【文章內(nèi)容簡介】 采用伺服電動機或是直流電動機加編碼器好。步進電動機主要是應用在小功率場合。步進電動機種類繁多，按運動方式分為:旋轉(zhuǎn)、直線和平面步進電動機三大類；按電動機輸出轉(zhuǎn)矩分為：快速和功率步進電動機；按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的工作方式分為：反應式、永磁式和混合式三類；按勵磁組數(shù)又可分為：兩相、三相、四相、五相和八相等；按電流極性分為:單極性和雙極性?；旌鲜讲竭M電動機結合了反應式和永磁式步進電動機的優(yōu)點，采用永磁式磁鐵提高電動機的轉(zhuǎn)矩，采用細密的極齒來減小步距角。混合式步進電動機輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能良好，是應用得最為廣泛的步進電動機。最受歡迎的是兩相混合式步進電動機，其市場份額約97%，原因是它的性價比高，配上細分驅(qū)動器后效果良好。 步進電機的種類及參數(shù)目前市場上銷量最大的步進電機基本上都是兩相混合式，步進電機根據(jù)安裝尺寸的大小分為：20BYG、28BYG、35BYG、39BYG、42BYG、57BYG、60BYG、86BYG、110BYG、130BYG。步進電機除了法蘭盤與機身長度有較大差異外，同一款法蘭盤的電機也有若干細分，電機的轉(zhuǎn)矩隨其機身的有效體積（機身長度面積）的增加而增大。a)靜力矩（保持力矩）：傳統(tǒng)電機選型時第一考慮的是電機的功率，而步進電機參數(shù)表中卻沒有這個參數(shù)，步進電動機的物理結構，完全不同于交流、直流電機，電機的輸出功率是可變的，其相對應的是步進電機的保持轉(zhuǎn)矩。電機轉(zhuǎn)矩的計算包含兩部分，一是克服驅(qū)動機構的摩擦轉(zhuǎn)矩TL，一是克服負載和電機轉(zhuǎn)子慣量的啟動轉(zhuǎn)矩TS，電機扭矩T的計算公式為31。S為安全系數(shù)，一般計算S=2。T=（TL+TS）S (31)電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩TL為下式32,式中TL′為生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩，η c為電動機拖動生產(chǎn)機械運動時的傳動效率，j為傳動機構的速比。TL=TL′/(η c j) （32）根據(jù)計算所得的轉(zhuǎn)矩大小(即所要帶動物體的扭力大小)，對照電機參數(shù)表來選擇哪種型號的電機，一般而言，負載扭矩在1Nm以下選用42BYG以下的電機；負載扭矩介于1Nm與2Nm之間可選用57BYG或者60BYG；負載在2Nm以上的可考慮75BYG、86BYG，110BYG的扭力可達27Nm。b)轉(zhuǎn)動慣量：步進電機的轉(zhuǎn)動慣量是大家容易忽視的一個參數(shù)，電機的轉(zhuǎn)動慣量的大小跟其法蘭盤和機身長度成正比，電機轉(zhuǎn)子越大其轉(zhuǎn)動慣量也越大。電機轉(zhuǎn)動慣量越小，其啟動速度越快，高速性能也越好；在負責轉(zhuǎn)動慣量較大的應用場合，大轉(zhuǎn)動慣量的電機在啟動和停止的時候均具有較好的平穩(wěn)性，轉(zhuǎn)動慣量太小的電機在停止的時候甚至出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象（無法正常定位）。c)相電感與矩頻特性：步進電機的轉(zhuǎn)矩并不同于伺服電機的恒轉(zhuǎn)矩，電機的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，步進電機在低速(每分鐘幾百轉(zhuǎn)或更低轉(zhuǎn)速)，其輸出轉(zhuǎn)矩較大，在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩(1000轉(zhuǎn)/分9000轉(zhuǎn))就很小了。當然，有些工況環(huán)境需要高速電機，就要對步進電動機的線圈電阻、電感等指標進行衡量。選擇電感稍小一些的電機，作為高速電機，能夠獲得較大輸出轉(zhuǎn)矩。反之，要求低速大力矩的情況下，就要選擇電感在十幾或幾十mH,電阻也要大一些為好。 步進電機的選擇在這里選擇無錫惠斯通電機科技有限公司的57BYGH748ZQ帶行星齒輪減速器的步進電機。、機身長L2為76mm、相電壓為3V、相電流為3安培、相電阻為1歐姆、靜力矩為16kgcm、引線數(shù)為4個、cmcm、減速比為1:1減速機長L1為55mm、傳動效率η為81%。 光柵位移傳感器介紹與選擇光柵位移傳感器（又稱光柵尺）一般是利用刻在某種載體（如玻璃、晶態(tài)陶瓷或鋼帶等）上的隔柵，作為測量的基準。其工作原理是利用感知光度變化的光電池掃描的方法進行測量。一般光柵尺載體和指示光柵上每毫米刻有25線或50線。光線投射到已調(diào)整好的光柵上時，便會產(chǎn)生摩爾條紋圖像，當光柵尺移時，圖像的光強度將發(fā)生周期性的變化，這種變化被光電池接受后，經(jīng)電子信號處理，便可達到檢測位移量的目的。一般光柵尺利用兩路光電池輸出兩路正弦波或方波信號，檢測兩路信號的相位差，可知光柵尺的運動方向。光柵尺所檢測的是相對位移，或稱為增量式位移檢測。但在實際應用中，都需要一個絕對的基準點，一般是在光柵尺上每隔50或100mm 刻有一個絕對參考標記，以便達到基準點準確的目的。光柵尺位移傳感器按照制造方法和光學原理的不同，分為透射光柵和反射光柵。光柵尺位移傳感器是有標尺光柵（主光柵）和指示光柵兩部分組成。標尺光柵一般固定在機床活動部件上，光柵讀數(shù)頭裝在機床固定部件上，指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。光柵檢測裝置關鍵部分是光柵讀數(shù)頭，它由光源、會聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機構等組成。光柵讀數(shù)頭結構形式很多，根據(jù)讀數(shù)頭結構特點和使用場合分為直接接收式讀數(shù)頭(或稱硅光電池讀數(shù)頭、鏡像式讀數(shù)頭、分光鏡式讀數(shù)頭、金屬光柵反射式讀數(shù)頭）原理圖如圖32所示圖32 光柵傳感器結構圖莫爾條紋的形成：以透射光柵為例，當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋之間形成一個小角度θ，并且兩個光柵尺刻面相對平行放置時，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋” 如圖33所示。嚴格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以W表示。圖33 莫爾條紋形成的原理在這里選擇由深圳市精測儀器有限公司生產(chǎn)的PLC 24VJC824 光柵位移傳感器，具體參數(shù)如表31所示:表31 光柵位移傳感器技術規(guī)格精度等級177。1um、177。2um、177。6um、177。10um177。1um測量標準刻線玻璃光柵默認熱膨脹系數(shù)8106 K1默認工作電壓5V177。5%DC、24V177。5%DC24V177。5%DC工作速度≤1m/s（1um）、≤（55um）≤1m/s（1um）加速度≤60m/s2默認參考工作溫度10゜70゜默認參考工作濕度≤90RH默認零位參考點可帶、標準、無無參考點版本50mm/個、標準、中心點一個50mm/個光柵柵距20um、10um20um測量程序增量式默認信號方式TTL、EIA422A（RS422）、1VPPTTL電路特性NPN默認光柵測量系統(tǒng)透射式紅外光學，紅外線波長940nm默認分辨率步距5um、1um、1um讀數(shù)頭系統(tǒng)垂直式五軸承滾動系統(tǒng)、45゜五軸承滾動系統(tǒng)垂直式五軸承滾動系統(tǒng)分辨率5um、1um、1um有效行程01000mm、03000mm01000mm精確度177。（4+L3）um、177。（+L2）um177。（4+L3）um重復精度177。1um、177。5um177。1um掃描頻率≤28KHZ默認抗振動50HZ2000HZ默認沖擊16ms默認位移摩擦阻力≤5N默認防護等級IP53/IP64默認信號電器連接獨立適配電纜（, ≤100M,可連接安裝塊）默認凈重+L默認毛重0．5kg+L默認包裝標準防震包裝默認光柵位移傳感器的脈沖信號周期如下圖34所示，TTL信號波形圖如圖35所示。圖34 脈沖信號周期信號周期 A相 24 VB相90゜相位差 Z相圖35 TTL信號波形光柵尺A、B兩路信號輸出具有90度相位差，從而判斷光柵尺的位移方向。選擇1um的分辨率，則位移量=脈沖數(shù)脈沖當量 即位移量=脈沖數(shù)4um。光柵位移傳感器的接口圖如圖36所示。圖36 電氣接口圖這里選擇不帶參考點、適用于RS232接口、TTL方波信號輸出的接口電路。壓力傳感器是測試技術、儀器儀表控制等方面普遍使用的傳感器，它的廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境。壓力傳感的種類繁多，工作原理各不相同，本文采用的是應變片壓力傳感器。使用特殊的粘和劑將應變片與產(chǎn)生力學應變的基體緊密地粘合，基體受外力作用產(chǎn)生應力變化，促使電阻應變片形變，阻值發(fā)生對應變化，電阻上的電壓值伴隨著變化。實際應用中，應變片的一系列變化程度很小，所以要將應交片組成應變電橋，經(jīng)過信號放大處理后，最后傳輸給控制器。本文選用的壓力傳感器輸出信號為模擬電壓信號，所以需要電壓式壓力變送器對輸出信號做相應的處理在傳輸給PLC。這里選用天津市麗景微電子設備有限公司生產(chǎn)的STP型S型測力傳感器，具有結構緊湊，安裝方便，拉、壓力均可綜合精度高，長期穩(wěn)定性好，鋁制材質(zhì)，表面陽極化處理，適用于吊鉤秤、機電結合秤、料斗秤、料罐秤、包裝秤、配料稱重控制、定量給料機、灌裝機、通用材料試驗機、力的監(jiān)控及測量。在這里選額定載荷為5Kg的S型測力傳感器其電氣原理圖如圖37所示。圖37 傳感器電氣原理壓力傳感器的技術參數(shù)包括額定載荷、額定輸出、零點平衡、綜合誤差、蠕變、正常工作溫度、允許工作溫度、溫度對零點影響、推薦激勵電壓、最大激勵電壓、輸入阻抗、輸出阻抗、絕緣阻抗、安全過載、極限過載、彈性元件材料、防護等級、電纜線長度、接線方式。具體參數(shù)如圖38所示。圖38 傳感器技術參數(shù)4 控制系統(tǒng)設計 皮革檢測儀方案的確定根據(jù)總體設計要求與工作原理，本皮革性能指標檢測儀主要由機架、控制單元、步進電機、減速器、傳感器、皮革夾具、工作臺、顯示器等組成?；谄じ锏娜N力學性能測試特點，配套三種功能的測頭與皮革夾具j在通用的工作臺上更換三種皮革夾持裝置，同時更換測頭，即可實現(xiàn)對三種皮革力學性能的測試，實現(xiàn)一機多功能的設計目標。便于對設計方案的理解，下面繪制設計方案的框圖4—1。圖41 設計方案框圖 控制器的介紹與選擇可編程控制器（Programmable Logic Cont