单盘式渐开线检查仪驱动装置设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 单盘式渐开线齿轮检查仪 驱动装置的设计 学生学院 机电学院 专业班级 测控技术与仪器 07 学 号 设计者 指导教师 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 0 目 录 第一部分 单盘式渐开线检查仪简介 1 第二 部分 单盘式渐开线检查仪的 驱动装置 3 杠的选择 . 4 进电动机的选择 5 . 8 第三部分 系统硬件电路的设计 . .片机系统部分 . 9 进电机驱动系统 . . 10 片机与步进电机驱动隔离部分 . . 14 . . 15 第四 部分 系统软件设计 . . 16 . . 16 . 17 . 19 总结 . 20 参考文献 . 21 附录 . 22 附录一：软件设计程序 . 22 附录二：整体硬件电路设计图 . . . 录三：机械图设计 . .纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第一部分 单盘式渐开线检查仪介绍 单盘式渐开线检查仪工作原理如图 示。被测齿轮 2 与可换基圆盘 1装在同一轴上，基圆盘直径等于被测齿轮的理论基圆直径，并与装在托板上的直尺相 切，由弹簧产生大约 50 100N 的接触压力。当转动手轮 4 通过丝杠 3 带动托板 5作直线移动时，直尺 7便与基圆盘 1作纯滚动，此时被测齿轮也随着转动。在托板 5上装有测量杠杆 8，它的一端装有测量头与被测齿面接触，其接触点刚好在直尺 7与基圆盘 1相切的平面上，杠杆的另一端与指示表 6的量杆接触，并将指示表调到零位。根据渐开线形成原理， 基 圆盘与直尺的相对运动 无滑动滚动。 当直尺与基圆盘按箭头方向作无滑动滚动时， 固定于直尺上的测头相对于基圆盘产生正确的渐开线轨迹 。 若被测齿形也为理论渐开线时，则在纯滚动过程中，指示表指针 不动；若被测齿形有误差 ，如图 则测量头就会发生偏移，由指示表读数或记录器画出误差曲线。 图 盘式渐开线检查仪工作原理 1234、 95678图 转平面上形成 1条渐开 线轨迹 ,如图 3 所示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 图 轮渐开线形成原理 假设此圆就是被测齿轮的基圆盘 ,直线就是滑尺板。使仪器的测头位于 A 点 ,则当基圆盘与滑尺板作无滑动的相对运动时 , 测头就沿着齿面滑行。此时 ,若齿形为理论渐开线 ,无齿形误差及其它误差 ,则测头相对于 A 点静止不动 ,反之 ,若齿形有误差 ,则测头便会有跳动 , 将被测齿形与仪器复现的理论渐开线轨迹进行比较，从而得出如图 示实际齿形误差。 单盘式渐开线检查仪 结构简单、传动链短、调整比较容易，故其测量精度较高，可达 4级。不足之处是每测一种齿轮要更换一个与之对 应的基圆盘，具体应用此种原理的仪器有：瑞士 本 联 传统的单盘式渐开线检查仪是由手轮控制丝杠的运动，因此传动精度受到影响，并且不利于数据的处理。本设计是设计步进电机来代替手轮进行丝杠传动，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），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。 具有高精度的定位、位置及速度可控制、具有定位保持力、动作灵敏的特点。 它做伺 服电动机应用于伺服系统时 , 往往可使系统简单化 , 工作可靠 , 而且可以获得较高的控制精度。 本设计对被测齿轮的要求为基圆直径 1 0 2 5 0bm m r m m，齿数1 17z （没有根切现象）。 设计的采样间隔可调 齿轮 至少 每转动 样 一次。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 第二部分 单盘式渐开线检查仪的驱动装置 若驱动机构精度不够，则直接会引起不必要的误差，难以准确的测量被测齿轮。因此我们采用精度比较高的 步进电 机带动丝杠 传动。 即如图 系统框图： 控 制 器键 盘 输 入步 进 电 机 驱 动 系 统 步 进 电 机 联 轴 器丝 杠 水 平 移 动 台图 统整体框图 丝杠即螺旋传动，它是精密机械中最常用的一种传动形式。其主要作用是将旋转运动变为直线运动，在检查一种主要是实现位移的传动。即在计算机指令下，驱动机构能将运动部件准确的移到所需位置。 丝杠传动具有精度高、分辨率高、空程和回程误差小等特点，丝杠传动还有自锁功能，只要丝杠停止运动，运动部件不会在惯性力的或重力作用下继续运动。 丝杠传动具体可分为滚珠丝杠传动和滑动丝杠传动。与滑动丝杠传动 相比，滚珠丝杠传动具有以下特点： 1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动 ,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下 ,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。 2、高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面 ,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3、微进给可能 滚珠 丝杠副由于是利用滚珠运动 ,所以启动力矩极小 ,不会出现滑动运动那样的爬行现象 ,能保证实现精确的微进给。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 4、无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压 ,由于予压力可使轴向间隙达到负值 ,进而得到较高的刚性 (滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力 ,在实际用于机械装置等时 ,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强 )。 5、高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给 (运动 )。 本装置需要两个步进电机 丝杠传动系统，由于代替手轮 9的驱动装置对系统的要求远远低于代替手轮 3的驱动装置对系统的要求，因此本设计下面主要 考虑代替手轮 3的驱动装置的设计。为了其性价比和系统可替换性的原则，代替手轮 9的驱动装置和代替手轮 3的驱动装置完全相同。特此声明。 本设计采用滚动丝杠传动。 一 丝杠的选择 滚珠丝杠的选型过程中对滚珠丝杠本身需要 选择 的主要参数如下 ： 1、 公称直径。即丝杠的外径，常见规格有 12、 14、 16、 20、 25、 32、 40、50、 63、 80、 100、 120，公称直径和负载基本成正比，直径越大的负载越大。 由于本设计中对负载的要求比较小，因此选用丝杠的外径为 16。 2、 导程。也称螺距，即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离，常 见导程有1、 2、 4、 6、 8、 10、 16、 20、 25、 32、 40，中小导程现货产品一般只有 5、 10，大导程一般有 1616、 2020、 2525、 3232、 4040（ 4位数前两位指直径，后两位指导程）。导程与直线速度有关，在输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。导程与直线速度之间的关系为： n ,其中 导程， V 为直线速度， n 为丝杠转速 。 选用丝杠的导程。 3、 长度。 丝杠的有效行程取 500L 。 4、 精度。滚珠丝杠按 类和 T 类，即传动类和定位类，精度等级有 1、 2、 3、 4.般来说，通用机械或普通数控机械选 意 300行程内定位误差 或以下 。 精度选 根据丝杠的公称直径为 16、导程 5精度为 用丝杠 205 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 二、步进电动机 的选择 1 步进电机的工作原理 ： 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 图 进电机工作原 理 2 步进电机分类 步进电机在构造上有三种主要类型：反应式 (永磁式 (M)和混合式 (S)。 （ 1） 反应式 定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。 （ 2） 永磁式 永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大 (一般为 15) 。 （ 3） 混合式 混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。 按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 3 步进电机选型 由于本装置对步进电机的转矩、转速要求比较低。步进电机主要由步距角确定。本设计中要求被测齿轮的范围为：基圆直径 1 0 2 5 0bm m r m m的直齿。采样间隔为：齿轮至少每转动 样一次。 由于直尺和基圆盘是摩擦传动，假定基圆盘转过的角度 (也是被测齿轮转过的角度 )为1，则直尺水平移动的距离为： 1 ( 2 )360 ， 被测齿轮的基圆半径。 式（ 2 由上式得丝杠转动的角度 ： 360 ， 丝杠的导程， 5。 式（ 2 由于步进电机和丝杠是由联轴器直接连接，因此步进电机与丝杠之间的传动比 1i 。 步进电机的转角 360 式（ 2 整理得到步进电机转角m和被测齿轮转角1之间的关系为： 12 式（ 2 由 1 0 2 5 0bm m r m m， 51 得 ，即选择步进电机的最小步距角为 若不进行细分）。若细分则另算。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 本设计采用性价比比较高的雷塞科技的 42是一种 相混合式步进电机 。 电机的步距角为 ，配上细分驱动器后其步距角可细分达 128 倍 ( 步 )。 其主要参数为： 图 进电机 42步进电机 42图 2本设计采用步进电机每 50 步采样一次。可通过调节细分电路来调节采样点的个数。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 三 联轴器选择 联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴 器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。 20 世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。常用联轴器有螺旋联轴器 ，膜片联轴器，梅花联轴器，波纹管联轴器，弹簧联轴器，弹性联轴器，及刚性联轴器。 本次设计采用 性联轴器）系列，其配置参数为 孔径直径 1： 1 5d 径直 径 2： 2 16d 定扭矩 ： 1大扭矩 ： 2外径高度 ： 38最高转速 ： 19000 / 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 第三部分 系统硬件电路的设计 整个系统主要包括单片机系统、步进电机驱动系统以及两个系统连接部分组成，并且为了防止各个系 统之间的干扰，两个系统之间必须做电气隔离。 一 单片机系统部分 单片机系统主要包括电源模块、单片机最小系统、单片机复位模块以及键盘输模块。单片机采用 91 电源部分 本设计采用 主要参数如下图所示： 图 主要电路图 图 片机系统电源 2 复位电路 图 片机复位电路 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 3 单片机最小系统及键盘输入模块 图 本设计 通过按键 制系统开始测量（按 键按下，步进电机开始每 50步停止，等待信号采集和数据存储的时间），直到按下 明全部数据已经采集完）。 上，也可以作为急停按钮，防止意外事故的发生。按键 退、加速和减速。 二 步进电机驱动 系统 步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱步进电机驱动器。 驱动器 的作用是让电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作 。 控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的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，从而达到调速的目的 。 步进电机驱动系统主要由电源模块、驱动模块等组成。 1 电源模块 步进电机驱动系统的电源主要是 5V 和 24V， 24V 直接由开关电源提供， 5 一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。 其典型的电路如下： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 图 其中： 2 211 . 2 5 (1 )o u t A d 式中， 为 50 100 A ， 可以忽略不计。 上 式可以改写为： 211 . 2 5 (1 )V R 此设计中需要的是 5V 电压，因此考虑到 入电流不能过大的问题，我们取1 2 电路图如下： 图 其中 测 5 限流电阻，限制二极管的电流，避免被烧坏。 2 驱动模块 步进电机的驱动模块主要是有脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲放大器三部分组成。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 本设计采用日本 三洋 公司生产的 一款 高细分、大功率两相混合式步进电机驱动芯片 。 它内部集成了细分、电流调节、 率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。适合驱动 42、 57 型两相、四相混合式步进电机。在低成本、低振动、小噪声、高速度的设计中应用效果较佳。 （ 1） 特性： 双全桥 动，低导通电阻 最高耐压 40电流 （峰值） 多种细分可选（ 1、 1/2、 1/4、 1/8、 1/16、 1/32、 1/64、 1/128） 自动半流锁定功能 内置混合式衰减模式 内置输入下拉电阻 内置温度保护及过流保护 （ 2） 管脚图 图 进电动机驱动芯片 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 （ 3） 管脚说明： 图 进电动机驱动芯片 明 （ 4） 电路 原理图如下： 图 进电动机驱动芯片 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 通过调节滑动变阻器7计算公式为： 5， 其中中的11R、12R， 推荐使用 ）。在四个电机输出端与地之间需接入电阻 ， 作用是减弱毛刺对芯片的损坏。 阻值是电压 定，此处选择 10K。 配置表如下所示： 图 进电动机驱动芯片 细分设定电路如图 图 进电机细分值设定装置 三 单片机与步进电机驱动隔离 部分 为了避免 24V 电压对单片机 5V 电压造成影响，因此单片机系统和步进电机驱动系统必须做电气隔离。 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 本设计采用东芝公司的 单片机系统与步进电机驱动部分的光耦隔离。 电路图如下 ： 图 片机系统 与步进电机系统连接及光耦隔离图 三 整体设计电路图 整体设计电路图如附录二 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 第四部分 系统软件设计 一 脉冲频率的确定 系统使用的晶振为 8M，因此每个时钟周期的时间为 1/8M。 步进电机转过角度和步进电机脉冲数的关系为 ： m n， 为步距角， n 为脉冲个数。 式（ 4 由式 2进电机的转角1 22m h n 式（ 4 由式 2支持的位移 3 6 0 3 6 0m h hP n 式（ 4 对 式（ 4 式（ 4式（ 4左右两边对时间 t 微分得： m f， 其中m为 步进电机 的角速度 ， f 为单片机脉冲频率。 2 ， 其中 为被测齿轮的角速度 ， f 为单片机脉冲频率。 360， 其中 v 为直尺的水平移动速度， f 为单片机脉冲频率。 为了使直尺的水平位移速度和被测齿轮 的 起始 角速度不至于太快 或者太慢 ，又步进电机的最大转速为 600 / 右， 我们把 起始 脉冲 频率 f 确定为 500实际运行中可以通过按键和细分值来调节 ）， 此时： 步进电机的转速为： 7 5 / m r （若细分值为 1） 被测齿轮的转速为： 0 . 0 2 4 / m i n 0 . 5 9 7 / m i ， 1 0 2 5 0bm m r m（若细分值为 1） 直尺水平移 动速度为： v mm s （若细分值为 1） 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 二 程序流程图 1 主程序 结束设 备 初 始 化关 闭 驱 动 输 出脉 冲 频 率 输 出按 键 扫 描 程 序数 据 采 集 完 成 ？数 据 处 理 函 数是否主 程 序2 外部中断 1 服务程序 外 部 中 断 1 服 务 程 序关 闭 驱 动 输 出是 否 为 急 停 ？是否置 数 据 完 成 位结 束买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 3 按键扫描： 前 进 按 键 子 程 序前 进 按 键 是 否 ？ 否是设置电机正向开启驱动输出返回关 闭 驱 动 输 出软 件 按 键 消 抖后 退 按 键 子 程 序后 退 按 键 是 否 ？ 否是设置电机正向开启驱动输出返回关 闭 驱 动 输 出软 件 按 键 消 抖加 速 按 键 子 程 序加 速 按 键 是 否 ？ 否是脉冲频率输出返回脉 冲 频 率 增 加软 件 按 键 消 抖减 速 按 键 子 程 序减 速 按 键 是 否 ？ 否是脉冲频率输出返回脉 冲 频 率 减 少软 件 按 键 消 抖买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 开 始 按 键 子 程 序开 始 按 键 是 否 ？ 否是设置电机正向开 启 驱 动 输 出软 件 按 键 消 抖设 定 值 五 十 到 否 ？否是脉冲频率输出信 号 采 集 阶 段信 号 采 集 是 否 完 成 ？否是数 据 存 储 阶 段数 据 存 储 是 否 完 成 ？否是置设定值为0三 软件程序 具体程序设计见附录一。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 总结 通过本次课程设计，通过此次课程设计，对单盘式齿轮检测仪有了进一步了解，对步进电机以及其驱动系统加深了理解，进一步提高了自己发现问题、分析问题、解决问题的能力，对原理图、 设计中还有许多需要改进的地方，如 1、可以通过无线传输模块，用计算机的上位机软件直接控制步进电机的转动实现定位等功能。 2、增加传感器，实现自动定位，可以在很大程度上实现 仪器的自动化程度、提高仪器的精度。 3、可以引入触摸屏幕，嵌入系统，使人机交互界面和测量精度得到进一步的提高 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 参考文献 1 刘玉梅 ,韩辉 . 基于单片机的单盘渐开线齿轮检查仪的改造 J. 仪表技术与 传感器 ,2008,(11). 2 刘亚梅 ,李明等 J2003,(05). 3 余忠华 J1997,(06). 4 孙海波 ,姚新港等 用教程 M2008. 5 王洪欣 ,冯雪君 M2005. 6 谢彪 J2010. 7 陈林 ,彭小军 ,洪云 J报 ,2005,(05). 8 马秀坤 ,孙昌成 J1996,(01). 9 霍迎辉 ,陈宇翔 J2003,(03). 10 浦昭邦 ,王宝光 M2007. 11 文斌 M2009. 12 张展 . 联轴器 离合器与制动器设计手册 M2009. 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 附录 附录一：软件设计程序 /*/ 步进电机驱动程序，默认开始频率为 500片机型号 ： 89振大小 ： 8M 实现功能 ： 1、控制步进电机运行 2、键盘输入：控制步进电动机的正转、反 转、加速减速、急停按钮以及信号采集的开始。 作者 ： 马雪然 完成时间 ： 2011#; /信号采集函数，返回信号采集完成状态变量 ; /数 据存储函数，返回数据存储完成状态变量 ; /数据处理函数 # _ i,j,k; ; /设定每 50 步停一次以检测数据的变量 ; /信号开始采集标志 ; /数据处理完成标志 500; /脉冲频率参数 ,延时 *1000/（ ） =500 000 /25; /信号采集按键 ; /正转按键 21; /反转按键 =; /电机加速 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 23; /电机减速