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光源控制信号 5v 采样保持信号 5v 5v12345678910DIR VdcA1 B1A2 B2A3 B3A4 74HC245 B4A5 B5A6 B6A7 B7A8 B8GND G 5vOSOSD3 VpG3 OS OSX G2I G1R CCD OD3 OG2 RGZ 1 ODVm OGP1-7P1-6P1-5P1-4P1-3P1-2P1-1P1-0 5v CDD驱动电路 P1-7 8031系统P3-0P3-1P3-2P3-4 光源控制信号输出 信 号 预 处 理 电 路 C D D 及 驱 动 电 路 控制线 I /O 接口 及 处 理 电 路 DB 通讯线 控制线 （当不采用从机时，此为步进电机信号输出口） 传感器线路框图40vv15v至步进电机的A1 A1光电耦合器40vv15v步进至步进电机的B1 B1光电耦合器40vv电机15v至步进电机的C1控制 C1光电耦合器40vv15v驱动至步进电机的A2 A2光电耦合器40vv15v至步进电机的B2 B240v光电耦合器.至步进电机的C2 C2光电耦合器湘潭大学毕业设计说明书题目：焊机焊缝跟踪装置的结构设计-控制设计院 （系）： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： XXXXX 姓 名： XXXXX 指导教师： XXXXX 完成日期： 2014年5月25日 湘 潭 大 学毕业论文（设计）任务书设计（论文）题目： 焊机焊缝跟踪装置-结构及控制设计 学 号： XXXXX 学生姓名XXXXX专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： XXXXX 系主任： 1、检索国外焊机焊缝跟踪装置设计的发展动态，分析国内的现状； 2、完成焊机焊缝跟踪装置系统方案选择； 3、完成系统中焊机焊缝跟踪装置结构设计； 4、完成系统中焊机焊缝跟踪装置控制功能设计； 5、完成系统中抗干扰设计； 6、总结系统设计的体会和收获； 7、完成毕业论文的文稿工作，要求：总字数不低于一万字，使用A4编辑及打印装订成册； 8、技术图纸：零件图1张（0号）、装配图1张（0号）、系统控制原理图1张（0号）、系统程序流程图1张（0号） 9、翻译英文技术资料：翻译国外焊机焊缝跟踪装置系统的（或相关课题）开发及研究的英文资料。要求：3000单词，复印原稿与翻译(打印)稿同册装订。 二、重点研究的问题： 1、 系统中焊机焊缝跟踪装置结构设计； 2、 系统中焊机焊缝跟踪装置控制功能设计； 3、 系统中抗干扰设计。 三、进度安排 各阶段完成的内容起止时间1资料检索、查询2014年2月20日 3月5日2系统总体方案构思及设计2014年3月 6日 3月15日3完成系统方案选择设计2014年3月16日 3月31日4完成结构部分设计； 2014年4月 1日 4月15日5完成系统控制部分设计；2014年4月16日 4月30日6毕业设计论文撰写和编辑2014年5月1日 5月8日7交毕业设计说明书和图纸，答辩准备2014年5月9日 5月15日四、应收集的资料及主要参考文献 1陈武柱,王勇,林青松,焊缝自动跟踪技术的现状及新发展, 焊管，Vol. 15(5)(1992)，110。2陈强,路井荣,孙振国等，弧焊机器人焊炬姿态规划系统的研究，第三届计算机在焊接中的应用技术交流会论文集，上海，2000，198203。3岳宏,孙立新,李慨等，基于结构光焊缝跟踪系统的研究，河北工业大学学报，Vol.28(4)(1999),21244姜焕中，焊接方法及设备（第一分册），机械工业出版社，北京，1981。5潘际銮，现代弧焊控制，机械工业出版社，北京，（2000），171172。6陈丙森主编，计算机辅助焊接技术（第一版），机械工业出版社，北京，（1999），243245。湘潭大学毕业论文（设计）评阅表学 号XXXXX 姓 名 XXXXX 专 业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 焊机焊缝跟踪装置结构设计控制设计 评价项目评 价 内 容选 题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当。能 力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。工作量工作量是否饱满，含论文篇幅、图纸等是否达到规定要求。综合评 价评阅人姓名（职称）： 年 月 日 湘 潭 大 学毕业论文（设计）鉴定意见学 号： XXXXX 学生姓名： XXXXX 专 业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 74 页 图 表 3 张论文（设计）题目： 焊机焊缝跟踪装置机构及控制设计 内容提要：本文介绍了一种小车结构的、以单片机为控制核心的焊机焊缝跟踪装置的数据采样、硬件结构和软件设计本文首先从国内外现状出发，及煤炭行业的发展状况，对焊机焊缝控制制系统提出了新的要求。再对几种焊缝控制系统的比较选择，从中选取最合适、最经济的作为研究对象。并分析了其市场需求，对其可行性进行了研究，在此基础上设计出了焊机焊缝跟踪装置的结构与控制系统这一焊缝跟踪装置的计算机控制系统主要是以单片机技术为核心，通过分析其。工作原理、掌握其硬件结构和软件而设计出来的。本文主要设计是以Intel公司的高性能8位单片机8051为主控制芯片，通过对上下焊缝跟踪系统的硬件系统设计，对焊缝跟踪控制系统进行了全方面的改进，使其控制能力强，性能稳定可靠，操作方便。抗干扰能力强，并以系统的可靠性进行了研究， 最后提出了有关不足和改进的建议。指导教师评语指导教师姓名（职称）： 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任： 年 月 日目录摘要1Abstract2第一章 绪 论3第一节 焊缝跟踪装置研究的现实意义3第二节 国内外研究动态3第二章 电动机的选择5第一节 电动机型号的选择5第二节 步进电机的工作原理5第三节 步进电机的详细参数6第三章 焊接小车的结构设计7第一节 小车的工作原理7第二节 涡轮蜗杆减速器的设计计算8第三节 传动齿轮的设计计算13第四节 小车车厢及其他零件的设计16第四章 单片机控制系统19第一节 硬件系统配置装置19第二节 传感器线路19第三节 CDD及其驱动电路21第四节 步进电机驱动电路22第五章 总结与展望23第一节 总结23第二节 展望23附录1：英文资料24附录2：英文资料翻译29焊机焊缝跟踪装置结构及控制系统设计摘要:长直轨道焊接在工业焊接技术中的十分常见，但是焊接小车在焊接系统中是不可缺少的设备，其启动性能如何和运行速度是不是平稳直接影响到焊接质量。本文设计的是一台应用于实际焊接场所的基于单片机控制的焊接小车，此设备主要应用于长直轨道的焊接场所中。该焊接系统采用了单片机和外部硬件电路相结合的控制方式，当中单片机是该系统的控制核心，系统首先通过控制电路输出模拟信号，然后经模数转换器将其转换为数字信号，数字信号接到单片机相应的接口，通过编程对整个系统进行控制，电机前安排了驱动电路，作用于驱动步进电机，电机经过减速器把转矩输送到小车的轮轴上。在焊接自动化系统中，焊接小车速度的控制直接影响着焊件的焊接质量，本系统对焊接速度的控制十分精确，十分精确地解决了这个问题。本文提出的采用单片机控制步进电机的方案，可依据设计需要，通过控制电路的三个相应开关实现对焊接小车的转速、正反转、停止及启动等工作状态进行控制，具有实时性以及交互性的特点，从而提高了焊接生产效率。关键词：焊接小车，单片机控制系统，步进电动机Abstract:Long straight track in the welding industry in welding technology are very common, and welding car in the welding system is essential equipment, how to start performance, speed direct impact on whether a smooth welding quality. This paper is designed for a welding places based on the actual control of the microcontroller welding car, the device used in the tracks long straight welding in place. The welding system uses a single chip and external hardware circuit combination of control, of which SCM is the core of the control system, the system first of all by controlling the circuit output analog signals, then the ADC will convert them to digital signal , The digital signal from the corresponding MCU interface, through the programming of the whole system of control, pre-arranged a motor drive circuit, used to drive stepper motor, motor reducer, as the torque transmitted to the cars axle On. Welding Automation System, welding car speed control direct impact on the welding of the welding quality of the welding speed of the system of control is very accurate, very good solution to this problem. The proposed use of SCM stepper motor control programmes, as required, from the three corresponding control circuit switching to achieve the speed of the car welding, positive and stop and start the work, such as state control, with real-time and Interactive features, improved welding productivity.Key words: Welding car，SCM Control System，Stepper motor26第一章 绪 论 一、焊缝跟踪装置研究的现实意义依照国家统计局发布的2012年国民经济和社会发展统计公报，我国2012年粗钢产量为7.2 亿吨，按照我国焊接用钢量为30%的比率计算,焊接结构的钢材量接近2.7 亿吨。在工业发达国家，焊接用钢量基本达到其钢材总量59%-69%。专家预测，我国可能在今后的5到10年时间内达到60%的水平，这就形成了对焊接生产效率和劳动力的可观需求。焊接生产效率的需求急需提高焊接过程的自动化和智能化水平，焊接也是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作，虽然这样，目前我国的焊接加工基本上停留在手工、半自动焊接和有轨道的机械化生产的水平。依照相关资料，按熔敷金属计算，2002年我国焊接机械化、自动化率仅仅才能达到40%，而世界工业发达国家一般都在60%多以上，由此可知我国的焊接生产总体上说自动化和智能化水平比较低，跟欧美、日本等一些发达国家相比存在较大差距。通过焊接技术的发展来看，焊接自动化、机器人化以及智能化已成为一种趋势。在市场竞争日益激烈的今天，依靠手工焊接不能够满足焊接质量和生产规模的要求，研究和发展焊接过程的自动化方面特别是具有先进技术、低成本的自动化焊接从而获得比手工焊更高质量的焊缝，因此提高生产效率，改善劳动条件是现代焊接技术发展的方向。 手工焊接场合主要依靠人的眼睛和手的配合来跟踪焊缝，但是自动焊接的场合就需要解决焊接熔池（或电弧）一直对准待焊焊缝的问题。由此可见，随着现代生产焊接的自动化程度越来越高和机器人焊接技术的发展，对焊缝的自动跟踪技术的需求也越来越迫切，这主要表现在三个方面。第一该技术可以提高焊缝质量，第二它可以改善焊接工人工作条件，第三焊缝自动跟踪技术能够提高生产效率。 二、国内外研究动态焊接生产时候自动焊接装置或机器人焊接系统对焊缝的自动、实时跟踪已经成为自动化焊接和智能化焊接的重要内容。近十年来，焊缝跟踪技术的研究、应用得到了突飞猛进的发展，特别是在焊缝传感技术己从简单的机械接触、电磁感应转变为信息量更大、精确度更高的电弧传感、光电（视觉）传感等方式，同时计算机信息处理也成为必不可少的辅助手段。焊缝自动跟踪是焊接生产机械化、自动化的关键。基于实践生产的需要，50多年来我国在焊缝自动跟踪方面有了长足发展，技术水平不断提高，并取得了许多应用成果。我国已发展了各种类型的传感器技术，控制坐标已从单坐标和双坐标发展到了多坐标。5060 年代的时候大多采用接触跟踪，西安交通大学和三桥机车车辆厂是中国从事接触跟踪和电磁跟踪研究比较早的单位。到了6070 年代后期，发展了电磁跟踪、光电跟踪、电弧跟踪、激光跟踪等非接触跟踪技术。华中理工大学与湖北造船厂共同合作研制成功全位置电磁跟踪气体保护焊机，跟踪精度达1mm。华南理工大学还与广州造船厂共同研制的电磁立焊缝自动跟踪焊机，应用在万吨轮的焊接上。天水电气传动研究所和上海造船工艺研究所合作，研制的光电跟踪装置用于螺旋管焊接和船舶的焊接生产中。哈尔滨焊接研究所与辽阳钢厂合作研制的激光跟踪装置用于螺旋管焊接自动生产线等。80 年代后期，微机跟踪和电视跟踪技术得到了迅速发展，从而为传统焊接自动化向现代焊接的自动化发展奠定了基础。70 年代末开始，清华大学潘际銮院士对电弧传感焊缝跟踪做了大量的研究。到了80 年代末，潘院士在电弧传感器结构及控制方面进行了新的研究，研制出了一种空心马达式高速旋转的扫描电弧传感器，对一种无道轨的自动小车成功的进行跟踪控制，获得了专利此外哈尔滨工业大学成功研制了单片机控制高精度激光跟踪系统。同时西北工业大学成功研制微处理机控制熔化极脉冲窄间隙焊缝自动跟踪系统等，都获得了较好的自动控制效果。此外计算机图像法控制技术在 80 年代研究成功，如水电部电力建设研究所成功研制 DL-64 固态图像的传感器进行焊缝跟踪的装置。近年来，我国的各大高校、科研机构对焊缝跟踪技术的研究非常活跃，研究人员采用各种传感方法，对不同焊接对象的焊缝跟踪技术进行了研究。总体来说，我国焊接研究人员对各种焊缝跟踪的方法进行研究，并在有些特定的应用中获得了成功。但是，因为各种因素，我国的焊缝跟踪技术大部分还停留在实验室中，在生产中应用的绝大部分还是针对特定焊接对象、工艺和焊接状况的焊缝跟踪系统，真正成为商业化的产品非常少见，而这也正是我国在焊缝跟踪领域与一些发达国家的最大差距。第二章 电动机的选择 一、电动机型号的选择 正是因为步进电动机性能优越、控制精度高等性能，以及结合本课题中选用单片机作为我们设计控制核心的特点；又因为本控制属于开环控制系统，而步进电动机具有适合应用于开环控制系统，所以电动机的类型我们就选择步进电动机。步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或线位移的电磁机械装置，也是一种能把输出机械位移增量和输入数字脉冲对应的驱动器件。步进电机具有快速启动能力，只要电机的负荷没有超过它所提供的动态转矩，就可以通过其输入脉冲来控制它在一瞬间启动和停止，步进电机的步距角和转速只与输入的脉冲频率有关，和气压、环境温度、振动以及冲击无关，也不受电网电压的波动和负载变化的影响，它每转一周都具有固定的参数。步进精确和步距误差也不会长期积累。因此，步进电机在需要精确定位的场所应用十分广泛。依据已知国内焊接小车的大致尺寸，初步选定电动机的型号为55BF003。 1、步进电机的工作原理 步进电机作为一种控制用的特种电机, 旋转是以固定的角度一步一步运行的, 它的特点是没有积累误差(精度为100%), 所以广泛使用于各种开环控制。步进电机的运行一定要有一个电子装置对其进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它把控制系统发出的脉冲信号转变为步进电机的角位移, 也可以说: 控制系统每发出的一个脉冲信号, 通过驱动器就能够使步进电机旋转一步距角。因此步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，只要控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；只要控制步进脉冲的个数，就可以对电机进行精确定位；步进电机是机电控制中一种经常被使用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，简单地说：当步进驱动器接收一个脉冲信号，它就驱动步进电机按照事先设定的方向转动一个固定的角度。通过控制脉冲的个数就可以控制角位移量，从而达到准确得定位；同时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。常见的步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），永磁式步进一般是两相，转矩和体积都比较小的，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般是三相，可实现大转矩输出，步进角一般是1.5度，但是噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代就已经被淘汰了；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它分为两相和五相：两相步进角一般是1.8度而五相步进角一般是0.72度。这种步进电机在市场的应用最为广泛。三相反应式步进电机定子上均匀地有6个磁极分布，相邻两个磁极的夹角为60，线圈绕过相对的两个磁极构成一相（A-A、B-B、以及C-C）。此外各个磁极上还有5个分布均匀的矩形小齿。电机转子上没有绕组，上面有40个矩形小齿分布均匀在圆周上，两个相邻小齿之间的夹角为9。当其中有一相绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成N-S极，从而产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时候定子上的小齿与转子上的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子将转动，使转子齿与定子齿对齐，因此使步进电机向前“走”一步。 2、步进电机的详细参数型号相数步距角电流电压保持转矩空载启动频率运行频率接线圈55BF00331.5/33270.66618001表2-1电机参数型号DDhdELDMS55BF0035532256220570404-M3表2-2电机尺寸初步计算所选步进电动机的转速 取额定频率f=610Hz，额定转矩Md=0.27Nm。当定子控制绕组按着一定的顺序不断地轮流通电时，步进电机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f（通电频率），步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：n=f60/2=1.5610360/2=85.9886 r/min 第三章 焊接小车的结构设计 一、 小车的工作原理1、基本要求及主要问题自动焊接小车机构的基本要求是结构紧凑、自重轻以及可控性强，主要实现焊条的两个运动：（1） 焊接运动，即焊条的移动（X向），速度大小决定了焊缝尺寸。速度过大的话，焊缝断面就小，达不到焊接要求且易出现未焊透等缺陷：速度过慢的话形成大断面焊缝，造成焊料堆积浪费且易出现烧穿等缺陷：因此合理的焊接速度能得到整齐美观的焊缝。 （2）焊条上下运动（Z向），作用是引弧和维持所需电弧的稳定长度，电弧的长短直接影响焊接质量和焊接电流。薄板长直焊缝焊接宜采用短弧，快速直线焊接，焊条不作摆动，以得到小熔池和整齐的焊接表面。 薄板焊接存在的缺点主要是容易烧穿，变形较大和焊缝成形不良等。自动焊接小车需要达到的基本要求是准确控制焊接速度、焊接位置、焊接电流和稳定焊接电弧，能根据实际需要在焊接全过程中实施调节，维持适宜的电弧长度和保持合理的焊接速度可较好地提高焊接质量和焊接效率。2、 工作原理 如图所示，步进电动机的控制指令发出，步进电机1运转，通过蜗杆涡轮运动服（2、3）减速，涡轮2与齿轮14同轴，齿轮14与齿条15构成移动副带动自动焊接小车X向移动，对焊接运动的方向、速度、位置实施控制：步进电机5运转，由于同步齿形带6，丝杆螺母移动副7，带动焊枪8在Z向上移动，对焊条上下运动的方向、位置实施控制、速度。丝杆螺母移动副7传动比愈大，若果焊条Z定位越精确。薄板焊接焊条就可以不作横向摆动的要求，但在小车设计中仍然要考虑。自动焊接小车由两对支撑平台12上沿X向滚动，支撑平台固定在薄板焊接机的床身上。焊接小车示意图如下： 1、步进电机 2、涡轮 3、蜗杆 4、小车箱体 5、步进电机 6、同步齿形带 7、丝杆螺母 8、焊枪 9、焊接薄板 10、支撑滚轮 11、丝杆螺母 12、支撑平台 13、支撑滚轮 14、齿轮 15、齿条2、 涡轮蜗杆减速器的设计计算 1、传动零件的设计计算 （1）、选择涡轮蜗杆的精度，类型，材料 蜗杆材料选用45钢，整体调质，表面淬火，齿面硬度4550HRC.涡轮齿圈材料选用ZCuSn10Pb1，金属模铸造，滚铣后加载跑合，8级精度标准。来保证侧隙c （2）、计算步骤 .按接触疲劳强度设计 设计公式： 、选，查表7.2取=2 =/=2/61.2=48 在3064之间，故符合要求。初估n=0.82 、涡轮转矩 = 、载荷系数K 因载荷平稳，查表7.8取K=1.1 、材料系数=155a 、许用接触应力 查表7.10, 取许用接触应力为220MPa N=60=6061.2=4.406410 、 、初选、的值查表7.1取m=8,d=80、导程角tan r=m/=880=0.2 r=arctan0.2=11.3 、滑动速度=/60=801460/601000COS11.3=6.32m/s 、啮合效率由=6.32m/s查表V=116 =tan r/tan(r+tan11.3/tan(11.3=0.896(11) 、传动效率n 取轴承效率=0.99，搅油效率=0.98 n=n1n2=0.896=0.87 T2=T1in=9.55101460=1410451.553Nm(12) 、检验d1的值 d151155120 原选参数满足齿面接触疲劳强度要求 、 蜗杆尺寸 分度圆直径d1 d1=40mm 齿顶圆直径 =d1+2=(40+24)=48mm 齿根圆直径=d1-2=(40-2)=32mm 导程角 tan r=11.3 右旋 轴向齿距 Px1=m=3.148=25.12 齿轮部分长度 b1m(11+0.0648)=159.2 取b1=160mm 、蜗轮尺寸 分度圆直径 d2=m=724=168 齿顶高 =m=1=6.8 齿根高 =(+)=(1+0.2)4=4.8 齿顶圆直径 =d2+2=168+26.8=181.4 齿根圆直径 d2-2m(=168-9.6=158.8 导程角 tan r=11.3 右旋 轴向齿距 Px2=Px1=m=3.147=21.98 蜗轮齿宽b2 b2=0.75=30 齿宽角 sin=b2/d1=30/40=0.75 蜗轮咽喉母圆半径 rg2=(a-)/2=15 蜗轮各参数如下表法向模数齿数压力角螺旋角齿宽齿顶高系数齿底隙系数变位系数分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径72420163010.250168181.4158.8蜗杆各参数如下表分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径导程角轴向齿距螺旋长度40483211.325.12160 、热平衡计算 （1）估算散热面积A A=0.33=0.33=1.439 (2) 验算油的工作温度ti 室温:通常取20 散热系数Ks=17.5W/( t=1000(1-n)P1/A+=73.3280 油温未超过界限 （3）润滑方式 根据 m/s，查表7.14，采用侵油润滑，油的运动粘度为220 、蜗轮轴的设计（1）选择轴的材料选取45钢，调质，硬度HBS=230，强度极限为600Pa,由表查得其许用弯曲应力为55 Pa，查机械设计基础表10-1、10-2（2）最小直径估算 dmin cC查机械设计表11.3得 c=120 dmin120=30根据机械设计表11.5，选dmin=30d1=dmin+2a=30+22=34 a=(0.070.1)dmind2=d1+(15)=30+4=34d3=d2+2a+34+2=39 a=(0.07o.1)d2d4=d1-2h=34-23.5=27h查机械设计表 11.4取3.5（3）结构设计(a)轴上零件的定位、固定和装配 单级减速器中，可以将齿轮安排在箱体中央，相对两轴承对称分布，齿轮左面由肩轴定位，而其右面用套筒轴固定，周向固定靠平键和过渡配合，两轴承分别以肩轴和套筒定位，但是周向则采用过渡配合或过渡配合来固定，联轴器以轴肩向定位，右面用轴端向固定。 键联接作轴向固定，其轴做成阶梯形，左轴承做从左面装入，将齿轮、套筒、右轴承和联轴器一次右面装到轴上。（b）确定轴各段直径和长度段d1=15mm L1=20mm段直径d2=20mm a(0.070.1)dmin=4.5 亦符合毡圈密封标准轴径段考虑选用30214圆锥滚子轴承，其内径为30mm，宽度为24mm,故段直径d3=30mm.考虑到小车的左右对称性，,段的长度和直径分别与，段的长度和直径对应，分别为d4=20mm,L4=40mm;D5=15mm,L5=15mm(c) 按弯扭合成应力校核轴的强度 绘出轴的计算简图 a图 绘制垂直面的弯矩图 b=2/d1=21621.63/15=216.21 =2/d2=23051.57/20=305.1=tan=158.957.8轴承支反力=(/2-L/2)/L=(40.5/2-57.80.094/2)/0.094=7.35N=+=57.8+7.35=65.15N 计算弯矩 M=L/2=65.150.094/2=3.06Nm M=L/2=7.350.094/2=0.345Nm 、蜗杆轴的设计 （1）轴的材料选择 选取45钢，调质处理，硬度HBS=230，强度极限为650MPa，屈服极限为360MPa，弯曲疲劳极限为300 MPa，剪切疲劳极限为15 MPa ，对称循环变应力时的许用应力为60 MPa。 （2）初步估算轴的最小直径 最小直径的估算 dminc3=1203=23 (3)轴的结构设计 按轴的结构和强度要求选取轴承处的轴径d=30mm,初选轴承型号为30210圆锥滚子轴承（GB/T29794）,采用蜗杆轴结构，其中，齿根圆直径d=60.8mm,分度圆直径=80mm,齿顶圆直径d=96mm,长度尺寸根据中间轴的结构进行具体的设计，校核的方法与涡轮轴的校核类似，经过具体的设计与校核，得该蜗杆轴的结构式符合要求的，是安全的。 三、 传动齿轮的设计计算 1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数(1) 按焊接小车运转的实际需要，选用斜齿圆柱齿轮传动(2) 焊接小车为一般工作机，速度不高，故选用7级精度（GB1009588）(3) 材料选择。由机械设计表10-1选择齿轮材料为40Cr(调质)，硬度为280HBS,(4) 两传动齿轮的齿数都选定为20(5) 选取螺旋角为=16 2、按齿面接触强度设计按式试算，即（1） 确定公式内的各计算数值试选由机械设计图10-30选取区域系数由图10-26查得许用接触应力 （2） 计算试算齿轮分度圆直径，由计算公式计算式圆周速度计算齿宽b模数。 计算纵向重合度计算载荷系数K已知使用系数=1，根据速度，精度等级，由机械设计图10-8查得动载系数=1.11，由表10-4查得=1.42 由图10-3查得=1.4.故动载系数K=11.111.42=2.21 按实际的载荷系数校正所算的分度圆直径，由式（10-10a）得 计算模数 3、按齿根弯曲强度设计 由式（10-17） (1)确定计算参数计算载荷系数 根据纵向重合度=1.903，由图10-28查得螺旋角影响系数=0.88计算当量齿数 查取应力校正系数由表10-5查得=1.596查取齿形系由表10-5查得=2.592 计算齿轮的 = 设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于按齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取=6，已可满足弯曲强度。但为力同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算的分度圆直径=136.5mm来计算应有的齿数。于是 由 取Z=10，由= 4、几何尺寸的计算 （1）计算中心距 将中心距圆整为125mm (2)按圆整后的中心距修正螺旋角 因值没改变，故参数等不必修正 (3)计算分度圆直径 （4）计算齿轮宽度圆整后去B=60mm (5)结构设计 因齿轮齿顶圆直径小于500mm，故选用腹板式结构为宜。其他有关尺寸及斜齿轮的零件图见图纸。 四、 小车车厢及其他零件的设计 1、小车车厢铸造箱体的主要结构尺寸（1） 车厢长为413.7mm,宽为150 mm，高150 mm（2） 涡轮蜗杆减速箱箱体壁厚：取=12.28，其中a=232（3） 车厢底座的凸缘厚度：（4） 联轴器的选择与计算 高速轴输入端的联轴器计算转矩=,查表,=1.5，查表选用弹性套柱校型联轴器，材料为35钢，许用转矩，许用转速标记 TL8联轴器42114 (GB1096-79)选键 ，装联轴器处的轴径为30mm,选用键12 70GB109679 对键的强度进行校核，键同样采用45钢。键的工作长度 ，按公式的挤压应力 合格。所以高速级选用的联轴器为TL8联轴器42114 GB432384，所用的联结键为1270 GB109779 低速轴输出端的联轴器 根据低速轴的结构尺寸以及转矩，选用联轴器TL11联轴器63114 GB432384，所用的联轴键为1890 GB109679，经过校核计算，选用的键是符合联结的强度要求的，具体的计算过程与上面相同。（5） 小车车轮几何尺寸的设计根据焊接小车在实际场合的应用以及结合小车车厢的几何尺寸，确定小车后轮的直径大小为D1=130mm,前轮的直径大小为D2= 110mm.(6) 蜗轮蜗杆减速器的润滑 减速器中涡轮和轴承都需要良好的润滑，起主要目的是减少摩擦磨损和提高传动效率，并起冷却和散热的作用，另外，润滑油还可以钢制零件锈蚀和降低减速器的噪声和振动等。 本设计选取润滑油温度t=40C时的蜗轮蜗杆油，涡轮采用浸没润滑，浸油深度约为1个螺牙高，但油面不应高于蜗杆轴承最低一个滚动体中心。 第四章 单片机控制系统按照安装位置和控制功能，可以讲设计分为五部分：传感器线路，CRT显示及控制线路，步进电机驱动电路，光线控制线路和电源。传感器线路和光线系统一起构成本系统的传感器，其他部分在控制台内。整个系统采用两个单片机进行控制，及在传感器线路和CRT显示及控制线路中各装备一套8031系统。他们各自独立工作，通过串行口进行数据通讯和协调动作，由于在协调动作时，以传感器线路中的8031为主，所以称之为主机，所以另一片8031为从机。省去从机并不影响主机的动作，只是当主机查询到从机不存在时，自己输出步进电机控制信号。1.硬件系统配置装置 传 感 器 线 路光 源 传感器 CRT显示及控制线路（可选项）光源控制线路步进电机1步进电机驱动电路步进电机2电 源 控制台 硬件系统配置装置示意图 2. 传感器线路传感器线路是硬件中的关键部分，它的好坏，直接影响着跟踪的总体质量。它的主要作用是用来完成信息的采集、处理、显示(LED显示)、系统监控和操作输入等工作。当未选用CRT显示及控制部分时，它还会自动输出步进电机控制信号。图5.2是这部分线路的示意框图，它主要由下述的四部分电路组成:主机8031小系统、CCD及其驱动电路、信号预处理电路和外设接口及外设电路。 P1-7 8031系统P3-0P3-1P3-2P3-4 光源控制信号输出 信 号 预 处 理 电 路 C D D 及 驱 动 电 路 控制线 I /O 接口 及 处 理 电 路 DB 通讯线 控制线 （当不采用从机时，此为步进电机信号输出口） 传感器线路框图 2.1主机8031小系统 这部分是整个跟踪系统的指挥中心，而且还承担着信息的采集处理等工作。我们选用了80C31单片机芯片，配以16KEPROM、2K外部RAM，组成了一个8031小系统。 3.CDD及其驱动电路 电荷祸合器件(eharge一eoupleddeviees)简称CCD，是1970年在MOS工艺基础上发展起来的新型半导体器件，它与以前在热平衡状态下工作的双极和单极的半导体器件相反，是一种在非平衡状态下依靠势井转移电荷信息的，具有独特工作机构的器件，主要有三个方面的用途:摄像、信息处理、信息存储。下面就简要介绍一下它作为摄像器件时的工作原理。简单说来，CCD是一种金属一氧化物一半导体(MOS)结构，是由为数众多的MOS电容器按序排列成规则阵列。当透镜将来自景物的光聚焦到CCD的光敏面上时，在CCD内部就产生了一幅由电荷包组成的图案，电荷包的大小与景物的光照强度成正比。此时，若在CCD电极上施加适当的时钟电压，那么就会在半导体和绝缘层的界面上造成“深井”一“势井”。此时，光生信号电荷包就滚入“势井”中存储起来。若在相邻电极上施加适当的时钟电压，在该电极下又会出现不同深度的“势井”，于是光生电荷包就会从原来的势井中转移到这个势井中。依次类推，电荷包就从CCD阵列的一端依次转移到另一端。如在CCD输出端加上显示装置，这种经CCD转移的电荷包就被放大显示在显示器上，从而得到一副与原来景物相同的画面，于是完成了摄像过程。因此，CCD图像传感器实质上是一种能进行光电转换，并将转换后的信号电荷作短暂存储后再转移的