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長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）紙
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單臂三維測量工作臺的設(shè)計(jì)
[摘要]三維測量，又稱為三坐標(biāo)測量。三維測量可以定義為“一種可具有三個方向移動的探測器，可以在三個相互垂直的導(dǎo)軌上移動，此探測器以接觸或非接觸等方式傳送訊號，三個軸的位移測量系統(tǒng)經(jīng)數(shù)據(jù)處理器或計(jì)算機(jī)等計(jì)算出工件的各點(diǎn)坐標(biāo)及各項(xiàng)功能的測量”。三維測量的測量功能應(yīng)包括尺寸精度、定位精度、集合精度及輪廓精度等。三維測量現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)、汽車、電子、航天航空、國防等工業(yè)部門。
單臂三維測量工作臺是一款具有較大測量范圍的高精度測量設(shè)備，在設(shè)計(jì)時充分考慮了使用者對沖壓件、儀表板件、塑料件、中型模具件的測量要求。它在測量時采用單臂實(shí)現(xiàn)三個方向的動作，為了簡化結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本，采用步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)伺服驅(qū)動。CCD測量鏡頭運(yùn)動由步進(jìn)電動機(jī)通過驅(qū)動器的細(xì)分來控制，控制方式采用單片機(jī)控制。其中設(shè)計(jì)時還包括很多零部件的選擇，如導(dǎo)軌、滾珠絲杠等等。
機(jī)械系統(tǒng)部分由三個正交的直線運(yùn)動構(gòu)成。Y向?qū)к壪到y(tǒng)裝在工作臺上，移動橋架橫梁是X向?qū)к壪到y(tǒng)，Z向?qū)к壪到y(tǒng)裝在中央滑架內(nèi)。三個方向軸上均裝有光柵尺用以度量各軸位移值。人工驅(qū)動的手輪及機(jī)動、數(shù)控驅(qū)動的電機(jī)一般都在各軸附近。用來觸測被檢測零件表面的測頭裝在X軸端部。
[關(guān)鍵字] 三維測量 控制 機(jī)械系統(tǒng)
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Single arm of the workbench for three dimensional measurements
[Abstract] Three-dimensional measurements, also known as trimetric measurements. Three-dimensional measurement can be defined as "a kind of can have three direction of the probe, can be in three perpendicular guide rail, the detector to contact or non-contact way transmission signals, such as three axis displacement measurement system by data processors or calculation work pieces, such as computers, each point coordinates and functions of measurement". The measuring functions of three-dimensional measurement should include measurement accuracy, positioning accuracy, collection accuracy and contour accuracy. Three-dimensional measurements are now widely used in the industrial sectors of machinery manufacturing, automobiles, electronics, aerospace and defense.
One-armed three-dimensional measurement workbench is a large measurement range and high precision measuring equipment, give full consideration to the user when the design of stamping parts, instrument panel, plastic parts, medium-sized mold parts measurement requirements. In order to simplify the structure and save the cost, it adopts the step motor drive the loop servo drive. The CCD measuring lens movement is controlled by the subdivision of the drive motor through the actuator, and the control method is controlled by the single chip. The design also includes the selection of many parts, such as the guideway, the ball screw and so on.
The mechanical system consists of three orthogonal linear motions. The Y is mounted on the platform, and the moving bridge beam is the X to the guide system, and Z is mounted in the central slide frame. All three orientations are equipped with raster rulers to measure the displacement of each axis. Manually driven handwheel and motorized, numerically driven motors are generally located near each axis. The measuring head on the part of the test part is used to test the part of the Z axis.
[Keywords]Three-dimensional measurement Control Mechanical system
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目 錄
前言 1
第1章 單臂三維測量工作臺的概述 2
1.1 三維測量工作臺的產(chǎn)生 2
1.2 三維測量工作臺的組成及工作原理 2
1.3 三維測量工作臺的機(jī)械結(jié)構(gòu) 3
1.3.1 結(jié)構(gòu)形式 3
1.3.2 工作臺 3
1.4 三維測量工作臺的測量系統(tǒng) 4
1.4.1 標(biāo)尺系統(tǒng) 4
1.4.2 測頭系統(tǒng) 4
1.4.3 測頭附件 5
1.5 三維測量工作臺的控制系統(tǒng) 5
1.5.1 控制系統(tǒng)的功能 5
1.5.2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 6
1.5.3 測量進(jìn)給控制 7
1.5.4 控制系統(tǒng)的通信 7
第2章 關(guān)鍵部件的選擇計(jì)算 8
2.1 導(dǎo)軌的選擇 8
2.1.1 導(dǎo)軌選擇的基本理論 9
2.1.2 導(dǎo)軌精度選擇 9
2.2 滾珠絲杠的選擇與計(jì)算 11
2.3 軸承的選擇 18
2.4 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 18
2.5 步進(jìn)電機(jī)控制原理 19
2.5.1 理論設(shè)計(jì) 20
2.5.2 程序設(shè)計(jì) 23
2.6 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
第3章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28
3.1 主控制器CPU的選擇 28
3.2 存儲器電路的擴(kuò)展 29
3.2.1 程序存儲器的擴(kuò)展 29
3.2.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 30
第 0 頁 共 40 頁
3.3 I/O口電路的擴(kuò)展 30
3.3.1 并行口的擴(kuò)展 30
3.3.2 鍵盤、顯示器接口電路 31
總 結(jié) 32
致 謝 33
參考文獻(xiàn) 34
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前 言
坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）是一種具有很強(qiáng)柔性的尺寸測量設(shè)備。?CMM在工業(yè)界的應(yīng)用開始于對棱柱類零件的快速、精確測量。但隨著CMM各方面技術(shù)的發(fā)展（如回轉(zhuǎn)工作臺、觸發(fā)式測頭的產(chǎn)生），特別是計(jì)算機(jī)控制的CMM的出現(xiàn)，目前，CMM已廣泛應(yīng)用于對各類零件的自動檢測。
而作為CMM測量的重要部件——工作臺在最近也發(fā)生了巨大的變革。工作臺主要是用來放置工件或附件，為了保證儀器的測量精度和工作的可靠性，它必須具有足夠的剛性，臺面和導(dǎo)軌面應(yīng)耐磨且有一定的直線度和平面度。工作臺必須具有手動或自動調(diào)整機(jī)構(gòu)，手動調(diào)整機(jī)構(gòu)簡單但調(diào)整不便且精度不高，而自動調(diào)整即快又準(zhǔn)。所以與測量儀器配套使用的工作臺也由手動向自動方向發(fā)展，精度不斷提高，性能更加完善。
本次設(shè)計(jì)主要完成工作臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)軌的選擇；滾珠絲杠的選擇與計(jì)算；步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
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第1章 單臂三維測量工作臺的概述
1.1 三維測量工作臺的產(chǎn)生
三維測量工作臺是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新的高效率精密測量儀器。它的出現(xiàn)，一是因?yàn)樽詣訖C(jī)床、數(shù)控機(jī)床高效率加工以及更多復(fù)雜形狀的零件加工要有更快速更可靠的測量設(shè)備與之配套；一是因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)和精密加工技術(shù)的完善替三維測量工作臺的產(chǎn)生提供了技術(shù)條件。世界上第一臺三坐標(biāo)測量機(jī)在1960年被英國FERRANTI公司成功研制，到20世紀(jì)60年代末，全球已有約十個國家的三十多家公司能生產(chǎn)CMM，但這一時期的CMM還處在初級階段。到20世紀(jì)80年代后，很多公司不停地推出新的產(chǎn)品，讓CMM取得了快速的發(fā)展?，F(xiàn)在CMM可以在計(jì)算機(jī)的控制下完成各種各樣的復(fù)雜測量，也可以通過與數(shù)控機(jī)床互換信息，實(shí)現(xiàn)控制加工的目的，也還可根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)反求工程。目前，CMM已廣泛用于機(jī)械制造業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和國防工業(yè)等各部門，成為現(xiàn)代工業(yè)檢測和質(zhì)量控制不可缺少的測量設(shè)備。
1.2 三維測量工作臺的組成及工作原理
（1）三維測量工作臺的組成
三維測量工作臺屬于機(jī)電一體化設(shè)備，它由電子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩部分組成。
1）機(jī)械系統(tǒng)：一般由三個正交的直線運(yùn)動軸構(gòu)成。Y向的導(dǎo)軌系統(tǒng)安裝在工作臺上，移動橋架橫梁是X向的導(dǎo)軌系統(tǒng)，Z向的導(dǎo)軌系統(tǒng)安裝在中央滑架內(nèi)。三個方向的軸上都安裝有光柵尺用以測量各軸位移值。人工驅(qū)動手輪及機(jī)動、數(shù)控驅(qū)動電機(jī)常常都在各個軸附近。用來觸測被檢測零件表面的測頭裝在Z軸端部。
2）電子系統(tǒng)：一般由光柵計(jì)數(shù)系統(tǒng)、測頭信號接口和計(jì)算機(jī)等組成，用于獲得被測坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
（2）三維測量工作臺的工作原理
三維測量工作臺是基于坐標(biāo)測量的通用化數(shù)字測量設(shè)備。它先將要測的幾何元素的測量轉(zhuǎn)化為對這些幾何元素上一些點(diǎn)集坐標(biāo)位置的測量，在測得這些點(diǎn)的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算求出其尺寸和形位誤差。
1.3 三維測量工作臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)
1.3.1 結(jié)構(gòu)形式
按照結(jié)構(gòu)形式，三維測量工作臺可分為移動橋式、固定橋式、龍門式、懸臂式、單柱移動式、單柱固定式結(jié)構(gòu)等。
(1) 移動橋式結(jié)構(gòu)，它是現(xiàn)在使用最廣的一種結(jié)構(gòu)形式，主要分為四部分組成：工作臺是固定不動的，橋框可沿工作臺上的高貴沿Y向運(yùn)動，滑架可沿著橫梁上的導(dǎo)軌沿X向運(yùn)動，主軸可沿Z向運(yùn)動。被測工件安放在工作臺上，測頭裝在主軸X上。其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，剛性好，具有較開闊的空間。工件安裝在固定的工作臺上，承載能力較強(qiáng)，工件質(zhì)量對測量機(jī)的動態(tài)性能沒有影響。中小型測量機(jī)，無論是手動還是數(shù)控的，多數(shù)是采用這種結(jié)構(gòu)形式的。
(2) 固定橋式結(jié)構(gòu)，其橋框是固定不動的，直接與基座鏈接；而工作臺可沿著基座的導(dǎo)軌移動。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：X相反的標(biāo)尺與驅(qū)動機(jī)構(gòu)可以設(shè)置在工作臺下方中部，Y向阿貝臂?。粡闹虚g驅(qū)動，繞Z軸偏擺小；整個測量幾點(diǎn)結(jié)構(gòu)剛性很好，容易保證較好的精度，但此結(jié)構(gòu)的不足之處在于工作臺要移動，所以工件質(zhì)量不宜過大。精密性的三維測量工作臺大多采用固定橋式的結(jié)構(gòu)。
(3) 龍門式結(jié)構(gòu)，只有橫梁是它的移動部分，這是它與移動橋式結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。而且移動部分的質(zhì)量小，整體結(jié)構(gòu)的剛性好，三個方向的坐標(biāo)測量范圍比較大，可保證測量的精度，常用于大型機(jī)，但其限制了工件的裝卸，只有一側(cè)驅(qū)動時仍有較大阿貝誤差，而雙側(cè)驅(qū)動的方式在技術(shù)上比較復(fù)雜，只有Y向跨距較大、對精度要求很高的大型測量機(jī)才用。
(4) 懸臂式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為簡單，具有較好的開闊性，但當(dāng)滑架在懸臂上作Y向的運(yùn)動時，懸臂的變形會產(chǎn)生不一樣的變化，故其測量的精度不算高，測量的精度要求不高的小型測量機(jī)才會經(jīng)常用它。
(5) 單柱移動式結(jié)構(gòu)，也稱為儀器臺式結(jié)構(gòu)，隨著工具顯微鏡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的發(fā)展而出現(xiàn)發(fā)展起來的。但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量范圍不大，其優(yōu)點(diǎn)是測量的精度很高、操作簡單，高精度小型數(shù)控機(jī)型常用它。
(6) 單柱固定式結(jié)構(gòu)，隨著坐標(biāo)鏜的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。它的結(jié)構(gòu)牢固、開闊性較好，但工件的質(zhì)量會影響工作臺的運(yùn)動，而且二維平動的工作臺的行程不會太大，因此它僅僅用在測量精度中等的中小型測量機(jī)上。
1.3.2 工作臺
早期的三維測量的工作臺一般是由鑄鐵或鑄鋼制成，但近年來，花崗巖已經(jīng)被各廠家廣泛采用來制造工作臺，這是因?yàn)榛◢弾r變形小，穩(wěn)定性也好，不僅耐磨損，也不易生銹，且價格適宜、加工容易。有些測量工作臺裝有可升降的裝置，用來擴(kuò)大Z軸的測量范圍，還有些測量工作臺備有旋轉(zhuǎn)工作臺，用來增大測量功能。
1.4 三維測量工作臺的測量系統(tǒng)
標(biāo)尺系統(tǒng)和測頭系統(tǒng)共同組成了三測量工作臺的測量系統(tǒng)，它們是三維測量工作臺的關(guān)鍵組成部分，決定著測量精度的高低。
1.4.1 標(biāo)尺系統(tǒng)
用來度量各軸的坐標(biāo)數(shù)值的稱為標(biāo)尺系統(tǒng)，三維測量工作臺上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)種類較多，它們與在各種機(jī)床和儀器上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)大致相同，按其性質(zhì)可以分為機(jī)械式標(biāo)尺系統(tǒng)、光學(xué)式標(biāo)尺系統(tǒng)和電氣式標(biāo)尺系統(tǒng)。統(tǒng)計(jì)分析國內(nèi)外生產(chǎn)使用的三維測量工作臺的標(biāo)尺系統(tǒng)可知，光柵使用得最多，感應(yīng)同步器和光學(xué)編碼器次之。而那些高精度三維測量工作臺的標(biāo)尺系統(tǒng)則采用了激光干涉儀。
1.4.2 測頭系統(tǒng)
三維測量工作臺是用測頭來拾取信號的，因而測量精度和測量效率取決于測頭的性能。在三維測量工作臺上使用的測頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機(jī)械式、光學(xué)式和電氣式等；按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。
(1) 機(jī)械接觸式測頭
機(jī)械接觸式測頭為剛性測頭，看接觸測量部位的測頭的形狀，可以分為V型塊測頭、半圓形測頭、圓錐形測頭、球形測頭、點(diǎn)測頭、圓柱形測頭等。這類測頭形狀簡易，制造容易。操作者用經(jīng)驗(yàn)和技能的嫻熟度控制測量力的大小，這樣就會使其測量的精度較差、效率較低。現(xiàn)在除了少數(shù)的手動測量工作臺還采用這種測頭外，大多數(shù)的測量工作臺都不再用這種測頭。
（2）光學(xué)測頭
常規(guī)狀況下，光學(xué)測頭和被測物體之間是沒有機(jī)械接觸的，這種非接觸式測量具有的一些突出優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
1）因?yàn)闇y量力不存在，因此比較適合于測量各種軟的和薄的工件；
2）因?yàn)槭欠墙佑|測量，所以其可對工件表面進(jìn)行快速掃描測量；
3）一般接觸式測頭的量程都比較小，但大多數(shù)的光學(xué)測頭都具有較大的測量范圍。
4）機(jī)械測頭在工件上難以探測到的部位都可以使用它。光學(xué)測頭近年來快速發(fā)展，目前在測量工作臺上應(yīng)用的光學(xué)測頭的種類多種多樣，如光纖測頭、體視式三維測頭、三角法測頭、激光聚集測頭、接觸式光柵測頭等。
（3）電氣接觸式測頭
電氣接觸式測頭目前已為絕大部分坐標(biāo)測量工作臺所采用，按其工作原理可分為動態(tài)測頭和靜態(tài)測頭。
1）動態(tài)測頭
芯體上裝著測桿的稱為常用的動態(tài)測頭，把三個鋼球沿圓周120度分布安放形成三對接觸點(diǎn)，則把芯體放接觸點(diǎn)上面。芯體上上的鋼球在測桿沒有受到力的時候跟三對接觸點(diǎn)都保持接觸。而當(dāng)X、Y、Z三個方向上的任何一個方向上的測桿端部的鋼球與工件接觸的時候，最少會使一個鋼球和觸點(diǎn)分開，從而讓電路變成開路狀態(tài)，產(chǎn)生階躍的信號。采樣電路將直接或者間接的被計(jì)算機(jī)控制，坐標(biāo)數(shù)據(jù)會沿著X、Y、Z方向送至存儲器，提供給數(shù)據(jù)處理用。
可見，動態(tài)測頭是可以在測頭接觸工件表面的動態(tài)運(yùn)動過程中的接觸瞬間進(jìn)行采樣的，因此它也稱為觸發(fā)式測頭。由于其較低的成本和簡單的結(jié)構(gòu)，所以可用于高速的測量。但是也由于它的精度較差和不能長時間的在工件表面停留的缺點(diǎn)，因此它只能對工件的表面作分散的逐個點(diǎn)的測量，不能作一次性的掃描測量完成。目前，英國RENISHAW公司生產(chǎn)的觸發(fā)式測頭較為廣泛使用于各大廠家。的
2）靜態(tài)測頭
相當(dāng)于一臺超小型三坐標(biāo)測量機(jī)的靜態(tài)測頭還具有觸發(fā)式測頭特有的 的觸發(fā)采樣的功能。X、Y、Z三個方向上在有三維幾何量傳感器的測頭和工件的表面進(jìn)行接觸的時候都會有對應(yīng)的位移距離輸出，從而驅(qū)動的伺服系統(tǒng)會根據(jù)輸出的位移量讓測頭停在既定的位置上。由于必須要測頭接近靜止?fàn)顟B(tài)下的時候才可以采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，所以稱為靜態(tài)測頭。同時，由于它可以始終接觸著工件表面并且沿其移動來完成掃描測量，所以它也稱為掃描測頭。靜態(tài)測頭的主要特點(diǎn)是精度高，可作連續(xù)掃描，但制造技術(shù)難度大，采樣較慢，價格昂貴，適用于高精度測量機(jī)使用。目前大多數(shù)廠家生產(chǎn)的靜態(tài)測頭均采用電感式位移傳感器，從而我們也將靜態(tài)測頭稱為三向電感測頭。?
1.4.3 測頭附件
為了擴(kuò)大測頭功能、提高測量效率以及探測各種零件的不同部位，常需為測頭也需要配置各種附件，例如測端、探針、連接器、測頭回轉(zhuǎn)附件等，用來擴(kuò)大。
1.5 三維測量工作臺的控制系統(tǒng)
1.5.1 控制系統(tǒng)的功能
三維測量工作臺的關(guān)鍵組成部分之一控制系統(tǒng)。其主要功能是：一是讀取空間坐標(biāo)值，控制測量瞄準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時的響應(yīng)和處理測頭信號，二是機(jī)械系統(tǒng)在其控制下完成測量所需的動作，從而達(dá)到隨時監(jiān)控測量工作臺的狀態(tài)來保證系統(tǒng)的可靠性和安全性的目的。
1.5.2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
按自動化的程度可以有手動型、機(jī)動型以及CNC型。以前的測量工作臺的各點(diǎn)采樣都是經(jīng)過操作者直接手動或者間接經(jīng)過操縱桿完成的，然后再把經(jīng)過手動型與機(jī)動型為主采樣的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行換算處理。CNC型的控制系統(tǒng)隨著數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展而愈發(fā)普遍，程序控制著測量工作臺的數(shù)據(jù)采樣和自動進(jìn)給的運(yùn)動，同時數(shù)據(jù)處理將在計(jì)算機(jī)中完成。
(1) 手動型與機(jī)動型控制系統(tǒng)
這種控制系統(tǒng)在車間有較廣的應(yīng)用，它不僅有簡單的結(jié)構(gòu)，而且它的操作簡易，價格也便宜。這兩種系統(tǒng)的標(biāo)尺系統(tǒng)通常采用光柵，而測頭通常采用觸發(fā)式的測頭。測頭在接觸工件的時候散出觸發(fā)信號從而經(jīng)過控制接口向CPU發(fā)出一個中斷的信號，CPU在其指令下會執(zhí)行對應(yīng)的中斷服務(wù)的稱序。對應(yīng)的讀出在計(jì)數(shù)接口處的單元數(shù)值，采樣坐標(biāo)值X、Y和Z將會在其計(jì)算出對應(yīng)的空間距離后形成，并且將形成的X、Y和Z送入數(shù)據(jù)采樣的緩沖區(qū)，以方便后面的計(jì)算數(shù)據(jù)時用。
(2) CNC型控制系統(tǒng)
CNC型的控制系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)對測量進(jìn)給進(jìn)行控制。它能夠通過程序?qū)y量機(jī)的各軸運(yùn)動和運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行控制和隨時監(jiān)測，達(dá)到自動測量的目的。另外，應(yīng)用操縱桿，它也能夠進(jìn)行手工測量。其中，集中控制和分布控制是從CNC型控制系統(tǒng)中分出的兩個小類。
1）集中控制
集中控制是利用一個主CPU就能夠完成監(jiān)測和采樣坐標(biāo)值，從而完成接收計(jì)算機(jī)命令，解釋和執(zhí)行，往回送和顯示狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，鍵盤輸入控制命令和監(jiān)測安全等等任務(wù)。一個相當(dāng)于獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相對獨(dú)立的模塊能夠完成監(jiān)測單軸的伺服控制以及三軸聯(lián)動和運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測的目的。在功能上，CPU的實(shí)時性和測量進(jìn)給的速度的大小和CPU運(yùn)算量的大小和運(yùn)算速度的大小有關(guān)。
2）分布式控制
分布式控制系統(tǒng)中運(yùn)用多個CPU協(xié)調(diào)工作并完成特定的控制并一起完成測量的任務(wù)，由于它的高效率從而提升了控制系統(tǒng)中的實(shí)時性。另外，它的單元式、多CPU并行處理的特點(diǎn)使其擴(kuò)充和維修更加的簡單。如在分布式控制的系統(tǒng)中增加一個由單軸控制的單元，再在總線上的地址和增加相應(yīng)的軟件就可以增加一個轉(zhuǎn)臺了。
1.5.3 測量進(jìn)給控制
在對伺服電動機(jī)速度的控制方面，主要是通過操縱桿抑或CNC程序，這里是除手動型之外的測量工作臺。通過這種辦法來讓控制測頭相對于測量工作臺按一定的軌跡運(yùn)動，以此來完成測量工件的任務(wù)。測量工作臺在測量進(jìn)給方面相對于數(shù)控機(jī)床在進(jìn)給加工方面差距不大嗎，但是前者要求以更高的精度、更平穩(wěn)的狀態(tài)運(yùn)動以及更快的響應(yīng)速度。測量工作臺分別有單軸控制和多軸聯(lián)動控制兩種運(yùn)動控制方式。單軸的伺服控制相對比較簡單，各自的的運(yùn)動由其各軸上的單軸伺服控制器單獨(dú)完成。三軸之間由一種特定的算法通過CPU控制來使得測頭和工件在空間中按一定的軌跡作相對運(yùn)動，這種運(yùn)動需要單軸的伺服和插補(bǔ)器共同完成。在測量工作臺控制系統(tǒng)中，CPU程序控制實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)器插補(bǔ)。根據(jù)預(yù)定的軌跡，CPU連續(xù)地向三軸伺服控制系統(tǒng)發(fā)送坐標(biāo)軸的位置命令，單軸伺服控制系統(tǒng)則連續(xù)跟隨，從而使測頭一步一步地從起始點(diǎn)運(yùn)動到終點(diǎn)。
1.5.4 控制系統(tǒng)的通信
控制系統(tǒng)的通信有內(nèi)通信與外通信兩種。命令、參數(shù)、狀態(tài)和數(shù)據(jù)等在控制系統(tǒng)和主計(jì)算機(jī)之間通過通信總線相互傳送的方式稱為內(nèi)通信。當(dāng)測量工作臺作為FMS系統(tǒng)或CIMS系統(tǒng)中的組成部分時，控制系統(tǒng)和其它的設(shè)備之間的通信稱為外通信?，F(xiàn)在，串行RS－232標(biāo)準(zhǔn)與并行IEEE－488標(biāo)準(zhǔn)是測量工作臺兩種主要的通信。
第2章 關(guān)鍵部件的選擇計(jì)算
2.1 導(dǎo)軌的選擇
此設(shè)計(jì)選用了SBC導(dǎo)軌，其優(yōu)點(diǎn)如下：
圖2-1 SBC導(dǎo)軌
（1） 價格低廉
SBC直線導(dǎo)軌在各方面都具有很好的經(jīng)濟(jì)性,尤其是在簡單的設(shè)計(jì),高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和產(chǎn)品本地化等方面特別突出。
（2） 交貨迅捷
在中國大陸地區(qū)代理銷售SBC產(chǎn)品,所有標(biāo)準(zhǔn)型號全部現(xiàn)貨供應(yīng)。
（3） 精確的位置精度
SBC導(dǎo)軌由于動、靜摩擦之間的微小差異從而使摩擦系數(shù)降到百分之五十一,因此可以實(shí)現(xiàn)精確定位，響應(yīng)微量位移。
（4） 節(jié)約生產(chǎn)成本和電力損耗
由于SBC導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小,可使驅(qū)動裝置小型化,并可提供高速運(yùn)動.因此采用SBC導(dǎo)軌可生產(chǎn)出高性能機(jī)械同時減小電力損耗。
（5） 長時間保持高精度
減小了滾動摩擦,實(shí)現(xiàn)了長時間的、無損耗的、高精度的運(yùn)轉(zhuǎn).
（6） 安裝簡單
SBC導(dǎo)軌只需通過螺栓安裝就可保證較高的精度,并且使其在四個方向上承受等量負(fù)載.
（7） 提高機(jī)械的可靠性
通過往返的次數(shù)估算機(jī)械壽命,提高機(jī)械的可靠性
2.1.1 導(dǎo)軌選擇的基本理論
導(dǎo)軌和機(jī)體做成一體。如此同鑲裝式導(dǎo)軌相比，用同一種材料，工藝簡單，剛度大，結(jié)構(gòu)簡單。
聚四氟乙烯軟帶同導(dǎo)軌的聯(lián)接采用粘結(jié)的方法。采用此方法有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1） 比螺釘固定簡單，而且克服了夾緊力不均勻的缺點(diǎn)。
（2） 粘結(jié)導(dǎo)軌對設(shè)備維修或改造都很方便。
粘結(jié)時要求粘膠非常均勻。
（1） 依據(jù)測量工作臺的使用要求，提出導(dǎo)軌要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。
（2） 選擇導(dǎo)軌的類型。
（3） 選擇導(dǎo)軌的截面形狀。
（4） 確定導(dǎo)軌的數(shù)量和尺寸。
（5） 選擇導(dǎo)軌的材料，確定導(dǎo)軌與部件的關(guān)系(做成整體或鑲裝)。
（6） 計(jì)算。根據(jù)運(yùn)動部件的重量和重心位置，外力作用的位置、方向以及大小，對導(dǎo)軌進(jìn)行受力分析，分析導(dǎo)軌上受力的狀態(tài)。
（7） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要有：間隙(或預(yù)加負(fù)荷)裝置、鑲裝結(jié)構(gòu)、潤滑溝槽、卸裁裝置、滾動組件選擇、節(jié)流器等等。
（8） 其它方面的設(shè)計(jì)。包括選擇潤滑方法、潤滑油、潤滑裝量、、和設(shè)計(jì)防護(hù)裝置等。
（9）確定技術(shù)條件。 對導(dǎo)軌的基本要求
2.1.2 導(dǎo)軌精度選擇
（1） 接觸精度
采用精刨的方法來加工導(dǎo)軌。對導(dǎo)軌的接觸精度用著色法檢查。由表32—22[2]查得接觸指標(biāo)：全長上不少于70%，全寬上不少于50%。
（2） 表面粗糙度
表32—24[2]查得表面粗糙度值：支承導(dǎo)軌0.8，動導(dǎo)軌1.6。依據(jù)測量工作臺的使用要求，提出導(dǎo)軌要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。
（3） 導(dǎo)向精度
運(yùn)動部件沿著導(dǎo)軌運(yùn)動的軌跡的準(zhǔn)確性稱為導(dǎo)向精度。
影響導(dǎo)向精度的因素有
1） 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和截面形狀。
2） 導(dǎo)軌的加工質(zhì)量(幾何精度、和粗糙度)以及裝配調(diào)整質(zhì)量。
3） 導(dǎo)軌和其支承件的剛度及熱變形。
4） 潤滑狀況。
（4） 精度的保持性
要在規(guī)定的期限內(nèi)保持導(dǎo)軌的初始精度。
影響精度保持性的因素有：
1) 耐磨性。耐磨性與導(dǎo)軌的材料、硬度和摩擦表面的情況有關(guān)，還與導(dǎo)軌副的材料匹配有關(guān)。
2) 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和截面形狀（磨損后能否自動補(bǔ)償且調(diào)整很方便)。
3) 潤滑狀況好壞。
4) 防護(hù)裝置的好壞。
（5） 運(yùn)動的平穩(wěn)性和靈敏度
要保證在低速運(yùn)動時微量運(yùn)動時不產(chǎn)生爬行，能實(shí)現(xiàn)要求的定位精度。影響運(yùn)動平穩(wěn)性和靈敏度的因素有：
1) 導(dǎo)軌面的磨擦特性(與導(dǎo)軌的材料，類型及潤滑狀態(tài)有關(guān))。
2) 傳動系統(tǒng)的剛度。
3) 負(fù)載情況。
（6） 其它：
1) 結(jié)構(gòu)簡單可靠。
2) 工藝性好。
3) 維修方便。
4) 價格合理。
CCD測量儀是是用于檢測微小零件表面質(zhì)量情況的，因此對工作臺的移動距離沒有非常嚴(yán)格的限制，即對導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度及精度的保持性要求不是高。如此，對導(dǎo)軌的摩擦特性、潤滑、表面加工質(zhì)量的要求也隨之降低。
（7） 跨距的確定
跨距是指兩條導(dǎo)軌之間的距離。適當(dāng)加大跨距可以提高剛度。導(dǎo)軌跨距的可用范圍是比較大的。一般應(yīng)考慮其移動部件所采用傳動件安裝所須尺寸及導(dǎo)軌所受傾覆力矩等因素，再參考類似設(shè)備決定。本設(shè)計(jì)中，由于導(dǎo)軌橫向結(jié)構(gòu)都是對稱結(jié)構(gòu)，所以在延導(dǎo)軌橫向傾覆力矩較小。則導(dǎo)軌跨距可按測量工作臺的各傳動部件安裝尺寸來設(shè)計(jì)。
（8） 導(dǎo)軌截面尺寸的確定
根據(jù)比壓值來選定滑動導(dǎo)軌寬度。初選寬度15mm，后經(jīng)過計(jì)算對其進(jìn)行校核（計(jì)算過程見2.5.8）。如抗壓能力不足夠則將寬度值加大。其它尺寸由測量儀的結(jié)構(gòu)尺寸而定。
（9） 導(dǎo)軌的長度
導(dǎo)軌的長度主要決定于移動部件長度、要求移動的距離和對剛度及維護(hù)的要求。動導(dǎo)軌的長度一般做成和移動部件的長度一樣。（支承導(dǎo)軌的長度根據(jù)不同情況而定）CCD測量儀承受的載荷不大，精度要求也不高，剛度可以低些，則支承導(dǎo)軌可做成移動導(dǎo)軌和移動距離之差的長度（式2—4）。此時導(dǎo)軌不會外露，防護(hù)好。
（10） 軌材料的選擇
導(dǎo)軌的常用材料有：鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料、耐磨涂料等。
導(dǎo)軌材料的選擇過程：長導(dǎo)軌（動導(dǎo)軌）采用淬硬的HT200作基體，表面粘貼聚四氟乙烯軟帶；短導(dǎo)軌（支承導(dǎo)軌）采用淬硬的HT200。
選用鑄鐵的原因：
① 鑄鐵(特別是灰鑄鐵)是一種成本很低的材料，因此各種機(jī)械設(shè)備及儀器都用它來制造支承件和運(yùn)動部件(如機(jī)座、機(jī)架、工作臺等)。
② 有良好的耐磨性，它所含的石墨細(xì)片能起潤滑作用。有比鋼還要好的抗振性，很適于做導(dǎo)軌。它易于鑄造和切削加工。
③ 將導(dǎo)軌和機(jī)座等做成一體，用同一材料，工藝簡單。
而淬硬的鑄鐵可以提高其耐磨性。
選用塑料的原因：
① 耐磨性好，摩擦系數(shù)低，動靜摩擦系數(shù)差小，能在液體或無潤滑條件下工作。
② 有良好的對異物的嵌藏性，極細(xì)小的磨粒掉人能被埋人塑料內(nèi)，可減小對金屬面的磨損。
③ 化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕。
④ 吸振性好。
⑤ 加工成型工藝性好。成本低。
而聚四氟乙烯軟帶與鑄鐵相配時，動靜摩擦系數(shù)差很小，低速時無爬行。這種軟帶用粘結(jié)劑固定在導(dǎo)軌上，很方便。已用于多種設(shè)備。
2.2 滾珠絲杠的選擇與計(jì)算
滾珠絲杠是智能自動化設(shè)備的關(guān)鍵執(zhí)行部件。隨著制成產(chǎn)品的精度要求不斷提高，大大推動了工作母機(jī)的發(fā)展,使愈來愈多的設(shè)備制造廠采用CNC技術(shù)，將傳動方式由T型絲杠、皮帶、鏈條等改由滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)。滾珠絲杠軸承為適應(yīng)各種用途，提供了標(biāo)準(zhǔn)化種類繁多的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于機(jī)床。循環(huán)導(dǎo)管式、循環(huán)器式、端蓋式是滾珠絲杠主要的循環(huán)方式。根據(jù)一定的用途選擇對應(yīng)的預(yù)壓方式，其中預(yù)壓方式包括定位預(yù)壓（雙螺母方式、位預(yù)壓方式）、定壓預(yù)壓。絲杠一共有兩種，一種是精密滾珠絲杠（從CO-C7分為6個精度等級）由高精度研磨加工而成，一種是冷軋滾珠絲杠軸承（從C7-C10分為3個精度等級）由高精度的冷軋加工而成。另外，為應(yīng)付用戶急需交貨的情況，還有已對軸端部進(jìn)行了加工的成品，可自由對軸端部進(jìn)行追加工的半成品及冷軋滾珠絲杠軸承。作為此軸承的周邊零部件，在使用所必要的絲杠支撐單元、螺母支座、鎖緊螺母等也已被標(biāo)準(zhǔn)化了，可供用戶選擇使用。滾珠絲杠軸承以多年來所累積制品技術(shù)為基礎(chǔ)，從材料、熱外理、制造、檢查至出貨，都是以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠繁Ｖ贫葋砑右怨芾恚虼司哂懈咝刨囆浴?
本設(shè)計(jì)選用的是冷軋絲杠。采用冷加工工藝制作的稱為冷軋絲杠（如圖2-2所示為冷軋絲杠設(shè)備）。它具有耗材少，加工成本低，生產(chǎn)效率高，加工周期短，容易實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的特點(diǎn)。因此它比研磨的絲杠在價格方面更具有競爭力。尤其是絲杠的長徑比系數(shù)超過五十分之一時，其優(yōu)勢更加明顯。滾珠絲杠的精度指標(biāo)有多項(xiàng)。其中同軸度與徑向跳動是兩個特別重要的參數(shù)。徑向跳動主要體現(xiàn)在軸承安裝的位置和螺母安裝的位置。徑跳公差越小，軸承座與螺母之間的同軸度就越小。另一方面，工作母機(jī)中使用滾珠絲杠時，保持由螺母預(yù)壓（預(yù)緊力）產(chǎn)生的可重復(fù)往返運(yùn)動轉(zhuǎn)矩的容許誤差。而這個誤差只與滾道的圓柱度相關(guān)。螺母在運(yùn)動中會因?yàn)檫^量的直徑誤差而或松或緊。絲杠的圓柱度和滾道直徑的一致性共同決定著軋制絲杠的扭矩。但是過去的冷軋?jiān)O(shè)備及工藝水準(zhǔn)很難實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)值。因?yàn)榕f式的冷軋?jiān)O(shè)備只采用了一套可移動的軋絲模和一套固定的軋絲模（見圖A），在碾軋過程中，絲杠的中軸會隨著軋絲模的移動而偏移，從而造成絲杠中軸線偏差。如果單想靠提高機(jī)械性能來克服這一點(diǎn)，是很難實(shí)現(xiàn)的。在冷軋絲杠的圓柱度和滾道的直徑一致性問題上，歐洲在近十幾年來利用研發(fā) 的一類新型的冷軋?jiān)O(shè)備很好的解決了這個問題。它使一套可移動的扎絲模的舊式的冷軋?jiān)O(shè)備時代已經(jīng)過去，使兩套扎絲模都可以移動從而提高了冷軋?jiān)O(shè)備的機(jī)械性能，不僅如此，它還引入了CNC技術(shù)和傳感技術(shù)（見圖B），利用CNC控制著兩套可移動的軋絲模。每只軋絲模被精度達(dá)到微米級的交流驅(qū)動器控制，為了決定每只軋絲模的位置，CNC又控制每一個驅(qū)動器。在碾軋過程中，適時調(diào)整每只軋絲模的進(jìn)給位置只需要通過傳感系統(tǒng)跟蹤絲杠中軸變量，從而使軋機(jī)能始終保持絲杠的中軸線。
圖2-2 冷軋絲杠設(shè)備
經(jīng)測試，精密碾軋制程可以使絲杠一致地保持在以下公差范圍內(nèi)：
▲300mm內(nèi)可容許行程誤差介于0.008mm～0.013mm。
▲有效行程內(nèi)的行程誤差在4m有效行程的情況下是0.062mm。
▲同軸度或是徑向跳動在0.008mm。
▲滾道圓柱度在0.003mm～0.008mm。
▲滾道圓度在0.003mm～0.006mm。
表2-1 滾珠絲杠的精度等級
過去的人們認(rèn)為，研磨的絲杠的精度是高于冷軋絲杠的。這樣的說法并不穩(wěn)妥。滾動部件行業(yè)在中國加入WTO后產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)逐步和國際ISO標(biāo)準(zhǔn)接軌后對判定滾珠絲杠精度等級的標(biāo)準(zhǔn)衡量這方面做的不錯。即使國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有三四十年沒有修訂過，但是各個企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)差不多都采用ISO標(biāo)準(zhǔn)。因此，在選擇滾珠絲杠的時侯，要精準(zhǔn)地表達(dá)出使用的標(biāo)準(zhǔn)（精度等級）。值得注意的是，預(yù)壓是滾珠絲杠中和絲杠精度、電機(jī)功率、壽命、載荷、噪音、運(yùn)動速度等參數(shù)都有關(guān)系的一個重要的指標(biāo)，而我們的的工作實(shí)踐中，用戶經(jīng)常會在訂貨的時候忘記在圖紙技術(shù)欄標(biāo)注預(yù)壓參數(shù)，對此我們有必要提醒用戶。
（1）預(yù)壓（Fp）的計(jì)算公式：
1）當(dāng)最大的軸向工作載荷Fmax確定時
Fp= 1/3 Fmax
2）當(dāng)最大的軸向工作載荷未能確定時
Fp=ζCa （Ca表示額定動載荷，可在手冊中檢索）
表2-2 ζ值參數(shù)表
（2）基準(zhǔn)扭矩的計(jì)算公式：
Tp 基準(zhǔn)扭矩 (N.mm)
β 螺旋角度
Fao 預(yù)壓負(fù)荷 (N)
é 導(dǎo)程 (mm)
其次是螺母與絲杠的間隙。過去的人們在處理間隙時，一般采用雙螺母結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)是依靠調(diào)整兩只螺母中間的墊片厚度將螺母推向兩側(cè)以消除間隙或螺母與絲杠配合的松緊度（見圖2-3中的圖A）。對于單螺母的調(diào)隙方法是：調(diào)整螺母體內(nèi)鋼球直徑大小。這種換鋼球調(diào)隙量是很微小的。最大調(diào)整量是在±0.02mm。鋼球的大小會影響球體與絲杠滾道圓弧的配合，如果一味的增大或者減小鋼球直徑將會導(dǎo)致運(yùn)行不順暢或運(yùn)動不柔順現(xiàn)象。除此之外，還可以采用變位導(dǎo)程的方法來進(jìn)行消隙，變位導(dǎo)程消隙方式與雙螺母預(yù)緊片方式相似（見圖2-3中的圖B）。另外還有多種消除間隙的方式，在此不一一列舉。）
圖A 雙螺母調(diào)隙
圖B 變位導(dǎo)程消隙方式
圖2-3 絲杠的預(yù)緊方式
已知：平均工作載荷，絲杠工作長度L=200mm，平均轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)速，使用壽命，左右絲杠材料CrWMn鋼，滾道硬度為58～62HRC，導(dǎo)程誤差，全行程。
（1）求計(jì)算載荷
根據(jù)已知條件，查表3—3[1]取=1.0（無沖擊平穩(wěn)運(yùn)行），查表3—4[1]取，取2級精度，查表3—5[1]取。由式3—3[1]，得
（2）計(jì)算額定動載荷計(jì)算值
由式3—4[1]得
（3）根據(jù)選擇滾珠絲杠
選用南京工藝裝配廠的產(chǎn)品，按滾珠絲杠副的額定動載荷等于或略大于的原則，選以下規(guī)格：
規(guī)格：SFK1604，=998N
同時得絲杠副數(shù)據(jù)如下：
公稱直徑；
導(dǎo)程;
滾珠直徑；
絲杠內(nèi)徑；
計(jì)算螺旋角。
（4）穩(wěn)定性驗(yàn)算
1）本設(shè)計(jì)中絲杠的固定采用一端固定一端游動的方式。由于僅于一端固定的長絲杠在工作中可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠傳動結(jié)構(gòu)允許的安全系數(shù)[S]。
絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷，并按下式計(jì)算
式中：—— 絲杠材料的拉彈性模量，對于鋼，；
—— 絲杠的工作長度（）；
—— 絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩，；
—— 長度系數(shù)，見表5—14[2]。
由已知1
取，則
由5-55[2]得
安全系數(shù)。對于傳導(dǎo)絲杠，，所以絲杠不會失穩(wěn)。
2） 由于絲杠的轉(zhuǎn)速不高，因此不必驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速。
3） 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求。
所以該絲杠副工作穩(wěn)定。
4） 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在工作負(fù)載和轉(zhuǎn)矩共同作用下,所引起每一導(dǎo)程的變形量為
式中： “＋”用于拉伸時，“-”用于壓縮時
—— 絲杠的最小橫截面積；
—— 絲杠的底徑的抗彎截面慣性矩；
——鋼的彈性模量；
—— 轉(zhuǎn)矩
式中：—— 摩擦角，其正切值為摩擦系數(shù)；
—— 平均工作負(fù)載；
本設(shè)計(jì)取摩擦系數(shù)為，則得。
按最不利的情況取，則
絲杠在內(nèi)的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為
在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為
所以該絲杠的剛度滿足要求。
6） 效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
2.3 軸承的選擇
（1） 徑向、軸向載荷均存在，但不大。其中軸向載荷為雙向載荷?？蛇x用圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。
（2） 軸承的轉(zhuǎn)速
平均轉(zhuǎn)速較低，最大轉(zhuǎn)速為1000r/min，旋轉(zhuǎn)精度較高。可選用球軸承。
（3） 支撐限位要求
一端固定，一端游動。固定端選用的軸承須能承受雙向軸向載荷。游動端選用承受純徑向載荷的軸承。
（4） 軸承的調(diào)心能力
工作臺結(jié)構(gòu)不需要有調(diào)心能力的軸承。
（5） 軸承的安裝和拆卸
工作臺的軸承一般情況不拆卸。不必選擇內(nèi)外圈可分離的軸承。
（6） 軸承的經(jīng)濟(jì)性
一般球軸承比滾子軸承的價格低，深溝球軸承價格最低?？蛇x用球軸承。
綜上，選擇深溝球軸承和角接觸球軸承。其中固定端為一對面對面的角接觸球軸承，用以承受雙向軸向力和徑向力；游動端為一深溝球軸承，用以承受徑向力。且軸承及軸承座選擇HSK公司生產(chǎn)的EK—12（固定側(cè)）及EF—12（游動側(cè)）絲杠支撐座。
2.4 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制
（1） 電路的選擇
方法一：使用多個功率放大器件驅(qū)動電機(jī)
通過使用不同的參數(shù)器件和放大電路，就可以達(dá)到不同的放大要求，從而使得放大后能夠得到較大的功率。由于使用的是三相的步進(jìn)電機(jī)，所以就需要對三路信號進(jìn)行分別放大。但是由于電路制作起來比較復(fù)雜，點(diǎn)擊的功率較大時運(yùn)行起來會不穩(wěn)定，所以放大電路很難做到完全一致。
方法二：高低壓驅(qū)動電路
圖2-4是一個L0繞組的高低壓驅(qū)動電路，脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路。 無脈沖輸入時，T1,T2,T3,T4均截止，電機(jī)繞組La中無電流通過，電機(jī)不轉(zhuǎn)。
有脈沖輸入時，T1,T2,T3,T4飽和導(dǎo)通，電機(jī)繞組T2由截止到飽和導(dǎo)通期間，其集電極電流也就是脈沖變壓器的初級電流急速增加，在變壓器次級感生一個電壓，使T3導(dǎo)通，80V高電壓經(jīng)高壓管T3加到繞組La上，使電流迅速上升，約經(jīng)數(shù)百微秒，當(dāng)T2進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)后。Tp初級電流暫時穩(wěn)定，次級的感應(yīng)電壓降到0，T3截止，這時12V低壓電流經(jīng)D2加到繞組La上，維持La中的電流為恒定值。
輸入脈沖后，T1，T2，T3，T4又均截止，儲存在La中的能量通過18歐的電阻和二極管泄放，18歐的電阻的作用是減小放電回路的時間常數(shù)，改善電流波形后沿。
圖2-4 高低壓驅(qū)動電路
通過比較，使用高低壓驅(qū)動電路能穩(wěn)定地驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，發(fā)揮其功能，而且價格適宜，故選用高低壓驅(qū)動電路。
（2） 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)
方案一：串行接法
設(shè)計(jì)中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)動，其中帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約IO口資源，但要使用SIO，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。
方案二：并行接法
使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用IO口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。
由于設(shè)計(jì)中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限，選擇了方案一。另外，使用鎖存也起到節(jié)約資源的作用。
2.5 步進(jìn)電機(jī)控制原理
因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是給多少脈沖信號步進(jìn)電動機(jī)就轉(zhuǎn)動多少角度的角位移的數(shù)字控制電機(jī)，所以它特別適用于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)又可以分為幾類，有簡稱VR的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、簡稱PM的永磁式步進(jìn)電機(jī)以及簡稱HB的混合式步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)是被輸入的脈沖信號控制，這是它與別的控制電機(jī)最大的不同之處，簡單解釋就是電機(jī)的轉(zhuǎn)過的總角度取決于輸入的脈沖數(shù)，而電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小取決于脈沖信號的頻率。
步進(jìn)電機(jī)中由單片機(jī)產(chǎn)生控制信號以此來驅(qū)動電路。它的基本原理作用如下：
(1) 控制換相順序
脈沖分配是通電換相中的一過程。比如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C-A,通電控制脈沖需要照著A-B-C-A這樣的各相的通電順序來分開掌控A,B,C,A相的接通和斷開。
(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向
如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。
(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度
如果發(fā)給步進(jìn)電機(jī)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短1，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。這樣我們就可以通過調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，從而達(dá)到對步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速大小的改變。
2.5.1 理論設(shè)計(jì)
綜和以上選取的方案，總的流程如圖2-5所示。
圖2-5 控制電路流程圖
（1）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路
通過L298N構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路,電路圖如圖2-6所示。
通過單片機(jī)SPCE061A的IOB8～I(xiàn)OB13對L298N的IN1～I(xiàn)N4口和ENA、ENB口發(fā)送方波脈沖信號，起止時序圖如圖2-7所示。
圖2-6 L298N芯片
圖2-7 時序圖
（2）數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)
如2-8所示為數(shù)碼管的顯示驅(qū)動使用74LS164，通過SPCE061A的IOB0和IOB1口對DATA和CLK發(fā)送數(shù)據(jù)。
圖2-8 數(shù)碼管顯示電路
（3）4x4鍵盤電路
在設(shè)計(jì)中，使用了標(biāo)準(zhǔn)的4x4鍵盤，其電路圖如圖2-9所示。單片機(jī)的A口低8位為鍵盤的接口。盡管設(shè)計(jì)要求中只需要4個鍵對步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對控制功能的擴(kuò)展，我們使用了4x4的鍵盤。
圖2-9 4x4鍵盤電路
2.5.2 程序設(shè)計(jì)
在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的過程中，主要分為五個部分：雙機(jī)通訊、語音報(bào)數(shù)、數(shù)字顯示、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、鍵盤；其中雙機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)和語音報(bào)時比較有特點(diǎn)，將其流程簡要介紹如下，其他部分見附的程序。
（1） 雙機(jī)通訊
我們在實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通訊的過程中使用了“三次握手”的方式，這是Intle網(wǎng)中已用的數(shù)據(jù)通訊確認(rèn)協(xié)議，其流程圖如圖2-10所示
圖2-10 雙機(jī)通訊示意圖
(2)語音報(bào)數(shù)
程序設(shè)計(jì)中語音報(bào)數(shù)使用的是SACM－A2000，考慮到程序比較簡單，首先使用了自動報(bào)數(shù)方式，但發(fā)現(xiàn)不能進(jìn)行連續(xù)報(bào)數(shù)，于是使用了非自動方式，流程圖如圖2-11所示。
圖2-11 語音報(bào)數(shù)流程圖
2.6 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
初選電機(jī)75BF003三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為0.882Nm，轉(zhuǎn)子慣量為 ，步距角，采用六拍方式工作，絲桿直徑為18㎜，導(dǎo)程4㎜，長度200㎜，工作臺質(zhì)量：X向10㎏，Y向5㎏，Z向5㎏，導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.25，最大軸向負(fù)載100。
要求：系統(tǒng)脈沖當(dāng)量0.005/脈沖，空載啟動時間不大于25，最大移動速度0.6。
（根據(jù)以上參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并對電機(jī)負(fù)載能力進(jìn)行校核）
確定傳動比：
由式2—69[4]得
式中:α－步進(jìn)電動機(jī)的步距角（°）
－滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（mm）
－執(zhí)行部件的脈沖當(dāng)量（mm）
（齒輪的齒數(shù)，及模數(shù)見齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算）
慣量匹配驗(yàn)算：
由式2—63[4]計(jì)算齒輪及絲桿的轉(zhuǎn)動慣量
折算到電機(jī)軸上的當(dāng)量負(fù)載慣量為
由2-67[4]得
滿足慣量匹配的要求。（）
對于Y向：
則
同樣滿足慣量匹配的要求。（）
對于Z向：
則
同樣滿足慣量匹配的要求（）。
步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力校核
電機(jī)軸上的總的慣量為：
X向：
Y向：
Z向：
因?yàn)閄，Y，Z向的步進(jìn)電機(jī)型號相同，故取，,中最大者進(jìn)行計(jì)算即可。
取
則
（為傳動鏈總效率）
（為預(yù)緊力，可取1/3最大軸向力；為絲桿預(yù)緊前的傳動效率，可取0.9）
則空載啟動時
連續(xù)運(yùn)行時
所以
可見，，均滿足所選步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的要求，選擇的步進(jìn)電機(jī)可以按要求工作。
第3章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成：任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件與軟件兩部分組成。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。概括一下數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的組成，它是以下三部分組成：
（1） CPU：中央處理單元。
（2） 存儲器：包含只讀可編程存儲器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲器。、
（3） 接口。
CPU是該系統(tǒng)的核心。其作用是發(fā)布命令以協(xié)調(diào)各部分電路正常工作，存儲器用于存放系統(tǒng)軟件以及運(yùn)行過程中的各種數(shù)據(jù)，I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。
根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備，和信號變換電路。三總線則是CPU與存儲器、接口以及其它各種轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU于各部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。
其余部分并非所有數(shù)控系統(tǒng)都具備。通常，CPU通過I/O接口可連接的人機(jī)交換外設(shè)是鍵盤、打印機(jī)、磁帶紀(jì)錄儀等通訊接口；信號變換是A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，是實(shí)現(xiàn)微機(jī)和控制對象之間的信號匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路。這兩部分可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選取。
3.1 主控制器CPU的選擇
微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，選取CPU時應(yīng)考慮以下幾個方面：
（1） 時鐘頻率與字長（控制且影響著數(shù)據(jù)處理的快慢）。
（2） 可擴(kuò)展存儲器（ROM/RAM）的容量。
（3） 指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng)（即編程靈活性）。
（4） I/O口擴(kuò)展的能力（即對外設(shè)的控制能力）。
（5） 開發(fā)手段（包含開發(fā)軟件的基礎(chǔ)，即硬件電路）。
除此之外，還應(yīng)該依據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場合、控制對象及對各種參數(shù)要求選擇CPU。16位機(jī)CPU芯片在目前的數(shù)控系統(tǒng)中我們常用的有8086、8088、80286、80386、以及8098、和8096等，8位機(jī)CPU芯片包含8080、Z80和8051、8051、8751等。但從性能價格比上，其中MCS-51系列單片機(jī)中的8051被我們初步采用作為主控制器。該系列產(chǎn)品是性價比很高的控制器，它把CPU、I/O端口和部分RAM等集中整體化。只需增加少量外圍器件，就可以構(gòu)成一個完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，變成靈活性大，硬件資料也很豐富。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少許差異?？梢哉f8051是沒有ROM的8051，而8751又是用EPROM代替ROM的8051。目前，工業(yè)控制中應(yīng)用最多的是8051單片機(jī)。下面介紹8051單片機(jī)的基本性能。
8051單片機(jī)的基本特性：
（1） 具有8位中央處理單元（CPU）
（2） 片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz），每執(zhí)行一條指令時間為2μs或1μs。
（3） 具有128字節(jié)RAM.
（4） 具有21個特殊功能寄存器。
（5） 可尋址64k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64k字節(jié)的外部程序存儲器。
（6） 具有4個I/O端口、32根I/O線。
（7） 具有兩個16位定時器/計(jì)數(shù)器。
（8） 具有5個中斷源，配備兩個優(yōu)先級。
（9） 具有一個全雙功串行接口。
（10） 具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。
從上述特性可知，一塊8051的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU、一塊RAM、一塊Z80、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
3.2 存儲器電路的擴(kuò)展
3.2.1 程序存儲器的擴(kuò)展
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲器芯片，其型號分別為：2716、2764、2764、27128、27256等，其容量分別位2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配。即8051所能讀取的時間必須大于EPROM多要求的讀取時間。此外，還