微機(jī)控制超低速運(yùn)動(dòng)下降桿設(shè)計(jì)

1、微機(jī)控制超低速運(yùn)動(dòng)下降桿設(shè)計(jì)微機(jī)控制超低速運(yùn)動(dòng)下降桿設(shè)計(jì)作者：孫國(guó)浩作者：孫國(guó)浩 指導(dǎo)教師：鄭堤指導(dǎo)教師：鄭堤（寧波大學(xué) 工學(xué)院，浙江 寧波 315211）摘要摘要：本設(shè)計(jì)主要介紹了超低速運(yùn)動(dòng)下降桿的設(shè)計(jì)，用于單晶生長(zhǎng)。設(shè)計(jì)包括機(jī)械設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)兩大塊。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，本文主要說(shuō)明了機(jī)械結(jié)構(gòu)的方案選擇和設(shè)計(jì)計(jì)算。在控制部分中，文章重點(diǎn)闡述了單片機(jī)的外圍電路開(kāi)發(fā)、電機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)和電源設(shè)計(jì)三大部分。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：低速；機(jī)械結(jié)構(gòu)；單片機(jī)；電路1 1 引引 言言為滿足晶體生長(zhǎng)而設(shè)計(jì)出超低速下降機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)適用于下降法生長(zhǎng)晶體。設(shè)計(jì)主要滿足下降過(guò)程中的精度和速度變化的要求。目前，下降法晶體生長(zhǎng)的機(jī)構(gòu)大

2、多是要人工操作來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的改變，并且速度的變化范圍很小。本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)下降速度的變化，設(shè)計(jì)的速度變化范圍廣、精度高。使晶體生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)單，大大提高了生產(chǎn)效率。并且本設(shè)計(jì)采用的零部件加工和采購(gòu)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(jì)（總裝圖參見(jiàn)附錄二）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（總裝圖參見(jiàn)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(jì)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于普通電動(dòng)機(jī)能夠滿足大范圍速度變化的要求，同時(shí)轉(zhuǎn)速控制簡(jiǎn)單，精度高。由于速度變化范圍比較大同時(shí)速度非常低，因此設(shè)

3、計(jì)要求的傳動(dòng)比非常大（通過(guò)計(jì)算，傳動(dòng)比在 30000 左右） ，對(duì)于一般的減速機(jī)構(gòu)達(dá)到這樣大的減速比比較困難。采用諧波減速器可以實(shí)現(xiàn)單級(jí)減速比在 2000 左右，這樣可以使結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積大大減小。上升部分由于沒(méi)有精度和速度要求，可以選用單相交流電動(dòng)機(jī)，以節(jié)約設(shè)計(jì)成本。設(shè)計(jì)方案如下：方案比較：由于運(yùn)動(dòng)速度要求比較低，并且范圍比較大，所以設(shè)計(jì)需要很大的減速比，在一級(jí)減速中選用諧波減速器并采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。名稱（編號(hào)）參考圖傳動(dòng)比特點(diǎn)絲杠蝸桿式（方案一）圖 a蝸桿：1040 最大可達(dá)到 80；諧波減速器可達(dá)到 2000。蝸輪與蝸桿嚙合，潤(rùn)滑方便，一般用于速度小于 45m/s 的情況下；滑動(dòng)

4、絲杠自鎖性能好。v 帶傳動(dòng)工作平穩(wěn)，允許線速度不超過(guò) 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(dá)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(dòng)傳動(dòng)；齒條傳動(dòng)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(dá)到 2000。 圓錐齒輪，用于輸入軸和輸出軸線相交的傳動(dòng)；齒條傳動(dòng)不能自鎖。從以上傳動(dòng)方案可知：方案一、設(shè)計(jì)較為合理，蝸桿傳動(dòng)比較大能適合設(shè)計(jì)需要的低速要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，雖然傳動(dòng)效率不高，但仍然可以滿足設(shè)計(jì)的小功率要求；并且滑動(dòng)絲杠有很好的自鎖性能，能夠保證設(shè)計(jì)的精度要求。由于電機(jī)尺寸比

5、較大，因此設(shè)計(jì)采用帶傳動(dòng)將電機(jī)固定在下方。方案二、由于采用齒輪傳動(dòng)來(lái)達(dá)到減速要求，其減速比不如方案一中的蝸桿傳動(dòng)；并且齒條不能自鎖對(duì)于設(shè)計(jì)精度會(huì)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(shí)使用，在此設(shè)計(jì)中沒(méi)有改變的要求。綜上所述，選用方案一作為傳動(dòng)方案。2.22.2 零件設(shè)計(jì)與選用零件設(shè)計(jì)與選用2.2.12.2.1 電機(jī)選用電機(jī)選用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)：交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)：載荷 f=1500n，速度初定 810-3m/s。因載荷平穩(wěn)，電動(dòng)機(jī)額定功率 ped略大于 pd即可。通過(guò)計(jì)算得 pd = 85.7 w，選用電動(dòng)機(jī)的額定功率 ped為 90w， n0=1400rpm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)：步

6、進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)：載荷 f=500n，速度 0.51000mm/24h。通過(guò)計(jì)算選用常州寶馬集團(tuán)公司前楊電機(jī)廠生產(chǎn)的三相步進(jìn)電機(jī)：36bf003。按三相六拍工作時(shí)，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(dòng)頻率：3100hz，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：7.810-7 kgm2。2.2.22.2.2 蝸桿設(shè)計(jì)與校核蝸桿設(shè)計(jì)與校核選用 za 蝸桿傳動(dòng)，精度 8cgb10089-1988。蝸桿選用 45 鋼，齒表面淬火，硬度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(qiáng)度高、耐磨性強(qiáng)。設(shè)計(jì)得

7、： 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(jì)絲杠設(shè)計(jì)螺桿材料選用 45 鋼，調(diào)制處理；螺母材料 qa110-3-1.5。設(shè)計(jì)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(biāo)記為tr245-7h/7e。螺母高度h=40mm，=螺紋圈數(shù)n = 8 圈。校核（略）2.2.42.2.4 諧波減速器選用諧波減速器選用根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用 xb2 內(nèi)齒復(fù)波諧波減速器：型號(hào) 25；減速比為 2016；傳動(dòng)效率 30%；輸入最高轉(zhuǎn)速 3000rpm

8、；輸出最大轉(zhuǎn)矩 2 nm；能夠滿足設(shè)計(jì)要求。2.2.52.2.5 離合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)離合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一：雙向離合器，沒(méi)有符合設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品型號(hào)；方案二：電磁離合器，由于長(zhǎng)期工作在閉合狀態(tài)，所以對(duì)于離合器的壽命和工作穩(wěn)定性會(huì)有影響；方案三：滑移齒輪通過(guò)撥叉實(shí)現(xiàn)左右滑動(dòng)。撥叉機(jī)構(gòu)通過(guò)杠桿實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化，在手柄的兩個(gè)位置中間有彈簧鋼球來(lái)現(xiàn)位置的固定。在任何一個(gè)位置都會(huì)通過(guò)鋼球固定。 （如右圖）綜合比較，采用方案三。3 3 控制部分設(shè)計(jì)（電氣圖參見(jiàn)附錄一）控制部分設(shè)計(jì)（電氣圖參見(jiàn)附錄一）3.13.1 控制面板設(shè)計(jì)控制面板設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)：面板操作簡(jiǎn)便，人機(jī)界面友好。 （設(shè)計(jì)見(jiàn)附錄三） 說(shuō)明：顯示器可以顯

9、示位移、時(shí)間、速度；其中位移的顯示精度為 1m，時(shí)間顯示精度為 1min，速度為 0.01mm/day。時(shí)間和位移使用同一組顯示器。可以通過(guò)“時(shí)/位”按鈕切換，通過(guò)指示燈表示現(xiàn)在顯示的內(nèi)容?？梢浴肮δ堋薄邦A(yù)置”功能下通過(guò)方向鍵擇存儲(chǔ)的速度。并且“預(yù)置”可以存儲(chǔ)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(diǎn)”將時(shí)間和位移清零。 “復(fù)位”按鈕可以將系統(tǒng)復(fù)位。 “上升”控制交流電機(jī)工作。3.23.2 芯片選擇與電路設(shè)計(jì)芯片選擇與電路設(shè)計(jì)3.2.13.2.1 單片機(jī)選擇單片機(jī)選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用 msc51 系列單片機(jī)。由于程序需要的地址和內(nèi)存比較小，可以選用 8051 單片機(jī)不需

10、要擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)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(qiáng)。3.2.23.2.2 82558255 擴(kuò)展與鍵盤、顯示器接口設(shè)計(jì)擴(kuò)展與鍵盤、顯示器接口設(shè)計(jì)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，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(guò) 8255 的

11、pa、pb 和 pc 口擴(kuò)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(shí)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(hào)的計(jì)算： n = 行首鍵號(hào) + 列號(hào)。3.2.33.2.3 步進(jìn)電機(jī)與交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)與交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)控制電路步進(jìn)電機(jī)控制電路驅(qū)動(dòng)原理：采用單電壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制 8051 輸出口的電壓來(lái)控制光電耦合器 4n25 的工作。當(dāng)8051 控制口輸出低電壓時(shí)，4n25 工作三極管vt1 導(dǎo)通步進(jìn)電機(jī)繞組通電；當(dāng) 8051 控制口輸出高電壓時(shí)，4n25 發(fā)光管兩端無(wú)電壓，則 4n25 不

12、工作 vt1 不導(dǎo)通步進(jìn)電機(jī)繞組斷電。光電偶合器作用：抗干擾、響應(yīng)時(shí)間短、能夠吸收尖峰干擾信號(hào)。交流電機(jī)控制電路：交流電機(jī)控制電路：驅(qū)動(dòng)原理：和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)相似；由于交流電源電壓為 220v，所以通過(guò)驅(qū)動(dòng)繼電器 km 來(lái)控制交流電機(jī)的工作。由于+27 電源為步進(jìn)電機(jī)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(guò)程速度設(shè)定過(guò)程采用時(shí)間中斷進(jìn)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210v12mhz。公式如下：（十進(jìn)制）=（十六進(jìn)制）ta162v297619216vhaffffh93483.2.53.2.5 電源設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)為+2

13、7v 支流電源驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流要求 1.5a，單片機(jī)為+5v 直流電源驅(qū)動(dòng)但電流很小。設(shè)計(jì)電路（參見(jiàn)附錄一電源部分）220v 交流電壓經(jīng)過(guò)變壓器降壓，在經(jīng)過(guò)全波整形電路整形。整形后通過(guò)電容濾波和電容消震。+5v 部分再通過(guò) 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，可以起到防震的作用。4 4 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ)本次設(shè)計(jì)基本上完成了超低速下降桿的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的任務(wù)，該機(jī)構(gòu)能夠滿足晶體生長(zhǎng)的要求。由于時(shí)間緊沒(méi)有對(duì)單片機(jī)控制設(shè)計(jì)中的程序進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)。對(duì)于鍵盤的功能還可以在今后的設(shè)計(jì)中進(jìn)一步完善，其外觀結(jié)構(gòu)和造型的設(shè)計(jì)也是很重要的；可以根據(jù)用戶的需求采用點(diǎn)陣式液

14、晶顯示器，使人機(jī)界面更加友好，使操作更加簡(jiǎn)便，以適合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的需要。機(jī)械部分，可以采用電動(dòng)控制滑移齒輪，這樣可以提高產(chǎn)品的自動(dòng)化程度。由于設(shè)計(jì)時(shí)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(xiàn)參考文獻(xiàn)1 鄭堤，唐可洪主編機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19972 蔡春源主編新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，19933 北京中技克美諧波有限責(zé)任公司諧波傳動(dòng)北京：北京中技克美諧波有限責(zé)任公司內(nèi)部資料，20014 張友德，趙志英，涂時(shí)亮編著單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)（第三版） 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，20005 濮良貴，紀(jì)名剛主編機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版） 北京：高等教育出版社，20016 譚建榮，張樹(shù)有、陸國(guó)棟、施岳定編著圖學(xué)基礎(chǔ)教程北京：高等教育出版社，19997 潘新民，王燕芳編著微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)北京：高等教育出版社，20018 甘永力主編幾何公差與檢測(cè)（第五版） 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，200310 孫恒、陳作模主編機(jī)械原理（第六版） 北京：高等教育出版社，200011 成大先主編機(jī)