【正文】 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(jī)械設(shè)計(jì)方案機(jī)構(gòu)所要實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)跟蹤的原理為：若太陽光線的位置發(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)齒圈和太陽能板工作，通過馬達(dá)1和馬達(dá)2的共同努力完成對(duì)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(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)過選定的光敏傳感器組成?？刂撇糠种饕墙邮軄碜晕恢脵z測(cè)到的微弱信號(hào)，然后經(jīng)過放大后送到跟蹤頭，其實(shí)跟蹤頭為跟蹤裝置的執(zhí)行元件。 控制組件 跟蹤頭功效+ ——放大器1鏡子減速器電機(jī)放大器2 位置檢測(cè)器測(cè)速機(jī)云遮切換裝置圖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(duì)五象限法太陽跟蹤儀做一簡(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)太陽光與光軸形成某一角度時(shí)，光線經(jīng)過透鏡照射到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和外來控制的電壓V2進(jìn)行對(duì)比，可選擇適當(dāng)?shù)腣1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)太陽光出現(xiàn)時(shí)V1V2，設(shè)備開始正常工作。圖17 鏡筒結(jié)構(gòu)光電池透鏡光軸從理論上講，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(diǎn)不能被光電池捕捉到,這時(shí)跟蹤裝置便無法跟蹤太陽，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。根據(jù)太陽的軌跡算法分析，太陽軌跡位置,是由觀測(cè)點(diǎn)的位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地域和時(shí)間參數(shù)來確定即時(shí)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(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(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，無論是什么算法，這種算法的過程是非常復(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。如果太陽光線垂直照射太陽能電池板時(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 太陽能自動(dòng)追光系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案，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。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=425=100。分度圓直徑： 小齒輪直徑 ， 取d1=100mm。大齒輪直徑 ，取d2=405mm。 （21）取齒寬系數(shù)=b==100=120則取大齒輪寬度b2=120,小齒輪寬度b1=125。齒頂高 （22）齒根高 （23）齒高 （24）(三) 校核計(jì)算查文獻(xiàn)[8]＝。 查文獻(xiàn)[8] =。 查文獻(xiàn)[8] 。 Ft=2T1/d1=22104=400NkAFt/b=1035400/120=405N/mm (25)εδ=[(1/Z1+1/Z2)]cosβ=[(1/25+1/100)cos10=Zz=√(4εδ)/3 =KHδ=1/Z2ε=式中圓周力；端面重合度；重合度系數(shù)。載荷系數(shù)K K=KAKVKHδKHβ (26) ==查文獻(xiàn)[8]。查文獻(xiàn)[8] 。查文獻(xiàn)[8]。 總工作時(shí)間Th=103602=7200h。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)107＜NL＜109 （27）原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。 (28)接觸壽命系數(shù)ZN:查文獻(xiàn)[8] = ， = 。 許用接觸應(yīng)力 (29)驗(yàn)算許用接觸應(yīng)力 (210)計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。 底座的設(shè)計(jì)底座材料選用45鋼[9]，底座要有足夠的支撐強(qiáng)度，同時(shí)也要滿足盡可能節(jié)省材料，所以，選擇用焊接法組合底座。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖21所示。圖21 底座 中心軸的選擇(一) 尺寸設(shè)計(jì) 選擇軸的直徑為30mm，長(zhǎng)度為400mm。軸的材料選擇45鋼，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。(二) 軸的校核可知材料的強(qiáng)度極限：σb =598MPa，屈服極限：σs = 353MPa[10]。又45鋼是塑性材料，所以，要用屈服極限σs來校核。設(shè)橫截面受力F大約為70KN。材料的截面積為：