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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
2、，所以光栅 传感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
3、状，以保证导向精度； （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
4、用 广泛。但它的导向精度没有三角形导轨高；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
5、轨道（工作台）的选择2.1、工作台的确定 条件 （1）首先确定工作台的行程； （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
6、。表一：DZH150 的参数 行 长 底 座 高 度 台面尺寸 安装尺寸 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
7、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
8、 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 5m、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
9、 方波输出 5V TTL 方波，RS422长线 工作电压 5V 5 环境特性 震动（55Hz-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
10、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
11、 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
12、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
13、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
14、 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 3 395 590 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
15、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
16、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 无计数脉冲输出。当 B 发生正跳变时，由非门 DG6、电阻 R
