回转工件端面跳动测量机构信号检测装配图说明书.docx
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回转工件端面跳动测量机构信号检测装配图说明书
一、设计方案
1.1端面跳动的定义
跳动公差有圆跳动公差和全跳动公差两个特征项目，端面跳动是指圆跳动公差，即实际被测要素在无轴向移动的条件下绕基准轴线旋转一周过程中，由位置固定的指示表在给定的测量方向上对该实际被测要素测得的最大与最小值之差。
1.2端面跳动的测量
传统测量端面跳动误差是人工用接触法测量，一方面由于存在测量力带来测量误差；另一方面测量效率不高。
通常的测量方法是采用导向套或V型块来体现基准轴线，用顶尖对工件实现定位。
这种方法的缺点是通用性差，有时还需要增设夹紧装置，而且轴向定位的误差影响测量结果。
随着计算机集成制造（CIM）在制造企业的逐步推广，构建集成质量控制系统尤为必要，而这个系统的建立是以各种检测仪器的计算机应用为基础的，因此，开发包括端面跳动误差在内的新型形位误差微机化检测仪势在必行。
因此本设计在传统端面跳动测量机构的基础上采用电感式位移传感器实时的将断面的跳动量送入单片机进行数据处理、显示，操作人员可直接从显示器中读出回转工件的端面跳动值，这一方法，一来消除了接触法测量力带来的误差，同时也消除了人工读数时产生的误差。
二、测量机构设计
2.1总体设计
端面跳动测量机构的组成包括三坐标工作台，支承机构，传感器和其他电路部分。
2.2水平导轨的设计
端面跳动测量中，需要根据工件及传感器的安装来调节位置，因此要进行导轨的设计。
水平导轨采用如图所示的双矩形组合导轨设计，这种导轨的制造和检测容易，承载能力大，辅助导轨面用压板调节间隙，导向面用镶条调节间隙。
导向面在平导轨的两内侧，导向面的距离较小，加工测量方便，可取较小的间隙，导向精度高。
图1水平导轨
2.3竖直导轨的设计
竖直导轨的设计要考虑到重力的影响，因此需加上紧固螺母。
其他部分采用与水平导轨相同的设计。
图2竖直导轨
2.4基座的设计
为减小测量机构的力变形，需合理选基座的各个参数。
假设工件的质量为6~10kg，则基座的壁厚应至少为8mm，基座的材料选用铸铁即可。
三、电路设计
3.1测量电路原理图
测量电路原理图见图3。
在检测机构电路设计和元器件选型中既要保证测量精度和测量效率，又要具有高效的可靠性、稳定性及元器件的兼容性。
A/D
转换
单元
电感
测微
仪信
号
滤
波
放
大
器
被测转轴
减
速
器
步
进
电
机
单片
机数
据处
理单
元
显
示
单
元
图3检测机构的测量电路原理图
3.2步进电机的选择
3.2.1相关参数
本设计中，步进电机选用永磁式步进电机42BY48H07A，它主要用于医疗仪器、工业自动化和办公自动化等场合，相关参数如下：
相数
4相
步矩角
7.5°
电压
12V
相电流
0.2A
电阻
60Ω
启动转矩
60g.cm
最大静转矩
400g.cm
绝缘等级
E
额定功率
4.2W
表1步进电机参数
3.2.2驱动方式
步进电机采用4相8拍驱动方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA
导线颜色
1
2
3
4
5
6
7
8
5红
+
+
+
+
+
+
+
+
4橙
-
-
-
3黄
-
-
-
2粉
-
-
-
1蓝
-
-
-
表2步进电机驱动时序
3.2.3驱动电路
图4步进电机驱动电路
3.2.4驱动芯片
本设计中选用ULN2803作为步进电机的驱动芯片，该芯片具有高电压大电流的特点，广泛用于计算机、工业和消费产品中。
其最大额定值如下：
额定值
符号
值
单位
输出电压
VO
50
V
输入电压
VI
30
V
集电极电流-连续
IC
500
mA
基集电流-连续
IB
25
mA
工作环境温度范围
TA
0至+7
℃
保存温度范围
Tsig
-55至+150
℃
结温
Tj
125
℃
表3ULN2803最大额定值
3.3传感器的选择
现假设本测量机构所能测量工件的跳动公差等级为3-6级，直径为10-70mm，允许的跳动误差为2-10μm,测量最大长度120mm.考虑到测量工件和传感器分别作匀低速转动和滑动，震动较轻，根据传感器的选取原则，现选择动态分辨率为0.3-0.5μm的LY101系列传感器。
本检测机构采用电感式位移传感器，该传感器利用差动电感原理（半桥型）工作，外形小巧，性能稳定。
测量时，测杆和被测物体一起移动，它将带动磁芯一起在传感器的线圈中移动，从而使差动式传感器的两个线圈的阻抗发生大小相等但极性相反的变化。
通过测量电路的处理，就可以得出运动的大小和方向。
传感器的主要特征参数见表1.
测量范围
测杆行程
导向形式
线性度
工作温度
温度漂移
激励频率
输出
±0.5mm
2.5mm
滚动
0.15％FS
1℃-40℃
0.15um/℃
19KHz
0-10mV
表4LY101系列传感器的特征参数表
跳动误差的变化量很小，传感器输出的信号也十分微弱，通常在0到数毫伏范围内变化。
因此选择或设计信号放大滤波装置时需要将低信噪比的有效信号提出来并对噪声进行抑制。
3.4放大电路
3.4.1放大原理
因为从传感器输出的信号较微弱，如果不对其进行放大，后面的滤波电路也无法工作，故应先对信号进行放大再滤波。
现将电压发达倍数设置为Kp1=50，电路原理图如图5所示。
图5放大电路原理图
3.4.2芯片介绍
本设计采用Philips公司生产的LM358AD芯片。
引脚功能见图3
图6LM358AD功能引脚图
3.5滤波电路
精加工工件端面的跳动误差经传感器转换后得到的是缓慢变化的信号，即是说传感器采集到的信号是一个低频信号，由此选择低通滤波。
本设计中采用无限增益型低通滤波器。
3.5.1特点分析
本设计采用的RC无限增益多路反馈型低通滤波，此滤波电路结构简单，调整方便，易于集成化；且电路不存在正反馈和负载效应，因而总是稳定的。
但该电路的不足之处在于这种电路对运算放大器要求比较高。
3.5.2滤波电路参数
电路原理图如图3所示，本低通滤波电路由电容、电阻和运算放大器构成。
图7滤波电路图
其传递函数为：
滤波器参数为：
改变R6、R4的比值便能使电路具有一定的放大倍数，起了信号的放大作用。
我们取R6=-100KΩ，R4=10KΩ，R5=5KΩ，R=500KΩ，C4=C5=10μF，这样本电路便对传感器的输出信号放大了10倍，即Kp2=10。
加上前面的放大电路，整个信号调理电路的放大倍数是500，即Kp=500。
3.6A/D转换
3.6.1接口电路
A/D转换电路就是将模拟量转换为数字量的电路。
实现A/D转换的方法有很多，如积分型、逐次比较型、并行比较型等，本设计中，采用集成A/D转换器，芯片采用12位AD转换芯片AD1674。
接口电路图如下：
图8AD1674接口电路
3.6.2芯片介绍
AD1674数模转换芯片是美国模拟器件公司的新一代产品，它是逐次逼近型的12位精度中高端产品。
AD1674有如下特点：
（1）有参考电压基准和时钟电路，单/双极性输入；
（2）全8位或16位微处理器接口；
（3）250ns总线取数时间，能满足一般微处理器的时序要求；
（4）高转换率，其采样时间控制在10us以内，速度极快，所以此系统设计时是采用查询的方式与单片机连接的；
（5）片内集成了采样保持器，保持器使数据传送的准确性得到了保证，而且避免了另加元件使系统复杂化的麻烦。
图9AD1674引脚图
3.6.3工作原理
AD1674采用逐次逼近法将输入的模拟信号转换为数字量，它有多种工作模式，其功能真值表如下：
CE
CS
R/C
12/8
A0
功能
0
X
X
X
X
无
X
1
X
X
X
无
1
0
0
X
0
启动12位A/D转换
1
0
0
X
1
启动8位A/D转换
1
0
1
1
X
12位并行输出
1
0
1
0
0
高8位数据输出
1
0
1
0
1
低4位数据输出，余下4位为0
表5AD1674功能真值表
上表中：
CE：
芯片使能，高电平激活，用于开始一个转换过程或读取操作
CS：
芯片选择，低电平有效
R/C：
高电平时为读操作，低电平时为转换操作
12/8：
决定数字输出数据的格式，为低则为两个8位的字节，为高则为一个12位的字
A0：
在转换过程中，A0为低则为12位转换，否则为8位转换；在以8位字节为单位的读数过程中，A0为0时输出高8位（DB11~DB4），A0为1时输出DB3~DB0，DB7~DB4为0000
3.7单片机
本设计选用P89C51作为主控芯片，该芯片具有低功耗、高性能的特点，拥有丰富的硬件资源，芯片价格便宜，且易于更换，其接口电路如下：
3.7.1复位电路
图10复位电路
3.7.2时钟电路
图11时钟电路
3.8显示单元
本设计中采用LCD1602作为显示单元，其主要技术参数如下：
显示容量：
16x2个字符
芯片工作电压：
4.5~5.5V
工作电流：
2.0mA
字符尺寸：
2.95x4.35（WxH）mm
LCD1602可显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内置含128个字符的ASCII字符集字库，并有并行接口，无串行接口。
与单片机的接口电路如下：
图12LCD1602接口电路
3.9电源设计
单片机供电采用LM78L05三端线性稳压芯片配合直流稳压电源构成。
直流输入低于18V的直流电，输出为5V（误差小于5%），完全满足单片机及其他芯片的要求。
供电系统原理图如下：
图13单片机供电系统
芯片LM78L05的相关参数如下：
表6LM78L05参数
四、程序设计
4.1流程图设计
主程序流程图：
开始
初始化
A/D转换
延时
LCD显示
中断程序流程图：
t0_num自加1
N
Y
t0_num=0
给P2口赋值
i++
N
Y
i=0
4.2程序设计（见附录）
五、结束语
高精度高效率的现代制造技术必然要求与其相适应的检测手段。
目前我国许多机械制造企业的检测装备还不能适应高精度产品检测的要求，部分设计图上标注的形位公差缺乏相应的检测手段，使质量控制变成制造链中的开环，影响了我国制造业的竞争力。
开发出应用传感器和微机（单片机或PC机）技术结合的新型形位公差检测仪器，不仅是改造传统检测手段的需要，也将为企业逐步实现集成质量控制提供技术基础，为更广泛更有效的应用微机技术提供有利的支撑。
参考文献：
[1]甘永立，几何量公差与测量，第九版，上海科学技术出版社，2005
[2]叶湘滨，熊飞丽，传感器与测试技术，国防科技大学出版社，2006
[3]张国雄，测控电路，第四版，机械工业出版社，2006
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[5]赵跃进，何献忠，精密机械设计基础，北京理工大学出版社，2003
[6]李爱军，陈国平，画法几何及机械制图，中国矿业大学出版社，2002
[7]浦昭邦，王宝光，测控仪器设计，机械工业出版社，2007
[8]孙宝元，杨宝清，传感器及其应用手册，机械工业出版社，2004
[9]郭天祥，51单片机C语言教程，电子工业出版社，2009
附录：
/*********************回转工件端面跳动测量程序***********************
平台：
KeilU4+P89C51
晶振：
12MHZ
编写：
日期：
2012-11-20
********************************************************************/
#include//包含头文件
#include//包含NOP空指令函数_nop_（）;
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitadcs=P2^0;//定义AD芯片片选端口
sbitsts=P3^4;//AD转换状态端口
sbitada0=P3^5;//AD位数选择端口
sbitadrc=P3^6;//AD工作模式选择端口
sbitadce=P3^7;//AD芯片使能
sbitlcdrs=P2^1;//数据/命令选择端
sbitlcdrw=P2^2;//读写选择端
sbitlcden=P2^3;//定义LCD1602片选端口
ucharcodetable[]={//电机转向控制
0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};
uchari=0,t0_num=0;
/*******************************LCD1602*******************************/
voiddelay（uintxms）//延时程序
{
uinti,j;
for（i=xms;i>0;i--）
for（j=110;j>0;j--）;
}
voidwrite_com（ucharcom）//LCD写地址
{
lcdrs=0;
lcdrw=0;
P0=com;//P0为LCD并行数据端口
delay（5）;
lcden=1;
delay（5）;
lcden=0;
delay（5）;
}
voidwrite_dat（uchardat）//LCD写数据
{
lcdrs=1;
lcdrw=0;
P0=dat;
delay（5）;
lcden=1;
delay（5）;
lcden=0;
delay（5）;
}
voidlcd_init（）
{
lcden=0;
write_com（0x38）;//设置16x2显示，5x7点阵，8位数据接口
write_com（0x0c）;//开显示，不显示光标
write_com（0x06）;//写一个字符后地址指针加1
write_com（0x01）;//清屏
}
/*******************************AD转换*******************************/
voidad_transform（）//启动AD转换
{
ada0=0;//选择12位转换模式
adrc=0;
adce=1;
while（sts）;
adce=0;
}
uintread_ad（）//读取AD并行口数据
{
uinttemp;
uchartempa,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）;
}
voidmain（）
{
ucharA1,A2,A3,A4;
uintadval=0;
TMOD=0x01;//T0定时器初始化
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_dat（0x30+A2）;
write_dat（0x30+A3）;
write_dat（0x80+A4）;
adval=read_ad（）;
A1=adval/1000;
A2=adval%1000/100;
A3=adval%100/10;
A4=adval%10;
}
}
voidtimer0（）interrupt1//通过T0定时器中断为步进电机提供脉冲
{
TH0=（65536-50000）/256;
TL0=（65536-50000）%256;
t0_num++;
if（t0_num>=20）
{
t0_num=0;
P2|=table[i];//P2端口的高4位为步进电机的控制端口
i++;
if（i==8）i=0;
}
}
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