微機控制超低速運動下降桿設(shè)計

1、微機控制超低速運動下降桿設(shè)計微機控制超低速運動下降桿設(shè)計 作者：孫國浩作者：孫國浩 指導教師：鄭堤指導教師：鄭堤 （寧波大學 工學院，浙江 寧波 315211） 摘要摘要：本設(shè)計主要介紹了超低速運動下降桿的設(shè)計，用于單晶生長。 設(shè)計包括機械設(shè)計和控制設(shè)計兩大塊。在機械設(shè)計中，本文主要說明 了機械結(jié)構(gòu)的方案選擇和設(shè)計計算。在控制部分中，文章重點闡述了 單片機的外圍電路開發(fā)、電機的控制電路設(shè)計和電源設(shè)計三大部分。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：低速；機械結(jié)構(gòu)；單片機；電路 1 1 引引 言言 為滿足晶體生長而設(shè)計出超低速下降機構(gòu)。本設(shè)計適用于下降法生長晶體。設(shè)計主要 滿足下降過程中的精度和速度變化的要求。目前，下

2、降法晶體生長的機構(gòu)大多是要人工操 作來實現(xiàn)速度的改變，并且速度的變化范圍很小。本次設(shè)計采用單片機控制步進電機來實 現(xiàn)下降速度的變化，設(shè)計的速度變化范圍廣、精度高。使晶體生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動控制，操 作簡單，大大提高了生產(chǎn)效率。并且本設(shè)計采用的零部件加工和采購成本底，能夠降低小 型企業(yè)生產(chǎn)成本投入。 2 2結(jié)構(gòu)設(shè)計（總裝圖參見附錄二）結(jié)構(gòu)設(shè)計（總裝圖參見附錄二） 2.12.1 結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇 設(shè)計要求的速度變化范圍為 0.5100mm/24h，變化范圍比較大，因此下降采用步進電 機驅(qū)動。步進電機相對于普通電動機能夠滿足大范圍速度變化的要求，同時轉(zhuǎn)速控制簡單， 精度高。由于速

3、度變化范圍比較大同時速度非常低，因此設(shè)計要求的傳動比非常大（通過 計算，傳動比在 30000 左右） ，對于一般的減速機構(gòu)達到這樣大的減速比比較困難。采用諧 波減速器可以實現(xiàn)單級減速比在 2000 左右，這樣可以使結(jié)構(gòu)緊湊，傳動機構(gòu)的體積大大減 小。上升部分由于沒有精度和速度要求，可以選用單相交流電動機，以節(jié)約設(shè)計成本。設(shè) 計方案如下： 方案比較：由于運動速度要求比較低，并且范圍比較大，所以設(shè)計需要很大的減速比， 在一級減速中選用諧波減速器并采用步進電機驅(qū)動。 名稱（編號）參考圖傳動比特點 絲杠蝸桿式 （方案一）圖 a 蝸桿：1040 最大 可達到 80；諧波減 速器可達到 2000。 蝸輪與

4、蝸桿嚙合，潤滑方便，一般用于 速度小于 45m/s 的情況下；滑動絲杠 自鎖性能好。v 帶傳動工作平穩(wěn)，允許線 速度不超過 25m/s 齒條齒輪式 （方案二） 圖 b 圓柱齒輪：一般小 于 5 最大為 8；諧波 減速器可達到 2000。 齒輪可以做成直齒和斜齒，直齒用于低 速或輕載荷的傳動傳動；齒條傳動不能 自鎖。 齒條錐齒輪 式（方案三） 圖 c 圓錐齒輪：一般為 3 最大為 5；諧波減 速器可達到 2000。 圓錐齒輪，用于輸入軸和輸出軸線相交 的傳動；齒條傳動不能自鎖。 從以上傳動方案可知： 方案一、設(shè)計較為合理，蝸桿傳動比較大能適合設(shè)計需要的低速要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊， 傳動平穩(wěn)，雖然傳動

5、效率不高，但仍然可以滿足設(shè)計的小功率要求；并且滑動絲杠有很好 的自鎖性能，能夠保證設(shè)計的精度要求。由于電機尺寸比較大，因此設(shè)計采用帶傳動將 電機固定在下方。 方案二、由于采用齒輪傳動來達到減速要求，其減速比不如方案一中的蝸桿傳動；并 且齒條不能自鎖對于設(shè)計精度會產(chǎn)生影響。 方案三、由于錐齒輪加工比較困難，一般用于改變軸的方向時使用，在此設(shè)計中沒有 改變的要求。綜上所述，選用方案一作為傳動方案。 2.22.2 零件設(shè)計與選用零件設(shè)計與選用 2.2.12.2.1 電機選用電機選用 交流電機驅(qū)動：交流電機驅(qū)動：載荷 f=1500n，速度初定 810-3m/s。 因載荷平穩(wěn)，電動機額定功率 ped略大

6、于 pd即可。通過計算得 pd = 85.7 w，選用電動 機的額定功率 ped為 90w， n0=1400rpm。 步進電機驅(qū)動：步進電機驅(qū)動：載荷 f=500n，速度 0.51000mm/24h。 通過計算選用常州寶馬集團公司前楊電機廠生產(chǎn)的三相步進電機：36bf003。按三相六 拍工作時，步矩角：=1.5，電壓：27v，電流：1.5a，保持轉(zhuǎn)矩：0.78nm/0.8kgcm，空 載啟動頻率：3100hz，轉(zhuǎn)動慣量：7.810-7 kgm2。 2.2.22.2.2 蝸桿設(shè)計與校核蝸桿設(shè)計與校核 選用 za 蝸桿傳動，精度 8cgb10089-1988。蝸桿選用 45 鋼，齒表面淬火，硬度

7、4555hrc；表面粗糙度 ra1.6m。蝸輪選用 qa110-3-1.5 金屬模鑄造。qa110-3-1.5 為 鋁青銅，強度高、耐磨性強。設(shè)計得： i=n1/n2=15， z1=2，z2= iz1=152=30，m =1.6 校核（略） 2.2.32.2.3 絲杠設(shè)計絲杠設(shè)計 螺桿材料選用 45 鋼，調(diào)制處理；螺母材料 qa110-3-1.5。設(shè)計得：d = 24，p = 5, d2 = 21.5，d4 = 24.5, d3=18.5, d1 = 19 的梯形螺紋，中等精度，螺旋副的標記為 tr245-7h/7e。螺母高度h=40mm，=螺紋圈數(shù)n = 8 圈。 校核（略） 2.2.42.

8、2.4 諧波減速器選用諧波減速器選用 根據(jù)設(shè)計要求選用 xb2 內(nèi)齒復波諧波減速器：型號 25；減速比為 2016；傳動效率 30%； 輸入最高轉(zhuǎn)速 3000rpm；輸出最大轉(zhuǎn)矩 2 nm；能夠滿足設(shè)計要求。 2.2.52.2.5 離合機構(gòu)設(shè)計離合機構(gòu)設(shè)計 方案一：雙向離合器，沒有符合設(shè)計要求的產(chǎn)品型號； 方案二：電磁離合器，由于長期工作在閉合狀態(tài)，所以對于離合 器的壽命和工作穩(wěn)定性會有影響； 方案三：滑移齒輪通過撥叉實現(xiàn)左右滑動。撥叉機構(gòu)通過杠桿實 現(xiàn)運動的轉(zhuǎn)化，在手柄的兩個位置中間有彈簧鋼球來現(xiàn)位置的固定。 在任何一個位置都會通過鋼球固定。 （如右圖） 綜合比較，采用方案三。 3 3 控制

9、部分設(shè)計（電氣圖參見附錄一）控制部分設(shè)計（電氣圖參見附錄一） 3.13.1 控制面板設(shè)計控制面板設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計：面板操作簡便，人機界面友好。 （設(shè)計見附錄三） 說明：顯示器可以顯示位移、時間、速度；其中位移的顯示精度為 1m，時間顯示精 度為 1min，速度為 0.01mm/day。時間和位移使用同一組顯示器?？梢酝ㄟ^“時/位”按鈕 切換，通過指示燈表示現(xiàn)在顯示的內(nèi)容?？梢浴肮δ堋薄邦A置”功能下通過方向鍵擇存 儲的速度。并且“預置”可以存儲目前的速度。 “功能”和數(shù)字鍵可以自由設(shè)定速度。 “功 能”“零點”將時間和位移清零。 “復位”按鈕可以將系統(tǒng)復位。 “上升”控制交流電機 工作。

10、3.23.2 芯片選擇與電路設(shè)計芯片選擇與電路設(shè)計 3.2.13.2.1 單片機選擇單片機選擇 根據(jù)設(shè)計要求選用 msc51 系列單片機。由于程序需要的地址和內(nèi)存比較小，可以選 用 8051 單片機不需要擴展外部數(shù)據(jù)和程序存儲器。8051 具有 4k 片內(nèi) rom，和 128k 片內(nèi) ram?？梢詼p少芯片的數(shù)目使系統(tǒng)穩(wěn)定性強。 3.2.23.2.2 82558255 擴展與鍵盤、顯示器接口設(shè)計擴展與鍵盤、顯示器接口設(shè)計 8255 與 8051 的接口方法： 8255 的、分別連接 8051 的、；8255 的 d0 d7 接 8051 的 p0 口；rdwrrdwr 采用線選法尋址 8255，

11、p2.7（a15）接 8255 的 cs，8051 的最底兩位地址線連接 8255 端口 選擇線 a1a0，所以 8255 的地址分別為 7ffch、7ffdh、7fffh。 鍵盤和顯示器的接口：通過 8255 的 pa、pb 和 pc 口擴展鍵盤和顯示器。8255 的 pa 口 為輸出口，控制鍵盤的列線 y0y5 的電位作為鍵掃描口，同時又是 8 位顯示器的掃描口， pc 為顯示器的段數(shù)據(jù)口，pb 為輸入口。閉合鍵號的計算： n = 行首鍵號 + 列號。 3.2.33.2.3 步進電機與交流電機驅(qū)動電路步進電機與交流電機驅(qū)動電路 步進電機控制電路步進電機控制電路 驅(qū)動原理：采用單電壓驅(qū)動，通

12、過控制 8051 輸 出口的電壓來控制光電耦合器 4n25 的工作。當 8051 控制口輸出低電壓時，4n25 工作三極管 vt1 導通步進電機繞組通電；當 8051 控制口輸 出高電壓時，4n25 發(fā)光管兩端無電壓，則 4n25 不工作 vt1 不導通步進電機繞組斷電。 光電偶合器作用：抗干擾、響應時間短、能夠吸收尖峰干擾信號。 交流電機控制電路：交流電機控制電路： 驅(qū)動原理：和步進電機驅(qū)動相似；由于交流電源電 壓為 220v，所以通過驅(qū)動繼電器 km 來控制交流電 機的工作。由于+27 電源為步進電機電源，在此采 用此電源作為繼電器的控制電壓，節(jié)省電源。 3.2.43.2.4 速度設(shè)定過程

13、速度設(shè)定過程 采用時間中斷進行速度調(diào)節(jié)，設(shè)輸入的下降速度為： mm/24h 轉(zhuǎn)換，晶震為 2 10v 12mhz。公式如下： （十進制）=（十六進制）ta 16 2 v 297619 216 v ha ffffh 9348 3.2.53.2.5 電源設(shè)計電源設(shè)計 步進電機為+27v 支流電源驅(qū)動，驅(qū)動電流要求 1.5a，單片機為+5v 直流電源驅(qū)動但電 流很小。設(shè)計電路（參見附錄一電源部分） 220v 交流電壓經(jīng)過變壓器降壓，在經(jīng)過全波整形電路整形。整形后通過電容濾波和電 容消震。+5v 部分再通過 mc7805t 三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓在+5v，0.1f 的電容為了提高電源的穩(wěn) 壓性和減少輸出波紋，

14、可以起到防震的作用。 4 4 結(jié)束語結(jié)束語 本次設(shè)計基本上完成了超低速下降桿的設(shè)計開發(fā)的任務，該機構(gòu)能夠滿足晶體生長的 要求。由于時間緊沒有對單片機控制設(shè)計中的程序進行完整的設(shè)計。對于鍵盤的功能還可 以在今后的設(shè)計中進一步完善，其外觀結(jié)構(gòu)和造型的設(shè)計也是很重要的；可以根據(jù)用戶的 需求采用點陣式液晶顯示器，使人機界面更加友好，使操作更加簡便，以適合實際應用場 合的需要。機械部分，可以采用電動控制滑移齒輪，這樣可以提高產(chǎn)品的自動化程度。由 于設(shè)計時間比較短，在多地方可以改善的部分希望在以后能夠得到完善。 參考文獻參考文獻 1 鄭堤，唐可洪主編機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)北京：機械工業(yè)出版社，1997 2 蔡

15、春源主編新編機械設(shè)計手冊遼寧：遼寧科學技術(shù)出版社，1993 3 北京中技克美諧波有限責任公司諧波傳動北京：北京中技克美諧波有限責任公司 內(nèi)部資料，2001 4 張友德，趙志英，涂時亮編著單片微型機原理、應用與實驗（第三版） 上海：復 旦大學出版社，2000 5 濮良貴，紀名剛主編機械設(shè)計（第七版） 北京：高等教育出版社，2001 6 譚建榮，張樹有、陸國棟、施岳定編著圖學基礎(chǔ)教程北京：高等教育出版社， 1999 7 潘新民，王燕芳編著微型計算機控制技術(shù)北京：高等教育出版社，2001 8 甘永力主編幾何公差與檢測（第五版） 上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2003 10 孫恒、陳作模主編機械原理（第六版） 北京：高等教育出版社，2000 11 成大先主編