平面位移控制設計

1、沈陽工業(yè)大學生產實習報告專業(yè)班級： 測控技術與儀器 1301班 題目：平面位移控制裝置設計生產實習（二）報告生產實習名稱： 生產實習（二） 生產實習題目： 平面位移控制裝置設計 專業(yè)班級： 實習時間16/12/31-17/1/13 指導教師： 平面位移控制裝置設計小組成員分配表職務學號姓名組內任務組長130401112呂志鵬 提交概念設計報告 對整體方案進行設計 對電路進行仿真 編寫部分程序 給組員分配任務并進行相關指導 整理總體報告組員130401103張金 提交需求分析報告 編寫部分程序 設計部分仿真 設計部分概念 幫助組長整理總體報告130401121黃森源 提交技術設計報告 編寫整機程

2、序并進行調試 對電路進行仿真 設計部分概念 幫助組長整理總體報告130401130朱曉琳 提交產品使用手冊和產品標準 編寫部分程序 設計部分仿真 設計部分概念 幫助組長整理總體報告摘要：一種能夠在平面上進行自動平面位移控制的裝置，每個連接件都有種狀態(tài)：打開和關閉，打開時可保證該方向的傳送正常運動，關閉時該方向的連接斷開，停止運動，在同一個時刻，本裝置實現其中一個方向的位移，要選擇哪個方向，哪個方向的步進電機電機就開始運轉，使絲杠運轉。更改方向時，原運動方向的步進電機電機停止運動。電機的開啟和停止跟兩個傳送裝置重疊處傳送塊的連接件狀態(tài)保持一致，連接件在一個方向打開，則另一個方向關閉。本裝置實現了

3、平面上兩個垂直方向的自動位移，使位移空間從一維擴大到二維，提高了自動化水平。關鍵詞：平面位移 控制 步進電機 絲杠1.平面位移測量技術1.1發(fā)展趨勢 數字圖像是一種新興的非接觸式光學測量方法，自上世紀八十年代初被提出至今，得到了突飛猛進的發(fā)展，并且由于其獨特的優(yōu)勢，現被應用于多個學科領域。數字圖像相關方法由于測量精度高和非接觸式等特點，可以彌補測量技術方法的不足，可以解決顯示測量方法種實驗等很多難題，根據數字圖像的相關方法的計算精度和計算效率實現了數字圖像的相關方法的應用。國內外針對圖像測量的研究，日本，德國，美國等國家開始的比較早，提出了許多測量原理和方法，而我國在這方面的研究則開展的較晚一

4、些。我國是從80年代中期開始圖像測量技術研究的，當時典型的應用是使用線陣電荷耦合器件(CCD)進行長度的在線測量，如對鋼絲直徑的測量，但由于每個像素的間距不可能太小，因此精度并不高。而由于當時面陣CCD的價格昂貴，因而基于三維攝像圖像測量系統(tǒng)，應用較少。最近二十幾年來，圖像測量技術在國內外發(fā)展很快，已廣泛應用到幾何量的尺寸測量，精密復雜零件的微尺寸測量和外觀檢測，航空遙感測量，以及光波干涉圖、應力應變場狀態(tài)分布圖等許多方面。圖像測量技術的迅速崛起和發(fā)展除了由于應用需求領域的不斷擴展外，還得益于計算機技術的突飛猛進和數字圖像處理技術的日臻完善。反之，由于CCD制造工藝和IC技術的 不斷改進和提高

5、，使基于CCD攝像的圖像測量系統(tǒng)不僅性能越來越高，而且其成本有所下降，這更進一步刺激著這一技術領域的快速發(fā)展。圖像測量系統(tǒng)的高分辨率、高靈敏度、光譜響應寬、動態(tài)范圍大等特性是傳統(tǒng)測量儀 所無法比擬的。圖像測量技術對環(huán)境沒有特殊要求，非常適合于一些傳統(tǒng)測量手段難以實 現的場合應用。隨著時代對制造技術和測量技術提出要求的不斷提高，專家們預計，21世紀圖像測量技術的發(fā)展趨勢大致如下：1） 測量精度由微米級向納米級發(fā)展，進一步提高測量分辨率； 2）由點測量向面測量過渡，提高整體測量精度(即由長度的精密測量擴展至形狀的精密測量)； 3)采用在線測量以逐步替代線外測量，采用實時測量并將測量信息反饋用于過程

6、控制，構造高精度、智能化動態(tài)系統(tǒng)； 總之，圖像測量技術必須實現高精度化，同時要求實現高速化和高效率化。因此，高效率測量與智能化測量將成為本世紀高精度圖像測量技術的重要發(fā)展方向。 目前數字處理正成為工程學、計算機科學、信息科學、統(tǒng)計物理、化學、生物、醫(yī)學等領域中各學科學習和研究的對象，這方面的新技術、新成果層出不窮極大地改善著我們的日常生活?；跀底謭D像處理開展測量的研究成果也很豐富，例如，基于CCD、CMOS等圖像傳感器進行一維尺寸測量、三維位置測量、剛體的瞬態(tài)平面運動、高精度紐致絲直徑檢測等成果屢有報道。這些研究成果說明采用數字圖像傳感器應用現有圖像處理技術開展坐標位移測量是可行的。當前數字

7、圖象技術在平面(三維)位移測量中的應用，系統(tǒng)按照所用傳感器的不同可分為紅外成像、CCD成像、激光成像、聲納成像等，其中以CUD成像在光學圖像測量系統(tǒng)中應用最為廣泛。CCD的應用主要在兩個方面中其一是非接觸測量，另一個是本課題將要研究的將CCD應用于坐標測量機的結構改造上。首先來簡單介紹一下CCD在非接觸測量。它是采用基于三角測量原理的非接觸激光光學探頭應用于坐標測量機上代替接觸式探頭。通過探頭的掃描可以獲得準確的表面信息，進行表面輪廓的鍘量及用于模具特征線的識別?？朔私佑|式測量的局限性，提高了測量效率。已有的數字圖象技術在平面(三維)位移測量的方法如下：三維圖像測量機該系統(tǒng)主要由圖像位移測量

8、系統(tǒng)、圖像式自動調焦、瞄準系統(tǒng)及相應的機械結構組成，其基本工作原理是：利用兩個CCD攝像機分別取縱、橫向光學標尺的位置信息，并利用圖像卡與計算機相連，通過圖像處理技術確定兩個方向的坐標值；瞄準系統(tǒng)采用CCD攝像機接收經光學系統(tǒng)成像的被測件的輪廓，也通過圖像卡與計算機相連這樣一方面可以通過圖像處理辦法提取工件的離焦信息，利用步進電機及一定的傳動機構驅動光學系統(tǒng)及攝像機上下移動，實現瞄準系統(tǒng)的自動調焦，另一方面，有關工件輪廓的位髯信息也送入了計算機，通過一定的算法，即可確定被瞄準。1）光學系統(tǒng)把刻線及數字直接成像至UCCD感光面上經光電變換，刻線位置信息就變成電信號，經電路進行模數轉換，刻線的空位

9、置信息變成了時間信號經接口送入計算機進行處理，再通過一定的算法判斷刻線位于CCD感光面的相對位置，作為刻尺位置坐標的小數部分。利用模式識別技術識別刻尺上的數字作為刻尺位置坐標的整數部分。把兩部分合成起來，即可得到被測件的位置坐標。2)基于特征的三維圖像拼接法測量二維圖像拼接采用同一個CCD攝像機，通過移動被測物，獲取被測物的不同部分圖像；也可用多個CCD攝像機，分別提取被測物不同局部圖像，并通過公共特征將多幅圖像拼接成一幅完整的圖像數據。為了更快速、有效地提取公共特征信息，采用一點一線法可以避免其它方法(如一條線法)在確定平移量、旋轉角度以及相對放大因子時的不穩(wěn)定性。3)基于數字圖像特征區(qū)域的

10、特征量匹配的測量是本文研究的重點，也是本論文測量原理 提出的基礎，將CCD傳感器技術和圖像識別技術相結合，應用于對三維坐標測量機的改進 中，將傳統(tǒng)的三維坐標測量機的機械結構進行了簡化，采用基于CCD傳感器和圖像識別技術的新型裝置，代替了價格昂貴的傳動系統(tǒng)及相應的定位系統(tǒng)。使三維坐標測量機的成本大大降低。三坐標測量機作為通用的三維長度測量設備?，F行結構均為三個相互垂直的測量軸和各自的長度測量系統(tǒng)組成機械主體，結合測頭系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數據采集與計算機系統(tǒng)構成三坐標測量機.三坐標測量機作為現代大型精密智能儀器，由于它的通用性和自動化程度已經在工業(yè)各個領域得到廣泛的應用。隨著我國制造業(yè)水平的不斷提高、

11、規(guī)模不斷擴大，我國已成為三坐標測量機需求量最多的國家。另一方面三坐標測量機結構復雜、系統(tǒng)龐大、價格昂貴使更多的中小企業(yè)望而卻步。國際上主要有美國、法國、日本、意大利等國的公司生產各型規(guī)格的三坐標測量機，國內主要青島前哨、西安愛德華測量設備公司、航天部303所等企業(yè)生產。這些測量機的機械主體均是基于一維長度測量軸構成機械主體，結構大同小異，趨于穩(wěn)定。目前的主要研究，針對測頭系統(tǒng)開展非接觸測量研究，國外已有定型的產品，國內愛德華公司首家推出非接觸測量的測量機;另外，在控制系統(tǒng)和軟件上更加注重自動檢測、掃描測量技術研究，為自動化加工，檢測系列化提供發(fā)展幫助。 這些研究成果說明采用數字圖像傳感器，應用

12、現有圖像處理技術開展坐標位移測量是可行的三坐標測量機 (CMM)中CCD的應用主要在兩個方面中，其一是非接觸測量，另一個是本課題將要研究的將CCD應用于對三坐標測量機的結構改進中。首先來簡單介紹一下CCD在非接觸測量的應用?；谌菧y量原理的非接觸激光光學探頭應用于三坐標測量機 CMM)上代替接觸式探頭。通過探頭的掃描可以獲得準確的表面粗糙度信息，進行表面輪廓的三維立體測量以及用于模具特征線的識別?？朔私佑|式測量的局限性，提高了測量效率。將CCD傳感器技術和圖像識別技術相結合，應用于對三坐標測量機的改進中，將傳統(tǒng)的三坐標測量機的機械結構進行了簡化，采用基于CCD傳感器和圖像識別技術的新型裝置

13、，代替了價格昂貴的傳動系統(tǒng)及相應的定位系統(tǒng)，使三坐標測量機的成本大大降低。CCD器件 (Charge Coupled Device，電荷禍合器件)具有自掃描，光電靈敏度高，幾何尺寸精確及敏感單元尺寸小的優(yōu)點。隨著集成度的不斷提高，結構改善及材料質量的提高，它已日益廣泛的應用于工業(yè)非接觸圖像識別測量系統(tǒng)中，測量系統(tǒng)分辨率可達微米級。圖像識別測量系統(tǒng)一般由以下結構組成:以機械系統(tǒng)為基礎，線陣或面陣CCD(電荷禍合器件)構成攝像系統(tǒng):信息的轉換由視頻處理器件完成電荷信號到數字信號的轉換;計算機及計算技術完成信息的處理和顯示;載物臺具有三坐標或多坐標自由度。1.2研究背景及意義數字圖像平面測量技術相關

14、方法是一種新型的非接觸式得得光學測量方法，具有非接觸式，全場測量，數據采集過程簡單、測量精度高、測量環(huán)境要求低、便于實現整個過程自動化等優(yōu)點，但現有的數字圖像平面測量技術相關方法的計算精度和計算速度限制了其在工程試驗中的應用。因此，研究和改進數字圖像平面測量技術相關方法是提高計算精度和計算速度并結合數字平面測量技術相關方法的特點，將改進的數字圖像平面測量方法應用于數字圖像平面測量技術應用中，可以彌補當前測量方法的不足，解決數字圖像平面測量技術的測量中很多難題，從而產生巨大的經濟效益。隨著人類社會的形成和發(fā)展，生產、生活和貿易等活動的開展，需要更多的測量工具及簡單的測量儀器，如土地丈量、漏量計時

15、以及逐步統(tǒng)一的度量衡器。隨著人類文明時代的到來，科學技術和生產活動的大規(guī)模開展及一系列重大突破催生并發(fā)展了這一科學。同時，測量器具、技術和理論的發(fā)展又促進了生產和技術的發(fā)展。近代科學和工業(yè)化的發(fā)展，促使測量學科一方面需要進行專業(yè)化分工；同時測試技 術也要求突破經典的測量方法和技術，尋求新的測試原理與手段。如求助于電學、光學、計算機等，從單一學科發(fā)展為多學科間的相互借鑒和滲透，形成綜合各學科研究成果的新型測量系統(tǒng)。 目前，對測量技術的精度，測量效率以及測量自動化程度的要求也越來越高，傳統(tǒng) 的檢測原理和技術已經難以適應這個新的要求。特別是在某些特定場合，如微小尺寸，曲面輪廓等的在線測試課題，已成為

16、傳統(tǒng)測量方法實現的難題。因此，探索新的測量方法，具有十分重要的現實意義II刊。三十余年來，隨著激光技術，精密計量光柵制造技術，計算機技術以及圖像獲取和 處理技術的迅猛發(fā)展，已經開始將它們應用到高精度測量領域，并形成了新的測量技術圖像測量技術。圖像測量技術以光學為基礎、融入了光電子學、計算機技術、激 光技術、圖像處理技術等現代科學技術，組成光、機、電、算和控制技術一體化的綜合測量系統(tǒng)。所謂的圖像測量16l就是測量被測對象時，把圖像當作檢測和傳遞的手段或載體加以利用的測量方法，其目的是從圖像中提取有用的信號。圖像測量的基本原理就是處理被測物體圖像的邊緣紋理而獲得物體的幾何參數，因此圖像處理技術成為

17、圖像測量系統(tǒng)的基礎和關鍵。 。 而傳統(tǒng)的幾何量測量方法，是根據測量頭與被測件是否接觸可分為接觸式與非接觸式 兩大類。其中非接觸式測量方法以前主要有光學式和氣動式兩種，圖像測量技術作為一種新興的非接觸測量方法有著獨特的優(yōu)越性，它通過把被測對象的圖像作為檢測和傳遞信息的手段，從圖像中提取有用信息進而獲得待測參數。光電攝像器件的產生和普及使圖像測量技術成為可能，特別是電荷耦合器件(CCD)技術的發(fā)展，進一步促進了圖像測量技術的形成和發(fā)展。電荷耦合器件(CCD)是20世紀70年代初發(fā)展起來的一種新型半導體器件，由于它具 有自掃描、高分辨、高靈敏度、重量輕、體積小、像素位置準確、耗電少壽命長、可靠性 好

18、、信號處理方便，便于與計算機連接等優(yōu)點，30多年來發(fā)展迅速，成為近代光電成像 領域中非常重要的獲取圖像的技術手段?；贑CD器件圖像測量技術的使用范圍和測試 精度均比現有的機械式、光學式或電磁式的測量技術優(yōu)越得多，可以滿足測量速度快，精度高，使它被應用于加工、測量和控制融為一體成為可能。對圖像測量的研究，日本，德國，美國等國家開始的比較早，提出了許多測量原理 和方法，而我國在這方面的研究則開展的較晚一些。我國是從80年代中期開始圖像測量技術研究的，當時典型的應用是使用線陣電荷耦合器件(CCD)進行長度的在線測量，如對鋼絲直徑的測量，但由于每個像素的間距不可能太小，因此精度并不高。而由于當時面陣

19、CCD的價格昂貴，因而攝像圖像測量的系統(tǒng)，應用較少。最近三十幾年來，圖像測量技術在國內外發(fā)展很快，已廣泛應用到幾何量的尺寸測量，精密復雜零件的微尺寸測量和外觀檢測，航空遙感測量，以及光波干涉圖、應力應變場狀態(tài)分布圖等許多方面。圖像測量技術的迅速崛起和發(fā)展除了由于應用需求領域的不斷擴展外，還得益于計算機技術的突飛猛進和數字圖像處理技術的日臻完善。反之，由于CCD制造工藝和IC技術的不斷改進和提高，使基于CCD攝像的圖像測量系統(tǒng)不僅性能越來越高，而且其成本有所下降，這更進一步刺激著這一技術領域的快速發(fā)展。這就使數字圖像測量技術應用在位移測量中成為可能。 當前平面位移的測量現狀：平面位移測量系統(tǒng)作為

20、通用的三維長度測量設備?，F行結構均為兩個相互垂直的測量軸和各自的長度測量系統(tǒng)組成機械主體，結合測頭系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數據采集與計算機系統(tǒng)構成平面位移測量系統(tǒng)。它的通用性和自動化程度已經在工業(yè)各個領域得到廣泛的應用。國際上主要有美國、法國，日本，意大利等國的公司生產三維測量機，國內一些公司 生產出一些規(guī)格的二維位移測量，如日本生產的XY-STEEL系列數字式測量機17J，上海刀 具廠VISIONV4033三維測量機18J，愛華檢測設備有限公司的AHVWSl510三坐標測量機。這些測量機的機械主體均是基于一維長度測量軸而構成機械主體，結構大同小異，趨于穩(wěn)定。目前的主要研究，針對測頭系統(tǒng)開展非接觸測量

21、研究，國外已有定型的產品，國內愛德華公司首家推出非接觸測量的測量機；另外，在控制系統(tǒng)和軟件上更加注重自動檢測、掃描測量技術研究，為自動化加工，檢測系列化提供發(fā)展幫助。這些測量機目前的主要研究，針對于系統(tǒng)測頭進行非接觸測量研究，國外已有定型的產品；另外，在控制系統(tǒng)和軟件上更加注重自動檢測、掃描測量技術研究，為自動化加工，檢測系列化提供發(fā)展幫助。對工件尺寸和輪廓的檢測，主要方法是:通過測量測頭與工件間的相對位移，得到工件的空間坐標尺寸，經計算機處理給出測量結果。坐標測量機的實質就是取得測頭或工件的位移信息。傳統(tǒng)的位移 (坐標)測量是由坐標機的坐標軸來實現的，利用數字圖像技術進行位移測量，將大大簡化

22、坐標機的機械結構.現今對工件的輪廓等形位尺寸的測量主要分為兩類，即接觸式和非接觸式。接觸式測量大多是用三坐標測量機來完成，三坐標測量機是一種通用的三維長度測量儀器，能達到很高精度，但其缺點是成本太高，操作復雜。非接觸測量主要采用光學測量方法，用攝像機對被測工件進行點式或面式掃描，利用物點和像點的關系求得工件外輪廓的三維坐標信息，其測量速度快，但測量范圍受到限制，測量精度不高m。由于三坐標測量機結構復雜、系統(tǒng)龐大、價格昂貴使更多的中小企業(yè)難以接 受，特別是對形位尺寸精度要求不高的工件進行測量時，需開發(fā)一種機械結構簡 單，測量簡便的形位尺寸測量機，本項目采用數字圖像處理技術，對現有三坐標測量機的機

23、械主體進行簡化，實現三維空間 (平面)的位移尺寸測量，它將使三坐標測量機測量原理發(fā)生質的改變，可以認為是對現有三坐標測量機的一種革新。現代測量技術是一門集光學、電子、傳感器、圖像、制造及計算機技術為一 體的綜合性交叉學科，涉及廣泛的學科領域。在現代工業(yè)制造技術和科學研究中， 測量儀器具有集成化，智能化的發(fā)展趨勢。在對復雜零件的尺寸，形狀和相互位 置進行測量中非接觸測量起著越來越重要的作用。將CCD傳感器技術和圖像識別技術相結合應用于對三坐標測量機(CMM )的改進中，將傳統(tǒng)的三坐標測量機 (CMM)的門式結構進行了革新，放棄了價 格昂貴的高精度傳動系統(tǒng)及相應的定位系統(tǒng)，采用了基于CCD傳感器和

24、圖像識 別技術的新型裝置。使三坐標測量機 (CMM)的價格降到了可以為中小型企業(yè)承 受的價位。數字圖像處理技術在形位尺寸測量中具有廣泛的應用前景，特別是在非接觸測量和在線測量中，利用CCD器件得到被測對象的數字圖像，并對圖像進行特征分析，通過對不同時域的圖像的對比，得出位移和形狀參數，是機械加工設備在線檢測的發(fā)展方向。目的是將數字圖像處理技術應用于坐標測量機的改進中，通過獲取安裝在固定板上的攝像機的位移信息，可以獲得被測量工件的坐標尺寸，從而簡化了三坐標測量機的機械結構。圖像特征區(qū)域的邊緣分割與提取、特征表示和匹配原則是本論文擬解決的關鍵問題。具體研究工作如下: 1)測量原理方案設計及光源、C

25、CD器件、圖像卡等的選用和安裝。2)圖像提取及預處理:通過安裝在導軌底部的CCD攝像機獲取測量平臺在運動過程中的圖像序列。在此研究了微小位移對圖像灰度分布的影響，確定了圖像的預處理方法。3)圖像特征識別和重心定位:在得到的圖像序列中每一幀圖像都包含一定的特征區(qū)域。確定相鄰幀圖像中特征區(qū)域的重心的位置變化，可以得到特征區(qū)域在相鄰幀圖像中的位移信息。精確識別特征區(qū)域和重心定位是提高測量精度及可靠性的關鍵。平面位移測量系統(tǒng)作為通用的二維長度測量設備?，F行結構均為兩個相互垂直的測量軸和各自的長度測量系統(tǒng)組成機械主體，結合測頭系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數據采集與計算機系統(tǒng)構成平面位移測量系統(tǒng)。它的通用性和自動化程

26、度已經在工業(yè)各個領域得到廣泛的應 用。國際上主要有美國、法國，日本，意大利等國的公司生產二維測量機，國內一些公司生產出一些規(guī)格的二維位移測量，如日本生產的XY-STEEL系列數字式測量機17 J，上海刀具廠VISIONV4033二維測量機18J，愛華檢測設備有限公司的AHVWSl510二坐標測量機。這些測量機的機械主體均是基于一維長度測量軸而構成機械主體，結構大同小異，趨于穩(wěn)定。目前的主要研究，針對測頭系統(tǒng)開展非接觸測量研究，國外已有定型的產品，國內愛德華公司首家推出非接觸測量的測量機；另外，在控制系統(tǒng)和軟件上更加注重自動檢測、掃描測量技術研究，為自動化加工，檢測系列化提供發(fā)展的幫助。2概念設

27、計2.1步進電機圖2.1.1 步進電機（圖2.1.1）又稱為脈沖電機,基于最基本的電磁鐵原理,它是一種可以自由回轉的電磁鐵,其動作原理是依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，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動的速度和加速度，從而達到調速的目的。（1）工作原理通常電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組

28、產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一個角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。（2）工作特點1）步進電機必須加驅動才可以運轉，驅動信號必須為脈沖信號，加入適當的脈沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉動。轉動的速度和脈沖的頻率成正比。2）步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。3）改變脈沖的順序，可以方便的改變轉動

29、的方向。（3）控制方式采用PID控制方式進行控制，PID 控制根據給定值 r( t) 與實際輸出值 c(t) 構成控制偏差 e( t) , 將偏差的比例 、積分和微分通過線性組合構成控制量 ，從而對被控對象進行控制。2.2滾珠絲杠圖2.2.1滾珠絲杠（圖2.2.1）是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產品。滾珠絲杠是工具機械和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。滾珠絲杠由螺桿、螺母、鋼球、預壓片、反向器

30、、防塵器組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是艾克姆螺桿的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滑動動作變成滾動動作。（1）工做原理1）按照國標GB/T17587.3-1998及應用實例，滾珠絲杠來將旋轉運動轉化為直線運動；或將直線運動轉化為旋轉運動的執(zhí)行元件。2）當滾珠絲杠作為主動體時，螺母就會隨絲桿的轉動角度按照對應規(guī)格的導程轉化成直線運動，被動工件可以通過螺母座和螺母連接，從而實現對應的直線運動。（2）絲杠特點1）摩擦損失小、傳動效率高由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。2）高速進給和微進給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運

31、動,所以啟動力矩極小,不會出現滑動運動那樣的爬行現象,能保證實現精確的微進給。3）軸向剛度高滾珠絲杠副可以加與預壓,由于預壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。4）不能自鎖、具有傳動的可逆性。5）精度高2.3聯(lián)軸器聯(lián)軸器（圖2.3.1）是用來聯(lián)接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。（1）工作原理圖2.3.1聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相

32、聯(lián)接。聯(lián)軸器種類繁多選擇時先應根據工作要求選定合適的類型，然后按照軸的直徑計算扭矩和轉速，再從有關手冊中查出適用的型號，最后對某些關鍵零件作必要的驗算。聯(lián)軸器主要通過預緊來達到無空回傳遞扭矩，軸連接無空回，好的柔韌性和抗沖擊性，允許各個方向的偏移，即使在高速下，運動也平穩(wěn)，能承受大的工作量。聯(lián)軸器主要通過預緊來達到無空回傳遞扭矩，軸連接無空回，好的柔韌性和抗沖擊性，允許各個方向的偏移，即使在高速下，運動也平穩(wěn)，能承受大的工作量，安裝操作簡單方便，免維護，不需停工期，能承受高溫環(huán)境，小尺寸，小慣量，電絕緣，性價比高，額定扭矩0.10-650Nm。膜片本身很薄，所以當相對位移荷載產生時它很容易彎曲

33、，因此可以 承受高達1.5度的偏差，同時在步進系統(tǒng)中產生較低的軸承負荷。膜片聯(lián)軸器常用于步進系統(tǒng)中，膜片具有很好的扭矩剛性。另一方面，膜片聯(lián)軸器非常精巧，如果在使用中誤用或沒有正確安裝則很容易損壞。膜片聯(lián)軸器快易優(yōu)有收錄，所以保證偏差在聯(lián)軸器的正常運轉的承受范圍之內是非常必要的。因為步進電機能在高速區(qū)域時傳達高扭矩，要求精度高，所以選擇膜片型聯(lián)軸器。（2）單膜片聯(lián)軸器的特性 大扭矩承載、高扭矩剛性和卓越靈敏度 免維護、超強抗油和耐腐蝕性 零回轉間隙 體積小巧的聯(lián)軸器，總長度短 不銹鋼膜片補償角向軸向偏差 順時針與逆時針回轉特性完全相同2.4超聲波測距（1）超聲波測距原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)

34、射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。測距的公式表示為：L=CT式中L為測量的距離長度，C為超聲波在空氣中的傳播速度，T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數值的一半)。（2）超聲波測距誤差分析根據超聲波測距公式L=CT，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。1）時間誤差當要求測距誤差小于1mm時，假設已知超聲波速度C=344m/s (20室溫)，

35、忽略聲速的傳播誤差。測距誤差st(0.001/344) 0.000002907s 即2.907s。在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機的定時器能方便的計數到1s的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內。2）超聲波傳播速度誤差超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關系。已知超聲波速度與溫度的關系如下：v=331.5+0.6t (m/s)式中： r 氣體定壓熱容與定容熱容的比值，

36、對空氣為1.40，R 氣體普適常量，8.314kgmol-1K-1，M氣體分子量，空氣為28.810-3kgmol-1，T 絕對溫度，273K+T。（3）超聲波測距特點 超聲波指向性強，在介質中傳播的距離較遠，超聲波檢測比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。2.5平面位移控制裝置原理平面位移控制裝置是一種能夠在平面上進行自動位移控制的裝置，其特征在于：所述的控制裝置由兩個相互垂直套接成十字形的系統(tǒng)構成，包括兩個步進電機，兩個超聲波測距模塊，3根絲杠，STC89C51單片機，LCD1602液晶顯示屏，若干導線等等。（1）平面位移系統(tǒng)水平方向共有兩個絲

37、杠（分別命名為絲杠1，絲杠2 ），其中絲杠1由步進電機通過聯(lián)軸器來控制其旋轉，在聯(lián)軸器與絲杠1之間放置一個主動輪，絲杠另一端放置另一個主動輪，在絲杠2 的兩端分別放置一個從動輪，兩個主動輪與兩個從動輪之間通過皮帶進行連接，步進電機產生的動力通過聯(lián)軸器使絲杠1進行旋轉，絲杠1通過兩個主動輪帶動絲杠2 的從動輪，使絲杠2進行同相位旋轉，進而使得兩根絲杠上的螺母無偏差的同位移運動。垂直方向上，另外一個步進電機放置在絲杠1 的螺母上，絲杠3的兩個軸承座分別放置在絲杠1和絲杠2的螺母上。所述的每個電機都有一個相對應的行程開關控制，在同一個時刻，只有一個方向的電機是運轉狀態(tài)，要實現哪個方向的位移，哪個方向

38、的電機的行程開關打開，驅動此電機開始運轉，更改方向時，原運動方向的行程開關控制本方向的電機停止運動；所述的傳送裝置由一組相同大小的傳送塊和傳送塊之間的連接件組成，每個連接件均有打開和關閉兩種狀態(tài)，打開時可保證一個方向的傳送正常運動，關閉時該方向的連接斷開，停止運動，且這兩種狀態(tài)與該方向的電機的開啟和停止狀態(tài)保持一致（2）距離矯正系統(tǒng)利用超聲波測距模塊對被測點進行距離測量，將測量的數據反饋給單片機，單片機對數據進行判斷，從而對被測點位置進行修正。（3）工作原理當操作者輸入一個位移坐標后，水平方向步進電機開始工作，使絲杠轉動，當螺母到達預定位置坐標后，此時水平方向的測距模塊開始工作，裝置開始進行水

39、平方向距離修正；當橫向坐標確定后，垂直方向步進開始工作，使絲杠轉動，當螺母到達預定位置坐標后，此時垂直方向的測距模塊開始工作，裝置進行垂直方向距離修正。2.6整體裝置工作原理圖圖2.6.1 平面位移控制裝置原理圖 聯(lián)軸器超聲波測距模塊絲杠1步進電機絲杠支撐座主動輪三角皮帶從動輪絲杠2絲杠32.7材料的型號的選擇（1）步進電機的選擇已知扭矩公式為 T=9550pn其中：T為扭矩,單位：NMp為輸出功率，單位Kwn為電機轉速，單位r/min經計算PG36-42BY 型42步進電機的參數符合設計要求。參數為： 減速比為：13.7，減速級數為：2，最大額定扭矩：30kgcm 瞬時允許扭矩：90kgcm

40、（2）絲杠的選擇步進電機的步距角為1.83601.8=2000步又要求精度為1mm選擇螺紋外徑d=12mm,導程d=4mm的絲杠。（3）聯(lián)軸器的選擇選擇膜片型聯(lián)軸器（4）電子器件選擇采用AT89C51芯片 LCD1602液晶顯示屏 3.技術設計3.1電路說明（1）整體電路圖原理圖圖3.1.1（2）電路原理說明1）電路各部分說明圖3.1.2仿真單片機的選擇，AT89C52為控制，如圖3.1.2所示，搭建單片機最小系統(tǒng)。通過編寫程序，控制LCD1602液晶顯示所要定位的坐標，并實時顯示步進電機所走的步數。2）按鍵說明為少硬件的使用，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定的同時降低系統(tǒng)設計和制作的成本，我們在按鍵設置上只保

41、留了5個按鍵用于所需定位坐標的輸入。如圖3.1.3所示：按鍵“L”“R”用于輸入值光標的左移與右移。按鍵“加”與“減”用于輸入值光標所在位上的值的加減。按鍵“STOP”用于輸入的輸入與電機開始信號的。使用方法如下，按下按鍵“STOP”按鍵通過移動輸入坐標的光標來改變輸入坐標每次增加或減小的量按一下按鍵“STOP”電機開始轉動。圖3.1.33）電機驅動設計 如圖3.1.4所示，因為電機的轉動所需的電流大約是200mA，單片機所能輸出的電流大約是1mA。所以不能通過單片機直接驅動步進電機轉動，要加一個驅動芯片，在此選擇ULN2003芯片。通過上圖電路設計，不僅電機可以正常運轉，因而達到設計要求。圖

42、3.1.44）顯示電路設計如圖3.1.5所示，顯示部分用LCD1602液晶作為顯示。將LCD1602液晶與單片機I/O相連，通過應用應用程序，在LCD1602液晶屏上的第一行顯示輸入的坐標值，在液晶屏的第二行顯示當前電機轉動位置值。這樣可以清晰讓人知道系統(tǒng)的工作狀態(tài)。5）仿真運行結果圖圖3.1.5如圖3.1.6所示，動過按鍵輸入所要定位的坐標（X:130，Y:140)之后，電機開始轉動，到達所輸入的坐標位置，有上圖所示，最后到達的位置正好是輸入的坐標。說明了從電路設計到程序的編寫，到是合理，且符合設計要求。圖3.1.63.2程序流程圖開始系統(tǒng)初始化led初始化超聲波初始化按鍵key是否按下輸入

43、位置坐標驅動電機運動顯示距離NY3.3部分程序#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define FOSC 11059200L#define T1MS (65536-FOSC/5000) /1T模式sfr AUXR = 0x8e; unsigned char code A_Rotation8=0x08,0x18,0x10,0x30,0x20,0x60,0x40,0x48; unsigned char code B_Rotation8=0x48,0x40,0x60,0x20,0x30,0x10

44、,0x18,0x08; /*void disPlay(void);void main() char vpr3=0;int i,j; AUXR |= 0x80; /定時器0為1T模式 TMOD = 0x00; /設置定時器為模式0 TL0 = 0x71; /設置定時初值 TH0 = 0xDD; /設置定時初值 TR0 = 1; /定時器0開始計時 ET0 = 1; /使能定時器0中斷 EA = 1; init_1602(); disPlay(); while(1)/電機轉動,按鍵顯示while(key) while(2PP1&PP16)if(D = 3)if(PP1 =3 ) X_1 = X_1

45、+100; D =0;PP1 = 0;if(PP1 =4 ) X_1 = X_1+10; D = 0;PP1 = 0;if(PP1 =5 ) X_1 = X_1+1;D =0;PP1 = 0;if(D = 4) if(PP1 =3 ) X_1 = X_1-100; D = 0;PP1 = 0;if(PP1 =4 ) X_1 = X_1-10;D =0;PP1 = 0;if(PP1 =5 ) X_1 = X_1-1; D = 0;PP1 = 0;if(X_110000) X_1=0;write_by_zifu(3,0,X_1/100%10+0);write_by_zifu(4,0,X_1/10%

46、10+0);write_by_zifu(5,0,X_1%10+0); while(9PP1&PP113)if(D = 3)if(PP1 =10 ) Y_1 = Y_1+100; D =0;PP1 = 0;if(PP1 =11 ) Y_1 = Y_1+10; D = 0;PP1 = 0;if(PP1 =12 ) Y_1 = Y_1+1;D =0;PP1 = 0;if(Y_110000) Y_1=0;if(D = 4) if(PP1 =10 ) Y_1 = Y_1-100; D =0;PP1 = 0;if(PP1 =11 ) Y_1 = Y_1-10; D = 0;PP1 = 0;if(PP1 =

47、12) Y_1 = Y_1-1;D =0;PP1 = 0;if(Y_110000) Y_1=0;write_by_zifu(10,0,Y_1/100%10+0);write_by_zifu(11,0,Y_1/10%10+0);write_by_zifu(12,0,Y_1%10+0); while(key_D)key_D = 0;if(X_1=Y_1)for(j=0;j(X_1/8);j+) for(i=0;i8;i+) /?8?P2 = B_Rotationi; /X_N+;/順時針Y_N+;delay(2); /write_by_zifu(3,1,X_N/100%10+0);write_by

48、_zifu(4,1,X_N/10%10+0);write_by_zifu(5,1,X_N%10+0);write_by_zifu(10,1,Y_N/100%10+0);write_by_zifu(11,1,Y_N/10%10+0);write_by_zifu(12,1,Y_N%10+0);for(j=0;j(Y_1/8)-(X_1/8);j+)for(i=0;i8;i+) P2 = B_Rotationi&0xf0; Y_N+;/順時針delay(2);write_by_zifu(10,1,Y_N/100%10+0);write_by_zifu(11,1,Y_N/10%10+0);write_

49、by_zifu(12,1,Y_N%10+0);for(i=0;iY_1%8;i+) P2 = B_Rotationi&0xf0;Y_N+;/順時針delay(2); write_by_zifu(10,1,Y_N/100%10+0);write_by_zifu(11,1,Y_N/10%10+0);write_by_zifu(12,1,Y_N%10+0);for(i=0;iY_1 for(j=0;j(Y_1/8);j+) for(i=0;i8;i+) / P2 = B_Rotationi; X_N+;/順時針Y_N+;delay(2); /write_by_zifu(3,1,X_N/100%10+

50、0);write_by_zifu(4,1,X_N/10%10+0);write_by_zifu(5,1,X_N%10+0);write_by_zifu(10,1,Y_N/100%10+0);write_by_zifu(11,1,Y_N/10%10+0);write_by_zifu(12,1,Y_N%10+0);for(j=0;j(X_1/8)-(Y_1/8);j+) for(i=0;i8;i+) P2 = B_Rotationi&0xf; X_N+;/順時針delay(2); write_by_zifu(3,1,X_N/100%10+0);write_by_zifu(4,1,X_N/10%10+0);write_by_zifu(5,1,X_N%10+0);for(i=0;iX_1%8;i+) P2 = B_Rotationi&0xf; X_N+;/順時針delay(2); write_by_zifu(3,