【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過(guò)的材料。究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬(wàn)字。合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。和學(xué)習(xí)能力，得到基本的訓(xùn)練。主要技術(shù)參數(shù)檢測(cè)范圍：0～100cm；4月20日—5月10日系統(tǒng)方案選擇與論證,軟硬件設(shè)計(jì)。5月22日—6月02日完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文書(shū)的撰寫(xiě),上交初稿。6月03日—6月10日根據(jù)老師意見(jiàn)進(jìn)行修改完善。6月11日—6月16日論文打印,完成答辯PPT,準(zhǔn)備答辯。規(guī)定的各項(xiàng)任務(wù)。該設(shè)計(jì)（論文）須限期修改合格后重新申請(qǐng)答辯。

　　

【正文】 鏈的長(zhǎng)度縮短為零，從而實(shí)現(xiàn)所謂的“零傳動(dòng)”。 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)本身也存在著一些不利因素，如直線電機(jī)的磁場(chǎng)是敞開(kāi)的，尤其是采用永磁式直線電機(jī)時(shí)，要在機(jī)床床身上安裝一排磁力強(qiáng)大的永久磁鐵。因此必須采取適當(dāng)?shù)母舸糯胧?，否則對(duì)其磁場(chǎng)周?chē)幕覊m和切屑有吸收作用。與同容量的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)的效率和功率因數(shù)要低。尤其在低速時(shí)比較明顯，但從整個(gè)裝置和系統(tǒng)來(lái)看，由于采用直線電機(jī)后省去中間傳動(dòng)裝置，系統(tǒng)的效率有時(shí)還是比采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的高。另外，直線電機(jī)特別是直線感應(yīng)電動(dòng) 機(jī)的起動(dòng)推力受電源電壓的影響較大，故需要采取有關(guān)措施保證電源的穩(wěn)定或改變電機(jī)的有關(guān)特性來(lái)減小或消除這種影響。雖然采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床需要解決如上問(wèn)題，但是目前在加速度大于 1g的情況下，直線電機(jī)仍是唯一的選擇。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的選擇 在前面已經(jīng)敘述，為了使用的方便和提高測(cè)量效率，我們采用步進(jìn)電機(jī)做為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)提供部件。步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。特點(diǎn)是輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng) 電機(jī)接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組的相序即可獲得所需轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。為完成移動(dòng)機(jī)架的軸向進(jìn)給，本文選用步進(jìn)電機(jī)作為移動(dòng)機(jī)架的軸向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)元件。步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓波動(dòng)、電流的大小與波形的變化、溫度的變化）的影響。步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定步數(shù)之后也會(huì)出現(xiàn)累第三章系統(tǒng)測(cè)量元件與運(yùn)動(dòng)元件的選擇及其電路設(shè)計(jì)積誤差，但 轉(zhuǎn)子過(guò)一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差為“零”，不會(huì)長(zhǎng)期積累；控制性能好，電機(jī)的啟動(dòng)、停止、加速、減速、正反轉(zhuǎn)反應(yīng)快，因此步進(jìn)電機(jī)被廣泛用于機(jī)電一體化系統(tǒng)，可獲得較高的位置精度。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與輸入脈沖成正比，利用輸入脈沖的頻速青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 第 3 章 滾珠絲杠測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的控制 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與微機(jī)送來(lái)的脈沖信號(hào)有密切關(guān)系。只要控制微機(jī)發(fā)出的電脈沖的數(shù)量和頻率就可以精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度。本文設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)采用三相六拍式工作，為實(shí)現(xiàn)控制要求，由微機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)必須滿足工作時(shí)序要求。 圖 步 進(jìn)電機(jī)控制框圖 表 41為數(shù)字驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)表，在編寫(xiě)程序時(shí)按表 41給出控制時(shí)序，即為三相六拍式。利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖的。計(jì)算機(jī)通過(guò) 8255A的輸出口在正轉(zhuǎn)時(shí)依次送出相關(guān)數(shù)據(jù)從而達(dá)到了驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的。反轉(zhuǎn)時(shí)則按相反的數(shù)據(jù)方向送到 8255A 即可。利用軟件的延時(shí)來(lái)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的頻率。該方法充分利用了計(jì)算機(jī)軟件資源，降低了硬件成本。 表 31 步進(jìn)電機(jī)脈沖分配圖 PA2 PA1 PA0 通電相 控制數(shù)據(jù) 旋轉(zhuǎn)方向 C B A 1 1 0 A 0EH 正反 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 1 0 0 AB 0CH 1 0 1 B 0DH 0 0 1 BC 09H 0 1 1 C 0BH 0 1 0 CA 0AH 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 從計(jì)算機(jī)輸出口輸出的脈沖電流一般只在幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須采用功率放大電路，將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于電機(jī)各相繞組都是繞在鐵芯上的線圈，所以電感較大，繞組通電時(shí)，電流上升受到限制，因而影響電機(jī)繞組電流大小，繞組斷電時(shí)，電感中磁場(chǎng)的儲(chǔ)能元件將維持繞組已有的電流不能突變，在繞組斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，為使電 流盡快衰減，并釋放反電動(dòng)勢(shì)。本文采用單電壓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，如圖 42所示。 圖 單電壓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式 步進(jìn)電機(jī)受脈沖信號(hào)的控制，其脈沖的產(chǎn)生﹑分配﹑功率放大，要靠微機(jī)和電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。該驅(qū)動(dòng)電路采用單電壓驅(qū)動(dòng)方式，先對(duì) 8255A 初始化，然后依次向 PC0 口至 PC2口發(fā)脈沖信號(hào)，當(dāng) PA 為高電平時(shí)，該路 D560 導(dǎo)通，電機(jī)繞組被勵(lì)磁；為低電平時(shí)，光隔 TLP5214導(dǎo)通，這時(shí)， D560 截止，步進(jìn)電機(jī)停止給進(jìn)。其工作方式是三相六拍通電方式，即 AABBBCCCAA的通電順序。 由于測(cè)量?jī)x器需要 運(yùn)行平穩(wěn)，不宜采用太高的運(yùn)行頻率，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)確定步進(jìn)電機(jī)以 200HZ 以下的頻率運(yùn)行較為理想，即每相通電后延遲 5ms,由于 8255A 有輸出鎖存 ,通電后可在單片機(jī)程序中編寫(xiě)的空循環(huán)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 系統(tǒng)測(cè)量頭自鎖問(wèn)題的解決 由于滾珠絲杠的牙型為圓弧狀，所以，如果電感測(cè)量頭相對(duì)于被測(cè)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生自鎖，影響滾珠絲杠測(cè)量?jī)x的自動(dòng)測(cè)量。這樣，我們就需要找到一種辦法來(lái)解決自鎖問(wèn)題。我們采用凸輪作為解決自鎖問(wèn)題的主要工具，如圖43所示： 圖 凸輪與電感位移傳感器測(cè)量頭的位置 a圖為被測(cè)滾珠絲杠運(yùn) 動(dòng)時(shí)，凸輪與電感位移傳感器的相對(duì)位置圖，凸輪將電感位移傳感器的測(cè)量頭頂起，使其不與被測(cè)絲杠接觸，從而不影響被測(cè)絲杠的運(yùn)動(dòng)。 b圖為被測(cè)絲杠停止運(yùn)動(dòng)，傳感器進(jìn)行采樣測(cè)量時(shí)，凸輪與電感位移傳感器的相對(duì)位置圖，此時(shí)，凸輪旋轉(zhuǎn)到與測(cè)量頭不接觸的位置，依靠電感位移傳感器的彈簧使測(cè)量頭接觸被測(cè)絲杠的輪廓。由于凸輪每轉(zhuǎn) 180 度要有一個(gè)停頓，這里我們就再次選用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力部件。當(dāng)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)給進(jìn)一個(gè)步距以后，凸輪步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn) 180 度，使測(cè)量頭接觸被測(cè)絲杠，測(cè)量結(jié)束后，凸輪步進(jìn)電機(jī)再旋轉(zhuǎn) 180 度，電感位移傳感器測(cè)量 頭被頂起，系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)給進(jìn)，以此循環(huán)。凸輪步進(jìn)電機(jī)控制、驅(qū)動(dòng)電路與系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)相同，這里不在復(fù)述 。青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 為凸輪系統(tǒng)的側(cè)視圖。 測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾 要研究抗干擾，就必須清楚干擾的來(lái)源。對(duì)于本文研制的量?jī)x應(yīng)該用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，干擾是不可避免的，也不可能為了測(cè)量電路的可靠運(yùn)行而去清除干擾源。對(duì)于我們研究人員所能做到的只能是去如何減少這種干擾。特別是在設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)當(dāng)中就預(yù)先考慮。 干擾的來(lái)源 1．來(lái)自電網(wǎng)的干擾。本文電子電路的直流電源是由交流電網(wǎng)經(jīng)濾波、穩(wěn)壓后提供給測(cè)控系統(tǒng)的。如果電源系 統(tǒng)沒(méi)有經(jīng)過(guò)凈化，會(huì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，同時(shí)，在測(cè)控系統(tǒng)附近的大型交流電力設(shè)備的啟停將產(chǎn)生頻率很高的浪涌電壓疊加在 50Hz 的電網(wǎng)電壓上。此外，雷電感應(yīng)亦在電網(wǎng)上產(chǎn)生幅值很高的高頻電壓。如果這些干擾信號(hào)沿著交流電源線進(jìn)入傳感器接口電路內(nèi)部，將會(huì)干擾其正常工作，影響系統(tǒng)的測(cè)試精度。 2．來(lái)自地線的干擾。傳感器接口各電路往往共用一個(gè)直流電源或者雖然不共用一個(gè)電源，但不同電源之間往往共用一個(gè)地，因此，當(dāng)各部分電路的電流均流過(guò)公共地電阻（地線導(dǎo)體電阻）時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電壓降，此電壓降便成為各部分之間相互影響的噪聲干擾信號(hào)。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 3．來(lái)自信號(hào)通道的干擾。本量?jī)x傳感器設(shè)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，而顯示、記錄等測(cè)量裝置安裝在離現(xiàn)場(chǎng)有一定距離的控制室內(nèi)，這樣需要很長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線，信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中很容易受到干擾，導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生畸變或失真。長(zhǎng)線信號(hào)傳輸所遇到的干擾有： ； 。當(dāng)信號(hào)線（或信號(hào)變化很快的線）與弱信號(hào)線靠得很近時(shí)，通過(guò)線間分布電容和互感產(chǎn)生線間干擾； 。信號(hào)線越長(zhǎng)，則信號(hào)地線也越長(zhǎng)，即地線第三章系統(tǒng)測(cè)量元件與運(yùn)動(dòng)元件的選擇及其電路設(shè)計(jì)間電阻較大，形成較大的電位 差。 4．來(lái)自空間電磁輻射干擾。這種干擾一般不太嚴(yán)重 ,只要與干擾源保持一定距離或采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧?(如加屏蔽罩 ,屏蔽線 ),基本上可以解決。 [18] 抗干擾措施 1．電源濾波技術(shù) 抑制電網(wǎng)干擾的主要措施是進(jìn)行電源濾波?？梢詫?duì)電源變壓器采用雙層屏蔽措施：在初、次級(jí)線圈之間加一個(gè)金屬屏蔽層 ,并將屏蔽層接機(jī)殼地 ,可以減小分布電容值 ,從而有效抑制高頻干擾信號(hào)通過(guò)電源變壓器進(jìn)入次級(jí)。 2．接地技術(shù) 所謂接地就是將某點(diǎn)與一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面之間用低電阻導(dǎo)體連接起來(lái)，構(gòu)成一共基準(zhǔn)電位。正確接地的目的在于消除公共 地線阻抗耦合干擾，以避免受磁場(chǎng)和電位差的影響，即不使其形成地電流環(huán)路。 3．隔離技術(shù) 在接口電路中，如出現(xiàn)兩點(diǎn)以上接地時(shí)，可能引入共阻耦合干擾和地環(huán)路電流干擾。抑制這類干擾的方法是采用隔離技術(shù)。通常采用光電隔離的辦法。如本文中的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，就采用的是這種抗干擾技術(shù)。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 第 4 章 滾珠絲杠測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 測(cè)量?jī)x的程序模塊 在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，許多電子儀器都毫無(wú)例外的采用計(jì)算機(jī)做為其數(shù)據(jù)處理，人機(jī)交互的主要設(shè)備，其高速度高精度的數(shù)據(jù)處理能力，使許多復(fù)雜的工作大大的簡(jiǎn)化。而作為計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)其功能的 重要途徑 —— 軟件，則毫無(wú)疑問(wèn)的成為了另一個(gè)焦點(diǎn)，沒(méi)有軟件，計(jì)算機(jī)就成為了沒(méi)有使用價(jià)值的廢品，軟件使計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理變?yōu)榱丝赡堋? 本論文采用了 Visual C++ 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了滾珠絲杠螺距誤差測(cè)量?jī)x的測(cè)控軟件。 Visual C++ 是一種成熟、非常流行的編程軟件，是程序員的首選編程利器。其強(qiáng)大的功能能夠大大加速程序員的工作、提高程序代碼的效率。它具有MFC支持。 Visual C++ 功能十分強(qiáng)大，有著很豐富的功能：如 ActiveX 控件 ,ODBC,多線程支持等等。 Visual C++ 都可以很容易的 實(shí)現(xiàn)。而且它又有傳統(tǒng)的 C語(yǔ)言的特點(diǎn)，許多語(yǔ)句與 C 語(yǔ)言中的語(yǔ)句相同，因此，有一定 C語(yǔ)言基礎(chǔ)的使用者能夠較快的學(xué)習(xí)好 Visual C++。 圖 測(cè)量?jī)x程序模塊 本課題設(shè)計(jì)的滾珠絲杠測(cè)量?jī)x要實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠螺距誤差的測(cè)量所需軟件應(yīng)有的幾個(gè)模塊，具體框圖如圖 51。 在上面的框圖中，我們給出了本課題設(shè)計(jì)的滾珠絲杠測(cè)量?jī)x所需的程序模塊，下面簡(jiǎn)要介紹以下各個(gè)程序模塊的功能。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 。主要有對(duì)系統(tǒng)的初始化程序，測(cè)量系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)架的復(fù)位，系統(tǒng)虛擬坐標(biāo)系的確定，被測(cè)元件參數(shù)的查詢與確定。 。 其功能是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定好的步距給進(jìn)，并完成正反轉(zhuǎn)，調(diào)速等功能。 。對(duì)光柵尺提供的數(shù)據(jù)（移動(dòng)機(jī)架的軸向位移）進(jìn)行采集，并數(shù)值的轉(zhuǎn)換。 。采集經(jīng)過(guò) A/D板轉(zhuǎn)換過(guò)的電感位移傳感器的信號(hào)，得到滾珠絲杠牙型輪廓上點(diǎn)的縱坐標(biāo)值。 。對(duì)采集到的光柵尺位移傳感器和電感位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到被測(cè)絲杠的螺距的測(cè)量值及其誤差。 。對(duì)得到的滾珠絲杠螺距誤差進(jìn)行文檔保存。 測(cè)量?jī)x的軟件設(shè)計(jì) 要進(jìn)行軟件的設(shè) 計(jì)，我們就要知道測(cè)量?jī)x測(cè)量的步驟與方法，這樣才能結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出合理的軟件。 1． 初始化部分。如圖 52。 圖 初始化程序框圖 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 在 系統(tǒng)初始化程序中，首先，因?yàn)槲覀円獪y(cè)量的是滾珠絲杠牙型的輪廓上點(diǎn)的位置，既而通過(guò)曲線擬合的方式，來(lái)建立滾珠絲杠牙型上的輪廓方程，所以，我們需要建立一個(gè)虛擬的笛卡兒二維坐標(biāo)系，使牙型輪廓上點(diǎn)的位置有一個(gè)相對(duì)的基準(zhǔn)，同時(shí)也是為后續(xù)的輪廓曲線擬合做必要的準(zhǔn)備。虛擬坐標(biāo)系我們可以按照以下的方式建立：過(guò)光柵尺定尺起始點(diǎn)做一條垂直于定尺的直線，另外做移動(dòng)機(jī)架上夾具最下點(diǎn)的水平線，兩直 線相交的點(diǎn)，即為測(cè)量系統(tǒng)虛擬坐標(biāo)系的原點(diǎn)。這樣設(shè)立坐標(biāo)系的好處是，光柵尺定尺起始點(diǎn)是水平方向上相對(duì)于測(cè)量?jī)x的定點(diǎn)，同時(shí)移動(dòng)機(jī)架夾具最下點(diǎn)是豎直方向上相對(duì)與 測(cè)量 儀的定 點(diǎn)我們可以確定一個(gè)相對(duì)于測(cè)量?jī)x固定的點(diǎn)作為虛擬坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，這樣就免于在測(cè)量不同規(guī)格絲杠時(shí)虛擬坐標(biāo)系原點(diǎn)的變化，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量基準(zhǔn)的統(tǒng)一。虛擬坐標(biāo)系建立如圖 53。 圖 虛擬坐標(biāo)系 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)以后，可能會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題，測(cè)量?jī)x的移動(dòng)機(jī)架由于上一次的使用，而未在靠近步進(jìn)電機(jī)端的初始位置，如果不對(duì)其進(jìn)行復(fù)位，就可能造成移動(dòng)機(jī)架最終行至傳動(dòng)絲杠 的尾端而不能進(jìn)行測(cè)量的尷尬境地。為了解決此問(wèn)題，在初始化程序中，我們就需要對(duì)移動(dòng)機(jī)架的位置進(jìn)行復(fù)位。移動(dòng)機(jī)架復(fù)位第四章軟件及算法方案程序框圖如圖 54。移動(dòng)機(jī)架復(fù)位程序首先要確定移動(dòng)機(jī)架所處的位置，采樣光柵尺位移傳感器的位置值 L，在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)采樣的 L 值進(jìn)行判別，若L值在 [0m， 0+m]范圍內(nèi)，則說(shuō)明移動(dòng)機(jī)架已經(jīng)到達(dá)初始位置，不需要對(duì)其進(jìn)行青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 復(fù)位處理。若 L值不在 [0m， 0+m]內(nèi)，則說(shuō)