【毕业设计论文】玻璃横切结构及人机界面系统设计-毕业设计论文【有对应的CAD图】

订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕业设计说明书 玻璃横切结构及人机界面系统设计 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 摘要 本次毕业设计的题目是设计一种基于单片机控制的玻璃横切机。主要设计内容为：设计玻璃横 切机的机械结构及人机界面系统。机械结构部分的设计确定为步进电动机带动的同步带传动系统。 控制系统采用 A T 8 9 C 5 1 为 C P U 。由矩阵键盘和 R T 1 2 8 6 4 M 汉字图形点阵液晶显示模块组成人机界面系 统。 首先，分析了玻璃横切机的市场前景及其在玻璃生产中的重要作用。然后，确定机械结构。根 据现有的玻璃横切机的结构将其分类，并归纳出每一类玻璃横切机的机械机构特征、运行特征、切 割原理等。本设计最终选用了其中的斜置、速度控制式的机械结构。基于这种机械结构，对步进电 动机、同步带进行了选型和计算。绘制了机械结构装配图及部分零件图。 对于玻璃横切机的人机界面系统，本设计主要大致完成其程序的编写。即液晶显示四组控制参 数，并可以通过键盘修改这些参数。本文中包括了各级程序流程图及其对应的说明。大致包括 L C D 驱动、键盘监控、液晶显示三个程序块。详见正文。 关键字 玻璃横切机; 步进电动机; 同步带; 单片机; 人机界面系统 ; 液晶 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 ? This graduation projects topic is the design of one kind of the auto glass- cutter which controls based on the Microcontroller. The main content of the design is: the machine mechanism and man- machine contact surface system of the glass- cutter s design .The mechanism parts design I determined it as that Pulse motor gives the power and the Transmission system transfer the power to the Ambulacrum.The control system uses AT89C51 as CPU. Forms the man- machine contact surface department of the matrix keyboard and the RT12864M Chinese character graph lattice liquid crystal display module. First, has analyzed the glass- cutter s market prospect and its influential role in the glass production. Then, determination of the machine mechanism. According to the existing glass- cutter s structure I staple then to same types, and then concluded the mechanism character, sport character, cutting principle of each of the types. And so on. This design finally has selected the tilts, speed control- like mechanism. Based on this kind of mechanism, I did the choice of the Pulse motor, ambulacrum s and the count, checkout of them. I had drawn up the drawing of mechanism assembly and some part drawings. Regarding the glass- cutter s man- machine contact surface system, this design mainly completes its program s compilation. Namely the liquid crystal display shows the four groups of controlled variables, and may revise these parameters through the keyboard. This article has included all levels of program flow diagram and the corresponding explanation. Includes the LCD actuation, the keyboard monitoring, and the liquid crystal display three blocks approximately. For details sees the main text. Key- words glass- cutter ; Pulse motor ;ambulacrum ; Microcontroller ; man- machine contact surface system ; liquid crystal display module 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 目录 摘要（中文）? （英文）? 第一章概述1 1 . 1 我国玻璃市场现状1 1 . 2 我国浮法玻璃技术与国际先进水平的差距1 1 . 3 高精度玻璃切割的必要1 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 . 4 玻璃横切机的分类1 第二章 设计方案7 2 . 1研究内容7 2.2 实现方法7 2 . 3 设计任务9 2 . 4 总体方案的确定1 0 第三章 机械部分设计计算1 1 3 . 1 机械传动部件的计算与选型1 1 3 . 2 机械装配图的绘制1 7 第四章 控制系统设计、编程1 9 4 . 1控制系统硬件电路设计1 9 4 . 2 人机界面的软件设计1 9 结束语3 6 参考文献3 7 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 第一章概述 1 . 1 我国玻璃市场现状 玻璃装饰建材产品在日常生活中已得到了广泛使用。但是，就我国目前的浮法玻璃生产技术而 言，除了合资生产线达到国际先进水平外，其余均属一般水平，与国际先进水平相比存在着较大差 距。国家每年需要花大量外汇从国外进口大量优质浮法玻璃，以满足国内建筑业，装饰，装修和玻 璃深加工业对优质浮法玻璃的需求。1 9 9 4 年，全国优质浮法玻璃产量占总产量的 5 . 5 % ，经综合分析 预测，本世纪末我国浮法玻璃需求量为 1 . 4 亿重量箱，其中，优质浮法玻璃需求量为：交通运输业 8 5 0 - 9 0 0 万重量箱， 建筑业 1 2 5 0 1 3 0 0 万重量箱， 制镜业 3 0 0 3 5 0万重量箱， 市场及其他 4 0 0 4 5 0 万重量箱，出口 6 0 0 7 0 0 万重量箱，供给 3 4 0 0 3 7 0 0万重量箱。占总产量的 2 4 . 3 % 2 6 . 4 % . 我们 应抓紧机遇，建设具有当代国际先进技术水平的浮法玻璃生产线，推进我国平板玻璃工业技术进步， 生产出优质浮法玻璃，满足日益增长的市场需求，参与国际竞争，缩小我国浮法玻璃技术与国际先 进水平的差距。 1 . 2 我国浮法玻璃技术与国际先进水平的差距 我国浮法玻璃技术与国际先进水平的差距表现在软件上是指浮法玻璃生产线各部分的自动控制 能力和全线自动控制程度和水平。对于浮法玻璃的生产来说，高水平的自控可以最大限度的消除认 为因素对玻璃质量的影响，从而达到稳定，高质量的生产。国内的浮法玻璃生产线一般都是以半经 验半技术自控，自控程度和自控水平较低。 1 . 3 高精度玻璃切割的必要 在加工浮法玻璃的过程中, 高精度的玻璃切割作为加工的第一道工序是必不可少的。 平板玻璃生 产线是连续型生产线。原料在经过了熔化、成形、退火后成为连续的带状玻璃带。这条玻璃带必须 经过在线切割才能满足包装与市场的需求。横切机就是玻璃在线切割必不可少的设备之一。它的设 备形式、控制原理及与生产的匹配性直接影响了成品玻璃板的几何质量。平板玻璃生产线的特点是 连续性和大规模，但是由于缺乏行之有效的控制方法，横切机切割质量的检测和调节一直是由人工 来完成的。由于人工检测调节的间歇性、经验性和不确定性，玻璃切割质量的控制不能很好的针对 工况的变化，同时又加重了工人的劳动强度。而横切机的切割系统是一个离散、滞后、非线性不确 定的系统。传统的控制方法又很难满足它的控制要求。采用先进的智能控制技术可以将这一问题较 好的解决。 1 . 4 玻璃横切机的分类 由于目前各种工艺设备研究都相对独立, 造成了横切机名称与特征上的混乱与界限不明确的现 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 状。以下是从平板玻璃横切机的工作原理和结构形式方面对其进行的分类。 玻璃带为运动的带状物体, 运动速度为 V L 。为了保证成品玻璃板为矩形, 横切机的切刀必须 同时具有纵向与横向两个方向的运动 ( 如图 1 所示) 。纵向运动使切刀与玻璃带保持运动同步, 即 纵向运动速度 V Z 与玻璃带运动速度 V L 保持一致; 而横向运动则使切刀完成切割工作, 其运动速 度为 V H 。 切刀的横向运动速度 V H 、刀口压力和刀刃状况决定了切痕的切口情况; 切刀的纵向运动速度 V Z 与玻璃带运动速度 V L 的一致性与否, 则决定了切痕轨迹的几何形状。 切刀两个方向的运动可以分别进行控制, 也可以由切刀的工作运动分解形成, 即 V Z 和 V H 可 由切刀的工作运动速度 V Q 及它与横向运动方向的夹角而确定, 并由此而决定了横切机机械运动 机构的组成方式。 根据横切机上用以承载切刀工作机构并担负其工作运动导轨作用的横梁与玻璃带输送辊道 ( 玻 璃带运动方向) 的相互位置关系, 横切机机械运动机构的组成方式可以分为垂直式与斜置式。 垂直式横切机的切刀在工作运动过程中, 其横向运动与纵向运动分别由不同的运动执行机构来 实现的。在运动控制系统的作用下, 横向运动速度与纵向运动速度应分别满足玻璃切割工艺与随玻 璃带同步运动的基本要求, 从而实现切刀对玻璃带的正确切割。 斜置式横切机切刀的横向运动与纵向运动, 是由沿斜置横梁运动的切刀的工作运动分解形成 的。横向运动速度和纵向运动速度的比例关系, 按照控制对象的不同, 由实际工作要求决定, 可以 采用角度调节方式或速度控制方式实现。下面将分别对垂直式和斜置式横切机的机械运动机构的组 成方式及其基本工作原理进行分析说明。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 . 4 . 1 垂直式玻璃横切机 如前所述, 垂直式横切机采用双运动执行机构, 它的机械运动机构由横梁、横梁传动机构、横梁 导轨、切刀小车、小车传动机构、小车导轨等组成( 如图 2 所示) 。 横梁导轨安装在玻璃带输送辊道两边, 与玻璃带运动方向平行。切刀小车及其传动机构与导轨 安装在横梁上, 横梁与玻璃带输送辊道 ( 玻璃带运动方向) 垂直放置。横梁在横梁传动机构的带动 下做纵向往复运动, 切刀小车在其传动机构的带动下做横向往复运动。 垂直式横切机的基本工作原理是: 根据实际生产的工况与要求, 运动控制系统与机构分别对横 梁和切刀小车传动机构进行控制, 使横梁前行运动速度 V Z = V L ; 同时, 在电机转矩、转速及负 载情况允许的条件下, 应尽可能提高切刀小车的工作速度 V H , 以减少横切机整体的工作循环时间。 垂直式横切机的特点是控制方式简单易行, 但机械运动机构的组成方式较为复杂, 并由于 横梁的运动惯量较大, 因而不适用于玻璃带运动速度较高的生产场合。在实际生产中, 垂直式横切 机在平拉或格法玻璃生产线上应用较多。 由于垂直式横切机的横梁速度应与玻璃带速度保持一致, 所以垂直式横切机又称为垂直随动式 横切机。 1 . 4 . 2 斜置式横切机 由玻璃带在线切割时所必须具有的横向运动和纵向运动可知, 切刀的实际工作运动, 应该是这 两个相互垂直方向上运动的合成。反之, 若控制切刀进行该合成运动, 则可以对应地分解为横向与 纵向运动。斜置式横切机, 就是通过把决定切刀小车运动方向的横梁与玻璃带输送辊道 ( 玻璃带运 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 动方向) 倾斜放置, 并对切刀小车沿横梁的工作运动进行控制, 而实现玻璃带切割时所需的横向与 纵向运动。 切刀小车的工作运动速度 V Q 与横向运动速度 V H 和纵向运动速度 V Z 的关系, 可以由式 ( 1 ) 和式( 2 ) 表示, 其中为 V Q 与 V H 之间的夹角。 V H = V Q c o s ( 1 ) V Z = V Q s i n ( 2 ) 在玻璃切割过程中, 为了保证切痕的平直, 切刀的纵向运动必须与玻璃带的运动保持同步, 即 必须保证 V Z = V L 。当 V L 为恒量或基变量时, 由式( 2 ) 可知, 可以通过分别控制和 V Q 来实 现 V Z 与 V L 相等的要求。若仅变化 , 则称为角度调节方式; 若仅变化 V Q , 则称为速度控制 方式。此外, 由于机械运动机构实现困难, 通常都不会采用对 和 V Q 同时调控的方式。 ( 1 ) 角度调节式横切机 采用角度调节方式的斜置式玻璃横切机, 称为角度调节式横切机。它的机械运动机构由横梁、 切刀小车、小车导轨、小车传动机构和角度调节装置等所组成 ( 如图 3 所示) 。在角度调节时, 可 令 V Z = V Q s i n = V L ( 3 ) 则有 = a r c s i n V L V Q ( 4 ) 若保持 V Q = 常量, 则角度与 V L 之间的关系可由式 ( 4 ) 确定。 在实际生产中, 由于产品规格与实际工况的改变, 将会引起 V L 的改变。因此, 需要根据实 际确定的或实际测出的 V L , 由式 ( 4 ) 中求出对应的值 ( 0 , 9 0 ) , 并据此调节横梁 的实际斜置角度。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 根据平板玻璃生产线的工艺特点, 玻璃带的运动速度与所生产的玻璃规格有关。 生产的玻 璃越厚, 则拉引速度越慢, 即玻璃带运行速度越低 ( V L 越小) ; 反之, 生产的玻璃越薄, 则拉引速 度越快, 即玻璃带运行速度越高 ( V L 越大) 。 由式 ( 4 ) 和式 ( 1 ) 中可以看出, V L 越小 ( V Z = V L ) , 则 越小, 而相应 V H 就会越 大; 反之, V L 越大 ( 同样有 V Z = V L ) , 则越大, 而相应 V H 就会越小。 在实际切割时, 当玻璃带运动速度越快时, 除了要求切刀的同步速度 V Z 要更快外, 实际的 切割周期也必须越短, 即 V H 也必须越快。切割周期是指横切机的切刀从初始状态 ( 位置) 启动直 到重新回到下一个初始状态 ( 位置) 所经历的全部时间。它包括工作行程时间 t 前、停顿等待时间 t 停 和返回下次初始状态 ( 位置) 时间 t 返 ( 如图 4 所示) , 并可由式( 5 ) 表示。其中停顿等待 时间与返回时间往往设成定值, 而工作行程时间则通常决定于切割条件与切割运动的实际调节控制 方式。 t = t 前+ t 停+ t 返 ( 5 ) 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 在角度调节时, 由 V Q = 常量, 对于同样尺寸规格的产品, 无法保证 V Z 和 V H 同时提 高的要求。 此外, 由横切机驱动电机的机械特性可知, 驱动电机在正常调速范围内, 转速越高则它所输 出的转矩就越小。而角度调节式横切机在生产中实际切割薄玻璃时, 由于同步运动的需要, V Z 较 高, 则电机实际输出转矩的纵向转矩分量较小, 而相应的横向转矩分量则较大。同理, 当需要在生 产中切割厚玻璃时, 对应驱动电机的输出转矩的纵向转矩分量较大, 而其横向转矩分量则较小。但 在浮法玻璃生产线上, 玻璃越薄, 玻璃的切割阻力越小, 横切机的切刀压力也就越小, 即相应驱动 电机的横向负载越轻, 所需的横向转矩越小; 反之, 玻璃越厚, 玻璃的切割阻力越大, 横切机的切 刀压力也就越大, 即驱动电机的横向负载也就越重, 所需的横向转矩越大。这恰与角度调节式横切 机的实际工作状态相反, 因而不能很好地满足实际切割工作的需要。 目前, 角度调节式横切机仅在一些应急的、 非生产关键环节上有限使用, 但一般都不作为生产 线上的主用横切机。而且, 角度调节一般都是针对某种相对固定的产品规格及以相对稳定工况为前 提而进行的, 难以根据实际的 V L 实现无级自动跟踪式的调节。 ( 2 ) 速度控制式横切机 采用速度控制方式的斜置式玻璃横切机, 称为速度控制式横切机。它的机械运动机构由横梁、 刀具小车、小车导轨、小车传动机构等组成 ( 如图 5 所示) 。这是机械运动机构组成方式最为简单 的横切机, 也是目前使用最为广泛的。 当进行速度控制时, 由式 ( 3 ) 中可以得到 V Q = V L s i n ( 6 ) 由于为定值, 由式 ( 6 ) 可知, 切刀工作运动速度 V Q 与玻璃带运动速度 V L 成正比。因此, 可根据实际测出的 V L , 就能通过式 ( 6 ) 求出对应的 V Q , 最终根据 V Q 来控制驱动电机的实际 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 运行。 由于为定值, 则由式 ( 1 ) 、( 2 ) 、( 6 ) 中还可以得出 V H V Q V L ( 7 ) V Z V Q V L ( 8 ) 由式 ( 7 ) 、( 8 ) 可知, 当 V L 增大时, V Q 增大, V H 与 V Z 也都相应增大, 而驱动电机所输 出的负载转矩则相应减小。当 V L 减小时, V Q 减小, V H 与 V Z 也都相应减小, 而驱动电机所输 出的负载转矩则相应增大。这与玻璃实际生产时, 玻璃带理论运动速度随板材厚度变化时所需的切 刀横向与纵向的运动状态和切割工艺要求相一致, 并且由于机械运动机构组成方式简单可靠, 因此 速度控制式横切机作为生产线上的主用横切机而得到了广泛的应用。 在速度控制时, 由于切刀的工作运动速度 V Q需根据玻璃带实际运动速度 V L 而定, 即 V Q 随 着 V L 的变化而变化, 所以速度控制式横切机通常又称为随动斜置式横切机。 目前, 对切割过程中的切刀速度的控制策略有两种: 在切刀切割的过程中, 切刀的速度与玻 璃带的速度在每一时刻都保持式 ( 6 ) 的关系, 即完全随动的策略, 切刀速度为时时变化的。 以这种 控制策略控制的横切机称为完全随动斜置式横切机。当切刀停止时, 控制器根据玻璃带速度按式 ( 6 ) 不停的计算着切刀的速度。 当切刀启动时, 切刀以最后计算的速度为切刀速度进行玻璃的切割。 即不完全随动的策略, 每一次切割过程中, 切刀的速度是不变的。以这种控制策略控制的横切机称 为不完全随动斜置式横切机。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 第二章 设计方案 2 . 1 、研究内容 研究方向、内容 随着单片机、P L C 技术的发展，传统的控制系统逐渐被新型智能控制系统取代。鉴于 P L C 比单 片机成本高，且输入/ 输出点数受到限制。本次毕业设计我主要研究单片机技术的全自动玻璃横切结 构，分别对其机械结构和人机界面系统进行设计。 以下为欲设横切机的功能设定： 1 ）机械系统功能： 切割速度方向要求： 玻璃带为运动的带状物体, 运动速度为V L。 为了保证成品玻璃板为矩形, 横 切机的切刀必须同时具有纵向与横向两个方向的运动 (如图 1 所示)。 纵向运动使切刀与玻璃带保持 运动同步, 即纵向运动速度 V Z 与玻璃带运动速度 V L 保持一致; 而横向运动则使切刀完成切割工 作, 其运动速度为 V H。 刀架运动要求；接到单片机控制信号后，落刀，由同步带带动沿横梁方向切割玻璃，抬刀，返 回原落刀点。其中落刀刀口压力要控制在指定厚度的玻璃的承载范围之内。要保证其对玻璃的冲击 不至于使玻璃损坏。 横梁的直线度不低于对玻璃的直线度的要求。 2）人机界面系统功能： 手动输入所要切割的玻璃的长度，切片数量，落刀位置，抬刀位置等参数，并可以通过键盘修 改相关参数。键盘设置急停键，抬刀键、回车键，以便切割出现问题时手动处理。 2.2、实现方法 2.2.1机械结构方案 对综述中提到的几种横切机的结构的比较本次毕业设计我也决定采用斜置式速度控制式机械结构。 机械结构简图如图 6. 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 主电机 2 同步带 3 刀架 4 气动元件 5 玻璃切割刀 6 支杆 7 被切玻璃 8 工作台（玻璃输送机构） 图 6 自动玻璃横切机机械结构组成 具体工作过程： 1、 通电：由键盘输入所切玻璃长度、切片数量、 ，落刀、抬刀位置这四个参数。点击启动键，系统 开始运行。 2、 启动主电机；启动按下后单片机发出控制信号，启动主电机，同步带带动刀架到指定落刀位置。 3、 切割：传感器检测玻璃输送情况，到达要求长度时，单片机控制落刀并切割到指定抬刀位置， 抬刀。将单片机计数单元中的切片数量减一。刀架以最大回车速度运动到指定落刀点。 4、 显示：将单片机计数单元中的数值传输给 LCD 并显示，全程显示落刀、抬刀位置、切割玻璃长 度。 5、系统自动重复 3、4 步至实际切割片数等于设定切割片数或手动停车为止。 2.2.2控制系统方案 1）主电机控制单元 为了保证加工过程的连续性和生产效率，切刀必须连续不断地工作，同时因切割玻璃长度的不同， 1 2 3 4 5 6 7 8 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 主电机应持续通电，且能够调速以适应不同切断长度的需要。考虑到此要求，本设计中主电机采用 步进电机，并变频器进行速度控制。 2）单片机控制模块单元 处理器用单片机主要用于信号的采集，数据的处理、控制信号的输出等，它是整个控制系统的核心。 键盘完成加工参数以及干预信号的输入。 考虑到以后显示功能的扩展，本设计采用的是汉字图形点阵液晶显示模块。 图 7 控制系统结构原理 2.2.3软件流程方案 根据自动横切记的自动化过程，采用模块化结构设计。设计掉电保护程序，保护工作状态信息和加 工参数，以便恢复生产。本次毕业设计我只编写人机界面系统的程序，包括：LCD 驱动程序、显示 程序、键盘监控程序。 玻璃横切机总体工作流程图如下： 单 片 机 步进电机 驱动器 步 进 电 机 传感器 键 盘 L C D 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 8 玻璃横切机总体工作流程图 2 . 3 设计任务 主要内容： 开始 系统初始化 控制参数输入 RUN 一组片数 到否 停止 切割 Y N 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 . 设计玻璃切割机的机械结构。根据玻璃切割机的工况，设计合理的机械结构，达到结构简洁、 工作可靠、易维护的设计目的。 2 . 设计人机界面系统。包括人机界面的单片机硬件电路，设计相关软件，画出程序流程图，然后 分别编写各个模块程序，包括：L C D 驱动程序、 、键盘监控程序、显示程序等。 主要设计技术指标： 1 . 使用最大原版宽度 4 . 5 m ； 2 . 对角线切割精度 5 m m ，切割直线度 0 . 5 ； 3 . 使用玻璃厚度 1 . 5 1 9 m m ; 4 . 最大回车速度 3 m / s ，适用玻璃带速度 5 0 m - 1 2 0 0 m / H ; 5 . 安装斜置角 7 ； 6 . 控制器带有 L C D 和键盘，能够显示切片数量、落刀位置、抬刀位置等参数，并可以通过键盘修 改相关参数。 2 . 4 总体方案的确定 2 . 4 . 1 机械传动部件的选择 （1 ） 同步带传动副的选用 由于同步带常以钢丝绳作负载心层，由与钢丝绳受载后变形极小， 仍能保持带长不变，故带与带轮间不会产生相对滑动，传动比恒定。同步带薄而轻，可用于 高速场合，线速度可达 4 0 m / s , 传动比可达 1 0 ，效率可达 9 8 % . （2 ） 伺服电动机的选用 从设计任务书规定的内容来看脉冲当量尚未达到 0 . 0 0 1 m m , 定位精度 未达到微米级，空载最快移动速度也只有 3 m / s 。因此，本设计不采用高档次的伺服电动机， 如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好的一些步进电动机，以降低成本， 提高性价比。 任务书所给的精度对于步进电动机来说可以达到，所以选用开环控制。 2 . 4 . 2 控制系统的设计 （1 ） 对于步进电动机的开环控制， 选用 M C S - 5 1 系列的 8 位单片机 A T 8 9 C 5 1 作为控制系统的 C P U , 应该能够满足任务书给定的相关指标。 （2 ） 人机界面选用 4 4 的薄膜式矩阵键盘，显示选用 R T 1 2 8 6 4 M汉字图形点阵液晶显示模块。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 第三章 机械部分设计计算 3.1 机械传动部件的计算与选型 玻璃横切机的传动部分通常由刀架、同步带、传动轴、以及伺服电动机等部件构成。其中，伺服电 动机作为执行元件用来驱动同步带，同步带带动刀架完成切割运动。同步带、伺服电动机等均以标 准化，由专门厂家生产，设计时只需要根据工作在和选取即可。 3.1.1.同步带带动部件的重量估算 按照同步带带动部件的重量进行估算，即整个刀架加传动带的重量最大 50N 。 3.1.2切割力的估计，约为 100N 3.1.3 同步带传动副的计算与选型 要求传递功率 P=0.3KW ,主动轮最大转速 n1=4440r/min ,主、从动轮的传动比为 1：1. （1） 确定带的设计功率 Pd 设计功率： Pd=KAP （9） 式中 KA工作情况系数。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 P传递功率，单位为 KW。 根据玻璃切割机工作情况查同步带工作情况系数表（机电一体化系统设计指导书 P28 表 318） ，选 取 KA=2.00。 Pd=2.000.3KW=0.6KW （2） 选择带型和节距 pb 根据 Pd 和 n1 由同步带选型图(机电一体化系统设计指导书 P29 图 314)选择带型， 图中水平坐标为 带的设计功率 Pd (KW),垂直坐标为小带轮的转速 n1(r/min)。 当所得交点落在两种节距的分界线上时， 尽可能选择较小的节距。 选择 L 轻型，节距为 9.525mm。 （3） 确定小带轮齿数 z1 和小带轮节圆直径 d1 应使 z1=zmin ,zmin 可由带轮最少许用齿数表（机电一体化系统设计指导书 P28 表 317）查得， 查得结果为 zmin=18 ,在带速 v 和安装尺寸允许时，z1 尽可能选用较大值。本设计中选用 z1=19 。 小带轮节圆直径 d1=pbz1/p=9.52519/p=57.606 ,根据此值再查带轮直径尺寸系列表 （机电一体化 系统设计指导书 P27 表 316） ， 取 d1=57.61 。 小带轮节圆直径初定后应验算带速， 不适合则重取。 同步带的速度 v 应满足： v=pd1n1/6001000=zmmin=6 。因为 zm=96 , 所以合适 。 （7） 计算基准额定功率 P0 基准额定功率 P0 为： P0=(Tamv2)v/1000 （12） 式中 P0所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，单位为 KW ; Ta带宽为 bs0 时的许用工作拉力，单位为 N ,查“同步带在基准宽度下的许用工作拉力和 线密度”表（机电一体化系统设计指导书 P30 表 321） 。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 m带宽为 bs0 时的单位长度的质量，单位为 kg/m , 查“同步带在基准宽度下的许用工作 拉力和线密度”表（机电一体化系统设计指导书 P30 表 321） 。 v 同步带的线速度，单位为 m/s 。 查表得 L 型 bso=25.4 时，Ta=244.46N , m=0.095 kg/m 。 同步带线速度 v ： 由任务书知 a=A=7 Vz=50-1200m/H 由 V H = V Q c o s ( 1 ) V Z = V Q s i n ( 2 ) 得 V Q = V z s i n ( 6 ) 所以 同步带速度 v=0.114m/s2.74m/s 。 由以上得 P0=0.6679KW (8) 确定实际所需同步带宽度 bs 实际所需同步带宽度 bs 为： bs=bs0(Pd/KzP0)1/1.14 （13） 式中 b s o 选定型号的基准带宽，如表所示（机电一体化系统设计指导书 P30 表 321） 。 K z 小带轮啮合齿数系数，查小带轮啮合齿数系数表（机电一体化系统设计指导书 P31 表 322） ，即 z m = 6 时 ，K z = 1 . 0 0 。 由以上得 b s = 2 1 . 6 5 m m 。 （8 ） 带的工作能力验算 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 用下式来计算同步带的额定功率 P , 若结果满足 P = P d （带的设计功率） ，则带的工作能力合格： P = ( K z K w T a - b s / b s 0 m v 2 ) v 1 0 - 3 （1 4 ） 式中 Ks啮合系数，上式中以查得。 Kw齿宽系数，Kw=(bs/s0)1.14 Ta基准带宽为 bs0 时的许用工作拉力，单位为 N ,以上已查得为 244.46 . m 带宽为 bs0 时的单位长度的质量，单位为 kg/m ,以上已查得 0.095 . v同步带的线速度，单位为 m/s ,以上已算得 为 2.74 . 由以上得 P=0.6063KW 因为 PPd，所以同步带的工作能利合格 。 3.1.4.步进电动机的计算与选型 1）根据机械系统结构，求得加在步进电机转轴上的总转动惯量 Jeq ； 加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq 是进给伺服系统的主要参数之一，它对选择电动机具有 重要意义。在本设计中 Je q 主要包括电动机转子的转动惯量、传动系统、同步带、刀架折算到电动机 转轴上的转动惯量。 已知传动系统的联轴器、传动轴、同步带轮的尺寸与材料。移动部件总重量 G = 5 0 N , 传动比 1 ：1 . 如常用部件转动惯量计算表 （机电一体化系统设计指导书 P56 表 41） 所示圆柱体的转动惯量的计 算公式为： J = mjD 2 / 8 （1 5 ） 式中 ，m j 圆柱体质量（k g ） D 圆柱体直径（c m ） 由上式求各个零部件的转动惯量 （1 ） 联轴器的转动惯量 J 1 联轴器内圆直径 1 4 m m 、外圆直径 2 5 m m 、高 7 7 m m 、材料密度 7 . 8 5 1 0 - 3 k g / c m 3 联轴器的转动惯量 J 1 = m 1 D 2 / 8 = 0 . 2 0 9 k g c m 2 ( 2 ) 从动轴的转动惯量 J 2 从动阶梯轴如下图 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 尺寸由左向右为f 125mm、L1=27mm、f 2=38mm、L2=4.5mm、f 3=32mm、 L3=43.5mm、f 4=29mm、L4=35mm、f 5=25mm、L5=21mm 材料密度 7 . 8 5 1 0 - 3 k g / c m 3 从动轴的转动惯量 J 2 = SpDi2Li?Di2/32=0.7591kgcm2 ( 3 ) 同步带带轮的转动惯量 J 3 同步带带轮内圆直径 3 0 m m 、外圆直径 5 7 . 6 m m 、高 4 5 m m 、材料密度 7 . 8 5 1 0 - 3 k g / c m 3 同步带带轮的转动惯量 J 3 = 3 . 3 8 kgcm2 ( 4 ) 主传动轴的转动惯量 J 4 主传动轴为七阶梯 尺寸由左向右为f 115mm、L1=38mm、f 2=22mm、L2=39mm、f 325mm、 L3=27mm、f 4=38mm、L4=4.5mm、f 5=32mm、L5=43.5mm、f 6=29mm、L6=35mm、 f 7=25mm、L7=21mm 材料密度 7 . 8 5 1 0 - 3 k g / c m 3 主传动轴的转动惯量 J 4 0 . 8 4 4 kgcm2 （5 ） 移动部件的转动惯量 J 5 移动部件总重量 G = 5 0 N 移动部件的转动惯量 J 5 = = 4 1 . 4 7 2 kgcm2 初选步进电动机型号为 1 1 0 B C 3 1 0 0 ，为三相式，二相八拍驱动时的步距角为 0 . 6 ，从反 应式/ 磁阻式步进电动机的技术参数表 （机电一体化系统设计指导书 P63 表 43） 查得 该型号电动机转子的转动惯量 Jm=7kgcm2。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 J e q = J m + J 1 + J 2 + J 3 + J 4 + J 5 = 5 3 . 6 6 4 k g c m 2 2 ) 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 T e q 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 （1 ） 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 T e q 1 由式 T e q 1 = T a m a x + T f + T 0 （16) 式中 T a m a x 快速空载启动时折算到电动机转动轴上的最大加速转矩，单位为 N M ; T f 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位为 N M ; T 0 同步带预紧后折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位为 N M ; 具体计算过程如下： a ） 快速空载启动时折算到电动机转动轴上的最大加速转矩； T a m a x Je qe= 2 pJe qnm/ 6 0 ta （1 7 ） 式中 Je q步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为 k g m 2 ; e 电动机转轴的角加速度，单位为 rad/s 2; nm 电动机的转速，单位为 r / m i n ; ta电动机加速所用时间，单位为 s , 一般在 0 . 3 1 s 之间选取。 b ) 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 T f F 摩 d 1 / 2 p?i （1 8 ） 式中 F 摩导杆的摩擦力，单位为 N ; d 1 同步带轮节圆直径，单位为 m ; ?传动链总效率，一般取?0 . 7 0 . 8 5 ； i 总的传动比; 其中导杆的摩擦力为; F 摩= ( F c + G ) （1 9 ） 式中 导杆的摩擦因数（滑动副取 0 . 1 5 0 . 1 8 ，滚动副取 0 . 0 0 3 0 . 0 0 5 ） ； F c 垂直方向的工作负载； G 运动部件总重力，单位为 N c ) 同步带预紧后折算到电动机转轴上的摩擦转矩 T 0 FY Jd 1 ( 1 - ?0 2 ) / 2 ?pi （2 0 ） 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 式中 FY J同步带的预紧力，一般取同步带工作载荷的 1 / 3 , 单位为 N ; ?0同步带为预紧时的传动效率，一般取?0 = 0 . 9 。 由于同步带的传动效率很高，所以由式( 2 0 ) 算出的 T 0 值很小，在式（1 6 ）中与 T a m a x 和 T f 比起来，通常可以忽略不计。则有： T e q 1 = T a m a x + T f （2 1 ） 根据式（1 7 ） ，考虑纵向传动链的总效率?，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的 最大加速转矩： T a m a x 2 pJe qnm/ 6 0 ta? （22） 式中 nm对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位 r / m i n ; ta步进电动机有静止到加速至 nm转速所需的时间，单位为 s ； 其中： nmv m a x a/ 3 6 0 d （23） 式中 v m a x 纵向空载最快移动速度，任务书制定为 1 8 0 0 0 0 m m / m i n 。 a步进电动机步距角，为 0.6 d脉冲当量，本例为 0.5mm/脉冲。 将以上各值代入式（23） ，算得 nm= 6 0 0 r / m i n 设步进电动机由静止到加速至 nm转速的时间 ta0 . 3 s , 纵向传动总效率?0.8； 由式（22）求得： T a m a x 2 p5 3 . 6 6 4 1 0 - 4 6 0 0 / 6 0 0 . 3 0 . 8 N m = 1 . 4 N m 由式（1 8 ）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： ()2/1GFcTfd+= ?pi （2 4 ） 式中导杆的摩擦因数，滚动副取 0.005； Fc 工作负载，空载时取 0； ?传动链总效率，取 0.8 . 由式（24）得 ()+=NmTf8 . 02/05761. 0500005. 00.003Nm 最后由式（21） ，求得快速启动时电动机转轴所承受的负载转矩为： 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1.403Nm1.40.003TfTamaxTeq1=+=+= （25） （2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 Teq2 02TTfTtTeq+= (26) 由式（26）知，Teq2 包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 Tf,移动部 件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 Tf,同步带预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 T0.T0 相对于 Tt和 Tf很小，可以忽略不计。则有 TfTtTeq2+= （27） 式中 Tf按式（18）进行计算。而折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 Tt 由下式计算： iFfdTt2/1=p (28) 式中 Ff进给方向最大工作载荷，单位为 N. 估计 Ff=100N,则有； Tt=1000.05761/20.8p=1.146Nm Tf 按式（18）进行计算,计算垂直方向承受最大负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转 轴上的摩擦转矩： ()idGFz2/1Tf+= 0 . 0 0 5 ( 1 0 0 + 5 0 ) 0 .