微机控制超低速运动下降杆设计.docx
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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
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
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
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。
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8
10-3m/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=iz1=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:
8255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:
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。
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。
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附录一:
电气图
附录二:
机械装配图
附录三:
控制面板
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