（测试计量技术及仪器专业论文）非连续回转面径向跳动测量数据处理系统研究.pdf

瘸要 论文研究豹是菲连续霞转鬻径囱魏动误差测量中豹数据鲶灌阀嚣。菲连续嚣转瑟 径向跳动测量采用的是基于光三角测墩原理的a 接触戏检测设备。该设备精度高、速 度侠、鬻实辩纛线捡溺，莠显爨有缀好瓣柔往，是蠢动纯生产炎好懿稔溺工翼。 文中介绍了系统的总体结构与工作原理。深入研究了系统在测量非连续回转面径 囊雾l 裁孵采样数疆孛予挠数据较多戆溷题，提国了磐坟方案，磐麸硬穆纛敦传上遴行 了数据处理系统设计。 经避实验验涯，本数据她瑷系统设诗合理。在该系统戆配会下，捡测设餐实现了 高精度、快速枪测，并能实时给出测爨结果，达到了设计要求。 关键词：菲连续豳转舔径商虢动误差数据处理巍三角原理 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sa b o u tt h er e s e a r c h0 1 1t h ed a t ap r o c e s s i n gp r o b l e mo fm e a s u n n gt h e r a d i a lj u m p e d 豇q o ro fd i s c o n t i n u o u sg y r a t i o ns u r f a c e i nt h i sa t t i c l e , ak i n do fn o n e o n t a e t m e a s u d n ge q u i p m e n ti s u s e dw h i c hb a s e do nt h el a s e rt r i a n g u l a t i o np r i n t i p l e 秘l e a d v a n t a g e so f t h i se q u i p m e n ta r ea sf o l l o w ：h i 戡p r e c i s o n ，h i 曲s p e e da n dc a nm e a s u r e r e a l _ t i m eo n l i n e i ti sa l s of l e x i b l ee n o u g ht ob eas u i t i b l em e a s u r i n ge q u i p m e n tf o ra u t o m a n u f a c t u r e i nt h i sp a p e r , t h ep r i n t i p l ea n dc o n s t r u c t i o no ft h ew h o l em e a s u r i n gs y s t e mw a s p r e s e n t e d d i s c u s s e dt h ed i f f i c u l t yi np i c k i n go u ta n dd e l e t i n gt h ee r r o rs a m p l i n gd a t aw h e n t h em e a s u r i n gs y s t e mi su s e dt om e a s u r er a d i a lj u m p e de r r o ro fd i s c o n t i n u o u sg y r a t i o n s u r f a c e ，b r i n gf o r w a r dt h em e t h o dt o r e s o l v et h i sp r o b l e ma n dd e s i g n e dt h ew h o l ed a t a p r o c e s s i n gs y s t e mi nd e t a i l ，i n c l u d eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 。 a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，t h ed e s i g no fd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mi sl o g i c a l u n d e rt h ec o o p e r a t i o no ft h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e m ，t h ew h o l es y s t e me a r lm e a s i l r ew i t h h i g l lp r e c i s i o n 、h i 鲫s p e e da n dd i s p l a yt h er e s u l tr e a l - t i m e , a c h i e v et h ed e s i g ng o a l k e y w o 嬲：d i s c o n t i n u o u sg y r a t i o ns u r f a c e r a d i a lj u m p e de r r o rd a t ap r o c e s s i n g l a s e rt r i a n g u l a t i o np r i n c i p l e 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文非连续回转面径向跳动测量数据 处理系统研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：臼魍跬垒邂8 年土月五日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：白硝蛐q 年土月丝日 指导导师签名： 年五月丛日 第一章绪论 非琏续回转面工件是机械制造业较普遍的回转体件，如具有键槽的圆柱面或花德 轴等。为了达到对i 衷类具有非连续网转面工件的精密加工，满足产品功能骚求，常常要 译定它臻懿形凌器缎蹩公差。缀秘雾动公差潺豫藿公差兹一耱，其测量方法缀多。缎 向跳动谟差主要来自加工过程，鼹体原因有：定心精度不高、圆柱表面加工精度不商、 圆度较麓等。对于用于联接的工件，径向跳动误差的存在会影响工件的阐转精度，并 把误差传递到下级运动部件，从聪壹接影响整个机械系统的精度；径向蟛动误差还会 使工髂籀彀的联接簸函受力不均匀嚣造成不同程度斡彦损，遴焉减少傻麓寿命。困藏， 在加工过程中，需对工件进行检测，使其径向跳动误差控制在公差范围内。 在非接触检测技术发展快速的今天，实现对非连续回转面工件径向跳动误差的检 测势不滚。经囊魏动误差粒 # 接皴捡灏常常是程溪激走三强经移转惑器“裁戳稷应匏 回转、平移执行机 句和伺服控制系统来实现盼。这种检测方法具有高速度、高精度、 抗干扰能力强、可实现在线检测簿特点。由于检测速度快，采样率高，所以采样数据 量较大，检测系统的数据处理能力则是系统能褥达到高精度、高速度的主要影响因素。 1 1 国内外数据处理技术的发展状况 数攥楚理”是攒瓣数摇兹采繁、存赡、捡索、翱工、交羧彝筵输，楚系统工程秘 自动控制的基本环节。系统工程的基本闯题怒如何描述系统以及如何调节系统参数， 使系统达到最优性能。最优化的过程就是一个数据处理的过程。在一个自动控制系统 中，例如，一个带反馈的简单控制系统，测量装置从被控对象或过程获缮被控量的僚 怠，凝i 窭处理( 与被控量要求毽不颟透露魄鞍、分褥、讳嚣) 求褥弪裁潼，霉输入绘 被控对象或过程，使被控对象或过程的某些墩趋于所要求的值。这也是一个数据处联 的过穰。以电子计算机为基础的现代数据处理技术大大地推动了系统工程和自动控制 理论懿发浸，扩大7 系统工程方法掰能耱决缒糕瓣范盈，改羲了垒动控裁系统豹蛙熊。 数据处理贯穿于社会生产和社会嫩活的各个颥城。数据处疆技术的发展及箕应用的广 度和深度，极大地影响着人类社会发展的进程。 数据处理的历史可以追溯到迟当时代“”。原始人类用警指、石块、贝壳、木棍等 来统诗镩获舅善豹数蠹，可戮歆为建数据楚臻麴牙臻。敬露，涎羞交骥黪发震，数摆 处理经历了手工、机械、电子三个阶段。 ( 1 ) 手工数据处理阶段 手王数据处理瓣段是指麸琢始毒会到1 9 擞缝寒，数据鲶理离不嚣手工操终，效率 低，熊处理的数据鬣少。这一阶段，入们致力予计算工其的改善，计算方法的革薪r 并取得一系列辉煌的成就，如中嗣的筹算、珠算、圆周率计算法、簿记制度等，外网 的对数、计算尺、手摇计算机等。 ( 2 ) 机械数据处理阶段 1 9 世纪末到2 0 世纪4 0 年代是机械数据处理阶段。1 8 9 0 年美国中央统计局的霍 勒里思为编制人口统计表发明了卡片制表机，使数据处理出现了一次重大的突破。该 机能够以半自动方式进行穿孔、校验、分类、整理、制表等工作，处理效率有很大提 高。但机械设备的性能和效率仍然使数据处理受到很大的限制。 ( 3 ) 电子数据处理阶段 2 0 世纪4 0 年代电子计算机的出现为数据处理开辟了新的天地。电子计算机具有运 算速度快、存储容量大、输入输出灵活多样等特点，正合数据处理的需要。以电子计 算机作为工具进行的数据处理称电子数据处理( 英文缩写e d p ) 。现在人们讨论研究的 数据处理技术和数据处理系统一般都是指电子数据处理技术和电子数据处理系统。 数据处理必然会有相应的数据处理技术。数据处理技术是指数据处理过程中所需 要的有关硬件和软件的技术。硬件指各种处理设备，软件指各种处理程序和方法。数 据处理过程可分为数据的采集和输入、数据的分析加工、数据的存储和检索、数据的 传输和输出。 数据的采集和输入是数据处理的起点，可以是人工采集，也可以是联机的自动输 入。由于数据的性质、产生的时间和地点很不相同，实现数据采集和输入的设备和技 术也是多种多样的。用计算机处理数据，必须采取对人或机器有意义的某种形式。它 们可以是书写或者打印在纸张上的文件，也可以是纸带或卡片上的穿孔组合、磁带上 的磁信号组合，或者是机器能识别的其他符号。 数据的分析加工是数据处理最关键的环节。常见的典型操作有分类排序、计算和 综合。即将数据分类，排成某种序列；检索已经存在的数据，找出与当前处理有关联 的数据；对数据进行算术或逻辑运算；更新存储的数据和输出处理结果。 数据的存储是把部分或全部原始数据、中间处理结果、最终处理结果保存起来， 供将来使用。数据可以用人工方式存储( 如记在帐簿或笔记本上) ，或用机电方式存储 ( 如穿孔卡片、纸带) ，或电子、光、磁方式存储( 如光盘、磁盘、磁带、缩微胶卷、 半导体存储器等) 。 数据的输出是指数据经过处理之后，将结果以一种有意义的形式报告出来，或以 一定的信号反馈回被控制对象。数据处理系统产生的报告应该是及时的、完整的、可 理解的，便于直接利用的，如打印文件和图表，或用记录显示装置显示。如果输出数 据作为后一周期或其他系统的输入，则往往将输出存储于某种介质，如穿孔卡片、穿 孔带、磁带、磁盘等。 数据处理离不开软件的支持，数据处理软件包括：用以书写处理程序的各种程序 设计语言及其编译程序，管理数据的文件系统和数据库系统，以及各种数据处理方法 的应用软件包。为了保证数据安全可靠，还有一整套数据安全保密的技术。 根据处理设备的结构方式、工作方式，以及数据的时间空间分布方式的不同，数 2 据处理脊不同的方式。不同的处理方式要求不同的硬件和软件支持。每种处理方式都 有自己戆特点，应警缀蕹应雳翊趱鹣实甄强境选择会逶豹鲶毽方式。嗣个数摆楚璎 过程从不同的角度磁发可以看成蹙不同的处理方式。帮使从同一个角度穗发，一个系 统也能同时容纳多种处理方式，以满足多种应用问题的要求。数据处理斑要有四种分 类方式“”。 ( 1 ) 鬏攥憝理设备静结秘方式区分，毫联撬娃瑾方式黟裁税楚瑾方式。联掇方式 处理时，数据从产嫩地出发通过输入设备不经过人的干预崴接输到计算机中处理，而 处理厝的结果直接邀到所需要的场所。脱机方式处理时，数据从产生地出发首先存储予 菜秘夯矮f 熟磁带) ，然矮在操箨员懿予预下，分矮放送到计冀瓿输入装霆遴行处理，处 理的缩柴也先输出绘某种介质，褥由操作员将魏介质所载的蓿怠经输出装黉输出。 ( 2 ) 根据数据处理时间的分配方式区分。有批处理方斌、分时处理方式和实时处 理方式。批处理方式是把一定时间内的数据收集在一起成批地处理。分时处理方式是 摇诗葵凌中央缝理嚣懿跨润分藏缀夺懿嚣润冀锤嚣速努酝纶多个爨户蕊建。实酵笼理 方式要求输入的数据及时得到处璞，在应用问题所允许的时间内把处理结果送到需要 的地方，处理时间的分配是随到随处理。 ( 3 ) 根据数据处理空间静分露方式区分，肖集中式处璞方式秘分布处理方式。集 中式鲶避方式要求搬数据传输到统一的数据处壤系统处理。分布式处理怒将数撰分散 在相置连接的各处瑕器中处理，豳一个高级的操作系统协调各处理器的工作。 ( 4 ) 根据计算机中央处理器的工作方式区分，有单道作业处理方式、多道作业处 理方式移交萎式楚溪方式。萃遴馋遭楚毽辩系统孛是毒一邋作遂在魏纾，整个系统资 源为该作业所独占。多道作业处理方式允许系统中有多项作业同时进行，系统按照备 项作业的轻重缓急分配系统资源。交互式处理方式是指系统和操作人员老间相互配合 共同处瑗数据。数据处理直接在操 # 入员的簸餐下进孑亍，系统随时向操 譬入员报告数 据照瑾的情嚣，操俸入员剐不繇游系统发出攒令。 1 2 本文研究内容及主要技术指标 本文介绍了一种基于光三角使移传感器的j 连续回转磷径向跳动误麓检测系统， 重点研究了系统中的数据处理问题，为系统的智能化提供了较好的理论方案。 径囱跳动误差是评价回转体篡 串懿重要性能指标之一，夥b 动误差的韶在会严重影 响其霞转耪度。锋辩表面为菲连续瑟的目转俸置许，采瘸嚣接触式霹箕径向雾动误麓 进行测缀。选用的方案是采用基予光三角原理的激光位移梭测系统做测决，并配以相 应的精密回转轴系岛平移系统来嶷现检测目的。测量过程巾，测头和被测工件发生相 对运动，激走溅头瓣王俘遴行连续采榉，褥刭丈量数囊，这些数攥孛套袋样子毽疆表 面，也有采样于键齿、齿壁表面的数据。由予系统是检测工件内径定心蕊的径向跳动 量误差，数据处理时只需要处理由键槽表面采样得到的数据。如何剔除来自键齿、齿 壁表面的数据( 称之为异常数据) 则是数据处理系统需要完成的任务。论文主要研究 的是采用何种方案剔除测量数据中的异常数据并进行数据处理系统方案设计，以满足 检测系统的技术要求。 检测系统主要技术指标： ( 1 ) 测量范围：2 r a m ( 2 ) 分辨率：o 0 0 1 m m ( 3 ) 重复性精度：o 0 0 6 m m ( 4 ) 工作距离：5 6 m m 4 第二章径向跳动误差检测系统原理与组成 2 1 径向跳动及其测量技术概况 2 1 1 跳动公差相关概念 跳动公差是关联实际被测要素绕基准轴回转一周或连续回转时所允许的最大跳动 量。跳动公差分为圆跳动和全跳动”“。 ( 1 ) 圆跳动 圆跳动是指被测实际表面绕基准轴线作无轴向移动的回转时，在指定方向上指示 器测得的最大读数差。 圆跳动是限制一个圆要素的形状和位置变动量的综合指标。圆跳动分为径向圆跳 动、端面圆跳动和斜向圆跳动三种。 三种圆跳动公差带的圆心或轴线必须在基准轴上，但其半径大小可随被测实际轮 廓位置的不同而变动。 ( 2 ) 全跳动 全跳动是指被测实际表面绕基准轴线无轴向移动的回转，同时指示器作平行或垂 直于基准轴线的移动，在整个过程中指示器测得的最大读数差。 全跳动是限制一个圆柱要素的形状和位置变动量的一项综合指标，分为径向全跳 动和端面全跳动。 全跳动公差是一项综合控制形位公差的指标。径向全跳动可控制素线的直线度、 圆度、圆柱度、同轴度、径向圆跳动等；端面全跳动可控制平面度、垂直度、端面圆 跳动等，而且检测直观、方便，所以很有使用价值。 2 1 2 跳动误差检测方法 径向跳动误差的传统检测方法是探针接触式测量。如图2 1 所示，用夹具支承， 使被测工件绕其基准轴线回转，被测件回转一周中，指示值的最大差值即为在某一测 量截面内的跳动量。 图2 1 接触式测量径向跳动误差示意图 图中的测量方法较简单、经济，但精度不高，且易造成被测件和探针的磨损。对 某些特殊工件的径向跳动误差无法实现检测“1 ，存在许多局限性： 1 ) 接触式测量不适于测软质材料和易被探针划伤的表面，如测量光洁度要求很高 的表面或具有腐蚀性的材料表面，接触式测量方式便无能为力了。 2 ) 探针式轮廓仪的调整和测量时间较长，且需要过多的人工干预，从而带进不必 要的人为误差，不适于高精度、高速度的自动化系统。 3 ) 对落差较大的、表面为非连续面的回转体工件，接触检测方式无法进行测量。 采用现代技术测量径向跳动误差，主要是运用基于激光与相应的光电检测技术的 非接触检测方法”。非接触检测可以克服接触式检测的不足，对于各种测量目标都可 以提供高灵敏度、高精度、高效率的数据采集，从而实现对被测物各种参数的非接触 检测。它不会造成被测表面的划伤和损坏，对各种材料制成的工件皆可实现测量。非 接触检测的最大优点是在被测物加工过程中便可对其进行测量，即在线实时检测，从 而实现对加工过程的控制，降低废品率，可大大节省检测时间，提高生产效率，这是 接触式检测方式无法比拟的。 目前，非接触检测技术中使用最为广泛的是激光检测。激光检测是基于激光具有 准直性、单色性、亮度高等优点而迅速发展起来的。激光检测技术主要有：激光干涉 法、激光扫描法、光纤法、激光三角法等。 ( 1 ) 激光干涉法 从迈克尔逊设计的第一台干涉仪至今，干涉法一直是精密测量长度、位移的有效 手段。激光光源的应用彻底克服了单色光源对干涉仪的限制。光电转换器件和电子技 术的发展及应用改变了传统干涉条纹的处理方法，外差、准外差、自动记录、电子细 分等技术大大提高了干涉信号的处理精度和速度。 激光干涉技术在光通信、计量等领域内应用十分广泛，特别是在微电子、机器人、 机械工程等众多的领域内进行高精度长度量测量时，激光干涉法是最常用的，目前还 没有可替代的高精度测量方法。 ( 2 ) 激光扫描法 6 激光扫描法主要用于测量工件的几何尺寸，如长度、厚度、外径等。它以h e n e 激光器或半导激光器为光源，通过一个旋转的多面体( 通常为八面体或十六面体) 将 激光束自上而下扫描到被测物体上，经光电接收器件的转换、数据处理，从而得出所 测结果。这种方法的优点是测量速度快，可实现在线测量，而且不受被测件的温度、 测量场所的光线等环境因素的影响。在国内外检测缺陷、进行图象识别及图象处理技 术中颇受青睐。 ( 3 ) 光纤传感 光纤传感技术是近几年发展很快的一门新兴技术。光纤传感器能实现“传”和“感” 的结合。体积小、重量轻，抗电磁能力、灵敏度高、易柔性弯曲，可远距离观察和遥 测。在某些特殊场合。如测量区域狭小，无法安置较大的测头时，用光纤传感器便可 以轻而易举地实现测量。这是常规的传感器所无法比拟的。近几年研究开发的多束多 模光纤传感器，不仅解决了光纤测量的“死区”问题，而且使测头小型化，因而被广 泛应用于各种测量当中。 ( 4 ) 激光三角法 激光三角法是目前应用最为普遍的一种非接触检测技术。 激光三角法是以经典的光学三角原理为基础。当物面移动时，由于位移方向与接 收光路光轴成一夹角，故称光学三角法。激光的应用使激光三角测量以其非接触、精 度较高、响应较快、抗干扰能力强、工作距离大、可测各种材质、构造简单等优点而 受到广泛重视。近年来，在原有理论的基础上，不断对激光三角测头进行改进设计， 以提高其测量精度，因而，广泛应用于汽车、拖拉机制造业；航空、航天工业中的平 面度、圆度、直线度、跳动等形位误差，物体表面粗糙度以及各种管形件的内膛尺寸 等的检测。随着计算机及电子技术的不断发展，其测量正向着高精度、高速度、实时 输出与控制的方向发展。 2 2 系统基本原理 非连续回转面径向跳动误差检测系统是利用半导体激光三角测头做为位置传感 器，配以相应的回转与平移执行机构、控制系统以及实时数据处理系统来实现非连续 回转面径向跳动误差的非接触检测。 2 2 1 半导体激光三角测头工作原理 检测系统利用半导体激光三角测头作为位移传感器，进行径向跳动误差非接触式 测量。半导体激光三角测头的基本原理是光三角。组成部分主要有：半导体激光器， 发射光学系统，接收光学系统，光电探测器p s i ) 及后续信号处理电路“”。为提高检测 精度，测头光路满足沙氏条件。 光三角法可以分为直射光三角法和斜射光三角法两种。 ( a ) 直射光三角法 由图2 2 可知，直射光三角法使入射光束f 垂直于被测物表面。位移量的计算可由 几何三角法推导出，因三角形相似，得： 图2 2 直射光三角法原理图 c h i 广二一 ( 2 - 1 ) 生s i n 0 s 0 a x 当h 是下移量时，取“”号；当h 是上移量时，取“+ ”号。 式中符号含义：h 被测物面位移；s 一基准点像距；s 基准点物 距；缸光斑位移量；0 入射光束与光轴夹角。 ( b ) 斜射光三角法 斜射光三角法原理如下图2 3 所示。 图2 3 斜射光三角法原理图 物点位置变化h 与像点( 即光斑) 位置变化缸之间的关系如下式所示： ，1 1 竺呈竺 ( 2 2 ) 1i f 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 l z zj s i l l 州缸2 + s “一缸4 一c o s 0 a x 2 、 。 式中：a 入射光与物平面夹角；0 一入射光与光轴夹角。 斜射法和直射法各有其优缺点1 ，依测量条件不同而采用不同的方法。直射法的 ，童 光斑较小，光强集中，不会因被测面不垂直而扩大光照面上的亮斑，对于测量表面较 粗糙、处于振动和左右倾斜不定的对象时，受干扰引起的误差较小，另外，测头结构 上，直射法易于做得小而紧凑，在工程上直射法应用较多。但是由于直射法接收的是 漫反射光，精度要低于斜射法。当测量表面光洁度较高、振动较小的物体时，常用斜 射法来提高检测精度。本文讨论的系统中，被检测对象是较光滑的金属表面，若采用 直射法，反射光的一部分会沿原光路返回，影响测量精度，所以选用的是斜射式三角 铡头。 2 1 2 测头物象位移准确关系 在上述斜射光三角法测量公式的理论推导中，为方便起见，均假设光电探测器件 是垂直于成像光学系统的光轴放置的t z s l 。在实际应用中，为了使不同位置的被测面都 能在光电探测器上精确成像，即被测面光点与光电探测器光敏面上的像点成共轭像， 激光三角测头的光路必须满足倾置物面成像条件一- s c h e i m p f l u g 条件( 沙氏条件) ，即 物面、像面应共交于成像物镜主面上的p 处，否则会产生较大的测量误差。 p 图2 4 满足沙氏成像条件的光路图 激光三角测头的光路满足沙氏条件后，推导物象位置的精确关系式过程如下： 由图可知： 1 t a n 驴= 二t a n 口( 2 3 ) m 其中：m 成像系统的放大倍率； 一光电探测器光敏面与成像系统光轴的夹角： 护入射光与成像光轴的夹角。 利用图中画斜线两三角形相似关系可得： 丝也望垒也2 ( 2 钔 一 一 s + hc o s o s 一a x c o s 9 0 经整理并考虑到待测面移动方向后有： h 。z 兰警! 生_ ( 2 - 5 ) s s i n o 千a x s i n ( o + 们 式中，“+ ”表示被测物面上移( 由m 到m 4 ) ，“- ”表示被测物面下移( 由m 移到m ) 。 系统设计时s 、s 、日、妒已经确定好。故根据光电探测器上光斑位置缸可求出h 。 2 1 3p s d 上光斑位置的确定 半导体激光三角测头利用p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i r ed e t e c t o r 位置敏感探测器) 将 像的位移转变成电信号，从而根据式( 2 - 5 ) 得出被测物面的位移“”。因而，p s d 上光斑位 置的确定是一个关键步骤。 p s d 是七十年代后期出现的一种新型光电敏感器件，其发展非常迅速。p s o 的特点 是：结构简单、分辨率高、响应快、受光面上可获连续的位置检测信号、能迅速测得 所需的静态位置。 p s d 是一种横向效应硅光电材料，是用来将光能转换成电能的固体传感器。所谓横 向光电效应就是当一光点照射p - n 结时，不仅沿着结的纵向产生光电动势，而且在结 的横向也产生电动势，由光而产生的光电流在表面向电极分布的现象。光生电流在表 面位置电阻薄层向四面八方流动，被一对( 一维器件) 或两对( 二维器件) 电极所收集， 形成两个或四个电流分量，这些电流分量与总的光生电流有关。图2 5 为一维p s d 的 工作原理图。 幽25 一维p s d 器件i ：作原理图 设光点位置距a 电极电阻为r 。，距b 电极间电阻为，p s d 表面电阻层电阻为凡。 根据基尔霍夫第一定律可以得出下式： 1 0 i ( r + r ) = i 口( 月o + r ) 【z 一6 ) 假设表面薄层电阻均匀一致，我们可以得到下式： 生：。l 2 2 t m ( 2 7 ) r 。一缸 。 其中：a x 一光点距p s d 中心点的距离：l - - p s d 受光面有效长度。由( 2 - 7 ) 式得： 生生：土 ( 2 8 ) r 口以一a x 因为r + r 日= r s 所以 = j 1 ( 1 一兰缸) b ( 2 - 9 ) r a 扣和b ( 2 - 1 0 ) 又i o = l + i b 为总的光生电流，将r 。，r 。分别代入( 2 - 6 ) 得： 小群1 2 a x 厶 耻喾1 2 a x ，o ，；奠尘： ! 生 缸：k a x( 2 1 3 ) l + i n( r j + 2 r ) 三 可得： 缸= 丢( 2 - 1 4 ) 式忙去为黻 由于磁，吼为定值，所以只与光点的位置有关，而与入射光强无关，此时p s d 成 为仅对入射光点位置敏感的器件。不同的光点位置产生的光电流是不一样的，根据i 。、 ，。大小即可求出光点的位置，且入射光斑强度分布对位置检测没有影响。若r l = o ，则 缸：丘生三 l 专le 2 2 3 检测系统测量原理 ( 2 一1 5 ) 检测系统利用拳静俸激光三角溯头律为位移传感器，鬻苏稚应静霞转与平移挟孬 机构，凼单片机作为系统的主控制器，通过控制系统与实时数据处理系统实现非连续 回转面的径向跳动谡麓非接触测擞。基本原理如下： ( 1 溺头燕源发邂一素必经发瓣笼学系统照射裂待溅j 连续銎转嚣上，经被溅甥 面位移俗号调制的反射光在接收光学系统的光电接收器件上成像，光电接收器件将光 信号转换为电信号，樽经后续信号调理电路处理、a d 变换艏送入单片机计算结果。 ( 2 ) 糖密主机械系统的测量艨痉及工件定饿夹紧部件其霄用于王 牛定位失紧的主 轴 枣藕装置和圭轴锁紧手耩，由顶失实现工 串定位。该系统在步逶电梳豹带动下，逶 过皮带殿齿轮传动系统，使主轴实现慢速回转，电机的启动、停止及转动速度由单片 机构成的测控系统进行控制；工作台在导轨上沿水平方向移动，以完成对工件不同截 覆经起雾3 凌戆测量，撬毫检嚣穰震。 ( 3 ) 激光能量特征检出部分通_ i 遘p s d 输出的两路信号之和与预先设籁的电平进行 比较，对激光器的聪动电流值给予反馈，控制熊光强使其波动范围很小，以保证测最 豹耩度。 系统溺量径自跳渤误差过程怒：利矮定使夹紧装置实魂工件定位，巍瑟转运动撬 行机构骺动工件转动，固定于一定位置上的半鼯体激光测头对待测工件定心面径向尺 寸变化攮进行非接触测量。根据( 2 5 ) 式，检测系统可测得一组数据日；，找如其中最大 耳一和最小日廊，掰非连续霞转体定心瑟径向跳动误差密下式给岛： ，= h 一一晌 ( 2 - 1 6 ) 2 4 检；9 l l l 系统总体构成 捡测系绞是光、魂、电一体他系统，结构较为复杂。圈2 6 为其结梭撵圈e 1 2 数据处理系统 图2 6 检测系统结构框图 由图可以看出，检测系统的主要结构有如下几部分： ( 1 ) 激光三角测头系统 此系统包括：半导体激光器、激光功率控制器、激光发射系统和激光接收系统、 光电传感与光电变换电子学系统。系统利用激光三角测头作为测量非连续回转面工件 的径向跳动的位移传感器。测头的采样频率是2 0 0 h z ，输出电压值为0 - 5 v 。 ( 2 ) 精密机械系统 本系统包括：测量工作台、测量头架及主轴回转传动系统、测量尾座及工件定位 与装夹系统，用于实现工件装夹与定位，并带动工件与测头发生相对运动。 ( 3 ) 控制系统 该系统的功能有：对激光三角测头系统和精密机械系统进行实时控制，驱动回转 机构带动测头与被测工件实现相对运动，实时控制激光器输出能量特性，维持激光器 发光功率稳定，保证测量精度。 ( 4 ) 数据处理系统 数据处理系统的主要功能是采集测头输出的位置信号，对采样数据进行处理，计 算得出检测结果，并由显示单元显示或打印机打印测量结果。 2 5 检测系统存在的问题 对于表面为非连续回转面的待测工件，其径向跳动误差有内径定心和外径定心两 种情况。以花键轴为例，其内径定心圆柱面径向跳动测量示意图“如下图2 7 所示 图2 7 测量不意图 工件安装定位完毕，选定一键槽表面作为基准面，对测头进行调零。调零完毕后， 工件在步进电机的驱动下做慢速回转运动。回转过程中，测头一直处于工作状态，当 工件从一个定位面回转到下一个定位面时，中间经过了被测工件的键齿。由于键齿高 度远大于被测工件的径向跳动量，加上测头的测量范围限制，当测头相对键槽基准面 调零完毕后，测头的光电探测器无法接收到键齿表面的反射光，故键齿表面反射光不 会影响测量结果。但是，工件回转过程中，测头发射光束不可避免要被键齿内壁、键 槽与键齿交界面等位置反射回来，这部分反射光就会有一部分被光电探测器接收，转 换为相应电压信号，经a d 转换和单片机运算后得出相应径向跳动量，成为测量数据 中的异常数据。准确有效地剔除这些异常数据是提高检测系统精确度的关键之一，也 是数据处理系统的任务和目的。本文接下来将从硬件与软件两方面来展开数据处理系 统的设计讨论。 4 第三章数据处理系统硬件设计 数据处理系统包括硬件与软件两大模块。硬件提供采集数据、显示或打印结果所 需设备；软件对数据进行变换、数值运算求解测量结果等。高性能的数据处理系统应 该是充分发挥硬件的可靠性与软件的灵活性的系统“。本数据处理系统的任务是高效 准确地剔除异常数据、得出更高精确度的测量结果。异常数据的剔除可从两个方面考 虑。一是数据来源处。测量结果中异常数据的引入常常是因为测量方式不当或检测方 法本身的局限性而导致的。这种情况下只能是改进测量方式，寻找更为合适的检测方 法。二是信号传送通道处。这里主要是指传感器输出信号到进入计算机之间的信号传 送部分。由此处进行异常数据的剔除采用的是间接方式，主要是通过滤波将最后成为 异常数据的干扰信号滤除“。 滤波技术常用于信号处理。在信号采样时，很容易因为外在因素产生的噪声导致 信号失真，滤波的功能就在消除这些噪声，其原理为依频率的不同产生不同的增益， 使特定频率的信号被凸显出来，其他频率的信号则衰减，达到消除噪声的目的。 依照滤波器用途的不同，可以简单将滤波器分为一下几种：( 1 ) 高通滤波器，滤 除低于截断频率的信号；( 2 ) 低通滤波，滤除高于截断频率的信号；( 3 ) 带通滤波器， 保留截断频率两侧一频带宽度内的信号；( 4 ) 带阻滤波：滤除截断频率两侧一频带宽 度内的信号。 臻率 蠢疆滤波 攒搴 f 醛i 爨安 籀搴 带逼澹波 疑率 爷阻滤波 图3 1 各种滤波形式 对信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路 j z l 。广义地讲，任意一个电路都可 以称为滤波电路。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形 式有电容滤波、电感滤波和复式滤波( 包括倒l 型、l c 滤波、l c 石型滤波和r c 万型滤 波等) 。有源滤波的主要形式是有源r c 滤波，也被称作电子滤波器。 根据第2 4 节的讨论，检测系统测量结果中异常数据的引入，是由于测头发射激光 束被工件非定位面位置反射回来，被光电探测器接收形成干扰电压信号。如果能够通 过滤波方法将这些干扰电压信号滤除，那么测量结果中就不会引入异常数据。考虑到 工件在持续回转运动，待测工件的尺寸各异，干扰电压的出现时间、所在频率与电压 幅值等特性非常复杂，用硬件即滤波电路来实现滤波可靠性不高，所以本数据处理系 统拟定从软件方面着手剔除测量结果中的异常数据。因此，数据处理系统硬件的主要 功能就是数据采集、显示测量结果，由数据采集单元、键盘显示单元、单片机与上位 】5 机通讯单元构成。数据处理系统硬件结构框图如下图3 2 所示。 3 1 数据采集单元 图3 2 数据处理系统硬件结构框图 检测系统中的数据采集由a d 转换完成。其主要作用是将测头输出的两路电压信 号数字化，并送入单片机进行数值计算。根据系统精度要求，选用了a d l 6 7 4 k ”1 。利 用多路模拟开关4 0 5 1 分时选通两路电压信号进行a d 转换。 a d l 6 7 4 k 是美国模拟器件公司的新一代产品，它是逐次逼近型的1 2 位精度中高 端产品| 1 7 3 。其主要技术指标如下： 分辨率：1 2 位 非线性误差；+ i 2 l s b 模拟输入：单双极性+ 5 v 、+ 1 0 v 供电电源：v l + 4 5 v - f 5 5 v ；v c c + 1 1 4 v 一+ 1 6 5 v ；v e e 一1 6 5 v 一1 1 4 v 功耗：5 7 5 m w ( m a x ) 温度范围：啦+ 7 0 转换时间： 3 0 。如果在测量列中，发现有大于3 盯的残余误差的测得值，即 i v i 3 a ( 4 1 ) 则可以认为它含有粗大误差，应予以剔除。 ( 2 ) 罗曼诺夫斯基准则 当测量次数较少时，按t 分布的实际误差分布范围来判别粗大误差较为合理。罗曼 诺夫斯基准则又称t 检验准则，其特点是首先剔除一个可疑的测得值，然后按t 分布检 验被剔除的测量值是否含有粗大误差。 设对某量做多次等精度独立测量。得 茸l ，工2 ， 若认为测量值工，为可疑数据，将其剔除后计算平均值为( 计算时不包括j ，) ；：l _ y 工； ( 4 2 ) h 一1 = i ，j 并求得测量列的标准差( 计算时不包括v ，= 工，一石) 根据测量次数h 和选取的显著度盯，查r 分布检验系数表得k ( n ，口) 。若 k 一和勋 2 3 ( 4 3 ) ( 4 3 ) 屡 则认为测量值_ 含有粗大误差，剔除_ 是正确的，否则认为- 不含有粗大误差， 应予以保留。 ( 3 ) 格罗布斯准则 设对某量做多次等精度独立测量，得 当x i 服从正态分布时，计算得 工l j 2 j ，j 4 ；：三y 膏 h _ v = 2 x l x ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 4 ) 为了检验而( i = 1 ，2 ，n ) 中是否存在粗大误差，将而按大小顺序排列成 顺序统计量工( f ) ，而 x o ) 工( 2 ) x ( h ) 格罗布斯导出了g ( n ) ：巫坚及g o ) ：兰! 盟的分布，取定显著度口即可通过查 盯 o r 表得到临界值g 。( ，l ，口) 。 若认为x o ) 可疑，则有 若认为x ( n ) 可疑，则有 g ( 1 ) ：坚业 盯 g ( h ) ：x ( n ) - x 1 3 r 当 g ( f ) g o ( ，l ，口) 则判别该测得值含有粗大误差，应予以剔除。 ( 4 ) 狄克松准则 前面三种粗大误差判别准则均需求出标准差盯， ( 4 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) 在实际工作中比较麻烦，而狄克 松准则惩霓丁遮锨点。它是用微瓣比明万珐，得到简化嗬严誉明结果。 狄克松研究了而，x 2 ，毒。的顺序统计量工( f ) 的分布，当而服从正淼分布时， 得到并( 弹) 的统计摄 铲措 铲等等 件。， 铲觜 一觜 的分布，选定照著度甜，查表得到备统计量的临界偾( h ，口) ，当测量的统计值大 于临界值，则认为x ( n ) 含有粗大误藏。 黠最夺蹙x g ) 嚣圈徉静螽器蘸避行检验，帮骞 铲箬器 吒一2 面x ( 1 丽) - x 而( 2 ) ( 4 9 ) 强x 丽x ( i 1 ) - ；i x ( 3 酉) ，2 ：* 丽x i ( 1 ) - 石x ( 鬲3 ) 为了剔除糨大误差，狄克松认为 拜7 露，使嗣r , o 效果较好； 8 s n 茎1 0 辩t 使用l 效粟较好。 1 1 s 盯1 3 时，使用n ，效果较好。 释1 4 时，使用效果较好 瑷主楚舞朔穰大误差豹霆释壤簧| l ，淡善窭，簿耱戮翳准囊懿套蘩豢溪琰瓣诗算 以及需要查袭，生要依靠人工完成，没有充分发挥计冀机在数据处理中的作用。考虑 到生产与应用实际，我们可以用更为简单的方法来实现界常数据的剔除阙值法1 。 因为每个被测工件均有相应的技术指标，在测量工件的形位公差时，当测缴所得数据 为工件技术指标静5 l o 倍时，认为测基数据可信，可俘为汗估工件质量的测量数据之 一，超过范围的则认为这些数据不可信，不能参与工件质量评估计算，必须加以剔除。 本数据处理系统软待方嚣就是鉴于照秘慰想进行设计豹。系统设定异常数据与霹信数 据判别闽值为被测工件径向跳动公差的5 倍。若工件技术指标规定径向跳动公麓为， 瓣以5 ，作为阈德，将测整所得鹩数据逐个与阉德迸行比较。若所得数攒在阂德范围之 内则蜜下，相反则予以剔除。熬个数据处理漉糍如图4 。l 所示。 嚣始 l 幸 a d 采集数据 l 诗葵径蠢雾动误差 ； 剿除异常值，找剿余测鼙值 的最大与最小值，求工件的 径自雾动藿 i 测凝结果鼹示 l j r结束、 蹦4 1 数据处理未程序流裁豳 下面将分别讨论个模块的实现方法。 4 1a d 转换模块 a d 变换分两步完成，首先选逶a d l 6 7 4 的转换控制端，令c s = 0 ，a o = o 开启a d 进行转换，然后判断s t s 是否为“1 ”，如果是就等待a d 转换究，直到s t s 为“0 ”， 然后令r c = i ，打开a o 的数攒端，把数据读入单片机内。流程图如下图所示。 4 2 径向跳动误差计算模块 图4 2 a d 转换流程图 a d 转换后的数据送入单片机，由单片机进行相关计算，求解径向跳动误差，并与 设定阈值做比较剔除异常数据，将可信数据存入内存单元，每增加一个可信数据，内 存地址加一。计算部分包括两路电压信号的加、减及除法运算，光斑偏移量血，求解 径向跳动量h 。这些运算均属于多字节带符号浮点数的运算“。为了保证运算精度， 需要将数据转换为规格化浮点数。在进行规格化操作时，对原码表示的数，一般是先 判断尾数的最高位数值位是0 还是1 。如果是0 ，则把尾数左移一位，阶码减一再循环 判断；如果是l ，则结束操作。由于0 无法规格化，一旦尾数为0 ，则应该把阶码置为 最小值。如果在规格化过程中，阶码减一变成最小值对，不能再继续进行规格化操作 ( 否则发生阶码下溢) 。 另外，执行浮点数加减法之前，必须先对准小数点，再进行加减法运算。由于运 算结果不一定为规格化数，每次运算结果都必须进行规格化。因此，进行数值计算的 软件部分必须有多字节整数转换为浮点数子程序、多字节浮点数规格化予程序、多字 节浮点数对阶子程序、多字节带符号十进制原码加减法子程序、多字节有符号整数除 法子程序、多字节十进制整数转换为二进制整数子程序、多字节有符号整数乘法子程 序、数撰规撂化予程序。阚氆设定是在测量翦遽过键盘竣入。 径向跳动误差计算程序流程图如下闰4 3 所示。 图4 3 径向跳动误藏计算流程图 若缀剔除异裙数据处理后逐有n 个可信数据，存在地址连续的内存单元，记为 h e 0 ，h 【l 】，h f n - l 】。根攒系统的测量原瑗可知，被溅工件定位磷的径向跳动量 h 为测得各点采样数据的最大使与最小值之差。因此，需要设计比较数据大小的子程 序，找出最大值与最小值。流程图见图4 4 。 4 3 键盘显示模块 图4 4 求解最大跳动量与最小跳动量程序流程图 本系统配有键盘，用来实现人机交互功能。采用的是4 5 的矩阵键盘结构。通常 键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。扫描原理是首先确定是 否有键闭合( 2 1 ，然后逐一扫描以进一步确定是哪一键闭合。键盘工作方式的选择应根 据实际应用系统中c p u 工作的忙、闲情况而定，其原则是既要保证能及时响应按键操 作，又不过多占用c p u 的工作时间。结合本检测系统的实际，我们选用编程扫描工作 方式。下图4 5 为键盘扫描程序的流程图。 开始 行，列寄存器清零 查键值 n 有键按下i 令第i 行为0 ，判断列值( i - - 1 ) i 行有键按下? 、 y n 求列值并记录是哪行哪列有键值 记录个数并送键盘缓冲器 i 加1 遵) 图4 5 键盘扫描程序流程图 系统采用6 个共阳极数码管来显示测量结果，为了节省资源采用动态显示。因为 测量系统的精度是士0 0 0 6 m m ，完全可以满足要求。下图4 6 就是显示程序的流程图。 4 4 串口通信模块 圈4 6 艇示程序流程图 ( 1 ) 串行通信协议 为了实现片机与上饿计算机之闻的零行通傣，规定邋信协议如下： 波特率：4 8 0 0 b p s 数据位数：8 位 奇偶类型：无 停止位数：l 位 ( 2 ) 串行通信接口“ a t 8 9 s 5 1 内部有一个功能强大的全双工串行口，该串行口有4 种不同工作方式， 波特率w 用软佟设置，接收、发送垮霹触发中断，使弼十分方便。两个事行翻数撂缓 冲器( 实际上愚两个寄存器) 通过特殊功能