三維測(cè)頭數(shù)據(jù)采集模板的設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目： 三維測(cè)頭數(shù)據(jù)采集模板的設(shè)計(jì) 院 系： 機(jī)電工程學(xué)院 學(xué)科專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化三維測(cè)頭數(shù)據(jù)采集模板的設(shè)計(jì)摘 要CNC齒輪測(cè)量中心是我校與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的精密測(cè)量?jī)x器，利用坐標(biāo)測(cè)量原理，可對(duì)多種類型的零件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和精度評(píng)定。由于技術(shù)發(fā)展，三維測(cè)頭和交流伺服電機(jī)應(yīng)用于齒輪測(cè)量中心已成為主流。為了保持在此項(xiàng)目上的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)開展了在CNC齒輪測(cè)量中心上使用三維模擬測(cè)頭的工作，本課題的內(nèi)容就是為三維測(cè)頭設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模板。本文是基于ISA總線的數(shù)據(jù)采集通道的設(shè)計(jì)。通過使用合適的譯碼電路來執(zhí)行總線命令，將測(cè)頭的模擬信號(hào)，經(jīng)過所選的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以讀取

2、的數(shù)字信號(hào)，從而完成相應(yīng)的測(cè)量任務(wù)。本文根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)序，完成了應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)，并利用Protel99se軟件繪制了整個(gè)數(shù)據(jù)采集通道的電路原理圖和PCB圖。本文結(jié)合CNC齒輪測(cè)量中心R軸、Z軸、T軸自上而下分布的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)所選的滾珠絲杠的剛度計(jì)算、所選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的核算以及傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算，完成了對(duì)CNC齒輪測(cè)量中心Z軸的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的電路完成了三維模擬測(cè)頭信號(hào)的采集。機(jī)械部分的布局及其剛度滿足傳動(dòng)的要求。關(guān)鍵詞：CNC齒輪測(cè)量中心；A/D轉(zhuǎn)換器；ISA總線；傳動(dòng)系統(tǒng)Design of Data acquisition board for 3D probeAbstractCNC

3、Gear Measuring Center is precision measurement instruments which invented by my university and business development, the use of coordinate measuring principle, can be a variety of types of parts for automatic measurement and accuracy assessment. As a result of technological development, three-dimens

4、ional measurement and ac servo motor used in the first gear measuring center has become the mainstream. In order to maintain the advantages of this project, now carried out the work of the use of three-dimensional simulation in CNC Gear Measurement Center Measuring, the contents of this issue is des

5、igning three-dimensional probe template corresponding data acquisition.Data acquisition channels based on the ISA BUS was designed. The ISA BUS order was carried out by Decoding circuit. Under the control of ISA BUS order, Analog signals from Analogue gauge head will be converted into digital signal

6、 by A/D converter, and then the task of measuring was completed. A operating circuit of data acquisition board and a PCB was designed according to the conversion timing sequence of A/D converter by the Protel 99se software.The Z axis was designed by analyzing the structure of CNC gear survey center

7、, choosig reasonable ballscrew pairs and electric motor and calculating the rigidity of system.The collect of signal of 3D Analogue probe was operated exactly by the designed circuit. The layout of machine part and the rigidity of system satisfied to the requirement of Z axis of CNC gear survey cent

8、er.Key word: CNC Gear Measuring Center; A/D converter ;ISA BUS；drive system目 錄中文摘要I英文摘要II主要符號(hào)表11 緒論11.1前言11.2 CNC齒輪測(cè)量測(cè)量中心國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況11.3課題的目的及意義21.4課題研究的內(nèi)容32 硬件電路設(shè)計(jì)42.1方案設(shè)計(jì)42.2電路設(shè)計(jì)42.2.1 AD轉(zhuǎn)換器選擇42.2.2數(shù)據(jù)緩沖器和寄存器的選擇72.2.3參考電源的選擇82.2.4晶振的選擇92.2.5運(yùn)放的選擇92.2.6接口電路的設(shè)計(jì)92.2.7電路原理圖112.3 PCB版圖設(shè)計(jì)112.3.1電器規(guī)則檢查（ERC）

9、112.3.2 生成網(wǎng)絡(luò)表122.3.3 導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表133 CNC齒輪測(cè)量中心Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)163.2 CNC齒輪測(cè)量中心Z軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案的確定163.2.1配重的計(jì)算173.2.2傳動(dòng)系統(tǒng)的選定及計(jì)算183.2.3電機(jī)的選定及計(jì)算223.2.4導(dǎo)軌的選定243.3 Z軸機(jī)械結(jié)構(gòu)圖25結(jié) 論27致 謝29參考文獻(xiàn)30附錄1 硬件電路原理圖附錄2PCB版圖附錄3 機(jī)械機(jī)構(gòu)圖主 要 符 號(hào) 表 脈沖當(dāng)量MSB 最高有效位LSB 最低有效位L Z軸長(zhǎng)H Z軸寬D Z軸高 導(dǎo)程 機(jī)床工作臺(tái)最快進(jìn)給速度 驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 公稱直徑 拉壓 剛度Q 軸向最大載荷 固有頻率1 緒論1.1前言無論是過程控

10、制或是自動(dòng)檢測(cè)，都是將來自各種傳感器的模擬信號(hào)（電流或電壓）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)處理后發(fā)出信息，進(jìn)行數(shù)字顯示或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。顯然，設(shè)計(jì)一種高精度、低增益誤差的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，使采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，是保證控制或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的首要條件1。數(shù)模轉(zhuǎn)換器是工業(yè)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的重要部件，它是測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)的模擬信號(hào)源與數(shù)字計(jì)算機(jī)之間的接口，其任務(wù)是把現(xiàn)場(chǎng)中連續(xù)變化的被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)，再由工控計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。這就要求系統(tǒng)將所采集的模擬數(shù)據(jù)信號(hào)盡可能真實(shí)的、不失真的顯示給控制人員2。目前，工業(yè)系統(tǒng)具有代表性的有ISA總線、PXI總線和PCI總線其中ISA總線因其生產(chǎn)最早

11、、應(yīng)用接口簡(jiǎn)單仍在許多對(duì)傳輸速度要求不是很高的場(chǎng)合被使用在工控計(jì)算機(jī)應(yīng)用中3。為此，本設(shè)計(jì)主要是基于ISA總線的A/D轉(zhuǎn)換模板。該模板以A/D轉(zhuǎn)換為核心 ，在ISA總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用較少的外圍元件來實(shí)現(xiàn)多通道、高精度的A/D轉(zhuǎn)換4。1.2 CNC齒輪測(cè)量測(cè)量中心國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況1995年9月在北京舉行的第四界中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，我國(guó)開發(fā)研制的CNC齒輪測(cè)量中心首次展出，標(biāo)志著我國(guó)的齒輪測(cè)量技術(shù)正在逐步接近國(guó)際先進(jìn)水平。不過在儀器精度、穩(wěn)定性,尤其在測(cè)量軟件(如弧錐齒輪的測(cè)量軟件) 、儀器故障診斷功能等方面,和國(guó)外還有一定差距。近年來國(guó)產(chǎn) CNC 齒輪測(cè)量中心有了長(zhǎng)足的發(fā)展,其質(zhì)量和性能

12、不斷提高,已經(jīng)具有和國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的能力。哈量的3903A齒輪測(cè)量中心,經(jīng)過幾年努力,儀器精度和測(cè)量速度據(jù)稱已達(dá)到或接近 KLINGELNBERG公司產(chǎn)品的先進(jìn)水平。哈爾濱精達(dá)公司作為后起之秀,發(fā)展引人矚目:其JD、JDS系列齒輪測(cè)量中心,目前在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品中銷量最多。進(jìn)入21世紀(jì)，世界工業(yè)的發(fā)展為齒輪制造業(yè)的發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇，但同時(shí)對(duì)齒輪制造業(yè)提出了更高的要求，為此，強(qiáng)化并提高齒輪制造全過程的測(cè)量與監(jiān)控技術(shù)水平獲得了空前的重視,同時(shí)也為齒輪測(cè)量技術(shù)的發(fā)展提供了契機(jī)?，F(xiàn)今主要有以下幾股技術(shù)潮流：1) 齒輪整體誤差測(cè)量與齒輪坐標(biāo)測(cè)量合二為一。我國(guó)推出了既有標(biāo)準(zhǔn)蝸桿又有測(cè)頭的齒輪測(cè)量機(jī)CZN45

13、0;而國(guó)外的CNC齒輪測(cè)量中心也能給出“虛擬整體誤差”。2) 齒輪測(cè)量中心與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)合二為一。美國(guó)TSK公司的 Radiance和 Process Equipment Company的 ND430 就是按這種理念研制的。3) 功能測(cè)試與分析測(cè)試合二為一。簡(jiǎn)化齒輪測(cè)量是發(fā)展趨勢(shì),齒輪整體誤差測(cè)量?jī)x因高效率地給出齒輪全信息而會(huì)為世界接受。4) 齒輪加工與測(cè)量合二為一(一體化)。自從1988年MAAG公司在CNC齒輪磨床SE202E上耦合CNC齒輪測(cè)量技術(shù)以來,齒輪在機(jī)測(cè)量技術(shù)在齒輪磨床上得到普通采用。CNC齒輪測(cè)量中心經(jīng)過二十多年的不斷改進(jìn)與完善，在實(shí)際測(cè)試中已顯示出其優(yōu)越性。現(xiàn)在，它已經(jīng)成為

14、工業(yè)化國(guó)家檢測(cè)齒輪的主要工具5。CNC齒輪測(cè)量中心自70年代誕生以來得到了迅速發(fā)展，目前在美國(guó)、日本、瑞士等國(guó)十多個(gè)廠家開發(fā)生產(chǎn)齒輪測(cè)量中心。其中一些廠家從90年代開始停止了傳統(tǒng)齒輪量?jī)x的生產(chǎn)，全部轉(zhuǎn)向生產(chǎn)齒輪測(cè)量中心。我國(guó)從“七五”后期”到“八五”期間投入較多資金和技術(shù)力量開發(fā)研制齒輪測(cè)量中心6。CNC齒輪測(cè)量中心是八十年代國(guó)際上迅速發(fā)展起來的機(jī)電結(jié)合的高技術(shù)齒輪量?jī)x，八十年代后期國(guó)外產(chǎn)品開始進(jìn)入我國(guó)。與傳統(tǒng)的機(jī)械式齒輪量?jī)x相比，CNC齒輪測(cè)量中心不僅能測(cè)量齒輪，還可以測(cè)量復(fù)雜刀具、蝸輪、蝸桿、凸輪、曲軸等復(fù)雜工件，測(cè)量精度高、速度快、功能強(qiáng)，一次裝夾可以自動(dòng)完成工件的多項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)解

15、決了許多用傳統(tǒng)方法無法檢測(cè)的技術(shù)難題。無論是制造中的技術(shù)含量，還是使用時(shí)的性能指標(biāo)，CNC齒輪測(cè)量中心都代表了當(dāng)今國(guó)際上最先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)水平7。1995年9月在北京舉行的第四屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，我國(guó)開發(fā)研制的CNC齒輪測(cè)量中心首次展出，標(biāo)志著我國(guó)的齒輪測(cè)量技術(shù)正逐步接近國(guó)際先進(jìn)水平。CNC齒輪測(cè)量中心經(jīng)過二十多年的不斷改進(jìn)與完善，利用先進(jìn)的CNC技術(shù)、CAA技術(shù)、精密檢測(cè)技術(shù)等，并吸收三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的一些最新技術(shù)成就，逐步發(fā)展成為齒輪量?jī)x的換代產(chǎn)品。在一些技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，CNC齒輪測(cè)量中心正逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械展成式量?jī)x，成為齒輪檢測(cè)的主要手段9。德國(guó)HEINDENHAIN的P系列齒輪測(cè)量中心，

16、其特點(diǎn)是采用了專利的三維數(shù)字式高精度光柵測(cè)量頭(使用了HEINDENHAIN的超高精度光柵)，性能穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)鑄鐵床身，高性能直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，高精度滾珠軸系和密珠滾動(dòng)導(dǎo)軌。儀器精度達(dá)到德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1級(jí)；日木的齒輪測(cè)量?jī)x器制造商，在我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)過近十年的沉寂后近年來亮相頻繁9。大阪精機(jī)在GC-HP系列齒輪測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)上，開發(fā)出CNC電子創(chuàng)成式的CLP系列齒輪測(cè)量?jī)x器10。1.3課題的目的及意義CNC齒輪測(cè)量中心是我校與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的精密測(cè)量?jī)x器，利用坐標(biāo)測(cè)量原理，可對(duì)多種類型的零件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和精度評(píng)定。由于技術(shù)發(fā)展，三維測(cè)頭和交流伺服電機(jī)應(yīng)用于齒輪測(cè)量中心已成為主流。為了保持在此項(xiàng)目上的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)

17、開展了在CNC齒輪測(cè)量中心上使用三維模擬測(cè)頭的工作，本課題的內(nèi)容就是為三維測(cè)頭設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模板。1.4課題研究的內(nèi)容本課題主要是從電路的設(shè)計(jì)以及機(jī)械部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來滿足在CNC齒輪測(cè)量中心上使用三維模擬測(cè)頭的要求。本課題主要研究?jī)?nèi)容： （1）設(shè)計(jì)適用于CNC齒輪測(cè)量中心的三維測(cè)頭數(shù)據(jù)采集卡，要求基于ISA總線，三路16位AD轉(zhuǎn)換，能同時(shí)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換的電路模塊。 （2）電路模塊實(shí)現(xiàn)于PCB版圖。 （3）設(shè)計(jì)CNC齒輪測(cè)量中心的Z軸。 2 硬件電路設(shè)計(jì)2.1方案設(shè)計(jì)基于本課題制定了如下的兩個(gè)方案:(1)此方案是不對(duì)每一個(gè)模擬信號(hào)都是用AD轉(zhuǎn)換器，是將模擬信號(hào)經(jīng)多路開關(guān)和采樣保持器再送至AD轉(zhuǎn)換器，可以減少使用AD轉(zhuǎn)換器。此方案優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)需要對(duì)多個(gè)模擬量進(jìn)行模數(shù)變換時(shí)，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）的價(jià)格較貴，通常不是每個(gè)模擬量輸入通道設(shè)置一個(gè)A/D，而是多路輸入模擬量共用一個(gè)A/D，中間經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切換，即模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)；A/D轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間,在轉(zhuǎn)換過程中,如果送給AD轉(zhuǎn)換器的模擬量發(fā)生變化,則不能保證精度，為此在AD轉(zhuǎn)換器前加入采樣保持電路,起采樣和保持作用。（2）此方案是直接將齒輪測(cè)量中心的R、Z、T軸的模擬信號(hào)通過是三個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，將其同時(shí)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了同步轉(zhuǎn)