微机控制超低速运动下降杆设计

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1、微机控制超低速运动下降杆设计作者：孙国浩指导教师：郑堤（宁波大学工学院，浙江宁波）摘要：本设计主要介绍了超低速运动下降杆的设计，用于单晶生长。设计包括机械设计和控制设计两大块。在机械设计中，本文主要说明了机械结构的方案选择和设计计算。在控制部分中，文章重点阐述了单片机的外围电路开发、电机的控制电路设计和电源设计三大部分。关键词：低速；机械结构；单片机；电路1引言为满足晶体生长而设计出超低速下降机构。本设计适用于下降法生长晶体。设计主要满足下降过程中的精度和速度变化的要求。目前，下降法晶体生长的机构大多是要人工

2、操作来实现速度的改变，并且速度的变化范围很小。本次设计采用单片机控制步进电机来实现下降速度的变化，设计的速度变化范围广、精度高。使晶体生产过程实现自动控制，操作简单，大大提高了生产效率。并且本设计采用的零部件加工和采购成本底，能够降低小型企业生产成本投入。2结构设计（总装图参见附录二）2.1结构方案的比较与选择设计要求的速度变化范围为0.5～100mm/24h，变化范围比较大，因此下降采用步进电机驱动。步进电机相对于普通电动机能够满足大范围速度变化的要求，同时转速控制简单，精度高。由于速度变化范围比较大同时速

3、度非常低，因此设计要求的传动比非常大（通过计算，传动比在30000左右），对于一般的减速机构达到这样大的减速比比较困难。采用谐波减速器可以实现单级减速比在2000左右，这样可以使结构紧凑，传动机构的体积大大减小。上升部分由于没有精度和速度要求，可以选用单相交流电动机，以节约设计成本。设计方案如下：方案比较：由于运动速度要求比较低，并且范围比较大，所以设计需要很大的减速比，在一级减速中选用谐波减速器并采用步进电机驱动。名称（编号）参考图传动比特点丝杠—蜗杆式（方案一）图a蜗杆：10～40最大可达到80；谐波减速

4、器可达到2000。蜗轮与蜗杆啮合，润滑方便，一般用于速度小于4～5m/s的情况下；滑动丝杠自锁性能好。V带传动工作平稳，允许线速度不超过25m/s齿条—齿轮式（方案二）图b圆柱齿轮：一般小于5最大为8；谐波减速器可达到2000。齿轮可以做成直齿和斜齿，直齿用于低速或轻载荷的传动传动；齿条传动不能自锁。齿条—锥齿轮式（方案三）图c圆锥齿轮：一般为3最大为5；谐波减速器可达到2000。圆锥齿轮，用于输入轴和输出轴线相交的传动；齿条传动不能自锁。从以上传动方案可知：方案一、设计较为合理，蜗杆传动比较大能适合设计需要

5、的低速要求，并且结构紧凑，传动平稳，虽然传动效率不高，但仍然可以满足设计的小功率要求；并且滑动丝杠有很好的自锁性能，能够保证设计的精度要求。由于电机尺寸比较大，因此设计采用Ｖ带传动将电机固定在下方。方案二、由于采用齿轮传动来达到减速要求，其减速比不如方案一中的蜗杆传动；并且齿条不能自锁对于设计精度会产生影响。方案三、由于锥齿轮加工比较困难，一般用于改变轴的方向时使用，在此设计中没有改变的要求。综上所述，选用方案一作为传动方案。2.2零件设计与选用2.2.1电机选用交流电机驱动：载荷F=1500N，速度初定81

6、0-3m/s。因载荷平稳，电动机额定功率Ped略大于Pd即可。通过计算得Pd=85.7W，选用电动机的额定功率Ped为90W，n0=1400rpm。步进电机驱动：载荷F=500N，速度0.5～1000mm/24h。通过计算选用常州宝马集团公司前杨电机厂生产的三相步进电机：36BF003。按三相六拍工作时，步矩角：α=1.5°，电压：27V，电流：1.5A，保持转矩：0.78Nm/0.8kgcm，空载启动频率：3100Hz，转动惯量：7.8×10-7kgm2。2.2.2蜗杆设计与校核选用ZA蜗杆传动，精度8cG

7、B10089-1988。蜗杆选用45钢，齿表面淬火，硬度45～55HRC；表面粗糙度Ra≤1.6μm。蜗轮选用QA110-3-1.5金属模铸造。QA110-3-1.5为铝青铜，强度高、耐磨性强。设计得：i=n1/n2=15，z1=2，z2=iz1=15×2=30，m=1.6校核（略）2.2.3丝杠设计螺杆材料选用45钢，调制处理；螺母材料QA110-3-1.5。设计得：d=24，P=5,d2=21.5，D4=24.5,d3=18.5,D1=19的梯形螺纹，中等精度，螺旋副的标记为Tr24×5-7H/7e。螺母

8、高度H=40mm，=螺纹圈数n=8圈。校核（略）2.2.4谐波减速器选用根据设计要求选用XB2内齿复波谐波减速器：型号25；减速比为2016；传动效率30%；输入最高转速3000rpm；输出最大转矩2N·m；能够满足设计要求。2.2.5离合机构设计方案一：双向离合器，没有符合设计要求的产品型号；方案二：电磁离合器，由于长期工作在闭合状态，所以对于离合器的寿命和工作稳定性会有影响；方案三：滑移齿轮通过