1、快速可重組機械工程測控實驗平臺總體方案設計木陳因次鑒対線平臺甚于1L祥中度正曲T臺*該HL構H育三個平動和兩個轉動口由度.總體的機械結構為水平面上具備曹個方向的平動自由度方向、Y方向）和一個轉動自由度（分度臺旋轉運動），在豎宜方向上春在一個平動h由度和一個轉動門由度闔*訂|由度即X.Y.Z,氛丫二亍平動和兩個轉動.亦底哩上女敬X方向結構.通過堆杠副和線性導軌構成該方向的平動自由Iff在該結構的導向臺上固定了Y向平動機構，上述購兩機構皆水平放置，相互之闔垂直，X向機構的行用J300miY向機構的郴為150mm,用Y機構的匚作臺上安放了調平裝置及分度頭.分度頭旋轉殆位移8由步進電機控制，分度頭ff

2、l24五自由度運功機構結構示童圖步距角0.36度。這三部分構成水平運動機構，負責工件在水平而內的定位。在豎貢方向則是Z向平動機構，不同的是Z向平動機構的導向臺上安放一個電機座.用以安裝交流（步進）電機，該電機可帶動刀具（測頭）旋轉，產生另一個旋轉自由度Y.Z向平動機構的行程為150mm,X、Y、Z向運動最小分辨率為4舊運動機構結構示盤圖如圖2.1所樂。2. 1.1.2水平面內各自由度結構丘維聯動系統在水平而內設計為兩個方向的平動和-個旋轉運動（分度臺自轉）。結構示意如圖22所示:1-XAT動機構.2向導向臺.3亠，4匸作臺，5Y向導向臺.6Y向半動機構.7找性導恤圖2.2五自由度聯動系統水平方

3、向結構圖（1）X向平動機構最大行程達300mm.X向導向臺由4個螺紋孔網定Y向機構。（2）Y向平動機構：上方分機構為Y向平動機構，其最大行程達150mm.（3）分度臺裝在Y軸機構的導向臺上，采用三點定位設計，3個螺紋幾用以安裝分度臺水平調節機構，分度臺在使用前須調節水平，以確保在側雖或加工過程中不存在由水半偏移而引入系統誤差。（1）線性導軌與導向臺通過線性軸承組成運動制，同時絲杠和導向臺也組成運動副所不同的是,統杠劇的存在是保證導向臺與步進電機嚴格的運動關系，以便通過控制步進電機的轉ffJ和正反向何接的粘確控制導向臺位移和運動方向，線性導軌在確定導向臺線性運動的同時，也起加強剛度的作用，當分度

4、臺承我被測對彖時，大部分我荷將由線性導軌承擔.線性導軌的剛度將直接形響測圮和加匸的粘度。（5）定位板和安裝板之間通過兩枚螺釘緊固,側壁用來加強安裝板剛度,同時也用以安裝光柵傳感器。導軌和定位板以定位銷定位，避免導軌在起&向作用時作軸向運動。Y向平動機構固定在X紬平動機構上隨其一起運動，上述組合皆以定位俏定位，乂螺釘緊固，仃很高的定位耕度，同時可以承受急停急行，滿足機構靜態和動態測雖過程，也使機構在加工過程中承受-定范國的沖擊和爲動。線杠兩端安放在運位板屮，依慕軸承組成運動制，一端以軸承蓋封閉，另一竭則便用防塵蓋,防塵孟和軸承孟均通過螺釘固定,構成一體,保證旋轉運動的耕度.2.1.1.3

5、垂直面內各自由度結構該樣機在豎直方向組件上具備兩個門由度,即Z向平動和繞Z軸的轉動，結構示意如圖2.3所示:垂直方向機構與水平方向不同，具體表現在導向臺,在垂直方向的導向臺需要安裝電機,故有電機安裝座,電機卜方可以安裝刀具安裝架也可以安裝旋轉測頭.11線村2線tlVyih3-Z軸丫動機構4Z軸導向介5Z軸轉動機構.6電機安裝用.7測頭S2.3五自由度聯勸系統F門水丫力向給構I?2.仁2實驗平臺測控實驗需求分析根據專業課程要求，測控實驗系統需要以模塊化軟件控制方式使實驗平臺產生空間位置、線位移、角位移、振動、轉速、扭矩、力等裳種機械工程量，同時設計通用的傳感器裝夾平臺對存類傳感器設計專用裝夾座,

6、組成滿足不同機械屋測址系統裝置組合需求的面向機械工程測試的模塊化測控系統傳感器硬件平臺。為使實驗平臺步進電動機以及孑類傳感器能正常工作，礙設計測控平臺專用篡路輸出直流穩壓電源。同時采用蘇功能數據采集kpj,對從五自由度運動機構的«個測fi參數的信號進行采集并送到計算機進行處理。儀器功能W能夠根據測試實驗的盂耍由用戶設計、定義，而不是僅能由開發人員定義，測試人員可以在平臺上門己搭建免編程仿真測試系統.具體而言.在平臺硬件設計方面,五自由度的機械運動機構需要有四個fl由度,包括X、Y、Z方向的平動以及分度臺的轉動：雖程符合300*150*150的要求，孑方向運動分辨率為4pm,口線度誤差

7、要求小于lOpm,平面度誤差要求小于15Fim.在電源設計方血，需根據測控平臺的電機工作用電參數及實驗室各類傳感器用電參數來設計合理、作町靠且髙安全性的電源。在傳憑器夾具設計方面，需設計通用裝夾臺，便于擴展傳感器的安裝：同時所設汁的傳感器專用夾具需便于安裝、定位準確且使傳感器工作可靠.在軟件平臺設計方血，該測控平臺需具有較好的可重組性和可移植性.即采用模塊化的設計思想，各個模塊分別實現五"由度機械運動機構的多種方式的控制、們號采集及顯示、數據處理、結果顯示及存儲等，并11模塊間可以根抑:需求實現一定的觀組功能，滿足不同實絵的需求：1. 運動控制模塊：作為伯號源、激勵電源和5自由度運動

8、機構tn5個步進電機轉動的驅動們號，可以控制機構上匸件的單點位置及點到點的軌跡包括直線和曲線：2. 佇號采集模塊：通過傳感器采集硬件設備發出的佇號，并可通過程序控制步述電機的步距用等來控制采集的過榨：3. 們號處理模塊:用于對所采集的信號（包括數字圖象）進行分析、處理，比如放大、濾波、頻譜分析等：4. 結果顯示及存儲模塊:通過并種形式（文本框.圖線、表格等）用于顯示和存儲經處理后的仃號，便于后續分析.孑種模塊開發好后進行歸類整理并設計出人性化的人機交互界浙，這樣學生在所提供的免編程松塊化虛擬儀器測控平臺的堪礎上通過n行選擇簡單可視化的功能模塊和連線就nJ以按照自已的想法來完成對儀器功能的快速設

9、迓、童組和系統構建過程，而F1虛擬儀器在重組過程中無需編譯、鏈接【5®實驗組合好后，各個模塊間接口通過軟數據線來進行連接并進行實驗，而且各模塊間是相互獨芒的，互不影響。加后通過分析彊終的實驗結果來檢證門已實驗設想的正確性。經過以上需求分析確定了測控平臺的實驗流程如圖2.4所示。詳操作者耍進行實驗時.首先應安裝傳感器.然后打開電源.運行半臺測控軟件.接看初始化系統（包括平臺初始化和數據采集板的初始化）.然后選樣實驗用孑類模塊，輸入拎制耍求和采集參數，測拎平臺軟件根據控制要求規劃平臺軌跡，并利用傳感器和數據采集K采集數據并實時顯示，最后進行處理并顯示處理結果。嚴求'實蟄人切實蟄人

10、切圖形&圖標測試嬰求上平臺測控系統軟件數懈采樂卡端了板-（步進電機*-（步進電機*五自由度J測控實驗平臺圖2.4T：臺測控系統實驗沆程圖2.2測控平臺方案設計木課題研究的上要內容是研制一種軟硬件都町以巫組的實驗平臺基于其機械結構，設計實驗平臺的軟硬件功能模塊，根據實輪項丨1的不同需求，通過將選抒的硬件和軟件模塊進行啦組.來實現尖驗平臺的乞個實驗項11。測控平臺硬件方案設計要在五自由度測控平臺上進行實驗,只有其機械結構無法完成。一方面必須控制平臺能夠沿外向導軌運動，另一方面需要將外測試對彖的參雖映射到系統中。分析課題的前期匸作，確定木文對測控平臺的破件設計主要仃兩部分：平臺用多路電源和傳

11、感器專用夾具。2.2.1.1電源總體方案設計根據對步進電機驅動器的工作電壓和電流分析，以及對各類實驗用傳感器的工作參敵的分析，系統要求研制一臺冬路輸出？流電源，用以為實驗平臺的正常運轉提供穩定的I：作電&和電流.直流穩壓電源的類型緊炙，但兒乎都是將市電網交流電作為輸入電源，再經轉換電路轉換成所需參數的血流電。這類AC-DC穩用電源常見的分為兩大類，一是線性直流穩壓電源，它一般是利用T業變壓器將幣電網交流電降壓,再經整流濾波和轉換穩壓電路（個別可能還要作提升輸出電壓或擴展輸出電流處理）向輸出符合要求的宜流電.二是廿關宜流思壓電源，較新型的典型開關克流穩壓電源是不用校笨重的丁業變斤器的，而

12、是利用其核心器件直流變換器和逆變器把血流電變換成交流電，再把交流電變換成極性、數值各不同的多種克流供電電樂。如將脈窒調制器（PWM）和開關晶體管相組介構成可控直流逆變器，逆變器輸出的島頻交流電經舟頻變爪器（體枳很小）變壓后輸出，然后進行整流濾波輸出極性、數值不同的直流供電電源并且最后的輸出又經比較器等反饋到PIM以形成閉環調節的穩壓回路來穩定電源的輸出，線性穩壓電源具有穩壓和濾波的雙重作用,產生的干擾很小：并且采用1：業變壓器與市電網隔離，所以既不會引入電網中的f-擾,也不會將F擾串入電網中。隨著集成電子技術的發展，校高輸出電流和數值可調的線性集成椅壓電源相繼出現，由此ifu構成的線性直流穩爪

13、m源結構簡®,維修方便，功率兒口瓦以卜時整機的體枳也不大。一般來講，線性穩壓電源的波紋抑制比、電樂調整率和噪聲抑制等性能比開關克流思壓電源耍好.更重耍的是工作町靠，故障率低，具右明顯優點，并H.經濟成木也校低。所以線性直流穩壓電源在現階段和今后較長一段時間內仍只何廣泛的應用價值【山基于所設計電源用于實驗室中,要求工作可輸出穩定且不易出現故障，對體積及巫雖沒仃嚴格要求，采用線性自流穩壓電源方案.最簡單的線性直流穩壓電源的結構如圖2.5所示.通常由電源變壓器、整流電路、濾波器和穩壓電路四部分組成.孑部分作用及電壓波形變化如圖樂：0圖2.5穩壓電源的組成框圖及整流與穩Jk過程2.2.1.2

14、傳感器夾具總體方案設計通過對實驗電現仃的備類傳感器的兒何尺寸以及實驗臺的安裝耍求的分析，設計一個用于安裝各類傳感器夾具的通用裝夾座,并分別設計各種傳感器的專用夾具。設計各傳感器的專用與通用夾具的思路是：首先,在五自由度的機械運動測呈平臺的底颶上，拓展安裝一個夾具安裝通用平臺：然后在該平臺上加匸螺紋幾和T熨槽，用于安裝并傳感器的專用夾具：最后，設計存傳感器的&用夾具座.完成夾具的總體設計，對設計出的夾具零件進行加工并安裝調試。在本任務中，計劃在拓展的夾具安裝平臺（通用夾具座）上加工若干組不同尺寸、不同排列方式的螺紋孔及T型抬,以便安裝各種傳感器的專用夾具座，這樣就易尸實現該平臺的通用性。

15、對r備傳感器的專用夾具座在本論文中另行設計.其中.可采用臺階面定位、螺紋夾緊的方式設計安裝部位外形為惻柱或惻錐浙的傳感器的1?用夾具座。對r部分需耍輔助支承的傳感器（如數字式測微儀），可在$用夾具座上設計輔助支欣件.對于需要通過保證安裝粘度來保證測屋粘度的傳感器，可以通過耕密螺紋、齒輪齒條等微調機構來調整需要調整的安裝參數來實現。測控平臺軟件方案設計快速町匝組測控實驗¥臺系統軟件的設計必須體現其模塊化、可匝組的思想.即針對不同實驗能夠將電機控制、數據采集及顯示.數據處理、數據存儲、U號輸出等功能盡可能分類并設計成相互較為獨遼的模塊,并能根據不同實驗將兒個不同的模塊進行暇組，以滿足多種測控實驗需求同時測控軟件系統還礙具竹良好的人機界血.便于用戶能夠快速上乎方便對實驗進程的操作.按照模塊化、可貳組理論的設計思想和要求,通過対實驗儀器功能的總體分析.在課題已經取得的成績的基礎上，對其功能模塊進行合理適為的劃分.測控系統軟件總體結構如圖2.6所示：快速町朿組機械1用測挖試於系絞印組介區L¥臺控制處理圖2.6測控系統結構示盤圖