机电一体化回转工作台的设计讲解.docx
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机电一体化回转工作台的设计讲解
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0～360°；最大回转半径400㎜；最大承载重量50㎏；
3.机械部分的设计：
装配工作图1张（1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部分选用蜗轮蜗杆传动,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,结构紧凑,有利于实现回转工作台所要求的分度的实现.故选用蜗轮蜗杆传动.
（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密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相同,被加工出的蜗轮齿形难以和蜗杆精确共轭,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。
故选择:
蜗杆材料为：
渗碳钢，表面淬硬56-62HRC牌号为20GrMnTi.蜗轮材料为：
铸造锡青铜，牌号为ZcuSn10Pb1
（三）、蜗杆蜗轮参数计算：
1.蜗杆传动尺寸的确定：
由设计题目中要求可知：
工作台回转直径最大为400mm/50千克.
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=1;z=90
估取模数m:
m=（1.4~1.7）a/z=3.6取m=4
q=d/m=80/4=20
6tanγ=z/q则γ=2.86°
2.确定蜗轮蜗杆各参数值
蜗杆尺寸“
1）蜗杆轴向齿距:
p=πm=3.14×4=12.56
2）螺旋线导程:
p=p×z=15.4×4=12.56
3）法向齿形角:
对于ZI蜗杆αn=20°在分度传动中允许减小齿形角α=15°
4）直径系数:
q=d/m=80/4=20
5）蜗杆分度圆（中圆）直径:
d（d）=d=qm=80
6）蜗杆分度圆（中圆柱）导程角:
γ=2.86°
渐开线蜗杆:
基圆柱导程角:
γcosγ=cosαncosγγ=15.264°
7）基圆直径:
dd=zm/tanγ=14.16
8）法向基节:
p=πmcosγ=12.12
9）蜗杆齿轮顶高:
h=hm=1×4=4
10蜗杆齿根高:
h=1.2m=4.8
11）蜗杆全齿高:
h=h+h=4+4.8=8.8
12）顶隙:
c=0.2m=0.8
13）齿根圆半径:
ρ=0.3m=1.2
14）蜗杆齿顶圆直径:
d=d+2h=88
15）蜗杆齿根圆直径:
d=d-2h=70.4
16）蜗杆齿宽:
b=95
蜗轮尺寸:
1）蜗轮中圆螺旋角:
β=γ=2.86°
2）蜗轮分度圆（节圆）直径:
d=mz=4×60=240mm
3）蜗轮中圆直径:
d=d=240mm
4）蜗轮齿顶高:
h=1×4=4mm
5）蜗轮齿根高:
h=1.2×4=4.8mm
6）蜗轮全齿高:
h=h=8.8mm
7）蜗轮齿顶圆直径:
d=d+2ha=240+8=248mm
8）蜗轮齿根圆直径:
df2=d-2h=240-9.6=230.4mm
9）蜗轮外圆直径:
d=d+m=248+5=253mm
10）蜗轮齿宽:
b=80.3mm
（四）、蜗轮带动工作台转动需克服的力:
滚动导轨的摩擦系数为:
f=0.0025～0.005取:
f=0.005工作台重量为:
50㎏×9.8=490N
摩擦力:
则可知:
周向力F=G?
f=490×0.005=2.46N
（五）、蜗轮蜗杆的支承结构:
蜗杆及蜗轮的支承通常都采用滚动轴承,蜗杆支承跨距L1应尽量紧凑。
通常L1=（1.3~1.5）a.其中1.3用于a≤500。
1.5用于a≥500。
蜗轮支承跨距L2=（0.5-0.7）d2。
d2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，在设计中选用圆锥滚子轴承（7306E）用于承受轴向及径向力。
另一支座则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）回转台结构
图1回转台结构
四、步进电动机的选择
磁阻式步进电动机由于其结构简单，性能可靠，分辨率高等优点，故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2.156N?
M
空载起动频率：
f=2400step/s
电阻：
0.76Ω
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
本系统包括机械部分和伺服电机控制两部分。
根据所给的要求，拟用开环控制结构设计方案，其开环系统结构原理如图1。
图2开环系统结构原理
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，具有相同的角速度，使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ROM或者EPROM，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
P0,P1,P2,P3共4个八位口。
（2）控制口线
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ROM，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2764EPROM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~FFFFH。
片内8kb单元地址要求地址线13根（A0~A12）。
它由P0和P2.0~P2.4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必须接地来表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P1、P3口作为用户I/O口使用；74LS373为地址锁存器，他是一片三态输出8D触发器，当OE=1时三态门导通，输出线上为8为锁存器的状态。
当OE=1时输出为高住抗转台。
G为锁存信号输入线，G=1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，P0口输出的地址有效，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（O0~O7）上，输入到P0口，CPU将指令字节读入指令寄存器。
（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，通常的办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办法，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通，于是输出端的电平几乎等于零。
（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部分称为脉冲分配器。
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P1口输出的控制信号中，0代表绕组通电，1代表使绕组断电，则可用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）P1.3（D）P1.2（C）P1.1（B）P1.0（A）控制字
AB11100FCH
ABC11000F8H
BC11001F9H
BCD10001F1H
CD10011F3H
CDE00011E3H
DE00011E7H
DEA00111E6H
EA01110EEH
EAB01100ECH
在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1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行设计的。
（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行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动电动机运转。
由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接受：
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τa
τa=L/Ra
L-----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R1和晶体管结电阻。
电流下降时放电回路的时间常数τb
τb
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