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1/25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2011-9-252/25目录摘要………………………………………………………………3一、总体设计………………………………………………………………31.1系统原理方案设计……………………………………………………31.2结构方案设计…………………………………………………4二、机械系统设计………………………52.1机械系统总体合计…………………………………………………52.2机械部分设计………………………………………………………6三、检测系统设计…………………………………………………83.1检测系统总体设计……………………………………………………83.2传感器的选择………………………………………………………83.3传感器的信号处理……………………………………………………93.4传感器的标定………………………………………………………113.5检测系统中的其他元件…………………………………………………13四、控制系统……………………………………………154.1控制系统的选用……………………………………………………154.2系统的硬件设计……………………………………………………164.3硬件的选取……………………………………………164.4控制电路设计………………………………………………………184.5相关编程…………………………………………………………194.6控制面板和软件界面设置……………………………………24五．参考文献……………………………………………………253/25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。4/251.2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:单片机单元槽轮式隔离机构差动电感式传感器机械手推送测量传送带机械手分料机电接口机电接口显示控制面板5/251.2.3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、分料等部分下料机械手前推(M2)同时加紧转过指定角度分料后缩回机械手电机M1反转推动测子传感器采集信号信号处理信号驱动转动电机M1角度传感器采集信号碰到上料处限位开关M1停止信号输出功率放大6/25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7/25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:8/25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、9/25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10/253.3.1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：信号采集滤波信号放大软件处理A/D转换相敏检波信号处理11/25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12/25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（），相对湿度不大于85%，大气压力为。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、13/25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