光機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)

1、4奧Z才大4HefeiUniversityofTechnology課程設(shè)計(jì)報(bào)告名稱：光機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)院系：儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院班級(jí)：光信 07-2學(xué)號(hào)：20070239學(xué)生姓名：李梓霖指導(dǎo)教師：陶曉杰張騰達(dá)2010 年 12 月 5 日總體方案設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)一維數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成部分，如車、銃、鉆、激光加工等各種數(shù)控設(shè)備。因此一維數(shù)控工作臺(tái)對(duì)機(jī)電一體化專業(yè)的教學(xué)和科研都具有普遍的意義。設(shè)計(jì)一個(gè)一維數(shù)控工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)，定位精度為=0.01mm,其他設(shè)計(jì)參數(shù)如下：工作臺(tái)面板1503200承受載荷Pz=12Kg,Px=15Kg,Py=6Kg最大移動(dòng)距離300mm

2、最大移動(dòng)速度2.5m/min采用聯(lián)軸器傳動(dòng)1.2 總體方案確定1、系統(tǒng)總體基本思想：系統(tǒng)基本原理如上圖所示，由單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角，電機(jī)連著絲杠，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工作臺(tái)移動(dòng)，由單片機(jī)測(cè)的編碼器的脈沖數(shù)，從而計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的工作臺(tái)移動(dòng)距離。綜上，設(shè)計(jì)基本思想如下：(1)機(jī)械設(shè)計(jì)通過給定的參數(shù)，計(jì)算確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件慣性，確定步進(jìn)電機(jī)，滾動(dòng)絲杠螺母計(jì)算和選型，滾珠絲桿副的計(jì)算和選型，聯(lián)軸器的計(jì)算與選型，在此基礎(chǔ)上，繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖。(2)電學(xué)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用了與MCS-51系列兼容的SST89E58RD單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，

3、速度快，有較高的性價(jià)比。控制系統(tǒng)由MCU部分、存儲(chǔ)器擴(kuò)展部分、鍵盤與LED顯示部分、I/O接口、光電耦合電路控制、步進(jìn)電機(jī)、測(cè)速部分。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺(tái)的狀態(tài)。(3)光學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)速部分是由光學(xué)設(shè)計(jì)部分完成，光學(xué)設(shè)計(jì)部分要求利用光柵設(shè)計(jì)一個(gè)光電傳感器，利用此傳感器可以測(cè)量步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、線度等信息，為數(shù)控系統(tǒng)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制提供參數(shù)。主要設(shè)計(jì)參數(shù)是：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步(一個(gè)步距角)至少輸出5個(gè)脈沖當(dāng)量。.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)脈沖當(dāng)量的選定我們所設(shè)計(jì)的是半閉環(huán)式數(shù)控機(jī)床，目前在此種機(jī)床上常用的脈沖編碼器兼做位置和速度反饋。伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，傳感器發(fā)出一

4、定數(shù)量的脈沖，每個(gè)脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角。步進(jìn)電機(jī)是一種電脈沖控制的特種電機(jī)，對(duì)于每一個(gè)電脈沖步進(jìn)電機(jī)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定的步進(jìn)角位移，每一個(gè)脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱謂步進(jìn)電機(jī)的步距角。因此，每脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角，這個(gè)轉(zhuǎn)角經(jīng)聯(lián)軸器和滾珠絲杠使工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離。每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行件的距離，稱謂脈沖當(dāng)量或分辨率。應(yīng)根據(jù)機(jī)床或工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)要求的定位精度來確定脈沖當(dāng)量?？紤]機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)誤差的存在，脈沖當(dāng)量要小于定位精度。根據(jù)以上確定我的脈沖當(dāng)量為0.01.工作臺(tái)外形尺寸及重量估算X向拖板尺寸：長(zhǎng) M 寬尺高1503200350重量：按重量=體積3材料比重估算_3_215020050107.810：1

5、17N工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約117N。工作臺(tái)最大承重：120N工作臺(tái)總承重：237N滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定、導(dǎo)軌型式：滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌長(zhǎng)度導(dǎo)軌(X向)工作臺(tái)長(zhǎng)Lx=150mm最大移動(dòng)距離L=300mm余量lx=20mm取導(dǎo)軌長(zhǎng)度L=LxLlx=470mm、滾動(dòng)副選擇導(dǎo)軌Pmax=G=237(N)查表初定導(dǎo)軌副型號(hào)為GTA20,額定動(dòng)載荷Ca=550(N),由計(jì)算公式:60m/min時(shí)，fW=23.5。一般導(dǎo)軌的距離期望壽命定為50km,若距離額定壽命L大于滾動(dòng)導(dǎo)軌的期望壽命，則滿足設(shè)計(jì)要求，初選的滾動(dòng)導(dǎo)軌副可以采用，此處我們?nèi)H=1.0,fT=1,fC=0.81,fv=1.5,以導(dǎo)軌計(jì)算

6、F=237N代入方t算得L=98.40km,充分滿足要求。、滾動(dòng)導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法當(dāng)工作臺(tái)往復(fù)移動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)壓在兩端滾動(dòng)體上的壓力會(huì)發(fā)生變化，受力大的滾動(dòng)體變形大，受力小的滾動(dòng)體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置I時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力相等，工作臺(tái)保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動(dòng)到位置H或出時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力不相等，變形不一致，使工作臺(tái)傾斜口角，由此造成誤差。此外，滾動(dòng)體支承工作臺(tái)，若工作臺(tái)剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會(huì)使工作臺(tái)下凹（有時(shí)還可能出現(xiàn)波浪形），影響導(dǎo)軌的精度。滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銃削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銃削時(shí)的情況計(jì)算。、最大動(dòng)負(fù)載Q的計(jì)算Q=3Lf.fHFm

7、查表得系數(shù)fs=1.5,fH=1,壽命值,60nTL二6106查表得使用壽命時(shí)間T=15000h,初選絲杠螺距t=4mm,得絲杠轉(zhuǎn)速絲杠牽引力=1.4140.01237150=153.35(N)所以最大動(dòng)負(fù)荷CafHfTfcL=501000Vmaxn二t10002.5=625(r/min)所以6062515000106=562.5P=1.414f當(dāng)GxPX（f當(dāng)一一當(dāng)量摩擦系數(shù)）X向Qx=遍5父1.5父1父153.35=1966.7網(wǎng)）查表，取滾珠絲杠公稱直徑孔=20mm,選用滾珠絲杠螺母副的型號(hào)為CDM2034-2.5-E,其額定動(dòng)載荷為4900N,足夠用。、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算表2-

8、1滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名稱符號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果螺紋滾道公稱直徑d020螺距t4接觸角P45二鋼球直徑dq2.3812螺紋滾道法面半徑RR=0.52dq=1.24q偏心距ee=(R-dq/2JsinP=0.035螺紋升角Va=arctg=3.39nd。螺桿螺桿外徑dd=d0-(0.20.25)dq=19.4螺桿內(nèi)徑dldi=d0+2e-2R=17.59螺桿接觸直徑dzdz=d-dqcosP=18.32螺母螺母螺紋外徑DD=d0-2e+2R=22.41螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）DID=d0+(0.20.255)dq=20.595見表2-1。、傳動(dòng)效率計(jì)算tgtg3.39=0.952tg()tg(3.390

9、.17)式中：一一摩擦角；一一絲杠螺紋升角。、剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程L0的變化量，L=旦EFP=153.35(N)E=20.6M106(N/cm2)(材料為鋼)FGR2=3.1401=2.21cm22L0=0.4(cm),153.350.4L-_620.61062.21絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量VL2很小，可以忽略。所以導(dǎo)程總誤差查表知E級(jí)精度的絲杠允許誤差15Nm,故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗(yàn)算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。步進(jìn)電機(jī)的選用、步進(jìn)電機(jī)的步距角1b取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量6P=0.01mm/step,初選步進(jìn)電機(jī)步距角9b=0.9、步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)

10、電機(jī)等效負(fù)載力矩為T,負(fù)載力為P,根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力做功有如下關(guān)系T!=Ps式中：一一電機(jī)轉(zhuǎn)角；s移動(dòng)部件的相應(yīng)位移；一一機(jī)械傳動(dòng)效率。所以=1.3510a(cm)二.LL。=1.35101000.4=3.375m/m若取甲=%，則s=6p,且P=PS+NG,所以36pPSJG1p21b(Ncm)式中：PS移動(dòng)部件負(fù)載（N）;G移動(dòng)部件重量用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N）;一一導(dǎo)軌摩擦系數(shù);電機(jī)軸負(fù)載力矩（NVm）本例中，取N=0.03（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)）N）；R-與重量方向一致的作6b步進(jìn)電機(jī)步距角，（rad）;T,”=0.96,PS為絲杠牽引力，Ps=28.6N。G

11、=237N,所以360.01128.60.032371T二2二0.90.96=2.37(Ncm)若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩對(duì)于工作方式為二相八拍的三相步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率工1000Vmax10002.5fmax吧4167(HZ)60、D600.01p4、步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，得Jd二J0JiM1eh180b折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（Kg2cm2）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg2cmf）滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg2cm2）移動(dòng)部件的質(zhì)量（Kg）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.78D4L10多kgcm2算得Jd=7.08kgcm2查表選用110BYG250型步

12、進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見表2-2。表2-2步進(jìn)電機(jī)參數(shù)型號(hào)主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸（mm）重量(kg)步距角轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(NVm2)空載i1行頻率（KHz）1相數(shù)電壓（V）電流（A）外徑長(zhǎng)度軸徑取安全系數(shù)為0.3,則2.37Tq=7.9Ncm0.3Tjmaxq=11.2Ncm0.707JdJ0JiM110BYG2500.9152021203105.0110112166.5刻修尺寸L10BZG250/110BTG350/110BTG550怦幽X匹）確定傳動(dòng)比因?yàn)槁?lián)軸器傳動(dòng)，所以傳動(dòng)比為1。因步進(jìn)電機(jī)步距角Hb=1.5滾珠絲杠螺距t=4mm,脈沖當(dāng)量6P=0.01mm/step,系統(tǒng)傳動(dòng)比,乙p3600.

13、01360/Z2%t0.94聯(lián)軸器選型由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、絲杠公稱直徑等參數(shù)，選擇HL2型彈性柱銷聯(lián)軸器。型-號(hào)公稱轉(zhuǎn)矩N2m許用轉(zhuǎn)速軸孔直徑*d、d2、dz軸孔長(zhǎng)度D質(zhì)量m/kg轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Kg/m2許用補(bǔ)償量鐵鋼Y 型J、JZ 型徑向軸向角向LL1LHL23155600560020,22,2452385212050.2530.15+10.5三.電學(xué)部分硬件設(shè)計(jì)一維數(shù)控工作臺(tái)采用單片機(jī)控制，單片機(jī)系統(tǒng)包括：兩路步進(jìn)電機(jī)速度控制，測(cè)量頭電機(jī)控制，32KROM,32KRAM,6位LED顯示，434鍵盤，2路編碼器輸入，4路模擬開關(guān)。CPU 板-Numbered_82d60954-f96d-41e2-b488

14、-c2f2065ace99-Numbered_e850bfba-ba43-43f5-b989-311c90df48b2-NumberCPU的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，他們具有功能強(qiáng)大，上手容易，使用方便，且均為8位，數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點(diǎn)。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機(jī)，MCS-96系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片

15、機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無疑提高了設(shè)計(jì)價(jià)格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機(jī)的廠家有Intel、ATMEL、Simens,其中在CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)域ATMEL公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件CPU選用SST89E58RD。SST89E58RD的性能參數(shù)為：Flash存儲(chǔ)器容量為4KB、16位定時(shí)器2個(gè)、中斷源6個(gè)(看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中

16、斷0、外部中斷1、定時(shí)器。和定時(shí)器1中斷)、RAM為128B、14位的計(jì)數(shù)器WDT、I/O口共有32個(gè)。-Numbered_82d60954-f96d-41e2-b488-c2f2065ace99-Numbered_e850bfba-ba43-43f5-b989-311c90df48b2-NumberCPU接口設(shè)計(jì)CPU接口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示：圖3-1CPU外部接口示意圖SST89E58RD要完成的任務(wù)：(1)將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入CPU,通過中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。(2)通過程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)和電磁鐵的運(yùn)行。(3)接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)

17、指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應(yīng)到實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。由于SST89E58RD只有P1口和P3口是準(zhǔn)雙向口，但P3口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進(jìn)行I/O擴(kuò)展?？紤]到電路的簡(jiǎn)便性和可實(shí)現(xiàn)性，實(shí)際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的8255,所以SST89E58RD的I/O口線分配如下：P0口、P1口用于外擴(kuò)兩個(gè)8255來擴(kuò)展I/O口；P2.7、P2.6用于外擴(kuò)8255;P2.0用于電機(jī)控制；P2.4用于編碼器輸入；P2.5用于外擴(kuò)EEPROM;控制系統(tǒng)部分原理圖：外擴(kuò)RAM和ROM:驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀

18、時(shí)能快速運(yùn)行、工作時(shí)能帶動(dòng)工作臺(tái)并克服外力(如切削力、 摩擦力)并以指令的速度運(yùn)行。 在定位和退刀時(shí)電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時(shí)能及時(shí)釋放磁力使筆尖壓下。-Numbered_82d60954-f96d-41e2-b488-c2f2065ace99-Numbered_e850bfba-ba43-43f5-b989-311c90df48b2-Number步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm,步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn)0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU的作用，當(dāng)功放電

19、路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)將大的電壓加在CPU上使其燒壞。LED上,XEqZ.EXE,白znw27VCC圖3-4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖該電路中的功放電路是一個(gè)單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲(chǔ)存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動(dòng)機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。-Numbered_82d60954-f96d-41e2-b488-c2f2065ace99-Numbered_e850bfba-ba43-43f5-b989-311c90df48b2-Num

20、ber電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對(duì)簡(jiǎn)單。其光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵的電流比較大。圖3-6電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路傳感器和人機(jī)界面人機(jī)界面設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則就是要有良好的人機(jī)交互能力,此系統(tǒng)中共有6個(gè)LED,434矩陣鍵盤。設(shè)計(jì)原理如圖：圖3-8人機(jī)界面圖此部分?jǐn)?shù)碼管采用段點(diǎn)亮，此種方法設(shè)計(jì)雖然軟件上寫起來有些困難，但比起使用ZLG7289節(jié)約成本且對(duì)于初學(xué)者書本上講的也是段點(diǎn)亮，因此考慮實(shí)用和應(yīng)用層面，所以采用此種方法。般要求操作簡(jiǎn)便，界面簡(jiǎn)潔明了。四.電學(xué)部分軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)初始化后通過鍵盤輸入工作臺(tái)要移動(dòng)的距離,同時(shí)采用數(shù)碼管顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)角， 并將相應(yīng)的值存到

21、定電機(jī)轉(zhuǎn)角控制的工作臺(tái)移動(dòng)距離。輸入完畢后由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，RAM中，同時(shí)測(cè)量工作臺(tái)移動(dòng)距離由此確中斷1累加器計(jì)數(shù)關(guān)聯(lián)移動(dòng)距離，將累加器的值存在RAM中不同于上述的單元中，以方便后續(xù)比較。中斷2將存儲(chǔ)到的不同單元即電機(jī)控制工作臺(tái)移動(dòng)距離和工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)距離拿出來做比較，相同則說明工作臺(tái)移動(dòng)距離與設(shè)定相同所以不作處理，不同則說明工作臺(tái)移動(dòng)距離與輸入值不符，則通過單片機(jī)進(jìn)行控制來做矯正處理。五.光學(xué)部分設(shè)計(jì)總體方案光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是采用光柵副測(cè)量絲杠轉(zhuǎn)角，該部分設(shè)計(jì)涉及到光源設(shè)計(jì)、準(zhǔn)直鏡設(shè)計(jì)、光柵副設(shè)計(jì)、光電探測(cè)器設(shè)計(jì)。光源設(shè)計(jì)包括一般選取點(diǎn)光源，需要去定光源類型、型號(hào)，準(zhǔn)直鏡的作用就是

22、叫光源的光變成平行光。光柵副設(shè)計(jì)包括主光柵的柵距、縫長(zhǎng)、縫寬設(shè)計(jì)，指示光柵結(jié)構(gòu)、參數(shù)確定，零位光柵的選取，光柵間距的確定。光電探測(cè)器類型，一般就采用光電三極管加比較電路處理，輸出為矩形脈沖型號(hào)，可以很好的與數(shù)字電路駁接。參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)要求：檢測(cè)絲杠轉(zhuǎn)角，步進(jìn)電機(jī)走一步，編碼器輸出不小于5個(gè)脈沖信號(hào)，確定主要參數(shù)。光源的類型型號(hào)確定光源我們采用LED,LED的特點(diǎn)非常明顯：壽命長(zhǎng)、光效高、無輻射、低功耗。LED的光譜幾乎全部集中在可見光頻段。這是采用普通光源不具有的優(yōu)勢(shì)。采用普通燈泡光源，為了使后續(xù)光電探測(cè)器的輸出信號(hào)足夠大，足夠分辨，燈泡是需要有一定的功率。然而這樣就帶來兩個(gè)問題：一是溫升問題，

23、二是燈泡壽命問題。對(duì)于高精度測(cè)量來說，光柵的溫升會(huì)引起測(cè)量誤差；燈泡的壽命太短要經(jīng)常更換，也太麻煩。采用LED類型光源就可以避免這種問題的出現(xiàn)。查找資料，選取一款來自深圳的LED光源，型號(hào)：SST-R-3528-85105-C-12。名稱：12VDCNon-waterproofrigid3528LEDlightbar(105LEDs/85cm)。卜面為該款電源的參數(shù):Description:12VDCnon-waterproof3528RigidLightBar(105LEDs/85cm)temNo.:SST-R-3528-85105-C-12nputVoltage:12VDC_EDType:

24、3528SMDBeamAngle120,EDQty:105LEDs/pcWattage8.4w_EDSpacing:8mmMin.cuttingunit3LEDsMin.cutting1ength25mmPCBA1uminumDimension:L850 xW8mmPratingNASea1methodNAnsta11ationfixingc1ipsPackage1pc/tube,50pcs/box準(zhǔn)直鏡參數(shù).透鏡的通光口徑的確定以硅光電池直接接收式光路為例，為了提高莫爾條紋的反差，減少?gòu)V源發(fā)散的影響，一般都采用平行光垂直照射光柵面，為此必須有準(zhǔn)直透鏡。透鏡的通光尺寸在平行于柵線方向上為口，在

25、垂直于柵線方向上為11,則.,.12、.二bL-2(1.5-4)mmb=1Lb2(13)mm式中，12/f和b2/f為燈絲發(fā)散角；f為準(zhǔn)直透鏡焦距；12、b2為燈絲的長(zhǎng)度和寬度；L為與傳感器有關(guān)的值；1、b分別為硅光電池的長(zhǎng)度與寬度。由上式的準(zhǔn)直透鏡的通光口徑為d=b12112(13)mm2透鏡的型式和焦距在上述光路中，若柵距較大而兩光柵之間間隙較小時(shí)，常采用單片平凸透鏡，并使平面朝向燈絲以減小象差；在大間隙使用時(shí)，為了減小象差，特別是色差，提高莫爾條紋的反差，應(yīng)采用雙片平凸透鏡，相對(duì)孔徑不宜大于0.8,雙片平凸透鏡不宜大于1。兩光柵間隙較大時(shí)，上述數(shù)據(jù)可適當(dāng)減小。適當(dāng)?shù)目s短焦距，可使傳感器結(jié)

26、構(gòu)緊湊，并能提高光電池上的照度。準(zhǔn)直鏡的主要作用就是將光源的光束變成平行光，因此準(zhǔn)直鏡采用一般透鏡即可，考慮到安裝長(zhǎng)度，采用小焦距的透鏡比較合適。采用焦距f=10cm,直徑為25mm的透鏡可以很好的將光源的光線變成平行光。25mm的選擇是考慮到絲杠直徑為20mm。光柵副設(shè)計(jì)光柵副包括主光柵以及指示光柵，零位光柵在實(shí)現(xiàn)原理很復(fù)雜：零位光柵測(cè)量系統(tǒng)是在增量式光柵測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型測(cè)量系統(tǒng)。增量式測(cè)量方法是采用“置0”來選擇工作原點(diǎn)的，它可以依據(jù)操作要求選在任一位置。零位光柵與普通光柵不同，它是一線紅復(fù)雜的柵線序列，是一種非等間隔和非等寬度的明暗相間的光柵。所以設(shè)計(jì)中就沒有設(shè)計(jì)零位光

27、柵功能。主光柵安裝在齒輪一端，因此選擇圓光柵。同時(shí)設(shè)計(jì)要求步進(jìn)電機(jī)每走一步編碼器至少輸出5個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)的步距角為d=0.97脈沖。從工程角度考慮，步進(jìn)電機(jī)走一步，編碼器輸出6個(gè)脈沖。那么主光柵的柵距角為0.15。，光柵直徑取20mm,柵距0.026mm,縫長(zhǎng)為2mm,縫寬默認(rèn)為柵距的一半。采用2500線/周的圓形光柵即可。而只是光柵采用直光柵即可，一般情況下指示光柵的參數(shù)與主光柵相同，即：柵距0.026mm,縫長(zhǎng)為2mm,縫寬為1mm。光電探測(cè)器的選擇光柵傳感器常用的光電接收元件主要有：硅光電池光電二極管光電三極管。硅光電池硅光電池使用的特點(diǎn)是：工作面積大，不需外加電源，受光照面為整機(jī)，背光照