自动分析仪器旋转定位系统设计及参数优化

　　1 前 言

　　本文设计的一种自动分析仪器旋转定位系统要实现精确、快速的旋转定位。工作部分是一个直径 270mm 的圆盘, 在其圆周上均布了 80 个定位点。仪器工作时, 要依次快速定位于这些定位点上。定位精度需要控制在周向±0.15mm, 圆盘的工作速度为 1 r/s。

　　2 系统方案设计

　　根据仪器工作情况同时综合考虑成本, 本文采用如图 1 所示的方案。

　　驱动电机采用步进电机, 传动系统采用单级大速比的齿轮传动。反馈与检测环节采用了 Honeywell 光电传感器 HOA0880- T51 与一个分度码盘相配合的方案。

　　2.1 传动系统

　　采用单级大速比开式齿轮副传动, 为了便于调节传动间隙, 采用可调中心距。大齿轮的材料采用了强度/密度比较高的 MC 尼龙, 在保证强度的前提下尽量减小系统负载惯量; 小齿轮的转速很高, 轮齿啮合频繁, 材料采用了较耐磨的铝青铜 Al9- 4。

　　2.2 反馈检测系统

　　传感器采用 Honeywell 的光电传感器 HOA0880- T51,如图 2 所示。

　　分度码盘如图 3 所示, 在其圆周方向上加工出与定位元件对应的 80 个齿。系统工作时, 传感器实时检测码盘的齿沿, 输出信号在齿沿跳变, 形成脉冲信号。对该脉冲信号进行计数, 可以得知系统转到第几个定位点。当定位元件转到需要定位的定位点时, 硬件电路停止给步进电机发送步进脉冲, 步进电机位置进入保持装态, 系统实现定位。码盘齿的分度精度需要严格控制。

　　2.3 步进电机的驱动

　　步进电机采用 1.8°两相混合式电机, 工作在四细分驱动模式下。驱动电路示意图如图 4 所示。

　　单片机 P87LPC762 实现步进电机的细分逻辑, 向LMD18245 输入 4 位的数字信号。LMD18245 可以按照输入其 D/A 转换器的四位数字信号输出相应的相电流值,实现步进电机的四细分驱动。

　　3 系统误差分析

　　3.1 传动误差

　　按照本系统的控制方法, 影响系统定位精度的齿轮传动误差主要为齿轮侧隙。齿轮的侧隙受其本身加工制造误差和安装误差等因素的影响。

　　本系统采用了可调中心距的安装方案, 所以传动间隙的大小与齿厚偏差的公差带大小 Ts有关, 与齿厚偏差的上下偏差值( 公差带的位置) 无关。

　　按照本系统要求的定位精度等级, 主要考虑的因素除了齿轮的齿厚偏差公差带大小之外, 还要考虑齿轮安装过程中的偏心类误差。比如轴承的径向游隙带来的当量偏心; 齿轮孔与轴颈的配合间隙带来的当量偏心, 加工造成的齿轮孔与齿轮分度圆的当量偏心等。偏心类误差的大小为: