自控元件課程設(shè)計--- x-y平面繪圖儀

1、<p>　　課程設(shè)計說明書（論文）</p><p>　　課程名稱： 自動控制元件及線路 </p><p>　　設(shè)計題目： X-Y平面繪圖儀 </p><p>　　院 系： 航天學(xué)院控制科學(xué)與工程系 </p><

2、;p>　　班 級： </p><p>　　設(shè) 計 者： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計時間

3、： 2012年秋季學(xué)期 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本課程設(shè)計題目是X-Y平臺式平面繪圖儀，這是一個較為完善的機電一體化系統(tǒng)。微處理器通過接收PC機軟件的繪圖信息，控制步進電機形成X方向和Y方向筆的移動來完成圖形的繪制。本課程設(shè)計包括繪圖儀機械部分絲杠的簡單選擇，電機的選擇，傳感器的選擇，功

4、放電路和簡單的控制電路介紹。由于關(guān)于《自控控制元件及線路》的課程設(shè)計，所以我們在本次課設(shè)中，著重于電機的選型和傳感器的選型以及功放電路的選擇，簡單介紹了下絲杠的選擇，至于如何將繪圖軟件中的信息轉(zhuǎn)變成程序指令，利用何種算法和算法程序，我們沒有提及，另外對整個系統(tǒng)的控制方法，我們提出了整體思路，在文中給出了控制系統(tǒng)方框圖，但其中涉及的具體算法，如PID、PI、PD控制等，我們不作要求。</p><p><b&g

5、t;　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 繪圖儀的簡要介紹與發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　繪圖儀是一種能按照人們要求自動繪制圖形的設(shè)備。它可將計算機的輸出信息以圖形的形式輸出。主要可繪制各種管理圖表和統(tǒng)計圖、大地測量圖、建筑設(shè)計圖、電路布線圖、各種機械圖與計算機輔助設(shè)計圖等。最常用的是X-Y繪圖儀。</p><p>　　現(xiàn)代的繪圖儀已具有

6、智能化的功能，它自身帶有微處理器，可以使用繪圖命令，具有直線和字符演算處理以及自檢測等功能，這種繪圖儀一般還可選配多種與計算機連接的標(biāo)準(zhǔn)接口。</p><p>　　1.1.1繪圖儀的性能</p><p>　　繪圖儀是一種輸出圖形的硬拷貝設(shè)備。繪圖儀在繪圖軟件 的支持下可繪制出復(fù)雜、精確的圖形，是各種計算機輔助設(shè)計不可缺少的工具。繪圖儀的性能指標(biāo)主要有繪圖筆數(shù)、圖紙尺寸、分辨率、接

7、口形式及繪圖語言等。</p><p>　　1.1.2繪圖儀的構(gòu)成</p><p>　　繪圖儀一般是由驅(qū)動電機、插補器、控制電路、繪圖臺、筆架、機械傳動等部分組成。繪圖儀除了必要的硬設(shè)備之外，還必須配備豐富的繪圖軟件。只有軟件與硬件結(jié)合起來，才能實現(xiàn)自動繪圖。軟件包括基本軟件和應(yīng)用軟件兩種。</p><p>　　1.1.3繪圖儀的應(yīng)用</p><p

8、>　　繪圖儀是一種優(yōu)秀的輸出設(shè)備。與打印機不同，打印機是用來打印文字和簡單圖形的。要想精確地繪圖，如工程中的各種圖紙，只能用專業(yè)的繪圖設(shè)備，即為繪圖儀。</p><p>　　繪圖儀在實際生活中的應(yīng)用也是很廣泛的，在電腦輔助設(shè)計（CAD）與電腦輔助制造（CAM）中，繪圖儀是必不可少的，它能將圖形準(zhǔn)確地繪制在圖紙上輸出，供工程人員參考。如果把繪圖儀中使用的繪圖筆換為刀具或激光束發(fā)射器等切割工具就可以加工機械零件

9、了。</p><p>　　1.1.4繪圖儀的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　20世紀(jì)50年代在美國誕生了第一臺計算機繪圖系統(tǒng)，開始出現(xiàn)具有簡單繪圖輸出功能的被動式計算機輔助設(shè)計技術(shù)。60年代初期出現(xiàn)了繪圖的曲面片技術(shù)，中期推出商品化的計算機繪圖設(shè)備。70年代，完整的繪圖儀系統(tǒng)開始形成，后期出現(xiàn)了能產(chǎn)生逼真圖形的光柵掃描顯示器，推出了手動游標(biāo)、圖形輸入板等多種形式的圖形輸入設(shè)備，促進了繪圖技術(shù)

10、的發(fā)展。</p><p>　　80年代，隨著強有力的超大規(guī)模集成電路制成的微處理器和存儲器的出現(xiàn)，工程工作站問世，繪圖技術(shù)在中小型企業(yè)逐步普及。80年代中期以來，繪圖技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化方向發(fā)展。一些標(biāo)準(zhǔn)的圖形接口軟件和圖形功能相繼推出，為繪圖技術(shù)的推廣、軟件的移植和數(shù)據(jù)共享起了重要促進作用，系統(tǒng)構(gòu)造由過去的單一功能變成綜合功能，出現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計與輔助制造聯(lián)成一體的計算機集成制造系統(tǒng)。固化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技

11、術(shù)、多處理機和并行處理技術(shù)在繪圖儀控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，極大地提高了繪圖系統(tǒng)的性能。</p><p>　　繪圖儀的種類很多，從原理上分類，繪圖儀分為筆試、噴墨式、熱敏式、靜電式等，從結(jié)構(gòu)上可分為滾筒式和平臺式兩大類：①滾筒式繪圖儀。當(dāng)X向步進電機通過傳動機構(gòu)驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動時，鏈輪就帶動圖紙移動，從而實現(xiàn)X方向運動。Y方向的運動，是由Y向步進電機驅(qū)動筆架來實現(xiàn)的。這種繪圖儀結(jié)構(gòu)緊湊，繪圖幅面大。但它需要使用兩側(cè)有鏈孔的專

12、用繪圖紙。②平臺式繪圖儀。繪圖平臺上裝有橫梁，筆架裝在橫梁上，繪圖紙固定在平臺上。X向步進電機驅(qū)動橫梁連同筆架，作X方向運動；Y向步進電機驅(qū)動筆架沿著橫梁導(dǎo)軌，作Y方向運動。圖紙在平臺上的固定方法有3種，即真空吸附、靜電吸附和磁條壓緊。平臺式繪圖儀繪圖精度高，對繪圖紙無特殊要求，應(yīng)用比較廣泛。</p><p>　　1.2功能需求與性能指標(biāo)</p><p><b>　　1.2.1功

13、能需求</b></p><p>　　就平臺式繪圖儀而言，目前應(yīng)用做多的是用來繪制各種工程制圖，如機械制圖等，另外，作者在哈工大復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所的一個實驗室見到了一種在薄膜上畫線并對薄膜裁剪的繪圖儀，故而繪圖儀還能用于剪裁。本次課程設(shè)計提出的X-Y繪圖儀的基本功能為，能通過相應(yīng)計算機軟件將用計算輔助設(shè)計的圖形（如CAD制圖）轉(zhuǎn)化為執(zhí)行命令，通過控制X和Y方向的電機移動從而帶動畫筆實現(xiàn)基本圖形的繪制（

14、點、直線、圓弧、曲線），有這些基本圖形最終組合成整個所要求的圖形。另外，還需有一控制器控制畫筆的抬起與落下，當(dāng)需要繪圖時，畫筆落下，不需要時，畫筆抬起。</p><p>　　1.2.2性能指標(biāo)與平臺參數(shù)：</p><p>　　重復(fù)定位精度：±0.005mm</p><p><b>　　脈沖當(dāng)量：</b></p><

15、p>　　畫筆單方向上最大移動速度：</p><p>　　臺面尺寸：長×寬＝1400mm×1000mm</p><p>　　底座外形尺寸：長×寬×高＝1550×1150m×1000m</p><p><b>　　絲杠長度：</b></p><p><b

16、>　　1.3總體方案</b></p><p>　　1.3.1 位置控制系統(tǒng)簡介</p><p>　　位置控制系統(tǒng)最初應(yīng)用于船舶駕駛和火炮控制，后來逐步推廣到很多領(lǐng)域，如天線位置控制，制導(dǎo)與導(dǎo)航，數(shù)控機床，繪圖儀，機器人等，其作用是使輸出的機械位移準(zhǔn)確地實現(xiàn)輸入位移的指令，達到位置的精確控制盒軌跡的準(zhǔn)確跟蹤。目前，常見的位置控制系統(tǒng)可按位置環(huán)特點和系統(tǒng)信號特點分類。<

17、/p><p><b>　　按位置環(huán)特點分類</b></p><p>　　開環(huán)控制系統(tǒng)(Open -loop control system )</p><p>　　開環(huán)控制指調(diào)節(jié)系統(tǒng)不接受反饋的控制，只控制輸出,不計后果的控制。又稱為無反饋控制系統(tǒng)，在數(shù)控機床中由步進電動機和步進電動機驅(qū)動線路組成。數(shù)控裝置根據(jù)輸入指令，經(jīng)過運算發(fā)出脈沖指令給步進電動

18、機驅(qū)動線路，從而驅(qū)動工作臺移動一定距離，這種伺服系統(tǒng)比較簡單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。所以一般僅用于可以不考慮外界影響，或慣性小，或精度要求不高的一些經(jīng)濟型數(shù)控機床。</p><p>　　半閉環(huán)控制系統(tǒng)（half-closed-loop control system）</p><p>　　閉環(huán)控制是由信號正向通路和反饋通路構(gòu)成閉合回路的自動控制系統(tǒng)，又稱反饋控制

19、系統(tǒng)。在數(shù)控機床中由伺服電動機、比較線路、伺服放大線路、速度檢測器和安裝在工作臺上的位置檢測器組成。這種系統(tǒng)對工作臺實際位移量進行自動檢測并與指令值進行比較，用差值進行控制。這種伺服系統(tǒng)所能達以的精度、速度和動太特性優(yōu)于開環(huán)伺服系統(tǒng)，其復(fù)雜性和成本低于全閉環(huán)伺系統(tǒng)，主要用于大多數(shù)中小型數(shù)控機床，且能滿足市場要求所以，目前應(yīng)用最為廣泛。其方框圖如下：</p><p>　　全閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed-loop co

20、ntrol system）</p><p>　　全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)相似，只是位置檢測器不是安裝在伺服電動機的軸上，而是安裝在在工作臺上。這種系統(tǒng)定位精度高，但系統(tǒng)復(fù)雜，調(diào)試和維修困難，價格較貴，主要用于高精度和大型數(shù)控機床。其系統(tǒng)方框圖如下：</p><p><b>　　按系統(tǒng)信號特點分類</b></p><p><

21、b>　　模擬式位置控制系統(tǒng)</b></p><p>　　系統(tǒng)中各種參量都是連續(xù)變化的模擬量，其位置檢測器可用電位器、自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器等。利用靠模作為位置指令的仿形車床就是一個模擬式位置控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例。</p><p>　　半數(shù)字式位置控制系統(tǒng)</p><p>　　半數(shù)字位置控制系統(tǒng)也稱軟件位置控制系統(tǒng)，是指除了電流環(huán)仍保留模擬結(jié)構(gòu)外，位置、

22、速度控制均由單片機通過控制軟件實現(xiàn)，系統(tǒng)組成如下圖：</p><p>　　全數(shù)字式位置控制系統(tǒng)</p><p>　　位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)都是數(shù)字型的，系統(tǒng)多有的控制調(diào)節(jié)全部由軟件完成，最后直接輸出邏輯電平型的脈寬調(diào)制控制信號驅(qū)動功率放大器對伺服電機進行控制，完成位置控制任務(wù)。一種全數(shù)字、采用脈寬調(diào)制器控制的晶體管直流位置控制系統(tǒng)組成如下圖：</p><p>　　1

23、.3.2 兩種平臺式X-Y繪圖儀方案</p><p>　　第一種，畫筆不懂，平臺移動。此種方案適合于平臺重量較小的繪圖儀，不然就得選用功率較大的電機，但當(dāng)平臺面積較大時，需要很大的工作空間。一種該方案的繪圖儀效果圖如下：</p><p>　　第二種，平臺固定不動，畫筆移動。此種方案既適合臺面較小的繪圖儀也適合臺面較大的繪圖儀，而且該方案電機只需驅(qū)動筆頭移動，故功率較小，有利于節(jié)能，另外，工

24、作臺面多大其工作空間就多大，利于節(jié)省空間。一種該方案的繪圖儀實物圖如下：</p><p>　　1.3.3本課程設(shè)計X-Y繪圖儀的總體方案</p><p>　　首先，考慮到精度要求，我們采用全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，用碼盤測量電機轉(zhuǎn)速，用光柵尺測量畫筆的位置。其次，考慮到電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)在當(dāng)今已經(jīng)十分成熟，我們采用全數(shù)字位置控制系統(tǒng)，利用經(jīng)典的PWM控制法控制電機。最后，考慮到A0紙張的大

25、小和我們給出的平臺尺寸參數(shù)，我們選擇平臺固定、畫筆移動的運動方案。因此，我們的X-Y繪圖儀可由紙張固定平臺、機械傳動部分、電機驅(qū)動部分、程序控制部分組成。機械傳動部分主要是絲杠、導(dǎo)軌和減速器。電機驅(qū)動部分主要是電機和相應(yīng)的驅(qū)動電路。程序控制部分主要是圖形命令轉(zhuǎn)化軟件和微處理器。另外，筆頭的起落我們采用繼電器控制，為保持在畫圖時，紙張平整，對紙張還需采取相應(yīng)的固定方法，常見的方法有真空吸附、靜電吸附和磁條壓緊等，在此，我們選擇真空吸附方式

26、，即在平臺上密布許多小孔，然后用抽風(fēng)機在平臺下吸氣，這樣就可將紙張吸附在平臺上。</p><p>　　第2章 電機的選型和部分機械傳動機構(gòu)的選擇</p><p>　　2.1傳動副和導(dǎo)軌的選擇</p><p>　　為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。滾珠絲杠螺母副有如下傳動特點：</p><p>　　(1)傳動

27、效率高，因為滾珠絲杠采用滾珠滾動代替普通絲杠螺母副的滑動，減小了摩擦力，能量損失小，機械效率可以達到92%以上。</p><p>　　(2)消除了螺母副之間的軸向間隙(通過預(yù)緊滾珠），定位精度很高。</p><p>　　(3)由于摩擦力小，絲杠的磨損也小，使得絲杠的壽命高。</p><p>　　由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工

28、作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。滾動直線導(dǎo)軌副有如下特點：滾動直線導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉颍够瑝K與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。</p><p><b>　　2.2絲杠的選擇</b></p><p>　　由于我們繪圖儀尺寸限制，我們在X和Y方向上均

29、選擇公稱直徑為10mm的絲杠，在此略去剛度和強度計算過程，查閱相關(guān)資料，我們選擇的絲杠型號為：SFK1004，其相關(guān)參數(shù)如下表：</p><p>　　另外考慮到畫紙尺寸大小，我們選擇X方向絲杠長度為，Y方向絲杠長度為</p><p>　　2.3電機型號及驅(qū)動器的選擇</p><p>　　2.3.1電機的選擇</p><p>　　(1) 傳動比

30、i和步距角</p><p>　　由前面可知，絲杠公稱直徑d=2r=10mm，螺距s=4mm，螺紋升角θ=，設(shè)傳動比i=2.67，脈沖當(dāng)量，則。</p><p><b>　　(2) 最大轉(zhuǎn)矩：</b></p><p>　　首先，我們假設(shè)了在0.1s內(nèi)，筆頭在一個方向上從0加速到最大速度 （或從最大速度減小到0），則最大加速度為</p>

31、<p>　　設(shè)負(fù)載所受軸向力，所受徑向力為而螺紋與軸的夾角為θ=，如圖所示，則</p><p>　　其中絲杠所帶負(fù)載質(zhì)量</p><p>　　由幾何關(guān)系可求噴頭所受垂直于軸向的力：</p><p>　　設(shè)軸半徑為r，則絲杠所受最大力矩為：</p><p>　　其中J為絲杠的轉(zhuǎn)動慣量，</p><p>　　

32、查閱資料得絲杠所用鋼材質(zhì)的密度為</p><p>　　所以X方向絲杠質(zhì)量為：</p><p><b>　　Y方向絲杠質(zhì)量為：</b></p><p>　　X方向絲杠轉(zhuǎn)動慣量為：</p><p>　　Y方向絲杠轉(zhuǎn)動慣量為：</p><p>　　另外，有傳動關(guān)系可知：</p><p

33、><b>　　所以，</b></p><p>　　由上面計算可知，，且X方向上負(fù)載質(zhì)量比Y方向負(fù)載質(zhì)量大，由</p><p>　　可知，在X方向上將承受最大的轉(zhuǎn)矩，故在計算最大轉(zhuǎn)矩的時候，我們只考慮X方向，由前面定義參數(shù)和計算參數(shù)知，筆頭和其起落控制部分重量為，</p><p>　　且筆頭部分安裝在Y軸方向上，設(shè)Y方向上的圓柱光滑導(dǎo)杠質(zhì)量

34、為，忽略X和Y方向上圓柱光滑導(dǎo)杠的摩擦，則X方向上等效的負(fù)載質(zhì)量為:</p><p><b>　　所以， </b></p><p><b>　　所以，，</b></p><p>　　另外，考慮到減速比為i=2.5，一般齒輪減速器的傳動效率為，由能量守恒知，到電機轉(zhuǎn)軸上的最大轉(zhuǎn)矩為。</p><p>

35、;<b>　?。?）電機運行頻率</b></p><p>　　由最大速度知，最高工作頻率為，所以電機運行頻率應(yīng)大于10000Hz。</p><p>　　上網(wǎng)查閱了解到白山機電公司是目前國內(nèi)一家專門從事自動控制方面機電產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的高科技企業(yè)。公司現(xiàn)在主要產(chǎn)品為“BS”步進電機驅(qū)動器，共有兩個系列20多個品種，規(guī)格齊全，功能強大，性能優(yōu)良，品質(zhì)可靠，完全可

36、以和國外產(chǎn)品相媲美，并具有極高的性價比。同時公司還自主開發(fā)了多種型號的通用經(jīng)濟型運動控制器和多軸運動控制卡供廣大客戶選用。此外，還有低噪聲、低價位“BAISHAN”步進電機和日本“SANYO”系列步進電機。公司產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、激光雕刻、電腦繡花、紡織印刷、包裝機械、標(biāo)記機、雕刻機、繞線機械、坐標(biāo)測量儀器、XYZ三維工作臺、機器人、醫(yī)療設(shè)備、陶瓷機械等行業(yè)中。所以我們在該公司產(chǎn)品中選擇電機和驅(qū)動器。</p><

37、;p>　　綜合考慮，經(jīng)過選擇得出最終的電機為：白山電機公司生產(chǎn)的三相混合式 57mm系列電機，相關(guān)參數(shù)如下：</p><p><b>　　通用規(guī)格：</b></p><p>　　步距精度……………… 5%</p><p>　　溫 升……………… 80℃  MAX</p><p>　　環(huán)境溫度…………

38、…… -20℃~+50℃</p><p>　　絕緣電阻……………… 100M Ω Min 500V DC</p><p>　　耐 壓……………… 500V AC 1Minute</p><p>　　徑向跳動……………… 最大0.06mm</p><p>　　軸向跳動……………… 最大0.08mm</p><p>

39、<b>　　電機規(guī)格如下：</b></p><p><b>　　矩頻特性曲線：</b></p><p><b>　　連線圖：</b></p><p><b>　　尺寸外形：</b></p><p>　　根據(jù)上面給出的三種電機參數(shù)，結(jié)合算出的參數(shù)，我們選擇型

40、號為BSHB368的三相步進電機，由矩頻特性曲線知，其最大轉(zhuǎn)矩為1.5，且隨頻率增高下降較小，在10000時，其轉(zhuǎn)矩還能達到1.25，符合我們的要求。</p><p>　　2.3.2驅(qū)動器的選擇</p><p>　　由上面步進電機選型資料知，廠家推薦選擇型號為Q3HB64MA的驅(qū)動器，我們在查閱相關(guān)資料后，選擇白山機電公司生產(chǎn)的驅(qū)動器，其相關(guān)參數(shù)如下：</p><p&g

41、t;　　Q3HB64MA/B為等角度恒力矩細(xì)分型驅(qū)動器，驅(qū)動電壓DC12-40V，電流在5.8A以下，外徑42-86mm的各種型號的三相混合式步進電機。該驅(qū)動器內(nèi)部采用類似伺服控制原理的電路，此電路可以使電機低速運行平穩(wěn)，幾乎沒有震動和噪音，電機在高速時力矩大大高于二相和五相混合式步進電機。定位精度最高可達60000步/轉(zhuǎn)。廣泛應(yīng)用于醫(yī)療機械、機器人、儀器儀表、雕刻機、激光打標(biāo)機、激光內(nèi)雕機等分辨率較高的小型數(shù)控設(shè)備上。</p&g

42、t;<p><b>　　特點</b></p><p><b>　　◆高性能、低價格</b></p><p>　　◆設(shè)有16檔等角度恒力矩細(xì)分，最高分辨率60000步/轉(zhuǎn)</p><p>　　◆采用獨特的控制電路 </p><p>　　◆最高反應(yīng)頻率可達200Kpps </p>

43、;<p>　　◆步進脈沖停止超過100ms時，電機線圈自動減半</p><p>　　◆雙極恒流斬波方式 </p><p>　　◆驅(qū)動電流從0.5A/相到5.8A/相連續(xù)可調(diào) </p><p>　　◆單電源輸入，電壓范圍：DC12-40V</p><p><b>　　驅(qū)動器接線示意圖</b></p>

44、;<p><b>　　輸入信號波形時序圖</b></p><p><b>　　工作電流設(shè)定示意圖</b></p><p>　　Q3HB64MA細(xì)分設(shè)定表</p><p><b>　　引腳功能說明</b></p><p>　　另外，在該驅(qū)動器使用時，還有以下幾點注意

45、事項：</p><p>　　1、千萬不要將電源接反，輸入電壓不要超過DC40V。</p><p>　　2、輸入控制信號電平為5V，當(dāng)高于5V時需接限流電阻。</p><p>　　3、驅(qū)動器溫度超過70度時故障指示燈O.H亮，驅(qū)動器停止工作， 直到驅(qū)動器溫度降到50度，驅(qū)動器自動恢復(fù)作， 出現(xiàn)過熱保護請加裝散熱器。 </p><p>　　4、過

46、流（負(fù)載短路）故障指示燈O.H亮，請檢查電機接線及其他短路，排除后需要重新上電恢復(fù)； </p><p>　　5、欠壓（電壓小于DC12V），故障指示燈O.H亮。</p><p>　　第3章 測量元件選型</p><p>　　由于本次課程設(shè)計采用的是全閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要測量電機轉(zhuǎn)速以及畫筆位置，所以我們需要采用位置傳感器?，F(xiàn)在工業(yè)控制中常用的位置傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、碼

47、盤、同步感應(yīng)器、光柵等。下面我們通過這幾種位置傳感器各自特點的比較選出一種適合我們本次課程設(shè)計的傳感器。</p><p>　　3.1 位置傳感器特點介紹：</p><p>　　3.1.1 旋轉(zhuǎn)變壓器：</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　當(dāng)接交流激磁電壓，開路時，氣隙中產(chǎn)生一個脈振磁密，的

48、軸線上。脈振磁場將在和中感應(yīng)出變壓器電勢。</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　注：轉(zhuǎn)子繞組軸線與軸線重合時感應(yīng)出的最大電勢有效值。</p><p><b>　　副邊補償及原邊補償</b></p><p>　　由于實際應(yīng)用中都是帶載運行，而帶載運行會存在選編輸出電壓與正余

49、弦函數(shù)之間出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象，所以要進行補償。</p><p><b>　　由于</b></p><p><b>　　對于副邊補償：</b></p><p><b>　　令</b></p><p>　　則解得：,這便是副邊對稱補償。</p><p><

50、b>　　對于原邊補償：</b></p><p>　　,這便是原邊對稱補償。</p><p>　　經(jīng)補償后的旋變能實現(xiàn)：角度測量，進而進行速度測量。</p><p><b>　　3.1.2 碼盤：</b></p><p><b>　　工作原理</b></p><p

51、><b>　　絕對式編碼器</b></p><p>　　它是利用自然二進制或循環(huán)二進制（葛萊碼）方式進行光電轉(zhuǎn)換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。</p><p><b>　　它的特點是： </b&g

52、t;</p><p>　　a)可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值；</p><p>　　b) 沒有累積誤差;</p><p>　　c) 電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。</p><p><b>　　它的缺點是：</b></p>&

53、lt;p>　　結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，價格貴。</p><p><b>　　增量式編碼器</b></p><p>　　它是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90º，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。</p><p><b>　　它的優(yōu)點是：</b>

54、;</p><p>　　原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。</p><p>　　其缺點是：無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置。</p><p><b>　　由材料分類：</b></p><p>　　（1）玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，易碎，成本高；<

55、;/p><p>　　（2）金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，易變形，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級；</p><p>　　（3）塑料碼盤是經(jīng)濟型的，其成本低，不易碎和變形，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。</p><p>　　3.1.3 感應(yīng)同步器：</p><p>　　將角度或直線位移信號變換為交流

56、電壓的位移傳感器，又稱平面式旋轉(zhuǎn)變壓器。它有圓盤式和直線式兩種。本次課設(shè)中需要測量的是直線位移，因此下面主要介紹直線式感應(yīng)同步器。</p><p>　　直線式感應(yīng)同步器是用電電磁感應(yīng)原理把直線位移準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成電信號的一種位移傳感器，由定尺和滑尺組成。一般結(jié)構(gòu)如下圖所示：</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　感應(yīng)同

57、步器在工作時，如果在其中一種繞組上通以交流激勵電壓，由于電磁耦合，在另一種繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。該電動勢隨定尺和滑尺（對長感應(yīng)同步器而言）的相對位置不同呈正弦、余弦函數(shù)變化。</p><p>　　根據(jù)滑尺正、余旋繞組上激磁電壓Us、 Uc供電方式的不同可構(gòu)成不同檢測系統(tǒng)——鑒相型系統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。</p><p>　　鑒相式系統(tǒng)中定尺繞組中的感應(yīng)電壓為</p><p&

58、gt;　　Um—勵磁電壓幅值(V)</p><p>　　ω—勵磁電壓角頻率(rad/s)</p><p>　　K—電磁耦合系數(shù)，與繞組間 最大互感系數(shù)有關(guān)；</p><p>　　θ—滑尺繞組相對定尺繞組在空間的電氣相位角；</p><p>　　鑒幅系統(tǒng)中定尺繞組中的感應(yīng)電壓為</p><p>　　若電氣角α已知，則只要

59、測量出Ud的幅值，便可間接地求出θ值，從而求出被測位移x的大小。</p><p>　　當(dāng)定尺繞組中的感應(yīng)電壓Ud＝0時，α＝θ，只要逐漸改變α值，使Ud＝0，便可求出θ值，從而求出被測位移x。</p><p>　　當(dāng)位移量Δx很小時，感應(yīng)電壓Ud的幅值與Δx成正比，因此可以通過測量Ud的幅值來測定位移量Δx的大小。從而實現(xiàn)精確測量。</p><p>　　直線感應(yīng)同步

60、器的優(yōu)點：</p><p>　　具有較高精度和分辨力：長（250mm）：精度±1.5mm，分辨力0.05 mm；</p><p>　　抗干擾能力強； 　　</p><p>　　使用壽命長，維護簡單；（定、滑尺不接觸） 　　</p><p>　　可作長距離位移測量；（可拼接，精度仍保持原單個定尺的精度） 　　</p>&

61、lt;p>　　工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。</p><p><b>　　3.1.4 光柵：</b></p><p>　　利用光柵檢測線位移和角位移可以達到很高的精度。計量光柵作為測量元件已有很多年的歷史，特別是數(shù)控機床上，計量光柵是應(yīng)用的較多的測量元件之一。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點。</p>

62、<p>　　計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。計量光柵按形狀又可分為長光柵和圓光柵。</p><p>　　透射光柵指的光源與接收裝置分別放置在光柵尺的兩側(cè)，通過接收光柵尺透過來的衍射光變化來反應(yīng)位置變化。比較通用的是玻璃光柵。.透射光柵的特點是光源可以采用垂直入射光，光電元件能夠直接接收，因此信號的幅值比較大，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換器（讀數(shù)頭）的結(jié)構(gòu)簡單

63、。同時線條可以刻得很密，每毫米可以刻到100條甚至更多條線，從而可以減輕電子線路的負(fù)擔(dān)，并達到很高的精度。但長度不能做得太大。</p><p>　　反射光柵指的是光源與接收裝置安裝在光柵尺的同一側(cè)，通過接收光柵尺反射回來的衍射光變化來反應(yīng)位置變化。比較通用的有鋼帶光柵和玻璃光柵。.反射光柵的特點是：線膨脹系數(shù)很容易做到與機床用的普通鋼或鑄鐵一致，接長方便，甚至可用鋼帶制成整根的長光柵，不易碰碎。標(biāo)尺光柵安裝在機床

64、上需要的面積很小，而且安裝調(diào)整比較方便，可以直接用螺釘或壓板固定在機床的床身上，故大位移測量主要用這種類型。</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　常見光柵的工作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進行工作的。當(dāng)使指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時，必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點近旁的小

65、區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，光的累積作用使得這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點較遠(yuǎn)的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，使這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們所見到的莫爾條紋。</p><p><b>　　光柵傳感器的優(yōu)點：</b></p>

66、;<p>　　具有很高的精度和分辨力；</p><p>　　莫爾條紋有放大柵距的作用，信號更易測量；</p><p>　　若干條莫爾條紋可以有均化誤差的作用；</p><p>　　莫爾條紋可以進行細(xì)分，在光柵距不滿足分辨力要求的情況下可以采用細(xì)分技術(shù)使分辨力提高。</p><p>　　3.2 傳感器的具體選型</p>

67、<p>　　3.2.1 測速傳感器的選擇：</p><p>　　由于測速傳感器安裝在電機軸上，所以應(yīng)該采用旋轉(zhuǎn)變壓器或碼盤。</p><p>　　由于之前計算確定的筆畫定位精度為0.005mm,所以旋轉(zhuǎn)精度為27角分。旋變能打到5角分，碼盤能打到角秒級，所以在精度上，旋變和碼盤都能滿足要求。</p><p>　　環(huán)境方面，由于工作環(huán)境并不是震動很大的惡

68、劣環(huán)境，所以碼盤能夠正常工作，我們不用選適應(yīng)性更強的旋變了。</p><p>　　造價方面，上海力可電氣公司制造的36XZ10-5的旋變造價為680元，而廣東東莞 歐姆龍編碼器，造價為190元，所以就性價比而言，碼盤更合適些。</p><p>　　我們選擇的碼盤型號為：</p><p>　　●    物料: 菲林，厚度0.10

69、/0.18mm</p><p>　　●    外徑: 從10mm到100mm</p><p><b>　　●    性價比高</b></p><p>　　●    解析度: 從 32 CPR to 1024 CPR

70、(相對于 28mm 外徑）</p><p>　　●    運行溫度: 85℃max</p><p>　　3.2.2 位置傳感器的選擇</p><p>　　根據(jù)傳感器特點介紹可知感應(yīng)同步器和光柵在位置測量中具有較高的精度和分辨力，所以初步確定范圍為這兩個傳感器。</p><p>　　由于之前計算中確定的畫

71、筆定位精度為0.005mm，所以傳感器的測量精度和分辨力須高于此精度值。查閱相關(guān)資料可知光柵的精度比感應(yīng)同步器高的多，所以選擇光柵作為位置傳感器。又考慮到本次課設(shè)中光柵的測量范圍較大，而且考慮到工作環(huán)境和可靠性的要求，我們選擇使用反射式光柵，材質(zhì)選擇鋼帶光柵，鋼帶光柵的線膨脹系數(shù)可以更容易做到和導(dǎo)軌用的普通鋼一致，而且接長方便，甚至可用鋼帶制成整根的長光柵，不易碰碎損壞。它的標(biāo)尺光柵安裝在導(dǎo)軌上需要的面積小，安裝方便，可以直接用螺釘或壓

72、板固定在導(dǎo)軌上。</p><p>　　上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，結(jié)合所需精度決定使用海德漢光柵尺，型號為LB382，具體資料如下：</p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)的簡介</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)總體框圖</b></p><p>　　PC上位機將用CAD等制圖軟件制成的圖形信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，并通過數(shù)據(jù)通

73、信接口將指令信息傳遞給主控制器芯片，當(dāng)繪圖儀工作時，位置速度傳感器將筆頭位置信息傳遞給主控制器，主控制器發(fā)送指令給筆頭起落控制器和步進電機驅(qū)動器，這樣就能實現(xiàn)步進電機帶動筆頭在紙面上畫出要求的圖形。</p><p>　　4.2兩種圖形畫法插補原理</p><p>　　4.2.1直線插補原理</p><p>　　下面以第一象限為例，介紹直線插補的過程及計算。</

74、p><p>　　（1） 偏差函數(shù)構(gòu)造 </p><p>　　對于第一象限直線OA上任一點(X,Y):X/Y = Xe/Ye  </p><p>　　若繪制點為Pi（Xi，Yi），則該點的偏差函數(shù)Fi可表示為  </p><p>　　若Fi= 0，表示加工點位于直線上； </p><p>　　若Fi>

75、; 0，表示加工點位于直線上方；</p><p>　　若Fi< 0，表示加工點位于直線下方；</p><p>　　（2）偏差函數(shù)字的遞推計算</p><p>　　采用偏差函數(shù)的遞推式（迭代式）</p><p>　　既由前一點計算后一點 </p><p>　　Fi =Yi*Xe–Xi*Ye</p&g

76、t;<p>　　若Fi>=0，規(guī)定向 +X 方向走一步</p><p>　　Xi+1 = Xi +1</p><p>　　Fi+1 = Xe*Yi –Ye(Xi +1)=Fi –Ye</p><p>　　若Fi<0，規(guī)定 +Y 方向走一步，則有</p><p>　　Yi+1 = Yi +1</p>&l

77、t;p>　　Fi+1 = Xe(Yi +1)-Ye*Xi =Fi +Xe  </p><p><b>　　（3）終點判別</b></p><p>　　直線插補的終點判別可采用三種方法。</p><p>　　1）判斷插補或進給的總步數(shù)；</p><p>　　2）分別判斷各坐標(biāo)軸的進給步數(shù)；<

78、/p><p>　　3）僅判斷進給步數(shù)較多的坐標(biāo)軸的進給步數(shù)。   </p><p>　?。?）逐點比較法直線插補舉例</p><p>　　對于第一象限直線OA，終點坐標(biāo)Xe=6 ,Ye=4，插補從直線起點O開始，故F0=0 。終點判別是判斷進給總步數(shù)N=6+4=10，將其存入終點判別計數(shù)器中，每進給一步減1，若N=0，則停止插補。 </p>

79、;<p><b>　　（5）偏差計算</b></p><p>　　直線四象限的偏差計算公式如下表所示:</p><p>　　4.2.2圓弧插補法原理</p><p>　　下面以第一象限為例，介紹圓弧插補的過程及計算。</p><p><b>　?。?）偏差函數(shù) </b></p&g

80、t;<p>　　若繪制點為點Pi（Xi，Yi），偏差函數(shù)Fi可表示為Ｆi＝Xi 2＋Yi 2－R</p><p>　　若Fi=0，表示繪制點位于圓上；</p><p>　　若Fi>0，表示繪制點位于圓外；</p><p>　　若Fi<0，表示繪制點位于圓內(nèi) </p><p>　?。?）偏差函數(shù)的遞推計算 </p

81、><p><b>　　1） 逆圓插補</b></p><p>　　若F≥0，規(guī)定向-X方向走一步</p><p>　　若Fi<0，規(guī)定向+Y方向走一步 </p><p><b>　　2） 順圓插補 </b></p><p>　　若Fi≥0，規(guī)定向-Y方向走一步 </p

82、><p>　　若Fi<0，規(guī)定向+y方向走一步</p><p><b>　?。?）終點判斷</b></p><p>　　1） 判斷插補或進給的總步數(shù)： </p><p>　　2） 分別判斷各坐標(biāo)軸的進給步數(shù)；</p><p>　　（4）逐點比較法圓弧插補舉例<

83、/p><p>　　對于第一象限圓弧AB，起點A（4，0），終點B（0，4） </p><p><b>　?。?）偏差計算</b></p><p>　　圓弧四象限的偏差計算公式如下表所示:</p><p>　　4.3控制方法及控制電路的簡介</p><p>　　對位置環(huán)而言，由于繪圖時不允許有位置超調(diào)，

84、所以選用比例控制器，為了減小跟隨誤差，引入前饋，為了增大動態(tài)范圍，在不同跟隨誤差時，選擇不同的比例系數(shù)，對速度環(huán)而言，我們采用PI控制，所以總體的控制方法為工業(yè)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用的PID控制，但考慮到，課程設(shè)計要求和知識所限，具體如何實現(xiàn)PID控制，我們在此不作介紹。另外，關(guān)于性能指標(biāo)中的重復(fù)定位精度，我們前面沒有提及，這是應(yīng)為其值和分辨率、系統(tǒng)開環(huán)增益和速度調(diào)節(jié)范圍有關(guān)，其計算公式為至于控制電路和控制芯片，對電機的控制電路已經(jīng)集中在驅(qū)動器

85、中，其中包含了功率放大電路、欠壓保護電路、過流保護電路和過熱保護電路，另外只需設(shè)計一個關(guān)于筆頭起落控制的電路，在此我們通過控制繼電器的通斷來控制電磁鐵，從而控制筆頭的起落，其控制電路如下：</p><p>　　就主控制器選擇而言，有很大的選擇余地，在此我們選擇西門子公司生產(chǎn)的PLC S7-200系列中的CPU 224 CN AC/DC/RLY型號，它有如下特點：</p><p>　　CPU

86、單元設(shè)計：集成的24V負(fù)載電源：可直接連接到傳感器和變送器（執(zhí)行器）。</p><p>　　本機數(shù)字量輸入/輸出點：CPU 224具有14個輸入點和10個輸出點。</p><p>　　6個高速計數(shù)器（30KHz），可編程并具有復(fù)位輸入，2個獨立的輸入端可同時作加、減計數(shù)，可連接兩個相位差為90°的A/B相增量編碼器。</p><p>　　脈沖輸出：2路高頻

87、率脈沖輸出（最大20KHz），用于控制步進電機或伺服電機實現(xiàn)定位任務(wù)。</p><p>　　EEPROM存儲器模塊：可作為修改與拷貝程序的快速工具（無需編程器），并可進行輔助軟件歸檔工作。</p><p>　　總的來說，本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30

88、kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸，是具有較強控制能力的控制器。</p><p><b>　　系統(tǒng)評價與結(jié)論</b></p><p>　　本文提出了X-Y平面繪圖儀的總體設(shè)計方案，其中包含機械傳動部分、電機驅(qū)動部分、傳感器

89、部分、軟件控制部分以及工作臺結(jié)構(gòu)等。應(yīng)課程設(shè)計要求，我們只是稍帶提及了軟件控制盒工作臺結(jié)構(gòu)，簡單選擇了傳動絲杠和導(dǎo)軌副，著重分析了電機的參數(shù)計算和選型以及傳感器的選型。電機我們選擇了型號為BSHB368的三相步進電機，其價格約為288元每臺，驅(qū)動器選擇型號為Q3HB64MA驅(qū)動器，其價格約為370元每臺。位置傳感器我們選擇型號為海德漢的光柵LB382，為不銹鋼鋼帶光柵，而且有外殼密封，能可靠的工作在適應(yīng)一般的室內(nèi)繪圖環(huán)境。速度傳感器我們

90、選擇KERNEL的碼盤?？傮w而言，我們設(shè)計的X-Y繪圖儀配上相應(yīng)的算法，能夠達到指定指標(biāo)，且總體造價較低廉，若成批生產(chǎn)，成本還會所有下降。本次課程設(shè)計不足的是未能全面細(xì)致地給出整個系統(tǒng)的各個部分的設(shè)計，比如控制部分、數(shù)據(jù)通信、機械結(jié)構(gòu)等，不過限于所學(xué)知識和課設(shè)要求，本次課設(shè)達到了相應(yīng)的教學(xué)目的。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　《自動

91、控制元件與線路》 第四版 梅曉榕等 科學(xué)出版社</p><p>　　《控制系統(tǒng)設(shè)計指南》 第三版 劉君華 譯 電子工業(yè)出版社</p><p>　　《運動控制系統(tǒng)》 李寧 陳桂 高等教育出版社</p><p>　　一種繪圖儀控制系統(tǒng)的探討與研究 孟令旸 科技信息</p><p>　　《電機與電力拖動》 朱耀忠