毕业设计（论文）开题报告-基于单片机控制的步进输送机的设计.doc

毕业设计（论文）开题报告 课题名称 基于单片机控制的步进输送机的设计学 院 机械学院 专 业 机械电子工程 班 级 BJ0805 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期 2012 年 12月23日11基于单片机控制的步进输送机设计1 选题背景及其意义1课题来源本课题来自科研课题、教学需求和社会需要，是设计一种性能先进、满足教师教学、学生实践和模拟工业化生产的，基于单片机控制的步进输送机。它简化了结构，增加了可控性，可实现精确启停、准确定位等功能，具有结构简单、操作方便、可靠性高等特点，为机电一体化教学提供了很好的范例，为工业化生产提供实用的输送平台。2课题目的基于单片机控制的步进输送机技术是一种利用电子技术、信息技术使机械系统实现柔性化和智能化的自动化技术，在工科高校的本科教育和研究生培养中，占有举足轻重的地位，对于提高学生的工程能力，拓展生存空间有着非常重要的意义。目前国内大多数高校在机电一体化教学中，多采用课堂教学与仿真实验相结合的方式，很少有实质性的实验教学环节。市场上商品化的机电教学仪器和实验设备大多实践平台偏重于机械，使机电一体化的学生在电气和机电结合方面有严重缺陷，更谈不上学生的对机电产品开发与创新研究。为了克服上述缺陷，本课题提出了一种新的教学思想：设计一种机械和电气等各项性能平衡的机电一体化教研平台，它囊括机电一体化专业课程的主要内容，包括：各种常用机构和通用机械零部件的设计；控制方法的设计（电机控制、气动控制）；常用控制系统的设计（单片机）。该实验教学系统具有很强的工程实用背景，使用功能明显，有良好的直观性，学生通过对装置的传动方案和结构的分析，可以掌握机械系统运动方案和结构设计的基本要求，培养机械系统运动方案、机械结构的设计能力，提高学生控制系统的设计能力和创新意识。为了响应国家政策和社会学术界的需求，设计一种方便校内教学以及研究人员开发的教学型步进输送机，可以让研究人员基于现有的平台，简化了后续研究开发的程序，为机电一体化产品提供了原型，便于后续功能的开发和创新课题的创建，具有便于理解，便于实用，控制简单，操作多样化等特点。3课题意义基于单片机控制的步进输送机由操作机（机械本体）、控制器（单片机）、伺服驱动系统构成，是一种自动控制、可重复编程、完成各种输送作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多工序、变工件的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 基于单片机控制的步进输送机技术是综合了单片机、控制论、机构学、电子电气学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛，如在宰牛场和钢管厂，特别是在钢管厂都起着越来越重要的作用。在钢管厂，步进输送机有着一个专门的名称斯慧顿杠杆。由此可见，基于单片机控制的步进输送机对于现代工业技术和普通应用方面有着重要的意义，可以迅速提高生产力水平和生产效率，减少人力资源和时间的消耗，大大增加了工业生产的效益，同时也便于工人无法涉及的地方，条件受限制的领域，比如空间狭小、温度过低或过高、障碍物较多的地方，完成预想的目的。课题响应国家级政策的实行，致力开发一种简单实用的机电一体化产品，便于后续研究和开发，在未来机电一体化技术的发展上起到基础又关键的作用，对机电一体化技术的发展乃至工业生产力的提高有着深远的意义。由于先进的机电一体化产品相对学生的距离还比较远，学生在学校里接触机电一体化产品的机会不多，而且在拆装方面也面临一些技术性问题，所以设计一个适合学生学习，并且具有一定实际功能的教学型步进输送机对学生学习和后续功能的研发是及其有必要的，这个课题的意义在于为学生提供一个完全开放的，可供拆装理解原理的平台，便于后续操作。2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）与链试运输机相比，步进梁具有停位准确、设备结构简单、刚性好、易维护、设备重量较轻、占地空间较小等优点，不仅如此，步进输送机可以实现无冲击移钢，无论是从低位移动到高位还是从高位移动到低位，都能在保证钢管品质的前提下平稳、迅速、准确移动钢管，在保证轧件表面的前提下减少噪声，改善工作环境，因此在现代化的带钢处理线中基本上取代了链试运输机。以下列举几种国内外的步进输送机。图1为宝钢无缝钢管厂斯慧顿杠杆。它有五部分组成，托架2，链传动机构、转臂4，调节装置6和配重。输送机工作时按圆周运动，当主轴带动转臂转动时，轧件被托架托起并水平移动，固定链轮由于被调节装置所固定，所以不能绕主动轴转动，同时固定链轮与活动链轮的链传动比，使得活动链轮的绝对角速度为零，这样就保证了在惠斯顿杠杆转动过程中，与活动链轮固定联接的托架始终保持竖直位置。惠斯顿杠杆托起轧件转过一定角度后，再把轧件放在另一工作位置上，就完成了一个工作行程。图2为另一种形式的斯慧顿移钢机。工作时惠斯顿杠杆作圆周运动，当传动轴带动摇臂杠杆转动时，固定链轮由于被固定在机架上，所以它不能转动。由于链条装置的作用，可以理解活动链轮也不绕轴转动。同时，由于摇臂杠杆的带动，活动链轮又绕传动轴作圆周运动。显然活动链轮作的是轨迹为圆的平动。由于活动链轮与V型齿间接固定，V型齿一开始就处于竖直位置，在杠杆转动过程中，它始终保持竖直位置。当惠斯顿杠杆在工位托起钢管后，转动一定角度后，再把钢管放到下一个工位上，完成一个工作过程。图3为第三种形式的移钢机，工件由料仓卸落在道上，滑架作往返直线运动。滑架正行程时，通过棘钩使工件向前运动，；滑架返回时，棘钩下的弹簧被工件压缩，棘钩从工件下滑过，工件不动。当滑架又向前运动时，棘钩又钩住下一个工件向前运动，实现了工件的步进传送。插板做有间隙的往复直线运动，可使工件保持一定的时间间隔落在道上。滑架有急回特性，行程速比系数较大。图4为哈工大研制的一种教研型步进输送机，具有工厂里步进输送机的主要功能，而且结构简单，操作方便，通过控制可以实现简单的动作，可供后续教研开发。 图3钢管输送机 图4哈工大的教研型步进输送机国外步进输送机领域发展近几年有如下几个趋势：1）步进输送机性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），应用领域不断扩展，从早期的肉类产品加工业扩展到钢铁加工业。2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如动力系统中的电机、减速机、连杆机构三位一体化。3）工业机器人控制系统向基于单片机和工控机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4）机械整体正朝着大型化和小型化两个方面发展，以适应不同工作环境和需求。5）步进输送机开始兴起。从宝钢把步进输送机用于钢管输送以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。3 研究内容3.1步进输送机的工作原理利用电动机作为动力源，通过减速箱把电动机的转速下调至一个合理的数值并增大扭矩，通过一对齿轮啮合和一个连杆机构带动滑架作往复直线运动，从而以步进方式输送工件。3.2 电动机电动机（Motors）是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。电动机按按工作电源可分为直流电动机和交流电动机，按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机，其中控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。同步电机（Synchronous motor）主要用于电力传动（特别是大容量的电力传动），还可以补偿电网功率因数， 发电厂里的交流发电机，全部采用同步发电机。三相异步电动机（Three-phase asynchronous motor）运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。单相异步电动机(single-phase asynchronous motor)具有结构简单、成本低廉、运行可靠等一系列的优点。步进电动机（stepping motor）把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。步进电机主要分为：反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机。步进电机主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。伺服电动机（servomotor ）也称执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转为轴上的转角或转速，以带动控制对象。主要优点有：调速范围广，可以迅速启停、过载能力强、可靠性好。 3.3 减速器减速器（speed reducer ）是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，一般的减速器有斜齿轮减速器(包括平行轴斜齿轮减速器、蜗轮减速器、锥齿轮减速器等等)、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、行星摩擦式机械无级变速机等等。行星减速机具有高刚性、高精度(单级可做到1分以内)、高传动效率(单级在97%-98%)、高的扭矩/体积比、终身免维护等优点，但减速比比较小。摆线针轮减速器减速比大，传动效率高，体积小，重量轻，故障少，寿命长，运转平稳可靠，噪音小，拆装方便，容易维修，结构简单，过载能力强，耐冲击，惯性力矩小，缺点是缺点是维修对技术要求较高，承载能力较齿轮的小、价格较高。蜗轮蜗杆减速器主要用于传动比i10的场合，传动比较大时结构紧凑。其缺点是效率低。蜗轮蜗杆减速器又分为阿基米德蜗杆减速器、延伸渐开线蜗杆减速器和渐开线蜗杆减速器三种，目前广泛应用阿基米德蜗杆减速器。3.4连杆机构连杆机构（link mechanism ）是用低副连接而成的机构，又称低副机构。连杆机构可分为空间连杆机构和平面连杆机构。平面连杆机构主要有：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。连杆机构主要优点有：一，构件之间是面接触，可承受大载荷，便于润滑，磨损小；二，两构件接触面是圆柱或平面，加工制造比较容易，易获较高精度；三，两构件之间的接触可以靠本身的几何封闭来实现；四，能较好的实现多种运动规律和运动轨迹的要求。3.5控制设备工业领域常用的控制系统主要有：单片机、PLC、工控机。单片机（Microcontroller Unit），是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。PLC（Programmable Logic Controller），是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。工控机（Industrial Personal ComputerIPC）是一种采用总线结构，对生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的设备总称。简称“工控机”。包括计算机和过程输入、输出通道两部分。它具有重要的计算机属性和特征，如：具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口、并有实时的操作系统、控制网络和协议、计算能力，友好的人机界面等。目前工控机的主要类别有：IPC（PC总线工业电脑）、PLC（可编程控制系统）、DCS（分散型控制系统）、FCS（现场总线系统）及CNC（数控系统）五种。 4 研究方案4.1 总体方案图5 步进输送机的总体方案设计步进输送机主要有电机1、减速器2、开式齿轮3、平面连杆机构4、滑车5、推块6,、滚轴7、机架8和电器控制系统组成。工作时，电动机1通过蜗杆减速器2和开式齿轮传动3带动连杆机构4运动，并通过连杆机构，带动滑车5做往复运动，当滑车5向前运动时，其上角形推块6变推动安放滚轴7上的工件移动，工件移动到一定位置后，滑车5后退，角形推块翻转从工件底部滑过，开式下一个工件的推进，从而实现对工件的步进输送。4.2 拟采取的技术措施利用ADAMS机械系统动力学仿真软件，创建完全参数化的机械系统几何模型，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。利用三维设计软件Solidworks等，绘制全套三维零件图以及三维装配图，生成虚拟样机模型。检查该样机存在的各种问题，然后利用该样机模型制作装配动画。最后利用AUTOCAD软件绘制全套零件二维工作图以及二维总装配图。利用ORCAD等电路仿真软件设计电路图，调试单片机程序，完成电气控制部分的设计。4.3核心部件的选型动力方面。初选三相异步电动机作为动力，因为其价格低廉，结构原理简单，调速方便，体积较小，功率较小，比较适合教学平台。机械方面。初选蜗轮蜗杆减速器，因为它的传动比很大，结构紧凑，结构简单，价格便宜，非常适合教研型步进输送机速度低、体积小、节约经费的的特点。电气控制方面。采用单片机控制，取代现有诸多厂家所使用的PLC控制方案，降低了控制成本，而且单片机控制相对PLC有更好的灵敏度，便于控制的操作和精度。初选MCS-51单片机程序设计，因为其具有比较大的寻址空间 ，处理功能强 ，指令系统相对完善以及完善的各种中断源，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定 ，开发环境要求较低，软件资源十分丰富，足够用于教学平台。4.4课题预计达到的目标通过对市面上的相关同类产品以及国内外的各种专利进行研究与分析，从使用的实用性，可行性，简易性出发，以减少制造成本，降低售价且功能齐全，增加可利用性，满足后续设计研发和创新的目的，设计一台用于教学的步进输送机，具有完整的结构、功能。控制方案采用单片机控制，方便操纵者自由编写程序、控制输送机。4.5技术难点1). 连杆机构的设计是否准确、精度是否合理；2)电气控制方面的灵敏度是否能达到理想值；3). 控制过程重电机转速是否合理。5 进度计划2011.11.30-2011.12.31：查找文献、翻译英文文献，了解技术的国内外现状和发展趋势并阅读相关资料，完成开题；2012.01.01-2012.01.31：完成步进输送机原理的设计，根据要求提出设计方案；2012.02.01-2012.02.28：力分析、主要传动参数确定、总体结构的初步确定、完成机构的设计； 2012.03.01-2012.03.31：完成机构的设计，绘制装配图、零件图； 2012.03.01-2012.04.30：设计控制电路原理图；2012.05.01-2012.05.31：撰写毕业论文； 2012.06.01-2012.06.15：论文修改、提交材料准备答辩。参考文献1 A.I.Shuutov,A.E.B0rovskoi.A Method for Calculation of the Shape of Bent Sheet Glass Transported on a Roller ConveyerJ. Glass and Ceramics,2001,(4):77-80.2华大年，华志宏.连杆机构设计与应用创新M.北京:机械工业出版社,2007.3 侯建华.机械式步进输送机的研制J.现代技术制造与装备,2006,(6):16-18.4 朱显平. 齿轮式步进机设计J.机械传动,2010,(3）：78-81.5 张毅刚.单片机原理及应用M.北京：高等教育出版社，2003.12.6 李翠兰.单片机在带式输送机软启动装置中得应用J.煤矿机电,2002,(2):15-17. 7 濮良贵.机械设计M.北京:高等教育出版社,2006.8 侯阳. 钢管步进输送机J. 科教导刊,2009,(21):127-137.9 王知行.机械原理M.北京:高等教育出版社,20