1、-. z.機電一體化-回轉工作臺的設計二、設計任務及要求設計題目：數控回轉工作臺的設計1. 設計內容包括：總體設計，機械系統的設計與計算，計算機控制系統設計，編寫設計計算說明書；2. 設計要求包括：回轉角度0360；最大回轉半徑400；最大承載重量50；3.機械局部的設計：裝配工作圖1* 1號；4.計算機控制的設計：控制系統接口圖一*；5.控制裝置采用步進電機驅動，MCS-51或單片機F*2N-PLC控制系統，軟件環分，由鍵盤輸入實現開環控制。三、機械系統設計在數字回轉工作臺機械傳動局部選用蝸輪蝸桿傳動,因為蝸桿傳動平穩,振動,沖擊和噪聲均較小;能以單級傳動獲得教大的傳動比,構造緊湊,有利于實

2、現回轉工作臺所要求的分度的實現.應選用蝸輪蝸桿傳動.一、蝸桿類型的選擇:蝸桿選擇為漸開線圓柱蝸桿.因為此種蝸桿不僅可車削還可以像圓柱齒輪那樣用齒輪滾刀滾削,并可用但面或單錐面砂磨削.制造精度高.是普通圓柱蝸桿傳動中較理想的傳動.傳動效率也高,在動力傳動和機床精細傳動中應用較為廣泛.二、蝸桿蝸輪材料的選擇:由于蝸桿傳動嚙合摩擦較大,且由于蝸輪滾刀的形狀尺寸不可能做得和蝸桿絕對一樣,被加工出的蝸輪齒形難以和蝸桿準確共軛,必須依靠運轉跑合才漸趨理想,因此材料副的組合必須具有良好的減摩和跑合性能以及抗膠合性能。所以蝸輪通常青銅或鑄鐵做齒圈，并盡可能與淬硬并經磨削的鋼制蝸桿相匹配。應選擇:蝸桿材料為：滲

3、碳鋼，外表淬硬56-62HRC 牌號為20GrMnTi.蝸輪材料為：鑄造錫青銅，牌號為ZcuSn10Pb1三、蝸桿蝸輪參數計算：1. 蝸桿傳動尺寸確實定：由設計題目中要求可知：工作臺回轉直徑最大為400mm/50千克.由齒輪手冊上表6.2-3取蝸桿蝸輪中心距標準a=225mm;估取蝸桿分度圓直徑:為能獲得較大的傳動比,取蝸桿頭數為: z =1;z =90估取模數m: m=(1.41.7)a/ z =3.6 取m=4q=d /m=80/4=206 tan= z /q 則=2.862.確定蝸輪蝸桿各參數值蝸桿尺寸1) 蝸桿軸向齒距:p =m=3.144=12.562)螺旋線導程:p =p z =1

4、5.44=12.563)法向齒形角:對于ZI蝸桿n=20在分度傳動中允許減小齒形角 =154)直徑系數:q= d /m=80/4=205) 蝸桿分度圓(中圓)直徑: d (d )= d =qm=806) 蝸桿分度圓(中圓柱)導程角: =2.86漸開線蝸桿:基圓柱導程角: cos =cosncos =15.2647)基圓直徑:d d = z m/tan =14.168)法向基節:p =m cos =12.129)蝸桿齒輪頂高:h =h m=14=410蝸桿齒根高:h =1.2m=4.811)蝸桿全齒高:h = h + h =4+4.8=8.812)頂隙:c =0.2m=0.813)齒根圓半徑:

5、=0.3m=1.214) 蝸桿齒頂圓直徑:d =d +2 h =8815) 蝸桿齒根圓直徑:d = d -2 h =70.416)蝸桿齒寬:b =95蝸輪尺寸:1)蝸輪中圓螺旋角: =2.862) 蝸輪分度圓(節圓)直徑:d =m z =460=240mm3)蝸輪中圓直徑:d = d =240mm4)蝸輪齒頂高:h =14=4mm5)蝸輪齒根高:h =1.24=4.8mm6) 蝸輪全齒高:h =h =8.8mm7) 蝸輪齒頂圓直徑:d =d+2ha=240+8=248mm8) 蝸輪齒根圓直徑:df2= d -2h =240-9.6=230.4mm9) 蝸輪外圓直徑:d = d +m=248+5

6、=253mm10)蝸輪齒寬:b =80.3mm四、蝸輪帶開工作臺轉動需克制的力:滾動導軌的摩擦系數為:f=0.00250.005取:f=0.005工作臺重量為:509.8=490N摩擦力:則可知:周向力F=Gf=4900.005=2.46N五、蝸輪蝸桿的支承構造:蝸桿及蝸輪的支承通常都采用滾動軸承,蝸桿支承跨距L1應盡量緊湊。通常L1=1.31.5a.其中1.3用于a500。1.5用于a500。蝸輪支承跨距L2=0.5-0.7d2。d2為蝸輪分度圓直徑，其中0.7適用于小尺寸傳動。蝸輪蝸桿具有軸向力，當跨距小時常采用接觸球軸承或圓錐滾子軸承。軸向力不大是亦可采用向心球軸承。支承跨距較大或載荷有

7、沖擊而雙向傳動時，可在一個支座上采用兩個相反方向放置的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承并加以預緊，在設計中選用圓錐滾子軸承7306E用于承受軸向及徑向力。另一支座則采用一個單列向心球軸承或圓柱滾子軸承選用圓柱滾子軸承2208并允許針對箱體有相對軸向游動，也可在一端采用雙列調心球軸承或雙列調心滾子軸承。另一端采用單受徑向力的向心軸承。向位置和游隙的調整依靠事先磨削好的調整環或墊片組，他們可以放置在軸承外圓和壓蓋圓筒之間。而墊片組也可放置在壓蓋端面和箱體凸緣之間。六回轉臺構造圖1 回轉臺構造四、步進電動機的選擇磁阻式步進電動機由于其構造簡單，性能可靠，分辨率高等優點，應選擇磁阻式步進電動機。90BF00

8、6磁阻式步進電動機產品數據：相數：5步距角：0.36電壓：24相電流：3A最大靜轉矩2.156NM空載起動頻率：f=2400step/s電阻：0.76分配方式：五相十拍重量：2.2kg五、控制系統設計一系統方案設計構成本系統包括機械局部和伺服電機控制兩局部。根據所給的要求，擬用開環控制構造設計方案，其開環系統構造原理如圖1。圖2開環系統構造原理具體原理：編寫單片機指令，通過掃描鍵盤輸入的數字記錄需要轉動的角度，然后計算需要輸出的脈沖，用軟件的方法實現脈沖的輸出，然后由光電耦合電路減小外部的干擾，接著用環行分配器使各相繞組按一定的順序通電，由功率放大電路實現功率的放大，然后接步進電動機，通過聯軸

9、器把力矩傳到蝸桿、蝸輪減速器。由于蝸輪與回轉工作臺以傳動軸相連接，具有一樣的角速度，使得蝸輪的轉動帶動回轉工作臺的轉動。理論上，回轉工作臺的轉動角位移精度由微機發出的電平信號來控制。二、單片機的選用本設計選用8031芯片，片內無ROM或者EPROM，使用時必須配置外部的程序存儲器EPROM。本設計選用了2764擴展其空間，8031的引腳分3大功能：1I/O口線P0,P1,P2,P3共4個八位口。2控制口線PSEN(片外取指控制)、ALE地址鎖存控制、EA片外存儲器選擇、RESET復位控制。3電源和時鐘8031最小應用系統。8031內部不帶ROM，需要外接EPROM作為外部程序存儲器。又因為80

10、31在外接程序存儲器或數據存儲器時地址的低8位信息和數據信息分時送出，故還需要采用一片74LS373來鎖存低8為地址信息。這樣，一片2764EPROM和一片74LS373組成了一個最小的計算機應用系統。MCS-51的程序存儲器空間與數據存儲器空間是相互獨立的。用戶可最多擴展到64kb的程序存儲器幾64kb的數據存儲器，編址為0000HFFFFH。片內8kb單元地址要求地址線13根A0A12。它由P0和P2.0P2.4 組成。地址鎖存器的鎖存信號為ALE。程序存儲器的取地址消耗為PSEN。由于程序存儲器芯片只有一片，所以其片選端31直接接地。8031芯片本身的連接31必須接地來說明選擇外部存儲器

11、外，還必須有復位和時鐘電路。在此系統中有P1、P3口作為用戶I/O口使用；74LS373為地址鎖存器，他是一片三態輸出8D觸發器，當OE=1時三態門導通，輸出線上為8為鎖存器的狀態。當OE=1時輸出為高住抗轉臺。G為鎖存信號輸入線，G=1時鎖存器輸出等于D端輸入，G輸入短跳變將輸入信息鎖存到8為鎖存器中。當8031在訪問外部程序存儲器時，P2口輸入高8為地址：P6口分時傳送底8為地址和指令字節。在ALE為高電平時，P0口輸出的地址有效，并由ALE的下降沿鎖存到地址鎖存器中，此時外部程序存儲器宣統信號線PSEN出現低電平，選通相應的外部。EPROM存儲器；相應的指令字節出現在EPROM的數據線O

12、0O7上，輸入到P0口，CPU將指令字節讀入指令存放器。三、光電耦合為了防止強電干擾及其干擾信號通過I/O控制電路進入計算機，影響其工作，通常的方法是實現采用濾波吸收，控制干擾信號的產生，然后采用光電隔離的方法，使微機與強電部件不共地，中斷干擾信號的傳導，光電隔離電路主要有光電耦合器的光電轉換元件組成。控制輸出時，微機輸出的控制信號經74LS04非門反相后，加到光電耦合器G的發光二極管正端。當控制信號為高電平時，經過反相加到發光二極管正端的電平為低電平，因此，發光二極管不導通，沒有光發出。這時光敏三極管截止，輸出信號幾乎等于加在光敏三極管集電極上的電源電壓。當控制信號為低電平時，發光二極管導通

13、并發光，光敏三極管接收發光二極管發出的光而導通，于是輸出端的電平幾乎等于零。四、環形分配器步進電動機的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電動機按一定規律變化的局部稱為脈沖分配器。實現環形脈沖分配器功能有兩種：一種是純軟件方法，即完全用軟件來實現相序的分配，直接輸出各相導通或截止的信號；其電路圖如圖圖3輸出各相導通或截止信號圖本設計以五相十拍電機為控制對象，它的通電方式為AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10個通電狀態。如果P1口輸出的控制信號中，0代表繞組通電，1代表使繞組斷電，則可用10個控制字來對應這10個通電狀態。這10個控制字如下表

14、通電狀態 P1.4(E) P1.3(D) P1.2(C) P1.1(B) P1.0(A) 控制字 AB 1 1 1 0 0 FCH ABC 1 1 0 0 0 F8H BC 1 1 0 0 1 F9H BCD 1 0 0 0 1 F1HCD 1 0 0 1 1 F3HCDE 0 0 0 1 1 E3HDE 0 0 0 1 1 E7HDEA 0 0 1 1 1 E6HEA 0 1 1 1 0 EEHEAB 0 1 1 0 0 ECH在程序中，只要依次將這10個控制字送到P1口，步進電動機就會轉動一個齒距角。每送一個空子就完成一拍，步進電動機轉過一個步距角。程序就是根據這個原理進展設計的。五、功率

15、放大器從計算機輸出口或從環形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅動步進電動機，必須采用功率放大器將脈沖電流進展放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅動電動機運轉。由于電動機各相繞組都是繞在鐵心上的鐵圈。所以電感較大，繞組通電時，電流上升受到限制，因而影響電動機各相繞組電流的大小。繞組斷電時，電感中磁場的儲能元件將維持繞組中已經有的電流不能突變。在繞組斷電時會產生反電動勢。為使電流盡快衰減并釋放反電動勢必須增加適當的續流回路。本設計采用單電壓功率放大電路，如圖圖4單電壓功率放大電路圖步進電動機的輸出轉距隨頻率升高而下降的原因可以這樣承受：由于有繞組電感的一向，繞組中電流的波形如上所

16、示，電流上升需要一定的時間，電流上升的驅動電流的時間常數a a =L/Ra L-繞組的電感；Ra通電回路的總電阻，包括繞組線圈電阻，限流電阻R1和晶體管結電阻。電流下降時放電回路的時間常數b b =L/RbL-繞組的電感；Rb通電回路的總電阻，包括繞組線圈電阻，耗能電阻R2晶體管結電阻。本設計考慮的精度原因，選取R1=R2=10六、程序編寫鍵盤子程序：KEY： LCALL KS2 檢查有閉合鍵否？JNZ MK1 A非0，有鍵閉合則轉LJMP MK7 無鍵閉合轉返回MK1： LCALL DIR 有鍵閉合，則延時12msLCALL DIR 消抖LCALL KS2 再次檢查有鍵閉合JNZ MK2 假

17、設無鍵閉合則轉LJMP MK7 假設無鍵閉合則轉返回MK2： MOV P1，#F0H 發行線全掃描信號，列線全1MOV A，P1 讀入列狀態ANL A，#F0H 保存高4位CJNE A，#FOH ，MK3 有鍵按下則轉LJMP MK7 無閉合鍵轉返回MK3： MOV R2，A 保存列值ORL A，#0FH 列線信號保存，行線全1MOV P1，A 從列先輸出MOV A，P1 讀入P1口狀態ANL A，#0FH 保存行線值ADD A，R2 將行線值和列線值合并MOV R2，A 暫存與R2中MOV R3，#00H R3存簡直MOV DPTR，#TRBE 指向鍵值表首地址MOV R4，#10H 查找次

18、數送R4MK4：CLR A MOVC A，A+DPTR 表中值送入AMOV 70H,A 暫存與70H單元中MOV A,R2 鍵特征值送入ACJNE A,70H,MK6 未查到則轉MK5: LCALL DIR 掃描1遍顯示器LCALL KS2 還有鍵閉合否？JNZ MK5 假設鍵未釋放，則等待LCALL DIR 假設鍵已釋放，則延時12msLCALL DIR 消抖MOV A,R3 將鍵值存入A中RET 返主MK6: INC R3 鍵值加一INC DPTR 表地址加1DJNE R4,MK4 未查到，反復查找MK7: MOV A,#FFH 無閉合鍵標志存入A中RET 返主KS2: MOV P1,#F

19、OH 閉合鍵判斷子程序MOV A,P1 發全掃描信號，讀入列線值ANL A,#FOH 保存列線值CPL A 取反，無鍵按下全0RET 返主TRBE: DB 01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08HDB 09H,00H,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH把輸入的數字轉換成字節數：MOV A,30HMOV B,#64HMUL ABMOV R6,AMOV R7,AMOV A,#31HMOV B,#OAHMUL ABADD A,R6MOV A,#32HMOV R6,A 這樣高位在R7中，低位在R6中計算程序：MOV R5,#00HMOV R4,#4BHDIV MOV

20、A,R5 除數高8位送AJNZ BEGIN 除數非零則轉BEGINMOV A,R4 除數底8位送AJZ OVER 除數為零置益出標志BEGIN: MOV A,R7 被除數高8位送AJNZ BEGIN1 被除數非零則轉BEGIN1MOV A,R6 被除數低8位送AJNZ BEGIN1 被除數非零則轉BEGIN1RET 被除數為零則返回BEGIN1: CLR A 清余數單元MOV R2,A MOV R3,AMOV R1,#10H 雙字節除法計數器置16DIV1: CLR C 開場R3R2R7R6左移MOV A,R6 被除數低8位送ARLC A R6循環左移一位MOV R6,A 左移結果送回MOV

21、A,R7 被除數高8位送ARLC A R7循環左移一位MOV R7,A 左移結果回送MOV A,R2 余數左移一位RLC A MOV R2,AMOV A,R3RLC AMOV R3,ADIV2 MOV A,R2 開場局部余數減除數SUBB A,R3 低8位先減MOV R0,A 暫存差值MOV A,R3 MOV A,R5 高8位相減JC NE*T 假設局部余數除數則轉NE*T INC R6 假設局部余數=除數則商為1MOV R3,A *數存R3 R2MOV A,R0 MOR R2,A NE*T: DJNZ R1,DIV1 16位除完則返回MOV A,R3 開場四舍5入處理 A.7,ADD1 假設

22、余數最高位為1則進1CLR C 開場余數乘2處理MOV A,R2 RLC A 余數低8位乘2MOV R2,A MOV A,R3RLC A 余數8位乘2SUBB A,R5 余數*2-除數JC NOOVER 假設余數*小除數則轉JNZ ADD1 假設夠減則轉進1MOV A,R2 高8位相等時比擬底8位SUBB A,R4 JC NOOVER 余數*2除數則轉ADD1: MOV A,R6 開場商進1處理ADD A,#01HMOV R6,AMOV A,R7ADDC A,#00HMOV R7,ANOOVER:MOV OVER,#00H 清益出標志RETOVER: MOV OVER,#00H 置益出標志RET中斷、循環產生脈沖：ORG OO1BH T1中斷入口LJMP HERE 轉到HERE處ORG 2000H 主程序MOV TMOD,#10H T1工作于方式1MOV A,R3 設置計數初值MOV TH1,A MOV A,R2MOV TL1,ASETB EA