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1、步进驱动液压工作台的控制系统设计说明书毕 业 设 计题 目：步进驱动液压工作台的控制系统设计摘 要摆动碾压是汽车轮毂轴承单元铆合装配的一种新兴的压力加工方法，本文在调查研究国内外类似装置的功能、结构、特点和发展应用情况的前提下，结合摆辗技术的基本原理，设计了用于汽车轮毂轴承单元的铆合装配的专用摆碾机床。根据工艺特点，重点研究了该机床的控制系统，设计出合理的控制系统原理图，搭建控制系统平台，设计基于步进驱动液压工作台的控制系统。在本控制系统中，选用AVR单片机作为下位机，单片机作为控制系统的核心，控制步进电机的运转，以实现相应的工艺动作。本文完成控制系统软硬件设计，进行软硬件的调试实验，通过运行
2、调试，该系统成功应用于摆碾旋压设备，运行稳定可靠。关键词：轮毂轴承单元；铆合装配；步进电机；AVRAbstractOscillating roller is the automobile hub bearing unit riveting assembly of a new pressure processing method, based on the investigation and study of domestic and foreign similar device function, structure, characteristics and the development o
3、f application conditions, combined with the rotary forging technology basic principle, design for automobile wheel hub bearing unit riveting assembly for swinging grinding machine tool. According to process characteristics, focus on the machine tool control system, design a reasonable the principle
4、diagram of control system, building control system design based on the platform, stepping driving hydraulic platform control system. In this control system, using AVR MCU as the next machine, single chip microcomputer as the control core of the system, control of stepper motor running, to achieve th
5、e corresponding action. This paper completes the control system hardware and software design, software and hardware debugging experiment, through debugging, the system was successfully applied to a pendulum roller spinning equipment, stable and reliable operation.Key words: hub bearing unit; rivetin
6、g assembly; stepping motor; AVR目 录摘 要1Abstract2目 录3第一章 绪 论51.1 引言51.2 本课题的研究意义与主要任务51.3 最新汽车轮毂轴承铆接工艺应用51.4 铆接机铆接质量情况及旋压铆合技术的优越性71.5 汽车轮毂轴承单元的国内外情况调查81.6 汽车轮毂轴承单元的发展和前景12第二章 摆动辗压基本原理及工艺点142.1 摆动辗压的原理142.2 摆动辗压的特点152.3 摆辗旋压设备总体方案152.3.1摆辗机的主要技术指标152.3.2 总体方案的论证设计162.3.3 运动功能分析172.3.4 机床总体结构布局设计18第三章 机
7、床的总体方案和工作台结构设计203.1机床总体方案设计203.2主要部件设计计算203.2.1丝杆的设计203.2.2滚动轴承的选则与校核243.2.3丝杆的强度计算和稳定性计算25第四章 步进电机工作原理及电机选型274.1 步进电机原理分析274.2 步进电机产生振动的原因294.3 抑制步进电机产生振动的办法及措施294.4 步进电机计算及选型304.5 90BYG4501的参数31第五章 控制系统硬件电路设计335.1微控部分（模拟模式）335.2 M16的引脚说明355.3系统板365.3.1 复位部分365.3.2 晶振电路的设计375.3.3 ISP下载接口设计385.3.4 串
8、口通信385.4驱动板40第六章 控制系统程序设计406.1 系统流程图设计406.2 程序清单41第七章 总结45致 谢46参考文献47 第一章 绪 论1.1 引言 近年来，汽车工业迅速发展，汽车轮毂轴承单元的制造技术在不断发展，将旋压用于轮毂轴承单元的轴铆合装配，是当前轮毂单元制造技术的最新进展。旋压（摆动碾压）是一种新兴的压力加工方法，属于局部加压，连续成形，具有省力零件尺寸精度高振动小噪音低投资小等优点。从七十年代开始，在世界锻造行业被广泛应用，军工产品如导弹壳的制造等是其最重要的应用领域之一。目前在国内的研究还处于空白状态，设计开发出用于轮毂轴承单元轴端铆合装配的专用生产设备，将填补
9、国内空白，使有关轴承生产企业突破新型轮毂单元装配制造的工艺瓶颈，有重大创新意义。1.2 本课题的研究意义与主要任务轮毂轴承单元的铆合技术显然在当代和将来的汽车发展中都起到十分重大的作用，但是当代的中国的大部分工厂都没有相应的专用铆合设备或者是工厂因受到技术的封锁而不能引进国外的设备和技术。国内的轮毂轴承的市场大部分都由国外的厂家占用。本文的主要任务是调查研究国内外类似装置的功能、结构、特点和发展应用情况的前提下，结合摆辗技术的基本原理，设计了用于汽车轮毂轴承单元的铆合装配的专用摆碾机床。根据工艺特点，重点研究了该机床的控制系统，设计出合理的控制系统原理图，搭建控制系统平台，设计基于步进驱动液压
10、工作台的控制系统。在本控制系统中，选用AVR单片机作为下位机，单片机作为控制系统的核心，控制步进电机的运转，以实现相应的工艺动作。完成控制系统软硬件设计，进行软硬件的调试实验。1.3最新汽车轮毂轴承铆接工艺应用汽车轮毂轴承的作用主要是承受汽车的重量及为轮毂的传动提供精确的向导。轮毂轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷，是一个非常重要的安全件。现在国产车大多仍采用传统的两套单独的圆锥滚子轴承或角接触球轴承，这种结构在汽车装配时要经过调整游隙、预紧、加脂等诸多工序，参杂较多人为控制因素，装配难度较大，从而造成汽车装配线加长，成本过高且可靠性差，难以适应激烈的市场竞争。 近年来，随着前置前驱动轿车的飞速
11、发展，轮毂轴承发生了很大变化，尤其是国外知名的汽车生产厂家与轴承制造商联合研发，新型轮毂轴承单元不断涌现，目前己迸人第四代。 NSK铆压成形第三代轮毂铀承 在传统的第三代轮毂轴承单元的设计中，两个内圈是用锁紧螺母牢固地连接在一起的，而NSK开发的新结构是通过轴端的铆压成形轴向力使带凸缘的内圈产生塑性变形，与小内圈压紧。去掉螺母有助于减小轮毂单元的重量和尺寸，提高可靠性。驱动轮和非驱动轮都适用。采用铆压成形技术，可靠性将得以提高，即使连接螺母松动轴承自身也可以提供预载保证。图1.1、内置内圈2、铆头 3、轮毂轴铆压成形采用的是铆接工艺 (如图)，倾斜的铆头(上模)在轴承组件上铆压时，带凸缘内圈的
12、轴端受到来自下部的压力产生塑性变形，直至小内圈牢固地连在一起。在成形过程中，轮毂变形分为三个阶段:第一阶段，铆头下降，与轮毂轴接触，变形开始。第二阶段，变形进一步扩展，轮毂轴沿径向扩展，与内圈倒角接触。最后是第三阶段，铆接过程完成。在第一阶段，几乎所有的铆头压力都用于轮毂轴的最初成形，内圈载荷很小且恒定。进入第二阶段，铆头压力传递到内圈，内圈载荷迅速增大。在第三阶段，由于铆头压力使内圈载荷逐渐增大直至饱和，铆压结束后，甚至铆头已抬起，内圈载荷仍未消除，仍保留某些载荷。可以认为残余载荷形成了卡紧力。 传统的模锻使整个工件压缩，产生塑性变形。因此，加工大尺寸工件时，需要很大的压力，而且当运用于轴承
13、上时，变形往往超出中心区域。在这种巨大压力作用下，球与滚道受到挤压，在加工过程轴承很可能损坏，而铆接工艺只在局部产生变形并且只用很小的压力。通过控制加载的压力，这种加工用于轴承的装配十分适合。通过重载下的运转耐久性试验检验了铆压成形缘的疲劳强度和内圈抗蠕变能力。进行静强度试验以考察铆压成形缘的静强度以及轴承的力矩载荷刚变试验，因为轴承的刚性会影响车辆转弯时的操纵稳定性。 根据各项试验的结果，NSK新开发的铆压成形内圈自锁第三代轮毂轴承等同于甚至优于带锁紧螺母的传统型轮毂轴承。在保证高可靠性的前提下，重量和尺寸减小，满足了当前的市场需求，降低了车辆燃料消耗。1.4 铆接机铆接质量情况及旋压铆合技
14、术的优越性轮毂轴承单元轴端铆质量是整个轮毂轴承单元装配的重要技术指标。在实验铆接过程，传统做法是确定不同的铆接行程，调整死顶块的距离，达到不同的铆接效果，其缺点是对操作要求高，调整过程困难，铆接过程往往出现工件被压坏，或是铆接行程不够，铆接精度和质量达不到理想的铆接实验效果。基于一般的铆接机的缺点，现提出铆接驱动过程实行伺服控制思路。在液压系统中增加伺服控制环节，通过压力传感器检测铆接过程，并发出电信号控制换向卸荷回路，铆头铆接动作将得到精确的控制，通过调整压力传感器的不同值将可以达到理想的铆接实验效果，有效保证铆接精度和质量。传统设计的轮毂单元在装配时两个内圈是用锁紧螺母牢固地连接在一起的，
15、如图1-2（a）所示。这种方式所存在的缺点是：需要在装配的时候通过控制螺母的预紧量来控制轮毂单元的轴向卡紧力，由于单元中的零件存在制造误差而使卡紧力的控制不精确，预压量的波动较大，从而导致轴承的负游隙量偏离最优值而使轴承寿命下降，寿命离散度大大增加，使得其韦布尔分布中的斜率较大，90%可靠性下降；在使用过程中，由于螺纹卡紧采用的螺纹防松结构可能因振动等因素而松动，从而导致预载荷卸载，严重时甚至失效，存在重大安全隐患。而新的结构是通过轴端的旋压成形，使带凸缘的内圈产生塑性变形，从而与小内圈压紧。这种方式使车轮支架和车轮法兰不再是安装驱动轴之后才相互连接而是经卷边铆接成为具有正常功能的轮毂轴承单元，大大减轻了下一步的装配工作。采用轴铆合装配方式，对非驱动轮而言（如图1-2（b）所示），可直接去掉螺母；对驱动轮而言（如图1-2（c）所示），因为不再需要较大的拧紧力矩，可以使用轻型螺母将驱动轴固定在车轮法兰中，驱动轴带齿的轴颈也可大大缩短，从而有助于减小轮毂单元的重量和尺寸，降低成本，使紧固部分更加紧凑，提高燃油经济性。而且旋压过程中对轴向载荷（卡紧力）可实时精确控制，消除零件制造误差的影响，从而使预紧量的波动大大减少，保证每一个轮毂单元都在装配后获得最佳预紧量，这意味着可以大大提高轴承使用寿
