数控火焰切割机电容式调高控制器设计说明书

目 录目 录 .11 前言 .21.1 课题研究背景与意义 .21.2 国内外发展水平与趋势 .31.3 课题研究的内容和要解决的问题 .42 主控制模块的设计 .62.1 8031 型芯片主要管脚与功能 .62.1.1 程序存储器的扩展 .72.1.2 地址锁存器选用 .82.1.3 8031 芯片 I/O 口扩展 .82.2 电容微位移传感器的电路设计 .102.2.1 容抗法 10测电容 .112.2.2 信号的产生 .122.2.3 放大器电路 .132.2.4 相敏检测 .142.3 AD 转换电路 .152.3.1 ADC0809 介绍 .152.3.2ADC0809 是 28 管脚的双列直插式芯片，主要的管管脚功能： .162.4 光电耦合电路及驱动器的选用与设计 .172.5 电机与驱动器的选用 .182.5.1 步进电机和驱动器的初选： .182.5.2 白山电机适配驱动器的选用 .192.6 驱动电源的选用 .202.7 其他辅助电路设计 .212.7.1 8031 的时钟电路 .212.7.2 复位电路 .212.7.3 越界报警电路 .223.机械结构的设计 .233.1 概述机械特点 .234.机械部件 割炬挂架的计与校核 .244.1 螺旋传动部件的设计计算： .244.2 螺旋传动的校核计算 .254.3 螺杆减速齿轮校核 .284.3.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 .284.3.2.按齿面接触强度设计 .285 结 论 .321 前言1.1 课题研究背景与意义在工业发展过程中，各种型材的切割工序对于现代工业越来越重要。数控火焰切割机自从研制成功以后就一直作为金属型材重要的加工设备之一，它被广泛用于现代的机械产品的加工，加工的领域以及覆盖到机械制造、军工、航天、船舶制造、石油化工、冶金、汽车制造等行业。通过数控系统数控系统的控制，使火焰割炬按要求的速度和轨迹移动，从而在板材上切割出所需要的零件，以代替落后的手工下料成为机械加工业的一项重要的技术进步。但是在切割过程中，由于代加工的板材可能高低不平、薄厚不一，为了提高切割端口的质量，减少废料的产生，需要保持割炬到板材的高度为恒定数值 1，随着现代工业对板材的精度要求越来越严格，高度控制系统满足了对切割质量精度的要求。在当今的调高控制器市场上，多数产品属于高精度、高成本的器件，然而，对精度要求不高且成本很低的调高器加工却很少，数控切割机是加工制造业的重要的加工机械，而高度控制系统是其重要的组成部分 2。高度控制器以及控制器通的研发具有越来越重要的意义。自动调高控制器是数控切割机的辅助设备，它保证了割炬和板材之间的高度。此高度值是操作人员依据板材的厚度、切割机的切割精度设置的参数，通过传感器测出的数据反馈到高度控制系统中，自动也可以手动调整之间的距离。与传统手工下料相比，这种设备大大降低了人员劳动负荷，同时也提高了工作效率，具有很高的性价比。本论文中以数控火焰切割机为载体，设计了电容式自动调高控制装置并且也设计了装在调高控制器的割炬挂架，具有很好的完整性。火焰切割机高度控制系统一般采用电容传感器检测高度变化，因为切割机的工作环境通常较差，嗓声大，灰尘多，尤其割炬在工作时温度很高，为了达到调高目的，检测切割高度的位移传感器的安装位置不能离割炬太远，对传感器的要求比较苛刻，要求能耐高温，不受磁场影响，并考虑机器的性能价格比。检测位移的传感器很多，但对于火焰切割来说，不易实现，相比而言只有电容式位移传感器比较符合条件 3。本次论文所研究的自动调高控制器是由单片机控制，电容式微位移传感器作为检测装置，查阅步进电机生产商选择了性价比很高的步进电机和驱动器，在整套系统中可以自动调高也可以手动调高，适用于数控火焰切割机。1.2 国内外发展水平与趋势随着近几年数控切割机市场的快速发展，目前数控切割机的竞争已经进入到了白热化。一方面对于数控切割机的生产厂家慎重地选择数控切割控制系统是决定企业今后发展好坏的决定性因素之一，另一方面对于数控切割机使用用户慎重地选择数控切割控制系统是决定企业设备使用好坏的决定性因素之一。目前全球最具有代表性的切割专用数控系统是美国海宝自动化公司(HYPERTHERM AUTOMATION)生产的 EDGE 系列控制器以及美国 CMC 公司生产的 BURNY 系列控制器，这些数控系统与上面通用数控系统最大的不同就是他们的硬件平台都是基于 PC（PC-BASED ）的，再安装一套专用的切割控制软件就组成了一台所谓的切割专用数控系统了。国外数控切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。从机械结构上看，其发展经历了十字架型（轻型） 、门型（小型） 、龙门型（大型）3 个阶段，相应的型号种类繁多。能够代表数控切割技术最高水平的厂家主要集中在德国、美国、日本，如德国 ESAB 公司。ESAB（伊萨）公司生产的精细等离子切割机在热切削工艺领域处于世界的领先水平。我国的数控切割技术起步于 20 世纪 80 年代，目前，我国金属加工行业使用的数控切割机是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代化生产的需要，而目前市场需求的数控切割机多为数控等离子切割机，但与国外的差距仍极为明显。究其原因，较高的设备成本、复杂和维护和操作制约了数控切割在我国的进一步普及。因此国内数控切割机生产厂家引进了国外控制系统技术，经过二次开发后运用到了切割领域中，设计出了适合我国国情的数控切割机。从国外数控切割行业发展的趋势来看，智能化精密切割将成为切割行业今后发展的方向。 我国钢产量早已达亿吨级，再加上加工制造业的飞速发展，这必将促进国内数控切割技术的良性发展。总体来说，我国数控切割在基本功能上已达到国外同类产品水平，但要完全达到或超过国外水平还有很长的路要走。调高控制器作为数控切割机的辅助设备，国内外也有很多厂家生产，生产的调高控制器大体上可分为两种：一种是电容式调高控制器，另一种是弧压式调高控制器。国外产的调高控制器精度高，反应迅速，但是价格昂贵。如上述提到的美国海宝自动化公司生产的弧压式调高系统，还有 SONY 公司的ARC300 电容式调高控制器。国内产的调高控制器精度低，可靠性能差，反应速度慢等缺点。但随着国内技术上的发展也有部分厂家达到了所需的精度要求 4。本文中设计的系统主要依托国内数控结构和设计思路，结合国内火焰切割机的切割特点和较低的成本，设计出能够运用到国内机械加工一套硬件系统。1.3 课题研究的内容和要解决的问题论文研究的内容是以单片机为控制核心，设计一套完整的自动调高控制器硬件系统以及与之配套的安装设备即割炬挂架。数控火焰切割是集数控技术、计算机技术、检测技术等于一体的高新技术。调高控制器是数控火焰切割机不可或缺的部分，它不但可以防止割枪由于碰触钢板受到损害，而且可以提高生产效率。电容式调高控制器是一个闭环控制系统，如图 1.1 所示。它包括位置信号检测、A/D 转换、逻辑控制、电机驱动四个部分。本文要解决的问题：（1） 通过选用硬件设计出火焰切割机高度控制系统软硬件；（2） 根据控制系统要求，设计接口电路；（3） 人机交互模块下的接口电路；（4） 机械结构割炬挂架的设计与校核。8031单片机驱动电路 步进电机升降机构电容传感器A/D 接口数字量电路图 1.1 自动调控控制系统原理图自动调高控制器的组成部分如图 1.2 所示，升降电机带动割炬上下移动，电容环电容式微位移传感器测量电容后，转化成的位移量通过控制线输送到控制单元。升降电机接控制单元高温屏蔽线绝缘块电容圈金属板割炬图 1.2 顶调高控制器的外部结构2 主控制模块的设计在选用单片型号上，传统的 8031 单片机虽然性能不高，但是本次设计对单片机要求不是很高，容量也可以通过扩展完善，而且 8031 的管脚功能比较简单易于理解，所以选用其作为控制单元的核心。2.1 8031 型芯片主要管脚与功能8031 是 40 管脚双列直插式芯片，主要管脚如图 2.1 所示。图 2.1 8031 引脚接线（1）RESET：设计中 8031 外接复位电路，复位电路输入高电平时，即可复位单片机。（2）ALE：允许地址所存信号输出，与 8155 芯片的 ALE 端口相连，还与地址锁存器 74LS373 的 LE 端口相连，访问外部存储器时，ALE 信号的负跳变将 P0 口上的低 8 位地址送入锁存器 74LS373。（3）/PSEN：接芯片 2764 的/PGM 端口，低电平有效。（4）/EA/VPP：访问内部或外部程序的存储器选择信号。当/EA 端高电平时，为访问内部程序存储器，本次设计是端口接地，即访问的是外部程序，通过编程后即可接受访问。（5）多功能 I/O 口引脚P0 口：P0 口的 P00-P07 口接到地址锁存器 74LS373 的 D0 口，这样实现了数据总线和地址总线的复用。把 P0 口输出地数据、地址输入到锁存器当中P1 口：P10 接口接到手动升按钮， P12 接到手动降按钮，这样可以方便操作人员进行手工操作，P14 端口接自动升按钮，P16 接自动降按钮，其余 P0 口可以接升降指示灯或者复位按钮均可以。P2 口：做扩展电路高八位的地址总线,接到另一地址锁存器（U6 ）的 D0 口。（6）XTAL1 ，XTAL2 ：采用接外部时钟，晶振频率 12MHz 即可，此电路是 8031 不可或缺的电路 5。8031 所要实现的功能：P10,P12 口设为高电平，按下按钮后则变为低电平，,8031 读信息后便可以控制其他电路，实现步进电机上下调节。2.1.1 程序存储器的扩展因课题所设计的所需容量不高，所涉及的接口含有接收数据的 3 个，输出数据端口 4 个，所以选用 2764EPROM，其容量为 8K*8 位。可以为设计的控制器预留出足够的容量。2764 采用+5V 供电，封装形式 DIP24.2764 芯片主要引脚如图 2.2 所示。图 2.2 2764 存储器扩展（1）A0-A12 ：其中 A0-A7 接到地址锁存器的 Q0-Q7 端口。（2）D0-D7 ：数据总线，接 8031 的 P0 口，用于 8031 的扩展。（3）/OE ：数据输出的允许信号，低电平有效。可以与 74LS373 的/OE端口。（4）/PGM ：作为编程使用，接到 8031 的/PSEN 端口。（5）/CE ：片选用信号，工作状态为低电平有效。2.1.2 地址锁存器选用8031 的 P0 口做分时复用读到的数据要从 P0 口输入，所以先锁存地址。地址锁存器选用 74LS373 芯片，其引脚图如图 2.3 所示图 2.3 74LS373 引脚图两片地址锁存器的接线如上述介绍。8031,2764，74LS373 整体组成的电路称为 8031 程序存储器的扩展。2.1.3 8031 芯片 I/O 口扩展8155 芯片可编程并行 IO 接口具有功能强，价格低，并且具有 MCS-51 系列单片机配置简单、方便等优点。是单片机控制系统最常用的外部功能扩展元件之一 6。8155 主要的引脚及功能，如图 2.4 所示。图 2.4 8155 芯片引脚图8155 主要引脚功能说明如下：RESET：与 8031 芯片使用同一个复位电路，高电平有效， AD0-AD7：接 8031 的 P0 口，如果 8031 的 IO 口不够用，可以用 8155 进行扩展 IO 口， 8155 的作用就在于此。 RD：接 8031 的读信号端口。 WR：接 8031 的写信号端口，低电平有效。 CE：片选信号端，工作状态为低电平。 IO/M ：电路中一直为高电平，选择 8155 的 I/O 口，AD0AD7 上的地址为 8155 I/O 口的地址。 ALE：接 8031 的 ALE 端口，将 8031 的输出的低 8 地址信息锁存到 8155的内部锁存器。 PA0-PA4：接逻辑单元进行非运算后再接数码管，控制数字信号的显示。PB0-PB7： 接数码管接入端，当工作状态为低电平时有效，显示数字。PC0：接步进电机驱动器正向转动接口。PC1:接步进电机驱动器的反向转动接口。PC2：接步进电机驱动器的正向脉冲信号接口。PC3：接步进电机驱动器的反向脉冲信号接口。VCC：5V 电源。（1）8031 与存储器通过三总线连接。存储器 2764 的容量是 8K，A0-A7脚与 2764 的八位地址输出端口对应连接，因为扩展后的 8155 的 A8-A13 口空余出来为以后的控制端口备用。P25、P26 、P27 经过译码后产生了片选信号。存储器 2764 的 D0-D7 口接 8031 的 P0 口，8031 的 PSEN 接 2764 的 PGM 端口，ALE 端接 74LS373 的 AE 端口。8031 对 8155 进行读和写操作。（2）8155 的很多信号都可以与 8031 兼容，可以直接连接，其内部结构已经包含了存储器，因此 8155 的 AD0-AD7 数据地址线可以与 8031 的 P0 口直接连接。8155 地址所存信号 ALE 端口与 8031 的 ALE 连接。8155 与数码管相连如图 2.4 所示。图 2.4 数码管接线图这样一来就可以实现操作人员进行操作时会显示调节的高度，也可以通过单片机控制驱动器来控制电机升降，完成了控制电路的基本过程。2.2 电容微位移传感器的电路设计在自动调高控制系统中，微电容的检测是系统的重要组成部分，其原理框架如图 2.5 所示：信号发生器CX放大器电路相敏检测AD 转换 单片机步进电机V1XcV1U0图 2.5 电容检测原理图（1）信号发生器产生正弦激励信号源 ，该信号施加于被测电容 上，1VxC将被测电容转换成容抗 。cX（2）进行电容电压相互转换后，容抗 转换成交流电压，再通过放大器cX电路。输出的 1V频率和 s的频率相同，但幅值与割嘴和钢板之间的距离成正比。（3）通过相敏检波电路后输出的直流电压 U0 与 1V的幅值相等。（4）经过AD转换器后进入单片机控制系统中进行计算就可得到割嘴和钢板之间的距离dx 7。（5）若dx值不符合设定的要求，通过单片机控制步进电机进行上下调节，直到符合要求。2.2.1 容抗法 10测电容电路如图 2.7 所示。该电路是采用运算放大器的原理测量电容。 为参考电sC容，R f 为反馈电阻。当输入频率为 的正弦激励信号 VS 时， 输出一定大小s的容抗： (2.1)fCs21cX运算放大器输入的阻抗越高，则增益就会越大，运算放大器的反向输入端接地 (2.2)ff0s2-XcsRCVA所以输出的电压： (2.3)f若 Rf， ，V S 均为已知，那么只要能测出 V0 就可以通过以上公式求得 。sC图 2.7 容抗法测量电路由电路原理: (2.4)xSCds可知，输出电压与金属板之间的距离 dx 存在线性关系。2.2.2 信号的产生（1）为了准确获得电容的大小，则必须有稳定的激励信号，所以放大器的精度要保证，电路图如图 2.8 所示。图 2.8 高频振荡电路本课题选用了 100KHz 正弦激励信号的的 OP27 差动放大器，振荡电路中, =220 ,所以得到振荡频率为：KR.51431 21CpF(2.5)kHz5012CRfIC2 的增益是： (2.6)561PAURP 是一个可变电阻，所以得到的的增益也在一个范围内变化。2.2.3 放大器电路OP27 作为放大器电路中的一级反向输入的电压放大器，电路图如图 2.9 所示。图 2.9 放大电路有几个特点：（1） C3C4 电容的作用是抗干扰，可以降低输出阻抗， R7、R8 则构成了反馈电阻，电容 C5 的作用是补偿，来减少放大器的噪音，确保带宽，电压增益表示为：（2.7）)(2870872 RCfXRAXCU所以在通过两级运算放大器后，对激励源信号的放大倍数XPCPUU CRfR58760875621 2（2.8）（2）IC3 的作用是放大输出电压，而二阶有源滤波器由 IC4，电阻R9-R11，电容 C6 和 C7 组成，所以得到频率表示为：（2.10）7610902CRf得到 =50kHz，由以上元件构成的录波器只能通过 50 kHz，滤掉了其他0f干扰波，使 IC4 的输出电压始终为一正弦波。（3）电路图中两个二极管是二极管，起了保护作用防止电容器损坏，减小二极管的延迟影响。2.2.4 相敏检测相敏检测电路如图 2.10 所示。图 2.10 相 敏 检 测 电 路D 为检波用二极管，IC6 是检波电路中差动放大器， IC7 与二极管能够检测峰值。参考信号要与被检测的信号具有相同的频率是相敏检测的前提。参考信号经过整形电路后，输出的频率和相位都与被测信号相同，该方波即为电路的开关，并且为 3DJ7J 场效应管的偏置电压，场效应管的漏极信号 ，场效应管tu3的工作原理是：= （2.11）tu301tV,2/T，得到输出信号的表达式如下：（2.12）)(1346460 tuR当场效应管不导通时，IC6 的状态表现为跟随状态，而效应管导通时，IC6即为反相放大状态。由（2.11） ， （2.12）两式可得：= （2.13）)(30tuV01t,2/T，由上式可知，相敏检波电路的输出信号 含有被测信号 。V1V对检波电路进行测试达到了预期的波形，直流分量 U0 通过 AD 转换电路后，可以由单片机计算得到具体数值，调节 RP,R8，R16 即可得到 的数值，SC根据公式：（2.4）xSCds就能等到割炬与板材之间的距离 dx。从而数控调高系统就实现了割炬与板材之间距离的调节 8。通过理论分析，电容式微位移检测的硬件结构简单，性能可靠，并且精度满足要求，电容环距离板材（0-25）mm 内精度1mm， （25-100）mm 内精度高于3mm 。2.3 AD 转换电路模数转换(ADC)亦称模拟一数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如压力、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。由电容式微移传感器输出地电压是连续的模拟信号，若要被单片机控制系统接收，必须转换为数字量输入，因此在检测器与单片机之间设计模数转换电路，同时手动调整割炬与板材之间的距离也是模拟量输入，需要转换成单片机可以识别的数字量。主要的芯片由 ADC0809,74LS373,89C51 芯片。2.3.1 ADC0809 介绍ADC0809 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道，8 位逐次逼近式 A/D 转换器。其内部有一个 8 通道多路开关，它可以锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。是目前国内应用最广泛的 8 位通用 A/D 芯。AD 转换整个过程通常分为四步进行：采样 保持 量化 编码。前两步在采样、保持电路中完成，后两步在 AD 转换中同时实现。2.3.2ADC0809 是 28 管脚的双列直插式芯片，主要的管管脚功能：图 2.12 A/D 转 换 电 路ADC0809 的主要管脚及接线：（1）Vcc 和 GND：即为芯片中的 ref（+ ）和 ref（-）接电源和地。（2）IN0-IN7：其中需要用到的是 IN0 端口，该端口接收来自电容传感器输出的电压 U0。（3）msb21-msb28：数据输入总线，接单片机的 P0 口。其中任意一个端口可以设为输出端口，然后将数据传送给单片机。（4）ALE：工作状态是送出高电平，将 ADDA 模拟通道地址的信号锁存。（5）SRART：与单片机的 P27 和读信号相连，或者读信号与 P27 进行与非逻辑运算然后与 SRART 相连。高电平有效。（6）EOC：单片机的 INT0 进行非运算后与该端口相连设定低电平时结束信号。A/D 转换电路所要实现的功能就是将电容检测后的电压进行模拟量转化为数字量，然后送入到单片机进行处理，得到精确的数据。2.4 光电耦合电路及驱动器的选用与设计光 耦 合 器 一 般 由 三 部 分 组 成 ： 光 的 发 射 部 分 、 光 的 接 收 部 分 及 信 号 放 大 。电 信 号 能 够 驱 动 发 光 二 极 管 （ LED） ， 使 其 发 出 一 定 波 长 的 光 ， 发 出 的 光 被光 探 测 器 接 收 从 而 产 生 光 电 流 ， 经 过 放 大 后 输 出 。 光 电 耦 合 起 到 输 入 、 输 出 、隔 离 的 作 用 。 由 于 光 耦 输 入 与 输 出 过 程 中 互 相 隔 离 ， 电 信 号 具 有 单 向 传 输 的特 点 ， 因 而 具 有 良 好 的 电 绝 缘 能 力 和 抗 干 扰 能 力 ， 同 时 ， 光 耦 的 响 应 速 度 也比 较 快 ， 寿 命 长 ， 体 积 小 抗 冲 击 能 力 强 的 优 点 ， 对 系 统 的 精 度 很 有 利 。在 设 计 电 路 中 ， 数 字 信 号 与 模 拟 信 号 之 间 有 较 强 的 电 干 扰 问 题 ， 所 以 安装 光 电 耦 合 器 是 必 要 的 。在 光 耦 设 计 中 ， 由 于 对 光 耦 的 要 求 不 同 ， 所 以 选 通 的 光 耦 型 号 也 是 不 同的 ， 在 驱 动 器 驱 动 步 进 电 机 时，需要两种型号的光耦，一是普通型光耦合器，另外一种是高速光耦合器，在驱动步进电机正反转过程中，响应时间要求不高所以选用普通型，而在驱动器调节步进电机速率过程中，反应速度和响应精度均要求很高，所以选用高速光耦合器。光耦合器电路如图 2.13 所示。图 2.13a 普 通 光 耦 合 器 电 路图 2.13b 高 速 光 耦 电 路2.5 电机与驱动器的选用2.5.1 步进电机和驱动器的初选：步 进 电 机 是 将 电 脉 冲 信 号 转 换 为 角 位 移 或 者 线 位 移 的 开 环 控 制 步 进 电 机件 。 在 负 载 为 超 过 一 定 载 荷 时 ， 点 击 的 转 速 ， 启 停 的 位 置 只 有 脉 冲 信 号 的 频率 和 脉 冲 数 来 决 定 ， 负 载 的 变 化 对 电 机 的 影 响 很 小 ， 当 步 进 电 机 驱 动 器 收 到一 个 脉 冲 信 号 后 ， 它 就 转 过 一 个 固 定 的 角 度 。 所 以 ， 可 以 通 过 脉 冲 的 个 数 控制 步 进 电 机 的 角 位 移 量 ， 脉 冲 数 给 定 的 条 件 下 ， 角 位 移 量 可 知 ， 定 位 就 非 常准 确 。 也 可 以 调 整 脉 冲 的 频 率 来 调 整 电 机 的 速 度 和 加 速 度 ， 最 后 达 到 了 调 速电 机 的 的 目 的 。混合式步进电机是上述两中电机的综合改进，既可以有较大的转矩，又可以实现步距角小的特点，整体的动态性能很好，是目前最常用的步进电机。我们所说的动态性能包括了步距角的精度、失步和丟步、失调角、最大空载启动频率、最大空载运行频率、运行距频特性、电机共振点、电机正反转控制等方面。步进电机的一些基本参数：电机的步距角 =360/mKZ ；式 中 步 进 电 机 的 步 距 角 ； Z 转 子 齿 数 ； m 步 进 电 动 机 的 相 数 ； K 控 制 系 数 ， 是 拍 数 与 相 数 的 比 例 系 数步 进 电 机 的 相 数 ；保 持 转 矩 ；毕 业 设 计 中 初 选 电 机 为 白 山 电 机 型 号 ： BSHB368步 距 角 ： 1.2； 电 机 长 度 ： 76.4mm； 保 持 转 矩 ： 1500N/mm； 额 定 电 流 ：5.8 安 ； 驱 动 器 电 源 输 入 ： DC40V5A； 转 子 惯 量 ： 0.38k ； 电 机 重 量 ：2cg1.1kg适 配 驱 动 器 ： Q3HB64MB步 进 电 机 的 驱 动 矩 频 特 性 如 图 2.14 所 示 。图 2.14 矩 频 特 性 曲 线2.5.2 白山电机适配驱动器的选用Q3HB64MB 型 等 角 度 恒 力 矩 细 分 型 驱 动 器 ， 驱 动 电 压 DC12-40V， 电流 在 5.8A 以 下 ， 外 径 42-86mm 的 各 种 型 号 的 三 相 混 合 式 步 进 电 机 。 该 驱 动器 内 部 采 用 类 似 伺 服 控 制 原 理 的 电 路 ， 此 电 路 可 以 使 电 机 低 速 运 行 平 稳 ， 几乎 没 有 震 动 和 噪 音 ， 电 机 在 高 速 时 力 矩 大 大 高 于 二 相 和 五 相 混 合 式 步 进 电 机 。定 位 精 度 最 高 可 达 60000 步 /转 。 广 泛 应 用 于 医 疗 机 械 、 机 器 人 、 仪 器 仪 表 、雕 刻 机 、 激 光 打 标 机 、 激 光 内 雕 机 等 分 辨 率 较 高 的 小 型 数 控 设 备 上 。该 驱 动 器 功 能 设 定 示 意 图 为 图 2.15：图 2.15 驱动器功能示意图输入信号波形时序图如图 2.16 所示。图 2.16 输入信号波形时序图2.6 驱动电源的选用电 源 模 块 的 概 念 ：电源模块是用来贴装在印刷电路板上的电源供应设备，电源模块的特点是可谓专用集成电路、微处理器、各类存储器、数字信号处理器、现场可编程门阵列及模拟伏在提供供电。因 模 块 是 的 结 构 和 优 点 很 多 ， 因 此 模 块 电 源 被 广 泛 应 用 到 到 了 接 入 设 备 、移 动 通 信 设 备 、 路 由 器 和 汽 车 电 子 等 领 域 。AC/DC 变换是将交流转换为直流，功率的流向可以是双向的，AC/DC 变换的接线方式有半波电路、全波电路。如图 2.17 所示。相数可以是单相、三相、多相。工作象限也可以是一象限、二象限、三象限、四象限。在设计中电源模块选用考虑到了各个芯片的许用电压，各芯片的尺寸大小，因而从选用了伟仕电源，电路为半波电路。图 2.17AC/DC 转换输入频率为 50Hz 的交流电压，经过电路中的整流元件 MC79L05CP 变为单向脉动电压，再经过滤波，然后输出的的是+5V 的直流电压。这样就可以为各模块供电，因各模块所需电压不同可以设有不同的电路。2.7 其他辅助电路设计2.7.1 8031 的时钟电路单片机的时钟可以有两种方式产生，内部方式和外部方式，利用自身的振荡电路是内部方式；外部方式就是把 XTAL1 接地，XTAL2 连接到外部的时钟。本次设计采用的是内部时钟方式。如图 2.18 所示。图 2.18 时钟电路2.7.2 复位电路单片机的复位电路都是靠外部电路，时钟电路在工作过程中，RESET 引脚上出现 10ms 以上电平，单片机便实现状态复位 9。复位电路如图 2.19 所示。图 2.19 复位电路2.7.3 越界报警电路为了防止输出轴越界，可分别在限位位置安装限位开关越界报警的电路如图 2.20 所示图 2.20 越界报警电路3.机械结构的设计3.1 概述机械特点设计中，数控火焰切割机具有限位板和限位开关，能够实现自动保护功能。机械结构包括割炬挂架的架壁，顶板，外壳，螺杆还有输出轴，割炬的夹具部分等。该机械有如下几个特点：（1）采用凹形轴承与菱形导轨配合，传动精度更为准确，而且经济成本比齿轮齿条传动更低。（2）挂架顶部设有圆孔，用来安装保险管用，防止输出轴触碰到挂架的内顶部损坏挂架以及降低精度。（3）电动机安装在罩壳内部，电机轴直接与一级齿轮减速器的小齿轮相配合，这样可以提高电机的使用效率。（4）一级减速器中的大齿轮与传动功能的螺母镶嵌在一块，并且大齿轮与该螺母同轴，传动螺母绕螺杆转动，可以实现螺母升降。（5）限位板上有限位开关，规定在 200mm 内输出轴升降。（6）割咀的夹具体可以调节直径的大小，适应不同直径的割咀。（7）割炬支座可以实现角度调节，方便了割炬的摆动，不同角度的切割。4.机械部件割炬挂架的计与校核割炬挂架的升降机构采用螺旋传动的方式。输出轴采用菱形导轨设计，与菱形导轨配合的轴承选用凹形轴承，结构稳定，使用和维护方便，有限位开关可以有效地保护割咀不被撞坏。主要的参数：（1）有效行程：200mm（2） 有效的载荷：10kg（3） 最大速度： 2000mm/min（4） 割炬夹具内径：32mm（5） 重要：约 12kg（6） 尺寸：约 590 157 130mm升降机构的主要部件有：升降机构主体，割咀的夹具。升降机构的安装尺寸，在溜板上应有通孔，升降机构可以苦丁在用户机床的溜板上，割炬夹具夹紧割炬后可以上下运动。4.1 螺旋传动部件的设计计算：已知：工作载荷 150N，螺母转速 363.7r/min选定螺纹类型、相应的牙形半角 及高径比 ：牙形角 =15，高径比为整体螺母： =1.2。选定螺旋副材料：螺杆材料选 45 钢，螺母材料选用青铜。查取许用比压P=6MPa摩擦因数 f=0.12。从耐磨的观点计算所需中径 d2 的公式：（4.1）PF2梯形，矩形的螺旋 8.0所以 =PF2d m5.631.2.根据计算的 d2 选取标准的 d2 以及相应的大径 d 和小径 d3。所以取 ，大径 d=12.5mm，小径 。m10.583该直径小于结构要求的值，耐磨强度满足，取结构要求的尺寸做下面的运算：计算当量摩擦角 ，当量摩擦角的计算公式：（4.2）)cosartn(f所以，当量摩擦角 =)rt(f 3.7415cos8.0artn该螺旋传动机构不要求自锁所以 P = 12.5tan4.73=3.25dt计算螺母高度 H= =1.210=12 自然圆整2d计算螺母旋合圈数 n=H/P，如果 n1012，则加大一级螺距后，重新计算圈数，直至 n1012；所以：n=H/P=12/3.25=3.69 在 1012 范围内。4.2 螺旋传动的校核计算已知：工作载荷 150N，螺纹大径 d=12.5mm，螺纹类型为梯形螺纹，旋合长度 H=10mm 螺母旋合圈数 n=3,69，螺旋副材料已知，螺杆转速n1=363.7r/min。（1） 耐磨性校核根据螺旋副的材料查取许用比压P=6MPa；根据螺纹类型从标准中查取螺杆的中径 =10mm，小径 ；2d.5m8d3计算螺距 P=H/n=10/3.69=2.71 取标准值 P=3；计算螺纹工作高度 H1:梯形、矩形的 H1=0.5P，锯齿形的 H1=0.75P；所以 H1=0.53=1.5;计算螺旋副压强 p，计算公式为：（4.3）nd12HF= MPaPndp12HF5.90.6305耐磨性能校核通过；（2） 螺杆强度校核根据螺旋副材料，查取许用拉应力 ,=(0.20.33) =0.3350=105MPas确定危险截面后计算危险断面的当量应力 ，计算公式为：d（4.4）2323.0d4TF所以求得当量应力 =2323.d22.37MPa105MPa 所以满足要求进行下232.58017.58413一步计算。（3） 螺母螺牙的强度校核查取许用弯曲应力，螺母的需用弯曲应力 =50MPab螺牙的许用弯曲应力 =35MPa。根据螺纹的类型查取螺母大径 =12.5mm4D计算螺牙根部宽度 b，因螺纹类型为梯形螺纹，所以b=0.55P=0.553=1.65mm。计算螺牙切应力有公式：（4.5）bnd3F得螺杆的切应力： = ，bnd3Fa2.906.51.8MP螺母的切应力：。bn4D a2.09.6351.2计算弯曲应力，螺杆的弯曲应力公式：（4.6）nb241bDFH所以螺杆 ，n3241b a2.59.63.5802MP螺牙的弯曲应力公式：（4.6）nbd231FH所以螺牙 = 强度校核满足nbd321a3.79.65.02MP要求。（4）螺母螺杆的稳定性校核如果螺杆的细长比大于 90 则还需要作稳定性校核已知工作载荷 F=150N，受压长度 l=6mm，螺杆的小径 =8.5mm，螺3d杆的弹性模量或弹性影响系数 21a.89MPZE查取螺杆的长度系数 .02计算螺杆的细长比公式： （4.7）34dl所以螺杆的细长比 40，所以无需校核稳定3l4.65.802性（4） 临界转速校核如果是高速螺旋还需要校核横向振动的临界转速 10，其公式：(4.8)2316cd0ncl有使用要求和结构确定螺杆两支承间的最大距离 mlc20根据螺杆的支承方式，查表确定系数 =1.875。1钢制螺杆的临界转速：=2316cd0ncl in/079.2058. 66 r而螺杆的最大转速 远远小于临界转速，所以临界转min/.7maxrn速教也满足要求。4.3 螺杆减速齿轮校核已知输入功率 =200W 齿轮比 u=3.5，由电动机驱动，工作寿命 10 年（设1P每年工作 300 天） ，两班制，带式输送机工作平稳，正反向转动。4.3.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1） 选用支持圆柱齿轮齿轮传动（2） 虽然挂架为一般工作机器，但是自动调高控制器要