微机控制超低速运动下降杆设计

1、微机控制超低速运动下降杆设计微机控制超低速运动下降杆设计作者：孙国浩作者：孙国浩 指导教师：郑堤指导教师：郑堤（宁波大学 工学院，浙江 宁波 315211）摘要摘要：本设计主要介绍了超低速运动下降杆的设计，用于单晶生长。设计包括机械设计和控制设计两大块。在机械设计中，本文主要说明了机械结构的方案选择和设计计算。在控制部分中，文章重点阐述了单片机的外围电路开发、电机的控制电路设计和电源设计三大部分。关键词关键词：低速；机械结构；单片机；电路1 1 引引 言言为满足晶体生长而设计出超低速下降机构。本设计适用于下降法生长晶体。设计主要满足下降过程中的精度和速度变化的要求。目前，下降法晶体生长的机构大

2、多是要人工操作来实现速度的改变，并且速度的变化范围很小。本次设计采用单片机控制步进电机来实现下降速度的变化，设计的速度变化范围广、精度高。使晶体生产过程实现自动控制，操作简单，大大提高了生产效率。并且本设计采用的零部件加工和采购成本底，能够降低小型企业生产成本投入。2 2结构设计（总装图参见附录二）结构设计（总装图参见附录二）2.12.1 结构方案的比较与选择结构方案的比较与选择设计要求的速度变化范围为 0.5100mm/24h，变化范围比较大，因此下降采用步进电机驱动。步进电机相对于普通电动机能够满足大范围速度变化的要求，同时转速控制简单，精度高。由于速度变化范围比较大同时速度非常低，因此设

3、计要求的传动比非常大（通过计算，传动比在 30000 左右） ，对于一般的减速机构达到这样大的减速比比较困难。采用谐波减速器可以实现单级减速比在 2000 左右，这样可以使结构紧凑，传动机构的体积大大减小。上升部分由于没有精度和速度要求，可以选用单相交流电动机，以节约设计成本。设计方案如下：方案比较：由于运动速度要求比较低，并且范围比较大，所以设计需要很大的减速比，在一级减速中选用谐波减速器并采用步进电机驱动。名称（编号）参考图传动比特点丝杠蜗杆式（方案一）图 a蜗杆：1040 最大可达到 80；谐波减速器可达到 2000。蜗轮与蜗杆啮合，润滑方便，一般用于速度小于 45m/s 的情况下；滑动

4、丝杠自锁性能好。v 带传动工作平稳，允许线速度不超过 25m/s齿条齿轮式（方案二）图 b圆柱齿轮：一般小于 5 最大为 8；谐波减速器可达到2000。齿轮可以做成直齿和斜齿，直齿用于低速或轻载荷的传动传动；齿条传动不能自锁。齿条锥齿轮式（方案三）图 c圆锥齿轮：一般为3 最大为 5；谐波减速器可达到 2000。 圆锥齿轮，用于输入轴和输出轴线相交的传动；齿条传动不能自锁。从以上传动方案可知：方案一、设计较为合理，蜗杆传动比较大能适合设计需要的低速要求，并且结构紧凑，传动平稳，虽然传动效率不高，但仍然可以满足设计的小功率要求；并且滑动丝杠有很好的自锁性能，能够保证设计的精度要求。由于电机尺寸比

5、较大，因此设计采用带传动将电机固定在下方。方案二、由于采用齿轮传动来达到减速要求，其减速比不如方案一中的蜗杆传动；并且齿条不能自锁对于设计精度会产生影响。方案三、由于锥齿轮加工比较困难，一般用于改变轴的方向时使用，在此设计中没有改变的要求。综上所述，选用方案一作为传动方案。2.22.2 零件设计与选用零件设计与选用2.2.12.2.1 电机选用电机选用交流电机驱动：交流电机驱动：载荷 f=1500n，速度初定 810-3m/s。因载荷平稳，电动机额定功率 ped略大于 pd即可。通过计算得 pd = 85.7 w，选用电动机的额定功率 ped为 90w， n0=1400rpm。步进电机驱动：步

6、进电机驱动：载荷 f=500n，速度 0.51000mm/24h。通过计算选用常州宝马集团公司前杨电机厂生产的三相步进电机：36bf003。按三相六拍工作时，步矩角：=1.5，电压：27v，电流：1.5a，保持转矩：0.78nm/0.8kgcm，空载启动频率：3100hz，转动惯量：7.810-7 kgm2。2.2.22.2.2 蜗杆设计与校核蜗杆设计与校核选用 za 蜗杆传动，精度 8cgb10089-1988。蜗杆选用 45 钢，齿表面淬火，硬度4555hrc；表面粗糙度 ra1.6m。蜗轮选用 qa110-3-1.5 金属模铸造。qa110-3-1.5 为铝青铜，强度高、耐磨性强。设计得

7、： i=n1/n2=15， z1=2，z2= iz1=152=30，m =1.6校核（略）2.2.32.2.3 丝杠设计丝杠设计螺杆材料选用 45 钢，调制处理；螺母材料 qa110-3-1.5。设计得：d = 24，p = 5, d2 = 21.5，d4 = 24.5, d3=18.5, d1 = 19 的梯形螺纹，中等精度，螺旋副的标记为tr245-7h/7e。螺母高度h=40mm，=螺纹圈数n = 8 圈。校核（略）2.2.42.2.4 谐波减速器选用谐波减速器选用根据设计要求选用 xb2 内齿复波谐波减速器：型号 25；减速比为 2016；传动效率 30%；输入最高转速 3000rpm

8、；输出最大转矩 2 nm；能够满足设计要求。2.2.52.2.5 离合机构设计离合机构设计方案一：双向离合器，没有符合设计要求的产品型号；方案二：电磁离合器，由于长期工作在闭合状态，所以对于离合器的寿命和工作稳定性会有影响；方案三：滑移齿轮通过拨叉实现左右滑动。拨叉机构通过杠杆实现运动的转化，在手柄的两个位置中间有弹簧钢球来现位置的固定。在任何一个位置都会通过钢球固定。 （如右图）综合比较，采用方案三。3 3 控制部分设计（电气图参见附录一）控制部分设计（电气图参见附录一）3.13.1 控制面板设计控制面板设计根据设计要求设计：面板操作简便，人机界面友好。 （设计见附录三） 说明：显示器可以显

9、示位移、时间、速度；其中位移的显示精度为 1m，时间显示精度为 1min，速度为 0.01mm/day。时间和位移使用同一组显示器。可以通过“时/位”按钮切换，通过指示灯表示现在显示的内容。可以“功能”“预置”功能下通过方向键择存储的速度。并且“预置”可以存储目前的速度。 “功能”和数字键可以自由设定速度。 “功能”“零点”将时间和位移清零。 “复位”按钮可以将系统复位。 “上升”控制交流电机工作。3.23.2 芯片选择与电路设计芯片选择与电路设计3.2.13.2.1 单片机选择单片机选择 根据设计要求选用 msc51 系列单片机。由于程序需要的地址和内存比较小，可以选用 8051 单片机不需

10、要扩展外部数据和程序存储器。8051 具有 4k 片内 rom，和 128k 片内ram。可以减少芯片的数目使系统稳定性强。3.2.23.2.2 82558255 扩展与键盘、显示器接口设计扩展与键盘、显示器接口设计8255 与 8051 的接口方法：8255 的、分别连接 8051 的、；8255 的 d0 d7 接 8051 的 p0 口；rdwrrdwr采用线选法寻址 8255，p2.7（a15）接 8255 的 cs，8051 的最底两位地址线连接 8255 端口选择线 a1a0，所以 8255 的地址分别为 7ffch、7ffdh、7fffh。键盘和显示器的接口：通过 8255 的

11、pa、pb 和 pc 口扩展键盘和显示器。8255 的 pa 口为输出口，控制键盘的列线 y0y5 的电位作为键扫描口，同时又是 8 位显示器的扫描口，pc 为显示器的段数据口，pb 为输入口。闭合键号的计算： n = 行首键号 + 列号。3.2.33.2.3 步进电机与交流电机驱动电路步进电机与交流电机驱动电路步进电机控制电路步进电机控制电路驱动原理：采用单电压驱动，通过控制 8051 输出口的电压来控制光电耦合器 4n25 的工作。当8051 控制口输出低电压时，4n25 工作三极管vt1 导通步进电机绕组通电；当 8051 控制口输出高电压时，4n25 发光管两端无电压，则 4n25 不

12、工作 vt1 不导通步进电机绕组断电。光电偶合器作用：抗干扰、响应时间短、能够吸收尖峰干扰信号。交流电机控制电路：交流电机控制电路：驱动原理：和步进电机驱动相似；由于交流电源电压为 220v，所以通过驱动继电器 km 来控制交流电机的工作。由于+27 电源为步进电机电源，在此采用此电源作为继电器的控制电压，节省电源。3.2.43.2.4 速度设定过程速度设定过程采用时间中断进行速度调节，设输入的下降速度为： mm/24h 转换，晶震为210v12mhz。公式如下：（十进制）=（十六进制）ta162v297619216vhaffffh93483.2.53.2.5 电源设计电源设计 步进电机为+2

13、7v 支流电源驱动，驱动电流要求 1.5a，单片机为+5v 直流电源驱动但电流很小。设计电路（参见附录一电源部分）220v 交流电压经过变压器降压，在经过全波整形电路整形。整形后通过电容滤波和电容消震。+5v 部分再通过 mc7805t 三端稳压器稳压在+5v，0.1f 的电容为了提高电源的稳压性和减少输出波纹，可以起到防震的作用。4 4 结束语结束语本次设计基本上完成了超低速下降杆的设计开发的任务，该机构能够满足晶体生长的要求。由于时间紧没有对单片机控制设计中的程序进行完整的设计。对于键盘的功能还可以在今后的设计中进一步完善，其外观结构和造型的设计也是很重要的；可以根据用户的需求采用点阵式液

14、晶显示器，使人机界面更加友好，使操作更加简便，以适合实际应用场合的需要。机械部分，可以采用电动控制滑移齿轮，这样可以提高产品的自动化程度。由于设计时间比较短，在多地方可以改善的部分希望在以后能够得到完善。参考文献参考文献1 郑堤，唐可洪主编机电一体化设计基础北京：机械工业出版社，19972 蔡春源主编新编机械设计手册辽宁：辽宁科学技术出版社，19933 北京中技克美谐波有限责任公司谐波传动北京：北京中技克美谐波有限责任公司内部资料，20014 张友德，赵志英，涂时亮编著单片微型机原理、应用与实验（第三版） 上海：复旦大学出版社，20005 濮良贵，纪名刚主编机械设计（第七版） 北京：高等教育出版社，20016 谭建荣，张树有、陆国栋、施岳定编著图学基础教程北京：高等教育出版社，19997 潘新民，王燕芳编著微型计算机控制技术北京：高等教育出版社，20018 甘永力主编几何公差与检测（第五版） 上海：上海科学技术出版社，200310 孙恒、陈作模主编机械原理（第六版） 北京：高等教育出版社，200011 成大先主编机