基于单片机控制的提斗上料装置的设计

基于单片机控制的提斗上料装置的设计 I 摘 要斗式提升机用于垂直或倾斜时输送粉状、颗粒状及小块状物料。斗式提升机是为了满足国民经济发展中人们对运输机械行业大输送量、大提升高度及结构紧凑的提升机的需求而设计的。其特点是输送量大，提升高度高，消耗功率低，运行平稳，震动小，噪音低，运转率高，设计结构合理，适用技术先进，易损件少，维护工作量小，费用低，使用寿命长，是当前较为理想的提升设备。斗式提升机广泛地应用于建材、机械、有色金属、粮食等各工业部门；其结构特点是：被运送物料在于牵引件连结在一起的承载构件料斗内，牵引件绕过各滚筒，形成包括运送物料的有载分支和不运送物料的无载分支的闭合环路，连续运动输送物体。驱动装置与头轮相连，使都是提升机获得动力并驱使运转。张紧装置与底轮相连，使牵引构件获得必要的初张紧力，以保证正常运转。物料从提升机底部供料。本文在设计提斗上料装置的同时，再加上了单片机的控制部分，使装置实现自动上料 1。关键词：斗式提升机，单片机基于单片机控制的提斗上料装置的设计 II AbstractBucket machine for vertical or insulating transportation powder, granule and small block material. Bucket machine is designed to meet the development of national economy of transportation machinery industry people big, big ascension throughput height and compact structure of the hoist the needs of the design. Its characteristic is large transportation amount, hoisting height is high, low power consumption, stable operation, small vibration, low noise, high rates, design reasonable structure, it is suitable for the advanced technology, the vulnerability of small, small amount of maintenance, low cost, long service life, is the ideal equipment of ascension.Bucket machine widely used in building materials, machinery, non-ferrous metal, food and so on various industrial sector; The structure features are: being shipped materials is a link together of the traction bearing structure in the hopper, drawing a bypass the roller, formed, including transport materials in branch and not have no load carrying material of a branch of the closed loop, continuous movement conveying objects. Drive to the first round is linked together, make the are ascending machine gained momentum and driving operation. Tensioning devices and the wheel is linked together, make the traction component for the necessary early of tensioning force, in order to ensure their normal operation. Material from hoist bottom material feeding. In this paper the design a mention loading device at the same time, plus the single chip microcomputer control section, to realize the automatic feeding device.基于单片机控制的提斗上料装置的设计 III Key words: Bucket machine, Single chip microcomputer(SCM)基于单片机控制的提斗上料装置的设计 IV 目 录1 绪论 -11.1课题来源及目的 .11.2课题意义 .11.3国内外发展状况 .21.4本课题的设计要求 .72 关于翻斗的设计计算以及驱动部分计算 -82.1机械部分工作原理 .82.2翻斗连杆底座的定位计算 .82.3转矩的计算 .122.4电机的选型 .132.5关于翻斗能否成功翻转的校验 .163 提斗上料装置传动部分的计算 -193.1减速器的选型 .193.2 V带传动的选型 .213.3 链传动的设计 .233.4 同步带传动的设计计算 .263.5 丝杠传动的计算 .294 提斗上料装置的控制系统的设计 -304.1单片机的选型 .304.2单片机外部接线设计 .314.3单片机控制方案 .324.4 LED数码管接入 .345 结论 -366 参考文献 -377 致谢 -38基于单片机控制的提斗上料装置的设计 11 绪论1.1 课题来源及目的根据工科机械工程类专业学生实验教学的需要和社会需求，设计一个通过单片机控制的提斗上料装置，基于V带传动、链传动、各级齿轮传动、涡轮蜗杆减速器、丝杠传动，并通过行程开关的信号输入，通过单片机程序的控制从而实现提斗的上料过程。基于单片机控制的提斗上料装置通过机械传动装置、单片机控制技术、以及控制行程开关通过控制电路实现电机正反转，从而控制提斗的上翻和下降动作，实现上料过程。本课题设计的提斗上料装置，其主要目的还在于设计成功后用来给学生做实验使用，可供学生很容易的拆装，实验内容可包括：机械设计实验、机构实验、机电一体化实验、蜗杆减速器相关实验、各种传动如齿轮传动、带传动、链传动等实验。目前国内大多数大学在机电一体化这一专业的教育环节中，基本都是以课堂教学和仿真实验教学为主，能让学生动手实验的机会并不是很多，而本课题的设计成果将为学生提供一种方便拆装的实验装置，从而使学生通过实际的实验经验更具体形象的掌握相关方面的知识。同时，通过这次的课题设计，也给我一个检验并巩固自己所学知识的好机会。目前为止,我国地方工科院校机械课程的实验教育总体上还是依附于理论教学,没有完整独立的实验课程体系，平时实验课程比较少，形式单一，内容比较落后。由于受传统的实验环境和组织方式的影响，仪器设备的管理制度，极大地限制了实验资源的共享共用性，不利于研究性、探究性以及综合性的实验内容的展现，也影响了对于学生实践动手能力和综合素质品质的训练。而此次课题设计的最大目的即在于增加实验资源，使学校有更多的机会进行机械方面的实验 2。1.2 课题意义单片机控制的提斗上料装置由电机驱动、机械传动系统、料斗送料、行程开关信号输入、单片机控制系统构成，是一种自动控制、可进行多次重复运动、并能高效率、高准确行的执行规定上料动作的上料装置。适用于大批量的上料生产线运作，它对保证产品的稳定性，提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件有着十分重要的意义。单片机控制的提斗上料装置是一种主要基于单片机控制技术的机械操作装置。随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，我们当前社会所生活的各种各样的基于单片机控制的提斗上料装置的设计 2领域都能看到单片机的身影：例如各式各样的只能IC卡和IP卡，汽车轮船上的各种仪器仪表装置的控制以及电脑互联网的数据传输与网络通讯，甚至于智能仪表，医疗器械，自动控制领域的智能机器人 3。单片机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、模拟多路转换器、只读存储器ROM、A/D 转换器随机存储器RAM、脉宽调制电路、定时器、多种I/O和中断系统、显示驱动电路、等各种功能各种电路组合到一块硅片构成的一个体积较小并且功能完善的计算系统 4。单片机还有另外一个名称，即微控制器，工程师们通常会用MCU表示，它最早是被用在工业控制领域。单片机最初是由仅包含有CPU的芯片的专用处理器发展起来的，由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。一开始的设计的思路是通过将许多外部接线装置和CPU集中放在同一个芯片中，这样就能使得计算机系统变得更小，并且能够更加容易集成电路进复杂的面对提机要求更加严格的控制设备当中 5。单片机速度越来越快。MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抵抗各种电磁干扰的能力，降低噪声，既能够降低时钟频率同时又能不牺牲单片机的运算速度是现阶段所追求的单片机发展技术之一。同时一部分8051单片机生产的厂商改善了单片机的内部时序，在使得时钟频率不发生改变的情况下，大幅度提高了单片机的运算速度，Motorola单片机则使用了琐相环技术或内部倍频技术，从而使得内部的总线的元算速度比时钟产生器的频率高出了很多。68HC08单片机使用频率为4.9M的外部振荡器而使得内部时钟达到32M，同时M68K系列32位单片机使用32K的外部振荡器而使得内部时钟达到了16MHz以上 67。 单片机控制技术对于现代工业技术和普通应用方面有着重要的意义，是对人类劳动力的巨大改造，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。本课题中提出的基于单片机控制的提斗上料装置对于单片机控制的难度要求远远低于实际工业控制，因此，该课题的主要意义还在于为学生提供了一个自行设计单片机控制的斗式提升机的操作平台，便于学生更好的理解单片机控制的原理，以及进一步深入学习单片机控制程序的编辑，同时对于机械运动部件与传动装置的设计有了更切实的经历体验。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，设计一个基于单片机控制的提斗上料装置。与此同时，通过本次设计对分析斗式提升机有一定的了解，清晰斗式提升机结构设计全过程及工作特点，运用所学知识解决设计中问题，达到综合训练的目的，提高独立工作能力，巩固所学知识，并有所进步，增强机械创新设计的能力。基于单片机控制的提斗上料装置的设计 31.3 国内外发展状况提斗上料机是微粒物料在垂直输送中的首选设备，有如下优势：输送能力大；提升高度高；占地面积小；能耗低，运行经济性好；密闭性好，有利环保。在我国使用斗式提升机比较集中的地方有：建材行业玻璃厂和水泥制造厂；化工行业-农药厂和化肥厂；粮食行业-粮仓以及粮食加工厂；电力行业-脱硫工程；钢铁行业-锅炉加煤；机械行业-锅炉加煤和铸造砂处理；提斗上料机的输送能力如下：提斗上料机的输送那呢管理是它的输送量和提升高度国内已经使用的有：板链斗提机可以达到，输送量1000m/h ，提升高度50米；代表提升机行业水平的大规格提升机多数是用于水泥行业的。钢丝胶带斗式提升机-输送量在600m/h，提升高度可以达到120米以上；提斗上料机的分类如下所示:在JB/T3926-1999垂直斗式提升机标准中，斗式提升机是安牵引件分为三类：带式-TD型圆环链式-TH型板链是TB型随着提斗上料机技术的发展，出现了更细致的分类：带式胶带，TD型；钢丝胶带型，TDG/TDS型链式圆环链，TH/THG型；板链，NE/NSE/TB型；中央链，TBZ/ZYL型不同类型的提斗上料机的区别:带式斗提机 牵引件是EP胶带和钢丝胶带，斗的运行速度在1.22m/s。采用料斗在物料中挖去式装载，离心式卸料，适用于输送粉末状、颗粒状和小块装物料。圆环链斗提机 牵引是圆环链条，斗的运行速度在1.5m/s一下。采用料斗在物料中挖取式装载，以离心重力式卸料。适用于输送粉末状、颗粒状和块状物。板链斗提机 牵引件是板式套筒辊子链条，安装在料斗两侧。斗的运行速度一般在1.0m/s一下。采用物料直接流入料斗式装载，以重力式卸料。适用于输送粉料、颗粒状机100毫米以下大块状物料。带式提斗上料机TD型带式斗式提升机，以EP带为牵引件，适用于输送粉状、颗粒状及小块状的物料。基于单片机控制的提斗上料装置的设计 4输送能力：可达到200m/h ，提升高度可达40米。按斗的宽度分，常用的规格有160、250、315、400、500和630等规格。被输送物料的温度，对普通橡胶不宜超过80；对耐热橡胶带不宜超过120。钢丝胶带斗式提升机为满足国内市场对提升高度高，输送量大的需求，近十年来，以钢丝胶带为牵引件，提升高度超过百米的斗提机得到了应用。TDS型带式斗式提升机，采用抗撕裂带钢丝胶带，适用于输送粉状机小颗粒状的物料。输送能力：可达到800m/h ，提升高度可达120米。被输送物料的温度，对普通橡胶带不宜超过80；对耐热橡胶带不宜超过120。圆环链斗式提升机TH型斗式提升机，以圆环链为牵引件，适用于输送粉状、颗粒状及小块状的物料。输送能力：可道道150m/h ，提升高度可达40米。按斗的宽度分，常用的规格有250、315、400、500、和630等规格。被输送物料的温度可以达到250。NE板链斗式提升机现在普遍适用的板链斗提机有两个系列产品，一个是NE系列，斗速为0.5m/s低速运行。NE 系列与TB系列属同同一类型。产品规格：NE15、NE30 、NE100、NE150 、NE200 、NE300和NE400 。后面的数值表示的是输送能力（m/h）。提升高度可达40米。被输送物料的温度可以达到250。NSE板链斗式提升机另一个是NSE系列，斗速约为1m/s，称之为告诉板链斗提机。链条节距小于NE板链，承载能力提高。产品规格：NE100、NE200、NE300、NE400 、NE600 、NE800和NE1000 。后面的数值表示的是输送能力（m/h）。提升高度可达40米。被输送物料的温度可以达到250。中央链斗式提升机中央链是板链的一种，它是将链条置于料斗背后的中部，并且只使用一根链条，这是国外近些年最新发展起来的链条系统，国内已经有使用和制造。一般用于大输送量和高速斗提机，而且可用于在恶劣的环境下工作。链斗最高速度可达2m/s以上，链条有很高的使用寿命。基于单片机控制的提斗上料装置的设计 5这一产品有许多诱人的优点，会受到广大用户的欢迎，相信在不久的将来会形成完整的系列产品和更大的市场占有量 8。未来斗式提升机产品结构斗式提升机的市场主要是带式和板链斗式提升机。带式包括EP 带和钢丝胶带；板链包括NE 、NSE和中央链。中央链的市场份额会扩大，替代部分NE、NSE和带式斗提机。圆环链斗提机的市场份额会进一步缩小。钢丝胶带斗提机和中央链斗提机在对各种类型的斗式提升机做了一个广泛的介绍后，我们重点要讲一讲这些年来发展较快的钢丝胶带斗提机和中央链斗提机。经过十多年的发展，钢丝胶带斗提机技术已经趋于成熟，整个系列的各种规格被广泛使用。中央链斗提机是近几年才引入国内的，这一产品的技术、制造及系列产品还在发展和完善之中 9。钢丝胶带斗式提升机的特点采用具有横向抗撕裂性能的专用钢丝胶带。输送带专用接头采用独特的链接件和链接方法。接头处的强度不低于输送带本体的强度。斗提机下部张紧中装有自动平衡装置，防止胶带跑偏。传动系统中带有慢动装置，方便维护和检修。钢丝胶带斗式提升机的选用表1-1钢丝胶带斗式提升机的型号规格 =75%提升量（ ）3/mh在新型干法熟料线窑尾的典型选型TDS250 70TDS315 100 日产700吨熟料线TDS400 160 日产1000-1200吨熟料线TDS500 220 日产1500吨熟料线TDS630 350 日产2000-2500吨熟料线TDS800 450 日产3000-4000吨熟料线TDS1000 710 日产5000吨熟料线TDS1250 890 用于更大的熟料线熟料线热点技术问题探讨基于单片机控制的提斗上料装置的设计 6钢丝胶带的使用寿命头轮滚筒的包胶中央链斗式提升机特点料斗装料行事由料斗式改变为挖去式。卸料改为离心式或混合式卸料。链斗的速度在11.8m/s，也可以运行在2m/s以上。驱动轮为光轮，依靠摩擦传动，外轮圈为经过硬化处理的组合件。尾轮是光轮，在张紧力小时可以用有齿链轮比较板链斗提机，中央链能够克服因料斗变形导致链条系统运行不正常。中央链比板链斗提输送能力更大，它能够将两套中央链系统装入一台的壳体中。提升高度达到55米。中央链条的选择（热点技术问题探讨）中央链条的核心是链条，链条有板链和模锻链两种结构。中央链条的使用寿命更长，可以达到5万小时。国际上著名中央链斗提机厂商的态度：美国Rexnord 公司 板链；德国Bwumer 公司 板链；德国Aumund公司模锻链 10-11。我国采用中央链斗提机多数是以大规格的设备配套，从进口整机或进口链条、链轮等核心部件开始的。两种结构链条都有。我们的观点：板链链条比模锻链条技术上更成熟。从整个系列多规格的开发上，选配板链链条，更加经济实用。在大规格、重载环境下，能偶显示模锻链的优势。当整个系列的板链链条在国内能够制造和供应后，中央链斗式提升机系列会得到广泛的应用 12。相关的机电一体化教学实验室装置的发展现状我国开设机电相近专业的学校，大致分为高等院校、高职院校以及职高中专校。这些学校已开设了各种相关的课程：例如液压和气压传动、机械原理、机电传动控制、C语言、单片机原理及应用、机械设计、理论力学、材料力学等，根据各自的培养目标不相同，各院校学生对这类课程的掌握程度也大不相同，但是普遍都存在着一个相同的问题，那就是实验实习设备的不足，这些课程都无法引起学生的兴趣。表1-2列出了各类学校的教学现状。基于单片机控制的提斗上料装置的设计 7表1-2各类机电学校的教学现状学校条件职高中专校 高职高专校 高等院校理论课教师 专职教师少，相近专业教师替代，无实践经验有专职教师，无设计创新能力，实践经验欠缺有专职教师，有设计创新能力，实践经验丰富理论课主要教学方法灌输法 讲解法 启发式实习课教师 无 理论课教师替代 有专职教师实验教学 学习一些相关的标准件设置一些相关课程 几乎有能力开设所有相关课程实习教学 无 无 开设一部分实验学习设备 无 很少 有一些实验室 无 无专门实验室 有专门实验室从表 1-2 可以看出，实验设备的紧缺，在很大程度上限制了机电类课程的教学质量和效果，设计创新出既给学生上实验实习课程带来方便（比如：安全、清洁、无噪声等），又可以体现出实际的使用情况，还要经济耐用的实验实习设备，是一个亟等解决的课题。事实上机电一体化教学实验系统正在不断地被开发、研制。生产这些实验设备的企业有苏州高级技工学校校办电子厂、清华科教仪器厂、德国哈芙伦有限公司、天津探索智能机械有限公司、南京日上自动化设备有限公司、沈阳沈飞电子有限公司 13。1.4 本课题的设计要求本课题将要完成的主要任务如下：(1)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。(2)完成提斗上料装置原理的设计，根据要求提出设计方案。(3)完成力分析和主要传动参数的确定，总体结构的初步确定、完成三位造型的设计、完成各部分参数的计算。(4)完成机构的设计，绘制装配图和零件图。(5)提斗上料装置的控制系统的设计本装置采用单片机对机械手进行控制，本课题将要选取单片机型号，根据提斗上料的工作流程编制出单片机程序流程图。基于单片机控制的提斗上料装置的设计 82 关于翻斗的设计计算以及驱动部分计算2.1 机械部分工作原理图2-1提斗上料装置系统简图机械部分工作原理：工作时，电机1通过V带传动2蜗杆减速器3和链传动 4带动传动轴9转动，固连于传动轴9上的辊子10也随之转动，通过其缠绕钢丝绳11拉起摆杆12，从而带动料斗13升起，到顶部时碰到到接斗14，料斗13翻转，实现送料。蜗杆减速器输出轴还通过同步带传动5和丝杠6带动螺母7来回移动，使行程开关8接触或分离，实现升降限位。2.2 翻斗连杆底座的定位计算基于单片机控制的提斗上料装置的设计 9图2-1 翻斗的上极限位置的示意图根据图2-1 由于连杆长度固定，若支架的位置偏高，则有可能使得翻斗外耳部无法触碰到接斗最左边的边缘，导致翻斗无法翻转，若支架的位置偏低，则可能使得触碰到接斗最左边的边缘的不是翻斗的外耳部分，而是翻斗顶部圆弧边，这样同样会导致翻斗无法翻转。所以必须要确定一个合适的支架的位置以保证翻斗快到达上极限位置时，其外耳部正好触碰到接斗最左边的边缘，使得翻斗实现翻转。基于单片机控制的提斗上料装置的设计 10图2-2 翻斗外耳部的结构尺寸根据图2-1 和图2-2 ，可得到翻斗能够实现翻转的结构简图：基于单片机控制的提斗上料装置的设计 11图2-3 翻斗实现翻转的结构简图根据图2-3 ，可由勾股定理得：（2-1）2 22(354018.63)408.53（ x-1+）解得 35.7xm翻斗与连杆连接处的孔距离翻斗最低点为98.2mm，而接斗接口处与总支架杆顶点距离为102mm，总支架杆长为625mm，所以提升高度（2-2）6251098.24.hm满足设计要求。基于单片机控制的提斗上料装置的设计 122.3 转矩的计算由UG软件测得，翻斗的体积为261.273cm，又45号钢密度为7.85g/cm，则质量为（2-3）=Vm翻 斗把 3=261.7Vcm带入式2-385/g得 .0k翻 斗则其重力为（2-4）2.0519.8.0GmgN翻 斗经简化，翻斗可认为是一质点，从而其受力可简化为如下图所示：图2-4翻斗下极限位置结构简图在下极限位置时，绳索拉力F1处于最大值，同时还要克服惯性给翻斗一个加速度，因此可认为翻斗最低点处，需要的转矩及功率最大。受力分析如图2-5所示：基于单片机控制的提斗上料装置的设计 13图2-5翻斗在下极限位置时的受力分析图由受力分析图可得方程组：（2-5）12cos59cos5in=Fi+G把 带入式2-5，可得：20.1GN123.586N则计算转矩T（2-6）1TFr把 132.586FN辊子半径 带入式2-6中，解得：rm0.4T2.4 电机的选型考虑到控制系统选为单片机控制，则电机类型最好为步进电机。步 进 电 机 是 一 种 感 应 电 机 ， 步 进 电 机 并 不 能 像 普 通 的 直 流 电 机 和 交 流 电 机 那 样在 常 规 情 况 下 使 用 ， 尽 管 步 进 电 机 已 被 广 泛 地 应 用 到 各 个 领 域 中 了 。 步 进 电 机 必 须通 过 功 率 驱 动 电 路 、 双 环 形 脉 冲 信 号 等 各 种 控 制 系 统 的 控 制 才 能 正 常 使 用 。 所 以 要基于单片机控制的提斗上料装置的设计 14熟 练 的 使 用 好 步 进 电 机 绝 不 容 易 ， 以 为 它 涉 及 到 计 算 机 程 序 编 程 、 电 子 电 路 、 机 械传 动 以 及 电 机 等 许 多 专 业 知 识 。 作 为 一 种 关 键 的 执 行 元 件 ， 步 进 电 机 可 以 说 是 机 电 一 体 化 这 个 行 业 的 关 键 产 品之 一 ， 它 被 广 泛 的 应 用 在 各 种 自 动 化 控 制 系 统 中 。 所 以 ， 步 进 电 机 的 需 求 量 正 在 随着 计 算 机 技 术 以 及 微 电 子 技 术 的 逐 步 发 展 而 与 日 俱 增 ， 在 各 个 国 民 经 济 领 域 都 有 广泛 的 应 用 13。 从 某 个 角 度 来 讲 ， 步 进 电 机 所 执 行 的 动 作 便 是 将 电 脉 冲 转 化 为 角 位 移 。 通 俗 一点 讲 ： 驱 动 步 进 电 机 按 设 定 的 方 向 转 动 一 个 固 定 的 角 度 （ 即 步 距 角 ） 之 前 ， 步 进 点击 的 驱 动 器 必 须 要 接 收 到 一 个 脉 冲 信 号 ， 否 则 步 进 电 机 就 不 会 运 转 。 也 就 是 说 ， 要想 达 到 调 速 的 目 的 ， 可 以 通 过 控 制 脉 冲 频 率 来 控 制 电 机 转 动 的 速 度 和 加 速 度 ； 与 此同 时 ， 要 想 做 到 准 确 定 位 的 要 求 ， 也 可 以 通 过 控 制 输 送 给 电 机 的 脉 冲 个 数 来 控 制 角位 移 量 14。步 进 电 机 按 运 转 方 式 可 以 分 为 三 种 ： 永 磁 式 （ PM） ， 反 应 式 （ VR） 和 混 合 式（ HB） 一 般 情 况 下 永 磁 式 步 进 电 机 为 两 相 ， 体 积 和 转 矩 都 比 较 小 ， 步 距 角 一 般 为7.5度 或 15度 ； 反 应 式 步 进 电 机 为 三 相 ， 可 实 现 较 大 转 矩 输 出 ， 步 距 角 一 般 为 1.5度 ，但 缺 点 是 振 动 和 噪 声 很 大 。 在 欧 美 等 发 达 国 家 这 两 种 步 进 电 机 在 80年 代 已 经 被 淘 汰不 再 使 用 了 ； 混 合 式 步 进 电 机 则 同 时 包 含 了 反 应 式 和 永 磁 式 的 优 点 。 它 可 以 被 分 类为 为 五 相 式 步 进 电 机 和 两 相 式 步 进 电 机 ： 五 相 步 进 电 机 的 步 距 角 一 般 为 0.72度 ， 两相 式 步 进 电 机 的 步 距 角 一 般 为 1.8度 。 这 一 类 电 机 在 现 阶 段 应 用 的 范 围 最 广 15。控 制 系 统 每 发 一 个 步 进 脉 冲 信 号 ， 电 机 就 会 转 动 一 个 固 定 的 角 度 ， 这 个 角 度 就是 所 谓 的 电 机 固 有 步 距 角 。 出 厂 时 ， 厂 家 已 为 步 进 电 机 给 出 了 一 个 步 距 角 的 值 ， 如2301HC52A2型 电 机 给 出 的 值 为 0.6/1.2（ 表 示 半 步 工 作 时 为 0.6、 整 步 工 作 时 为1.2。 通 常 步 进 电 机 步 距 角 的 一 般 计 算 按 下 式 计 算 。 (2-7)=3/()ZmK: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 总 传 动 效 率 的 计 算 ：（2-8）52431查机械设计手册：V带传动效率 1=0.96基于单片机控制的提斗上料装置的设计 15涡轮蜗杆减速器的效率 40.2链传动效率 3=0.96滚动轴承的效率 4辊子卷筒传动效率 5.带入式2-8 可得 2 21345=0.964.09.4=396所以电机的转矩为（2-9）11.852520.240.396T Nm:电 机利弊权衡，从体积、价格以及总的传动比等考虑，本设计决定采用2301HC52A2的两相混合式步进电机，该型电机性能良好，可以满足要求 14。2301HC52A2型电动机的主要性能参数如下：通用规格（General specification)步距精度：5%温度：80MAX环境温度：-20-+50绝缘电阻：100MMin 500VDC耐压：500V AC 1minute径向跳动：最大0.02mm(450g负载)轴向跳动：最大0.08mm(450g负载)表2-1 57mm系列两相混合式步进电机型号 步距 额定电 额 绕线电 感应 保持 电机 旋转基于单片机控制的提斗上料装置的设计 16角 压 定电流阻 系数 转矩 长度L惯量单轴 双轴 Deg V/phase A/phase/phase mH/phaseN.m mm g.c2301HC52A12301HC52A21.2 24V-40V 5.2 0.24 0.22 0.48 41 1002302HC52A12302HC52A21.2 24V-40V 5.6 0.24 0.27 0.93 54 2202303HC52A12303HC52A21.2 24V-40V 5.8 0.29 0.39 1.57 77 3802304HC52A12304HC52A21.2 24V-40V 5.8 0.38 0.50 2.10 102 530注意：不允许电机运行过程中的表面温度超过902.5 关于翻斗能否成功翻转的校验若以翻斗圆孔中心为原点建立平面坐标系，则翻斗质点坐标为，翻斗能翻转的零界点如图2-6所示-10.532940.183724（ ， ）图2-6翻转时以O点为中心的力矩平衡图基于单片机控制的提斗上料装置的设计 17则翻斗要翻转须满足（2-28）14.536284.76GF可得（2-29）1.0.5329.87FN图2-7 翻转时以质心为中心的力矩平衡图由图2-7 可得：（2-30）12385.6341.56sinFFL能使翻斗翻转所需绳索拉力（2-31）13238.4562sin9.01.79624FLN基于单片机控制的提斗上料装置的设计 18而步进电机转矩转换到辊子的转矩 T（2-32）0.452=45Nm:则绳索产生的拉力 ,远远大于翻斗翻转所需的拉力，所以2180.F翻斗可以翻转。基于单片机控制的提斗上料装置的设计 193 提斗上料装置传动部分的计算3.1 减速器的选型减速器主要可分为齿轮减速器和蜗杆减速器两大类：齿 轮 减 速 器 是 原 动 机 和 工 作 机 之 间 的 独 立 的 闭 式 传 动 装 置 ， 是 为 了 满 足 一 些 特定 的 工 作 需 求 ， 而 增 大 转 矩 和 降 低 转 速 ， 在 某 些 场 合 也 用 来 增 速 ， 称 为 增 速 器齿 轮 减 速 器 结 合 了 大 型 减 速 机 和 减 速 电 机 这 两 种 设 备 。 不 用 适 配 器 和 联 轴 器 ，结 构 非 常 紧 凑 。 能 够 满 足 小 空 间 高 转 矩 输 出 的 要 求 。 承 载 能 力 比 一 般 斜 齿 轮 减 速 机高 ， 原 因 是 负 载 被 平 均 分 布 在 行 星 齿 轮 上 。广 泛 应 用 于 大 型 矿 山 ， 钢 铁 ， 化 工 ， 港 口 ， 环 保 等 领 域 。 与 K、 R系 列 组 合 能 得到 更 大 速 比 。 （ 1） 可 靠 的 工 业 用 齿 轮 传 递 元 件 ； （ 2） 可 靠 结 构 与 多 种 输 入 相 结 合 适 应 特 殊 的 使 用 要 求 ； （ 3） 有 高 的 传 递 功 率 的 能 力 而 结 构 紧 凑 ， 齿 轮 结 构 根 据 模 块 设 计 原 理 确 定 ； （ 4） 易 于 使 用 和 维 护 ， 根 据 技 术 和 工 程 情 况 配 置 和 选 择 材 料 ； （ 5） 转 矩 范 围 从 36,0000Nm到 1,200,000Nm.。减 速 机 的 作 用 主 要 有 ：（ 1） 提 高 输 出 转 矩 并 降 低 转 速 ， 按 电 机 输 出 乘 减 速 比 可 计 算 得 到 转 矩 输 出 比 例 ，但 要 注 意 不 能 超 出 减 速 机 额 定 转 矩 。 （ 2） 降 低 了 负 载 的 转 动 惯 量 同 时 降 低 转 速 ， 减 速 比 的 平 方 就 是 惯 量 的 减 少 比 。选 用 减 速 器 时 应 注 意 所 设 计 的 装 置 的 工 作 情 况 ， 经 济 性 等 因 素 ， 技 术 参 数 ， 品种 减 速 器 的 外 廓 尺 寸 ， 动 力 机 的 性 能 ， 比 较 不 同 类 型 、 传 动 效 率 ， 承 载 能 力 ， 质 量 ，价 格 等 ， 选 择 最 符 合 要 求 的 减 速 器 。 与 减 速 器 联 接 的 工 作 机 载 荷 状 态 比 较 复 杂 ， 对减 速 器 的 影 响 很 大 ， 是 减 速 器 选 用 及 计 算 的 重 要 因 素 ， 减 速 器 的 载 荷 状 态 即 工 作 机（ 从 动 机 ） 的 载 荷 状 态 ， 通 常 分 为 三 类 ： 均 匀 载 荷 ， 中 等 冲 击 载 荷 ， 强 冲 击 载 荷 。相比于齿轮减速器，蜗杆减速器有以下优点：（1） 蜗杆传动时只能正向传动反向则被锁定即其主动轮与被动轮不能互换，但由于其 结构特点导致传动过程中存在轴向力传动效率较低；（2）齿轮传动时则可正逆传动即 主动轮与被动轮可互换，可是齿轮传动的传动效率较高； （3）与齿轮传动相比较，蜗杆传动具有传动比大，在动力传递中传动比在 8100之间，在分度机构中传动比可以达到 1000；传动平稳、噪声低；结构紧凑；基于单片机控制的提斗上料装置的设计 20（4）在一定条件下可以实现自锁等优点而得到广泛使用 。但蜗杆传动有效率低、发热量大和磨损严重，蜗轮齿圈部分经常用减磨性能好的有色金属（如青铜）制造，成本高等缺点；（5）蜗轮传动是垂直轴传动，圆柱齿轮为平行轴传动，伞齿轮传动两轴可 90或其他角度。所以减速器类型选为蜗杆减速器。又由于实际所需传动比 i=24.3，则选取传动比为 25 的减速器，型号选为 WPA50。图 3-1 WPWA 型减速器的外形尺寸基于单片机控制的提斗上料装置的设计 21表3-1 WPWA型蜗杆减速器外形尺寸表型号size 40 50 60 70减速器ratio 1/5 1/10 1/15 1/20 1/25 1/30 1/40 1/50 1/60A 149