西华大学毕业争辩西华大学毕业争辩毕业设计标题：平行绕线机设计毕业设计标题：平行绕线机设计学学 院院: 机械工程与自动化学机械工程与自动化学院院年级专业年级专业: 2006级机械电子工程级机械电子工程指点教师：刘克福指点教师：刘克福设设 计计 者者: 阳玉龙阳玉龙欢迎欢迎您的您的倾听倾听！目录目录1.非线性有那些实践的运用非线性有那些实践的运用2.如何有效处理非线性方程如何有效处理非线性方程3.算法的提出算法的提出4.为何要选择该算法为何要选择该算法5.算法的根本思想算法的根本思想6.算法的几何意义算法的几何意义7.Matlab引见引见8.Matlab的引见的引见9. 本设计所用到的内部函数引见本设计所用到的内部函数引见10.Matlab求非线性方程的算法实求非线性方程的算法实现现11.结论结论12.个人总结个人总结13.终了语终了语 引见了微控平行绕线机的系统设计，该系统引见了微控平行绕线机的系统设计，该系统 由机械构造和由机械构造和电控部分组成，并就机械构造的设计做了详细的引见。绕线电控部分组成，并就机械构造的设计做了详细的引见。绕线机的机械构造主要由自动排线机构和主轴箱机构两大部分构机的机械构造主要由自动排线机构和主轴箱机构两大部分构成。排线机构是步进电机直接驱动滚珠丝杠转动，进而带动成。排线机构是步进电机直接驱动滚珠丝杠转动，进而带动滑块做直线挪动实现自动排线的；绕线机的主轴是由普通电滑块做直线挪动实现自动排线的；绕线机的主轴是由普通电机带动同步齿形带驱动的，且经过变频器实现调速。电控部机带动同步齿形带驱动的，且经过变频器实现调速。电控部分包括绕线机控制系统硬件电路设计和变频器控制电机主电分包括绕线机控制系统硬件电路设计和变频器控制电机主电路设计。绕线机控制系统采用路设计。绕线机控制系统采用STC89C51单片机为控制中心；单片机为控制中心；人机交互接口采用矩阵键盘和数码管显示；斩波恒流放大电人机交互接口采用矩阵键盘和数码管显示；斩波恒流放大电路为步进电机的驱动电路。路为步进电机的驱动电路。 本次设计的引见本次设计的引见绕线机总体设计方案绕线机总体设计方案 根据本次设计的要求，微控平行绕线机是由机械构造和自根据本次设计的要求，微控平行绕线机是由机械构造和自动控制部分构成的。机械构造的设计主要包括自动绕线部分动控制部分构成的。机械构造的设计主要包括自动绕线部分和自动排线部分，根据给出的设计义务书，自动绕线部分是和自动排线部分，根据给出的设计义务书，自动绕线部分是由一台普通电机驱动主轴转动完成线圈沿线模径向绕制的；由一台普通电机驱动主轴转动完成线圈沿线模径向绕制的；同时，自动排线部分是由一台被单片机控制的步进电动机驱同时，自动排线部分是由一台被单片机控制的步进电动机驱动滚珠丝杠转动，进而带动装在螺母上的滑块左右挪动来完动滚珠丝杠转动，进而带动装在螺母上的滑块左右挪动来完成线圈沿线模的轴向绕制的。绕线机的机械部分还包括了放成线圈沿线模的轴向绕制的。绕线机的机械部分还包括了放线机构、绕线机尾座、绕线机机座。而微控平行绕线机的控线机构、绕线机尾座、绕线机机座。而微控平行绕线机的控制部分是以单片机为控制中心，接受安装在排线机构上的接制部分是以单片机为控制中心，接受安装在排线机构上的接近开关发出的信号来控制步进电动机转动，实现排线的自动近开关发出的信号来控制步进电动机转动，实现排线的自动控制。同时，为了能对所绕线圈的匝数和绕线节距进展键盘控制。同时，为了能对所绕线圈的匝数和绕线节距进展键盘设定，控制部分包括了键盘功能；为了在绕制过程中能对线设定，控制部分包括了键盘功能；为了在绕制过程中能对线圈的以绕匝数进展计数和显示。圈的以绕匝数进展计数和显示。 绕线机的总体方案方框图绕线机的总体方案方框图机械构造原理图机械构造原理图绕线机机械构造总体规划绕线机机械构造总体规划 绕线机的机械构造主要绕线机的机械构造主要由六大部分构成：由六大部分构成：1 排线机构排线机构2 主轴箱主轴箱3 监测单元监测单元4 尾座体尾座体5 放线机构放线机构6 机座机座排线机构原理图排线机构原理图排线机构规划图排线机构规划图排线机构主要由六个部分构成：步进电机、丝杠螺排线机构主要由六个部分构成：步进电机、丝杠螺母、滑块、撞块、左右支架和导向杆母、滑块、撞块、左右支架和导向杆 。 滚珠丝杠设计滚珠丝杠设计螺距为螺距为2mm，螺旋线数为单头，任务长度，螺旋线数为单头，任务长度L=515mm，丝，丝杠的总长度杠的总长度635mm，丝杠的直径，丝杠的直径d=28mm 。滑块的设计滑块的设计l滑块上装有摇线臂，摇线臂上装有过线轮，摇线臂的滑块上装有摇线臂，摇线臂上装有过线轮，摇线臂的偏转角度可以用手动的一个手柄来调理以跟随线模直偏转角度可以用手动的一个手柄来调理以跟随线模直径和绕线直径的不同。径和绕线直径的不同。 撞块的设计撞块的设计l作用：经过安装在撞作用：经过安装在撞块上的行程开关来检块上的行程开关来检测左右挪动的滑块的测左右挪动的滑块的位置。当滑块碰撞到位置。当滑块碰撞到撞块，行程开关就想撞块，行程开关就想单片机发出信号，单单片机发出信号，单片机在发出指令来控片机在发出指令来控制步进电机的转动。制步进电机的转动。支架和导线杆是设计支架和导线杆是设计主轴箱传动简图主轴箱传动简图l主轴箱采用三相异步电动机驱动，并运用变频器调主轴箱采用三相异步电动机驱动，并运用变频器调速，主轴与电动机之间运用同步齿形带传动速，主轴与电动机之间运用同步齿形带传动 。主轴箱规划主轴箱规划l主轴箱主要是由三相异主轴箱主要是由三相异步电动机、同步齿形带、步电动机、同步齿形带、主轴、顶尖和主轴箱体主轴、顶尖和主轴箱体五部分构成。五部分构成。 主轴设计主轴设计检测单元设计检测单元设计l检测单元主要包括两个部分：l【1】变频器，对主轴转速的检测，实现圈数的统计，转速控制以及主轴旋转一周、排线机构挪动一个线径的排线协调控。l【2】接近开关，分别分左右两边安装在与主轴平行的导向杆上，其位置根据绕线线模有效长度由人工快速调整固定，用以界定排线机构往复运动的行程范围。NewtonNewton迭代法的迭代法的MATLABMATLAB算法算法lif f00=0l while kMax_nl x1=x0-f0/f00;x=x1;f1=eval(fun);l if abs(x1-x0)EPS | abs(f1)Max_nl disp(Method failed!)l set(handles.edit5,string,导数为导数为0，无法计算！，无法计算！)lend 算法缺陷：选定的初值要接近方程的解，否那么有能够达不算法缺陷：选定的初值要接近方程的解，否那么有能够达不到收敛的效果。再者，牛顿迭代法计算量比较大。因每次迭到收敛的效果。再者，牛顿迭代法计算量比较大。因每次迭代除计算函数值外还要计算微商值。代除计算函数值外还要计算微商值。牛顿迭代法运用举例牛顿迭代法运用举例l例例 用迭代法求解非线性方程用迭代法求解非线性方程x3-x2-1=0。x0=1.5,精精度为度为0.000001,最大迭代次数为最大迭代次数为50。l 运转程序，结果如以下图：运转程序，结果如以下图：牛顿迭代法的改良牛顿迭代法的改良l简单牛顿法简单牛顿法:l 由于牛顿迭代法每次都要计算导数，开销的任务由于牛顿迭代法每次都要计算导数，开销的任务量比较大，因此有必要对其进展改良。量比较大，因此有必要对其进展改良。 简单迭代法的根简单迭代法的根本思想是：将每一步需求计算的本思想是：将每一步需求计算的 f(xk)(即在点即在点(x0,f(x0)切线斜率值换为一个常数值切线斜率值换为一个常数值c，通常，通常c取作取作 f(xk) 即在点处的切线斜率值，这样迭代任务量将大即在点处的切线斜率值，这样迭代任务量将大大的减少。这样做的几何解释不再是完全的切线法。而大的减少。这样做的几何解释不再是完全的切线法。而是一组具有固定斜率值是一组具有固定斜率值C的一组平行线族，迭代公式如的一组平行线族，迭代公式如下：下：l 牛顿迭代法的改良牛顿迭代法的改良l牛顿下山法牛顿下山法:l 在有限区间上运用牛顿迭代法，有时不能事先判在有限区间上运用牛顿迭代法，有时不能事先判别在上有无零点，假设存在零点且初值刚好不慎落在别在上有无零点，假设存在零点且初值刚好不慎落在零点的一个充分小的临域内，必将导致牛顿迭代法失零点的一个充分小的临域内，必将导致牛顿迭代法失效。因此提出了牛顿下山法。它的根本思想是：在运效。因此提出了牛顿下山法。它的根本思想是：在运用牛顿迭代法的过程中，如出现用牛顿迭代法的过程中，如出现|f(xk+1)|= |f(xk)|,那那么对原格式进展修正，以确保么对原格式进展修正，以确保|f(xk+1)|= |f(xk)|.l 牛顿迭代法的格式如下：牛顿迭代法的格式如下：l l其中，下山因子取值范围在其中，下山因子取值范围在(0,1，并给定它的一个，并给定它的一个下界下界.当出现以上情况，那么以下山因子的一半取代原当出现以上情况，那么以下山因子的一半取代原来的下山因子重新迭代来的下山因子重新迭代MATLABMATLAB求非线性方程的算法实现求非线性方程的算法实现双点弦截法的双点弦截法的MATLAB程序：程序：x0=str2num(get(handles.edit1,string)x1=str2num(get(handles.edit2,string)EPS=str2num(get(handles.edit3,string)Max_n=str2num(get(handles.edit4,string)fun=get(handles.edit5,string)x=x0;f0=eval(fun);x=x1;f1=eval(fun);k=1;双点弦截的双点弦截的MATLAB算法算法lwhile kMax_nl x2=x1-f1*(x1-x0)/(f1-f0);x=x2;f2=eval(fun);l if abs(x2-x1)EPS | abs(f2)Max_nl disp(Method failed!)lend 算法缺陷：虽然弦截法是用差商替代微商，省去了牛顿法求导数算法缺陷：虽然弦截法是用差商替代微商，省去了牛顿法求导数的过程，从几何的角度看是用割线替代切线，但收敛阶已降为超的过程，从几何的角度看是用割线替代切线，但收敛阶已降为超线性，故其收敛速度较牛顿法要慢些。线性，故其收敛速度较牛顿法要慢些。 弦截法运用举例弦截法运用举例l例例 用弦截法解非线性方程用弦截法解非线性方程x3-7.7x2+19.2x-15.3=0 x0=1.5,x1=4.精度为精度为0.000001,最大迭代次数为最大迭代次数为50。l 运转程序，结果如以下图：运转程序，结果如以下图：结论结论l 牛顿迭代法和弦截法都属于部分收敛，在求解非线性方程上牛顿迭代法和弦截法都属于部分收敛，在求解非线性方程上都有比较好的收敛速度。牛顿迭代法的益处在于它是平方收敛，都有比较好的收敛速度。牛顿迭代法的益处在于它是平方收敛，只需给定的初值比较合理，经过比较少的迭代次数就可以很快地只需给定的初值比较合理，经过比较少的迭代次数就可以很快地求出结果。不好之处在于由于每次迭代都要计算函数的导数，因求出结果。不好之处在于由于每次迭代都要计算函数的导数，因此也添加了对运算量的开销。次外，牛顿迭代法对初值的选择的此也添加了对运算量的开销。次外，牛顿迭代法对初值的选择的要求也比较高。初值选择合理的话，就可以很快的求出根，否那要求也比较高。初值选择合理的话，就可以很快的求出根，否那么能够会求不出来。弦截法用在点么能够会求不出来。弦截法用在点xk的变化率来替代的变化率来替代f(xk),从几从几何意思上说是用割线替代切线，免去了牛顿迭代法求导数的过程。何意思上说是用割线替代切线，免去了牛顿迭代法求导数的过程。从另一方面来说，弦截法较迭代法具有更高的稳定性。只需在其从另一方面来说，弦截法较迭代法具有更高的稳定性。只需在其临域内有根并给定两个初始值，运用迭代法就一定可以求出来。临域内有根并给定两个初始值，运用迭代法就一定可以求出来。但弦截法较牛顿迭代法而言，由于用差商替代微商，因此也使得但弦截法较牛顿迭代法而言，由于用差商替代微商，因此也使得收敛阶数比牛顿迭代法低，收敛速度也比牛顿迭代法慢。收敛阶数比牛顿迭代法低，收敛速度也比牛顿迭代法慢。 个人总结个人总结 本次设计所涉及的知识面比较广泛，除了要掌握以前所学的数本次设计所涉及的知识面比较广泛，除了要掌握以前所学的数学知识以外，更多的是对学知识以外，更多的是对MATLAB软件的了解和运用，包括对软件的了解和运用，包括对MATLAB编程语法的运用，可视化编程编程语法的运用，可视化编程GUI的设计以及对整个算的设计以及对整个算法的思想和流程的熟习等。经过本次设计，加深了本人对数学知法的思想和流程的熟习等。经过本次设计，加深了本人对数学知识的掌握，更为主要的是，使我学会如何去用某些数学软件工具，识的掌握，更为主要的是，使我学会如何去用某些数学软件工具，如如MATLAB去处理一些现实生活中的数学和其他问题，使得去处理一些现实生活中的数学和其他问题，使得本人的知识程度有所提高，也希望经过本次设计，让本人在动手本人的知识程度有所提高，也希望经过本次设计，让本人在动手处理实践问题上有更强的才干，对本人在以后的学习，生活和任处理实践问题上有更强的才干，对本人在以后的学习，生活和任务中有所协助。务中有所协助。终终了了语语l 本次设计不仅仅是运用一个数学软件来求解非线性方程，更为本次设计不仅仅是运用一个数学软件来求解非线性方程，更为重要的是培育本人分析问题和处理问题的才干。重要的是培育本人分析问题和处理问题的才干。l 真诚赞赏各位教师的倾听。本次设计还存在缺乏的地方，也希望真诚赞赏各位教师的倾听。本次设计还存在缺乏的地方，也希望各位教师能谦虚给我提些建议和意见，我将努力地去改良。各位教师能谦虚给我提些建议和意见，我将努力地去改良。