（精密仪器及机械专业论文）光照度计全自动检定系统设计和研制.pdf

光照度计全自动检定系统设计和研制 摘要 本课题来源于深圳市计量质量检测研究院科研项目“光照度计全自动检定 系统的研究开发”，该项目研究的目的是在现有光照度计检定系统上开发一套用 于数字式光照度计检定的全自动检定系统。该系统在计算机控制下实现：水平 运动工作台的运动定位：回转工作台的回转定位；自动读数以及自动数据处理、 输出检定结果的功能；同时要求夹具设计便于照度计安装定位；系统的设计制 造成本较低。 照度计自动检定系统的研制成功将会在保证检定精度的基础上大大提高检 定效率，降低了检定人员的工作强度，不仅会产生巨大的经济效益，而且会带 来巨大的社会效益。 本论文重点研究了光照度计全自动检定系统中部分硬件设计，如回转工作 台、照度计夹具、传动装置等，同时研究了单片机控制系统。作者完成的主要 工作包括：( 1 ) 回转工作台、照度计夹具的设计；( 2 ) 运动控制系统的硬件设 计；( 3 ) 运动控制系统的软件设计；( 4 ) 系统的实验分析。 关键词：光照度计标准灯回转工作台单片机控制系统 d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o n a u t o - t e s t i n gs y s t e mo fi l l u m i n o m e t e r a b s t r a c t t h e s u b j e c tc o m e sf r o mt h ep r o j e c t ”t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f i l l u m i n o m e t e ra u t o m a t i ct e s ts y s t e m ”s u p p o r t e db ys h e n z h e n a c a d e m yo f m e t r o l o g ya n d q u a l i t yi n s p e c t i o n t h ep u r p o s eo f t h i sp r o j e c ti st os t u d yt h ee x i s t i n gi l l u m i n o m e t e r t e s ts y s t e mt od e v e l o pas y s t e mf o rt h ea u t o m a t i cd i g i t a li l l u m i n o m e t e rt e s ts y s t e m u n d e rc o n t r o lo f c o m p u t e rs y s t e m , t h ea u t o - t e s ts y s t e mf u n c t i o n sc a nb ea c h i e v e d t h e s ea u t o m a t i cf u n c t i o n si n c l u d e ：m o v e m e n tw o r k s t a t i o np o s i t i o n i n g ；r o t a r y p l a t f o r m sr o t a t i n gt od i f f e r e n ta n g l e s ；c c dd e v i c ef o rr e a d i n ga n dd a t ap r o c e s s i n g i u u m i n o m e t e r sa r ee a s i l yi n s t a l l e da n dl o c a t e d t h e d e v e l o p m e n t o f t h ei l l u m i n o m e t e ra u t o t e s ts y s t e mw i l lg r e a t l ye n h a n c et h e t e s te r j c i e n c y , r e d u c i n gt h ew o r l d n g1 0 8 do f u s e r t h i sp a p e rw i l lf o c u so nt h ed e s i g no f h a r d w a r eo f t h ei l l u m i n o m e t e ra u t o m a t i c t e s ts y s t e m ，i n c l u d e d ：r o t a t i n gp l a t f o r m 、f l x t u r eo f t e s t e di l l u m i n o m c t e r 、t r a n s m i s s i o n d e v i c ea n dm i c r o c h i pc o n t r o ls y s t e m t h eo f m a j o rw o r k sb yt h ea u t h o ri n c l u d e ： ( 1 ) r o t a r yt a b l ea n dt h ef i x t u r eo f i l l u m i n o m e t e r ；( 2 ) t h eh a r d w a r eo f m o t i o nc o n t r o l s y s t e m ；( 3 ) t h es o f t w a r eo f m o t i o nc o n t r o ls y s t e m ；( 4 ) t h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s k e yw o r d s ：i l l u m i n o m e t e r ，t h es t a n d a r dl i g h t ，r o t a t i n gp l a t f o r m ，m i c r o c o n t r o l l e r ， c o n t r o ls y s t e m 图i - i 图1 - 2 图1 - 3 图2 1 图2 - 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 - 7 图2 - 8 图2 _ 9 图2 1 0 图2 - 1 1 图2 1 2 图2 - 1 3 图3 一l 图3 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 6 图3 - 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 - 1 0 图3 - i l 图3 - 1 2 图3 - 1 3 图4 - 1 图4 - 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 插图清单 目前照度计的检定系统2 稳压电源与标准电阻2 照度计自动检定系统研究内容3 系统组成图4 涡流式接近开关7 电感式接近开关的工作原理图7 传感器的磁场变化7 垂直位移的检测7 水平位移的检测7 接近开关引脚连线7 步进电机实物图8 三相步进电机定子转子展开图8 二相四拍时序图9 步进电机的驱动电平1 0 步进电机的驱动1 0 s t c 8 9 c 5 1 r c r d + 1 1 回转工作台设计模块1 3 回转工作台结构图1 4 回转工作台结构示意图1 5 分度盘1 6 托盘1 6 常用的照度计1 7 照度计夹具结构图1 7 照度计夹具结构示意图1 8 支撑轴与轴承配合1 9 圆锥齿轮传动1 9 蜗轮蜗杆传动1 9 蜗轮蜗杆设计示意图2 0 圆柱蜗杆传动的接触系数z p 2 2 控制系统组成2 5 稳压电源l 7 8 0 5 2 6 电源电路2 6 l m 3 3 9 引脚图2 7 l m 3 3 9 原理图2 8 图4 6 图4 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 - 1 0 图4 - 1 1 图4 一1 2 图5 - 1 图5 - 2 图5 3 图5 - 4 图5 - 5 图5 - 6 图5 - 7 图6 - i 图6 - 2 图6 - 3 图6 - 4 图6 5 图6 - 6 图6 - 7 7 4 1 s 1 4 引脚2 8 7 4 1 s 1 4 电压传输特性2 9 接近开关信号采集电路3 0 u l n 2 0 0 3 管脚与内部功能图3 0 单片机及步进电机控制电路3 2 步进电机接线图3 2 单片机控制系统3 4 k e i lpv i s i o n 3 界面3 5 程序写入项目组3 6 转换为h e x 文件3 6 程序设计流程图3 7 s t c 单片机在线编程典型电路4 1 s t c i s p 界面4 1 程序成功写入单片机4 2 单片机控制系统p c b 图4 3 系统的p c b 板4 4 模拟实验台：4 5 p c b 板的接线图4 6 接近开关与感应片4 6 u 、v 数值与步进电机转速关系4 9 u 与步进电机转动频率关系5 0 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及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 盒目b 王些盔堂 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 并表示谢意。 学位论文作者签名：1 毛签字日期：。7 r 年4 月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒匿王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 目b 互些太堂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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲三冕 签字日期：卿年牛月咖 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 柱 签字日期：勿c 辞争月f ，日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师邓善熙教授的悉心指导下完成的。三年的读研期间，我切 身体会到邓老师对科学研究敏锐的洞察力、清晰的科研思路、丰富的实践经验、 严谨的治学作风，这些将使我在以后的工作中受益无穷。在生活中，邓老师是 一位和蔼可亲的长者，对我们研究生的生活非常照顾和关心。在此，向邓老师 表示衷心的感谢和深深的敬意。 在课题研究中，我得到了王风伟博士生的指导，刘丹、徐慧博硕士生的帮 助，在此向他们表示深深的感谢。实验室良好的学习氛围和和睦的生活环境， 给我留下了美好的印象，感谢学院的关心和支持。 感谢我的父母，是他们给予的爱使我在学习和生活中努力奋斗。 谨以此文献给所有关心和帮助我的家人、老师和朋友们! 作者：王冕 2 0 0 7 年4 月 1 1 课题来源 第一章光照度计自动检定系统介绍 本课题来源于深圳市计量质量检测研究院科研项目“光照度计全自动检定 系统的研究开发”，此项目研究的目的是在现有光照度计检定系统上开发一套用 于数字式光照度计检定的全自动检定系统。系统在计算机控制下实现水平运动 工作台的自动走位、回转工作台自动回转定位、自动读数和数据处理、自动输 出检定结果等功能，同时要求夹具设计便于被检照度计的安装定位、系统的制 造成本较低。 1 2 国内外研究现状 中国计量科学研究院已于1 9 7 4 年首先建立了一套照度计检定装置，并已推 广到各省，包括华南国家计量测试中心( 广东省计量科学研究院) 已有6 米导 轨的照度计检定装置叫，但这些装置都是手工操作( 包括照度计定量对准、标准 灯与被检照度计的多个距离调节等) ，人工读数记录。据网上查阅，日本、台湾 及国外对照度计的检定也都是采用手工操作，未见照度计自动检定的报道。 随着国民经济发展，例如房地产业的建筑室内照明，电梯的照明，汽车的 内外照明，工厂、公司的工作环境照明都必须使用照度计。同时，2 0 0 4 年1 2 月1 日开始实施的建筑照明设计标准( g b 5 0 0 3 4 2 0 0 4 ) 0 1 也规定了建筑的照明标 准。照度计的检定数量在猛增，需要检定的照度计数量已由过去每天几件，发 展到现在每天几十件，深圳市计量质量检测技术研究院照度计的检定收入每年 在成倍地增加。但是现在照度计的检定是基于人工检定，每台照度计的检定需 要两人工作并耗时2 0 分钟左右，已经难以完成客户送检任务，而且人工长时间 操作后，容易疲劳而引起检定误差增大和检定过错。因此，研究开发一套全自 动的照度计检定系统是势在必行的。 现有的光照度计检定系统是由6 米长导轨、开口挡光屏、色温为2 8 5 6 k 的 发光强度标准灯埘、滑车、灯架、照度计装夹装置，以及稳压电源系统等组成如 ( 图卜1 ，卜2 ) 。 目前照度计检定工作，根据国家光照度计检定规程要求，每只照度计需要 检定1 4 个不同量程的光照度值，也就是用一个标准灯，改变标准灯灯丝面到光 度头之间的距离，分别产生1 4 个距离，按照距离平方反比定律计算出1 4 个标 准的光照度值，从而对照度计进行检定。并且要求每台照度计检定两轮，取每 个点的平均值作为最后结果。目前对于照度计的检定只能进行手工检测，由两 人操作，每只被检照度计需由人工对准定位，然后在1 4 个位置上读取被检照度 计的读数并人工处理数据。 图卜1 目前照度计的检定系统 图1 - 2 稳压电源与标准电阻 1 3 本课题研究内容及意义 该系统研制成功后可同时检定十台被检照度计，通过控制器可以进行回转 台的自动回转和标准灯的直线位移，自动读取照度计的数字显示部分的照度示 值并通过计算机输出相应结果，自动补偿测量误差。这样可大大提高检定效率、 提高准确度、减少人员误差、减轻操作人员的劳动强度、保证长时间工作时的 检定精度。此外，本项目研发的系统不但大大增加了经济效益，而且可作为专 利装置向国内各省计量机构推广应用，可获得更大的社会效益。 本项目研究的内容如下： 光照 度计 自动 柱定 系统 i长直导轨及其传动装置 l j回转工作白及其传动装置 硬件结构、 l控制系统硬件设计 l l 稳压电源及其他部件 r 控制系统软件设计 i 软件结构图像识别软件设计 l l 计算机软件设计 r 实验设计与验证 鬈罂与 口径光闲的放置对系统的绷 lj f 确定度分析与误差修正 图卜3 照度计自动检定系统研究内容 在导师的指导下，我进行了以下课题的研究： 1 ) 回转工作台结构设计以及自动回转方法研究及其实现； 2 ) 光照度计夹具的改装设计； 3 ) 运动控制系统设计，主要包括嵌入式系统的开发，传感器的选择与测试 等。 系统主要硬件设备包括：两台步进电机、涡流式接近开关、一套传动装置、 单片机及外围电路。运用到的软件主要是m d t 、p r o t e ld x p 、k e i lu v i s i o n 3 、 m a t l a b 、s t c i s p 等。该运动系统运用单片机控制步进电机的运行，运用涡流式 接近开关的反馈信号实现工作台的定位。 本系统运用单片机作为运动控制部件与其它控制器( p l c ) 相比具有许多优 点： 1 ) 成本大为降低，相比于使用p l c ，单片机具有非常低廉的价格。 2 ) 响应速度快，当选用频率为1 1 0 5 9 2 m h z 的晶振，单片机响应的机器周期 为l p s 。完全满足该系统的精度需求。 3 ) 直接运用2 3 2 串口进行程序的写入，直接与电脑通信，调试起来非常方 便。 4 ) 运用单片机可以很方便地控制步进电机的正反转以及转速。 2 i 系统的组成 第二章系统设计理论基础 根据国家光照度计检定规程( j j g2 4 5 2 0 0 5 ) 要求，每只照度计需要检定 1 4 个不同量程的光照度值，也就是用一个标准灯，改变标准灯灯丝面到光照度 计探头之间的距离，分别产生1 4 个距离，按照距离平方反比定律计算出1 4 个 标准的光照度值，用照度计的测得值与标准值进行比较，从而对照度计进行检 定。 具体说，照度计检定设备有： 1 ) 光度测量装置：由光轨及滑车( 水平工作台) 、灯架、灯丝平面调整仪、 光阑等组成。光轨长度要6 m 以上，平直性良好。光轨平直性误差应不超过l m ， 测距米尺1 m 内的总误差不大于0 2 m m 。 2 ) 电源与电测仪表：直流稳压电源，输出电压连续可调，( 0 - 1 2 0 ) v ( o 1 0 ) a ，l o m i n 内输出电压变化应不大于0 0 2 ；电测仪表，数字电压表( 或直流电 位差计及配套设备) ，标准电阻。 3 ) 发光强度标准灯组：发光强度标准灯是用来保存和传递发光强度单位 ( c d ) 量值，检定装置中所用为一级发光强度标准灯b d q 8 1 2 2 0 c d ，色温为2 8 5 6 k 。 测光系统所在房间应为暗室，温度应保持在( 2 0 5 ) o c 。电测系统如使用 电位差计及标准电池等配套设备，房间温度应保持在( 2 0 2 ) o c ，湿度小于 8 5 r h 。 照度计自动检定系统是在原有照度计检定系统的基础上设计的，其检定过 程是符合照度计检定规程要求的。它的组成图如( 图2 - 1 ) ： 图2 一l 系统组成图 4 自准直仪和经纬仪是用来检验标准灯的灯丝面和照度计探测头的中心面是 否通过同一根轴线，如果它们不通过同一轴线，通过标准灯灯架和照度计夹具 对它们进行调节。光阑的作用是屏蔽杂散光，由灯丝和玻壳所发出的直射到照 度计探测头的光不允许被光阑挡住。 本系统的工作过程如下： 1 ) 由计算机发出控制信号，单片机在接收到信号后通过步进电机1 带动水 平工作台向右运动，当遇到定位开关后水平工作台停止运动，c c d 对照度计数显 部分进行图片采集，并由计算机进行字符识别与输出； 2 ) 在检定过程中回转工作台可以安装l o 台照度计( 均布在回转工作台外 围圆周上) ，在步进电机2 的带动下回转工作台每次旋转3 6 度，这样可以一次 检定1 0 台照度计。 3 ) 水平工作台继续向右运动；当靠近定位开关时重复i 、2 的动作，直到 靠近限位开关i i 时，水平工作台向左运动回到起点。 按照实现的功能不同，把系统分为以下子系统： i 、计算机控制系统 计算机控制系统是本套装置的核心控制部分，它是由笔记本或p c 机和其它 外围接口设备连接起来的，控制着其它子系统的运行。 i ) 与运动控制系统：通过输入指令，计算机可以控制运动控制系统的运行、 侥止以及复位，从而实现步进电机豹运动和停止；同时计算机接收运动控制系 统的反馈信号，并把它转变为c c d 的拍照信号。 2 ) 与c c i ) 识别系统：通过反馈来的c c i ) 拍照信号控制c c d 系统进行拍照以 及字符识别，并把识别的字符写入规定的表格。 3 ) 通过打印机把检定结果输出。 2 、机械系统 机械系统是整个系统的主要结构部分，包括用来固定照度计的回转工作台、 照度计夹具、长直导轨、传动装置等。 1 ) 回转工作台：为了能够在一次检定过程中检定多台照度计，所以利用了 圆形的回转特性，把用于安装照度计的工作台设计为能绕轴转动的圆形工作台。 该工作台可以在外围圆周边上安装1 0 台照度计，这样在一次检定过程中就可以 检定1 0 台照度计。 2 ) 长直导轨：这是一段工作行程为6 米的直导轨。标准灯通过安装在水平 工作台上可以沿长直导轨作直线运动，从而确定1 4 个检定距离。 3 ) 传动装置：对于回转工作台的旋转运动，为了保证其运动的平稳性，通 过步迸电机带动蜗轮蜗杆进行传动；对于水平工作台的运动，采用步进电机通 过钢丝绳来传动。 4 ) 其它机械部件；照度计夹具、c c d 装夹部件等。 3 、运动控制系统 运动控制系统的功能是控制着步进电机的运行与停止，从而使标准灯移动 到1 4 个规定的位置上，同时与计算机之间进行数据的通信。它是由单片机、接 近开关、步进电机以及外围电路等组成。 本论文的重点是设计运动控制系统的，下面对该系统进一步说明。 2 2 运动控制系统 2 2 1 接近开关 在各类传感器中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件。利用这种 元件对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。 根据接近开关感应头形状的不同，分为圆柱型接近开关( 图2 2 ) 和角柱型 接近开关。 当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”， 开关才会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。不同的接近开关检出距离也 不同。不同的接近开关，对检测对象的响应能力是不同的。这种响应特性被称 为“响应频率”。 常见的接近开关有以下几种：涡流式接近开关、电容式接近开关、霍尔接 近开关、光电式接近开关、热释电式接近开关、超声波接近开关、微波接近开 关等。 因为涡流式接近开关灵敏度比较高，价格便宜，在本课题中选用涡流式接 近开关。如果该系统需要进一步提高定位精度可以采用光电式接近开关。 涡流式接近开关“1 又称为电感式接近开关，它由三大部分组成：振荡器、开 关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这磁场， 并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振如 ( 图2 4 ) 。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号， 触发驱动控制器件，从而达到非接触式检测目的，如( 图2 3 ) 。 涡流式接近开关可以测量垂直方向和水平方向的位移变化。 垂直位移的检测：可以用圆柱型接近开关，使检测物体沿基准轴方向接近 基准面检测物体到基准轴的距离为垂直检测距离( 图2 5 ) 。 水平位移的检测：可以用角柱型接近开关，使检测物体垂直于基轴方向移 动从检测物体到基准轴的距离为水平检测距离( 图2 6 ) 。 6 图2 2 涡流式接近开关图2 3 电感式接近开关的工作原理图 复位( o 霄 动作( o h ) 基准面 图2 - 4 传感器的磁场变化 图2 - 5 垂直位移的检测 离 接近开关 图2 - 6 水平位移的检测 在本套系统的设计中选用m 0 角柱形的n p n 型涡流式接近开关，检测距离 为4 嘲，其引脚连线如( 图2 7 ) 。 当被测的工作台的感应头靠近接近开关时，就会发出电平信号，单片机通 过接受到的这个电平信号继续下一步的控制程序。 图2 7 接近开关引脚连线 7 2 2 2 步进电机 步进电机嘲是机电控制中一种常用的执行机构，如( 图2 8 ) ，它的用途是 将电脉冲转化为角位移，也就是说：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( 即步进角) 。通过控制脉冲 个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率 来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。闻 2 2 2 1 步进电机原理 图2 8 步进电机实物图 以三相步进电机为例m ，电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁 绕阻，转子的小齿与定子的绕阻的水平距离分别为0 、1 3 t 、2 3 t ，( 相邻两转 子齿轴线间的距离为齿距以t 表示) ，即a 与齿l 相对齐，b 与齿2 向右错开1 3 t ， c 与齿3 n 右错开2 3 t ，a7 与齿5 相对齐( a 就是a ，齿5 就是齿1 ) ，下面是定转 子的展开图( 图2 - 9 ) ： 图2 9 三相步进电机定子转子展开图 8 当a 相通电，b ，c 相不通电时，由于磁场作用，齿i 与a 对齐，( 转子不受任 何力，以下均同) 。如b 相通电，a ，c 相不通电时，齿2 应与b 对齐，此时转子 向右移过i 3t ，此时齿3 与c 偏移为i 3t ，齿4 与a 偏移( t i 3t ) = 2 3t 。如 c 相通电，a ，b 相不通电，齿3 应与c 对齐，此时转子又向右移过1 3t ，此时齿4 与a 偏移为i 3 t 。如a 相通电，b ，c 相不通电，齿4 与a 对齐，转子又向右移过i 3 t 。这样经过a 、b 、c 、a 分别通电状态，齿4 ( 即齿1 前一齿) 移n a 相，电机转 子向右转过一个齿距，如果不断地按a ，b ，c ，a 通电，电机就每步( 每脉 冲) i 3t ，向右旋转。如按a ，c ，b ，a - - - - 通电，电机就反转。 由此可见：电 机的位置和速度由导电次数( 脉冲数) 和频率成一一对应关系。而方向由导电 顺序决定。 2 2 2 2 步进电机的种类 常见的步进电机分三种：永磁式( 雕) ，反应式( v r ) 和混合式( h b ) ， 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1 5 度； 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l _ 5 度，但噪 声和振动都很大；混合式步进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1 8 度而五相步进角一般为0 7 2 度。这种步进 电机的应用最为广泛。 在本系统中选用二相混合式步进电机，采用二相四拍的驱动方式，其正转 驱动的时序如下图( 图2 - 1 0 ) 。 三童刍宣 r p d c 肼o l r _ j ) o 旧e a 。o _ o ：二j m a 厂 厂 b 一广 厂 厂 a 一厂 厂 b 厂 厂 bc h 量一 b l o c l * r e db i u e 图2 - 1 0 二相四拍时序图 由于生产步进电机的厂家的不同，即使同一种性能、型号的步进电机，它 的接线方式也可能不完全一样。有的是5 线连接，有的是6 线连接。电机的驱 动时序图也可能有差异。 在图2 1 0 中选用的步进电机，它就是有6 跟连线，其中两条红线( c 0 5 l i ) 是用于连接驱动电源的，而另外的黄线( a ) 和橙线( a 一) 组成1 个绕组，黑线 9 ( b ) 和蓝线( b 一) 组成另1 个绕组。由于红线一直接着驱动电源，所以它一直 呈现为高电位。通过改变黄、橙、黑、蓝4 线的电位来驱动步进电机，同时由 于黄线和橙线是共同组成一个绕组的，所以它们的电位是相反的，我们就用a 和a 一来表示。同理黑线和蓝线我们用b 和b 一来表示。 采用四拍的驱动方式( 图2 - 1 1 ) ，即一个循环周期步进电机走四步。由于在 每一步的过程中两个线圈都有高电平出现，也就增加了定子对转子的牵引力， 同时使受力更加合理，电机运行更加平稳。 n ( 次) ab - a - bc o m o 1lo ol l o 1l 0 l 20 01 l1 3 1 ool1 1 图2 1 1 步进电机的驱动电平 2 2 2 3 步进电机的驱动( 功率放大) 单片机或者是信号发生器产生的多路电平信号由于功率比较小，不足以驱 动步进电机的运动。还得把这些电平信号经过功率放大器件变换为可以驱动步 进电机运动的电平信号”1 。 步进电机作为精确定位的控制电机，它的驱动流程为：驱动脉冲信号的产 生和分配，信号的功率放大( 图2 - 1 2 ) 。在现实的驱动中，经常选用单片机来产 生和分配脉冲信号，用功率放大管或集成功放管来驱动( 如达林顿管，将会在 第四章中介绍) 。 图2 - 1 2 步进电机的驱动 2 2 3 单片机 单片机嘲作为一种微控制器被用于各种领域；工业控制、通信、家用电器、 军事科技等。 1 0 它具有很多优点： i ) 单片机通常“嵌入”在某些其他设备中，负责控制产品的功能或动作。 因此又被称为嵌入式控制器。 2 ) 单片机专门针对一项具体任务，并负责运行某一具体程序，该程序存储 于片内程序存储器中，并且可以进行多达百万次的编程。 3 ) 单片机通常都是低功耗的器件，以电池供电的单片机只需消耗大约5 0 毫瓦的电力。 4 ) 单片机通过串口，可以很好的和计算机进行通信，也可以通过键盘和l e d 进行数据的输入输出。 5 ) 单片机通常体积小且成本低廉，经常被视为缩减电子设备体积及降低成 本的最佳选择。 6 ) 单片机可以在很多恶劣的环境中使用，更换起来也比较容易。通用性非 常好。 在本套系统中，单片机是运动控制系统的核心部件，它通过2 3 2 串1 ：3 线直 接与电脑通信，接受电脑的指令，并把数据传送给电脑；接收接近开关传来的 反馈信号；发出用于驱动步进电机的电平信号。 l 篚薹囊荟晕 f f 芝墨基蠹受受 i s r i 6 p 1 7 路t 殛玉p 3o z 嚣2p 4 3 t 船p 3 1 i 王坌，p 3 2 i n t l p 33 p 34 t l ，髓5 ! 二三= 二兰= j o 生丝三l 芏_ 7o3 9 83 8 二p l c c 一4 4 强3 7 1 l3 5 ：1 3 2 薯 搏驺 1 72 a 篓生龟爿 鹞茹如破而 薹i i i 垂；丕i i i i 蓉i 瘟“珥 毫三i 图2 1 3s t c 8 9 c 5 1 r c r d + 本课题选用s t c 8 9 c 5 1 r 己r d + 单片机。s t c 8 9 c 5 1 r c r d + ( 图2 - 1 3 ) 系列单片 机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰高速低功耗的单片机，指令代码完全 兼容传统8 0 5 1 单片机，它具有以下的特点： i ) 1 2 时钟机器周期和6 时钟机器周期可任意选择。 2 ) 工作电压：3 4 v 一5 5 v 。 3 ) 工作频率范围：o 一4 0 娜z ，相当于普通8 0 5 1 的o - 8 0 i h z 。实际工作频率 可达4 8 m h z 。 4 ) 通用i 0 口( 3 2 3 6 个) ，复位后为：p 1 p 2 p 3 p 4 是准双向m 弱上拉 1 l 埘| 耋脚埘 i 螯! 量m 耵“和，一凹髫钉耵 豫甩随臣默盹些嗽恐眩 ( 普通8 0 5 1 传统i o ) ，p o 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电 阻，作为i o 口用时，需加上拉电阻。 5 ) 支持在现编程( i s p ) ，可以通过串口( p 3 o p 3 1 ) 直接下载用户程序。 6 ) 外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发中断。 2 3 本章小结 本章介绍了照度计全自动检定系统的组成：计算机控制系统、机械系统、 运动控制系统。 详细地介绍了运动控制系统的结构，并且对其中的部分器件的原理进行了 说明和分析。 1 2 第三章回转工作台结构设计 3 1 回转工作台设计要求 回转工作台是在照度计检定过程中，用于安放多台照度计，在控制器的驱 动下可以自动旋转的装置。 为了满足照度计检定自动化和同时检定多台照度计的要求，回转工作台必 须满足以下设计要求： 1 回转工作台的分度盘上等角度安放多台( 1 0 台) 照度计，即对工作台 l o 分盘，每个分盘3 6 度。 2 照度计的装夹必须满足检定过程中的定位要求，可以做到精确定位。 3 回转工作台重复性定位精度高，累积圆周误差为o 。 4 通过控制系统实现回转工作台运行的自动化。 5 运行过程平稳，振动、噪音小。 3 2 回转工作台整体设计方案 回转工作台的设计包括机械结构，传动结构以及控制组件( 图3 - 1 ) 。 图3 - 1 回转工作台设计模块 从机械结构“”上看，回转工作台分为以下几个部分“”“o ( 图3 - 2 ) ： 底座：是用来支撑整个工作台系统的基础，同时也为蜗轮蜗杆机构提供了 安装框架，从底座延伸上来的杆件用来安装c c d 及其组件。 支撑轴：是用来支撑分度盘与托盘。在蜗轮蜗杆的驱动下，带动着分度盘 旋转的部件。 分度盘与托盘：是用来安放照度计的回转盘，在支撑轴的带动下可以自由 旋转的部分。 照度计夹具与照度计：照度计夹具安装在分度盘上，它分别装夹了照度计 的光感应头部分( 探头) 和数码读数器。照度计( 图3 6 ) 的装夹要满足一定的 精度要求，即在分度盘旋转过一个角度( 3 6 ，7 2 ，1 0 8 度) 后照度计的探头中 心点要在一个位置，位移和角偏差都很小。 c c d 及其装夹部分：c c d 是用来读取照度计液晶显示的读数，并把读数信息 传入电脑，实现读取数据的自动化。c c d 是通过连杆机构连接在回转工作台底座 延伸出来的杆件上的。通过连杆以及一些旋转部件，c c d 可以安放在回转工作台 上面的任意位置，从而更容易获取数据信息。 蜗轮蜗杆机构：是回转工作台的传动机构。传递步进电机的转矩并且起到 减速器的作用( 如图3 - 2 b ) 。 图3 3 是回转工作台的结构示意图，图3 - 3 ( a ) 是测视图，图3 - 3 ( b ) 是 轴测图。 l o 图3 - 2 回转工作台结构图 t 4 ( b ) ( a ) ( b ) 图3 - 3 回转工作台结构示意图 1 5 3 3 机械结构设计 3 3 1 分度盘 分度盘( 图3 - 4 ) “”“”是外直径为7 0 0 r a m ，内直径为6 0 r a m ，厚l o m m 的圆盘。 用于照度计夹具的放置以及跟随回转轴进行旋转定位。 托盘( 图3 - 5 ) 是放置于分度盘下面，以减少分度盘在回转轴的支撑下产生 的应力集中，使得回转台的旋转更加平稳，托盘的外直径为2 0 0 r a m ，内径为6 0 d o r a ， 厚度为l o m m 。 为进一步计算回转工作台旋转部分的转动惯量，可以计算两个圆盘的质量 如下： 分度盘质量m = p k = ( 0 3 5 2 z - o 0 3 2 石) 7 9 x 1 0 3 * 3 0 1 6 k g 托盘质量 鸩= p = ( o 1 0 2 万一0 0 3 2 万) 7 9 x 1 0 3 * 2 2 6 k g 图3 - 4 分度盘 3 3 2 照度计夹具设计 图3 5 托盘 夹具“耐是用来装夹光照度计探测头和数码读数器( 图3 - 6 ) 。夹具安装固 定在分度盘上，每个夹具分别装夹一个光照度计探测头和数码读数器。由于各 种照度计探头的形状、大小之间的差异，因此装夹照度计时必须对光照度计探 头位置进行调整。 通过设计，光照度计探头被装夹后可以满足前后运动、上下运动的自由度， 数码读数器被装夹后可以满足上下，左右运动的自由度。因此通过手动定位后， 很容易把光照度计探头安装在一个精确的位置。 夹具的设计结构图如( 图3 - 7 ) ，三视图和轴测图见( 图3 8 ) 。 照度计的探头通过双向夹紧固定在夹具上，并且可以沿着前后运动导槽做 1 6 前后运动，同过双向夹紧可以很好的调节探头的位置。 通过升降螺旋机构可以调节照度计读数装置的高度，使液晶显示部分和c c d 在一个高度上，同时通过夹紧螺钉固定照度计读数装置。这种通过螺钉顶紧的 装夹方式不仅结构简单，而且是用起来比较方便。 x 图3 6 常用的照度计 ! 数码读数器 图3 7 照度计夹具结构图 为了得到回转工作台旋转部分总的转动惯量，现计算照度计夹具的质量。 假设照度计夹具为铁质材料，通过计算，可以得到单个照度计夹具质量 坞“3 0 4 k g 。 1 7 ( a ) 三视图 ( b ) 轴测图 图3 - 8 照度计夹具结构示意图 3 3 3 支撑轴与轴承的设计 支撑轴( 图3 - 9 ) 主要用来支撑分度盘以及带动分度盘进行旋转运动。 它的结构是外径变化的空心轴，内直径为5 0 哪，较长部分的外直径为8 0 m ， 罄长度为2 7 0 r a m 。 支撑轴质量托= p k = x ( o 0 4 2 0 0 2 5 2 ) x 2 7 0 x 7 9 x 1 0 3 “6 5 3 k g 旋转工作台质量肘_ = m + m 2 + m 3 1 0 + m 4 6 9 3 5 k g 轴承种类有滚动轴承、推力球轴承、圆柱滚子轴承等。当轴承连接中径向 力比较大的时候，主要选用的是深沟球轴承；当轴承连接中轴向力比较大的时 候，主蚕选用推力球轴承。 在本系统中，配合着使用了一对滚动轴承和推力球轴承。其中推力球轴承 是用来连接支撑轴与底座的，支撑轴可以在推力球轴承上进行旋转运动，承受 着轴向较大的压力，根据轴承内径的大小选用5 1 2 1 6 “”型推力球轴承，基本额 定载荷8 3 8 k g m 。，极限转速1 4 0 0r m i n t 作转速，满足使用的要求。 深沟球轴承也是连接支撑轴与底座的，主要是用于减少支撑轴与底座由于 相对旋转产生的摩擦力。根据轴承内径的大小选用6 2 1 6 型滚动轴承，基本额定 载荷5 4 2 k g ，极限转速4 3 0 0r m i n 工作转速，满足使用的要求。 3 4 传动方式与电机的选取 3 4 1 传动方式 i +幽 l + 1j ，； 图3 - 9 支撑轴与轴承配合 对于旋转体的绕轴旋转运动，当动力轴与旋转轴垂直时常常采用的传动方 式有圆锥齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等。 圆锥齿轮传动( 图3 - 1 0 ) 是用来传递两相交轴之间的运动和转矩。圆锥齿 轮的轮齿有直齿、斜齿及曲面齿( 圆弧齿、螺旋齿) 等多种形式，两轴间交角 多采用9 0 度。由于直齿圆锥齿轮的设计、制造和安装均较简便，故应用最为 广泛。但其制造误差较大，工作时易产生振动和噪声，故不适宜精密传动和速 度很高的场合。 蜗杆传动“”实际上是螺旋齿轮传动的特例( 图3 - 1 1 ) 。蜗杆、蜗轮的轴线相 互交叉垂直，轴间交角为9 0 度，它具有以下的优点：1 ) 能够实现大传动比 交错轴传动，传递动力和运动；2 ) 传动平稳，振动、冲击和噪声均比较小；3 ) 能以茸毛极传动获得较大的传动比，结构紧凑；4 ) 多对齿同时啮合，且呈线接 触，承载能力大于交错轴渐开线斜齿圆柱齿轮。 图3 一1 0 圆锥齿轮传动图3 一1 1 蜗轮蜗杆传动 1 9 在圆柱蜗杆传动中有阿基米德圆柱蜗杆传动( z a ) ，法向直廓圆柱蜗杆传动 ( z n ) ，渐开线圆柱蜗杆传动( z i ) 等方式。 阿基米德圆柱蜗杆传动( z a ) 加工方便，应用较为广泛，多用于头数较小、 转速较低的传动。 法向直廓圆柱蜗杆传动( z n ) 和渐开线圆柱蜗杆传动( z i ) 容易实现磨削， 加工精度容易保证，效率较高。一般多用于头数较多( 3 头以上) 、较精密的传 动中。 在本系统的回转工作台传动中，由于回转台的旋转轴与步进电机的动力轴 是相互垂直的，而且传动比相对比较大，所以选用较为常用的阿基米德圆柱蜗 杆传动( z a ) ，传动比i = 2 0 ，中心距a = l o o i m ，蜗杆分度圆直径d = 4 0 r a m ，蜗轮 分度圆直径d 2 = l o o m ，如( 图3 - 1 2 ) ，其余参数( 附录一) i i y68 图3 1 2 蜗轮蜗杆设计示意图 在回转工作台中，绕轴旋转的部分有： 照度计，要把它们作为一个旋毽体来对待， 定旋转体的转动惯量。 支撑轴、分度盘、托盘、夹具以及 从而选取合适的传动方式。首先确 刚体对某z 轴的转动惯量“”，等于刚体上各质点的质量与该质点到转轴垂 直距离平方的乘积之和，即 ，= 觇，；2 2 0 事实上刚体的质量是连续分布的，故上式中的求和可写为定积分，即 d ：f ：d m 刚体对轴转动惯量的大小决定于三个因素，即刚体的质量、质量对轴的分布 情况和转轴的位置，它是表征刚体转动惯性大小的物理量，也是我们选择电机 的重要指标。 转动惯量的确定： 分度盘转动惯量 j l 。1 m 1 r 2 ：l x 3 0 1 6 o 3 5 2 ：1 8 4 7 3 k g m 2 耗盘转动惯量 j 2 * 1 m 2 r 2 ：丢x 2 2 6 0 1 2 ：o 0 1 1 3 k g m 2 单个夹具转动惯量j 3 - - xm i f z3 0 4 x 0 3 2 - - - 0 2 7 3 6 k g m 2 支撑轴转动饭量 j 4 = l m 4 ( o 0 4 2 - 0 0 2 5 2 ) = 0 0 0 4 k g m 2 旋转工作台转动惯量j 总= j i = j l + j 2 + 1 0 x j 3 + j 4 * 4 5 9 8 6 k g m 2 3 4 2 步迸电机选择 步进电机的选择必须是电机的额定转矩大于负载的最大转矩，而负载的 最大转矩是出现在启动的时候，也就是启动转矩。 j 蜗轮= j 总= 4 5 9 8 6 k g r n a 2 为了估计蜗轮的转矩，假设回转工作台在每个分度( 3 6 度) 运动时间 a t ，= l s ，每个分度停顿时间a t ，= 5 s 。回转工作台一个周期时间 a t = 1 0