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。 三自由度平動(dòng)機(jī)械手工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 科目：機(jī)電一體化 班級(jí)：機(jī)械工程五班 成員：羅欣201325070530 盧國文201325070501 趙效魯201325070509 賈靜然201325070502 目錄 一、設(shè)計(jì)任務(wù) 3 1、 題目 3 2、 任務(wù) 3 3、 主參數(shù) 3 二、產(chǎn)品總功能的確定 4 1、單坐標(biāo)定位。 4 2、三平面直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。 4 三、總體方案的確定 7 1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 7 2、動(dòng)力裝置的選擇 7 3、.檢測(cè)與傳感裝置的選擇 8 4、.控制與信息處理裝置的選擇 8 四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 9 1、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 9 2、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 12 五、檢測(cè)與傳感裝置的計(jì)算與選型 15 1、 速度的檢測(cè)與傳感裝置 15 、2.位移的檢測(cè)與傳感裝置 17 六、控制與信息處理裝置的選擇 20 1、 速度控制 20 2、CPU的選擇 26 七、工作臺(tái)系統(tǒng)的功能框圖 27 八、工作臺(tái)裝配圖的繪制 27 九、部分源代碼 28 十、感悟與總結(jié) 32 十一、參考文獻(xiàn) 32 一、設(shè)計(jì)任務(wù) 1、 題目 三自由度平動(dòng)機(jī)械手工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2、 任務(wù) 設(shè)計(jì)一種適用于機(jī)械手空間平動(dòng)的工作臺(tái) 3、 主參數(shù) （1）、X、Y、Z方向脈沖當(dāng)量： ?x= ?y= ?z=0.005mm/脈沖 （2）、X、Y、Z方向的定位精度均為：±0.01mm （3）、工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度： ?xmax= ?ymax= ?zmax=3000mm/min （4）、工作臺(tái)負(fù)載最快移動(dòng)速度： ?xmax= ?ymax= ?zmax=400mm/min （5）、工作臺(tái)空間尺寸：500mm×500mm×500mm （6）、工作臺(tái)工作空間尺寸：400mm×400mm×400mm （7）、空載啟動(dòng)時(shí)間：Δt=25ms 二、產(chǎn)品總功能的確定 1、單坐標(biāo)定位。 2、三平面直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。 本例中采用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線和圓弧的插補(bǔ) （1） 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的基本原理 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的基本思路是：在從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路程中，根據(jù)機(jī)械手當(dāng)前位置與給定軌跡的偏離情況，并為消除這個(gè)偏離，在其中一個(gè)坐標(biāo)軸上走一小步，這樣一步步直到終點(diǎn)，每一步都是用給定軌跡對(duì)實(shí)際軌跡進(jìn)行修正。每一步作為一個(gè)插補(bǔ)計(jì)算循環(huán)。插補(bǔ)循環(huán)一般由偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差函數(shù)計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)工作節(jié)拍組成。 ①、偏差判別 首先要判斷機(jī)械手當(dāng)前點(diǎn)與其要求的運(yùn)動(dòng)軌跡的偏離情況。具體方法是根據(jù)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)一個(gè)偏差函數(shù)，該偏差函數(shù)是機(jī)械手坐標(biāo)的函數(shù)，其函數(shù)值反映偏離情況。 ②、坐標(biāo)進(jìn)給 根據(jù)上面判斷的結(jié)果，發(fā)出一個(gè)進(jìn)給指令脈沖，控制機(jī)械手沿相應(yīng)坐標(biāo)軸產(chǎn)生一個(gè)脈沖當(dāng)量的位移。進(jìn)給脈沖分配給哪一個(gè)坐標(biāo)軸，正向還是負(fù)向，總的原則是用這個(gè)位移的結(jié)果糾正已有的偏離。 ③、偏差函數(shù)計(jì)算 用新的機(jī)械手位置坐標(biāo)重新計(jì)算偏差函數(shù)的值。 ④、終點(diǎn)判別 判斷機(jī)械手點(diǎn)是否到達(dá)軌跡的終點(diǎn)，如到達(dá)軌跡終點(diǎn)則插補(bǔ)結(jié)束，否則重復(fù)開始下一個(gè)插補(bǔ)循環(huán)。 （2）、逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ) （注：1.本例只介紹直線插補(bǔ)的方法，圓弧插補(bǔ)原理相似 2.本例插補(bǔ)平面以水平面為例） 為插補(bǔ)計(jì)算方便，通常建立與工作臺(tái)坐標(biāo)系平行的插補(bǔ)坐標(biāo)系，插補(bǔ)坐標(biāo)系與工作臺(tái)坐標(biāo)系是簡(jiǎn)單的平移變換關(guān)系。直線插補(bǔ)時(shí)，插補(bǔ)坐標(biāo)原點(diǎn)選在直線起點(diǎn)上。在直線插補(bǔ)指令中，若終點(diǎn)坐標(biāo)采用增量坐標(biāo)給出，則與插補(bǔ)坐標(biāo)系下坐標(biāo)一致。 下面討論機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡為XOY平面上第一象限直線的插補(bǔ)。如下圖所示，直線OA，起點(diǎn)O(0，0)，終點(diǎn)A(Xe,Ye)，坐標(biāo)單位為脈沖當(dāng)量。 ①、偏差函數(shù) 將直線OA的方程 XY-XeYe=0 改寫成 YXe-XYe=0 設(shè)加工時(shí)機(jī)械手位置為P(Xi,Yi)點(diǎn)，取偏差函數(shù)為 Fi= YiXe-XiYe (2-1) 則當(dāng)P點(diǎn)在直線上時(shí)，F(xiàn)i=0； 當(dāng)P點(diǎn)在直線上方時(shí)，F(xiàn)i>0； 當(dāng)P點(diǎn)在直線下方時(shí)，F(xiàn)i<0。 ②、進(jìn)給脈沖分配 進(jìn)給脈沖分配應(yīng)使對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位移的結(jié)果糾正機(jī)械手位置P(Xi,Yi)已有的偏離。因此：當(dāng)P點(diǎn)在直線上方，即Fi>0時(shí)，向+X方向分配一個(gè)進(jìn)給脈沖，即向X軸正方向走一步（一個(gè)脈沖當(dāng)量的位移），簡(jiǎn)記為+ΔX；當(dāng)P點(diǎn)在直線下方，即Fi<0時(shí)，向+Y方向分配一個(gè)進(jìn)給脈沖，即向Y軸正方向走一步，簡(jiǎn)記為+ΔY；當(dāng)P點(diǎn)在直線上，即Fi=0時(shí)，為使加工繼續(xù)進(jìn)行，規(guī)定按P點(diǎn)在直線上方情況處理，即向X軸正方向走一步。 ③、偏差函數(shù)的遞推計(jì)算 由上述可知，若Fi≥0，向X軸正方向走一步，則P點(diǎn)新的位置坐標(biāo)及偏差為 Xi+1=Xi+1Yi+1=yiFi+1= YiXe-Xi+1Ye= Fi-Ye （2-2） 若Fi<0，向Y軸正方向走一步，則P點(diǎn)新的位置坐標(biāo)及偏差為 Xi+1=XiYi+1=Yi+1Fi+1= Yi+1Xe-XiYe= Fi+Ye （2-3） 采用遞推計(jì)算式（2-2）、式（2-3）代替式 (2-1)計(jì)算偏差函數(shù)，既可以簡(jiǎn)化計(jì)算，又可以縮短插補(bǔ)時(shí)間。 ④、終點(diǎn)判別 一般常用插補(bǔ)循環(huán)或進(jìn)給的總步數(shù)來判斷是否到達(dá)終點(diǎn)。設(shè)插補(bǔ)循環(huán)或進(jìn)給的總步數(shù)為E，顯然有 E=Xe+Ye 最簡(jiǎn)單的方法是每進(jìn)行一次插補(bǔ)循環(huán)，就對(duì)E進(jìn)行一次減1運(yùn)算，當(dāng)E等于0時(shí)，表明到達(dá)終點(diǎn)，插補(bǔ)結(jié)束。 三、總體方案的確定 1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 （1）、絲杠螺母副的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)及參數(shù)要求，該傳動(dòng)副能將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，且應(yīng)滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和±0.01mm的定位精度。由于滾珠絲杠螺母副效率高、精度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)，則應(yīng)選擇滾珠絲杠副。 （2）、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇 由于機(jī)械手負(fù)荷并不大，且工作臺(tái)脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。它具有摩擦阻力小、移動(dòng)效率高、安裝預(yù)緊方便等特點(diǎn)。 （3）、減速裝置的選用 為圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，需要具有消隙結(jié)構(gòu)的減速裝置。因此采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速裝置。 2、動(dòng)力裝置的選擇 由于直流伺服電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)迅速、精度和效率高、調(diào)速范圍寬、負(fù)載能力大、控制特性好等特點(diǎn)。因此采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。 3、.檢測(cè)與傳感裝置的選擇 （1）、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置 因增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測(cè)量和角速度測(cè)量較絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器具有更廉價(jià)和簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)，因此采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。 （2）、位移檢測(cè)裝置 因?yàn)楣鈻攀絺鞲衅髁砍檀?、精度高，廣泛應(yīng)用于程控、數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測(cè)量的機(jī)構(gòu)體，因此采用光柵式傳感器。 4、.控制與信息處理裝置的選擇 （1）、電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制 采用晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速，這種調(diào)速方式有頻率高，電流脈動(dòng)小，電源的功率因數(shù)高和動(dòng)態(tài)硬度好等特點(diǎn)。 （2）、控制系統(tǒng)的選用 ①、CPU的選用 為滿足任務(wù)書給定的相關(guān)參數(shù)，和對(duì)步進(jìn)電機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)，AT89(52)作為控制系統(tǒng)的CPU。 ②、其余輔助裝置的選用 驅(qū)動(dòng)器、電源開關(guān)、存儲(chǔ)器、I/D接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等。 注：由于工作臺(tái)在X、Y、Z三方向的加工范圍及工作載荷相近，為減少設(shè)計(jì)量，X、Y、Z三方向的機(jī)械傳動(dòng)、檢測(cè)與傳導(dǎo)裝置、控制裝置以及電機(jī)的選用均相同。 四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 1、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 已知平均工作載荷Fm=1300N，絲杠工作長度l=0.5m，平均轉(zhuǎn)速nm=100r/min，最大轉(zhuǎn)速nmax=10000r/min，使用壽命Lh?=15000h，材料為CrWMn鋼，傳動(dòng)精度要求σ=±0.01mm。 （1）、求計(jì)算載荷Fc： 查表2-6——2-8得：kF=1.2， kH=1.0，kA=1.0， ∴Fc=kFkHkAFm=1.2×1.0×1.0×1300=1560N （2）、計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值Ca′: Ca′=Fc·3nm×Lh?1.67×104=1560×3100×150001.67×104=7029N。 （3）、根據(jù) Ca′選擇滾珠絲杠副 假設(shè)選用Fc1型號(hào)，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷Ca等于或稍大于Ca′原則，查表2-9，選用Fc1-2005-2.5，Ca=8030N。 得絲杠副數(shù)據(jù)為：公稱直徑 Do=20mm，導(dǎo)程 P=5mm，螺旋角 λ=4°33′，滾珠直徑 do=3.175mm。 按課本表2-1中尺寸公式計(jì)算： 滾道半徑 R=0.52× do=0.52×3.175=1.651mm， 偏心距 e=0.07×(R-do2)= 0.07×(1.651-3.1752)=4.445×10-3mm， 絲杠內(nèi)徑 d1=Do+2e-2R=20+2×4.445×10-3-2×1.651=16.71mm。 （4）、穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩 Ia=πd1464=3.14×(0.01671m)464=3.83×10-9m4， 剛彈性模量E=206GPa，μ為長度系數(shù)，即 μ=23。 則絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷即臨界載荷Fcr: Fcr=π2E Ia(μl)2=π2×206×109×3.83×10-9(23×0.5)2=70011N， 安全系數(shù) S= FcrFm= 700111300=53.85，查表2-10［S］=2.5～3.3，∵S>［S］,∴絲杠安全，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。 （5）、剛度校核 轉(zhuǎn)矩T=Fm× Do2×tan(λ+P)，這里取tanP=0.0015，則P=8′40″。 所以 T=1300× 20×10-32×tan4°33'+8'40″=1.05N·m。 絲杠截面積 A=14πd12=219.30mm2=2.193×10-4m2 絲杠的極慣性矩： JC=π32d14=π32×0.016714=7.65×10-9m4 絲杠切變模量，鋼G=83.3Gpa 則滾珠絲杠在工作負(fù)載和轉(zhuǎn)矩共同作用下每個(gè)導(dǎo)程的變形量Δl0為： Δl0= PFEA+P2·T2πG JC= 4PFπEd12+16P2·Tπ2G d12=( 4×5×10-3×13003.14×206×10-9×0.016714+16×0,0052×1.05·3,142×83.3×109×0.016714)m=1.505×10-8m=0.01505mm。 則絲杠在工作長度上的彈性變形引起的導(dǎo)程誤差為： ΔL=l× Δl0P=0.5×0.01505 0.005μm=1.505μm。 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差ΔL小于其傳動(dòng)精度的12，即： ΔL<12σ=12×0.01mm=0.005mm=5μm,所以其剛度滿足條件。 （6）、效率驗(yàn)算 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率η為： η=tanλ tan(λ+P)=tan4°33'tan(4°33'+8'40″)=0.971 所以經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證 Fc1-2005-2.5 符合題目需求，可選用。 2、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 （1）、初選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào) 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，要求有脈沖當(dāng)量δp=0,005mm/脈沖，定位精度為±0.01mm，為滿足要求初選電機(jī)型號(hào)為57HS10042A4，步進(jìn)角α=1.8°。 （2）、減速器傳動(dòng)比計(jì)算 I=αP300δp=1.8°×5300×0.005=5 按最小慣量條件，從課本圖5-32,5-34查得減速器應(yīng)采用二級(jí)傳動(dòng)。 （3）、齒輪減速箱的確定 傳動(dòng)比可分別取為 i1=2 i2=2.5，選各傳動(dòng)齒輪齒數(shù)分別為 Z1=20，Z2=40，Z3=20，Z4=50，模數(shù)m=2mm，齒寬b=20mm。 （4）、電動(dòng)機(jī)軸上總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 取坐標(biāo)等效直徑為Φ16mm JZ1= JZ3=π×7.8×103×0.0044×0.432=7.84×10-4㎏·m2； JZ2=π×7.8×103×0.0084×0.432=0.0125㎏·m2； JZ4=π×7.8×103×0.14×0.432=0.0306㎏·m2； Js=π×7.8×103×0.0434×432=0.0105㎏·m2。 將各傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上，得當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： Jd = JZ1+1i2(JZ2+ JZ3)+ 1i2(JZ4+ Js)+(P2πi)2×m =7.84×10-4+125×(0.0125+0.0306)+ 125×(0.0306+0.0105)+ (0.0052π×5)2×80 =5.75×10-5㎏·m2。 （4）、慣量匹配驗(yàn)算 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm=6.8×10-5㎏·m2 Jd Jm= 5.75×10-56.8×10-5=0.84 即滿足14≤ Jd Jm≤1，說明慣量匹配比較合理。 （5）、步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力校驗(yàn) 步進(jìn)電機(jī)軸上得總慣量: J= Jm+ Jd=5.75×10-5+6.8×10-5=1.255×10-4㎏·m2, 空載啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)上的慣性轉(zhuǎn)矩： Tj=J×S=J×2πip× WmaxΔt=1.255×10-4×2π×50.005×160=1.58N·m， 電動(dòng)機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩： Tμ=P2πηi×mg·μ=0.0052π×0.8×5×80×9.8×0.2=0.03 N·m， 其中，設(shè)進(jìn)給傳動(dòng)鏈的總效率η=0.8，因預(yù)緊力而引起的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩為： To=P2πηi×Fo×(1-η2)= P2πηi×Fwmax2×(1-η2)= 0.0052π×0.8×5×15603×(1-0.92) =0.020 N·m， 工作臺(tái)上的最大載荷折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： Tw= P2πηi×Fwmax=0.0052π×0.8×5×1560=0.31 N·m， 所以空載啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： Tq= Tj+Tμ+To=1.58+0.03+0.020=1.63 N·m， 在最大外載荷工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： Tl= Tw+Tμ+To=0.31+0.03+0.020=0.36 N·m， 查表5-5得恐再啟動(dòng)時(shí)所需電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為： Ts1= Tq0.8= 1.630.8=2.01 N·m， 在最大外載荷下工作時(shí)所需電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為： Ts= Tl0.3～0.5== 0.360.3～0.5=1.2～0.72 N·m， 所選電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 Ts=2.5 N·m， ∵ Ts> Ts1，且Ts> Ts， ∴ 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可不失步的正常啟動(dòng)。 開環(huán)工作臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)的框圖如下所示： 指令 驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 減速器 絲杠 工作臺(tái) 位置 五、檢測(cè)與傳感裝置的計(jì)算與選型 1、 速度的檢測(cè)與傳感裝置 （1）、采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，組裝在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上，用來檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)與步進(jìn)電機(jī)的步矩角相匹配，所選電動(dòng)機(jī)步距角α=1.8°，可知電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)需要控制系統(tǒng)發(fā)出360°1.8°=200個(gè)脈沖?？紤]到編碼器輸出的A、B相信號(hào)，可以送到四倍頻電路進(jìn)行電子四細(xì)分，因此編碼器的分辨率可選50線，這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。 本例選擇編碼器的型號(hào)為2k-A-60-05v0-10-H，盤狀空心型，孔徑10mm，電源電壓±5v，每轉(zhuǎn)輸出50個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出。 （2）增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用 適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖 （3）、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)系統(tǒng)的組成： 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器 放大器 整形電路 四細(xì)分電路 脈沖當(dāng)量變換電路 計(jì)數(shù)器 寄存器 計(jì)算機(jī) 辯向電路 、2.位移的檢測(cè)與傳感裝置 （1）、本例中采用光柵式傳感器來測(cè)量線位移，使用四細(xì)分技術(shù)使檢測(cè)分辨率提高四倍。所選電機(jī)的步矩角為α=1.8°，所以電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)需檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出360°1.8°=200個(gè)脈沖。因此所選的光柵式傳感器應(yīng)與所選用的電機(jī)相匹配，即選用刻線密度為50線/mm的透射式長光柵傳感器。 （2）透射式長光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu) 1- 防護(hù)墊 2-光柵讀數(shù)頭 3-標(biāo)尺光柵 1-光源 2-準(zhǔn)直鏡 3-指示光柵 4-光敏 4-防護(hù)罩 元件 5-驅(qū)動(dòng)線路 （3）透射式長光柵傳感器的工作原理 莫爾條紋： 嚴(yán)格來說：橫向莫爾條紋排列的方向是兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。 莫爾條紋的特征： a) 莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片兩光柵相對(duì)移過一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)條紋間距。由于光的衍射和干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對(duì)移過的柵距數(shù)同步。 b) 放大作用：莫爾條紋寬度W和光柵柵距d，柵線夾角θ之間關(guān)系： 由圖可知 W=d sinθ 又θ很小可認(rèn)為 sinθ≈ θ 故 W=d/θ (4)莫爾條紋的細(xì)分技術(shù) （5）、光柵式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的組成：光柵式傳感器 放大器 整形電路 四細(xì)分電路 脈沖當(dāng)量變換電路 計(jì)數(shù)器 寄存器 計(jì)算機(jī) 辯向電路 六、控制與信息處理裝置的選擇 1、 速度控制 本例中采用晶體管脈寬調(diào)制PWM調(diào)速系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 （1） 對(duì)速度控制的要求 1） 準(zhǔn)?？刂? 2） 分度控制 3） 恒線速度控制 （2）、晶體管脈寬調(diào)制PWM調(diào)速系統(tǒng) 1）直流脈寬調(diào)制 功率放大器中的大功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動(dòng)很小的直流電壓（平均電壓）。脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。 （2） 直流脈寬調(diào)制的基本原理 （3） 脈寬調(diào)制器 同向加法放大器電路圖： U S r –速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓 U △- 三角波 USC- 脈寬調(diào)制器的輸出（ U S r +U △ ） 調(diào)制波形圖: （4） 開關(guān)功率放大器 主回路：可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器 電路圖: 由四個(gè)大功率晶體管（GTR）T 1 、T 2 、T 3，T4 及四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。 H型： 又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、 Ub2，Ub3，Ub4 –為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。分別加到T1 、T2、T3 、T4的基極 (5) 工作原理 T1 和T4 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub1= Ub4。T2和T3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub2= Ub3 = –Ub1。以正脈沖較寬為例， 既正轉(zhuǎn)時(shí)。 負(fù)載較重時(shí)： ①電動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)0≤t ≤ t1時(shí)， Ub1、Ub4為正， T1 和T4 導(dǎo)通；Ub2、Ub3 為負(fù)， T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=US，電樞電流id= id1，由US→ T1 → T4 → 地。 ②續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)：在t1 ≤t ≤ T時(shí)， Ub1、Ub4為負(fù)， T1 和T4截止； Ub2、Ub3 變正，但T2和T3并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼袃?chǔ)能的作用下，電樞電流id= id2，由D2→ D3續(xù)流，在D2、 D3 上的壓降使T2 、 T3的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。 UAB=-US。接著再變到電動(dòng)狀態(tài)、續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行，如上面左圖。 負(fù)載較輕時(shí)： ③反接制動(dòng)狀態(tài)，電流反向：② 狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時(shí)，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t =t2 時(shí)（見上面右圖），id=0。在t2 ～ T 區(qū)段， T2 、T3 在US 和反電動(dòng)勢(shì)E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，id= id3 由US→ T3 → T2 → 地。電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。 ④電樞電感儲(chǔ)能維持電流反向：在T ～ t3區(qū)段時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖極性改變， T2 、T3截止，因電樞電感維持電流， id= id4，由D4→ D1。 ⑤電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止： 由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬窄而定。 當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，既t1> T/2，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，既t1< T/2 ，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=T/2 ，平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 ⑥電機(jī)速度的改變： 電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度決定的。 (6) PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn) ①頻帶寬、頻率高：晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控（50Hz)，可達(dá)2-10KHz?？焖傩院?。 ② 電流脈動(dòng)?。河捎赑WM調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對(duì)電流脈動(dòng)有平滑作用，波形系數(shù)接近于1。 ③ 電源的功率因數(shù)高: SCR系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。 PWM系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。 ④動(dòng)態(tài)硬度好:較正瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，頻帶寬，動(dòng)態(tài)硬度高。 2、CPU的選擇 （1）、A789（52）單片機(jī)的原理圖 （2）、A789（52）單片機(jī)的作用 ①、作為系統(tǒng)的總控制器，發(fā)出指令脈沖。 ②、處理速度和位移傳感器的反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。 七、工作臺(tái)系統(tǒng)的功能框圖 指令 單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)器 直流步進(jìn)電機(jī) 減速器 絲杠 工作臺(tái) 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器 位置 光柵傳感器 八、工作臺(tái)裝配圖的繪制 九、部分源代碼 #include sbit pls1=P1^0; sbit dir1=P1^1; sbit en1=P1^2; sbit pls2=P1^3; sbit dir2=P1^4; sbit en2=P1^5; sbit pls3=P2^0; sbit dir3=P2^1; sbit en3=P2^2; #define N 1 void maichong(int Z,int x,int y); void delay(int z); void main() { int z=400; en1=1; en2=1; en3=1; while(1){ maichong(400,1,0); maichong(400,1,1); maichong(400,2,0); maichong(400,2,1); maichong(400,3,0); maichong(400,3,1); maichong(400,3,1); maichong(400,3,0); maichong(400,2,1); maichong(400,2,0); maichong(400,1,1); maichong(400,1,0); } } void maichong(int z,int x,int y) { switch(x) { case 1: dir1=y; while(z--) { pls1=1; delay(N); pls1=0; delay(N); } break; case 2: dir2=y; while(z--) { pls2=0; delay(N); pls2=1; delay(N); } break; case 3: dir3=y; while(z--) { pls3=0; delay(N); pls3=1; delay(N); } break; } } void delay(int z) { int x,y; for(y=z;y>0;y--) for(x=110;x>0;x--) 十、感悟與總結(jié) 我們這個(gè)工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于我們大學(xué)生創(chuàng)新與創(chuàng)意活動(dòng)項(xiàng)目“一種基于推拉軟軸的空間柔性靈巧機(jī)械手機(jī)械手”。剛開始接觸完全不懂得怎么去設(shè)計(jì)電系統(tǒng)，就連讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)我們都不會(huì)。后來我們就查找各種資料，向優(yōu)秀的學(xué)長老師請(qǐng)教，慢慢的就學(xué)會(huì)了把課本的知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來。由于我們的進(jìn)度問題，工作臺(tái)本是六自由度，現(xiàn)在只展示了三自由度平動(dòng)的設(shè)計(jì)，另外三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)我們采用的電機(jī)是舵機(jī)，還在調(diào)試和研究中。盡管瀏覽全文，我們工作臺(tái)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)還存在很多缺點(diǎn)，比如光柵傳感器的選型問題和脈寬調(diào)制技術(shù)PWM的應(yīng)用程序等問題，但是我們會(huì)努力學(xué)習(xí)，把所學(xué)知識(shí)和實(shí)踐緊密結(jié)合，爭(zhēng)取把六自由度的工作臺(tái)和機(jī)械手的控制完成。 十一、參考文獻(xiàn) 《微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用》 楊有軍 《MCS-51/98單片機(jī)原理及應(yīng)用》 趙長德 《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 鄭堤 《機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)》 趙松年  THANKS !!! 致力為企業(yè)和個(gè)人提供合同協(xié)議，策劃案計(jì)劃書，學(xué)習(xí)課件等等 打造全網(wǎng)一站式需求 歡迎您的下載，資料僅供參考 -可編輯修改-