毕业设计（论文）-带自动分度机构的法兰盘加工回转工作台的设计.doc

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。 关键词关键词 步进电动机；自动分度；齿轮传动 I Abstract This subject is a special design to the flange with automatic processing of the rotary table, the subject is to use a stepper motor of automatic control, then through the drive spindle and the workpiece rotation, and then processing flange plate of the drilling machine, the work piece can be revolving random angle. Under the control of the microcontroller, the pulse per second from the stepper motor decides the table of the transfer point. Keywords stepper motor automatic degrees gear 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 目 录 1 1 绪论绪论 .1 1.1 回转工作台的简介和应用 .1 1.1.1 回转工作台的简介 .1 1.1.2 回转工作台的应用 .2 2 2 方案的选择方案的选择 .3 2.1 数控回转工作台 .4 2.2 分度工作台 .4 2.2.1 开环数控转台 .4 2.2.2 闭环数控回转工作台 .5 3 3 工作台的设计工作台的设计.7 3.1 加工零件分析 .7 3.2 步进电动机的选择 .8 3.2.1 步进电动机简介 .8 3.2.2 步进电动机的选择和参数 .9 3.2.3 单片机控制步进电机原理.11 3.2.4 单片机驱动工作台上步进电机设计 .12 3.3 锥齿轮的选择和计算 .21 3.3.1 齿轮设计输入参数.21 3.3.2 齿轮的材料及热处理.21 3.3.3 齿轮的基本参数.21 3.3.4 齿面接触疲劳强度校核.23 3.3.5 齿根弯曲强度校核.24 3.4 心轴的设计 .25 3.4.1 轴类零件的技术要求.25 3.4.2 轴类零件的材料、毛坯及热处理.25 3.4.3 心轴的较核.25 3.5 轴承的选择 .30 3.5.1 轴承的分类.30 3.5.2 推力球轴承的作用 .30 3.5.3 轴承的选定 .31 3.5.4 轴承的动载荷和寿命计算.31 徐州工程学院毕业设计(论文 ) I 3.6 夹紧装置的设计 .32 3.7 箱体的设计 .33 结论结论 .33 致谢致谢 .36 参考文献参考文献 .37 附录附录 .38 附录 1 .38 附录 2 .43 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 0 1 绪论 1.1 回转工作台的简介和应用 1.1.1 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 200-450 mm 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 203 一 914mm，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 200-1250mm,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 726mm 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= 610mm，每齿间距仅为 0.432mm， 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 1 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 213，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。 1.1.2 回转工作台的应用 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 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 2 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。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 3 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： 2.2.1 开环数控转台 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 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 4 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 10 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。 2.2.2 闭环数控回转工作台 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 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 5 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。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 6 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。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 7 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 3.2.1 步进电动机简介 3.2.1.1 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。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 8 3.2.1.2 步进电动机原理 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):ABC正转;ACB反转。 2)双相三拍方式(按双相绕组施加电流脉冲):ABBCCA正转; ACCBAB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): AABBBCCCA正转;AACCCBBBA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。 3.2.2 步进电动机的选择和参数 （1）步进电机的选择 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 9 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= M =2n/60 P=2nM/60 其 P 为功率单位为瓦， 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=2fM/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。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 10 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/ o （） 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 52 10.Kg m 重量： 1.1（Kg） 3.2.3 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 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 11 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。 3.2.4 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(1040 v); （2） 输出电流可达 15 A(平均)和 25 A(峰值); （3） 具有整步、半步、14 细分、18 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。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 12 图 3-1 TA8435 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 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 13 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 3-2 TA8435 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 14 细分方式运转;Ml=1、M2=1,电机按 l8 步细分方式运转。 CWCWW 控制电机转动方向,CKl、CK2 时钟输入的最大频率不能超过 5 kHz。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 08 V,REFIN 为低电平时,NFA 和 NFB 输出电压为 05 V,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=VrefRnf。图 3-3 中,设 REFIN=l,选用步进电机额定电 流为 04 A,Rl、R2 选用 16 、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。D1D4 快恢复二极管用来泄 放绕组电流。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 14 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 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 15 按上面的分析，改变转速，只要改变 P1.0P1.3 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 StartEnd bit 01H ;起动及停止标志 MinSpd EQU 25 ;起始转动速度 MaxSpd EQU 100 ;最高转动速度 Speed DATA 23H ;流动速度计数 Hidden EQU 10H ;消隐码 Counter DATA 57H ;显示计数器 DISPBUF DATA 58H ;显示缓冲区 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH JMP DISP ORG 001BH JMP DJZD ORG 30H MAIN: MOV SP,#5FH MOV P1,#0FFH MOV A,#Hidden MOV DispBuf,A MOV DispBuf+1,A MOV DispBuf+2,A MOV DjCount,#11110111B MOV SPEED,#MinSpd ;起始转动速度送入计数器 CLR StartEnd ;停转状态 MOV TMOD,#00010001B ; MOV TH0,#HIGH(65536-3000) MOV TL0,#LOW(65536-3000) MOV TH1,#0FFH; 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 16 MOV TL1,#0FFH SETB TR0 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 LOOP: 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: MOV A,Speed MOV B,#10 DIV AB MOV DispBuf+5,B ;最低位 MOV B,#10 DIV AB MOV DispBuf+4,B MOV DispBuf+3,A JB StartEnd,m_Next2 CLR TR1 ;关闭电机 JMP LOOP ORL P1,#11110000B m_Next2: SETB TR1 ;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 1 JB ACC.3,KeySty JB ACC.4,UpSpd JB ACC.5,DowSpd AJMP KEY_RET StartStop: 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 17 SETB StartEnd ;启动 AJMP KEY_RET KeySty: CLR StartEnd; ;停止 AJMP KEY_RET UpSpd: INC SPEED; MOV A,SPEED CJNE 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_RET DowSpd: DEC SPEED MOV A,SPEED CJNE A,#MAXSPD,KEY_RET ;不等（未到最大值），返回 MOV SPEED,#MinSpd; KEY_RET: RET KEY: 获取键值的程序 RET DjZd: ;定时器 T1 用于电机转速控制 PUSH ACC PUSH PSW MOV A,Speed SUBB A,#MinSpd ;减基准数 MOV DPTR,#DjH MOVC A,A+DPTR MOV TH1,A MOV A,Speed SUBB A,#MinSpd MOV DPTR,#DjL MOVC A,A+DPTR MOV TL1,A 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 18 MOV A,DjCount CPL A ORL P1,A MOV A,DjCount JNB ACC.7,d_Next1 JMP d_Next2 d_Next1: MOV DjCount,#11110111B d_Next2: MOV A,DjCount RL A MOV DjCount,A ;回存 ANL P1,A POP PSW POP ACC RETI DjH: DB 76,82,89,95,100,106,110,115,119,123,12 DjL: DB 0,236,86,73,212,0,214,96,163,165 DISP: ;显示程序 POP PSW POP ACC RETI BitTab: DB 7Fh,0BFH,0DFH,0EFH,0F7H,0FBH DISPTAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH END (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