小型飛機水平尾翼系統(tǒng)設(shè)計含4張CAD圖.zip,小型,飛機,水平尾翼,系統(tǒng),設(shè)計,CAD 小型飛機水平尾翼系統(tǒng)設(shè)計 THE DESIGN OF SMALL AIRCRAFT HORIZONTAL TAIL SYSTEM 摘 要 本文所講述的小型飛機水平尾翼系統(tǒng)是控制小型飛機飛行和保障飛機安全的重要組成部分。主要設(shè)計工作包括以下幾方面： 1．確定總體設(shè)計方案，調(diào)研國內(nèi)外飛機水平尾翼系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)設(shè)計要求，來設(shè)計方案。 2．完成機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要包括軸的計算、齒輪的計算、電動機的選型和計算。 3．完成控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、單片機及程序選擇等。 本設(shè)計充分考慮了空氣受力、氣動效率、推進力、操縱性能與控制能力等方面因素的影響，最終完成了畢業(yè)設(shè)計。 關(guān)鍵詞：飛機尾翼系統(tǒng)、控制、效率； Abstract The small aircraft horizontal tail system described in this paper is an important part of controlling small aircraft flight and ensuring aircraft safety. The main design work includes the following aspects: 1. Determine the overall design plan, investigate the development status of aircraft horizontal tail system at home and abroad, and design according to design requirements. 2. The design of the mechanical structure is completed, including the calculation of the shaft, the calculation of the gear, the selection and calculation of the motor. 3. Complete the design of the control system, including control system hardware circuit design, microcontroller and program selection. The design fully considers the influence of air force, aerodynamic efficiency, propulsion, handling performance and control ability, and finally completes the graduation design. Keywords: aircraft tail system, control, efficiency;  目 錄 第1章 緒論 1 1.1 課題研究的目的和意義 1 1.2 國內(nèi)外的研究狀況 1 1.3 課題任務(wù) 1 1.4 本設(shè)計的主要研究內(nèi)容和要求 1 1.4.1 主要研究內(nèi)容 1 1.4.2 設(shè)計參數(shù)及要求 1 第2章 系統(tǒng)總體方案 4 2.1 系統(tǒng)的工作要求 4 2.2 試驗系統(tǒng)構(gòu)成和控制原理 6 第3章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 3.1 軸的計算 10 3.2 齒輪計算 11 3.3 步進電機的選型和計算 14 3.3.1 步進電機先容 14 3.3.2 步進電機的特點 15 3.3.3 步進電機的選擇 15 3.3.4 步進電機的控制 16 3.3.5 步進電機應(yīng)用中的注意點 18 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計 19 4.1 小型飛機水平尾翼控制系統(tǒng)的組成 19 4.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 19 4.3 MCS-51單片機引腳描述和片外總線結(jié)構(gòu) 19 4.4 MCS-51系列單片機系統(tǒng)擴展 24 4.4.1程序存儲器擴展電路 24 4.4.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器擴展 25 4.4.3 地址鎖存器 27 4.5 8155可編程并行I/O擴展接口 28 4.5.1 8155芯片介紹 28 4.5.2 8051單片機和8155的接口 30 4.6 由8155構(gòu)成的鍵盤、顯示器接口電路 31 4.7 光電旋轉(zhuǎn)編碼器 31 4.8 程序設(shè)計 32 4.8.1 程序設(shè)計技術(shù) 32 4.8.2 程序設(shè)計說明 34 第5章 設(shè)計總結(jié) 36 致 謝 37 參考文獻 37 40 第1章 緒論 1.1 課題研究的目的和意義 從本世紀初飛機發(fā)明以來，人們的生活發(fā)生了很大的變化，飛機給我們帶了來無與倫比的快節(jié)奏和高效率。 隨著社會的不斷進步，飛機的種類、性能和用途也隨之不斷發(fā)展。飛機在做為一種交通工具的同時，人們也希望它能成為生活娛樂的一份子?，F(xiàn)在人們已經(jīng)著手設(shè)計一種適合人們娛樂的小型飛機，豐富人們的業(yè)余生活，減輕人們在現(xiàn)代社會中的壓力。所以我們現(xiàn)在嘗試設(shè)計適合該小型飛機的水平尾翼控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是設(shè)計通過步進電機或者電液伺服系統(tǒng)來代替機械式控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)飛機起飛、降落、左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎時對水平尾翼的控制。該設(shè)計能減輕飛機操作人員的體力消耗，并且能比較精確的控制飛機尾翼的運動，使人們對飛機的操控變得準確簡單。 飛行控制系統(tǒng)在現(xiàn)代的飛機中的主要作用，總結(jié)看來有兩點：①最終使飛機能夠自動控制；②提高飛機的性能。 1.2 國內(nèi)外的研究狀況 21世紀初，美國萊特兄弟使全球飛機發(fā)展實現(xiàn)歷史性跨越。當時大部分覺得，飛機靠自身動力飛行純粹是無稽之談，但萊特兄弟卻不以為然。1900年到1902年間，在1000多次嘗試后，他們在1903年創(chuàng)造了全球第一架靠自身動力飛行的載人飛機，將其命名為“飛行者”1號。最終，試飛告捷。同一年，萊特兄弟還建立了“萊特飛機公司”。這也標志著人類在飛機領(lǐng)域取得重大進展。 一定程度上來說，飛機的出現(xiàn)改變了人類20世紀的歷史。在飛機出現(xiàn)不久，便被應(yīng)用到軍事領(lǐng)域，范圍包括：運輸、偵察等任務(wù)。 飛機還廣泛用于民用領(lǐng)域，已成為今天世界至關(guān)重要的交通工具。飛機出現(xiàn)后，航空運輸業(yè)也取得重大進展。物資運輸更加簡便，人們不再對當?shù)噩F(xiàn)有資源過分依賴。很多不宜長久運輸?shù)纳蠛秃茈y時間保存的各種食品，也能夠通過飛機而跨越國界，使世界各地的人們共同享用。 100年的發(fā)展后，相比于最初萊特兄弟制造的飛機，今天的飛機在形狀、作用等出現(xiàn)顯著變化。它運用了多種諸如機械、動力學(xué)、計算機等多科技領(lǐng)域多方面的技術(shù)，使飛行速度超過了音速，從而使飛機很多方面的性能得到了改善。 而用于娛樂的小型飛機的設(shè)計和開發(fā)正處于起步階段，國內(nèi)外的研究人員在此種飛機的設(shè)計上也還是處在不斷學(xué)習(xí)的過程中。當然，研究的成果也是比較明顯的。例如，在小型飛機操控性能的研究上，已經(jīng)使其變得比一般飛機的操控更加簡單和方便，大眾對操作過程的掌握上也更加容易。這為小型飛機用于娛樂提供了較好的條件。當然，研究的過程中還存在很多的不足，如：如何使飛機在較低的飛行速度和高度下保證有足夠高的靈敏度和安全性；在遇到特殊情況下非專業(yè)飛行員在操作失誤時，如何控制飛機的飛行等等。這些還等著我們?nèi)パ芯?，去完善? 1.3 課題任務(wù) 本課題要研制出針對飛機尾翼動作的自動控制系統(tǒng)，包括手柄，執(zhí)行機構(gòu)和控制器。 具體要求如下： 1） 要求系統(tǒng)用步進電機作為執(zhí)行元件； 2） 由單片機或可編程控制器組成控制系統(tǒng)； 3） 尾翼運動過程中不能有沖擊振動現(xiàn)象； 4） 尾翼可穩(wěn)定在任意位置； 5） 尾翼傾角應(yīng)能實時顯示； 6） 尾翼傾角誤差 1.4 本設(shè)計的主要研究內(nèi)容和要求 1.4.1 主要研究內(nèi)容 對于這些任務(wù)，查詢國內(nèi)外文獻記錄，廣泛調(diào)研后，主要的研究內(nèi)容如下： 1.制定總體方案 設(shè)計部分有：驅(qū)動、機械、信號機檢測系統(tǒng)及其它部分設(shè)計。 2.設(shè)計機械結(jié)構(gòu) 主要包括操縱機構(gòu)、尾翼齒輪傳動系統(tǒng)等。 3.電氣系統(tǒng)設(shè)計 其中包括單片機及擴展芯片系統(tǒng)設(shè)計。 4.總結(jié) 其中包括設(shè)計小結(jié)、體會等。 1.4.2 設(shè)計參數(shù)及要求 （1）要求： 實現(xiàn)對尾翼轉(zhuǎn)角的控制。 （2）參數(shù)： ①最大轉(zhuǎn)角：（左右尾翼） ②運動形式：左右尾翼分開運動 ③驅(qū)動方式：步進電機 ④尺 寸：340x380x645 ⑤實現(xiàn)單片機控制操縱 （3）工作任務(wù)： ①設(shè)計機械系統(tǒng)：CAD繪圖，A0×3 ②設(shè)計電氣系統(tǒng)：CAD繪圖，A0×1（電氣原理圖） ③系統(tǒng)軟件：100句以上 ④說明書：20000字 ⑤外文翻譯：5000漢字 ⑥查閱有關(guān)資料：15篇以上 （4） 工作計劃 1、第1周~第4周： （1）調(diào)研，收集有關(guān)資料； （2）整理和篩選有關(guān)資料； （3）消化理解設(shè)計中涉及到的知識； （4）翻譯5000字； （5）開題報告。 2、第5周~第16周： （1）第五周~十周：完成草圖； ①：機械系統(tǒng)設(shè)計（完成機械系統(tǒng)裝配圖1張，CAD繪圖，AO圖紙）； ②：電器系統(tǒng)設(shè)計：a:硬件設(shè)計（電氣原理圖一張，AO圖紙） b:軟件編程 （2）第11周~第13周：完成CAD繪圖和設(shè)計說明書； （3）第1四周~第15周：出圖、打印說明書、準備答辯。 第2章 系統(tǒng)總體方案 2.1 系統(tǒng)的工作要求 飛機的種類、形狀和用途千差萬別，但任何一架飛機都有六個基本特征： 1．提供足夠的升力； 2．具有較高的氣動效率（升阻比）； 3．產(chǎn)生足夠的推進力； 4．具有良好的穩(wěn)定特征； 5．具有滿意的操縱與控制能力； 6．具有滿意的全機受力受熱特性。 飛機是否穩(wěn)定必須按三個相互垂直的軸來考慮，這三個軸都通過飛機重心。 縱軸指的是從機頭到機身的軸；橫軸指的是與縱軸垂直并經(jīng)過重心的軸；通過重心直上直下的軸叫主軸。機繞水平軸的運動稱為俯仰運動（即頭部和弓形）;圍繞主軸的運動稱為偏航運動;圍繞垂直軸的運動稱為翻滾運動。有些圍繞飛機的問題也由此出現(xiàn)，如：如何保證控制橫向、縱向和方向穩(wěn)定。 俯仰穩(wěn)定是縱向穩(wěn)定的別名，來衡量飛機圍繞橫軸的穩(wěn)定性。干擾縱向穩(wěn)定的一個重要原因是迎角變化。飛機穩(wěn)定飛行時，如有一個小的外力影響，如忽然的一陣風，增大或減小迎角，飛機便會抬頭或低頭，圍繞橫軸上下?lián)u動。外力失效后，飛行員依靠飛機氣動面產(chǎn)生的一個力矩而不操縱飛機，使它回到先前的平衡狀態(tài)，這架飛機便是縱向穩(wěn)定的。若飛機不能自動回到平衡狀態(tài)，就稱為縱向不穩(wěn)定。 干擾飛機的縱向穩(wěn)定的原因很多，水平尾翼和重心位置是主要因素。進行設(shè)計工作時，計算和明確重心位置是首要工作，發(fā)動機安裝位置，油箱位置和大型載荷位置都要統(tǒng)籌考慮。水平尾翼是確保飛機縱向穩(wěn)定的基本要求。水平尾翼和機翼類似，也會造成額外升力，但其主要功能是使穩(wěn)定并使飛機縱向力矩平衡，故又叫做水平安定面。由于離重心較遠，水平尾翼總體面積不大，所造成的升力很小，但產(chǎn)生的力矩很大。 水平尾翼對飛機縱向穩(wěn)定的作用原理如下：首先假定飛機處于水平平衡飛行狀態(tài)，一股風從下吹向機頭，把機頭抬了起來。此刻，機翼迎角變大，與此同時，尾翼的迎角也變大。一定的范圍中，迎角變大，升力也變大，所以尾翼會產(chǎn)生一個升力，方向向上。因為此力會造成與抬起機頭力矩相反的力矩，按下機頭。飛機會很快回到之前的水平飛行狀態(tài)，盡管在此過程中會經(jīng)歷短暫的上下?lián)u擺。 類似地，若陣風在上方吹向機頭，按下機頭，從而會減小機翼和尾翼的迎角。由于機翼的安裝角小，迎角減小的結(jié)果是它呈負迎角狀態(tài)，從而產(chǎn)生的氣動力方向朝下，也就是負升力。在這里會產(chǎn)生抬頭力矩，抬高機頭，經(jīng)歷短時間的擺動，飛機將回到先前的水平飛行狀態(tài)。 方向穩(wěn)定也叫做航向穩(wěn)定，也就是飛機圍繞垂直主軸的穩(wěn)定狀態(tài)。飛行時，飛機要維持原有航向，若存在一些影響使飛機離開了原有航向，這時就會產(chǎn)生一個偏航角。具備穩(wěn)定方向性能的飛機可在干擾消失后，回到原有航向上飛行，不然，飛機的方向不穩(wěn)定。 橫向穩(wěn)定指圍繞縱軸的穩(wěn)定情況，又叫做滾動穩(wěn)定。機翼的上反角、下反角和后掠角用于確保橫向穩(wěn)定。上反角是指飛機左右兩個翼面的翼梢較高，呈現(xiàn)V字形的角度。下反角正好相反，翼梢較低。上反角的作用是保持橫向穩(wěn)定，下反角卻會破壞側(cè)向穩(wěn)定。 飛機除了能作穩(wěn)定飛行，并能通過空氣動力學(xué)保證穩(wěn)定飛行之外，控制性也要穩(wěn)定。若飛機不平穩(wěn)，盡管飛起不易，但還能飛起來，然而，若飛機不能操縱，就完全不能飛。有時，設(shè)計飛機故意讓它具有一定的不穩(wěn)定性，目的是提高它的機動性，要保證這一點，對操縱系統(tǒng)的要求就更高了。由此可見，操縱對于飛機來說是何等重要了。 一架飛機的操作性好指的是飛行員只要用很小的力，就可以使飛機對舵面的偏轉(zhuǎn)迅速作出反應(yīng)，改變飛行狀態(tài)。但飛行的操作機構(gòu)和氣動操縱面并不是越靈敏越好。若太靈敏，飛行員便由于每時每刻要留心飛機的實時控制情況，從而飛行員無暇兼顧其它工作。 飛機操縱與飛機穩(wěn)定性也緊密聯(lián)系，具體要求卻總相互矛盾。穩(wěn)定性良好，操縱性可能靈敏度不夠；操縱性很好，穩(wěn)定性又不盡人意。因此，要具體情況具體分析，合理安排實際需要，協(xié)調(diào)使綜合性能與穩(wěn)定性均能滿足要求。通常，戰(zhàn)斗機的操縱性應(yīng)該很靈敏，穩(wěn)定性差一點問題不大。而民航機強調(diào)的是安全，穩(wěn)定性要求應(yīng)該高一些，操縱特性可以稍差一點。 另外，操縱飛機還與機動性聯(lián)系。機動性，是說飛機在一段時間內(nèi)飛行時所表現(xiàn)的性能如：改變飛行速度、高度和方向。表現(xiàn)機動性的指標包括：轉(zhuǎn)彎半徑、加速性能、大迎角飛行能力、爬升率、盤旋角速度等。而對戰(zhàn)斗機來說。機動性高于對手是取勝的關(guān)鍵因素之一。飛機操縱的靈敏性，很大程度上決定了機動性的情況。 由于駕駛該種小型飛機是面向廣大普通民眾的一種娛樂項目，因此它因該具有良好的操控性能和安全性能。因而，在對飛機方向的控制，也就是對飛機尾翼的控制因該簡單方便，應(yīng)在駕駛桿和尾翼之間加設(shè)傳感器和傳動機構(gòu)，這也是我們此次設(shè)計的重點。在駕駛桿的橫向和縱向各設(shè)有一個三角位移傳感器。在這兩個方向上，駕駛桿轉(zhuǎn)過的角度和位移將由傳感器收到，再把其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號傳給傳動機構(gòu)。我們所采用的傳動機構(gòu)為伺服步進電機傳動機構(gòu)，在接受到來自于傳感器的信號，傳動機構(gòu)能控制尾翼做相應(yīng)的動作。 2.2 試驗系統(tǒng)構(gòu)成和控制原理 完全系統(tǒng)的組成部分包括：操縱系統(tǒng)、步進電機控制系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、尾翼齒輪傳動系統(tǒng)組成。 飛行員借助十字軸操縱手柄來操縱飛機，通過角度傳感器來檢測信號，并將信號傳給信號處理系統(tǒng)，再將信號傳遞給步進電機，由步進電機帶動齒輪傳動系統(tǒng)，進而帶動水平尾翼軸來控制水平尾翼的動作，水平尾翼軸上的傳感器將檢測到的信號反饋給信號處理器，形成一個反饋控制，相對精確地對水平尾翼進行控制。 1．操縱系統(tǒng) 十字操縱桿有四個方向的運動，即前、后、左、右偏轉(zhuǎn)。尾翼的上下偏轉(zhuǎn)由操縱桿的前后運動實現(xiàn)；左右兩尾翼的一上一下偏轉(zhuǎn)由操縱桿的左右運動實現(xiàn)。而飛機平穩(wěn)飛行時，機翼和尾翼確?？諝鈩恿惋w機重力的力矩平衡。如果駕駛員把操縱桿向前推，傳感器接將收到信號并將信號傳給傳動機構(gòu)，傳動機構(gòu)便使尾翼向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的空氣動力和力矩破壞了先前的平衡狀態(tài)。氣流吹著尾翼，造成了一個力，方向向上，飛機中心后面是其作用面，進而造成了一個力矩，抬起機尾。該力矩按下機頭，飛機從而降落。前推與后拉操縱桿與控制尾翼相似，將使飛機抬頭和升起。 駕駛員通過操縱桿左右偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)飛機的方向偏轉(zhuǎn)。假設(shè)向左推動操縱桿，操縱桿的偏轉(zhuǎn)角度和位移傳給傳感器，并將作為輸入信號傳給步進伺服電機傳動機構(gòu)，左尾翼在此作用后向上偏轉(zhuǎn)，迎角變小，空氣對左尾翼的作用下降，從而右尾翼向下偏轉(zhuǎn)，迎角變大，故空氣對右尾翼作用上升。由左右尾翼的壓力差相對縱軸產(chǎn)生的力矩使飛機往左偏，飛機向左轉(zhuǎn)。飛機向右偏轉(zhuǎn)與向左偏轉(zhuǎn)類似，即通過操縱桿向右動作與向左動作來實現(xiàn)。 圖2.1 操縱機構(gòu)示意圖 1. 信號檢測系統(tǒng) 信號檢測系統(tǒng)主要由角度測量儀等相關(guān)元器件組成，通過角度測量儀來測量。十字軸轉(zhuǎn)動時將使所對應(yīng)軸產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)角，再將此角信號轉(zhuǎn)變成電信號。把電信號處理過后，由步進電機驅(qū)動電路來對步進電機的運動進行控制，由此帶動齒輪對水平尾翼進行控制。安裝角度測量儀在水平尾翼的轉(zhuǎn)動軸處從而便于檢測尾翼的轉(zhuǎn)角，把該信號返回且判斷角度是否符合所需要的精度，在飛機尾翼轉(zhuǎn)角不夠或過大時，檢測出其差值，并依照差值來作出對應(yīng)的動作來最終使轉(zhuǎn)角符合要求。此外，該過程中還要不斷地對水平尾翼的轉(zhuǎn)角、判斷、動作進行檢測，直到滿足要求為止。 2. 信號處理系統(tǒng) 該系統(tǒng)主要由單片機、地址鎖存器、存儲器、I/O口擴展芯片、步進電機驅(qū)動電路等組成。其主要任務(wù)是把在處理過后信號檢測系統(tǒng)檢測到的信號輸出給步進電機。 3. 步進電機控制系統(tǒng) 功率放大器：分為前置放大和大功率驅(qū)動兩方面，前者用來推動大功率器件裝備，構(gòu)成器件大多為射極跟隨器、反相器等器件；后置放大都是大功率器件，是驅(qū)動電路中最關(guān)鍵的部分。 脈沖頻率的實現(xiàn)：輸出一個控制字即等于發(fā)出一個步進脈沖，脈沖與脈沖之間要存在時間間隔，也就是脈沖周期，它反映了步進電機的步進頻率，也就是速度。產(chǎn)生脈沖周期的方式很簡單，主要有兩種：運用程序循環(huán)延時和運用定時器中斷。程序循環(huán)延時占用計算機機時較為嚴重，而且在計算機驗時階段將不能處理其他事務(wù)，此外，延時并不很精確，但實現(xiàn)簡單，計算機的硬件資源不會被占用，主要用在CPU較空閑的場合；定時器中斷可以精確定時，而且CPU運行時間不會被占用，但有的時候系統(tǒng)另外擴展定時器卻是需要的。 5．尾翼齒輪傳動系統(tǒng) 尾翼部分的動力主要由步進電機來提供，通過一級齒輪傳動系統(tǒng)進行減速，來帶動尾翼軸使其旋轉(zhuǎn)，從而對整個尾翼的運動進行控制。 齒輪傳動系統(tǒng)的減速比為1：3，步進電機的步距角將會被減小3倍再傳給尾翼軸。步進電機的步距角是1.8 ，經(jīng)齒輪減速系統(tǒng)后減小為0.6 。所以此系統(tǒng)的精度相對而言是比較高的，并符合要求。 圖2.2 尾翼部分齒輪傳動系統(tǒng)示意圖 第3章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 在前面的論述中可以了解到，操縱桿的前推和后拉運動，實現(xiàn)對尾翼同時正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)一定角度，操縱桿的左右動作將使得左右尾翼在不同方向上進行一定角度的旋轉(zhuǎn)。要使這些功能能夠?qū)崿F(xiàn)，必須對相應(yīng)的元件進行計算和校核。在飛機飛行的過程中，對飛機方向控制主要由尾翼實現(xiàn)，因而承受較大的力，現(xiàn)對尾翼上的軸和齒輪進行校核。 3.1 軸的計算 飛機水平尾翼存在著可轉(zhuǎn)動的部分，此部分叫做襟翼。相應(yīng)地，小型飛機的襟翼也比較小。在進行計算時，襟翼可以被等效為一個矩形，長為300mm|寬為100mm。襟翼的邊緣是襟翼的轉(zhuǎn)軸所處位置。 襟翼存在著轉(zhuǎn)動范圍，即和水平面所夾角是±45°。另外與此同時，小型飛機的飛行速度不高，最高速度500km/h，約為138.89m/s。當天氣狀況不理想時，出于安全考慮，此類型的小型飛機就不飛行，反過來看，飛行時的天氣狀況也良好。 在計算過程中可以用極限情況來模擬計算，如果在極限情況下，飛機仍能安全飛行，那么飛機就是安全的?，F(xiàn)以飛機飛行的最高速度來進行計算，同時假定襟翼與空氣相對速度之間的夾角為90°，而且把空氣視為粒子，其速度為正，空氣粒子在與襟翼撞擊之后的速度變?yōu)榱悖▽嶋H上空氣的速度仍然為正）?？諝獾拿芏圈?1.29g/L 。襟翼轉(zhuǎn)軸主要受扭矩?，F(xiàn)以沖量的計算方法來計算襟翼的受力，(轉(zhuǎn)軸的材料為45鋼，取30MPa) 面積s=0.1x0.3=0.03 v=500km/h≈138.89m/s ∵ Ft=mv F=mv/t=ρVv/t=ρsvv=1.290.03x138.89x138.89=746.54 N 現(xiàn)假設(shè)力F作用于襟翼的離轉(zhuǎn)軸最遠的邊緣距離為d=0.07m，則 轉(zhuǎn)矩 M=F d=746.54x0.07=52.258 Nm 根據(jù)扭轉(zhuǎn)強度條件設(shè)計軸的直徑d 由強度條件可知 則 故安裝軸最低軸承處的軸徑為ф20mm.。 同樣，襟翼前的傳動軸的最小軸徑為ф20mm，在傳動比大于1時軸徑更小。此次設(shè)計是按照傳動比為1來設(shè)計傳動軸的，因而傳動軸的最小軸徑為ф20mm。 3.2 齒輪計算 1）材料、熱處理方式、精度、齒數(shù)選擇 根據(jù)設(shè)計要求，選材40MnB，選擇表面淬火的熱處理方式，使齒面硬度在48~55HRC。尾翼齒輪傳動載荷分布均勻性要求較高，選擇精度為8—8—7。選小齒輪齒數(shù)=20，= i=60 2）按齒跟彎曲疲勞強度設(shè)計 一般而言，彎曲強度決定閉式硬齒面齒輪的綜合承載能力，故而設(shè)計時先根據(jù)彎曲強度，再來校核接觸強度。 由式 確定式中各項數(shù)值： 由于載荷相對平穩(wěn)，在使用系數(shù)K 表，查K =1，所以初選載荷系數(shù)K =2； 所選用的電機轉(zhuǎn)矩 =9.7N m=970N mm 由式 ，計算端面重合度=1.68 由式 =0.7 參考齒系數(shù)表，選擇=0.7 依照應(yīng)力修正系數(shù)圖及外齒形系數(shù)圖查得 =2.8 =1.56 =2.32 =1.7 由式= =8.63 查表得 Y=0.88，Y=0.89 選 S= 1.60 按齒面硬度均值51HRC,查表得==450MPa []===248MPa 同理， []==250 MPa ==0.0176 同理，==0.0161 所以，取前者設(shè)計齒輪。 設(shè)計齒輪模數(shù)：把已確定的數(shù)代入公式，求得： = =1.31mm 修正： ==0.82m/s 查表得 則: K=KKKK =1.32 m=m=1.31mm 考慮到磨損，選用m=2mm的標準模數(shù) 確定齒輪幾何參數(shù) d=m Z=220=40mm d=m Z=260=120mm a==80mm b==40×0.7=28mm 取=35，=30 校核齒面接觸疲勞強度 從彈性系數(shù)表可得Z=189.8 依照節(jié)點區(qū)域系數(shù)圖得到 從接觸強度重合度系數(shù)表得到 依照接觸強度壽命系數(shù)圖得到=0.92 由滲碳淬火鋼和表面碳化（火焰或感應(yīng)淬火）的圖，按齒面硬度均值51HRc，在MQ和ML線之間查出= 由最小安全系數(shù)參考值表查得.25 =746 =780 取前者作為強度條件。 將確定的各個數(shù)代入接觸強度校核公式，得 =350 M Pa＜ 所以滿足齒面接觸疲勞強度。 3.3 步進電機的選型和計算 3.3.1 步進電機先容 脈沖電機是步進電機的別稱，能把輸入信號轉(zhuǎn)化成相對應(yīng)直線或旋轉(zhuǎn)增量運動，屬于伺服時機。 制造步進電機時，首先依照組合電磁鐵理論設(shè)計，以電脈沖信號行使控制作用，轉(zhuǎn)化信號為相應(yīng)的直線或位移。脈沖通過專用電源轉(zhuǎn)到定子各相控制繞組，按一定次序在氣隙中產(chǎn)生脈沖磁場，和旋轉(zhuǎn)磁場相像。脈沖信號決定電動機運動。 3.3.2 步進電機的特點 1）全數(shù)字化控制。利用數(shù)字脈沖信號進行控制作用，一個脈沖對應(yīng)一個步距，也就是輸入指令與輸出指令都是數(shù)字化的，也即數(shù)模轉(zhuǎn)換是不必要的，從而更便于連接計算機。 2）步距角存在較大誤差，但并不會積累誤差。盡管步進電機的存在較大誤差的步距角，但其位移量卻由輸入脈沖數(shù)決定，因而當不失步時，步進電機轉(zhuǎn)一周時累積的誤差為零，所以具有其精度較高。 3）控制系統(tǒng)容易，低成本。除卻功率放大電路，其余硬件電路均可用軟件來靈活控制，并且電機結(jié)構(gòu)簡單，沒有滑環(huán)和電刷，便于維修。 4）方便調(diào)速。步進電機轉(zhuǎn)速隨控制脈沖頻率的增大而增大，變化控制脈沖頻率，電機轉(zhuǎn)速便可被調(diào)節(jié)，范圍較大，此外啟動、反轉(zhuǎn)、定位也很簡便。 5）分辨率固定。分辨率無法改變，因為步距角或運動增量已固定，主要應(yīng)用領(lǐng)域是開環(huán)控制系統(tǒng)，但不利于向數(shù)字控制高度方向發(fā)展。 6）分辨率低。這是步進電機的一個主要缺點，由于輸入功率的一大部分轉(zhuǎn)變成熱能耗散，所以電機發(fā)熱發(fā)燙嚴重。 7）不適合大慣量負載。 8）低速時易發(fā)生搖晃，所以要加附加阻尼。 3.3.3 步進電機的選擇 （1）步進電動機的技術(shù)參數(shù) 通過以上對所須轉(zhuǎn)距的計算，加上控制系統(tǒng)對傳動精度的要求，選用86HB2A118—308型號反應(yīng)式步進電動機。相關(guān)參數(shù)見表3-1。 表3-1 電動機技術(shù)參數(shù)： 相 數(shù) 2 相電阻 1.2Ω 步距角 1.8 分配方式 二相四拍 相電感 11.5mHV 最大靜轉(zhuǎn)距 9.7Nm 靜態(tài)相電流 4A 轉(zhuǎn)動慣量 2700g 外型尺寸 外 徑 80x80mm 長 度 80mm 軸 徑 16mm 重 量 3.8kg 3.3.4 步進電機的控制 圖3-2示意圖為步進電機的控制，信號直線位移量s或角位移量θ隨電脈沖數(shù)的增大而增大，其線速度v或轉(zhuǎn)速n隨脈沖頻率f的增大而增大。分析步進電動機控制特性知，角位移量θ或直線位移量s、轉(zhuǎn)速n或線速度v在額定負載范圍內(nèi)不會隨著環(huán)境狀況、負載、電源電壓變化，故而在開環(huán)系統(tǒng)中很適合作執(zhí)行元件，減少整個系統(tǒng)生產(chǎn)價格。 用微電腦進行數(shù)字控制時，不用進行D/A轉(zhuǎn)換，所以能把數(shù)字脈沖信號直接轉(zhuǎn)變成角位移。使定子各繞組間沒有互感，且定、轉(zhuǎn)子使用凸極結(jié)構(gòu)，不考慮空間磁場諧波影響，能提高定位轉(zhuǎn)矩的幅值和定位精度，然后來考慮n的相關(guān)控制問題?，F(xiàn)在，由于步進電動機功率得到大幅提高，傳動齒輪力矩等放大裝置可以考慮不使用，這樣，機床運動視為由功率步進電動機驅(qū)動。與此同時，整個結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)得到簡化，系統(tǒng)精度得到提高。 光電隔離電路屬于電動機驅(qū)動電路一部分。從脈沖分配器輸出的信號將控制電動機的勵磁繞組，該勵磁繞組也被放大。由于電動機的驅(qū)動電壓高，電流也很大。如果輸出信號和電源直接連接。放大器會產(chǎn)生強電干擾。輕輕破壞計算機程序的運行，然后破壞接口電路和計算機。因此，通常在接口電路功率放大器之間增加隔離電路，通常使用光耦合器。該組合物是發(fā)光裝置和光接收裝置，輸入端是連接到發(fā)光源的引線，輸出端是連接到光接收元件的引線。通常，發(fā)光二極管是發(fā)光器件，光電晶體管是光接收器件。輸入端接收輸入信號時，LED將打開并發(fā)光。在光電晶體管曝光后，由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流，輸出來自輸出端，從而實現(xiàn)電信號的傳輸，介質(zhì)很輕。輸入和輸出是分開的。 單電壓電路是驅(qū)動電路所用的。如圖3—2是基本電路示意圖，經(jīng)控制大功率開關(guān)TDE的通、斷來控制繞組線圈，R為限流電阻。采用這種控制電路簡單、方便，應(yīng)用廣泛。 圖3-3 步進電機單電壓驅(qū)動電路 3.3.5 步進電機應(yīng)用中的注意點 1、用在低速場合，即：轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)/min，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，在此區(qū)間使電機運行能夠用減速機，這樣電機便具備較高效率，噪音也不大。 2、最好不要用全步狀態(tài)，因為步進電機在全步狀態(tài)下振動較大。 3、12V僅是標稱電壓為12V的電機。另外，驅(qū)動電壓伏特不是其他電動機的電壓值?？梢愿鶕?jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（推薦：57BYG DC 24V-36V，86BYG DC 50V，110BYG超過DC 80V），當然除了12V恒壓驅(qū)動外，12伏還可以使用其他驅(qū)動電源，但應(yīng)考慮溫升。 4、使用具有大轉(zhuǎn)動慣量的負載時，選擇大框架電機。 5、當速度較高或有大慣量負載時，電機應(yīng)逐漸提速升頻，一般來說，它不應(yīng)以額定轉(zhuǎn)速啟動，這樣電機不會失步，并且可以降低噪音，并且可以提高定位精度。 6、為了獲得高精度，必須通過機械減速來增加電機的速度，或者使用高細分驅(qū)動器。除了這個5相電機，它可以考慮，但價格更昂貴，并沒有很多制造商。 7、使用區(qū)間不包括振動區(qū)，果真需要的話，解決辦法是：改變電流、電壓或增加阻尼。 8、當工作電壓低于600PPS（0.9度）時，電機使用低電壓，低電流和大電感。 9、應(yīng)先選擇電機后擇驅(qū)動。 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 小型飛機水平尾翼控制系統(tǒng)的組成 在此次設(shè)計中，要實現(xiàn)對水平尾翼的自動控制，需要設(shè)計一個控制系統(tǒng)，單片機是主控制元件。此系統(tǒng)的組成部分包括： 74LS373地址鎖存器、8051單片機、6264靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器、2764程序存儲器、8155可編程并行I/O口擴展芯片、74LS138譯碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器等。 4.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 1、主控制器 CPU:中央處理單元 2、總 線 包括地址BUS，控制BUS，數(shù)據(jù)BUS。 3、存 儲 器 包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器及其擴展 4、接 口 包括外部設(shè)備接口及其驅(qū)動電路 4.3 MCS-51單片機引腳描述和片外總線結(jié)構(gòu) 單片機特性：（1）結(jié)構(gòu)小、成本低，產(chǎn)品化容易，在組成智能測試和控制設(shè)備和儀器儀表時，較為方便。（2）可靠性高，可適用溫度范圍廣。（3）擴展容易、較強的控制性能。（4）實現(xiàn)多機控制和分布式控制時方便。 MCS-51單片機硬件結(jié)構(gòu)存在的特點： 1、內(nèi)部程序存儲器（ROM）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）容量 MCS-51F單片機內(nèi)部ROM和內(nèi)部RAM容量見4-1。 表4-1 MCS-51單片機存儲器容量 2、外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間 MCS-51能在不受影響時處理64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器，程序存儲器的內(nèi)部和外部存儲器空間是64KB。所以MCS-51外部程序存儲器的最大尋址范圍是64KB。 3、輸入/輸出（I/O）口 MCS-51 MCU中的I / O端口種類繁多，數(shù)量齊全，特別是在有全雙工串行端口的情況下。串口由兩條I / O線組成。能以編程來選擇對四種工作模式進行選擇。 MCS-51有32條I / O線。 4、定時/計數(shù)器與寄存器區(qū) MCS-51子系列有2個16位定時/計數(shù)器，四種工作模式可由編程來實現(xiàn)。四個通用寄存器區(qū)在MCS-51的內(nèi)部RAM中，含有32個通用寄存器，來實現(xiàn)多種中斷或子程序嵌套。 5、中斷與堆棧 MCS-51有5個中斷源，分為兩個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級以及堆棧位置能夠進行編程，堆棧深度128字節(jié)。 6、指令系統(tǒng) 與MCS-48相比，MCS-51還具有指令系統(tǒng)，但性能更強。主要方面是系統(tǒng)增加了減法，乘法，除法，比較，堆棧操作（即插入和彈出）和各種位。操作說明，在振蕩器頻率為12MHz時，大部分指令的執(zhí)行時間為1μs，少部分為2μs，乘法和除法指令為4μs。 結(jié)合上面的描述可知，I / O線不計為用戶I / O線。 除了8051/8057之外，用戶使用的I / O線僅為P1端口，第二部分在使用第一個功能時用作P3端口。 圖4-1顯示了根據(jù)引腳功能分類的MCS-51微控制器的片外總線結(jié)構(gòu)。 見于4-1，除了電源，時鐘，訪問用戶I / O端口和復(fù)位外，微控制器的其他引腳也設(shè)置為擴展系統(tǒng)。CS-51 MCU的片外三總線正是它們的組成部分。即： ①地址BUS（AB）：寬是16位，故其外部存儲器直接尋址是64K字節(jié)，P0口經(jīng)地址鎖存器為16位地址總線給低8位地址（A0—A7）；高8位地址（A8—A15）由P2口直接提供。 ② 數(shù)據(jù)BUS（DB）：8位，P0口來給予。 ③ 控制BUS（CB）：由4根獨立控制線組成：RESET、 、ALE 、P3口的第二功能狀態(tài)。 單片機的擇?。海?）比較不同的微控制器：首先選擇合適的內(nèi)存。單片機內(nèi)部存在著兩種存儲器：一種是程序存儲器，專門去儲存用戶程序和常數(shù)；另一種是數(shù)據(jù)存儲器，用于存放數(shù)據(jù)。他們是絕對獨立的，不同單片機有不同的存儲器容量。一般來說，選的單片機其片內(nèi)無程序存儲器，靠片外擴展構(gòu)成最小單片機系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠靈活使用，方便改寫程序。在選擇單片機時還要留心接口能力、指令系統(tǒng)、尋址方式及功耗等問題。（2）相應(yīng)開發(fā)系統(tǒng)必須具備。（3）選擇市場上的主流產(chǎn)品。 通過對以上單片機性能特點的綜合考慮，此次設(shè)計中選用8051單片機， 80它是一種直插式元件，且是雙列式，引腳四十個，32根引腳要4個并口中，可當作數(shù)據(jù)線、I/O線、地址線，此中，P3口還具備第二功能（用于中斷和定時）。除此之外，還有其它引腳部分：6根控制引腳、2根電源引腳。每個引腳的功能解釋和描述如下： (1）端口引腳P0.0—P0.7、P1.0—P1.7、P2.0—P2.7、P3.0—P3.7 端口P0：雙向端口，漏極開路為82位。當數(shù)據(jù)總線（當內(nèi)部上拉電阻有效時）和8位地址訪問外部存儲器時，程序用作輸出命令字節(jié)（需要外部上拉電阻），P0端口有8 LSTTL負載驅(qū)動能力。 端口P1：帶有上拉電阻的8位準雙向端口。驅(qū)動四個LSTTL負載以驅(qū)動MOS輸入，無需外部上拉電阻。 P2端口：P2KOUS是一個8位準雙向端口，帶有上拉電阻。訪問外部存儲器時，其功能是具有高8位地址的輸出端口。它能夠驅(qū)動四個相同的負載。類似地，可以在沒有外部上拉電阻的情況下驅(qū)動MOS輸入。 P3端口：P3端口是一個8位準雙向端口，帶有上拉電阻。它可以驅(qū)動4個LSTTL負載。類似地，可以在沒有外部上拉電阻的情況下驅(qū)動MOS輸入。 此外，P3端口還負責MCS-51的所有特殊功能。 （2）控制引腳和電源引腳RST / VPD，ALE / PROG，PSEN和EA / VPP REST / VPD：當振蕩器工作時，該引腳產(chǎn)生高電平（低到高轉(zhuǎn)換）。時間是兩個機器周期，重置微控制器。在掉電期間，VCC可以連接到備用電源，而VPD則為內(nèi)部RAM供電以保護內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)。 ALE / PROG：允許地址鎖存輸出。當片外數(shù)據(jù)存儲器工作時，ALE是地址鎖存器，低8位，所以允許輸出信號;當片外數(shù)據(jù)存儲器沒有運行時，由ALE輸出頻率引起的固定頻率是振蕩頻率的1/6，可以應(yīng)用于外部時鐘或外部定時器。但在執(zhí)行片外數(shù)據(jù)存取指令時會少一個ALE脈沖，而內(nèi)置了EPROM的單片機，在寫EPROM時則經(jīng)ALE接收編程脈沖（PROG功能）。 PSEN：輸出端，讀取片外程序存儲器傳遞信號。當讀取片外數(shù)據(jù)存儲器中的指令時，PSEN的有效數(shù)在每個周期中為兩次。而每次對片外數(shù)據(jù)存儲器進行訪問時， PSEN脈沖減少兩個；PSEN在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器的指令時沒有效用。 EA / VPP：當EA為高電平且PC值小于OFFFH（4K）時，片內(nèi)程序存儲器中的程序由CPU執(zhí)行;當EA為低電平時，片外程序存儲器中的程序由CPU執(zhí)行。因為片上數(shù)據(jù)存儲器8031不具有它，所以8031必須是EA連接到低電平。12V電源（VPP）的輸入端在內(nèi)置了EPROM的單片機對EPROM編程時，是本引腳。 （3）外部振蕩器引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1：內(nèi)部振蕩器反相放大器的輸入。使用外部振蕩器時，該引腳接地。 XTAL2：內(nèi)部時鐘發(fā)生器和內(nèi)部振蕩器反相放大器的輸入。當使用外部振蕩源時，外部振蕩信號連接到該引腳。 （4）主電源引腳VSS和VCC VSS：接地端。 VCC：正常運行過程中，接+5V電源。 圖4-2 8051管腳圖 4.4 MCS-51系列單片機系統(tǒng)擴展 4.4.1程序存儲器擴展電路 8051內(nèi)部存儲器容量小，故需擴展存儲器。UV擦除的電可編程只讀存儲器EPROM可用作MCS-51微控制器的外部程序存儲器。本設(shè)計采用2764A（8Kx8）系列精細片劑。芯片有一個玻璃窗。當在紫外光下照射約??20分鐘時，存儲器的信息變?yōu)?.此時，程序可以在芯片中固化程序。 2764A是一款電可編程，UV擦除只讀存儲器，具有+ 5V單電源，8字節(jié)，75mA運行電源，35mA保持電流，250ns最大讀出時間，28引腳直插式封裝，雙排。管腳圖見4-3。 2764A各引腳的含義如下： A0-A12是13個地址線，可以通過8K字節(jié)尋址; O0-O7是數(shù)據(jù)輸出線;它是芯片選擇線;它是數(shù)據(jù)輸出選通線;它是編程脈沖輸入端;它是編程電源;它是主要的電源。 4.4.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器擴展 其容量，在8031系統(tǒng)里，比較小，此外由于該存儲器設(shè)計不用考慮刷新情況，因而簡單的是與微處理器的接口。但相比于動態(tài)RAM，要消耗不小的功率，價格也不。該設(shè)計選靜態(tài)RAM，選擇芯片6264。6264管腳配置見于4-4。 各引腳定義如下： A0—A12：片內(nèi)13位地址線；I/O0—I/O7：雙向數(shù)據(jù)線；：片選信號線；：讀允許信號線；：寫信號線。 表4-2是6264操作方式。 表4-2 6264的操作方式 方式 D0—D7 X H X X 未選中 （掉電） 高阻 X X L X 未選中 （掉電） 高阻 H L H H 輸出禁止 高阻 H L H L 讀 DOUT L L H H 寫 DIN L L H L 寫 DIN 4.4.3 地址鎖存器 鑒于MCS-51微處理器的P0口地址/數(shù)據(jù)BUS，故而當程序存儲器擴展時，地址信號必須經(jīng)地址鎖存器與地址/數(shù)據(jù)BUS隔離。 74LS373地址鎖存器的管腳配置見圖4-5 當74LS373的鎖存控制端G用作地址鎖存器和STB時，它可以直接連接到微控制器的ALE端子，地址鎖存位置是ALE下降沿。 還有些應(yīng)用系統(tǒng)RAM和I/O容量較大，當芯片要的片選信號比可利用的地址線多，通常用全地址譯碼法。通常，地址譯碼器用74LS138，邏輯功能見表4-3。 C B A 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 其他狀態(tài) x x x 1 1 1 1 1 1 1 1 表4-3 74LS138功能表 如果三根最高位地址線被譯碼器的輸入端占據(jù)使用，片內(nèi)地址線就只有13根地址線，所以每個8K字節(jié)空間要和8根輸出線分別對應(yīng)。 6264是8K字節(jié)RAM，所以尋址要13根低位地址線（A0—A12），經(jīng)三八譯碼器后，外圍芯片的片選線即為其它三根高位地址線A13—A15。圖上還有三根地址線—，可使擴展三片8K字節(jié)RAM或三個外圍接口電路。 4.5 8155可編程并行I/O擴展接口 4.5.1 8155芯片介紹 8155芯片具有256字節(jié)的靜態(tài)RAM，訪問時間400ns;單+ 5V電源;兩個8位，一個6位并行I / O端口，可編程，14位定時器/計數(shù)器;40引腳雙列直插式封裝。無需添加硬件邏輯，8155可以連接到MCS-51微控制器。由于8155具有RAM和I / O端口，因此它是MCS-51微控制器系統(tǒng)中最常用的外設(shè)接口芯片之一。兩個8位并行I / O端