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摘要 本課題是設(shè)計(jì)一種專門(mén)對(duì)法蘭盤(pán)進(jìn)行加工的帶自動(dòng)分度機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè) 計(jì)，利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)分度的控制，再通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)心軸和工件轉(zhuǎn)動(dòng)， 配合鉆床對(duì)法蘭盤(pán)進(jìn)行加工，使工件能任意角度的旋轉(zhuǎn)。在單片機(jī)的控制下，步進(jìn) 電機(jī)每秒鐘發(fā)出的脈沖數(shù)決定了工作臺(tái)的轉(zhuǎn)位角度。 關(guān)鍵詞 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；自動(dòng)分度；齒輪傳動(dòng) I Abstract This subject is a special design to the flange with automatic processing of the rotary table, the subject is to use a stepper motor of automatic control, then through the drive spindle and the workpiece rotation, and then processing flange plate of the drilling machine, the work piece can be revolving random angle. Under the control of the microcontroller, the pulse per second from the stepper motor decides the table of the transfer point. Keywords stepper motor automatic degrees gear 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 目 錄 1 緒論 .....................................................................1 1.1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的簡(jiǎn)介和應(yīng)用 .................................................1 1.1.1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的簡(jiǎn)介 ...................................................1 1.1.2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的應(yīng)用 ...................................................2 2 方案的選擇 ................................................................3 2.1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái) ........................................................4 2.2 分度工作臺(tái) .............................................................4 2.2.1 開(kāi)環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái) ......................................................4 2.2.2 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái) ................................................5 3 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) ...............................................................7 3.1 加工零件分析 ...........................................................7 3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 .......................................................8 3.2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介 .....................................................8 3.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇和參數(shù) .............................................9 3.2.3 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理 .............................................11 3.2.4 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)上步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì) ....................................12 3.3 錐齒輪的選擇和計(jì)算 ....................................................21 3.3.1 齒輪設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù) ...................................................21 3.3.2 齒輪的材料及熱處理 .................................................21 3.3.3 齒輪的基本參數(shù) .....................................................21 3.3.4 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 ...............................................23 3.3.5 齒根彎曲強(qiáng)度校核 ...................................................24 3.4 心軸的設(shè)計(jì) ............................................................25 3.4.1 軸類零件的技術(shù)要求 .................................................25 3.4.2 軸類零件的材料、毛坯及熱處理 .......................................25 3.4.3 心軸的較核 .........................................................25 3.5 軸承的選擇 ............................................................30 3.5.1 軸承的分類 .........................................................30 3.5.2 推力球軸承的作用 ..................................................30 3.5.3 軸承的選定 ........................................................31 3.5.4 軸承的動(dòng)載荷和壽命計(jì)算 .............................................31 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) I 3.6 夾緊裝置的設(shè)計(jì) ........................................................32 3.7 箱體 的設(shè)計(jì) ............................................................33 結(jié)論 .......................................................................33 致謝 .......................................................................36 參考文獻(xiàn) ...................................................................37 附錄 .......................................................................38 附錄 1 ....................................................................38 附錄 2 ....................................................................43 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 0 1 緒論 1.1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的簡(jiǎn)介和應(yīng)用 1.1.1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的簡(jiǎn)介 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)(以下稱轉(zhuǎn)臺(tái)) 根據(jù)其精度的不同分別是銑床、鉆床和坐標(biāo)鏜床、坐標(biāo)磨床 的主要附件，高精度的轉(zhuǎn)臺(tái)還是計(jì)量檢驗(yàn)工作中的測(cè)量?jī)x器。 （1） 國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)簡(jiǎn)介 工作臺(tái)直徑是轉(zhuǎn)臺(tái)主參數(shù)，目前我國(guó)專業(yè)生產(chǎn)廠制造的轉(zhuǎn)臺(tái)有手動(dòng)和手動(dòng)機(jī)動(dòng)(即 通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng))兩種，全是水平式，規(guī)格有 200, 250, 320, 400 和 500 五種，分度精 度按部標(biāo)為 3。去年獲得一機(jī)部質(zhì)量信得過(guò)產(chǎn)品獎(jiǎng)的武漢機(jī)床附件廠生產(chǎn)的 400mm 轉(zhuǎn)臺(tái)。 （2） 國(guó)外轉(zhuǎn)臺(tái)簡(jiǎn)介 國(guó)外轉(zhuǎn)臺(tái)品種繁多，按驅(qū)動(dòng)控制方式可分電動(dòng)、氣動(dòng)、濃壓和數(shù)控。按分度方式可 分機(jī)械、光學(xué)、數(shù)顯、端齒盤(pán)、鋼球、電感和多面體。工業(yè)水平發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)品 種多、規(guī)格全、精度高。沒(méi)有單一的轉(zhuǎn)臺(tái)生產(chǎn)廠，如西德霍夫曼公司生產(chǎn)七十多個(gè)品種 規(guī)格的轉(zhuǎn)臺(tái)，日本津田駒工業(yè)株式會(huì)社也有四十多種，這兩家還生產(chǎn)多種分度頭，有的 產(chǎn)品既是轉(zhuǎn)臺(tái)又是分度頭，而機(jī)床附件又都僅是這兩家公司的一個(gè)分部。在分度精度上， 首推美國(guó)莫爾公司的 1440 齒機(jī)械分度轉(zhuǎn)臺(tái)，其精度高達(dá)0.1。瑞士的西浦公司生產(chǎn) 200-450 mm 八種規(guī)格的轉(zhuǎn)臺(tái)，分度精度在 4-18之間。以前的產(chǎn)品采用蝸輪副分度，近 年則多采用光學(xué)分度。在鎖緊機(jī)構(gòu)上采用鋼盤(pán)機(jī)構(gòu)，不致使工作臺(tái)面受力而產(chǎn)生變形。 英國(guó) OMT 光學(xué)測(cè)量工具公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)與其座標(biāo)銼床配套，它采用圓柱銷鎖緊， .工作臺(tái) 面不受力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性也好，但操作不集中，它有 12 個(gè)品種規(guī)格，自 203 一 914mm，分度精度在 4 -30之間，全是光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)。:日本工業(yè)株式會(huì)社以生產(chǎn)鋼球分 度超精密轉(zhuǎn)臺(tái)而著稱，有手動(dòng)和電氣液壓驅(qū)動(dòng)兩類 11 個(gè)規(guī)格，自 200-1250mm,分度 精度高達(dá)1。國(guó)外轉(zhuǎn)臺(tái)制造廠，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)約一百余家，以美、法、英、西德、日 本、瑞士最多，下面簡(jiǎn)略介紹三家典型的公司: 美國(guó)莫爾公司(Moors) 1924 年創(chuàng)立，五十年代制造轉(zhuǎn)臺(tái)，生產(chǎn)座標(biāo)銑床、座標(biāo)磨床，是美國(guó)精密機(jī)床廠代 表之一，職工 380 人。莫爾轉(zhuǎn)臺(tái)，蝸輪副分度，不使用校正裝置、操作方便、重復(fù)精度 好，易于維修，制造難度大。它還可用步進(jìn)電機(jī)調(diào)整角度增量，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行程序控制， ， 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的分度控制。蝸輪副加工是轉(zhuǎn)臺(tái)的關(guān)鍵，莫爾公司有一整套工藝予以保證，其 分度精度為：標(biāo)準(zhǔn)級(jí)12, 精密級(jí)6、超精級(jí) 2。轉(zhuǎn)臺(tái)直徑僅有 726mm 一種， 立臥式，中心高 200mm,可當(dāng)分度頭用。莫爾端面齒分度臺(tái)，1440 齒，分度精度高達(dá) 0.1。1440 齒分布在 8 寸的圓周長(zhǎng)上即 203= 610mm，每齒間距僅為 0.432mm， 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 1 每一齒側(cè)接觸僅為百分之幾毫米，可見(jiàn)端齒加工的難度。1440 齒分度只能細(xì)分到十度， 加裝小角度發(fā)生器便可直接讀到 0.1。1440 齒分度盤(pán)是計(jì)量莫爾轉(zhuǎn)合的儀器。 西德霍夫曼公司(Hofmann) 霍夫曼是生產(chǎn)分度頭和轉(zhuǎn)臺(tái)頗具盛名的廠家，但這卻是該公司一個(gè)很小的部分，霍 夫曼僅有職工 350 人，一各類機(jī)床附件晶種達(dá)幾十種，規(guī)格 200 余個(gè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅轉(zhuǎn)臺(tái)一 項(xiàng)就有 30 余種 126 個(gè)規(guī)格?；舴蚵?GR 型手動(dòng)精密機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)采用 180 齒的蝸輪，模數(shù) 1.75，壓力角 10。蝸桿升角 213，因而分度精度高，且蝸輪副分度誤差可由杠桿機(jī) 構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償，轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好，轉(zhuǎn)合高度也較低， 、分度精度為5和10 兩種。日本北川鐵工廠生產(chǎn)的 R、RI、WR 和 WRI 型轉(zhuǎn)臺(tái)均自霍夫曼引進(jìn)，以同型號(hào)共 商標(biāo)出廠。 日本津田駒工業(yè)株式會(huì)社 津田駒主要生產(chǎn)紡織機(jī)械，分度頭、轉(zhuǎn)臺(tái)、平口鉗等機(jī)床附件，約占生產(chǎn)能力 10%?，F(xiàn)有職工 1500 人。1937 年開(kāi)始生產(chǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，是日本最大的機(jī)床附件生產(chǎn)廠之一。津 田駒生產(chǎn) 14 種轉(zhuǎn)臺(tái)、計(jì) 41 個(gè)規(guī)格， CTK 型手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，快速進(jìn)給的 CTM 型手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。 津田駒轉(zhuǎn)臺(tái)的幾種方法簡(jiǎn)介如下： 1) 手動(dòng)蝸輪分度：分度精度可達(dá) 10-15，鑒于蝸輪副節(jié)距誤差和齒面接觸精度直接影 響分度精度，嚴(yán)格地控制了蝸輪的副加工和裝配。 2) 伺服電機(jī)分度：利用數(shù)控裝置發(fā)出信號(hào)、操縱伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。也采用蝸輪副，工 作臺(tái)主軸系用向心止推滾珠軸承，滑動(dòng)部位用鋼球支承，為適用于強(qiáng)力切削選用自動(dòng)鎖 緊機(jī)構(gòu)，分度精度為 12-15。 3) 分度盤(pán)分度：為電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)采用，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸上裝分度盤(pán)，分度數(shù)為一些固定量， 在分度盤(pán)側(cè)裝有與分度數(shù)相等的信號(hào)銷，電動(dòng)機(jī)根據(jù)信號(hào)準(zhǔn)確停止，一般可分 24 的約數(shù)， 分度精度取決于分度盤(pán)，當(dāng)然也受主軸和分度盤(pán)不同心度影響。 4) 分度盤(pán)：蝸輪并用分度。大型轉(zhuǎn)臺(tái)多采用并用分度，因?yàn)榇笠?guī)格轉(zhuǎn)臺(tái)定位銷相應(yīng)增大， 使電磁吸鐵吸力受到限制，大轉(zhuǎn)臺(tái)受沖擊力，慣性力大，為此還采用了減速機(jī)構(gòu)，分度 精度可達(dá) 3。 5) 端齒盤(pán)分度： CTPM-300 型轉(zhuǎn)臺(tái)系超精密自動(dòng)分度轉(zhuǎn)臺(tái)，即是此法分度。分度精度可 達(dá) 4。能承受重切削，自動(dòng)定心精度高。 1.1.2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的應(yīng)用 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在各種數(shù)控銑床中的應(yīng)用 例如 TK13250B 數(shù)控立臥回轉(zhuǎn)工作臺(tái) TK13250B 數(shù)控立臥回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是各類數(shù)控銑床和加工中心的理想配套附件，可分別 以垂直或水平兩種方式安裝于主機(jī)工作臺(tái)上。工作時(shí)，利用主機(jī)的有關(guān)控制系統(tǒng)完成與 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 2 主機(jī)相協(xié)調(diào)的各種分度回轉(zhuǎn)工作。工作臺(tái)上可安裝板、盤(pán)或其它形狀較復(fù)雜的加工零部 件。也可利用與之相配套的尾座，安裝棒、軸類的被加工零件，從而實(shí)現(xiàn)等分和不等分 的，連續(xù)的孔盤(pán)、槽盤(pán)、曲面的加工，且達(dá)到較高的精度。另外也可和非數(shù)控機(jī)床配套， 利用專門(mén)控制系統(tǒng)，獨(dú)立地完成等分的和不等分的、連續(xù)的分度圓弧面的加工。 TK13315B 數(shù)控立臥回轉(zhuǎn)工作臺(tái) TK13315B 數(shù)控立臥回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是各類數(shù)控銑床和加工中心的理想配套附件，可分別 以垂直或水平兩種方式安裝于主機(jī)工作臺(tái)上。工作時(shí)，利用主機(jī)的有關(guān)控制系統(tǒng)完成與 主機(jī)相協(xié)調(diào)的各種分度回轉(zhuǎn)工作。工作臺(tái)上可安裝板、盤(pán)或其它形狀較復(fù)雜的加工零部 件。也可利用與之相配套的尾座，安裝棒、軸類的被加工零件，從而實(shí)現(xiàn)等分和不等分 的，連續(xù)的孔盤(pán)、槽盤(pán)、曲面的加工，且達(dá)到較高的精度。另外也可和非數(shù)控機(jī)床配套， 利用專門(mén)控制系統(tǒng)，獨(dú)立地完成等分的和不等分的、連續(xù)的分度圓弧面的加工。 TK13400B 數(shù)控立臥回轉(zhuǎn)工作臺(tái) TK13400B 數(shù)控立臥回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是各類數(shù)控銑床和加工中心的理想配套附件，可分別 以垂直或水平兩種方式安裝于主機(jī)工作臺(tái)上。工作時(shí)，利用主機(jī)的有關(guān)控制系統(tǒng)完成與 主機(jī)相協(xié)調(diào)的各種分度回轉(zhuǎn)工作。工作臺(tái)上可安裝板、盤(pán)或其它形狀較復(fù)雜的加工零部 件。也可利用與之相配套的尾座，安裝棒、軸類的被加工零件，從而實(shí)現(xiàn)等分和不等分 的，連續(xù)的孔盤(pán)、槽盤(pán)、曲面的加工，且達(dá)到較高的精度。另外也可和非數(shù)控機(jī)床配套， 利用專門(mén)控制系統(tǒng)，獨(dú)立地完成等分的和不等分的、連續(xù)的分度圓弧面的加工。 TK13500 數(shù)控立臥回轉(zhuǎn)工作臺(tái) TK13500 數(shù)控立臥回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是各類數(shù)控銑床和加工中心的理想配套附件，可分別以 垂直或水平兩種方式安裝于主機(jī)工作臺(tái)上。工作時(shí)，利用主機(jī)的有關(guān)控制系統(tǒng)完成與主 機(jī)相協(xié)調(diào)的各種分度回轉(zhuǎn)工作。工作臺(tái)上可安裝板、盤(pán)或其它形狀較復(fù)雜的加工零部件。 也可利用與之相配套的尾座，安裝棒、軸類的被加工零件，從而實(shí)現(xiàn)等分和不等分的， 連續(xù)的孔盤(pán)、槽盤(pán)、曲面的加工，且達(dá)到較高的精度。另外也可和非數(shù)控機(jī)床配套，利 用專門(mén)控制系統(tǒng)，獨(dú)立地完成等分的和不等分的、連續(xù)的分度圓弧面的加工。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 3 2 方案的選擇 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是加工法蘭盤(pán)不可缺少的重要附件。它的作用是按照控制裝置的信號(hào)或 指令作回轉(zhuǎn)分度或連續(xù)作回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。常用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和分度工 作臺(tái)。 2.1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的功用有： （1）使工作臺(tái)進(jìn)行圓周進(jìn)給完成切削工作； （2）使工作臺(tái)進(jìn)行分度工作。 它按照控制系統(tǒng)的指令，在需要時(shí)候完成任務(wù)。其作用是既能作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè) 回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，用于加工直線、曲線、圓弧或與直線坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)加工曲面，又能作為分度 頭完成工作的轉(zhuǎn)位換面。 2.2 分度工作臺(tái) 分度工作臺(tái)的功能是完成回轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng)，即按照控制系統(tǒng)的指令，在需要分度時(shí)， 將工作臺(tái)及其工作臺(tái)回轉(zhuǎn)一定角度。其作用是在加工中自動(dòng)完成工作的轉(zhuǎn)位換面，實(shí)現(xiàn) 工件一次安裝完成幾個(gè)面的加工。按照采用的定位元件的不同，有定位銷式分度工作臺(tái) 和鼠牙盤(pán)式分度工作臺(tái)。分度工作臺(tái)通常由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，僅能作規(guī)定好的度數(shù)的分度 運(yùn)動(dòng)，不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床的分度結(jié)構(gòu)，它本身很難保證工作臺(tái)的分度的高精度的 要求不適合本設(shè)計(jì)要求。 再看數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)與分度工作臺(tái)的區(qū)別，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，從外形上看，與分度 工作臺(tái)沒(méi)有什么區(qū)別，但在結(jié)構(gòu)上有以下一系列特點(diǎn)，現(xiàn)就開(kāi)環(huán)數(shù)控工作臺(tái)和閉環(huán)數(shù)控 工作臺(tái)分述如下： 2.2.1 開(kāi)環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)是由傳動(dòng)系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪夾緊裝置等組成。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái) 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 4 一般由電液脈沖馬達(dá)或功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)接到控制系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)指令后，首先要把蝸 輪松開(kāi)，然后開(kāi)動(dòng)電液脈沖馬達(dá)，按照指令脈沖來(lái)確定工作臺(tái)回轉(zhuǎn)的方向、回轉(zhuǎn)的速 度快慢、回轉(zhuǎn)的角度大小以及回轉(zhuǎn)過(guò)程中速度的變化等參數(shù)。當(dāng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)完畢后， 再把蝸輪夾緊恢復(fù)到原來(lái)的位置。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的分度定位是按控制系統(tǒng)所指定的脈沖數(shù)來(lái) 決定轉(zhuǎn)位角度的，沒(méi)有其他的定位元件。因此，對(duì)開(kāi)環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的傳動(dòng)精度要求高，傳 動(dòng)間隙應(yīng)盡量小。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)既沒(méi)有鼠牙盤(pán)，也沒(méi)有定位銷，它的定位精度完全是由控制系統(tǒng)來(lái) 決定的。因此，對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，要求它的傳動(dòng)系統(tǒng)中沒(méi)有間隙，否則 在反向時(shí)產(chǎn)生傳動(dòng)誤差而影響定位精度。 當(dāng)工作臺(tái)靜止時(shí)，必須處于鎖緊狀態(tài)。為此，在蝸輪底部的輻射方向裝有八對(duì)夾緊 瓦，并在底座上均布同樣數(shù)量的小液壓缸。當(dāng)小液壓缸的上腔接通壓力油時(shí)，活塞便壓 向鋼球，撐開(kāi)夾緊瓦，并夾緊蝸輪。在工作臺(tái)需要回轉(zhuǎn)時(shí)，先使小液壓缸的上腔接通回 油路，在彈簧的作用下，鋼球抬起，夾緊瓦將蝸輪松開(kāi)。 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的導(dǎo)軌面由大型滾動(dòng)軸承支承，并由圓錐滾柱軸承及雙列向心圓柱滾子 軸承保持準(zhǔn)確的回轉(zhuǎn)中心。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位精度主要取決于蝸桿副的傳動(dòng)精度， 因而必須采用高精度蝸桿副。在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，可以在實(shí)際測(cè)量工作臺(tái)靜態(tài)定位誤 差之后，確定需要補(bǔ)償角度的位置和補(bǔ)償?shù)闹?，記憶在補(bǔ)償回路中，由數(shù)控裝置進(jìn)行誤 差補(bǔ)償。在全閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由高精度的圓光柵發(fā)出工作臺(tái)精確到位信號(hào)，反饋給數(shù) 控裝置進(jìn)行控制。 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)有零點(diǎn)，當(dāng)它作回零運(yùn)動(dòng)時(shí)，先用擋鐵壓下限位開(kāi)關(guān)，使工作臺(tái)降速， 然后由圓光柵或編碼器發(fā)出零位信號(hào)，使工作臺(tái)準(zhǔn)確地停在零位。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可以 作任意角度的回轉(zhuǎn)和分度，也可以作連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 這種數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，其定位精度主要取決于蝸桿蝸輪的運(yùn)動(dòng) 精度，雖然采用高精度的五級(jí)蝸桿蝸輪副，但還是不能滿足機(jī)床的定位精度 。因10 此還需要借助于數(shù)控裝置進(jìn)行誤差補(bǔ)償。 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的導(dǎo)軌面是由大型滾柱軸承支承，徑向又有圓錐滾子軸承及雙列向心圓 柱滾子軸承保證回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并有上述強(qiáng)力夾緊機(jī)構(gòu)。因此回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的剛度很好。 2.2.2 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)一般采用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)與開(kāi)環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)大 致相同。區(qū)別在于：閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有角度測(cè)量元件（圓光柵或圓感應(yīng)同步器） 。所 測(cè)量的結(jié)果反饋與指令進(jìn)行比較，按閉環(huán)原理進(jìn)行工作，使回轉(zhuǎn)工作臺(tái)定位精度更高。 這兩工作臺(tái)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的成本比較高,而兩種工作臺(tái)的功用相差不大,所以選用 分度工作臺(tái)。 而分度工作臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又有好多種:如蝸輪蝸桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng) 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 5 蝸輪蝸桿傳動(dòng)有如下特點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)緊湊、并能獲得很大的傳動(dòng)比，一般傳動(dòng)比為 7-80。 （2）工作平穩(wěn)無(wú)噪音 （3）傳動(dòng)功率范圍大 （4）可以自鎖 （5）傳動(dòng)效率低，蝸輪常需用有色金屬制造。蝸桿的螺旋有單頭與多頭之分。 齒輪傳動(dòng)有哪些特點(diǎn)： 1) 傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確 2) 結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高 3) 使用壽命長(zhǎng) 4) 制造和安裝精度要求高 他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，由加工法蘭盤(pán)的具體考慮我選擇齒輪傳動(dòng)的分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 6 3 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 3.1 加工零件分析 法蘭盤(pán)為一個(gè)廠常用件，所謂法蘭盤(pán)一個(gè)類似盤(pán)狀的金屬體色的周邊開(kāi)上幾個(gè)固定 用的孔用于連接其它東西。這東西在機(jī)械上應(yīng)用很廣泛，所以樣子也千奇百怪的，只要 像就是叫法蘭盤(pán)，工精度要求不太高，但年需求量較大。 因此，加工此法蘭盤(pán)時(shí)，首先，需要考慮的問(wèn)題就是加工的生產(chǎn)效率。 （1）采用通用機(jī)床加工此法蘭盤(pán)時(shí)，加工的范圍可以進(jìn)行擴(kuò)大，可以加工出一系列 的法蘭盤(pán)，但通用機(jī)床的調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)，裝夾與拆卸工件的時(shí)間較長(zhǎng)，使得法蘭盤(pán)的加 工效率無(wú)法進(jìn)行提高。 （2）專門(mén)化機(jī)床的工藝范圍較窄，只能加工一尺寸范圍內(nèi)的某一類零件，完成某一 種特定工序，但生產(chǎn)效率較通用的機(jī)床高。 （3）專用機(jī)床的工藝范圍最窄，通常只能完成某一特定零件的特定工序，但專用機(jī) 床的加工效率是這三類機(jī)床中最高的。因此專用機(jī)床較為適用了加工此類法蘭盤(pán)。 （4）組合機(jī)床作為專用機(jī)床中的一種與通用機(jī)床的專門(mén)化機(jī)床相比較。 1）組合機(jī)床由 70-90的通用零部件組成，可以縮短設(shè)計(jì)和制造周期，而且在需要 的時(shí)候，還可以部分或全部改裝。以組成適應(yīng)新加工要求的設(shè)備就是說(shuō)組合機(jī)床有重新 改裝的優(yōu)越性，其通用零部件可以多次重復(fù)利用。 2）組合機(jī)床是按具體加工對(duì)象專門(mén)設(shè)計(jì)的，中以按最佳工藝方案進(jìn)行加工。 3）在加工零件時(shí)，組合機(jī)床可以同時(shí)從幾個(gè)方向采用多把刀具對(duì)幾個(gè)工件進(jìn)行加工， 是實(shí)現(xiàn)集中工序，提高生產(chǎn)效率的最好途徑，這也正是加工法蘭盤(pán)所需要的。 4）組合機(jī)床是在工件一次裝夾下用的軸實(shí)現(xiàn)多孔同時(shí)加工，有利保證各孔相互之間 的精度要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少了工件工序間的搬運(yùn)，改善了勞動(dòng)條件上，減少了占 地面積。 5）組合機(jī)床在多數(shù)的零部件是同類的通用部件簡(jiǎn)化了機(jī)床的維護(hù)和修理。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 7 6）組合機(jī)床的通用部件可以組織專門(mén)廠家集中生產(chǎn)。有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水 平，降低制造成本。綜合上面的分析，可得采用組合機(jī)床加工法蘭盤(pán)，有利于提高法蘭 盤(pán)的加工精度和生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本。 （5）在采用組合機(jī)床的基礎(chǔ)上，如果采用自動(dòng)或回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來(lái)進(jìn)行加工，將可以進(jìn) 一步提高法蘭盤(pán)的加工效率，采用自動(dòng)或回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，可以減少工件的搬運(yùn)和裝夾次數(shù)， 減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 法蘭盤(pán)以往工廠下料時(shí)，都采用氣割或液壓機(jī)，但氣割時(shí)毛坯的精度比較低，加工 時(shí)毛坯的切削余量比較大，使得加工成本與加工時(shí)間都有所提高。且采用氣割下料時(shí)， 毛坯易形成氧化層從而給下一工序的加工帶來(lái)困難。 采用液壓機(jī)進(jìn)行下料時(shí)，加工精度與加工效率都有較氣割有較提高。但毛坯的厚度 提高，液壓機(jī)的噸位也在提高，從而使得液壓機(jī)的制造成本也隨之提高。 因此，就法蘭盤(pán)的下料有必要也設(shè)計(jì)一臺(tái)專機(jī)，從而提高加工效率與降低加工成本。 下料專機(jī)的設(shè)計(jì)得法蘭盤(pán)的外圓尺寸在下料時(shí)就可以得到保證，下料后的法蘭盤(pán)外 圓加工精度也達(dá)到了要求，從而法蘭盤(pán)的外圓無(wú)須再進(jìn)行加工。 3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 3.2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介 3.2.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。 其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，既每當(dāng)電動(dòng)機(jī)的繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè) 相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)與頻率成正比，并在時(shí) 間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量，頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序， 電動(dòng)機(jī)即可獲得所需的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具 有以下主要特點(diǎn)： （1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動(dòng)，電流的大小 與波形的變化，溫度等）的影響，只要在他們的大小未引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生“丟失”現(xiàn) 象之前，就不會(huì)影響其正常工作； （2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定的步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差，但 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)之后，其累計(jì)誤差就會(huì)變?yōu)椤傲恪?，因此不會(huì)長(zhǎng)期積累； （3）控制性能好，在啟動(dòng)，停止，反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟失” 。 因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠 的獲得較高的位置精度。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 8 3.2.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理 步進(jìn)電機(jī) 2 個(gè)相鄰磁極之間的夾角為 60。線圈繞過(guò)相對(duì)的 2 個(gè)磁極,構(gòu)成一相(A- A,B-B,C-C)。磁極上有 5 個(gè)均勻分布的矩形小齒,轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組,而有 40 個(gè)小齒 均勻分布在其圓周上,且相鄰 2 個(gè)齒之間的夾角為 9。當(dāng)某組繞組通電時(shí),相應(yīng)的 2 個(gè)磁 極就分別形成 N-S 極,產(chǎn)生磁場(chǎng),并與轉(zhuǎn)子形成磁路。如果這時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子沒(méi)有對(duì) 齊,則在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度,使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊,從而使步進(jìn)電機(jī)向 前“走”一步。 （1） 步進(jìn)電機(jī)的控制方式 如果通過(guò)單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電流,就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí) 現(xiàn)數(shù)字角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比,轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成 正比,而轉(zhuǎn)動(dòng)方向則與脈沖的順序有關(guān)。以三相步進(jìn)電機(jī)為例,電流脈沖的施加共有 3 種 方式。 1)單相三拍方式(按單相繞組施加電流脈沖):ABC正轉(zhuǎn);ACB反轉(zhuǎn)。 2)雙相三拍方式(按雙相繞組施加電流脈沖):ABBCCA正轉(zhuǎn); ACCBAB反轉(zhuǎn)。 3)三相六拍方式(單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖): AABBBCCCA正轉(zhuǎn);AACCCBBBA反轉(zhuǎn)。單相三拍方式的每一拍 步進(jìn)角為 3,三相六拍的步進(jìn)角則為 1.5,因此,在三相六拍下,步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行反轉(zhuǎn)平 穩(wěn)柔和,但在同樣的運(yùn)行角度與速度下,三相六拍驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率需提高 1 倍,對(duì)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān) 管的開(kāi)關(guān)特性要求較高。 （2） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式 步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)方式是全電壓驅(qū)動(dòng),即在電機(jī)移步與鎖步時(shí)都加載額定電壓。為 了防止電機(jī)過(guò)流及改善驅(qū)動(dòng)特性,需加限流電阻。由于步進(jìn)電機(jī)鎖步時(shí),限流電阻要消耗 掉大量的功率,故限流電阻要有較大的功率容量,并且開(kāi)關(guān)管也要有較高的負(fù)載能力。步 進(jìn)電機(jī)的另一種驅(qū)動(dòng)方式是高低壓驅(qū)動(dòng),即在電機(jī)移步時(shí),加額定或超過(guò)額定值的電壓,以 便在較大的電流驅(qū)動(dòng)下,使電機(jī)快速移步；而在鎖步時(shí),則加低于額定值的電壓，只讓電 機(jī)繞組流過(guò)鎖步所需的電流值。這樣,既可以減少限流電阻的功率消耗,又可以提高電機(jī) 的運(yùn)行速度,但這種驅(qū)動(dòng)方式的電路要復(fù)雜一些。驅(qū)動(dòng)脈沖的分配可以使用硬件方法,即 用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在,脈沖分配器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、芯片化,市場(chǎng)上可以買(mǎi)到。但硬件方 法結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本也較高。步進(jìn)電機(jī)控制(包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配)也可以使用軟件方 法,即用單片機(jī)實(shí)現(xiàn),下面給出具體的使用單片機(jī)以軟件方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法。 3.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇和參數(shù) （1）步進(jìn)電機(jī)的選擇 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 9 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素 確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。 1） 步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸 上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目 前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相電機(jī)）、0.9 度/1.8 度（二、 四相電機(jī)）、1.5 度/3 度 （三相電機(jī)）等。 2） 靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇 的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和 單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起 動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦 負(fù)載的 2-3 倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）。 3） 電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲 線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 4） 力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力 矩與功率換算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其 P 為功率單位為瓦， 為每秒角速度，單位為弧度，n 為每分鐘轉(zhuǎn)速，M 為力矩單 位為牛頓米 P=2fM/400(半步工作） 其中 f 為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱 PPS) （2）步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中的注意點(diǎn) 1） 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過(guò) 1000 轉(zhuǎn)，（0.9 度時(shí) 6666PPS)， 最好在 1000-3000PPS(0.9 度）間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作 效率高，噪音低。 2） 步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。 3） 由于歷史原因，只有標(biāo)稱為 12V 電壓的電機(jī)使用 12V 外，其他電機(jī)的電壓值不是 驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57BYG 采用直流 24V-36V，86BYG 采 用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），當(dāng)然 12 伏的電壓除 12V 恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用 其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過(guò)要考慮溫升。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 10 4） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。 5） 電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速， (1)電機(jī)不失步，(2)可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。 6） 高精度時(shí)，應(yīng)通過(guò)機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決， 也可以采用 5 相電機(jī)，不過(guò)其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說(shuō)法是外 行話。 7） 電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 8） 電機(jī)在 600PPS（0.9 度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。 9） 應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。 本課題選用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其技術(shù)性能數(shù)據(jù)如下： 型號(hào)： 75BF001 相數(shù)： 3 步距角： 1.5/ o（ ） 電壓: 24V 相電流: 3A 最大靜轉(zhuǎn)矩 : 0.392（N.M） 空載起動(dòng)頻率: 1750 步/S 電感: 19mH 電阻: 0.62 分配方式: 三相六拍 外形尺寸: 75x53( 6) 轉(zhuǎn)子動(dòng)慣量： 1.274 5210.Kgm 重量： 1.1（Kg） 3.2.3 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn) 電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) （簡(jiǎn)稱 VR） 、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 HB） 。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的， 即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用 如下： （1） 控制換相順序 通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 11 電順序?yàn)?A-B-C-D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A,B,C,D 相的通斷。 （2） 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就 反轉(zhuǎn)。 （3） 控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩 個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn) 電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 3.2.4 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)上步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)，會(huì)有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)。如果使用細(xì)分方式,就能很好 的解決這個(gè)問(wèn)題。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制,從本質(zhì)上講是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組中電流的 控制,使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì) 分。一般情況下,合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小,相鄰兩合成磁場(chǎng) 矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。步進(jìn)電機(jī)半步工作方式就蘊(yùn)涵了細(xì)分的工作 原理。 實(shí)現(xiàn)細(xì)分方式有多種方法,最常用的是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動(dòng)方式,大多數(shù)專用的步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片都采用這種驅(qū)動(dòng)方式,TA8435 就是其中一種芯片。 基于 TA8435H 芯片的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分方式 TA8435 芯片特點(diǎn) TA8435 是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片,該芯片具有以 下特點(diǎn)： （1） 工作電壓范圍寬(1040 v); （2） 輸出電流可達(dá) 15 A(平均)和 25 A(峰值)); （3） 具有整步、半步、14 細(xì)分、18 細(xì)分運(yùn)行方式可供選擇; （4） 采用脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動(dòng)方式; （5） 具有正反轉(zhuǎn)控制功能; （6） 帶有復(fù)位和使能引腳; （7） 可選擇使用單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入。 從圖 3-1 中可以看出,TA8435 主要由 1 個(gè)解碼器、2 個(gè)橋式驅(qū)動(dòng)電路、2 個(gè)輸出電流 控制電路、2 個(gè)最大電流限制電路、1 個(gè)斬波器等功能模塊組成。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 12 圖 3-1 TA8435 工作原理 在圖 3-2 中,第一個(gè) CK 時(shí)鐘周期時(shí),解碼器打開(kāi)橋式驅(qū)動(dòng)電路,電流從 VMA 流經(jīng)電機(jī) 的線圈后經(jīng) RNFA 后與地構(gòu)成回路,由于線圈電感的作用,電流是逐漸增大的,所以 RNFB 上 的電壓也隨之上升。當(dāng) RNFB 上的電壓大于比較器正端的電壓時(shí),比較器使橋式驅(qū)動(dòng)電路 關(guān)閉,電機(jī)線圈上的電流開(kāi)始衰減,RNFB 上的電壓也相應(yīng)減小;當(dāng)電壓值小于比較器正向電 壓時(shí),橋式驅(qū)動(dòng)電路又重新導(dǎo)通,如此循環(huán),電流不斷的上升和下降形成鋸齒波,其波形如 圖 3-2 中 IA 波形的第 1 段。另外由于斬波器頻率很高,一般在幾十 kHz,其頻率大小與所 選用電容有關(guān)。在 OSC 作用下電流鋸齒波紋是非常小的,可以近似認(rèn)為輸出電流是直流。 在第 2 個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí),輸出電流控制電路輸出電壓 Ua 達(dá)到第 2 階段,比較器正向電壓 也相應(yīng)為第 2 階段的電壓,因此,流經(jīng)步進(jìn)電機(jī)線圈的電流從第 l 階段也升至第二階段 2。 電流波形如圖 IA 第 2 部分。第 3 時(shí)鐘周期,第 4 時(shí)鐘周期 TA8435 的工作原理與第 1、2 是一樣的,只是又升高比較器正向電壓而已,輸出電流波形如圖 IA 中第 3、4 部分。如此 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 13 最終形成階梯電流,加在線圈 B 上的電流,如圖 3-2 中 IB。在 CK 一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),流經(jīng)線 圈 A 和線圈 B 的電流共同作用下,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)細(xì)分步。 圖 3-2 TA8435 工作原理圖 圖 3-3 是單片機(jī)與 TA8435 相連控制步進(jìn)電機(jī)的原理圖。引腳 M1 和 M2 決定電機(jī)的轉(zhuǎn) 動(dòng)方式：MI=0、M2=O,電機(jī)按整步方式運(yùn)轉(zhuǎn);Ml=1、M2=0,電機(jī)按半步方式運(yùn)轉(zhuǎn); M1=O、M2=1,電機(jī)按 14 細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn);Ml=1、M2=1,電機(jī)按 l8 步細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn)。 CWCWW 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向,CKl、CK2 時(shí)鐘輸入的最大頻率不能超過(guò) 5 kHz?？刂茣r(shí)鐘的 頻率,即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率。REFIN 為高電平時(shí),NFA 和 NFB 的輸出電壓為 08 V,REFIN 為低電平時(shí),NFA 和 NFB 輸出電壓為 05 V,這 2 個(gè)引腳控制步進(jìn)電機(jī)輸入電流,電流大小 與 NF 端外接電阻關(guān)系式為：,Io=VrefRnf。圖 3-3 中,設(shè) REFIN=l,選用步進(jìn)電機(jī)額定電 流為 04 A,Rl、R2 選用 16 、2W 的大功率電阻 ,O、C 兩線不接。步進(jìn)電機(jī)按二相雙 極性使用,四相按二相使用時(shí)可以提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。D1D4 快恢復(fù)二極管用來(lái)泄 放繞組電流。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 14 圖 3-3 單片機(jī)與 TA8435 相連控制步進(jìn)電機(jī)的原理圖 下面是步進(jìn)電機(jī)的外形圖 3-4，接線圖 3-5，和電路圖 3-6 圖 3-4 型步進(jìn)電機(jī)外形圖 圖 3-5 步進(jìn)電機(jī)的接線圖 要求：開(kāi)機(jī)后，電機(jī)不轉(zhuǎn)，按下啟動(dòng)鍵，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，速度為 25 轉(zhuǎn)/分，按下加 1 鍵， 速度增加，按下減 1 鍵，速度降低，最高速度為 100 轉(zhuǎn)/分，最低轉(zhuǎn)帶為 25 轉(zhuǎn)/分，按下 停止鍵，電機(jī)停轉(zhuǎn)。速度值要求在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。 (1) 要求分析 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 15 按上面的分析，改變轉(zhuǎn)速，只要改變 P1.0P1.3 輪流變低電平的時(shí)間即可達(dá)到要求， 這個(gè)時(shí)間不應(yīng)采用延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闀?huì)影響到其他功能的實(shí)現(xiàn)。這里以定時(shí)的方式來(lái)實(shí) 現(xiàn)。下面首先計(jì)算一下定時(shí)時(shí)間。 比如說(shuō)按要求，最低轉(zhuǎn)速為 25 轉(zhuǎn)/分，而上述步進(jìn)電機(jī)的步距角為 7.5，即每 48 個(gè) 脈沖為 1 周，即在最低轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為 1200 脈沖/分，相當(dāng)于 50ms/脈沖。而在最高轉(zhuǎn)速 時(shí)，要求為 100 轉(zhuǎn)/分，即 48000 脈沖/分，相當(dāng)于 12.5ms/脈沖。 (2) 程序?qū)崿F(xiàn) StartEnd bit 01H ;起動(dòng)及停止標(biāo)志 MinSpd EQU 25 ;起始轉(zhuǎn)動(dòng)速度 MaxSpd EQU 100 ;最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度 Speed DATA 23H ;流動(dòng)速度計(jì)數(shù) Hidden EQU 10H ;消隱碼 Counter DATA 57H ;顯示計(jì)數(shù)器 DISPBUF DATA 58H ;顯示緩沖區(qū) ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH JMP DISP ORG 001BH JMP DJZD ORG 30H MAIN: MOV SP,#5FH MOV P1,#0FFH MOV A,#Hidden MOV DispBuf,A MOV DispBuf+1,A MOV DispBuf+2,A MOV DjCount,#11110111B MOV SPEED,#MinSpd ;起始轉(zhuǎn)動(dòng)速度送入計(jì)數(shù)器 CLR StartEnd ;停轉(zhuǎn)狀態(tài) MOV TMOD,#00010001B ; MOV TH0,#HIGH(65536-3000) MOV TL0,#LOW(65536-3000) MOV TH1,#0FFH; 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 16 MOV TL1,#0FFH SETB TR0 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 LOOP: ACALL KEY ;鍵盤(pán)程序 JNB F0,m_NEXT1 ;無(wú)鍵繼續(xù) ACALL KEYPROC ;否則調(diào)用鍵盤(pán)處理程序 m_NEXT1: MOV A,Speed MOV B,#10 DIV AB MOV DispBuf+5,B ;最低位 MOV B,#10 DIV AB MOV DispBuf+4,B MOV DispBuf+3,A JB StartEnd,m_Next2 CLR TR1 ;關(guān)閉電機(jī) JMP LOOP ORL P1,#11110000B m_Next2: SETB TR1 ;啟動(dòng)電機(jī) AJMP LOOP ;主程序結(jié)束 D10ms: ;---------延時(shí)程序,鍵盤(pán)處理中調(diào)用 KEYPROC: MOV A,B ;獲取鍵值 JB ACC.2,StartStop ;分析鍵的代碼,某位被按下,則該位為 1 JB ACC.3,KeySty JB ACC.4,UpSpd JB ACC.5,DowSpd AJMP KEY_RET StartStop: 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 17 SETB StartEnd ;啟動(dòng) AJMP KEY_RET KeySty: CLR StartEnd; ;停止 AJMP KEY_RET UpSpd: INC SPEED; MOV A,SPEED CJNE A,#MaxSpd,K1 ;到了最多的次數(shù)？ DEC SPEED ;是則減去 1，保證下次仍為該值 K1: AJMP KEY_RET DowSpd: DEC SPEED MOV A,SPEED CJNE A,#MAXSPD,KEY_RET ;不等（未到最大值），返回 MOV SPEED,#MinSpd; KEY_RET: RET KEY: 獲取鍵值的程序 RET DjZd: ;定時(shí)器 T1 用于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 PUSH ACC PUSH PSW MOV A,Speed SUBB A,#MinSpd ;減基準(zhǔn)數(shù) MOV DPTR,#DjH MOVC A,A+DPTR MOV TH1,A MOV A,Speed SUBB A,#MinSpd MOV DPTR,#DjL MOVC A,A+DPTR MOV TL1,A 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 18 MOV A,DjCount CPL A ORL P1,A MOV A,DjCount JNB ACC.7,d_Next1 JMP d_Next2 d_Next1: MOV DjCount,#11110111B d_Next2: MOV A,DjCount RL A MOV DjCount,A ;回存 ANL P1,A POP PSW POP ACC RETI DjH: DB 76,82,89,95,100,106,110,115,119,123,12 DjL: DB 0,236,86,73,212,0,214,96,163,165 DISP: ;顯示程序 POP PSW POP ACC RETI BitTab: DB 7Fh,0BFH,0DFH,0EFH,0F7H,0FBH DISPTAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH END (3) 程序分析 本程序主要由鍵盤(pán)程序、顯示器程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序三部份組成，主程序首先 初始化各變量，將顯示器的高 3 位消隱，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各引腳均輸出高電平，然后調(diào) 用鍵盤(pán)程序，并作判斷，如果有鍵按下，則調(diào)用鍵盤(pán)處理程序，否則直接轉(zhuǎn)下一步。下 一步是將當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)換為 BCD 碼，送入顯示緩沖區(qū)；接著判斷 StartEnd 這個(gè)位變量， 是“1”還是“0”，如果是“1” ，則開(kāi)啟定時(shí)器 T1，否則關(guān)閉定時(shí)器 T1，為防止關(guān)閉時(shí)某一相 線圈長(zhǎng)期通電，因此，在關(guān)閉定時(shí)器 T1 時(shí)，將 P1.0P1.3 均置高。至此，主程序的工作 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 19 即結(jié)束。這里為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，這里沒(méi)有做高位“0” 消隱的工作，即如果速度為 10 轉(zhuǎn)/ 分，則 顯示值“010”，讀者可以自行加入相關(guān)的代碼來(lái)處理這一工作。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作是在定時(shí)器 T1 的中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的，由前述分析，每次的 定時(shí)時(shí)間到達(dá)以后，需要將 P1.0P1.3 依次接通，程度中用了一個(gè)變量 DjCntr 來(lái)實(shí)現(xiàn)這一 功能，在主程序初始化時(shí)，該變量被賦予初值 11110111B，進(jìn)入到定時(shí)中斷以后，將該 變量取出送 ACC 累加器，并在累加器中進(jìn)行左移，這樣，該數(shù)值就變?yōu)?1110 1111，然 后將該數(shù)與 P1 相“與”，此時(shí)，P1.4 即輸出低電平，第二次進(jìn)入中斷時(shí)，先將該數(shù)取反， 成為 00010000，然后將該數(shù)與 P1 相“或”，這樣，P1.4 即輸出高電平，關(guān)斷了相應(yīng)的 線圈，然后將該數(shù)重新取出，并作左移，即1110，1111 右移成為 11011111，將該數(shù) 與 P1 相“與” ，這樣 P1.5 即輸出低電平，依次類推，P1.7P1.4 即循環(huán)輸出低電平。當(dāng)這 一數(shù)據(jù)變?yōu)?0111 1111 后，需要作適當(dāng)?shù)母膭?dòng)，將數(shù)據(jù)重新變回11110111，進(jìn)行第二 次循環(huán)，相關(guān)代碼。 定時(shí)時(shí)間又是如何確定的呢？這里用的是查表的方法，首先用 Excel 計(jì)算得出在每一 種轉(zhuǎn)速下的 TH 值和 TL 值，然后，分別放入 DjH 和 DjL 表中，在進(jìn)入 T1 中斷程序之后， 將速度值變量 Speed 送入累加器 ACC，然后減去基數(shù) 25，使其基數(shù)從 0 開(kāi)始計(jì)數(shù)，然后 分別查表，送入 TH1 和 TL1，實(shí)現(xiàn)重置定時(shí)初值的目的。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 20 3.3 錐齒輪的選擇和計(jì)算 3.3.1 齒輪設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù) 傳遞功率： P=0.98 kw 齒輪 1 的轉(zhuǎn)速： n1=1500r/min 齒輪 2 的轉(zhuǎn)速： n2=800 r/min 傳動(dòng)比： i=1500/800=1.875 預(yù)定壽命： H=24000 h 原動(dòng)機(jī)載荷特性： 均勻平穩(wěn) 工作機(jī)載荷特性： 均勻平穩(wěn) 3.3.2 齒輪的材料及熱處理 齒面類型：軟齒面 熱處理質(zhì)量要求級(jí)別： MQ (1) 材料及熱處理： 齒輪 1： 齒輪 1 選擇材料為 45 鋼；熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理。硬度范圍為：HB240-270 本設(shè)計(jì) 取硬度為： HB250 齒輪 2： 為了提高齒輪的抗膠合性能，大齒輪和小齒輪應(yīng)選擇不同牌號(hào)的鋼來(lái)制造,根據(jù)這個(gè) 原則，齒輪 2 選擇的材料為 40Cr；熱處理為調(diào)質(zhì)處理。硬度范圍為：HB200-230 所以本 設(shè)計(jì)選用硬度為：HB215 (2) 機(jī)械性能： 齒輪 1： 查表得： 許用接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力： MPb6471 許用彎曲強(qiáng)度極限應(yīng)力： Fp3 齒輪 2： 查表得： 許用接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力： b82 許用彎曲強(qiáng)度極限應(yīng)力： Ps59 3.3.3 齒輪的基本參數(shù) 模數(shù) m 的選取，取模數(shù)為 m=2 齒數(shù) Z1、Z2 的確定，取齒數(shù)為 Z1=32 所以 60875.3i21 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 21 變位系數(shù) X： 由于齒輪有偏心調(diào)節(jié)環(huán)約束，所以取變位系數(shù) x=0，總變位系數(shù) 0.x 齒輪主要尺寸： 分度圓直徑： mzd12064321 齒頂圓直徑： 取 5.*cha 所以 daa12*21 齒根圓直徑： mchdaff 415*21 基圓直徑： osb 取標(biāo)準(zhǔn)值為 o20 mdb 49.210cs24cs1673o0o2 節(jié)圓直徑： d421 標(biāo)準(zhǔn)中心距 a: mza321 中心距變動(dòng)系數(shù) y： y=-0.001 齒高變動(dòng)系數(shù)為 0.001 小齒輪齒寬 B： 1dB 因 取值為 1，所以 B=224mmd 分度圓弦齒厚 和弦齒高 ：*ns*anh 查表得： 對(duì)齒輪 1： 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 22 5697.1*ns02ah 對(duì)齒輪 2： 57.1