三维测头数据采集模板的设计

1、本科毕业设计论文题目： 三维测头数据采集模板的设计 院 系： 机电工程学院 学科专业： 机械设计制造及其自动化三维测头数据采集模板的设计摘 要CNC齿轮测量中心是我校与企业联合开发的精密测量仪器，利用坐标测量原理，可对多种类型的零件进行自动测量和精度评定。由于技术发展，三维测头和交流伺服电机应用于齿轮测量中心已成为主流。为了保持在此项目上的优势，现开展了在CNC齿轮测量中心上使用三维模拟测头的工作，本课题的内容就是为三维测头设计相应的数据采集模板。本文是基于ISA总线的数据采集通道的设计。通过使用合适的译码电路来执行总线命令，将测头的模拟信号，经过所选的A/D转换器的转换，转换为计算机可以读取

2、的数字信号，从而完成相应的测量任务。本文根据A/D转换器的时序，完成了应用电路的设计，并利用Protel99se软件绘制了整个数据采集通道的电路原理图和PCB图。本文结合CNC齿轮测量中心R轴、Z轴、T轴自上而下分布的结构，通过对所选的滚珠丝杠的刚度计算、所选电机的转动惯量的核算以及传动系统的刚度计算，完成了对CNC齿轮测量中心Z轴的设计。本文设计的电路完成了三维模拟测头信号的采集。机械部分的布局及其刚度满足传动的要求。关键词：CNC齿轮测量中心；A/D转换器；ISA总线；传动系统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 录中文摘要I英文摘要II主要符号表11 绪论11.1前言11.2 CNC齿轮测量测量中心国内外相关研究情况11.3课题的目的及意义21.4课题研究的内容32 硬件电路设计42.1方案设计42.2电路设计42.2.1 AD转换器选择42.2.2数据缓冲器和寄存器的选择72.2.3参考电源的选择82.2.4晶振的选择92.2.5运放的选择92.2.6接口电路的设计92.2.7电路原理图112.3 PCB版图设计112.3.1电器规则检查（ERC）

9、112.3.2 生成网络表122.3.3 导入网络表133 CNC齿轮测量中心Z轴传动系统设计163.2 CNC齿轮测量中心Z轴机械结构总体方案的确定163.2.1配重的计算173.2.2传动系统的选定及计算183.2.3电机的选定及计算223.2.4导轨的选定243.3 Z轴机械结构图25结 论27致 谢29参考文献30附录1 硬件电路原理图附录2PCB版图附录3 机械机构图主 要 符 号 表 脉冲当量MSB 最高有效位LSB 最低有效位L Z轴长H Z轴宽D Z轴高 导程 机床工作台最快进给速度 驱动电机最高转速 公称直径 拉压 刚度Q 轴向最大载荷 固有频率1 绪论1.1前言无论是过程控

10、制或是自动检测，都是将来自各种传感器的模拟信号（电流或电压）转换为数字信号传输给计算机处理后发出信息，进行数字显示或控制执行机构动作。显然，设计一种高精度、低增益误差的数据转换模块，使采集到的数据准确可靠，是保证控制或监测系统稳定工作的首要条件1。数模转换器是工业检测和控制系统中数据采集子系统的重要部件，它是测控现场的模拟信号源与数字计算机之间的接口，其任务是把现场中连续变化的被测信号转换成离散信号，再由工控计算机作进一步的数据处理。这就要求系统将所采集的模拟数据信号尽可能真实的、不失真的显示给控制人员2。目前，工业系统具有代表性的有ISA总线、PXI总线和PCI总线其中ISA总线因其生产最早

11、、应用接口简单仍在许多对传输速度要求不是很高的场合被使用在工控计算机应用中3。为此，本设计主要是基于ISA总线的A/D转换模板。该模板以A/D转换为核心 ，在ISA总线技术的基础上，利用较少的外围元件来实现多通道、高精度的A/D转换4。1.2 CNC齿轮测量测量中心国内外相关研究情况1995年9月在北京举行的第四界中国国际机床展览会上，我国开发研制的CNC齿轮测量中心首次展出，标志着我国的齿轮测量技术正在逐步接近国际先进水平。不过在仪器精度、稳定性,尤其在测量软件(如弧锥齿轮的测量软件) 、仪器故障诊断功能等方面,和国外还有一定差距。近年来国产 CNC 齿轮测量中心有了长足的发展,其质量和性能

12、不断提高,已经具有和国外产品竞争的能力。哈量的3903A齿轮测量中心,经过几年努力,仪器精度和测量速度据称已达到或接近 KLINGELNBERG公司产品的先进水平。哈尔滨精达公司作为后起之秀,发展引人瞩目:其JD、JDS系列齿轮测量中心,目前在国内产品中销量最多。进入21世纪，世界工业的发展为齿轮制造业的发展提供了前所未有的机遇，但同时对齿轮制造业提出了更高的要求，为此，强化并提高齿轮制造全过程的测量与监控技术水平获得了空前的重视,同时也为齿轮测量技术的发展提供了契机。现今主要有以下几股技术潮流：1) 齿轮整体误差测量与齿轮坐标测量合二为一。我国推出了既有标准蜗杆又有测头的齿轮测量机CZN45

13、0;而国外的CNC齿轮测量中心也能给出“虚拟整体误差”。2) 齿轮测量中心与三坐标测量机合二为一。美国TSK公司的 Radiance和 Process Equipment Company的 ND430 就是按这种理念研制的。3) 功能测试与分析测试合二为一。简化齿轮测量是发展趋势,齿轮整体误差测量仪因高效率地给出齿轮全信息而会为世界接受。4) 齿轮加工与测量合二为一(一体化)。自从1988年MAAG公司在CNC齿轮磨床SE202E上耦合CNC齿轮测量技术以来,齿轮在机测量技术在齿轮磨床上得到普通采用。CNC齿轮测量中心经过二十多年的不断改进与完善，在实际测试中已显示出其优越性。现在，它已经成为

14、工业化国家检测齿轮的主要工具5。CNC齿轮测量中心自70年代诞生以来得到了迅速发展，目前在美国、日本、瑞士等国十多个厂家开发生产齿轮测量中心。其中一些厂家从90年代开始停止了传统齿轮量仪的生产，全部转向生产齿轮测量中心。我国从“七五”后期”到“八五”期间投入较多资金和技术力量开发研制齿轮测量中心6。CNC齿轮测量中心是八十年代国际上迅速发展起来的机电结合的高技术齿轮量仪，八十年代后期国外产品开始进入我国。与传统的机械式齿轮量仪相比，CNC齿轮测量中心不仅能测量齿轮，还可以测量复杂刀具、蜗轮、蜗杆、凸轮、曲轴等复杂工件，测量精度高、速度快、功能强，一次装夹可以自动完成工件的多项参数的测量，同时解

15、决了许多用传统方法无法检测的技术难题。无论是制造中的技术含量，还是使用时的性能指标，CNC齿轮测量中心都代表了当今国际上最先进的测试技术水平7。1995年9月在北京举行的第四届中国国际机床展览会上，我国开发研制的CNC齿轮测量中心首次展出，标志着我国的齿轮测量技术正逐步接近国际先进水平。CNC齿轮测量中心经过二十多年的不断改进与完善，利用先进的CNC技术、CAA技术、精密检测技术等，并吸收三坐标测量机的一些最新技术成就，逐步发展成为齿轮量仪的换代产品。在一些技术发达国家，CNC齿轮测量中心正逐步取代传统的机械展成式量仪，成为齿轮检测的主要手段9。德国HEINDENHAIN的P系列齿轮测量中心，

16、其特点是采用了专利的三维数字式高精度光栅测量头(使用了HEINDENHAIN的超高精度光栅)，性能稳定的优质铸铁床身，高性能直线电动机驱动系统，高精度滚珠轴系和密珠滚动导轨。仪器精度达到德国标准1级；日木的齿轮测量仪器制造商，在我国市场经过近十年的沉寂后近年来亮相频繁9。大阪精机在GC-HP系列齿轮测量仪器的基础上，开发出CNC电子创成式的CLP系列齿轮测量仪器10。1.3课题的目的及意义CNC齿轮测量中心是我校与企业联合开发的精密测量仪器，利用坐标测量原理，可对多种类型的零件进行自动测量和精度评定。由于技术发展，三维测头和交流伺服电机应用于齿轮测量中心已成为主流。为了保持在此项目上的优势，现

17、开展了在CNC齿轮测量中心上使用三维模拟测头的工作，本课题的内容就是为三维测头设计相应的数据采集模板。1.4课题研究的内容本课题主要是从电路的设计以及机械部分结构的设计来满足在CNC齿轮测量中心上使用三维模拟测头的要求。本课题主要研究内容： （1）设计适用于CNC齿轮测量中心的三维测头数据采集卡，要求基于ISA总线，三路16位AD转换，能同时启动AD转换的电路模块。 （2）电路模块实现于PCB版图。 （3）设计CNC齿轮测量中心的Z轴。 2 硬件电路设计2.1方案设计基于本课题制定了如下的两个方案:(1)此方案是不对每一个模拟信号都是用AD转换器，是将模拟信号经多路开关和采样保持器再送至AD转换器，可以减少使用AD转换器。此方案优点是当需要对多个模拟量进行模数变换时，由于模数转换器（A/D转换器）的价格较贵，通常不是每个模拟量输入通道设置一个A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经过多路转换开关切换，即模拟量多路转换开关；A/D转换需要一定时间,在转换过程中,如果送给AD转换器的模拟量发生变化,则不能保证精度，为此在AD转换器前加入采样保持电路,起采样和保持作用。（2）此方案是直接将齿轮测量中心的R、Z、T轴的模拟信号通过是三个AD转换器，将其同时变为数字信号，实现了同步转