太阳能自动跟踪装置的设计.doc

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：6206 指导老师：李春植（专家）张芹英（助教）5 月 26 日 太阳能自动跟踪装置设计 姓 名：李显 导 师：李春植（专家）张芹英（助教）5 月 26 日 烟台大学文经学院毕业论文（设计）任务书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 6206 毕业届别 专业 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设计 指导教师 李春植 学历 职称 专家 所学专业 指导教师 张芹英 学历 职称 助教 所学专业 重要内容：本设计是基于单片机控制自动跟踪系统，它运用光电跟踪原理，通过比较太阳能板中心垂线与太阳光线角度大小来控制信号输入。采用四个光敏电阻做传感器，把光能转换为电阻变化，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，从而实现机械装置方位角、高度角调整。该机械装置重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旋转。同步，采用平面四杆机构原理，用一对滚珠丝杠副来实现高度角调整。基本规定：满足该装置能精确自动跟踪太阳光运动，以到达最大效率运用太阳能。进度安排：1-2 周 完毕设计任务书和绪论;3-5 周 提出自己设计方案并论证（理论）6-9 周 部件零件设计;10-11 周 草稿完毕;12-13 周 根据格式，完毕论文 指导教师（签字）：年 月 日 院（系）意见：教学院长（主任）（签字）：年 月 日 备注：摘要：摘要：太阳能是自然界一种天然资源，它具有分布范围广、丰富可再生、无污染优良特点，它开发和运用已成为现代研究领域热点。处理怎样提高太阳能运用效率就成为了所有问题关键。太阳能效率提高将直接影响我国能源运用构造变化，对我国可持续发展以及建设资源节省型和环境友好型社会有着重大影响。基于太阳能运用效率考虑，本设计选择太阳能自动跟踪装置，以达届时刻跟踪太阳光线位置，使太阳光最大程度照射到该跟踪装置，满足太阳能充足运用。该装置是基于单片机控制自动跟踪系统，通过考虑某地位置、光照等原因，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目。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，到达深入提高运用效率、跟踪精度规定。关键词关键词：太阳能 ；自动跟踪；单片机；步进电机；二维运动。AbstractAbstract：Solar energy is natures 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 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 achieve 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,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-west direction and north-south direction.This system further improves the utilization efficiency and the requirements of tracking precision.KeyKey wordswords：solar energy；automatic track；microcontroller ；stepping motor；two-dimensional movement.目 录 第 1 章 绪 论.1 1.1 能源现实状况及发展.1 1.2 目前太阳能开发和运用.1 1.3 课题研究目和意义.2 1.4 太阳能运用国内外发展现实状况.2 1.5 太阳追踪系统国内外研究现实状况.3 1.6 本论文研究内容.3 第 2 章 太阳能自动跟踪系统总体设计.4 2.1 太阳运行规律.4 2.2 总体设计原理.4 2.2.1 平面四杆机构原理.4 2.3 跟踪方案设计.5 2.4 总体构造.6 第 3 章 机械部分设计.7 3.1 齿轮选择.7 3.1.1 材料选择.7 3.1.2 尺寸计算.8 3.2 滚珠丝杠副选择.10 3.2.1 材料选择.11 3.2.2 滚珠丝杠副构造选择.11 3.2.3 滚珠丝杠副尺寸选择.11 3.2.4 滚珠丝杠副支承方式选择.11 3.3 太阳能电池板.13 3.4 底座设计.15 3.5 中心轴选择.16 3.5.1 尺寸设计.16 3.5.2 轴校核.16 3.6 轴承选择.16 3.6.1 轴承 1 选择.16 3.6.2 轴承 2 选择.17 3.7 联轴器选择.17 第 4 章 控制部分设计.20 4.1 光电转换器.20 4.1.1 光敏电阻传感器.20 4.1.2 光电转换电路.22 4.2 步进电动机及其驱动电路.23 4.2.1 步进电动机简介.23 4.2.2 步进电机选择.25 4.2.3 驱动电路.25 4.3 单片机及其输入电路.28 4.3.1 8031 单片机.28 4.3.2 单片机输入电路.29 4.4 控制实现过程.31 4.4.1 系统整体电路图.31 4.4.2 系统流程图.32 总结及展望.34 致 谢.35 参照文献.36 第 1 章 绪 论 1.1 能源现实状况及发展 能源是人类社会赖以生存和发展物质基础1。目前，包括我国在内绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为重要能源。伴随矿物燃料日渐枯竭和全球环境不停恶化，诸多国家都在认真探索能源多样化途径，积极开展新能源和可再生能源研究开发工作。虽然在可预见未来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源构造中占有相称比重，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资源运用日益重视，在整个能源消耗中所占比例正在明显地提高。据记录，20 世纪 90 年代，全球煤炭和石油发电量每年增长 l%，而太阳能发电每年增长达 20%，风力发电年增长率更是高达26%。估计在未来 5 至内，可持续能源将可以与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下局面。相对于日益枯竭化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源但愿所在。我国版图广大，有着十分丰富太阳能资源。我国地处北半球欧亚大陆东部，土地广阔，版图广大。我国国土跨度从南到北、自西至东，距离都在 5000km 以上，总面积达96010 km，占世界总面积 7%，居世界第三位。据估算2，我国陆地表面每年接受太阳辐射能约为 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西南部等广大地区太阳辐射总量很大。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”拉萨市，1961 年至 1970 年平均值，年平均 日照时间为 3005.7h，相对日照为 68，年平均晴天为 108.5 天，阴天为 98.8 天，年平均云量为 4.8，太阳总辐射为 816KJ/cm2a，比全国其他省区和同纬度地区都高。全国以四川和贵州两省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。其他地区太阳年辐射总量居中。1.2 目前太阳能开发和运用 人类直接运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，尚有储能技术。太阳光热转换技术产品诸多，如热水器、开水器、干燥器、采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化妆置、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长处：第一，它是人类可以运用最丰富能源，据估计，在过去漫长 11 亿年中，太阳消耗了它自身能量 2%，可以说是取之不尽，用之不竭。第二，地球上无论何处均有太阳能，可以就地开发运用，不存在运送问题，尤其对交通不发达农村、海岛和边远地区更具有运用价值。第三，太阳能是一种洁净能源，在开发和运用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。太阳能运用有它缺陷：第一，能流密度较低，日照很好地面上 1 平方米面积所接受能量只有 1 千瓦左右。往往需要相称大采光集热面才能满足使用规定，从而使装置地面积大，用料多，成本增长。第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。1.3 课题研究目和意义 本课题研究一种基于单片机控制自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳光线运动，保证太阳能设备能量转换部分所在平面一直与太阳光线垂直，提高设备能量运用率。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球一种“人类面临最大威胁严重问题，本课题目是为了更充足运用太阳能、提高太阳能运用率，而进行太阳跟踪系统开发研究，这对我们面临能源问题有重大意义。同步太阳能又是一种无污染清洁能源，加强太阳能开发，对节省能源、保护环境也有重大意义。1.4 太阳能运用国内外发展现实状况 日本是世界上太阳能开发运用第一大国，也是太阳能应用技术强国4。日本太阳热能运用，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，能量转换率不停提高，成本也是新能源中最低。日本将太阳能运用分为太阳光能和热能两种。太阳光能发电，是运用半导体硅等将光转化为电能。从起，日本太阳能发电量一直居世界首位，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 49.1%，并计划抵到达 482 万千瓦，增长约 6 倍。德国对太阳能资源运用可追溯到 20 世纪 70 年代，目前德国已经在太阳能系统开发、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 年已完毕近万套屋顶系统，每套容量 15 千瓦，合计安装量已达 3.3 万千瓦。根据德国联邦太阳能经济协会数字，在过去几年中，德国太阳能有关产品产量增长了 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，全球最大太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运行。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 多种家庭供电。截至年终，德国共有 670 万平方米屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产 4700 兆瓦热量。已用 4%德国家庭运用了清洁环境保护、用之不竭太阳能，估计每年可节省 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生产体系。年，美国光伏发电总容量到达 100 万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第 3 位。为了减少太阳能光伏发电系统生产成本，美国政府近来制定了阳光计划，大幅度增长了光伏发电财政投入，加紧多晶硅和薄膜半导体材 料研发，提高太阳能光伏电池光电转化效率。目前，美国正在新建几座新太阳能电站。估计到，美国光伏发电成本将从目前 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竞争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相称优势，据美国博士对世界一次能源替代趋势研究成果表明，到 2050 年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，二十一世纪末，太阳能将取代核能占第一位，诸多国家对太阳能运用加强了重视。意大利 1998 年开始实行“全国太阳能屋顶计划”，将于完毕，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，将在前推广 150 万套太阳能屋顶系统。法国已经同意了代号为“太阳神”太阳能运用计划，按照该计划，每年将投入 3000 万法郎资金，到，法国每年安装太阳能热水器顾客达 2 万家。我国由建设部制定建筑节能“九五”计划和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、销售和安装企业达 1000 余家，年产值 20 亿元。根据我国 1996太阳能光电 PV（光伏发电）发展计划，在和太阳能光电总容量将分别到达 6.6 万千瓦和 30万千瓦。在联网阳光电站建设方面，计划前建成 5 座 MW 级阳光电站。由国家投资 1700万元修建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、中国装机容量最大太阳能电站。总之，大力发展太阳能运用技术，使节省能源和保护环境重要途径。1.5 太阳追踪系统国内外研究现实状况 在太阳能跟踪方面，我国在 1997 年研制了单轴太阳跟踪器7，完毕了东西方向自动跟踪，而南北方向则通过手动调整，接受器接受效率提高了。1998 年美国加州成功研究出 ATM 两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光透镜，这样可以使小块太阳能面板硅搜集更多能量，使效率深入提高。2 月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置运用控制电机完毕跟踪，采用铝型材框架构造，构造紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面研究，1992 年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994 年太阳能杂志简介单轴液压自动跟踪器完毕了单向跟踪。目前，太阳跟踪系统中实现跟踪太阳措施诸多，不过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；前者是闭环随机系统，后者是开环程控系统。1.6 本论文研究内容 本文所简介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。论文重要工作包括:(l)分析太阳运行规律及所处地理位置，大体确定设计极限；(2)机械部分也是实现跟踪目关键，重要是机械零件设计和计算，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)选用控制芯片 C51，分析系统硬件需求，设计控制系统；(5)设计控制方案，步进电动机以及驱动电路。第 2 章 太阳能自动跟踪系统总体设计 2.1 太阳运行规律 由于地球自转和地球绕太阳公转导致了太阳位置相对于地面静止物体运动。这种变化是周期性和可以预测。地球极轴和黄道天球极轴存在一种 27 度夹角8，引起了太阳赤纬角在一年中变化。冬至时这个角为 23 度 27 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，另一种变化周期开始。再考虑到该地位置原因及一年四季太阳方位变化，可以初步确定所设计装置尺寸、高度角、方位角等范围。2.2 总体设计原理 本设计是基于单片机控制自动跟踪系统，它运用光电跟踪原理，通过比较太阳能板中心垂线与太阳光线角度大小来控制信号输入。采用四个光敏电阻做传感器，把光能转换为电阻变化，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，从而实现机械装置方位角、高度角调整。该机械装置重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旋转。同步，采用平面四杆机构原理，用一对滚珠丝杠副来实现高度角调整。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构成，各个运动构件均在同一平面内运动机构。(1)平面四杆机构基本形式 铰链四杆机构：所有运动副均为转动副四杆机构，它是平面四杆机构基本形式，其他四杆机构都可以当作是在它基础上演化而来。选定其中一种构件作为机架之後，直接与机架链接构件称为连架杆，不直接与机架连接构件称为连杆，可以做整周回转构件被称作曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动构件称为摇杆。假如以转动副连接两个构件可以做整周相对转动，则称之为整转副，反之称之为摆转副。铰链四杆机构中，按照连架杆与否可以做整周转动，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，两连架杆中一种为曲柄一种为摇杆铰链四杆机构。双曲柄机构，具有两个曲柄铰链四杆机构称为双曲柄机构，其特点是当积极曲柄持续等速转动时，从动曲柄一般做不等速转动。在双曲柄机构中，假如两对边构件长度相等且平行，则成为平行四边形机构。这种机构传动特点是积极曲柄和从动曲柄均以相似角速度转动，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铰链四杆机构。(2)平面四杆机构演化 铰链四杆机构可以通过如下措施演化成衍生平面四杆机构。转动副演化成移动副，如引进滑块等构件。以这种方式构成平面四杆机构有曲柄滑块机构、正弦机构等。选用不一样构件作为机架，以这种方式构成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。变换构件形态，扩大转动副尺寸，演化成偏心轮机构。本设计太阳能板运动设计理念就是来源于平面四杆机构演化，即采用曲柄滑块机构。2.3 跟踪方案设计 目前国内外采用跟踪太阳措施有诸多，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种简要简介和比较。(1)视日运动轨迹跟踪 不管是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行位置变化都是可以预测，通过数学上对太阳轨迹预测可完毕对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观以便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有详细公式可用问题。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 详细值却严格已知，同步赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动亲密有关，于是通过天文三角形之间关系式可以得到太阳和观测者位置之间关系。根据太阳轨迹算法分析，太阳轨迹位置由观测点地理位置和原则时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供地理、时间参数来确定即时太阳位置，以保证系统精确定位和跟踪高精确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳地平坐标公式自动运算太阳高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动角度和方向变化。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。参照目前世界通用算法，波及到赤纬角和时角大体有二种算法：算法 l，采用中国国家气象局气象辐射观测措施；算法 2，采用世界气象组织气象和观测措施。由此可以看出，该种跟踪方案不管采用何种算法，算法过程都十分复杂，计算量增 大会增长控制系统成本。并且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了到达高精度跟踪规定，不仅对机械构造加工水平有较严格规定，并且与仪器安装与否对关系极为亲密。工程生产中必须规定机械构造加工精度足够高。初始化安装时，仪器中心南北线与观测点地理南北线规定重叠。同步，还要通过仪器底部水平准直仪将底面调整到与地面保持水平，使仪器高度角零点处在地面水平面内。(2)光电跟踪 老式光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，原则上由三大部件构成：位置检测器、控制组件、跟踪头。位置检测器重要由性能通过挑选光敏传感器构成，如四象限光电池、光敏电阻等。控制组件重要接受从位置检测器来微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置执行元件。(3)视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 由上述讨论可知，开环程序跟踪存在许多局限性，重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。因此使用程序跟踪措施时，需要定期人为调整跟踪装置方向。而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些状况下出现错误跟踪等缺陷。尤其是多云天气会试图跟踪云层边缘亮点，电机往复运行，导致了能源浪 费和部件额外磨损。假如两者结合，各取其长处，可以获得较满意跟踪成果。在视日运动轨迹跟踪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，对于需要减少成本小型太阳能运用装置来讲，该种跟踪方式并不十分合用。本设计选用光敏电阻光强比较法，光敏器件选为光敏电阻。运用光敏电阻在光照时阻值发生变化原理，将四个完全相似光敏电阻 1、2、3、4 分别放置于一块电池板四个边界处，每两个相对，如图 2.1 所示。假如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受到光强度相似，因此它们阻值相似，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，接受光强多光敏电阻阻值减少，接受光强少光敏电阻阻值增大，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光照强度相似，称为光敏电阻光强比较法。图 2.1 光敏电阻位置 2.4 总体构造 如图 2.2 所示，机构构造：步进电机 1 固定在底座上，步进电机 1 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 安装在主轴上端一块托盘上，步进电机 2 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；同步控制信号驱动步进电机 2带动滚珠丝杆转动，滑块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 共同工作实现对太阳方位角和高度角跟踪。图 2.2 总体构造图 第 3 章 机械部分设计 3.1 齿轮选择 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）。小齿轮材料选用 40Cr（调质），硬度为 280HBS，大齿轮材料选用 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)设输入功率大概为 P1=10KW，小齿轮转速 n1=960r/min，因此小齿轮传递转矩T1=95.5 100000P1/n1Nmm=99480Nmm。3)选用齿宽系数 d=1。4)材料弹性影响系 Ze=189.8MPa/。5)小齿轮接触疲劳强度极限 hlim1=600MPa，大齿轮接触疲劳强度极限hlim2=550MPa。6)应 力 循 环 次 数N1=60n1jLh=60 960 1(2 8 300 15)=4.147 10，N2=N1/3.2=1.296 10 。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=0.9 600MPa=540MPa；h2=(Khn2hlim2)/S=0.95 550MPa=522,5MPa。(2)计算 1)试算小齿轮分度圆直径 d1t，代入h中较小值得：d1t=KtT1(u1)Ze/(duh)=65.396mm。2)计算圆周速度 v。V=(d1t n1)/60 1000=3.29m/s。3)计算齿宽 b。b=d d1t=1 65.396mm=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=2.25 2.725mm=6.13mm b/h=65.396/6.13=10.67 5)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=1.423 得 Kf=1.35；故载荷系数 K=Ka Kv Kh Kh=1 1.12 1 1.423=1.594 6)按实际载荷系数校正所得分度圆直径为：d1=d1tK/Kt=65.3961.594/1.3 =69.995mm 7)计算模数 m m=d1/z1=69.995/24mm=2.92mm 2.按齿根弯曲强度计算 m：m=(2KT1 Yfa Ysa)/(d z1 f)(3-2)(1)确定公式内各计算数值 1)小齿轮弯曲疲劳强度极限 fe1=500MPa；大齿轮弯曲疲劳强度极限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。取弯曲疲劳安全系数 S=1.4 得：f1=(Kfn1fe1)/S=0.85 500/1.4=303.57MPa f2=(Kfn2fe2)/S=0.88 380/1.4=238.86MPa 4)计算载荷系数 K。K=Ka Kv KfKf=1 1.12 1 1.35=1.512 5)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 Yfa Ysa/f并加以比较。Yfa1 Ysa1/f1=2.65 1.58/303.57=0.01379 Yfa2 Ysa2/f2=2.226 1.764/238.86=0.01644 可知大齿轮数值大。(2)设计计算 m=2.05mm 对比计算成果，由齿面接触疲劳强度计算模数 m 不小于由齿根弯曲疲劳强度计算模数，由于齿轮模数 m 大小重要取决于弯曲强度所决定承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得模数 2.05 并就近圆整为原则值m=2.5mm，按接触强度算得分度圆直径 d1=69.995mm，算出小齿轮齿数 z1=d1/m=69.995/2.528 大齿轮齿数 z2=3.2 28=89.6，取 z2=90。这样设计齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到构造紧凑，防止挥霍。3.几何尺寸计算(1)计算分度圆直径 d1=z1 m=28 2.5mm=70mm d2=z2 m=90 2.5mm=225mm(2)计算中心距 a=(d1+d2)/2=(70+225)/2mm=147.5mm (3)计算齿轮宽度 b=d d1=1 70mm=70mm 取 B2=70mm，B1=75mm。3.2 滚珠丝杠副选择 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理想产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠构成。如图 3.1 所示，它功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝深入延伸和发展，这项发展重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作。由于具有很小摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于多种工业设备和精密 仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用传动元件，其重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，同步兼具高精度、可逆性和高效率特点。图 3.1 滚珠丝杠副 滚珠丝杠副常用循环方式有两种：外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触称为外循环；一直与丝杠保持接触称为内循环。滚珠每一种循环闭路称为列，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表面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返回方式重要有端盖式、插管式和螺旋槽式。外循环滚珠丝杠外循环构造和制造工艺简朴，使用广泛。其缺陷是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道平稳性。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，镶块嵌入螺母切槽中，其端部开有反向槽，用镶块外轮廓定位。两种反向器比较，公称直经 后者尺寸较小，从而减小了螺母径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器外轮廓和螺母上切槽尺寸精度规定较高。滚珠丝杠副具有如下长处：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3。由于滚珠丝杠副丝杠轴与丝杠螺母之间有诸多滚珠在做滚动运动,因此能得到较高运动效率，与过去滑动丝杠副相比驱动力矩到达1/3如下,即到达同样运动成果所需动力为使用滚动丝杠副1/3，在省电方面很有协助。2、高精度保证。滚珠丝杠副是用世界最高水平机械设备连贯生产出来，尤其是在研削、组装、检查各工序工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格控制，由于完善品质管理体制使精度得以充足保证。3、微进给也许。滚珠丝杠副由于是运用滚珠运动,因此启动力矩极小,不会出现滑动运动那样爬行现象,能保证明现精确微进给。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到达负值,进而得到较高刚性(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,由于滚珠斥力可使丝母部刚性增强)。5、高速进给也许。滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、因此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规定，因此，选择刃具钢，其中低合金工具钢由于合金元素加入，更适合制造丝杠，因此选择 T1（CrWMn）12。3.2.2 滚珠丝杠副构造选择 根据防尘、可以防护条件以及对调隙及预紧规定，可以选择合适构造形式。例如，当容许有间隙存在时（如垂直运动）可选用品有单圆弧形螺纹轨道单螺母滚珠丝杠副；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构造；当具有良好防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力时，可采用构造简朴双螺母垫片调整预紧式构造。经综合考虑，本设置选择具有单圆弧形螺纹轨道单螺母滚珠丝杠副。3.2.3 滚珠丝杠副尺寸选择 选用滚珠丝杠副时一般重要选择丝杠公称直经 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 在容许状况下药尽量短，一般取L1/d。不不小于 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用，Ph 大，承载能力也大；Ph 小，传动精度较高。规定传动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。因此，根据 GB/T 17587.11998 原则及滚珠丝杠承载能力规定和传动精度考虑，最终选择：d。=25mm；Ph=5mm;L1=450mm。3.2.4 滚珠丝杠副支承方式选择 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，合用于中速、精度较高长丝杠传动系统。(3)双推自由式。图 3.4 双推自由式 特点：轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速垂直安装丝杠传动系统；当丝杠垂直安装时，必须采用制动装置。(4)単推単推式 图 3.5 単推単推式 特点：轴向刚度较高，预紧力大，寿命低，构造简朴。考虑到本设计装置轴向载荷不大，因此选择深沟球轴承，并采用简易単推単推式作为支承方式，如图 3.6 所示。既能到达装置规定又最大程度满足经济性规定。图 3.1 简易単推単推式 3.3 太阳能电池板 如图 3.2 所示，太阳能电池板分类13：晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。图 3.2 太阳能电池板 太阳能电池板发电系统：太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）构成。如输出电源为交流 220V 或 110V，还需要配置逆变器。各部分作用为：（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中关键部分，也是太阳能发电系统中价值最高部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推进负载工作。太阳能电池板质量和成本将直接决定整个系统质量和成本。（二）太阳能控制器：太阳能控制器作用是控制整个系统工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护作用。在温差较大地方，合格控制器还应具有温度赔偿功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器可选项。（三）蓄电池：一般为铅酸电池，一般有 12V 和 24V 这两种，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出电能储存起来，到需要时候再释放出来。（四）逆变器：在诸多场所，都需要提供 AC220V、AC110V 交流电源。由于太阳能直接输出一般都是 DC12V、DC24V、DC48V。为能向 AC220V 电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC 逆变器。在某些场所，需要使用多种电压负载时，也要用到 DC-DC逆变器，如将 24VDC 电能转换成 5VDC 电能（注意，不是简朴降压）。太阳能电池板材料：目前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最重要光伏材料，其市场