汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計【畢業(yè)論文】【汽車專業(yè)】

編號 無錫 太湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目： 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 信機 系 機械工程及自動化 專業(yè) 學(xué) 號： 0923094 學(xué)生姓名： 李 杰 指導(dǎo)教師： 馮鮮 （職稱： 講 師 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫 太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 92 學(xué) 號： 0923094 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無錫 太湖學(xué)院 信 機 系 機械工程及自動化（數(shù)控技術(shù)） 專業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 、 題目 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測 裝置設(shè)計 、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，連桿 兩端孔的平行度的要求也越來越高。平行度誤差會使活塞在汽缸中傾斜，致使汽缸壁磨損不均勻，縮短發(fā)動機的使用壽命，同時也使曲軸頸磨損加劇，因此要求工件必須有很高的平行度。過去使用手工測量，既不能保證平行度，也不利于生產(chǎn)率的提高，這就使設(shè)計制造一種自動化程度和測量精度更高的測量裝置顯得十分必要了。 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 1、總體方案的確定，選擇合適的電機。 2、機械部分設(shè)計，主要是傳感器箱體內(nèi)的夾緊件與定位 件以及其他運動部件的設(shè)計與計算，包括承載工作臺外形尺寸與重量估計，測試箱外形尺寸及重量估算，滾珠絲杠伺服傳動系統(tǒng)傳動比的確定，滾珠絲杠伺服傳動系統(tǒng)傳動比的確定，滾珠絲杠螺母副的選型及校核等。 3、進行連桿的壓桿穩(wěn)定性計算。 4、液壓缸的設(shè)計，包括液壓缸的設(shè)計，液壓泵的選擇以及電機的選擇 。 5、控制部分初步設(shè)計。 6、設(shè)計說明書一份。 注：所有圖紙均需計算機打印 II 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機械 92 班 姓名 李 杰 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教研室主任 學(xué)科組組長 簽名 系主任 簽名 2012 年 11月 12 日 III 摘 要 連桿是發(fā)動機的關(guān)鍵零 件之一，它的質(zhì)量直接影響著發(fā)動機的工作性能和使用壽命，因此對其有很高的尺寸和形位精度的要求。為保證這些要求， 連桿檢測成了生產(chǎn)中頻繁而又不可缺少的環(huán)節(jié)。 汽車連桿兩端孔的平行度的要求比較高，如果平行度差，就會使發(fā)動機的噪音大，耗油量大，磨擦大，磨損快，這就要求工件必須有很高的平行度。 本裝置是專門為測試汽車發(fā)動機連桿兩孔中心線的平行度而設(shè)計的。本系統(tǒng)的設(shè)計原則是：全部測試過程自動化，包括檢測前的工件夾緊，測試過程中的數(shù)據(jù)處理，檢測后試件的自動退出以及測試結(jié)果的顯示與打印。本裝置的特點是：測試精度較高。 在本系 統(tǒng)中，測試時測試箱和測桿的運動由 X 向數(shù)控工作臺來拖動，數(shù)控工作臺由步進電動機帶動，工件的夾緊裝置采用液壓系統(tǒng)，因為液壓系統(tǒng)夾緊比較平穩(wěn)，振動較小，對系統(tǒng)的精度影響較小。 本裝置是一個完整的測試裝置，既可以單獨用來測試，也可用于計算機集成制造系統(tǒng)中去。 關(guān)鍵詞： 連桿 ；平行度； 測量 ； X 向數(shù)控工作臺 IV Abstract Connecting rod is one of key components of engine, whose quality affects engines work performance and life-span directly. Consequently, hing precision of size and form is necessary.The connecting rod is examined in the production to be frequent and to be essential link to ensure hing precision of size and form. The center line parallelism of the cars link bar has a high request. If the center line parallelism is not well, the auto engine will have a loud noise, big waste of oil, big friction, fast wear away. So it requests the work-piece have a high center line parallelism. This testing set is special designed for testing the centre line parallelism of auto engine link bars twain aperture. The design principle of this system is: All testing is roboticized, including the data processing before work piece was clamped, the test piece automatic quit after test, testing result display and mimeograph. The characteristic of this set is: The testing precision relatively higher. In this system, when testing begin, the testing box and the measure pole is dragged by the X direction numerical control table and at the same time, the table was drove by step-electromotor. the fixture adopted hydraulic pressure system, because this system is more placidity and the effect to systems precision is very small. This set is a whole testing installation. It not only can singly for testing but also for CIMS too. Key words： connecting rod ； parallelism ； examination； X direction numerical control table sensor V 目 錄 摘 要 . Abstract . 目 錄 . 1 緒論 . 1 1.1 課題的概況及提出 . 1 1.2 課題分析 . 1 2 總體方案設(shè)計 . 2 2.1 本測試系統(tǒng)的理論方法和依據(jù) . 2 2.2 本裝置的主要組成部分 . 2 2.1.1 機械部分 . 2 2.1.2 液壓部分 . 2 2.1.3 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 . 2 2.3 機械部分的功用及其設(shè)計原則 . 3 2.4 液壓部分的功用及選件原則 . 3 2.5 電氣部分 . 3 3 機械部分的設(shè)計 . 4 3.1 傳感器的選用與安裝 . 4 3.1.1 傳感器的選用 . 4 3.1.2 傳感器的安裝 . 4 3.2 其他運動部件的設(shè)計與計算 . 5 3.2.1 承載工作臺外形尺寸與重量估計 . 5 3.2.2 測試箱外形尺寸及重量估算 . 6 3.2.3 滾珠絲杠伺服傳動系統(tǒng)傳動比的確定 . 6 3.2.4 傳動系統(tǒng)中一對齒輪參數(shù)的確定 . 6 3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型及校核 . 7 3.2.6 滾動導(dǎo)軌的設(shè)計 . 9 3.2.7 步進電機的選用 . 10 3.3 數(shù)控系統(tǒng)的精度驗算 . 12 4 液壓部分的設(shè)計 . 13 4.1 液壓缸的設(shè)計 . 13 4.1.1 夾緊力的計算 . 13 4.1.2 確定液壓缸的主要尺寸 . 14 4.1.3 計算液壓缸工作階段所需的流量 . 14 4.1.4 液壓缸的安裝 . 14 4.2 液壓泵的選用 . 15 4.2.1 液壓泵的工作壓力確定 . 15 VI 4.2.2 泵的流量確定 . 15 4.2.3 選擇液壓泵的規(guī)格 . 15 4.3 與液壓泵匹配電動機的選定 . 15 5 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 . 16 5.1 硬件電路總體 設(shè)計方案 . 16 5.1.1 硬件電路框圖表示 . 16 5.1.2 硬件電路主要元器件的選擇清單 . 16 5.2 主控制器 CPU 的選擇及其引腳 . 16 5.2.1 CPU 的選擇 . 16 5.2.2 8031 的硬件資源及其引腳 . 17 5.3 存儲器擴展電路的設(shè)計 . 17 5.3.1 程序存儲器的擴展電路芯片 . 17 5.3.2 地址鎖存器選用 . 18 5.3.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴展電路芯片 . 18 5.3.4 譯碼器的選用 . 19 5.4 I/O 擴展電路的設(shè)計 . 19 5.4.1 8255 可編程接口芯片的選用 . 19 5.4.2 步進 電機驅(qū)動電路 . 20 5.4.3 三相異步電機的驅(qū)動電路 . 21 5.4.4 電磁換向閥的驅(qū)動電路 . 21 5.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 . 22 5.5.1 測量電橋 . 22 5.5.2 測量放大電路 . 22 5.5.3 相敏檢波電路 . 22 5.5.4 功率放大電路 . 23 5.5.5 集成采樣保持電路 . 23 5.5.6 A/D 轉(zhuǎn)換電路 . 23 5.6 其他輔助電路設(shè)計 . 24 5.6.1 鍵盤與顯示器接口電路 . 24 5.6.2 打印機接口電路 . 24 5.6.3 報警顯示接口電路 . 24 6 控制軟件編程 . 26 6.1 監(jiān)控軟件的功 能 . 26 6.2 鍵盤與顯示器接口的軟件設(shè)計 . 26 6.2.1 接口電路 . 26 6.2.2 軟件設(shè)計 . 26 7 結(jié)論與展望 . 30 7.1 結(jié)論 . 30 VII 7.2 不足之處及未來展望 . 30 7.2.1 不足之處 . 30 7.2.2 未來展望 . 30 致謝 . 31 參考文獻 . 32 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 1 1 緒論 1.1 課題的概況及提出 精密測量技術(shù)是機械工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件之一，這已被生產(chǎn)發(fā)展的歷史所確認(rèn)。從生產(chǎn)發(fā)展的歷史來看，精密加工精度的提高總是與精密測量技術(shù)的發(fā)展水平相關(guān)的。有人認(rèn)為材料、精密加工、精密測量與控制是現(xiàn)代精 密工程的三大支柱。對于科學(xué)技術(shù)來說，測量與控制是使其發(fā)展的促進因素，測量的精度和效率在一定程度上決定著科學(xué)技術(shù)的水平 1。目前，國外測量裝置已經(jīng)與計算機技術(shù)和光電技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)自動化、數(shù)字化和多功能化，國內(nèi) 正朝著這個方向 努力 發(fā)展。 連桿是發(fā)動機的重要 組成 零件，它連接著活塞和曲軸， 他的作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。其大小孔中心 線的平行度等 主要 尺寸直接影響到發(fā)動機的工作性能、使用壽命及機車的整體性能。因此，對其大小孔的中心軸線的平行 度有很高的要求，而且連桿在生產(chǎn)過程中是流水作業(yè)、產(chǎn)量大、節(jié)拍快。 因此 ， 在生產(chǎn)過程中 對其進行質(zhì)量 控制就顯得 非常 重要。 近年來隨著 國內(nèi)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對汽車發(fā)動機 性能 的 要求越來越高。而 且連桿是發(fā)動機中的關(guān)鍵 組成部件之一，其大小頭孔中心線的平行度 須達(dá)到一定的精度，否則會導(dǎo)致發(fā)動機耗油量大 、 磨擦大 、 噪音大。因此 ，設(shè)計一套自動化程度高和測量精度高的專用于測量連桿大 小頭孔的 檢測 裝置， 不僅 僅 可以提高產(chǎn)品質(zhì)量， 還能 更好的實現(xiàn)互換性， 更 可以獲得最佳的社會經(jīng)濟效益。因此，需要對連桿大小孔的中心軸線的平行度進行檢測 。連桿測量 裝置 向高精度、高效益、操作簡單的方向發(fā)展是一種 必然的 趨勢。 1.2 課題分析 這里要測量的工件是某汽車發(fā)動機的連桿大、小頭孔中心線的平行度。之前許多廠家使用氣動測量儀檢測，即利用直徑對氣體的壓力而通過儀表進行顯示。這樣的測量裝置還是能滿足精度要求的，但其靈敏度不是特別高，也難以適應(yīng)現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)線。 本測量系統(tǒng)的總體設(shè)計思想是：整個 檢測過程實現(xiàn)自動化， 不需人工干預(yù)。在本 測試裝置中，采用滾珠絲杠以實現(xiàn)測桿的 X 方向的進給，工件的夾緊采用液壓油缸來保證系統(tǒng)的平穩(wěn)性，而自動檢測裝置選用應(yīng)用廣泛的 8031 單片機來實現(xiàn)對整個測試系統(tǒng)控制。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 2 總體方案設(shè)計 2.1 本測試系統(tǒng)的理論方法和依據(jù) 在本測試系統(tǒng)中，測量汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度所 運用的理論依據(jù)是 數(shù)學(xué)方法：在每 孔的圓柱面內(nèi)側(cè)分別測出兩個截面上三個 不同 點的位置，根據(jù)這三個點確定一個圓心，兩個圓 的圓 心構(gòu)成一條直線，再依據(jù)數(shù)學(xué)方法來計算這兩條直線的夾角，最后轉(zhuǎn)換成平行度。 汽車發(fā)動機連桿 大小頭孔中心線在兩個相互垂直的方向上的平行度誤差會 導(dǎo)致 活塞在氣缸中傾斜，使缸壁磨損不均勻，從而縮短 發(fā)動 機的使用壽命，同時也使曲軸的連桿軸頸磨損加劇，因此在大小頭 頭孔中心 線所決定的平面之平行方向上平行度公差值應(yīng)不小于100： 0.03,垂直于上述平面的方向上平行度公差值應(yīng)不大于 100： 0.06。 而連桿總成裝配圖中要求以大頭孔的中心線為基準(zhǔn)來測大 小頭孔中心線平行度，所以本測試系統(tǒng)就以一 個 定位銷來確定大頭孔中心線的位置，只需要測小頭孔中心線的位置最終則可轉(zhuǎn)換為其平行度。 2.2 本裝置的主要組成部分 2.2.1 機械部分 由傳感器箱體、 承載工作臺、工件定位和夾緊部件組成。 2.2.2 液壓部分 由液壓泵、液壓缸和液壓控制閥組成。 2.2.3 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 包括 CPU 選擇、存儲器擴展電路、 I/O 擴展電路、數(shù)模轉(zhuǎn) 換電路、測量放大 電路 和信號采集保持電路 以 及其它輔助電路的設(shè)計。 下圖 2-1 為機械結(jié)構(gòu)圖 ABB 圖 2-1 機械結(jié)構(gòu)圖 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 3 2.3 機械部分的功用及其設(shè)計原則 測試箱主要是將選用的傳感器正確 定位與夾緊 2，其定位精度應(yīng) 該 比檢測裝置的檢測精度 要 高 1 個等級。測試箱由滾珠絲杠 拖動以實現(xiàn) X 向的進給。另外，連桿的定位精度和夾緊的可靠性要求也比較 高。 2.4 液壓部分的功用及選件原則 進行測試 之前，要 保證工件的正確定位 與 夾緊，因為本 測試 裝置屬于精密測量儀器，系統(tǒng)在運行 中要求振動小，而液壓系統(tǒng)具有平穩(wěn)性好，運動慣性小、反應(yīng)速度快、易于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點。所以，在本 測試裝置 系統(tǒng)中運用液壓系統(tǒng)對工作進行夾緊比較合理、比較 理想的。 2.5 電氣部分 在實際測量中， 因為傳感器的輸出量是連續(xù)變化的物理量（ 也就是模擬量，與此對應(yīng)的電信號則是模擬信號 ） ，要將其輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理，就需要運用 A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬 信號轉(zhuǎn)換為計算機可識別的數(shù)字信號， 轉(zhuǎn)換過程主要包括采樣、量化和編碼。這里采用逐次逼近式的轉(zhuǎn)換電路，因 為 逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器在精度、速度和價格上都適中，是目前最常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器 。 因本系統(tǒng)屬于工業(yè)測控的智能化儀器儀器 ，根據(jù)實際 的 需要，在這里需要解決計算機和外設(shè)聯(lián)系的接口電路，包括鍵盤、顯示器和打印機 等 。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 3 機械部分的設(shè)計 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度檢測裝置的進給運動是數(shù)字控制的直接對象，被測試的連桿的平行度的精度肯定會受到進給運動傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。 因此，在設(shè)計進給系統(tǒng)時要 充分注意減少摩擦，提高傳動精度和剛度，消除傳動間隙，以及減少運動件的慣性。 所以進給系統(tǒng)如下圖 3-1。 電機減速器工作臺導(dǎo)軌滾珠絲杠 圖 3-1 進給系統(tǒng) 3.1 傳感器的選用與安裝 3.1.1 傳感器的選用 因為本裝置是用來自動檢測汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度的，所以本裝置選用差動變壓器式位移傳感器 3。差動變壓器式位移傳感器應(yīng)用比較廣泛，它的精確度和 靈敏度都非常高，非線性誤差小，量程 比 較寬，非常適合本 檢測 裝置系統(tǒng)。 差動變壓器式位移傳感器有很多型號，現(xiàn)在選用以下規(guī)格的傳感器。其主要性能規(guī)格示值 見表 3.1。 表 3.1 差動變壓器式位移傳感器規(guī)格 4 變動性 0.2um 測量力 0.40.7N 總行程 1.2mm 裝卡尺寸 8h7 外形尺寸 830 重量 0.15N 3.1.2 傳感器的安裝 3.1.2.1 測量杠桿機構(gòu)的作用與外伸軸的剛度估計 因為被測汽車發(fā)動機連桿小頭的直徑只有 28mm，無法把差動變壓器式位移傳感器安裝在所測孔的內(nèi)表面上，所以 考慮選用一個杠桿機構(gòu)，稱之為測桿。測桿的一端安裝一個傳感器 測頭，另一端與傳感器的測頭相接觸，同時這個機構(gòu)還可以將這杠桿孔的直徑誤差進行放大，以保證整個測試系統(tǒng)的測量精度。 整個系統(tǒng) 要設(shè)計 三個測桿，它們安裝在測試箱的外伸軸上 面 。因為所測的連桿小頭汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 5 孔的 直徑誤差很小，所以必須 要 考慮測試桿和外伸軸的剛度 5，才能避免因變形而影 響整個測試系統(tǒng)的精度。為了降低測桿變形，在安裝時除了采用支承銷 還另加彈簧，因在測試過程中，測頭所受到的力非常小，再加上本 身 的 重量還不足 1N，而 且 測桿的材料是選用優(yōu)質(zhì)的 45 鋼，承受這樣小的力，估計其變形 是 可以忽略，因而無需校核其剛度。此外，因外伸軸的外伸長度只有 129mm,最小直徑 12mm，材料同樣選用 45 鋼，同樣 忽略其變形。 3.1.2.2 傳感器的定位與安裝 傳感器的定位 與 安裝在本自動檢測裝置的設(shè)計中是一個重點問題，因為它的正確定位將會直接影響到本測試系統(tǒng)的精度。但是，不管怎樣它都會帶來誤差屬于常值系統(tǒng)誤差，可以用過其他方法給予補償。 傳感器 安裝 完成 后可以通過調(diào)整與其相連的壓板螺母來調(diào)節(jié)其軸向定位和徑向定位的精確度。 下圖 3-2 為傳感器的安裝與定位圖 圖 3-2 傳感器的安裝與定位 3.2 其他運動部件的設(shè)計與計算 3.2.1 承載工作臺外形尺寸與重量估計 見表 3.2 表 3.2 工作臺外形尺寸與重量估計 長 L 200mm 寬 D 86mm 高 H 45mm 密度 7.8x10-3kg/cm3 重力加速度 g 10N/kg 重力 G 60.37N 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 3.2.2 測試箱外形尺寸及重量估算 外伸 軸 外形尺寸與重量估計 見下表 3.3 表 3.3 外伸軸 外形尺寸與重量估計 長 L 160mm 圓周率 3.14 半徑 r 12mm 密度 7.8x10-3kg/cm3 重力加速度 g 10N/kg 重力 G 5.64N 測試箱 外形尺寸與重量估計 見下表 3.4 表 3.4 測試箱 外形尺寸與重量估計 長 L 160mm 寬 D 90mm 高 H 152mm 密度 7.8x10-3kg/cm3 重力加速度 g 10N/kg 重力 G 113.82N 傳感器 G=0.15N3=0.45N 總體重量 G= G 工作臺 +G 外伸軸 +G 測試箱 +G 傳感器 =180.28N 3.2.3 滾珠絲杠伺服傳動系統(tǒng)傳動比 6的確定 3.2.4 傳動系統(tǒng)中一對齒輪參數(shù)的確定 Z 齒數(shù)； d 齒輪的公稱直徑 (mm)； b 齒輪寬度 (mm)； a 兩個齒輪的 中心距 (mm) 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 7 下圖 3-3 為齒輪 1 圖 3-3 齒輪 1 3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型及校核 (1) 滾珠絲杠的特點 7 滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)與直線運動相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置。在絲杠和螺母上加工有弧型的螺絲槽，當(dāng)它們套在一起是形成了螺絲滾道，并 且 在滾道內(nèi)裝滿滾珠，當(dāng)絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)時，兩者 會 發(fā)生軸向位移，而滾珠則 會 沿滾道滾動，螺母螺絲槽兩端用回珠管連接，使?jié)L珠能周而復(fù)始的循環(huán)，采用滾珠絲杠提高了機構(gòu)的效率和傳動精度，所以一般精度較高的系統(tǒng)中采用滾珠絲杠來傳動。 （ 2） 滾珠絲杠的循環(huán)形式 滾珠絲杠的循環(huán)形式主要有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。內(nèi)循環(huán)的有優(yōu)點是回路短，流暢好。外循環(huán)的優(yōu)點是加工方便。 下圖 3-4 為滾珠絲杠的循環(huán)形式 圖 3-4 滾珠絲杠的循環(huán)形式 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 我設(shè)計的連桿 大小頭 孔 中心線平行度自動檢測裝置 的傳動系統(tǒng)就采用了滾珠絲杠，以增加系統(tǒng)的傳動效率，運動的平穩(wěn)性及壽命，循環(huán)形式是內(nèi)循環(huán)。 3.2.5.1 牽引力 Fm 的確定 滾珠絲杠上的牽引力 Fm（ N） 是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫工作載荷。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。 取 .5N 3.2.5.2 最大動載荷 計算及主要參數(shù)的初定 計算載荷 FC（ N）的計算 計算額定動載荷計算值 式中 , 為滾珠絲杠的平均轉(zhuǎn)速（ r/min） ,nm =1000v/L0,其中 v為最大工作載荷下的進給速 度 , 取 v=1m/min.L0 為滾珠 絲杠的 基本 導(dǎo)程 (mm), 這 里初定 為 5mm. 則nm=10001/5=200r/min； 3.2.5.3 初選滾珠絲杠副 根據(jù)最大動載荷并考慮各 種因素，選擇滾珠絲杠副的幾何參數(shù)以下： 3.2.5.4 傳動效率的計算 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 9 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 為 式中 : 3.2.5.5 壓桿穩(wěn)定 8性驗算 絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷為 式中， E 絲杠材料的彈性模量，取 E=206GPa； l 絲杠的工作長度 (m)，這里 l 0.28m； aI 絲杠危險截面軸慣性矩 (m4) ， aI= d14/64=3.14(0.016788m)4/64=310-8m4 長度系數(shù)，設(shè)計絲杠的支承方式為一端固定，一端游動，故取 2/3 Fcr=N2892)28.032(10310206)14.3( =1.74106N 安全系數(shù) S= Fcr/Fm=1.74106/2.55=682352.94,可見足夠安全，不會失穩(wěn)。 3.2.5.6 剛度驗算 8 絲杠的拉壓變形量為 得 2= 2.55280/20.6104255= 0.1410-4mm, 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2，該變形量與滾珠列、圈有關(guān)，即與滾珠總數(shù)有關(guān)，與滾珠總數(shù)有關(guān)，與滾珠絲杠長度無關(guān)。有預(yù)緊時： 式中， FYJ 預(yù)緊力 (N), FYJ =0.673N； =Z圈數(shù) 列數(shù)； 代入有關(guān)數(shù)據(jù)算得 2=0.9410-3mm. 當(dāng) 預(yù) 緊 力 為 軸 向 工 作 載 荷 的 1/3 時， 2 的 值 可 減 少 一 半 左 右 ， 2=0.4710-3mm =1+2=0.000484mm 本系統(tǒng)的定位精度為 0.015，可見滿足要求。取滾珠絲桿精度等級為 3 級，允差為 12um所以也能符合設(shè)計要求。 3.2.6 滾動導(dǎo)軌的設(shè)計 7 由于雙 V 形滾動導(dǎo)軌 的 結(jié)構(gòu) 是 對稱 的 ，工作臺可以放在兩導(dǎo)軌之間，能承受側(cè)向力矩，無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 接觸剛度好、導(dǎo)向性和精度保持性好，并設(shè)計為鑲條 以 便維修和調(diào)整，因此滿足設(shè)計要求。 3.2.6.1 滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定 根據(jù) 檢測過程中工作臺實際需 移動的距離， 可 取導(dǎo)軌的總長度為 280mm， 動導(dǎo)軌長度為 140mm，動導(dǎo)軌行程為 100mm，滾珠保持器的長度為 200mm. 3.2.6.2 滾動體尺寸與數(shù)目的確定 由于工作臺重量 比較 輕，并且在工作過程中動載荷只有 2.55N。根據(jù) 有關(guān) 資料中的雙V 型導(dǎo)軌的滾動體的直徑最好不低于 6mm，因為若滾 動體太小就容易產(chǎn)生滑動象。現(xiàn)選滾珠的直徑為 6mm。 滾動體數(shù)目選擇的根據(jù)： z G/30 , 算得 z=10，由動導(dǎo)軌長度為 140mm，得兩滾珠之間的距離 t=14mm. 3.2.6.3 驗算許用負(fù)載 9 許用負(fù)載 P=Kd2 式中， K 滾動體截面上假想許用應(yīng)力，經(jīng)查表取 K=60N/cm2； 導(dǎo)軌硬度校正系數(shù) ,這里取 =1。 P=6010.62N=21.6N 這里設(shè)計的導(dǎo)軌選用淬透鋼 HRC=55，所以 P=21.6N， Pmax=15.412N P 可見，雙 V 型滾珠導(dǎo)軌 是 符合要求 的 。 3.2.7 步進電機的選用 步進電機也叫脈沖電動機，是將脈沖信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移 的電磁機械裝置，是一種輸入與輸出數(shù)字的脈沖對應(yīng)的增量驅(qū)動元件。 給步進電機一個電脈沖信號 時 ，不僅電動機 會 轉(zhuǎn)動一個步距角，如 果 按一定規(guī)律給步進電機一串連續(xù) 的 脈沖信號，步進電機便 會 一步步地連續(xù)旋轉(zhuǎn)。步進電機具有如下特點 10： (1)步進電機受數(shù)字脈沖信號控制，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比。 (2)步進電機的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比 。 (3)步 進電機的轉(zhuǎn)向可以通過改變通電順序來改變 。 (4)步進電機具有自鎖能力，一旦停止輸入脈沖，只要維持繞組通電，電動機就可以保持在該固定位置 。 （ 5）適合于直接與微機的 I/O 接口，構(gòu)成開環(huán)位置伺服系統(tǒng)。 步進電動機的類型 非常 多，按 它 工作原理分為反應(yīng)式、永磁式、永磁感應(yīng)式、滾切式和 若干混合式。按勵磁相數(shù) 可分 3 相、 4 相、 5 相、 6 相 和 8 相，按其規(guī)律 可 分為快速電機和功率電機。 步進電動機的工作原理 ：反應(yīng)式步進電機的工作原理與反應(yīng)式同步電機一樣，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動力矩是靠定子磁極與轉(zhuǎn)子間的磁極和切向分力產(chǎn)生的，如圖 3-5 當(dāng)定子上 A 相繞組通電時，由于磁場力使磁組減少，因此轉(zhuǎn)子上離 A 相磁極相對的位置，當(dāng) A 相斷電，受 B汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 11 相繞組所建立的磁場影響最大時，轉(zhuǎn)子齒 2 和 4 在磁場力的作用下，逆時針轉(zhuǎn)到和 B 相磁極相對的位置，即轉(zhuǎn)子前進一步。同樣當(dāng) B 相斷電，而 C 相通電時，轉(zhuǎn)子又在磁場力的作用下轉(zhuǎn)動一步，使轉(zhuǎn)子 1、 3 齒與 C 相磁極對齊，由此可見，按 A-B-C-A 順序通電時，電機便一步步地轉(zhuǎn)動，步進電機的步距角 是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一步所轉(zhuǎn)過的角度，由此可見 z 轉(zhuǎn)子齒數(shù) ma 通電循環(huán)拍數(shù) 圖 3-5 步進電機工作原理 3.2.7.1 步進電機的 步距角 初選進步電機的步距角 脈沖 3.2.7.2 步進電機啟動力矩的計算 取 步進電機的等效負(fù)載力矩為 T，負(fù)載為 P，根據(jù)能量守恒定理，電機所做的功與負(fù)載所做的功有如下關(guān)系： T=PS 式中， 電機轉(zhuǎn)角； S 移動部件的相對位移； 機械傳動效率； 3.2.7.3 步進電機轉(zhuǎn)動慣量計算 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式計算： J=0.7810-3D4L 式中， D 圓柱零件的直徑 (cm)； L 零件長度（ cm） . J1=0.7810-32.440.25=19.2410-2 kg.cm2 J2=0.7810-3540.5=24.37510-2 kg.cm2 J3=0.7810-32.6426=32.4510-2 kg.cm2 J0很小可以忽略為 0 3.2.7.4 選擇步進電機的型號 可以 根據(jù)最大的靜轉(zhuǎn)矩 Jmaax=19.02 N.cm,選 出 反應(yīng)式步進電動機 45BF005 .有關(guān)參數(shù)見表 3.5 表 3.5 45BF005 步進電機參數(shù) 外徑 (mm) 長度(mm) 軸徑(mm) 質(zhì)量(kg) 步距角 （） /脈沖 電壓 (v) 相電流(A) 最高啟動空載頻率(Hz） 最大靜轉(zhuǎn)矩(N m) 45 58 4 0.4 1.5 27 2.5 3000 0.196 3.3 數(shù)控系統(tǒng)的精度驗算 步進電機驅(qū)動的數(shù) 控系統(tǒng)精度 是 可以不用驗算，因為 檢測 前兩面的工作臺的定位精度要求不算太嚴(yán)格，而數(shù)控系統(tǒng)本身的精度已經(jīng) 能 夠 滿足 設(shè)計 要求，特別是滾珠絲杠螺母副的采用，具有傳動效率高，摩擦小，采用經(jīng)齒差調(diào)隙式的雙螺母預(yù)緊方式，經(jīng)適當(dāng)預(yù)緊后，可消除絲杠和螺母的間隙， 定位精度高，剛度好，運動平穩(wěn)，傳動精度高，精度保持性好，使用壽命長。 而減速齒輪的間隙在設(shè)計時 可以采用 偏心套消除間隙，這樣可以使傳動更平穩(wěn)，并 且能消 除 振 動 。 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 13 4 液壓部分的設(shè)計 在本檢測裝置系統(tǒng)中，汽車發(fā)動機連桿要被夾緊才能被檢測大小頭孔中心線平行度。所以將選用液壓傳動裝置 11在本檢測系統(tǒng)中夾緊工件，讓工件盡可能的被夾緊，定位準(zhǔn)確。因為要 考慮到夾緊時間可調(diào)節(jié)以及 當(dāng)進油路壓力瞬時下降時 的 保持夾緊力，所以應(yīng)接入節(jié)流 單向閥保壓。調(diào)節(jié)夾緊力大小和保持夾緊力 穩(wěn)定，可在回路上加上減壓閥。以下是液壓夾緊總體 設(shè)計方案圖 4-1。 圖 4-1 液壓夾緊系統(tǒng)圖 4.1 液壓缸的設(shè)計 11 4.1.1 夾緊力的計算 由連桿圖可以估算的工件重量如下： N 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 其中 F 為切削力，此處 F 為 0； G 為工件重量。 6.5N 4.1.2 確定液壓缸的主要尺寸 液壓缸 12要承受的負(fù)載包括有效工作負(fù)載 和 摩擦阻力 以及 慣性力等。液壓缸的工作壓力 可 按負(fù)載 來 確定。對 不同用途的液壓設(shè)備， 因為 工作條件 的 不同，采 用的壓力范圍也 會不同。設(shè)計 的時候 ，液壓缸的工作壓力可 以 按 照 負(fù)載大小及液壓設(shè)備類型 ，可以 參考 下面的 表 4.1、表 4.2 來確定。 表 4.1 液壓缸的公稱壓力（單位： MPa,GB7938-87） 0.63 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10.0 16.0 25.0 31.5 40.0 表 4.2 各類液壓設(shè)備常用的工作壓力 (單位： MPa) 設(shè)備類型 一般機床 一般冶金設(shè)備 農(nóng)業(yè)機械、小型工程機械 液壓機、重型機械、軋機壓下、起重運輸機械 工作壓力(MPa) 1 6.3 6.3 16 10 16 20 32 取液壓系統(tǒng)的機械效率 為 0.95，夾緊液壓缸的工作壓力 P1 為 1.6MPa, 回油背壓力p2 為 0，即可得液壓缸內(nèi)徑 D 代入數(shù)據(jù)可得 D=0.01347m=13.47mm. 表 4.3 液壓缸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格（單位： mm） 液壓缸 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 序號 液壓缸內(nèi)徑 液壓缸外徑 液壓桿直徑 液壓鋼承壓 01 32 40 18 30 Mpa 02 40 50 25 30 Mpa 03 45 60 30 60 Mpa 04 50 65 32 60 Mpa 05 63 80 45 60 Mpa 查表 4.3 確定液壓缸和活塞桿的 D 和 d 分別為 32mm和 18mm。 4.1.3 計算液壓缸工作階段所需的流量 11 設(shè) V 夾 =4m/min，工作階段所需的流量為 代入數(shù)據(jù)可得 q=3.22L/min 按照 q 夾 選擇液壓系統(tǒng)中的各 個 元件 的 型號，具體型號與安裝見總裝配圖。 4.1.4 液壓缸的安裝 液壓缸的安裝方式采用中部法蘭聯(lián)接，即設(shè)計為支座，由于液壓缸與底座相平行，所汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 15 以底座應(yīng) 當(dāng) 設(shè)計成帶有直角形狀，具體結(jié)構(gòu)與參數(shù)見 液壓缸 支座零件圖。 4.2 液壓泵的選用 4.2.1 液壓泵的工作壓力確定 因為在正常工作中進油管路有一定的壓力損失，所以液壓泵 12的工作壓力為 4.2.2 泵的流量確定 4.2.3 選擇液壓泵的規(guī)格 現(xiàn)選用限壓式變量葉片泵。因為限壓式變量葉片泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、流量均勻、噪聲小、壽命長等優(yōu)點?？梢愿鶕?jù)以上算得的 Pp 和 qp 查閱液壓泵相關(guān)手冊，選用型號為 YBX 16 型的葉片泵，其主要參數(shù)見表 4.4。 表 4.4 YBX 16 型葉片泵主要參數(shù) 排量 額定壓力 轉(zhuǎn)速 容積效率 總效率 （ mL/r） （ MPa） (r/min) (%) (%) 16 6.3 600-1450 85 70 4.3 與液壓泵匹配電動機的選定 根據(jù)液壓泵的轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)所需要的功率，現(xiàn)在選用 Y 系列三相異步電動機，型號為Y90L-4，其主要技術(shù)參數(shù)見表 4.5。 表 4.5 Y90L-4 型三相異步電動機主要技術(shù)參數(shù) 功率 電流 轉(zhuǎn)速 效率 額定轉(zhuǎn)速 最大轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量 （ kw) (A) (r/min) (%) (N*m) (N*m) (kg) 1.5 3.7 1400 79 2.3 2.3 27 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 5 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 5.1 硬件電路總體設(shè)計方案 5.1.1 硬件電路框圖表示 圖 5-1 硬件電路總體方案框圖 5.1.2 硬件電路主要元器件的選擇清單 CPU： 8031 芯片 8K 程序存儲器 2764 8K 數(shù)據(jù)存儲器 6264 地址鎖存器 74LS373 譯碼器 74LS138 擴展可編程接口芯片 8255 兩片 可編程鍵盤、顯示器接口芯片 集成采集保持器 AD582 相敏檢波器 AD532 測量放 大器 AD521 運算放大電路 可編程 A/D0809 芯片 5.2 主控制器 CPU的選擇及其引腳 5.2.1 CPU 的選擇 本 檢測 系統(tǒng) 是 采用 8031 作為單片機 14中央處理單元，主要基于 8031 微處理器 的 成本低，應(yīng)用廣泛，易于產(chǎn)品化，能 夠 針對性的解決問題，并 且 具有現(xiàn)成的硬件接口電路和軟件，能 方便組 成各種智能化控制設(shè)備 和 各種智能儀表儀器。因 為 本 檢測 系統(tǒng)是一個智能測汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 17 量裝置，單片機能面向控制，能針對性地解決問題，所以適合本裝置的應(yīng)用。 5.2.2 8031 的硬件資源及其引腳 5.2.2.1 8031 的內(nèi)部資源 8031 內(nèi)部 含 有 一個 8 位的 CPU， RAM（ 128 字節(jié)） ， ROM（ 4K 字節(jié) ） ， 21 個特殊功能的 寄存器， 4 個 8 位并行口， 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器， 一個全雙工串行口， 5 個中斷源，40 個引腳等。在本裝置中，還須 要 擴展多個接口才能 夠 完成系統(tǒng)的自動檢測功能。 5.2.2.2 8031 的引腳定義及功能 8031 單片機 是 用 40 引腳雙列直插封裝（ DIP）形式。包括： Vss(20 腳 )：接地。 Vcc(40 腳 )：主電源 +5V。 XTAL1(19 腳 )：接外部晶體一個引腳，在單片機 內(nèi)部，它是振蕩電路 反相放大器的輸入端。在這里 采用片內(nèi)振蕩器，此引腳作為驅(qū)動端。當(dāng) 用外部振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。 XTAL2(18 腳 )：接外部晶體的另一端 ,即反相放大器的輸出端。 RST/VPD(9 腳 )：振蕩器運行 ，此引腳上 會 出現(xiàn)兩個機器周期寬度以上的高電平將 會使單片機復(fù)位。 ALE/ PROG (30 腳 )：當(dāng)訪問外部儲存器時， ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。 PSEN ：片外程序存儲器的選通信號，低電平有效。 EA /VPP：當(dāng) EA 端輸入高電平時， CPU 執(zhí)行程序，訪問片內(nèi)程序存儲器。對于 8031來說，無片內(nèi)存儲器，該引腳應(yīng)接低電平。 輸入 /輸出 (I/O)引腳 P0、 P1、 P2 和 P3，共四個端口，每個端口都是 8 位準(zhǔn)雙向口，共占 32 根引腳。 5.3 存儲器擴展電路的設(shè)計 15 5.3.1 程序存儲器的擴展電路芯片 因 為 8031 內(nèi)部不帶 EPROM 芯片，所 需要擴展程序存儲器。根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求，采用一片 8K 的 EPROM 就 可 以 滿足要求，這里選用 8K8 位的 2764 芯片，引腳結(jié)構(gòu)如圖5-2 所示。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 圖 5-2 EPROM 引腳結(jié)構(gòu) 2764 共有 13 根地址線 A0 A12，其地址范圍是 0000H 1FFFH。有 8 根數(shù)據(jù)線 D0D7，其余為控制線。分別定義為： CE 片選信號輸入端，低電平有效，表示選中該芯片。因 8031內(nèi)部不帶 EPROM芯片，這里 CE 直接接地表示一直選通。 OE 輸出使能端，與單片機的 PSEN 相連，當(dāng) PSEN 有效時，把 2764 中的指令或數(shù)據(jù)送入 P0 口線。 PGM 編程控制端。 VCC +5V 電源。 5.3.2 地址鎖存器選用 單片機規(guī)定 P0 口提供低 8 位的地址，又作數(shù)據(jù)線，所以為分時輸出低 8 位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外存儲器提供低 8 位地址信息，這里應(yīng) 選用帶三態(tài)緩沖輸出的 8 口 鎖存器 74LS373 作為地址鎖存器，它的鎖存控制端 G 和 STB直接與單片機的鎖存控制信號端 ALE 相連，在 ALE 下降沿將地址信息鎖 存入地址鎖存器中。 5.3.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴展電路芯片 8031 內(nèi)部只有 128 字節(jié)的 RAM，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的控制要求，需要擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。由于面向控制，實際需要擴容量不大。其選用規(guī)則與 EPROM 的要求相同。這里選用的 6264 為 8K8 位的靜態(tài) RAM，其引腳結(jié)構(gòu)如圖 5-3 所示。 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 19 圖 5-3 RAM 引腳結(jié)構(gòu) 6264 共有 13 根地址線 A0 A12，有 8 根數(shù)據(jù)線 D0 D7。其余為控制線。分別定義為： CE 片選信號輸入端，低電平有效，表示選中該芯片。 OE 輸出允許 (讀 )信號，與單片機的 RD (P3.7)連接，實現(xiàn)讀操作。 WE 輸出允許 (寫 )信號，與單片機的 WR (P3.6)連接，實現(xiàn)寫操作。 VCC +5V 電源。 5.3.4 譯碼器的選用 CPU 與存儲器連接的 存在 一個重要問題是 ，存儲器地址的分配和片選信號的產(chǎn)生。它們決定了存儲器在內(nèi)存空間中的位置。解決片選信號的問題就是要正確處理存儲器地址譯碼問題。一般來說，地址譯碼有線選法和地址譯碼法。線選法就是把單獨的地址線作為片選信號接到存儲器的片選端上，只要該信號為低電平就可選中相應(yīng)的存儲器芯片，這種方法的特點是連線簡單，不需 專門設(shè)計邏輯電路，但芯片之間的地址不連續(xù) 。 地址譯碼法又 分 部分譯碼和全譯碼兩種方式。部分譯碼法類似于線選法，地址有重疊區(qū)，地址空間分散。這里采用全譯碼法，它是指除存儲器芯片所用地址線與 CPU 的地址線對應(yīng)相連外，末用的 地址線全部參加譯碼，通過地址譯碼器產(chǎn)生存儲器的片選信號。本系統(tǒng)選用 74LS138，其輸入端 A、 B、 C 接 8031 的 P2.5、 P2.6、 P2.7。 5.4 I/O 擴展電路的設(shè)計 8031 單片機 16共有四個 8 位并行 I/O 口，但可供用戶使用的只有 P1 口及部分 P3 口，因此大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免地要進行擴展 I/O 口。本系統(tǒng)須擴展兩個 8255 可編程接口芯片以及其它外設(shè)接口電路 。 5.4.1 8255 可編程接口芯片的選用 8255 具有 3 個可編程的并行 I/O 端口， A 口、 B 口和 C 口，它們都可以通過軟件編程來改變 I/O 口 的工作方式，即方式 0、方式 1 和方式 2。 8255 共有 40 個引腳，下面根據(jù)功無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 能分類說明： 5.4.1.1 數(shù)據(jù)總線 D0 D7 用于傳送 CPU 與 8255 之間的命令與數(shù)據(jù)， PA0 PA7、 PB0 PB7、 PC0 PC7，分別與 A、 B、 C3 個口相對應(yīng)，用于 8255 與外設(shè)之間傳送數(shù)據(jù)。 5.4.1.2 控制線 RD 讀信號，與 8031 的 RD (P3.7)連接，當(dāng)輸入低電平時，控制 8255 送出數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息到 CPU，即 CPU 對 8255 進行讀操 作。 WR 寫信號，與 8031 的 WR (P3.6)連接，當(dāng)輸入低電平時，控制把 CPU 輸出的數(shù)據(jù)或命令寫到 8255，即 CPU 對 8255 進行讀操作。 RESET 復(fù)位信號，輸入。當(dāng)此引腳為高電平時，所有 8255 內(nèi)部寄存器都清 0。 5.4.1.3 尋址線 CS 芯片選擇信號，接 74LS138 的兩個輸出端。當(dāng)為低電平時，本芯片被 CPU 選中。 A0 和 A1 兩個輸入信號，接地址總線 A11 和 A12。 5.4.2 步進電機驅(qū)動電路 步進電機 是由脈沖信號來實現(xiàn)控制的，在負(fù)載能力 和 動態(tài)特性范圍內(nèi)，電動機的角位移僅與控制脈沖數(shù)成正比。其驅(qū)動電路框圖見圖 5-4。 圖 5-4 步進電機驅(qū)動電路框圖 5.4.2.1 計算機接口 在數(shù)控系統(tǒng)中， 實現(xiàn)微機對步進電機的自動控制，就必須 要 借助計算機接口電路。本系統(tǒng)中，步進電機接口電路接 8255(1)的 A 口 ,其控制由 PA0 PA3 口輸出信號實現(xiàn) 。 5.4.2.2 脈沖分配器 脈沖分配器又稱環(huán)行分配器，是驅(qū)動步進電機中必 不可少的環(huán)節(jié)。步進電 動 機的控制方式由環(huán)行分配器 來實現(xiàn)，它作用是將數(shù)控裝置傳來的一系列指令脈沖按照一定的分配方式和順序送給步進電機的各項繞組并能實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。在數(shù)控系統(tǒng)中 常使用 比 較多的是集成脈沖分配器 以及 軟件分配器，本系統(tǒng)采用的是 TTL 產(chǎn)品 YB103，其引腳結(jié)構(gòu)如圖 5-5 所示。 計算機接口電路 脈沖分配器 隔離 電路 功率放大電路 步進電機 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 21 圖 5-5 YB103 引腳結(jié)構(gòu) 各引腳功能說明 如 下 ： 0E 選通輸出控制端，接 8255(1)的 PA0 口。 1E 、 2E 選通輸入控制端，這里把此兩引腳接地。 A0、 A1 電機勵磁方式控制。 +、 正、反轉(zhuǎn)控制端。 A、 B、 C 分別為 A 相、 B 相、 C 相輸出控制端。 CP 時鐘脈沖的輸入，接 8031 和 T0 引腳。 5.4.2.3 光電隔離電路 在步進電機驅(qū)動 電路中，脈沖分配器輸 出的信號經(jīng)放大后控制步進電機的勵磁繞組。因 步進電機驅(qū)動電壓 比 較高，電流也 比 較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相連 接 ，將會引起強干擾。所以這里脈沖分配器與功率放大器之間加上光電耦合器以實現(xiàn)電氣隔離。 光電耦合器是把發(fā)光件和受光件封裝在一起，通過光信號，實現(xiàn)電信號傳遞的器件。連接發(fā)光源的引線作為輸入端，連接受光件的引線為輸出端。通常發(fā)光件為發(fā)光二極管，而受光件為光敏三極管。 5.4.2.4 功率放大器 脈沖分配器的輸出功率還不足夠驅(qū)動步進電機所需的功率，這里必須將其輸出信號放大才能保證步進電機的正常運行。 功率 放大器按其結(jié)構(gòu)不同分為單電源和雙電源型。本系統(tǒng)中采用單電源供電結(jié)構(gòu)，并在步進電機的繞組回路中串聯(lián)一個小于 10的電阻，以增大功率放大器負(fù)載回路的電阻，使步進電機中的電流上升時間常數(shù)減小，提高上升沿的陡度。 5.4.3 三相異步電機的驅(qū)動電路 在本裝置中，用三相異步電機 Y90L-4 來驅(qū)動液壓元件工作。因這里選用的三相異步電機的功率只有 1.5 千瓦，起動時沒有必要采用其它特殊的起動方法而用直接起動方法即可。但為了考慮整個裝置的自動化，這里用單片機 I/O 端口的輸出信號經(jīng)放大后驅(qū)動電磁繼電器，進而控制異步電機的啟停。 同樣在單片機端口輸出信號接入光電耦合器和功率放大器。 5.4.4 電磁換向閥的驅(qū)動電路 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 這里采用的是三 位四通的電磁換向閥，其換向動作由一個電磁鐵來實現(xiàn)，通過控制電磁鐵的通斷電狀態(tài)進而控制其換向動作。這里用 8255 的 PA3 端口輸出信號，經(jīng)光電耦合器和功率放大來驅(qū)動電磁鐵。 5.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 15 傳感器的輸出量是連續(xù)變化的模擬量，這些模擬量須經(jīng)過轉(zhuǎn)換成計算機能識別數(shù)字量才能進行最終的數(shù)據(jù)處理，以實現(xiàn)裝置的自動檢測功能。其模數(shù)轉(zhuǎn)換電路框圖如圖 5-6 所示。 圖 5-6 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路框圖 5.5.1 測量電橋 傳感器 17本身就是一個電感式的測量電橋，它的作用是將傳感器的徑向位移轉(zhuǎn)換成強度較強的電壓信號。測量電橋?qū)嵸|(zhì)是一個乘法器。 5.5.2 測量放大電路 這里選用 AD521 放大器，接線見圖 5-7。 圖 5-7 AD521 接線圖 AD521 測量放大器的放大倍數(shù)可調(diào)范圍 1 到 1000，輸入阻抗為 3M，共模抑比可達(dá)120dB，工作電壓范圍 5 到 18V，放大倍數(shù)為 1 時的最高頻率大于 2MHz。其放大倍數(shù)由電阻比 K=Rs/Rg 決定。 5.5.3 相敏檢波電路 測量放大電路輸出的信號中，包括高頻的調(diào)制波和要處理的點信號，相敏檢波的解調(diào)與低通濾波器可將高頻的調(diào)制波濾去，只剩下要處理的電信號，此時能消除零點殘余電壓的影響。 本檢測系統(tǒng)選用 AD532/CL80B 作為相敏檢波芯片。其引腳結(jié)構(gòu)見圖 5-8。 測量電 橋 測量放大 相敏檢波 功率放大 振蕩器 A/D 轉(zhuǎn)換 采樣保持 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 23 5.5.4 功率放大電路 經(jīng)過 相 敏檢波后的模擬信號，再通過功率放大電路，使信號得到增強，以利于信號的采集。這里的選用 F007 型的放大器，其接線情況見電氣系統(tǒng)圖。 5.5.5 集成采樣保持電路 這里選用集成采樣保持器 AD582， 它有 0.01%的線性度和 0.002%的增益精度，保持電容取 1000pF,捕獲時間小于 6 s,斷開時間為 200ns，無論處于采樣還是保持狀態(tài)均為高輸入阻抗，內(nèi)含增益調(diào)整電路。其作用是在電路中提高了抗干擾能力。其接線情況見電氣系統(tǒng)圖。 5.5.6 A/D 轉(zhuǎn)換電路 在本測試裝置中，由于使用了 3 個傳感器，所以必須有三路 A/D 轉(zhuǎn)換電路，這就使得在考慮使用 A/D 轉(zhuǎn)換芯片時，首先應(yīng)估算一個成本。這里選用性能合適、性能比高的ADC0809 作為轉(zhuǎn)換芯片。 其主要特性為：分辯率為 8 位；最大不可調(diào)誤差小于 ULSB；可鎖存三態(tài)輸 出，輸出與 TTL 兼容；不必進行零點和滿度調(diào)整。 ADC0809 的引腳結(jié)構(gòu)見圖 5-9。 圖 5-9 ADC0809 的引腳結(jié)構(gòu) 部分引腳的功能說明以下： VREF(+)、 VREF(-) 參考電壓正、負(fù)端。 ADDA(ADDB)(ADDC) 8 路模擬選通開關(guān)的 3 位地址選能輸入端。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 IN0 IN7 8 路模擬信號輸入端。 D0 D7 8 位數(shù)字量輸出，接經(jīng)光電隔離電路接入單片機 的P0 口。 OE 輸出允許控制端，用于打開三態(tài)輸出鎖存器。當(dāng) OE 為高電平時， 打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到數(shù)據(jù)總線上。 CLOCK 時鐘信號輸入端，這里 時鐘頻率選為 500Hz，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換時間為 128 s. 5.6 其他輔助電路設(shè)計 5.6.1 鍵盤與顯示器接口電路 鍵盤 和 顯示器是數(shù)控設(shè)備進行人機 交換的紐帶。它們能夠 完成數(shù)據(jù)的輸入 以及 計算機工作狀況的動態(tài)顯示。通常 ，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式的鍵盤，即用 I/O 口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有 LED(發(fā)光二極管 )和LCD(液晶顯示器 )。本系統(tǒng)中采用 8255 接口芯片管理鍵盤和顯示器的電路。它由 4 8 位鍵和 8 位 LED 顯示器組成。為了簡化電路，鍵盤的列線接 8255 端口，即每個顯示器由 8個發(fā)光二極管組成。二極管的陰極連在一起，陽極通過 74LSO6 門分別與 8255 的 PC 口輸出的字形數(shù)據(jù)信號線相連。當(dāng)發(fā)光二極管為高電平時，此段發(fā)光二極管顯示小數(shù)點。鍵盤由 4 8 個鍵組成矩陣，每個鍵相當(dāng)于一個開關(guān)，當(dāng) 某一鍵按下時，控制線與列線連在一起 18。 鍵盤的工作過程是：無鍵按下時 A 口引線由 5.1k電阻上拉至高電平， C 口的 8 條列數(shù)在一定的時間間隔內(nèi)輪流送出低電平，當(dāng)被掃描到某一線上有鍵按下時，交叉點上相應(yīng)的行線就被拉至低電平，低電平信號被行線捕獲后，計算機讀取信息，并根據(jù)此鍵對應(yīng)的行列計算出鍵值，完成鍵動態(tài)掃描的全部工作。 顯示器 采用掃描方式，由 8255 的 C 口線送出的八段碼，只有當(dāng) LED 公共端為低電平時，這一位顯示塊才能顯示出字形， PA0 PA3 通過 75452P 驅(qū)動器分別接到 LED 的公共端。計算機以人眼不能分 辨的速度輪流對 8 根字位線輸出低電平，可在顯示器上顯示出不現(xiàn)的數(shù)字，從而實現(xiàn)掃描顯示 的 。 鍵盤與顯示器共用的 8255 的口線控制，在進行鍵盤巡回掃描時必須先顯示。當(dāng)然有關(guān)鍵盤與顯示器的工作必須經(jīng)過軟件協(xié)調(diào)處理后才能達(dá)到預(yù)期的效果。 5.6.2 打印機接口電路 本系統(tǒng)中，選用微型打印機的作用是可以直接將測試結(jié)果打印出來，以便使裝置的功能更加完善。這里選用 TP P-40A 型號的打印機，它是一種由單片機控制的智能型打印機，具有較豐富的打印命令，命令代碼均為單字節(jié)，格式簡單；帶有水平和垂直制表命令，便于打印表格；帶有命 令格式的檢錯功能，當(dāng)輸入錯誤命令時，打印機打印出錯誤信息代碼。因此，選用這一型號的打印機符合用戶的要求。 TP P-40A 通過擴展芯片 8255(2)與 8031 相連，其數(shù)據(jù)線接 8255 的 B 口， STROBE 為數(shù)據(jù)選能信號端口，在該信號的上升沿，數(shù)據(jù)線上的 8 位并行數(shù)據(jù)被打印機讀入機內(nèi)鎖存，它接 8255 的 PA4 口。 BUSY 是狀態(tài)“忙”信號，接 8031 的非屏蔽中斷 INT1 引腳。 5.6.3 報警顯示接口電路 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 25 因設(shè)計要求本裝置具有報警功能，即當(dāng)連桿的大 小頭孔中心線平行度超差時能有報警功能提示，這里用由 2 個發(fā)光二極管和 2 個電阻再加上一個反相器組成報警顯示電路，一端接 8255(2)的 PA5 口，當(dāng) PA5 輸出高電平則提示所測的連桿不合格。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 6 控制軟件編程 6.1 監(jiān)控軟件的功能 智能儀表與其它模擬電路和數(shù)字電路的最大區(qū)別就在于它是在軟件的指揮下工作，硬件功能只有在軟件的協(xié)調(diào)控制下才能充分發(fā)揮作用，軟件的設(shè)計經(jīng)歷分析，設(shè)計，編制，測試和運行等階段。在儀表軟件總體設(shè)計時主要確定軟件和硬 件任務(wù)之間的分工。智能儀表的軟件按用途可以分為監(jiān)控軟件、測控軟件和輔助軟件等 監(jiān)控軟件在某種程度上像個人計算機的操作系統(tǒng)，其主要功能以下： 儀表內(nèi)部的組態(tài) 。 如儀表各通道的儀表系數(shù)和濾波器類型的選擇 ,參數(shù)的設(shè)置，模塊之間的串聯(lián)等。 監(jiān)控軟件很大程度決定了儀表 性能， 它的 工作量在整個軟件工作量中占有不小的比例。例如鍵盤與顯示相結(jié)合的數(shù)據(jù)輸入和輸出處理程序。 測控軟件 可以實現(xiàn)儀表具體的測量以及 控制功能。包括各 個 輸入通道的數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)值處理模塊（如 FFT 和濾波），控制量的輸出模塊，不同規(guī)律（如 PID 和 模糊控制）的控制模塊等。 輔助軟件涉及的內(nèi)容較多，如浮點計算函數(shù)庫就是儀表常用的輔助軟件。 6.2 鍵盤與顯示器接口的軟件設(shè)計 6.2.1 接口電路 關(guān)于鍵盤與顯示器的接口電路在第 5 章已有所敘述，在這里再補充說明一下。本裝置采用的是 8255 并行擴展口構(gòu)成的鍵盤顯示器電路。這是為了節(jié)省 I/O 口線，所以把鍵盤和顯示電路做在一起，構(gòu)成實用的鍵盤、顯示電路。 LED 顯示器采用共陰極，段選碼由 8031 的 P1 口提供，位選碼由 8255(2)的 PC 口提供。鍵盤的列輸入由 8255(2)的 PC 口提供，行輸出由 8255(2)的 PA0 PA3 口提供。這里 LED采用動態(tài)顯示軟件譯碼，而鍵盤則采用逐列掃描查詢工作方式。此外， LED 的驅(qū)動采用反相驅(qū)動器 74LS06。 6.2.2 軟件設(shè)計 由于鍵盤與顯示做成一個接口電路，因此在軟件中合并考慮鍵盤查詢與動態(tài)顯示、鍵盤消顫的延時子程序用顯示程序替代。動態(tài)顯示子程序框圖如圖 6-1 所示。設(shè) 8031 片內(nèi)RAM 的 78H 7FH 單元為顯示緩沖區(qū)，依次（從低到高位）存放八個顯示的數(shù)據(jù)，以分離的 BCD 碼形式存放。 程序清單： KD1: MOV A， 00000011B ； 8255（ 2）初始化， PA 口 、 PB口為基本輸出方式， PC 口為輸入方式 MOV DPTR， 7F00H MOVX DPTR， A 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 27 KEY1： ACALL KS1 JNZ LK1 ACALL DIS ；調(diào)用顯示子程序，延時 6ms AJMP KEY1 LK1： ACALL DIS ACALL DIS ；調(diào)用兩次顯示，延時 12ms ACALL KS1 JNZ LK2 ACALL DIS ；調(diào)用顯示、延遲 6ms AJMP KEY1 LK2： MOV R2， 0FEH MOV R4， 00H LK4： MOV DPTR， 7F01H MOV A， R2 MOVX DPTR， A INC DPTR INC DPTR MOVX A， DPRT JB ACC.0， LONE MOV A， 00H AJMP LKP LONE： JB ACC.1， LTWO MOV A， 08H AJMP LKP LTWO： JB ACC.2， LTHR MOV A， 10H AJMP LKP LTHR： JB ACC.2， LTHR MOV A， 08H AJMP LKP LTWO： JB ACC.2， LTHR MOV A， 10H AJMP LKP LTHR： JB ACC.3， NEXT MOV A， 18H LKP： ADD A， R4 PUSH ACC LK3： ACALL DIS ACALL KSI 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 JNZ LK3 POP ACC RET NEXT： INC R4 MOV A， R2 JNB ACC.7， KND RL A MOV R2， A AJMP LK4 KND： AJMP KEY1 KS1： MOV DPTR， 7F01H MOVX DPTR， A INC DPTR INC DPRT MOVX A， DPTR CPL A ANL A, 0FH RET DIS： MOV R0， 78H ；動態(tài)顯示初始化，存緩沖區(qū)首地址 MOV R3， 7FH ；存首位位選字 MOV A， R3 LD0： MOV DPRT， 7F01H ；指定 P1 口 MOVX DPTR， A ；送位選字入 P1 口 INC