汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大小頭孔中心線平行度自動(dòng)檢測裝置設(shè)計(jì)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大小頭孔中心線平行度自動(dòng)檢測裝置設(shè)計(jì),汽車發(fā)動(dòng)機(jī),連桿,小頭,中心線,平行,自動(dòng)檢測,裝置,設(shè)計(jì) 編號(hào)無錫太湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大小頭孔中心線平行度自動(dòng)檢測裝置設(shè)計(jì) 信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)學(xué) 號(hào)： 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(jì)（論文）誠 信 承 諾 書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大小頭孔中心線平行度自動(dòng)檢測裝置設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機(jī)械92 學(xué) 號(hào)： 0923094 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日無錫太湖學(xué)院 信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化（數(shù)控技術(shù)）專業(yè)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書一、題目及專題：、 題目汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大小頭孔中心線平行度自動(dòng)檢測裝置設(shè)計(jì) 、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(huì)使活塞在汽缸中傾斜，致使汽缸壁磨損不均勻，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，同時(shí)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(jì)制造一種自動(dòng)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(jì)（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(jī)。 2、機(jī)械部分設(shè)計(jì)，主要是傳感器箱體內(nèi)的夾緊件與定位件以及其他運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括承載工作臺(tái)外形尺寸與重量估計(jì)，測試箱外形尺寸及重量估算，滾珠絲杠伺服傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的確定，滾珠絲杠伺服傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的確定，滾珠絲杠螺母副的選型及校核等。 3、進(jìn)行連桿的壓桿穩(wěn)定性計(jì)算。 4、液壓缸的設(shè)計(jì)，包括液壓缸的設(shè)計(jì)，液壓泵的選擇以及電機(jī)的選擇。5、控制部分初步設(shè)計(jì)。 6、設(shè)計(jì)說明書一份。 注：所有圖紙均需計(jì)算機(jī)打印 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)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(jì)（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 I摘 要連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，它的質(zhì)量直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)連桿兩孔中心線的平行度而設(shè)計(jì)的。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是：全部測試過程自動(dòng)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(dòng)退出以及測試結(jié)果的顯示與打印。本裝置的特點(diǎn)是：測試精度較高。在本系統(tǒng)中，測試時(shí)測試箱和測桿的運(yùn)動(dòng)由X向數(shù)控工作臺(tái)來拖動(dòng)，數(shù)控工作臺(tái)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，工件的夾緊裝置采用液壓系統(tǒng)，因?yàn)橐簤合到y(tǒng)夾緊比較平穩(wěn)，振動(dòng)較小，對系統(tǒng)的精度影響較小。本裝置是一個(gè)完整的測試裝置，既可以單獨(dú)用來測試，也可用于計(jì)算機(jī)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(tái)AbstractConnecting 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目 錄摘 要Abstract目 錄1 緒論11.1 課題的概況及提出11.2 課題分析12 總體方案設(shè)計(jì)22.1 本測試系統(tǒng)的理論方法和依據(jù)22.2 本裝置的主要組成部分22.1.1 機(jī)械部分22.1.2 液壓部分22.1.3 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)22.3 機(jī)械部分的功用及其設(shè)計(jì)原則32.4 液壓部分的功用及選件原則32.5 電氣部分33 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)43.1 傳感器的選用與安裝43.1.1 傳感器的選用43.1.2 傳感器的安裝43.2 其他運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算53.2.1 承載工作臺(tái)外形尺寸與重量估計(jì)53.2.2 測試箱外形尺寸及重量估算63.2.3 滾珠絲杠伺服傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的確定63.2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)中一對齒輪參數(shù)的確定63.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型及校核73.2.6 滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)93.2.7 步進(jìn)電機(jī)的選用103.3 數(shù)控系統(tǒng)的精度驗(yàn)算124 液壓部分的設(shè)計(jì)134.1 液壓缸的設(shè)計(jì)134.1.1 夾緊力的計(jì)算134.1.2 確定液壓缸的主要尺寸144.1.3 計(jì)算液壓缸工作階段所需的流量144.1.4 液壓缸的安裝144.2 液壓泵的選用154.2.1 液壓泵的工作壓力確定154.2.2 泵的流量確定154.2.3 選擇液壓泵的規(guī)格154.3 與液壓泵匹配電動(dòng)機(jī)的選定155 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)165.1 硬件電路總體設(shè)計(jì)方案165.1.1 硬件電路框圖表示165.1.2 硬件電路主要元器件的選擇清單165.2 主控制器CPU的選擇及其引腳165.2.1 CPU的選擇165.2.2 8031的硬件資源及其引腳175.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)175.3.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路芯片175.3.2 地址鎖存器選用185.3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路芯片185.3.4 譯碼器的選用195.4 I/O擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)195.4.1 8255可編程接口芯片的選用195.4.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路205.4.3 三相異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路215.4.4 電磁換向閥的驅(qū)動(dòng)電路215.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)225.5.1 測量電橋225.5.2測量放大電路225.5.3 相敏檢波電路225.5.4 功率放大電路235.5.5 集成采樣保持電路235.5.6 A/D轉(zhuǎn)換電路235.6 其他輔助電路設(shè)計(jì)245.6.1 鍵盤與顯示器接口電路245.6.2 打印機(jī)接口電路245.6.3 報(bào)警顯示接口電路246 控制軟件編程266.1 監(jiān)控軟件的功能266.2 鍵盤與顯示器接口的軟件設(shè)計(jì)266.2.1 接口電路266.2.2 軟件設(shè)計(jì)267 結(jié)論與展望307.1 結(jié)論307.2 不足之處及未來展望307.2.1 不足之處307.2.2 未來展望30致謝31參考文獻(xiàn)32VII汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大小頭孔中心線平行度自動(dòng)檢測裝置設(shè)計(jì)1 緒論1.1 課題的概況及提出精密測量技術(shù)是機(jī)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(jìn)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(jì)算機(jī)技術(shù)和光電技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化和多功能化，國內(nèi)正朝著這個(gè)方向努力發(fā)展。連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的工作性能、使用壽命及機(jī)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(jìn)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(dòng)機(jī)性能的要求越來越高。而且連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量大、磨擦大、噪音大。因此，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)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(shí)現(xiàn)互換性，更可以獲得最佳的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。因此，需要對連桿大小孔的中心軸線的平行度進(jìn)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(dòng)機(jī)的連桿大、小頭孔中心線的平行度。之前許多廠家使用氣動(dòng)測量儀檢測，即利用直徑對氣體的壓力而通過儀表進(jìn)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(dòng)生產(chǎn)線。本測量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想是：整個(gè)檢測過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不需人工干預(yù)。在本測試裝置中，采用滾珠絲杠以實(shí)現(xiàn)測桿的X方向的進(jìn)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(dòng)檢測裝置選用應(yīng)用廣泛的8031單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)測試系統(tǒng)控制。 2 總體方案設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)連桿大小頭孔中心線平行度所運(yùn)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(gè)截面上三個(gè)不同點(diǎn)的位置，根據(jù)這三個(gè)點(diǎn)確定一個(gè)圓心，兩個(gè)圓的圓心構(gòu)成一條直線，再依據(jù)數(shù)學(xué)方法來計(jì)算這兩條直線的夾角，最后轉(zhuǎn)換成平行度。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大小頭孔中心線在兩個(gè)相互垂直的方向上的平行度誤差會(huì)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(dòng)機(jī)的使用壽命，同時(shí)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(gè)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(jī)械部分由傳感器箱體、 承載工作臺(tái)、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(jì)包括CPU選擇、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、I/O擴(kuò)展電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、測量放大電路和信號(hào)采集保持電路以及其它輔助電路的設(shè)計(jì)。下圖2-1 為機(jī)械結(jié)構(gòu)圖圖2-1 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖2.3 機(jī)械部分的功用及其設(shè)計(jì)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(gè)等級。測試箱由滾珠絲杠拖動(dòng)以實(shí)現(xiàn)X向的進(jìn)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(jìn)行測試之前，要保證工件的正確定位與夾緊，因?yàn)楸緶y試裝置屬于精密測量儀器，系統(tǒng)在運(yùn)行中要求振動(dòng)小，而液壓系統(tǒng)具有平穩(wěn)性好，運(yùn)動(dòng)慣性小、反應(yīng)速度快、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。所以，在本測試裝置系統(tǒng)中運(yùn)用液壓系統(tǒng)對工作進(jìn)行夾緊比較合理、比較理想的。2.5 電氣部分在實(shí)際測量中，因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵隽渴沁B續(xù)變化的物理量（也就是模擬量，與此對應(yīng)的電信號(hào)則是模擬信號(hào)），要將其輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就需要運(yùn)用A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，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?yàn)楸平紸/D轉(zhuǎn)換器在精度、速度和價(jià)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(shí)際的需要，在這里需要解決計(jì)算機(jī)和外設(shè)聯(lián)系的接口電路，包括鍵盤、顯示器和打印機(jī)等。3 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大小頭孔中心線平行度檢測裝置的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(huì)受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。因此，在設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要充分注意減少摩擦，提高傳動(dòng)精度和剛度，消除傳動(dòng)間隙，以及減少運(yùn)動(dòng)件的慣性。所以進(jìn)給系統(tǒng)如下圖3-1。圖3-1 進(jìn)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?yàn)楸狙b置是用來自動(dòng)檢測汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大小頭孔中心線平行度的，所以本裝置選用差動(dòng)變壓器式位移傳感器3。差動(dòng)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(dòng)變壓器式位移傳感器有很多型號(hào)，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(dòng)變壓器式位移傳感器規(guī)格4變動(dòng)性0.2um測量力0.40.7N總行程1.2mm裝卡尺寸F8h7外形尺寸F830重量0.15N3.1.2 傳感器的安裝3.1.2.1 測量杠桿機(jī)構(gòu)的作用與外伸軸的剛度估計(jì)因?yàn)楸粶y汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿小頭的直徑只有28mm，無法把差動(dòng)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(gè)杠桿機(jī)構(gòu)，稱之為測桿。測桿的一端安裝一個(gè)傳感器測頭，另一端與傳感器的測頭相接觸，同時(shí)這個(gè)機(jī)構(gòu)還可以將這杠桿孔的直徑誤差進(jìn)行放大，以保證整個(gè)測試系統(tǒng)的測量精度。 整個(gè)系統(tǒng)要設(shè)計(jì)三個(gè)測桿，它們安裝在測試箱的外伸軸上面。因?yàn)樗鶞y的連桿小頭孔的直徑誤差很小，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(gè)測試系統(tǒng)的精度。為了降低測桿變形，在安裝時(shí)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(jì)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(dòng)檢測裝置的設(shè)計(jì)中是一個(gè)重點(diǎn)問題，因?yàn)樗恼_定位將會(huì)直接影響到本測試系統(tǒng)的精度。但是，不管怎樣它都會(huì)帶來誤差屬于常值系統(tǒng)誤差，可以用過其他方法給予補(bǔ)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(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.2.1 承載工作臺(tái)外形尺寸與重量估計(jì) 見表3.2表3.2 工作臺(tái)外形尺寸與重量估計(jì)長L200mm寬D86mm高H45mm密度7.8x10-3kg/cm3重力加速度g10N/kg重力G60.37N3.2.2 測試箱外形尺寸及重量估算外伸軸外形尺寸與重量估計(jì)見下表3.3表3.3 外伸軸外形尺寸與重量估計(jì)長L160mm圓周率3.14半徑r12mm密度7.8x10-3kg/cm3重力加速度g10N/kg重力G5.64N測試箱外形尺寸與重量估計(jì)見下表3.4表3.4 測試箱外形尺寸與重量估計(jì)長L160mm寬D90mm高H152mm密度7.8x10-3kg/cm3重力加速度g10N/kg重力G113.82N傳感器G=0.15N3=0.45N總體重量G= G工作臺(tái)+G外伸軸+G測試箱+G傳感器=180.28N3.2.3 滾珠絲杠伺服傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比6的確定 i=1.55/（3600.01）=1.673.2.4 傳動(dòng)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(gè)齒輪的中心距(mm)下圖3-3為齒輪1圖3-3 齒輪13.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型及校核(1) 滾珠絲杠的特點(diǎn)7滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的新型傳動(dòng)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(shí)，兩者會(huì)發(fā)生軸向位移，而滾珠則會(huì)沿滾道滾動(dòng)，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(jī)構(gòu)的效率和傳動(dòng)精度，所以一般精度較高的系統(tǒng)中采用滾珠絲杠來傳動(dòng)。（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(diǎn)是回路短，流暢好。外循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)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)形式我設(shè)計(jì)的連桿大小頭孔中心線平行度自動(dòng)檢測裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)就采用了滾珠絲杠，以增加系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，運(yùn)動(dòng)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(dòng)工作臺(tái)時(shí)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(dòng)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Fm=1.414fBG總=1.414x0.01x180.28N=2.55N.5N3.2.5.2 最大動(dòng)載荷計(jì)算及主要參數(shù)的初定計(jì)算載荷FC（N）的計(jì)算 FC=1.2x1.0x1.1x2.55N=3.37N計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值CaCa=FC3nmLh1.67x104式中,nm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(jìn)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; Lh Ca=3.373200x150001.67x104=19N3.2.5.3 初選滾珠絲杠副根據(jù)最大動(dòng)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(dòng)效率的計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為=tantan(+)=tan433tan（433+0.2）=0.978式中: 3.2.5.5 壓桿穩(wěn)定8性驗(yàn)算絲杠不會(huì)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； 絲杠的工作長度(m)，這里0.28m; 絲杠危險(xiǎn)截面軸慣性矩(m4)， =d14/64=3.14(0.016788m)4/64=310-8m4 長度系數(shù)，設(shè)計(jì)絲杠的支承方式為一端固定，一端游動(dòng)，故取2/3 Fcr=1.74106N安全系數(shù)S= Fcr/Fm=1.74106/2.55=682352.94,可見足夠安全，不會(huì)失穩(wěn)。3.2.5.6 剛度驗(yàn)算8絲杠的拉壓變形量為 1=FmlEA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(shí)：2=0.0013xFm3DwFYJZZ2 式中，F(xiàn)YJ預(yù)緊力(N), FYJ =0.673N； ZZ=Z=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(shí)，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(jì)要求。3.2.6 滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)7由于雙V形滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)是對稱的，工作臺(tái)可以放在兩導(dǎo)軌之間，能承受側(cè)向力矩，接觸剛度好、導(dǎo)向性和精度保持性好，并設(shè)計(jì)為鑲條以便維修和調(diào)整，因此滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.6.1 滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定根據(jù)檢測過程中工作臺(tái)實(shí)際需移動(dòng)的距離，可取導(dǎo)軌的總長度為280mm，動(dòng)導(dǎo)軌長度為140mm，動(dòng)導(dǎo)軌行程為100mm，滾珠保持器的長度為200mm.3.2.6.2 滾動(dòng)體尺寸與數(shù)目的確定由于工作臺(tái)重量比較輕，并且在工作過程中動(dòng)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(dòng)體的直徑最好不低于6mm，因?yàn)槿魸L動(dòng)體太小就容易產(chǎn)生滑動(dòng)象?，F(xiàn)選滾珠的直徑為6mm。滾動(dòng)體數(shù)目選擇的根據(jù)：zG/30d,算得z=10，由動(dòng)導(dǎo)軌長度為140mm，得兩滾珠之間的距離t=14mm.3.2.6.3 驗(yàn)算許用負(fù)載9 許用負(fù)載P=Kd2 式中，K滾動(dòng)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(jì)的導(dǎo)軌選用淬透鋼HRC=55，所以P=21.6N，Pmax=15.412NP可見，雙V型滾珠導(dǎo)軌是符合要求的。3.2.7 步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)也叫脈沖電動(dòng)機(jī)，是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移的電磁機(jī)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(dòng)元件。給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，不僅電動(dòng)機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，如果按一定規(guī)律給步進(jìn)電機(jī)一串連續(xù)的脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)便會(huì)一步步地連續(xù)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)10：(1)步進(jìn)電機(jī)受數(shù)字脈沖信號(hào)控制，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比。(2)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比。(3)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過改變通電順序來改變。(4)步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力，一旦停止輸入脈沖，只要維持繞組通電，電動(dòng)機(jī)就可以保持在該固定位置。（5）適合于直接與微機(jī)的I/O接口，構(gòu)成開環(huán)位置伺服系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(lì)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(jī)和功率電機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理與反應(yīng)式同步電機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，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相繞組所建立的磁場影響最大時(shí)，轉(zhuǎn)子齒2和4在磁場力的作用下，逆時(shí)針轉(zhuǎn)到和B相磁極相對的位置，即轉(zhuǎn)子前進(jìn)一步。同樣當(dāng)B相斷電，而C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子又在磁場力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，電機(jī)便一步步地轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的步距角 是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一步所轉(zhuǎn)過的角度，由此可見b=360zma z轉(zhuǎn)子齒數(shù)ma通電循環(huán)拍數(shù)圖3-5步進(jìn)電機(jī)工作原理3.2.7.1 步進(jìn)電機(jī)的步距角 初選進(jìn)步電機(jī)的步距角b=1.5/脈沖脈沖3.2.7.2 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算取步進(jìn)電機(jī)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(jī)所做的功與負(fù)載所做的功有如下關(guān)系：T=PS式中，電機(jī)轉(zhuǎn)角；S移動(dòng)部件的相對位移；機(jī)械傳動(dòng)效率； 3.2.7.3 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算Jd=J0+J2+Z1Z22J2+J3+m(px180/3.14b)2對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式計(jì)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.cm2J2=0.7810-3540.5=24.37510-2 kg.cm2J3=0.7810-32.6426=32.4510-2 kg.cm2J0很小可以忽略為0 Jb=1,294x10-2+24.375+32.45x10-2+51x(0.001x180/3.14x1.5)2=0.218kgcm2Wmax=2x3.14xfmax=43.62rad/sTg=JdxWmax-W00.01=9.51NcmJmaxTgK0.5=19.02Ncm3.2.7.4 選擇步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)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(jìn)電動(dòng)機(jī)45BF005.有關(guān)參數(shù)見表3.5表3.5 45BF005步進(jìn)電機(jī)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(dòng)空載頻率(Hz）最大靜轉(zhuǎn)矩(Nm)455840.41.5272.530000.1963.3 數(shù)控系統(tǒng)的精度驗(yàn)算步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)精度是可以不用驗(yàn)算，因?yàn)闄z測前兩面的工作臺(tái)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(jì)要求，特別是滾珠絲杠螺母副的采用，具有傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)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(jì)時(shí)可以采用偏心套消除間隙，這樣可以使傳動(dòng)更平穩(wěn)，并且能消除振動(dòng)。4 液壓部分的設(shè)計(jì)在本檢測裝置系統(tǒng)中，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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?yàn)橐紤]到夾緊時(shí)間可調(diào)節(jié)以及當(dāng)進(jìn)油路壓力瞬時(shí)下降時(shí)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(jì)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(jì)114.1.1 夾緊力的計(jì)算由連桿圖可以估算的工件重量如下： G工件=190+54+2810223010-37.810-310=32.46NN其中F為切削力，此處F為0； G為工件重量。 F夾=6.6732.46=216.5N6.5N4.1.2 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?yàn)楣ぷ鳁l件的不同，采用的壓力范圍也會(huì)不同。設(shè)計(jì)的時(shí)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）0.631.01.62.54.06.310.016.025.031.540.0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(jī)床 一般冶金設(shè)備農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型工程機(jī)械液壓機(jī)、重型機(jī)械、軋機(jī)壓下、起重運(yùn)輸機(jī)械工作壓力(MPa)16.36.31610162032取液壓系統(tǒng)的機(jī)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DD=4F夾maxp1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(hào)液壓缸內(nèi)徑液壓缸外徑液壓桿直徑液壓鋼承壓0132401830 Mpa0240502530 Mpa0345603060 Mpa0450653260 Mpa0563804560 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(jì)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(gè)元件的型號(hào)，具體型號(hào)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(jì)為支座，由于液壓缸與底座相平行，所以底座應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)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?yàn)樵谡９ぷ髦羞M(jìn)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?yàn)橄迚菏阶兞咳~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(diǎn)?？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(hào)為YBX16型的葉片泵，其主要參數(shù)見表4.4。表4.4 YBX16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)(%)(%)166.3600-145085704.3 與液壓泵匹配電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，型號(hào)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(dòng)機(jī)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)1.53.71400792.32.3 275 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)5.1 硬件電路總體設(shè)計(jì)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(chǔ)器 2764 8K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 6264 地址鎖存器 74LS373譯碼器 74LS138擴(kuò)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(yùn)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(jī)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?yàn)楸緳z測系統(tǒng)是一個(gè)智能測量裝置，單片機(jī)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(gè)8位的CPU，RAM（128字節(jié)），ROM（4K字節(jié)），21個(gè)特殊功能的寄存器，4個(gè)8位并行口，2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)全雙工串行口，5個(gè)中斷源，40個(gè)引腳等。在本裝置中，還須要擴(kuò)展多個(gè)接口才能夠完成系統(tǒng)的自動(dòng)檢測功能。5.2.2.2 8031的引腳定義及功能8031單片機(jī)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(gè)引腳，在單片機(jī)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(dòng)端。當(dāng)用外部振蕩器時(shí)，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(yùn)行，此引腳上會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期寬度以上的高電平將會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。ALE/(30腳)：當(dāng)訪問外部儲(chǔ)存器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。：片外程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，低電平有效。/VPP：當(dāng)端輸入高電平時(shí)，CPU執(zhí)行程序，訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。對于8031來說，無片內(nèi)存儲(chǔ)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(gè)端口，每個(gè)端口都是8位準(zhǔn)雙向口，共占32根引腳。5.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)155.3.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路芯片因?yàn)?031內(nèi)部不帶EPROM芯片，所需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)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。圖5-2EPROM引腳結(jié)構(gòu)2764共有13根地址線A0A12，其地址范圍是0000H1FFFH。有8根數(shù)據(jù)線D0D7，其余為控制線。分別定義為：片選信號(hào)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，這里直接接地表示一直選通。輸出使能端，與單片機(jī)的相連，當(dāng)有效時(shí)，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(jī)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(shí)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(chǔ)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(jī)的鎖存控制信號(hào)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(chǔ)器的擴(kuò)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(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于面向控制，實(shí)際需要擴(kuò)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。圖5-3RAM引腳結(jié)構(gòu)6264共有13根地址線A0A12，有8根數(shù)據(jù)線D0D7。其余為控制線。分別定義為：片選信號(hào)輸入端，低電平有效，表示選中該芯片。輸出允許(讀)信號(hào)，與單片機(jī)的(P3.7)連接，實(shí)現(xiàn)讀操作。輸出允許(寫)信號(hào)，與單片機(jī)的(P3.6)連接，實(shí)現(xiàn)寫操作。 VCC +5V電源。 5.3.4 譯碼器的選用CPU與存儲(chǔ)器連接的存在一個(gè)重要問題是，存儲(chǔ)器地址的分配和片選信號(hào)的產(chǎn)生。它們決定了存儲(chǔ)器在內(nèi)存空間中的位置。解決片選信號(hào)的問題就是要正確處理存儲(chǔ)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(dú)的地址線作為片選信號(hào)接到存儲(chǔ)器的片選端上，只要該信號(hào)為低電平就可選中相應(yīng)的存儲(chǔ)器芯片，這種方法的特點(diǎn)是連線簡單，不需專門設(shè)計(jì)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(chǔ)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(chǔ)器的片選信號(hào)。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(kuò)展電路的設(shè)計(jì)8031單片機(jī)16共有四個(gè)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(jìn)行擴(kuò)展I/O口。本系統(tǒng)須擴(kuò)展兩個(gè)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(gè)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(gè)引腳，下面根據(jù)功能分類說明：5.4.1.1 數(shù)據(jù)總線D0D7用于傳送CPU與8255之間的命令與數(shù)據(jù)，PA0PA7、PB0PB7、PC0PC7，分別與A、B、C3個(gè)口相對應(yīng)，用于8255與外設(shè)之間傳送數(shù)據(jù)。5.4.1.2 控制線讀信號(hào)，與8031的(P3.7)連接，當(dāng)輸入低電平時(shí)，控制8255送出數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息到CPU，即CPU對8255進(jìn)行讀操作。寫信號(hào)，與8031的(P3.6)連接，當(dāng)輸入低電平時(shí)，控制把CPU輸出的數(shù)據(jù)或命令寫到8255，即CPU對8255進(jìn)行讀操作。RESET復(fù)位信號(hào)，輸入。當(dāng)此引腳為高電平時(shí)，所有8255內(nèi)部寄存器都清0。5.4.1.3 尋址線芯片選擇信號(hào)，接74LS138的兩個(gè)輸出端。當(dāng)為低電平時(shí)，本芯片被CPU選中。A0和A1兩個(gè)輸入信號(hào)，接地址總線A11和A12。5.4.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)是由脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)控制的，在負(fù)載能力和動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的角位移僅與控制脈沖數(shù)成正比。其驅(qū)動(dòng)電路框圖見圖5-4。計(jì)算機(jī)接口電路脈沖分配器隔離電路功率放大電路步進(jìn)電機(jī) 圖5-4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路框圖5.4.2.1 計(jì)算機(jī)接口在數(shù)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)微機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)控制，就必須要借助計(jì)算機(jī)接口電路。本系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)接口電路接8255(1)的A口,其控制由PA0PA3口輸出信號(hào)實(shí)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)中必不可少的環(huán)節(jié)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式由環(huán)行分配器來實(shí)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(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組并能實(shí)現(xiàn)電機(jī)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。圖5-5YB103引腳結(jié)構(gòu)各引腳功能說明如下：選通輸出控制端，接8255(1)的PA0口。、選通輸入控制端，這里把此兩引腳接地。 A0、A1電機(jī)勵(lì)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(shí)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。因步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓比較高，電流也比較大，如果將輸出信號(hào)與功率放大器直接相連接，將會(huì)引起強(qiáng)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(shí)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(hào)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)所需的功率，這里必須將其輸出信號(hào)放大才能保證步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)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(jìn)電機(jī)的繞組回路中串聯(lián)一個(gè)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(jìn)電機(jī)中的電流上升時(shí)間常數(shù)減小，提高上升沿的陡度。5.4.3 三相異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路在本裝置中，用三相異步電機(jī)Y90L-4來驅(qū)動(dòng)液壓元件工作。因這里選用的三相異步電機(jī)的功率只有1.5千瓦，起動(dòng)時(shí)沒有必要采用其它特殊的起動(dòng)方法而用直接起動(dòng)方法即可。但為了考慮整個(gè)裝置的自動(dòng)化，這里用單片機(jī)I/O端口的輸出信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電磁繼電器，進(jìn)而控制異步電機(jī)的啟停。同樣在單片機(jī)端口輸出信號(hào)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(dòng)電路這里采用的是三位四通的電磁換向閥，其換向動(dòng)作由一個(gè)電磁鐵來實(shí)現(xiàn)，通過控制電磁鐵的通斷電狀態(tài)進(jìn)而控制其換向動(dòng)作。這里用8255的PA3端口輸出信號(hào)，經(jīng)光電耦合器和功率放大來驅(qū)動(dòng)電磁鐵。5.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)能識(shí)別數(shù)字量才能進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)檢測功能。其模數(shù)轉(zhuǎn)換電路框圖如圖5-6所示。功率放大相敏檢波測量放大測量電橋A/D轉(zhuǎn)換振蕩器采樣保持圖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(gè)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(qiáng)度較強(qiáng)的電壓信號(hào)。測量電橋?qū)嵸|(zhì)是一個(gè)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5-7AD521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(shí)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(hào)中，包括高頻的調(diào)制波和要處理的點(diǎn)信號(hào)，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(hào)，此時(shí)能消除零點(diǎn)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。5.5.4 功率放大電路經(jīng)過相敏檢波后的模擬信號(hào)，再通過功率放大電路，使信號(hào)得到增強(qiáng)，以利于信號(hào)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(shí)間小于6s,斷開時(shí)間為200ns，無論處于采樣還是保持狀態(tài)均為高輸