轴瓦的圆度测量仪毕业设计.docx

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轴瓦的圆度测量仪毕业设计

河南机电高等专科学校

毕业设计

轴瓦的圆度测量仪

摘要

随着计算机和传感器技术的飞速发展，检测技术和数字显示技术发生了革命性的变化。

检测仪器仪表正朝智能化、集成化、多功能化的方向发展。

轴瓦类零件是机械设备中广泛应用的一类零件，研究与开发孔类零件的测量设备对于提高设备的装配精度、延长设备寿命具有重要意义。

本课题以轴瓦曲轴为研究对象，开发了一种圆度自动检测系统。

本文在分析了自动检测系统和数字显示系统发展趋势的基础上，遵循方便、实用、经济的设计原则，对轴瓦圆度检测系统进行了软硬件设计。

系统硬件的核心采用了性价比较高的PC机、PLC、AT89C51、AD574A等。

硬件设计采用了以现代传感技术与信号处理技术为支撑的方案。

该系统利用差动变压器，实现了数据的快速、高精度采集。

选用PLC和步进电机实现对数据采集的精确控制。

采用高性能的数显电路进行快速而精确的显示。

另外，本文还依据差动变压器、步进电机的工作原理确定了选择自动检测系统器件的原则。

对于系统的软件部分，主要进行了实现控制操作和人机交互操作的程序设计。

该程序实现了良好的人机对话、数据处理和存储功能。

在数字显示部分通过比较独立式按键和矩阵式按键的区别选出了一种最优的键盘设置方式。

本论文设计的机车曲轴圆度自动显示系统与传统仪器相比，在测量方法、

数据处理方式等方面有很大优势。

利用本系统进行圆度测量误差显示不仅可靠性高、实时性强，而且显示精度也有了大幅提高。

关键词：

圆度；传感器；数字显示；AT89C51

ABSTRACT

Therapiddevelopmentsofthecomputerandsensortechnologyhavebroughtaboutanewrevolutionarychangeinthemeasuringinstrument．Themeasuringinstrumentistendingtobemulti．functions、integratedandintelligent．Holepansisonekindofcomponentswhichiswidelyusedinmodemmachine．Researchinganddevelopingthiskindofmeasuringinstrumentforimprovingtheassemblingaccuracy，extendthelifeofequipmentisofgreatimportance．Thispapertakethe10comotiveenginecrankshaftholeasresearchobject，andhasdevelopedaroundapertureofautomaticdetectionsystem．

Basedontheanalysisoftrendsinthedevelopmentofautomaticdetectionsystemandthebasisoffollowprinciplesthatconcludedconvenience，practicalandeconomical。

thehardwareandsoftwareofthesystemisdesigned．Systemhardwarecoreadaptsacost．effectivePCandthePLC．Thehardwaredesigntookmodernsensorytechnologyandsignaltreatmenttechnologyastheschemesupport．Chooseeddycurrentsensortogatherthesignalsandrealizehighaccuracygatheringofthedata．AndchoosePLC、step．motorthatcancontrolthedataacquisitionaccuracy．Inaddition，thepaperdeterminedhighaccuracyautomaticdetectionsystemdeviceprinciplewhichaccordingtotheprincipleoftheeddycurrentsensorandstep-motor．ThepaperdescribesdesignmethodandapplicationofVariousmodulesformingthesoftwaresystemindetail．meanwhileacorrespondingprogramisdeveloped．Thisprogramrealizesgoodman-machineinterfacefunctionquicklyandreliabilitysignalprocessingfunctionstronglydatesignalstorageandtransactfunction．

Finally,fourroundnesserror’sevaluationmethodsandbasicprinciplesarestatedinthispaper．Thosemethodsincludetheminimumcircumscribedcircle、theleastsquarecirclemethod、themaximuminscribedcircleandtheminimumregionmethod．

Comparedwithtraditionalinstrument，themeasuringinstrumentdesignedinthepapershasgreatadvantagesinthemeasurementmethod，dataprocessingmethodsandsoon．Usingthissystemtomeasureroundness，cangetahighreliability，real．time，andaccuracyhasalsoincreasedsubstantially．

Keywords：

roundness；sensor；automaticmeasurement；MCS

第1章绪论

1.1选题的背景及研究的意义

随着我国加入世界贸易组织，我国的各行各业的产品都要参与国际的竞争，都要遵守优胜劣汰的规则。

而产品要想在竞争中胜出，立于不败之地，产品的质量是关键。

在机械制造业的产品中，产品的质量与产品加工的精度有密切关系，且产品的质量好坏将直接决定产品的性能和寿命。

国外发动机缸体的生产加工自动化程度高，多有主动测量装置，加工和测量精度高，其尺寸及形位参数在加工时就可以保证。

而国内缸体加工设备相对落后，加工精度难以保证，往往靠加工后的一些检测手段来控制。

目前国内大多数发动机生产厂家的检测主要采用机械式的量具，例如缸径表等作为检测工具，其检测精度低、检测参数单一、检测效率也低无法满足生产的要求。

传统的气动测量仪检测效率低、无法区分尺寸误差与形状误差，测量精度较低。

三坐标测量机检测精度高，但其检测效率太低，而且对周围环境要求较高，只能采用抽检的方式，不能满足批量分组检测的要求。

特别是在曲轴圆度的测量中，因其具有测量点数多，采集数据多的特点，传统的量具更是无法胜任。

因此，国内发动机生产厂，特别是高速发动机生产厂，急需高效率、高精度的专用检测设备，实现对关键零部件的全面检测，以提高生产效率和产品质量。

1.2研究的意义

中国是工业大国，圆度检测仪器具有巨大市场，然而，国内目前的研究水平离这个需求还有一定的差距。

研究开发具有自主知识产权的圆度检测系统，对于摆脱对进口产品的依赖，推进我国仪器数字化改造，提高检测行业的水平很有必要。

并且通过研制高速、高精度圆度检测系统，还可以提高我国圆度仪的档次技术水平，加快高档圆度检测仪器国产化，抵制国外产品对我国仪器仪表市场的冲击，尤其是对开发圆柱度仪等同类产品都具有促进意义。

通过研制轴瓦曲轴圆度检测系统可以解决生产厂家对产品的监控能力，为质量管理者提供决策参考。

这一检测系统可以实现发动机曲轴圆度的全自动检测，检测时间大大缩短，实现在线和非在线的产品检测的要求。

通过实施本系统，能有效的提高产品的质量，保证稳定可靠的检测精度。

本课题的研究成果具有较好的开放性，可以推广应用于各种的大型孔类零件的自动非接触式尺寸检测中。

如果应用于在线制造系统中，可以大量缩短生产的检测时间。

同时该系统还可以应用于孔类零部件的半成品的检测，比较适应国内企业提出车间生产系统的需求。

提高了生产厂家的生产效率和对生产加工质量的控制，防止大批量废品的出现，避免不必要的浪费，降低了生产成本，使检测人员从繁重的劳动中解放出来。

1.3轴瓦曲轴检测现状分析

1．3．1圆度误差检测概况

圆度误差是指回转体的同一正截面上实际轮廓对其理想圆的变动量，机械零件回转表面轮廓的圆度误差对机器和仪器的功能有直接的影响，它是高精度回转体零件的一项重要精度指标，也是检验回转体类零件加工质量的重要指标之一。

目前，圆度仪仍为圆度误差测量的最有效手段，按照结构的不同，可将圆度仪分为两种：

主轴旋转式和工作台旋转式。

主轴旋转式：

被测零件放置在工台上固定不动，仪器的主轴带传感器和测头一起回转。

测量时零件固定不动，可用来测量较大零件的圆度误差。

工作台旋转式：

传感器和测头固定不动，被测零件放置在仪器的回转工作台上，随工作台上一起回转，这种仪器常制成紧凑的台式仪器，适于测量小型零件的圆度误差，其测量原理为当仪器测头与实际被测圆轮廓接触时，实际被测圆轮廓的半径变化量就可以通过测头反应出来，此变化量由传感器接收，并转换成电信号输送到电气系统，经放大器、滤波器运到微机系统，实现数据的自动处理打印及显示结果。

圆度仪可以保证很高的采样精度和评定精度，评定方法符合标准的要求并配有专用的微机，工作效率高不失为一种理想的测量仪器。

但是圆度仪的成本高，价格昂贵，对操作环境、条件的要求严格，通常仅限于计量室中使用，不能用于车间现场。

另外，圆度仪作为一种高精度仪器，调整和操作比较繁琐，测试效率低。

如果频繁地用于一般零件的测量，在经济上也不合理。

再者，圆度仪由于其规格所限只能用于中小型零件圆度误差的测量，这样就使圆度仪的使用受到一定的限制。

对于中小型精密零件的测量，坐标测量机也是一种精确有效的测量手段。

在测量时被测截面圆轮廓上选定若干测点一一测出它们的坐标，然后进行数据处理，求解圆度误差值。

不过测量成本高，效率也不尽人意，与它们在测量孔间关系的卓越性能相比，用它们在生产中测孔发挥不了其优势。

在生产实际中，目前仍采用一些手工检测方法。

内径千分表是最常用的内孔量具，在测量深孔或小批量工件时，它的适用性极好，而且投资不高。

气动量仪是一种有效的高精度孔径测量手段，但它比较适合于稳定的加工过程，有时难以适应大量生产的现场工作环境。

经过转换后它能带数字显示和输出，因而也能用于统计过程控制，不过其体积变得过大，成本也大大提高。

相比之下，数显内径千分表的性能更为优秀。

因为它能在一次操作过程中获取最小值一一就是孔径值，而传统的内径千分表往往要几次操作才能读准孔径值。

所以，在汽车发动机的缸径测量方面已成为有效的检测手段。

现在，用碳纤维测杆的内径千分表已可测达2m的深孔。

内径分厘卡可能是最广泛使用的孔径测量手段，常用于1～300mm孔径的测量。

内径分厘卡的型式已有了许多变化，有机械式和电子式、两点式和三点式、测微螺旋式和手枪按动式等。

有的已能达到1um的重复测量精度和2～3um的测量精度。

1．3．2曲轴检测技术概况

目前国内大多数发动机生产厂家对曲轴的检测主要采用机械式的量具，例如缸径表等作为检测工具，其检测精度低、检测参数单一、检测效率也低，无法满足生产的要求。

对曲轴圆度误差的在线测量方法正处于研究阶段，还没有研制出用于在线高精度、准确测量孔圆度误差的设备。

而本课题研究的孔径圆度自动测量系统既能达到实验室精密测量精度，又能实现在线测量。

满足了厂家提出的技术要求。

1．4论文研究的内容

本课题的研究目标是采用数字显示的先进技术，设计制造出满足厂家检测精度要求的轴瓦曲轴圆度显示设备。

而如何确定数字显示设备的系统组成，设计功能合理的电路，以实现对孔轮廓的测量结果的显示，将是我们研究的主要内容。

具体有以下几点：

1．了解国内现有圆度及误差显示的方法，建立孔径圆度自动显示系统理论模型。

2．了解数字显示系统的指标，工艺要求，确定显示系统的精度要求。

分析数字显示元件的技术指标。

3．绘制单片机数字显示系统流程图，实现键盘的输入、检测结果的显示、保存等功能。

4.通过对数字显示电路中的器件的性能的研究，设计出合理的数字显示电路。

第2章系统总体分析

2.1总体设计

2．1．1自动检测系统基本结构

检测系统在测量过程中，首先由传感器将被测物理量从研究对象中检测出来并转换成电量，然后输出。

现代检测技术包含了更多的后续处理技术，如根据需要对第一次变换后的电信号进行时域或频域处理，最后以适当形式输出。

信号的这种变换、处理和传输过程决定了检测系统的基本组成和它们的相互关系，检测

系统及其组成见图2-1。

图2-1检测系统及其组成

现代检测系统的应用类型大致可分为：

检测型和控制型两类，检测型又可分为基本型和标准接口型。

检测型完成对被测参量的测量任务，对测量的准确度要求较高；控制型一般应用于闭环控制系统中，对快速、实时和可靠性要求较高。

检测型中的基本型一般由传感器、信号调理电路、采样保持、模数转换、数字信号处理和数模转换电路等组成，完成对多点多参量的动态或静态测量任务。

传感器完成信号的获取任务。

它将被测参量（一般为模拟量）转换成相应的便于处理的电信号输出。

被测参量范围很广，可以是电参量或非电参量。

紧接其后的信号调理电路将微弱信号放大到与数据采集板中A／D转换器的转换电压范围相适配，通过滤波抑制干扰噪音信号的高频分量，将信号频带压缩以降低采样频率，避免在模数转换中产生混叠。

利用磁性变压器、光电或电容性器件等，耦合传输有用信号，阻隔高电压浪涌以及较高的共模电压，既保护操作人员也保护昂贵的测量设备，同时输出规范化的标准传输信号。

数据采集卡（板）将采样后的信号进行模数转换成为幅值离散的数字量。

将其送入计算机、单片机和单片机系统等各类微处理器。

通过软件编程实现高速数据运算等数字处理工作以及完成智能化信息处理的功能。

将运算结果以CRT显示或数字显示等多种形式输出给用户，也可通过数字接口实现与其他计算机的数据交换，或通过网络进行远程交换。

图2-2数据处理系统组成

数据处理的通用系统可以分为数据输入（获取）设备、数据处理设备（硬件、软件）和数据输出设备。

用于数据处理的通用系统的组成部件如图2-2所示。

首先被测物成为采集系统的目标物，传感器获取被测目标的信号，并转换为电信号传送给数据采集卡，数据采集卡将信号转换成数字信号，然后，把数字信号送入数据处理器，数据处理器使用依据各种数据处理算法编制的程序对数据信号进行处理、形状拟合、形态学分析，得到最终的测量结果，如尺寸、角度、个数、坐标，从而根据测量结果实现最终的检测目的。

2．2曲轴圆度自动检测系统

曲轴圆度自动检测系统的测量模型如图2-3所示，主要由数据采集、数据处理和图形显示三部分组成。

首先，被测工件内放置数据采集装置实现对被测工件的信号获取，信号从传感器元件传送到数据控制器，控制器对原始的数据信号进行预处理。

控制器输出的数字信号输计算机数据采集卡，完成数据采集。

然后，计算机通过测量软件实现对曲轴孔圆度计算、图形显示及测量结果统计等操作。

图2-3曲轴测量原理图

2.3数字显示电路设计

有上述工作原理，我画出来该系统的框图。

设计总体框图如图2-4所示。

图2-4总体设计框图

2.4显示部分

对于LED显示有以下两种方案：

静态显示，将一帧图像中的每一个二极管的状态分别用0和1表示,若为0,则表示LED无电流,即暗状态;若为1则表示二极管被点亮。

若给每一个发光二极管一个驱动电路,一幅画面输入以后,所有LED的状态保持到下一幅画。

对于静态显示方式,所需的译码驱动装置很多,引线多而复杂,成本高,且可靠性也较低。

动态显示，对一幅画面进行分割,对组成画面的各部分分别显示,是动态显示方式。

动态显示方式,可以避免静态显示的问题。

但设计上如果处理不当,易造成亮度低,闪烁问题。

因此合理的设计既应保证驱动电路易实现,又要保证显示稳定,无闪烁。

动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式,复用的程度不是无限增加的,因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短,发光的亮度等因素。

通过实验发现,当扫描刷新频率（发光二极管的停闪频率）为50Hz,发光二极管导通时间≥1ms时,显示亮度较好,无闪烁感。

由于静态显示方式,所需的译码驱动装置很多,引线多而复杂,成本高,且可靠性也较低。

而动态显示可以避免静态显示的问题，只是在设计时应注意合理的设计既应保证驱动电路易实现,又要保证图像稳定,无闪烁。

且动态显示易于制作和理解，又能巩固所学知识，达到毕业设计的目标。

我采用动态显示。

2.5驱动电路的选择

驱动电路的选择采取并口输入，占用大量I/O口资源。

选取串口输入，I/O口资源使用较少。

所以我选用串口输入。

电路中行方向由AT89C51的p0口和p2口完成扫描，由于p0口没有上拉电阻，因此接一个4.7k*8的排阻上拉。

为提供负载能力，接16个2N5551的NPN三极管驱动。

列方向则由4—16译码器74LS154完成扫描，它由89C51的P1.0-P1.3控制。

同样，驱动部分则是16个2N5401的三极管完成的。

采用干电池作为LED显示系统的电源，由于LED系统耗电量较大，使用干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。

显示系统有时要悬挂在墙上，电池总量大，使用会有较大安全隐患。

采用一片LM7805三端稳压器，耗电电流为100Ma左右的电源作为系统电源，不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加安全可靠。

基于以上分析，我决定采用采用LM7805三端稳压器电源作为系统电源。

2.6电源模块选择

采用干电池作为LED显示系统的电源，由于LED系统耗电量较大，使用干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。

显示系统有时要悬挂在墙上，电池总量大，使用会有较大安全隐患。

采用一片LM7805三端稳压器，耗电电流为100Ma左右的电源作为系统电源，不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加安全可靠。

基于以上分析，我决定采用采用LM7805三端稳压器电源作为系统电源。

2.7工作原理

当检测后的信号输出到数字显示电路后，先经相敏检波电路进行检波，检波后，再进行AD转换，然后再输入到单片机进行数据处理。

之后经单片机对CH452进行控制。

经CH452对键盘和数码管进行驱动。

本实验设计了3位数码管的显示电路，只要接地址输出相应的的数据，就可以实现对显示器的控制。

显示共3位，采用动态显示。

第3章系统硬件设计

3.1二级管相敏检波电路

二级管相敏检波电路（如图3-1所示）容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。

图3-1二极管相敏检波电路

通过多次移动衔铁可以总结出以下结论：

１．衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上的输出电压始终为0。

２．衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。

３．衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。

经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，负位移输出负电压。

差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图3-2的（a）变成（b），残存电压自动消失。

（a）（b）

图3-2相敏检波前后的输出特性曲线

3.2AD574A转换器

AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，内部结构框图如图3-3所示。

其主要功能特性如下：

（1）分辨率：

12位

（2）非线性误差：

小于±1/2LBS或±1LBS

（3）转换速率：

25us

（4）模拟电压输入范围：

0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种

（5）电源电压：

±15V和5V数据输出格式：

12位/8位芯片

（6）工作模式：

全速工作模式和单一工作模式

图3-3A/D转换内部结构框图

3.2.1AD574A的引脚说明及接口电路

1.AD574A的引脚说明（如图3-4所示）：

图3-4AD574的引脚图

[1].Pin1（+V）——+5V电源输入端。

[2].Pin2——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。

[3].Pin3——片选端。

[4].Pin4（A0）——字节地址短周期控制端。

与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。

须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。

[5].Pin5——读转换数据控制端。

[6].Pin6（CE）——使能端。

[7].Pin7（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。

[8].Pin8（REFOUT）——10V基准电源电压输出端。

[9].Pin9（AGND）——模拟地端。

[10].Pin10（REFIN）——基准电源电压输入端。

[11].Pin（V-）——负电源输入端，输入-15V电源。

[12].Pin1（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。

[13].Pin13（10VIN）——10V量程模拟电压输入端。

[14].Pin14（20VIN）——20V量程模拟电压输入端。

[15].Pin15（DGND）——数字地端。

[16].Pin16—Pin27（DB0—DB11）——12条数据总线。

通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。

[17].Pin28（STS）——工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。

2.AD574A的接口电路

图3-5是AT89C51单片机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由（、和A0）

有AT89C51的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作过程。

AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至AT89C51，由于我们只使用了8位数据口，12位数据分两次读进AT89C51，