微机控制超低速运动下降杆设计.doc

微机控制超低速运动下降杆设计微机控制超低速运动下降杆设计 作者：孙国浩作者：孙国浩 指导教师：郑堤指导教师：郑堤 （宁波大学 工学院，浙江 宁波 315211） 摘要摘要：本设计主要介绍了超低速运动下降杆的设计，用于单晶生长。 设计包括机械设计和控制设计两大块。在机械设计中，本文主要说明 了机械结构的方案选择和设计计算。在控制部分中，文章重点阐述了 单片机的外围电路开发、电机的控制电路设计和电源设计三大部分。 关键词关键词：低速；机械结构；单片机；电路 1 1 引引 言言 为满足晶体生长而设计出超低速下降机构。本设计适用于下降法生长晶体。设计主要 满足下降过程中的精度和速度变化的要求。目前，下降法晶体生长的机构大多是要人工操 作来实现速度的改变，并且速度的变化范围很小。本次设计采用单片机控制步进电机来实 现下降速度的变化，设计的速度变化范围广、精度高。使晶体生产过程实现自动控制，操 作简单，大大提高了生产效率。并且本设计采用的零部件加工和采购成本底，能够降低小 型企业生产成本投入。 2 2结构设计（总装图参见附录二）结构设计（总装图参见附录二） 2.12.1 结构方案的比较与选择结构方案的比较与选择 设计要求的速度变化范围为 0.5100mm/24h，变化范围比较大，因此下降采用步进电 机驱动。步进电机相对于普通电动机能够满足大范围速度变化的要求，同时转速控制简单， 精度高。由于速度变化范围比较大同时速度非常低，因此设计要求的传动比非常大（通过 计算，传动比在 30000 左右） ，对于一般的减速机构达到这样大的减速比比较困难。采用谐 波减速器可以实现单级减速比在 2000 左右，这样可以使结构紧凑，传动机构的体积大大减 小。上升部分由于没有精度和速度要求，可以选用单相交流电动机，以节约设计成本。设 计方案如下： 方案比较：由于运动速度要求比较低，并且范围比较大，所以设计需要很大的减速比， 在一级减速中选用谐波减速器并采用步进电机驱动。 名称（编号）参考图传动比特点 丝杠蜗杆式 （方案一）图 a 蜗杆：1040 最大 可达到 80；谐波减 速器可达到 2000。 蜗轮与蜗杆啮合，润滑方便，一般用于 速度小于 45m/s 的情况下；滑动丝杠 自锁性能好。v 带传动工作平稳，允许线 速度不超过 25m/s 齿条齿轮式 （方案二） 图 b 圆柱齿轮：一般小 于 5 最大为 8；谐波 减速器可达到 2000。 齿轮可以做成直齿和斜齿，直齿用于低 速或轻载荷的传动传动；齿条传动不能 自锁。 齿条锥齿轮 式（方案三） 图 c 圆锥齿轮：一般为 3 最大为 5；谐波减 速器可达到 2000。 圆锥齿轮，用于输入轴和输出轴线相交 的传动；齿条传动不能自锁。 从以上传动方案可知： 方案一、设计较为合理，蜗杆传动比较大能适合设计需要的低速要求，并且结构紧凑， 传动平稳，虽然传动效率不高，但仍然可以满足设计的小功率要求；并且滑动丝杠有很好 的自锁性能，能够保证设计的精度要求。由于电机尺寸比较大，因此设计采用带传动将 电机固定在下方。 方案二、由于采用齿轮传动来达到减速要求，其减速比不如方案一中的蜗杆传动；并 且齿条不能自锁对于设计精度会产生影响。 方案三、由于锥齿轮加工比较困难，一般用于改变轴的方向时使用，在此设计中没有 改变的要求。综上所述，选用方案一作为传动方案。 2.22.2 零件设计与选用零件设计与选用 2.2.12.2.1 电机选用电机选用 交流电机驱动：交流电机驱动：载荷 f=1500n，速度初定 810-3m/s。 因载荷平稳，电动机额定功率 ped略大于 pd即可。通过计算得 pd = 85.7 w，选用电动 机的额定功率 ped为 90w， n0=1400rpm。 步进电机驱动：步进电机驱动：载荷 f=500n，速度 0.51000mm/24h。 通过计算选用常州宝马集团公司前杨电机厂生产的三相步进电机：36bf003。按三相六 拍工作时，步矩角：=1.5，电压：27v，电流：1.5a，保持转矩：0.78nm/0.8kgcm，空 载启动频率：3100hz，转动惯量：7.810-7 kgm2。 2.2.22.2.2 蜗杆设计与校核蜗杆设计与校核 选用 za 蜗杆传动，精度 8cgb10089-1988。蜗杆选用 45 钢，齿表面淬火，硬度 4555hrc；表面粗糙度 ra1.6m。蜗轮选用 qa110-3-1.5 金属模铸造。qa110-3-1.5 为 铝青铜，强度高、耐磨性强。设计得： i=n1/n2=15， z1=2，z2= iz1=152=30，m =1.6 校核（略） 2.2.32.2.3 丝杠设计丝杠设计 螺杆材料选用 45 钢，调制处理；螺母材料 qa110-3-1.5。设计得：d = 24，p = 5, d2 = 21.5，d4 = 24.5, d3=18.5, d1 = 19 的梯形螺纹，中等精度，螺旋副的标记为 tr245-7h/7e。螺母高度h=40mm，=螺纹圈数n = 8 圈。 校核（略） 2.2.42.2.4 谐波减速器选用谐波减速器选用 根据设计要求选用 xb2 内齿复波谐波减速器：型号 25；减速比为 2016；传动效率 30%； 输入最高转速 3000rpm；输出最大转矩 2 nm；能够满足设计要求。 2.2.52.2.5 离合机构设计离合机构设计 方案一：双向离合器，没有符合设计要求的产品型号； 方案二：电磁离合器，由于长期工作在闭合状态，所以对于离合 器的寿命和工作稳定性会有影响； 方案三：滑移齿轮通过拨叉实现左右滑动。拨叉机构通过杠杆实 现运动的转化，在手柄的两个位置中间有弹簧钢球来现位置的固定。 在任何一个位置都会通过钢球固定。 （如右图） 综合比较，采用方案三。 3 3 控制部分设计（电气图参见附录一）控制部分设计（电气图参见附录一） 3.13.1 控制面板设计控制面板设计 根据设计要求设计：面板操作简便，人机界面友好。 （设计见附录三） 说明：显示器可以显示位移、时间、速度；其中位移的显示精度为 1m，时间显示精 度为 1min，速度为 0.01mm/day。时间和位移使用同一组显示器。可以通过“时/位”按钮 切换，通过指示灯表示现在显示的内容。可以“功能”“预置”功能下通过方向键择存 储的速度。并且“预置”可以存储目前的速度。 “功能”和数字键可以自由设定速度。 “功 能”“零点”将时间和位移清零。 “复位”按钮可以将系统复位。 “上升”控制交流电机 工作。 3.23.2 芯片选择与电路设计芯片选择与电路设计 3.2.13.2.1 单片机选择单片机选择 根据设计要求选用 msc51 系列单片机。由于程序需要的地址和内存比较小，可以选 用 8051 单片机不需要扩展外部数据和程序存储器。8051 具有 4k 片内 rom，和 128k 片内 ram。可以减少芯片的数目使系统稳定性强。 3.2.23.2.2 82558255 扩展与键盘、显示器接口设计扩展与键盘、显示器接口设计 8255 与 8051 的接口方法： 8255 的、分别连接 8051 的、；8255 的 d0 d7 接 8051 的 p0 口；rdwrrdwr 采用线选法寻址 8255，p2.7（a15）接 8255 的 cs，8051 的最底两位地址线连接 8255 端口 选择线 a1a0，所以 8255 的地址分别为 7ffch、7ffdh、7fffh。 键盘和显示器的接口：通过 8255 的 pa、pb 和 pc 口扩展键盘和显示器。8255 的 pa 口 为输出口，控制键盘的列线 y0y5 的电位作为键扫描口，同时又是 8 位显示器的扫描口， pc 为显示器的段数据口，pb 为输入口。闭合键号的计算： n = 行首键号 + 列号。 3.2.33.2.3 步进电机与交流电机驱动电路步进电机与交流电机驱动电路 步进电机控制电路步进电机控制电路 驱动原理：采用单电压驱动，通过控制 8051 输 出口的电压来控制光电耦合器 4n25 的工作。当 8051 控制口输出低电压时，4n25 工作三极管 vt1 导通步进电机绕组通电；当 8051 控制口输 出高电压时，4n25 发光管两端无电压，则 4n25 不工作 vt1 不导通步进电机绕组断电。 光电偶合器作用：抗干扰、响应时间短、能够吸收尖峰干扰信号。 交流电机控制电路：交流电机控制电路： 驱动原理：和步进电机驱动相似；由于交流电源电 压为 220v，所以通过驱动继电器 km 来控制交流电 机的工作。由于+27 电源为步进电机电源，在此采 用此电源作为继电器的控制电压，节省电源。 3.2.43.2.4 速度设定过程速度设定过程 采用时间中断进行速度调节，设输入的下降速度为： mm/24h 转换，晶震为 2 10v 12mhz。公式如下： （十进制）=（十六进制）ta 16 2 v 297619 216 v ha ffffh 9348 3.2.53.2.5 电源设计电源设计 步进电机为+27v 支流电源驱动，驱动电流要求 1.5a，单片机为+5v 直流电源驱动但电 流很小。设计电路（参见附录一电源部分） 220v 交流电压经过变压器降压，在经过全波整形电路整形。整形后通过电容滤波和电 容消震。+5v 部分再通过 mc7805t 三端稳压器稳压在+5v，0.1f 的电容为了提高电源的稳 压性和减少输出波纹，可以起到防震的作用。 4 4 结束语结束语 本次设计基本上完成了超低速下降杆的设计开发的任务，该机构能够满足晶体生长的 要求。由于时间紧没有对单片机控制设计中的程序进行完整的设计。对于键盘的功能还可 以在今后的设计中进一步完善，其外观结构和造型的设计也是很重要的；可以根据用户的 需求采用点阵式液晶显示器，使人机界面更加友好，使操作更加简便，以适合实际应用场 合的需要。机械部分，可以采用电动控制滑移齿轮，这样可以提高产品的自动化程度。由 于设计时间比较短，在多地方可以改善的部分希望在以后能够得到完善。 参考文献参考文献 1 郑堤，唐可洪主编机电一体化设计基础北京：机械工业出版社，1997 2 蔡春源主编新编机械设计手册辽宁：辽宁科学技术出版社，1993 3 北京中技克美谐波有限责任公司谐波传动北京：北京中技克美谐波有限责任公司 内部资料，2001 4 张友德，赵志英，涂时亮编著单片微型机原理、应用与实验（第三版） 上海：复 旦大学出版社，2000 5 濮良贵，纪名刚主编机械设计（第七版） 北京：高等教育出版社，2001 6 谭建荣，张树有、陆国栋、施岳定编著图学基础教程北京：高等教育出版社， 1999 7 潘新民，王燕芳编著微型计算机控制技术北京：高等教育出版社，2001 8 甘永力主编几何公差与检测（第五版） 上海：上海科学技术出版社，2003 10 孙恒、陈作模主编机械原理（第六版） 北京：高等教育出版社，2000 11 成大先主编