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 ） 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

2、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 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

3、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 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

4、 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 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

5、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 8 10-3m

6、/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

7、-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： 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，

8、=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；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

9、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。

10、“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 RDWRRDWR

11、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 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

12、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

13、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 12MHz。公式如下： 2 10v （十进制）=Ta 16 2 v 297619 216 （十六进制） v HA FFFFH 9348 3.2.53.2.5 电源设计电源设计 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

14、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 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

15、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） 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