微机控制超低速运动下降杆设计 13页

微机控制超低速运动下降杆设计作者：孙国浩指导教师：郑堤（宁波大学工学院，浙江宁波）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：低速；机械结构；单片机；电路1引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结构设计（总装图参见附录二）2.1结构方案的比较与选择\n设计要求的速度变化范围为0.5～100mm/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\n丝杠—蜗杆式（方案一）图a蜗杆：10～40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4～5m/s的情况下；滑动丝杠自锁性能好。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。由于电机尺寸比较大，因此设计采用Ｖ带传动将电机固定在下方。\n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。2.2零件设计与选用2.2.1电机选用交流电机驱动：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=85.7W，选用电动机的额定功率Ped为90W，n0=1400rpm。步进电机驱动：载荷F=500N，速度0.5～1000mm/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：α=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：7.8×10-7kgm2。2.2.2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45～55HRC；表面粗糙度Ra≤1.6μm。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：i=n1/n2=15，z1=2，z2=\niz1=15×2=30，m=1.6校核（略）2.2.3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Tr24×5-7H/7e。螺母高度H=40mm，=螺纹圈数n=8圈。校核（略）2.2.4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；输出最大转矩2N·m；能够满足设计要求。2.2.5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\n固定。（如右图）综合比较，采用方案三。3控制部分设计（电气图参见附录一）3.1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：显示器可以显示位移、时间、速度；其中位移的显示精度为1μm，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。3.2芯片选择与电路设计3.2.1单片机选择根据设计要求选用MSC—51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。3.2.28255扩展与键盘、显示器接口设计8255与8051的接口方法：\n8255的、分别连接8051的、；8255的D0~D7接8051的P0口；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Y0～Y5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。3.2.3步进电机与交流电机驱动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：\n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。3.2.4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12MHz。公式如下：（十进制）=（十六进制）3.2.5电源设计步进电机为+27V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，0.1μf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。\n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[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，1997[2]蔡春源主编．新编机械设计手册．辽宁：辽宁科学技术出版社，1993[3]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，2001[4]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，2000[5]濮良贵，纪名刚主编．机械设计（第七版）．北京：高等教育出版社，2001[6]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，1999[7]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，2001[8]甘永力主编．几何公差与检测（第五版）．\n上海：上海科学技术出版社，2003[10]孙恒、陈作模主编．机械原理（第六版）．北京：高等教育出版社，2000[11]成大先主编．机械设计手册．北京：化学工业出版社，1993[12]王晓明主编．电动机的单片机控制．北京：北京航空航天大学出版社，2002[13]周开勤主编．机械零件手册（ 第3版）．北京：高等教育出版社, 1989[14]龚桂义主编．机械设计课程设计图册（第3版）． 北京: 高等教育出版社, 1989.5[15]曲学基，王增福，曲敬铠编著．稳定电源实用电路选编[专著] ．北京: 电子工业出版社, 2003附录一：电气图\n附录二：机械装配图附录三：控制面板\n\n