1、分类号 编号烟台大学文经学院毕 业 设 计太阳能自动跟踪装置的设计The design of solar automatic tracking device 申请学位： 工学学位 院 系： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 李 显 学 号： 200790516206 指导老师： 李春植（教授） 张芹英（助教） 2011 年 5 月 26 日太阳能自动跟踪装置的设计姓 名： 李显 导 师： 李春植（教授）张芹英（助教）2011 年 5 月 26 日II烟台大学文经学院毕业论文（设计）任务书院（系）：机电工程系姓名 李显 学号 200790516206 毕业届别 2011 专
2、业机械设计制造及其自动化毕业论文（设计）题目 太阳能自动跟踪装置的设计指导教师 李春植 学历 职称 教授 所学专业指导教师 张芹英 学历 职称 助教 所学专业主要内容：本设计是基于单片机控制的自动跟踪系统，它利用光电跟踪原理，通过比较太阳能板中心垂线与太阳光线的角度大小来控制信号的输入。采用四个光敏电阻做传感器，把光能转换为电阻的变化， 进而通过光电转换电路给单片机输入信号，并由驱动电路来控制步进电机，从而实现机械装置的方位角、高度角的 调 整。 该机械装置主要采用机械传动原理实现，用一 对直齿轮传动机构来 实现方位角的旋转。同时，采用平面四杆机构原理，用一 对滚珠丝杠副来实现高度角的调整。基
3、本要求：满足该装置能精确自动跟踪太阳光的运动，以达到最大效率利用太阳能。进度安排：1-2 周 完成设计任务书和绪论;3-5 周 提出自己的设计方案并论证（理论）6-9 周 部件零件的设计;10-11 周 初稿完成;12-13 周 根据格式，完成论文指导教师（签字）： 年 月 日院（系）意见： 教学院长（主任） （签字）： 年 月 日III备注：摘要：太阳能是自然界的一种天然资源，它具有分布范围广、丰富可再生、无污染的优良特点，它的开发和利用已成为当代研究领域的热点。解决如何提高太阳能利用效率就成为了所有问题的关键。太阳能效率的提高将直接影响我国能源利用结构的变化，对我国的可持续发展以及建设资源
4、节约型和环境友好型社会有着重大影响。基于太阳能利用效率的考虑，本设计选择太阳能自动跟踪装置，以达到时刻跟踪太阳光线位置，使太阳光最大限度的照射到该跟踪装置，满足太阳能的充分利用。该装置是基于单片机控制的自动跟踪系统，通过考虑某地的位置、光照等因素，由单片机输出控制数据，从而来控制步进电机，并通过机械传动机构来实现太阳能电池板自动跟踪光线的目的。并且对该系统采用二维跟踪方式，以实现太阳能电池板东西方向和南北方向共同调整跟踪，达到进一步提高利用效率、跟踪精度的要求。关键词： 太阳能 ；自动跟踪 ；单片机 ；步进电机 ；二维运动 。IIAbstract：Solar energy is natures
5、 natural resource and it has spread widly, richly ,renewablly and has pollution-free high characteristics.Its development and use has become hot spots in the field. The solution of the efficient use of solar energy become the key to all problem. The increase of solar energy efficiency will directly
6、affect our energy structure and it will have major effects on national sustainable development , construction resource saving and environmental friendly type of society .Based on solar energy utilization efficiency considerations , this design choices solar automatic tracking device in order to achi
7、eve to track the sun light position at any time and make the sun exposure to the tracking device to the max to meet the full use of solar energy.The device is a control automatic tracking system which based on microcontroller . By considering the position, illumination somewhere, and other factors ,
8、microcontroller outputs control data to control the stepping motor. This system realizes automatic tracking for the light to the solar panels through the mechanical transmission and it is used to track of two-dimensional way in order to realize common adjusting tracking for the solar panels east-wes
9、t direction and north-south direction.This system further improves the utilization efficiency and the requirements of tracking precision. Key words：solar energy；automatic track ； microcontroller ；stepping motor ；two-dimensional movement.IIIIV目 录第 1 章 绪 论 11.1 能源现状及发展 .11.2 目前太阳能的开发和利用 .11.3 课题研究的目的和
10、意义 .21.4 太阳能利用的国内外发展现状 .21.5 太阳追踪系统的国内外研究现状 .31.6 本论文的研究内容 .3第 2 章 太阳能自动跟踪系统总体设计 .42.1 太阳运行的规律 .42.2 总体设计原理 .42.2.1 平面四杆机构原理 42.3 跟踪方案的设计 .52.4 总体结构 .7第 3 章 机械部分的设计 .83.1 齿轮的选择 .83.1.1 材料选择 83.1.2 尺寸计算 83.2 滚珠丝杠副的选择 103.2.1 材料选择 .113.2.2 滚珠丝杠副结构的选择 .113.2.3 滚珠丝杠副尺寸的选择 .123.2.4 滚珠丝杠副支承方式的选择 .123.3 太阳
11、能电池板 143.4 底座的设计 163.5 中心轴的选择 16V3.5.1 尺寸设计 .163.5.2 轴的校核 .163.6 轴承的选择 173.6.1 轴承 1 的选择 .173.6.2 轴承 2 的选择 .173.7 联轴器的选择 .18第 4 章 控制部分的设计 214.1 光电转换器 214.1.1 光敏电阻传感器 .214.1.2 光电转换电路 .234.2 步进电动机及其驱动电路 244.2.1 步进电动机介绍 244.2.2 步进电机的选择 .264.2.3 驱动电路 .264.3 单片机及其输入电路 294.3.1 8031 单片机 .294.3.2 单片机的输入电路 .3
12、04.4 控制的实现过程 324.4.1 系统的整体电路图 .324.4.2 系统的流程图 .33总结及展望 35致 谢 .36参考文献 37烟台大学文经学院毕业设计1第 1 章 绪 论1.1 能源现状及发展能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础 1。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源
13、资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计，20 世纪 90 年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长 l%，而太阳能发电每年增长达 20%，风力发电的年增长率更是高达 26%。预计在未来 5 至 10 年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在 5000km 以上，总面积达 96010 km，占世界总面积的 7%，居世界第三位。据估算 2，我国陆
14、地表面每年接收的太阳辐射能约为 5010 kJ，全国各地太阳年辐射总量达 335837KJ/cm2A，中值为 586KJ/cm2A。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东 南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在 4000m 以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低， 日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961 年至 1970 年的平均值，年平均 日照时间为 3005.7h，相对日照为 68，年平均晴天为 10
15、8.5 天，阴天为 98.8 天，年平均云量为 4.8，太阳总辐射为 816KJ/cm2a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为 26，年平均晴天为 24.7 天，阴天达 244.6 天，年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。1.2 目前太阳能的开发和利用人类直接利用太阳能有三大技术领域 3，即光热转换、光电转换和光化学转换，此外，还有储能技术。太阳光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷，温室与太阳
16、房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：第一，它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的 11 亿年中，太阳消耗了它本身能量的 2%，可以说是取之不尽，用之不竭。第二，地球上无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，烟台大学文经学院毕业设计2不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。太阳能的利用有它的缺点：第一，能流密度较低，日照较好的地面上 1 平方米的面积所接受的能量只有
17、1 千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。1.3 课题研究的目的和意义本课题研究一种基于单片机控制的自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳光线的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备的能量利用率。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳跟踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也
18、有重大的意义。1.4 太阳能利用的国内外发展现状日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国 4。日本太阳热能的利用，从 1979 年第二次石油危机后开始，1990 年进入普及高峰。太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化为电能。从 2000 年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003 年太阳能发电装机容量约为 86 万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的 49.1%，并计划到 2010 年达到 482 万千瓦，增加约 6 倍。 德国对太阳能资源的利用可追溯到 20 世纪 70
19、 年代，现在德国已经在太阳能系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，发明了一系列高效的太阳能系统。1990 年德国政府推出了“一千屋顶计划” ，至 1997 年已完成近万套屋顶系统，每套容量 15 千瓦，累计安装量已达 3.3 万千瓦。根据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品的产量增加了 5 倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。另据德新社报道 5，全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。这家太阳能发电厂投资 7000 万欧元，占地 77 万平方米，发电总容量达 12 兆瓦，能为 3500 多个家庭供电。截至 2005 年年底，德国共有 6
20、70 万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产 4700兆瓦的热量。已用 4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7 亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比较完备的生产体系。2005 年，美国光伏发电总容量达到 100 万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第 3 位。为了降低太阳能光伏发电系统的生产成本，美国政府最近制定了阳光计划，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材烟台大学文经学院毕业设计2料的研发，提高太阳能光伏电池的光电转化效率。目前，美国正在新建几座新的太阳能电站。预计到 2015
21、年，美国光伏发电成本将从现在的 2140 美分/千瓦时降到 6 美分/千瓦时，届时太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相当的优势，据美国博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到 2050 年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21 世纪末，太阳能将取代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强了重视。 意大利 1998 年开始实行“全国太阳能屋顶计划” ，将于 2002年完成，总投入 5500 亿里拉，总容量达 5 万千瓦。印度也于 1997 年 12 月宣布，将在2002 年前推广 150 万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神 2006”的太阳能利用计
22、划，按照该计划，每年将投入 3000 万法郎资金，到 2006 年，法国每年安装太阳能热水器的用户达 2 万家。 我国由建设部制定的建筑节能“九五”计划和 2010 年规则中已将太阳能热水系统列入成果推广项目 6。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997 年销售面积近 300 万平方米，数量居世界首位。全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达 1000 余家，年产值 20 亿元。根据我国 19962020 年太阳能光电 PV（光伏发电）发展计划，在 2000 年和 2020 年的太阳能光电总容量将分别达到 6.6 万千瓦和 30 万千瓦。 在联网阳光电站建设方面，计划 202
23、0 年前建成 5 座 MW级阳光电站。由国家投资 1700 万元修建的西藏第三座太阳能电站安多光伏电站，总装机容量 100 千瓦，于 1998 年 12 月建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。1.5 太阳追踪系统的国内外研究现状 在太阳能跟踪方面，我国在 1997 年研制了单轴太阳跟踪器 7，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998 年美国加州成功的研究出 ATM 两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一
24、步提高。2002 年 2 月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992 年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994 年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器完成了单向跟踪。目前，太阳跟踪系统中实现跟踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹跟踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。1.6 本论文的研究内容本文所介绍的太阳能自动跟踪装置采用了光电跟踪方式，可实现大范围、高精度跟踪。论文的主要工作包括
25、: (l)分析太阳运行规律及所处地理位置，大致确定设计极限；(2)机械部分也是实现跟踪目的的关键，主要是机械零件的设计和计算，装配图及其零件图；(3)分析传感器工作原理及设计光电转换电路；(4) 选取控制芯片 C51，分析系统的硬件需求，设计控制系统；(5)设计控制方案，步进电动机以及驱动电路。烟台大学文经学院毕业设计3第 2 章 太阳能自动跟踪系统总体设计2.1 太阳运行的规律由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。这种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在的一个 27 度的夹角 8，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为 23 度 27
26、 分，然后逐渐增大，到春分时变为 0 并继续增大，夏至时赤纬角最大 23 度 27 分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变为 0，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。再考虑到该地位置因素及一年四季的太阳方位变化，可以初步确定所设计装置的尺寸、高度角、方位角等的范围。2.2 总体设计原理本设计是基于单片机控制的自动跟踪系统，它利用光电跟踪原理，通过比较太阳能板中心垂线与太阳光线的角度大小来控制信号的输入。采用四个光敏电阻做传感器，把光能转换为电阻的变化，进而通过光电转换电路给单片机输入信号，并由驱动电路来控制步进电机，从而实现机械装置的方位角、高度角的调整。该机械装置主要采用机械传动原理实现，
27、用一对直齿轮传动机构来实现方位角的旋转。同时，采用平面四杆机构原理，用一对滚珠丝杠副来实现高度角的调整。2.2.1 平面四杆机构原理平面四杆机构是由四个刚性构件用低副链接组成的，各个运动构件均在同一平面内运动的机构。(1) 平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的四杆机构，它是平面四杆机构的基本形式，其他四杆机构都可以看成是在它的基础上演化而来的。选定其中一个构件作为机架之後，直接与机架链接的构件称为连架杆，不直接与机架连接的构件称为连杆，能够做整周回转的构件被称作曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动的构件称为摇杆。如果以转动副连接的两个构件可以做整周相对转动，则称之为整转副，
28、反之称之为摆转副。铰链四杆机构中，按照连架杆是否可以做整周转动，可以将其分为三种基本形式，即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。曲柄摇杆机构，两连架杆中一个为曲柄一个为摇杆的铰链四杆机构。双曲柄机构，具有两个曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构，其特点是当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般做不等速转动。在双曲柄机构中，如果两对边构件长度相等且平行，则成为平行四边形机构。这种机构的传动特点是主动曲柄和从动曲柄均以相同的角速度转动，而连杆做平动。双摇杆机构，双摇杆机构是两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构。(2) 平面四杆机构的演化铰链四杆机构可以通过以下方法演化成衍生平面四杆机构。 转动副演化成移动副
29、，如引进滑块等构件。以这种方式构成的平面四杆机构有曲柄滑块机构、正弦机构等。选烟台大学文经学院毕业设计4取不同构件作为机架，以这种方式构成的平面四杆机构有转动导杆机构、摆动导杆机构、移动导杆机构、曲柄摇块机构、正切机构等。变换构件的形态，扩大转动副的尺寸，演化成偏心轮机构。本设计的太阳能板运动设计理念就是来源于平面四杆机构的演化，即采用曲柄滑块机构。2.3 跟踪方案的设计目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式 9 (1)视日运动轨迹跟踪；(2)光电跟踪；(3)视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。下面就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。(1) 视日运动轨迹跟踪不论是采用极轴坐标
30、系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的 具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确
31、定位和跟踪的高准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统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，
32、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
33、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烟台大学文经学院毕业设计5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
34、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 1、2、3、4 分别放置于一块电池板的四个边界处，每两个相对，如图 2.1 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
35、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 2.1 光敏电阻位置2.4 总体结构如图 2.2 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(主轴相对于底座可烟台大学文经学院毕业设计6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
36、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 1、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 2.2 总体结构图烟台大学文经学院毕业设计7第 3 章 机械部分的设计3.1 齿轮的选择3.1.1 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 1009588） 。小齿轮的材料选用 40Cr（调质） ，硬度为 280H
37、BS，大齿轮的材料选用 45 钢（调质） ，硬度为 240HBS。3.1.2 尺寸计算选小齿轮齿数 Z1=24，大齿轮齿数 Z2=3.224=76.8，取 Z2=77。1.按齿面接触强度计算 d1：d1= KT1 (u1)Ze/(duh) (3-1) (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=1.3。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=95.5100000P1/n1Nmm=99480Nmm。3) 选取齿宽系数 d=1。4) 材料的弹性影响系 Ze=189.8MPa/。5) 小齿轮的接触疲劳强度极限 h
38、lim1=600MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限hlim2=550MPa。 6) 应力循环次数 N1=60n1jLh=609601(2830015)=4.14710，N2=N1/3.2=1.29610。7) 取接触疲劳寿命系数 Khn1=0.90;Khn2=0.95。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：h1=(Khn1hlim1) /S=0.9600MPa=540MPa；h2=(Khn2hlim2) /S=0.95550MPa=522,5MPa。(2) 计算1) 试算小齿轮分度圆直径 d1t，代入h中较小的值得：d1t= KtT1(u1) Ze/(duh)
39、= 65.396mm。2) 计算圆周速度 v。V=(d1tn1)/601000=3.29m/s。3) 计算齿宽 b。b= dd1t=165.396mm=65.396mm。4) 计算齿宽和齿高之比 b/h。模数 mt=d1t/z1=65.396/24mm=2.725mm齿高 h=2.25mt=2.252.725mm=6.13mm烟台大学文经学院毕业设计8b/h=65.396/6.13=10.675) 计算载荷系数。根据 v=3.29m/s，7 级精度，可得动载系数 Kt=1.12；直齿轮，Kh=Kf=1；使用系数 Ka=1；Kh=1.423 。由 b/h=65.396/6.13=10.67，Kh
40、=1.423 得 Kf=1.35；故载荷系数K=KaKvKhKh=11.1211.423=1.5946) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径为：d1=d1tK/Kt=65.3961.594/1.3=69.995mm7)计算模数 mm=d1/z1=69.995/24mm=2.92mm2.按齿根弯曲强度计算 m：m= (2KT1YfaYsa)/(dz1f) (3-2)(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 fe1=500MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限fe2=380MPa;2) 弯曲疲劳寿命系数 Kfn1=0.85，Kfn2=0.88 ；3) 计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲
41、劳安全系数 S=1.4 得：f1=(Kfn1fe1)/S=0.85500/1.4=303.57MPaf2=(Kfn2fe2)/S=0.88380/1.4=238.86MPa4) 计算载荷系数 K。K=KaKvKfKf=11.1211.35=1.5125) 取齿形系数。Yfa1=2.65；Yfa2=2.226。6) 取应力校正系数。Ysa1=1.58；Ysa21.764。7) 计算大、小齿轮的 YfaYsa/f并加以比较。Yfa1Ysa1/f1=2.651.58/303.57=0.01379Yfa2Ysa2/f2=2.2261.764/238.86=0.01644可知大齿轮的数值大。(2) 设计
42、计算m=2.05mm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 2.05 并就近圆整为标准值 m=2.5mm，按接触强度算得的分度圆直径 d1=69.995mm，算出小齿轮齿数z1=d1/m=69.995/2.528大齿轮齿数 z2=3.228=89.6，取 z2=90。烟台大学文经学院毕业设计9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，并做到结构紧凑，避免浪费。3.几何尺寸计算(1) 计
43、算分度圆直径d1=z1m=282.5mm=70mmd2=z2m=902.5mm=225mm(2) 计算中心距a=(d1+d2)/2=(70+225)/2mm=147.5mm (3) 计算齿轮宽度b=dd1=170mm=70mm取 B2=70mm，B1=75mm。 3.2 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 3.1 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
44、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 3.1 滚珠丝杠副公称直经烟台大学文经学院毕业设计10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，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 1.5 圈、2.5 圈和 3.5 圈等几种。1、外循环：外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外
45、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。2、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
46、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：1、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。2、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。3、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
47、精确的微进给。4、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)。5、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。3.2.1 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 T20111（CrWMn）12。3.2.2 滚珠丝杠副结构的选择根据防尘、可以防护条件以及对调隙及预紧的要求，可以选择适当的结构形式。例如，当允许有间隙存在时（如垂直运动）可
48、选用具有单圆弧形螺纹轨道的单螺母滚珠丝杠副；当必须有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。经综合考虑，本设置选择具有单圆弧形螺纹轨道的单螺母滚珠丝杠副。烟台大学文经学院毕业设计113.2.3 滚珠丝杠副尺寸的选择选用滚珠丝杠副时通常主要选择丝杠的公称直经 d。和公称导程 Ph。公称直经 d。应根据轴向载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。螺纹长度 L1 在允许的情况下药尽量短，一般取 L1/d。小于 30 为宜；基本导程 Ph（或螺距 t）应按承载能力、传动精度及传动速度选取，Ph 大，承载能力也大；Ph 小，传动精度较高。要求传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。所以，根据 GB/T 17587.11998 标准及滚珠丝杠承载能力的要求和传动精度的考虑，最终选择：d。=25mm；Ph=5mm;L1=450mm。3.2.4 滚珠丝杠副支承方式的选择滚珠丝杠副支承方式 12有：単推単推式、双推双推式、双推简支式、双推自由式。(1) 双推 双推式图 3.2 双推双推式特点：适合于高刚度，高速度，高精度的精密丝杠传动系统。(2) 双推 简支式图 3.3 双推简支式特点：预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统。烟台
