正文 液压工作台设计.docx
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正文液压工作台设计
步进驱动液压工作台的控制系统设计
1.绪论
1.1引言
近年来，汽车工业迅速发展，汽车轮毂轴承单元的制造技术在不断发展，将旋压用于轮毂轴承单元的轴铆合装配，是当前轮毂单元制造技术的最新进展。
旋压（摆动碾压）是一种新兴的压力加工方法，属于局部加压，连续成形，具有省力﹑零件尺寸精度高﹑振动小﹑噪音低﹑投资小等优点。
从七十年代开始，在世界锻造行业被广泛应用，军工产品如导弹壳的制造等是其最重要的应用领域之一。
目前在国内的研究还处于空白状态，设计开发出用于轮毂轴承单元轴端铆合装配的专用生产设备，将填补国内空白，使有关轴承生产企业突破新型轮毂单元装配制造的工艺瓶颈，有重大创新意义。
液压系统的设计是整个机床设计的一部分，其起作为铆接过程驱动力来源，它的任务是根据机器的用途、特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。
与传统的铆接机相比，本液压系统增加伺服控制环节，通过压力传感器检测铆接过程的压力，并发出电信号控制换向卸荷回路，能有效保证铆接精度和质量。
这也是本设计的一个重要创新。
液压站的总体设计作为机床设计的一个重要组成部分，其包括液压油箱、液压泵装置及液压控制装置三大部分的设计。
在总体方案中围绕布局合理，整理美观，维修方便的思路进行设计。
1.2最新汽车轮毂轴承铆接工艺应用
在传统的第三代轮毂轴承单元的设计中，两个内圈是用锁紧螺母牢固地连接在一起的，而新结构的第三代轮毂轴承单元是通过轴端的旋压铆装，轴向力使带凸缘的内圈产生塑性变形，与小内圈压紧而成，如图1所示。
图1用于非驱动轮的第三代铆装轮毂轴承单元
去掉螺母有助于减小轮毂单元的重量和尺寸，驱动轮和非驱动轮都适用。
采用旋压铆装工艺，可靠性将得以提高，即使连接螺母松动，轴承自身也可以提供预载保证。
通过运转耐久性试验和静强度试验及实际车辆试验可以确定，铆装式轮毂单元等同于甚至优于带锁紧螺母的传统型轮毂轴承。
在保证高可靠性的前提下，重量和尺寸减小，满足了当前的市场发展需求，具有巨大的市场竞争力。
1.3铆接机铆接质量情况
轮毂轴承单元轴端铆质量是整个轮毂轴承单元装配的重要技术指标。
在实验铆接过程，传统做法是确定不同的铆接行程，调整死顶块的距离，达到不同的铆接效果，其缺点是对操作要求高，调整过程困难，铆接过程往往出现工件被压坏，或是铆接行程不够，铆接精度和质量达不到理想的铆接实验效果。
基于一般的铆接机的缺点，现提出铆接驱动过程实行伺服控制思路。
在液压系统中增加伺服控制环节，通过压力传感器检测铆接过程，并发出电信号控制换向卸荷回路，铆头铆接动作将得到精确的控制，通过调整压力传感器的不同值将可以达到理想的铆接实验效果，有效保证铆接精度和质量。
1.4汽车轮毂轴承单元的国内外情况调查
1.4.1国内外的发展状况
随着前置驱动轿车的飞速发展，国外轮毂轴承发生了很大的变化，已从传统的分离式轴承发展到轴承单元，经历四代的发展。
汽车轮毂轴承单元的作用主要是承受汽车的重量并为轮毂的传动提供精确的向导。
轮毂轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷，是一个非常重要的安全件。
（1）第一代轮毂轴承由整体外圈的两套单列轴承组成，带密封圈，脂润滑。
（2）第二代轮毂轴承单元：
将第一代轮毂轴承改成整体凸缘外圈，根据外圈旋转还是内圈旋转，有两种类型。
（3）第三代轮毂轴承单元：
是第二代的改进型，内圈旋转型轮毂单元的内圈
缘与轮毂合成一体。
在这一代轮毂轴承单元中，有许多增加了嵌入式高性能感器。
（4）第四代轮毂轴承单元：
把等速万向节与轴承做成整体化，这种形式废除轮毂花键轴，更加小型化，安装更加合理。
未来的汽车轮毂轴承，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。
就目前来看，国外广泛使用第三代汽车轮毂轴承，并且带有防抱死制动系统ABS轮毂单元已研制出来并批量生产。
而且轮毂轴承与车轮支承连为一体的第四代轮毂轴承单元也已研制成功，离实用化不远。
现在国产车大多仍采用传统的两套单独的圆锥滚子轴承或角接触球轴承，这种结构在汽车装配时要经过调整游隙、预紧、加脂等诸多工序，参杂较多人为控制因素，装配难度较大，从而造成汽车装配线加长，成本过高且可靠性差，难以适应激烈的市场竞争。
我国在汽车轮毂轴承单元开发研制方面起步较晚，对产品设计和制造尚停留在仿制阶段，目前成系列开发生产的轮毂轴承单元只到第二代，第三代还处于试制阶段。
2.机床的总体方案和工作台结构设计
2.1机床总体方案设计
总体方案设计，其由主轴电机、立拄、底座、工作台、步进电机等组成，如图2所示
图2机床总体方案设计图
1.主轴电机2.立拄3.底座4.工作台5.步进电机
2.2主要部件设计计算
2.2.1丝杆的设计和计算
因为丝杆直接支撑工作台和调节工作台的高低，丝杆承受了绝大部分的铆接力，所以有必要对丝杆进行强度计算来选择其尺寸。
2.2.2丝杆的强度计算
受力较大的螺杆需进行强度计算。
由于丝杆在此处工作时只承受轴向压力（或拉力）F的作用而不受扭矩T的作用所以其强度条件为
则其螺杆强度的计算公式为
选择丝杆的材料为45，查《简明手册》，屈服极限σs=353MPs,安全系数为5，则许用应力为[σ]=
=70.6MPs，丝杆所受的轴向压力F=150000N
根据螺杆强度的计算公式
根据标准尺寸，选取丝杆的大径尺寸为D=110mm,小径
=103mm,螺距为P=3mm。
2.2.3丝杆的稳定性计算
对于长径比较大的受压丝杆，当轴向力F大于某一临界值时，丝杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性；因此，在正常情况下，丝杆承受的轴向力F必须小于临界载荷
。
则丝杆的稳定性条件为
式中：
—丝杆稳定性的计算安全系数
—丝杆稳定性安全系数，因为丝杆为传力螺旋，所以取
=4
根据欧拉公式，
式中E为丝杆材料的拉压弹性模量，
，I为丝杆危险截面的惯性矩，
，单位为
，μ为丝杆的长度系数，由《机械设计》表5-14查得μ=0.60，
为螺母中部到另一端支点的距离，则
则
由此可见丝杆能够满足稳定性要求。
2.2.4螺母螺纹牙的强度计算
螺纹牙多发生剪切和挤压破坏,一般螺母的材料强度低于螺杆,故只需校核螺母螺纹牙的强度。
如图5-44所示，如果将一圈螺纹沿螺母的螺纹的螺纹大径D（单位为mm）处展开，则可看作宽度为
的悬臂梁。
假设螺母每圈螺纹所承受的平均压力为
，并作用在以螺纹中径
（单位为mm）为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面a-a的剪切强度条件为
螺纹牙危险截面a-a的弯曲强度条件为
式中：
D=110mm为丝杆大径，b为螺纹牙根部的厚度，对于矩形螺纹b=0.5P=0.5x8=4mm，μ为螺纹的工作圈数
，则
查《机械设计》表5-13，螺母的材料取青铜，其许用剪切应力[τ]=30～40MPa，τ小于许用剪切力[τ]，所以满足要求。
根据《机械设计》式（5-51）可得螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为
式中l为弯曲力臂，
则
查《机械设计》表5-13，螺母的许用弯曲应力[
]=60Mpa，所以满足强度要求。
3.步进电机工作原理及电机选型
3.1步进电机原理分析
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机的运行是由脉冲信号控制的，步进电机在脉冲信号的有效沿到来的时刻转动一个步距角。
常见的步进电机分三种：
永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
步进电机的静态指标术语相数：
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。
常用m表示。
拍数：
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
定位转矩：
电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：
电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。
如下图3所示
图3力矩-频率图
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。
如下图4所示：
图4负载特性图
步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。
电机正反转控制：
当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB时为反转。
三、驱动控制系统组成使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：
.
图5步进电机工作原理框图
步进电机正常启动时所能承受的最高控制频率为启动频率fq,是衡量步进电机快速性能的重要技术参数。
步进电动机带负载的启动频率比空载的启动频率要低。
为了防止步进电机掉步，电动机的启动频率不应过高，启动后在逐渐升高脉冲频率。
在停止时，也应该逐渐降低脉冲频率。
3.2步进电机产生振动的原因
步进驱动系统，是一个开环系统、存在着振动与噪音，与交流伺服系统比较起来是其明显的缺点之一。
但这不影响它的使用性、适当地采取一些措施，可以使振动及噪音降到满意的程度。
低频共振、倍频共振。
所有同步电动机都有固有振动频率、步进电机作为同步电动机特殊品种之一，同样存在着固有振动频率，在该频率下工作，电机呈现低频共振现象，按步进电机理论，共振角频率为：
低频共振频率为:
F0=
式中
。
为矩角特性起始力矩梯度。
当矩角特性接近正弦波时，即M=MSinQ时。
则起始力矩梯度为
=Mm，即为保持力矩。
J为系统的转动惯量。
它包括转子惯量与负载转动惯量。
如果电机的工作频率处于fo左右的小区间内，电机会产生共振。
此时表现为负载力矩下降、噪音增加，严重时电机会失步而不能工作，一般都要采取一些措施，吸收振动能量，使电机振动降低，电机力矩不会下降，电机不失步。
一般地说，反应式步进电机因其内阻尼较弱，振动比较强。
大功率步进电机需加机械阻尼装置。
永磁式与混合式步进电机因其内阻尼较强，其共振相对减弱。
不加机械阻尼装置也不会失步。
这是混合式步进电机的优点之一。
步进电机低频共振现象是客观存在的
3.3抑制步进电机产生振动的办法及措施
步进电机都存在内阻尼，这是由于电机振动时，在定子绕组中产生一个电势，在该电势作用下产生一个电流，它与转子相互作用产生转矩，此转矩与转子运动方向相反，起到阻尼作用，实质是振动能量转换成电能被吸收掉，从而抑制振动。
反应式步进电机内阻尼小，其抑制振动能力有限，因而需外加机械阻尼器。
永磁式与混合式转子装有永磁磁钢，其内阻尼大，能较好地抑制振动，这种电机都不加阻尼器，它虽然存在振动，但一般不会失步。
这体现了混合式步进电机的优点。
在某些系统中因其工作速度的要求，工作在电机的共振区，更有甚者负载的共振频率与电机的共振频率接近。
为了抑制共振，只有采取措施改变系统的共振频率。
3.4步进电机计算及选型
步进电机的局部装配图如图6所示
图6局部装配图
1）根据条件:
工作台压力15000N,上升精度1um,大齿轮分度圆D1=360mm,步进电机齿轮分度圆D2=54mm,螺距P=3mm.
根据条件得：
i=1/7.5;
（x/360）*1/7.5=1/3000=>x=0.9度
2）步进电机分类：
1、反应式步进电动机（VR）。
采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。
2、永磁式步进电动机（PM）。
转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。
用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。
它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。
3、混合步进电动机（HB）。
这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。
此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。
3）最后选型为：
90BYG4501（2相）步进电机
3.590BYG4501的参数
图7电机性能图
图8电机尺寸图
4.控制系统硬件电路设计
4.1微控部分（模拟模式）
工作台的升降由步进电机控制，通过电脑端输出控制命令，经单片机的处理控制步进电机的运转。
经LCD1602反馈信息。
如图9所示
图9控制示意图
控制器芯片，采用Atmel公司的Atmaga16L单片机作为主控制器。
Atmaga16L是一个低功耗，高性能的8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些100,000次的Flash只读存储器，具有2Kbytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个8位可编程定时计数器，1个16位可编程定时计数器，四通道PWM，内置8路10位ADC。
且atmega系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。
AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。
提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。
故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。
AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。
内嵌长寿命的EEProm可长期保存关键数据，避免断电丢失。
片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序,并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。
。
AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供URAT、I2C、SPI使用。
其中与8/16位定时器配合的具有多达10位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。
AVR单片机独有的“以定时器/计数器（单）双向计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法（即脉宽调制输出PWM）”更是令人耳目一新。
增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。
面向字节的高速硬件串行接口TWI、SPI。
TWI与I2C接口兼容，具备ACK信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主/从机的收/发全部4种组合的多机通信。
SPI支持主/从机等4种组合的多机通信。
AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源（自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。
AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-2.7V），抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。
AVR单片机技术体现了单片机集多种器件（包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等）和多种功能（增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具替换功能的I/O端口……）于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统SoC”过渡的发展方向。
4.2M16的引脚说明
图10ATmega16引脚图
AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使的得I/O口资源灵活、功能强大、可充分利用
4.3系统板
图11M16L为主的系统板
4.3.1复位部分
图12复位原理图
Mega16已经内置了上电复位设计。
并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很简单：
直接拉一只10K的电阻到VCC即可（R0）。
为了可靠，再加上一只0.1uF的电容（C0）以消除干扰、杂波。
D3（1N4148）的作用有两个：
作用一是将复位输入的最高电压钳在Vcc+0.5V左右，另一作用是系统断电时，将R0（10K）电阻短路，让C0快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。
当AVR在工作时，按下S0开关时，复位脚变成低电平，触发AVR芯片复位。
4.3.2晶振电路的设计
图13晶振电路
Mega16已经内置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。
不过，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。
早期的90S系列，晶振两端均需要接22pF左右的电容。
Mega系列实际使用时，这两只小电容不接也能正常工作。
不过为了线路的规范化，仍建议接上。
4.3.3ISP下载接口设计
图14ISP下载接口
ISP下载接口，不需要任何的外围零件。
使用双排2＊5插座。
由于没有外围零件，故PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、复位脚仍可以正常使用，不受ISP的干扰。
4.3.4串口通信
图15串口通信图
串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线UniversalSerialBus或者USB混淆）。
大多数计算机包含两个基于RS232的串口。
RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。
可用于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem，同时也可以接工业仪器仪表。
用于驱动和连线的改进，实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。
RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。
RS-232串口通信最远距离是50英尺。
MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。
每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5VTTL/CMOS电平。
这些接收器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且可以接收±30V的输入。
每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。
MAX232的工作温度范围为0℃至70℃，MAX232I的工作温度范围为-40℃至85℃。
4.4驱动板
图16驱动板原理图
5.控制系统程序设计
5.1系统流程图设计
程序流程图如下图17所示
图17程序流程图
5.2程序清单
/*=======MAIN.C===========================*/
#include//包含的头文件
#include
#include
#include"LCD1602.H"
#include"UART.H"
voidStepMotor（unsignedchardir,intnum）//转向、步数
{
unsignedcharK,j,concode;
unsignedcharucode[5]={0x06,0x05,0X09,0X0A,0X00};
unsignedchardcode[5]={0X0A,0X09,0X05,0X06,0X00};
for（j=0;j{for（K=0;K<5;K++）//2拍
{if（dir!
=0）concode=ucode[K];//正向
elseconcode=dcode[K];//反向
PORTB|=concode;
_delay_ms（1000）;
}
}
}
main（void）//主函数
{
unsignedchari;
DDRB|=0X0F;//引脚定义
LCD_init（）;//LCD初始化
uart_init（）;//串口初始化
LCD_write_string（5,0,"READY"）;
LCD_write_string（0,1,"WAITINGFORYOU"）;
while
（1）
{
i=getchar（）;
switch（i）
{
case0x41:
LCD_write_char（0x01,0）;//显示清屏
LCD_write_string（0,0,"MOTOFORWARD"）;
StepMotor（1,10）;
break;
case0x42:
LCD_write_char（0x01,0）;//显示清屏
LCD_write_string（0,0,"MOTORESET"）;
StepMotor（1,5）;
break;
case0x43:
LCD_write_char（0x01,0）;//显示清屏
LCD_write_string（0,0,"MOTOBACK"）;
StepMotor（0,10）;
break;
default:
break;
}
}
}
/*=============UART.H===========================*///串口头文件
#include
#in
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