玻璃横切结构及人机界面系统设计

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。1994 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 850-900 万重量箱，建筑业 12501300 万重量箱，制镜业 300350 万重量箱，市场及其他400450 万重量箱，出口 600700 万重量箱，供给 34003700 万重量箱。占总产量的24.3%26.4%.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。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 Qcos (1)V Z= V Qsin (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 Qsin = V L (3)则有 = arcsinV LV 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, 90 ) , 并据此调节横梁的实际斜置角度。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)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 Lsin (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运行。由于 为定值, 则由式 (1)、(2)、(6) 中还可以得出V HV QV L (7)V ZV QV 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。第二章 设计方案2.1、研究内容研究方向、内容随着单片机、PLC 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 PLC 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 6.12345 6781 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，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。单 片 机步进电机驱动器步 进 电 机传感器键 盘L CD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：开始系统初始化控制参数输入RUN一组片数到否停止切割YN图 8 玻璃横切机总体工作流程图2.3 设计任务主要内容：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：LCD 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 5mm ，切割直线度 0.5 ；3. 使用玻璃厚度 1.519 mm ;4. 最大回车速度 3m/s ，适用玻璃带速度 50m-1200m/H ;5. 安装斜置角 7 ；6. 控制器带有 LCD 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 40m/s,传动比可达 10，效率可达 98%.（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 0.001mm ,定位精度未达到微米级，空载最快移动速度也只有 3m/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 MCS-51 系列的 8 位单片机 AT89C51 作为控制系统的 CPU ,应该能够满足任务书给定的相关指标。（2） 人机界面选用 44 的薄膜式矩阵键盘，显示选用 RT12864M 汉字图形点阵液晶显示模块。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 100N3.1.3 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。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/=9.52519/=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=d1n1/6001000=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=(Tamv 2)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） 。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=7 Vz=50-1200m/H由 V H= V Qcos (1)V Z= V Qsin (2)得 V Q =V zsin (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 bso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） 。Kz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 zm=6 时 ，Kz=1.00。由以上得 bs=21.65 mm 。（8） 带的工作能力验算用下式来计算同步带的额定功率 P ,若结果满足 P=Pd （带的设计功率） ，则带的工作能力合格： P=(KzKwTa-bs/bs0mv2)v10-3 （14）式中 Ks啮合系数，上式中以查得。 Kw齿宽系数，Kw=(bs/s0) 1.14Ta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 Jeq 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=50N,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=m jD2/8 （15）式中 ，mj 圆柱体质量（kg）D 圆柱体直径（cm）由上式求各个零部件的转动惯量（1） 联轴器的转动惯量 J1联轴器内圆直径 14mm、外圆直径 25mm、高 77mm、材料密度 7.8510-3kg/cm3联轴器的转动惯量 J1=m1D2/8=0.209kgcm2(2) 从动轴的转动惯量 J2从动阶梯轴如下图尺寸由左向右为1 25mm、 L1=27mm、2=38mm、L2=4.5mm 、3=32mm、L3=43.5mm 、4=29mm、 L4=35mm、5=25mm、L5=21mm 材料密度 7.8510-3kg/cm3从动轴的转动惯量 J2=Di2LiDi2/32=0.7591kgcm2(3) 同步带带轮的转动惯量 J3同步带带轮内圆直径 30mm、外圆直径 57.6mm、高 45mm、材料密度 7.8510-3kg/cm3 同步带带轮的转动惯量 J3=3.38 kgcm2(4) 主传动轴的转动惯量 J4主传动轴为七阶梯尺寸由左向右为1 15mm、 L1=38mm、2=22mm、L2=39mm、3 25mm 、L3=27mm、4=38mm、L4=4.5mm、5=32mm、L5=43.5mm、6=29mm、L6=35mm、7=25mm、L7=21mm 材料密度 7.8510-3kg/cm3主传动轴的转动惯量 J40.844 kgcm2（5） 移动部件的转动惯量 J5移动部件总重量 G=50N移动部件的转动惯量 J5=41.472 kgcm2初选步进电动机型号为 110BC3100，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：Jeq=Jm+J1+J2+J3+J4+J5=53.664kgcm22)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq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 Teq1由式 Teq1=Tamax+Tf+T0 （16)式中 Tamax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 NM;Tf移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位为 NM;T0同步带预紧后折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位为 NM;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；TamaxJ eq=2Jeqnm/60ta （17）式中 J eq步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为 kgm2; 电动机转轴的角加速度，单位为 rad/s2;nm 电动机的转速，单位为 r/min;ta电动机加速所用时间，单位为 s,一般在 0.31s 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TfF 摩 d1/2i （18）式中 F 摩导杆的摩擦力，单位为 N;d1同步带轮节圆直径，单位为 m;传动链总效率，一般取 0.70.85；i总的传动比;其中导杆的摩擦力为;F 摩=(Fc+G) （19）式中 导杆的摩擦因数（滑动副取 0.150.18，滚动副取 0.0030.005） ；Fc垂直方向的工作负载；G运动部件总重力，单位为 Nc) 同步带预紧后折算到电动机转轴上的摩擦转矩T0F YJd1(1-02)/2i （20）式中 FYJ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(20)算出的 T0 值很小，在式（16）中与 Tamax和 Tf 比起来，通常可以忽略不计。则有：Teq1=Tamax+Tf （21）根据式（17） ，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：Tamax2J eqnm/60ta （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/min;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：nmvmax/360 （23）式中 vmax纵向空载最快移动速度，任务书制定为 180000mm/min 。步进电动机步距角，为 0.6脉冲当量，本例为 0.5mm/脉冲。将以上各值代入式（23） ，算得 nm=600r/min设步进电动机由静止到加速至 nm转速的时间 ta0.3s,纵向传动总效率 0.8 ；由式（22）求得：Tamax253.66410 -4600/600.30.8 Nm =1.4Nm由式 （18）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：i （24）/1GFcTfd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0.003NmNmTf 8.2/5761.05.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：（25）.403.Tfamxeq1（2 ）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 Teq2 (26)0TftTeq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（27）Tfteq2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： (28)iFfdt2/1式中 Ff进给方向最大工作载荷，单位为 N.估计 Ff=100N,则有；Tt=1000.05761/20.8=1.146NmTf 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：=0.005(100+50)0.05761/20.8=0.0027NmidGFz2/1Tf最后由式（27） ，求得最大工作状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：0.00271.146 1.1487Nmfteq2经过上诉计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为; NmTeqT403.12,max3)步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源手电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据 Teq 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数 K=4,则步进电动机的最大静转矩应满足：(29)5.612Nm.403Teqjmax上述初选的步进电动机型号为 110BC3100,由永磁感应式步进电动机的技术参数表（机电一体化系统设计课程设计指导书 P65 表 45）该型号电动机的最大静转矩 Tjmax=9.8Nm,可见满足式（29）的要求。4）步进电动机的性能校核（1） 最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定刀架的最快工进速度 vmax=20000mm/min,脉冲当量 0.5mm/脉冲。计算电动机对应的运行频率为：(30)HZvf 67.5.06/260max/ 从 110BC3100 电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩,远远大于最大工作负载转矩 Teq2=1.1487Nm,满足要求。9.8NT（2） 最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定刀架最快空载移动速度 vmax=180000mm/min,计算电动机对应的运行频率 HZvf 605./1806max/ 从 110BC3100 电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动时的负载转矩 Teq1=1.403Nm,满足要求。.5NT（3） 最快空载移动时电动机运行频率校核与最快空载移动速度 vmax=180000mm/min 对应的电动机运行频率 fmax=6000HZ.查由永磁感应式步进电动机的技术参数表（机电一体化系统设计课程设计指导书 P65 表 45）可知该型号电动机的空载运行频率可达 15000HZ,可见没有超出上限。（4） 启动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量 Jeq=53.664kgcm2,电动机转子的转动惯量 Jm=7 kgcm2,电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 fq=1500HZ，则由式510HZJmeqfl/1/上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于 510HZ。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有 100HZ(即 100 脉冲/s).综上所述，本设计中选用 110BC3100 步进电动机，完全满足设计要求。3.1.5 滚动轴承的选择本设计中载荷不大，且对轴承转速要求比较高，所以采用极限转速比较高的球轴承。因为在本设计中，轴承在承受径向载荷的同时还要承受一定的轴向载荷，所以选用向心推力 36305 极限转速 950014000rad/min ,额定载荷 1620 kgN3.1.6 主传动轴的结构设计拟定轴上零件的装配方案: 如装配图所示，轴套、轴承、轴承端盖、联轴器依次从轴的下端向上安装，同步带轮、轴套、轴承、轴用弹性挡圈、轴承端盖依次从轴的上端向下安装。轴上零件的定位:以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖来保证。详见装配图。本轴为传动轴，主要承受转矩，对其进行扭转条件计算轴的扭转强度条件为 rdnPWT32.0/95/式中 T扭转切应力，单位为 MPaT轴所受的扭矩，单位为 NmmWT轴的抗扭截面系数，单位为 mm3;n轴的转速，单位为 r/min； P轴传递的功率，单位为 Kw ;d计算截面出轴的直径，单位为 mm；r许用扭转切应力，单位为 MPA.计算得 T 0.956MPa,45 号钢的 r2545 MPa ，所以轴强度合格。3.2 玻璃切割机机械装配图的绘制在完成同步带、步进电动机的计算、选型后，绘制玻璃切割机机械装配图。在绘制装配图时考虑以下问题：1） 了解玻璃切割机的详细结构，从有关资料里查阅机箱、横梁、刀架等的结构及尺寸。2） 根据载荷特点和支撑形式，确定传动轴两端轴承的型号，由于本设计中传动轴为竖置，轴承需具备同时承受轴向、径向力的能力，所以选用了向心推力球轴承。3） 考虑各零部件之间的定位、联接和调整方式。主传动轴与电机输出轴间采用套筒连轴器、销联接，采用在主传动轴上设阶梯、轴套的方法定位。4） 考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。5） 在进行各零部件设计时，注意了装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。6） 注意了绘制装配图的基本要求。装配图见附录第四章 控制系统设计、编程4.1 控制系统硬件电路设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件主要考虑以下功能；1) 接收键盘数据。2) 控制液晶显示。如图 7 （控制系统结构原理）所示，CPU 选用 ATMEL 公司的 AT89C51;由于 AT89C51 本身资源已满足设计要求，所以不需要进行扩展。键盘与液晶均直接与 CPU 相连。具体联接情况请参看附录的电路原理图。人机界面的构成如下图液晶固定显示；玻璃长度待切片数落刀位置抬刀位置矩阵键盘0 1 2 34 5 6 78 9 确定 清屏9 人机界面的构成人机界面设置了 16 个键，09 的数字键，清屏键、确定键。4.2 人机界面的软件设计人机界面的监控管理程序人机界面的监控管理程序流程图见图 10，如图所示，首先进行液晶显示功能初始化 1；然后进行液晶固定显示 2（即 12864 的点阵汉字显示液晶可以显示四行汉字每行可显示 8 个字，这里固定显示内容如图 9 所示） ；然后扫描键盘 3；判断键盘是否有键按下 4；如果没有键按下则重新进行键盘扫描（即回到 3） ；否则（即有键按下）进行判断键值 5；如果为数字键（即键值10）则进如功能键处理程序 6b，根据不同键值进入不同的功能键子程序 7a-b，之后从 2开始重新循环.1）首先，对设计中用到的 12864ST7920 液晶进行必要的说明。本实验 RT12864M ST7920 汉字图形点阵液晶显示模块可显示汉字及图形，内置 8192 个中文汉字(16*16 点阵),128 个字符(8*16 点阵) 及 64*256 点阵显示 RAM(GDRAM).由 E 选通，其与单片机 P0口相接，用于显示控制界面信息。采用的连接方式是直连方式，通过直接的人为控制状态位，来实现 LCD 的显示。其硬件连接图见附录。图形液晶显示屏的命令和详细原理见附录。2）以下对各个子程序进行说明：液晶 驱动程序模块1 液晶显示功能初始化子程序该子程序流程图见图 11，第一步将现在的 ACC 值入栈保护;第二步功能设定值送入 A, 本设计中功能设定值送30H（见附录液晶指令表即 00110000，使用基本指令集动作） ；第三步调用“写命令到 GLCD”子程序（见 1a 子程序说明） ；第四步显示模式设定值送入 A，本设计中显示模式设定值送04H （即 00000100，显示器控制，游标不显示） ；第五步调用“写命令到 GLCD”子程序；第六步清屏命令值送入 A，即 01H 送入 A；第七步调用“写命令到GLCD”子程序；第八步模式设定值送入 A，本设计中模式设定值送 #0FH(即 00001111，即显示功能全开)；第九步调用“写命令到 GLCD”子程序；第十步 ACC 出栈；第十一步返回主程序。（1a） “写命令到 GLCD”子程序该子程序流程图见图 12，第一步将现在的 DPTR 值入栈保护, 第二步调“检查忙碌标志 BF”子程(见 1b 子程序说明)；第三步写指令口地址送入 DPTR(即设置指令口写地址 )；第四步 DPTR 地址中的数送入 A(写指令代码 )；第五步 DPTR 出栈；第六步返回主程序。1GLCD 初始化2 显示一遍 GLCD3 扫描键盘4 是否有键按下？5 判断键值6 数字键?6a 数字键处理程序 6b 功能键处理程序清屏键7b-f确认键7a-NYYN图 10 人机界面的监控管理程序流程图 ACC 入栈功能设定值送入 A调 “写命令到 GLCD”子程显示模式设定值送入 A调 “写命令到 GLCD”子程#01H 送入 A (清屏)调“写命令到 GLCD”子程模式设定值送入 A调“写命令到 GLCD”子程ACC 出栈返回图 11 液晶显示功能初始化子程流程图DPH 入栈DPL 入栈调“检查忙碌标志 BF”子程写指令口地址送入 DPTRDPTR 送入 ADPL 出栈DPH 出栈返回图 12“写命令到 GLCD”子程序流程图（1b）检查忙碌标志 BF”子程序该子程序流程图见图 13，第一步将现在的 DPTR 值入栈保护；第二步将现在的 ACC 值入栈保护;第三步读指令口地址送入 DPTR(即设置读指令口地址) 第四步 DPTR 地址中的数送入 A(读指令代码)；第五步判断 ACC.7 是否为 0（即确认液晶内部动作是否完成） ，是则继续，否则返回到上一步重新执行；第六步 ACC 出栈；第七步 DPTR 出栈；第八步返回主程序。2 液晶固定显示子程序该子程序流程图见图 14，图中 ADDR1 为起始的显示位置临时变量，N1 为字数的临时变量。设定汉字的显示行，每行可以显示 8 个汉字:，第一行开始地址为 00H07H， 第二行开始地址为 10H17H，第三行开始地址为 08H0FH ，第四行开始地址为 18H1FH。第一步，00H送入 ADDR1(即第一行显示开始地址送入起始地址的显示位置临时变量)；第二步，04H 送入 N1（即数量 4 个送入字数临时变量） ；第三步，DHZTAB1 送入 DPTR，第一行需要显示的汉字（玻璃长度）位置送入 DPTR；第四步，调用汉字显示子程序（见 2a 子程序说明） ；第五步，10H 送入 ADDR1(即第二行显示开始地址送入起始地址的显示位置临时变量)；第六步，04H 送入 N1（即数量 4 个送入字数临时变量） ；第七步， DHZTAB2 送入 DPTR，第二行需要显示的汉字（待切片数）位置送入 DPTR；第八步，调用汉字显示子程序；第九步，08H 送入 ADDR1(即第三行显示开始地址送入起始地址的显示位置临时变量)；第十步，04H 送入 N1（即数量 4 个送入字数临时变量） ；第十一步， DHZTAB3 送入 DPTR，第三行需要显示的汉字（落刀位置）位置送入 DPTR；第十二步，调用汉字显示子程序；第十三步，18H 送入 ADDR1(即第四行显示开始地址送入起始地址的显示位置临时变量)；第十四步，04H 送入 N1（即数量 4 个送入字数临时变量） ；第十五步， DHZTAB4 送入 DPTR，第四行需要显示的汉字（抬刀位置）位置送入 DPTR；第十六步，调用汉字显示子程序；地十七步返回主程序。DPL 入栈ACC 入栈读指令口地址送入 DPTRDPTR 送入 AACC.7=0？?DPH 入栈ACC 出栈DPL 出栈DPH 出栈返回NY图 13“检查忙碌标志 BF”子程序流程图#00H 送入 ADDR1#04H 送入 N1#DHZTAB1 送入 DPTR调用汉字显示子程序#10H 送入 ADDR1#04H 送入 N1#DHZTAB2 送入 DPTR调用汉字显示子程序#08H 送入 ADDR1#04H 送入 N1#DHZTAB3 送入 DPTR调用汉字显示子程序#18H 送入 ADDR1#04H 送入 N1#DHZTAB4 送入 DPTR调用汉字显示子程序返回图 14 液晶固定显示子程序流程图DPTR 入栈ACC 入栈ADDR1 值送入 ADDRN1 值送入 BADDR 值送入 A#80H 和 A 进行与运算调写命令子程A 取反A+DPTR 送入 ADPTR 加 1调用“写资料到 GLCD”子程A 取反A+DPTR 送入 ADPTR 加 1调用“写资料到 GLCD”子程B 减 1，B=0?NYACC 出栈DPTR 出栈返回图 15 汉字显示子程序流程图2a 汉字显示子程序程序流程图见图 15图中 ADDR 为起始的显示位置。第一步，将现在的 DPTR 入栈保护；第二步，将现在的 ACC 值入栈保护；第三步，将 ADDR1 值送入 ADDR（将起始显示位置临时变量的值送入起始显示位置中） ；第四步，将 N1 值送入 B(显示字数送入 B)；第五步，将 ADDR 值送入 A;第六步，让 A 值与80相与，值送入 A(即送显示地址，参见附录汉字显示坐标 )；第七步，调用“写命令到 GLCD”子程(见 1a 子程说明)；第八步，A 值取反；第九步，查找汉字的高位码；第十步，DPTR 加 1；第十一步，调用“写资料到 GLCD”子程序（见 2b 子程序） ；第十二步，A 值取反；第十三步，查找汉字低位码；第十四步，DPTR 加 1；第十五步，调用“写资料到 GLCD”子程序（见 2b 子程序） ；第十六步，B 值减一并判断 B 是否为零，是则继续，不是则返回第八步重新循环；第十七步，ACC 出栈；第十八步，DPTR 出栈；第十九步，返回主程序。2b“写资料到 GLCD”子程序程序流程图见图 16DPH 入栈DPL 入栈调“检查忙碌标志 BF”子程写数据口地址送入 DPTRDPTR 送入 ADPL 出栈DPH 出栈返回图 16“写资料到 GLCD”子程序流程图第一步，将现在的 DPTR 值入栈保护, 第二步，调“检查忙碌标志 BF”子程(见 1b 子程序说明) ；第三步，写数据口地址送入 DPTR(即设置数据口写地址)；第四步，DPTR 地址中的数送入 A(写数据代码)；第五步，DPTR 出栈；第六步，返回主程序。键盘监控程序模块3 键盘扫描子程序子程序流程图见图 17F0 清 0P1 口清 0P1 口低四位置 1（键盘列置 1）P1 值送入 AA=#0FH?F0 清 0F0 置 1返回NY