步進(jìn)電機(jī)控制凸輪軸論文.doc

簡(jiǎn)介發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，其性能對(duì)汽車整車性能有決定性的影響。凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件之一，其產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特別是發(fā)動(dòng)機(jī)功率、凸輪挺桿摩擦副的壽命、配氣機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)都有很大的影響。因此，解決凸輪軸檢測(cè)問(wèn)題特別是凸輪升程測(cè)量問(wèn)題，穩(wěn)定和提高凸輪軸生產(chǎn)質(zhì)量，一直是汽車生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)之一。在現(xiàn)有工廠的實(shí)際凸輪檢測(cè)中，輪廓度的檢測(cè)主要使用通、卡規(guī)的方法，而對(duì)稱度主要適用打表法，這兩種測(cè)量方法都無(wú)法對(duì)凸輪的整個(gè)輪廓或部分敏感段進(jìn)行精確而全面的測(cè)量。本論文提出用步進(jìn)電機(jī)控制凸輪軸回轉(zhuǎn)，同時(shí)用高精度直線光柵尺采集主軸回轉(zhuǎn)時(shí)的徑向尺寸，直線光柵尺將由固定在豎直方向的滾珠導(dǎo)軌的滑塊帶動(dòng)上下移動(dòng)，用步進(jìn)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)不同凸輪徑向尺寸的測(cè)量。直線光柵尺測(cè)量的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集后由AD轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)處理。數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)采用LabVIEW制作的虛擬儀實(shí)現(xiàn)，從而描繪出凸輪實(shí)際升程曲線，用該曲線與凸輪軸凸輪的升程理想曲線進(jìn)行對(duì)比，從而判斷出凸輪軸是否失效，是否可再制造。關(guān)鍵詞：凸輪軸；步進(jìn)電機(jī)；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理正文一引言1.凸輪軸檢測(cè)的意義凸輪軸是摩托車、汽車、飛機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,它的功能是保證發(fā)動(dòng)機(jī)正確的配氣相位和按一定規(guī)律控制氣門組定時(shí)開、閉。凸輪軸上各凸輪的尺寸和形狀是影響氣門開閉間隙大小和配氣效率的主要因素。因此,凸輪軸的設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,而凸輪軸的測(cè)量精度是保證凸輪軸成品質(zhì)量的重要因素之一。但由于凸輪軸的測(cè)量項(xiàng)目多,數(shù)據(jù)處理量大,誤差分離困難,測(cè)量周期長(zhǎng),基準(zhǔn)難以重合,一直是汽車生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。2.近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)80年代初期開始有幾家單位研制過(guò)凸輪軸檢測(cè)儀，上海磨床研究所采用單片機(jī)控制的單側(cè)頭式凸輪軸測(cè)量?jī)x；武漢工學(xué)院研制過(guò)采用分度頭、阿貝頭和底座等構(gòu)成的凸輪測(cè)量?jī)x；第二汽車廠研制過(guò)用于檢測(cè)內(nèi)燃機(jī)上對(duì)稱和非對(duì)稱凸輪升程曲線的檢測(cè)儀，但是一直沒有成行的產(chǎn)品。在國(guó)外70年代末就推出了全自動(dòng)的專用凸輪軸檢測(cè)儀：如美國(guó)ADCOLE公司的凸輪軸自動(dòng)檢測(cè)儀，采用超高精密的機(jī)械裝置，高精度傳感器技術(shù)，處于國(guó)際領(lǐng)先水平，但是價(jià)格昂貴。此外，世界上工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家都進(jìn)行了自動(dòng)凸輪軸檢測(cè)設(shè)備的開發(fā)，國(guó)外的先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備普遍具有精度高、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是由于這些設(shè)備的價(jià)格定位比較高，所以目前國(guó)內(nèi)廠家能夠引入這些設(shè)備的不是很多。二凸輪軸測(cè)試平臺(tái)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)1凸輪軸測(cè)試平臺(tái)控制基本方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求，被測(cè)凸輪軸裝夾部件頂針的上下移動(dòng)、被測(cè)試凸輪軸在凸輪軸測(cè)試平臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)和凸輪升程曲線測(cè)試測(cè)頭的上下移動(dòng)確定為通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)控制電路可以分為控制模塊、電源模塊、鍵盤模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)部分。步進(jìn)電機(jī)控制電路基本模塊方框圖如圖2.1.1所示。鍵盤模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊步進(jìn)電機(jī)電源模塊控制模塊圖2.1.1步進(jìn)電機(jī)控制電路基本模塊方框圖2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（一）步進(jìn)電機(jī)介紹隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在自動(dòng)化控制、精密機(jī)械加工、航空航天技術(shù)及所有要求高精度定位等高新技術(shù)領(lǐng)域，步進(jìn)電機(jī)的得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。若在其輸入端輸入有規(guī)律的脈沖信號(hào),就能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向移動(dòng)一定的距離或轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（稱為“步距角”）。從結(jié)構(gòu)上步進(jìn)電機(jī)分為單相、雙相、三相、四相、五相、六相等多種。本次設(shè)計(jì)使用步進(jìn)電機(jī)分為A、B、C、D四相繞組，每相通電一次稱為一拍。四相步進(jìn)電機(jī)根據(jù)不同的通電規(guī)律可分為幾種工作模式：、四相單四拍：A-B-C-D；、四相雙四拍：AB-BC-CD-DA；、四相單八拍：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA；、四相雙八拍：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB。（二）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用常用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298，L298N為SGS-THOMSONMicroelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片(DualFull-BridgeDriver)，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器（其芯片引腳圖如圖2.2.1所示）。圖2.2.1L298芯片引腳圖L298能夠接受標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。L298操作時(shí)能提供的電壓能達(dá)到46V，直流電流4A，具有過(guò)熱保護(hù)功能，邏輯“0”的輸入電壓達(dá)到1.5V。L298在控制器的控制下驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，控制器產(chǎn)生L298所需的控制信號(hào)，以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了防止定子繞組的電感作用，使得電流切換時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓，步進(jìn)電機(jī)每相繞組兩端都須并聯(lián)一個(gè)在換相時(shí)起續(xù)流作用的肖基特二極管。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2.2.2所示。123456789101112131415L298A?*D0DIODED1DIODED2DIODED3DIODED4DIODED5DIODED6DIODED7DIODEGND+5+5GND+24V+24VGNDP1.0P1.1P1.2P1.3ABCD圖2.2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在驅(qū)動(dòng)電路中，如果采用L297和L298芯片組合驅(qū)動(dòng)（如圖2.2.3所示）來(lái)作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路可以節(jié)省了單片機(jī)IO端口的使用，但是這樣的話會(huì)降低整個(gè)驅(qū)動(dòng)和控制電路的性價(jià)比，同時(shí)也使得電路復(fù)雜化，控制程序復(fù)雜化，所以本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)L298芯片來(lái)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。圖2.2.3L297和L298的組合驅(qū)動(dòng)圖3.硬件控制模塊本設(shè)計(jì)中采用的控制芯片是AT89C51，AT89C51是美國(guó)A