【正文】 在同一時(shí)間，控制信號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 2 帶動(dòng)小齒輪Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而小齒輪Ⅱ帶動(dòng)齒圈 B2和轉(zhuǎn)動(dòng)架 D 轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá) 馬達(dá) 2的共同努力實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角 和高度角的跟蹤。 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：該跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。在兩個(gè)方向的跟蹤，都利用齒輪副傳遞動(dòng)力，在同一時(shí)間，使用功率較小的馬達(dá)，不僅傳遞足夠大的動(dòng)力，而且降低了其能源成本和制造成本；盡管使用了半個(gè)齒圈，然而能在緊湊的結(jié)構(gòu)下獲得了較大的傳動(dòng)比。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)空間是很大的。 (三 ) 立柱轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)架上將馬達(dá) 1固定好，在主軸上將轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)的自動(dòng)追循原理：當(dāng)太陽(yáng)的光線發(fā)生偏離時(shí)，控制部分將控制信號(hào)發(fā)出，來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 1 帶動(dòng)小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)榇簖X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(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 且繞大齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)架的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上的主軸、支架與接收器也發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)；在同一時(shí)間，通過(guò)控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 2，并且?guī)?dòng)接收器轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)馬達(dá) 1 和馬達(dá) 2的共同努力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)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(dòng)架 E1大齒輪 E2小齒輪 F底座 圖 13 立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：該跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。對(duì)于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳遞動(dòng)力，在同一時(shí)間，使用功率較小的馬達(dá)，不僅傳遞足夠大的動(dòng)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(dòng)裝置安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)方案 圖 14 為機(jī)械設(shè)計(jì)方案，該機(jī)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(yáng)能板，在主軸上將旋轉(zhuǎn)框架安裝。 圖 14 本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)方案 F A 1 E2 E1 D C 2 a 菏澤 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 機(jī)構(gòu)所要實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)跟蹤的原理為：若太陽(yáng)光線的位置發(fā)生偏離時(shí) ,控制信號(hào)將會(huì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 1并且?guī)?dòng)小齒輪 1進(jìn)行工作，進(jìn)而小齒輪帶動(dòng)大齒輪和主軸工作；在同一時(shí)間 ,控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 2 帶動(dòng)小齒輪 2 工作。小齒輪 2 帶動(dòng)齒圈和太陽(yáng)能板工作，通過(guò)馬達(dá) 1和馬達(dá) 2的共同努力完成對(duì)太陽(yáng)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(yáng)的方法有很多： (1)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤； (2)光電跟蹤 [4]。簡(jiǎn)單介紹一下這兩種跟蹤方案。 (一 ) 光電跟蹤 采用一級(jí)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(cè)器組成 [5]。 15 中所示的跟蹤系統(tǒng)的框圖。 位置檢測(cè)器主要由經(jīng)過(guò)選定的光敏傳感器組成。 控制部分主要是接受來(lái)自位置檢測(cè)到的微弱信號(hào) ，然后經(jīng)過(guò)放大后送到跟蹤頭，其實(shí)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(lái) 對(duì)五象限法太陽(yáng)跟蹤儀做一簡(jiǎn)單介紹。在半徑為 R /2 的小圓外面包圍一個(gè)半徑為 R 的大圓，將兩圓之間的圓環(huán)分為四個(gè)象限。每個(gè)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(jī) 減速器 鏡子 云遮切換裝置 測(cè)速機(jī) 位置檢測(cè)器 + —— 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 在上述 5個(gè)象限中為跟蹤定位測(cè)向象限， V象限為主測(cè)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(jì)的 5個(gè) 象限 內(nèi)時(shí)，一旦陽(yáng)光照射到 5 枚光電池上時(shí)會(huì)產(chǎn)生光電流，這時(shí)的光電流的強(qiáng)度與光強(qiáng)度成正比例關(guān)系。 為了精確測(cè)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(guò)透鏡照到鏡筒底部的 5 枚光電池時(shí)，調(diào)整筒的長(zhǎng)度，使光斑完全覆蓋 5枚光電池。當(dāng)太陽(yáng)光與光軸形成某一角度時(shí)，光線經(jīng)過(guò)透鏡照射到 5 枚光電池時(shí) ,所形成的光斑將會(huì)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(guò)一系列處理的光電流差輸送給跟蹤頭，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始動(dòng)作 ,來(lái)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(gè)時(shí)候的太陽(yáng)光線平行于透鏡光軸，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沒有發(fā)生動(dòng)作。 安全、可靠是測(cè)量跟蹤裝置的必要問(wèn)題，該設(shè)備采用 V 象限的 主測(cè)光電池的方法進(jìn)行光強(qiáng)度的測(cè)量和判斷，使設(shè)備在晚間 停止工作。將電壓 V1 和外來(lái)控制的電壓 V2進(jìn)行對(duì)比，可選擇適當(dāng)?shù)?V1控制測(cè)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(yáng)光出現(xiàn)時(shí) V1V2，設(shè)備開始正常工作。 從理論上講，筒越長(zhǎng)，光電池靈敏度的系數(shù)就越高，但是筒長(zhǎng)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(zhǎng)。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(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤裝置。 但是 ,當(dāng)云覆蓋很長(zhǎng)一段時(shí)間 ,或當(dāng)太陽(yáng)剛升起的清晨 ,太陽(yáng)光線與透鏡光軸之間角度超過(guò)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(diǎn)不能被光電池捕捉到 ,這時(shí)跟蹤裝置便無(wú)法跟蹤太陽(yáng)，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的錯(cuò)誤動(dòng)作。所以該跟蹤裝置只能在一定的角度范圍內(nèi)實(shí)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(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤 太陽(yáng)跟蹤裝置采用地平坐標(biāo)系統(tǒng)是相對(duì)直觀 ,方便可行的，而且操作性強(qiáng)，但對(duì) 一個(gè)軌跡的坐標(biāo)計(jì)算 是沒有具體的計(jì)算公式的問(wèn)題。而且在一天中的任何時(shí)刻 ,赤道坐標(biāo)系中赤緯角和時(shí)角在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中具體角度卻是嚴(yán)格已知， 在同一時(shí)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(yùn)動(dòng)相關(guān)， 然后通過(guò)天文三角形之間的關(guān)系式可以得到 太陽(yáng)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(jì)（論文） 8 根據(jù)太陽(yáng)的軌跡算法分析，太陽(yáng)軌跡位置 ,是由觀測(cè)點(diǎn)的位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)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(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地域和時(shí)間參數(shù)來(lái)確定即時(shí)的太陽(yáng)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(diǎn)和基準(zhǔn)零點(diǎn)后， 控制系統(tǒng)可以自動(dòng)操作根據(jù)水平坐標(biāo)公式的太陽(yáng)能高度角和方位角的太陽(yáng)。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)的軌跡角每分鐘改變驅(qū)動(dòng)信號(hào) ,實(shí)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(lái)的軌道 路線回到 基準(zhǔn)零點(diǎn) 。 因此，可以看出，跟蹤的解決方案，無(wú)論是什么算法，這種算法的過(guò)程是非常復(fù)雜的，隨著計(jì)算量的增大會(huì)增加系統(tǒng)成本。 跟蹤開環(huán)系統(tǒng)，無(wú)角度反饋值，所以為了實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤的要求，不僅對(duì)機(jī)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(jī)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(shí)，儀器的中心南北線與觀測(cè)點(diǎn)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(jì)的跟蹤方案 光敏電阻光強(qiáng)比較法。 光 敏電阻被選為本設(shè)計(jì)的光敏器件。 光敏電阻的特點(diǎn)是它的阻值隨著光照強(qiáng)的大小發(fā)生變化，利用這種特點(diǎn) ，把兩個(gè)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(yáng)光線垂直照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，那么兩個(gè)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(shí)電機(jī)是不轉(zhuǎn)動(dòng)的。但是太陽(yáng)光的方向和電池板垂直的方向有一定夾角時(shí)，則接收光比較多的光敏電阻的阻值減少，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，一直到光敏電阻產(chǎn)生相同的光照強(qiáng)度，這種形式稱為光敏電阻的光強(qiáng)比較法。 2 機(jī)械設(shè)計(jì)部分 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)方案采用 所述方法對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并對(duì)齒輪、底座、軸承、中心軸、軸承等重要部件的材料選擇，尺寸計(jì)算進(jìn)行分析校核，對(duì)機(jī)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(dòng) [7]。太陽(yáng)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用 7 級(jí)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(jì)算 初選模數(shù) m=4mm,中心距 a=260，轉(zhuǎn)動(dòng)比 i=4。 太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(jì)算 查文獻(xiàn) [8]表 得使用系數(shù) KA＝ 。 查文獻(xiàn) [8] 圖 得動(dòng)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(jì)（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