细长轴自动检测仪设计及机构模拟毕业论文设计.doc

本科毕业论文 设计 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论文题目 细长轴自动检测仪设计及机构模拟 摘摘 要要 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 关键词 细长轴 MSP430 液压加紧 智能检测 Abstract This article focuses on the detection of the experimental setup for slender shaft design and institutional simulation The device uses hydraulic pressure to step up the mechanical structure of the gear transmission indexing slider smooth slender shaft of a comprehensive measurement of the non contact sensor and the indexing mechanism of the gear transmission to the sensor from a different perspective measurement precision slender shaft and with the MSP430 microcontroller based on additional peripheral circuit design of intelligent detection circuit the circuit s ability to accurately control the sensors and measuring equipment institutions cyclical movement the slender shaft accurate detection In addition the detector through the detection on the slider the adjustment for different lengths of slender shaft Keywords Slender Shaft MSP430 Hydraulic Pressure To Intensify Intelligent Detection 目目 录录 1 绪论 1 2 设计方案与设计方法 1 2 1 机械夹持旋转机构的设计 1 2 2 电子控制电路的设计 2 3 研究的主要内容 3 3 1 总体结构的设计 3 3 2 机械夹持 旋转机构的设计 4 3 3 传感器导轨的设计 4 3 4 测量不同长度的设计 6 3 5 传动分度装置 7 3 6 底座的设计 8 3 7 单片机电子控制电路的设计 8 3 8 系统软件设计思路 10 3 8 1 编写接口电路 11 4 细长轴自动检测仪模型及程序设计 12 程序设计 14 5 需要进一步研究的问题 16 6 结论 17 致谢 17 参考文献 18 1 1 1 绪论绪论 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 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 本篇主要设计了一种针对轴类零件 尤其是对细长轴的自动检测仪 以下部分 就是本次的设计 细长轴自动检测仪设计的整体内容 总结以及所参考的 文献材料 2 2 设计方案与设计方法设计方案与设计方法 2 1 机械夹持旋转机构的设计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 2 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 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 使用者可通过更好不同功 能的传感器 编写相应的程序以及与不同的执行机构相结合来实现不同的控制要求 也可以是在不更换任何硬件设备的情况下通过向系统输入不同的程序来实现不同的 控制要求 再次过程中不但锻炼了同学们的思维和动手能力 而且提高了创新精神 和综合实践能力 这也是我们此次设计的一个重要意义所在 并且还有如下具体要 求 1 将各功能模块实现模块化设计 实现模块化结构 2 选择合适的单片机 MCU 要选择资源丰富的MCU 特别是要有 1 SPI接口做预留为将来升级准备 2 编译器需要简单 适用 可在线编程 3 3 各具体功能参考机器人教学工具 1 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 2 要具有欠压 电量不足 提示功能 3 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 3 研究的主要内容研究的主要内容 3 1 总体结构的设计总体结构的设计 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 图 1 中所示为其机械结构示意图 4 3 2 机械夹持 旋转机构的设计机械夹持 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 5 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 6 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 7 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 8 图 6 底座的设计模型图 3 7 单片机电子控制电路的设计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 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 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 9 模块选择 MAB R W MDB 控制总线 地址总线 数据总线 MCLK I 0 端口 外围模块 n 1 USART 外围模块 n 1 I O 端口 外围模块 n CPU 随机 访问逻辑 ADC 外围模块 X ACLK 系统 时钟 WDT 看门狗 外围模块 Y Timer B 外围模块 2 Timer B 外围模块 2 LCD 外围模块 3 总线 转换 图7 MSP430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 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 10 P3 4 UTXD0 15 P3 3 UCLK0 14 VSS 4 P1 0 TA CLK ADC10CLK 21 P1 1 TA 0 22 P1 2 TA 1 23 P1 3 TA 2 24 XOUT 5 P1 6 TA 1 TDI TCLK 27 P1 7 TA 2 TDO TDI 28 P36 A 6 17 P3 5 URXD 0 16 TEST 1 P1 4 SMCLK TCK 25 P1 5 TA 0 TMS 26 P2 0 ACLK A0 8 P2 1 INCLK A1 9 P2 2 TA 0 A 2 10 P2 3 TA 1 A 3 V REF V eREF 19 P2 4 TA 2 A 4 V REF VeREF 20 P2 5 Rosc 3 P3 0 STE0 A5 11 P3 1 SIMO0 12 P3 2 SO MI0 13 P3 7 A7 18 XIN 6 VCC 2 RST NMI 7D1 MSP430F1232 VCC C7 100u R29 3 3M R28 1 5M C6 104 E C10 20P C920P X1 32 768KHz R20 10K VCC R16 330 LED1 RED N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11 N12 N13 图8 单片机系统电路图 3 8 系统软件设计思路系统软件设计思路 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 11 3 8 1 编写接口电路编写接口电路 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 XS2 GBZU O 10 VCC R15 10K R16 330 LE D1 RED N4N5N6N7 N8N9 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 图10 主程序流程 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 N Y 传感器判断程序 传感器 1 处理程序传感器 n 处理程序 12 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 MSP430 C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 4 4 细长轴自动检测仪模型及程序设计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 13 图12 检测仪模型2 14 程序设计 15 图 13 程序设计图 16 图14 C程序图 5 5 需要进一步研究的问题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 17 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 6 结论结论 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 1 对分度仪旋转的设计不到位 不能很好的控制旋转的精度 2 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 3 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 18 致谢致谢 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 他总 是指导我解决问题要一步一步地走 看问题出在那里 从而有效地解决问题 是去 寻找问题 然后再解决 否则只会耗费更多的时间 通过本次毕业设计 使我充分 地意识到我们在学校所学习的理论和现实的实际操作中有很大的区别 这次设计让 我充分地认识到了理论联系实际的必要性 在此十分感谢我的指导老师和同学们给 我的帮助 19 参考文参考文献献 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 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 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 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 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 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 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 8 陈全福 朱齐丹 严勇杰 基于 MS