機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)：軸徑自動檢測說明書定稿

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：軸徑自動檢測機(jī)設(shè)計(jì)成員：金、王、霍專業(yè)方向:機(jī)械電子工程班 級：機(jī)自0806指導(dǎo)教師：尤麗華安偉陳海衛(wèi)周一屆江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2011-9-25目錄摘要3一、總體設(shè)計(jì)3 1.1系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì)3 1.2結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 4二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)5 2.1機(jī)械系統(tǒng)總體合計(jì) 5 2.2機(jī)械部分設(shè)計(jì) 6三、檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 83.1 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 83.2 傳感器的選擇 83.3 傳感器的信號處理 93.4 傳感器的標(biāo)定 11 3.5 檢測系統(tǒng)中的其他元件13四、控制系統(tǒng) 154.1 控制系統(tǒng)的選用154.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 164.3 硬件的選取 164.4 控制

2、電路設(shè)計(jì)184.5 相關(guān)編程 194.6 控制面板和軟件界面設(shè)置 24五參考文獻(xiàn) 25摘要針對國內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)對軸類零件檢測的技術(shù)還停留在人工檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上、傳統(tǒng)的檢測方法存在著誤差大、效率低與生產(chǎn)力低下的缺陷，本文在分析研究了單片機(jī)和自動檢測裝置的發(fā)展及趨勢的基礎(chǔ)上，以方便、實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)等設(shè)計(jì)原則為目標(biāo)，進(jìn)行軸類零件自動檢測機(jī)的研究與設(shè)計(jì)。本文采用中小場合最為常見的80c51單片機(jī)為核心，現(xiàn)代傳感技術(shù)與信號處理技術(shù)為支撐的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：選用差動式電感傳感器與測子結(jié)合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對檢測信號、數(shù)據(jù)的采集；選用80c51單片機(jī)對采集的信號進(jìn)行處理，同時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)快速的信號、數(shù)據(jù)采集與

3、處理功能和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能。第1章 總體設(shè)計(jì)1.1總體功能及技術(shù)指標(biāo)用于短軸外徑進(jìn)行自動快速檢測?？蓽y量的軸直徑范圍為20mm50mm，軸長度為：40mm80mm，軸徑公差范圍為：0-0.02mm。檢測后自動分為合格、正超差、負(fù)超差三組。檢測精度：0.002mm，檢測速度：30個/min，使用壽命：6年（平均260天）每天工作6小時(shí)。檢測機(jī)可實(shí)現(xiàn)的子功能包括:1. 檢測：檢測軸徑，并將它們分為三組：合格、正超差、負(fù)超差。2. 記錄、顯示：記錄各個軸徑的數(shù)值，并分別記錄正超差、負(fù)超差、合格品各有幾個。在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示合格品、正超差、負(fù)超差品的數(shù)量。3. 分料：根據(jù)各個軸徑的數(shù)值，將它們分別送

4、入相應(yīng)的區(qū)域：合格區(qū)、正超差區(qū)、負(fù)超差區(qū)。4. 手動/自動檢測：單個檢測時(shí)可以采用手動檢測，同時(shí)傳感器的標(biāo)定與測試時(shí)也采用手動。自動檢測適用于大量軸零件的自動給檢測。5. 缺料、故障等報(bào)警功能：檢測過程中出現(xiàn)卡料、無料、故障及所有軸檢測完畢時(shí)，自動發(fā)出報(bào)警提示音，提醒操作者。6. 傳感器的標(biāo)定：可采用相對標(biāo)定法對傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。1.2 總體方案設(shè)計(jì)軸類零件的外徑檢測有接觸式和非接觸式兩種測量方法。非接觸主要是采用CCD成像、激光測量等方法，非接觸測量精度較高，但由于涉及內(nèi)容較多，處理復(fù)雜，成本高，本文要求的測量精度通過接觸式測量足以達(dá)到，故采用接觸式測量。本測量機(jī)采用差動式電感傳感器來測量

5、軸徑。待測量件由隔離裝置送到檢測處，然后將待測量件緩慢向前推送，軸的下端與光滑的平面測量基準(zhǔn)接觸，外徑上端與測子接觸，測子與電感傳感器的鐵芯點(diǎn)接觸，測子與基準(zhǔn)的距離略小于軸徑。軸在推送的過程中向上推動測子，測子推動鐵芯，從而傳感器輸出與位移相對應(yīng)的電壓信號，處理后得出軸推動測子移動的微小位移，加上基準(zhǔn)的距離便測量出軸徑的大小。得出軸徑的大小后，與設(shè)定的軸徑大小相比較，合格品、正超差、負(fù)超差品分別被送入合格區(qū)、正超差區(qū)、負(fù)超差區(qū)。推送機(jī)構(gòu)及分料機(jī)構(gòu)由機(jī)械手完成。系統(tǒng)組成框圖:單片機(jī)單元槽輪式隔離機(jī)構(gòu)差動電感式傳感器機(jī)械手推送測量傳送帶機(jī)械手分料機(jī)電接口機(jī)電接口顯示控制面板系統(tǒng)總體工作流程圖：下料

6、機(jī)械手前推(M2)同時(shí)加緊轉(zhuǎn)過指定角度分料后縮回機(jī)械手電機(jī)M1反轉(zhuǎn)推動測子傳感器采集信號信號處理信號驅(qū)動轉(zhuǎn)動電機(jī)M1角度傳感器采集信號碰到上料處限位開關(guān)M1停止信號輸出功率放大第2章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)檢測機(jī)的機(jī)械部分主要包括主體支撐、上料、推送、檢測、分料等部分組成。機(jī)械部分的設(shè)計(jì)直接影響測量的可行性及結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于測量機(jī)的機(jī)械部分，我們在UG三維軟件中進(jìn)行了建模模擬，其總體如下圖圖2-1所示。圖2-1 機(jī)械總體三維圖2.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)2.2.1上料部分：采用槽輪式隔離機(jī)構(gòu)，勻速旋轉(zhuǎn)間隔的將待測軸送入檢測。其轉(zhuǎn)動的速度與檢測的速度相匹配。槽輪機(jī)構(gòu)出口在機(jī)械手的上方,測

7、量部位的后方。落料后，傳感器1檢測到有料，機(jī)械手向前推料，傳感器采集信息。上料部分總體如圖2-1所示。2.2.2機(jī)械手部分：機(jī)械手是測量機(jī)構(gòu)的主要機(jī)械執(zhí)行部分。機(jī)械手采用簡單的機(jī)構(gòu)，只有底座旋轉(zhuǎn)和手臂的伸縮兩個自由度。其中手指的開合依附于手臂的伸縮，手臂伸，則手指合，手臂縮，則手指開，滿足功能的同時(shí)簡化機(jī)構(gòu)。底座的旋轉(zhuǎn)依靠步進(jìn)電機(jī)M1來驅(qū)動，電機(jī)與底座之間以帶輪減速，平穩(wěn)，精確。機(jī)械手的伸縮由步進(jìn)電機(jī)M2驅(qū)動，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動機(jī)械手臂中的絲杠旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。利用絲杠旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定且準(zhǔn)確。機(jī)械手的伸縮與手指的加緊不需要太大的距離，因此其所用的時(shí)間在整個檢測的時(shí)間中相對很少。機(jī)械手的手指是特定的，與軸

8、相配合的環(huán)形凹槽，方便對易滾動的軸夾持和分料。機(jī)械手的整體機(jī)構(gòu)如下圖圖2-2所示。 圖 2-2 機(jī)械手示意圖2.2.3分料部分：本測量機(jī)的分料依據(jù)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度不同將檢測完的軸送入不同的料盒中。機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)是通過步進(jìn)電機(jī)M1來驅(qū)動的。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。傳感器采集

9、完信息后,送入單片機(jī)處理,單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果輸出控制信號,通過輸出的脈沖數(shù)目來控制步進(jìn)電機(jī)M1的轉(zhuǎn)角，達(dá)到步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定位。機(jī)械手到達(dá)后碰到分料處的限位開關(guān)，機(jī)械手縮回，落料。2.2.4 測量頭部分:圖2-4 測子部分第3章 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)采用差動電感式傳感器采集信息，傳感器的鐵芯以點(diǎn)接觸形式與測子相連，測子則與被測軸相接觸，通過測子再到傳感器，消除了測量時(shí)因工件向前推送時(shí)水平的力對于傳感器鐵芯的推動而引起的誤差。其結(jié)構(gòu)如圖所示。3.2 傳感器的選擇電感式傳感器種類很多，常見的有自感式，互感式和渦流式三種。電感式傳感器有以下特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單，傳感器無活動電觸點(diǎn)

10、，因此工作可靠壽命長。（2）靈敏度和分辨力高，能測出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出。（3）線性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米至數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差可達(dá)0.05%0.1%。同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低，不宜快速動態(tài)測控等缺點(diǎn)。差動式電感傳感器由兩個相同線圈，一個可動銜鐵組成，其結(jié)構(gòu)及特性曲線如下圖所示。1-鐵芯；2-線圈；3-銜鐵差動電感傳感器特性曲線： 1-上線圈特性曲線 2-下線圈特性曲線 3-差接后合成曲線從圖中可以看出

11、，當(dāng)位移控制在，輸出電壓Uo與位移近似線性關(guān)系。由于電感傳感器具有以下特點(diǎn)：（1）輸出電壓不但能反映位移量的大小，而且能反映位移的方向。（2）輸出電壓正比于2I，因而靈敏度較高。（3）輸出電壓非線性減小。（4）可獲得溫度自補(bǔ)償。同時(shí)電感傳感器結(jié)構(gòu)簡單，精度較高,在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用,使用方便,對于本測試條件符合，故本測量采用電感傳感器來測量軸的直徑。3.3傳感器信號的處理傳感器信號框圖信號采集濾波信號放大軟件處理A/D轉(zhuǎn)換相敏檢波信號處理3.3.2 信號處理的電路圖總體信號處理電路圖：放大電路圖：相敏檢波電路圖：3.4 傳感器的標(biāo)定所謂傳感器的標(biāo)定，是指通過試驗(yàn)建立傳感器輸出與輸入之

12、間的關(guān)系并確定不同使用條件下的誤差這樣一個過程。傳感器使用、存儲一段時(shí)間后，也須對其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)測，稱為校準(zhǔn)（校準(zhǔn)和標(biāo)定本質(zhì)上是一樣的），以確保其性能指標(biāo)達(dá)到要求。3.4.1 傳感器標(biāo)定的基本方法將已知的被測量作為待標(biāo)定傳感器的輸入，同時(shí)用輸出量測量環(huán)節(jié)將待標(biāo)定傳感器的輸出信號測量并顯示出來（待標(biāo)定傳感器本身包括后續(xù)測量電路和顯示部分時(shí)，標(biāo)定系統(tǒng)也可不要輸出量測量環(huán)節(jié)）；對所獲得的傳感器輸入量和輸出量進(jìn)行處理和比較，從而得到一系列表征兩者對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，進(jìn)而得到傳感器性能指標(biāo)的實(shí)測結(jié)果。傳感器標(biāo)定的分類（1）根據(jù)被測量進(jìn)行分類絕對標(biāo)定法被測量是由高精度的設(shè)備產(chǎn)生并測量其大小的。特點(diǎn)：

13、精度較高，但較復(fù)雜。相對標(biāo)定法或比較標(biāo)定法被測量是用根據(jù)絕對標(biāo)定法標(biāo)定好的標(biāo)準(zhǔn)傳感器來測量的。特點(diǎn)：簡單易行，但標(biāo)定精度較低。（2）根據(jù)標(biāo)定的內(nèi)容分類靜態(tài)標(biāo)定確定傳感器的靜態(tài)指標(biāo)，主要有線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。動態(tài)標(biāo)定確定傳感器的動態(tài)指標(biāo)，主要有時(shí)間常數(shù)、自然振蕩頻率和阻尼比等。3.4.3 本測量機(jī)的標(biāo)定本測量中根據(jù)情況選擇靜態(tài)相對標(biāo)定法來對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。傳感器的靜態(tài)標(biāo)定是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行的。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指無加速度、振動與沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量），環(huán)境溫度一般為室溫（205C），相對濕度不大于85%，大氣壓力為101.327.999kPa。靜態(tài)標(biāo)定須遵循一定的程序

14、，其過程步驟為：將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點(diǎn)。根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)地輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄與各輸入值對應(yīng)的輸出值。將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)地減下來，同時(shí)記錄與各輸入值對應(yīng)的輸出值。按、所述過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試（一般為310次），將得到的輸出輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或繪成曲線。對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果確定傳感器的線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)3.5 檢測系統(tǒng)中的其他元件3.5.1 80C51單片機(jī)單片機(jī)在檢測過程中也起著核心作用，它負(fù)責(zé)檢測數(shù)據(jù)的采集與負(fù)責(zé)控制與其接口相連的其它部件。在檢測中，單片機(jī)循環(huán)地進(jìn)行下面

15、工作：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲器中數(shù)據(jù)處理以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作。經(jīng)過對系統(tǒng)功能與工作環(huán)境等因素的研究分析，我們認(rèn)為Intel公司生產(chǎn)的8051單片機(jī)比較適合于本系統(tǒng)的功能及工作環(huán)境要求，最重要的是具有很高的性能價(jià)格比，而且在單片機(jī)市場上購買方便。隨著Mcs51單片機(jī)知識的普及，人們對MCS51單片機(jī)的功能已有很深的了解，本設(shè)計(jì)采用的是AT89C51單片機(jī)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。MS51系列單片機(jī)是美國INT

16、EL 公司生產(chǎn)的高檔8位單片機(jī)，這一系列的單片機(jī)目前在國內(nèi)廣泛使用。MCS51系列單片機(jī)包括許多類型，常用的有8031、8051、8751等，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同。MCS51單片機(jī)內(nèi)部包含下列一些部件：一個8位CPU，1位布爾處理機(jī)。一個片內(nèi)振蕩器即時(shí)鐘電路。ROM程序存儲器。RAM程序存儲器。兩個16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器?？蓪ぶ?4K外部數(shù)據(jù)存儲器和64K外部程序存儲器空間的控制電路。32條可編程的拋口線(4個8位并行I，O端口)。一個可編程全雙工串行口。具有5個中斷源、兩個優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)。8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：在檢測過程中，當(dāng)檢測頭接觸工件上取樣點(diǎn)時(shí)，檢測頭就會立即發(fā)出讓驅(qū)動電機(jī)停止的信號，

17、同時(shí)也向單片機(jī)發(fā)出取樣的信號。此時(shí)單片機(jī)通過電感傳感器與單片機(jī)的接口，讀入檢測頭的位移信息，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理3.5.2 A/D 轉(zhuǎn)換芯片TLC549CD片型小，采樣速度快，功耗低，價(jià)格便宜，控制簡單。在本測量中只需采集一路A/D轉(zhuǎn)換信號，采用TLC549足夠。TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATA OUT三條口線進(jìn)行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長17s， TLC549為40 000次/s?？偸д{(diào)誤差最大為0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量

18、程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于較小信號的采樣。A/D 轉(zhuǎn)換的接線圖如下：A/D轉(zhuǎn)換的程序：初始化：SETB P1.2 ；置CS為1。CLR P1.0 ；置I/O CLOCK為零。MOV R0，00H ；移位計(jì)數(shù)為零。A/D過程：A/DP：CLR P1.2 NOP；等待1.4s，NOP數(shù)根據(jù)晶振情況選擇NXT： SETB P1.0MOV C P1.1RLC ACLR P1.0INC R0CJNE R0，8，NXTMOV R0，00SETB P1.2MOV DTSVRM，A ；DTSVRM：DATA SAVE RAM.RET第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)的選用

19、由于微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，機(jī)電一體化系統(tǒng)大多用計(jì)算機(jī)作為控制器，目前常用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)控制方案和體系結(jié)構(gòu)，及復(fù)雜程度可分為可編程序控制器、單、多回路調(diào)解器、微型機(jī)測控系統(tǒng)、單片微機(jī)控制器、分散型控制系統(tǒng)(又稱集散系統(tǒng))。近代的控制系統(tǒng)均由微機(jī)和其它控制部件組成，利用軟件實(shí)現(xiàn)各種控制。由微機(jī)組成的控制裝置有多種。初期的微機(jī)控制大多數(shù)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，如國內(nèi)最先推出的簡易車床數(shù)控系統(tǒng)即屬此類，后來隨著IBM PC機(jī)的推廣應(yīng)用，出現(xiàn)了由Pc機(jī)經(jīng)擴(kuò)展而成的微機(jī)測控系統(tǒng)，但其環(huán)境適應(yīng)性較差，以后又較多采用可靠性較高的STD總線系統(tǒng)，近幾年又在推廣性能更優(yōu)越的可編程序控制器。由此可見控制系統(tǒng)的發(fā)展是很快

20、的，一般認(rèn)為新的一類控制裝置在性能方面總比前幾類好。微機(jī)控制系統(tǒng)的各種類型均有它的特點(diǎn)。單板機(jī)控制系統(tǒng)較早用于工業(yè)控制，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、技術(shù)上又容易掌握，有利于推廣應(yīng)用。但因該系統(tǒng)的硬件配置很不標(biāo)準(zhǔn)，常需要自行擴(kuò)展接口，硬件制作工作量大，而且控制程序的編寫只能采用匯編語言，以致軟件工作量很大，而且開發(fā)過程中的操作和調(diào)試都比較麻煩，所以只適用于自行研制的簡單控制系統(tǒng)。單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)在功能上比單板機(jī)強(qiáng)，而且具有處理速度快、功耗低、體積小、靈活性好等方面的特點(diǎn)，所以常用于智能化儀表、機(jī)床數(shù)控顯示及其它小型控制裝置。單片機(jī)的編程比較方便，而且還可以在PC機(jī)上進(jìn)行仿真調(diào)試。因受經(jīng)費(fèi)方面

21、的限制，該類系統(tǒng)得硬件制作質(zhì)量和抗干擾措施很難達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)，所以環(huán)境適應(yīng)性較差，如果用于工業(yè)現(xiàn)場，需增加一些防范措施。綜合考慮，我們決定單片機(jī)控制系統(tǒng)。4.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)硬件系統(tǒng)主要由AT89C51單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換、存儲器、鍵盤、顯示器、打印機(jī)和報(bào)警器等部分組成，在軟件系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)對短軸直徑的智能檢測，具有顯示、打印、超限報(bào)警等功能。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失

22、存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控器,AT89C2051是它的一種精簡版本。功能強(qiáng)大的AT89C51單片機(jī)可應(yīng)用在許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制場合。4.3硬件的選取4.3.1步進(jìn)電機(jī)的選擇本機(jī)準(zhǔn)備采用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動機(jī)械手旋轉(zhuǎn)與伸縮。我們知道步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡稱VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡稱PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡稱HB）。步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)控制及儀表中的

23、主要控制元件之一。在數(shù)字控制系統(tǒng)中由于它可以直接接受計(jì)算機(jī)來的數(shù)字信號，而不需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，所以用起來非常方便。步進(jìn)電機(jī)角位移與控制脈沖間精確同步，若將角位移的改變轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性位移、位置、體積、流量等物理量變化，就可實(shí)現(xiàn)對它們的控制。磁阻式步進(jìn)電機(jī)是我國應(yīng)用較多的一種步進(jìn)電機(jī)。它的主要組成部分為定子、轉(zhuǎn)子和繞組。當(dāng)系統(tǒng)將一個電脈沖信號加到電動機(jī)上時(shí)，轉(zhuǎn)子沿某一方向轉(zhuǎn)動的步數(shù)等于電脈沖個數(shù)。由此可見，改變輸入脈沖的數(shù)目就能控制步迸電機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)械位移的大??；改變輸入脈沖的通電相序，就能控制機(jī)械位移的方向，實(shí)現(xiàn)位置的控制。轉(zhuǎn)子的速度與電脈沖的頻率成正比，改變脈沖頻率就能夠?qū)崿F(xiàn)無級平滑調(diào)速。步迸電機(jī)具

24、有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、分辨率高以及價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，且具有快速啟停、精確步進(jìn)以及能直接接收數(shù)字量的特點(diǎn)，所以在定位場合中廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)最大特點(diǎn)是：（1）它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的。（2）電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定。（3）電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是用來驅(qū)動機(jī)械手來夾持短軸的（旋轉(zhuǎn)以及伸縮），因而需選擇的電機(jī)的功率不能過?。◣Р粍訖C(jī)械手），過大也不宜（大材小用了）。權(quán)衡之下，我們決定采用步進(jìn)電機(jī)。其主要參數(shù)如下：因?yàn)榇瞬竭M(jìn)電機(jī)是用來驅(qū)動機(jī)械手來夾持短軸的（旋轉(zhuǎn)以及伸縮），所以采用兩個不同的電機(jī)。根據(jù)轉(zhuǎn)矩，精度要求及接線方式選擇電機(jī)。電機(jī)M1選用42BYG250C，相數(shù)

25、2，步矩角1.8，保持轉(zhuǎn)矩0.54 N.M，定位轉(zhuǎn)矩，靜態(tài)相電流1.5A ，重量0.36kg，機(jī)身長34mm。電機(jī)M2選用42BYG250A，相數(shù)2，步矩角1.8，保持轉(zhuǎn)矩0.23 N.M，定位轉(zhuǎn)矩，靜態(tài)相電流1.5A ，重量0.21kg，機(jī)身長42mm。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路：根據(jù)所選的步進(jìn)電機(jī)的額定功率、工作電壓、工作電流的大小，我們選用了L297A型號的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。L297是意大利SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號，可用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可開關(guān)模式下

26、調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術(shù)，使用5V的電源電壓。L297能產(chǎn)生單四拍、雙四拍和四相八拍工作所需的適當(dāng)相序。3種方式的驅(qū)動相序都可以很容易地根據(jù)變換器輸出的格雷碼的順序產(chǎn)生，格雷碼的順序直接與四八拍(半步方式)相符合，只要在腳19輸入一高電平即可得到。4.4控制電路設(shè)計(jì)本電路設(shè)計(jì)主要是通過AT89C51單片機(jī)的I/O口來給L297_L298芯片混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片賦值達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的正傳啟動，反轉(zhuǎn)啟動，停止等功能。單片機(jī)的P1口的低四位作為控制電機(jī)的控制輸出，對于輸入我們采用兩種方式，方式一：硬件開關(guān)控制。方式二：上位機(jī)（采用

27、vb編程）控制。P0.0，P0.1連接兩路開關(guān)，上位機(jī)和下位機(jī)單片機(jī)采用串行通信。系統(tǒng)框圖如下所示 正/反轉(zhuǎn)開關(guān)閉合電機(jī)正/反轉(zhuǎn)單片機(jī)AT89C51電機(jī)驅(qū)動器L297_L298控制電路框圖如下所示：上位機(jī)限位開關(guān)顯示、報(bào)警單 片 機(jī)AT89C51控制面板復(fù)位電路電機(jī)驅(qū)動芯片L297_L298 步進(jìn)電機(jī)4.5 相關(guān)編程 4.5.1 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的程序步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動編碼是通過KEIL UV ISION3一體化集成編程軟件完成的，在KEIL環(huán)境下編寫程序并生成二進(jìn)制文件。只要是設(shè)置兩個按鍵對電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，在驅(qū)動程序中設(shè)定每次按鍵的步進(jìn)值。在軟件設(shè)計(jì)部分，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，然后進(jìn)行首要操

28、作判決，執(zhí)行如下語句即可實(shí)現(xiàn)對按鍵的掃描，其中每一句為步進(jìn)電機(jī)的初始角度定義，一般定義起始角度為0，POS為正轉(zhuǎn)控制子程序，NEG為反轉(zhuǎn)控制子程序。 WAIT: MOV P1,R0MOV P0,#0FFHJNB P0.0,POSJNB P0.1,NEGSJMP WAIT在按鍵判斷完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如下為正轉(zhuǎn)子程序，在執(zhí)行以下語句后還要判斷按鍵是否持續(xù)，若持續(xù)按鍵，則步進(jìn)值遞增，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行連續(xù)驅(qū)動，否則當(dāng)按鍵松開時(shí)按鍵步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。POS: MOV A,R4MOVC A,A+DPTR MOV P1,AACALL DELAY INC R4當(dāng)為反轉(zhuǎn)控制時(shí)，控制方式同正轉(zhuǎn)相同。下面為反轉(zhuǎn)處

29、理子程序。在此次設(shè)計(jì)中將步進(jìn)設(shè)置為9度。NEG: MOV R4,#6MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A在初始化中必須包含步進(jìn)數(shù)據(jù)模型TAB1，在數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)行不斷查表輸出控制量，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。在數(shù)據(jù)處理完成后送出P1口低四位，經(jīng)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。TAB1:DB 02H,06H,04H,0CHDB08H,09H,01H,03H 4.5.2 單片機(jī)與上位機(jī)的通信單片機(jī)與上位機(jī)通信，將測得的信息如合格、超差、負(fù)超差軸徑的數(shù)量還有具體數(shù)值輸入電腦，以供研究打印等。同時(shí)在傳感器的標(biāo)定時(shí)，通過上位機(jī)控制與顯示來對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。串行通信程序包括兩方面, 一

30、方面是MCS- 51 單片機(jī)的通信程序, 另一方面為PC 機(jī)的通信程序。（1） PC機(jī)的通訊程序框圖：開始單片機(jī)初始化有鍵按下 N退出 Y發(fā)送地址碼打開文件發(fā)送一組數(shù)據(jù)并累加發(fā)送累加和接收一字符文件指針回退=00h？ N Y關(guān)閉文件結(jié)束(2)單片機(jī)通訊程序根據(jù)通信協(xié)議,波特率為1200bps, 現(xiàn)選用定時(shí)器T 1 作為波特率發(fā)生器, 選用晶振為12MHZ,定時(shí)器T1工作于模式2，定時(shí)初值0E6H。程序如下：ORG 0000HLJMP STARTORG 0080HSTART:MOV A, # 20H ; 定時(shí)器初始化MOV TMOD , AMOV TH1, # 0E6HMOV T L1, # 0E6HMOV SCON, # 0E0H . ; 串口初始化CLR EA; 清中斷CLR ESCLR ET1SETB TR1ACALL SUB1; 調(diào)接收一組數(shù)據(jù)子程序AJMP $ ; 通信結(jié)束SUB1:M