機械電子工程課程設(shè)計水平導軌位移,速度測量機構(gòu)

1、課程設(shè)計任務書一、設(shè)計題目：水平導軌位移、速度測量機構(gòu)二、設(shè)計目的 本專業(yè)課程設(shè)計是針對本專業(yè)重點課程和培養(yǎng)目標而進行的。主要培養(yǎng)學生在課堂講授環(huán)節(jié)和實驗環(huán)節(jié)完成的基礎(chǔ)上，叫綜合地運用所學的知識解決問題的初步能力，以進一步掌握和加深對有關(guān)知識的理解。三、設(shè)計的基本思想 利用電機通過聯(lián)軸器帶動導軌的水平運動，位移傳感器檢測位移量，送入單片機進行處理級顯示。 對于水平導軌位移、速度的測量，分成兩個部分： （1）關(guān)于導軌的設(shè)計及電機的選擇； （2）關(guān)于硬件電路的設(shè)計和程序編寫。 在設(shè)計的過程中，首先進行對位移傳感器的選擇。因為導軌的精度要達到微米級，而且導軌是在短距離內(nèi)做的水平直線運動，所以光柵傳感

2、器無疑是個理想的選擇。選好傳感器后，也為設(shè)計硬件電路大致指明了方向：單片機檢測外部脈沖信號，然后對其進行處理，送入數(shù)碼管顯示其次電機的選取也十分關(guān)鍵，因為電機的性能直接影響到導軌的水平位移分辨率；另外，本次設(shè)計的重中之重在于機構(gòu)圖的繪制。四、設(shè)計的內(nèi)容 內(nèi)容主要為單片機組成的小型檢測或控制系統(tǒng)設(shè)計。主要包括：機構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件程序設(shè)計。五、設(shè)計任務 （1）用 cad 繪制完整的設(shè)計機構(gòu)圖； （2）繪制電原理圖； （3）編寫軟件程序。六、機構(gòu)設(shè)計1、導軌的設(shè)計1.1、選擇導軌應包括下列幾方面的內(nèi)容： （1）根據(jù)工作條件選擇合適的導軌類型； （2）選擇導軌的截面形狀，以保證導向精度； （3）

3、選擇適當?shù)膶к壗Y(jié)構(gòu)及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內(nèi)，有足夠的剛度、良好的耐磨性，以及運動輕便和平穩(wěn)。1.2、各種導軌的比較 （1）三角形導軌： 該導軌磨損后能自動補償，故導向精度高。它的截面角度由載荷大小及導向要求而定，一般為 90；為增加承載面積，減小比壓，在導軌高度不變的條件下，采用較大的頂角（110120）；為提高導向性，采用較小的頂角（60）。如果導軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導軌面。 （2）矩形導軌： 優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和修理方便；導軌面較窄，承載力較大，剛度高，故應用廣泛。但它的導向精度沒有三角形導軌高；

4、導軌間隙需要用壓板或鑲條調(diào)整，且磨損后需重新調(diào)整。 （3）三角形和矩形組合： 這種組合形式以三角導軌為導向面，導向精度較高，而平導軌的工藝好，因此應用最廣。 這種組合有 v-平組合、棱-平組合兩種形式。v-平組合導軌易儲存潤滑油， （見圖 1）低、高速都能采用；棱-平組合導軌不能儲存潤滑油，只用于低速移動。 圖1 根據(jù)本設(shè)計的條件及上述比較，本設(shè)計中采用 v-平組合導軌。v 型導軌和平面導軌相結(jié)合的形式，v 型導軌作為導向，平面導軌作為支撐體。為使導軌移動輕便、省力和兩導軌磨損均勻，驅(qū)動元件應設(shè)在三角形導軌之下，或偏向三角形導軌。2、滑動軌道（工作臺）的選擇2.1、工作臺的確定條件 （1）首先

5、確定工作臺的行程； （2）確定移動部件所驅(qū)動負載的大小； （3）確定工藝的要求，選擇所需用的定位精度與等級； （4）確定移動部件的響應速度； （5）結(jié)合機械安裝的需求，選擇相配合的聯(lián)軸器，從而確定工作臺的選型； （6）選出所需用的配件，如限位的緩沖器，限位檢測開關(guān)，原點檢測開關(guān)； （7）選好工作臺后，進行驅(qū)動部件的選擇。2.2、工作臺得選擇 本設(shè)計中用于精密機構(gòu)，工作臺的行程取為 150mm，據(jù)上述要求選取型號為dzh150 的水平工作臺；另外該型號的載重量為 300n，滿足本設(shè)計的要求，所以選型號為 dzh150 的水平工作臺。表一：dzh150 的參數(shù) 行 長 底 座 高 度 臺面尺寸 安

6、裝尺寸 型 號 程 度 s l2 l1 c h h1 c1 c2 h2 b1 b2 m b b3n l3 ddhdzh150 150 75 300 150 70 36 140 154 12 80 116 m6 80 1252 25 7127 臺面運 搭載重 精度等 重復定 定位精 運行直 型 號 行 程 行平行 量n 級 位精度 度 線度 度dzh150 150 300 p4 0.005 0.025 0.015 0.0253、傳感器的選擇 測量信號的采集、處理和記錄，要求采用的系統(tǒng)和器件都是以數(shù)字的形式輸出和輸入。光柵傳感器以其測量精度高、量程大、直接輸出數(shù)字量等優(yōu)點，在精密檢測系統(tǒng)中獲得廣泛

7、的應用。3.1、光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理 光柵是一種新型的位移檢測元件，有圓光柵和直線光柵兩種。它的特點是測量精確高（可達1um）、響應速度快和量程范圍大（一般為 1-2m，連接使用可達到 10m）等。光柵由標尺光柵和指示光柵組成，兩者的光刻密度相同，但體長相差很多。 光柵條紋密度一般為每毫米 20、50、100、250 條等。把指示光柵平行地放在標尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜一個很小的角度，這時在指示光柵上就出現(xiàn)幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條紋，它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列。3.2、本設(shè)計中選擇 fc-2 系列敞開式緊湊型光柵尺（工作參數(shù)如下）。 機械電氣特性 準確度 5

8、m、10m、15m、30m，溫度為 20 時 分辨力 0.5m、1m、5m 測量長度 501000mm（每 50mm 為一檔），11003000mm （每 100mm 一檔） 測量速度 30m/分鐘 ， （分辨力 0.5m） 50m/分鐘（分辨力 1m）， 最高 90m/分鐘（分辨力 5m） 零位標記 從測量長度中間開始，每間隔 50mm 一個零位標記 尺身總長 ，測量長度169mm（大 測量長度149mm（0.9m 以內(nèi)） 于 0.9m） 重量 0.5kg0.5kg/m 測量長度 移動力矩 小于 5n 方波輸出 5v ttl 方波，rs422長線 工作電壓 5v 5 環(huán)境特性 震動（55hz

9、-2khz） 小于 100m/平方秒 沖擊（11ms） 200m/平方秒 工作溫度 0-50 存放溫度 -20-70 保護等級 ip53（遵照安裝手冊進行安裝）4、電機的選擇 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目

10、的。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（vr）、永磁式步進電機（pm）、混合式步進電機（hb）和單相式步進電機等。 （1）永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 7.5度 或 15 度； （2）反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5 度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 （3）混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 1.8 度而五相步進角一般為 0.72 度。這種步進電機的應用最為廣泛。 在設(shè)計中，根據(jù)上述條件選取二相混合式步進電

11、機，選取型號為：57byg250e-safrml-0302主要參數(shù)如表 2、表 3表 2：技術(shù)特點 絕緣電阻 500v dc 100m min 軸向間隙 0.10.3mm 徑向跳動 0.02mm max 溫度 65k max 絕緣強度 500v ac 1minute 環(huán)境溫度 -2055 絕緣等級 b級表 3：技術(shù)數(shù)據(jù) 相數(shù) 2 步距角 0.9/1.8 靜態(tài)相電流 3.0a 相電阻 0.6 相電感 3.4mh 保持轉(zhuǎn)矩 1.5nm 定位轉(zhuǎn)矩 0.06nm 空載啟動頻率 3.1khz 重量 1.5 轉(zhuǎn)動慣量 330gc 5、絲杠的選擇 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)分為內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)（以圓形反向器和橢圓形反向

12、器為代 表）和外循環(huán)結(jié)構(gòu)（以插管為代表）兩種。這兩種結(jié)構(gòu)也是最常用的結(jié)構(gòu)，其結(jié) 構(gòu)性能沒有本質(zhì)的區(qū)別，只是內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)安裝連接尺寸??；外循環(huán)結(jié)構(gòu)安裝連接 尺寸大。 目前，滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)已有 10 多種：內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)、外循環(huán)結(jié)構(gòu)、端蓋結(jié) 構(gòu)、蓋板結(jié)構(gòu)。內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)反向器的形狀有多種多樣，但是，常用的外形就是圓 形和橢圓形。由于圓形滾珠反向通道較短，因此，在流暢性上不如橢圓形結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)在，最好的反向器結(jié)構(gòu)為橢圓形內(nèi)通道結(jié)構(gòu)，由于滾珠反向不通過絲杠齒頂， 類似外循環(huán)結(jié)構(gòu)，因此消除了絲杠齒頂?shù)菇钦`差給滾珠反向帶來的影響，但由于 制造工藝較復雜，影響了這種結(jié)構(gòu)的推廣。 滾珠絲杠副的優(yōu)點：高精度、高硬度、低軸

13、向間隙、高可靠性、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、 使用壽命長。 現(xiàn)估算整個工作臺的重量：其中載重題目要求為 300n，水平工作臺的重量 可以由其尺寸及估算密度求出，現(xiàn)選取工作臺的材料為鐵，密度取為 7.8 10kg/m， 則工作臺的重量為:m0.0140.01520.0127.8101.9918kg.即 m30019.918319.918n. 根據(jù)所選擇導軌的行程長度 150mm，以及動導軌及重物的質(zhì)量?，F(xiàn)選取 sfk1004. 滾珠螺桿、螺帽之基準數(shù)據(jù) 型號 d l da d a b l w h x y z q n ca coa ksfk1004 10 4 2 26 46 10 34 36 28 4.5 3 3

14、95 590 圖46、聯(lián)軸器的選擇6.1、聯(lián)軸器的功用 由于制造和安裝不可能絕對精確，以及工作受載時基礎(chǔ)、機架和其它部件的彈性變形與溫差變形，聯(lián)軸器所聯(lián)接兩軸線不可避免的要產(chǎn)生相當偏移，被聯(lián)兩軸可能出現(xiàn)的相對偏移有： 而聯(lián)軸器是將兩軸軸向聯(lián)接起來并傳遞扭矩及運動的部件，并具有一定的補償兩軸偏移的能力，為了減少機械傳動系統(tǒng)的振動、降低沖擊尖峰載荷，聯(lián)軸器還具有一定的緩沖減震性能，聯(lián)軸器有時也兼有過載安全保護作用。6.2、 由于所選聯(lián)軸器的兩頭分別與電動機和絲杠連接，所以聯(lián)軸器兩頭的直徑 分別為：10mm 和 5mm。七、硬件電路設(shè)計 本設(shè)計的硬件電路主要由單片機 89c51、計數(shù)器 8253、細

15、分與辨向電路、光柵位移傳感器組成。如圖 5 所示。 光柵位移 細 分 計 數(shù) 器 位移信號 傳感器 辨向 8253 數(shù)據(jù)顯示 單 片 機 電路 89c51 光柵位移傳感器包括以下幾部分：光柵、光柵光學組成。光柵光學系統(tǒng)的作用是形成莫爾條紋；光電接受系統(tǒng)。光電接受系統(tǒng)是由光敏元件組成，他將莫爾條紋的光學信號轉(zhuǎn)換成電信號，本系統(tǒng)采用的光柵位移傳感器輸出 5v ttl 方波，所以不需要信號變化電路，可以直接對輸出的信號進行變向處理。1、細分與辨向電路1.1、采用細分電路的原因 光柵數(shù)字傳感器的測量分辨率等于一個柵距，但是在精密檢測中常常需要測量比柵距更小的位移量，為了提高分辨率，可以采用以下兩種方法

16、實現(xiàn)： （1）通過增加刻線密度來減小柵距，但是這種方法受光柵刻線工藝的限制； （2）采用細分技術(shù)，使光柵每移動一個柵距時輸出均勻分布的 n 個脈沖，從而得到比柵距更小的分度值，是分辨率提高到 w/n 1.2 本次設(shè)計采用的直接四細分（位置細分）電路 ab 是兩路相差為 90的方波信號，傳感器正向移動時和傳感器反向運動時波形分別見下圖 6 正向運動輸出波形 傳感器正向移動時，設(shè) a 導前 b，當 a 發(fā)生正跳變時，由非門 dg1、電阻 r1、電容 c1 和與門 dg3 組成的單穩(wěn)觸發(fā)器輸出窄脈沖信號 a ，此時為高電平，與或非門 dg5 有計數(shù)脈沖輸出，由于 b 為低電平，與或非門 dg10 無

17、計數(shù)脈沖輸出。當 b 發(fā)生正跳變時，由非門 dg6、電阻 r3、電容 c3 和與門 dg8 組成的單穩(wěn)觸發(fā)器輸出窄脈沖信號 b ?聳?a 為高電平，dg5 有計數(shù)脈沖輸出，dg10 仍無計數(shù)脈沖輸出。當 a 發(fā)生負跳變時 ，由非門 dg2、電阻 r2、電容 c2 和與門 dg4 組成的單穩(wěn)觸發(fā)器輸出窄脈沖信號， 此時 b 為高電平，與或非門 dg5 有計數(shù)脈沖輸出，dg10 無計數(shù)脈沖輸出。當 b 發(fā)生負跳變時，由非門 dg7、電阻 r4、電容 c4 和與門 dg9 組成的單穩(wěn)觸發(fā)器輸出窄脈沖信號， dg5 此時為高電平， 有計數(shù)脈沖輸出，dg10 無計數(shù)脈沖輸出。 這樣， dg5 在正向運動

18、時， 在一個信號周期內(nèi)依次輸出 a 、b、a、b 四個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)了四細分。 在傳感器反向運動時，由于 a、b 的相位關(guān)系發(fā)生變化，b 導前 a，這時 dg10在一個信號周期內(nèi)輸出 b、a計數(shù)脈沖，這計數(shù)脈沖分別出現(xiàn)在 b、a 為高電平的半周期內(nèi)，同樣實現(xiàn)了四細分。 dg5、dg10 隨運動方向的改變交替輸出脈沖，輸出信號 uo1、uo2 可以直接送入標準系列可逆計數(shù)集成電路，實現(xiàn)辨向計數(shù)。2、數(shù)據(jù)處理與顯示 采用 89c51 單片機計數(shù)并對數(shù)據(jù)進行處理。將細分辨向電路輸出的兩路脈沖分別送入單片機的外部中斷 int0 和 int1。當工作臺正向移動時，細分脈沖觸發(fā)單片機 int0 中斷，計數(shù)

19、器加一；當工作臺反向移動時，觸發(fā) int1 中斷，計數(shù)器減一。然后將處理后的數(shù)轉(zhuǎn)化成 bcd 碼，存放在 ram 中。通過顯示程序數(shù)碼管顯示。 （1）位移測量：本次測量用單片機處理細分后的脈沖。假設(shè)工作臺的運行速度為 v，光柵柵距為 d，細分數(shù)為 n，則計數(shù)脈沖的頻率為 fv/dn若v1m/sd20umn4則 f0.2mhz，對應的計數(shù)時間間隔為 5us，若單片機采用12mhz 晶體振蕩器，機器周期為 1us，完全可以用來計數(shù)，為了提高響應速度，單片機最好采用 24mhz 的晶體振蕩器。 根據(jù)脈沖和位移之間的關(guān)系，我們可以得到位移公式 xwn，根據(jù)傳感器的型號，每毫米刻線 50 條，對應的柵距

20、為 20um，經(jīng)過四細分電路細分，每來一個脈沖工作臺移動 5um，故工作臺與脈沖個數(shù)之間的關(guān)系為：x5num其中 x 為 ，n傳感器的位移（單位：um） 為脈沖數(shù)。因為計數(shù)脈沖數(shù)比較多，設(shè)工作臺的最大位移為 0.8m，則對應的脈沖數(shù)為 16 萬個，這么多的脈沖數(shù)用 16 位的計數(shù)器顯然是不夠的，所以我們可以采用中斷計數(shù)的方法現(xiàn)實計數(shù)，由 r5、r6 和 r7三個寄存器組成計數(shù)器。 （2）速度測量：速度的定義就是每秒移動的位移，基于速度的定義，我們可以把每秒工作臺移動的距離測量出來就可以測出速度，具體做法是，采用 r1、r2 計數(shù)，用定時器定時，每過一定時間對其讀書，之后清零，這樣就可以算出速度

21、。若取時間間隔 0.1s，則對應的速度公式為：v50num/sn 為脈沖數(shù)。 （3）顯示：led 的顯示方式有靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種方式，led 靜態(tài)顯示方式和 led 動態(tài)顯示方式，由于有大量的實時數(shù)據(jù)需要進行處理，需要較大的存儲空間，而單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間有限，靜態(tài)顯示方式由于每一位顯示器上都接有一個帶鎖存硬件譯碼器， 在執(zhí)行完顯示程序后每一位需要顯示的內(nèi)容可以鎖存在相應的譯碼器中，不需要再對顯示器的端口進行刷新，即使此時顯示緩存的內(nèi)容被更改也不會影響到顯示結(jié)果，而且靜態(tài)顯示編程容易，易于比較清晰，亮度一般較高，因此本設(shè)計用六位靜態(tài)顯示方式來顯示。具體連接電路如附圖所示。八、程序電機控

22、制程序設(shè)計 脈沖的形成實現(xiàn)對步進電機的控制，微機應能輸出有一定周期的控制脈沖。步驟是：先輸出一個高電平，延時一段時間后，再輸入一個低電平，然后再延時。改變延時時間的長短，即可改變脈沖的周期，脈沖的周期由步進電機的工作頻率 開始 設(shè)置脈沖個數(shù) 保護現(xiàn)場 輸出高電平 延時 輸出低電平 延時 脈沖數(shù)夠否？ 回復現(xiàn)場 返回 確定。用軟件形成環(huán)形脈沖的程序流程圖如下圖 7 所示。 （1）旋轉(zhuǎn)方向控制：步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和內(nèi)部繞組的通點順序及通電方式有密切關(guān)系，對于三相雙三拍工作方式： 正向旋轉(zhuǎn)：ab-bc-ca-ab 反向旋轉(zhuǎn)：ab-ca-bc-ab 三相雙三拍控制模型如下表 4、表 5 所示 表 4：

23、正轉(zhuǎn)控制模型 控制模式 步序 通電方式 二進制 十六進制 1 ab 00000011 03h 2 bc 00000110 06h 3 ca 00000101 05h 表 5：反轉(zhuǎn)控制模型 控制模式 步序 通電方式 二進制 十六進制 1 ab 00000011 03h 2 ca 00000101 05h 3 bc 00000110 06h （2）轉(zhuǎn)速控制：控制步進電機的運行速度，實際上市控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。脈沖信號的頻率可以用軟件延時和硬件中斷方法來確定。 采用軟件延時，一般是根據(jù)所需的時間的常數(shù)來設(shè)計一個程序，該程序包含一定的指令，設(shè)計者要對這些指令的執(zhí)行時間進行嚴密的計算或者精確的測試，以便確定延時時間是否符合要求。 每當延時子程序結(jié)束后，可以執(zhí)行下面的操作，也可用輸出指令輸出一個信號作為定時輸出。采用軟件定時，cpu 一直被占用，因此 cpu 利用率低?？删幊痰挠布〞r器直接對系統(tǒng)時鐘脈沖或某一固定頻率的時鐘脈沖進行計數(shù)，