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1、机电一体化-回转工作台的设计二、设计任务及要求设计题目：数控回转工作台的设计1 .设计内容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书；2 .设计要求包括：回转角度O360。；最大回转半径400mm；最大承载重量50kg；3 .机械局部的设计：装配工作图1张11号）；4 .计算机控制的设计：控制系统接口图一张；5 .控制装置采用步进电机驱动，MCS-51或单片机FX2N-PLC控制系统，软件环分，由键盘输入实现开环控制。三、机械系统设计在数字回转工作台机械传动局部选用蜗轮蜗杆传动,因为蜗杆传动平稳,振动,冲击和噪声均较小;能以单级传动获得教大的传动比,构造紧凑,
2、有利于实现回转工作台所要求的分度的实现.应选用蜗轮蜗杆传动.（一）、蜗杆类型的选择：蜗杆选择为渐开线圆柱蜗杆.因为此种蜗杆不仅可车削还可以像圆柱齿轮那样用齿轮滚刀滚削,并可用但面或单锥面砂磨削.制造精度高.是普通圆柱蜗杆传动中较理想的传动.传动效率也高,在动力传动和机床精细传动中应用较为广泛.（二）、蜗杆蜗轮材料的选择：由于蜗杆传动啮合摩擦较大,且由于蜗轮滚刀的形状尺寸不可能做得和蜗杆绝对一样,被加工出的蜗轮齿形难以和蜗杆准确共胡,必须依靠运转跑合才渐趋理想,因此材料副的组合必须具有良好的减摩和跑合性能以及抗胶合性能。所以蜗轮通常青铜或铸铁做齿圈，并尽可能与淬硬并经磨削的钢制蜗杆相匹配。应选择
3、:蜗杆材料为：渗碳钢，外表淬硬56-62HRC牌号为20GrMnTi.蜗轮材料为：铸造锡青铜，牌号为ZCUSnloPbl（三）、蜗杆蜗轮参数计算：1.蜗杆传动尺寸确实定：由设计题H中要求可知：工作台回转直径最大为400mm50千克.由?齿轮手册？（上）表6.2-3取蜗杆蜗轮中心距标准a=225mm;估取蜗杆分度圆直径：为能获得较大的传动比,取蜗杆头数为:z=l;z=90估取模数m:m=（1.41.7）az=3.6取m=4q=dm=804=206tan=zq那么=2.86o2.确定蜗轮蜗杆各参数值蜗杆尺寸“1）蜗杆轴向齿距:P=TIm=3.14x4=12.562）螺旋线导程:P=pXz=15.4
4、4=12.563）法向齿形角:对于ZI蜗杆n=20。在分度传动中允许减小齿形角=154）直径系数:q=dm=804=205）蜗杆分度圆（中圆）直径:d（d）=d=qm=806）蜗杆分度圆（中圆柱）导程角：y=2.86。渐开线蜗杆：基圆柱导程角：YeOs=cosancos=15.2647）基圆直径:Cld=zmtan=14.168）法向基节:P=mcos=12.129）蜗杆齿轮顶高:h=hm=14=410蜗杆齿根高:h=1.2m=4.811）蜗杆全齿高:h=h+h=4+4.8=8.812）顶隙:C=0.2m=0.813）齿根圆半径:P=0.3m=1.214）蜗杆齿顶圆直径:d=d+2h=8815
5、）蜗杆齿根圆直径:d=d2h=70.416）蜗杆齿宽:b=95蜗轮尺寸：1）蜗轮中圆螺旋角:p=7=2.86。2）蜗轮分度圆（节圆）直径:d=mz=460=240mm3）蜗轮中圆直径:d=d=240mm4）蜗轮齿顶高:h=14=4mm5）蜗轮齿根高:h=1.24=4.8mm6）蜗轮全齿高:h=h=8.8mm7）蜗轮齿顶圆直径:d=d+2ha=240+8=248mm8）蜗轮齿根圆直径:df2=d-2h=240-9.6=230.4mm9）蜗轮夕卜圆直径:d=d+m=248+5=253mm10）蜗轮齿宽:b=80.3mm（四）、蜗轮带开工作台转动需抑制的力：滚动导轨的摩擦系数为:f=0.00250.
6、005取:f=0.005工作台重量为:50kg9.8=490N摩擦力:那么可知:周向力F=G7f=4900.005=2.46N（五）、蜗轮蜗杆的支承构造：蜗杆及蜗轮的支承通常都采用滚动轴承,蜗杆支承跨距LI应尽量紧凑。通常LI=（1.31.5）a.其中1.3用于a500.1.5用于a5000蜗轮支承跨距L2=（0.5-0.7）d2od2为蜗轮分度圆直径，其中0.7适用于小尺寸传动。蜗轮蜗杆具有轴向力，当跨距小时常采用接触球轴承或圆锥滚子轴承。轴向力不大是亦可采用向心球轴承。支承跨距较大或载荷有冲击而双向传动时，可在一个支座上采用两个相反方向放置的角接触球轴承或圆锥滚子轴承并加以预紧，在设计中选
7、用圆锥滚子轴承（7306E）用于承受轴向及径向力。另一支座那么采用一个单列向心球轴承或圆柱滚子轴承（选用圆柱滚子轴承2208）并允许针对箱体有相对轴向游动，也可在一端采用双列调心球轴承或双列调心滚子轴承。另一端采用单受径向力的向心轴承。向位置和游隙的调整依靠事先磨削好的调整环或垫片组，他们可以放置在轴承外圆和压盖圆筒之间。而垫片组也可放置在压盖端面和箱体凸缘之间。（六）回转台构造图1回转台构造四、步进电动机的选择磁阻式步进电动机由于其构造简单，性能可靠，分辨率高等优点，应选择磁阻式步进电动机。90BF006磁阻式步进电动机产品数据：相数：5步距角:0.36电压：24相电流：3A最大静转矩2.1
8、56N7M空载起动频率：f=2400steps电阻：0.76分配方式：五相十拍重量:2.2kg五、控制系统设计（一）系统方案设计构成本系统包括机械局部和伺服电机控制两局部。根据所给的要求，拟用开环控制构造设计方案，其开环系统构造原理如图1。图2开环系统构造原理具体原理：编写单片机指令，通过扫描键盘输入的数字记录需要转动的角度,然后计算需要输出的脉冲，用软件的方法实现脉冲的输出，然后由光电耦合电路减小外部的干扰，接着用环行分配器使各相绕组按一定的顺序通电，由功率放大电路实现功率的放大，然后接步进电动机，通过联轴器把力矩传到蜗杆、蜗轮减速器。由于蜗轮与回转工作台以传动轴相连接，具有一样的角速度，使
9、得蜗轮的转动带动回转工作台的转动。理论上，回转工作台的转动角位移精度由微机发出的电平信号来控制。（二）、单片机的选用本设计选用8031芯片，片内无Re）M或者EPRc）M,使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。本设计选用了2764扩展其空间，8031的引脚分3大功能:（1）I/O口线PO,P1,P2,P3共4个八位口。（2）控制线PSEN（片外取指控制）、ALE地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET（复位控制）。（3）电源和时钟8031最小应用系统。8031内部不带RC）M,需要外接EPRoM作为外部程序存储器。又因为8031在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8位信息和数据
10、信息分时送出，故还需要采用一片74LS373来锁存低8为地址信息。这样，一片2764EPRc）M和一片74LS373组成了一个最小的计算机应用系统。MCS-51的程序存储器空间与数据存储器空间是相互独立的。用户可最多扩展到64kb的程序存储器几64kb的数据存储器，编址为0000H-FFFFHo片内8kb单元地址要求地址线13根（A0A12）它由PO和P2.0P2.4组成。地址锁存器的锁存信号为ALE。程序存储器的取地址消耗为PSEN。由于程序存储器芯片只有一片，所以其片选端31）直接接地。8031芯片本身的连接31必须接地来说明选择外部存储器外，还必须有复位和时钟电路。在此系统中有Pl、P3
11、作为用户1/0口使用；74LS373为地址锁存器，他是一片三态输出8D触发器，当OE二I时三态门导通，输出线上为8为锁存器的状态。当OE=I时输出为高住抗转台。G为锁存信号输入线，G=I时锁存器输出等于D端输入，G输入短跳变将输入信息锁存到8为锁存器中。当8031在访问外部程序存储器时，P2口输入高8为地址：P6口分时传送底8为地址和指令字节。在ALE为高电平时，PO输出的地址有效，并由ALE的下降沿锁存到地址锁存器中，此时外部程序存储器宣统信号线PSEN出现低电平，选通相应的外部。EPROM存储器；相应的指令字节出现在EPROM的数据线（00-07）上，输入到PO口，CPU将指令字节读入指令
12、存放器。（三）、光电耦合为了防止强电干扰及其干扰信号通过I/O控制电路进入计算机,影响其工作，通常的方法是实现采用滤波吸收，控制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的方法，使微机与强电部件不共地，中断干扰信号的传导，光电隔离电路主要有光电耦合器的光电转换元件组成。控制输出时，微机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经过反相加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏三极管截止，输出信号几乎等于加在光敏三极管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏三极管接收发光二极管发出的光而导
13、通，于是输出端的电平几乎等于零。1四)、环形分配器步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电动机按一定规律变化的局部称为脉冲分配器。实现环形脉冲分配器功能有两种：一种是纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号；其电路图如图图3输出各相导通或截止信号图本设计以五相十拍电机为控制对象，它的通电方式为AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB,共有10个通电状态。如果Pl口输出的控制信号中，0代表绕组通电，1代表使绕组断电，那么可用10个控制字来对应这10个通电状态。这10个控制字如下表通电状态P1.4(E)Pl.3(D)P
14、1.2(C)PLl(B)PLO（八）控制字AB11100FCHABC11000F8HBC11001F9HBCD10001FlHCD10011F3HCDE00011E3HDE00011E7HDEA00111E6HEA01110EEHEAB01100ECH在程序中，只要依次将这10个控制字送到Pl口，步进电动机就会转动一个齿距角。每送一个空子就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。程序就是根据这个原理进展设计的。1五）、功率放大器从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电动机，必须采用功率放大器将脉冲电流进展放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动电动机运转。由
15、于电动机各相绕组都是绕在铁心上的铁圈。所以电感较大，绕组通电时，电流上升受到限制，因而影响电动机各相绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已经有的电流不能突变。在绕组断电时会产生反电动势。为使电流尽快衰减并释放反电动势必须增加适当的续流回路。本设计采用单电压功率放大电路，如图图4单电压功率放大电路图步进电动机的输出转距随频率升高而下降的原因可以这样承受：由于有绕组电感的一向，绕组中电流的波形如上所示，电流上升需要一定的时间，电流上升的驱动电流的时间常数Taa=LZRa1.-绕组的电感；Ra通电回路的总电阻，包括绕组线圈电阻，限流电阻Rl和晶体管结电阻。电流下降时放电回路的
16、时间常数Tbb=LZRb1.-绕组的电感；Rb一通电回路的总电阻，包括绕组线圈电阻，耗能电阻R2晶体管结电阻。本设计考虑的精度原因，选取Rl=R2=1OQ六、程序编写键盘子程序：KEY：LCALLKS2检查有闭合键否JNZMKlA非0,有键闭合那么转LJMPMK7无键闭合转返回MK1：LCALLDIR有键闭合，那么延时12msLCALLDIR消抖LCALLKS2再次检查有键闭合JNZMK2假设无键闭合那么转LJMPMK7假设无键闭合那么转返回MK2：MOVPl,#F0H发行线全扫描信号，列线全1MOVA,Pl读入列状态ANLA,#F0H保存高4位CJNEA,#FOH,MK3有键按下那么转LJM
17、PMK7无闭合键转返回MK3：MOVR2,A保存列值ORLA,#OFH列线信号保存，行线全1MOVPl,A从列先输出MOVA,Pl读入PI口状态ANLA,#OFH保存行线值ADDA,R2将行线值和列线值合并MOVR2,A暂存与R2中MOVR3,#00HR3存简直MOVDPTR,#TRBE指向键值表首地址MOVR4,#10H查找次数送R4MK4：CLRAMOVCA,A+DPTR表中值送入AMOV70H,A暂存与70H单元中MOVA,R2键特征值送入ACJNEA,70H,MK6未查到那么转MK5:LCALLDIR扫描1遍显示器LCALLKS2还有键闭合否JNZMK5假设键未释放，那么等待LCALL
18、DIR假设键已释放，那么延时12msLCALLDIR消抖MOVA,R3将键值存入A中MK6:INCR3键值加一INCDPTR表地址加1DJNER4,MK4未查到，反复查找MK7:MOVA,#FFH无闭合键标志存入A中RET返主KS2:MOVP1,#FOH闭合键判断子程序MOVA,P1发全扫描信号，读入列线值ANLA,#FOH保存列线值CPLA取反，无键按下全ORET返主TRBE:DB01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08HDB09H,OOH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH把输入的数字转换成字节数：MOVA,30HMOVB,#64HMULABMOVR6,AM
19、OVR7,AMOVA,#31HMOVB,#OAHMULABADDA,R6MOVA,#32HMOVR6,A这样高位在R7中，低位在R6中计算程序：MOVR5,#00HMOVR4,#4BHRET返主DIVMOVA,R5除数高8位送AJNZBEGIN除数非零那么转BEGINMOVA,R4除数底8位送AJZOVER除数为零置益出标志BEGIN:MOVA,R7被除数高8位送AJNZBEGINl被除数非零那么转BEGINlMOVA,R6被除数低8位送AJNZBEGINl被除数非零那么转BEGlNIRET被除数为零那么返回BEGINkCLRA清余数单元MOVR2,AMOVR3,AMOVRl,#10H双字节除
20、法计数器置16DIVl:CLRC开场R3R2R7R6左移MOVA,R6被除数低8位送ARLCAR6循环左移一位MOVR6A左移结果送回MOVA,R7被除数高8位送ARLCAR7循环左移一位MOVR7,A左移结果回送MOVA,R2余数左移一位RLCAMOVR2,AMOVA,R3RLCAMOVR3,ADIV2MOVA,R2开场局部余数减除数SUBBA,R3低8位先减MOVRO,A暂存差值MOVA,R3MOVA,R5高8位相减JCNEXT假设局部余数除数那么转NEXTINCR6假设局部余数=除数那么商为1MOVR3,A新余数存R3R2MOVA,ROMORR2,ANEXT:DJNZRl,DIVl16位
21、除完那么返回MOVA,R3开场四舍5入处理JBA.7,ADD1假设余数最高位为1那么进1CLRC开场余数乘2处理MOVA,R2RLCA余数低8位乘2MOVR2,AMOVA,R3RLCA余数8位乘2SUBBA,R5余数*2-除数JCNOOVER假设余数*小除数那么转JNZADDl假设够减那么转进1MOVA,R2高8位相等时比较底8位SUBBA,R4JCNOOVER余数*2除数那么转ADDkMOVA,R6开场商进1处理ADDA,#OlHMOVR6,AMOVA,R7ADDCA,#OOHMOVR7,ANOOVER:MOVOVER,#OOH清益出标志RETRET中断、循环产生脉冲：ORGOOlBHTl中
22、断入口LJMPHERE转到HERE处ORG2000H主程序MOVTMOD,#10HTl工作于方式1MOVA,R3设置计数初值MOVTHlAMOVA,R2MOVTLlASETBEACPU开中断SETBETl允许Tl中断SETBTRl启动Tl定时INT:INCRO正转加1CJNERO,#OAH,ZZ如果计数器等于10修正MOVRO,#OOHZZ:MOVA,RO计数器值送AMOVDPTR,#ABC指向数据存放首地址MOVCA,A+DPTR取控制字MOVPl,A送控制字到Pl口RETABC:DBOFCHQF8HQF9HQF1H,OF3HDBOE3H,0E7H,0E6H,OEEH,OECHOVER:MO
23、VOVER,#OOH置益出标志等待键盘再次输入：中断就跳到在这里HERECJNEA,#FFHKEY七、设计心得?机电一体化系统设计?是一门综合性课程，它是一门机械技术与微电子技术的穿插学科。随着机械技术、微电子技术的飞速开展，机械技术与微电子技术的相互渗透越来越快。本次设计的数控回转工作台就是机电有机结合的产品。参考文献1濮良贵纪名刚主编.机械设计M.北京：高等教育出版社，2005,11.2张建民等编著.机电一体化系统设计M.北京：高等教育出版社，2001,3周斌主编.机电一体化使用技术手册M.北京：兵器工业出版社，1994,4张毅坤陈善久裘雪红编著.单片机微型计算机原理及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，1998,8.5齿轮手册编委会.齿轮手册上）M.兵器工业出版社机械工业出版社，1990.6孔峰编著.微型计算机控制技术M.重庆：重庆大学出版社，2003,1.7洛阳轴承研究所编.滚动轴承M.北京：机械工业出版社，1988.8房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.M国防工业出版社，2001.9邓星钟主编.机电传动控制M.华中科技大学出版社，2001,3.10洪家娣，李明，黄兴元.机械设计指导M.江西高校出版社，2006,7.11姜培刚，盖玉先主编.机电一体化系统设计M.北京:机械工业出版社，2011,06.
