=135Mpa;
[σ]-滑动丝杠螺母副的许用弯曲应力,单位为Mpa,查表5-13得,
[σb]=[σ]=225Mpa。
1.2.4.1剪切强度校核
满足剪切强度要求。
1.2.4.2弯曲强度校核
满足弯曲强度要求。
1.2.5键的选择
选择圆头平键,即:
键5x22GB1096.
1.2.5.1平键联接强度校核计算
计算公式为:
式中:
T-传递的扭矩(T=Fxy=Fxd/2),单位为N·mm;
k-键与轮毂键槽的接触高度,k=0.5h,此处h为键的高度,单位为mm;
l-键的工作长度,单位为mm,圆头平键l=L-b=36-6=30mm,这里L为键的公称长度,单位为mm,b为键的宽度,单位为mm;
d-轴的直径,单位为mm;
[σp]-键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用压力,单位为Mpa.查表6-2得,[σp]=120Mpa。
满足键联接强度要求。
1.2.6轴承选择
采用推力球轴承36250GB/T292-84。
1.2.7丝杠螺母副的选择
整体螺母结构简单,但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿,只适合在精度要求较低的螺旋中使用。
对于经常双向传动的传导螺旋,为了消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的的磨损,避免反向传导时的空行程,常采用组合螺母或剖分螺母,本试验系统要求精度比较高,且需要双向传导,所以丝杠螺母副采用剖分螺母。
以上所查表均查自机械设计课本。
1.3减速器的选择
根据前面的计算知减速器的减速比为i=30
根据
由减速比可知输出转速为
r/min,有前面可知电机的最小功率为62.567kw,经过同步带后的功率为:
即输入减速器的功率为:
所以减速器输出转矩为:
N/M
选择减速器是转矩必须大于0.024综合经济性,并考虑安全性,选择RV-40减速器如下图:
RV-40减速器的参数
1.4同步带传动设计计算
为防止发生皮带打滑现象,本试验仪器的带传动采用同步带传动。
从动带轮转速:
n2=200/6x30=1000r/min,减速比i=1/3;
主动带轮转速:
=n2/i=1000x3=3000r/min,
电机转矩为:
Tn=Tx1/30x1/3=16784.815x1/30x1/3=1830.942N·mm
传递功率:
P=Tn/9550=1830.942x3000/9550=578.192W
1.4.1设计功率
Pc=KgP
Kg—工作情况系数,查机械设计手册第二版上册表10-26可得KA=1.0
Pc=1.0×578.192=578.192(W)
1.4.2模数m
查机械设计手册第二版上册图10-10,确定同步带轮的模数为m=2。
1.4.3同步带轮齿数
由前面的传动比计算已经确定Z1=18,Z2=54
1.4.4带轮节圆直径
d1=mZ1=2x18=36mm,d2=mZ2=2x54=108mm
1.4.5带速
1.4.6初定中心距
要满足0.7(d1+d2)<
<2(d1+d2)
0.7(d1+d2)=0.7(36+108)=100.8mm
2(d1+d2)=2(36+108)=288mm
初定
=190(mm)
1.4.7初定带的节线长度Lo及齿数
Lo
=
=613.016mm
由机械设计手册第二版第上册表10-24选取Lp=628.3mmZb=100
1.4.8实际中心距
中心距
可调整
mm
1.4.9小带轮啮合齿数
1.4.10单位带宽的离心拉力
, 查机械设计手册第二版第上册表10-29得,q=2.4kg/mm,
所以,
1.4.11带宽b
式中KZ—小带轮啮合齿数系数,取KZ=1.00
Ki—传动比系数, 查机械设计手册第二版第上册表10-28得,Ki=0.90;
Fp-单位宽度的许用拉力,查机械设计手册第二版第上册表10-29得,
Fp=20x10³N/m。
取b=40mm
1.4.12作用在轴上的力Q
Q=Pc/v=578.192/1.885=306.733N
二电路部分设计
2.1单片机最小系统
2.1.1AT89C52简介
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
2.1.1.1主要功能特性
(1)、兼容MCS51指令系统
(2)、8k可反复擦写(大于1000次)FlashROM;
(3)、32个双向I/O口;
(4)、256x8bit部RAM;
(5)、3个16位可编程定时/计数器中断;
(6)、时钟频率0-24MHz;
(7)、2个串行中断,可编程UART串行通道;
(8)、2个外部中断源,共8个中断源;
(9)、2个读写中断口线,3级加密位;
(10)、低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能;
(11)、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式,以适应不同产品的需求。
2.1.1.2引脚功能及管脚电压
AT89C52为8位通用微处理器,采用工业标准的C51核,在部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
AT89C52引脚图
2.1.1.2.1P0口
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的
方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
2.1.1.2.2P1口
P1是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑
门电路。
对端口写“1”,通过部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为部存在上拉
电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),
表1
引脚号
功能特性
P1.0
T2,时钟输出
P1.1
T2EX(定时/计数器2)
2.1.1.2.3P2口
P2是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑
门电路。
对端口P2写“1”,通过部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVXDPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVXRI指令)时,P2口输出P2锁存器的容。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
2.1.1.2.4P3口
P3口是一组带有部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻
辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
2.1.1.2.5RST
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
2.1.1.2.6ALE/PROG
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字
节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条
MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
2.1.1.2.7PSEN
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数
据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
2.1.1.2.8EA/VPP
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接
地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
2.1.1.2.9XTAL1
振荡器反相放大器的及部时钟发生器的输入端。
2.1.1.2.10XTAL2
振荡器反相放大器的输出端。
2.1.2最小系统电路
使用AT89C52构成的最小系统电路如图3.1所示,它由电容C1,C2和晶振Y1构成以部方式工作的时钟振荡电路。
若直接从外部引入振荡信号连接到部振荡器,则时钟电路工作于外部方式,由电阻R2和电容C3构成上电位复位电路,即单片机一旦接通电源,便自动进入复位电路处理,随着电容两端电位的提高,RST端的电位变为低电平,进入正常工作模式。
2.2数据转换芯片ICL7109
ICL7109是美国Intersil公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。
由于目前逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格都很高,在要求速度不太高的场合,如用于称重,测压力等各种高精度测量系统时,可以采用廉价的双积分式高精度A/D转换器ICL7109。
ICL7109最大的特点是其数据输出为12位二进制数,
并配有较强的接口功能,能方便的与各种微处理器相连。
2.2.1ICL7109的部结构与芯片引脚功能
2.2.1.1ICL7109的部电路结构
ICL7109的部电路有模拟电路和数字电路部分组成。
模拟电路部分由模拟信号输入振荡电路、积分、比较电路以及基准电压源电路组成。
下图为数字电路部分的结构。
他由时钟振荡器、异步通讯握手逻辑、转换控制逻辑以及计数器、锁存器、三态门组成。
高位字节输出引脚低位字节输出引脚
16位三态输出
14位锁存器
12位计数器
握手
逻辑
振荡器及时钟电路
转换控制逻辑
模拟电路部分
17345678910111213141516
ICL710918
1620
电压比较
器输出
226222324252127
图1ICL7109数字电路部分部结构
2.2.1.2ICL7109的功能引脚
ICL7109为40引脚双列直插式封装。
各引脚功能如下:
GND:
数字地,0V
STATUS:
状态输出,ICL7109转换结束时,该引脚发出转换结束信号。
POL:
极性输出,高电平表示ICL7109的输出信号为正。
OR:
过程量状态输出,高电平表示过程量
B1~B12:
三态转换结果输出,B12为最高位,B1为最低位
TEST:
此引脚仅适用于测试芯片,接高电平时为正常操作,接低电平时则强迫所有
位B1~B12输出为高电平。
LBEN:
低电平使能端。
当MODE和CE/LOAD均为低电平时,此信号将作为低位
字节(B1~B8)输出选通信号;当MODE位高电平时,此信号将作为低位
字节输出。
HBEN:
高字节使能端。
当MODE和CE/LOAD均为高电平时,此信号将作为高位
字节(B8~B12)以及POL,OR输出的辅助选通信号;当MODE位高电
平时,此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。
CE/LOAD:
片选端。
当MODE为低电平时,它是数据输出的主选通信号,当本脚为
低电平时,数据正常输出;当本脚为高电平时,则所有数据输出端(B1~B12,
POL,OR)均处于高阻状态。
MODE:
方式选择。
当输出低电平信号时,转换器为直接输出方式。
此时,可在片
选和数据使能的控制下直接读取数据。
当输出高电平脉冲时,转换器处于
UART方式,并在输出两个字节的数据后,返回到直接输出方式。
当输入
高电平时,转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。
OSCIN:
振荡器输入
OSCOUT:
振荡器输出
OSCSEL:
振荡器选择。
输出高电平时,采用RC振荡器;输入低电平时采用晶体振
荡器。
BUFOSCOUT:
缓冲振荡器输出。
RUN/HOLD:
运行/保持输出。
输入高电平,每经8192个时钟脉冲均完成一次转换。
当输入低电平时,转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零阶段,
从而缩短了消除积分阶段的时间,提高了转换速度。
SEND:
是输入信号。
用于数据信号传送时的信号交换方式,以指示外部器件能
够接受数据的能力。
V-:
负电源,接—5V。
REFUOT:
基准电压输出,一般为+2,8V
BUF:
缓冲器输出
AZ:
自动调零电容Caz连接端。
INT:
积分电容Cint连接端。
COMMON:
公共模拟端
INLO:
差分输入低端。
INHI:
差分输入高端。
REFIN+:
正差分基准输入端。
REFCAP+:
正差分电容连接端。
REFCAP-:
负差分电容连接端。
REFIN-:
负差分基准输入端。
V+:
正电源,接+5V。
2.2.2ICL7109的外部电路连接与元件参数选择
2.2.2.1ICL7109的外部电路连接
2.2.2.1.1ICL7109外部电路的应用特征
A.电源供给
ICL7109位双电源±5V,引入V+,V—(40,28脚),1端GND为公共接地端。
B.基准
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