3477_发动机活塞自动安装系统设计

1、全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） qq2947387549 海量机械模具数控方向毕业设计 课程设计 承接定制 qq2947387549 发动机活塞自动安装系统设计 摘 要 随着社会的发展，自动安装技术已经成为工业生产不可缺少的一部分，它体现 了一个国家的工业技术发展水平，它有效的完成人工操作所不能完成的任务，解决 人工操作的一些缺点，提高成产效率，降低错误率。在本次设计过程中, 传动机构 采用了滚珠丝杠来完成横向、竖向的运动。夹具部分采用了缓冲较小，易于控制的 液压缸控制。导向机构采用直线滚动导轨来完成。控制部分则是采用了应用广泛的 步进

2、电动机。 导向装置作用是支撑和导向，为机械系统中各运动装置能到安全、准确的完成 其特定方向的运动提供保障。直线滚动导轨的导向面之间放置滚珠，实现两导轨无 滑动地相对运动。这种导轨摩损小，寿命大，定位精度高，灵敏度好，运行平稳可 靠，但对几何精度要求较高，抗振性差，防护要求较高。 本次设计完成了横向和纵向两自由度的活塞自动安装。 关键词 自动安装、传动、导向 abstract automatic installation technology reflects the level of development of a countrys industrial technology, it eff

3、ectively solves the drawbacks of manual and improving the efficiency and reducing the error rate. in this design process, widely used for controlling a stepping motor. buffer clamp part is small and easily to control the hydraulic control cylinder. control program using microcontroller assembly lang

4、uage. ball screw 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） mechanical transmission is completed horizontal, vertical movement. mechanical guide mechanism uses linear motion guide to complete. guiding role is to support and guide device for mechanical systems can each movement means to secure comp

5、lete, accurate motion of its specific direction to provide protection. place the ball between the linear guide rail rolling surface, to achieve two sliding rails without relative motion. this rail wear, high life large, positioning accuracy, sensitivity, smooth and reliable operation, but higher geo

6、metric precision, vibration and poor, high protection requirements. the design is completed the horizontal and vertical piston automatically install two degrees of freedom. keywords: automatic installation, transmission, guiding 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 目 录 1 前言.1 1.1 课题研究的目的与意义.

7、1 1.2 设计任务.1 2 总体设计方案和电机的选择.2 2.1 总体设计.2 2.2 步进电动机的选择计算.2 3 传动系统设计.9 3.1 传动系统概述.9 3.2 齿轮传动设计.9 3.3 齿轮回差及其控制.16 3.4 滚珠丝杠螺旋传动设计.16 3.5 导轨部分的设计.27 4 固定装置的计算.28 4.1 固定心轴的计算.28 4.2 气缸的计算.29 5 制动装置.30 5.1 制动装置应满足的要求.30 5.2 磁粉制动器.30 6 控制系统设计.31 6.1 控制系统的组成及分类.31 6.2 控制系统的主要功能.32 6.3 控制系统的硬件设计.33 6.4 控制系统软件

8、设计.40 总 结.51 参考文献.52 致 谢.53 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 1 1 前言 本次设计研究的发动机活塞自动安装系统由传动系统、固定装置、制动系统、控制系统、 伺服驱动系统和检测传感装置构成，它是一种能在二维空间内完成各种作业的机电一体化自动 化生产设备。相对于人工操作，它对提高生产效率，稳定提高产品质量，改善劳动条件和产品 的快速更新换代起着十分重要的作用。随着社会的发展，自动安装机的应用情况，已经成经成 为一个国家工业自动化水平的重要标志。发动机活塞自动安装系统并不仅仅是简单意义上能够 代替人工劳动的机械，而是

9、具有机器特长的一种电子机械装置，他能够对环境状态做出快速反 应和分析判断能力，可以长时间持续工作，而且精确度高，能够具有对抗恶劣环境的能力，从 某种意义上来说，自动安装系统是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造 技术领域不可缺少的自动化设备 目前国内大多数还采用人工安装，这样存在很多的缺陷，因此我们结合现有的机电一体化 技术，设计了一套用单片机以及液压系统控制的发动机活塞自动安装机。我们所设计的发动机 活塞自动安装系统，其动力装置采用易于控制的步进电机，控制方式采用闭环控制，传感器采 用精度较高、较为普遍的光栅尺为闭环控制的反馈元件。压入元件采用缓冲较小、易于控制的 液压缸直接

10、控制。控制程序采用工业上常用的控制语言汇编语言编写；机械执行机构采用 滚珠丝杠副结构完成机床的横、竖向运动。机械导向机构采用滚珠导轨与滑动导轨相结合的方 式，完成横向、竖向导向。 1.1 课题研究的目的与意义 目前，在国内发动机活塞自动安装中，大都数都是以手工操作安装完成的，工人手工操作 安装发动机活塞不仅速度过慢，而且由于重复作业，易于疲劳，效率低下且不宜于流水线作业。 本次设计为了解决了这些问题，利用机械夹持器抓取流水线上的活塞，然后进行上下移动、左 右移动及对工件进行压紧、下压等操作。降低了人力物力的消耗，解决了人类的手工操作的一 些缺点。 可编程序控制器已经在许多行业得到了迅速的普及和

11、推广应用。而它与气动和液动技术相 结合形成的各种机械装置是实现工业自动化的重要设施。 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 2 1.2 设计任务 毕业设计的主要内容： 发动机活塞自动安装系统设计首先需要选择电机：根据需要选择步进电机作为主要的动力 机构的伺服系统的类型；传动系统的设计：这部分主要是对齿轮传动，滚珠丝杠和导轨的设计 选择和强度校核；在硬件设计部分控制：在控制部分设计为主要控制芯片，内存和扩展 i/o 接口 以及相应的设计和选型；系统控制软件的设计：这部分主要是根据安装需要利用单片机进行主 程序和程序设计流程图。 毕业设计的主要要

12、求: （1）容易控制步进电机的电源装置。 （2）对于高精度闭环控制和传感器的控制方法，反馈元件的光栅尺是更常见的闭环系统。 （3）消除螺旋运动过程的差距问题。 （4）控制程序采用常用的控制语言汇编语言编写的，由步进电机的运行。 设计任务主要已知条件： 步进电动机脉冲当量。滚珠丝杠平均工作载荷，滚珠丝杠工pmm p /005 . 0 nfm500 作长度，平均转速，最大转速，使用寿命ml9 . 0min/1800rnmmin/3000 max rn ，传动精度。导轨滑座上的载荷，滑座个数，hlh15000mm03 . 0 nfw20004m 单个行程长度，每分钟往返次数 4，每天开机 8 小时，

13、两班制，每年工作 250 天，寿mls9 . 0 命为 10 年以上。 2 总体设计方案和电机的选择 2.1 总体设计 光发动机活塞自动安装系统由机械系统和控制系统两部分组成。机械系统包括：齿轮传动 机构，滚珠丝杠。控制系统用来完成采集，反馈和控制的监测数据。主要包括：主控制器，存 储器，步进电机控制软件和程序清单。 栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位 移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的 检测。 步进电机伺服系统的使用，用 8051 单片机为主芯片，闭环控制系统。处理输出指令脉冲信 全套设计联系 qq2

14、947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 3 号驱动步进电机控制系统。步进电机带动螺旋运动，以便在活塞移动到安装位置的机械夹。图 为闭环控制系统框图。控制系统程序处理后输出命令脉冲信号驱动步进电机。步进电机运动带 动丝杠运动，使机械夹持器夹持活塞移动到安装位置。如图 1 所示 升 降 台 滚 珠 丝 杠 光 栅 2 1 脉 冲 计数器 步 进 电 机 图 1 竖直传动图 这种系统操作方便，易于控制，精度较高，但是速度受到限制。本次设计的发动机活塞自 动安装系统按此系统设计也能满足要求。 2.2 步进电动机的选择计算 每输入一个脉冲指令，步进电机就旋转一定角度，它的旋

15、转速度由指令脉冲频率控制，转 角大小由脉冲个数决定。每接受一个电脉冲，在驱动电源的作用下，步进电动机转子就转过一 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 4 个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别于输入的控制电脉冲及其频率成正比，并在时 间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需 的转角、转速及转向。 2.2.1 脉冲当量的选择计算 初选三相步进电机的步距角为，当三相六拍（12 相励磁）运动时，步距角5 . 1/75 . 0 ，其每转脉冲数 s=75 . 0 r p 480 75 . 0 360360

16、 根据脉冲当量的定义选 pmm p /005 . 0 由此得中间齿轮传动比 i 为 s p i p = 480005 . 0 6 =2.5 p 为滚珠丝杠导程 选小齿轮齿数 z1 为 20，则大齿轮齿数为 z2 为 50 2.2.2 等效负载转矩计算 活塞连杆总成及滑块总重 f=2000n 负载转距： 2 2i fp t s l 式中： tl电动机负载转距 导轨摩擦系数，取=0.06 齿轮与丝杠总效率， s 8 . 0 s 则 5 . 28 . 02 6 . 0200006 . 0 l t 5.73 cmn. 2.2.3 等效转动惯量计算 （1） 滚珠丝杠的转动惯量 sp j 全套设计联系 q

17、q2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 5 32 4 0 ld jsp = 32 1085 . 7 905 . 2 34 =2.7 2 .cmkg 其中，预设 d0=2.5cm，l 为导轨长度， 33 cm/kg1085 . 7 为钢的密度， （2） 拖板运动惯量换算到电机轴上的转动惯量 w j 2 2 1 2i p g f jw 2 2 5 . 2 1 2 6 . 0 8 . 9 2000 =1.87 （3） 大齿轮转动惯量 2g j 32 2 4 2 2 bd jg 32 1085 . 7 0 . 2 4 . 10 34 =18 2 .cmkg 式中的 b

18、2=20mm 为大齿轮齿宽。 （4）小齿轮转动惯量 1g j 32 1 4 1 1 bd jg 32 1085 . 7 5 . 22 . 4 34 =0.6 2 .cmkg 式中的 b1=25mm 为小齿轮齿宽。 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 6 因此换算到电机轴上的总惯性负载惯量为： l j 2 2 1 i jj jjj spg wgl 2 5 . 2 7 . 218 87 . 1 6 . 0 =5.78 2 .cmkg 2.2.4 步进电动机型号选择 已知：tl=5.73 ncm ，jl=5.78 初选步进电机型号为 110bf0

19、03，反应式步进电 2 .cmkg 动机。它的三条性能曲线见下图，其最大静转距为 tmax=8nm ， 转子惯量 jm= 由此可得，根据转距与惯量匹配条件，为了使步进电机具有良好的启动能 24 .107 . 4mn 1 力及较快的响应速度，通常推荐：及5 . 0 max t tl 4 m l j j 5 . 000716 . 0 800 73 . 5 max t tl 423 . 1 107 . 4 1078 . 5 4 4 m l j j 该型号的电动机规定最小的加、减速时间为 1s，现试算之。 如图 2 所示： j(ncms2) f(hz)90010001200 j(ncms2) 71.1

20、4.742.37 a) 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 7 f(hz) f(hz)100 200300400550900110013001500 t(ncm) 380380350350350350250160100 b) f(hz) f(hz) 2000 40005000 6000 t(ncm) 250 140 120 90 c) 图 2 110bf003 型步进电机的性能曲线 a）起动惯频特性 b)起动矩频特性 c）运行矩频特性 由上图的起动惯频特性曲线，查不确切的、带惯性负载的最大启动频率 fl，可用下式计算： m l m l j

21、j f f 1 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 8 = 7 . 4 53 . 5 1 1000 =677.5hz 式中： fm电动机本身的启动频率（hz） 空载时的起动时间，由下式计算： t fm mlm tt njj t 1047 . 0 查电动机的起动矩频特性可知，当 fc=737.5hz 时，tm=350ncm，对应的转速： =1/60.756770=850r/min lm fn 6 1 由此可得： 1146 . 0 5 . 3 8501053 . 5 107 . 4 1047 . 0 44 t =0.26ss 说明丝杠是安全的，

22、不会失稳。 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 20 （2） 丝杠在高速工作的时候可能会发生共振，所以需要验算其不会发生共振的最高转 速 9910n cr 6 2 1 2 )(ul dfc 其中：临界转速系数 c f 根据已知条件，取3.927n，2/3 c fu 则：9910n cr min/9339 )9 . 0 3 2 ( 022 . 0 927 . 3 2 2 r n3000r/min。n cr max 所以丝杠不会发生共振。 （3） 此外，滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求 nd0 50000mmr/minnd0 251800450

23、00mmr/min 50000mmr/minnd0 所以该丝杠副工作稳定。 3.4.5 刚度验算 滚珠丝杠在工作负载 f（n）和转距 t（nm）共同作用下引起每个导程变形量l0（m）为 l0 6 2 2 c gj tp ea pf 式中 ： a丝杠截面积， 2 1 4 1 da 丝杠的极惯性矩， c j 32 4 1 d jc g丝杠切变模量（对于钢；g8.33gpa） t转矩（），t=tg d fm 2 0 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；fm 为平均工作负载。本设计取摩擦系数 tg=0.004 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 21

24、 则=1345那么 t= 451339310 2 25 500 3 tg =0.424nm 按最不利的情况取 l0 c gj tp ea pf 2 2 4 1 2 2 1 2 164 gd tp de pf 4 39 2 3 2 39 3 102210 3 . 832 5 . 010616 102210206 5001064 = 96 10210038 . 0 =m 2 104 则丝杠工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 l= p l l 0 m 3 2 106 104 9 . 0 =m6 通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的 1/2 即 mmml1503 . 0 2 1 2 1 umu

25、m156 该丝杠的l 满足上式，所以其刚度可满足要求。 3.4.6 效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为 tg tg 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 22 4513393 393 tg tg =0.94=94% 要求在 90%95%之间，所以该丝杠符合要求。 综上所述，cmd25062.5 各项性能均符合设计要求，可选用。 3.4.7 系统刚度计算 丝杠最小拉压长度，最大拉压长度，丝杠支撑向刚度mml65 min mml400 max k=1.96，丝杠螺母间的接触刚度 k= 1.02。系统脉冲当量 b mn /108 n mn /109

26、=0.005mm，空载启动时间 =45ms，最大进给速度 vmax=2m/min，定位精度 p t 0.01mm。 求丝杠最大，最小拉压刚度为： k= maxl min 2 4l ed = 065 . 0 4 1006 . 2 025 . 0 112 =15.6n/m 8 10 k= minl max 2 4l ed = 4 . 04 1006 . 2 025 . 0 112 =2.5n/m 8 10 假设丝杠轴向支撑经过预紧并忽略轴承座和螺母座刚度的影响，求丝杠螺母机构的 综合拉压刚度 nlb kkkk 11 2 11 minmin0 = 988 1002 . 1 1 105 . 2 1 1

27、096 . 1 2 1 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 23 =0.75n/m 8 10 所以 k=1.3 min0 8 10 nlb kkkk 11 2 11 maxmax0 = 988 1002 . 1 1 1056 . 1 1 1096 . 1 2 1 =4.2 9 10 所以 k=2.4n/m max0 8 10 固有频率计算 丝杠质量为：m =1/4 sp ld 2 =1/4 32 108 . 73 . 1025 . 0 =5 kg 丝杠工作台共振系统的最低固有频率为 s nc mm k 3/1 min0 = 16 . 7 3

28、/160 103 . 1 8 =1444r/s 折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为： j=j sd 2 i =8.65725 . 6 10 4 =5.41kg.m 3 10 2 如果忽略电机轴及减速器的扭转变形，则系统的最低扭转振动固有频率为： sd t nt j k min 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 24 = 3 4 1041 . 5 106 . 1 =1720rad/s 都很高,说明系统动态特性好. ntnc 和 死区误差计算 设齿轮传动和丝杠螺母机构分别采取了消隙和预紧措施，求由摩擦力引起的最大反向死区 误差为： 3 8

29、min0 max 10 106 . 1 2 . 0106022 k mgu =1.5mm 3 10 max mm p 005 . 0 说明该系统能满足单脉冲进给的要求。 由系统刚度变化引起的定位误差计算 =f maxku 3 max0min0 10) 11 ( kk =60） )88 105 . 2 1 106 . 1 1 (2 . 010 =0.0027mm 由于定位精度为，即系统允许的定位误差为=0.02mm， =0.0035mm。故系01. 0 maxk 统刚度满足 定位精度要求。 3.4.8 轴承的选择 选择轴承时，要根据不同负荷，选择不同型号轴承。纵向传动时，轴向负荷为主，选择推 力

30、球轴承、推力角接触球轴承，横向传动时，径向负荷为主，选择深沟球轴承、向心角接触球 轴承。 轴向负荷为主： 轴承型号d(mm)d(mm)ca(kn)coa(kn) 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 25 51101122611.019.8 51102152810.516.8 转速 1200r/min，极限转速 4 800r/min，工作寿命 1000025000h，轴承受名义轴向负荷 nfx1100 滚动轴承寿命计算 7 6 )( 60 10 p r h p c n l 额定动载荷，n 轴承转速，p 寿命指数（球轴承 p=3）， 额定动载荷

31、 h l r c 化简 p h p c n l)( 3 1 33500 寿命系数 转速系数 p h h l f 500 p n n f 3 1 33 查表得 71 . 2 h f3 . 0 n f 推力球轴承 p=fa ，fa 为实际轴向负荷 ，（动负荷系数，取 1.0） xda fff2 . 10 . 1 d f pnfa110011000 . 1 ncn f f pc a n h 105009940 3 . 0 71 . 2 1100 校核 hh p c n l p h 1000010250) 1100 9940 ( 1200 3 1 33500 )( 3 1 33500 3 所以该轴承可

32、用 径向负荷为主： 轴承名称轴承型号d（mm）d（mm）cr（kn）cor（kn） 深沟球轴承6180112242613.8 深沟球轴承61902152830.817.2 角接触球轴承7003c214020.812.2 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 26 校核深沟球轴承 61801 型号，已知 nfnf ar 800,1100 058 . 0 13800 800 or a c f 44 . 0 727 . 0 1100 800 e f f r a 查表得 x=0.56 y=1.6 nyfxfp arr 18968006 . 11100

33、56 . 0 hh p c n l r h 1000035815) 1896 26000 ( 120060 10 )( 60 10 3 66 该型号轴承符合要求 校核深沟球轴承 61902 型号，已知 nfnf ar 500,1000 029 . 0 17200 500 or a c f 37 . 0 5 . 0 1000 500 e f f r a 查表得 x=0.56 y=2 nyfxfp arr 15605002100056 . 0 hh p c n l r h 1000018616) 1560 17200 ( 120060 10 )( 60 10 3 66 该型号轴承符合要求 校核角接

34、触球轴承 7003c 型号，已知 nfnf ar 800,1100 09. 0 12200 1100 or r c f 43 . 0 727 . 0 1100 800 e f f r a 查表得 e=0.43 x=0.44 y=1.3 nyfxfp arr 15248003 . 1110044 . 0 hh p c n l r h 1000014250) 1524 12200 ( 120060 10 )( 60 10 3 66 该型号轴承符合要求 3.4.9 滚珠丝杠的防护措施 （1） 滚珠丝杠副的防护装置 滚珠丝杠副的防护装置有可拉长缩短的螺旋弹簧刚套管、波纹管以及其它密封罩。本设计 采用宁

35、波市机电工业研究设计院开发的螺旋钢带式保护套，其型号为 lgb30600 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 27 v。 （2） 滚珠螺母的密封 滚珠螺母两端的密封圈材料为聚四乙烯或尼龙，这种接触式密封要防止松动而产生附加阻 力。 （3）滚珠丝杠副的润滑 一般滚珠丝杠副的润滑剂一般用锂基润滑脂。高速或温升要求严格时用轮机油，采用循环 润滑或其它润滑方式。 3.5 导轨部分的设计 3.5.1 导轨的作用 机床导轨起导向及支承作用，即保证运动部件在外力的作用下（运动部件本身的重量、工 件重量、切削力及牵引力等）能准确地沿着一定方向的运动。 3.

36、5.2 导轨的分类及其特点 导轨按其之间的摩擦情况分为滑动导轨、滚动导轨。 （1）滑动导轨具有结构简单、制造方便、抗振性高等优点，但磨损性能差，影响定位精度。 采用特殊的材料可满足导轨低摩擦、耐磨、无爬行的要求。 （2） 滚动导轨磨损小，动摩擦与静摩擦系数相差甚微，因而运动平稳，但结构复杂，集 合精度要求高。抗振性能差。为防护要求高，制造困难，成本高。在高精度的机电一体化产品 中得到广泛的应用。 由以上分析，选用滚动导轨。 3.5.3 导轨的选择计算 已知：作用在滑座上的载荷 fw=2000n，滑座个数 m=4。单个行程长度 ls=0.9m，每分钟往 复次数 4，每天开机 8 小时，两班制，每

37、年工作 250 天，寿命为 10 年以上，f= fw /m=500n。 则导轨的额定工作时间寿命 th 为： th= 2825010=40000h km lnl l hzs 17280 10 400006049 . 02 10 602 33 l 额定寿命（km）， 行程长度， 每分钟往复次数 s l z n k p c f ffff l a w acth )( 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 28 4 k l ffff pf c acth w a ca 额定动载荷（kn），p 实际工作负荷，滚柱导轨 ，k 额定寿命单位 3 10 k=1

38、00（km） ，均由查表所得。1 h f1 t f81 . 0 c f1 a f5 . 1 w f 滚动导轨水平安装承受惯性力，匀速期间 n mg pp500 4 41 knknca9 . 0876 . 6 100 17280 1 . 081 . 0 0 . 10 . 1 5005 . 1 3 10 查表选用 hjgk3052 滚动直线导轨，其参数为： ，能满足使用要求。knca 2 . 15kncoa 6 . 17 3.5.4 导轨的维护 导轨的维护对机械寿命有很大影响，除了以采用各种润滑密封外，导轨防护罩的使用也日 益广泛。 4 固定装置的计算 4.1 固定心轴的计算 横向传动装置和夹持器

39、只固定在滚珠丝杠上，长时间运行会使滚珠丝杠变弯，使机器损坏。 所以增加两个固定心轴，分担重力，减小弯矩从而起固定和支撑作用。设计的固定心轴只承受 弯矩，初步设定轴直径 d=14mm，材料为 20crmnti，渗碳淬火回火，硬度 5662hrc，最大应 力=280mpa 轴强度计算 按弯矩合成力矩计算，计算时，通常把轴当作置于铰链支座上的梁。 max max w m mnfam.27555 . 0 500 max 6 63 1037 . 1 32 1014 32 d w mpampa w m 280200 1037 . 1 275 6 max max 全套设计联系 qq2947387549（任务

40、书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 29 心轴的轴向固定选择轴肩固定，轴向固定选择平键连接，尺寸参数为 b=3mm，h=3mm，l=6mm 4.2 气缸的计算 由于横向传动装置重力较大，没有支撑部件，所以设计一个气缸支撑横向传动装置，提高 滚珠丝杠传动精度，延长其寿命。初步选择单作用气缸柱塞式气缸，可用作长行程，高载 荷的场合。 （1）柱塞杆输出推力必须克服活塞杆工作时的总阻力，已知总阻力为 500n，初步选择活塞直 径 d=56mm，气缸重力=30n，查表得气缸工作压力 p=0.4mpa t f 输出推力 t fpdf 2 1 4 30104 . 0056 . 0 4 62 nn5

41、00955 所以该活塞直径可以选用。 （2）气缸承受轴向压力以后，会产生轴向弯曲，当纵向力达到极限力以后，活塞杆会产生永 i f 久性弯曲变形，出现不稳定现象。该极限力与活塞杆直径和缸的安装方式、及形成有关。 当长细比时，n i l 85 2 2 l ein fi 已知 l=1350mm，采用两端固定方式，n=1，材料弹性模量14 4 56 4 d i 64 2 d i mpae 11 101 . 2 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 30 ，858596 14 1350 n i l nn d l ein fi500550 35 . 1

42、64 101 . 21 2 4 112 2 2 所以该活塞杆满足要求。 （3）缸筒壁厚的计算 公式为， 2 t dp d 为气缸筒直径，d=60mm，为气缸筒实验压力， t p mpampappt6 . 04 . 05 . 15 . 1 为缸筒材料许用应力，选择材料为 zl 铝合金管=3mpa mm dpt 6 32 6 . 006 . 0 2 根据以上条件，选择的气缸型号为 qgbm 60-1350-mf2，气缸内径，行程10032 2000，输出力3100，可调缓冲。法兰式固定，密封形式采用 o 型橡胶密封圈，为标准件。 安装气缸时，需要在气缸外部加伸缩薄壁套筒，保护和支撑气缸柱塞。壁厚为

43、 3mm，高度 1353mm，直径 70mm。 5 制动装置 5.1 制动装置应满足的要求 由于滚珠丝杠副的传动效率高，无自锁能力，故需要安装制动装置，以满足其传动要求， 特别处于垂直传动时。 （1）能够产生足够的制动力矩； （2）松闸和合闸迅速准确、制动平稳； （3）制动零件有足够的强度和刚度，制动摩擦材料有较高的耐磨性和耐热性； （4）构造简单、紧凑、调整和维护方便。 5.2 磁粉制动器 磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的。他具有传递转矩成基本线性关系的特 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 31 点，具有响应速度快、结构简单

44、、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点，是一种多用 途、性能优越的自动控制元件。 磁粉制动器的优点： （1）高精度转矩控制 转矩的控制范围非常大，而且精度高，传达转矩和激磁电流成为正确的 比例，可实现高精度的控制 （2）耐久性良好、寿命长、采用耐热、耐磨、耐氧化 、耐蚀性超高的超合金磁粉 （3）连续滑动运转使用 散热效果好，加上磁粉的高耐热性，能够圆滑的滑动运转，不会引起 震动。 （4）连结光滑，无冲击力 连结时的冲击非常小，能够无冲击的圆滑启动、停止。而且阻力转 矩也很小，不会引起多余的发热量。 （5）适合高速运转 反应快速，适合高频度运转使用。 磁粉制动器的特点： （1）可以进行大范围

45、的控制，并达到连续高速运转 （2）具有稳定的扭矩，无噪音，工作面的滞滑现象会产生于摩擦方式，但是磁粉制动器不会出 现，所以运转声音安静 （3）热容量很大。 （4）采用铝合金构造，具有良好的散热性能，退磁性高，响应速度，磁粉纯度高，寿命长 选用单轴磁粉制动器：型号为 tg-pod，扭矩规格 15nm 磁粉制动器注意事项：注意湿潮气。如果磁粉受潮，性能会不稳定，不要让油或水分侵入 制动器。特别是安装于齿轮箱时，油分会透过轴部侵入内部，所以要用薄膜完全封住。注意表 面温度。连续运转所造成的表面最高温度 90 度以下，如果超过该数值，会大大降低耐久性。所 以要以 90 度界限温度为标准，使用时必须在所

46、容许的滑动工作率之内。 6 控制系统设计 6.1 控制系统的组成及分类 控制系统是由控制装置、执行机构、被控对象及传感及检测装置所构成的整体。其基本 构成如图 4 所示： 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 32 被控 参数 测 装 置 被控对象执行机构控制器 控制装置 给定值 图 4 控制装置 本次设计的系统具有开发能力。借助于单片机开发系统对其进行硬件设计和软件调试，使 控制系统成型。常见控制系统种类及相应的分类如下： （1） 按控制器所依据的判定准则中是否有被控对象状态的函数，可将控制系统分为顺序 控制系统和反馈控制系统。 （2） 按

47、系统输出的变化规律可将控制系统分为镇定控制系统，程序控制系统和随动系统 （3） 按系统中所处理信号的形式可将控制系统分为连续控制系统和离散控制系统 6.2 控制系统的主要功能 6.2.1 步进电动机输出可控制功能 利用单片机的 i/o 扩展接口 8255 实现对步进电机通电方式的控制，通过光电藕合器对步 进电机控制，所以单片机是一组电源，外围设备是另一组电源，两者之间完全隔断了电气联系， 而通过光来传递信号，从而保护元件。 6.2.2 显示功能 由通用键盘，显示器接口芯片 8279 驱动 led 显示器，当进行人工按键时，led 显示器完 成对所输入的键值的定时显示功能。 6.2.3 人工控制

48、功能 能够通过自定义的键盘。输入预先设定的参数和控制指令，从而控制和管理应用程序的运 行。 （1）应用程序的启动与运行，由流水线上的 plc 信号及人工输入。 （2）系统具有一定的人机对话功能，用字定义的键盘数据以及若干操作命令，并采用 led 显示。 （3）系统在 mcs-51 单片机的系统基础之上进行了扩张，以满足工作需要，完成关于实际 环境相关的输入，输出处理及控制，即以 8051 为中央控制芯片，配备一定数量的外部程序及数 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 33 据存储器以及 i/o 扩展和通用键盘、显示器接口芯片、计数器芯片等。

49、 6.2.4 系统运行控制功能 系统上电之后处于等待状态，由相应控制按钮控制系统投入运行。 6.2.5 掉电保护功能 在各个芯片上连接直流工作电压，以便在产生故障或发生意外事件时能带来保护数据，防 止丢失。 6.2.6 防止活塞破损保护功能 监视光栅尺移动距离，若长时间不移动，则认为活塞被活塞缸卡死那么系统报警。 6.2.7 扩展功能 由于系统 i/o 护展口还留有很多空间未用，故还可以外接其他芯片，完成二次开发。 6.3 控制系统的硬件设计 系统扩展和配置设计遵循的原则： （1）尽可能选择典型通用的电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块 化奠定良好的基础。 （2）系统的扩展与

50、外围设备配置的水平应充分满足应用系统当前的功能要求，并留有适当 余地，便于以后进行功能的扩充。 （3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。尽可能的用软件代替硬件，以便于减低成本， 提高可靠性。但必须注意，有软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件来得长。因此 某些功能选择以软件代硬件实现时，应综合考虑系统响应速度、实时要求等相关的技术指标。 （4）整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配，如果系统中相关的器件性能差以较大， 系统综合性能将较低，甚至不能正常工作。 （5）要注意可靠性及抗干扰性设计。如果设计中只注重功能实现，而忽略可靠性及抗干设 计，到头只能是事半功倍，甚至会造成系统崩溃，前

51、功尽弃。 6.3.1 控制系统的硬件组成 本次系统硬件的 cpu 主要采用 8051 作为主控芯片进行控制，通过 8051 对其 8255 中的步 进电机进行控制操作，完成机器夹持器的移动，利用计数器完成光栅尺的反馈信号，得到的信 号通过另一片 8255 送入 8051，对比实际走过行程和理论走过行程，完成闭环控制。另外利用 8279 完成键盘输入和对数码管的控制。 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 34 6.3.2 扩展的基本原理 mcs-51 单片机应用系统中，存储器的扩展，对于片内无 rom 的单片机是不可缺少的工作， 程序存储器扩

52、展的容量按应用系统的要求可随意设置。 mcs51 系列单片机对片外程序存储器与数据存储器的操作使用不同指令和控制信号，所 以允许二者的地址空间重叠，片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为 64kb。当单片机 ea=0 时，不论片内有无程序存储器，片外存储器的地址可从 0000h 开始设置；但当 ea=1 时， 前 4k 字节地址 0000h0fffh 为片内程序存储器所有，片外扩展的程序存储器地址只能从 1000h 开始设置。 片外程序存储器与数据存储器的地址可由 p2 口提供高八位地址，由 p0 口提供低八位地址。 6.3.3 扩展如下 （1）程序存储器的扩展 程序存储器的 4kb，可以是

53、芯片内部的 rom 或外部的 rom，其选择方式是由 mcs-51 的 ea 引脚电压来解决的。ea=vcc 时是读取内部 rom 的地址范围为 0000h0fffh4kb，若超 过 4kb 时，cpu 将自动到外部读取，所以 8051 扩充 rom 至 64kb。 ea=0 是，完全读取外部 rom，可扩充至 64kb，另外当读取外部程序存储器时，会使能 /psen,使其变为低电平，以使外部程序存储器使能；而读取内部程序时，/psen 将保持高电平。 通常/psen 与外部 rom 的/oe 相连接。 读取外部程序存储器时，口 p0 及口 p2 的 16 条 i/o 先作为地址总线，其中 p

54、0 是多工的， 它送出低 8 位的地址码，也读取指令代码。工作时 p0 首先送出低 8 位的地址码，然后变成浮接 （高阻抗），等待读取外部存储器送出的指令码，所以当 p0 首先送出低 8 位地址码时，cpu 的 地址锁存使能“ale”也送出使能信号，而将低 8 位地址码锁住。当然在 p0 送出低 8 位地址码时， p2 同时也送出高 8 位地址码。 当 mcs-51 的 cpu 被复位后，会从 0000h 处开始执行程序。每一个中断在程序存储器中都 有一个对应指定地址，当中断产生且被接收时，会使 cpu 跳至该地址开始执行中断子程序，如 表 2 中断名起始地址说明 全套设计联系 qq29473

55、87549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 35 0000h系统复位起始地址 int00003h外部中断 int0 矢量地址 timer0000bh定时/计数 timer0 中断矢量地址 int10013h外部中断 int1 矢量地址 timer1001bh定时/计数 timer1 中断矢量地址 uart0023h串行口中断矢量地址 表 2 （2） 数据存储器的扩展 mcs-51 型单片机片内有 128b 或 256b 的数据存储器，它们可以作为工作寄存器、堆栈、 软件标志和数据缓冲器使用，cpu 对片内 ram 具有丰富的操作指令。对于一些实际应用，内 部 ram 已能满足

56、系统对数据存储器的要求。对需求大容量数据缓冲器的应用系统（如数据采集 系统），在片内 ram 不能满足需求时，就要扩展片外数据存储器，用以随机存储需要保存的数 据。数据存储器芯片应是能随机读/写的存储器芯片，最多可扩展 64kb。由于单片机面向控制， 实际容量需求不大，所以传统的方案一般采用静态随机存储器 sram 来扩展。与动态随机存储 器 dram 相比，sram 的功耗和价格都较高。随着新型存储器芯片 eeprom 和 perom 的出 现，在实际应用中可用 eeprom 和 perom 芯片来扩展数据存储器。 （3）并行 i/o 接口的扩展 mcs-51 单片机共有 4 个 8 位并行

57、 i/o 口，p0、p1、p2、p3，共 32 根 i/o 线。对于片内有 rom/eprom 的单片机 8051，在不使用外部扩展时，才允许这 4 个 i/o 口作为用户 i/o 口使用。 然而对于大多数 8051 需外部扩展时，mcs-51 单片机可提供给用户使用的 i/o 口只有 p1 口和部 分 p3 口线。因此，在大部分的 mcs-51 单片机应用系统设计中都不可避免要进行 i/o 口的扩展。 在 4 个端口中，p1 口只能用作 i/o 口，而 p0、p2、p3 口还具有其他的功能。p0 口可作地 址/数据总线分时使用，这其中包括用作输入数据和输出地址/数据总线。p2 口可作为输出的

58、高 8 位地址线。8051 芯片引脚中没有专门的数据和地址总线，在向外扩展存储器和接口时，有它 的 p2 口输出地址总线的高 8 位 a15-a8，由 p0 口输出地址总线的低 8 位 a7-a0，同时对 p0 口 采用了总线复用技术，p0 兼作 8 位双向数据总线 d7-d0。 p0 端口的输出级与 p1-p3 端口的输出级在结构上是不同的，因此它们的负载能力和接口要 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 36 求也不相同。 p0 端口每一位输出可驱动 8 个 ls 型 ttl 负载。p1-p3 端口，它们的每一位输出可驱动 4 个 ls

59、型 ttl 负载。 mcs51 应用系统需连接较多的并出外围设备，就得扩展并行接口，本次设计采用可编 程的并行接口 8255a，并选用 0 工作方式，即基本 i/0 方式，这种工作方式不需要接任何选通信 号，a 口、b 口及 c 口的两个四位口中任何一个端口都可以由程序设定为输入或输出，作为输 出口时，输出数据被锁存，作为输入口时，输入数据不锁存。a1，a0 是端口地址输入线，用于 选择内部端口寄存器，下表列出了 cpu 对 8255a 的端口寻址操作。如表 3 所示： a1a0rdwrcs输入操作 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 a 口数据总 线 b 口数据总 线

60、 c 口数据总 线 a1a0rdwrcs输入操作 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 输出操作 数据总线a 口 数据总线b 口 数据总线c 口 数据总线控 制 0 0 1 1 xxxx1 禁止功能 数据总线为 3 全套设计联系 qq2947387549（任务书开题报告 说明书 cad 图 ug 图等） 37 1 x 1 x 0 1 1 1 0 0 态 非法条件 数据总线为 3 态 表 3 8255 的口操作状态 6.3.4 mcs51 和 8255 接口方法 8255 和 mcs-51 相连，可以为外设提供三个 8 位的 i/o 端口：a 口、b 口和 c 口，三个