细长轴自动检测仪设计及机构模拟设计本科学位论文

PAGE本科毕业论文（设计）论文题目：细长轴自动检测仪设计及机构模拟摘要本文着重介绍了一种针对细长轴进行检测的实验装置的设计及机构模拟。该装置采用了，液压加紧，齿轮传动，传动分度，滑竿等机械结构，使非接触传感器能够顺利的对细长轴进行全面的测量，并且，齿轮传动分度机构能够使传感器从不同的角度对细长轴进行高精度的测量，并且才用了MSP430单片机为基础附加外围电路设计了智能检测电路，该电路能够准确的控制传感器和分度仪机构周期性运动，实现了对细长轴的精确检测。另外，该检测仪能通过对滑竿的调整针对不同长度的细长轴进行检测。关键词：细长轴，MSP430，液压加紧，智能检测AbstractThisarticlefocusesonthedetectionoftheexperimentalsetupforslendershaftdesignandinstitutionalsimulation.Thedeviceuseshydraulicpressuretostepup,themechanicalstructureofthegeartransmission,indexing,slider,smoothslendershaftofacomprehensivemeasurementofthenon-contactsensor,andtheindexingmechanismofthegeartransmissiontothesensorfromadifferentperspectivemeasurementprecisionslendershaft,andwiththeMSP430microcontrollerbasedonadditionalperipheralcircuitdesignofintelligentdetectioncircuit,thecircuit'sabilitytoaccuratelycontrolthesensorsandmeasuringequipmentinstitutionscyclicalmovement,theslendershaftaccuratedetection.Inaddition,thedetectorthroughthedetectionontheslider,theadjustmentfordifferentlengthsofslendershaftKeywords:SlenderShaft，MSP430，HydraulicPressureToIntensify，IntelligentDetection目录1绪论 12设计方案与设计方法 12.1机械夹持旋转机构的设计 12.2电子控制电路的设计 23.研究的主要内容 33.1总体结构的设计 33.2机械夹持、旋转机构的设计 43.3传感器导轨的设计 43.4测量不同长度的设计 63.5传动分度装置 73.6底座的设计 83.7单片机电子控制电路的设计 83.8系统软件设计思路 103.8.1编写接口电路 114细长轴自动检测仪模型及程序设计 12程序设计 145需要进一步研究的问题 166.结论 17致谢 17参考文献 18PAGE111绪论目前，多数工业生产中，对产品的质量控制与检测往往贯穿于整个过程的始终.随着制造装备向高速化、高精度发展的需要，对零件加工的要求也愈来愈高，零件的几何精度直接影响装备的精度，在高速运动下，零件的偏心、跳动等会影响装备的震动和噪声，降低装备的使用寿命，严重时，甚至造成疲劳损坏。因此，许多高、精、尖的测量仪器和设备也不断出现，如三坐标测量仪、圆度测量仪。但由于这些设备价格昂贵，测量成本高，一般用于离线测量，很难在生产线上广泛使用，这时，就期待有一种既精确又廉价的测量仪，因此，对于检测仪结构的设计和虚拟装配及运动仿真具有十分重要的意义。一些轴类零件在使用一段时间后，往往会存在不同程度的变形，车床上的丝杠、光杠、操纵杆称之为车床三杠。然而车床三杠又从属于细长轴，刚性很差，所以他们很容易产生变形。在车床车削加工时受切削力、削热和振动等的作用和影响，极易导致三杠产生变形，出现直线度、圆柱度等误差，不易达到机床设计的形位精度和表面质量等技术要求，使车床的进一步切削加工变的困难。L/d值越大，车削加工就越困难。因此，车床三杠的定期拆装调试与维护成为车床工人必不可少的主要日常保养项目。[1]吴宗泽，罗胜国.机械设计课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，1999.[1]吴宗泽，罗胜国.机械设计课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，1999.车床是机械加工行业的主力车床，在国内市场销售40多年。拥有大量的保有量。通常的车床三杠保养和调试方法比较简单传统，采用百分表控制测量。本次设计主要采用非接触传感器多角度测量，提高了测量调试精度和速度，比传统的方法有了较大的提高。[2]肖龙.液压与气压传动手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，1999:926-929[2]肖龙.液压与气压传动手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，1999:926-9292设计方案与设计方法2.1机械夹持旋转机构的设计为防止细长轴在测试过程中由于自身重力和旋转产生的拉伸和弯曲变形，我们设计了立式夹持机构。在细长轴的机械结构设计过程中必须考虑一下几点：1、细长轴在测试过程中的自身变形消除方法机械夹持装置的上下夹持部位采用双卡盘或者一夹一顶的方式进行，这种夹持方法能够从根本上消除传统水平放置检测中不能解决的重力变形问题。另外，测试装置的顶部能够通过导柱上下调整高度，希望能够解决不同长度的细长轴的检测工作。2、细长轴在测试过程中是否能体现出其整体变形情况细长轴检测装置中旋转机构采用分度仪旋转分度装置，这种装置能够精确的旋转检测细长轴的不同角度的变形数据。只有获得不同角度的综合测量数据，才能够准确额测量、标定出细长轴在变形过程中的具体情况。只有获得准确的测量数据，才能为下一步准确的测试提供准确的依据。3、采用非接触传感器时是否能够保证传感器运行的平稳与信号的准确。本装置的传感器上下移动均采用齿轮传动的结构，这种装置能够保证传感器在运行过程中的平稳状态，平稳的运行对测量精度的保证起到了关键的作用。齿轮传动的长度亦可以根据需要测量的细长轴尺寸和不同型号的传感器进行适当的变化和调整。[3]张唏,王德银，张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计[M]人民邮电出版社.[3]张唏,王德银，张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计[M]人民邮电出版社.另外，传感器的运动采用步进电机及同步带传动结构，可以精确的控制传感器运动的速度和平稳性。4、细长轴的检测中能否保证对不同长度的细长轴进行检测。针对此种情况，本设计中，采取通过对卡盘的控制，使其上下运动，从而实现可以测量不同长度的细长轴。卡盘的上下运动由电机带动齿轮，齿轮固定在一滑竿上，通过对滑竿的传动而实现。2.2电子控制电路的设计单片机广泛应用于复杂的工业过程控制、机器人与机械手控制，航天航空控制、交通运输控制等。它尤其适用于被控对象模型包含有不确定性、时变、非线性、时滞、耦合等难以控制的因素。本设计以MSP430单片机为主要控制芯片，本系统可开用行程开关、碰撞传感器、火焰传感器等传感器做信号侦测从而来驱动电机工作。[4]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计设计实例[M].北京航空航天大学出版社.[4]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计设计实例[M].北京航空航天大学出版社.将各功能模块实现模块化设计、实现模块化结构；选择合适的单片机(MCU)要选择资源丰富的MCU；特别是要有：SPI接口做预留为将来升级准备；编译器需要简单、适用、可在线编程。各具体功能参考机器人教学工具：可使用行程开关、火焰传感器、红外线传感器、超声波、指南针大呢个；要具有欠压（电量不足）提示功能；对使用的单片机各端口要有外接端口时，对此类端口使用接线端口。3.研究的主要内容3.1总体结构的设计图1夹持检测结构示意图测量装置的基本配置由下支撑板、分度仪、，上下卡盘、传感器导轨、液压系统、控制器、步进电机等组成。[5]郑雄胜，章海.废旧车床改装为可组合式实验装置的设计研究[J].机械研究与应用，2008（6）：118-120[5]郑雄胜，章海.废旧车床改装为可组合式实验装置的设计研究[J].机械研究与应用，2008（6）：118-1203.2机械夹持、旋转机构的设计这一部分由所测的细长轴、上下卡盘、液压机、步进电机组成。原理：启动步进电机，通过液压机的运动，控制卡盘的加紧与放松。图2夹持机构3D图3.3传感器导轨的设计该部分的设计，由2个齿轮，一条足够长度的齿轮带，两根导柱，两根细上杆，若干个定位套，一个马达，若干螺丝、螺帽和铁片组成。设计过程如下：第一步将两根导柱固定在底座的两端，然后在导柱的底部和上部一定高度各装上一根细长杆，细长杆上套上齿轮，分别用定位套定位，在底部的细长杆左端靠导柱外边的一侧装上马达，右端用定位套固定拧紧，上端左右两端也用定位套固定，两齿轮用齿轮带连接；第二步，在齿轮带上固定一铁片，以用来装传感器。这样这一部分的设计就完成了。原理是利用齿轮带作为传感器导轨，开动马达，带动齿轮运动，通过齿轮传动带动齿轮条上固定的传感器上下移动，只要保证齿轮带的长度，就可以测量不同长度的细长轴。图3传感器导轨的设计模型图3.4测量不同长度的设计这一部分，由马达、齿轮、齿轮带、细杆、滑柱、导柱、铁片、螺丝、螺帽，定位套组成。设计时，第一步，首先在底座上固定铁片，然后在铁片一定高度装上细杆，细杆上装齿轮，用定位套把齿轮固定，最后在滑竿上如图4在左端装上马达，右端用定位套固定上紧；第二步，在底座上装上导柱，用螺丝固定，导柱里套上滑杆，在滑竿从底部往上固定一段一定长度的齿轮条，滑竿上端固定一段铁片，铁片设计如图4所示，它的末端与卡盘相连；第三步，将齿轮与齿轮条相啮合，就可以了。然后如图启动马达，通过齿轮的带动，使滑柱可以上下移动，从而带动上卡盘的上下移动，由此可以保证测量不同长度的细长轴。图4调整测量高度的设计模型图3.5传动分度装置设计中的机械结构的关键部位就集中在分度运动中，分度运动的合理和精度直接影响整个实验装置的精度。这一部分由分度仪，下卡盘，马达，小齿轮，定位套、铁片，细杆若干螺丝组成。其设计如下：第一步，将铁片固定在传感器导轨的前面一段的底座上；第二步，将分度仪、下卡盘通过细杆固定在铁片上，其中用定位套定位，；第三步，将小齿轮与分度仪啮合，小齿轮与马达相连，装配如图5，这样这部分的设计就完成了。原理如下：细长轴、卡盘、分度仪同心运动，启动马达，小齿轮转动，通过齿轮啮合的方式使分度仪转动，通过分度仪的转动，带动卡盘的转动，卡盘带动轴的转动，从而可以使传感器测量不同角度的轴的精度。图5传动分度装置的设计模型图3.6底座的设计此部分的设计由4个直角铁板，若干铁片和螺丝组成。因为设计分度装置的时候把马达装在了底座底部，为了稳定底座，所以添加了四个支脚，由于要在底座上固定一些滑杆之类的，所以底座选择了有孔的底座；在底座中要安装分度仪，所以在底座中部加装了一根横条，条上有孔，便于分度仪的安装，总体的设计如图6所示。图6底座的设计模型图3.7单片机电子控制电路的设计智能控制器是以新型高速低功耗工业级微处理器为核心，采用软测量技术和智能控制算法的新一代智能化定位和控制单元，是专门用于电动执行器的控制部件。为了满足新的要求和便于日后升级方便和高速处理数据，因此我们选用新型单片机[6]李文，欧青立，沈洪远，伍铁斌.智能控制及其应用综述[J].重庆邮电学院学报，2006.18（3）：376-400.[6]李文，欧青立，沈洪远，伍铁斌.智能控制及其应用综述[J].重庆邮电学院学报，2006.18（3）：376-400.从MSP430系列单片机的内部结构看，它也具有很多优点：图7为MSP430系列单片机内部结构，MSP430系列单片机由很多模块组成。MSP430系列单片机是在DSP的基础上发展起来的，继承了DSP的一些优点，使得他不但功耗低而且速度快，更适合于高速的数据处理。[7]李航，孙厚芳，袁光明，林青松.智能控制及其在机器人领域的应用[J].河南科技大学学报，2005，26（1）:35-40.[7]李航，孙厚芳，袁光明，林青松.智能控制及其在机器人领域的应用[J].河南科技大学学报，2005，26（1）:35-40.MSP430系列单片机的另一个重要特点是晶振系统，其晶振用的是市场上最廉价的手表晶振（32768Hz），然而系统在运行时主频高达3MHz，这是因为其内部模块选择模块选择MABR/WMDB控制总线地址总线数据总线MCLKI/0端口外围模块n-1USART外围模块n-1I/O端口外围模块nCPU随机访问逻辑ADC外围模块XACLK系统时钟WDT（看门狗）外围模块YTimerB外围模块2TimerB外围模块2LCD外围模块3总线转换图7MSP430系列单片机的内部结构最后设计的电路图8所示。MSP430系列单片机内部存储器的类型有：程序存储器FLASH、数据存储器RAM，外围模块寄存器、特殊功能寄存器。[8]陈全福，朱齐丹，严勇杰.基于MSP430的足球机器人的运动控制系统设计[J]工业控制与应用，2006,25（1）31-35.[8]陈全福，朱齐丹，严勇杰.基于MSP430的足球机器人的运动控制系统设计[J]工业控制与应用，2006,25（1）31-35.MSP430系列单片机的存储结构使得使用C语言编程所得到的代码仍然有很高的执行效率，因此，除非对程序的大小和执行的时间有很高的要求，否则都应该选用C语言编写程序。如确实需要处理复杂信号而存储量不足是，可以加以扩展。[9]陈鹏.MSP430系列芯片简要介绍[J].电子技术应用，1998（7）55-58.[9]陈鹏.MSP430系列芯片简要介绍[J].电子技术应用，1998（7）55-58.图8单片机系统电路图3.8系统软件设计思路程序设计实质上就是按照一定的原则，一定的思想和方法将这些指令组织起来，CPU按设计者的思想执行指令，实现一定的功能，最终解决所需要解决的问题。可以使用模块化的程序结构组织指令和编写程序。3.8.1编写接口电路图9接口电路图此编程接口电路属于标准器件，在N5脚上外接一电阻与放光二极管，具体接法如图4所示，当需要控制器输入程序时，线路接通后发光二极管便会点亮。[10]邓海棠.MSP430单片机在智能传感器中的应用[J]科技情报开发与经济，2005,15（9）250-253.[10]邓海棠.MSP430单片机在智能传感器中的应用[J]科技情报开发与经济，2005,15（9）250-253.开始开始初始化程序调用显示子程序调用传感器扫描程序有信号？NY传感器判断程序传感器1处理程序传感器n处理程序···图10主程序流程这样做的目的是当接口出现问题时，便于检查和维修。MSP430程序设计除了可使用汇编语言外，使用C语言更能提高设计效率，加快开发进度。MSP430C语言编译环境提供了大量的标准库函数。要使用这些标准库函数，只要在程序的开始声明要使用的库函数所在的文件开头，之后在程序中就可以直接调用了，因此使用起来非常的方便。[11]秦曾煌.电工学（第五版）.高等教育出版社，1998.[12]李士勇，夏成光.模糊控制和只能控制理论与应用[M].哈尔滨工业大学出版社，1990.[11]秦曾煌.电工学（第五版）.高等教育出版社，1998.[12]李士勇，夏成光.模糊控制和只能控制理论与应用[M].哈尔滨工业大学出版社，1990.4.细长轴自动检测仪模型及程序设计模型图11检测仪模型1图12检测仪模型2程序设计图13程序设计图

图14C程序图5需要进一步研究的问题本设计中涉及的车床调试装置是一个机械和电子综合应用的案例。下一步就是要进行具体结构的实体制作和电路、软件的编写调试。如果能够将本项研究的具体内容实现，不仅可以在细长轴自动检测仪设计中得到有效的应用而且可以大量有效的应用到细长轴的加工检测等方面，具有很高的研究与应用价值。1、机械方面（1）需要进一步改进夹持装置，解决加持过程中的对心问题。保证整个坚持位置的上下卡盘对心问题，将进一步提高传感器的测量精度与测量效果。（2）底部分度装置，进一步改进为自动分度装置，并且能够保证分度数据与传感器数据同步。（3）需要进一步改进高度调整装置，使高度调整装置更加方便，有效。2、电路与软件方面（1）目前的电路信号输出记录为点值输出，如果能够改进为连续的输出，测量的结果就更为准确。（2）软件方面可以增加计算校核模块，增加提醒校核的部分。6.结论细长轴自动检测仪的设计对提高人力和物力资源的利用，提高我国机床行业教学的水平都是一个必不可少的产品，其经济和社会效益是显著的。高性能的传感器的应用也标志这更高智能化的可行性增强，将这种自动检测装置应用到大批量的机床生产中也成为可能。整个设计过程并不是顺利的完成的，设计过程中出现了许多问题。例如：对分度仪旋转的设计不到位，不能很好的控制旋转的精度。制作模型的过程中，动手能力明显不足，很多零件运用不到位。最初设计检测仪时，不能检测不同轴长的细长轴。通过本次设计使我对我所学的知识有了更深一步的了解，明白了设计并不仅仅只是在书本上、电脑上的模拟，还需要实际的动手能力，需要扎实的理论基础，需要理论和实际结合起来，因此，以后一定要加强自己的理论知识积累和动手实践能力的提高。致谢在本次毕业设计的过程中，指导老师及同学们都给予了我很大的帮助和支持，尤其是指导老师解决问题的态度和处理问题的方法都给我竖立了很好的榜样