单盘式渐开线检查仪驱动装置设计Word文件下载.docx

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3.1单片机系统部分……………………………………...………9

3.2步进电机驱动系统…………………….…………………..…10

3.3单片机与步进电机驱动隔离部分………….………………..…14

3.4整体设计电路图……………………………………….…...…15

第四部分系统软件设计………………………….………………...…16

4.1脉冲频率的确定……………………...............…….…………16

4.2程序流程图……………………………...................…………17

4.3软件程序……………..........................................................…19

总结…………………………………..............................................……20

参考文献………………………………….....................................……21

附录…………………………………….............................................…22

附录一：

软件设计程序………………………….......……………22

附录二：

整体硬件电路设计图…………….….……..…………….29

附录三：

机械图设计…………………………….........…………..30

第一部分单盘式渐开线检查仪介绍

单盘式渐开线检查仪工作原理如图1.1所示。

被测齿轮2与可换基圆盘1装在同一轴上，基圆盘直径等于被测齿轮的理论基圆直径，并与装在托板上的直尺相切，由弹簧产生大约50～100N的接触压力。

当转动手轮4通过丝杠3带动托板5作直线移动时，直尺7便与基圆盘1作纯滚动，此时被测齿轮也随着转动。

在托板5上装有测量杠杆8，它的一端装有测量头与被测齿面接触，其接触点刚好在直尺7与基圆盘1相切的平面上，杠杆的另一端与指示表6的量杆接触，并将指示表调到零位。

根据渐开线形成原理，基圆盘与直尺的相对运动——无滑动滚动。

当直尺与基圆盘按箭头方向作无滑动滚动时，固定于直尺上的测头相对于基圆盘产生正确的渐开线轨迹。

若被测齿形也为理论渐开线时，则在纯滚动过程中，指示表指针不动；

若被测齿形有误差，如图1.2所示，则测量头就会发生偏移，由指示表读数或记录器画出误差曲线。

图1.1单盘式渐开线检查仪工作原理

1-基圆盘2-被测齿轮3-丝杠4、9-手轮5-托板6-指示表7-直尺8-测量杠杆

图1.2旋转平面上形成1条渐开线轨迹,如图3所示。

图1.3齿轮渐开线形成原理

假设此圆就是被测齿轮的基圆盘,直线就是滑尺板。

使仪器的测头位于A点,则当基圆盘与滑尺板作无滑动的相对运动时,测头就沿着齿面滑行。

此时,若齿形为理论渐开线,无齿形误差及其它误差,则测头相对于A点静止不动,反之,若齿形有误差,则测头便会有跳动,将被测齿形与仪器复现的理论渐开线轨迹进行比较，从而得出如图1.2所示实际齿形误差。

单盘式渐开线检查仪结构简单、传动链短、调整比较容易，故其测量精度较高，可达4级。

不足之处是每测一种齿轮要更换一个与之对应的基圆盘，具体应用此种原理的仪器有：

瑞士PH60型、日本GC-3H型、苏联MN3型等齿形测量仪。

传统的单盘式渐开线检查仪是由手轮控制丝杠的运动，因此传动精度受到影响，并且不利于数据的处理。

本设计是设计步进电机来代替手轮进行丝杠传动，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。

当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），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。

具有高精度的定位、位置及速度可控制、具有定位保持力、动作灵敏的特点。

它做伺服电动机应用于伺服系统时,往往可使系统简单化,工作可靠,而且可以获得较高的控制精度。

本设计对被测齿轮的要求为基圆直径，齿数（没有根切现象）。

设计的采样间隔可调齿轮至少每转动采样一次。

第二部分单盘式渐开线检查仪的驱动装置

若驱动机构精度不够，则直接会引起不必要的误差，难以准确的测量被测齿轮。

因此我们采用精度比较高的步进电机带动丝杠传动。

即如图2.1所示：

系统框图：

图2.1系统整体框图

丝杠即螺旋传动，它是精密机械中最常用的一种传动形式。

其主要作用是将旋转运动变为直线运动，在检查一种主要是实现位移的传动。

即在计算机指令下，驱动机构能将运动部件准确的移到所需位置。

丝杠传动具有精度高、分辨率高、空程和回程误差小等特点，丝杠传动还有自锁功能，只要丝杠停止运动，运动部件不会在惯性力的或重力作用下继续运动。

丝杠传动具体可分为滚珠丝杠传动和滑动丝杠传动。

与滑动丝杠传动相比，滚珠丝杠传动具有以下特点：

1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3

由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。

与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。

在省电方面很有帮助。

2、高精度的保证

滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。

3、微进给可能

滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。

4、无侧隙、刚性高

滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性（滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。

5、高速进给可能

滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动）。

本装置需要两个步进电机—丝杠传动系统，由于代替手轮9的驱动装置对系统的要求远远低于代替手轮3的驱动装置对系统的要求，因此本设计下面主要考虑代替手轮3的驱动装置的设计。

为了其性价比和系统可替换性的原则，代替手轮9的驱动装置和代替手轮3的驱动装置完全相同。

特此声明。

本设计采用滚动丝杠传动。

一丝杠的选择

滚珠丝杠的选型过程中对滚珠丝杠本身需要选择的主要参数如下：

1、公称直径。

即丝杠的外径，常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120，公称直径和负载基本成正比，直径越大的负载越大。

由于本设计中对负载的要求比较小，因此选用丝杠的外径为16。

2、导程。

也称螺距，即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离，常见导程有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40，中小导程现货产品一般只有5、10，大导程一般有1616、2020、2525、3232、4040（4位数前两位指直径，后两位指导程）。

导程与直线速度有关，在输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。

导程与直线速度之间的关系为：

其中为导程，为直线速度，为丝杠转速。

选用丝杠的导程为5。

3、长度。

丝杠的有效行程取。

4、精度。

滚珠丝杠按GB分类有P类和T类，即传动类和定位类，精度等级有1、2、3、4.....几种，一般来说，通用机械或普通数控机械选C7（任意300行程内定位误差±

0.05）或以下。

精度选C7。

根据丝杠的公称直径为16、导程、精度为C7，选用丝杠SFU3205-3-500。

二、步进电动机的选择

1步进电机的工作原理：

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

图2.2步进电机工作原理

2步进电机分类

步进电机在构造上有三种主要类型：

反应式（VariableReluctance，VR）、永磁式（PermanentMagnet,PM）和混合式（HybridStepping,HS）。

（1）反应式

　　定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°

、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

（2）永磁式

　　永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°

或15°

）。

　　（3）混合式

　　混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。

3步进电机选型

由于本装置对步进电机的转矩、转速要求比较低。

步进电机主要由步距角确定。

本设计中要求被测齿轮的范围为：

基圆直径的直齿。

采样间隔为：

齿轮至少每转动采样一次。

由于直尺和基圆盘是摩擦传动，假定基圆盘转过的角度（也是被测齿轮转过的角度）为，则直尺水平移动的距离为：

，为被测齿轮的基圆半径。

式（2-1）

由上式得丝杠转动的角度：

，为丝杠的导程，。

式（2-2）

由于步进电机和丝杠是由联轴器直接连接，因此步进电机与丝杠之间的传动比。

步进电机的转角

式（2-3）

整理得到步进电机转角和被测齿轮转角之间的关系为：

式（2-4）

由，，得，即选择步进电机的最小步距角为（若不进行细分）。

若细分则另算。

本设计采用性价比比较高的雷塞科技的42HSM02，它是一种相混合式步进电机。

电机的步距角为0.9°

，配上细分驱动器后其步距角可细分达128倍（0.007°

/步）。

其主要参数为：

图2.3步进电机42HSM02主要参数

步进电机42HSM02引线接法

图2.3步进电机42HSM02引线接法

本设计采用步进电机每50步采样一次。

可通过调节细分电路来调节采样点的个数。

三联轴器选择

联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。

在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。

联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。

一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。

20世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。

常用联轴器有螺旋联轴器，膜片联轴器，梅花联轴器，波纹管联轴器，弹簧联轴器，弹性联轴器，及刚性联轴器。

本次设计采用BR（弹性联轴器）系列