平面位移控制设计

1、沈阳工业大学生产实习报告专业班级： 测控技术与仪器 1301班 题目：平面位移控制装置设计生产实习（二）报告生产实习名称： 生产实习（二） 生产实习题目： 平面位移控制装置设计 专业班级： 实习时间16/12/31-17/1/13 指导教师： 平面位移控制装置设计小组成员分配表职务学号姓名组内任务组长130401112吕志鹏 提交概念设计报告 对整体方案进行设计 对电路进行仿真 编写部分程序 给组员分配任务并进行相关指导 整理总体报告组员130401103张金 提交需求分析报告 编写部分程序 设计部分仿真 设计部分概念 帮助组长整理总体报告130401121黄森源 提交技术设计报告 编写整机程

2、序并进行调试 对电路进行仿真 设计部分概念 帮助组长整理总体报告130401130朱晓琳 提交产品使用手册和产品标准 编写部分程序 设计部分仿真 设计部分概念 帮助组长整理总体报告摘要：一种能够在平面上进行自动平面位移控制的装置，每个连接件都有种状态：打开和关闭，打开时可保证该方向的传送正常运动，关闭时该方向的连接断开，停止运动，在同一个时刻，本装置实现其中一个方向的位移，要选择哪个方向，哪个方向的步进电机电机就开始运转，使丝杠运转。更改方向时，原运动方向的步进电机电机停止运动。电机的开启和停止跟两个传送装置重叠处传送块的连接件状态保持一致，连接件在一个方向打开，则另一个方向关闭。本装置实现了

3、平面上两个垂直方向的自动位移，使位移空间从一维扩大到二维，提高了自动化水平。关键词：平面位移 控制 步进电机 丝杠1.平面位移测量技术1.1发展趋势 数字图像是一种新兴的非接触式光学测量方法，自上世纪八十年代初被提出至今，得到了突飞猛进的发展，并且由于其独特的优势，现被应用于多个学科领域。数字图像相关方法由于测量精度高和非接触式等特点，可以弥补测量技术方法的不足，可以解决显示测量方法种实验等很多难题，根据数字图像的相关方法的计算精度和计算效率实现了数字图像的相关方法的应用。国内外针对图像测量的研究，日本，德国，美国等国家开始的比较早，提出了许多测量原理和方法，而我国在这方面的研究则开展的较晚一

4、些。我国是从80年代中期开始图像测量技术研究的，当时典型的应用是使用线阵电荷耦合器件(CCD)进行长度的在线测量，如对钢丝直径的测量，但由于每个像素的间距不可能太小，因此精度并不高。而由于当时面阵CCD的价格昂贵，因而基于三维摄像图像测量系统，应用较少。最近二十几年来，图像测量技术在国内外发展很快，已广泛应用到几何量的尺寸测量，精密复杂零件的微尺寸测量和外观检测，航空遥感测量，以及光波干涉图、应力应变场状态分布图等许多方面。图像测量技术的迅速崛起和发展除了由于应用需求领域的不断扩展外，还得益于计算机技术的突飞猛进和数字图像处理技术的日臻完善。反之，由于CCD制造工艺和IC技术的 不断改进和提高

5、，使基于CCD摄像的图像测量系统不仅性能越来越高，而且其成本有所下降，这更进一步刺激着这一技术领域的快速发展。图像测量系统的高分辨率、高灵敏度、光谱响应宽、动态范围大等特性是传统测量仪 所无法比拟的。图像测量技术对环境没有特殊要求，非常适合于一些传统测量手段难以实 现的场合应用。随着时代对制造技术和测量技术提出要求的不断提高，专家们预计，21世纪图像测量技术的发展趋势大致如下：1） 测量精度由微米级向纳米级发展，进一步提高测量分辨率； 2）由点测量向面测量过渡，提高整体测量精度(即由长度的精密测量扩展至形状的精密测量)； 3)采用在线测量以逐步替代线外测量，采用实时测量并将测量信息反馈用于过程

6、控制，构造高精度、智能化动态系统； 总之，图像测量技术必须实现高精度化，同时要求实现高速化和高效率化。因此，高效率测量与智能化测量将成为本世纪高精度图像测量技术的重要发展方向。 目前数字处理正成为工程学、计算机科学、信息科学、统计物理、化学、生物、医学等领域中各学科学习和研究的对象，这方面的新技术、新成果层出不穷极大地改善着我们的日常生活。基于数字图像处理开展测量的研究成果也很丰富，例如，基于CCD、CMOS等图像传感器进行一维尺寸测量、三维位置测量、刚体的瞬态平面运动、高精度纽致丝直径检测等成果屡有报道。这些研究成果说明采用数字图像传感器应用现有图像处理技术开展坐标位移测量是可行的。当前数字

7、图象技术在平面(三维)位移测量中的应用，系统按照所用传感器的不同可分为红外成像、CCD成像、激光成像、声纳成像等，其中以CUD成像在光学图像测量系统中应用最为广泛。CCD的应用主要在两个方面中其一是非接触测量，另一个是本课题将要研究的将CCD应用于坐标测量机的结构改造上。首先来简单介绍一下CCD在非接触测量。它是采用基于三角测量原理的非接触激光光学探头应用于坐标测量机上代替接触式探头。通过探头的扫描可以获得准确的表面信息，进行表面轮廓的铡量及用于模具特征线的识别。克服了接触式测量的局限性，提高了测量效率。已有的数字图象技术在平面(三维)位移测量的方法如下：三维图像测量机该系统主要由图像位移测量

8、系统、图像式自动调焦、瞄准系统及相应的机械结构组成，其基本工作原理是：利用两个CCD摄像机分别取纵、横向光学标尺的位置信息，并利用图像卡与计算机相连，通过图像处理技术确定两个方向的坐标值；瞄准系统采用CCD摄像机接收经光学系统成像的被测件的轮廓，也通过图像卡与计算机相连这样一方面可以通过图像处理办法提取工件的离焦信息，利用步进电机及一定的传动机构驱动光学系统及摄像机上下移动，实现瞄准系统的自动调焦，另一方面，有关工件轮廓的位髯信息也送入了计算机，通过一定的算法，即可确定被瞄准。1）光学系统把刻线及数字直接成像至UCCD感光面上经光电变换，刻线位置信息就变成电信号，经电路进行模数转换，刻线的空位

9、置信息变成了时间信号经接口送入计算机进行处理，再通过一定的算法判断刻线位于CCD感光面的相对位置，作为刻尺位置坐标的小数部分。利用模式识别技术识别刻尺上的数字作为刻尺位置坐标的整数部分。把两部分合成起来，即可得到被测件的位置坐标。2)基于特征的三维图像拼接法测量二维图像拼接采用同一个CCD摄像机，通过移动被测物，获取被测物的不同部分图像；也可用多个CCD摄像机，分别提取被测物不同局部图像，并通过公共特征将多幅图像拼接成一幅完整的图像数据。为了更快速、有效地提取公共特征信息，采用一点一线法可以避免其它方法(如一条线法)在确定平移量、旋转角度以及相对放大因子时的不稳定性。3)基于数字图像特征区域的

10、特征量匹配的测量是本文研究的重点，也是本论文测量原理 提出的基础，将CCD传感器技术和图像识别技术相结合，应用于对三维坐标测量机的改进 中，将传统的三维坐标测量机的机械结构进行了简化，采用基于CCD传感器和图像识别技术的新型装置，代替了价格昂贵的传动系统及相应的定位系统。使三维坐标测量机的成本大大降低。三坐标测量机作为通用的三维长度测量设备。现行结构均为三个相互垂直的测量轴和各自的长度测量系统组成机械主体，结合测头系统、控制系统、数据采集与计算机系统构成三坐标测量机.三坐标测量机作为现代大型精密智能仪器，由于它的通用性和自动化程度已经在工业各个领域得到广泛的应用。随着我国制造业水平的不断提高、

11、规模不断扩大，我国已成为三坐标测量机需求量最多的国家。另一方面三坐标测量机结构复杂、系统庞大、价格昂贵使更多的中小企业望而却步。国际上主要有美国、法国、日本、意大利等国的公司生产各型规格的三坐标测量机，国内主要青岛前哨、西安爱德华测量设备公司、航天部303所等企业生产。这些测量机的机械主体均是基于一维长度测量轴构成机械主体，结构大同小异，趋于稳定。目前的主要研究，针对测头系统开展非接触测量研究，国外已有定型的产品，国内爱德华公司首家推出非接触测量的测量机;另外，在控制系统和软件上更加注重自动检测、扫描测量技术研究，为自动化加工，检测系列化提供发展帮助。 这些研究成果说明采用数字图像传感器，应用

12、现有图像处理技术开展坐标位移测量是可行的三坐标测量机 (CMM)中CCD的应用主要在两个方面中，其一是非接触测量，另一个是本课题将要研究的将CCD应用于对三坐标测量机的结构改进中。首先来简单介绍一下CCD在非接触测量的应用。基于三角测量原理的非接触激光光学探头应用于三坐标测量机 CMM)上代替接触式探头。通过探头的扫描可以获得准确的表面粗糙度信息，进行表面轮廓的三维立体测量以及用于模具特征线的识别。克服了接触式测量的局限性，提高了测量效率。将CCD传感器技术和图像识别技术相结合，应用于对三坐标测量机的改进中，将传统的三坐标测量机的机械结构进行了简化，采用基于CCD传感器和图像识别技术的新型装置

13、，代替了价格昂贵的传动系统及相应的定位系统，使三坐标测量机的成本大大降低。CCD器件 (Charge Coupled Device，电荷祸合器件)具有自扫描，光电灵敏度高，几何尺寸精确及敏感单元尺寸小的优点。随着集成度的不断提高，结构改善及材料质量的提高，它已日益广泛的应用于工业非接触图像识别测量系统中，测量系统分辨率可达微米级。图像识别测量系统一般由以下结构组成:以机械系统为基础，线阵或面阵CCD(电荷祸合器件)构成摄像系统:信息的转换由视频处理器件完成电荷信号到数字信号的转换;计算机及计算技术完成信息的处理和显示;载物台具有三坐标或多坐标自由度。1.2研究背景及意义数字图像平面测量技术相关

14、方法是一种新型的非接触式得得光学测量方法，具有非接触式，全场测量，数据采集过程简单、测量精度高、测量环境要求低、便于实现整个过程自动化等优点，但现有的数字图像平面测量技术相关方法的计算精度和计算速度限制了其在工程试验中的应用。因此，研究和改进数字图像平面测量技术相关方法是提高计算精度和计算速度并结合数字平面测量技术相关方法的特点，将改进的数字图像平面测量方法应用于数字图像平面测量技术应用中，可以弥补当前测量方法的不足，解决数字图像平面测量技术的测量中很多难题，从而产生巨大的经济效益。随着人类社会的形成和发展，生产、生活和贸易等活动的开展，需要更多的测量工具及简单的测量仪器，如土地丈量、漏量计时

15、以及逐步统一的度量衡器。随着人类文明时代的到来，科学技术和生产活动的大规模开展及一系列重大突破催生并发展了这一科学。同时，测量器具、技术和理论的发展又促进了生产和技术的发展。近代科学和工业化的发展，促使测量学科一方面需要进行专业化分工；同时测试技 术也要求突破经典的测量方法和技术，寻求新的测试原理与手段。如求助于电学、光学、计算机等，从单一学科发展为多学科间的相互借鉴和渗透，形成综合各学科研究成果的新型测量系统。 目前，对测量技术的精度，测量效率以及测量自动化程度的要求也越来越高，传统 的检测原理和技术已经难以适应这个新的要求。特别是在某些特定场合，如微小尺寸，曲面轮廓等的在线测试课题，已成为

16、传统测量方法实现的难题。因此，探索新的测量方法，具有十分重要的现实意义II刊。三十余年来，随着激光技术，精密计量光栅制造技术，计算机技术以及图像获取和 处理技术的迅猛发展，已经开始将它们应用到高精度测量领域，并形成了新的测量技术图像测量技术。图像测量技术以光学为基础、融入了光电子学、计算机技术、激 光技术、图像处理技术等现代科学技术，组成光、机、电、算和控制技术一体化的综合测量系统。所谓的图像测量16l就是测量被测对象时，把图像当作检测和传递的手段或载体加以利用的测量方法，其目的是从图像中提取有用的信号。图像测量的基本原理就是处理被测物体图像的边缘纹理而获得物体的几何参数，因此图像处理技术成为

17、图像测量系统的基础和关键。 。 而传统的几何量测量方法，是根据测量头与被测件是否接触可分为接触式与非接触式 两大类。其中非接触式测量方法以前主要有光学式和气动式两种，图像测量技术作为一种新兴的非接触测量方法有着独特的优越性，它通过把被测对象的图像作为检测和传递信息的手段，从图像中提取有用信息进而获得待测参数。光电摄像器件的产生和普及使图像测量技术成为可能，特别是电荷耦合器件(CCD)技术的发展，进一步促进了图像测量技术的形成和发展。电荷耦合器件(CCD)是20世纪70年代初发展起来的一种新型半导体器件，由于它具 有自扫描、高分辨、高灵敏度、重量轻、体积小、像素位置准确、耗电少寿命长、可靠性 好

18、、信号处理方便，便于与计算机连接等优点，30多年来发展迅速，成为近代光电成像 领域中非常重要的获取图像的技术手段。基于CCD器件图像测量技术的使用范围和测试 精度均比现有的机械式、光学式或电磁式的测量技术优越得多，可以满足测量速度快，精度高，使它被应用于加工、测量和控制融为一体成为可能。对图像测量的研究，日本，德国，美国等国家开始的比较早，提出了许多测量原理 和方法，而我国在这方面的研究则开展的较晚一些。我国是从80年代中期开始图像测量技术研究的，当时典型的应用是使用线阵电荷耦合器件(CCD)进行长度的在线测量，如对钢丝直径的测量，但由于每个像素的间距不可能太小，因此精度并不高。而由于当时面阵

19、CCD的价格昂贵，因而摄像图像测量的系统，应用较少。最近三十几年来，图像测量技术在国内外发展很快，已广泛应用到几何量的尺寸测量，精密复杂零件的微尺寸测量和外观检测，航空遥感测量，以及光波干涉图、应力应变场状态分布图等许多方面。图像测量技术的迅速崛起和发展除了由于应用需求领域的不断扩展外，还得益于计算机技术的突飞猛进和数字图像处理技术的日臻完善。反之，由于CCD制造工艺和IC技术的不断改进和提高，使基于CCD摄像的图像测量系统不仅性能越来越高，而且其成本有所下降，这更进一步刺激着这一技术领域的快速发展。这就使数字图像测量技术应用在位移测量中成为可能。 当前平面位移的测量现状：平面位移测量系统作为

20、通用的三维长度测量设备。现行结构均为两个相互垂直的测量轴和各自的长度测量系统组成机械主体，结合测头系统、控制系统、数据采集与计算机系统构成平面位移测量系统。它的通用性和自动化程度已经在工业各个领域得到广泛的应用。国际上主要有美国、法国，日本，意大利等国的公司生产三维测量机，国内一些公司 生产出一些规格的二维位移测量，如日本生产的XY-STEEL系列数字式测量机17J，上海刀 具厂VISIONV4033三维测量机18J，爱华检测设备有限公司的AHVWSl510三坐标测量机。这些测量机的机械主体均是基于一维长度测量轴而构成机械主体，结构大同小异，趋于稳定。目前的主要研究，针对测头系统开展非接触测量

21、研究，国外已有定型的产品，国内爱德华公司首家推出非接触测量的测量机；另外，在控制系统和软件上更加注重自动检测、扫描测量技术研究，为自动化加工，检测系列化提供发展帮助。这些测量机目前的主要研究，针对于系统测头进行非接触测量研究，国外已有定型的产品；另外，在控制系统和软件上更加注重自动检测、扫描测量技术研究，为自动化加工，检测系列化提供发展帮助。对工件尺寸和轮廓的检测，主要方法是:通过测量测头与工件间的相对位移，得到工件的空间坐标尺寸，经计算机处理给出测量结果。坐标测量机的实质就是取得测头或工件的位移信息。传统的位移 (坐标)测量是由坐标机的坐标轴来实现的，利用数字图像技术进行位移测量，将大大简化

22、坐标机的机械结构.现今对工件的轮廓等形位尺寸的测量主要分为两类，即接触式和非接触式。接触式测量大多是用三坐标测量机来完成，三坐标测量机是一种通用的三维长度测量仪器，能达到很高精度，但其缺点是成本太高，操作复杂。非接触测量主要采用光学测量方法，用摄像机对被测工件进行点式或面式扫描，利用物点和像点的关系求得工件外轮廓的三维坐标信息，其测量速度快，但测量范围受到限制，测量精度不高m。由于三坐标测量机结构复杂、系统庞大、价格昂贵使更多的中小企业难以接 受，特别是对形位尺寸精度要求不高的工件进行测量时，需开发一种机械结构简 单，测量简便的形位尺寸测量机，本项目采用数字图像处理技术，对现有三坐标测量机的机

23、械主体进行简化，实现三维空间 (平面)的位移尺寸测量，它将使三坐标测量机测量原理发生质的改变，可以认为是对现有三坐标测量机的一种革新。现代测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一 体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域。在现代工业制造技术和科学研究中， 测量仪器具有集成化，智能化的发展趋势。在对复杂零件的尺寸，形状和相互位 置进行测量中非接触测量起着越来越重要的作用。将CCD传感器技术和图像识别技术相结合应用于对三坐标测量机(CMM )的改进中，将传统的三坐标测量机 (CMM)的门式结构进行了革新，放弃了价 格昂贵的高精度传动系统及相应的定位系统，采用了基于CCD传感器和

24、图像识 别技术的新型装置。使三坐标测量机 (CMM)的价格降到了可以为中小型企业承 受的价位。数字图像处理技术在形位尺寸测量中具有广泛的应用前景，特别是在非接触测量和在线测量中，利用CCD器件得到被测对象的数字图像，并对图像进行特征分析，通过对不同时域的图像的对比，得出位移和形状参数，是机械加工设备在线检测的发展方向。目的是将数字图像处理技术应用于坐标测量机的改进中，通过获取安装在固定板上的摄像机的位移信息，可以获得被测量工件的坐标尺寸，从而简化了三坐标测量机的机械结构。图像特征区域的边缘分割与提取、特征表示和匹配原则是本论文拟解决的关键问题。具体研究工作如下: 1)测量原理方案设计及光源、C

25、CD器件、图像卡等的选用和安装。2)图像提取及预处理:通过安装在导轨底部的CCD摄像机获取测量平台在运动过程中的图像序列。在此研究了微小位移对图像灰度分布的影响，确定了图像的预处理方法。3)图像特征识别和重心定位:在得到的图像序列中每一帧图像都包含一定的特征区域。确定相邻帧图像中特征区域的重心的位置变化，可以得到特征区域在相邻帧图像中的位移信息。精确识别特征区域和重心定位是提高测量精度及可靠性的关键。平面位移测量系统作为通用的二维长度测量设备。现行结构均为两个相互垂直的测量轴和各自的长度测量系统组成机械主体，结合测头系统、控制系统、数据采集与计算机系统构成平面位移测量系统。它的通用性和自动化程

26、度已经在工业各个领域得到广泛的应 用。国际上主要有美国、法国，日本，意大利等国的公司生产二维测量机，国内一些公司生产出一些规格的二维位移测量，如日本生产的XY-STEEL系列数字式测量机17 J，上海刀具厂VISIONV4033二维测量机18J，爱华检测设备有限公司的AHVWSl510二坐标测量机。这些测量机的机械主体均是基于一维长度测量轴而构成机械主体，结构大同小异，趋于稳定。目前的主要研究，针对测头系统开展非接触测量研究，国外已有定型的产品，国内爱德华公司首家推出非接触测量的测量机；另外，在控制系统和软件上更加注重自动检测、扫描测量技术研究，为自动化加工，检测系列化提供发展的帮助。2概念设

27、计2.1步进电机图2.1.1 步进电机（图2.1.1）又称为脉冲电机,基于最基本的电磁铁原理,它是一种可以自由回转的电磁铁,其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲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。（1）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

28、产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一个角度，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。（2）工作特点1）步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。2）步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。3）改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动

29、的方向。（3）控制方式采用PID控制方式进行控制，PID 控制根据给定值 r( t) 与实际输出值 c(t) 构成控制偏差 e( t) , 将偏差的比例 、积分和微分通过线性组合构成控制量 ，从而对被控对象进行控制。2.2滚珠丝杠图2.2.1滚珠丝杠（图2.2.1）是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器

30、、防尘器组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是艾克姆螺杆的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作。（1）工做原理1）按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例，滚珠丝杠来将旋转运动转化为直线运动；或将直线运动转化为旋转运动的执行元件。2）当滚珠丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。（2）丝杠特点1）摩擦损失小、传动效率高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。2）高速进给和微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运

31、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。3）轴向刚度高滚珠丝杠副可以加与预压,由于预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)。4）不能自锁、具有传动的可逆性。5）精度高2.3联轴器联轴器（图2.3.1）是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。（1）工作原理图2.3.1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

32、联接。联轴器种类繁多选择时先应根据工作要求选定合适的类型，然后按照轴的直径计算扭矩和转速，再从有关手册中查出适用的型号，最后对某些关键零件作必要的验算。联轴器主要通过预紧来达到无空回传递扭矩，轴连接无空回，好的柔韧性和抗冲击性，允许各个方向的偏移，即使在高速下，运动也平稳，能承受大的工作量。联轴器主要通过预紧来达到无空回传递扭矩，轴连接无空回，好的柔韧性和抗冲击性，允许各个方向的偏移，即使在高速下，运动也平稳，能承受大的工作量，安装操作简单方便，免维护，不需停工期，能承受高温环境，小尺寸，小惯量，电绝缘，性价比高，额定扭矩0.10-650Nm。膜片本身很薄，所以当相对位移荷载产生时它很容易弯曲

33、，因此可以 承受高达1.5度的偏差，同时在步进系统中产生较低的轴承负荷。膜片联轴器常用于步进系统中，膜片具有很好的扭矩刚性。另一方面，膜片联轴器非常精巧，如果在使用中误用或没有正确安装则很容易损坏。膜片联轴器快易优有收录，所以保证偏差在联轴器的正常运转的承受范围之内是非常必要的。因为步进电机能在高速区域时传达高扭矩，要求精度高，所以选择膜片型联轴器。（2）单膜片联轴器的特性 大扭矩承载、高扭矩刚性和卓越灵敏度 免维护、超强抗油和耐腐蚀性 零回转间隙 体积小巧的联轴器，总长度短 不锈钢膜片补偿角向轴向偏差 顺时针与逆时针回转特性完全相同2.4超声波测距（1）超声波测距原理超声波发射器向某一方向发

34、射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。测距的公式表示为：L=C×T式中L为测量的距离长度，C为超声波在空气中的传播速度，T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。（2）超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。1）时间误差当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=34

35、4m/s (20室温)，忽略声速的传播误差。测距误差st<(0.001/344) 0.000002907s 即2.907s。在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机的定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。2）超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。已知超声波速度与温度的关系如下：v=331.5+0.6t (m/s)式中： r

36、 气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，R 气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，M气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，T 绝对温度，273K+T。（3）超声波测距特点 超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，超声波检测比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。2.5平面位移控制装置原理平面位移控制装置是一种能够在平面上进行自动位移控制的装置，其特征在于：所述的控制装置由两个相互垂直套接成十字形的系统构成，包括两个步进电机，两个超声波测距模块，3根丝杠，STC89C51单片

37、机，LCD1602液晶显示屏，若干导线等等。（1）平面位移系统水平方向共有两个丝杠（分别命名为丝杠1，丝杠2 ），其中丝杠1由步进电机通过联轴器来控制其旋转，在联轴器与丝杠1之间放置一个主动轮，丝杠另一端放置另一个主动轮，在丝杠2 的两端分别放置一个从动轮，两个主动轮与两个从动轮之间通过皮带进行连接，步进电机产生的动力通过联轴器使丝杠1进行旋转，丝杠1通过两个主动轮带动丝杠2 的从动轮，使丝杠2进行同相位旋转，进而使得两根丝杠上的螺母无偏差的同位移运动。垂直方向上，另外一个步进电机放置在丝杠1 的螺母上，丝杠3的两个轴承座分别放置在丝杠1和丝杠2的螺母上。所述的每个电机都有一个相对应的行程开关

38、控制，在同一个时刻，只有一个方向的电机是运转状态，要实现哪个方向的位移，哪个方向的电机的行程开关打开，驱动此电机开始运转，更改方向时，原运动方向的行程开关控制本方向的电机停止运动；所述的传送装置由一组相同大小的传送块和传送块之间的连接件组成，每个连接件均有打开和关闭两种状态，打开时可保证一个方向的传送正常运动，关闭时该方向的连接断开，停止运动，且这两种状态与该方向的电机的开启和停止状态保持一致（2）距离矫正系统利用超声波测距模块对被测点进行距离测量，将测量的数据反馈给单片机，单片机对数据进行判断，从而对被测点位置进行修正。（3）工作原理当操作者输入一个位移坐标后，水平方向步进电机开始工作，使丝

39、杠转动，当螺母到达预定位置坐标后，此时水平方向的测距模块开始工作，装置开始进行水平方向距离修正；当横向坐标确定后，垂直方向步进开始工作，使丝杠转动，当螺母到达预定位置坐标后，此时垂直方向的测距模块开始工作，装置进行垂直方向距离修正。2.6整体装置工作原理图图2.6.1 平面位移控制装置原理图 联轴器超声波测距模块丝杠1步进电机丝杠支撑座主动轮三角皮带从动轮丝杠2丝杠32.7材料的型号的选择（1）步进电机的选择已知扭矩公式为 T=9550pn其中：T为扭矩,单位：N·Mp为输出功率，单位Kwn为电机转速，单位r/min经计算PG36-42BY 型42步进电机的参数符合设计要求。参数为：

40、 减速比为：13.7，减速级数为：2，最大额定扭矩：30kg·cm 瞬时允许扭矩：90kg·cm（2）丝杠的选择步进电机的步距角为1.8°360°1.8°=2000步又要求精度为1mm选择螺纹外径d=12mm,导程d=4mm的丝杠。（3）联轴器的选择选择膜片型联轴器（4）电子器件选择采用AT89C51芯片 LCD1602液晶显示屏 3.技术设计3.1电路说明（1）整体电路图原理图图3.1.1（2）电路原理说明1）电路各部分说明图3.1.2仿真单片机的选择，AT89C52为控制，如图3.1.2所示，搭建单片机最小系统。通过编写程序，控制LCD16

41、02液晶显示所要定位的坐标，并实时显示步进电机所走的步数。2）按键说明为少硬件的使用，提高系统的稳定的同时降低系统设计和制作的成本，我们在按键设置上只保留了5个按键用于所需定位坐标的输入。如图3.1.3所示：按键“L”“R”用于输入值光标的左移与右移。按键“加”与“减”用于输入值光标所在位上的值的加减。按键“STOP”用于输入的输入与电机开始信号的。使用方法如下，按下按键“STOP”按键通过移动输入坐标的光标来改变输入坐标每次增加或减小的量按一下按键“STOP”电机开始转动。图3.1.33）电机驱动设计 如图3.1.4所示，因为电机的转动所需的电流大约是200mA，单片机所能输出的电流大约是1

42、mA。所以不能通过单片机直接驱动步进电机转动，要加一个驱动芯片，在此选择ULN2003芯片。通过上图电路设计，不仅电机可以正常运转，因而达到设计要求。图3.1.44）显示电路设计如图3.1.5所示，显示部分用LCD1602液晶作为显示。将LCD1602液晶与单片机I/O相连，通过应用应用程序，在LCD1602液晶屏上的第一行显示输入的坐标值，在液晶屏的第二行显示当前电机转动位置值。这样可以清晰让人知道系统的工作状态。5）仿真运行结果图图3.1.5如图3.1.6所示，动过按键输入所要定位的坐标（X:130，Y:140)之后，电机开始转动，到达所输入的坐标位置，有上图所示，最后到达的位置正好是输入

43、的坐标。说明了从电路设计到程序的编写，到是合理，且符合设计要求。图3.1.63.2程序流程图开始系统初始化led初始化超声波初始化按键key是否按下输入位置坐标驱动电机运动显示距离NY3.3部分程序#include <reg52.h> #include <stdio.h> #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define FOSC 11059200L#define T1MS (65536-FOSC/5000) /1T模式sfr AUXR = 0x8e; unsigned char code A_Rot

44、ation8=0x08,0x18,0x10,0x30,0x20,0x60,0x40,0x48; unsigned char code B_Rotation8=0x48,0x40,0x60,0x20,0x30,0x10,0x18,0x08; /*void disPlay(void);void main() char vpr3=0;int i,j; AUXR |= 0x80; /定时器0为1T模式 TMOD = 0x00; /设置定时器为模式0 TL0 = 0x71; /设置定时初值 TH0 = 0xDD; /设置定时初值 TR0 = 1; /定时器0开始计时 ET0 = 1; /使能定时器0中断

45、 EA = 1; init_1602(); disPlay(); while(1)/电机转动,按键显示while(key) while(2<PP1&&PP1<6)if(D = 3)if(PP1 =3 ) X_1 = X_1+100; D =0;PP1 = 0;if(PP1 =4 ) X_1 = X_1+10; D = 0;PP1 = 0;if(PP1 =5 ) X_1 = X_1+1;D =0;PP1 = 0;if(D = 4) if(PP1 =3 ) X_1 = X_1-100; D = 0;PP1 = 0;if(PP1 =4 ) X_1 = X_1-10;D =

46、0;PP1 = 0;if(PP1 =5 ) X_1 = X_1-1; D = 0;PP1 = 0;if(X_1<0|X_1>10000) X_1=0;write_by_zifu(3,0,X_1/100%10+'0');write_by_zifu(4,0,X_1/10%10+'0');write_by_zifu(5,0,X_1%10+'0'); while(9<PP1&&PP1<13)if(D = 3)if(PP1 =10 ) Y_1 = Y_1+100; D =0;PP1 = 0;if(PP1 =11 )

47、Y_1 = Y_1+10; D = 0;PP1 = 0;if(PP1 =12 ) Y_1 = Y_1+1;D =0;PP1 = 0;if(Y_1<0|Y_1>10000) Y_1=0;if(D = 4) if(PP1 =10 ) Y_1 = Y_1-100; D =0;PP1 = 0;if(PP1 =11 ) Y_1 = Y_1-10; D = 0;PP1 = 0;if(PP1 =12) Y_1 = Y_1-1;D =0;PP1 = 0;if(Y_1<0|Y_1>10000) Y_1=0;write_by_zifu(10,0,Y_1/100%10+'0'

48、);write_by_zifu(11,0,Y_1/10%10+'0');write_by_zifu(12,0,Y_1%10+'0'); while(key_D)key_D = 0;if(X_1<=Y_1)for(j=0;j<(X_1/8);j+) for(i=0;i<8;i+) /?8?P2 = B_Rotationi; /X_N+;/顺时针Y_N+;delay(2); /write_by_zifu(3,1,X_N/100%10+'0');write_by_zifu(4,1,X_N/10%10+'0');writ

49、e_by_zifu(5,1,X_N%10+'0');write_by_zifu(10,1,Y_N/100%10+'0');write_by_zifu(11,1,Y_N/10%10+'0');write_by_zifu(12,1,Y_N%10+'0');for(j=0;j<(Y_1/8)-(X_1/8);j+)for(i=0;i<8;i+) P2 = B_Rotationi&0xf0; Y_N+;/顺时针delay(2);write_by_zifu(10,1,Y_N/100%10+'0');wri

50、te_by_zifu(11,1,Y_N/10%10+'0');write_by_zifu(12,1,Y_N%10+'0');for(i=0;i<Y_1%8;i+) P2 = B_Rotationi&0xf0;Y_N+;/顺时针delay(2); write_by_zifu(10,1,Y_N/100%10+'0');write_by_zifu(11,1,Y_N/10%10+'0');write_by_zifu(12,1,Y_N%10+'0');for(i=0;i<X_1%8;i+) LED = 0

51、; P2 = B_Rotationi&0xf; X_N+;/顺时针delay(2); write_by_zifu(3,1,X_N/100%10+'0');write_by_zifu(4,1,X_N/10%10+'0');write_by_zifu(5,1,X_N%10+'0');else /X_1>Y_1 for(j=0;j<(Y_1/8);j+) for(i=0;i<8;i+) / P2 = B_Rotationi; X_N+;/顺时针Y_N+;delay(2); /write_by_zifu(3,1,X_N/100%

52、10+'0');write_by_zifu(4,1,X_N/10%10+'0');write_by_zifu(5,1,X_N%10+'0');write_by_zifu(10,1,Y_N/100%10+'0');write_by_zifu(11,1,Y_N/10%10+'0');write_by_zifu(12,1,Y_N%10+'0');for(j=0;j<(X_1/8)-(Y_1/8);j+) for(i=0;i<8;i+) P2 = B_Rotationi&0xf; X_N+;/顺时针delay(2); write_by_zifu(3,1,X_N/100%10+'0');write_by_zifu(4,1,X_N/10%10+'0');write_by_zifu(5,1,X_N%10+'0');for(i=0;i<X_1%8;i+) P2 = B_Rotationi&0xf; X_N+;/顺时针delay(2); write_by_zifu(3,1,X_N/100%10+'