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简易式微角度转动平台毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

本文主要根据在光学实验中我们都会遇到各种角度调节困难或者无法调节的问题,制作了一个简易式的微角度转动平台,来解决这类角度问题。由于光学在我们生活中应用越来越广泛,各大高校、研究机构和企业都开设了光学实验,来研究相关的光学原理。大部分光学实验都会涉及到一个精度与误差的问题,若想要误差不大,角度的调节尤为重要,许多实验都需要一个精确的角度来完成,可是有些实验需要用一个精确的角度来固定某种实验仪器,但是又不适合在实验设备上安装复杂的角度控制部分,此时就需要一个仪器来调节样品的角度,使其能够以一个正确的角度来完成实验。

论文主要研究了如何制作一个简易式的微角度转动平台,来解决各种角度调节的问题。研究内容包括它的制作原理、制作过程以及结果调试,通过单片机发送的脉冲信号来控制步进电机,从而带动平台转动,达到一个调节角度的作用。

本文的创新点:传统的角度调节平台都是手动调节的,一般来说都是手动调节螺旋测微器来实现平台的转动,虽然精确但是操作比较复杂。本设计利用步进电机的转动特性,类比我们的实验需求,做出了一个以步进电机为转动核心的自动转动平台。

关键词: 微角度;角度转动平台;步进电机;脉冲信号

Abstract

In this paper, a simple micro-angle rotating platform is made to solve the Angle problems in optical experiments, which are difficult or impossible to adjust. As optics is more and more widely used in our life, various universities, research institutions and enterprises have set up optical experiments to study relevant optical principles. Most optical experiment will involve the issue of a precision and error, error is not big, if you want to Angle adjustment is particularly important, many experiments are needed to complete an accurate point of view, but some experiments need to use a precise Angle to fix some experimental instrument, but not suitable for laboratory equipment installed on the perspective of complex control section, where you need a device to adjust the Angle of the sample, make it to a right Angle to finish the experiment.

This paper mainly studies how to make a simple micro - Angle rotating platform to solve all kinds of Angle adjustment problems. The research content includes its production principle, production process and result debugging. The stepper motor is controlled by the pulse signal sent by the single-chip microcomputer, which drives the platform to rotate and achieves the function of adjusting the Angle.

The innovation of this paper: the traditional Angle adjustment platform is manually adjusted, generally speaking, the screw micrometer is manually adjusted to achieve the rotation of the platform, although accurate but relatively complex operation. This design makes use of the rotating characteristics of stepper motor and makes an automatic rotating platform with the stepper motor as the rotating core, similar to our experimental requirements.

Key Words:The micro Angle; Angle rotating platform; Stepper motor; The pulse signal

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题的背景及意义 1

1.2 国内外现状研究 1

1.2.1微角度测量法的发展现状以及研究方向 1

1.2.2角度转动平台的发展现状以及研究方向 2

1.3 本文研究意义及主要研究内容 2

1.3.1本文的研究意义 2

1.3.2本文的主要研究内容 3

第2章 微角度转动平台的设计思路与方案 4

2.1 微角度转动平台的设计思路 4

2.2 微角度转动平台的设计方案 4

2.2.1手动简易式微角度转动平台的设计 4

2.2.2自动简易式微角度转动平台的设计 5

2.3本章小结 5

第3章 微角度测量的优点与方法 6

3.1 微角度测量的优点 6

3.2 微角度测量的不同方法 6

3.2.1自准直法 6

3.2.2内反射法 7

3.2.3激光干涉法 8

3.3 本章小结 8

第4章 步进电机的控制系统 10

4.1 步进电机的内部结构以及工作原理 10

4.1.1步进电机的内部结构 10

4.1.2步进电机的工作原理 10

4.1.3步进电机在本设计中的应用 11

4.2 步进电机的驱动器 11

4.2.1变频信号源 12

4.2.2脉冲分配器 12

4.2.3功率放大器 12

4.3 步进电机的控制系统 12

4.3.1硬件部分 13

4.3.2软件部分 13

4.4 本章小结 13

第5章 微角度转动平台的搭建与调试 14

5.1 微角度转动平台的器件选择 14

5.1.1步进电机及其驱动器的选择 14

5.1.2步进电机控制器与转动圆盘的选择 14

5.2 微角度转动平台的搭建过程 15

5.3 微角度转动平台的调试 16

5.3.1在样品重量不同时微角度转动平台的测试 16

5.3.2在电机转速不同时微角度转动平台的测试 17

5.4 本章小结 17

第6章 总结与展望 18

6.1 总结 18

6.2 展望 18

参考文献 20

致谢 21

第1章 绪论

1.1 选题的背景及意义

在我们的生活中,光是无处不在的,白天有太阳点亮我们的世界,夜晚也有灯火阑珊,光影交错,没有了光我们将享受不到这个五彩斑斓的世界,光的重要性不言而喻。光学这门学科,主要研究的是光的行为以及性质,同时也研究光和物理的相互作用,光学在人们的日常生活中也有着广泛的应用,比如我们日常接触的光纤通讯、激光、望远镜、照相机、摄像机等等,可以说光学改变了我们的生活,让我们的生活条件得到了巨大的提升,我们的日常生活已然离不开光学带来的帮助。而光学的也快速发展离不开各种各样的光学实验,大部分学校都开设了各种各样的光学实验,正所谓“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”,通过实验,我们能更快更好的理解各种光学原理,从而学会相关知识。而光学实验都会涉及到一个精度与误差的问题,一点小小的误差可能就改变了实验的结果,可以说在光学实验中,角度的调节尤为重要,许多实验都需要一个精确的角度来完成。可是有些实验需要用一个精确的角度来固定某种实验仪器,但是在实验设备上面,又不适合安装复杂的角度控制部分,此时就需要一种简单的装置来实现精确的角度调节。本次设计主要目的就是做出这种装置,使我们不用实验中添加更多仪器,来解决实验中遇到的各种角度调节的问题,这样既简化了实验步骤,又减小的实验的误差,从而使实验更加简便精确。

1.2 国内外现状研究

1.2.1微角度测量法的发展现状以及研究方向

微角度测量法具有精确度高、非接触、种类多和适用范围广等诸多优点 ,因而成为机械、仪器仪表、电子产品制造业等行业不可缺少的检测手段,在光纤传感、光纤通讯等光学领域,微角度的测量也都具有广泛的应用。对于精密小角度测量,世界各国的研究也从未停止过,光电小角度测量的应用非常广泛,主要体现在角度要素测量和检校的仪器上,在精密装配、高端制造等领域,广泛应用于机械零件角度相关参数的加工精度和部件装配精度的检测,目前应用的小角度精密测量方法主要有干涉测量法、圆光栅法、激光自准直法和光学成像自准直法等[[1]]。国内外工程师与相关技术人员也提出了很多小型电机重复定位精度测量方法[[2]]。比如使用显微镜、线纹尺、激光双频干涉仪、电子自准直仪等仪器设备来测量重复定位精度,这些测量方法存在平台功耗大、平台笨重难以携带、测量需较高的人力和物力、读数精度不够、价格昂贵以及不能动态获取等问题[[3]],不适用我们此次设计。由于微角度测量法具有准确度、灵敏度高等特性,能够满足许多领域测量系统的需求,越来越多的微角度测量法被不断开发与实现,相信会有越来越多的项目用到这些技术,越来越多的人们投入到这方面的研究,微角度的光学测量方法有着令人期待的未来。

1.2.2角度转动平台的发展现状以及研究方向

近年来,光纤通信和光纤传感一直是社会各界的研究焦点,因为它们具有巨大的优点和广阔的前景。各大高校、研究机构和企业都在尝试着各种光学实验,光学实验对角度的要求十分严格,这时需要用到很多精密仪器和多功能实验平台。为了实现精确的角度调节,各公司和企业相继推出了各种不同的转动平台,精度也各不相同。

角度调节实验平台多种多样,大多都是利用螺丝与其他的实验平台的固定来完成角度的调节,角度调节实验平台的发展近些年也成果斐然。例如有些实验仪器需要以精确角度固定某种实验仪器,但又不适合在其上安装复杂的角度控制部分,此时就需要一种简单装置来实现精确的角度调节,这时我们就需要一个角度调节的平台。对于光学实验,一个简单的实验内容搭建可能会用到多个实验平台,使得最终实验系统变得庞大而复杂。如果装置简单可拆卸,并且可以完成特定功能,那么将会产生较大的市场需求。对于微角度转动调整,无论是实验需要还是简化实验系统都需要对可拆卸微角度转动平台进行设计。目前,国内外已经陆续研制出了许多种不同的角度调节实验平台。角位移平台的研究也已经成果卓越,在精密机械、光电设备、光谱仪器、高档数控机床等许多场合,高精度的角度位移平台都有着非常广泛的应用。在拉曼光谱仪、单色仪等光学仪器中,作为分光元件的棱镜或光栅需绕通过回转中心的轴线做某些特定规律的回转运动,角位移平台的作用就是承载分光元件实现上述回转运动[[4]]。仪器波长与分光元件转角之间具有一定的函数关系[[5]]

1.3 本文研究意义及主要研究内容

1.3.1本文的研究意义

本论文主要是为了设计出一个简易式微角度转动平台来解决光学实验中各种角度无法调节的问题,这个平台具有微小角度调节的功能,能够调节出光学实验中手工调节难以达到的角度。具体实施方案为:将实验仪器固定在平台上面,平台上装有微动马达,开启后平台开始匀速转动,并且转动速度非常缓慢,从而使实验仪器转动一定的角度,转到所需角度后停止,以达到角度调节的效果,平台转动的精度设置为1°。通过做出这种简易式的微角度转动平台,来达到简化光学实验的过程,减小光学实验的误差的作用

1.3.2本文的主要研究内容

本文主要研究的内容为设计一个简易式微角度转动平台,而设计这个微角度转动平台涉及到各种知识,所以也需要掌握各种相关的知识。因此在本文中,我查阅了相关资料,提出了有关微角度转动平台的各种设计方案,也研究了我所设计的以步进电机为核心的微角度转动平台的各种器件的相关知识。

本论文的主要研究内容有以下几个方面:

第一章,介绍了微角度转动平台的功能,对我们光学实验的意义。同时也介绍了微角度测量以及角度转动平台的国内外发展状况。

第二章,阐述了我对微角度转动平台的设计思路,并且提出了两种不同的设计方案,通过比较,选用了更适合的方案。

第三章,通过查阅文献,介绍了微角度测量有关的原理以及方法,三种不同方法的原理,也提到了它们在实际生活中的应用。

第四章,对本次设计方案的核心—步进电机进行研究,讲述了它的工作原理,为何要用它来实现本次微角度转动平台的设计,同时介绍了它的内部结构、它的驱动器以及控制系统。

第五章,在理论研究完成后,将各器件拼接在一起,组装成一个简易化的转动平台,通过实验来测试转动平台的功效。

第六章,对论文所做的设计进行一个总结,分析其中的不足与缺点,并且对以后的工作进行展望。

第2章 微角度转动平台的设计思路与方案

2.1 微角度转动平台的设计思路

在光学实验中,我们常常会使用显微镜观察某个样品,可是往往无法观察到想要的结果,因为样品的角度不对,这个时候就需要一个能够将样品转动的装置,将样品放在该装置上,通过操作能够使样品转到特定角度,而这种操作可以是通过调节螺旋测微器来手动转动平台,也可以通过调节单片机代码发出特定指令,由电机旋转带动平台旋转,令平台自动转动,所以我想出了两种微角度转动平台的设计方案:一种是手动的转动平台,一种是自动的转动平台。

2.2 微角度转动平台的设计方案

2.2.1手动简易式微角度转动平台的设计

在设计方案时,我查阅了相关资料,了解到了一种手动的简易式可拆卸多精度微角度转动平台,它可以用于光学实验中角度的校准,如图2.1所示。

图 2.1 手动简易式微角度转动平台

它由固定圈、参考平台,扇形结构、刻度盘、角度指针、转动把手等器件组成。其特征为:固定圈和参考平台都是可拆卸的,通过锯齿的吻合形成稳固的圆柱体,固定圈通过微调螺丝可以将被夹持物固定且与固定圈和参考平台同轴,参考平台与固定圈之间通过矩形锯齿相连,可在水平面内任意方向和任意角度转动,扇形结构上带有刻度与参考平台固定在一起,指针与固定圈固定在一起,指针的顶端是转动把手,通过转动把手可以实现微小角度的转动夹持物,且角度可测。该装置原理简单,可拆卸,可简化光学实验系统的复杂性[[6]]。但是该装置操作起来不够简便,不适合制作出来。

2.2.2自动简易式微角度转动平台的设计

由于手动简易式微角度转动平台不够方便,操作复杂,并且手动操作可能会产生人为的误差,无法满足我们的需求,这个时候我想到了一种以步进电机为核心的自动简易式微角度转动平台。步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机,每接受一个脉冲信号,步进电机就会转动一个特定角度,只要输入若干个脉冲信号,我们就能让步进电机转动任何角度,从何带动转动平台转动任何角度,由于在一个高精度的手动转动平台上加一个步进电机操作过于复杂,并且很容易损坏平台,收益不高同时花销也会超出预算,所以我考虑决定直接用一个刻度圆盘来代替手动转动平台,将刻度圆盘与步进电机粘在一起,组成一个简易的“转动平台”,虽然该平台承载重量会很低,但是只要能够达到理论的效果即可。

2.3本章小结

本章主要讲述了两种不同的简易式微角度转动平台的设计方案,并且介绍了各自的优点与缺点。综上所述,最后我选择的实验方案是做一个自动的简易式微角度转动平台,需要购买的东西有:步进电机套装(包括步进电机、步进电机的驱动器),刻度圆盘,单片机,将这些东西连接起来,即可完成一个简易的转动平台的制作。

第3章 微角度测量的优点与方法

3.1 微角度测量的优点

角度是各种光学实验中的重要参数,它在科学技术、工业生产中也有着重要的地位,它的准确度影响了产品的品质与使用时间,因此在人们的生活中,微角度测量有着重要的地位。微角度即很小的角度,随着科学技术的发展以及工业生产的需求,微角度测量技术需要更高的准确度和更好的测量办法。微角度测量方法备受人们的重视,它精确度、灵敏度都很高,同时它还具有非接触的特点。微角度测量法的应用越来越广泛,各种新的光学测角方法也应运而生[[7]]。微角度测量的方法也有很多,比如自准直法、衍射法、圆光栅法、光学内反射法以及激光干涉法等,这些方法在各方面的微角度精密测量里面都有着广泛的应用,并且具有较高的准确度和灵敏度,本章节重点介绍了几种微角度测量的光学方法,展示了它们的实验装置,并且介绍了它们的原理和优缺点 [[8]]

3.2 微角度测量的不同方法

微角度测量法具有精确度高、非接触、种类多和适用范围广等诸多优点 ,因而成为机械、仪器仪表、电子产品制造业等行业不可缺少的检测手段,在光纤传感、光纤通讯等光学领域,微角度的测量也都具有广泛的应用。目前微角度测量的方法有很多,本章主要讲述自准直法、内反射法以及激光干涉法这三种 [[9]]

3.2.1自准直法

自准直法,就是使物体和像分别位于共轭平面上。光线通过透镜后形成平行光,平行光再入射到物体上反射回来。于是当物体发生了移动时,在像面上物体所成的像点会随着物体的移动而同时移动,当光束照射在物体上时,通过测量物体成的像点的移动距离就能够算出物体的转动角度。

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