回轉(zhuǎn)工件端面跳動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)裝配圖說(shuō)明書(shū)

1、一、設(shè)計(jì)方案1.1端面跳動(dòng)的定義跳動(dòng)公差有圓跳動(dòng)公差和全跳動(dòng)公差兩個(gè)特征項(xiàng)目，端面跳動(dòng)是指圓跳動(dòng)公差，即實(shí)際被測(cè)要素在無(wú)軸向移動(dòng)的條件下繞基準(zhǔn)軸線旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中，由位置固定的指示表在給定的測(cè)量方向上對(duì)該實(shí)際被測(cè)要素測(cè)得的最大與最小值之差。1.2端面跳動(dòng)的測(cè)量傳統(tǒng)測(cè)量端面跳動(dòng)誤差是人工用接觸法測(cè)量，一方面由于存在測(cè)量力帶來(lái)測(cè)量誤差；另一方面測(cè)量效率不高。通常的測(cè)量方法是采用導(dǎo)向套或V型塊來(lái)體現(xiàn)基準(zhǔn)軸線，用頂尖對(duì)工件實(shí)現(xiàn)定位。這種方法的缺點(diǎn)是通用性差，有時(shí)還需要增設(shè)夾緊裝置，而且軸向定位的誤差影響測(cè)量結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）在制造企業(yè)的逐步推廣，構(gòu)建集成質(zhì)量控制系統(tǒng)尤為必要，而這個(gè)系統(tǒng)的

2、建立是以各種檢測(cè)儀器的計(jì)算機(jī)應(yīng)用為基礎(chǔ)的，因此，開(kāi)發(fā)包括端面跳動(dòng)誤差在內(nèi)的新型形位誤差微機(jī)化檢測(cè)儀勢(shì)在必行。因此本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)端面跳動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用電感式位移傳感器實(shí)時(shí)的將斷面的跳動(dòng)量送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示，操作人員可直接從顯示器中讀出回轉(zhuǎn)工件的端面跳動(dòng)值，這一方法，一來(lái)消除了接觸法測(cè)量力帶來(lái)的誤差，同時(shí)也消除了人工讀數(shù)時(shí)產(chǎn)生的誤差。二、測(cè)量機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1總體設(shè)計(jì)端面跳動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)的組成包括三坐標(biāo)工作臺(tái)，支承機(jī)構(gòu)，傳感器和其他電路部分。2.2水平導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)端面跳動(dòng)測(cè)量中，需要根據(jù)工件及傳感器的安裝來(lái)調(diào)節(jié)位置，因此要進(jìn)行導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。水平導(dǎo)軌采用如圖所示的雙矩形組合導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，這種導(dǎo)軌的制造

3、和檢測(cè)容易，承載能力大，輔助導(dǎo)軌面用壓板調(diào)節(jié)間隙，導(dǎo)向面用鑲條調(diào)節(jié)間隙。導(dǎo)向面在平導(dǎo)軌的兩內(nèi)側(cè)，導(dǎo)向面的距離較小，加工測(cè)量方便，可取較小的間隙，導(dǎo)向精度高。圖1 水平導(dǎo)軌2.3豎直導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)豎直導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)要考慮到重力的影響，因此需加上緊固螺母。其他部分采用與水平導(dǎo)軌相同的設(shè)計(jì)。圖2 豎直導(dǎo)軌2.4基座的設(shè)計(jì)為減小測(cè)量機(jī)構(gòu)的力變形，需合理選基座的各個(gè)參數(shù)。假設(shè)工件的質(zhì)量為610kg，則基座的壁厚應(yīng)至少為8mm，基座的材料選用鑄鐵即可。三、電路設(shè)計(jì)3.1測(cè)量電路原理圖測(cè)量電路原理圖見(jiàn)圖3。在檢測(cè)機(jī)構(gòu)電路設(shè)計(jì)和元器件選型中既要保證測(cè)量精度和測(cè)量效率，又要具有高效的可靠性、穩(wěn)定性及元器件的兼容性。A/

4、D轉(zhuǎn)換單元電感測(cè)微儀信號(hào)濾波放大器被測(cè)轉(zhuǎn)軸減速器步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元顯示單元 圖3 檢測(cè)機(jī)構(gòu)的測(cè)量電路原理圖3.2步進(jìn)電機(jī)的選擇3.2.1 相關(guān)參數(shù)本設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)選用永磁式步進(jìn)電機(jī)42BY48H07A，它主要用于醫(yī)療儀器、工業(yè)自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等場(chǎng)合，相關(guān)參數(shù)如下：相數(shù)4相步矩角7.5°電壓12V相電流0.2A電阻60 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩60g.cm最大靜轉(zhuǎn)矩400g.cm絕緣等級(jí)E額定功率4.2W表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)3.2.2 驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電機(jī)采用4相8拍驅(qū)動(dòng)方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA導(dǎo)線顏色123456785紅+4橙-3黃-2粉-1藍(lán)-表2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序3.

5、2.3 驅(qū)動(dòng)電路圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.2.4 驅(qū)動(dòng)芯片本設(shè)計(jì)中選用ULN2803作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片具有高電壓大電流的特點(diǎn)，廣泛用于計(jì)算機(jī)、工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品中。其最大額定值如下：額定值符號(hào)值單位輸出電壓VO50V輸入電壓VI30V集電極電流-連續(xù)IC500mA基集電流-連續(xù)IB25mA工作環(huán)境溫度范圍TA0至+7保存溫度范圍Tsig-55至+150結(jié)溫Tj125表3 ULN2803最大額定值3.3傳感器的選擇現(xiàn)假設(shè)本測(cè)量機(jī)構(gòu)所能測(cè)量工件的跳動(dòng)公差等級(jí)為3-6級(jí)，直徑為10-70mm，允許的跳動(dòng)誤差為2-10m,測(cè)量最大長(zhǎng)度120mm.考慮到測(cè)量工件和傳感器分別作勻低速轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)，震

6、動(dòng)較輕，根據(jù)傳感器的選取原則，現(xiàn)選擇動(dòng)態(tài)分辨率為0.3-0.5m的LY101系列傳感器。本檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用電感式位移傳感器，該傳感器利用差動(dòng)電感原理（半橋型）工作，外形小巧，性能穩(wěn)定。測(cè)量時(shí)，測(cè)桿和被測(cè)物體一起移動(dòng)，它將帶動(dòng)磁芯一起在傳感器的線圈中移動(dòng)，從而使差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)線圈的阻抗發(fā)生大小相等但極性相反的變化。通過(guò)測(cè)量電路的處理，就可以得出運(yùn)動(dòng)的大小和方向。傳感器的主要特征參數(shù)見(jiàn)表1.測(cè)量范圍測(cè)桿行程導(dǎo)向形式線性度工作溫度溫度漂移激勵(lì)頻率輸出±0.5mm 2.5mm滾動(dòng)0.15FS1-400.15um/19KHz0-10mV表4 LY101系列傳感器的特征參數(shù)表跳動(dòng)誤差的變化量很小

7、，傳感器輸出的信號(hào)也十分微弱，通常在0到數(shù)毫伏范圍內(nèi)變化。因此選擇或設(shè)計(jì)信號(hào)放大濾波裝置時(shí)需要將低信噪比的有效信號(hào)提出來(lái)并對(duì)噪聲進(jìn)行抑制。3.4放大電路3.4.1 放大原理因?yàn)閺膫鞲衅鬏敵龅男盘?hào)較微弱，如果不對(duì)其進(jìn)行放大，后面的濾波電路也無(wú)法工作，故應(yīng)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大再濾波?，F(xiàn)將電壓發(fā)達(dá)倍數(shù)設(shè)置為Kp1=50，電路原理圖如圖5所示。圖5 放大電路原理圖3.4.2 芯片介紹本設(shè)計(jì)采用Philips公司生產(chǎn)的LM358AD芯片。引腳功能見(jiàn)圖3圖6 LM358AD功能引腳圖3.5濾波電路精加工工件端面的跳動(dòng)誤差經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后得到的是緩慢變化的信號(hào)，即是說(shuō)傳感器采集到的信號(hào)是一個(gè)低頻信號(hào)，由此選擇低通

8、濾波。本設(shè)計(jì)中采用無(wú)限增益型低通濾波器。3.5.1 特點(diǎn)分析本設(shè)計(jì)采用的RC無(wú)限增益多路反饋型低通濾波，此濾波電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，易于集成化；且電路不存在正反饋和負(fù)載效應(yīng)，因而總是穩(wěn)定的。但該電路的不足之處在于這種電路對(duì)運(yùn)算放大器要求比較高。3.5.2 濾波電路參數(shù)電路原理圖如圖3所示，本低通濾波電路由電容、電阻和運(yùn)算放大器構(gòu)成。圖7 濾波電路圖其傳遞函數(shù)為：濾波器參數(shù)為：改變R6、R4的比值便能使電路具有一定的放大倍數(shù)，起了信號(hào)的放大作用。我們?nèi)6=-100K，R4=10K，R5=5K，R=500K，C4=C5=10F，這樣本電路便對(duì)傳感器的輸出信號(hào)放大了10倍，即Kp2=10。加上前

9、面的放大電路，整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路的放大倍數(shù)是500，即Kp=500。3.6A/D轉(zhuǎn)換3.6.1 接口電路A/D轉(zhuǎn)換電路就是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路。實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法有很多，如積分型、逐次比較型、并行比較型等，本設(shè)計(jì)中，采用集成A/D轉(zhuǎn)換器，芯片采用12位AD轉(zhuǎn)換芯片AD1674。接口電路圖如下：圖8 AD1674接口電路3.6.2 芯片介紹AD1674數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片是美國(guó)模擬器件公司的新一代產(chǎn)品，它是逐次逼近型的12位精度中高端產(chǎn)品。AD1674有如下特點(diǎn)：（1）有參考電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘電路，單/雙極性輸入；（2）全8位或16位微處理器接口；（3）250ns總線取數(shù)時(shí)間，能滿足一般微處理器的時(shí)序

10、要求；（4）高轉(zhuǎn)換率，其采樣時(shí)間控制在10us以內(nèi)，速度極快，所以此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)是采用查詢的方式與單片機(jī)連接的；（5）片內(nèi)集成了采樣保持器，保持器使數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)確性得到了保證，而且避免了另加元件使系統(tǒng)復(fù)雜化的麻煩。圖9 AD1674引腳圖3.6.3 工作原理AD1674采用逐次逼近法將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，它有多種工作模式，其功能真值表如下：CECSR/C12/8A0功能0XXXX無(wú)X1XXX無(wú)100X0啟動(dòng)12位A/D轉(zhuǎn)換100X1啟動(dòng)8位A/D轉(zhuǎn)換1011X12位并行輸出10100高8位數(shù)據(jù)輸出10101低4位數(shù)據(jù)輸出，余下4位為0表5 AD1674功能真值表上表中：CE：芯片使能，高

11、電平激活，用于開(kāi)始一個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程或讀取操作CS：芯片選擇，低電平有效R/C：高電平時(shí)為讀操作，低電平時(shí)為轉(zhuǎn)換操作12/8：決定數(shù)字輸出數(shù)據(jù)的格式，為低則為兩個(gè)8位的字節(jié)，為高則為一個(gè)12位的字A0：在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，A0為低則為12位轉(zhuǎn)換，否則為8位轉(zhuǎn)換；在以8位字節(jié)為單位的讀數(shù)過(guò)程中，A0為0時(shí)輸出高8位（DB11DB4），A0為1時(shí)輸出DB3DB0，DB7DB4為00003.7單片機(jī)本設(shè)計(jì)選用P89C51作為主控芯片，該芯片具有低功耗、高性能的特點(diǎn)，擁有豐富的硬件資源，芯片價(jià)格便宜，且易于更換，其接口電路如下：3.7.1 復(fù)位電路圖10 復(fù)位電路3.7.2 時(shí)鐘電路圖11 時(shí)鐘電路3.8顯示單元

12、本設(shè)計(jì)中采用LCD1602作為顯示單元，其主要技術(shù)參數(shù)如下：顯示容量：16x2個(gè)字符芯片工作電壓：4.55.5V工作電流：2.0mA字符尺寸：2.95x4.35（WxH）mmLCD1602可顯示兩行，每行16個(gè)字符，不能顯示漢字，內(nèi)置含128個(gè)字符的ASCII字符集字庫(kù)，并有并行接口，無(wú)串行接口。與單片機(jī)的接口電路如下：圖12 LCD1602接口電路3.9電源設(shè)計(jì)單片機(jī)供電采用LM78L05三端線性穩(wěn)壓芯片配合直流穩(wěn)壓電源構(gòu)成。直流輸入低于18V的直流電，輸出為5V（誤差小于5%），完全滿足單片機(jī)及其他芯片的要求。供電系統(tǒng)原理圖如下：圖13 單片機(jī)供電系統(tǒng)芯片LM78L05的相關(guān)參數(shù)如下：表6

13、 LM78L05參數(shù)17四、程序設(shè)計(jì)4.1流程圖設(shè)計(jì)主程序流程圖：開(kāi) 始初始化A/D轉(zhuǎn)換延 時(shí)LCD顯示中斷程序流程圖：中斷處理t0_num自加1Nt0_num>=speed_num ?Yt0_num=0給P2口賦值i+Ni=8 ?Yi=0中斷返回4.2程序設(shè)計(jì)（見(jiàn)附錄）五、結(jié)束語(yǔ)高精度高效率的現(xiàn)代制造技術(shù)必然要求與其相適應(yīng)的檢測(cè)手段。目前我國(guó)許多機(jī)械制造企業(yè)的檢測(cè)裝備還不能適應(yīng)高精度產(chǎn)品檢測(cè)的要求，部分設(shè)計(jì)圖上標(biāo)注的形位公差缺乏相應(yīng)的檢測(cè)手段，使質(zhì)量控制變成制造鏈中的開(kāi)環(huán)，影響了我國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。開(kāi)發(fā)出應(yīng)用傳感器和微機(jī)（單片機(jī)或PC機(jī)）技術(shù)結(jié)合的新型形位公差檢測(cè)儀器，不僅是改造傳統(tǒng)檢

14、測(cè)手段的需要，也將為企業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)集成質(zhì)量控制提供技術(shù)基礎(chǔ)，為更廣泛更有效的應(yīng)用微機(jī)技術(shù)提供有利的支撐。參考文獻(xiàn)：1甘永立，幾何量公差與測(cè)量，第九版，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，20052葉湘濱，熊飛麗，傳感器與測(cè)試技術(shù)，國(guó)防科技大學(xué)出版社，20063張國(guó)雄，測(cè)控電路，第四版，機(jī)械工業(yè)出版社，20064李朝青，單片機(jī)原理及接口技術(shù)，第三版，北京航空航天大學(xué)出版社，20065趙躍進(jìn)，何獻(xiàn)忠，精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，北京理工大學(xué)出版社，20036李愛(ài)軍，陳國(guó)平，畫(huà)法幾何及機(jī)械制圖，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，20027浦昭邦，王寶光，測(cè)控儀器設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，20078孫寶元，楊寶清，傳感器及其應(yīng)用手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版

15、社，20049郭天祥，51單片機(jī)C語(yǔ)言教程，電子工業(yè)出版社，2009附錄：/*回轉(zhuǎn)工件端面跳動(dòng)測(cè)量程序*平臺(tái)：Keil U4 +P89C51晶振：12MHZ編寫(xiě)： 日期：2012-11-20*/#include<reg51.h>/包含頭文件#include<intrins.h>/包含NOP空指令函數(shù)_nop_();#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit adcs=P20;/定義AD芯片片選端口sbit sts=P34;/AD轉(zhuǎn)換狀態(tài)端口sbit ada0=P35;/AD位數(shù)選擇端口sbit adr

16、c=P36;/AD工作模式選擇端口sbit adce=P37;/AD芯片使能sbit lcdrs=P21;/數(shù)據(jù)/命令選擇端sbit lcdrw=P22;/讀寫(xiě)選擇端sbit lcden=P23;/定義LCD1602片選端口uchar code table=/電機(jī)轉(zhuǎn)向控制0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;uchar i=0,t0_num=0;/*LCD1602*/void delay(uint xms) /延時(shí)程序uint i,j;for(i=xms;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);void write_com(uch

17、ar com) /LCD寫(xiě)地址lcdrs=0;lcdrw=0;P0=com; /P0為L(zhǎng)CD并行數(shù)據(jù)端口delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;delay(5);void write_dat(uchar dat) /LCD寫(xiě)數(shù)據(jù)lcdrs=1;lcdrw=0;P0=dat;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;delay(5);void lcd_init()lcden=0;write_com(0x38); /設(shè)置16x2顯示，5x7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口write_com(0x0c); /開(kāi)顯示，不顯示光標(biāo)write_com(0x06);

18、/寫(xiě)一個(gè)字符后地址指針加1write_com(0x01); /清屏/*AD轉(zhuǎn)換*/void ad_transform() /啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換ada0=0; /選擇12位轉(zhuǎn)換模式adrc=0;adce=1;while(sts);adce=0;uint read_ad() /讀取AD并行口數(shù)據(jù)uint temp;uchar tempa,tempb;P1=0xff;adrc=1;ada0=0;adce=1;_nop_();tempa=P1;adce=0;ada0=1;adce=1;_nop_();tempb=P1;adce=0;temp=(tempa<<4)|(tempb>>4);return(temp);void main()uchar A1,A2,A3,A4;uint adval=0;TMOD=0x01; /T0定時(shí)器初始化TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;lcd_init();adcs=0;while(1)ad_transform();delay(10);write_com(0x80);write_dat(0x30+A1);write_