机械电子工程课程设计水平导轨位移,速度测量机构.doc

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1、课程设计任务书一、设计题目：水平导轨位移、速度测量机构二、设计目的 本专业课程设计是针对本专业重点课程和培养目标而进行的。主要培养学生在课堂讲授环节和实验环节完成的基础上，叫综合地运用所学的知识解决问题的初步能力，以进一步掌握和加深对有关知识的理解。三、设计的基本思想 利用电机通过联轴器带动导轨的水平运动，位移传感器检测位移量，送入单片机进行处理级显示。 对于水平导轨位移、速度的测量，分成两个部分： （1）关于导轨的设计及电机的选择； （2）关于硬件电路的设计和程序编写。 在设计的过程中，首先进行对位移传感器的选择。因为导轨的精度要达到微米级，而且导轨是在短距离内做的水平直线运动，所以光栅传感

2、器无疑是个理想的选择。选好传感器后，也为设计硬件电路大致指明了方向：单片机检测外部脉冲信号，然后对其进行处理，送入数码管显示其次电机的选取也十分关键，因为电机的性能直接影响到导轨的水平位移分辨率；另外，本次设计的重中之重在于机构图的绘制。四、设计的内容 内容主要为单片机组成的小型检测或控制系统设计。主要包括：机构设计、硬件设计、软件程序设计。五、设计任务 （1）用 CAD 绘制完整的设计机构图； （2）绘制电原理图； （3）编写软件程序。六、机构设计1、导轨的设计1.1、选择导轨应包括下列几方面的内容： （1）根据工作条件选择合适的导轨类型； （2）选择导轨的截面形状，以保证导向精度； （3）

3、选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度、良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳。1.2、各种导轨的比较 （1）三角形导轨： 该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为 90；为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，采用较大的顶角（110120）；为提高导向性，采用较小的顶角（60）。如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。 （2）矩形导轨： 优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较窄，承载力较大，刚度高，故应用广泛。但它的导向精度没有三角形导轨高；

4、导轨间隙需要用压板或镶条调整，且磨损后需重新调整。 （3）三角形和矩形组合： 这种组合形式以三角导轨为导向面，导向精度较高，而平导轨的工艺好，因此应用最广。 这种组合有 V-平组合、棱-平组合两种形式。V-平组合导轨易储存润滑油， （见图 1）低、高速都能采用；棱-平组合导轨不能储存润滑油，只用于低速移动。 图1 根据本设计的条件及上述比较，本设计中采用 V-平组合导轨。V 型导轨和平面导轨相结合的形式，V 型导轨作为导向，平面导轨作为支撑体。为使导轨移动轻便、省力和两导轨磨损均匀，驱动元件应设在三角形导轨之下，或偏向三角形导轨。2、滑动轨道（工作台）的选择2.1、工作台的确定条件 （1）首先

5、确定工作台的行程； （2）确定移动部件所驱动负载的大小； （3）确定工艺的要求，选择所需用的定位精度与等级； （4）确定移动部件的响应速度； （5）结合机械安装的需求，选择相配合的联轴器，从而确定工作台的选型； （6）选出所需用的配件，如限位的缓冲器，限位检测开关，原点检测开关； （7）选好工作台后，进行驱动部件的选择。2.2、工作台得选择 本设计中用于精密机构，工作台的行程取为 150MM，据上述要求选取型号为DZH150 的水平工作台；另外该型号的载重量为 300N，满足本设计的要求，所以选型号为 DZH150 的水平工作台。表一：DZH150 的参数 行 长 底 座 高 度 台面尺寸 安

6、装尺寸 型 号 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 台面运 搭载重 精度等 重复定 定位精 运行直 型 号 行 程 行平行 量N 级 位精度 度 线度 度DZH150 150 300 P4 0.005 0.025 0.015 0.0253、传感器的选择 测量信号的采集、处理和记录，要求采用的系统和器件都是以数字的形式输出和输入。光栅传感器以其测量精度高、量程大、直接输出数字量等优点，在精密检测系统中获得广泛

7、的应用。3.1、光栅位移传感器的结构原理 光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种。它的特点是测量精确高（可达1um）、响应速度快和量程范围大（一般为 1-2m，连接使用可达到 10m）等。光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多。 光栅条纹密度一般为每毫米 20、50、100、250 条等。把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹，它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列。3.2、本设计中选择 FC-2 系列敞开式紧凑型光栅尺（工作参数如下）。 机械电气特性 准确度 5

8、m、10m、15m、30m，温度为 20 时 分辨力 0.5m、1m、5m 测量长度 501000mm（每 50mm 为一档），11003000mm （每 100mm 一档） 测量速度 30M/分钟 ， （分辨力 0.5m） 50M/分钟（分辨力 1m）， 最高 90M/分钟（分辨力 5m） 零位标记 从测量长度中间开始，每间隔 50mm 一个零位标记 尺身总长 ，测量长度169mm（大 测量长度149mm（0.9M 以内） 于 0.9M） 重量 0.5Kg0.5Kg/m 测量长度 移动力矩 小于 5N 方波输出 5V TTL 方波，RS422长线 工作电压 5V 5 环境特性 震动（55Hz

9、-2KHz） 小于 100M/平方秒 冲击（11ms） 200M/平方秒 工作温度 0-50 存放温度 -20-70 保护等级 IP53（遵照安装手册进行安装）4、电机的选择 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目

10、的。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。 （1）永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5度 或 15 度； （2）反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 （3）混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。 在设计中，根据上述条件选取二相混合式步进电

11、机，选取型号为：57BYG250E-SAFRML-0302主要参数如表 2、表 3表 2：技术特点 绝缘电阻 500V DC 100M Min 轴向间隙 0.10.3mm 径向跳动 0.02mm Max 温度 65K Max 绝缘强度 500V AC 1Minute 环境温度 -2055 绝缘等级 B级表 3：技术数据 相数 2 步距角 0.9/1.8 静态相电流 3.0A 相电阻 0.6 相电感 3.4mH 保持转矩 1.5Nm 定位转矩 0.06Nm 空载启动频率 3.1KHz 重量 1.5 转动惯量 330gc 5、丝杠的选择 滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构（以圆形反向器和椭圆形反向

12、器为代 表）和外循环结构（以插管为代表）两种。这两种结构也是最常用的结构，其结 构性能没有本质的区别，只是内循环结构安装连接尺寸小；外循环结构安装连接 尺寸大。 目前，滚珠丝杠副的结构已有 10 多种：内循环结构、外循环结构、端盖结 构、盖板结构。内循环结构反向器的形状有多种多样，但是，常用的外形就是圆 形和椭圆形。由于圆形滚珠反向通道较短，因此，在流畅性上不如椭圆形结构。 现在，最好的反向器结构为椭圆形内通道结构，由于滚珠反向不通过丝杠齿顶， 类似外循环结构，因此消除了丝杠齿顶倒角误差给滚珠反向带来的影响，但由于 制造工艺较复杂，影响了这种结构的推广。 滚珠丝杠副的优点：高精度、高硬度、低轴

13、向间隙、高可靠性、运转平稳、 使用寿命长。 现估算整个工作台的重量：其中载重题目要求为 300N，水平工作台的重量 可以由其尺寸及估算密度求出，现选取工作台的材料为铁，密度取为 7.8 10Kg/m， 则工作台的重量为:M0.0140.01520.0127.8101.9918Kg.即 M30019.918319.918N. 根据所选择导轨的行程长度 150mm，以及动导轨及重物的质量。现选取 SFK1004. 滚珠螺杆、螺帽之基准数据 型号 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 图46、联轴器的选择6.1、联轴器的功用 由于制造和安装不可能绝对精确，以及工作受载时基础、机架和其它部件的弹性变形与温差变形，联轴器所联接两轴线不可避免的要产生相当偏移，被联两轴可能出现的相对偏移有： 而联轴器是将两轴轴向联接起来并传递扭矩及运动的部件，并具有一定的补偿两轴偏移的能力，为了减少机械传动系统的振动、降低冲击尖峰载荷，联轴器还具有一定的缓冲减震性能，联轴器有时也兼有过载安全保护作用。6.2、 由于所选联轴器的两头分别与电动机和丝杠连接，所以联轴器两头的直径 分别为：10mm 和 5mm。七、硬件电路设计 本设计的硬件电路主要由单片机 89C51、计数器 8253、细

15、分与辨向电路、光栅位移传感器组成。如图 5 所示。 光栅位移 细 分 计 数 器 位移信号 传感器 辨向 8253 数据显示 单 片 机 电路 89C51 光栅位移传感器包括以下几部分：光栅、光栅光学组成。光栅光学系统的作用是形成莫尔条纹；光电接受系统。光电接受系统是由光敏元件组成，他将莫尔条纹的光学信号转换成电信号，本系统采用的光栅位移传感器输出 5V TTL 方波，所以不需要信号变化电路，可以直接对输出的信号进行变向处理。1、细分与辨向电路1.1、采用细分电路的原因 光栅数字传感器的测量分辨率等于一个栅距，但是在精密检测中常常需要测量比栅距更小的位移量，为了提高分辨率，可以采用以下两种方法

16、实现： （1）通过增加刻线密度来减小栅距，但是这种方法受光栅刻线工艺的限制； （2）采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的 n 个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，是分辨率提高到 W/n 1.2 本次设计采用的直接四细分（位置细分）电路 AB 是两路相差为 90的方波信号，传感器正向移动时和传感器反向运动时波形分别见下图 6 正向运动输出波形 传感器正向移动时，设 A 导前 B，当 A 发生正跳变时，由非门 DG1、电阻 R1、电容 C1 和与门 DG3 组成的单稳触发器输出窄脉冲信号 A ，此时为高电平，与或非门 DG5 有计数脉冲输出，由于 B 为低电平，与或非门 DG10 无

17、计数脉冲输出。当 B 发生正跳变时，由非门 DG6、电阻 R3、电容 C3 和与门 DG8 组成的单稳触发器输出窄脉冲信号 B ?耸?A 为高电平，DG5 有计数脉冲输出，DG10 仍无计数脉冲输出。当 A 发生负跳变时 ，由非门 DG2、电阻 R2、电容 C2 和与门 DG4 组成的单稳触发器输出窄脉冲信号， 此时 B 为高电平，与或非门 DG5 有计数脉冲输出，DG10 无计数脉冲输出。当 B 发生负跳变时，由非门 DG7、电阻 R4、电容 C4 和与门 DG9 组成的单稳触发器输出窄脉冲信号， DG5 此时为高电平， 有计数脉冲输出，DG10 无计数脉冲输出。 这样， DG5 在正向运动

18、时， 在一个信号周期内依次输出 A 、B、A、B 四个计数脉冲，实现了四细分。 在传感器反向运动时，由于 A、B 的相位关系发生变化，B 导前 A，这时 DG10在一个信号周期内输出 B、A计数脉冲，这计数脉冲分别出现在 B、A 为高电平的半周期内，同样实现了四细分。 DG5、DG10 随运动方向的改变交替输出脉冲，输出信号 Uo1、Uo2 可以直接送入标准系列可逆计数集成电路，实现辨向计数。2、数据处理与显示 采用 89C51 单片机计数并对数据进行处理。将细分辨向电路输出的两路脉冲分别送入单片机的外部中断 INT0 和 INT1。当工作台正向移动时，细分脉冲触发单片机 INT0 中断，计数

19、器加一；当工作台反向移动时，触发 INT1 中断，计数器减一。然后将处理后的数转化成 BCD 码，存放在 RAM 中。通过显示程序数码管显示。 （1）位移测量：本次测量用单片机处理细分后的脉冲。假设工作台的运行速度为 V，光栅栅距为 d，细分数为 N，则计数脉冲的频率为 fV/dN若V1m/sd20umN4则 f0.2MHz，对应的计数时间间隔为 5us，若单片机采用12MHz 晶体振荡器，机器周期为 1us，完全可以用来计数，为了提高响应速度，单片机最好采用 24MHz 的晶体振荡器。 根据脉冲和位移之间的关系，我们可以得到位移公式 XWN，根据传感器的型号，每毫米刻线 50 条，对应的栅距

20、为 20um，经过四细分电路细分，每来一个脉冲工作台移动 5um，故工作台与脉冲个数之间的关系为：X5NUM其中 X 为 ，N传感器的位移（单位：um） 为脉冲数。因为计数脉冲数比较多，设工作台的最大位移为 0.8m，则对应的脉冲数为 16 万个，这么多的脉冲数用 16 位的计数器显然是不够的，所以我们可以采用中断计数的方法现实计数，由 R5、R6 和 R7三个寄存器组成计数器。 （2）速度测量：速度的定义就是每秒移动的位移，基于速度的定义，我们可以把每秒工作台移动的距离测量出来就可以测出速度，具体做法是，采用 R1、R2 计数，用定时器定时，每过一定时间对其读书，之后清零，这样就可以算出速度

21、。若取时间间隔 0.1s，则对应的速度公式为：V50Num/sN 为脉冲数。 （3）显示：LED 的显示方式有静态显示与动态显示两种方式，LED 静态显示方式和 LED 动态显示方式，由于有大量的实时数据需要进行处理，需要较大的存储空间，而单片机内部数据存储器空间有限，静态显示方式由于每一位显示器上都接有一个带锁存硬件译码器， 在执行完显示程序后每一位需要显示的内容可以锁存在相应的译码器中，不需要再对显示器的端口进行刷新，即使此时显示缓存的内容被更改也不会影响到显示结果，而且静态显示编程容易，易于比较清晰，亮度一般较高，因此本设计用六位静态显示方式来显示。具体连接电路如附图所示。八、程序电机控

22、制程序设计 脉冲的形成实现对步进电机的控制，微机应能输出有一定周期的控制脉冲。步骤是：先输出一个高电平，延时一段时间后，再输入一个低电平，然后再延时。改变延时时间的长短，即可改变脉冲的周期，脉冲的周期由步进电机的工作频率 开始 设置脉冲个数 保护现场 输出高电平 延时 输出低电平 延时 脉冲数够否？ 回复现场 返回 确定。用软件形成环形脉冲的程序流程图如下图 7 所示。 （1）旋转方向控制：步进电机的旋转方向和内部绕组的通点顺序及通电方式有密切关系，对于三相双三拍工作方式： 正向旋转：AB-BC-CA-AB 反向旋转：AB-CA-BC-AB 三相双三拍控制模型如下表 4、表 5 所示 表 4：

23、正转控制模型 控制模式 步序 通电方式 二进制 十六进制 1 AB 00000011 03H 2 BC 00000110 06H 3 CA 00000101 05H 表 5：反转控制模型 控制模式 步序 通电方式 二进制 十六进制 1 AB 00000011 03H 2 CA 00000101 05H 3 BC 00000110 06H （2）转速控制：控制步进电机的运行速度，实际上市控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期，即在升速过程中，使脉冲的输出频率逐渐增加；在减速过程中，使脉冲的输出频率逐渐减少。脉冲信号的频率可以用软件延时和硬件中断方法来确定。 采用软件延时，一般是根据所需的时间的常

24、数来设计一个程序，该程序包含一定的指令，设计者要对这些指令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试，以便确定延时时间是否符合要求。 每当延时子程序结束后，可以执行下面的操作，也可用输出指令输出一个信号作为定时输出。采用软件定时，CPU 一直被占用，因此 CPU 利用率低。可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计数，计数值则由编程决定。当计数到预定的脉冲数时，产生中断信号，得到所需的延时时间或定时间隔。由于计数的初始值由编程决定，因而在不改动硬件的情况下，只通过程序变化即可满足不同的定时和计数要求，因此使用很方便。 （3）控制程序设计：控制程序的设计方法是：通过标志位 F

25、LAG 来判断电机的旋转方向，然后输出相应的控制脉冲序列；判断要求的脉冲信号是否输出完毕。三相双山拍控制模型完成的步进电机控制程序设计如下，正转控制模型 03H、06H、05H 存放在以 RM 为起始地址的内存单元中，反转控制模型 03H、05H、06H 存放在以 LM 为起始地址的内存单元中。 九：设计小结 通过两周的课程设计，我对于如何微位移检测和控制有了一定的了解和认识。虽然设计无法做到完美但通过这次设计，我对所学的知识有了进一步的了解，更增强我的实践能力。参考书目：数字式传感器，北京理工大学出版社，1996传感器原理设计与应用，国防科技大学出版社，2002传感器与测试技术，高等教育出版

26、社，2004测控电路，机械工业出版社，2005单片机应用设计，哈尔滨工业出版社，2004单片机原理和接口技术，北京航空航天大学出版社，2004机械制图，中国矿业大学出版社， INC RO MOV ROA MOV BA INC RO MOV ROA 送数码管显示 DIS:MOV RO24H MOV R201H MOV AR2 MOV DPTRTAB LPO:MOV P1A MOV ARO MOVC AADPTR MOV POA ACALL D1MS DEC R0 MOV AR2 JB ACC.4LP1 RL A MOV R2A AJMP LPO LP1:RET TAB:DB 3FH06H5BH4EH66H DB 6DH7DH07H7FH6FH D1MS:MOV R702H DL:MOV R60FFH .