插秧機(jī)供秧系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目：高速插秧機(jī)供苗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄設(shè)計(jì)任務(wù) TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 二改進(jìn)系統(tǒng)擬定流程圖3 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 電機(jī)的選擇和動(dòng)力選擇3 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和控制4 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 五聯(lián)軸器的選用12 HYPERLINK l bookmark84 o Current

2、Document 變速箱的設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l bookmark118 o Current Document 滾珠絲杠副的選型14 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 行程開(kāi)關(guān)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)17 HYPERLINK l bookmark144 o Current Document 附錄17一、設(shè)計(jì)任務(wù)本次機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)主要是通過(guò)對(duì)vp6洋馬插秧機(jī)的高速供苗 系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，對(duì)供苗原理的探索，掌握供苗系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)知識(shí)，而通過(guò)小組的 討論思考對(duì)原有供苗系統(tǒng)進(jìn)行可行性的改進(jìn)，在改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中培養(yǎng)小組成員獨(dú) 立完成機(jī)械設(shè)計(jì)任務(wù)的

3、能力。二、改進(jìn)系統(tǒng)擬定流程圖行程開(kāi)關(guān)電動(dòng)機(jī)PWM-E單片機(jī)反轉(zhuǎn)圖1改進(jìn)系統(tǒng)示意圖優(yōu)點(diǎn)：改進(jìn)后系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以平滑調(diào)整，中低速運(yùn)行。通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 可使電機(jī)運(yùn)行噪聲低。變速箱可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)速比，插苗的行距可以進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提高作業(yè) 質(zhì)量。缺點(diǎn)：滾珠絲杠精度要求較高，成本增加很大，且行程開(kāi)關(guān)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)使得栽秧臺(tái) 來(lái)回運(yùn)動(dòng)使插苗間距有點(diǎn)不齊。電機(jī)的選擇和動(dòng)力計(jì)算型號(hào)mN . mr /mi n功率W蟲(chóng)壓VA充許順逆轉(zhuǎn)速差r/mi nHDZYTOSfi3730QQ2QQ241320011OZYT5111771BQ01851102.510011OZYTF2117715G01852201.25

4、10011OZYT5398030Q0BOS1104.0200110ZYT5498030003082202.020011OZYT5598030Q03082416.5200型號(hào)轉(zhuǎn)矩(Mn,rri)轉(zhuǎn)速功幸電壓電流（A）45ZYN01119200025W48O.S55ZYNOO195.3200020243.255ZYN01151.9220035242.255ZVN512G5.3180050243.2圖2直流電機(jī)選擇參數(shù)圖系統(tǒng)要求動(dòng)力源具有良好的控制性能和運(yùn)行性能，因此選擇直流電動(dòng)機(jī)，采 用PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。采用直流電動(dòng)機(jī)：型號(hào)55ZYN51額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速18

5、00r/min 功 率50W 額定電壓24V額定電流3.2A滾珠絲桿副的動(dòng)力和橫向送秧裝置的動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和控制本設(shè)計(jì)基于直流電動(dòng)機(jī)在51單片機(jī)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出大功率直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速的測(cè)量與控制。單片機(jī)控制直流電機(jī)的基本方法是通過(guò)改變直流電機(jī)電樞電壓 的接通時(shí)間與通電周期的比值（即占空比）來(lái)控制電機(jī)速度。PWM中采用定寬 調(diào)頻法是系統(tǒng)工作穩(wěn)定。41.測(cè)量直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的傳感器 采用飛利浦（Philips）公司生產(chǎn)的 KMI15-1傳感器，它主要包括以下六部分：磁敏電阻傳感器；前置放大器 A1；施密特觸發(fā)器；開(kāi)關(guān)控制電路源；恒流源；電壓控制器。它是由4 只磁敏電阻構(gòu)成的一個(gè)橋

6、路，需固定在靠近齒輪的地方，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于氣 隙處的磁力線(xiàn)發(fā)生變化，磁路中磁阻也隨之改變，在傳感器上就產(chǎn)生了電信號(hào)。 該傳感器具有很強(qiáng)的方向性，他對(duì)與之連接的傳動(dòng)物體十分敏感，而對(duì)該物體的 震動(dòng)或者抖動(dòng)量很不敏感，這正是測(cè)量轉(zhuǎn)速所需要的。傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)頻率 和轉(zhuǎn)動(dòng)速度呈正比，根據(jù)單位時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)，即可求得被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。4.2 .電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要較高的電壓和電流，一般需要根據(jù)電機(jī)的 具體參數(shù)設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)計(jì)中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003用于直流電 機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。ULN2003是耐高壓、大電流達(dá)林頓系列，由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。該 電路的特點(diǎn)如下：ULN20

7、03的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7KQ的基極電阻，在 5V的工作電壓下他能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要 標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可 達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn) 行。ULN2003采用DIP-16或SOP-16塑料封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示；1.L 1*4 鼻 4 交 交父 只 女 父zK KGOmifpCQgnCOUli43r-圖3為ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ULN2003的引腳說(shuō)明如下：IN1-IN7：七個(gè)輸入端，輸入信號(hào)支持TTL, CMOS電平。OUT1-OUT7： 七個(gè)

8、輸出端。COM:公共端，一般用于測(cè)試芯片用，當(dāng)芯片連接完畢，公共端 的電壓足可以點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)光管。GND：信號(hào)地端。4.3硬件電路的設(shè)計(jì)方案整個(gè)系統(tǒng)硬件可以分為三個(gè)部分：51單片機(jī)部分，轉(zhuǎn)速測(cè)量部分，轉(zhuǎn)速顯示部分和轉(zhuǎn)速調(diào)整控制部分。KMI15-1輸出脈沖信號(hào) 到單片機(jī)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，LED顯示模塊由MAX7219驅(qū)動(dòng)控制，直流電機(jī)的控制 由51單片機(jī)輸出PWM脈沖信號(hào)送入芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。轉(zhuǎn)速傳感器KMI15應(yīng)用電路51單片機(jī)部分T1rrJT01rmrtwrmwftTN匚d 4 一海o-mL4-YlWiTriYiSiVrtfiP1.5JT2)頁(yè)仃業(yè)用皿g PM印哪】h?!jgPH p

9、Pl 4AT4W4 閔Pl.略皿）Fl g)蝕函：k史.算；.P2!418：心而嘩更一炒 ST.4L1XT.4L2VOCGMTgJffiDWU F:四ALEPRg LP宓U1ATEil:_R11Kv-M wj. .il JjJ.ll. 11 . 1圖4為轉(zhuǎn)速傳感器KMI15應(yīng)用電路51單片機(jī)部分如圖4所示：51單片機(jī)利用定時(shí)器T0實(shí)現(xiàn)定時(shí)1s,在此期間計(jì)數(shù)器T1對(duì) 傳感器輸出頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，既可以測(cè)得信號(hào)頻率。根據(jù)所測(cè)頻率的數(shù)值判斷電機(jī) 的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速，51單片機(jī)的兩個(gè)ID端口 P2.2、P2.6連接綠色和紅色發(fā)光管，用于 對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否超出設(shè)定的最大值與最小值的指示標(biāo)志。4.3.2 .轉(zhuǎn)速測(cè)量部分

10、基于KMI15的轉(zhuǎn)速傳感器的前端電路如下圖所示，整個(gè)電路包括三個(gè)部分：電源過(guò)壓 保護(hù)、輸出低通濾波器電路、比較電路。:-iikF 口心FlHq4圖5為基于KMI15的轉(zhuǎn)速傳感器前端電路圖5中，二極管D1作為電路反極性保護(hù)和反向過(guò)壓保護(hù)；二極管D2作電路正向過(guò)壓保護(hù)，但要求有一定過(guò)載能力。RL為115Q負(fù)載電阻，將磁阻信號(hào) 轉(zhuǎn)換成電壓電平。R3、C6構(gòu)成輸入信號(hào)低通濾波電路，其截至頻率為10kHz。 R5、R6確定一個(gè)分壓值，作為比較器的閾值，R9、R10和R7組成反饋和R4 來(lái)確定遲滯電壓，來(lái)保證工作特性不受外界因素干擾，最終轉(zhuǎn)速傳感器通過(guò) LM393比較器輸出端輸出標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號(hào)，該信號(hào)

11、頻率與轉(zhuǎn)速成正比，該信 號(hào)送入51點(diǎn)偏激的T1計(jì)數(shù)器輸入端用于測(cè)量轉(zhuǎn)速。測(cè)速過(guò)程中KMI15-1傳感 器的輸出端接到51單片機(jī)的T1端口。PLOT?PLJ:如件1PL4割船1死濯頓，:猝玲i |PL和網(wǎng)芯如iPl g),料方巧3麗出町，Pl滴同.4何;，tAU.?24:gLi3供S.戰(zhàn)鹽Lsximusn峪明買(mǎi)灑71-： 7ID _亞潘:轉(zhuǎn)速測(cè)量、單片機(jī)部分電路圖測(cè)速調(diào)速電路51單片機(jī)部分Pg應(yīng)X*P52睨pi步陽(yáng)p：3：?as-PLKX-rSDJjmm聳哄=理灑rJOI：EKT355方理圖6為直流電機(jī)測(cè)速調(diào)速電路51單片機(jī)部分圖6中，51單片機(jī)P0 口的P0.0輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，P0.0通過(guò)N

12、PN三極管 連接到直流 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ULN2003的輸入通道IN1。P0.0可以通過(guò)上拉電阻連接 到ULN2003的輸入通道IN1，改變P0.0輸出周期性脈沖的高電平寬度，即可實(shí) 現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。直流電機(jī)測(cè)速調(diào)速電路轉(zhuǎn)換顯示部分22 TT 豆 亙 亙 亙DINVfLO.WCLKISETDIGC!SEGADIGL5-EG1DIG2EEGCDIG5SEGDDIG4&EGEDIG；SEGFDIG?BEGGDIG-DOUT江GEPGNDGND152IB圖7為直流電機(jī)測(cè)速調(diào)速電路轉(zhuǎn)速顯示部分圖7所示的顯示電路部分包涵三個(gè)LED數(shù)碼管，數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器件采用串行 接口的MAX7219,數(shù)碼管亮度決定于MAX

13、7219的V+和ISET之間的電阻數(shù)值， 在本電路當(dāng)中選擇47KQ, 一般來(lái)說(shuō)可以選擇10KQ以上的電阻。51單片機(jī)的P1 口的P1.0、P1.1、P1.2分別作為單片機(jī)與MAX7219串行通 信接口的數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)、時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)、數(shù)據(jù)加載線(xiàn)（片選線(xiàn)。基于這三條通信線(xiàn)， 51單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)8位數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219的操作。MAX7219的數(shù)據(jù)輸出端DOUT用于多片MAX7219級(jí)聯(lián)使用時(shí)連接下一片 MAX7219的數(shù)據(jù)輸入端DIN；數(shù)碼管工作段電流決定于MAX7219的V+端與 ISET端接入的電阻大小，一般選擇的范圍為10KQ以上。為了能夠穩(wěn)定地顯示 數(shù)據(jù)，需要在MAX7219的電源輸入端

14、加濾波電容，這是由于MAX7219工作時(shí) 對(duì)輸入電源會(huì)產(chǎn)生很大的干擾，可以造成MAX7219本身工作的不穩(wěn)定以及數(shù)據(jù) 的接收誤碼。圖7所示的數(shù)碼管為八位共陰數(shù)碼管，它們的公共段可以分別接到數(shù)碼管芯 片MAX7219的位控制端口 DIG0-DIG2，實(shí)現(xiàn)8位數(shù)碼管的位控制。4.4 .系統(tǒng)流程圖開(kāi)始初始化設(shè)置調(diào)用測(cè)速調(diào)試程序顯示C._ 返回 )圖8系統(tǒng)流程圖圖8所示為系統(tǒng)流程圖，系統(tǒng)經(jīng)初始化之后，調(diào)用測(cè)速調(diào)速程序，之后調(diào)用 顯示子程序動(dòng)態(tài)顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。4.5 .轉(zhuǎn)速測(cè)量程序流程圖圖9基于KMI15轉(zhuǎn)速測(cè)量程序流程圖定時(shí)計(jì)數(shù)器T0、T1配合，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的程序流程如上圖所示，T0用于產(chǎn) 生1s定時(shí)

15、，在此期間T1計(jì)傳感器部分送來(lái)的轉(zhuǎn)速頻率脈沖，完成后對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行 分析，根據(jù)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行相應(yīng)的程序處理。默認(rèn)轉(zhuǎn)速為1500r/min，如果超過(guò)1500r/min或低于1500r/min，則紅色發(fā)光 管告警。如果測(cè)量速度為此速度時(shí)，綠色發(fā)光管點(diǎn)亮。定時(shí)器0定時(shí)參數(shù)為50ms， 20次定時(shí)實(shí)現(xiàn)1s，1s定時(shí)開(kāi)始對(duì)T1輸入端計(jì)數(shù)，20次定時(shí)時(shí)間到，T1停止計(jì) 數(shù)，從而得到比較精確的電機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)實(shí)際情況即可轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電機(jī)轉(zhuǎn)速。4.6 .顯示程序流程圖更新顯示圖10為單片機(jī)基于MAX7219驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管流程圖51單片機(jī)基于MAX7219驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管流程圖如圖10所示。51單片機(jī)通 過(guò)MAX7219數(shù)

16、碼管驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)8位數(shù)碼管顯示的程序中，主要的工作集中在 51單片機(jī)模擬MAX7219串口操作時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX7219工作方式的正確配置 以及3個(gè)顯示數(shù)據(jù)的正確寫(xiě)入。4.7.測(cè)速調(diào)速控制程序流程圖圖11基于單片機(jī)的直流電機(jī)測(cè)速調(diào)速程序流程圖基于51單片機(jī)的直流電機(jī)測(cè)速調(diào)速系統(tǒng)程序流程如圖11上所示。其中，定 時(shí)器T0用于1s定時(shí)，同時(shí)T1用于1s內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)，從而達(dá)到電機(jī)測(cè)速的目的。該程序設(shè)計(jì)重點(diǎn)在定、時(shí)器中斷，定時(shí)器0中斷服務(wù)程序當(dāng)中包括電機(jī)測(cè)速 部分、電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示部分、電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整部分。電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整部分只需要對(duì)轉(zhuǎn)速 和設(shè)定轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整P0.0輸出周期脈沖的高電平寬度即

17、可調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。4.8.控制算法實(shí)現(xiàn)圖12電機(jī)速度控制算法流程圖上圖為電機(jī)速度控制算法流程圖，電機(jī)控制信號(hào)輸出端P0.0初始輸出低電 平，將測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速值與設(shè)定的值比較，當(dāng)測(cè)速大于設(shè)定的速度時(shí)，減小P0.0 脈沖的高電平寬度，減小電機(jī)速度；當(dāng)測(cè)速小于設(shè)定的速度時(shí)，增大P0.0脈沖 的高電平寬度，增大電機(jī)速度；當(dāng)測(cè)速在設(shè)定值1500r/min，正確顯示速度。聯(lián)軸器的選用型號(hào)GYS5,公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩400N.m 許用轉(zhuǎn)速8000r/min軸孔直徑38mm變速箱設(shè)計(jì)6.1變速箱原理如圖6.1采用折回機(jī)構(gòu)傳動(dòng)變速箱，基本原理如下：運(yùn)動(dòng)從軸1輸入，軸2輸出。 軸1和軸2上各有一個(gè)空套的雙聯(lián)滑移齒輪和一個(gè)與軸

18、用花鍵聯(lián)接的滑移齒輪， 雙聯(lián)齒輪的軸向是固定不能移動(dòng)的。這種機(jī)構(gòu)有兩條傳動(dòng)路線(xiàn)，一條是從軸1到軸2的正向傳動(dòng)路線(xiàn)，這樣可以得到 三個(gè)傳動(dòng)比；另外一條是從軸1到軸2,再?gòu)妮S2到軸1的折回傳動(dòng)路線(xiàn)，通過(guò) 折回路線(xiàn)可以得到較大的降速傳動(dòng)比。折回機(jī)構(gòu)傳動(dòng)圖圖13折回運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)6.2減速器計(jì)算齒輪上的力是沿接觸線(xiàn)均與分布的，用集中力代替，在節(jié)圓上，法向力F可分解 為兩個(gè)互相垂直的分力：切于分度圓的圓周力F和半徑方向的徑向力F。圓周力徑向力=F tan at法向力cos a軸I上的輸入速度為1500r/min，轉(zhuǎn)矩250N.m?？傻茫狠S F =t 2*247.5/2=247.5N.mF =Fr 247.5*

19、tan20=90.08N.mF =n 247.5/cos20=263.38N.m齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核:= H 公式一K取均勻平穩(wěn)為1T1 為 ZE 取 180、麗Zh取2重合度ZZ取0.87d 取 30mmB 取 29mmU 為 75/25=3 以及 5.38、1.94、1.08代入公式一分別可得：b H 取 95121Mpa查表可知:付 h =650Mpa故可得，變速箱內(nèi)的齒輪傳動(dòng)符合轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩的要求，變速箱可以正常工作。滾珠絲杠副的選型根據(jù)滾珠絲杠副工作的條件環(huán)境，以及對(duì)轉(zhuǎn)速扭矩的要求，選用 R63-10T6-FDI-1000fsic型號(hào)，其導(dǎo)程為10mm，外徑為63mm，基本額定靜載

20、荷 5020N，動(dòng)載荷 16450N。7.1.滾珠絲杠副轉(zhuǎn)速的計(jì)算電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速：1500r/min，轉(zhuǎn)矩：250N.m聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)速：8000r/min，公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩：400N/m變速箱六個(gè)齒輪齒數(shù)分別為：z1-25 z2-75 z3-52 z4-48 z5-34 z6-66滾珠絲杠副參數(shù)：導(dǎo)程為10,額定靜載荷5020N，動(dòng)載荷16450N。變速箱由運(yùn)動(dòng)軸I輸入，軸II輸出，軸I和軸II上各有一個(gè)空套的雙聯(lián)滑移齒輪 和一個(gè)與軸用花鍵連接的滑移齒輪，雙聯(lián)齒輪在軸向是固定不能移動(dòng)的，這種變 速組通常稱(chēng)為折回機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。根據(jù)圖可得到四個(gè)傳動(dòng)比如下：通過(guò)折回傳動(dòng)路線(xiàn):Z X Z3 X z齒輪1右移，接合

21、端齒離合器:i=2齒輪6左移，接合端齒離合器：,3 - z1齒輪1右移，齒輪6左移，兩個(gè)端齒離合器均接合:i=4由此可得到最大變速范圍為:Rmax=22.4根據(jù)載秧臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，我們選擇齒輪1-6的齒數(shù)分別為：25、75、52、48、34、 66。由此可計(jì)算出:75 x 48 x6625 x 52 x 34=5.38=7525 = 3=6634 I94i4 = 5%8 = L8軸I輸入轉(zhuǎn)速為3000r/min，故軸II的輸出轉(zhuǎn)速為：n1=1500/5.38=278.81r/minn2=1500/3=500r/minn3=1500/1.94=773.20r/minn4=1500/1.08=1388.89r/min而滾珠絲杠副的導(dǎo)程為10mm，為此可得到滾珠絲杠副的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度為:n5=n1*10/