【正文】 在同一時間，控制信號會驅(qū)動馬達(dá) 2 帶動小齒輪Ⅱ轉(zhuǎn)動，進(jìn)而小齒輪Ⅱ帶動齒圈 B2和轉(zhuǎn)動架 D 轉(zhuǎn)動，通過馬達(dá) 馬達(dá) 2的共同努力實現(xiàn)對太陽方位角 和高度角的跟蹤。 系統(tǒng)的優(yōu)勢：該跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，成本低。在兩個方向的跟蹤，都利用齒輪副傳遞動力，在同一時間，使用功率較小的馬達(dá)，不僅傳遞足夠大的動力，而且降低了其能源成本和制造成本；盡管使用了半個齒圈，然而能在緊湊的結(jié)構(gòu)下獲得了較大的傳動比。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，運動空間是很大的。 (三 ) 立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤器 該跟蹤器所具有的結(jié)構(gòu)：將在底座上固定好的 大 齒輪與小齒輪嚙合，且小齒輪與馬達(dá) 1 的輸出軸連接，主軸與它的支撐軸承分別安裝在底座的上面。在轉(zhuǎn)動架上將馬達(dá) 1固定好，在主軸上將轉(zhuǎn)動架與支架都固定好，將接收器、 馬達(dá) 2 相繼安裝在支架的上面，馬達(dá) 2的輸出軸與接收器相互連接 [3]。 跟蹤器所實現(xiàn)的自動追循原理：當(dāng)太陽的光線發(fā)生偏離時，控制部分將控制信號發(fā)出，來驅(qū)動馬達(dá) 1 帶動小齒輪的轉(zhuǎn)動，因為大齒輪是固定的，那么小齒輪不僅自轉(zhuǎn)，而Ⅰ 1 Ⅱ 2 D B2 B1 A a 太陽能自動追光系統(tǒng)的設(shè)計 5 且繞大齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)動架的轉(zhuǎn)動，同時將固定在轉(zhuǎn)動架上的主軸、支架與接收器也發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動；在同一時間，通過控制信號來驅(qū)動馬達(dá) 2，并且?guī)咏邮掌鬓D(zhuǎn)動，通過馬達(dá) 1 和馬達(dá) 2的共同努力來實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤。 1馬達(dá) 2馬達(dá) a接收 器 A主軸 C支架 D轉(zhuǎn)動架 E1大齒輪 E2小齒輪 F底座 圖 13 立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤器 系統(tǒng)的優(yōu)勢：該跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，成本低。對于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳遞動力，在同一時間，使用功率較小的馬達(dá)，不僅傳遞足夠大的動力，而且降低了其能源成本和制造成本。它的結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較高 ,傳動裝置安裝在轉(zhuǎn)動架下，受到了良好的保護(hù)，有利于提高它的壽命。 本課題的機械設(shè)計方案 圖 14 為機械設(shè)計方案，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)：在支架上馬達(dá) 1 固定好，馬達(dá) 1的輸出軸與小齒輪 1 連接，小齒輪 1 與大齒輪嚙合。把齒輪連 接到主軸上，將主軸固定安裝在支架上，在主軸前端的板上將馬達(dá) 2安裝，馬達(dá) 2的輸出軸與小齒輪 2相嚙合，小齒輪 2與齒圈是嚙合的，齒圈連接著太陽能板，在主軸上將旋轉(zhuǎn)框架安裝。 圖 14 本課題的機械設(shè)計方案 F A 1 E2 E1 D C 2 a 菏澤 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 機構(gòu)所要實現(xiàn)的自動跟蹤的原理為：若太陽光線的位置發(fā)生偏離時 ,控制信號將會驅(qū)動馬達(dá) 1并且?guī)有↓X輪 1進(jìn)行工作，進(jìn)而小齒輪帶動大齒輪和主軸工作；在同一時間 ,控制信號驅(qū)動馬達(dá) 2 帶動小齒輪 2 工作。小齒輪 2 帶動齒圈和太陽能板工作，通過馬達(dá) 1和馬達(dá) 2的共同努力完成對太陽的方位角和高度角跟蹤。 跟蹤方案的比較選擇 目前采用跟蹤太陽的方法有很多： (1)視日運動軌跡跟蹤； (2)光電跟蹤 [4]。簡單介紹一下這兩種跟蹤方案。 (一 ) 光電跟蹤 采用一級傳感器跟蹤方式是傳統(tǒng)的光電跟蹤，這種跟蹤系統(tǒng)由控制組件、跟蹤頭、和位置檢測器組成 [5]。 15 中所示的跟蹤系統(tǒng)的框圖。 位置檢測器主要由經(jīng)過選定的光敏傳感器組成。 控制部分主要是接受來自位置檢測到的微弱信號 ，然后經(jīng)過放大后送到跟蹤頭，其實跟蹤頭為跟蹤裝置的執(zhí)行元件 。 控制組件 跟 蹤頭 圖 15 跟蹤系統(tǒng)框圖 象限光電轉(zhuǎn)換原理如下圖所示 ， 接下來 對五象限法太陽跟蹤儀做一簡單介紹。在半徑為 R /2 的小圓外面包圍一個半徑為 R 的大圓，將兩圓之間的圓環(huán)分為四個象限。每個象限邊界線和 X 軸均成為 45度，小圓為第 V 像限 [6]。 II III I IV 圖 16 五象限光電轉(zhuǎn)換器原理 放大器 1 放大器 2 功效 電機 減速器 鏡子 云遮切換裝置 測速機 位置檢測器 + —— 太陽能自動追光系統(tǒng)的設(shè)計 7 在上述 5個象限中為跟蹤定位測向象限， V象限為主測象限。將 5枚性能、面積、參數(shù)相同的光電池安裝在所設(shè)計的 5個 象限 內(nèi)時，一旦陽光照射到 5 枚光電池上時會產(chǎn)生光電流，這時的光電流的強度與光強度成正比例關(guān)系。 為了精確測量，在光電池前面放置可調(diào)節(jié)的光學(xué)鏡筒，把凸透鏡放在鏡筒前，透鏡安裝在鏡筒的 外側(cè)邊緣 ，如圖 17中示 出。當(dāng)光 線穿過透鏡照到鏡筒底部的 5 枚光電池時，調(diào)整筒的長度，使光斑完全覆蓋 5枚光電池。當(dāng)太陽光與光軸形成某一角度時，光線經(jīng)過透鏡照射到 5 枚光電池時 ,所形成的光斑將會發(fā)生偏移，在這樣條件下 ,光斑不能完全覆蓋在光電池上，所以生成的光電流不全相同。將經(jīng)過一系列處理的光電流差輸送給跟蹤頭，此時驅(qū)動電機開始動作 ,來調(diào)節(jié)所述跟蹤的裝置 ,直到光電池輸出的光電流相同，這個時候的太陽光線平行于透鏡光軸，而驅(qū)動電機沒有發(fā)生動作。 安全、可靠是測量跟蹤裝置的必要問題，該設(shè)備采用 V 象限的 主測光電池的方法進(jìn)行光強度的測量和判斷，使設(shè)備在晚間 停止工作。將電壓 V1 和外來控制的電壓 V2進(jìn)行對比，可選擇適當(dāng)?shù)?V1控制測量所需跟蹤設(shè)備的工作現(xiàn)狀，在夜間 ,當(dāng) V2V1，該設(shè)備停止工作；當(dāng)太陽光出現(xiàn)時 V1V2，設(shè)備開始正常工作。 從理論上講，筒越長，光電池靈敏度的系數(shù)就越高，但是筒長度與透鏡之間的參數(shù)也有存在關(guān)系，不可能沒有限制增長。通常， 它是取 10 30厘米最佳 。傳感器精度的高低決定了系統(tǒng)的位置的精度，所以很容易實現(xiàn)高精度的跟蹤裝置。 但是 ,當(dāng)云覆蓋很長一段時間 ,或當(dāng)太陽剛升起的清晨 ,太陽光線與透鏡光軸之間角度超過一定的夾角范圍，由于鏡 筒結(jié)構(gòu)的限制，透鏡聚焦的光點不能被光電池捕捉到 ,這時跟蹤裝置便無法跟蹤太陽，甚至引起執(zhí)行機構(gòu)的錯誤動作。所以該跟蹤裝置只能在一定的角度范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度的跟蹤，其跟蹤范圍與鏡筒的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 (二 ) 視日運動軌跡跟蹤 太陽跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系統(tǒng)是相對直觀 ,方便可行的，而且操作性強，但對 一個軌跡的坐標(biāo)計算 是沒有具體的計算公式的問題。而且在一天中的任何時刻 ,赤道坐標(biāo)系中赤緯角和時角在相對運動中具體角度卻是嚴(yán)格已知， 在同一時間 ,赤道坐標(biāo)系和水平坐標(biāo)系統(tǒng)是密切相的與地球運動相關(guān)， 然后通過天文三角形之間的關(guān)系式可以得到 太陽和觀察者的位置之間的關(guān)系。 光軸 透鏡 光電池 圖 17 鏡筒結(jié)構(gòu) 菏澤 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 根據(jù)太陽的軌跡算法分析，太陽軌跡位置 ,是由觀測點的位置和標(biāo)準(zhǔn)時間來確定的。在 全球定位系統(tǒng)（ GPS）的應(yīng)用中 ，可以為系統(tǒng)提供高精度的地理經(jīng)度和緯度 ,以及本地時間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地域和時間參數(shù)來確定即時的太陽位置， 確保準(zhǔn)確的定位和跟蹤系統(tǒng)高精度及高靠性。 在設(shè)置跟蹤地點和基準(zhǔn)零點后， 控制系統(tǒng)可以自動操作根據(jù)水平坐標(biāo)公式的太陽能高度角和方位角的太陽。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽的軌跡角每分鐘改變驅(qū)動信號 ,實現(xiàn)跟蹤裝置二維旋轉(zhuǎn)角度和方向的變化。日落之后 ,停止跟蹤 ,跟蹤設(shè)備根據(jù)原來的軌道 路線回到 基準(zhǔn)零點 。 因此，可以看出，跟蹤的解決方案，無論是什么算法，這種算法的過程是非常復(fù)雜的，隨著計算量的增大會增加系統(tǒng)成本。 跟蹤開環(huán)系統(tǒng)，無角度反饋值，所以為了實現(xiàn)高精度跟蹤的要求，不僅對機械結(jié)構(gòu)的加工水平有較嚴(yán)格的要求，而且與儀器的安裝是否正確有密切的關(guān)系。 必須要求在工程機械結(jié)構(gòu)的加工精度中有足夠高的生產(chǎn) 。初始化安裝時，儀器的中心南北線與觀測點的地理南北線要求重合。并且 ,用儀器底部的水平準(zhǔn)直儀將底面與地面保持水平 ,使儀器的高度角處在地面的水平面內(nèi)。 本設(shè)計的跟蹤方案 光敏電阻光強比較法。 光 敏電阻被選為本設(shè)計的光敏器件。 光敏電阻的特點是它的阻值隨著光照強的大小發(fā)生變化，利用這種特點 ，把兩個完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向的 底部邊緣 。如果太陽光線垂直照射太陽能電池板時，那么兩個光敏電阻接收到的光照是同樣的，因此它們的阻值是相同的，此時電機是不轉(zhuǎn)動的。但是太陽光的方向和電池板垂直的方向有一定夾角時，則接收光比較多的光敏電阻的阻值減少，驅(qū)動電動機發(fā)生轉(zhuǎn)動，一直到光敏電阻產(chǎn)生相同的光照強度，這種形式稱為光敏電阻的光強比較法。 2 機械設(shè)計部分 太陽能自動追光系統(tǒng)機械設(shè)計方案 本設(shè)計方案采用 所述方法對機械部分進(jìn)行分析設(shè)計，并對齒輪、底座、軸承、中心軸、軸承等重要部件的材料選擇，尺寸計算進(jìn)行分析校核，對機械部分的抗風(fēng)性進(jìn)行系統(tǒng)分析。 齒輪的選擇 (一 ) 材料的選擇 選用直齒圓柱齒輪傳動 [7]。太陽能自動旋轉(zhuǎn)裝置為一般工作機器，速度不高，故選用 7 級精度（ GB 10095— 88）。小齒輪的材料選用 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS，大齒輪的材料選用 45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS。 (二 ) 尺寸計算 初選模數(shù) m=4mm,中心距 a=260，轉(zhuǎn)動比 i=4。 太陽能自動追光系統(tǒng)的設(shè)計 9 一般 齒輪齒數(shù) Z1=25，分度圓螺旋角 ? =8 到 15 度 。 初選齒輪齒數(shù) Z1=25，分度圓螺旋角 ? =10 度，則齒輪齒數(shù) Z2=iZ1=4 25=100。 分度圓直徑： 小齒輪直徑 1 4 251 10 1. 54c os c os 10mzd ? ?? ? ? ， 取 d1=100mm。 大齒輪直徑 2 4 10 02 40 6c os c os 10mzd ? ?? ? ? ，取 d2=405mm。 （ 21） 取齒寬系數(shù) ? = b= d? = 100=120 則取大齒輪寬度 b2=120,小齒輪寬度 b1=125。 齒頂高 1 1 4 42 ( ) 3 .7ha ha mha ha ha m? ? ? ? ??? （ 22） 齒根高 ( ) (1 0 . 2 5 ) 4 5 h f h a c m? ? ? ? ? ? （ 23） 齒高 1 1 9h ha hf? ? ? 2 2 ha hf? ? ? （ 24） (三 ) 校核計算 查文獻(xiàn) [8]表 得使用系數(shù) KA＝ 。 查文獻(xiàn) [8] 圖 得動載系數(shù) KV=。 查文獻(xiàn) [8]表 得齒間載荷分配系數(shù) KHa 。 Ft=2T1/d1=2 2 104=400N kAFt/b=1035 400/120=405N/mm (25) εδ =[ (1/Z1+1/Z2)]cosβ =[ (1/25+1/100)cos10 = Zz=√ (4εδ )/3 = KHδ =1/Z2ε= 式中 tF 圓周力； ?? 端面重合度； Z? 重合度系數(shù)。 載荷系數(shù) K K=KAKVKHδ KHβ (26) = = 查文獻(xiàn) [8]表 得彈性系數(shù) 。 菏澤 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 11 m a x11 m a x 760 ( )60 ( )60 1 1000 7200 ( 1 ) 10nmiL i iiniiiTN ri n thTT thrn thT th????? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????查文獻(xiàn) [8