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1、测控仪器课程设计题目：机械式微位移机构及位移检测课程设计说明书一、设计目的本次课程设计主要是通过机械微位移机构及位移检测这一课题的设计与研究加强对以往所学精密机械设计、单片机原理及接口技术、传感器原理、测控电路、画法几何及机械制图等课程的理解和实际应用。二、 设计思路本次课程设计采用的是平行片簧导轨步进电动机及机械式位移缩小机构驱动中的弹性变形传动式微位移机构（机构图见大图），利用两个弹簧的刚度比而缩小输入位移的机构，这种微位移机构用平行片簧导轨，无间隙、无摩擦。驱动采用步进电动机，控制灵活而又方便。此机构是通过步进电动机的转动带动丝杠旋转，通过丝杠旋转驱动一个小型的摩擦滑动导轨的动导轨产生运
2、动，在动导轨运动时压缩弹簧从而由弹簧弹力驱动钢珠滚动导轨运动，在导轨的另一端有一弹簧受到导轨的压缩，这样导轨两端的弹簧彼此作用实现机构的微位移。 丝杠及弹性缩小工作台微位移机构一般要求具有0.05m的分辨力，所以，此机构的微位移检测中如此高的分辨力必须要求采用具有与之相应分辨力和精度的传感器。非接触式传感器较接触式传感器准确度更高，所以考虑使用非接触式的传感器，而非接触式传感器中，电容或电感式传感器基本很难满足0.05m分辨力的要求，所以考虑采用光栅式位移传感器，此类传感器即使不能满足分辨力要求，也可以通过微机或电路将信号作细分而获得设计所要求的分辨力。将光栅传感器输出的脉冲信号细分后用计数器
3、计脉冲数，通过片外存储器采集脉冲数至单片机内进行数据处理，换算成位移后输出，用LED显示位移量。此次设计的微位移机构的行程为1mm。使用六个LED灯作为显示微位移的具体数值，其中前三位为小数点之前；后三位为小数点之后。三、主要元器件选择1、步进电动机步进电动机种类很多，选择步进电动机的形式时，按需要确定电机参数。另外，应考虑的选择原则如下： 步距角b要满足系统最小位移量的要求，即bmin； 转矩。正常工作状态下，启动转矩必须大于折算到电动机轴上的负载转矩。 同时，在系统要求的运行频率范围内，步进电动机的电磁转矩应大于折算到电动机轴上的最大静态负载转矩与最大惯性力矩之和，以保证加速性能。 起动频
4、率和工作频率。工作时的步进电动机的起动频率应小于电动机具有的最大起动频率，工作频率应小于电动机的最高连续运行频率。因此，应选择静扭矩不大，相电流也不太高的电动机，在本次设计中选用雷泰三相步进电动机573S05，如下图所示：雷泰 57系列573S05/573S09/573S15三相混合式步进电机产品简介：步距精度 +5%(整步、空载) 温升 80CMax 环境温度 -10C - +50C 绝缘电阻 100Mmin.500VDC 耐压 500VAC for one minute 径向跳动 0.06 Max.(450g-load) 轴向跳动 0.08 max.(450g-load) 详细介绍：Gen
5、eral Specification通用规格Electrical Specification技术规格 2.传感器的选择本设计中采用的是瑞士TRIMOS公司的抗污染和抗划伤的钢带尺LIDA400，该尺是开启式钢带尺。有如下特点，是专门为机械和那些特别需要高精度测量值的装置设计的； 典型应用包括： 半导体行业的测量和生产设备； 印刷电路版装配机械； 超精密机械； 高精度机床； 瑞士光栅直线自复位式位移传感器 计量机和比较仪、测量显微镜和其它精密测量装置； 直接驱动；该尺是敞开式光栅尺，栅距20m，精度5m，最小分辨率可到0.05m，最大移动速度480m/min，该尺是采用激标原理形成干涉条纹，读数
6、头采用了14个传感单元来加强平均效应，因此当光栅尺表面有污染和划伤时不会影响精度。光栅式传感器工作原理图如图所示：莫尔条纹形成如图：设两光栅的栅距分别为d1和d2,相互交角为,则莫尔条纹上某点的位置(x,y)在x方向对应于与y轴平行的光栅有 x = N*d1 (1)对应于与y轴夹角为的光栅,该点位置在x方向符合 xcos-ysin= M*d2 (2)式中:M、N为两光栅的条纹序数.由于两光栅的栅距不相等,假设MN,令M=N+K,根据(1)、(2)式,莫尔条纹族方程式.y = x(d1*cos-d2)d1*sin-K*d2sin (3)从(3)式可得到对应的莫尔条纹的斜率为 tan=(d1*co
7、s-d2) d1*sin (4)从图1又可以看出W=hcos和h=d2sin,将式代入到式(4)中,得到莫尔条纹的间距宽度为W =d1*d2(d12+d2 2-2d1*d2*cos)*12 (5)当d1=d2=d,即两块光栅的栅距相等时,莫尔条纹的间距W简化为4-5W =d2sin(/2)d(很小时) (6)关于传感器的参数计算:所选传感器栅距为10m，通过传感器自身的细分和倍频，分辨率达到0.2m，再通过设计中的四细分电路进一步获得了0.05m的分辨力，即所测位移量X与实际栅距D之间的关系为：X=N*D式中，N-四细分后可逆计数器所计传感器输出脉冲的个数3、导轨的选择1、导轨选用 在微动工作
8、台微位移范围内，要求工作台有较高的位移分辨力，又要求响应特性好，因此要求导轨副导向精度要高，导轨副间的摩擦力要小。滑动摩擦导轨摩擦力不是常数，动、静摩擦系数差较大，有爬行现象，运动均匀性不好。滚动摩擦导轨虽然摩擦力较小，但由于滚动体的尺寸一致性较差。滚动体与导轨的形状误差会使滚动体与导轨间产生相对滑动，使摩擦力在较大范围内变动，即动、静摩擦力也有一定差别，也有爬行现象产生，但运动灵活性好于滑动导轨。 因此，在设计中采用滚动导轨，它是精密仪器中常用的滚动摩擦导轨，它以滚珠为滚动元件，用分珠片来保证其相对位置，具有运动灵活、行程大、结构较简单、导向精度高、耐磨性较好、运动平稳性较好等优点。滚珠导轨
9、有两种典型的结构：一种是力封式滚珠导轨，另一种是自封式滚珠导轨。这种导轨中，承导面上有V型槽，用以安放滚珠。V型槽的夹角一般为90，如V型槽为直边，工作一段时间后，容易在表面上压出沟纹，如果沟纹不均匀，将会降低导轨精度。为改善这种情况，可采用下述方法：（1） 预先在槽边上研磨出很浅的沟；(2)、采用弧形边的V型槽。一般V型槽的圆弧半径 R与滚珠半径r之间的关系取r/R=0.90-0.95，V型槽半角为45，则弧形边两圆弧中心距离a=1.41(R-r)。 采用上述方法，可以在较长时间内保持导轨精度，但加工费用高，摩擦力也略有增加。 本次设计中还采用了分珠片和限动装置。分珠片用来保持各滚珠间间距，
10、限动装置由固定在承导件的限动销和分珠片上的限动槽所组成，用以限制运动件位移和避免分珠片脱落。2、导轨设计及计算 此次设计采用V型平面滚珠导轨，它一边导轨为V型，另一边是平面，这样既保证了确定运动，又没有过定位，加工和装配都方便。导轨主要尺寸的确定： 导轨宽度B 导轨宽度与导轨的承载能力有关，在导轨长度相同的情况下，宽度越大，运动件承载力也越大。 已知载荷W并选出合理的压强p，导轨宽度即可求出： B=W/pL=800/0.004*500=400mm L=l+l。+Smax/2=500mm V型导轨角度 V型导轨角度采用90为宜，因为刮研这种导轨的方形研具刚性好，制造方便，能进行自检，用它来刮研可
11、保证90角，有很高的精度。小于90可以提高导向型，但磨损会使精度急剧下降。过小还会使工作台移动时有楔紧作用，增大摩擦阻力。大于90，能减少压强，但导向性较差。 两条导轨的间距La 取小的导轨间距，可以减小仪器的外形尺寸，使仪器灵巧，节约材料。但间距过小，有可能造成工作不稳定。确定导轨间距，应在保证运动件工作稳定的前提下，尽可能取小值。 运动件的导轨长度 取较长运动件导轨，有利于改善导向精度和工作的可靠性。导向精度：导向精度运动轨迹的是指动导轨的准确度。对一副导轨来说其直线度是非常重要的，它取决于导轨面的几何精度、接触精度、导轨和几座的刚度、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等。 导轨的几何精度导
12、轨的几何精度包括导轨在垂直平面内与水平面内的直线度，导轨面间的平行度和导轨间的垂直度。 导轨接触精度通常对于精密滑动导轨和滚动导轨，要求在全长的接触应达到80%，在全宽上达到70%；对于刮研表面，用着色法检验时，每25mm25mm面积内，接触点数不少于20点。刚度要求及计算： 导轨受力会产生变形，其中有自重变形、局部变形和接触变形。自重变形减小办法：采用刚度设计、结构设计、补偿措施；为了减小接触变形，可以采用预加载荷的办法增加接触刚度，对于固定不动的接触面，预加载荷一般大于活动件的重力与外载荷的和；对于活动的接触面，预加载荷一般等于活动件及其工件等的重力和。对于滚珠导轨接触压强计算 k =15
13、20MP =0.85 Pa=kdd=1.7MP滚珠的尺寸和数量： 本设计滚珠直径选为10mm滚珠数量：.d本设计中载荷为8004、弹簧选择此设计中弹簧是带动导轨实现微位移得直接零件，因此弹簧得选择十分重要。弹簧材料选用不锈钢丝（Ni36CrTiAl）,切边模量G=77000Mpa,弹性模量E=20000Mpa。机构图中一处弹簧1、2的参数见表弹簧簧丝直径d/mm弹簧中径D/mm节距t/mm试验载荷Fs/N有效圈数n试验载荷下的变形量fs/mm弹簧刚度K/N*mm-1最大心轴直径Dx/mm最小套筒直径Dt/mm111277827.31152.470.51891522103.4623134.415
14、2.67713弹簧刚度计算：弹簧1：旋绕比C=D/d=12由转矩T而引起的剪应力1=T/Wt=8FC/(d2)=8.3424Mpa剪切力F而引起的剪应力2=F/A=4F/(d2)=0.3476 Mpamax=k1*(8FC/(d2)=9.3384 Mpa(0.5-0.6b)同理弹簧2：旋绕比C=D/d=5由转矩T而引起的剪应力1=T/Wt=8FC/(d2)=7.35Mpa剪切力F而引起的剪应力2=F/A=4F/(d2)=0.7353Mpamax=k1*(8FC/(d2)=9.632 Mpa(0.5-0.6b)所以弹簧刚度符合要求。5、滚珠丝杠的选择：根据结构要求，选定滚珠丝杠的导程Ph=4mm
15、，滚珠的直径Dw=(0.6-0.66)Ph25mm，Ph为导程初定螺旋升角为25由=arctg（ph/(*d0）)得d0=14.536.4，取公称直径d0=16mm，查表知d2=13.50mm主要参数得确定：由机构图知，滚珠丝杠一端固定，一端自由，可知k1=0.25，k2=1.875，因为滚珠丝杠的有效长度必须100mm，所以取有效长度ls为110mm，支承长度la取130mm，再不发生弯曲变形时，可承受得最大轴向力P1为：P1=（k1*2*E*I）/la2K1为支承系数E=2.1*105Mpa为材料的纵向弹性模量I=*(d24)/64,为丝杠得最小截面惯性矩d2为滚珠丝杠螺纹底径，将常数带入
16、上式得P=(1.02*104*k1*(d24)/la2,得P=50117按计算结果得5080确定得许用轴向力p,p=(5080)p=2505940094取p=30000滚珠丝杠得临界转速：由计算式带入常数得Nc=（1.22*104*k22*d2）/lb2取lb=150mm,将数据带入上式得，Nc=2.57*104(r/min)临界转速为80*Nc=20560(r/min)满足条件 滚珠丝杠副的刚度：系统的刚性用弹性系数表示弹性系数K=F/F为系统所受的载荷（N），Fmax=30000为系统的弹性变形量（mm）, max=100带入数据得到K=300所以系统的刚性为1/K=1/300丝杠的刚性为
17、Ks=（A*E）/la=(1.65*105*d22)/la2带入数据Ks=2.313*105滚珠丝杠的寿命计算根据基本额定动负荷计算在一定轴向负荷下寿命转数：其中为一定工作条件下得负荷系数取=1.2，查表知=5744，=27.3带入上式得，L=5.4*1012一定转速下寿命时间为带入数据，Lh=4.4*106(h)6、程序代码ORG 0000HMAIN: MOV DPTR,#7F00H ；与计数器相连的8155地址MOV A,#00HMOVX DPTR,#BF00H ；与LED相连的8155地址MOV A,#00HMOVX DPTR,AREAD: MOV DPTR,#7F01H ；A口地址，数
18、据采集MOVX A,DPTR ；采集12位脉冲个数的高8位数据MOV R3,A MOV DPTR,#7F02H ；B口地址MOV A,DPTR ；采集12位脉冲个数的低4位数据MOV R2,A ；跟据脉冲数和栅距求实际位移量ORG 0100H MOV SP,#60HSTART:PUSH R3；保护十位PUSH R3 ；保护个位MOV A,R2；百位AANL A,#0FH；屏蔽高四位MOV B,#64H；乘数BMVL AB；百位64HMOV R2,B；高位R2MOV R3,A；低位R3POP ACC；恢复十、个位ANL A,#0F0H；保留十位数SWAP A；十位数A后位MOV B,#0AH；乘
19、数0AHBMUL AB；十位0AHADD A,R3；低八位加低八位MOV R3,A；保存低八位MOV A,B；高八位送AADDC R2,A；带进位高位相加MOV R2,A；保持高八位POP ACC；恢复个位ANL A,#0FH；保留个位ADD A,R3；低八位加个位MOV R3,A；保留个位MOV A,R2；低八位加个位MOV R3,A；保存低八位MOV A,R2；高八位送AADDC A,#00H；高八位加进位MOV R2,A；保存高八位SJMP $；结束；将单片机内处理得出的位移值先经BCD码转换，在输出通过LED显示INVERT: MOV A,R7 ；BCD码转换子程序MOV R1,AMO
20、V R2,#03HINC R2CLR ABB0: MOV R1,AINC R1DJNZ R2,BB0MOV A,#03HMOV B,#08HMUL ABMOV R3,ABB3: MOV A,R7MOV R0,AACALL RLC1MOV R2,#03HCLR CBB1: MOV A,R0RLC AMOV R0,AINC R0DJNZ R2,BB1MOV R2,#03HINC R2MOV A,R7MOV R1,ABB2: MOV A,R1ADDC A,R1DA AMOV R1,AINC R1DJNZ R2,BB2DJNZ R3,BB3RETDIS: MOV R3,#01H ；显示子程序MOV A
21、,R3LD0: MOV DPTR,#BF01HMOVX DPTR,AINC DPTRMOV A,R1MOV DPTR,#TABMOVC A,A+DPTRDIR1: MOVX DPTR,AACALL DL1INC R1MOV A,R3JB ACC.5,LD1 ；是否扫描到最左面的显示器RL A ；没有到，左移1位MOV R3,AAJMP LD0LD1: RETTAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH ；共阴极7段显示字符编码 DB 7DH,07H,7FH,6FH,00HDLMS: MOV R7,#02HDL: MOV R6,#0FFH ；延时1秒DL1: DJNZ R6,D
22、L1DJNZ R7,DLEND参考文献浦昭邦，王宝光。测控仪器设计。北京：机械工业出版社，2007.5李爱军，曾维鑫。画法几何及机械制图。徐州：中国矿业大学出版社，2002.8赵跃进，何献忠。精密机械设计基础。北京:北京理工大学出版社，2003.9刘迎春，叶湘滨。传感器原理设计与应用。长沙：国防科技大学出版社，2004.2庄宗元，聂如春。Autocad2004使用教程。徐州：中国矿业大学出版社，2004.10李朝青。单片机原理及接口技术。北京：北京航空航天大学出版社，2005.9韩晓东。Protel Dxp电路设计入门及应用。北京：中国铁道出版社，2004王文斌。机械设计手册单行本-机架、箱体及导轨。北京：机械工业出版社，2007.8王文斌。机械设计手册单行本-机电一体化系统设计。北京：机械工业出版社，2007.6王文斌。机械设计手册新版。北京：机械工业出版社，2004.8郑晨升。仪表机械结构设计。北京：化学工业出版社，2006.4周明衡。联轴器选用手册。 北京：化学工业出版社，2001.1广西大学实用机械零件手册编写组。实用机械零件手册.广西：广西科学技术出版社，1993.1王少怀。机械设计师手册。北京：电子工业出版社,2006.8