机械课程设计

测控仪器课程设计。

微位移机构及位移检测。

课程设计说明书。

一、设计目的。

本次课程设计主要是通过机械微位移机构及位移检测这一课题的设计与研究加强对以往所学精密机械设计、单片机原理及接**术、传感器原理、测控电路、画法几何及机械制图等课程的理解和实际应用。

二、设计思路。

本次课程设计采用的是平行片簧导轨－步进电动机及机械式位移缩小机构驱动中的弹性变形传动式微位移机构（机构图见大图），利用两个弹簧的刚度比而缩小输入位移的机构，这种微位移机构用平行片簧导轨，无间隙、无摩擦。驱动采用步进电动机，控制灵活而又方便。

此机构是通过步进电动机的转动带动丝杠旋转，通过丝杠旋转驱动一个小型的摩擦滑动导轨的动导轨产生运动，在动导轨运动时压缩弹簧从而由弹簧弹力驱动钢珠滚动导轨运动，在导轨的另一端有一弹簧受到导轨的压缩，这样导轨两端的弹簧彼此作用实现机构的微位移。

丝杠及弹性缩小工作台微位移机构一般要求具有0.05μm的分辨力，所以，此机构的微位移检测中如此高的分辨力必须要求采用具有与之相应分辨力和精度的传感器。非接触式传感器较接触式传感器准确度更高，所以考虑使用非接触式的传感器，而非接触式传感器中，电容或电感式传感器基本很难满足0.

05μm分辨力的要求，所以考虑采用光栅式位移传感器，此类传感器即使不能满足分辨力要求，也可以通过微机或电路将信号作细分而获得设计所要求的分辨力。将光栅传感器输出的脉冲信号细分后用计数器计脉冲数，通过片外存储器采集脉冲数至单片机内进行数据处理，换算成位移后输出，用led显示位移量。此次设计的微位移机构的行程为1mm。

使用六个led灯作为显示微位移的具体数值，其中前三位为小数点之前；后三位为小数点之后。

三、主要元器件选择。

1、步进电动机。

步进电动机种类很多，选择步进电动机的形式时，按需要确定电机参数。另外，应考虑的选择原则如下：

1 步距角θb要满足系统最小位移量的要求，即θb≤θmin；

2 转矩。正常工作状态下，启动转矩必须大于折算到电动机轴上的负载转矩。

3 同时，在系统要求的运行频率范围内，步进电动机的电磁转矩应大于折算到电动机轴上的最大静态负载转矩与最大惯性力矩之和，以保证加速性能。

4 起动频率和工作频率。工作时的步进电动机的起动频率应小于电动机具有的最大起动频率，工作频率应小于电动机的最高连续运行频率。

因此，应选择静扭矩不大，相电流也不太高的电动机，在本次设计中选用雷泰三相步进电动机573s05，如下图所示：

雷泰 57系列573s05/573s09/573s15三相混合式步进电机。

产品简介：步距精度 +5%(整步、空载)

温升 80°cmax

环境温度 -10°c --50°c

绝缘电阻 100mωmin.500vdc

耐压 500vac for one minute

径向跳动 0.06 max.(450g-load)

轴向跳动 0.08 max.(450g-load)

详细介绍：general specification通用规格。

electrical specification技术规格

2.传感器的选择。

本设计中采用的是瑞士trimos公司的抗污染和抗划伤的钢带尺lida400，该尺是开启式钢带尺。有如下特点，是专门为机械和那些特别需要高精度测量值的装置设计的；典型应用包括：

半导体行业的测量和生产设备；

印刷电路版装配机械；

超精密机械；

高精度机床。

瑞士光栅直线自复位式位移传感器。

计量机和比较仪、测量显微镜和其它精密测量装置；

直接驱动；

该尺是敞开式光栅尺，栅距20μm，精度±5μm，最小分辨率可到0.05μm，最大移动速度480m/min，该尺是采用激标原理形成干涉条纹，读数头采用了14个传感单元来加强平均效应，因此当光栅尺表面有污染和划伤时不会影响精度。

光栅式传感器工作原理图如图所示：

莫尔条纹形成如图：

设两光栅的栅距分别为d1和d2,相互交角为θ,则莫尔条纹上某点的位置(x,y)在x方向对应于与y轴平行的光栅有。

x = n*d11)

对应于与y轴夹角为θ的光栅，该点位置在x'方向符合。

xcosθ-ysinθ= m*d22)

式中：m、n为两光栅的条纹序数。

由于两光栅的栅距不相等，假设m>n,令m=n+k,根据(1)、(2)式，莫尔条纹族方程式。

y = x[(d1*cosθ-d2)／d1*sinθ]-k*d2／sin3)

从(3)式可得到对应的莫尔条纹的斜率为。

tanφ=(d1*cosθ-d2) ／d1*sin4)

从图1又可以看出w=hcosφ和h=d2／sinθ,将式代入到式(4)中，得到莫尔条纹的间距宽度为。

w =d1*d2／(d1^2+d2 ^2-2d1*d2*cosθ)*125)

当d1=d2=d,即两块光栅的栅距相等时，莫尔条纹的间距w简化为[4-5]

w =d／2sin(θ/2)≈d／θ 很小时6)

关于传感器的参数计算：

所选传感器栅距为10μm，通过传感器自身的细分和倍频，分辨率达到0.2μm，再通过设计中的四细分电路进一步获得了0.05μm的分辨力，即所测位移量x与实际栅距d之间的关系为：

x=n*d式中，n---四细分后可逆计数器所计传感器输出脉冲的个数。

3、导轨的选择。

1、导轨选用。

在微动工作台微位移范围内，要求工作台有较高的位移分辨力，又要求响应特性好，因此要求导轨副导向精度要高，导轨副间的摩擦力要小。滑动摩擦导轨摩擦力不是常数，动、静摩擦系数差较大，有爬行现象，运动均匀性不好。滚动摩擦导轨虽然摩擦力较小，但由于滚动体的尺寸一致性较差。

滚动体与导轨的形状误差会使滚动体与导轨间产生相对滑动，使摩擦力在较大范围内变动，即动、静摩擦力也有一定差别，也有爬行现象产生，但运动灵活性好于滑动导轨。

因此，在设计中采用滚动导轨，它是精密仪器中常用的滚动摩擦导轨，它以滚珠为滚动元件，用分珠片来保证其相对位置，具有运动灵活、行程大、结构较简单、导向精度高、耐磨性较好、运动平稳性较好等优点。滚珠导轨有两种典型的结构：一种是力封式滚珠导轨，另一种是自封式滚珠导轨。

这种导轨中，承导面上有v型槽，用以安放滚珠。v型槽的夹角一般为90°，如v型槽为直边，工作一段时间后，容易在表面上压出沟纹，如果沟纹不均匀，将会降低导轨精度。为改善这种情况，可采用下述方法：

1）预先在槽边上研磨出很浅的沟；

2)、采用弧形边的v型槽。一般v型槽的圆弧半径 r与滚珠半径r之间的关系取r/r=0.90-0.95，v型槽半角为45°，则弧形边两圆弧中心距离a=1.41(r-r)。

采用上述方法，可以在较长时间内保持导轨精度，但加工费用高，摩擦力也略有增加。

本次设计中还采用了分珠片和限动装置。分珠片用来保持各滚珠间间距，限动装置由固定在承导件的限动销和分珠片上的限动槽所组成，用以限制运动件位移和避免分珠片脱落。

2、导轨设计及计算。

此次设计采用v型——平面滚珠导轨，它一边导轨为v型，另一边是平面，这样既保证了确定运动，又没有过定位，加工和装配都方便。

导轨主要尺寸的确定：

①导轨宽度b 导轨宽度与导轨的承载能力有关，在导轨长度相同的情况下，宽度越大，运动件承载力也越大。

已知载荷w并选出合理的压强p，导轨宽度即可求出：

b=w/pl=800/0.004*500=400mm

l=l+l。+smax/2=500mm

②v型导轨角度 v型导轨角度采用90°为宜，因为刮研这种导轨的方形研具刚性好，制造方便，能进行自检，用它来刮研可保证90°角，有很高的精度。小于90°可以提高导向型，但磨损会使精度急剧下降。过小还会使工作台移动时有楔紧作用，增大摩擦阻力。

大于90°，能减少压强，但导向性较差。

③两条导轨的间距la 取小的导轨间距，可以减小仪器的外形尺寸，使仪器灵巧，节约材料。但间距过小，有可能造成工作不稳定。确定导轨间距，应在保证运动件工作稳定的前提下，尽可能取小值。

④运动件的导轨长度取较长运动件导轨，有利于改善导向精度和工作的可靠性。

导向精度：导向精度运动轨迹的是指动导轨的准确度。对一副导轨来说其直线度是非常重要的，它取决于导轨面的几何精度、接触精度、导轨和几座的刚度、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等。

1 导轨的几何精度。

导轨的几何精度包括导轨在垂直平面内与水平面内的直线度，导轨面间的平行度和导轨间的垂直度。

2 导轨接触精度。

通常对于精密滑动导轨和滚动导轨，要求在全长的接触应达到80%，在全宽上达到70%；对于刮研表面，用着色法检验时，每25mm·25mm面积内，接触点数不少于20点。

刚度要求及计算：

导轨受力会产生变形，其中有自重变形、局部变形和接触变形。自重变形减小办法：采用刚度设计、结构设计、补偿措施；为了减小接触变形，可以采用预加载荷的办法增加接触刚度，对于固定不动的接触面，预加载荷一般大于活动件的重力与外载荷的和；对于活动的接触面，预加载荷一般等于活动件及其工件等的重力和。

对于滚珠导轨接触压强计算

k =15~20mp ξ=0.85

pa=δk×d×d×ξ=1.7mp

滚珠的尺寸和数量：

本设计滚珠直径选为10mm

滚珠数量d本设计中载荷ｗ为800ｎ

4、弹簧选择。

此设计中弹簧是带动导轨实现微位移得直接零件，因此弹簧得选择十分重要。弹簧材料选用不锈钢丝（ni36crtial）,切边模量g=77000mpa,弹性模量e=20000mpa。

机构图中一处弹簧的参数见表。

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