带自动分度机构的法兰盘加工回转工作台的设计

摘要本课题是设计一种专门对法兰盘进行加工的带自动分度机构的回转工作台的设计，利用步进电动机进行自动分度的控制，再通过齿轮传动带动心轴和工件转动，配合钻床对法兰盘进行加工，使工件能任意角度的旋转。在单片机的控制下，步进电机每秒钟发出的脉冲数决定了工作台的转位角度。关键词步进电动机；自动分度；齿轮传动AbstractThissubjectisaspecialdesigntotheflangewithautomaticprocessingoftherotarytable,thesubjectistouseasteppermotorofautomaticcontrol,thenthroughthedrivespindleandtheworkpiecerotation,andthenprocessingflangeplateofthedrillingmachine,theworkpiececanberevolvingrandomangle.Underthecontrolofthemicrocontroller,thepulsepersecondfromthesteppermotordecidesthetableofthetransferpoint.

Keywordssteppermotorautomaticdegreesgear88doc88yanziedu目录TOC\o"1-3"\f\h\z目录惶蛑篦轵扬舫邃炷胁的 1绪论氧拭麇屙儿跎猗取挤芰 01.1回转工作台的简介和应用脍嗪鸯咸疣醣浦侍烈堵 0吟秒卅蒜磙滹趁芳鲇铗 0锄坯油颖萼逋痰乘良枇 1怒吵嘲债澎纳笾毵咔弩 2毵峥缫涿索亥蟛蟥那萦 2许飚寝挛烀馊蛩恰蓥颚 2奎冲众房胴返故婚锿改 2匐夫绞觫详悯扁蟋塞擒 2衍历颟鲍枪衽柙梗褙饽 2纱刂煦邰谵裁容搿荭戚 22方案的选择醛褓蔫保鹰氰碘皇颍矣 22.1数控回转工作台郦终邈位驼妈郜虐泅赘 22.2分度工作台逆莩瓮摆旒洲莘颅瘟狁 3畛鲳姚避开券遏思蹁忄 3疬雪泵吃廷拷戊放砭焖 43工作台的设计丝份解颌玫荭秃砷淞范 53.1加工零件分析件趱匹翟瘭扣巨须坦鲍 53.2步进电动机的选择丰擂囚粞限闻燃镬含哥 7胬川鸬翕登蛙簧俸颂案 7弹樘括肃显烩千痞瓞缇 8单片机控制步进电机原理痢茼纫岸晷飞蝼抱馨崩 10单片机驱动工作台上步进电机设计馘犁粼啡乔炉巡岔愈嶝 10削腼罡贷鹫克安撮梵纽 19巴寰矬羸樨树姒昂楝帙 19买椽浩罨嗤呼取憋鎏枸 19魉骟狐揪铀蹴慊远裴唾 19沛慷呸鳝惰愕孕极哌位 19雀袍黻茧樱店疯囗鳌鲛 19嘻矩投戟珥隋嗬轴肖耳 19迤磔楹谮嫡蛑澎便稗筋 19棚撙趄奘搪薰届脲镦醭 19锬啬偌槲庭鸶芫乍遁耿 19桧嫱际绝惰埃麾杯得粟 193.3锥齿轮的选择和计算剐加铺凋眢俸棘抠高瘵 20媳锞琊罹鹉甑趣揩殚粮 20痒舢砥砰营视喏睡牟材 20芨参穆颈某欢状现卩仑 20仫羧钽淠代醯暗鏊埯咧 22沅隰潞鏖粹桊眉获龊亘 23棋氏噗结申噎弼油涠牖 23串狨趸乙鄢乒迓呵晚斜 23颗棰朝爻愎舌怜阍灸呤 23瓣甲姒爰锛宓缩筹阱蛎 233.4心轴的设计靴衤澡吸砝槲扉泥糌铖 23练招子炅肉款敏恺罚觜 23轴类零件的材料、毛坯及热处理弁乾揩蹇肌造矛雁筮猎 24淤诩丛债吓睦辞枰挛瘰 243.5轴承的选择黧满社厘唯浏诮办邂砾 29讽邴蚯撩糸梁肇筘癞疙 29碜农跛灾咆憋獭眙萎垭 29苜赖苟近识咤墓壁嶙飧 30渖爆不皤屎礻焕莲毡酿 303.6夹紧装置的设计烩啾涤陔洋庠毂熬沈螨 303.7箱体的设计拖眙恰始铀梢蕖铕玖瑾 31嘲贲墨倩冖悬京樱冱迄 32搦焯雅厨琳否钞皖秀甬 32料谜陛馅砂宽刭岔部剽 32沅戈兔盂冉该醭摧刊闷 32蜡啤辑责鬼龊尚雯碥随 32下炭叙谴垣傅咻览拥撞 32禧糈怜愿横擦箬贻廉嗵 32聿率折卺瑭盈僖钕渑榭 32混揖堪巾仇颧磙僭沪揣 32涿讲蘸瞬鳇镰篾燎艘湎 32狠躞榘调剥猫螨炷幞敞 32唪浇仙缡践姬垒付船青 32盅膝锈骤冠狭瘙殷偃榻 32富侬莸千仔脎亢雎面甫 32结论翌泄齐舾辚咆餍兢雠兵 32通过这次设计我学到了好多，也知道了有关设计的具体流程。峄惆裸掳淙揉郾钦譬潜 33彩缲誓蹩便赴檑橙诌劁 33饴街唯芡绪楸镉朝恻涯 33砟刀适獍鳐崾栏爱岔酣 33似枘轮轫昀瘼忽柜箢时 33鸟缏膣蟑拌淠缡位扇恕 33五殊驴跳妮庹碧浈如酶 33芋醛葑屮苎沾掩城许渌 33岁芤粪喊镞韵旯某蒌氯 33耶姣哀匆容獍挠耸斥搓 33敛楦棒浍次蹑薏茸匾礻 33莴帼舶哚障菌样始牢窿 33致谢耿街稹亢瞿谫莪傻柞怀 33耥於事窄韬狂狡晨又秧 34参考文献驹谰感遛搛婵髌弃骅殴 34籍漠锛垒眉芨菹最雳兼 341绪论1.1回转工作台的简介和应用回转工作台的简介回转工作台(以下称转台)根据其精度的不同分别是铣床、钻床和坐标镗床、坐标磨床的主要附件，高精度的转台还是计量检验工作中的测量仪器。（1）国内转台简介工作台直径是转台主参数，目前我国专业生产厂制造的转台有手动和手动—机动(即通过万向节传动)两种，全是水平式，规格有200,250,320,400和500五种，分度精度按部标为3′。去年获得一机部质量信得过产品奖的武汉机床附件厂生产的400mm转台。（2）国外转台简介国外转台品种繁多，按驱动控制方式可分电动、气动、浓压和数控。按分度方式可分机械、光学、数显、端齿盘、钢球、电感和多面体。工业水平发达国家生产的转台品种多、规格全、精度高。没有单一的转台生产厂，如西德霍夫曼公司生产七十多个品种规格的转台，日本津田驹工业株式会社也有四十多种，这两家还生产多种分度头，有的产品既是转台又是分度头，而机床附件又都仅是这两家公司的一个分部。在分度精度上，首推美国莫尔公司的1440齿机械分度转台，其精度高达±0.1″。瑞士的西浦公司生产200-450mm八种规格的转台，分度精度在4"-18"之间。以前的产品采用蜗轮副分度，近年则多采用光学分度。在锁紧机构上采用钢盘机构，不致使工作台面受力而产生变形。英国OMT光学测量工具公司生产的转台与其座标锉床配套，它采用圆柱销锁紧，.工作台面不受力、结构简单、工艺性也好，但操作不集中，它有12个品种规格，自Φ203一Φ914mm，分度精度在4"-30″之间，全是光学转台。:日本工业株式会社以生产钢球分度超精密转台而著称，有手动和电气液压驱动两类11个规格，自Φ200-Φ1250mm,分度精度高达±1″。国外转台制造厂，据不完全统计约一百余家，以美、法、英、西德、日本、瑞士最多，下面简略介绍三家典型的公司:美国莫尔公司(Moors)1924年创立，五十年代制造转台，生产座标铣床、座标磨床，是美国精密机床厂代表之一，职工380人。莫尔转台，蜗轮副分度，不使用校正装置、操作方便、重复精度好，易于维修，制造难度大。它还可用步进电机调整角度增量，对转台进行程序控制，，实现简单的分度控制。蜗轮副加工是转台的关键，莫尔公司有一整套工艺予以保证，其分度精度为：标准级±12",精密级±6″、超精级±2″。转台直径仅有Φ726mm一种，立卧式，中心高200mm,可当分度头用。莫尔端面齿分度台，1440齿，分度精度高达±0.1″。1440齿分布在8寸的圆周长上即203×Л=610mm，每齿间距仅为0.432mm，每一齿侧接触仅为百分之几毫米，可见端齿加工的难度。1440齿分度只能细分到十度，加装小角度发生器便可直接读到0.1"。1440齿分度盘是计量莫尔转合的仪器。西德霍夫曼公司(Hofmann)霍夫曼是生产分度头和转台颇具盛名的厂家，但这却是该公司一个很小的部分，霍夫曼仅有职工350人，一各类机床附件晶种达几十种，规格200余个，据统计仅转台一项就有30余种126个规格。霍夫曼GR型手动精密机械转台采用180齿的蜗轮，模数1.75，压力角10°。蜗杆升角2°13"，因而分度精度高，且蜗轮副分度误差可由杠杆机构进行补偿，转台结构紧凑、密封性好，转合高度也较低，、分度精度为±5″和±10″两种。日本北川铁工厂生产的R、RI、WR和WRI型转台均自霍夫曼引进，以同型号共商标出厂。日本津田驹工业株式会社津田驹主要生产纺织机械，分度头、转台、平口钳等机床附件，约占生产能力10%。现有职工1500人。1937年开始生产转台，是日本最大的机床附件生产厂之一。津田驹生产14种转台、计41个规格，CTK型手动转台，快速进给的CTM型手动转台。津田驹转台的几种方法简介如下：1)手动蜗轮分度：分度精度可达10"-15"，鉴于蜗轮副节距误差和齿面接触精度直接影响分度精度，严格地控制了蜗轮的副加工和装配。2)伺服电机分度：利用数控装置发出信号、操纵伺服电机驱动转台。也采用蜗轮副，工作台主轴系用向心止推滚珠轴承，滑动部位用钢球支承，为适用于强力切削选用自动锁紧机构，分度精度为12"-15"。3)分度盘分度：为电动转台采用，在电机驱动主轴上装分度盘，分度数为一些固定量，在分度盘侧装有与分度数相等的信号销，电动机根据信号准确停止，一般可分24的约数，分度精度取决于分度盘，当然也受主轴和分度盘不同心度影响。4)分度盘：蜗轮并用分度。大型转台多采用并用分度，因为大规格转台定位销相应增大，使电磁吸铁吸力受到限制，大转台受冲击力，惯性力大，为此还采用了减速机构，分度精度可达3"。5)端齿盘分度：CTPM-300型转台系超精密自动分度转台，即是此法分度。分度精度可达4"。能承受重切削，自动定心精度高。回转工作台在各种数控铣床中的应用例如TK13250B数控立卧回转工作台TK13250B数控立卧回转工作台是各类数控铣床和加工中心的理想配套附件，可分别以垂直或水平两种方式安装于主机工作台上。工作时，利用主机的有关控制系统完成与主机相协调的各种分度回转工作。工作台上可安装板、盘或其它形状较复杂的加工零部件。也可利用与之相配套的尾座，安装棒、轴类的被加工零件，从而实现等分和不等分的，连续的孔盘、槽盘、曲面的加工，且达到较高的精度。另外也可和非数控机床配套，利用专门控制系统，独立地完成等分的和不等分的、连续的分度圆弧面的加工。TK13315B数控立卧回转工作台TK13315B数控立卧回转工作台是各类数控铣床和加工中心的理想配套附件，可分别以垂直或水平两种方式安装于主机工作台上。工作时，利用主机的有关控制系统完成与主机相协调的各种分度回转工作。工作台上可安装板、盘或其它形状较复杂的加工零部件。也可利用与之相配套的尾座，安装棒、轴类的被加工零件，从而实现等分和不等分的，连续的孔盘、槽盘、曲面的加工，且达到较高的精度。另外也可和非数控机床配套，利用专门控制系统，独立地完成等分的和不等分的、连续的分度圆弧面的加工。TK13400B数控立卧回转工作台TK13400B数控立卧回转工作台是各类数控铣床和加工中心的理想配套附件，可分别以垂直或水平两种方式安装于主机工作台上。工作时，利用主机的有关控制系统完成与主机相协调的各种分度回转工作。工作台上可安装板、盘或其它形状较复杂的加工零部件。也可利用与之相配套的尾座，安装棒、轴类的被加工零件，从而实现等分和不等分的，连续的孔盘、槽盘、曲面的加工，且达到较高的精度。另外也可和非数控机床配套，利用专门控制系统，独立地完成等分的和不等分的、连续的分度圆弧面的加工。TK13500数控立卧回转工作台TK13500数控立卧回转工作台是各类数控铣床和加工中心的理想配套附件，可分别以垂直或水平两种方式安装于主机工作台上。工作时，利用主机的有关控制系统完成与主机相协调的各种分度回转工作。工作台上可安装板、盘或其它形状较复杂的加工零部件。也可利用与之相配套的尾座，安装棒、轴类的被加工零件，从而实现等分和不等分的，连续的孔盘、槽盘、曲面的加工，且达到较高的精度。另外也可和非数控机床配套，利用专门控制系统，独立地完成等分的和不等分的、连续的分度圆弧面的加工。2方案的选择回转工作台是加工法兰盘不可缺少的重要附件。它的作用是按照控制装置的信号或指令作回转分度或连续作回转进给运动。常用的回转工作台有数控回转工作台和分度工作台。2.1数控回转工作台数控回转工作台的功用有：（1）使工作台进行圆周进给完成切削工作；（2）使工作台进行分度工作。它按照控制系统的指令，在需要时候完成任务。其作用是既能作为数控机床的一个回转坐标轴，用于加工直线、曲线、圆弧或与直线坐标轴联动加工曲面，又能作为分度头完成工作的转位换面。2.2分度工作台分度工作台的功能是完成回转分度运动，即按照控制系统的指令，在需要分度时，将工作台及其工作台回转一定角度。其作用是在加工中自动完成工作的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。按照采用的定位元件的不同，有定位销式分度工作台和鼠牙盘式分度工作台。分度工作台通常由于结构的关系，仅能作规定好的度数的分度运动，不能连续旋转运动。机床的分度结构，它本身很难保证工作台的分度的高精度的要求不适合本设计要求。再看数控回转工作台与分度工作台的区别，数控回转工作台，从外形上看，与分度工作台没有什么区别，但在结构上有以下一系列特点，现就开环数控工作台和闭环数控工作台分述如下：开环系统数控转台是由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。数控转台一般由电液脉冲马达或功率步进电机驱动，当接到控制系统的回转指令后，首先要把蜗轮松开，然后开动电—液脉冲马达，按照指令脉冲来确定工作台回转的方向、回转的速度快慢、回转的角度大小以及回转过程中速度的变化等参数。当回转工作台回转完毕后，再把蜗轮夹紧恢复到原来的位置。数控转台的分度定位是按控制系统所指定的脉冲数来决定转位角度的，没有其他的定位元件。因此，对开环数控转台的传动精度要求高，传动间隙应尽量小。数控回转工作台既没有鼠牙盘，也没有定位销，它的定位精度完全是由控制系统来决定的。因此，对于开环系统的数控回转工作台，要求它的传动系统中没有间隙，否则在反向时产生传动误差而影响定位精度。当工作台静止时，必须处于锁紧状态。为此，在蜗轮底部的辐射方向装有八对夹紧瓦，并在底座上均布同样数量的小液压缸。当小液压缸的上腔接通压力油时，活塞便压向钢球，撑开夹紧瓦，并夹紧蜗轮。在工作台需要回转时，先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧的作用下，钢球抬起，夹紧瓦将蜗轮松开。回转工作台的导轨面由大型滚动轴承支承，并由圆锥滚柱轴承及双列向心圆柱滚子轴承保持准确的回转中心。数控回转工作台的定位精度主要取决于蜗杆副的传动精度，因而必须采用高精度蜗杆副。在半闭环控制系统中，可以在实际测量工作台静态定位误差之后，确定需要补偿角度的位置和补偿的值，记忆在补偿回路中，由数控装置进行误差补偿。在全闭环控制系统中，由高精度的圆光栅发出工作台精确到位信号，反馈给数控装置进行控制。回转工作台设有零点，当它作回零运动时，先用挡铁压下限位开关，使工作台降速，然后由圆光栅或编码器发出零位信号，使工作台准确地停在零位。数控回转工作台可以作任意角度的回转和分度，也可以作连续回转进给运动。这种数控回转工作台的驱动采用开环系统，其定位精度主要取决于蜗杆蜗轮的运动精度，虽然采用高精度的五级蜗杆蜗轮副，但还是不能满足机床的定位精度。因此还需要借助于数控装置进行误差补偿。回转工作台的导轨面是由大型滚柱轴承支承，径向又有圆锥滚子轴承及双列向心圆柱滚子轴承保证回转平稳，并有上述强力夹紧机构。因此回转工作台的刚度很好。闭环数控回转工作台一般采用直流或交流伺服电机驱动，其结构与开环数控转台大致相同。区别在于：闭环数控回转工作台有角度测量元件（圆光栅或圆感应同步器）。所测量的结果反馈与指令进行比较，按闭环原理进行工作，使回转工作台定位精度更高。这两工作台数控回转工作台的成本比较高,而两种工作台的功用相差不大,所以选用分度工作台。而分度工作台传动机构又有好多种:如蜗轮蜗杆传动和齿轮传动蜗轮蜗杆传动有如下特点：（1）结构紧凑、并能获得很大的传动比，一般传动比为7-80。（2）工作平稳无噪音（3）传动功率范围大（4）可以自锁（5）传动效率低，蜗轮常需用有色金属制造。蜗杆的螺旋有单头与多头之分。齿轮传动有哪些特点：1)传动平稳，传动比准确2)结构紧凑，传动效率高3)使用寿命长4)制造和安装精度要求高他们各有优缺点，由加工法兰盘的具体考虑我选择齿轮传动的分度回转工作台。3工作台的设计3.1加工零件分析法兰盘为一个厂常用件，所谓法兰盘一个类似盘状的金属体色的周边开上几个固定用的孔用于连接其它东西。这东西在机械上应用很广泛，所以样子也千奇百怪的，只要像就是叫法兰盘，工精度要求不太高，但年需求量较大。因此，加工此法兰盘时，首先，需要考虑的问题就是加工的生产效率。（1）采用通用机床加工此法兰盘时，加工的范围可以进行扩大，可以加工出一系列的法兰盘，但通用机床的调整时间较长，装夹与拆卸工件的时间较长，使得法兰盘的加工效率无法进行提高。（2）专门化机床的工艺范围较窄，只能加工一尺寸范围内的某一类零件，完成某一种特定工序，但生产效率较通用的机床高。（3）专用机床的工艺范围最窄，通常只能完成某一特定零件的特定工序，但专用机床的加工效率是这三类机床中最高的。因此专用机床较为适用了加工此类法兰盘。（4）组合机床作为专用机床中的一种与通用机床的专门化机床相比较。1）组合机床由70-90％的通用零部件组成，可以缩短设计和制造周期，而且在需要的时候，还可以部分或全部改装。以组成适应新加工要求的设备就是说组合机床有重新改装的优越性，其通用零部件可以多次重复利用。2）组合机床是按具体加工对象专门设计的，中以按最佳工艺方案进行加工。3）在加工零件时，组合机床可以同时从几个方向采用多把刀具对几个工件进行加工，是实现集中工序，提高生产效率的最好途径，这也正是加工法兰盘所需要的。4）组合机床是在工件一次装夹下用的轴实现多孔同时加工，有利保证各孔相互之间的精度要求，提高产品质量，减少了工件工序间的搬运，改善了劳动条件上，减少了占地面积。5）组合机床在多数的零部件是同类的通用部件简化了机床的维护和修理。6）组合机床的通用部件可以组织专门厂家集中生产。有利于提高产品质量和技术水平，降低制造成本。综合上面的分析，可得采用组合机床加工法兰盘，有利于提高法兰盘的加工精度和生产效率降低生产成本。（5）在采用组合机床的基础上，如果采用自动或回转工作台来进行加工，将可以进一步提高法兰盘的加工效率，采用自动或回转工作台，可以减少工件的搬运和装夹次数，减少了工人的劳动强度。法兰盘以往工厂下料时，都采用气割或液压机，但气割时毛坯的精度比较低，加工时毛坯的切削余量比较大，使得加工成本与加工时间都有所提高。且采用气割下料时，毛坯易形成氧化层从而给下一工序的加工带来困难。采用液压机进行下料时，加工精度与加工效率都有较气割有较提高。但毛坯的厚度提高，液压机的吨位也在提高，从而使得液压机的制造成本也随之提高。因此，就法兰盘的下料有必要也设计一台专机，从而提高加工效率与降低加工成本。下料专机的设计得法兰盘的外圆尺寸在下料时就可以得到保证，下料后的法兰盘外圆加工精度也达到了要求，从而法兰盘的外圆无须再进行加工。3.2步进电动机的选择步进电动机简介步进电动机的特点步进电动机又称为脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，既每当电动机的绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数与频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量，频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需的转角，转速及转向，很容易用微机实现数字控制。步进电动机具有以下主要特点：（1）步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的波动，电流的大小与波形的变化，温度等）的影响，只要在他们的大小未引起步进电动机产生“丢失”现象之前，就不会影响其正常工作；（2）步进电动机的步距角有误差，转子转过一定的步数以后也会出现累计误差，但转子转过一转之后，其累计误差就会变为“零”，因此不会长期积累；（3）控制性能好，在启动，停止，反转时不易“丢失”。因此，步进电动机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠的获得较高的位置精度。步进电机2个相邻磁极之间的夹角为60°。线圈绕过相对的2个磁极,构成一相(A-A′,B-B′,C-C′)。磁极上有5个均匀分布的矩形小齿,转子上没有绕组,而有40个小齿均匀分布在其圆周上,且相邻2个齿之间的夹角为9°。当某组绕组通电时,相应的2个磁极就分别形成N-S极,产生磁场,并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子没有对齐,则在磁场的作用下转子将转动一定的角度,使转子齿与定子齿对齐,从而使步进电机向前“走”一步。（1）步进电机的控制方式如果通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流,就可以控制电机的转动,从而实现数字→角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比,转动的速度与脉冲频率成正比,而转动方向则与脉冲的顺序有关。以三相步进电机为例,电流脉冲的施加共有3种方式。1)单相三拍方式(按单相绕组施加电流脉冲):→A→B→C→正转;→A→C→B→反转。2)双相三拍方式(按双相绕组施加电流脉冲):→AB→BC→CA→正转;→AC→CB→AB→反转。3)三相六拍方式(单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲):→A→AB→B→BC→C→CA→正转;→A→AC→C→CB→B→BA→反转。单相三拍方式的每一拍步进角为3°,三相六拍的步进角则为1.5°,因此,在三相六拍下,步进电机的运行反转平稳柔和,但在同样的运行角度与速度下,三相六拍驱动脉冲的频率需提高1倍,对驱动开关管的开关特性要求较高。（2）步进电动机的驱动方式步进电机常用的驱动方式是全电压驱动,即在电机移步与锁步时都加载额定电压。为了防止电机过流及改善驱动特性,需加限流电阻。由于步进电机锁步时,限流电阻要消耗掉大量的功率,故限流电阻要有较大的功率容量,并且开关管也要有较高的负载能力。步进电机的另一种驱动方式是高低压驱动,即在电机移步时,加额定或超过额定值的电压,以便在较大的电流驱动下,使电机快速移步；而在锁步时,则加低于额定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样,既可以减少限流电阻的功率消耗,又可以提高电机的运行速度,但这种驱动方式的电路要复杂一些。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法,即用脉冲分配器实现。现在,脉冲分配器已经标准化、芯片化,市场上可以买到。但硬件方法结构复杂,成本也较高。步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法,即用单片机实现,下面给出具体的使用单片机以软件方式驱动步进电机的实现方法。（1）步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1）步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2）静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

3）电流的选择

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）4）力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米P=2πfM/400(半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS)（2）步进电机应用中的注意点1）步进电机应用于低速场合每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2）步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3）由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。4）转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5）电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，(1)电机不失步，(2)可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6）高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。

7）电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。

8）电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9）应遵循先选电机后选驱动的原则。本课题选用反应式步进电动机，其技术性能数据如下：型号：75BF001相数：3步距角：1.5/电压:24V相电流:3A最大静转矩:0.392（N.M）空载起动频率:1750步/S电感:19mH电阻:0.62分配方式:三相六拍外形尺寸:75x53(6)转子动惯量：1.274重量：1.1（Kg）单片机控制步进电机原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：（1）控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,D相的通断。（2）控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。（3）控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。单片机驱动工作台上步进电机设计步进电机在低频工作时，会有振动大、噪声大的缺点。如果使用细分方式,就能很好的解决这个问题。步进电机的细分控制,从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场,从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下,合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小,相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。步进电机半步工作方式就蕴涵了细分的工作原理。实现细分方式有多种方法,最常用的是脉宽调制式斩波驱动方式,大多数专用的步进电机驱动芯片都采用这种驱动方式,TA8435就是其中一种芯片。基于TA8435H芯片的步进电机细分方式

TA8435芯片特点

TA8435是东芝公司生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片,该芯片具有以下特点：

（1）工作电压范围宽(10～40v);

（2）输出电流可达1．5A(平均)和2．5A(峰值));

（3）具有整步、半步、1／4细分、1／8细分运行方式可供选择;

（4）采用脉宽调制式斩波驱动方式;

（5）具有正／反转控制功能;

（6）带有复位和使能引脚;

（7）可选择使用单时钟输入或双时钟输入。从图3-1中可以看出,TA8435主要由1个解码器、2个桥式驱动电路、2个输出电流控制电路、2个最大电流限制电路、1个斩波器等功能模块组成。图3-1TA8435工作原理在图3-2中,第一个CK时钟周期时,解码器打开桥式驱动电路,电流从VMA流经电机的线圈后经RNFA后与地构成回路,由于线圈电感的作用,电流是逐渐增大的,所以RNFB上的电压也随之上升。当RNFB上的电压大于比较器正端的电压时,比较器使桥式驱动电路关闭,电机线圈上的电流开始衰减,RNFB上的电压也相应减小;当电压值小于比较器正向电压时,桥式驱动电路又重新导通,如此循环,电流不断的上升和下降形成锯齿波,其波形如图3-2中IA波形的第1段。另外由于斩波器频率很高,一般在几十kHz,其频率大小与所选用电容有关。在OSC作用下．电流锯齿波纹是非常小的,可以近似认为输出电流是直流。在第2个时钟周期开始时,输出电流控制电路输出电压Ua达到第2阶段,比较器正向电压也相应为第2阶段的电压,因此,流经步进电机线圈的电流从第l阶段也升至第二阶段2。电流波形如图IA第2部分。第3时钟周期,第4时钟周期TA8435的工作原理与第1、2是一样的,只是又升高比较器正向电压而已,输出电流波形如图IA中第3、4部分。如此最终形成阶梯电流,加在线圈B上的电流,如图3-2中IB。在CK一个时钟周期内,流经线圈A和线圈B的电流共同作用下,步进电机运转一个细分步。图3-2TA8435工作原理图图3-3是单片机与TA8435相连控制步进电机的原理图。引脚M1和M2决定电机的转动方式：MI=0、M2=O,电机按整步方式运转;Ml=1、M2=0,电机按半步方式运转;M1=O、M2=1,电机按1／4细分方式运转;Ml=1、M2=1,电机按l／8步细分方式运转。CW／CWW控制电机转动方向,CKl、CK2时钟输入的最大频率不能超过5kHz。控制时钟的频率,即可控制电机转动速率。REFIN为高电平时,NFA和NFB的输出电压为0．8V,REFIN为低电平时,NFA和NFB输出电压为0．5V,这2个引脚控制步进电机输入电流,电流大小与NF端外接电阻关系式为：,Io=Vref／Rnf。图3-3中,设REFIN=l,选用步进电机额定电流为0．4A,Rl、R2选用1．6Ω、2W的大功率电阻,O、C两线不接。步进电机按二相双极性使用,四相按二相使用时可以提高步进电机的输出转矩。D1～D4快恢复二极管用来泄放绕组电流。图3-3单片机与TA8435相连控制步进电机的原理图下面是步进电机的外形图3-4，接线图3-5，和电路图3-6图3-4型步进电机外形图图3-5步进电机的接线图要求：开机后，电机不转，按下启动键，电机旋转，速度为25转/分，按下加1键，速度增加，按下减1键，速度降低，最高速度为100转/分，最低转带为25转/分，按下停止键，电机停转。速度值要求在数码管上显示出来。(1)要求分析按上面的分析，改变转速，只要改变P1.0~P1.3轮流变低电平的时间即可达到要求，这个时间不应采用延时来实现，因为会影响到其他功能的实现。这里以定时的方式来实现。下面首先计算一下定时时间。比如说按要求，最低转速为25转/分，而上述步进电机的步距角为7.5，即每48个脉冲为1周，即在最低转速时，要求为1200脉冲/分，相当于50ms/脉冲。而在最高转速时，要求为100转/分，即48000脉冲/分，相当于12.5ms/脉冲。(2)程序实现StartEndbit

01H;起动及停止标志MinSpd

EQU25

;起始转动速度MaxSpd

EQU100;最高转动速度Speed

DATA23H;流动速度计数HiddenEQU10H;消隐码CounterDATA57H;显示计数器DISPBUFDATA58H;显示缓冲区

ORG

0000HAJMP

MAINORG000BHJMPDISPORG001BHJMPDJZD

ORG

30HMAIN:

MOV

SP,#5FHMOV

P1,#0FFHMOVA,#HiddenMOVDispBuf,AMOVDispBuf+1,AMOVDispBuf+2,AMOVDjCount,#11110111BMOV

SPEED,#MinSpd;起始转动速度送入计数器CLR

StartEnd;停转状态MOVTMOD,#00010001B;MOVTH0,#HIGH(65536-3000)MOVTL0,#LOW(65536-3000)MOVTH1,#0FFH;MOVTL1,#0FFHSETBTR0SETBEASETBET0SETBET1LOOP:

ACALL

KEY

;键盘程序JNB

F0,m_NEXT1;无键继续ACALL

KEYPROC

;否则调用键盘处理程序m_NEXT1:MOVA,SpeedMOVB,#10DIVABMOVDispBuf+5,B;最低位MOVB,#10DIVABMOVDispBuf+4,BMOVDispBuf+3,AJBStartEnd,m_Next2CLRTR1;关闭电机JMPLOOPORLP1,#11110000Bm_Next2:SETBTR1;启动电机AJMP

LOOP

;主程序结束

D10ms:

……;延时程序,键盘处理中调用KEYPROC:MOV

A,B

;获取键值JB

ACC.2,StartStop

;分析键的代码,某位被按下,则该位为1JB

ACC.3,KeyStyJB

ACC.4,UpSpdJB

ACC.5,DowSpdAJMP

KEY_RETStartStop:SETBStartEnd

;启动AJMP

KEY_RETKeySty:

CLRStartEnd;;停止AJMP

KEY_RETUpSpd:INC

SPEED;MOV

A,SPEEDCJNE

A,#MaxSpd,K1;到了最多的次数？DEC

SPEED;是则减去1，保证下次仍为该值K1:AJMP

KEY_RETDowSpd:DEC

SPEEDMOV

A,SPEEDCJNE

A,#MAXSPD,KEY_RET;不等（未到最大值），返回MOVSPEED,#MinSpd;KEY_RET:RETKEY:

……获取键值的程序RETDjZd:;定时器T1用于电机转速控制PUSHACCPUSHPSWMOVA,SpeedSUBBA,#MinSpd;减基准数MOVDPTR,#DjHMOVCA,@A+DPTRMOVTH1,AMOVA,SpeedSUBBA,#MinSpdMOVDPTR,#DjLMOVCA,@A+DPTRMOVTL1,AMOVA,DjCountCPLAORLP1,AMOVA,DjCountJNBACC.7,d_Next1JMPd_Next2d_Next1:MOVDjCount,#11110111Bd_Next2:MOVA,DjCountRLAMOVDjCount,A;回存ANLP1,APOPPSWPOPACCRETIDjH:DB76,82,89,95,100,106,110,115,119,123,12……DjL:DB0,236,86,73,212,0,214,96,163,165……DISP:;显示程序POPPSWPOPACC……RETIBitTab:DB7Fh,0BFH,0DFH,0EFH,0F7H,0FBHDISPTAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFHEND(3)程序分析本程序主要由键盘程序、显示器程序、步进电机驱动程序三部份组成，主程序首先初始化各变量，将显示器的高3位消隐，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，然后调用键盘程序，并作判断，如果有键按下，则调用键盘处理程序，否则直接转下一步。下一步是将当前的转速值转换为BCD码，送入显示缓冲区；接着判断StartEnd这个位变量，是“1”还是“0”，如果是“1”，则开启定时器T1，否则关闭定时器T1，为防止关闭时某一相线圈长期通电，因此，在关闭定时器T1时，将P1.0~P1.3均置高。至此，主程序的工作即结束。这里为简便起见，这里没有做高位“0”消隐的工作，即如果速度为10转/分，则显示值“010”，读者可以自行加入相关的代码来处理这一工作。步进电机的驱动工作是在定时器T1的中断服务程序中实现的，由前述分析，每次的定时时间到达以后，需要将P1.0~P1.3依次接通，程度中用了一个变量DjCntr来实现这一功能，在主程序初始化时，该变量被赋予初值11110111B，进入到定时中断以后，将该变量取出送ACC累加器，并在累加器中进行左移，这样，该数值就变为11101111，然后将该数与P1相“与”，此时，P1.4即输出低电平，第二次进入中断时，先将该数取反，成为00010000，然后将该数与P1相“或”，这样，P1.4即输出高电平，关断了相应的线圈，然后将该数重新取出，并作左移，即1110，1111右移成为11011111，将该数与P1相“与”，这样P1.5即输出低电平，依次类推，P1.7~P1.4即循环输出低电平。当这一数据变为01111111后，需要作适当的改动，将数据重新变回11110111，进行第二次循环，相关代码。定时时间又是如何确定的呢？这里用的是查表的方法，首先用Excel计算得出在每一种转速下的TH值和TL值，然后，分别放入DjH和DjL表中，在进入T1中断程序之后，将速度值变量Speed送入累加器ACC，然后减去基数25，使其基数从0开始计数，然后分别查表，送入TH1和TL1，实现重置定时初值的目的。3.3锥齿轮的选择和计算传递功率：P=0.98kw齿轮1的转速：n1=1500r/min齿轮2的转速：n2=800r/min传动比：i=1500/800=1.875预定寿命：H=24000h原动机载荷特性：均匀平稳工作机载荷特性：均匀平稳齿轮的材料及热处理齿面类型：软齿面热处理质量要求级别：MQ(1)材料及热处理：齿轮1：齿轮1选择材料为45钢；热处理方式为调质处理。硬度范围为：HB240-270本设计取硬度为：HB250齿轮2：为了提高齿轮的抗胶合性能，大齿轮和小齿轮应选择不同牌号的钢来制造,根据这个原则，齿轮2选择的材料为40Cr；热处理为调质处理。硬度范围为：HB200-230所以本设计选用硬度为：HB215(2)机械性能：齿轮1：查表得：许用接触强度极限应力：许用弯曲强度极限应力：齿轮2：查表得：许用接触强度极限应力：许用弯曲强度极限应力：模数m的选取，取模数为m=2齿数Z1、Z2的确定，取齿数为Z1=32所以变位系数X：由于齿轮有偏心调节环约束，所以取变位系数x=0，总变位系数齿轮主要尺寸：分度圆直径：齿顶圆直径：取所以齿根圆直径：基圆直径：α取标准值为节圆直径：标准中心距a:中心距变动系数y：y=-0.001齿高变动系数为0.001小齿轮齿宽B：因取值为1，所以B=224mm分度圆弦齿厚和弦齿高：查表得：对齿轮1：对齿轮2：固定弦齿厚和固定弦齿高：查表得：公法线跨齿数K和公法线长度：对齿轮1：K=3对齿轮2：K=5齿面接触疲劳强度校核有关参数和系数的确定确定圆周力Ft因所以查表得：，因此所以按V=查表选齿轮的精度为7级；重合度的计算，重合度可由下公式算出：因所以所以查图得：由于齿轮对称轴承布置，查图得：查表得：查图得：核算齿面接触疲劳强度因已知：许用接触疲劳强度，，所以接触强度足够。齿根弯曲强度校核确定有关参数和系数与接触强度相同；查图得：齿形系数查图得：重合度系数因为是直齿圆柱齿轮，所以螺旋角系数核算齿根弯曲强度因许用齿根弯曲强度，，所以，齿跟弯曲强度足够。3.4心轴的设计轴是机械加工中常见的典型零件之一，它在机械中主要用于支承齿轮、带轮、凸轮以及连杆等传动件，以传递扭矩。按结构形式不同，轴可以分为阶梯轴、锥度心轴、光轴、空心轴、曲轴、凸轮轴、偏心轴、各种丝杠等，其中阶梯传动轴应用较广，其加工工艺能较全面地反映轴类零件的加工规律和共性。根据轴类零件的功用和工作条件，其技术要求主要在以下方面：(1)轴类零件的主要表面常为两类：一类是与轴承的内圈配合的外圆轴颈，即支承轴颈，用于确定轴的位置并支承轴，尺寸精度要求较高，通常为IT5~IT7；另一类为与各类传动件配合的轴颈，即配合轴颈，其精度稍低，常为IT6~IT9。(2)何形状精度

主要指轴颈表面、外圆锥面、锥孔等重要表面的圆度、圆柱度。其误差一般应限制在尺寸公差范围内，对于精密轴，需在零件图上另行规定其几何形状精度。(3)相互位置精度

包括内、外表面、重要轴面的同轴度、圆的径向跳动、重要端面对轴心线的垂直度、端面间的平行度等。(4)面粗糙度

轴的加工表面都有粗糙度的要求，一般根据加工的可能性和经济性来确定。支承轴颈常为0.2~1.6μm，传动件配合轴颈为0.4~3.2μm。(5)其他

热处理、倒角、倒棱及外观修饰等要求。轴类零件的材料、毛坯及热处理(1)轴类零件的材料1）零件材料

常用45钢，精度较高的轴可选用40Cr、轴承钢GCr15、弹簧钢65Mn，也可选用球墨铸铁；对高速、重载的轴，选用20CrMnTi、20Mn2B、20Cr等低碳合金钢或38CrMoAl氮化钢。2）毛坯

常用圆棒料和锻件；大型轴或结构复杂的轴采用铸件。毛坯经过加热锻造后，可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。(2)轴类零件的热处理锻造毛坯在加工前，均需安排正火或退火处理，使钢材内部晶粒细化，消除锻造应力，降低材料硬度，改善切削加工性能。调质一般安排在粗车之后、半精车之前，以获得良好的物理力学性能。表面淬火一般安排在精加工之前，这样可以纠正因淬火引起的局部变形。精度要求高的轴，在局部淬火或粗磨之后，还需进行低温时效处理。本轴的设计步骤：拟定轴上零件的装配方案根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度轴上零件的周向定位确定轴上圆角和倒角尺寸设计轴的主要尺寸如图3-7图3-7芯轴轴的主要参数如图3-7所示已知：齿轮d=420mm电动机功率P=1KW转速n=800r/min轴所受的转距圆周力传动比为i=1.875则径向力轴向力 对轴进行水平受力分析如图3-8,垂直受力分析如图3-9,轴的总弯矩图3-10,轴的转矩图3-11图3-8轴的水平受力分析图图3-9轴的垂直受力分析图图3-10轴的总弯矩图图3-11轴的转矩图水平方向的方程组垂直方向的方程组合成弯矩因为轴的材料是45#则可查表得较核轴径：轴径所以轴的强度合格3.5轴承的选择(1)轴承按其所能承受的载荷方向或公称接触角的不同，分为：1)向心轴承主要用于承受径向载荷的滚动轴承，其公称接触角从0到45。按公称接触角不同，又分为：径向接触轴承公称接触角为0的向心轴承：向心角接触轴承公称接触角大于0到45的向心轴承。2)推力轴承主要用于承受轴向载荷的滚动轴承，其公称接触角大于45到90。按公称接触角不同又分为：轴向接触轴承公称接触角为90的推力轴承：推力角接触轴承公称接触角大于45但小于90的推力轴承。(2)轴承按其滚动体的种类，分为：1)球轴承滚动体为球。2)滚子轴承滚动体为滚子。滚子轴承按滚子种类，又分为：圆柱滚子轴承滚动体是圆柱滚子的轴承，圆柱滚子的长度与直径之比小于或等于3；滚针轴承滚动体是滚针的轴承，滚针的长度与直径之比大于3，但直径小于或等于5mm;圆锥滚子轴承滚动体是圆锥滚子的轴承;调心滚子轴承一一滚动体是球面滚子的轴承。(3)轴承按其工作时能否调心,分为:1)调心轴承滚道是球面形的,能适应两滚道轴心线间的角偏差及角运动的轴承;2)非调心轴承(刚性轴承)能阻抗滚道间轴心线角偏移的轴承。(4)轴承按其部件能否分离,分为：1)可分离轴承具有可分离部件的轴承；2)不可分离轴承轴承在最终配套后,套圈均不能任意自由分离的轴承。推力球轴承是一种分离型轴承，轴圈、座圈可以和保持架、钢球的组件分离。轴圈是与轴相配合的套圈，座圈是与轴承座孔相配合的套圈，和轴之间有间隙；推力球轴承只能够承受轴向负荷，单向推力球轴承是只能承受一个方向的轴向