LOM型快速成型机设计

LOM 型快速成型机设计前言毕业设计是大学本科教育培养目标实现的重要阶段，是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结。我的毕业设计题目为LOM 型快速成型机设计，设计中我主要完成热碾压机构设计、控制系统及原材料存储及送进机构零部件设计。在毕业设计前期，我温习了材料力学、机电一体化系统设计、单片机原理及其接口技术、机械原理、机械制造技术基础等教材中的知识。在毕业设计中期，我们通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行基本计算，结构设计。遇到困难时通过在图书馆查阅相关资料，同学帮助，还有老师的耐心指导，最后所有困难迎刃而解。在毕业设计后期，主要进行设计手稿的电子排版整理，并得到老师的审批和指正，使我圆满地完成了设计任务，在此我表示衷心的感谢。毕业设计的三个月里，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、设计计算、说明书撰写以及外文的翻译，使我加深了对理论知识、规程、手册等相关内容的理解，巩固了专业知识，提高了综合分析、解决问题的能力。在绘图时熟练掌握了各种制图软件。以上所有这些从不同方面达到了毕业设计的目的与要求。框架结构设计的计算工作量很大，在计算过程中以手算为主，辅以一些计算软件的校正。由于自己水平有限，难免有不妥和疏漏之处，敬请各位老师批评指正。全套图纸加 153893706Rapid forming machine of LOM typeThe Rapid forming machine Using for design verification and prototyping in a high price has been designers and managers accepted. Rapid prototyping is a new forming process that can be classified as layerlayermaterial addition in manufacturing .Rapid prototyping process produce parts layer by layer directly from 3D CAD models. In the recent ten years ，Rapid Prototyping Technology Based on discrete-accumulation principle,，Highly flexible manufacturing thought has been widely applied in business。Global manufacturers are using RP technology to simplify the product development process, improve the production efficiency, enhance the competitiveness of their products.Based on the idea education in order to practice, The school leads the student to carry on the mechanical design, The graduation design I mainly complete LOM type fast molding machine, hot rolling mechanism design, control system, material, storage and transfer feedKeywords: laminated object manufacturing Rapid Prototyping Technologyhot rolling institutions control system摘要LOM 型快速成形机用于设计验证和制作原型的高价位快速成形机已被设计者和管理者们接受.快速成型是一种新型成型过程，可以对材料层层添加制造。生产配件的快速成型过程是直接来自三位 CAD 的层层建模。快速成型技术产生十几年来，基于离散-堆积原理，具有高度柔性的制造思想已被企业界广泛应用，其应用整从最初的设计原型制造向最终产品制造方向发展。全球范围的厂家纷纷采用 RP 技术来简化产品开发过程，提高生产效率，增强产品竞争力。基于教育所学为了实践应用的理念，学校带领学生进行机械设计，此次毕业设计我主要完成 LOM 型快速成型机种热碾压机构设计，控制系统，材料存储及送料机构。关键词：LOM 快速成型技术，热碾压机构 控制系统目录前言第 1 章 绪论 (4) 11 概述(4)12 快速成形的原理(4)13 快速成形的特性(5)14 快速成形的历史和发展(6)第 2 章 LOM 型快速成形机设计 (8)21 概述(8)24 原材料存储及送进机构的设计和计算（25）25 热粘压机构的设计和计算（27）第 3 章 硬件控制电路设计 （24）第 4 章 快速成形的效益和应用 （26）总结 （30）感谢 （31）参考文献 （32）前言毕业设计是大学本科教育培养目标实现的重要阶段，是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结。我的毕业设计题目为LOM 型快速成型机设计，设计中我主要完成热碾压机构设计、控制系统及原材料存储及送进机构零部件设计。在毕业设计前期，我温习了材料力学、机电一体化系统设计、单片机原理及其接口技术、机械原理、机械制造技术基础等教材中的知识。在毕业设计中期，我们通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行基本计算，结构设计。遇到困难时通过在图书馆查阅相关资料，同学帮助，还有老师的耐心指导，最后所有困难迎刃而解。在毕业设计后期，主要进行设计手稿的电子排版整理，并得到老师的审批和指正，使我圆满地完成了设计任务，在此我表示衷心的感谢。毕业设计的三个月里，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、设计计算、说明书撰写以及外文的翻译，使我加深了对理论知识、规程、手册等相关内容的理解，巩固了专业知识，提高了综合分析、解决问题的能力。在绘图时熟练掌握了各种制图软件。以上所有这些从不同方面达到了毕业设计的目的与要求。框架结构设计的计算工作量很大，在计算过程中以手算为主，辅以一些计算软件的校正。由于自己水平有限，难免有不妥和疏漏之处，敬请各位老师批评指正。第 1 章 绪论1.1 概述长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 7 页装订线快速成形技术（Rapid Prototyping,简称 RP）20 世纪 80 年发展起来的一种高新技术，它从成形原理上提出一个分层制造、逐层叠加成形的全新思维模式，即将计算机辅助设计 CAD、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机构成的工件三维设计模型、对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓信息，快速成形机的成形头按照这些信息在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成形材料，形成各个截面轮廓，并逐步顺序叠加成三维工件。它综合了机械工程、CAD 、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而大大缩短产品的研制周期。因而，被认为是近 20 年来制造领域的一个重大突破。影响力与数控技术相当。快速成形技术的全过程可以简单描述为分层/叠加或者离散 /堆积。一个复杂的实体零件，可以认为是由一些具有物质的点、线、面叠加而成的。从 CAD 模型中获得这些点、线、面的几何信息（离散） ，把它与成形参数信息结合，转换为控制成形机工作的 NC 码，控制材料有规律地、精确地叠加起来（堆积） ，从而构成三维实体零件。这种制造方法又叫做自由制造 FFF（Free Form Fabrication)。通过离散获得每一层面的制造信息和堆积的顺序，通过堆积将材料构成三维实体。快速成形与传统制造方法的区别如图 1-1 所示。快速成形制造方法主要是制造样品，也就是将设计者的设计思想、设计模型迅速转化为实实在在的、看得见、摸得着的三维实体。主要应用于新产品的快速开发。图 1-11.2 快速成形技术的发展：1892 年，美国 Blanther 在他的专利（#473901）中建议用分层制造构成地形图1902 年，美国 Carlo Baese 在他的专利（#774549）中提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理我国在 90 年代有武汉华中科技大学快速制造中心、西安交大先进制造技术研究所、北京殷华实业有限公司、陕西省激光快速巨型与模具制造工程研究中心等在快速成形工艺研究、设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等 方面做了大量有成长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 8 页装订线效的工作。1.3 快速成形的基本思路：CAD 模型建立 STC 文件生成 分层切片 快速堆积成形快速成形的分类：光敏树脂液相固化成形、选择性激光粉末烧结成形、薄片分层叠加成形和熔丝堆积成形等 4 种。光敏树脂液相固化成形（SL-Stereo Lithography,又称光固化立体造型或立体光刻）最早由 Charles Hul 发明并于 1984 年获得专利，1988 年美国 3D 系统公司推出商品化的世界上第一台快速成形机。其基本原理：SL 工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。这种液态材料在一定波长和功率的紫外线的照射下能迅速发生光聚合反应，相对 分子量急剧增大，材料也由液态变成固态1.4 快速成形特点：1、快速性 通过 STL 格式文件、RPM 系统，几乎可以与所有的 CAD 造型系统无缝连接，从CAD 模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，可实现产品开发的快速闭环反馈。2、高度柔性快速成形系统是真正的数字化制造系统，它取消了工装夹具，系统不作任何改变和调整，仅需改变 CAD 模型，重新调整和设置参数即可生产出不同形状的零件模型，特别适合新产品或单件小批量生产。3、与复杂程度无关零件制造周期和制造成本与零件的形状和复杂度无关，而只与其净体积有关。4、设计制造一休化用重复的三维扫描成形复杂的三维零件，避免了数控加工的复杂编程步骤。从根本长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 9 页装订线上克服了 CAD/CAM 集成时 CAPP 这一瓶颈问题，从而实现高度自动化和程序化。5、材料的广泛性快速成形技术可以制造树脂类、塑料类原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型1.5 快速成形的经济效益以及发展方向：1.缩短产品加工时间 2增加使构想具体化能力 3降低原型生产周期 4降低设计错误的发生及所花费成本 5. 增加在设计过程中了解产品机械特性的能力 目前国内外快速成型的研究、开发的重点是快速成型技术的基本理论、新的快速成型方法、新材料的开发、模具制作技术、金属零件的直接制造、生物技术与工程的开发与应用等。另外，还要追求 RPM(快速成型制造)的更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性，使 RPM 设备的安装使用外设化，操作智能化 ;使 RPM 设备的安装和使用变得非常简单，不需专门的操作人员。RP 技术虽然有其巨大的优越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高，原型零件的物理性能较差，成型机的价格较高，运行制作的成本高等，所以在一定程度上成为该技术的推广普及的瓶颈。从目前国内外 RP 技术的研究和应用状况来看，快速成型技术的进一步研究和开发的方向主要表现在以下几个方面：（1）大力改善现行快速成型制作机的制作精度、可靠性和制作能力，提高生产效率，缩短制作周期。尤其是提高成型件的表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能试验提供平台。（2）开发性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有较好的后续加工性能，还要满足对强度和刚度等不同的要求。（3）提高 RP 系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。目前即使是最快的快速成型机也难以完成象注塑和压铸成型的快速大批量生产。将来的快速成型机需要向快速和多材料的制造系统发展，以便可以直接面向产品制造。（4）开发用于快速成型的 RPM 软件。这些软件有快速高精度直接切片软件，快速造型制造和后续应用过程中的精度补偿软件，考虑快速成型原型制造和后续应用的CAD 等。（5）开发新的成型能源。目前大多数成型机都是以激光作为能源，而激光系统的价格和维修费用昂贵，并且传输效率较低。这方面也需要得到改善和发展。（6）RPM 与 CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自动测量、逆向工程的集成一体化。该项技术可以大大提高新产品的第一次投入市场就十分成功的可能性，也可以快速实现反求工程。长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 10 页装订线（7）研制新的快速成型方法和工艺。除了目前 SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金属成型工艺将是以后的发展焦点。（8）提高网络化服务，进行远程控制，实现全球化异地协同合作。目前快速成型技术的成型工艺方法有十几种，各种方法有自身的特点和实用范围。比较成熟并已商品化的成型方法有：立体印刷成型（Stereo Lithography Apparatus,SLA)；层合实体制造（Laminated Object Manufacturing,LOM） ；选择性激光烧结（Selected Laser Sintering,SLS)；熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling,FDM)；立体印刷成型（Stereo Lithography Apparatus,SLA)该技术以光敏树脂为原料，采用计算机控制下的紫外激光，以预定原型各分层截面。当一层固化后，向上（或向下）移动工作后，在刚刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂，再进行新一层扫描固化，新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复至整个原型制造完毕。SLA 技术特点是精度高，表面质量好，原材料利用率高，可用于制造形状复杂、外观精细的零件。层合实体制造（Laminated object Manufacturing,LOM)LOM 工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照 CAD 分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加上面通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割、粘合、切割，直至整个零件模型制作完成。选择性激光烧结（Selected Laser Sintering,SLS)SLS 法是采用滚筒将粉末铺撒成薄薄的一层（100u 200u） ，用红外板将粉末预热至稍低于熔点温度，然后用计算机控制激光束按原型或零件的截面形状扫描平台上的粉末。激光束扫描所到之处，粉末被烧结形成物理模型的组成部分，升降工作台一个层厚，用滚筒在已烧结层上再铺撒一层粉末，用激光束扫描烧结，依次重复逐层烧结直至琪完整原型，全部烧结后去掉多余的粉末，再进行打磨、填于等处理便获得零件。烧结粉末可以是塑料、金属、陶瓷、蜡粉及其复合物等，目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘结或烧结的工艺还在实验阶段。SLS 法特点是可用材料多，制造工艺简单、成本低。熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling,FDM)FDM 喷头爱 CAD 分层数据控制使半流动状态的材料（ABS、蜡）从热熔喷头中挤压出来，沉积在指定的位置，凝固形成轮廓形状的薄层，每层厚度范围在 0.1250.762mm，一层叠一层最后形成整个零件模型。熔融挤出成型（FDM）工艺材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，用长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 11 页装订线蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造，用 ABS 制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用、近年来又开发出PC、 PC/ABS、PPSF 等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。总结对比：成型方法成型速度原型精度制造过程制造大小使用材料立体印刷成型较快较高中等 中、小件热固性光敏树脂层合实体制造快 低 简单或中等中、大件纸、金属箔带、塑料膜选域激光烧结较慢较低复杂 中、小件石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末熔融沉积造型较慢较低 中等 中、小件石蜡、塑料、低熔点金属长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 12 页装订线第 2 章 LOM 型快速成型机设计LOM 型快速成型机是有计算机，原材料，热碾压机构，激光切割系统，可升降工作台，机架和数控等组成。其中计算机用于接受和存储工作的三维模型，沿模型的高度方向提取一系列的横截面轮廓线，发出控制指令。原材料存储及送进机构将存于其中的原材料（如底面有热熔胶和添加剂的纸） ，逐步送至工作台上方。热碾压机构将一层层材料粘合在一起。激光切割系统按照计算机提供的横截面轮廓线，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓线区切割成小方网络，这是为了在成型之后能剔除废料。网络的大小据被成型件的复杂程度选定，网络愈小，愈容易剔除废料，但花费的时间较长，否则反之。可升降工作台支撑正在成型的工件，并在每层成型之后，降低一个材料厚度（通常为 0.1-0.2mm） ，以便送进，粘合和切割新的一层材料。数控系统执行计算机发出的指令，使一段段的材料逐步送至工作台的上方，然后粘合，切割，最终形成三维工件。机架是整个机器的支撑。其系统如图 2.1 所示。图 2.1 LOM 快速成型机的系统长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 13 页装订线图 2.1 快速成形机原理图在 LOM 快速成形机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品如下图。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。图 2.2 截面轮廓被切割和叠合后所成的制品长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 14 页装订线LOM 工艺中的成型材料涉及三个方面的问题， 即纸、热熔胶、和涂布工艺。纸材料的选取、热熔胶的配置即涂布工艺的研究均要从保证最终成形零件的质量出发，同时要考虑成本。2.2 原材料存储及送进机构的设计与计算该机构由原材料存储辊，送料夹紧辊、两根导向辊、余料辊、直流电动机、摩擦轮和材料撕裂报警器组成。卷状材料套在原材料存储辊上。材料的一端经送料夹紧辊、两根导向辊、材料撕裂报警器粘于余料辊上。余料辊的辊芯与送料直流电动机的轴芯相连。摩擦轮固定在原材料存储辊的轴心上，其外圆与一带弹簧的制动块相接触产生一定的摩擦阻力矩，以便保证材料始终处于张紧状态。送料时，送料直流电动机沿逆时针方向旋转一定角度，克服加在摩擦轮上的阻力矩，带动材料向左前进一定的距离。此距离等于所需的每层材料的送进量，它由成形件的最大左、右尺寸和两项相邻切割轮廓之间的搭边确定。当某种原因偶然造成材料撕断时，材料撕断报警器会立即发生音响信号，并停止送料直流电机的转动及后续工作循环。上述机构中采用的原材料是高性能的纸，纸的底面涂有热熔胶和改性添加剂。当热轧辊被加热到 210250，并辗压纸材时，能使纸上的胶熔化并产生粘性。加入添加剂的作用是改善纸和成形件的性能，使其具有优良的粘性、机械强度、硬度和抛光性、较小的收缩率、较高的工作温度和易于剔除废料。实践证明，这类纸坚如硬木，能承受高达 200的温度，粘结后不易开裂；同时，只需轻轻振动制品中的方块形废料小碎片，并用普通小刀剔除，就能方便地使嵌在工件中的废料与工件分离。例如用其中的一种纸成型的工件有很好的弹性，表面光滑，如同塑料，产品最小壁厚可达 。m5.032.2.1 原材料存储及送进机构的参数常用的纸厚为 左右，材料厚度通常为 。1. m2.01已知：成形空间为 ， 向最大高度为 ，设纸厚为3027Z3的纸材经过热粘压后，变成了 。 向最大需叠加 层。设置m13.0 . 301.每次走纸长度为 ，则纸卷总长为 。38 4080=假设各层纸之间的间隙极小，认为可以忽略。则根据体积相等原理可得： D纸卷直径， 纸卷宽度为 。Bm3 3232 107)1()(10271.04 =D0948. 42长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 15 页装订线mD435.0=纸卷直径设为 .若需要设计的快速成形机可使用的纸张的厚度变化范围为 ，可调m5.0.节，则可以假设每层纸材的厚度为 ，所得的纸卷的直径范围为一个定值。计算过x程如下： )19(410380423=Da)952.(2maD+是每种材料受热粘压后的厚度与原先厚度的比值，可见纸卷的直径函数是一a个无因次式，只随比值 的变化而变化。a纸卷的总重量为： 270.)4(103.2=dDVMkg56.)3.5.32.1.2 原料存储及送进机构电机的选择原材料（纸带）送进的时候，要求纸带受力平缓，防止拉断，故电机的转速应当适当慢一些，且冲击变化小。设：最大走纸速度为min/6.3i/60./60maxsVnD纸带的小径为 d3已知：纸卷的最大直径为 45.0则：平均直径为 m2.平均带速 min/6i/7306rrDVn设：需要将纸带从送料夹紧辊中拉出平均拉力为 ，约为 ，拉动时加fkg1N10速度为 。已知纸卷平均直径 ，2/50smd24.则所需转矩长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 16 页装订线mNrFT2.1.01=所需功率 WnP536.74.2.根据以上参数可选用 110BYG403 型号步进电机。2.3 热粘压机构的设计和计算热碾压机构由步进电机，传动装置，热压板或热压辊（多种材料合成辊） ，温控器组成。步进电机经传动装置形成直线往复运动，使热压辊能在工作台上方左右往复运动。热压辊装有大功率发热元件（发热管） ，以便使热压辊快速升温。温控器包括温度传感器（热电偶）和显示，控制仪，它能检测热压辊的温度并使其保持在设定值。温度设定值根据所采用材料的粘接温度而定。高度检测器固定在热压辊的支架上，它测量分辨率 2mm，当热压辊对工作台上方纸热压时，高度检测器能准确测量正在成型中的制品的实际高度，并将此数据及时反馈到计算机。然后据此高度对产品的三维模型进行切片处理，得到与上述高度完全对应的截面轮廓，从而可以较好的保证成型件在高度方向上的轮廓形状和尺寸精度。2.3.1 热压装置方案确定热压装置可采用以下两种方案(1) 热压板由上向下的热压方式(2) 热压辊从纸上碾压的方式对以上两种热压方式的讨论：以上两种方案都能实现对纸材的热压功能。但实现同样的功能时，热压板方案占用空间比较大，而且不利于激光切割纸材，而采用长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 17 页装订线热压辊方案，在热碾压之后可收回到机体的一侧，便于激光切割纸材。 综上所述，两种方案取第二种方案为佳。2.3.2 热压辊的结构设计采用热压辊热压纸材有两种方案可选(1) 热压辊直接与加热器相连，由于加热器接电为固定形式，所以热压辊在热压过程中，和纸材属滑动摩擦(2) 热压辊采用多层结构中心轴连接发热元件（加热管）中心轴上装有带边缘的花键套，花键套上安装轴承，最外层由导热材料和隔热材料连接成的有挡环的套筒装在轴承上来实现中轴不转而外壁套筒和滚动的装置，两段用端盖密封。以上两种方案比较，虽然第一种结构简单，但热压效果不好，易使纸材在一定条件下窜动，拉断。而第二种方案，热压辊和纸材之间属于滚动摩擦，摩擦系数小，在同等压力下，不易使纸材在热压过程中，在工作台上窜动或产生裂缝，所以采用方案二。(3) 热压辊主要件尺寸设计花键套设计花键联接矩形花键 特点：多齿工作，承载能力高，对中性好，导向性好，齿根较浅，应力集中较小，轴强度削弱小，加工方便，能用磨削方法获得较高的精度。标准中规定两个系列：轻系列，用于载荷较轻的静联接；中系列用中等载荷渐开线花键 特点：轮廓为渐开线，受载时齿上有轻向力，能起自动定心作用，使各齿受力均匀，强度高，寿命长。加工工艺与齿轮相同，易获得较高精度和互换性渐开线花键标准压力角 有 30 度和 45 度。D选中系列如表 5.1 所示表 5.1 渐开线花键选中系列表d N*d*D*B N D B16 6*16*20*4 6 20 4长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 18 页装订线花键副1311320123429.5EHFASHbZkTudYmdzLlZFKbd花键套所受载荷为轻载，强度，寿命等可以保证，计算略。2.2.3 轴承的选用根据轴颈的大小，初选 7005AC 型号的角接触求轴承。角接触球轴承的性能与特点，可以同时承受轴向与径向载荷，也可以单独承受轴向载荷， 。能在较高转速下正常工作，一个轴承只能承受单向的轴向力，所以成对使用。7005AC 型号的角接触求轴承的技术参数轴承代号d D B da Da a Cr Cor 脂润滑油润滑7005AC 25 47 12 14.4 42 18 11,.27.08 12000 170002.2.4 传动装置设计 8传动供选用的有以下三个方案链传动 特点：属于具有中间挠性件的啮合传动，兼有齿轮传动和带传动的一些特点；缺点，不能保持瞬时传动比恒定，工作时有噪音，磨损有易发生跳齿，不适用空间限制要求，中心距小的，以及急速反向传动的场合。带传动 特点：结构简单，传动平稳，能缓冲吸震，能实现远距离传动，根据带传动原理不同，可分摩擦型和啮合型两类，前者过载可以打滑，传动比不准确（滑动率在 2%） ，后者可保证同步传动齿轮传动 特点：瞬时传动比恒定，传动比范围大，可用于减速或增速，速度和传动功率范围大，可用于高速，中速和低速。传动效率高，结构紧凑根据以上三个方案的性能比较，由于本机的特点要求，链传动不能保持瞬时传动比恒定，并有噪音，摩擦后跳齿，占用空间大等缺点，所以考虑考虑齿轮齿条传动和带传动，而带传动分摩擦型和啮合型，分析，摩擦型带传动是利用夹紧力传动，过载时易打滑，并且需要附加机构调整预紧力；而啮合型可保证同步传动；齿轮传长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 19 页装订线动具有瞬时传动比恒定，传动精度高，传动效率好调速性能优等特点。故通过以上分析，可采用属于啮合型带传动的同步带传动和齿轮齿条传动，在原理上这两种方案实际极为相似，本机设计采用齿轮齿条传动来实现热压机构的往复运动，并且基本形式如下，由电动机带动齿轮旋转齿条固定不动，由于齿轮齿条相啮合，所以齿轮将在齿条上沿直线滚动，齿轮和热压装置通过支撑板相连的，安装在滚动直线导轨上实现设计要求。齿轮齿条的传动计算如下：齿轮与齿条传动特点齿轮作回转运动，齿条作直线运动，齿条可以看作一个齿数无穷多的齿轮的一部分，这时齿轮的各圆均变为直线，作为齿廓曲线的渐开线也变为直线。齿条直线的速度与齿轮分度圆直径 、转速 之间的关系为vdnv=(/)60ms式中 d齿轮分度圆直径， ；齿轮转速， 。nir其啮合线 与齿轮的基圆相切 ，由于齿条的基圆为无穷大，所以啮合线与齿12N1N条基圆的切点 在无穷远处。齿轮与齿条啮合时，不论是否标准安装（齿轮与齿条标准安装即为齿轮的分度圆与齿条的分度圆相切） ，其啮合角 恒等于齿轮分度圆压力角 ，也等于齿条的齿形角；齿轮的节圆也恒与分度圆重合。只是在非标准安装时，齿条的节线与分度线不再重合。齿轮与齿条正确啮合条件是基圆齿距相等，齿条的基圆齿距是其两相邻齿廓同侧直线的垂直距离，即 。cossbPm齿轮与齿条的实际啮合线为 ，即齿条顶线及齿轮齿顶圆与啮合线 的交点12B12N及 之间的长度。2B1长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 20 页装订线齿轮齿条传动的几何尺寸计算齿轮与齿条传动的尺寸计算见表表 齿轮齿条传动的几何尺寸计算项目名称 计算公式及代号 转 齿轮齿条180数值齿轮齿数 1z40模数 m2m螺旋角 0压力角 齿顶高系数*ah1基本齿廓顶隙系数C0.25齿轮变位系数 1x0.418齿轮 b46m尺宽齿条 260齿条长度 L1000主要几何参数计算项目名称 计算公式及代号 转齿轮齿条数值齿轮分度圆直径 1cosdmz80齿轮 *1ahx3.545m齿顶高齿条 22齿轮 *1()fac1.664齿根高齿条 2f2.5齿轮齿高齿条afh4.5齿轮中心到齿条中心距12dHxm40.836m齿距 np6.238齿条齿数 20.5Lz160.808齿条的主要特点：（1） 由于齿条齿廓为直线，所以齿廓上各点具有相同的压力角，且等于齿廓的倾长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 21 页装订线斜角，此角称为齿形角，标准值为 20。（2） 与齿顶线平行的任一条直线上具有相同的齿距和模数。（3） 与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线（中线），它是计算齿条尺寸的基准线。2.5.2 联轴器的选择各联接件之间不能相对运动，因此不具备补偿两轴线相对偏移的能力，只适用于被联接两轴在安装时能严格对中，工作时不产生两轴相对偏移的场合，刚性联轴器无弹性元件，不具备减振和缓冲功能，一般只适宜用于载荷平稳并无冲击振动的工况条件凸缘联轴器结构简单，制造方便，成本较低，工作可靠，装拆、维护均较简便，传递转矩较大，能保证两轴具有较高的对中精度，一般常用于载荷平稳，高速或传动精度要求较高的轴系传动。综上所述，选择凸缘联轴器，其主要的尺寸和特性参数如下表：Y型螺栓型号公称转矩许用转速轴孔直径LD D1数量直径L0Y型质量转动惯量IYL5 63 9000 24 52 105 85 4 M8 108 3.19kg0.013根据以上述数据可选用五相双五拍式 BF 系列反应步进电机，步距角为 ，其型2号为 90BF2-5,且选用 XB1 型通用谐波齿轮减速器，其型号为 XB1-32。具体计算同上一节，故略。长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 22 页装订线第 3 章 硬件控制电路设计3.1 确定总体方案数控系统基本硬件由硬件与软件两部分组成。硬件是组成系统的基础。有了硬件，软件才能有效的运行。硬件电路的可靠性，直接影响数控系统的性能指标，硬件电路概括起来由四部分组成：1CPU(中央处理单元)； 2接口即 IO 接口电路； 3存储器。包括只读可编程序、存储器和随机读写数据存储器； 4总线，包括数据总线(DB)、地址总线(AB)、和控制总线(CB)CPU 的作用是发布命令以协调各部分电正常工作，是数控系统的核心。存储器用于存放系统软件以及运行过程中的各种数据。I O 接口式系统与外界进行信息交换的桥梁。三总线则是 CPU 与存储器、接口以及其他各种转换电路联结的纽带，是CPU 与各部分电路进行信息交换和通讯的通道。其框图如图 6.1外 设键 盘 ， 显 示 器打 印 机 等 控 制对 象信 号变 换输 入 /输 出I中 央 处 理 器单 元CPU存 储 器 RMA长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 23 页装订线图 6.1 数控系统框图3.2 主控电路单片机的选取此设计的主控电路主要选用单片机 8051。现在介绍下 8051 的内部结构和工作原理。它由中央处理器（CPU）、时钟电路、程序存储器（ROM/EPROM）、数据存储器（RAM）、并行 I/O 口（P0P3）、串行口、定时器/计数器及中断系统组成。它们通过单一总线连接，并被集成在一块半导体芯片上，即单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）。8051 单片机芯片有 40 个引脚。引脚功能描述如下：1、电源引脚 VSS 和 VCCVSS 为电压接地端， VCC 为+5V 电源端。2、时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2XTAL1 和 XTAL2 是外接晶振引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引脚外接石英晶体振荡器和电容；当使用外部时钟时，用于接外部脉冲信号。3、控制信号引脚 ALE、 PSEN、EA 和 RST（1）ALE/PROG此引脚是地址控制锁存控制信号。在访问外部存储器时，ALE 用于锁存出现在P0 口的低 8 位地址，以实现低位地址和数据的隔离。（2）PSEN长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 24 页装订线此引脚是片外程序存储器的选通信号，低电平有效。在从片外 ROM 读取指令或常数时，每个机器 PSEN 两次有效，以实现对 ROM 单元的读操作。当访问片外RAM 时，PSEN 信号将不出现。（3）EA/V PP此引脚是访问外部程序存储器的控制信号，低电平有效。（4）RST/V PD此引脚为复位信号，高电平有效。当此输入端保持 2 个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。4、I/O （输入、输出）端口 P0、P1、P2 和 P3（1）P0 口（ P0.0P0.7）P0 口是一个漏极开路的 8 位双向 I/O 口，每位能驱动8 个 LS 型 TTL 负载。在访问片外存储器时，P0 分时提供低 8 位地址线和 8 位双向数据线。当不接片外存储器或不扩展 I/O 时，P0 口可作为一个通用输入输出口。当P0 口作为输入口使用时，应先 P0 口向锁存器写“ 1”，此时 P0 口全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。当 P0 口作为输出时，由于输出电路为漏极开路，驱动 NMOS电路时必须外接上拉电阻。（2）P1 口（ P1.0P1.7）P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。P1 口只能作通用输入/输出口用。当 P1 口作为输入口使用时，应先向 P1 口锁存器写 “1”，此时 P1 口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。当 P1 口作为输出口时，已能向外提供推拉电流负载，无需在外接上拉电阻。（3）P2 口（ P2.0P2.7）P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O，每位能驱动 4 位 LS 型 TTL 负载。在访问片外存储器时，它输出高 8 位地址。（4）P3 口（ P3.0P3.7）P3 口为双功能口，除了作为一般的准双向通用的 I/O口使用外，每个引脚都有第二功能。3.3 IO 接口的扩展此控制系统选用 8255 型号的芯片作为扩展芯片，先介绍芯片的功能与结构。8255 是 Intel 公 司 生 产 的 可 编 程 并 行 I/O 接 口 芯 片 ， 有 3 个 8 位 并 行 I/O口 。 具 有 3 个 通 道 3 种 工 作 方 式 的 可 编 程 并 行 接 口 芯 片 （ 40 引 脚 ） 。 其 各 口 功能 可 由 软 件 选 择 ， 使 用 灵 活 ， 通 用 性 强 。 8255 可 作 为 单 片 机 与 多 种 外 设 连 接 时的 中 间 接 口 电 路 。 108255 具 有 3 个 相 互 独 立 的 输 入 /输 出 通 道 端 口 ， 用 +5V 单 电 源 供 电 ， 能 在 以下 三 种 方 式 下 工 作 。 方 式 0基 本 输 入 输 出 方 式 ； 方 式 1选 通 输 入 /出 方 式 ； 方 式 2双 向 选 通 输 入 /输 出 方 式 ； 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 25 页装订线PA0 PA7:端 口 A 输 入 输 出 线 ， 一 个 8 位 的 数 据 输 出 锁 存 器 /缓 冲 器 ， 一个 8 位 的 数 据 输 入 锁 存 器 。 工 作 于 三 种 方 式 中 的 任 何 一 种 ； PB0 PB7:端 口 B 输 入 输 出 线 ， 一 个 8 位 的 I/O 锁 存 器 ， 一 个 8 位 的 输 入输 出 缓 冲 器 。 不 能 工 作 于 方 式 二 ； PC0 PC7:端 口 C 输 入 输 出 线 ， 一 个 8 位 的 数 据 输 出 锁 存 器 /缓 冲 器 ， 一个 8 位 的 数 据 输 入 缓 冲 器 。 端 口 C 可 以 通 过 工 作 方 式 设 定 而 分 成 2 个 4 位 的 端口 ， 每 个 4 位 的 端 口 包 含 一 个 4 位 的 锁 存 器 ， 分 别 与 端 口 A 和 端 口 B 配 合 使用 ， 可 作 为 控 制 信 号 输 出 或 状 态 信 号 输 入 端 口 。 不 能 工 作 于 方 式 一 或 二 。 A1,A0:地 址 选 择 线 ,用 来 选 择 8255 的 PA 口 ,PB 口 ,PC 口 和 控 制 寄 存 器 . 当 A1=0,A0=0 时 ,PA 口 被 选 择 ; 当 A1=0,A0=1 时 ,PB 口 被 选 择 ; 当 A1=1,A0=0 时 ,PC 口 被 选 择 ; 当 A1=1.A0=1 时 ,控 制 寄 存 器 被 选 择 .3.4 扩展程序存储器选用 2764 作为扩展数据存储器，其功能与作用如下：3.5 扩展数据存储器选用 2764 作为扩展数据存储器，其功能与结构如下：2764 是一种+5Vde 8KB UVEPROM 存储芯片 , 是一种存储芯片，其引脚作用如下：A0 到 A12 为 13 条地址信号输入线，说明芯片容量为 2 的 13 次方，即 8KD0 到 D7 为数据线，表示芯片的每个存储单元存放一个字节（8 位二进制数）。对芯片读数时，作为输出线，对芯片编程时，作为输入线。CE 为输入信号，低电平有效。（有称作片选信号）OE 为输出允许信号，低电平有效PGM 为编程脉冲输入端，当对芯片编程时，由此端加入编程脉冲信号；读取数据时PMG 的值为 1Vcc 和 Vpp 都是接电源的，正常工作时是+5V3.6 键盘、显示器接口电路LED 显示器LED 是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔划发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。这种笔划式的七段显示器，能显示的字符数量少，但控制简单、使用方便。长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 26 页装订线发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。LED 的结构及其工作原理通常的七段 LED 显示块中有八个发光二极管，故也有人叫做八段显示块。其中七个发光二极管构成七笔字形“8”。一个发光二极管构成小数点。七段显示块与 微控制器接口非常容易。只要将一个 8 位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。8 位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。通常将控制发光二极管的 8 位字节数据称为段选码或段数据。共阴极结构的数码管显示“0”的段选码为： 3FHD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 段选码 dp g f e d c b a 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH 共阳极与共阴极的段选码互为反码，二者之和为 FFH。键盘 接口 ic键盘是微控制器应用系统的一个重要输入设备，用于输入数据、干预系统的工作状长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 27 页 第 27 页装订线态；1按键输入原理 在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的逻辑芯片及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个 接口 ic 与 CPU 相连。CPU 可以采用查询或中断方式了解有无将键输入，并检查是哪一个键按下，将该键号送入累加器 ACC，然后通