机电一体化课程设计轴径自动检测说明书定稿.docx
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机电一体化课程设计轴径自动检测说明书定稿
机电一体化系统设计
课程设计说明书
设计题目：
轴径自动检测机
设计成员：
金、王、霍
专业方向:
机械电子工程
班级：
机自0806
指导教师：
尤丽华\安伟\陈海卫\周一届
江南大学
机械工程学院
2011-9-25
摘要………………………………………………………………3
一、总体设计………………………………………………………………3
1.1系统原理方案设计……………………………………………………3
1.2结构方案设计…………………………………………………4
二、机械系统设计………………………5
2.1机械系统总体合计…………………………………………………5
2.2机械部分设计………………………………………………………6
三、检测系统设计…………………………………………………8
3.1检测系统总体设计……………………………………………………8
3.2传感器的选择………………………………………………………8
3.3传感器的信号处理……………………………………………………9
3.4传感器的标定………………………………………………………11
3.5检测系统中的其他元件…………………………………………………13
四、控制系统……………………………………………15
4.1控制系统的选用……………………………………………………15
4.2系统的硬件设计……………………………………………………16
4.3硬件的选取……………………………………………16
4.4控制电路设计………………………………………………………18
4.5相关编程…………………………………………………………19
4.6控制面板和软件界面设置……………………………………24
五．参考文献……………………………………………………25
摘要
针对国内大多数生产企业对轴类零件检测的技术还停留在人工检验的基础上、传统的检测方法存在着误差大、效率低与生产力低下的缺陷，本文在分析研究了单片机和自动检测装置的发展及趋势的基础上，以方便、实用、可靠、经济等设计原则为目标，进行轴类零件自动检测机的研究与设计。
本文采用中小场合最为常见的80c51单片机为核心，现代传感技术与信号处理技术为支撑的硬件系统设计方案：
选用差动式电感传感器与测子结合实现系统对检测信号、数据的采集；选用80c51单片机对采集的信号进行处理，同时对系统进行控制。
实现快速的信号、数据采集与处理功能和系统的实时控制功能。
第1章总体设计
1.1总体功能及技术指标
用于短轴外径进行自动快速检测。
可测量的轴直径范围为20mm—50mm，轴长度为：
40mm—80mm，轴径公差范围为：
0—-0.02mm。
检测后自动分为合格、正超差、负超差三组。
检测精度：
±0.002mm，检测速度：
30个/min，使用寿命：
6年（平均260天）每天工作6小时。
检测机可实现的子功能包括:
1.检测：
检测轴径，并将它们分为三组：
合格、正超差、负超差。
2.记录、显示：
记录各个轴径的数值，并分别记录正超差、负超差、合格品各有几个。
在显示屏上实时显示合格品、正超差、负超差品的数量。
3.分料：
根据各个轴径的数值，将它们分别送入相应的区域：
合格区、正超差区、负超差区。
4.手动/自动检测：
单个检测时可以采用手动检测，同时传感器的标定与测试时也采用手动。
自动检测适用于大量轴零件的自动给检测。
5.缺料、故障等报警功能：
检测过程中出现卡料、无料、故障及所有轴检测完毕时，自动发出报警提示音，提醒操作者。
6.传感器的标定：
可采用相对标定法对传感器进行静态标定。
1.2总体方案设计
轴类零件的外径检测有接触式和非接触式两种测量方法。
非接触主要是采用CCD成像、激光测量等方法，非接触测量精度较高，但由于涉及内容较多，处理复杂，成本高，本文要求的测量精度通过接触式测量足以达到，故采用接触式测量。
本测量机采用差动式电感传感器来测量轴径。
待测量件由隔离装置送到检测处，然后将待测量件缓慢向前推送，轴的下端与光滑的平面测量基准接触，外径上端与测子接触，测子与电感传感器的铁芯点接触，测子与基准的距离略小于轴径。
轴在推送的过程中向上推动测子，测子推动铁芯，从而传感器输出与位移相对应的电压信号，处理后得出轴推动测子移动的微小位移，加上基准的距离便测量出轴径的大小。
得出轴径的大小后，与设定的轴径大小相比较，合格品、正超差、负超差品分别被送入合格区、正超差区、负超差区。
推送机构及分料机构由机械手完成。
1.2.1系统组成框图:
1.2.3系统总体工作流程图：
第2章机械系统设计
2.1机械系统总体设计
检测机的机械部分主要包括主体支撑、上料、推送、检测、分料等部分组成。
机械部分的设计直接影响测量的可行性及结果的准确性。
对于测量机的机械部分，我们在UG三维软件中进行了建模模拟，其总体如下图图2-1所示。
图2-1机械总体三维图
2.2机械部分设计
2.2.1上料部分：
采用槽轮式隔离机构，匀速旋转间隔的将待测轴送入检测。
其转动的速度与检测的速度相匹配。
槽轮机构出口在机械手的上方,测量部位的后方。
落料后，传感器1检测到有料，机械手向前推料，传感器采集信息。
上料部分总体如图2-1所示。
2.2.2机械手部分：
机械手是测量机构的主要机械执行部分。
机械手采用简单的机构，只有底座旋转和手臂的伸缩两个自由度。
其中手指的开合依附于手臂的伸缩，手臂伸，则手指合，手臂缩，则手指开，满足功能的同时简化机构。
底座的旋转依靠步进电机M1来驱动，电机与底座之间以带轮减速，平稳，精确。
机械手的伸缩由步进电机M2驱动，电机旋转带动机械手臂中的丝杠旋转实现手臂的伸缩。
利用丝杠旋转，稳定且准确。
机械手的伸缩与手指的加紧不需要太大的距离，因此其所用的时间在整个检测的时间中相对很少。
机械手的手指是特定的，与轴相配合的环形凹槽，方便对易滚动的轴夹持和分料。
机械手的整体机构如下图图2-2所示。
图2-2机械手示意图
2.2.3分料部分：
本测量机的分料依据机械手的旋转角度不同将检测完的轴送入不同的料盒中。
机械手的旋转是通过步进电机M1来驱动的。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。
传感器采集完信息后,送入单片机处理,单片机根据处理结果输出控制信号,通过输出的脉冲数目来控制步进电机M1的转角，达到步进电机的准确定位。
机械手到达后碰到分料处的限位开关，机械手缩回，落料。
2.2.4测量头部分:
图2-4测子部分
第3章检测系统设计
3.1检测系统总体设计
检测系统采用差动电感式传感器采集信息，传感器的铁芯以点接触形式与测子相连，测子则与被测轴相接触，通过测子再到传感器，消除了测量时因工件向前推送时水平的力对于传感器铁芯的推动而引起的误差。
其结构如图所示。
3.2传感器的选择
电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。
电感式传感器有以下特点：
（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。
（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。
传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。
（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。
同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。
但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。
差动式电感传感器由两个相同线圈，一个可动衔铁组成，其结构及特性曲线如下图所示。
1-铁芯；
2-线圈；
3-衔铁
差动电感传感器特性曲线：
1-上线圈特性曲线
2-下线圈特性曲线
3-差接后合成曲线
从图中可以看出，当位移控制在－∆δ～＋∆δ，输出电压Uo与位移δ近似线性关系。
由于电感传感器具有以下特点：
（1）输出电压不但能反映位移量的大小，而且能反映位移的方向。
（2）输出电压正比于2ΔI，因而灵敏度较高。
（3）输出电压非线性减小。
（4）可获得温度自补偿。
同时电感传感器结构简单，精度较高,在工业自动控制系统中广泛被采用,使用方便,对于本测试条件符合，故本测量采用电感传感器来测量轴的直径。
3.3传感器信号的处理
3.3.1传感器信号框图
3.3.2信号处理的电路图
总体信号处理电路图：
放大电路图：
相敏检波电路图：
3.4传感器的标定
所谓传感器的标定，是指通过试验建立传感器输出与输入之间的关系并确定不同使用条件下的误差这样一个过程。
传感器使用、存储一段时间后，也须对其主要技术指标进行复测，称为校准（校准和标定本质上是一样的），以确保其性能指标达到要求。
3.4.1传感器标定的基本方法
将已知的被测量作为待标定传感器的输入，同时用输出量测量环节将待标定传感器的输出信号测量并显示出来（待标定传感器本身包括后续测量电路和显示部分时，标定系统也可不要输出量测量环节）；对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。
3.4.2传感器标定的分类
（1）根据被测量进行分类
①绝对标定法
被测量是由高精度的设备产生并测量其大小的。
特点：
精度较高，但较复杂。
②相对标定法或比较标定法
被测量是用根据绝对标定法标定好的标准传感器来测量的。
特点：
简单易行，但标定精度较低。
（2）根据标定的内容分类
①静态标定
确定传感器的静态指标，主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。
②动态标定
确定传感器的动态指标，主要有时间常数、自然振荡频率和阻尼比等。
3.4.3本测量机的标定
本测量中根据情况选择静态相对标定法来对传感器进行标定。
传感器的静态标定是在静态标准条件下进行的。
静态标准条件是指无加速度、振动与冲击（除非这些参数本身就是被测物理量），环境温度一般为室温（20±5°C），相对湿度不大于85%，大气压力为101.32±7.999kPa。
静态标定须遵循一定的程序，其过程步骤为：
①将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点。
②根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点
地输入标准量值，并记录与各输入值对应的输出值。
③将输入值由大到小一点一点地减下来，同时记录与
各输入值对应的输出值。
④按②、③所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试（一般为3~10次），将得到的输出输入测试数据用表格列出或绘成曲线。
⑤对测试数据进行必要的处理，根据处理结果确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重复性等静态特性指标
3.5检测系统中的其他元件
3.5.180C51单片机
单片机在检测过程中也起着核心作用，它负责检测数据的采集与负责控制与其接口相连的其它部件。
在检测中，单片机循环地进行下面工作：
数据采集、数据处理、数据存储器中数据处理以控制执行机构的工作。
经过对系统功能与工作环境等因素的研究分析，我们认为Intel公司生产的8051单片机比较适合于本系统的功能及工作环境要求，最重要的是具有很高的性能价格比，而且在单片机市场上购买方便。
随着Mcs51单片机知识的普及，人们对MCS51单片机的功能已有很深的了解，本设计采用的是AT89C51单片机。
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。
MS．51系列单片机是美国INTEL公司生产的高档8位单片机，这一系列的单片机目前在国内广泛使用。
MCS51系列单片机包括许多类型，常用的有8031、8051、8751等，它们的内部结构基本相同。
MCS51单片机内部包含下列一些部件：
①一个8位CPU，1位布尔处理机。
②一个片内振荡器即时钟电路。
③ROM程序存储器。
④RAM程序存储器。
⑤两个16位定时器／计数器。
⑥可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路。
⑦32条可编程的抛口线（4个8位并行I，O端口）。
⑧一个可编程全双工串行口。
⑨具有5个中断源、两个优先级的中断结构。
8051的内部结构图：
在检测过程中，当检测头接触工件上取样点时，检测头就会立即发出让驱动电机停止的信号，同时也向单片机发出取样的信号。
此时单片机通过电感传感器与单片机的接口，读入检测头的位移信息，在单片机内部进行处理
3.5.2A/D转换芯片TLC549CD
片型小，采样速度快，功耗低，价格便宜，控制简单。
在本测量中只需采集一路A/D转换信号，采用TLC549足够。
TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。
具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17μs，TLC549为40000次/s。
总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。
采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+－VREF-≥1V，可用于较小信号的采样。
A/D转换的接线图如下：
A/D转换的程序：
初始化：
SETBP1.2 ；置CS为1。
CLRP1.0 ；置I/OCLOCK为零。
MOVR0，＃00H；移位计数为零。
A/D过程：
A/DP：
CLRP1.2
NOP ；等待1.4μs，NOP数根据晶振情况选择
NXT：
SETBP1.0
MOVCP1.1
RLCA
CLRP1.0
INCR0
CJNER0，＃8，NXT
MOVR0，＃00
SETBP1.2
MOVDTSVRM，A；
DTSVRM：
DATASAVERAM.
RET
第4章控制系统设计
4.1控制系统的选用
由于微型计算机的迅速发展，机电一体化系统大多用计算机作为控制器，目前常用的工业控制计算机根据控制方案和体系结构，及复杂程度可分为可编程序控制器、单、多回路调解器、微型机测控系统、单片微机控制器、分散型控制系统（又称集散系统）。
近代的控制系统均由微机和其它控制部件组成，利用软件实现各种控制。
由微机组成的控制装置有多种。
初期的微机控制大多数由单片机实现，如国内最先推出的简易车床数控系统即属此类，后来随着IBMPC机的推广应用，出现了由Pc机经扩展而成的微机测控系统，但其环境适应性较差，以后又较多采用可靠性较高的STD总线系统，近几年又在推广性能更优越的可编程序控制器。
由此可见控制系统的发展是很快的，一般认为新的一类控制装置在性能方面总比前几类好。
微机控制系统的各种类型均有它的特点。
单板机控制系统较早用于工业控制，其特点是结构简单、价格低廉、技术上又容
易掌握，有利于推广应用。
但因该系统的硬件配置很不标准，常需要自行扩展接口，硬件制作工作量大，而且控制程序的编写只能采用汇编语言，以致软件工作量很大，而且开发过程中的操作和调试都比较麻烦，所以只适用于自行研制的简单控制系统。
单片机组成的控制系统在功能上比单板机强，而且具有处理速度快、功耗低、体积小、灵活性好等方面的特点，所以常用于智能化仪表、机床数控显示及其它小型控制装置。
单片机的编程比较方便，而且还可以在PC机上进行仿真调试。
因受经费方面的限制，该类系统得硬件制作质量和抗干扰措施很难达到高标准，所以环境适应性较差，如果用于工业现场，需增加一些防范措施。
综合考虑，我们决定单片机控制系统。
4.2系统的硬件设计
单片机硬件系统主要由AT89C51单片机、A/D转换、存储器、键盘、显示器、打印机和报警器等部分组成，在软件系统控制下实现对短轴直径的智能检测，具有显示、打印、超限报警等功能。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控器,AT89C2051是它的一种精简版本。
功能强大的AT89C51单片机可应用在许多较复杂系统控制场合。
4.3硬件的选取
4.3.1步进电机的选择
本机准备采用步进电机来驱动机械手旋转与伸缩。
我们知道步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。
步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。
步进电机是工业控制及仪表中的主要控制元件之一。
在数字控制系统中由于它可以直接接受计算机来的数字信号，而不需要进行D/A转换，所以用起来非常方便。
步进电机角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量变化，就可实现对它们的控制。
磁阻式步进电机是我国应用较多的一种步进电机。
它的主要组成部分为定子、转子和绕组。
当系统将一个电脉冲信号加到电动机上时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。
由此可见，改变输入脉冲的数目就能控制步迸电机转载机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制机械位移的方向，实现位置的控制。
转子的速度与电脉冲的频率成正比，改变脉冲频率就能够实现无级平滑调速。
步迸电机具有结构简单、性能可靠、分辨率高以及价格合理等优点，且具有快速启停、精确步进以及能直接接收数字量的特点，所以在定位场合中广泛应用。
步进电机最大特点是：
（1）它是通过输入脉冲信号来进行控制的。
（2）电机的总转动角度由输入脉冲数决定。
（3）电机的转速由脉冲信号频率决定
因为步进电机是用来驱动机械手来夹持短轴的（旋转以及伸缩），因而需选择的电机的功率不能过小（带不动机械手），过大也不宜（大材小用了）。
权衡之下，我们决定采用步进电机。
其主要参数如下：
因为此步进电机是用来驱动机械手来夹持短轴的（旋转以及伸缩），所以采用两个不同的电机。
根据转矩，精度要求及接线方式选择电机。
电机M1选用42BYG250C，相数2，步矩角1.8°，保持转矩0.54N.M，定位转矩0.025N.M，静态相电流1.5A，重量0.36kg，机身长34mm。
电机M2选用42BYG250A，相数2，步矩角1.8°，保持转矩0.23N.M，定位转矩0.012N.M，静态相电流1.5A，重量0.21kg，机身长42mm。
4.3.2步进电机的驱动电路：
根据所选的步进电机的额定功率、工作电压、工作电流的大小，我们选用了L297A型号的步进电机驱动芯片来驱动步进电机。
L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。
芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。
该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压。
L297能产生单四拍、双四拍和四相八拍工作所需的适当相序。
3种方式的驱动相序都可以很容易地根据变换器输出的格雷码的顺序产生，格雷码的顺序直接与四八拍（半步方式）相符合，只要在脚19输入一高电平即可得到。
4.4控制电路设计
本电路设计主要是通过AT89C51单片机的I/O口来给L297_L298芯片混合式步进电机驱动芯片赋值达到控制步进电机的正传启动，反转启动，停止等功能。
单片机的P1口的低四位作为控制电机的控制输出，对于输入我们采用两种方式，方式一：
硬件开关控制。
方式二：
上位机（采用vb编程）控制。
P0.0，P0.1连接两路开关，上位机和下位机单片机采用串行通信。
系统框图如下所示
控制电路框图如下所示：
4.5相关编程
4.5.1驱动步进电机转动的程序
步进电机的驱动编码是通过KEILUVISION3一体化集成编程软件完成的，在KEIL环境下编写程序并生成二进制文件。
只要是设置两个按键对电机进行正反转控制，在驱动程序中设定每次按键的步进值。
在软件设计部分，首先要进行数据初始化，然后进行首要操作判决，执行如下语句即可实现对按键的扫描，其中每一句为步进电机的初始角度定义，一般定义起始角度为0，POS为正转控制子程序，NEG为反转控制子程序。
WAIT:
MOVP1,R0
MOVP0,#0FFH
JNBP0.0,POS
JNBP0.1,NEG
SJMPWAIT
在按键判断完成后，进行数据处理，如下为正转子程序，在执行以下语句后还要判断按键是否持续，若持续按键，则步进值递增，对步进电机进行连续驱动，否则当按键松开时按键步进电机停止转动。
POS:
MOVA,R4
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
ACALLDELAY
INCR4
当为反转控制时，控制方式同正转相同。
下面为反转处理子程序。
在此次设计中将步进设置为9度。
NEG:
MOVR4,#6
MOVA,R4
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
在初始化中必须包含步进数据模型TAB1，在数据处理过程中进行不断查表输出控制量，从而实现电机的正反转控制。
在数据处理完成后送出P1口低四位，经电机驱动器驱动电机运转。
TAB1:
DB02H,06H,04H,0CH
DB08H,09H,01H,03H
4.5.2单片机与上位机的通信
单片机与上位机通信，将测得的信息如合格、超差、负超差轴径的数量还有具体数值输入电脑，以供研究打印等。
同时在传感器的标定时，通过上位机控制与显示来对传感器进行标定。
串行通信程序包括两方面,一方面是MCS-51单片机的通信程序,另一方面为PC机的通信程序。
（1）PC机的通讯程序框图：
N
Y
N
Y
（2）单片机通讯程序
根据通信协议,波特率为1200bps,现选用定时器T1作为波特率发生器,选用晶振为12MHZ,定时器T1工作于模式2，定时初值0E6H。
程序如下：
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0080H
START:
MOVA,#20H;定时器初始化
MOVTMOD,A
MOVTH1,#0E6H
MOVTL1,#0E6H
MOVSCON,#0E0H..;串口初始化
CLREA;清中断
CLRES
CLRET1
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