测控仪器课程设计--机械式微位移机构及位移检测.docVIP

测控仪器课程设计 题目：机械式微位移机构及位移检测 课程设计说明书 一、设计目的 本次课程设计主要是通过机械微位移机构及位移检测这一课题的设计与研究加强对以往所学精密机械设计、单片机原理及接口技术、传感器原理、测控电路、画法几何及机械制图等课程的理解和实际应用。 设计思路 本次课程设计采用的是平行片簧导轨－步进电动机及机械式位移缩小机构驱动中的弹性变形传动式微位移机构（机构图见大图），利用两个弹簧的刚度比而缩小输入位移的机构，这种微位移机构用平行片簧导轨，无间隙、无摩擦。驱动采用步进电动机，控制灵活而又方便。 此机构是通过步进电动机的转动带动丝杠旋转，通过丝杠旋转驱动一个小型的摩擦滑动导轨的动导轨产生运动，在动导轨运动时压缩弹簧从而由弹簧弹力驱动钢珠滚动导轨运动，在导轨的另一端有一弹簧受到导轨的压缩，这样导轨两端的弹簧彼此作用实现机构的微位移。 丝杠及弹性缩小工作台微位移机构一般要求具有0.05μm的分辨力，所以，此机构的微位移检测中如此高的分辨力必须要求采用具有与之相应分辨力和精度的传感器。非接触式传感器较接触式传感器准确度更高，所以考虑使用非接触式的传感器，而非接触式传感器中，电容或电感式传感器基本很难满足0.05μm分辨力的要求，所以考虑采用光栅式位移传感器，此类传感器即使不能满足分辨力要求，也可以通过微机或电路将信号作细分而获得设计所要求的分辨力。将光栅传感器输出的脉冲信号细分后用计数器计脉冲数，通过片外存储器采集脉冲数至单片机内进行数据处理，换算成位移后输出，用LED显示位移量。此次设计的微位移机构的行程为1mm。使用六个LED灯作为显示微位移的具体数值，其中前三位为小数点之前；后三位为小数点之后。 三、主要元器件选择 1、步进电动机 步进电动机种类很多，选择步进电动机的形式时，按需要确定电机参数。另外，应考虑的选择原则如下： 步距角θb要满足系统最小位移量的要求，即θb≤θmin； 转矩。正常工作状态下，启动转矩必须大于折算到电动机轴上的负载转矩。 同时，在系统要求的运行频率范围内，步进电动机的电磁转矩应大于折算到电动机轴上的最大静态负载转矩与最大惯性力矩之和，以保证加速性能。 起动频率和工作频率。工作时的步进电动机的起动频率应小于电动机具有的最大起动频率，工作频率应小于电动机的最高连续运行频率。 因此，应选择静扭矩不大，相电流也不太高的电动机，在本次设计中选用雷泰三相步进电动机573S05，如下图所示： 雷泰 57系列573S05/573S09/573S15三相混合式步进电机 产品简介：步距精度 +5%(整步、空载) 温升 80°CMax 环境温度 -10°C -- +50°C 绝缘电阻 100MΩmin.500VDC 耐压 500VAC for one minute 径向跳动 0.06 Max.(450g-load) 轴向跳动 0.08 max.(450g-load) 详细介绍： General Specification通用规格 Electrical Specification技术规格 有如下特点是专门为机械和那些特别需要高精度测量值的装置设计的； 典型应用包括： · 半导体行业的测量和生产设备； · 印刷电路版装配机械； · 超精密机械； · 高精度机床；· 计量机和比较仪、测量显微镜和其它精密测量装置； · 直接驱动；敞开式光栅尺μm，精度±5μm，最小分辨率可到0.05μm，最大移动速度480m/min，该尺是采用激标原理形成干涉条纹，读数头采用了14个传感单元来加强平均效应，因此当光栅尺表面有污染和划伤时不会影响精度。 光栅式传感器工作原理图如图所示： 莫尔条纹形成如图： 设两光栅的栅距分别为d1和d2,相互交角为θ,则莫尔条纹上某点的位置(x,y)在x方向对应于与y轴平行的光栅有 　 x = N*d1 (1) 　　对应于与y轴夹角为θ的光栅,该点位置在x方向符合 　 xcosθ-ysinθ= M*d2 (2) 式中:M、N为两光栅的条纹序数. 由于两光栅的栅距不相等,假设MN,令M=N+K,根据(1)、(2)式,莫尔条纹族方程式. y = x[(d1*cosθ-d2)／d1*sinθ]-K*d2／sinθ (3) 从(3)式可得到对应的莫尔条纹的斜率为 　 tanφ=(d1*cosθ-d2) ／d1*sinθ (4) 从图1又可以看出W=hcosφ和h=d2／sinθ,将式代入到式(4)中,得到莫尔