回轉(zhuǎn)工件端面跳動測量機構(gòu)、信號檢測說明書

一、引言在一些精密機械和測量儀器中，經(jīng)常利用圓柱形零件的端面進行定位，因此回轉(zhuǎn)工件的端面跳動除了影響配合以外，還影響機器的裝配精度和工作時的運動精度。隨著機械加工自動化程度和精度要求的提高，對于機械零件產(chǎn)品的技術(shù)測量也聽出了更高的要求，不僅要求測量的數(shù)據(jù)準確，而且要求較高的測量速度，本設(shè)計即可利用電感位移傳感器、單片機及相關(guān)硬件電路組成小型檢測系統(tǒng)，完成回轉(zhuǎn)工件端面跳動檢測機構(gòu)及其信號檢測。二、設(shè)計方案2.1、端面跳動誤差定義對于回轉(zhuǎn)工件，其端面跳動誤差是指被測實際要素繞基準線做無軸向移動回轉(zhuǎn)一周時，由固定的指示器測量工件的端面在給定面上的最大與最小讀數(shù)之差。當零件繞中心軸線旋轉(zhuǎn)時，其被側(cè)端面在指定直徑處沿軸向的跳動即為端面跳動。2.2、端面跳動誤差的測量傳統(tǒng)測量端面跳動誤差是人工用接觸法測量，一方面由于存在測量力帶來測量誤差；另一方面測量效率不高。通常的測量方法是采用導向套或V型塊來表達基準軸線，用頂尖對工件實現(xiàn)定位。這種方法的缺點是通用性差，有時還需要增設(shè)夾緊裝置，而且軸向定位的誤差影響測量結(jié)果。隨著計算機集成制造〔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，而這個系統(tǒng)的建立是以各種檢測儀器的計算機應用為根底的，因此，開發(fā)包括端面跳動誤差在內(nèi)的新型形位誤差微機化檢測儀勢在必行。因此本設(shè)計在傳統(tǒng)端面跳動測量機構(gòu)的根底上采用電感式位移傳感器實時的將斷面的跳動量送入單片機進行數(shù)據(jù)處理、顯示，操作人員可直接從顯示器中讀出回轉(zhuǎn)工件的端面跳動值，這一方法，一來消除了接觸法測量力帶來的誤差，同時也消除了人工讀數(shù)時產(chǎn)生的誤差。三、機構(gòu)設(shè)計跳動誤差檢機構(gòu)由步進電機、減速器、測量工作臺、測量臺〔電感測微儀〕、三個互相垂直的空間坐標系支承、驅(qū)動系統(tǒng)顯示系統(tǒng)等。工件支承在工作臺上，并在電機驅(qū)動下做低速轉(zhuǎn)動。電感測微儀夾持在一個轉(zhuǎn)動臂上。測量工件的端面跳動誤差時，電感測微儀處于水平位置，工件做勻低速轉(zhuǎn)動，測量頭〔電感測微儀〕沿Z軸以均勻間隔端面移動采集數(shù)據(jù)，便可以測量出回轉(zhuǎn)工件的端面跳動誤差。測量頭從水平位置旋轉(zhuǎn)一定角度與圓錐面母線垂直時，可以測量斜向圓跳動。四、硬件電路設(shè)計4.1、跳動誤差檢測機構(gòu)的測量電路原理圖跳動誤差檢測機構(gòu)的測量電路原理圖見圖1。在檢測機構(gòu)電路設(shè)計和元器件選型中既要保證測量精度和測量效率，又要具有高效的可靠性、穩(wěn)定性及元器件的兼容性。A/D轉(zhuǎn)換單元電感測微儀信號濾A/D轉(zhuǎn)換單元電感測微儀信號濾波放大器被測轉(zhuǎn)軸減速器步進電機單片機數(shù)據(jù)處理單元顯示單元圖1檢測機構(gòu)的測量電路原理圖4.2、步進電機的選擇本設(shè)計中，步進電機型號為90BNF001，相關(guān)參數(shù)如下：相數(shù)：四相步距角：0.9°最大靜轉(zhuǎn)矩：3.92N×M電壓：80V4.3、減速器的選擇硬齒面減速機是按照國家標準〔GB19004-88〕生產(chǎn)的，本設(shè)計選擇ZDY125〔單級〕系列減速機。其性能特點①.中心距，傳動比等主要均經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，主要零、部件互換性好。②.齒輪均采用優(yōu)質(zhì)合金鋼滲碳、淬火而成，齒輪硬度達HRC58-62。③.體積小、重量輕、精度高、承載能力大、壽命長、可靠性高、傳動平穩(wěn)、噪音低。④.一般采用油池潤滑，自然冷卻，當熱功率不能滿足時，可采用循環(huán)油潤滑或風扇，冷卻盤管冷卻。4.4、傳感器的選擇現(xiàn)假設(shè)本測量機構(gòu)所能測量工件的跳動公差等級為3-6級，直徑為10-70mm，允許的跳動誤差為2-10μm,測量最大長度120mm.考慮到測量工件和傳感器分別作勻低速轉(zhuǎn)動和滑動，震動較輕，根據(jù)傳感器的選取原那么，現(xiàn)選擇動態(tài)分辨率為0.3-0.5μm的LY101系列傳感器。本檢測機構(gòu)采用電感式位移傳感器，該傳感器利用差動電感原理〔半橋型〕工作，外形小巧，性能穩(wěn)定。測量時，測桿和被測物體一起移動，它將帶動磁芯一起在傳感器的線圈中移動，從而使差動式傳感器的兩個線圈的阻抗發(fā)生大小相等但極性相反的變化。通過測量電路的處理，就可以得出運動的大小和方向。傳感器的主要特征參數(shù)見表1.測量范圍測桿行程導向形式線性度工作溫度溫度漂移鼓勵頻率輸出±0.5mm2.5mm滾動0.15％FS1℃-40℃0.15um/℃19KHz0-10mV表1LY101系列傳感器的特征參數(shù)表跳動誤差的變化量很小，傳感器輸出的信號也十分微弱，通常在0到數(shù)毫伏范圍內(nèi)變化。因此選擇或者設(shè)計信號放大濾波裝置時需要將低信噪比的有效信號提出來并對噪聲進行抑制。4.5、放大電路4.5.1、放大原理因為從傳感器輸出的信號較微弱，如果不對其進行放大，后面的濾波電路也無法工作，故應先對信號進行放大再濾波。現(xiàn)將電壓興旺倍數(shù)設(shè)置為Kp1=50，電路原理圖如圖2所示。圖2放大電路原理圖4.5.2、芯片介紹本設(shè)計采用Philips公司生產(chǎn)的LM358AD芯片。引腳功能見圖3圖3LM358AD功能引腳圖4.6、濾波精加工工件端面的跳動誤差經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后得到的是緩慢變化的信號，即是說傳感器采集到的信號是一個低頻信號，由此選擇低通濾波。本設(shè)計中采用無限增益型低通濾波器。4.6.1、特點分析本設(shè)計采用的RC無限增益多路反應型低通濾波，此濾波電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，易于集成化；且電路不存在正反應和負載效應，因而總是穩(wěn)定的。但該電路的缺乏之處在于這種電路對運算放大器要求比擬高。4.6.2、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、電阻和運算放大器構(gòu)成。圖3濾波電路圖其傳遞函數(shù)：濾波器參數(shù)：改變R6、R4的比值便能使電路具有一定的放大倍數(shù)，起了信號的放大作用。我們?nèi)6=-100KΩ,R4=10KΩ,R5=5KΩ,R=500KΩ,C4=C5=10μF，這樣本電路便對傳感器的輸出信號放大了10倍，即Kp2=10。加上前面的放大電路，整個信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)是500，即Kp=500。4.7、A/D轉(zhuǎn)換4.7.1、芯片介紹：ADC0809N⑴主要特性1〕8路8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。

2〕具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。

3〕轉(zhuǎn)換時間為100μs

4〕單個＋5V電源供電

5〕模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點和滿刻度校準。

6〕工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度

7〕低功耗，約15mW。⑵內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比擬器、8位開關(guān)樹型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近。圖4ADC0809N內(nèi)部結(jié)構(gòu)⑶外部特性〔引腳功能〕

ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖5所示。圖5ADC0809N引腳圖下面說明各引腳功能。

IN0～IN7：8路模擬量輸入端。

2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。

START：A／D轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。

EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平〔轉(zhuǎn)換期間一直為低電平〕。

OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能翻開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。

CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。

REF〔+〕、REF〔-〕：基準電壓。Vcc：電源，單一＋5V。

GND：接地。

ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比擬器。START上升沿將逐次逼近存放器復位。下降沿啟動A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門翻開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。4.7.2、ADC0809N與P89C51的接口電路ADC0809N與P89C51的連接采用查詢方式，由于ADC0809N片內(nèi)有三態(tài)輸出鎖存器，因此可以直接與P89C51接口。當A/D轉(zhuǎn)換完畢，P89C51讀取完成轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。圖6ADC0809N與P89C51的接口電路4.8、單片機4.8.1、芯片介紹P89C51圖7P89C51引腳圖4.8.2、復位電路〔手動復位〕圖8復位電路4.8.3、晶振電路圖9晶振電路4.9、顯示單元、芯片介紹Ⅰ、74LS6474LS64為8位移位存放器,其主要電特性的典型值如下：當去除端〔CLEAR〕為低電平時，輸出端〔QA－QH〕均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端〔A，B〕可控制數(shù)據(jù)。當A、B任意一個為低電平，那么禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端〔CLOCK〕脈沖上升沿作用下Q0為低電平。當A、B有一個為高電平，那么另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK上升沿作用下決定Q0的狀態(tài)。引腳功能：CLOCK：時鐘輸入端CLEAR：同步去除輸入端〔低電平有效〕A，B：串行數(shù)據(jù)輸入端QA－QH：輸出圖1074LS164封裝圖Ⅱ、HDSP-431G圖11HDSP-431G封裝芯片說明：描述數(shù)字/字母數(shù):3字符尺寸:10mmLED顏色:綠色共接:陽極照度,典型值:5mcd正向電流If:25mA正向電壓,于If:2.25V外寬:12.8mm外部深度:7mm外部長度/高度:30.02mm工作溫度范圍:-40°Cto+105°CLED顏色:綠典型發(fā)光強度(每段)@If:5mcd反向峰值電壓,PIV:5V字符數(shù):3字符類型:3位引腳節(jié)距:2.54mm排距:10.16mm正向電壓(每段)@If:2.5V每段額定電流,If:25mA電流,If典型亮度:10mA背景顏色:灰、驅(qū)動電路圖12驅(qū)動電路五、軟件程序設(shè)計本設(shè)計采用單片機對回轉(zhuǎn)工件端面跳動的公差進行測量和處理顯示。單片機對在A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字數(shù)據(jù)存取后進行數(shù)據(jù)處理，即是從存儲單元里面找出最大值和最小值，然后相減得到端面跳動的公差。最終將計算后得到的端面跳動誤差送到數(shù)碼管顯示。5.1、程序流程圖定時20ms開始初始化開始數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換開始主程序定時20ms開始初始化開始數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換開始到時否？到時否？NY數(shù)據(jù)存儲與處理數(shù)據(jù)存儲與處理延時2S顯示延時2S顯示求最大值程序流程圖：當前值為最大低四位交換地址保持最大值地址B(i+1)>B(i)B(i+1)=B(i)指針指向下個地址，讀取下個低四位設(shè)定首地址的低四位為最大值讀取50個數(shù)的低四位存儲當前值為最大高8位到50次？更新最大值地址交換地址保持最大值地址A(i+1)>A(i)A(i+1)=A(i)指針指向下個地址，讀取下個高8位設(shè)定首地址的高8位為最大值讀取50個數(shù)的高8存入計數(shù)值50開始當前值為最大低四位交換地址保持最大值地址B(i+1)>B(i)B(i+1)=B(i)指針指向下個地址，讀取下個低四位設(shè)定首地址的低四位為最大值讀取50個數(shù)的低四位存儲當前值為最大高8位到50次？更新最大值地址交換地址保持最大值地址A(i+1)>A(i)A(i+1)=A(i)指針指向下個地址，讀取下個高8位設(shè)定首地址的高8位為最大值讀取50個數(shù)的高8存入計數(shù)值50開始YNNYYNNNYY5.2、程序設(shè)計〔見附錄〕六、結(jié)束語高精度高效率的現(xiàn)代制造技術(shù)必然要求與其相適應的檢測手段。目前我國許多機械制造企業(yè)的檢測裝備還不能適應高精度產(chǎn)品檢測的要求，局部設(shè)計圖上標注的形位公差缺乏相應的檢測手段，使質(zhì)量控制變成制造鏈中的開環(huán)，影響了我國制造業(yè)的競爭力。開發(fā)出應用傳感器和微機〔單片機或PC機〕技術(shù)結(jié)合的新型形位公差檢測儀器，不僅是改造傳統(tǒng)檢測手段的需要，也將為企業(yè)逐步實現(xiàn)集成質(zhì)量控制提供技術(shù)根底，為更廣泛更有效的應用微機技術(shù)提供有利的支撐。七、參考文獻[1]甘永立，幾何量公差與測量，第四版，傷害科學技術(shù)出版社，2005[2]劉迎春，葉湘濱，傳感器原理，第四版，國防科技大學出版社，2006[3]張國雄，測控電路，第二版，機械工業(yè)出版社，2006[4]李朝春，單片機原理及接口技術(shù)，第三版，北京航空航天大學出版社，2005[5]趙躍進，何獻忠，精密機械設(shè)計根底，北京理工大學出版社，2003[6]李愛軍，曾維鑫，畫法幾何及機械制圖，中國礦業(yè)大學出版社，2002[7]莊宗元，AutoCAD2004實用教程，中國礦業(yè)大學出版社，2004[8]孫寶元，楊寶清，傳感器及其應用手冊，機械工業(yè)出版社，2004附錄：ORG0000HAJMPSTARTORG0030HAJMPTIME20ORG0040HSTART:MOVR1,#00HMOVR2,#80H；初始化片內(nèi)RAM的接收首地址MOVTMOD,#01H；T0模式1，定時MOVTH0,#B1H；裝入T0計數(shù)初值MOVTL0,#E0H；延時20ms，晶振12MHzSETBEA；允許CPU中斷SETBET0；允許T0中斷SETBTR0；啟動定時T0LOOP1:AJMPLOOP1；等待中斷TIME2:POPR1；片內(nèi)RAM輸入地址低八位POPR2；片內(nèi)RAM輸入地址高八位MOVTMOD,#01H；T0模式1，定時MOVTH0,#B1H；裝入T0計數(shù)初值MOVTL0,#E0H；延時20ms，晶振12MHzSETBEA；允許CPU中斷SETBET0；允許T0中斷SETBTR0；啟動定時T0ST:CLRP1.0；低電平保持SETBP1.0；觸發(fā)采樣NOPNOPNOPNOPCLRP1.0；低電平保持AD574A:MOVR1,#00H；RAM首地址低八位MOVR2,#08H；RAM首地址高八位MOVDPTP,#7FFCH；送端口地址MOVX@DPTR,A；A/D轉(zhuǎn)換器啟動LOOP2:JBP3.3,LOOP2JS:INCDPTR；使R/C為1MOVXA,@DPTR；讀取高8位數(shù)據(jù)MOV@R2,A；高8位內(nèi)容存入RAM首地址高8位INCDPTR；使R/C、A0均為1INCDPTRMOVXA,@DPTR；讀取低四位MOV@R1,A；將低四位內(nèi)容存入RAM首地址低八位INCR7INCR1；指向下一個存儲地址CJNER7,#50,AD0809；采集50個數(shù)？假設(shè)不是，那么繼續(xù)采集QZD:MOV20H,#00H；20H存儲數(shù)據(jù)高8位最大值MOV21H,#00H；21H存儲數(shù)據(jù)低4位最大值MOV22H,#00H；22H存儲數(shù)據(jù)高8位最大值的地址高8位MOV23H,#00H；23H存儲數(shù)據(jù)高8位最大值的地址高8位MOV24H,#00H；24H存儲數(shù)據(jù)高8位最小值MOV25H,#00H；25H存儲數(shù)據(jù)低4位最小值MOV26H,#00H；26H存儲數(shù)據(jù)高8位最小值的地址高8位MOV27H,#00H；27H存儲數(shù)據(jù)高8位最小值的地址高8位MOV28H,#00H；28H存儲最大值與最小值差值的高8位MOV29H,#00H；29H存儲最大值與最小值差值的低8位MOV30H,#00H；30H存儲BCD碼MOV31H,#00HMOV32H,#00HMOVR7,#50；設(shè)定比擬次數(shù)MOVB,R7MOVDPTR,#8000HMOVA,@DPTR；讀取第一個數(shù)據(jù)的高8位MOVR6,A；作為數(shù)據(jù)高8位最大值的初始值存入R6MOVA,DPH；取數(shù)據(jù)高8位最大值存儲地址的高8位存入R4MOVR4,AMOVA,DPL；取數(shù)據(jù)低8位最大值存儲地址的低8位存入R5MOVR5,AINCDPTR；指向第一個數(shù)據(jù)的低8位MOVA,@DPTR；讀取第一個數(shù)據(jù)的低4位MOVR3,A；作為數(shù)據(jù)低4位最大值的初值R值R3MOVA,B；取數(shù)據(jù)個數(shù)DECAMOVR1,A；保存比擬數(shù)據(jù)PUSHDPL；保存數(shù)據(jù)地址PUSHDPHMMSI:INCDPTR；指向下一個數(shù)據(jù)的高8位MOVXA,@DPTR；讀取下一個數(shù)據(jù)的高8位MOVB,ASETBC；與數(shù)據(jù)高8位最大值相比擬SUBBA,R6JZMMS2；假設(shè)相同，轉(zhuǎn)向比擬數(shù)據(jù)的低4位JNBOV,MMS3；差未溢出，符號位有效CPLACC.7；差溢出，符號位取反JBACC.7,MMS4；差為負，不更新高8位最大值MOVR6,B；更新數(shù)據(jù)高8位最大值MOVR4,DPH；更新數(shù)據(jù)高8位最大值的存儲地址MOVR5,DPLSJMPMMS5MMS2:INCDPTR；指向下一個數(shù)據(jù)低4位MOVA,@DPTR；讀取下一個數(shù)據(jù)的低4位SETBC；與數(shù)據(jù)低4位最大值相比擬SUBBA,R3JCMMS6；假設(shè)不超過最大值，那么不更新MOVR6,B；更新數(shù)據(jù)高8位最大值MOVA,@DPTR；讀取下一個數(shù)據(jù)的低4位MOVR3,A；更新數(shù)據(jù)低8位最大值INCR4；更新數(shù)據(jù)高8位最大值的地址INCR4INCR5INCR5MMS6:SJMPMMS5MMS5:DJNZR1,MMS1；判斷是否已處理完最大值的求取POPDPH；恢復數(shù)據(jù)地址POPDPLMOV20H,R6MOV21H,R3MOV22H,R5MOV23H,R4SJMPQZX；轉(zhuǎn)向執(zhí)行求最小值QZX:MOVR7,#50；設(shè)定比擬次數(shù)MOVB,R7MOVA,@DPTR；讀取第一個數(shù)據(jù)的高8位MOVR6,A；作為數(shù)據(jù)高8位最小值的初始值存入R6MOVA,DPH；取數(shù)據(jù)高8位最小值存儲地址的低8位存入R4MOVR4,AMOVA,DPL；取數(shù)據(jù)低8位最小值存儲地址的低8位存入R5MOVR5,AINCDPTR；指向第一個數(shù)據(jù)的低8位MOVA,@DPTR；讀取第一個數(shù)據(jù)的低4位MOVR3,A；作為數(shù)據(jù)低4位最小值的初始值R3MOVA,B；取數(shù)據(jù)個數(shù)DECA；減一，得到需要比擬的次數(shù)MOVR1,A；保存比擬次數(shù)PUSHDPL；保存數(shù)據(jù)地址PUSHDPHMMS12:INCDPTR；指向下一個數(shù)據(jù)的高8位MOVXA,@DPTR；讀取下一個數(shù)據(jù)的高8位MOVB,ACLRC；與數(shù)據(jù)高8位最小值比擬SUBBA,R6JZMMS22；假設(shè)相同，轉(zhuǎn)向比擬數(shù)據(jù)的低4位JNBOV,MMS32；差未溢出，符號位有效CPLACC.7；差溢出，符號位取反JNBACC.7,MMS42;；差為正，不斷更新高8位最小值MOVR6,B；更西部數(shù)據(jù)高8位最小值MOVR4,DPH；更新數(shù)據(jù)高8位最小值的存儲地址MOVR5,DPLSJMPMMS52MMS22:INCDPTR；指向下一個數(shù)據(jù)低4位MOVA,@DPTR；讀取下一個數(shù)據(jù)的低4位CLRC；與數(shù)據(jù)低4位最小值相比擬SUBBA,R3JNCMMS6；大于或等于當前最小值，保持當前最小值MOVR6,B；更新數(shù)據(jù)高8位最小值MOVA,@DPTR；讀取下一數(shù)據(jù)的低4位MOVR3,A；更新數(shù)據(jù)低8位最小值INCR4；更新數(shù)據(jù)高8位最小值的