三維測頭數(shù)據采集模板的設計

1、西安工業(yè)大學畢業(yè)設計(論文)本科畢業(yè)設計論文題目： 三維測頭數(shù)據采集模板的設計 院 系： 機電工程學院 學科專業(yè)： 機械設計制造及其自動化學 生： 延春雨 學 號： 050209120 指導教師： 李 平 2009年 06月ii三維測頭數(shù)據采集模板的設計摘 要cnc齒輪測量中心是我校與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的精密測量儀器，利用坐標測量原理，可對多種類型的零件進行自動測量和精度評定。由于技術發(fā)展，三維測頭和交流伺服電機應用于齒輪測量中心已成為主流。為了保持在此項目上的優(yōu)勢，現(xiàn)開展了在cnc齒輪測量中心上使用三維模擬測頭的工作，本課題的內容就是為三維測頭設計相應的數(shù)據采集模板。本文是基于isa總線的數(shù)據采集

2、通道的設計。通過使用合適的譯碼電路來執(zhí)行總線命令，將測頭的模擬信號，經過所選的a/d轉換器的轉換，轉換為計算機可以讀取的數(shù)字信號，從而完成相應的測量任務。本文根據a/d轉換器的時序，完成了應用電路的設計，并利用protel99se軟件繪制了整個數(shù)據采集通道的電路原理圖和pcb圖。本文結合cnc齒輪測量中心r軸、z軸、t軸自上而下分布的結構，通過對所選的滾珠絲杠的剛度計算、所選電機的轉動慣量的核算以及傳動系統(tǒng)的剛度計算，完成了對cnc齒輪測量中心z軸的設計。本文設計的電路完成了三維模擬測頭信號的采集。機械部分的布局及其剛度滿足傳動的要求。關鍵詞：cnc齒輪測量中心；a/d轉換器；isa總線；傳動

3、系統(tǒng)design of data acquisition board for 3d probeabstractcnc gear measuring center is precision measurement instruments which invented by my university and business development, the use of coordinate measuring principle, can be a variety of types of parts for automatic measurement and accuracy assessm

4、ent. as a result of technological development, three-dimensional measurement and ac servo motor used in the first gear measuring center has become the mainstream. in order to maintain the advantages of this project, now carried out the work of the use of three-dimensional simulation in cnc gear meas

5、urement center measuring, the contents of this issue is designing three-dimensional probe template corresponding data acquisition.data acquisition channels based on the isa bus was designed. the isa bus order was carried out by decoding circuit. under the control of isa bus order, analog signals fro

6、m analogue gauge head will be converted into digital signal by a/d converter, and then the task of measuring was completed. a operating circuit of data acquisition board and a pcb was designed according to the conversion timing sequence of a/d converter by the protel 99se software.the z axis was des

7、igned by analyzing the structure of cnc gear survey center , choosig reasonable ballscrew pairs and electric motor and calculating the rigidity of system.the collect of signal of 3d analogue probe was operated exactly by the designed circuit. the layout of machine part and the rigidity of system sat

8、isfied to the requirement of z axis of cnc gear survey center.key word: cnc gear measuring center; a/d converter ;isa bus；drive system目 錄中文摘要i英文摘要ii主要符號表11 緒論11.1前言11.2 cnc齒輪測量測量中心國內外相關研究情況11.3課題的目的及意義21.4課題研究的內容32 硬件電路設計42.1方案設計42.2電路設計42.2.1 ad轉換器選擇42.2.2數(shù)據緩沖器和寄存器的選擇72.2.3參考電源的選擇82.2.4晶振的選擇92.2.5運

9、放的選擇92.2.6接口電路的設計92.2.7電路原理圖112.3 pcb版圖設計112.3.1電器規(guī)則檢查（erc）112.3.2 生成網絡表122.3.3 導入網絡表133 cnc齒輪測量中心z軸傳動系統(tǒng)設計163.2 cnc齒輪測量中心z軸機械結構總體方案的確定163.2.1配重的計算173.2.2傳動系統(tǒng)的選定及計算183.2.3電機的選定及計算223.2.4導軌的選定243.3 z軸機械結構圖25結 論27致 謝29參考文獻30附錄1 硬件電路原理圖附錄2pcb版圖附錄3 機械機構圖3主 要 符 號 表 脈沖當量msb 最高有效位lsb 最低有效位l z軸長h z軸寬d z軸高 導程

10、 機床工作臺最快進給速度 驅動電機最高轉速 公稱直徑 拉壓 剛度q 軸向最大載荷 固有頻率1 緒論1 緒論1.1前言無論是過程控制或是自動檢測，都是將來自各種傳感器的模擬信號（電流或電壓）轉換為數(shù)字信號傳輸給計算機處理后發(fā)出信息，進行數(shù)字顯示或控制執(zhí)行機構動作。顯然，設計一種高精度、低增益誤差的數(shù)據轉換模塊，使采集到的數(shù)據準確可靠，是保證控制或監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定工作的首要條件1。數(shù)模轉換器是工業(yè)檢測和控制系統(tǒng)中數(shù)據采集子系統(tǒng)的重要部件，它是測控現(xiàn)場的模擬信號源與數(shù)字計算機之間的接口，其任務是把現(xiàn)場中連續(xù)變化的被測信號轉換成離散信號，再由工控計算機作進一步的數(shù)據處理。這就要求系統(tǒng)將所采集的模擬數(shù)據信號

11、盡可能真實的、不失真的顯示給控制人員2。目前，工業(yè)系統(tǒng)具有代表性的有isa總線、pxi總線和pci總線其中isa總線因其生產最早、應用接口簡單仍在許多對傳輸速度要求不是很高的場合被使用在工控計算機應用中3。為此，本設計主要是基于isa總線的a/d轉換模板。該模板以a/d轉換為核心 ，在isa總線技術的基礎上，利用較少的外圍元件來實現(xiàn)多通道、高精度的a/d轉換4。1.2 cnc齒輪測量測量中心國內外相關研究情況1995年9月在北京舉行的第四界中國國際機床展覽會上，我國開發(fā)研制的cnc齒輪測量中心首次展出，標志著我國的齒輪測量技術正在逐步接近國際先進水平。不過在儀器精度、穩(wěn)定性,尤其在測量軟件(如

12、弧錐齒輪的測量軟件) 、儀器故障診斷功能等方面,和國外還有一定差距。近年來國產 cnc 齒輪測量中心有了長足的發(fā)展,其質量和性能不斷提高,已經具有和國外產品競爭的能力。哈量的3903a齒輪測量中心,經過幾年努力,儀器精度和測量速度據稱已達到或接近 klingelnberg公司產品的先進水平。哈爾濱精達公司作為后起之秀,發(fā)展引人矚目:其jd、jds系列齒輪測量中心,目前在國內產品中銷量最多。進入21世紀，世界工業(yè)的發(fā)展為齒輪制造業(yè)的發(fā)展提供了前所未有的機遇，但同時對齒輪制造業(yè)提出了更高的要求，為此，強化并提高齒輪制造全過程的測量與監(jiān)控技術水平獲得了空前的重視,同時也為齒輪測量技術的發(fā)展提供了契機

13、?，F(xiàn)今主要有以下幾股技術潮流：1) 齒輪整體誤差測量與齒輪坐標測量合二為一。我國推出了既有標準蝸桿西安工業(yè)大學畢業(yè)設計(論文)又有測頭的齒輪測量機czn450;而國外的cnc齒輪測量中心也能給出“虛擬整體誤差”。2) 齒輪測量中心與三坐標測量機合二為一。美國tsk公司的 radiance和 process equipment company的 nd430 就是按這種理念研制的。3) 功能測試與分析測試合二為一。簡化齒輪測量是發(fā)展趨勢,齒輪整體誤差測量儀因高效率地給出齒輪全信息而會為世界接受。4) 齒輪加工與測量合二為一(一體化)。自從1988年maag公司在cnc齒輪磨床se202e上耦合cn

14、c齒輪測量技術以來,齒輪在機測量技術在齒輪磨床上得到普通采用。cnc齒輪測量中心經過二十多年的不斷改進與完善，在實際測試中已顯示出其優(yōu)越性?，F(xiàn)在，它已經成為工業(yè)化國家檢測齒輪的主要工具5。cnc齒輪測量中心自70年代誕生以來得到了迅速發(fā)展，目前在美國、日本、瑞士等國十多個廠家開發(fā)生產齒輪測量中心。其中一些廠家從90年代開始停止了傳統(tǒng)齒輪量儀的生產，全部轉向生產齒輪測量中心。我國從“七五”后期”到“八五”期間投入較多資金和技術力量開發(fā)研制齒輪測量中心6。cnc齒輪測量中心是八十年代國際上迅速發(fā)展起來的機電結合的高技術齒輪量儀，八十年代后期國外產品開始進入我國。與傳統(tǒng)的機械式齒輪量儀相比，cnc齒

15、輪測量中心不僅能測量齒輪，還可以測量復雜刀具、蝸輪、蝸桿、凸輪、曲軸等復雜工件，測量精度高、速度快、功能強，一次裝夾可以自動完成工件的多項參數(shù)的測量，同時解決了許多用傳統(tǒng)方法無法檢測的技術難題。無論是制造中的技術含量，還是使用時的性能指標，cnc齒輪測量中心都代表了當今國際上最先進的測試技術水平7。1995年9月在北京舉行的第四屆中國國際機床展覽會上，我國開發(fā)研制的cnc齒輪測量中心首次展出，標志著我國的齒輪測量技術正逐步接近國際先進水平。cnc齒輪測量中心經過二十多年的不斷改進與完善，利用先進的cnc技術、caa技術、精密檢測技術等，并吸收三坐標測量機的一些最新技術成就，逐步發(fā)展成為齒輪量儀

16、的換代產品。在一些技術發(fā)達國家，cnc齒輪測量中心正逐步取代傳統(tǒng)的機械展成式量儀，成為齒輪檢測的主要手段9。德國heindenhain的p系列齒輪測量中心，其特點是采用了專利的三維數(shù)字式高精度光柵測量頭(使用了heindenhain的超高精度光柵)，性能穩(wěn)定的優(yōu)質鑄鐵床身，高性能直線電動機驅動系統(tǒng)，高精度滾珠軸系和密珠滾動導軌。儀器精度達到德國標準1級；日木的齒輪測量儀器制造商，在我國市場經過近十年的沉寂后近年來亮相頻繁9。大阪精機在gc-hp系列齒輪測量儀器的基礎上，開發(fā)出cnc電子創(chuàng)成式的clp系列齒輪測量儀器10。1.3課題的目的及意義cnc齒輪測量中心是我校與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的精密測量儀器

17、，利用坐標測量原理，可對多種類型的零件進行自動測量和精度評定。由于技術發(fā)展，三維測頭和交流伺服電機應用于齒輪測量中心已成為主流。為了保持在此項目上的優(yōu)勢，現(xiàn)開展了在cnc齒輪測量中心上使用三維模擬測頭的工作，本課題的內容就是為三維測頭設計相應的數(shù)據采集模板。1.4課題研究的內容本課題主要是從電路的設計以及機械部分結構的設計來滿足在cnc齒輪測量中心上使用三維模擬測頭的要求。本課題主要研究內容： （1）設計適用于cnc齒輪測量中心的三維測頭數(shù)據采集卡，要求基于isa總線，三路16位ad轉換，能同時啟動ad轉換的電路模塊。 （2）電路模塊實現(xiàn)于pcb版圖。 （3）設計cnc齒輪測量中心的z軸。 2

18、 硬件電路設計2 硬件電路設計2.1方案設計基于本課題制定了如下的兩個方案:(1)此方案是不對每一個模擬信號都是用ad轉換器，是將模擬信號經多路開關和采樣保持器再送至ad轉換器，可以減少使用ad轉換器。此方案優(yōu)點是當需要對多個模擬量進行模數(shù)變換時，由于模數(shù)轉換器（a/d轉換器）的價格較貴，通常不是每個模擬量輸入通道設置一個a/d，而是多路輸入模擬量共用一個a/d，中間經過多路轉換開關切換，即模擬量多路轉換開關；a/d轉換需要一定時間,在轉換過程中,如果送給ad轉換器的模擬量發(fā)生變化,則不能保證精度，為此在ad轉換器前加入采樣保持電路,起采樣和保持作用。（2）此方案是直接將齒輪測量中心的r、z、

19、t軸的模擬信號通過是三個ad轉換器，將其同時變?yōu)閿?shù)字信號，實現(xiàn)了同步轉換。由于要求3路16位a/d轉換，并且能同時啟動a/d轉換，因此選擇方案2。方案2具體流程是三維測頭的模擬信號經過a/d轉換器變?yōu)閿?shù)字信號，數(shù)字信號經數(shù)據緩沖器將數(shù)據寄存其中。isa總線與a/d轉換器之間的接口電路開始作用，cpu通過控制線啟動a/d轉換，地址線通過譯碼器尋址以及總線的ior(讀信號)將目的命令送到數(shù)據緩沖器，同時總線向發(fā)出ior（讀信號）至數(shù)據緩沖器，數(shù)據緩沖器接到命令后通過數(shù)據線將所寄存的數(shù)據送到總線緩沖器（實現(xiàn)速度配合和滿足驅動的需要），再至isa總線，從而實現(xiàn)數(shù)據采集功能。三維模擬測頭數(shù)據輸入通道的方

20、案如圖2.1所示。15西安工業(yè)大學畢業(yè)設計(論文)圖2.1方案圖2.2電路設計2.2.1 ad轉換器選擇本系統(tǒng)用于位移測量，位移的正負是根據電壓的正負來判別的，故每路選用一個雙極性a/d轉換器。對于a/d轉換器的選擇來說，轉換時間和分辨率是兩個重要參數(shù)。由任務書的技術指標（測頭量程1，分辨率0.1um，輸出電壓5v），計算得，可知為16位ad轉換器。ad轉換器按轉換電路結構和工作原理分類有并行比較性、分機型、逐次逼近型、跟蹤計數(shù)型、積分型、壓頻轉換型、型，根據各類型的特點結合任務書要求，選擇逐次比進型；由于輸出電壓為5v，所以選擇雙極性轉換器，綜合上述要求，選定16位ad676為本次設計的轉換

21、器。a. ad676的主要特點 ad676是逐次逼近型通用16位adc，它與傳統(tǒng)的逐次逼近型adc有所不同，采用開關/電容重分布(switched-capactior/charge redistribution)技術代替了傳統(tǒng)的倒梯形電阻網絡結構，這種技術消除了倒梯形電阻網絡結構中電阻值的溫度漂移和不匹配造成的誤差，并且在沒有單獨的采樣/保持電路情況下具備采樣/保持其的功能。ad676片內的自動校準消除了內部的非線性誤差，使器件達到最佳的性能。b. ad676的引腳說明 ad676采用28引腳雙列直插的陶瓷(ceramic dip)封裝，圖2.2是ad676的引腳排列圖，下面對ad7676各引

22、腳功能進行說明。1) 數(shù)據輸出引腳 bit1bit16是ad676轉換結果的16為數(shù)據輸出引腳。其中，bit1是數(shù)據的最高有效位(msb),bit16是數(shù)據的最低有效位(lsb)。2) 模擬輸入和參考電壓有關的引腳 是ad676的參考電壓輸入引腳。這個引腳的輸入電壓確定ad676模擬電壓的輸入范圍。因為模擬測頭的輸入電壓為5v ，故ad676的參考電壓為5v 。是ad676的模擬輸入電壓引腳，輸入電壓范圍為,即5v。agnd sense是模擬信號地引腳。這個引腳應與信號電源的地端相連，用以消除信號源地與系統(tǒng)地之間電位差對模擬信號的影響。3) 轉換和校準控制以及狀態(tài)有關的引腳 cal是ad676

23、的校準控制輸入引腳。它是異步控制輸入。cal輸入高電平，ad676內部電路復位，并且終止當前的校準或轉換過程。cal的下降沿啟動校準過程。sample是ad676的轉換啟動引腳。sample輸入為高電平，ad676對模擬輸入進行采樣，采樣時間至少為2us；sample輸入的下降沿啟動ad676的模數(shù)轉換過程。busy是ad676的狀態(tài)輸出引腳。busy輸出高電平，表示ad676正在轉換或校準過程當中。clk是主時鐘輸入引腳。ad676完成一次轉換需要17個時鐘周期。4)電源有關的引腳 是數(shù)字電源引腳，電源電壓為+5v。dgnd是數(shù)字地引腳。是模擬正電源引腳，電源電壓為+12v。是模擬負電源引腳

24、，電源電壓為-12v。agnd是模擬地引腳11。 圖2.2 ad676的引腳排列圖c. ad676的自動校準時序 ad676的自動校準功能在用戶不做任何調整的情況下，能消除芯片內部的零位誤差和由于電容不匹配造成的誤差。ad676的自動校準時序如圖2.3所示。當校準控制輸入cal變?yōu)楦唠娖綍r，內部電路復位，延遲時間后，busy輸出高電平。cal是異步的硬件復位，它終止任何當前進行的校準或轉換過程。cal的下降沿啟動d676的自動校準過程，ad676的自動校準需要85530個時鐘周期。在自動校準結束時，busy變?yōu)榈碗娖?。在自動校準期間，sample應保持低電平。在大多數(shù)應用場合，ad676只需上

25、電時進行一次自動校準。進行自動校準時，必須保證電源和參考電壓已經穩(wěn)定。另外，需特別注意的是：ad676在使用時，必須進行自動校準，否則ad676的精度可能只有10位，更嚴重的是，ad676可能進入不確定狀態(tài)。圖2.3 ad676的自動校準時序圖d. ad676的轉換控制時序 ad676的sample即是采樣控制信號，又是轉換控制信號。在sample為高電平時，ad676對模擬輸入進行采樣。在sample的下降沿， ad676開始對sample下降沿后一個孔徑時間的模擬輸入電壓進行轉換。在sample下降沿后，狀態(tài)信號busy輸出高電平，指示ad676正處于轉換過程當中，轉換結束時，busy輸出

26、低電平。在轉換過程結束之前，ad676忽略sample輸入的狀態(tài)，因此，ad676必須在前一次轉換過程中完成后，才能再次啟動轉換過程。ad676的轉換時序如圖2.4所示。如前所述，當sample 為高電平的時間至少為=2us，sample的下降沿后，busy輸出為高電平。ad676要求sample為低電平的時間至少為=100us,在此以后，直到轉換結束之前，ad676忽略sample輸入的狀態(tài)。在sample下降沿后主時鐘clk的作用下，ad676進行逐次逼近過程，在第17個clk的上升沿后，轉換結果在bit1bit16數(shù)據輸出引腳上有效，同時，在數(shù)據有效=50 us后，busy輸出低電平，指

27、示轉換過程結束。在新的轉換結束之前，bit1bit16引腳的輸出數(shù)據始終保持不變。在busy輸出低電平后，ad676將忽略clk的時鐘信號。圖2.4 ad676的普通轉換時序圖2.2.2數(shù)據緩沖器和寄存器的選擇 模擬信號經ad676的轉換，輸出為16位數(shù)字信號，經數(shù)據緩沖器鎖存后，便于總線的讀取。故所選的數(shù)據寄存器要能滿足16位數(shù)據的寄存，可以用兩個8位的數(shù)據寄存器來實現(xiàn)。為了能在一條傳輸線上傳送不同部件的信號，須選擇具有三態(tài)門的寄存器，即器件沒有選通的話它就處于高阻態(tài)，相當于沒有接在總線上，不影響其它器件的工作。因為在一個總線上同時只能有一個端口作輸出, 這時其他端口必須在高阻態(tài), 同時可以

28、輸入這個輸出端口的數(shù)據。根據以上技術要求，選定74ls541作為本系統(tǒng)的數(shù)據緩沖器，其引腳圖如圖2.5所示。同時為了滿足總線驅動能力，選擇具有三態(tài)門的74ls245作為總線寄存器，起驅動作用，其引腳圖如圖2.6所示。圖2.5 74ls541引腳圖 圖2.6 74ls245引腳圖2.2.3參考電源的選擇 ad676要求采用低輸出阻抗、低噪聲的參考源，以便在負載電流變化時，參考源的輸出電壓保持穩(wěn)定。ad586是低成本、低噪聲和低漂移的+5v電壓參考源。 在沒有使用外部元件的情況下，初始精確度和溫度系數(shù)產生的誤差很小。在0到+70之間，ad586m的最大偏差為5.000v到2.54mv。在-55到+

29、125之間，ad576t的最大誤差值為7.5mv。ad586產生很低的噪聲輸出，典型值是4uv p-p。ad586提供了一個噪聲削減引腳，通過使用一個外部電容來增加對噪聲的濾波。為了適應更高的精度要求，ad586提供了一個可選的trim端。如圖2.7為ad586的引腳圖。其中測試點，不接入電路。trim為一個可選端，只是為了能夠適應更高的精度要求。在8腳和地端接一個鉭電容可降低ad586輸出的寬帶噪聲。ad586的參考源電路如圖2.8所示。圖2.7 ad586引腳圖 圖2.8 ad586參考電源2.2.4晶振的選擇 在本系統(tǒng)中，ad676的時鐘由外部時鐘提供。晶振的作用就是為系統(tǒng)提供基本的時鐘

30、信號，為數(shù)字電路的工作提供一個時序控制的標準時刻。 它用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。根據ad676的時序參數(shù)指標，可知ad676的最小時鐘(clk)周期為480ns, 因此所選的晶振的頻率必須為35.7mhz才能滿足系統(tǒng)的要求。據此，本系統(tǒng)選擇hc14dy36.860mhz。2.2.5運放的選擇 由于ad676要求的vin（模擬電壓輸入引腳）的輸入電壓范圍為vref，vref為12v,而任務書要求的輸出電壓為5v，所以需要用放大器來放大電壓，放大倍數(shù)為12/5=2.4 ,選擇ad84

31、5為運算放大器。在大多數(shù)應用場合，ad676的模擬輸入需要采用外部運算放大器來驅動。但是由于在一般的負載條件下（不考慮電流階躍問題），就ad676的性能而言，大多數(shù)運算放大器并不能滿足對低失真的要求，因此在選擇運算放大器時應特別謹慎。2.2.6接口電路的設計 基于isa總線的數(shù)據采集一般有很多地址線用來尋址以及譯碼電路，所以以尋址和譯碼為主來說明接口電路。a.尋址：集成電路的不斷發(fā)展 要尋址某個端口，除了找到該芯片外，還要能區(qū)分出不同端口。內部端口的區(qū)分是有接口電路內部的譯碼邏輯完成的，本設計中為使接口部件的口地址能適應不同的地址分配場合，或為系統(tǒng)以后的擴充留有余地，用開關式可選口地址譯碼方法

32、，這種方法可根據要求撥動開關來改變端口地址而無須改動硬件電路，其邏輯電路如圖2.9所示圖2.9開關可選地址譯碼邏輯電路 b.譯碼：基于課題要求使用三個16位ad轉換器，其引腳的各個特性要求如sample（轉換啟動輸入引腳）、cal（校準控制輸入引腳）等需要譯碼器的輸出端接非門來實現(xiàn);另外使用了6個數(shù)據緩沖器，需要使用譯碼器來實現(xiàn)數(shù)據傳輸，所以選擇2個3-8譯碼器級聯(lián)來實現(xiàn)，如圖2.10所示。圖2.10譯碼器級聯(lián)電路2.2.7電路原理圖 三路模擬信號通過db9針的插座進入ad676轉換器，由放大電路放大后在參考電源ad586和晶振hc14dy36.860mhz的作用下，由isa總線發(fā)出的命令來控

33、制ad676對模擬信號的轉換。電路圖如圖2.11所示。圖2.11 a/d轉換電路電路圖2.3 pcb版圖設計2.3.1電器規(guī)則檢查（erc）在對a/d轉換器，數(shù)據緩沖器，晶體振蕩器等引腳圖在protel99se中放置后，進行連線，完成了原理圖的繪制，要設計pcb版圖必須對原理圖進行erc即電氣規(guī)則檢查，檢查無誤后會生成一個報表，如圖2.12所示。圖2.12erc報表2.3.2 生成網絡表pcb版圖設計需要導入網絡表，所以要將原理圖生成網絡表，其中最重要的是對元器件的封裝的編輯，為之后的導入網絡表奠定基礎，網絡表生成后將在protel99se形成一個后綴.net的文件，如圖2.13所示圖2.13

34、 網絡表2.3.3 導入網絡表新建一個pcb文檔，在其中導入網絡表，找到原理圖所對應的網絡表，無誤后會出現(xiàn)如圖2.14所示的菜單來說明其正確性。圖2.14 裝載/前向注釋網絡表2.3.4 pcb版圖繪制a.pcb布局 在設計中，布局是一個重要的環(huán)節(jié)。布局結果的好壞將直接影響布線的效果，因此可以這樣認為，合理的布局是pcb設計成功的第一步。 a.相同功能的元件要集中布局，擺放一致，符合常規(guī)。b. 在一個pcb板上，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能頭重腳輕或一頭沉。c. 考慮整體美觀。b.pcb布線 在pcb設計中，布線是完成產品設計的重要步驟，可以說前面的準備工作都是為它而做的， 在整個pc

35、b中，以布線的設計過程限定最高，技巧最細、工作量最大。pcb布線有單面布線、 雙面布線及多層布線。本pcb采用雙面布線，兩相鄰層的布線互相垂直，因為平行容易產生寄生耦合。除此之外，為了提高pcb的抗干擾性能，需要對pcb做一些處理：1）在電源、地線之間加上去耦電容。2）盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關系是：地線電源線信號線，通常信號線寬為：0.20.3mm,最經細寬度可達0.050.07mm,電源線為1.22.5 mm 。對數(shù)字電路的pcb可用寬的地導線組成一個回路, 即構成一個地網來使用(模擬電路的地不能這樣使用) 為了避免高頻信號通過印制導線時產生的電磁輻射，在印制電

36、路板布線時，還應注意以下幾點：1）盡量減少印制導線的不連續(xù)性，例如導線寬度不要突變，導線的拐角應大于90度禁止環(huán)狀走線等。2）時鐘信號引線最容易產生電磁輻射干擾，走線時應與地線回路相靠近，驅動器應緊挨著連接器。3）總線驅動器應緊挨其欲驅動的總線。對于那些離開印制電路板的引線，驅動器應緊緊挨著連接器。4）數(shù)據總線的布線應每兩根信號線之間夾一根信號地線。最好是緊緊挨著最不重要的地址引線放置地回路，因為后者常載有高頻電流。根據上述設計原則，完成了pcb圖。見附錄23 cnc齒輪測量中心z軸傳動系統(tǒng)設計3 cnc齒輪測量中心z軸傳動系統(tǒng)設計 ccz40a型齒輪測量中心機械本體由底座、大理石平臺、直線導

37、軌、滑架、主軸測微儀及上頂尖柱等部分組成。它的工作臺采用大理石工作臺，大理石平臺安裝在底座上, t軸、z軸、r軸分布于工作臺之上。切向t、軸向z和徑向r導軌自下而上布局，將對測量精度影響最大的切向導軌放在最底層，有利于保證機械精度。通過計算機控制,三個直線運動軸(r向、t向、z向 )和一個旋轉運動軸()在各自的伺服系統(tǒng)驅動下實現(xiàn)聯(lián)動。根據被測工件的參數(shù),使三個直線運動軸上的測微儀相對隨旋轉坐標軸轉動的工件產生所需要的測量運動。在整個測量過程中,計算機采集存貯測微儀的偏移量和同一時刻各運動軸實際坐標值,經過數(shù)據處理,與被測項目的理論值比較,得出測量結果。整個測量過程由計算機自動完成。導軌采用了封

38、閉式密珠結構，消除了換向時滑臺的扭擺。徑向傳動采用了密珠導軌加測桿移動鎖緊結構，既滿足了基圓長度變化的要求，又不需要傳統(tǒng)導軌的力度，提高了定位和測量精度。傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副。滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)采用交流伺服電機驅動，相對于采用步進電機帶動滾珠絲杠的進給方案，交流伺服電機有著其獨到的優(yōu)點：1）閉環(huán)控制。驅動器實時監(jiān)測電機位置，能有效保證系統(tǒng)的安全，不存在象步進電機的丟步問題；2）無震動。震動是步進電機的固有缺陷，無法克服；而伺服電機不存在震動的問題；3）發(fā)熱量小，效率高。步進電機無論有無負載，均按照設定電流運行，而伺服電機根據負載大小，實時調整電流大小。所以，步進電機發(fā)熱量大，而伺服電機發(fā)熱量

39、比較??；4）轉速范圍大。步進電機一般工作在1000rpm以下，而伺服電機可以達到10000rpm；3.2 cnc齒輪測量中心z軸機械結構總體方案的確定 z軸是測量中心t軸之上的一個傳動結構，它的運動帶動其上r軸運動。26西安工業(yè)大學畢業(yè)設計(論文)總體方案如圖3.1所示。圖3.1 z軸布局圖1.配重 2.支柱 3.z軸導軌 4.r軸底板3.2.1配重的計算為了保證z軸在測量的過程中平穩(wěn)運動，須給z軸加配重，配重和z軸部分的相對位置如圖3.7所示。根據力的平衡公式,（式中為配重的重力，為z軸部分的重力），可知，即。本系統(tǒng)設計中。z軸的重量為絲杠副中螺母的重量、z軸基板的重量和基板上r軸的重量。相

40、對于r軸和z軸基板的重量，絲杠副中螺母的重量可忽略。有45剛制作的z軸底板的尺寸為：l=420，h40，d370，7.85.，知=48.7956。估算用45鋼制作的r軸重量也為48.7956，故配重的質量約為97.5922。圖3.7 z軸與配重布局3.2.2傳動系統(tǒng)的選定及計算在數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)中,經常采用滾珠絲杠作為傳動元件,其作用是將伺服電機的旋轉運動轉變?yōu)檫\動執(zhí)行件(刀架或工作臺)的直線運動,以較小的轉矩可以獲得較大的推力。螺旋傳動中最常見的是滑動螺旋傳動，但是，由于滑動螺旋傳動的接觸面間存在著較大的摩擦阻力，故其傳動效率低，磨損快，精度不高，使用壽命短，故不能適用于高速度，高效率

41、尤其是高精度的cnc齒輪測量中心。由于滾珠絲杠副具有摩擦阻力小,傳動效率高(92%98%)的優(yōu)點,因此在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應用,尤其是在將旋轉運動變?yōu)橹本€運動的各種機構中。所以在本設計中選用滾珠絲杠運動。 a.滾珠絲杠的安裝方法 滾珠絲杠副的支承方式根據滾珠絲杠副的工作情況及軸向固定方式,絲杠支承常以止推軸承和向心球軸承組合,其支承方式有以下幾種：（1）雙推自由式如圖3.2()所示,在一端裝止推軸承,另一端懸空。因其一端是自由狀態(tài),故承載能力小,軸向剛度低,因此這種安裝方式只適用于短絲杠,多用于輕載、低速垂直安裝傳動系統(tǒng),如數(shù)控機床的調節(jié)環(huán)節(jié)或升降臺式數(shù)控銑床的垂直進給方向。圖3.2（a

42、）滾珠絲杠的支撐方式（2）雙推簡支式如圖4.2()所示,一端裝止推軸承,另一端裝向心球軸承,軸向剛度不太高。使用時注意減少絲杠熱變形的影響,安裝時應注意使熱源和絲杠工作時的常用段遠離裝止推軸承的一端,以避免推力軸承因絲杠熱伸長而產生間隙。雙推端可預拉伸安裝,預緊力小,軸承壽命較高,適用于中速、精度較高的長絲杠傳動系統(tǒng)。圖3.2 (b)（3）單推單推式如圖3.2()所示,止推軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預緊。可以提高滾珠絲杠的軸向剛度;預拉伸安裝時,預緊力較大,因此絲杠工作時只承受拉力。但這種安裝方式對絲杠的熱變形較為敏感,同時軸承壽命比雙推雙推式低。圖3.2 (c)（4）雙推雙推式如圖3.

43、2()所示,兩端裝止推軸承及向心球軸承的組合,為使絲杠具有最大的剛度,它的兩端可用雙重支承,即止推軸承和向心球軸承,并施加預緊力。該方式適合于高剛度、高速度、高精度的精密絲杠傳動系統(tǒng)。但這種結構方式可使絲杠的熱變形轉化為止推軸承的預緊力,因此設計時要求提高止推軸承的承載能力和支架剛度。圖3.2 (d)根據以上各種支撐方式的特點，本設計選用第二種，雙推簡支式。此方法必須注意止推軸承要遠離熱源及絲杠常用端，其目的是為了減少絲杠熱變形的影響。 b滾珠絲杠的主要參數(shù) （1）導程 根據機床傳動要求,負載大小和傳動效率等因素綜合考慮確定。一般選擇時,先按機床傳動要求確定,其公式為:/(10)式中: 機床工

44、作臺最快進給速度,/;驅動電機最高轉速,/。在滿足控制系統(tǒng)分辨率要求的前提下,應取較大的數(shù)值，因為它越大承載能力也大。本設計中滾珠絲杠的基本導程（螺距）按承載能力選擇3 mm。（2）滾珠絲杠的公稱直徑 公稱直徑即是滾珠絲杠的名義直徑，它越大承載能力和剛度越大，而螺紋長度在允許的情況下要盡量短，一般取為好。在此選擇r軸滾珠絲杠的傳動距離是300，取螺紋長度是350，那么公稱直徑選10 mm。本設計中選取的滾珠絲杠副的主要參數(shù)如表3.1所示。表3.1 滾珠絲杠副的主要參數(shù)滾珠絲杠系列代號滾珠絲杠直徑/公稱導程/mm滾珠絲杠外徑/螺旋角循環(huán)圈數(shù)額定載荷/n 接觸剛度列數(shù)圈數(shù)動載靜載ndgc-wcm1

45、002.5-2.51039.812.5120021001093（3）滾珠絲杠的精度等級 精度等級影響定位精度，承載能力和接觸剛度，因此它是滾珠絲杠副的重要質量指標，1級精度最高，其余依次降低，因為cnc齒輪測量中心對精度的要求較高，在此選擇2級。（4）螺母選擇 由于數(shù)控機床對滾珠絲杠副的剛度有較高要求,故選擇螺母時要注重其剛度的保證。推薦按高剛度要求選擇預載的螺母型式。其中插管式外循環(huán)的端法蘭雙螺母應用最為廣泛。它適用重載荷傳動、高速驅動及精密定位系統(tǒng)。并在大導程、小導程和多頭螺紋中具有獨特優(yōu)點,且較為經濟。（5）預緊方式的選擇 由于制造和裝配的誤差，滾珠絲杠總是存在間隙的，同時，滾珠絲杠在軸

46、向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸部位會產生彈性變形。所以，當滾珠絲杠反向轉動時，就會產生空程誤差，從而降低了滾珠絲杠副的軸向剛度，影響滾珠絲杠的傳動精度。通常采用施加預緊力的方法提高滾珠絲杠的軸向剛度和傳動精度。按結構特點和工作性能不同，常用的預緊方式可分為雙螺母螺紋式、雙螺母墊片式、雙螺母齒差式和單螺母變位自預緊式四種。1） 雙螺母螺紋式結構可精密微調、預緊可靠。但預緊須用戶自調且螺母軸向尺寸長。2） 雙螺母墊片式結構簡單，剛性好，預緊可靠，調整方便且不易松弛。是使用最普遍的一種方式。3） 雙螺母齒差式結構緊湊，可精密調整。但是制造復雜，成本高，與主機裝配后調整不方便。4） 單螺母變位自預緊

47、式結構簡單，尺寸緊湊避免了雙螺母形位誤差對預緊力矩的影響。這種結構適用于對預緊力要求布告的中等載荷，有勿需經常調整的最佳選擇。但是其制造困難，使用時不易調整。由以上選出雙螺母墊片式結構圖如圖3.4所示。圖3.4 墊片調整式示意圖1.螺母 2. 墊片 3. 螺母 調整方法是改變墊片的厚度尺寸，使雙螺母重新獲得所需的預緊力。（6）滾珠絲杠的剛度計算 滾珠絲杠副和支撐絲杠的軸承在內的傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度稱為滾珠絲杠副的傳動剛度。主要有絲杠的拉壓剛度，還有絲杠與螺母之間的接觸剛度。由于絲杠的扭轉剛度一般為這兩部分之和的0.05以下，所以通常情況下忽略不計。1）拉壓剛度計算 圖3.5是一端固定，一端簡

48、支絲杠安裝方式的力學模型，圖3.5絲杠螺母副的力學模型其絲杠拉壓剛度為當工作臺移到行程行最遠點時，剛度最低為（n/m）當工作臺位于兩端推力支撐的正中間時剛度最低為（n/m）2）載能力計算 計算作用于絲杠軸向最大載荷q。 （n）式中 l滾珠絲杠壽命系數(shù)（單位是1106轉）l=60nt/106=675 f w載荷系數(shù)為1.2； f h 硬度系數(shù)為1.0 q=3.51105（n）3）穩(wěn)定性核算：式中 p k實際承受載荷的能力為3000；f k壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)，一端固定，一端簡支式的為2； e鋼的彈性模量； i 絲杠螺紋底徑的截面慣性距（i=dl 4/32=1.0310-4）； k壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，

49、取3。經計算得p k=4753.23000。因為p k 時，會使絲杠失去穩(wěn)定性易發(fā)生翹曲。所以這個絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。3.2.3電機的選定及計算與步進電機相比，交流伺服電機有著其獨到的優(yōu)點：1）閉環(huán)控制。驅動器實時監(jiān)測電機位置，能有效保證系統(tǒng)的安全，不存在象步進電機的丟步問題；2）無震動。震動是步進電機的固有缺陷，無法克服；而伺服電機不存在震動的問題；3）發(fā)熱量小，效率高。步進電機無論有無負載，均按照設定電流運行，而伺服電機根據負載大小，實時調整電流大小。所以，步進電機發(fā)熱量大，而伺服電機發(fā)熱量比較??；4）轉速范圍大。步進電機一般工作在1000rpm以下，而伺服電機可以達到10000rpm；

50、故選擇交流伺服電機作為軸的驅動。選擇伺服電機時，主要考慮轉矩和慣量兩個方面的問題。一是其穩(wěn)態(tài)轉矩和動態(tài)轉矩應滿足要求，二是折合到電機軸上的負載總轉動慣量最好小于或等于電機的轉動慣量。a.選擇伺服電機類型根據本課題任務要求，工作臺最高運行速度為20mm/s，脈沖當量0.0008mm/p，根據工作臺所需要的最高運行速度，可以選定電機的最高運行頻率式中最高運行頻率（脈沖/秒）；工作臺所需的最高速度（m/min）；脈沖當量（毫米/脈沖）。 據系統(tǒng)的精度要求，選定電機型號是edc系列的ems-04ah-z013型交流伺服電機，其技術數(shù)據為：額定功率，額定轉矩，額定轉速，額定電流2.497a，慣量 。b.

51、 選擇導軌類型、確定阻尼比 伺服機械傳動系統(tǒng)中摩擦阻力的大小主要決定于導軌類型。本系統(tǒng)采用bg系列直線導軌，它以其高精度、低摩擦、低噪音、低磨損與模塊化設計、標準化模塊設計等顯著特點應用于各種精密儀器。其等價阻尼比為0.020.05。c. 確定系統(tǒng)增益和要求機械傳動鏈的固有頻率 根據控制精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求一般取計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的轉動慣量jgm滾珠絲杠的轉動慣量=850/s。由系統(tǒng)增益和導軌的阻尼比，初步確定滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求，所需的機械傳動鏈固有頻率，應有d.設計伺服電機傳動方案，并校驗。（1）選擇機械傳動方案 電機軸與絲杠直接連接，帶動工作臺移動。（2）初選絲杠直徑 所

52、選滾珠絲杠副為dgc-wcm1002.5-2.5，其絲杠直徑為10mm。（3）計算總傳動比 閉環(huán)伺服機械傳動系統(tǒng)，總傳動比i按下試計算（傳動鏈末端為螺旋傳動副）式中 伺服電機額定轉速，單位r/min；工作臺最大移動速度，單位mm/min；螺距，單位mm:=3000r/min;=1200mm/min;=3mm。所以總傳動比（4）計算折算到電機上的轉動慣量,并要求滿足慣量匹配關系;絲杠的轉動慣量絲杠折算到電機上的轉動慣量 ()=0.005/7.52=絲杠傳動時，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總傳動慣量是=+ =1.39 (kg.m2)（5）計算傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度，計算固有頻率，并校驗其是否滿足系統(tǒng)對

53、固有頻率的要求。1）系統(tǒng)的綜合拉壓剛度為：推力軸承未預緊時的軸向剛度；軸承支座剛度；螺母支座剛度；滾珠絲杠副的軸向接觸剛度；絲杠最低拉壓剛度；忽略該系統(tǒng)支承剛度、，=2159.5()=1.02* n/m。式中 r螺紋滾道半徑，單位mm; 、滾珠直徑、半徑，單位mm;滾珠螺母上的有效工作圈數(shù);f軸向載荷，單位n 。=4.17*=1.96* n/m。式中f軸向載荷，單位n；z滾動體數(shù)；=2.2* n/m。 =4.03* n/m。故=2.41* n/m2）系統(tǒng)固有頻率= = =2450 rad/s= =1250 rad/s故所選的ems-04ah-z013型交流伺服電機可以滿足傳動系統(tǒng)的需要。3.2

54、.4導軌的選定導軌是精密機械運動中用來保證各運動部件相對精度的一個重要部件。它有滾動摩擦導軌，還有滑動導軌。對于cnc齒輪測量中心來說，它的精度要求很高，而導軌誤差是系統(tǒng)總誤差的主要部分。因此，提高系統(tǒng)中運動部件的運動精度，一般提高導軌的制造精度。滾動導軌運動與滑動導軌相比：它的潤滑方便；定位精度高；運動靈敏度高；牽引力小，移動靈活；磨損小，精度保持性好。由上述，本設計選擇滾動導軌里摩擦系數(shù)很小精度高的直線導軌。滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、鋼球、反向器、保持架、密封端蓋、及擋板等組成。如圖3.6所示。當導軌與滑塊做相對運動時，鋼球就沿著導軌上的經過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通