（电气工程专业论文）微米级自动测量仪的设计.pdf

北京交通人学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：本文以精密机械为基础，采用光电传感器、旋转编码器、直线运动单元和 d s p i c 单片机，研制了个小型的单坐标微米级自动测量仪。该测量仪以较低的成 本实现了较高精度的自动测量，可用于大批量测量形状简单零件的尺寸，具有较 好的经济意义。 本文从测量原理、机械结构、电气控制系统和软件设计等几个方面详细介绍 t n 量仪的设计与实现过程。首先，文章描述了测量仪的测量原理和关键部件的 工作原理，按照测量原理设计了系统的整体方案，并且进行了关键零部件的选型； 其次，分析了测量仪的功能、精度对机械结构的需求，并针对需求进行了整体结 构规划，同时对测量杆等重要零件进行了详细设计；再次，文章从电源系统、控 制系统、驱动系统和人机接口等几个方面详细描述了测量仪的电气控制系统，并 介绍了电机控制程序、光电传感器检测程序、数据处理程序及测量仪的测量程序。 本文进行了两个方面的实验：在电机方面，进行了l m d l 8 2 0 0 驱动系统实验 和电机p i d 控制实验，证明了电机驱动与控制的稳定性较好；在测量仪方面，进 行了精确度实验和可靠性实验，实验证明，该测量仪具有较好的精确度和较高的 可靠性。在实验的基础上，文章对测量仪的误差源进行了分析，并提出了一些改 进方案。 关键词：微米级；自动测量仪：电机控制；d s p i c 单片；旋转编码器 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i sp a p e rd e v e l o p e dam i c r o n - l e v e la u t o m a t i cm e a s u n n gi n s t r u m e n t b a s e do np r e c i s em a c h i n e r y ，b yt h eu s eo fp h o t o e l e c t r i cs e n s o r s ，r o t a r ye n c o d e r s ，l i n e a r m o t i o nu n i t sa n dd s p i cm i c r o c o n t r o l l e r ，t h ei n s t r u m e n ta c h i e v eh i g h a c c u r a c yi n 1 0 w e tc o s t ，a n di ss u i t a b l ef o rm e a s u r i n gl a r g eq u a n t i t i e so fs i m p l eg e o m e t r yp a r t s t l ：1 i sa i t i c l ei n t r o d u c e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s so f t h em e a s u n n g i n s 仃u m e n tf r o ms e v e r a la s p e c t s ，s u c ha st h em e a s u r i n gp r i n c i p l e ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ， e l e c 伍c a lc o n t r o ls y s t e m sa n ds o f t w a r ed e s i g n t h ea r t i c l ed e s c r i b e d t h em e a s u r i n g p r i n c i p l eo ft h ei n s t r u m e n ta n d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fk e yc o m p o n e n t sa tf i r s t t h e n ， t h ew h 0 1 es y s t e mw a sd e s i g n e da c c o r d i n g t ot h em e a s u r i n gp r i n c i p l e i na d d i t i o n ，t h e r e s e a r c ha n a l y z e dt h ed e m a n d so ft h ef u n c t i o no ft h em e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，p r e c i s i o n a n de l e c t r i c a ls y s t e mf o rt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t om a k e a no v e r a l lp l a n n i n g ，a n dt o c a r r yo u tad e t a i l e da n a l y s i sa n dd e s i g nf o ri m p o r t a n tp a r t s t h ea r t i c l e a l s od e s c r i b e d t h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m sf r o mt h ea s p e c t so f l h ep o w e rs y s t e m ，c o n t r o ls y s t e m ， d r i v es y s t e ma n dt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e a tl a s t ，p r o g r a m ss u c ha sm o t o rc o n t r o l ， p h o t o e l e c t r i c s e n s o rt e s t i n g ，d a t ap r o c e s s i n ga n dm e a s u r i n gf u n c t i o nw e r ei n t r o d u c e d “ i i ll h i sp a p e r , t w oe x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t ：i nt h em o t o ra r e a ，l m d 18 2 0 0 n l o t o rd r i v es y s t e ma n dp i dc o n t r o le x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h em o t o rc o n t r o ls y s t e m r u n ss t a b l ya n dh a sag o o ds t a t e ；i nt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n ta r e a , t h ea c c u r a c y a n d t h er e l i a b i l i t ye x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h em e a s u r i n g i n s t r u m e n th a sg o o da c c u r a c y a n dh i 西t e l i a b i l i t y b a s e do nt h e s ee x p e r i m e n t s ，t h ee r r o rs o u r c e s o ft h em e a s u r i n g i n s t r u m e n tw e r ea n a l y z e d ，a n ds o m es u g g e s t i o n so fi m p r o v e m e n t w e r em a d e k e y w o r d s ：m i c r o n l e v e l ；a u t o m a t i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ；m o t o rc o n t r o l ； d s p i cr n i c r o c o n t r o l l e r ；r o t a r ye n c o d e r i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：辆刻匕 签字日期：2 l ，d 9 年月乡日 导师签名： i 彬君 签字日期沙降占月如 北京交通人学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通人学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者签名渤蛾签字眺2 伊7 年多月衫日 7 1 致谢 本论文的工作是在我的导师董春教授的悉心指导下完成的，董春教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来董春 老师对我的关心和指导。， 董春教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向董春老师表示衷心的谢意。 董春教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，丁桂林、范晓科等同学对我论文中的一些研 究工作给予了热情帮助，同时也感谢师弟师妹李凡红、张思博的支持，在此向他 们表达我的感激之情。 另外也感谢家人张梅芳、杨天生、杨燕、金鑫，他们的理解和支持使我能够 在学校专心完成我的学业。 绪论 1 1 研究背景与意义 1 绪论 机械工业的生产发展历史表明，测量技术的发展和机械加工精度、自动化程 度和生产效率、机械零件的复杂程度等息息相关。机械零件几何量参数的测量技 术是随着机械加工精度、生产自动化程度以及生产效率的提高而不断提高的。2 0 世纪初，大部分的量具仍然是机械式量器具，如米尺，游标卡尺，千分尺等，因 为当时的最高制造精度不过在微米级别。传统的机械式量器具具有操作简便、成 本低廉等显著有点，也基本能够满足当时的测量要求。但是与被测量零件接触造 成的磨损误差，以及效率低下、操作者容易疲劳、难以自动化集成等缺点越来越 难以满足生产的要求。到了5 0 年代后，制造精度达到了十分之一微米，制造自动 化程度越来越高，零件的形状也变得更加复杂，传统的机械式量器具已经不能满 足生产和质量保证的需要了。于是出现了光学显微镜、光学投影仪、激光测量仪、 三坐标测量机等应用全新技术的测量仪器，然而，这些设备也更加昂贵。 对于形状简单的工件，在工业现场中对它进行尺寸进行检测时，若采用传统 的手动式量具，测量精度较低，工人容易因疲劳而造成测量或读数误差，工人的 劳动强度较高，同时，测量头磨损也会影响测量准确度；而如果采用先进的三坐 标测量机等自动化设备，又过于浪费，成本过高。因为，需要一种成本较低的自 动化( 或半自动化) 设备，能提高测量精度，同时又能降低工人的劳动强度。 本课题研究的微米级自动测量仪用于测量形状较为简单的工件尺寸。它采用 单片机控制系统，以较低的成本实现了零件尺寸自动测量和结果显示，提高了测 量精度，减轻了工人的劳动强度，减小了结果误读的几率，安全可靠。 1 2 国内外自动测量技术现状 常用的自动测量技术主要有机器视觉测量技术、自动式坐标测量技术等。 北京交通人学硕十学位论文 1 2 1 机器视觉测量技术 人们对机器视觉的研究最早是从五十年代后期丌始的，而许多基本概念，则 是在最近的十几年中才发展起来的。近年来，由于微型计算机的普及，以及图像 处理技术和模式识别技术的不断发展与完善，机器视觉技术在科学研究、工业生 产以及管理等领域得到了越来越多的应用，例如：在自动化生产中作为一种视觉传 感器，对生产过程进行监控：利用三维视觉测量技术对各种形状不规则的物体或工 件进行非接触测量：根据工业上的各种射线性照片检测机器各部分的缝隙和裂纹： 智能机器人的导航与目标跟踪等等。 机器视觉系统是由机械、光学、电子和计算处理等单元组成，它能够识别和 理解被观察对象、环境、物体以及它们的形状、颜色、。位置等参数。研究和开发 机器视觉系统涉及到机械学、光学、电子学、数学等方面的知识：另一方面，机器 视觉具有较强的针对性，通常是针对具体的应用，通过实践探索才能研究出适用 的视觉系统。 近十年来国内外的许多研究机构，在机器视觉检测这一方面做了大量的研究 工作，提出了一系列的测量方法，这些方法都是基于机器视觉检测技术，构造视 觉检测系统，利用图像处理技术对所拍摄的物体图像进行处理，最后采用一定的 算法来获得相关的数据。这些方法主要有：双像合成法、莫尔条纹法，傅立叶变换 轮廓法，位相测量法，三角测距法，聚焦法，飞行时间法和光谱法等。 国内对三维物体形状检测的研究虽然起步较晚，但也取得了一些成果。通过 检索，了解到上海交通大学、湖南大学、安徽大学、哈尔滨工业大学、青岛海洋 大学、中国计量学院、滦河发电厂等等研究机构与院校分别提出过开发研究的机 器视觉检测系统和方法。乜儿3 儿钔 1 2 2 自动式坐标测量技术 坐标测量法是几何量测量最基本最常用的测量方法，通过测量被测几何要素 上若干个点的位置坐标继而求得被测参量。包括采样读数和数据处理两个步骤。 实现测量的关键是建立被测参量和采样点在测量机坐标系中的坐标关系模型。 坐标测量法包括对单坐标、双坐标、三坐标和多坐标的测量。工业上常用的 自动式坐标测量机为三坐标测量机。 三坐标测量机的主体主要由以下各部分组成：底座、测量工作台、立柱、x 及 y 向支撑梁和导轨、z 轴部件及测量系统( 感应同步器、激光干涉仪、精密光栅尺、 2 绪论 精密丝杆等) 、计算机及软件。 该机通过三个坐标轴在三个空i i i j 方向自由移动，测头在测鬼范围内可以到达 任意一个测点，三个轴的测量系统可以测出测点在x ，y ，z 三个方向上的精确坐标 位旯。 三坐标测显机按其精度来说可以分为两大类：类是精密型万能测量机 ( l 删) ，一般放在有恒温条件的计量室内，用于精密测量，分辨率为0s u m 、l u r e 或 2 u m ，也有达n o 2 或0l u m 的；另一类是生产型测量机( c 删) ，一般放在生产车自j ， 用于生产过程的检测，并可进行本道工序的精加工，分辩率为s u m 或l o u m ，小型生 产测量机也有l u m 或2 呻的。“”。” 图卜l 为美国布朗夏普公司制造的h a m e l e o n7 1 0 7 三坐标测量机。除了进行 常规精密测量外，还可以进行高精度曲面扫描测量，可辅助进行逆向设计。 酗卜1h 舳e l e o n7 1 0 7 三坐标测量机 f i g u r e i - 1h a m e l e o n7 1 0 7 m e a s u r i n g m a c h i n e 国内也做了较多相关的工作。台肥工业大学制作的工字钢结晶器内腔尺寸自 北京交通人学硕十学位论文 动测量机，就是一台适用于钢铁生产车l 、日j 的专用三坐标测量机。 本课题研究的自动测量仪与单坐标测量机类似。 1 3 课题研究的主要内容 本课题研制的微米级自动测量仪为单坐标的光机电一体化自动测量仪。主要 的工作内容如下： ( 1 ) 研究国内外自动测量的方法。 ( 2 ) 分析测量仪重要部件的工作原理与测量仪的测量原理。 ( 3 ) 进行测量仪的总体设计方案设计，并对系统进行拆分，针对各个分系统 进行关键件选型。 ( 4 ) 设计测量仪的整体机械结构，并对重要零部件进行详细设计。 ( 5 ) 从电源系统选择、控制电路设计和电机驱动方案三个方面设计测量仪的 电气控制系统。 ( 6 ) 编写电机速度、位置控制程序，并设计测量仪的软件结构与各个子系统 的运行程序。 ( 7 ) 对结构误差进行软件补偿。 ( 8 ) 实验验证电机的控制器与控制算法，并验证测量仪的可靠性和精确度。 同时，分析测量仪的误差源，并提出改进方案。 4 洲；t 系统原理 21 测量系统原理 2 测量系统原理 本测量仪的原理图如图2 - l 所示 目2 - i 测址仪原理 f i g u r e2 - 1 矾n c i p l e o f 血e m e a s u d n g i n s t r u m e n t 本测量仪主要由黑白分明的重杆、光反射传感嚣、精密丝杠、光栅尺、旋转 编码嚣、伺服电机以及控制电路组成。重卡t 靠自身重力压在物体表面后，单片机 控制电机转动，电机带动连接在丝杠上的光反射传感器探测重杆的黑白分界线， 然后单片机读起始位置和终止位髯处编码器的脉冲数之差并处理误差计算得 出长度，最后结果由液晶显示。光栅尺用于补偿结构误差。 北京交通人学硕十学位论文 2 2 位置检测元件 2 2 1 位置检测元件要求 位置检测元件代表着伺服系统的精度和性能，所以伺服系统要求位置检测装 置具有如下的要求： ( 1 ) 高可靠性和高抗干扰性：受温度湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好， 抗干扰能力强。 ( 2 ) 能满足精度和速度的要求：位置检测装置分辨率应高于系统分辨率；位置 检测装置最高允许的检测速度应高于被检测系统的最高运行速度。 ( 3 ) 使用维护方便：适应设备工作环境，成本低。 2 2 2 位置检测元件的分类 按照输出信号的形式、测量基点的类型和检测元件的运动形式将各类位置检 测装置进行分类，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 位置检测元件的分类 t a b l e2 - 1c l a s s i f i c a t i o no ft h ep o s i t i o n - d e t e c t i n ge l e m e n t 数字式模拟式 增量式绝对式增量式绝对式 回脉冲编码器绝对式脉冲编码器旋转变压器三速圆感应同步器 转圆光栅 圆感应同步器 式 圆磁尺 直直线光栅多通道投射光栅直线感应同步器三速感应同步器 线激光干涉仪 磁尺绝对磁尺 式 6 测罐系统原理 2 23 脉冲编码器 脉冲编码器叉称码盘，是一种回转式数字测量元什，通常装在被榆测轴上随 被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。 根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3 种。其中，增量 式光电编码嚣在自动化设各上应用较多。 目2 2 增量式光电编码器的原理 f ig i i l e2 - 2 p n n c i p l e o f m e i n c r e m e n t a lp h o t o e l e c l r i ce n c o d e r s 2231 增量式光电编码器 增量式光电编码器的结构和工作原理如图2 2 所示。光电编码器随被测轴一 起转动，光源透过光电码盘和光栅板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信 号转换成电信号，再通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形 有六路；a 、a 一、b 、b 一、z 和z 一。其中 一、b 一、z - 是a 、b 、z 的取反信号。 这六路信号的作用如下： ( 1 ) a 、b 两相的作用 根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移，根据脉冲的频率可得被测轴的转速， 根据 b 两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向，后续电路可利用a 、b 两相的9 0 。相位差进行细分处理( 四倍频电路实现) 。 北京交通人学硕： = 学位论文 ( 2 ) z 相的作用 用作被测轴的周向定位基准信号，和被测轴的旋转圈数记数信号。 ( 3 ) a 一、b 一、z 一的作用 后续电路可利用a 、a 一两相实现差分输入以消除远距离传输的共模干扰。 增量式光电编码器的信号输出有正弦波( 电流或电压) ，方波( t t l 、h t l ) ， 集电极开路( p n p 、n p n ) ，推拉式多种形式，其中t t l 为长线差分驱动( 对称a 、 a 一；b 、b 一；z 、z 一) ，h t l 也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口 应与编码器对应。图2 3 为光电编码器的方波信号( 仅a 、b 、z 相) 。图2 - 4 为编 码器信号的四倍频原理。 a b z 9 0 。 t 码盘转一圈 图2 3 增量式光电编码器的方波信号 f i g u r e2 - 3s q u a r e - w a v es i g n a lo ft h ei n c r e m e n t a lp h o t o e l e c t r i ce n c o d e r s 皇厂 厂 厂 b 下 几f 图2 4 增量式光电编码器信号的倍频 f i g u r e2 - 4f r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o no ft h es i g n a lo f t h ei n c r e m e n t a lp h o t o e l e c t r i ce n c o d e r s 增量式光电编码器的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数。现在市场上提供 的规格从3 6 线转到l o 万线转都有。选择脉冲编码器要根据伺服系统要求的分 辨率和机械传动系统的参数。根据编码器规格不同具有不同的分辨率( 分辨角a ) 。 设增量式码盘的规格为n 线转，则分辨角o - 3 6 0 。n 。“” 2232 绝对式光电编码器 绝对式旋转光电编码器，园其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆， 已经越柬越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。 绝对式光电编码器的码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2 线、4 线、8 线、1 6 线编排( 如图2 - 5 ) ，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻 线的通、暗，获得一组从2 的零次方到2 的n 1 次方的唯一的2 进制编码( 格雷 码) 这就称为n 位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不 受停电、干扰的影响。 绝对编码器由机械位置决定的每个位嚣的唯一性，它无需记忆，无需找参考 点，而且不用一直计数，需要知道位冒时读取即可。这样，编码器的抗干扰特性、 数据的可靠性得到了很大的提高。 图2 5 绝对式光电编码器的码盘 f i g u r e2 - 5c o d e d i s k o f t h ea b s o l u t e p h o t o e l e c t r i ce n c o d e t 北京交通人学硕十学位论文 2 2 4 直线光栅 直线光栅的基本原理与增量式光电编码器相同，区别仅仅在于将码盘改成光 栅尺，且编码器中光敏器件的位置也须适应沿直线排列的光栅格，即两者的器件 型号规格略有区别( 如图2 - 6 ) 。 光栅尺 图2 6 直线光栅的基本原理 f i g u r e2 - 6b a s i cp r i n c i p l eo ft h el i n e a rg r a t i n g 2 3 光电传感器原理 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。在一 般情况下，光电传感器l h - - - 个部分构成，它们为：发送器、接收器和检测电路。 图2 - 7 光电传感器的工作原理 f i g u r e2 - 7w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep h o t o e l e c t r i cs c l l $ o r 发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管 ( l e d ) 、激光二极管及红外发射二极管。光束不问断地发射，或者改变脉冲宽度。 接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元 l o 口= = = = 口= = = = i i 审 一 动 镜、厂移 透弋黼。 测苗系统原理 件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 光电传感器的分类和工作方式如下： ( 1 ) 槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发 光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体 从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接 通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限 制一般只有几厘米。 ( 2 ) 对射型光电传感器 若把发光器和收光器分离丌，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收 光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检 测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径 的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。 ( 3 ) 反光板型光电开关 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射 原理完成光电控制作用的称为反光板反射式( 或反射镜反射式) 光电开关。正常情 况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住， 收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。 ( 4 ) 扩散反射型光电开关 它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情 况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分 反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。 北京交通人学硕十学何论文 3 总体方案设计与关键件选型 3 1 自动测量仪的总体方案设计 本测量仪按功能可分为机械框架结构、测量系统、驱动系统、控制系统、电 源系统、人机接口和软件系统等几个子系统。 机械框架结构是测量系统的主体机械结构，包括底座、主支架、测量杆、立 壁、隔板、光栅尺读数头底座和电机固定座等。测量系统由光电传感器、旋转编 码器、直线光栅、直流伺服电机和直线运动平台组成。驱动系统有两种方式供选， 一种方式是采用电机驱动器，另一种方式是采用l m d l 8 2 0 0 驱动芯片。控制系统 选用d s p i c 单片机作为控制核心。人机接口采用小型液晶屏作为输出，手动按钮 作为输入。软件系统用d s p i c 单片机专用的编程软件和编译器，编写c 程序，控 制系统运行。该测量仪的总体框图见图3 1 。 图3 - 1 测量系统总体框图 f i g u r e3 - 1o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h em e a s u r i n gs y s t e m 1 2 总体方案设计与关键什选型 3 2 测量系统选型 3 2 1 光电传感器 测量系统的传感器选型需求如下： ( 1 ) 能分辨黑白分界线； ( 2 ) 精度满足设备要求( 实验后确定) ； ( 3 ) 响应时间低于2 0 m s ； ( 4 ) 成本较低。 根据需求，本课题调查了如下几种传感器： ( 1 ) o m r o n 公司的微型反射式光电传感器e e s p y 4 0 2 ( 2 ) s u n x 公司的超薄型反射式光电传感器e x 1 4 a ； ( 3 ) s u n x 公司的光纤式传感器f d e g 3 ( 4 ) o m r o n 公司的激光式传感器e 3 z l l 6 1 。 ( 1 ) 主要应用于检测微型物体，精度较高，成本较低，但检测距离很短。( 2 ) 的检测距离较长，但工业上主要用来检测有无，很少用作测量或定位，精度不如 ( 1 ) 。( 3 ) 和( 4 ) 两种传感器精度很高，主要应用于精确定位和检测，但价格较 贵。经过实验，传感器( 1 ) 可满足测量仪的精度要求。 e e s p y 4 0 2 为反射型接插件式光电传感器，它具有以下特点： ( 1 ) 采用能抗周围外来光干扰的变调光式； ( 2 ) 电源电压为d c 5 2 4 v 的大量程电压输出型； ( 3 ) 带有容易调整的光轴标识； ( 4 ) 带有便于调整、动作确认的入光显示灯。 e e s p y 4 0 2 最大检测距离为5 m m ，重复精度小于0 1 m m ，应差距离为0 2 m m ( 检测距离3 m r n ，横方向) ，光源为g a a s 红外发光二极管( 9 4 0 n m ) ，n p n 电压 输出，应答频率为1 0 0 h z ，消耗电流为平均1 5 m a 。它的内部原理图和接线图见 图3 2 ，运行时序图见图3 3 。 北京交通大学硕十! 学何论文 图3 - 2e e s p y 4 0 2 的内部原理图和接线图 f i g u r e3 - 2i n t e r n a lp r i n c i p l ea n de x t e r n a lw i r i n go ft h ee e - s p y 4 0 2 3 2 2 直线光栅 人光盟示灯 红) 输出 晶体蟹 负载1 继电器 负载2 盒霎薯口遮光时l l 碧妻口 灯灭l _ j o 洲f f 口 - - - i - - - - - - - - - - - - - - - - i - - - 一 莩亲口 复位l 上_ 图3 - 3e e s p y 4 0 2 的运行时序图 f i g u r e3 - 3t i m i n gd i a g r a mo ft h ee e s p y 4 0 2 直线光栅用来对系统结构误差进行补偿，其选型需求如下： ( 1 ) 分辨率小于1 0 u m ，从而满足系统误差补偿算法的需求； ( 2 ) 能检测传感器的实际位置，实现测量系统的闭环； ( 3 ) 有零点信号，方便系统寻找零位： ( 4 ) 安装方便。 本测量仪中采用的直线光栅分为光栅尺和读数头两部分。其中，光栅尺选用 1 4 总体万枭设计- _ 戈键什选 英创r e n i s h a w 公司的r g s 4 0 s ，读数头选用r e n i s h a w 公司的r h l 0 0 ( 见 图3 - 4 ) 。r g s 4 0 一s 的刻度f u l 距为4 0 u r n ，线性度为l u m 6 0 m m 。r h l 0 0 用于读 r g s 4 0 s 的数据，它是非接触式开放性系统，最大运行速度可达6 m s ，分辨率可 达h i m 。另外，光栅尺带有零位与限位丌关，可实现精确回零。 装配测量仪时，将光栅读数头固定在侧壁上，光栅尺粘贴在直线运动平台的 滑台上，同时光电传感器也安装在这个滑台上。这样，便实现了对传感嚣实际 位嚣的检测。 图3 4 r e n i s h a w 光栅尺和读数头 f i g u r e3 - 4 9 m t l n gr u l e r a n dr e a d i n g h e a d o f r e n i s h a w 该非接触式直线光栅对安装精度有较高的要求，如读数头和光栅尺之间的距 离为0 8 4 - 0l m m ，若距离不在这个范围内，读数头便无法读到数据。这就要求测 量仪的结构设计较为精确，安装方式较为合理。 3 23 伺服电机、减速器及编码器 求。 伺服电机的选型需求为： ( 1 ) 直流供电，方便系统集成； ( 2 ) 转速、扭矩和转动惯量满足系统需求。 ( 3 ) 测量仪测量时，负载轴( 直线运动平台的丝杠) 转速很低，约6 - 2 0 r m i n 。 减速器的选型需求为： 要求较大减速比，保证电机工作在中低速段的前提下，满足负载轴的转速需 北京交通人学硕士学位论文 编码器的选型需求为： ( 1 ) 差分信号输出，有较强的抗干扰能力； ( 2 ) 有零相信号； ( 3 ) 通过减速器后，对于负载轴的分辨率达到0 1 u m 以下。 从需求考虑，测量仪中的电机选用瑞士m a x o n 公司的直流空芯杯转子电机 r e 3 6 1 1 8 7 9 8 。其标称功率7 0 w ，额定电压2 4 v ，空载转速6 2 1 0 r p m ，速度转矩 斜率8 0 5 r p m m n m ，空载电流1 0 5 m a 。它的特点是体积小、重量轻、线性度好( 无 齿槽效应) 、转动惯量小、反应迅速、过载能力强、效率高、具有良好的抗电磁干 扰能力等。m a x o n 电机广泛应用于精密医疗仪器及医疗设备，精密光学仪器、 测量仪器、自动化仪表、安防系列、工业控制系统以及机器人、航空、航天等高 科技领域；其中高科技的r e 系列电机更是作为美国宇航局( n a s a ) 火星探测器 ( 机遇号、勇气号) 的关键部件登上了火星。 减速器和编码器均由m a x o n 公司提供。减速器为多级减速器，减速比为 3 3 ：1 。编码器选用增量式光电编码器，分辨率为5 0 0 线。减速器装在电机的输出 轴，编码器装在电机后端。这样，输出轴每转一圈，编码器产生的脉冲数为 5 0 0 * 3 3 = 1 6 5 0 0 个，对脉冲做四倍频后，相当于每转输出6 6 0 0 0 个脉冲。若输出轴 转动一圈对应直线运动l m m ，则对应的编码器分辨率为l m m 6 6 0 0 0 = 1 5 n m 。 3 2 4 直线运动平台 直线运动平台的选型需求如下： ( 1 ) 平台丝杠精度要求3 u r n 1 0 m m 以下； ( 2 ) 丝杠导程小于2 m a n ； ( 3 ) 方便安装传感器和光栅尺。 直线运动平台选用北京钧义志诚公司的d r 7 5 5 0 平台( 见图3 5 ) 。该平台结 构紧凑，性价比高，应用于高精度的场合。平台采用磨削丝杆传动以及交叉滚柱 轴承，具有很高的承载能力和机械刚度。主要应用于激光加工、精密定位、光学， 光电设备等场合。 d r 7 5 5 0 平台采用瑞士产磨削丝杠，精度高，刚度和耐磨性很好。丝杠导程 为l m m ，螺纹直径为m 8 ，精度可达+ 2 u m l o m m 。 该平台行程为5 0 m m 。平台两端配有限位传感器，用于保护丝杠和导轨。平 台底座和滑块有装配孔和螺纹，用于安装或与其他设备连接。滑块两端各有一个 防尘罩，可防止灰尘进入直线运动平台。 1 6 图3 - 5d r 7 55 0 直线运动平台 f i g u r e3 - 5 d r 7 5 5 0 l i n e a r m o t i o n p l a t f o r m 3 3 驱动系统选型 驱动系统的选型需求为： ( 1 ) 驱动直流电机； ( 2 ) 有过热、过流保护； ( 3 ) 控制方便。 本测量仪准备了两种驱动方案，一种足采用屯机驱动器，它稳定性较好，但 价格较高。另一种是采用l m d l 8 2 0 0 驱动芯片，可以大幅砰低设备的成本，对系 统的功能也没有影响。 331 电机驱动器 电机驱动器选用m a x o n 公司的4 一q d c 直流伺服放大器l s c 3 0 2 ( 见图 3 - 6 ) 。它的输入电压范围为1 2 - 3 0 v d c ，最大输出电压2 4 v ，最大输出电流2 a ， 最大输出功率5 0 w 。 国豳 凹3 - 6l s c 3 0 2 电机驱动器 f i g u r e3 每l s c 3 0 2 l n o l o r d r i v e r 该电机驱动器利用外部d i p 开关来选择五种不同的工作运行模式：i x r 补偿 模式、电压调节模式、编码器调节、直流测速机调节以及电流调节运行模式。 另外，还可以调节配置旋钮来配置驱动器的参数，如最大速度、l x r 补偿、 偏黄、屉大电流、速度调节增益( 详见第四章驱动系统) 。 3 32l m d l 8 2 0 0 驱动芯片 测量仪驱动系统的另一种方案是采用l m d l 8 2 0 0 驱动芯片。l m d l 8 2 0 0 是美 国国家半导体公司( n s ) 推出的专用于直流电机驱动的h 桥组件，同一芯片上集 成有c m o s 控制电路和d m o s 功率器件，利用它可以与主处理器、电机和编码 器构成一个完整的运动控制系统。它广泛应用于机器人、打印机和各种自动化控 制领域。 l m d l 8 2 0 0 芯片的峰值输出电流为6 a ，连续输出电流为3 a ，工作电压为5 5 v 。 此外，l m d l 8 2 0 0 芯片还有温度报警、过热短路保护功能( 温度超过1 4 5 c 时， 芯片自动关断) 和良好的抗干扰能力。它的内部原理图见图3 7 。 总体方案设计与关键什选型 方向3 刹车4 p w 城5 温度报警输出自举l输出1v s输出2 自举2 9 l 2 6 1 01 l 图3 - 7l m d l 8 2 0 0 的内部原理图 f i g u r e3 - 7i n t e r n a lp r i n c i p l eo fl m d 18 2 0 0 3 4 控制系统选型 样输出 8 控制系统的选型主要是指控制器的选型。本课题对控制器有如下需求： ( 1 ) 有较快的处理速度( 3 0 m 以上) ；、 ( 2 ) 较大的内存容量( 数据r a m 要求4 k 以上) 。测量仪软件中的误差补偿 程序、液晶显示程序等需要较大的数据容量和程序容量，故需要c p u 的内存较大。 ( 3 ) 足够的管脚。要求有完整的1 6 位数据总线，还要有足够的d i o 口，以 完成控制系统的多种功能。 ( 4 ) 支持r s 2 3 2 ，支持p w m 输出和a d c 输入。 满足系统需求的控制器有p c b a s e d 运动控制卡、小型p l c 、单片机。根据系 统集成程度高、成本低的特点，本课题选择m i e r o c h i p 公司的d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 a 。 d s p i c 单片机是m i c r o c h i p 为缩小单片机同d s p 之间的性能差异，使客户能 方便地将单片机的功能转移到d s p 而推出的。单片机和d s p 各有特点。前者控 制功能强，后者数字信号处理能力强，因而，将高性能1 6 位单片机加上d s p 功 能，就产生了d s p i c 芯片。 由于d s p i c 兼容了单片机和d s p 芯片这两类产品的优点，因此它具有下列特 1 9 北京交通人学硕 ：学位论文 点：丰富的外围部件；完整的d s p 引擎；改进的中断能力；f l a s h 存储器，灵活 的重编程能力；强大的开发环境；引脚数少；使用优化的高级语言；方便p i c 系 列单片机用户移植现有的代码；熟悉的类似单片机的用户开发平台。 此外，d s p i c 还可以支持4 m x 2 4 位的可寻址f l a s h 程序存储体，以及3 2 k x l 6 位的数据存储空间。相对于其它许多单片机的5 v 供电及d s p 的3 3 v 供电，d s p i c 的供电电压是2 5 5 5 v 。 d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 a 芯片采用1 6 位( 数据) 改进型非流水线的哈佛r i s c 结 构；程序计数器( p c ) 为2 4 位宽，可以寻址4 m x 2 4 位的程序存储器空间；有1 6 个1 6 位的工作寄存器( w 0 - 一w 1 5 ) ，每个工作寄存器都可以作为数据、寻址或移 位寄存器来操作，其中，第1 6 个工作寄存器( 即w 1 5 ) 作为中断和程序调用的 堆栈指针：d s p i c 3 0 f 指令字是2 4 位的，其指令系统有很大的增强，最大特点就 是包含了对d s p 的支持；带有内部晶振和锁存器，工作频率可达3 0 m i p s ；包含 4 1 个中断源；另外，d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 a 含有最多1 4 4k 字节的片内闪存程序空间， 最多4 8 k 的指令字，最多8k 字节的片内数据r a m ，最多4k 字节的非易失 性数据e e p r o m 。 2 0 机械结构殴计 4 机械结构设计 4 1 机械结构的设计需求 测量仪对机械结构的需求如下： ( 1 ) 满足测量仪功能的要求。 要求合理布局，为各部件提供合理的安装位置，提供安全、合理的布线通道， 减小系统的体积。 ( 2 ) 满足测量仪精度的要求。 光栅尺和光栅读数头的距离要求为0 8 0 1 m m ；光学传感器和测量杆间的距 离应该传感器的测量范围内；应保证直线运动平台的垂直度，保证测量杆及套筒 的垂直度；保证测量杆和套筒之间的配合精度。 ( 3 ) 避免各个子系统相互干扰。 ( 4 ) 保证结构坚固耐用，并能在一定程度上消除震动对系统的影响。 ( 5 ) 易于安装，方便维护。 4 2 整体结构设计 测量仪的机械结构按功能划分为三个部分：电源系统，测量系统，控制驱动 系统( 见图4 1 ( b ) ) 。这三个部分之间相互隔离，可以避免测量仪运行时各子系 统之间相互干扰。测量仪各组件的装配关系如图4 一l 所示。 ( 1 ) 电源系统部分 开关电源安装在主支架上，三相插头通过后壁引出；电源供电导线通过拨动 开关接到控制电路板；拨动开关安装在后壁上。 ( 2 ) 测量系统部分 直线运动平台安装在主支架上；直流伺服电机通过法兰与直线运动平台连接， 同时，电机通过托盘固定在主支架上；光栅尺贴在直线运动平台右侧，光栅读数 头底座安装在侧壁上：光学传感器通过支架与直线运动平台相连；测量杆套筒安 装在顶盖，测量杆在光学传感器测量范围之内：载物平台的中心在测量杆j 下下方， 通过螺钉与底座相连，并可根据测量物体的形式进行更换：平衡水泡安装在底座 上，可显示测量仪的平衡状态；底座四周有三个调平螺钉，可对设备平衡进行微 北京交通人学硕十学位论文 调。 ( 3 ) 控制驱动系统部分 为节省空间，测量仪的控制系统、驱动系统和输入输出系统都安装在控制驱 动系统部分。控制电路板通过双头螺柱安装在上侧，驱动器安装在控制电路板下 方( 采用l m d l 8 2 0 0 驱动时，此处空置) 。液晶和空置按钮都安装在侧壁上，与 控制电路板相对应。 67 a ) 正视图 a ) f r o