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ElectricalSpecification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*d1
(1)
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*d2
(2)
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/sinθ(3)
从(3)式可得到对应的莫尔条纹的斜率为
tanφ=(d1*cosθ-d2)/d1*sinθ(4)
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)*12(5)
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 (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
δk=15~20MPξ=0.85
Pa=δk×
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:
z≦W/9.5×
√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1、2的参数见表
弹簧
簧丝直径d/mm
弹簧中径D/mm
节距t/mm
试验载荷Fs/N
有效圈数
n
试验载荷下的变形量fs/mm
弹簧刚度K/N*mm-1
最大心轴直径Dx/mm
最小套筒直径Dt/mm
1
12
7.78
27.3
11
52.47
0.518
9
15
2
10
3.46
231
3
4.41
52.67
7
13
弹簧刚度计算:
弹簧1:
旋绕比C=D/d=12
由转矩T而引起的剪应力τ1=T/Wt=8FC/(πd^2)=8.3424Mpa
剪切力F而引起的剪应力τ2=F/A=4F/(πd^2)=0.3476Mpa
Τmax=k1*(8FC/(πd^2))=9.3384Mpa≤(0.5-0.6σb)
同理
弹簧2:
旋绕比C=D/d=5
由转矩T而引起的剪应力τ1=T/Wt=8FC/(πd^2)=7.35Mpa
剪切力F而引起的剪应力τ2=F/A=4F/(πd^2)=0.7353Mpa
Τmax=k1*(8FC/(πd^2))=9.632Mpa≤(0.5-0.6σb)
所以弹簧刚度符合要求。
5、滚珠丝杠的选择:
根据结构要求,选定滚珠丝杠的导程Ph=4mm,滚珠的直径Dw=(0.6-0.66)Ph≈25mm,Ph为导程
初定螺旋升角λ为2°
~5°
由λ=arctg(ph/(π*d0))得
d0=14.5~36.4,取公称直径d0=16mm,查表知d2=13.50mm
主要参数得确定:
由机构图知,滚珠丝杠一端固定,一端自由,可知k1=0.25,k2=1.875,因为滚珠丝杠的有效长度必须≥100mm,所以取有效长度ls为110mm,支承长度la取130mm,再不发生弯曲变形时,可承受得最大轴向力P1为:
P1=(k1*π^2*E*I)/la^2
K1为支承系数
E=2.1*10^5Mpa为材料的纵向弹性模量
I=π*(d2^4)/64,为丝杠得最小截面惯性矩
d2为滚珠丝杠螺纹底径,将常数带入上式得
P=(1.02*10^4*k1*(d2^4)/la^2,得P=50117
按计算结果得50﹪~80﹪确定得许用轴向力「p」,
「p」=(50﹪~80﹪)p=25059~40094
取「p」=30000
滚珠丝杠得临界转速:
由计算式
带入常数得
Nc=(1.22*10^4*k2^2*d2)/lb^2
取lb=150mm,将数据带入上式得,
Nc=2.57*10^4(r/min)
临界转速为80﹪*Nc=20560(r/min)
满足条件
滚珠丝杠副的刚度:
系统的刚性用弹性系数表示
弹性系数K=F/δ
F为系统所受的载荷(N),Fmax=30000
δ为系统的弹性变形量(mm),δmax=100
带入数据得到
K=300
所以系统的刚性为1/K=1/300
丝杠的刚性为Ks=(A*E)/la=(1.65*10^5*d2^2)/la^2
带入数据
Ks=2.313*10^5
滚珠丝杠的寿命计算
根据基本额定动负荷计算
在一定轴向负荷下寿命转数:
其中
为一定工作条件下得负荷系数
取
=1.2,查表知
=5744,
=27.3
带入上式得,L=5.4*10^12
一定转速下寿命时间为
带入数据,
Lh=4.4*10^6(h)
6、程序代码
ORG0000H
MAIN:
MOVDPTR,#7F00H;
与计数器相连的8155地址
MOVA,#00H
MOVX@DPTR,#BF00H;
与LED相连的8155地址
MOVX@DPTR,A
READ:
MOVDPTR,#7F01H;
A口地址,数据采集
MOVXA,@DPTR;
采集12位脉冲个数的高8位数据
MOVR3,A
MOVDPTR,#7F02H;
B口地址
MOVA,@DPTR;
采集12位脉冲个数的低4位数据
MOVR2,A
;
跟据脉冲数和栅距求实际位移量
ORG0100H
MOVSP,#60H
START:
PUSHR3;
保护十位
PUSHR3;
保护个位
MOVA,R2;
百位→A
ANLA,#0FH;
屏蔽高四位
MOVB,#64H;
乘数→B
MVLAB;
百位×
64H
MOVR2,B;
高位→R2
MOVR3,A;
低位→R3
POPACC;
恢复十、个位
ANLA,#0F0H;
保留十位数
SWAPA;
十位数→A后位
MOVB,#0AH;
乘数0AH→B
MULAB;
十位×
0AH
ADDA,R3;
低八位加低八位
保存低八位
MOVA,B;
高八位送A
ADDCR2,A;
带进位高位相加
MOVR2,A;
保持高八位
恢复个位
保留个位
低八位加个位
ADDCA,#00H;
高八位加进位
保存高八位
SJMP$;
结束
将单片机内处理得出的位移值先经BCD码转换,在输出通过LED显示
INVERT:
MOVA,R7;
BCD码转换子程序
MOVR1,A
MOVR2,#03H
INCR2
CLRA
BB0:
MOV@R1,A
INCR1
DJNZR2,BB0
MOVA,#03H
MOVB,#08H
MULAB
MOVR3,A
BB3:
MOVA,R7
MOVR0,A
ACALLRLC1
CLRC
BB1:
MOVA,@R0
RLCA
MOV@R0,A
INCR0
DJNZR2,BB1
MOVA,R7
BB2:
MOVA,@R1
ADDCA,@R1
DAA
MOV@R1,A
DJNZR2,BB2
DJNZR3,BB3
RET
DIS:
MOVR3,#01H;
显示子程序
MOVA,R3
LD0:
MOVDPTR,#BF01H
INCDPTR
MOVA,@R1
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
DIR1:
MOVX@DPTR,A
ACALLDL1
JBACC.5,LD1;
是否扫描到最左面的显示器
RLA;
没有到,左移1位
AJMPLD0
LD1:
RET
TAB:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH;
共阴极7段显示字符编码
DB7DH,07H,7FH,6FH,00H
DLMS:
MOVR7,#02H
DL:
MOVR6,#0FFH;
延时1秒
DL1:
DJNZR6,DL1
DJNZR7,DL
END
参考文献
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