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气动标识刻制设备传动系统的设计摘 要根据产品标识标注管理规定，产品标识是指用于识别产品及其质量、数量、特征、特性和使用方法所做出的各种表示方法的统称。机械及其相关产品在生产过程中需要对其零部件实现有效可行的管理，进入市场后需要对其进行质量追踪和监控，标识刻制设备可以很好地实现产品管理。标识刻制设备大概分为三类：金属电印标识刻制设备、激光标识刻制设备、气动标识刻制设备。三种标识刻制设备各有其优缺点，其中，气动标识刻制设备作为机电一体化产品，集成机械、电子、计算机等技术于一体。因其应用范围广、功能性强大、普遍适应性良好以及刻制出的标识难以被仿造等优势，所以近几年能够迅速占领标识刻制设备的市场，得到了广泛的应用和普及。虽然标记质量的好坏一般不会影响机械零部件的使用寿命及其性能，但是，因起作为产品综合质量的一个重要方面仍不容忽视，尤其是在当前竞争激烈的市场经济条件状况下，企业若要追求可观的经济效益和良好的市场口碑，必须重新审视产品标识的意义并提高标记刻制的质量。气动标识刻制设备的系统组成主要包括：控制系统、传动系统、气动系统、标记系统。它的基本工作原理是联通来自计算机的控制信号，当计算机接到来自Y原点控制开关和X原点控制开关的信号后，带动标记头在驱动气源的配合下高速冲击，形成字符或图形点阵。通过对气动标识刻制设备的组成和工作原理的了解，本文主要介绍的工作为气动标识刻制设备传动系统的设计，包括运动简图的设计、步进电机的选择、导轨、滚珠丝杠螺母副、同步带轮的设计和整体结构的设计，以及气动系统设计和打字程序的数控编程。关键词：气动标识刻制设备；传动系统；气动系统；数控编程IIIABSTRACTAccording to the product identification label management regulations product identification refers to the identification of products and their quality, quantity, characteristics and methods of use made by all kinds of representations. Mechanical products in the production process need to carry out effective management of parts, after entering the market need to carry out quality tracking monitoring, marking equipment can be very good to achieve product management. Marking engraving equipment is generally divided into three categories: metal electrical marking engraving equipment, laser marking engraving equipment, pneumatic marking engraving equipment. Three kinds of marking engraving equipment have their own advantages and disadvantages, among them, pneumatic marking engraving equipment as an electromechanical integration products, mechanical, electronic information, computer technology in one. Because of its advantages such as wide application, strong function, high universality and difficult to be imitated, it has rapidly occupied the market of marking and engraving equipment in recent years, and has been widely used and popularized.The system composition of pneumatic marking and engraving equipment mainly includes: control system, transmission system, pneumatic system and marking system. Its basic working principle is to connect the control signals from the computer, when the computer receives the signals from the y origin control switch and the x origin control switch, drive the marking head to impact at high speed under the cooperation of the driving air source to form the character or graphics lattice.Through the understanding of the composition and working principle of pneumatic marking engraving equipment, this paper mainly introduces the design of pneumatic marking engraving equipment transmission system, including the design of motion diagram, selection of stepper motor, guide rail, ball screw nut pair, synchronous belt wheel design and overall structure design, as well as pneumatic system design and numerical control programming of typing program.Keywords: pneumatic marking and engraving equipment ；transmission agent ；pneumatic system ；Nc programmingII目 录摘 要IABSTRACTII1.绪论21.1铁基表面产品标识刻制设备设计的背景意义21.2气动标识刻制设备的研究现状与发展趋势31.3 本课题所要研究的主要内容52.气动标识刻制设备的组成与工作原理52.1气动标识刻制设备的组成52.2气动标识刻制设备的工作原理63. 气动标识刻制设备的传动系统设计63.1气动标识刻制设备的机构运动简图63.2步进电机的选择73.3导轨的设计93.4同步带轮的设计113.5滚珠丝杠螺母副的设计134.气动标识刻制设备的整体结构设计224.1整体机构的简述224.2装配图225.气动标识刻制设备的气动系统设计245.1气动系统的简述245.2气动系统原理图设计246.气动标识刻制设备打字程序的数控编制256.1数控技术的简述256.2编程实例25参考文献27附录1：外文翻译28附录2：外文原文33致 谢39铁基表面产品标识刻制设备设计1.绪论1.1铁基表面产品标识刻制设备设计的背景意义依据产品标识标注管理规定，产品标识是指用于识别产品及其质量、数量、特征、特性和使用方法所做出的各种表示方法的统称。机械及其相干产品在生产制造过程中需要对其零部件实现有效可行的管理，对其进行质量追踪和监控在进入市场后也十分必要，标识刻制可以很好地实现产品管理。标识刻制设备大概分为三类：金属电印标识刻制设备、激光标识刻制设备、气动标识刻制设备。三种标识刻制设备各有其优缺点，其中，气动标识刻制设备作为机电一体化产品，集成机械、电子、计算机等技术于一体。因其应用范围广、功能性强大、普遍适应性良好以及刻制出的标识难以被仿造等优势，所以近几年能够迅速占领标识刻制设备的市场，得到了广泛的应用和普及。尽管标识质量的好坏通常不会影响机械零部件的使用寿命及性能，但依旧是一个不容忽视的产品综合质量的重要方面，尤其是在当前竞争激烈状况下的市场经济条件，要追求可观的经济效益和良好的市场口碑的企业，必须重新定义产品标识的意义并提高标记刻制的质量。产品标识刻制设备主要分为三类，由于本次设计主要设计的是气动标识刻制设备，所以下面简单介绍下其余两类标识刻制设备的特点1：1 . 金属电印标识刻制设备金属电印标识刻制是一种经济且精巧的刻制标识方法,技术来源于国外,约十几年前由美德日的三家厂商引入国内市场。金属电印标识刻制设备的工作原理是运用低电压在打标液的帮助下使金属表面局部离子化，几乎可以在任何导电的金属表面印上永不脱落的图案或文字。金属电印标识刻制设备刻制出的标识精度非常高，且工件表面的平整度不会被破坏，刻制出的标记为黑色或白色，但它的刻制深度较浅，对工件的表面的平整度有较高的要求，且只能在导电的金属表面上进行标记刻制。另外，金属电印标识刻制设备需要消耗模板、打标液等，这些条件都限制了它在国内市场的发展、普及。2. 激光标识刻制设备激光标识刻制设备是自上世纪九十年代中期逐渐发展起来的标识刻制技术。激光标识刻制设备采取零接触、零污染、零磨损的标记工艺。运用的原理为高能量密度的激光束对目标作用，使目标产品表面发生物理或化学变化，由此获得目标图案。高能量的激光束在材料表面聚焦，使材料迅速汽化，形成凹坑，在材料表面有规律地移动激光束，同时控制开断激光，就在材料表面由激光束加工成一个指定的图案。激光标识刻制设备的特点是标记速度快、字迹清晰、保存永久、采用非接触式加工、污染小、无磨损、刻印深度较深、性能稳定、低噪音等特点。但激光标识刻制设备设计工艺复杂、成本较高。全球标识刻制设备行业的排名现状：美国位列第一，日本高居第二，欧洲第三，中国排名第四。随着我国科技产业发展势头迅猛，我们已经超过日本，成为全球第二大标识刻制设备市场。国内产品标识刻制设备产业历经十多年的严冬，严酷的产业竞争促使了行业整合，显著提升了成本控制能力。但是在竞争中，气动标识刻制设备全行业赢利能力低下、自主发展动力不足，没有充足的资本积累用于解决关键性的问题等日益显现，关键性问题如预制棒技术以及生产规模化、开发标识刻制设备新产品等都未得到良好的解决。全行业的赢利能力以及参与国际竞争能力长期被这些技术瓶颈制约着，行业被动陷入低价竞争的恶性循环。从长远看，这种结果非常不利于我国标识刻制设备产业的发展。然而由于逐年下降的产业链增值能力，越来越多的资本被迫撤离标识刻制设备行业，这种不良循环无疑会使产业链更加脆弱。当前国内标识刻制设备市场正保持稳步增长态势，显著提高了气动标识刻制设备业集中度，进一步向大企业集中供货方向。逐步发展向行业布局合理的新的局面：几个大型产业集团不断完善。发展动力源于国家实施信息化战略，宽带和移动网络大力推动并迅猛发展，此为其一；其次源于电信运营商转型战略的实施促进增长了农村市场和宽带商务市场；除此之外，技术的进步和市场对带宽需求增加的双重作用也推动了我国标识刻制设备市场的内在繁荣。特种标识刻制设备的需求在电力、军队和石油化工等领域也非常大，对标识刻制设备的技术、设备和工艺提出了更高的要求。虽然标识刻制设备市场需求前景光明，但是就目前而言，标识刻制设备企业的发展并不乐观。虽然总量在逐步增加，但整体利润却始终在下滑，这说明我国的标识刻制行业的整体发展依旧存在很多问题，对生产成本的控制上存在问题，归根结底就是我们的技术还不过硬，还不具备和外国的那些高科技的企业竞争的能力，这对气动标识刻制设备的发展来说是非常危险的。针对这些现象我国打标行业必须采取一系列措施，来解决我们的不足，首先要加强自主创新能力，增强产品核心竞争力，改变依靠低成本劳动力，和低价发展的现状，其次要重视企业的整体发展，企业组织结构要合理化，产业规模要集中化，最后要使技术对产出的贡献率占比增大，并提高资源利用率。1.2气动标识刻制设备的研究现状与发展趋势本次设计主要研究的是气动标识刻制设备，它的基本工作原理是经由计算机控制，按照计算机编辑好的文字或图形轨迹带动刻制针头运行同时刻制针头往复冲击，在压缩空气的作用下做调整，从而点阵式字符或图表就可以在工件表面形成。该产品的主要特点是自动进行打标过程，刻制的标识规范、美观；刻制针冲击频率较高，打标速度很快，能满足大批量的生产需要；刻制针的作用力较大，打标深度可达1m m，能满足各种深度的要求；性能稳定，安全可靠；操作简单，维护方便。由于气动标识刻制设备的特点突出，所以它的应用范围很广泛，主要包括：1、汽车、摩托车行业：对车身、车架、底盘、大梁、发动机、连杆、汽缸、活塞、缸套、齿轮、水泵、弹簧钢板等标记出厂编号、生产编号、生产日期、名称、商标等内容；2、机械行业：对各种机械零部件、五金制品、机床工具、钢管、接箍、套管、泵体阀门、牙轮、法兰盘、紧固件等标记刻印；3、仪表、机电设备的标记刻印；4、塑料制品、皮革制品的标记刻印；5、在铝、铜、不锈钢、PVC等材质的标牌（铭牌）上刻印数据、出厂编号、生产日期等；6、刻印刻度盘追溯气动标识刻制设备的发展历史2：1973年，美国的TELESIS公司研发出了全球第一台气动标识刻制设备；1984年，法国的TECHNIFOR公司研制出全球第一台手持式气动标识刻制设备； 1997年，石家庄德邦数控技术有限公司从加拿大引进标识刻制设备系统，并在国内开始生产组装，当是主要应用于发动机，活赛打标进行打标目前在国内市场上占据着主导地位。加拿大的伊斯沃（EASTWARD）公司是最大的专业生产标识刻制设备的公司，拥有50多年历史，随着中国机械工业界增多与世界同行的各种合作，随着国外的机械加工理念的进入，伊斯沃产品也来到中国。1995年1月，伊斯沃公司在中国生产出第一台气动标识刻制设备，中国最著名的合资企业如上海大众，上海通用，武汉富康，南京依维柯，嘉陵本田，建设雅马哈等从创建开始就引进了伊斯沃工业标记设备。源于发达国家的气动标识刻制设备技术是当时世界上最先进的。虽然，这些进口品牌的标识刻制设备质量较好，国内的广大中小企业对其价格和售后服务却只能望而却步；反观国内的气动标识刻制设备，虽然生产商制造出的产品价格相对较低，但只是单纯地模仿功能，在很多技术达不到实际的生产要求，质量无法保证。因此，在中国生产和推广拥有全套自主知识产权的气动标识刻制设备，让国内广大企业能用上物美价廉且售后服务保障完善的气动标识刻制设备成为一项迫切需求。在研制气动标识刻制设备方面，国外依然处于比较领先的地位，从上个世纪80年代开始，气动标识刻制设备的技术在国外已经日趋成熟，目前的研究主要集中在优化标识刻制设备软件和硬件上，在打标行业内技术领先的公司近期取得的主要研究成果有以下几个方面3：(1)曲面打标：随着El工业产品种类日趋丰益，需要标识刻制的工件表面形状开始由单一平面向曲面进化。TMPl700型标识刻制设备系统是由美国TELESIS公司开发研制的一种全自动打标系统，打标范围主要是钢铁及各种非金属材料。TMPl700不仅能够完美的实现在平面上的刻制，而且在复杂的曲面上刻制也实现的十分优秀。(2)多针头打标：单针头打标是目前气动标识刻制设备采用的主要刻制手段，随着科技飞速发展，控制系统也在不断地进行更新换代，多针头标识刻制设备已由国外厂商研制成功，极大提高了打标效率。其中，最具代表性的是美国TELESIS公司研制的TMM5400型标识刻制设备，该设备的主要原理是在原有单针头的基础上，增加电磁阀数量，每个电磁阀对应控制一个针头的动作，实现多针头打标。由于增加了需要控制的电磁阀的数量，所以控制程序也比单针头打标复杂了许多。(3)悬梁式打标：标识刻制设备在工业现场时基本上都是固定式安装的，打标的范围受到了极大的限制，工件进行大范围打标的需要不能被满足。奥地利NUMTEC公司开发研制的MX悬梁式气动标识刻制设备打破了这一固守形态。该系统具有速度快、精度高、移动范围大的特性，工作温度范围是01000，非常适合在高温环境下的工作，目前在热轧钢产品的标识刻制中占据十分重要的地位。外国的标识刻制设备和刻制技术十分先进，引进先进的国外设备和技术对我国标识刻制行业发展是好现象，但是，我们如果只注重100的纯引进，而放弃开发我们自己的技术、设备，没有使标识刻制设备国产化，长此以往的发展下去，必定会阻碍我国标识刻制设备工业的发展，同时对我国经济也有不利影响。所以从现在的经济环境来看，我国要想发展好气动标识刻制设备工业，那么必须进行严格的技术管理，全面加强控制，加快步伐研发新材料、新结构，由高消耗、高成本逐步向低消耗、低成本转化，产品的设计和生产建立在更加科学合理的基础上，逐步的进行产品的更新换代，争取使更多的产品参加国际市场的竞争。1.3 本课题所要研究的主要内容(1): 气动标识刻制设备的传动系统方面的设计(2): 气动标识刻制设备的气动系统方面的设计(3): 气动标识刻制设备的打字程序的数控编制2.气动标识刻制设备的组成与工作原理2.1气动标识刻制设备的组成气动标识刻制设备的组成主要包括：控制系统、传动系统、气动系统、标记系统。控制系统：控制系统一般由开关电源、控制板、驱动器、PC数控程序卡等部分组成，这一部分统称为控制箱。控制箱在接收到计算机发出的指令后控制步进电机运动，带动整个系统完成需要的动作。由于本篇文章主要介绍机械相关方面的设计，所以对控制系统就不做详细的介绍了。传动系统：主要包括了绘制运动简图，选择步进电机，设计计算导轨、滚珠丝杠、带轮等。具体的传动系统设计会在接下来的说明书中详细介绍。气动系统：主要包括了选择合理配合的气动执行元件和气动控制元件，以及设计最佳最简的气动回路。具体的气动系统设计会在接下来的说明书中详细介绍。标记系统：这一部分主要包括选择标记软件、标记针头以及设计合理的走刀路线。标记系统不作为本次设计重点，所以，本文只在最后做简单介绍。2.2气动标识刻制设备的工作原理需要气动标识刻制设备工作时，可以将其固定在产品刻制生产流水线上或是专用夹具上，并接通压缩空气源。选用合适的标记系统后，在标记软件上预设出需要打印的内容，将标记系统和控制系统相连接。当控制系统接收到计算机发出的指令时，控制Y行程步进电机、X行程步进电机配合运动，气动系统配合刻制头采用高速冲击的方式进入工作状态，根据需要打印出图形点阵或字符。这个过程就完成了气动标识刻制设备的标识刻制，完成预定的标识刻制目标。3. 气动标识刻制设备的传动系统设计3.1气动标识刻制设备的机构运动简图在前面的内容中已经介绍了气动标识刻制设备的主要应用、结构组成、和工作原理。接下来我们需要确定设备的主要运动形式和工作过程，基于以上内容设计出运动简图。气动标识刻制设备运动简图的传动原理：X轴方向横向滚珠丝杠可以使用角接触球轴承在丝杠两端固定，将打标头连接在螺母副上，步进电机运行的时候同时带动同步带轮、滚珠丝杠、刻制头一起运动，刻制针就可以实现横向进给。Y轴方向运动同理，也使用角接触轴承固定好纵向滚珠丝杠，让他的螺母副与横向进给装置相连接，纵向步进电机驱动起来时，同时带动同步带轮组、纵向滚珠丝杠转动，刻制针就可以实现实现纵向进给。通过上述分析可以知道，X方向和Y方向的滚珠丝杠协同作业，横向滚珠丝杠与刻制针相接，所以横向滚珠丝杠螺母副与刻制针的运动轨迹相同，刻制针就可以在XOY平面上实现运动定位了。气动标识刻制设备的运动简图见下图： 图3-1 气动标识刻制设备的运动简图3.2步进电机的选择步进电机是可以将电脉冲转化为角位移的一种装置。当我们向步进驱动器输入进一个脉冲信号时，步进电机在脉冲信号的影响下就会按照预先设置好的方向旋转一个固的定的角度。角位移量的改变可以通过改变脉冲的个数来改变，最终实现精准定位；电机转动的速度和加速度的改变可以通过改变脉冲频率来改变，最终实现调速。在进行步进电机的选择时，需要重点考虑的参数：步距角、运行频率、空载启动频率和最大静转矩。电机的最大负载转矩常用计算公式如下： （3.1）i代表的是传动比，在本次设计中设计的同步带轮、主动轮与从动轮的节圆直径都是相等的，故。是机械效率，根据参考其他的气动标识刻制设备可以知道，气动标识刻制设备的主要传动方式包括导轨的平摩擦传动、滚珠丝杠传动、同步带传动。通过查阅相关资料可以知道，导轨平摩擦传动效率为0.9；滚珠丝杠的传动效率为0.93；同步带传动的机械效率为0.95，所以。是电机轴的负载转矩；是电机轴的摩擦转矩（一般不计）。根据标识刻制设备的实际系统可得： （3.2）M：总负载质量，g：重力加速度，：导轨动摩擦系数，：是同步带轮的节圆直径。经过简单的测量估算，可以设 M=12kg, =20mm, 通过查阅机械设计手册得出，。将上述数据带入公式（3.2）可得：将得数值带入公式（3.1）可以求得：通常选取大于（其中0.3为比例系数）的电机最大静态转矩用以保证电机在启动的时候能够有带动负载的足够转矩，能够保证电机顺利启动，所以最终算得电机最大静转矩。通过查阅相关资料和相关手册可以知道，在选择步进电机的时候我们需要先根据脉冲当量确定电机步距角，由于性能指标中要求的点的轴向间距为lmm，所以，根据实际情况调整步进电机刻制点的轴向间距l，为，又根据同步带轮节圆直径=20mm，以及气动标识刻制设备的精度要求，取脉冲当量=0.01mm。初步计算电机的步距角为：步进电机的步距角常见值两相整步是，三相是。本次设计选择的两相步进电机。根据步距角算出电机的脉冲当量现已知上述数据，通过查阅机械设计手册，本次设计决定选择的步进电机型号为57BYG5-03的两相混合式步进电机。3.3导轨的设计3.3.1导轨的简述导轨是一种槽或脊，可以用来承受、固定、引导移动装置或设备的一种常用机械结构，可在极大程度上减少摩擦。一般由金属或其它合适的材料制成。3.3.2导轨的设计（1）.选择导轨的类型和截面形状各种导轨的介绍见下表：表3-1 导轨的类型、特点与应用本次毕业设计中我通过对各种导轨的分析，结合本次设计的可行性和适用性，我决定选择使用滑动导轨。滑动导轨又可以分为圆柱面导轨和棱柱面导轨，其中棱柱面导轨又可分为三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨和圆柱形导轨，以及以上各种导轨组合起来的组合式导轨3。各个滑动导轨的基本截面形状如下：图3-2 滑动导轨的基本截面形状图通过比较各种导轨的特点以及适用范围，本次设计中我决定选用三角形导轨。（2）.选择导轨的具体参数本次设计的气动标识刻制设备需要设计纵向导轨和横向导轨。设计纵向导轨长度为，横向导轨长度为,导轨的顶角为。导轨与工作台通过开槽沉头螺钉连接，导轨与工作台相互配合完成相应运动。具体的设计尺寸将会在图中表示出来。纵向三角形导轨部分截面图见下图：图3-3 纵向三角形导轨截面图因横向导轨的设计与纵向导轨的设计内容相像，故省略展示横向导轨。在选取导轨的材料时要选择耐磨性好，摩擦系数小的材料，同时材料还要具有优越的加工和热处理的性能。本次设计根据设计需要和各种方向的比对决定选用GCr15。GCr15是高碳铬轴承钢，其应用广泛，具有非常优秀的力学性能，刚度、硬度均符合本次设计要求。3.4同步带轮的设计3.4.1同步带传动的简述 同步带的部分分类图示如下： 矩形带 梯形带 多楔带 圆形带图3-6 同步带的部分分类图同步带传动的示意图如下：图3-7 同步带的传动图3.4.2同步带轮尺寸计算通过查阅机械设计8，和机电一体化设计基础本次设计选用 XL型带，取基准直径，小带轮的最小齿数, 此处取z=20。设计功率，是工作情况系数，取，功率。根据同步带选型图，通过，选择对应的转速，则带速。再令=，初步选择中心距，根据公式：，即。选择中心距，计算带所需的基准长度：258.91mm 是基准长度，取值参考机械设计手册10。因为带轮组两带轮尺寸相同，所以带轮啮合齿数，基准额定功率。所需带宽，为啮合系数，是带的基准宽度，这里取。基圆齿距= ，m=1.75, 所以=5.16。同步带轮设计图如下图所示：图3-8 同步带轮尺寸图同步带轮的部分参数如下：表3-3 同步带轮的部分参数基圆齿距（Pb）5.16带速（m/s）2.17中心距（a）89.46齿顶圆角半径（ra）0.61齿数（Z）20节圆直径（d）31.53.5滚珠丝杠螺母副的设计3.5.1滚珠丝杠螺母副的简述滚珠丝杠螺母副的作用：将回转运动通过其特殊的运行方式转化为直线运动。由于滚珠在滚道内的滚动取代了其在运动过程中的滑动，因此结构受到的摩擦力被极大削弱，更加体现了其优越的特征。滚珠丝杠螺母副由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。 滚珠丝杠螺母副的工作原理：当加工有弧行螺旋槽的丝杆和螺母组合在一起使用时可以形成螺旋状的滚道，滚珠可以装填在滚道内并沿滚道有秩序的滚动，并在回珠管里作循环运动。回珠管的两侧端头还可以起防止滚珠脱落的作用。 制作材料主要采用优质合金，经热处理后表面获得高硬度，因此使用寿命长，但因此制造成本同时会增加。基于以上及其他参考文献中对螺母副的介绍，经过各项系数的比对参考，并结合本次设计需要，此次设计选用外循环滚动螺母副。3.5.2 滚珠丝杠螺母副的几何尺寸计算（1）.螺纹滚道：选用公称直径,经查阅机电一体化设计基础6可知， 与其相配合的螺距，导程,接触角，滚珠直径：。螺纹滚道曲率半径：。螺纹升角：。偏心距：e=。（2）.螺母：螺纹外径：。螺纹内径： ,取。（3）.螺杆（丝杠）：丝杠外径：，取。丝杠内径：。螺杆接触点直径：。3.5.3滚珠丝杠螺母副的校核校核在机械零件的实际使用设计中十分必要，由于我们在计算过程中有些参数不整而取近似值带入计算，因此会被略微的放大或缩小，但即使是十分微小的数值变化，在最后的计算结果中也可能会出现较大的偏差，形成计算事故。所以，我们在经过计算选定所需要的机械零件之后，还要通过最后的校核来确定计算所选的零件是否能够满足实际的刚度、强度以及使用寿命等各项需求。接下来，本文将根据设计手册的相关要求进行滚珠丝杠螺母副的相关校核。（1）.纵向滚珠丝杠螺母副：基本额定载荷的计算：。螺杆的适应度系数：。圈螺纹滚道内的钢球数量：。螺母的适应度系数：。工作行程系数：。其中是有效工作行程、是螺母的总工作圈数。额定动载荷特性值：基本额定动载荷：基本额定静载荷： 基本额定寿命校核:= （3-1）式中的单位是,为指数,这里取，是基本额定动载荷，P是轴向载荷这里取，变载荷时，应取其平均载荷。通常在设计中以小时来计算寿命，改写公式（3-1），令n表示转速，则基本额定寿命为：通过查阅相关文献可知，标识刻制设备类机械的寿命应达到1.2w-1.5wh。我们取用常用寿命的上线1.5wh作为比对，本次校核严格按照标准计算途径进行校核，那么本次校核中所得的使用寿命达到了百万小时级别，远远大于标准寿命时间值，所以此次设计的滚珠丝杠螺母副符合设计要求。刚度校核：滚珠丝杠在工作负载和转矩共同作用下引起的每个导程的变形量为：7 。滚珠丝杠的截面积：。滚珠丝杠的极惯性矩：。式中：是轴向载荷使导程发生的变形， 转矩使导程发生的变形；G为丝杠切变模量，对于钢; 为转矩，其中为摩擦角，对于本设计取摩擦系数为，则得为螺纹升角，通过上述计算得出=。这里按最不理想的情况计算，则在滚珠丝杠的工作长度内由弹性形变引起的导程误差：，所以工作长度满足要求。所以滚珠丝杠的刚度满足要求。稳定性校核： 是螺杆危险截面的轴惯性矩 ，查表得安全系数,因为，可以得出本次设计中纵向滚珠丝杠螺母副的稳定性满足要求。效率验算：滚珠丝杠副的传动效率K为： 标准要求：，经上述校检所得，本次设计符合要求。上述计算包括了对纵向滚珠丝杠螺母副的校核、验算，全部计算结果都符合标准要求，所以本次设计选用的纵向滚珠丝杠螺母副合理可行。基于上述计算，总结本次设计选用的纵向滚珠丝杠螺母副主要尺寸参数见下表：表3-2 纵向滚珠丝杠螺母副主要尺寸参数公称直径 / mm20滚珠直径 / mm2.4螺距 /mm4曲率半径 /mm1.3螺纹升角接触角螺母外径 / mm22.46螺母内径 / mm20.5（2）.横向滚珠丝杠螺母副： 这里省略横向滚珠丝杠螺母副与纵向滚珠丝杠螺母副相同部分的计算。 基本额定载荷的计算： 螺杆的适应度系数：。圈螺纹滚道内的钢球数量： 。螺母的适应度系数：。工作行程系数： ，其中是有效工作行程、是螺母的总工作圈数。额定动载荷特性值：基本额定动载荷：基本额定静载荷： 寿命的具体计算：= （3-2）式中的单位是，为指数， 这里取=3，是基本额定动载荷，P是轴向载荷这里取P=100，变载荷时，应取其平均载荷通常在设计中以小时来计算寿命，这时可将公式（3-2）改写，令n代表转速，则以小时数表示的基本额定寿命为：通过查阅相关文献可知，标识刻制设备类机械的寿命应达到1.2w-1.5wh。我们取用常用寿命的上线1.5wh作为比对，本次校核严格按照标准计算途径进行校核，那么本次校核中所得的使用寿命达到了百万小时级别，远远大于标准寿命时间值，所以此次设计的滚珠丝杠螺母副符合设计要求。刚度校核：滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起的每个导程的变形量(m)为： 其中是轴向载荷使导程发生的变形， 转矩使导程发生的变形。滚珠丝杠的截面积：。滚珠丝杠的极惯性矩：，G为丝杠切变模量，对于钢G=83.3GPa; T(Nm)为转矩，其中为摩擦角，对于本设计取摩擦系数为，则得。为螺纹升角，上面算出=。这里按最不理想的情况计算，则：横向滚珠丝杠的工作长度为，我们需要计算在工作长度内滚珠丝杠的弹性变形所引起的导程误差，并与标准值做比较。导程误差：，所得误差在合理范围内。稳定性校核：。 是螺杆危险截面的轴惯性矩 所以横向滚珠丝杠螺母副的稳定性满足要求。效率验算：滚珠丝杠副的传动效率K为： 标准要求：，经上述校检所得，本次设计符合要求。上述计算包括了对纵向滚珠丝杠螺母副的校核、验算，全部计算结果都符合标准要求，所以本次设计选用的纵向滚珠丝杠螺母副合理可行。滚珠丝杠螺母副如下图所示：图3-4 滚珠丝杠螺母副尺寸图纵向滚珠丝杠如下图所示：图3-5 纵向滚珠丝杠尺寸图横向滚珠丝杠的与纵向的基本相同，所以这里就把横向滚珠丝杠的示意图省略。4.气动标识刻制设备的整体结构设计4.1整体机构的简述经过上述的设计计算，此次设计内容中的步进电机、导轨、滚珠丝杠螺母副、同步带的尺寸型号已经完成，各个机构都进行了缜密、独立的计算以及验算，得出的计算结果符合各类标准。每部分独立机构完成特定运动，最后需要将所有已经设计完成的结构进行机械组装，把他们拼装成一个完整的、能够可靠运行的机械设备。在进行组装之前，需要做的准备工作有理解各机构工作原理和特点，每个机构都实现了什么样的功能，在组装时需要注意哪些相关问题，以及各个机构拼装时候的先后顺序等。以上问题都得以顺利解决之后，我们才可以将各个独立的结构组装成一台完整的机械设备。接下来，本文将介绍整体机构的装配。4.2装配图整体机构组成图如下：图4-1 整体机构视图1图4-2 整体机构视图2图4-3 整体机构视图3这些部分主要现实的是X轴方向运动和Y轴方向运动，在第二章已进行详细介绍，在此不重复赘述。这一部分中涵盖了步进电机、纵向导轨、横向导轨、横向滚珠丝杠、纵向滚珠丝杠、同步带轮组和同步带。其他部分会在设计图纸中展现出来，不在此例举。5.气动标识刻制设备的气动系统设计5.1气动系统的简述标识刻制设备也分为很多种，但气动标识刻制设备采用了性能优越、运行可靠、性价比合理的气压传动技术而被逐渐推广扩散，逐渐扩大其在标识刻制设备中的国际影响力，现在已经占据了主要地位。接下来，对气压传动系统相关元件进行简单例举。组成气动执行元件包括直线气缸、摆动气缸、气马达。组成气动控制元件包括压力阀、流量阀、方向阀。组成气动辅助元件包括压力开关、润滑元件、消声器等5.2气动系统原理图设计要想设计出一个完整的气动控制系统，必须了解各种基本的气动回路，选择简单可行的方案将其组合在一起。在设计气动控制系统是，要求系统不仅能够完成预期目标，还要考虑到能否调压、调速，控制方式是手动还是自动等一相关问题。那么，气动系统原理图的设计需要对气动元件的功能、特点进行深入的分析研究，设计气动系统原理图时首先要进行功能分析，明白此次涉及的气动系统最终需要完成什么任务，然后需要根据任务选择最优基本回路进行组合，最后根据功能和回路要求选择相关的气动元件。整个过程需要足够的耐心和丰富的理论基础，在众多选择中挑取最优组合。基本回路的分类有很多，包括压力控制回路、方向控制回路、速度控制回路等。经过查阅相关资料并参考相关文献，在本次设计中我选用了直线气缸、安全阀、电磁换向阀，气压泵等元件。将基本回路进行组合，该气动系统实现了压力控制、方向控制和速度控制，其原理图如下：图5-1 气动系统原理图6.气动标识刻制设备打字程序的数控编制6.1数控技术的简述数控技术在现代的工业生产生活中占据着绝对的主导地位，体现出了先进制造技术的优势，是先进制造技术的基础。在实际的生产中将数控技术与机械设备相结合，不仅能够节省时间、减少劳动力成本，还可以极大的提高生产质量，因其采用机器化控制，可以完美实现精准控制，可以说是机械设备的灵魂所在。本次设计中，气动标识设备就利用数控技术配合完成文字或点阵的刻制。那么接下来就对数控技术进行简单的介绍。数控技术是一种现代化手段，在机械运动以及加工过程中利用数字化信息配合硬件设备进行一系列控制，能够实现数字化信息控制的硬件和软件的整体被称为数控系统。数控系统的组成：一般包括输入/输出装置、数控装置、驱动控制装置、机床电器逻辑控制装置四部分。数控装置是数控系统的核心，由计算机的硬件和软件组成13。本次设计的设计主体是在于机械方面的内容，数控系统属于计算机设计方向，在本文中不详细展开说明介绍。但本次设计需要借助数控技术完成数控程序的编制实现标识刻制，所以对其既能和编程指令进行介绍了解。数控系统的机能主要包括插补机能、进给机能、主轴机能、辅助机能、刀具机能。数控系统的编程指令有很多，其中包括绝对编程、增量编程、直径编程等。不同的编程方式对应的编程代码也各不相同，要想更加详细的了解其相关使用信息可以参考相关文献。6.2编程实例以“2018”为本次编程目标文字，设计尺寸，14。预计效果图如下所示（箭头表示刀轨运行路径）：图6.1 编程实例图6.2 数控程序参考文献1 刘格,周璐,罗娅.气动标记打印机J.机械制造,1997(06):33.2 李永铜.DCQ-工业气动标记打印机的研制J.制造技术与机床，1998.6 4-53 郭芝俊.机械设计手册M.化学工业出版社，19994 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学M.北京,高等教育出版社,2002.55 武卫,辛世界,张新义,王好臣.自动打标机的研制J.机械制造2002(12) 16-176 杨芳.工业打印机的硬件电路设计及分析J.贵州大学学报,2002.8第19卷第3期 6-87 龚仲华.数控技术M.北京,机械工业出版社，2004.18 朱喜林.机电一体化设计基础M. 北京:科学出版社,2004.89 濮良贵.机械设计M.北京,高等教育出版社，2006.510 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调速系统引言步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展步进电机的需求量与日俱增在各个国民经济领域都有应用。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动使用非常方便。一般电动机都是连续转动的而步进电动机则有定位和运转两种基本状态。当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比在时间上与输入脉冲同步因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点因而在数控机床绘图仪打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作为一种控制用的特种电机利用其没有积累误差(精度为100%)的特点广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相转矩和体积较小步进角一般为7.5度或15度;反应式步进电机一般为三相可实现大转矩输出步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。1步进电机概述1.1步进电机的特点:1) 一般步进电机的精度为步进角的3-5%且不累积。2) 步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3) 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4) 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数:空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。1.2步进电机的工作原理步进电机是一种用电脉冲进行控制,将电脉冲信号转换成相位移的电机,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度。脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了电机运转的速度.当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度从而达到调速的目的。设计的基本要求研究步进电机的特性、工作原理、及其具体的调速原理。基本要求步进电机采用三相步进电机功率为1W。调速范围为0到1000r/min最高转速时，精度2%要基本上完成毕业设计作到步进电机能精确的调速、正反转、并能在起动时不失步，基本上没有振荡，能完成完整的硬件电路图软件设计。3方案的论证3.1控制方式的确定步进电机控制虽然是一个比较精确的步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点在采用单片机的步进电机开环系统中控制系统的CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和就是CP脉冲的周期，该方法简单、占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。但占用CPU时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。将电机换向子程序放在定时中断服务程序中定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精确定时，要对重装的计数初值作适当的调整。调整的重装初值。主要考虑两个因素一是中断响应所需的时间。二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序重的其他指令因。综合这两个因素后，重装计数初值的修正量取8个机器周期，即要使定时时间缩短8个机器周期。用定时中断方式来控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。在控制过程中，采用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的ROM中，系统在运行中用查表法查出所需的装载值，这样可大幅度减少占用CPU的时间，提高系统的响应速度愿大多数步进电机运动控制系统都运行在开环状态下。因为成本较低，并可提供运动控制技术固有的位置控制，无须反馈。但是，在某些应用中需要更多的可靠性、安全性或产品质量的保证，因此，闭环控制也是一种选择.以下是一些实现步进电机闭环控制的方法:1)步进确认这是最简单的位移控制，使用一个低值的光学编码器计算步进移动的数量。一个简单的回路与指令校验的步进电机比较验证步进电机移动到预计的位置;2) 反电动势,一种无传感器的检测方法使用步进电机的反电动势(eleCtromotiveforCeemf)信号测量和控制速度。当反电动势电压降至监测探测水平时闭环控制转为标准开环完成最终的位移移动;3) 全伺服控制指全时间的使用反馈设备，用于步进电机-编码器、解码器、或其它反馈传感器上，从而更为精确地控制步进电机位移和转矩。其它的方法包括各种不同的反电动势控制电机参数测量和软件技术，一些制造企业都会使用这些方法。这里，步进驱动监控和测量电机线圈，使用电压额电流信息提高步进电机控制。正阻尼使用这一信息阻挡振动的速度，产生更多的可用的转矩输出，降低转矩的机械振动损耗。无编码器安装监测采用信息检测同步速度的损耗。传统步进电机控制通常采用反馈设备和非传感方法是有效的实现带有安全需求、危险状况或高精确度要求的运动应用的方法。大多数基于步进电机的系统一般都运行在开环状态下这样可提供一个低成本的方案。事实上，步进系统可提高位移控制的的性能，且不需要反馈。但是，当步进电机在开环时运行，在命令步幅和实际步幅之间会有同步损耗的可能。闭环控制是传统步进控制的一个部分，能有效地提供更高地可靠性、安全性或产品质量。在这些步进系统中反馈设备或间接参数传感方法的闭环能进行校正或控制失步、监测电机停滞，以及确保更大的可用转矩输出。近期步进电机的闭环控制(CLC)还能帮助执行智能分布运动架构。然而，开环操作会有失步的风险，这将产生定位失误。但与伺服系统中使用的编码器相比，闭环步进电机采用的编码器成本更低。故选择闭环控制。3.2驱动方式的确定并于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动;别一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。用编码器还的测速发电机作为转速测量工具,因为选择了闭环控制就必须有反馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采用同轴的测速发电机，把步进电机的转速反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调节;别一种是通过光同轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节;两者相比，后者的设计比较简单，价格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者用光电骗码器作为反馈元件。3.3驱动电路的选择步进电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。它的最大特点是结构简单，因它的工作效率低，特别是在高频下更显的突出。它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，因此也称为高低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降。不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压同时无需外接电阻来限定期额定电流和减少时间常数。但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步，一般会根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕阻会轮流切换，固可以使步进电机的转子旋转。细分控制的电路一般分为两类，一类是采用线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流，这种方法简单但效率低。别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片8713来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。附录2：外文原文Stepper motor motion control system design YH Lee Abstract Stepper motors are open-loop control elements that convert electrical pulse signals to angular or linear displacements. In the case of non-overload, the rotation speed and stop position of the motor depend only on the frequency and pulse number of the pulse signal, and is not affected by the load change, that is, a pulse signal is applied to the motor, and the motor rotates through a step angle. The existence of this linear relationship, coupled with the fact that the stepper motor has only periodic errors and no cumulative errors, is a feature. It is very simple to use a stepper motor to control the speed and position. Stepper motor speed control is generally to change the frequency of the input stepper motor pulse to achieve stepper motor speed control, because the stepper motor for each pulse to rotate a fixed angle, so that you can control the stepper motor The time interval from one pulse to the next pulse changes the frequency of the pulse. The length of the delay controls the step angle specifically to change the rotation speed of the motor, thereby realizing the stepping motor speed control. In this design scheme, the internal timer of the AT89C51 microcontroller is used to change the frequency of the CP pulse to realize the control of the rotation speed of the stepper motor to realize the functions of the motor speed adjustment and forward and reverse rotation. The design takes into consideration that the CPU may be disturbed when executing instructions, causing the program to run away or enter the endless loop. Therefore, the watchdog circuit is designed using a microprocessing system monitoring integrated chip manufactured by MAXIM. MAXI813. This article also gives the related hardware block diagram and software flow chart in detail, and has compiled the assembly language program. Keywords: stepper motor single chip microcomputer speed control system Introduction Stepper motors were first developed by the British in 1920. The invention of the transistor in the late 1950s was also gradually applied to a stepping motor, which made it easier to control the digitization. After continuous improvement, todays stepper motors have been widely used in mechanical systems with high controllability such as high positioning accuracy, high decomposition performance, high responsiveness, and reliability. In the production process, where automation, labor saving, and high efficiency are required, we can easily find traces of stepper motors, especially those that emphasize speed, position control, and flexible control applications that require precise command operation. The most. As an actuator, a stepper motor is one of the key products of electromechanical integration and is widely used in various automation control systems. With the development of microelectronics and computer technology, the demand for stepper motors is increasing day by day, and there are applications in various national economic fields. A stepper motor is an actuator that converts an electrical pulse signal into an angular or linear displacement. Stepper motors can be driven directly with digital signals and are very easy to use. The general motor is continuous rotation, while the stepper motor has two basic states of positioning and operation. When there is a pulse input, the stepping motor rotates step by step, and when it is given a pulse signal, it turns a certain angle. The angular displacement of the stepping motor is strictly proportional to the number of input pulses and is synchronized in time with the input pulse. Therefore, as long as the number of input pulses, the frequency, and the phase sequence of the motor windings are controlled, the desired rotation angle can be obtained. Speed ?and direction of rotation. When there is no pulse input, the air gap magnetic field can keep the rotor in the original position under the excitation of the winding power supply. So it is very suitable for single chip microcomputer control. Stepper motors also have features such as fast start, precise stepping and positioning, and are thus widely used in CNC machine tools, plotters, printers, and optical instruments. Stepping motors have become the third category of motors except for DC motors and AC motors. Traditional electric motors, as electromechanical energy conversion devices, play a key role in human production and life into the electrification process. The stepper motor can be used as a special motor for control, and it is widely used in various open-loop control because it has no accumulated error (accuracy is 100%). Now more commonly used stepper motors include reactive stepper motors (VR), permanent magnet stepper motors (PM), hybrid stepper motors (HB), and single-phase stepper motors. Permanent-magnet type stepping motor is generally two-phase, small torque and volume, step angle is generally 7.5 degrees or 15 degrees; Reactive stepping motor is generally three-phase, can achieve large torque output, stepping The angle is generally 1.5 degrees, but the noise and vibration are large. The rotor of the reactive stepper motor is magnetically routed from a soft magnetic material, and the stator has a multi-phase excitation winding, which generates torque using a change in the magnetic permeability. Hybrid stepping motor refers to the advantage of mixing permanent magnet type and reactive type. It is divided into two phases and five phases: the two-phase step angle is generally 1.8 degrees and the five-phase step angle is generally 0.72 degrees. This type of stepper motor is the most widely used and is also the stepper motor used in this subdivision drive scheme. 1 stepper motor overview 1. 1 stepper motor features: 1) The accuracy of a typical stepper motor is 3-5% of the step angle and does not accumulate. 2) The allowable temperature of the stepper motor is high. Excessively high temperature of the stepping motor first demagnetizes the magnetic material of the motor, resulting in a drop in torque and even loss of synchronism. Therefore, the maximum temperature allowed for the appearance of the motor should depend on the demagnetization point of the magnetic material of different motors; generally, the demagnetization of the magnetic material. The points are all above 130 degrees Celsius, and some are even up to 200 degrees Celsius. Therefore, the external temperature of the stepper motor is completely normal at 80-90 degrees Celsius. 3) The torque of the stepper motor will decrease as the rotation speed increases. When the stepper motor rotates, the inductance of each phase winding of the motor will form a counter electromotive force; the higher the frequency, the greater the counter electromotive force. Under its effect, the motors phase current decreases as the frequency (or speed) increases, causing the torque to drop. 4) The stepping motor can run normally at low speed, but it cannot start if it is higher than a certain speed, accompanied by howling. The stepper motor has a technical parameter: No-load starting frequency, that is the pulse frequency that the stepping motor can start normally under no-load conditions. If the pulse frequency is higher than this value, the motor cannot start normally, and step loss or stall may occur. In the case of load, the starting frequency should be lower. If the motor is to be rotated at a high speed, the pulse frequency should have an acceleration process, that is, the starting frequency is low, and then it is increased to a desired high frequency (motor speed is raised from low speed to high speed) at a certain acceleration. TC * MERGEFORMAT 1. 2 working principle of stepping motor A stepper motor is a type of motor that is controlled by an electrical pulse and converts the electrical pulse signal into a phase-shifted motor whose mechanical displacement and rotational speed are proportional to the number of pulses and the pulse frequency of the input motor winding. Each pulse signal can be stepped The feed motor rotates at a fixed angle. The number of pulses determines the total angle of rotation. The frequency of the pulse determines the speed of the motor. When the stepper receives a pulse signal, it drives the stepper motor to rotate in the set direction. At a fixed angle (called step angle), its rotation is performed step by step at a fixed angle. By controlling the number of pulses to control the angular displacement, so as to achieve the purpose of accurate positioning; At the same time, by controlling the pulse frequency to control the speed and acceleration of the motor rotation, so as to achieve the purpose of speed control. 2 Basic requirements for design Study the characteristics, working principle, and specific speed regulation principle of stepper motor. TC * MERGEFORMAT Basic requirements The stepper motor uses a three-phase stepper motor with a power of 1W. When the speed is in the range of 0 to 1000r/min, the maximum accuracy is 2%. To basically complete the graduation design, the stepper motor can perform precise speed control, positive and negative rotation, and it can not lose step when starting. Basically, there is no Oscillation, can complete the complete hardware circuit diagram, software design. 3 Argumentation of the plan 3.1 Determination of control methods Although the stepper motor control is a relatively accurate, open-loop stepper motor control system has the advantages of low cost, simple, convenient control, etc., in the open-loop system of the stepper motor using the microcontroller, the frequency of the CP pulse of the control system or change The cycle is actually controlling the speed of the stepper motor. There are two ways the system can achieve stepper motor speed control. One is delay, the other is timing. The delay method is to call a delay subroutine after each commutation. After the delay is over, the commutation is executed again. In this way, CP pulses or commutation cycles with a certain frequency can be issued. The delay time of the delay subroutine and the time used by the commutation program are the cycles of the CP pulse. This method is simple, uses less resources, and is implemented by software. Different subroutines can be called to achieve different speeds. However, it takes a long time to process the CPU and cannot handle other tasks at runtime. Therefore, it is only suitable for a simpler control process. The timing method is to use the timer timing function in the microcontroller system to generate an arbitrary period of the timing signal, so that the period of the system output CP pulse can be conveniently controlled. When the timer is started, the timer counts up the system and its cycle starting from the loaded initial value. When the timer overflows, the timer generates an interrupt and the system transfers to execute the timer interrupt subroutine. The motor commutation subroutine is placed in the timer interrupt service routine. The timer interrupt is once and the motor is reversed once to achieve motor speed control. Since there is a certain time interval from the start of restarting the timer to the timer application interruption, the timing time is increased. In order to reduce this timing error and achieve accurate timing, it is necessary to make appropriate adjustments to the initial value of reloading counts. . The initial value of adjusted reloading mainly considers two factors and one is the time required to interrupt the response. The second is the time occupied by reloading the initial value instruction, including other instructions that interrupt the service program before reloading the initial value. After these two factors are combined, the correction amount of the reload count initial value takes 8 machine cycles, that is, the timing time is shortened by 8 machine cycles. When using the timer interrupt to control the motor shift, it is actually changing the size of the timer load value. In the control process, a discrete approach is used to approximate the ideal speed curve. In order to reduce the time for calculating the load value in each step, the load value required for the speed of each discrete point is fixed in the ROM of the system when the system is designed. The system uses the table look-up method to find the required load value in the system. Significantly reduce the time spent on CPU and improve the response speed of the system. Most stepper motor motion control systems are designed to run in an open-loop state, because the cost is low, and the position control inherent in the motion control technology can be provided without feedback. However, in some applications, more reliability, security, or product quality assurance is required. Therefore, closed-loop control is also an option. Here are some methods for achieving closed-loop control of stepper motors: 1) Step-by-step confirmation, This is the simplest displacement control, using a low-value optical encoder to calculate the amount of step movement. A simple loop compares the stepper motor with the command verification and verifies that the stepper motor moves to the expected position; 2) Back-EMF, a sensorless detection method, uses a stepper motors back EMF (eleCtromotiveCe, emf) signal , Measure and control speed. When the back-EMF voltage drops to the monitoring detection level, the closed-loop control is changed to the standard open-loop to complete the final displacement movement; 3) Full-servo control refers to the full-time use of feedback devices for stepper motors - encoders, decoding , or other feedback sensors to more accurately control the stepper motor displacement and torque. Other methods include a variety of different back-EMF control motor parameter measurements and software techniques that some manufacturers use. Here, the stepper drive monitors and measures the motor coils and uses voltage current information to increase the stepper motor control. Positive damping uses this information to block the speed of vibration, producing more usable torque output and reducing torque-induced mechanical vibration losses. No encoder installation monitoring uses information to detect the loss of synchronous speed. Conventional stepper motor control usually employs feedback devices and non-sensing methods, and is an effective method to implement a sports application with safety requirements, dangerous conditions or high accuracy requirements. Most stepper motor-based systems typically operate in an open-loop state, which provides a low-cost solution. In fact, stepper systems can improve the performance of displacement control without feedback. However, when the stepper motor is running in open loop, there may be a simultaneous loss between the command pace and the actual step. Closed-loop control, which is part of traditional step control, can effectively provide higher reliability, safety, or product quality. In these stepper systems, the closed loop of the feedback device or indirect parametric sensing method can correct or control out-of-step, monitor motor stagnation, and ensure greater available torque output. Recently, closed-loop control (CLC) of stepper motors can also help implement smart distributed motion architectures. However, there is a risk of out-of-step operation in open-loop operation, which will result in positioning errors. However, compared to encoders used in servo systems, closed-loop stepper motors use encoders that are less costly. Therefore, closed-loop control is selected. 3.2 Determination of Drive Mode There are generally two methods for driving a stepping motor. One is directly driven by the CPU. This m