（机械制造及其自动化专业论文）内螺纹检测系统及其usb接口电路研究.pdf

摘要 摘要 螺纹零件作为机械领域的常用件，其参数测量是机械制造工业中一项基础 性测量技术，而其非接触测量是将机电技术、光测技术与计算机图像处理技术 相结合的综合测量技术。本论文研究了应用于内螺纹测量的检测系统和u s b 接 口电路，建立了内螺纹检测系统模型框架和数据采集软硬件系统。 论文简要介绍了内螺纹检测系统的原理和结构，给出了整个系统的结构框 图，建立了基于激光三角测量原理的光学分系统、用于轴向进给的精密机械位 移平台分系统和数据采集传输分系统。 根据非接触式内螺纹检测系统的高速化和微型化特性，设计了一套高速数 据采集、存储、传输系统。采用c p l d 产生的时序电路驱动光电传感器c c d 输 出信号，同时控制a d 采样和进行模数转换；随后，数字信号存入f i f o 并与采 用g p i f 接口模式的u s b 相连，等待f i f o 触发g p i f 波形时将数据高速读入u s b 端点暂存，等候主机读取到内存缓存区进行进一步的存储显示。 在硬件设计方面，论文提出了数据采集系统总体方案，给出了数据采集系 统的工作原理。介绍了数据采集系统中用到的主要芯片c c d 和u s b ，并对系统 硬件电路中的主要模块、c p l d 内部逻辑等内容进行了设计。 在软件设计方面，论文分析了u s b 总线体系、通信协议和w d m 驱动程序 模型，建立了数据传输系统中u s b 固件程序框架，设计了系统固件程序、u s b 设备驱动程序和主机应用程序。完成了整个u s b 通信功能和界面显示等功能设 计。 关键词：内螺纹检测，c c d 驱动，c p l d ，u s b 2 0 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep a r a m e t e rm e a s u r e m e mo ft h r e a d e dp a r t si sab a s i cm e a s u r e m e mt e c h n i q u e i nt h em a c h i n e r yi n d u s t r y ，a n dt h en o n c o n t a c tm e a s u r e m e mt e c h n o l o g yi san e w m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n e dw i t he l e c t r o m e c h a n i c a l ，o p t i c a l m e a s u r e m e ma n dc o m p u t e r i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，t h ed e t e c t i o n s y s t e mo fi n t e r n a lt h r e a dm e a s u r e m e n ta n dt h eu s bi n t e r f a c ec i r c u i ta r er e s e a r c h e d ， a n dt h e nt h ed e t e c t i o ns y s t e mm o d e lf r a m e w o r ka n dd a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r ea n d s o f t w a r es y s t e m sa r ee s t a b l i s h e d t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fi n t e m a lt h r e a dd e t e c t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e d , a n dt h ew h o l es y s t e md i a g r a mi sg i v e n t h eo p t i c a ls u b s y s t e mb a s e do nt h ep r i n c i p l e o fl a s e rt r i a n g u l a t i o n , p r e c i s i o nm a c h i n e r yp l a t f o r ms u b s y s t e mu s e di na x i a lf e e d d i s p l a c e m e n ta n d d a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns u b s y s t e ma r ee s t a b l i s h e d a s y s t e mw i t hh i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n , s t o r a g ea n d t r a n s m i s s i o ni sd e s i g n e d , a c c o r d i n gt ot h en o n c o n t a c tt h r e a dd e t e c t i o ns y s t e mf e a t u r e s o fh i g h - s p e e da n d m i n i a t u r i z a t i o n s e q u e n t i a lc i r c u i t sg e n e r a t e db yc p l dd r i v e rc c do u t p u ts i g n a l ， w h i l ec o n t r o l l i n gt h ea ds a m p l i n ga n dc o n v e r s i o n ，s u b s e q u e n t l y , t h ed i g i t a ls i g n a li s g o ti n t ot h ef i f o ，w h i c hi sc o n n e c t e d 谢mu s bt h r o u g hg p i fm o d e w h e nt h eg p i f w a v e f o r mi st r i g g e r e d ，t h ed a t ai sg o ti n t ot h eh i 曲一s p e e du s be n d p o i n tb u f f e ra n d w a i t sf o rt h eh o s tt or e a di n t om e m o r yb u f f e rf o rf u r t h e rs t o r a g ed i s p l a y i nh a r d w a r ed e s i g n , ag e n e r a ls c h e m eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d a n di t sw o r kp r i n c i p l ei sg i v e n t h em a i nc h i pc c da n du s bu s i n gi nt h ea c q u i s i t i o n s y s t e ma r ei n t r o d u c e d , f u r t h e r m o r e ，t h em a i nm o d u l e so fh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h e c p l dl o g i ca r ed e s i g n e d i ns o f t w a r ed e s i g n ，u s bf i r m w a r ef r a m e w o r ki se s t a b l i s h e dw i mt h ea n a l y s i so f t h eu s bb u ss y s t e m ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dw d md r i v e rm o d e l t h es y s t e m o ff i r m w a r e ，u s bd e v i c ed r i v e r sa n dh o s ta p p l i c a t i o n sa r ed e s i g n e d t h ee n t i r eu s b c o m m u n i c a t i o nd e s i g na n di n t e r f a c ed i s p l a yf u n c t i o n sa r ec o m p l e t e d k e yw o r d s ：i n t e m a lt h r e a dd e t e c t i o n ，c c dd r i v i n gc i r c u i t ，c p l d ，u s b 2 0 1 1 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 现代机械设计和制造行业中日益要求实现零部件的标准化、通用化和系列 化，标准件通常要大批量的生产，而且零件的精度要求也越来越高。为了确保 零件质量可靠，许多自动化生产线、装配线要求对进入装配程序的螺纹联接件 进行1 0 0 检验。 螺纹零件作为机械领域的常用件，涉及领域广泛、数量巨大，其广泛应用 于紧固连接、密封、精密定位、传递运动和动力等，因此螺纹连接在机器制造 和仪器制造工业中有着极其重要的地位。螺纹的精度在一定程度上决定着螺纹 连接的可靠性，而螺纹参数则直接影响了螺纹的精度。因此，螺纹参数的检测 是螺纹生产制造或工艺设计中重要的一项测量技术，特别对于精密螺纹，如螺 纹量规、测微螺纹等等，更占有重要的地位【l 】。然而，过去数十年中，在国内工 业应用领域，螺纹检测的手段并没有太大的改善。 长期以来，我国制造业中主要采用螺纹塞规、阿贝式测长仪、内螺纹中径 千分尺等接触式测量方法测量内螺纹参数【2 1 。测量时，仍然需要大量辅助工具或 手段，整个检测过程繁琐，效率低下。虽然自上世纪9 0 年代以来，已对上述测 量方法进行了多方面的改进，提高了测量精度，扩大了测量范围，但这些方法 都是手工进行的接触式测量，存在许多固有缺点，如：检测效率低，满足不了 在线检测的要求，测量力会引起工件的变形( 划伤) ，测头易受电磁干扰且抗化 学腐蚀性较差。此外，零件上的灰尘和污物还会附着在测头上给测量带入误差。 但由于接触法测量大多不能进行批量检测，并且对测量件的要求非常高，为此， 存在一定的局限性。而传统光学测量中，对于内螺纹结构尺寸的限制，测量方 法不是很多，而且测量过程耗时耗力，数据处理繁琐，对测试环境要求较高， 从而限制了光测的应用。 而现代工业生产的特点是规模大，质量要求苛刻，采用传统检测进行测量 已不再适合现代工业生产的检测需求【3 ，4 1 。 随着工业的发展，现代工业品的设计要求对螺纹制品的品质要求越发苛刻， 对螺纹连接的互换性和可靠性要求越来越高，在此互换性主要是指螺纹零件在 1 绪论 几何参数上能够具有相互替换的性能。然而，由于螺纹零件参数较多且其特殊 的形貌，决定了在大批量生产时很难及时进行单项参数的测量，多以综合检测 为主【5 1 。只有对精密螺纹或对螺纹做必要工艺分析时，才进行单项参数的检测。 量规的综合测量主要用来控制作用中径，而作用中径的公差带可用来综合限制 螺距误差和牙型半角误差；如此可简化测量满足最低连接要求，却可能使螺纹 受损，导致连接强度和可靠性下降。 为了解决传统综合检测方法的不足，近年来国际上对螺纹标准和检测方法 都作出了相应的修改，增设了螺纹单项参数检测标准。在螺纹检测方面，除了 保留传统的综合测量外，还增加了螺纹作用中径指示规、单一中径指示规、大 径测量指示器和小径测量指示器等，而我国的螺纹零件检测水平与国外检测技 术相比存在较大的差距，提高检测水平是提高制造工业的基础和动力，是迅速 提高我国加工制造水平的突破口。因此，对螺纹参数检测技术的研究不仅具有 科研意义，同时也具有广泛的应用价值。 1 2 国内外研究及发展状况 工业上螺纹零件的检测方法有很多种，按测量方式可以分为接触式和非接 触式两种。 1 2 1 接触式螺纹测量 接触式法发展的较早使用范围也较广，仍是主要的检测手段，其螺纹检测 主要采用两类方法，即综合检验法和单参数检测法【6 1 。综合检验法是按照泰勒包 容原则，用通端量规来检验与被检螺纹在全长上旋合性，用止端量规来检验与 图1 1 螺纹塞规 被检螺纹的不可旋合或不可完全旋合性，而作用到量规上的转矩大小没有严格 规定，一般根据操作人员的手感。如图1 1 所示，螺纹塞规用于检测内螺纹。它 2 1 绪论 是生产中评定螺纹旋合性时广泛采用的检验方法，在成批量生产中使用方便， 经济可靠。但是，对于品种复杂、数量不大的螺纹零件，由于螺纹量规检验制 度中对每一种螺纹零件都有一整套校对、校损等量规，从而显得非常繁琐而又 不经济。综合测量的检测方法无法分析螺纹参数工艺误差形成的原因，不能反 映被测螺纹零件的轮廓情况，而且测量时旋紧力无法确定，容易引入人为误差， 故它只适合于一般精度螺纹制件的检验。 单参数检测主要用到的有机械接触法和光学测量法【7 j 。机械接触法有利用万 能量具和附属装置进行测量的纯机械接触测量法，还有利用机械接触形式进行 定位，而测量数据则利用光学等其它手段获得，如插头量具、螺纹千分尺等； 图1 2 数字式内径千分尺 这两种单参数测量形式都是利用螺纹齿型和几何量具之间的几何关系，推导计 算出测量结果并进行误差分析的。随着电子技术和新型传感技术的快速发展， 在一些技术先进国家的螺纹测量领域中，过去的机械式测量仪逐步被电子数显 式量表所替代。其中有瑞士t e s a 、英国宝禾b o w e r s 和日本三丰等一些公司，如 图1 2 所示为宝禾公司的数显内径千分尺，它可配备具有全牙型的螺纹测量头均 匀分布在测杆的圆周上，采用二点式或三点式接触测量，测杆上装有电感式位 移传感器，传感器输出的信号由电路进行处理，测量结果以数字的形式显示， 并配有标准环规，还提供记忆功能和r s 2 3 2 接口输出。该仪器是基于双球法检 测原理制成的集成式手持仪器，方便在加工现场使用。另外，国外三坐标测量 机应用也比较广泛。图1 3 为海克斯康测量机配备的一个二维触针式螺纹专用测 量头。它可以对外螺纹进行各种参数测量，其测量范围：水平方向为6 0 0 m m ， 3 1 绪论 瀚 甥您誓 卜渊。飞搦曩 艮荔懑 。驾舅霎 i 鼎 孵 。飞灞纂。疆 霜缈潮豳磁函 霉镧圈 图1 3 螺纹自动测量机专用测头 垂直方向为2 0 0 m m ，在两个方向上的精度为o 1 p m 。测量时配合使用该公司出 品的q u i n d o s 测量软件，螺纹自动测量坐标机的中径测量精度小于2 5 9 m ，螺 距测量精度小于2 p m ，牙形半角测量精度小于5 【8 1 。 1 2 2 非接触式螺纹测量 纯机械式( 机电式) 测量技术经过了多年的发展，性能已经接近其极限， 而基于激光、电磁波、电子束、超声波、半导体感光等等新兴物理感应技术会 被越来越多地发现和运用到测量设备中。 非接触式测量有利用电容式、电涡流式等多种传感器方式检测，其中以光 测为主。其中光纤传感器测量法是采用一种新型的强度调制型光纤传感器【9 】。其 组成由两束光纤间隔1 8 0 。对称放置并固定于测头内，测头采用尺寸和数值孔径 都很小的单模光纤照明。工作时，测头在被测内螺纹中沿轴向中心线作扫描运 动。由光源发出的光经传导光纤照射到被测表面上后，经反射后传出由光电接 收器件感测，出射光光强与被测距离之间存在一定的关系，因此由光电接收器 件及后续电路进行数据采集与处理后，最终可测得所需螺纹参数值。 另外，基于c c d 的投影照像法，则随着计算机技术及c c d ( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e s ) 固体摄像器技术的迅速发展而为螺纹的非接触式测量开辟了广阔的空 间。这种测量方法主要是将光测技术与计算机图像处理技术相结合【n 1 3 】，利用 光学系统对螺纹齿形轮廓进行投影或反射成像，用c c d 光电传感器件作为接收 图像的硬件设备。该图像数字化后，再由计算机进行后续的计算、存储、分析 和显示。该方法结合图像处理而对螺纹的各项几何参数进行精密测量，是一个 综合性较高的非接触式测量方法。 4 1 绪论 j 惫蒸 “ 翻 褂 缀 图1 4d m s 螺纹测量系统 在国外，欧美日企业制造技术、计算机技术、传感器技术以及自动控制技 术的综合发展程度较高，对螺纹非接触自动测量技术处于世界领先地位。如图 1 4 所示为意大利联合仪器公司生产的d m s 6 8 0 螺纹测量系统，采用高精度 h e d e n h a i n 光栅尺为测量基准，配备功能强大的量规管理和量规测量软件 m i c r o n e t2 0 0 0 ，内螺纹测量范围3 - 4 0 0 m m ，刻度尺精度可达0 2 9 m ，可由计算 机直接控制显示实时测量数据【1 4 】。 近年来，我国的许多科研单位也加大了对c c d 检测技术的研究力度。哈尔 滨工业大学、还有浙江大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等单 位都对螺纹的非接触测量进行了研究【l 引。然而，基于光测技术与图像处理技 术相结合的自动化检测设备在国内尚未得到广泛的应用，而在现场自动测试这 方面，螺纹检测特别是内螺纹自动检测技术也尚不成熟。 1 2 3u s b 接口简介 在需要对外部数据进行采集读取的实际应用中，经常将实际的信号经模数 转换后，再上传到p c 机进行数据处理。这样的数据采集系统在国内外都得到大 量的应用，如工业生产中对频率、液位、尺寸等现场数据进行采集的设备；社 会生活中对图像数据采集的监控设备等。 现在的数据采集系统与p c 机通信时，一般还是采用基于p c 的p c i 总线、 i s a 总线、r s 2 3 2 总线等。基于p c i 总线用于图像数据采集的板卡还是比较多的， 速度也比较快；但是缺点是插拔比较麻烦，受p c 机插槽数量、地址和中断资源 的限制，一台p c 机上最多5 到6 个p c i 板卡同时工作，可扩展性差。而且p c i 5 1 绪论 插槽占用空间比较大，受限于笔记本，不利于整个系统的微型化和便携化。i s a 总线与其有着同样的困扰。r s 2 3 2 总线虽然连接简单方便，但其速度只有 5 6 k b p s ，而且其占用空间和数量都受到很大限制。 u s b 是“u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的简称，即通用串行总线，是为了解决传统 总线的不足而推广的一种新型接口技术。该技术有很多优点：支持热插拔和即 插即用；其共享式接口使得一个u s b 主控制器最多可以连接1 2 6 个u s b 外设； 其接口的体积要远小于r s 2 3 2 和并口，并且节省地址资源，支持低速、全速和 高速三种速率，u s b 2 0 最高可达4 8 0 m b s 数据传输速率。本文基于u s b 上述优 点和课题需要，采用u s b 2 0 接1 2 来开发专用于本课题的数据采集传输系统。 1 3 本文研究的主要内容 通过对螺纹测量仪器和装置的介绍比较可以看到，螺纹的非接触式测量是 一个结合光、机、电等多领域、多学科的复杂的综合测量系统。内螺纹由于尺 寸和结构方面的限制，相对于外螺纹而言，采用非接触测量难度更大，到目前 为止，测量仪器还无法轻易做到对其参数的摄取工作。本文主要对内螺纹检测 系统的工作原理和结构进行了分析和设计，并提出了采用可编程逻辑器件及 u s b 接口电路的数据采集传输系统，并对其主要模块进行了研究和设计，主要 包括以下几个方面的内容： 1 ) 根据激光三角非接触测量原理，以垂直入射式激光测量为例，分析推导 了入射光斑与象点的精确关系：简要介绍了内螺纹非接触测量系统的总体结构 以及各个分系统的组成，给出了系统测量的基本原理，为本文以及后续研究工 作提供了必要的准备。 2 ) 根据测量系统的要求，对数据采集系统硬件结构进行了设计。给出了数 据采集系统的光电传感器、模数转换及数据传输所用元件的选择方法，设计了 c c d 驱动时序电路和光积分可调电路，设计了高速数据存储传输系统，并对系 统模块进行了测试。 3 ) 分析了u s b 总线体系和通信协议，简述了u s b 通信过程。给出了数据 传输系统中u s b 固件程序框架，并根据实际数据传输要求，结合固件开发工具， 设计了系统固件程序和自动下载程序。 4 ) 分析了w d m 驱动程序模型，根据系统数据通信的要求，建立了u s b 6 1 绪论 设备驱动程序和编译环境；同时设计了与之通信的主机应用程序，完成了整个 u s b 通信功能和界面显示等功能设计。 5 ) 对设计的软硬件进行实验调试，主要有c c d 的驱动时钟脉冲电路、u s b 数据采集传输电路、u s b 固件程序下载安装、u s b 设备驱动程序编译安装及主 机应用程序编译工作。 7 2 检测系统工作原理及结构组成 2 检测系统工作原理及结构组成 2 1系统组成 通过对螺纹非接触测量仪器的研究发现，螺纹中心轴线的轴向截面齿形是 求得螺纹各项参数的主要研究对象，因此通过测量得到这一齿形数据是本检测 系统核心的任务【1 8 - - 2 0 。 为了提高对内螺纹参数检测精度、增加检测范围、提高检测效率和自动化 水平，拟采取以下实施方案：整个检测系统主要包括精密水平位移平台、光栅 位移传感器、激光发射单元、光学系统、c c d 检测单元、c p l d 逻辑控制、u s b 数据传输单元及p c 机程序控制，如图2 1 所示。 图2 1 检测系统框图 检测系统的测量方法是：p c 机发送控制信号给平台控制器，控制器控制的 步进电机将带动水平位移平台，并搭载激光发射器向被测螺纹靠近。当安装有 光学棱镜的测量杆伸入内螺纹，达到指定测量位置时，激光发射单元发射出与 内螺纹轴线相平行激光，如图2 2 所示。该激光经光学棱镜反射，在内螺纹的表 面上形成散射光斑。光斑被反射后，再经光学棱镜返回到水平位移平台的c c d 检测单元。c c d 检测单元将接收到的光信号转换为电信号，电信号经过数字电 路的处理，经u s b 接口单元采集传输到p c 机，进行计算、存储和显示，完成 8 2 检测系统工作原理及结构组成 对内螺纹的测量【2 1 捌。 图2 2 内螺纹检测示意图 2 2 激光测量分系统 激光测头部件包括激光器、光学成象系统、线阵c c d 及其工作控制电路。 线阵c c d 及其工作控制电路将在下面章节中介绍。激光测头部件是一种非接触 式的精密激光测量系统，其采用的光三角测量原理广泛应用于位移、宽度、三 维轮廓等的测量【2 3 1 。激光测头的非接触式测量克服了接触式检测中的诸多缺点， 避免了被测零件的划伤和测头的磨损，而且提高了检测速度和精度。如图2 3 所 示为直射式激光三角测量原理。 图2 3 垂直入射式激光三角法测量原理图 激光测头工作时，激光器发出的激光束经过聚焦透镜光学系统，会聚投射 到被测物体表面o 点，形成光强分布均匀的漫反射光斑；漫反射光斑经过成象 透镜光学系统会聚后，将成象在c c d 的光敏面上形成象点o ，。当激光测头做水 9 2 检测系统工作原理及结构组成 平扫描移动时，即被测物体表面相对测头的位置发生变化，其象点也必然发生 变化。当激光束光斑由o 点移动到o l 或0 2 点时，其象点即由o ，点相应的移动 到o l 或0 2 点处。由此，通过精确地测量象点在c c d 上的位移x ，并根据光学 系统的结构参数，就可以得到被测物体相对于激光头的位移量x 。 当被测物体表面相对测头的位置发生变化时，入射光斑将随被测物体偏离 成象光轴而移动，其象点也必然偏离光轴。此将引起象点的弥散，从而降低了 系统的测量精度。为了使象点最小，提高测量精度，设计让c c d 光敏面上的象 点始终位于焦平面上。为了使入射光斑无论远近，都可以通过成象透镜在线阵 c c d 光敏面上成清晰实象，则e l 和0 2 必须满足s c h e i m p f l u g 条件，即要求象平 面、物平面、透镜平面相交于一条直线，也就是使激光束轴线、成象系统主平 面投影和c c d 光敏面投影相交于一点c 。如图2 4 所示。 霪 姿勒n r 、 二央害彳夕 沦二二二二二二二一 7 书妙 ) 2 一0 n， 图2 4 物一象关系图 由图可知必满足关系式： t a n q ：b t a n 岛 ( 2 1 ) 口 式中e l 激光束轴线与成象透镜光轴之间的夹角； e r c c d 光敏面与成象透镜光轴之间的夹角； a 激光束轴线和成象透镜光轴的交点到成象透镜前主面的距离； b 成象透镜后主面到成象面的距离。 由图根据相似原理可得： 当光斑由o 点移动到o l 点时 1 0 2 检测系统工作原理及结构组成 z ： 苎竺塑垒 ( 2 2 ) z = i _ = 一 kz z ， 1 b s i n 0 1 一五7s i n ( e , + 岛) 整理得： 五= 夏忑瓦干x i b i s i 五n o 而, f 面 2 3 ) 当光斑由0 点移动到0 2 点时 矗：一堕咝 ( 2 4 ) 矗= 。l 一 lz j b s i n o l + x 2 s i n ( o l + 谚) 整理得： 而= 忑f x 2 b 丽s i n 0 1 ( 2 5 口s l n o ，一x ，s l n l 鼠+ 0 0 ) 上述公式表明：入射光斑随被测物面由0 2 点移至0 1 点时，其象点在焦平面 上变化的精确关系【2 4 1 。由公式可以看出，该物象关系函数为非线性函数，光学 的非接触测量希望被测值与读数之间成线性关系，这样可以大大节省数据处理 时间，为实时、快速、精确的检测提供极大的方便和成本。所以当物面相对于 参考点0 作小范围移动时； a s i n 0 2 s i n ( o , + 岛) ，a s i n 0 2 x 2s i n ( q + 岛) 则 可得： x ，：x l b s i n 0 1( 2 6 ) x = 一 l z o j 恐= 酱a s l n扶 ( 2 7 ) k ：掣是一常数，说明在小位移测量中，上述方程可以按线性关系处理。 口s l n 魄 2 3 轴向进给分系统 激光测量分系统只能获得了螺纹投影的径向( y 方向) 一维参数，必须配合 水平位移工作平台对螺纹牙型进行轴向扫描，获得轴向( x 方向) 一维参数，才 能得到整个螺纹截面牙型数据。借助于步进电机来控制水平位移平台的轴向运 动，为了保证测量的精度，水平位移平台采用光栅尺进行闭环伺服控制，克服 水平位移平台的伺服不均匀性影响。 2 检测系统工作原理及结构组成 2 3 1光栅位移检测单元 光栅位移检测主要是利用光栅莫尔条纹现象，将被测几何量转换为莫尔条 纹的变化，再将莫尔条纹的变化经过光电转换成电信号，经过整形、计数后送 入上位机处理，从而实现对几何量的精密测量。光栅尺固定在水平位移平台的 基板上，从而实现对激光测量系统的轴向运动位移的测量。 光 光栅2 7 图2 5 光栅莫尔条纹形成 光栅是由很多相等节距的透光和不透光的刻线相间排队列构成的栅形光器 件。形成莫尔条纹必须有两块光栅：主光栅( 作标准器) 和指示光栅( 取信号 用) 组成，将两块光栅相叠合，并使两者之间保持很小的夹角0 ，这样就可以看 到近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹【2 5 】。如图2 5 所示。 图中w 为栅距，b 为莫尔条纹的间距，其与夹角0 有如下关系： 口= _ w 一0 ( 2 8 ) ， 鸽u l i- 当0 很小时，s i n 昙旦则有： zz 曰一w ( 2 9 ) 目 由此可见，莫尔条纹的宽度是由光栅栅距以及0 决定。当0 很小时，光栅副中任 一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的方向 运动。当光栅移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个条纹间隔；当光栅改变运动 方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，两者具有相对应的关系，因此，可以 通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动。 1 2 2 检测系统工作原理及结构组成 光栅传感器主要由光源、透镜、节距相等的光栅副及光电元件等组成，如 图所示。光栅传感器工作时将主光栅和指示光栅的刻线面相对放置，当主光栅 衫 励 一 多 力 指示光栅 嘲： 形 ， ， 透镜v 多 勿 光 一 主光栅 么 图2 6 光栅结构不意图 相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信 号。当光栅移动一个栅距b ，此时，在指示光栅上的光敏元件接收到一次光脉冲 的照射，并相应输出一个电脉冲。通过计数电脉冲数目i ，便可测量出主光栅的 移动位移x ，即： x = f 形 ( 2 1 0 ) 由式( 2 9 ) 可知，莫尔条纹具有位移放大作用，令：k = i 0 为放大倍数，可 得：b = k w 相当于把栅距放大了i 0 倍。若0 = 0 1 。，则k = 5 7 3 ，即莫尔条纹宽 度b 是栅距的5 7 3 倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度， 因此可实现高灵敏位移的测量。本文中选择w a t l 型号光栅尺，其量程为1 5 0 m m ，分辨率为l g m ，接口是t t l 电平。 2 3 2 精密位移平台 精密的位移平台具有高精度和高重复定位精度，步进电机和光栅尺可安装 到平台上，可以用光栅尺的反馈来提高两者的精度，从而构成精密电控机械系 统。该机械系统是激光测头和光栅位移检测系统的载体。工作时，步进电机带 动精密水平位移平台沿平行于螺纹轴线方向移动，实现激光测头对内螺纹扫描， 从而完成径向位移精密测量；安装在水平位移平台基板上的光栅尺实时读取平 台位移，实现轴向位移量的精密检测。精密水平位移台由步进电机控制，实现 检测位置的自动调整。其主要技术指标如表2 1 。 1 3 2 检测系统工作原理及结构组成 表2 1 水平位移平台的主要技术指标 行程距离 台面尺寸 螺杆导程 最大移动速度 分辨率 重复定位精度 步进电机步距角 最大负载 1 5 0 m m 1 2 0 x 1 2 0 4 m m 2 0 m m s e e 0 0 0 0 6 2 5 u t l l 时，半导体与绝缘体界面上的电势( 0 s ) 极高，就会形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层，如图3 4 ( c ) 所示。反型层 电荷的存在表明了m o s 结构存储电荷的功能。 ( a ) ( b ) ( c ) c a ) 栅极电压为零( b ) 栅极电压小于阈值电压( c ) 栅极电压大于阈值电压 图3 4 栅极电压变化对耗尽区的影响 c c d 曝光时，每个像元有一个电极处于高电位，在该电极下的电势将增大， 成为光电子收集的地方，称为势阱，而表面势可作为势阱深度的量度。表面势 与m o s 电容容量c o x 与u g 的乘积有关。m o s 电容存储信号电荷的容量为： q = c 矗么 ( 3 1 ) 其中a 为栅极电极的面积。 3 1 1 2 电荷传输 c c d 工作过程的第三步是电荷包的转移，是将所收集起来的电荷包从一个 像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。电荷包是电子向电 势最高的地区聚集时形成的，每个电荷包对应一个像元。如图3 5 所示为一个需 要三相时钟脉冲结构的三相c c d ，可以理解c c d 中势阱及电荷包如何从一个位 1 9 3 数据采集系统硬件设计 置转移到另一个位置。 开始时，在第一个栅极电压为i o v 电极下面的深势阱里存储有一些电荷， 其它电极均加有大于域值的低电压( 2 v ) 。如图3 5 ( a ) 所示为初始时刻，在经 过t l 时刻后，各电极上的电压变化为图3 5 ( b ) 所示情况。第一个电极仍保持 高电平，而第二个电极上电压由低电平过渡到高电平，因为这两个电极靠得很 近( 间隔小于3 p m ) ，这两个电极下的势阱将合并到一起，而第一个电极下的电 荷也被这两个电极下的合势阱所共有，如图3 5 ( c ) 所示。此后，电极上的电压 变为图3 5 ( d ) 所示，第一个电极由高电平过渡到低电平，第二个电极仍为高 电平，则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中，如图3 5 ( e ) 所示。由图 所示可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置【2 8 1 。 夥- 野务荸晷t 簪：习o v 多芳- 争- 争务 妻1 2 蔓苎曼，巴复! ! ! 另劈万曩勇曼量只晨曼! 苎! 恐 匡瓣副势阱岜l = = 二厂的势阱巨兰三釜习1 ” 巨三三三三三三| (a)(b)( c ) 昂, o 罢2 vt 踟$彝舀塌v 务 - 1 厂弋：几：男 方哆男哆曼曼墨星曼! 圣曼型墨，in 厂 匿三辩 目一 电荷影动d 目 o ，1 _ 1 几厂 ( d )( 。)一万一一 图3 5 三相c c d 中电荷的转移过程 由此可见，通过将按一定规律变化的电压加到c c d 各电极上，电极下的信 号电荷包就能沿半导体表面按一定方向进行移动。施加到c c d 电极上的驱动脉 冲就是c p l d 输出的驱动时序脉冲，在该脉冲下c c d 才能正常工作输出信号。 而所需驱动时序脉冲是由所选取的c c d 内部结构决定的。图3 6 所示的结构需 要三相时钟脉冲，其波形如图3 5 ( f ) 所示。 3 1 1 3 电荷检测 c c d 工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为 电流或者电压的过程。当电荷包移至串行寄存器的末端时，相加阱将电荷输送 到输出节点电容，外部电路对输出进行采样，所采样的输出电平与信号电荷包 中的电荷浓度成正比。 2 0 3 数据采集系统硬件设计 3 1 2 线阵c c d 的特点及il x 5 2 6 a c c d 的分类方法有多种，按照像素排列方式的不同，可以将c c d 分为线阵 和面阵两大类。对于线型器件，它可以直接接收一维光信息，在一维方向的补 偿与校正易于实现，因此常作为一种高精度光电传感器应用于外形尺寸非接触 尺寸测量、表面质量评定和精确定位中。线型c c d 有单沟道和双沟道两种基本 形式，其产生的光生电荷存于像素单元下的m o s 当中，随着时序脉冲的驱动作 用，从移位寄存器中一位位输出。双沟道型c c d 要比单沟道的转移效率要提高 两倍。 3 1 2 1 i l x 5 2 6 a 的选择和性能特点 对于本文用精密尺寸测量而言，c c d 的感测能力相当重要。一般线性c c d 对各波长光线感测能力在4 5 0 n m - 7 0 0 n m 的范围内较佳，只要超过7 0 0 n m ，感测 能力便会快速下降。i l x 5 2 6 a 芯片的光谱响应范围较宽，长波限为1 0 0 0 n m ，其 峰值为4 8 0 n m ，与激光器发射端发出的蓝色激光光谱相吻合。同时，它的像素 尺寸为7 t i n x2 0 0 t m ，对于高灵敏度c c d 像素面积越大时，其对光线的蓄积能 力越强，灵敏度也随着提高。另外，c c d 的像素越多对于测量系统的精度也是 很有利的。综合考虑感应光谱峰值、光敏单元尺寸及灵敏度等参数，选用了s o n y 公司的线阵i l x 5 2 6 a 2 9 1 。 i l x 5 2 6 a 是一种典型的具有采样保持输出电路的3 0 0 0 像素单元线阵c c d ， 它的像敏单元间的中心距是7 z m ，光敏列总长2 1 m m ；时钟频率在0 1 m h z - i m h z 范围内，可用于传真、扫描和尺寸测量等。i l x 5 2 6 a 的特征参数如下表3 1 所示， 测试条件：环境温度2 5 0 c ，工作频率5 0 0 k h z ，v d d = 5 v ，积分时间1 0 m s ，在 3 2 0 0 k 标准白炽灯光源情况下的特征参数1 3 训。 灵敏度代表c c d 对于光线的感应能力，单位为v ( i x s ) ，其中1 ) 【为照度， s 为积分时间。i l x 5 2 6 a 在积分时间1 0 m s ，以3 2 0 0 k 色温的光源照射下的灵敏 度为3 0 0 v ( 1 x s ) ；若以波长6 6 0 n m 的l e d 照射，则灵敏度可达3 7 0 0v ( 1 x s ) 。 灵敏度不均匀性( p r n u ) 主要指在均匀光源的照射下，其像敏单元间感测方面 的差异，理想的值应该为0 ，但是不同的像素之间会有些许的差异。动态范围 ( d r ) 是指饱和输出电压与暗电压平均值之间的比值，是在上述特定的测试环 境下测量的；随着曝光时间延长，d r 会跟着下降，表示有越多的干扰信息会加 入到影像之中，因此实际d r 随着实际系统的不同而改变。 2 】 3 数据采集系统硬件设计 表3 1i l x 5 2 6 a 的特征参数 3 1 2 2il x 5 2 6 a 工作时序 i l x 5 2 6 a 在图3 6 所示的驱动脉冲的作用下工作。该c c d 器件有两种工作 吣厂 庐年年手厂 口。研廷i | 垂一手厂 一 慨k 叩1 f l f l 响1 眦删毗岬峨卿唧岬岬岬唧m 邶 ；：；： ：i ：，i i ； j ； ； ；! ；! i ；ii ：1 ：j ：；： ：! ： 昌 ! 苫g ：昌苫莒蓉罾蕾；富蚤鏊晶 窃：易：荔l l l l 蓉蓉重；：吾i 善：基童! l ： j 镀舡蝓m l1 ： f ：。，： c 嚣军第1 信号输出 ”个虚设单元n 0 弹最1 l o 个虚设单元 1 个输出周期( 3 0 6 6 单元) 图3 6i l x 5 2 6 a 驱动脉冲时序图 模式，当1 2 管脚接g n d 时为采样保持工作模式，当1 2 管脚接5 v 电源时为弃 用采样保持功能工作模式。其驱动需要三路脉冲信号，分别是时钟脉冲o c l k ， 转移栅脉冲o r o g ，电子快门脉冲o s h u t ，图示为采样保持工作模式。由于 c c d 器件是积分型器件，输出信号既和c c d 器件光敏面上的照度有关，也和两 次取样的间隔时间，即积分时间有关。因此，一般情况下，为了提高c c d 器件 输出信号的大小，通常采用增大积分时间的方法来实现。对于该c c d 而言，积 分时间不同于t o s h i b a 公司的c c d 器件，它是指o s h u t 的下降沿到相邻 o r o g 的上升沿这段时间。因此，电子快门是通过控制入射光在c c d 芯片上的 2 2 3 数据采集系统硬件设计 作用时间来控制每个像素的电荷积累时间的。从驱动脉冲波形图上可以看出， 第一阶段电子快门开启，将从m r o g 到m s h u t 脉冲时间段积累的光生电荷， 通过q ) s h u t 脉冲使m o s 管导通而释放掉；第二阶段电子快门关闭，在q ) s h u t 到q ) r o g 脉冲时间段内进行光积分，通过r o g 脉冲，使光生电荷快速地向模 拟移位寄存器转移信号，而后模拟移位寄存器将在时钟脉冲西c l k 作用下，将 这一信号驱动出来【3 l 】。 3 1 3l l x 5 2 6 a 驱动时序电路设计 3 1 3 1i l x 5 2 6 a 驱动电路时序分析 根据i l x 5 2 6 a 芯片工作手册中的驱动时序脉冲时间要求，本文所用q ) c l k 脉冲频率为0 4 m h z ，输出数据时采用内部的采样与保持电路。 根据驱动脉冲时序关系确定时钟驱动信号m c l k 、q ) r o g 和0 s h u t 的参数。 其中q ) c l k - 0 4 m h z ，占空比为1 ：1 的方波，控制电荷在移位寄存器中按顺序 移出。按时序要求，电子快门时间为s h u t 脉冲到相邻r o g 脉冲之间的时 间段，即电子快门时间控制了光积分时间，期间最少保持有1 0 个c l k 周期的 时间，改变q ) s h u t 的位置也就改变了积分时间。因此，可以灵活地控制c c d 积分的时间，本文利用该特性设计了积分时间可调的档位。转移栅r o g 控制 光生电荷的转移。另外，q ) r o g 应在c l k 的高电平时段，延时2 5 0 n s 7 5 0 n s 期间进行触发，至少持续6 个c l k 周期；而q ) s h u t 应该在q ) c l k 的低电平 时段，延时15 0 n s - 2 5 0 n s 期间进行触发，最少的持续时间为4 0 0 0n s 。该c c d 芯 片的有效单元加上虚设单元、暗信号共3 0 6 6 个光电二极管，再加上前后所需空 驱动，一个r o g 周期至少需要3 1 0 0 个c l k 时钟脉冲【3 1 j 。 3 1 3 2 复杂可编程逻辑器件和v h d l 语言 随着c c d 应用的日益广泛，传统的时序驱动电路设计，如可擦除可编程 r o m 驱动、数字电路驱动和单片机驱动等，由于速度和灵活性的限制，已不能 满足c c d 应用的高速化、小型化和智能化发展需要。因此在c c d 应用技术中， c c d 驱动时序的设计已成为关键之一【3 2 _ 3 3 1 。 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 是一种大规模可编程逻辑器件，支持在系统 编程( i s p ) ，具有集成度高，灵活性强，实现了硬件电路的软件化设计等优点【3 4 1 。 2 3 3 数据采集系统硬件设计 它可以在p c b 板之前进行软件仿真调试，进行系统升级时，通过重新编写替换 相应模块代码重新下载即可，其已经成为了数字系统设计的主流，可以满足不 同型号c c d 的需要，有利于电路的调试和升级。本系统就是采