轴类零件圆柱度误差自动检测系统的设计

济南大学毕业设计PAGE24-1前言1.1零件圆柱度误差测量的现状与发展趋势1.1.1我国是从1975年才开始提出形位公差标准的，此后进行了修改制，并接连制定了一些其它的相关连的标准。到了80年代的末期，我国已经逐渐形成成套的形状和位置公差标准和形位误差检测的基本标准。其中多数的标准是与国际的相应标准一致或相类似的。制定的这些指标，无疑对国内形位误差评定理论和检测技术的进一步发展起到了关键性的作用。国内诸多高等院校和科研机构他们都对形位误差的检测与评定的研究已具有相当不非的水平，尤其是在形状误差和位置误差的检测与评定的理论及方法的许多方面都已走在世界的前面，但是，就在理论成果转向实际应用技术的转化部分，特别在测量仪器的深入研究和进一步开发方面，就综合水准和总体实力来看，与发达国家还有相当的差距。近些年，我国已经在圆柱度误差的测量方面取得了相当大的进步，特别是“北京机电研究院”成功地研制出了第一台计算机控制的圆柱度仪。研究方法采用最小二乘圆法和最小区域圆法等指标评定圆柱度误差。螺旋线法测量圆柱度误差的圆柱度仪在中原量仪厂初步试制成功了。大连理工大学机械工程系试用研发的新型五坐标回转体测量仪能在一次装备下，测量诸如圆柱、圆锥、圆球以及它们组合型体等的回转零件的内外型面的形状和位置误差。该仪器已于90年前后通过了技术的鉴定并申报了国家专利，同年的9月交付给用户运转试用，试用后证明各项技术指标均达到标准，软件运行状况很好，受到用户的一致好评。东北大学机械工程学院自行研制了“xwY一1”型形位误差测量仪并开发出形位误差数据处理软件包，这台测量仪在90年前后通过国家技术监督局的技术成果鉴定和认定，初步达到了国际先进水平[1]。1.1.2国外对形位公差的标准化研究工作是从20世纪40-50年代开始的。50年代后期，国际标准化组织提出了有关于形位公差框架标注的指标的初步草案，此后，出台了一系列相一致的国际标准。推移到80年代末已经发展了从图样标注到检测方案诸多方面的形位误差、公差部分的国际标准。国际标准的制定推进了各国形位误差、公差的研究内容和标准内容在英国、美国、加拿大、瑞士、瑞典、日本以及前苏联等国先后修订了相一致的标准，使之与国际标准基本一致。德国、美国、日本、英国等国对形位误差的评定与检测领域的研发和实际应用方面均走在世界的前列。国外在形位误差的测量的开发方面，主要放在于高精、高效、多功能、符合误差定义的测量仪的开发上。诸如三坐标测量机等。美国某些大学的精密度测量的实验室专门用于坐标测量和表面测量的开发，该实验室拥有许多用于测量工件形状以及表面粗糙度的量仪。其中，测量圆柱度误差的量仪主要有接触式和非接触式两类。前面的包括FederaIFomscan3600圆柱度仪、MahrMFu7圆柱度仪；后面的包括TroDelcM一25光学圆柱度仪器等。TaylorHobSon企业开发的圆柱度仪利用最小二乘原理设计的应用截面法的测量圆柱度误差的类似计算程序[2]。1.2设计的内容和意义课题设计题目属于机电一体化系统设计的内容，回转轴类零件圆柱度误差自动检测系统的整体设计，包括机械传动系统、回转轴类零件的夹持系统、传感器移动和固定系统、自动控制系统等几个部分。系统的指标如下：1)回转轴类零件的最大检测范围为100mm；2)每个回转轴类零件的最大检测时间为60秒；3)系统采用接触测量方式或非接触测量方式，在计算机的控制下实现自动测量。其设计的意义如下：（1）我国轴类零件圆柱度误差的测量对自动化系统有着巨大的需求。我国制造业和制造业组织面临着调整、改进和优化的艰巨任务,因此自动化检测系统的研究和发展为新一代的制造技术提供了巨大的动力。（2）我国的轴类零件的生产与市场将进一步融合到广阔的国际市场中去，面对激烈的市场竞争，要使我们的产品在国际占有一席之地，必须尽快提高产品的技术含量和性能指标，并与国际接轨。自动化检测系统的设计起到了至关重要的环节。（3）实用价值和经济效益轴系零件的计量与认证在航空航天工业、造船业、汽车制造业等许多产业中都具有良好的应用前景，市场需求是极其广泛的同时在国际经济一体化的大背景下，开发圆柱度误差非接触测量自动化检测系统及其软、硬件产品，将会有很好的实用性和推广价值。2理论及总体方案的设计2.1形位误差形状误差和位置误差简称形位误差。形状误差是指实际形状对理想形状的变动量。这个变动量就是实际得到的误差值。它是用来表示零件表面的一条线，或一个面，加工后本身所产生的误差，是实际测量的数值。测量理想形状相比于现实形状的位置，可以按照最小条件等要素来确定。位置误差就是实际位置相对于理想位置的变动量，主要是用于表示零件上的两个或两个以上的线面修整后本身所发生的误差，即实际测量值。测量时，理想的位置是相对于理想形状位置面而确定的，基准的理想位置是按照最小条件确定。形位误差的评定方法主要有最小二乘法和最小条件法。随着理论研究的深入发展，形位误差评定已经从对单一要素的研发转向对关联多个要素的评定理论研发。目前出现了许多不同的形位误差评定方法。诸如：最小向量范数法由国家的形位公差的定义，评定出了运用向量范数最小化原理判定形位误差的数学模型，可得出最佳的评价结论。形位误差进行包容评定的方法是将形位误差评定模型略去高次项而得到线性模型，再进行求解，但是，这种做法将带来所谓“少许模型误差e，数据处理结果的误差将被放大[3]。2.2轴类零件的圆柱度2.2.1圆柱度的简介（1）圆柱度是指任一垂直截面最大尺寸与最小尺寸差为圆柱度。圆柱度误差包含了轴剖面和横剖面两个方面的误差。.圆柱度的公差带是两同轴圆柱面间的区域，该两同轴圆柱面间的径向距离即为公差值。（2）圆柱度是限制实际圆柱面对其理想圆柱面变动量的一项指标，用于对圆柱面所有正截面和纵截面上的轮廓提出综合性形状精度要求。圆柱度公差可以同时控制圆柱、素线和轴线的直线度，以及两条素线的平行度等。2.2.2圆柱度的标注（1）圆柱度形位公差的标注应注意以下问题:(1)形位公差内容用框格表示,框格内容自左向右第一格总是形位公差项目符号,第二格为公差数值,第三格以后的作为基准,指引线由框格右端引出可以同样理解。(2)被测要素是中心部分要素,箭头一定要与有关的尺寸线相对齐。当且仅当被测要素为单一段的轴线或者各个要素的公共轴线以及公共中心平面时,所标箭头指在轴线或中心线,如此标注方便,但必须要注意此公共轴线中，非被测要素的轴段未包含在内。(3)被测要素被为轮廓要素,箭头垂直于该要素的方向为指向，圆度公差的箭头方向一定要垂直轴线。(4)公差带为圆或圆柱体时,符号"Φ"加用在公差数值前,其含义为圆或圆柱体的直径。此类情况在被测要素为轴线时才会产生。同轴度的公差带可以认为是圆柱体,因此，公差值前要加上符号"Φ";轴线相对平面的垂直度以及轴线的位置度也是看作圆柱体公差带,需在公差值前也加上符号"Φ"。(5)对于附加标准,可以在公差数值后加注相一致的符号,例(+)符号说明被测要素要求形状外凸,(-)说明被测要素要求形状内凹,(＞)说明误差只许按符号的小端方向逐渐减小。如形位公差要求遵守最大实体要求时,则需加符号○M。在框格的上,下方可用文字作附加的说明。如对被测要素数量的说明,应写在公差框格的上方;属于解释性说明(包括对测量方法的要求)应写在公差框格的下方。例如:在离轴端300mm处;在a,b范围内等。2.2.3圆柱度的测量长度计量技术中对圆柱度误差的测量。圆柱度（见形位公差）是圆柱体圆度和素线直线度的综合，因此圆柱度一般是在圆度仪上附加能沿被测圆柱体作轴向运动的精密直线导轨、电子计算机和相应的程序等来测量的。测量时，长度传感器的测头沿精密直线导轨测量被测圆柱体的若干横截面，也可沿被测圆柱面作螺旋运动取样。测得的半径差由电子计算机按最小条件确定圆柱度误差。在配有电子计算机和相应程序的三坐标测量机上利用坐标法也可测量圆柱度。测量时，长度传感器的测头沿被测圆柱体的横截面测出若干(取样)点的坐标值x、y，并按需要测量若干横截面，然后由电子计算机按最小条件确定圆柱度误差。此外,还可利用V形块和平板（带有径向定位用直角座）等分别测量具有奇数棱边和偶数棱边的圆柱体的形状误差（见圆度测量）,但这时V形块和平板的长度应大于被测圆柱体的全长。测量时，被测圆柱体在V形块内或带直角座的平板上回转一周,从测微仪读出一个横截面中最大和最小的示值，按需要测量若干横截面，然后取从各截面读得的所有示值中最大与最小示值差之半，作为被测圆柱体的圆柱度误差。2.3圆柱度误差的评定方法与正确选择圆柱度误差的评定主要由最小区域圆法、最小二乘圆法、最小外接圆法和最大内切圆法等方法。用最小区域圆评定准则评定的圆柱度的优点是误差值最小、具有唯一性；最小二乘圆评定准则所评定的圆度误差值虽然也具有唯一性，但是数值不是很小；另外两种准则在我国使用很少，圆柱度误差一般使用最小区域圆的评定准则进行评定。在有些条件的情况下，我们也应用最小二乘圆评定准则予进行评定。MATLAB拥有强大的科学计算及数据处理能力，600多个数学运算函数，可以方便地实现各种计算功能。在生产实践中，圆柱度的测定仪器主要有圆柱度仪、三坐标机等仪器。而圆柱度的评定和计算则是用圆柱度仪、三坐标机等仪器自带的计算程序，该程序严格保密且价格不菲。圆度的评定和计算过程，实际是按照圆柱度评定标准，构造函数原型进行优化求解的过程。随着MATLAB软件功能的日益完善，其拥有600多个工程中要使用的一般运算函数，运算所使用的方法都是科学研究计算中的应用研发成就，进行优化处理，因此使用起来可靠性、实用性很高。在优化中只要根据编写的正确函数，使用MATLAB的已编写函数。求解结果的可视化通过调用MATLAB的插值函数和可视化函数即可方便地实现[4]。2.4总体方案的设计总体方案设计主要包括机械传动系统、回转轴类零件的夹持系统、传感器移动和固定系统、自动控制系统等几个部分。由于机械部分将会作具体说明，在此只做大体说明。1.机械传动系统从经济性、适用性的角度和结合自身技术能力等多种因素，我们初步选定为齿轮齿条传动系统。2．回转轴类零件的夹持系统的选择是考虑装夹固定被测量的轴表面加工精度的影响程度，我们将左侧采用顶尖装置，右侧采用三抓卡盘夹紧和固定。顶尖和三爪卡盘的精度将影响测量圆度的精确程度。3．传感器移动是是根据支座的移动确定（传感器安装在支座上，支座整体安装在滑块座上，滑块座带动支座实现沿轴方向的移动。4．自动控制系统设计中，单片机是整个系统的核心，其程序主要包括模拟信号通道选择部分、并行数据采集部分和并行数据传输部分。3机械部分的设计3.1仪器总体结构及其组成3.1.1双顶尖夹持结构用来装夹固定被测量的轴，其左侧采用顶尖装置，右侧采用顶尖与连轴器电机相连装置,电机采用三角板固定装置。顶尖的精度和电机将影响测量圆柱度的精确程度。双顶尖结构左右顶尖基本相同，下面就左顶尖作基本说明。高精度的顶尖支承是保证本仪器具有较高回转精度的关键结构。因此其加工精度要求较高，并且应选择刚度大的材料。轴类零件以其中心孔定位，盘套类用零件以与零件相配的测量芯轴上的中心孔定位。如图3.1左顶尖为可伸缩式顶尖。图3.1左顶尖图3.1是左顶尖的示意图。如图所示在左顶尖的一侧的结构是齿条结构。在左顶尖座的内安有小齿轮轴，小齿轮轴与一个外接手柄相连，通过外接手柄的摇摆来实现顶尖的移动，来调整距离，实现对被测轴的固定。左顶尖的尾部装有圆柱压缩弹簧，用于左顶尖的复位。同时尾部还制有螺纹与圆螺母配合，圆螺母的作用是拧紧后抵消弹簧的回复力，使左顶尖在一定的位置固定。图3.2所示零件内孔有螺纹，与左顶尖尾部螺纹旋合，用螺钉将其固定在左顶尖座上。图3.2左顶尖固定块3.1.2底座导轨以及顶尖座底座是测量装置和夹具安装的平台，底座上采用平面度较高的平导轨和直线度较高的侧导轨，来进行测量，导轨的加工精度要求高，侧导轨对顶尖的回转轴线具有高精度的平行度。（2）顶尖座及其固定顶尖座安装在底座的导轨上，其要沿着导轨移动，以实现对测量轴的装夹与固定，其与底座导轨的配合精度要高。为了控制装夹顶尖的顶尖座的移动和固定，特在底座上开一道斜槽，并用如图所示的紧定座块将顶尖座固定。图3.3紧定座块及固定斜槽示意图3.1.3进行圆柱度误差测量时，传感器安装在如下图所示的座上：图3.4传感器安装支座此支座可通过竖轴和轴分别进行上下横和左右方向的调节，以保证传感器能准确的定位在测量部位。支座整体安装在滑块座上，滑块座带动支座实现沿轴方向的移动。3.1.4步进电机带动轴旋转运动机构步进电机通过连轴器与右顶尖一起转动，从而带动轴转动。电容传感器测量轴旋转时的圆度误差，同时传感器又沿轴线方向直线运动，就可以测量出轴的圆柱度误差的变化，并将数据传送到计算机。步进电机带动轴旋转运动机构简图如下：图3.5电机带动顶尖转动机构3.2步进电机的选择及安装①选择保持转矩保持转矩被认为是静力矩，电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。保持转矩也是衡量步进电机的重要的指标，主要是因为步进电机在低速运转时几乎等于保持转矩，但是当步进电机的力矩随着速度增大而快速减小，输出功率却发生增大变化。比如，一般不加说明地讲到1N.m的步进电机，可以理解为保持转矩是1N.m。②选择相数两相步进电机成本低，但是步距角至少1.8度，低速时的震动较大，高速时力矩下降快，可以用在转动速度较高，对于精度和平稳性要求不是很高的场合。与两相步进电机相比，三相步进电机步距角至少1.5度，振动性要比两相步进电机小很多，低速运转时的性能要比两项步进电机好，并且转速要比两相步进电机高，可以在高速且精度和平稳性较高的场合，使用范围很广。5相步进电机的距角更小，低速时运转性能要比三相步进电机好很多，适用于精度和平稳性很高的场合，但是就经济性考虑，成本太高，不易选用。③选择步进电机应遵循先选定适合的电机以后再选则驱动器的思路，首先要明确电动机的负载特性，再分别对电机的静力距和幅频曲线比对，选择出于负载特性最符合的类型的电动机；在检测精度很高的场合，可以考虑采用减速装置，可以减少被测工件受到电机振动的影响，同时，可以让电机在一个噪音少，效率高的场合。避免了电机在振动区域工作，我们还可以通过改变电压、电流等方法，减少振动。我们可以参考如下的建议57电机采用直流电压为24V-36V之间。如若采用86电机采用直流电压46V、110电机采用高于直流电压80V。为了防止步进电机失步的发生，应该选用座号较大的电动机，负载的转动惯量较大时，可以考虑使电动机频率改变，提升电机的转速；做圆柱度测量的步进电机力矩一般在40Nm以下；如果此力矩大于这个极限值时，我们可以考虑伺服电机，一般交流伺服电机可正常运转于3000RPM，直流伺服电机可可正常运转于10000RPM。④选择驱动器和细分数选择驱动器时，振动较大的整步状态是应该尽量避免的，同时也要选择电流较小、电感比较大、电压稍微低一点的驱动器。这是因为大电流的驱动器，需要低振动和高精度的细分型驱动器配合使用；高速性能的驱动器可以配合大转距地电机一起使用。电机一般使用在对精度和平稳性要求不是很高的场合，这样就可以不用配高细分数驱动器，这样可以减少很多的成本。考虑细分数的时候，应该考虑到电机的运转速度，负载力矩的载荷，减速装置的要求以及精度、振动、噪音等的要求[5]，同时还要考虑我们使用的成本，还有环境以及场合所允许的条件等。综合本次实验对电机的要求，依据上述原则，再结合经济等因素的影响，最终确定步进电机型号为FL86BYG80。3.3齿轮齿条的设计及计算齿轮传动式机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递效率可达数十千瓦，圆周速度可达200m/s，目前设计一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。本节依据机械设计所学知识对用到的齿轮进行设计。此传动的方式：齿条固定在底座上，齿轮与齿条配合从而带动轨道块移动。假设输入小齿轮的转矩T=，小齿轮转速是24r/min，齿数比很大，工作寿命10年（每年工作200天），单班制，工作平稳。1．选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）传动简单，要求低，选用直齿圆柱齿轮，我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为α=20°。2）轨道块的移动位普通的传递运动，速度很低，故选用7级精度（GB10085-88）。3）材料选择。根据相关设计手册选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度300HBS,齿条材料为45钢（调质），硬度为240HBS。4）为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，以齿数多一些为好，小齿轮的齿数可取为z=20~40。选定小齿轮的齿数z=30。2．按齿面接触强度设计由计算公式进行计算，及(3-1)（1）确定公式内的各计算数值1）试选载荷系数K=1.32）齿轮传递的转矩T=5×10N3）根据机械设计教材，选取齿宽系数=1.04）根据机械设计教材，查下表的材料铸钢的弹性影响系数Z=189.8MPa表3.1材料弹性影响系数ZE配对轮材料弹性模量E/MPa小轮材料锻钢铸钢球墨铸铁灰铸铁夹布胶木锻钢189.8188.9186.4162.056.4铸钢188.0180.5161.4球墨铸铁173.9156.6灰铸铁143.75）根据机械设计教材，按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600MPa；齿条的接触疲劳强度极限=550MPa6）计算应力循环次数N=60njL=60×24×1×（1×8×200×10）=2.304×10（3-2）根据机械设计教材，取接触疲劳系数K=0.90；K=0.958）计算接触疲劳许用应力取失效概率1%，安全系数S=1，因此得==0.9×600=540（MPa）（3-3）==0.95×550=522.5（MPa）（3-4）（2）计算试算齿轮分度圆直径d，代入的较小值=2.32=46.2（mm）计算圆周速度v===0.058m/s(3-6)3)计算齿宽bb==1×46.2=46.2（mm）（3-7）计算齿宽与齿高之比m==46.2/30=1.54（mm）（3-8）h=2.25m=2.25×1.54=3.465（mm）（3-9）（3-10）计算载荷系数根据v=0.05m/s,7级精度，查得动载荷系数K=1；直齿轮，K=K=1；查得使用系数K=1；齿轮悬臂布置，K=1.13；由，K=1.13的K=1.065；故载荷系数K=KKKK=1×1×1.13×1.143=1.29（3-11）6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径得=46.2×=45.99（mm）（3-12）7）计算模数m==1.53(mm)(3-13)3.按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为：(3-14)（1）确定公式内的各计算数值1)根据机械设计教材，查得齿轮的弯曲疲劳强度极限500MPa；齿条的弯曲强度极限380MPa。2）查机械设计教材，取弯曲疲劳寿命系数。3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由计算公式得(MPa)（3-15）（MPa）（3-16）4)计算载荷系数K（3-17）5)查取齿形系数和应力校正系数查机械设计教材得6)计算齿轮的（3-18）（2）设计计算对比两种方式所得到得结果，取模数m=2就可以满足设计要求[7]。4．几何尺寸计算（1）计算分度圆直径模数m=2，由公式可以计算分度圆直径：(3-19)（2）计算齿轮宽度表3.2圆柱齿轮的齿宽系数d装置状况两支撑相对小齿轮作对称布置两支撑相对小齿轮作不对称布置小齿轮作悬臂布置d0.9～1.4（1.2～1.9）0.7～1.15（1.1～1.65）0.4～0.6注：1）大、小齿轮皆为硬齿面时d应取表中偏下限的数值；若皆为软齿面或仅大齿轮为软齿面时d可取表中偏上限的数值；2)括号内的数值用于人自齿轮，此时b为人字齿轮的总宽度；3)金属切削机床的齿轮传动，若传递的功率不大时，d可小到0.2；4)非金属齿轮可取d≈0.5～1.2。根据机械设计课本中直齿圆柱齿轮的齿宽系数的选择，选定齿宽系数d=1.0，直齿圆柱齿轮的宽度如下计算可得：（3-20）图3.6齿轮图3.7齿条4测量控制部分设计4.1电容传感器的介绍电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。4.1.1电容传感器的种类及特点这里主要介绍电容式传感器的原理、结构类型、测量电路及其工程应用。当被测量的变化使S、d或ε任意一个参数发生变化时，电容量也随之而变，从而完成了由被测量到电容量的转换。根据当式中的三个参数中两个固定，一个可变，使得电容式传感器有三种基本类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介电常数型电容传感器。电容式传感器的测量电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。因此，常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度制电路、运算放大器电路、二极管双T形交流电桥和环行二极管充放电法等。调频电路实际是把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通信，抗干扰能力强，可以发送、接收以达到遥测遥控的目的。因此，在实际应用中，常采用差动式结构，既使灵敏度提高1倍，又使非线性误差大大降低，抗干扰能力增强。电容式传感器具有如下特点：（1）结构简单，适应性强电容式传感器构造不复杂，易于制造，精度高;制作很容易微型化，这样的优势可以扩大电容传感器应用，电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承，因此可在高温和低温的环境下、辐射比较强以及磁场较强的环境中，可以承受很高的力、很高的冲击以及过载等，还能能测超高压和低压差。（2）动态响应好电容式传感器极板间的产生的静电引力非常小，作用能量极小很容易满足，制作时可动部分允许做得小且薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，可以在很小的频率下工作，非常适合用于高频测量时的，变化很快的供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如振动等。(3)分辨率高由于传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量低，所以特别适合于用来解决输入能量低的问题，如测量极小的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001μm，甚至更小的位移。(4)温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。(5)可进行非接触测量、具有平均效应如回转轴的振动或偏心、中小型滚动轴承的径向间隙和横向移动，采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，能够降低表面粗糙度等对测量产生的影响。不足之处是输出阻抗高，负载能力差，电容传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象;寄生电容副作用很大，电容式传感器的开始电容量很小，传感器本身的引线电容，测量器许多元件例如极板、导线等的杂散电容，还有导体的“寄生电容”也是比较大的，都会产生影响，可以降低传感器的灵敏度，破坏了稳定性，影响精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(测至0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器[8]。4.1.2电涡流及电感传感器（1）电涡流传感器电涡流传感器可用于动态非接触式测量，电涡流传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应，测量范围视传感器结构尺寸、线圈匝数和励磁频率而定，一般从±（1~10）mm不等，最高分辨力可达0.1微米；这种传感器还具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等优点；在径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量，以及零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都有应用[9]。（2）电感传感器电感传感器是把被测量，如力、位移等，转化为电感量变化的一种装置，起变化原理是电磁感应原理。可分为自感型（包括可变磁阻式和涡流式）和互感型（差动变压器式）。其中，可变磁阻式比较适宜较小位移的测量，一般约为0.001~1mm[10]。根据以上了解，选用电容传感器作为设计用的传感器。测量仪的工作过程：传感器和测量头由齿轮齿条传动沿轴向直线运动，被测零件装夹在仪器的顶尖座上，由步进电机控制随右顶尖一起回转，易于测量小型工件的圆柱度误差。4.2ICL7109芯片以及与8052的连接4.2.1ICL7109的部分引脚功能介绍ICL7109是美国Intersil公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。就现在的状况，逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格非常高，在要求速度不是很高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时，可以采用价格低廉的双积分式高精度A/D转换器例如ICL7109。ICL7109最大功能就是可以输出十二位二进制数的数据，，并且具有很强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。ICL7109管脚配置见图4.1，其部分引脚功能介绍：B1~B12：三态转换结果输出，B12为最高位，B1为最低位。STATUS：状态输出，ICL7109转换结束时，该引脚发出转换结束信号。SEND：是输入信号。用于数据信号传送时的信号交换方式，以指示外部器件能够接受数据的能力。TEST：此引脚仅用于测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫所有位B1~B12输出为高电平。MODE：方式选择。低电平作为输出信号，可以应用低电平方式直接输出。此时，在能的控制下实现在片选和数据直接读取数据。高电平脉冲被输出过程中，转换器处于UART方式，并在输出两个字节的数据后，返回到直接输出方式。当输入高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。LBEN：低电平使能端。当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低位字节（B1~B8）输出选通信号；当MODE位高电平时，此信号将作为低位字节输出。HBEN：高字节使能端。当MODE和CE/LOAD均为高电平时，此信号将作为高位字节（B8~B12）以及POL，OR输出的辅助选通信号；当MODE位高电平时，此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。BUF：缓冲器输出。INLO：差分输入低端。INHI：分输入高端。图4.1ICL7109管脚配置4.2.2ICL7109的外部电路连接ICL7109的外部电路连接如图4.2所示，对其外部电路的应用特征说明如下：（1）电源供给ICL7109位双电源±5V，引入V+，V-（40，28脚），1端GND为公共接、地端。（2）基准电压供给ICL7109有一个出色的片内基准电压源，由REFOUT端输出（29端），可以使用电阻分压以得到一个合适的基准电压。通常状况下，对模拟输入如果要求满度输出4096个数，则Vin=2Vref，即+2.048V基准电压对应于+4.096满度输出模拟电压；+204.8mv则对应于+409.6V满度输出电压。然而很多应用中，A/D变换器直接与传感器相通，测量的绝对电压输出并不接近标准量程，这时，只需将基准电压接近传感器输出电压的一般才可行，分压是没有必要的。允许不是入时，像温度测量中的补偿，称重中的去皮重等。这时，补偿电压可直接引入，即将传感器的输出端接到模拟输入高端和模拟公共端之间，只需注意极性即可。（3）模拟信号输入模拟信号可差分输入，分别接入差分输入高端INHI（35脚）和差分输入低端INLO（34脚）。模拟信号公共端为COMMON（33脚）。（4）接口方式ICL7109内部包括一个14位（12位数据和一个极性，一位溢出）的锁存器和一个14位的三态输出的一般寄存器，与各种微处理器连接是非常容易的，而无须外部加额外的锁存器。ICL7109有接口方式介绍，一种是直接接口方式，另一种是挂钩接口方式。在直接接口方式中，ICL7109转换结束时，由STATUS发出转换结束信号到单片机，单片机对转换后数据分高位字节和低位字节进行读数。在换结束信号到单片机，单片机对转换后数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，ICL7109提供工业标准的（通用异步接收发送器）数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。图4.2ICL7109的外部电路连接4.2.3ICL7109与8052单片机的硬件接口设计图4.3ICL7109与8052单片机的硬件接口A/D转换器ICL7109的数据输出形式为12为二进制码，且与微处理器有良好的兼容特性，所以可以与8052单片机直接相连。硬件接口电路如图4.3所示。图4.2中将ICL7109的MODE引脚接地。使其工作于直接输出工作方式。将RUN/HOLD接+5V，这样ICL7109可进行连续转换。由于采用了3.85MHZ的晶振，ICL7109完成一次转换所需的时间为T=8192（脉冲周期）58/3.85MHZ=132.72ms，即转换速率为7.5次/秒。其中ICL7660是+5V输入-5V输出的电源极性变换器[11]。4.3单片机控制的步进电机系统本次设计中，单片机是整个系统的核心，其程序主要包括模拟信号通道选择部分、并行数据采集部分和并行数据传输部分；80C52单片机通过内外三线(数据总线、地址总线、控制总线)控制数据的传输，完成数据的采集，计算，存储的一体化过程。其能很好的满足检测系统性能的要求，故本次设计采用80C52单片机。另外，本次电路中应用了一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器——ICL7109。测量仪通过电感传感器来测量工件的圆柱度误差，以模拟量输出，圆柱度数据采集仪使用单片机控制，实时采集模拟信号，并进行模数转换，通过接口将转换的数据送到计算机的串口上，由计算机进行圆柱度误差处理，并绘制误差曲线图[12]。数据的读取与处理采用VisualBasic6.0(简称VB)语言编写了数据的读取与处理软件。由于VB是一种可视化编程语言，用他可方便地设计出良好的图形用户界面，使操作简单、直观[13]。程序分为数据的读取和处理两大部分。（1）数据读取：手工输入数据较为简单。（2）数据处理。步进电机是一类将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动部件,具有快速起动和快速停止的优点。步进电机驱动速度和指令脉冲保持严格同步,具有很高的重复定位精度,可以实现平滑无级变速和正反转的运行。步进电机的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的干扰,因此被广泛应用在数模转换、速度控制和位置控制系统。但是进电机的驱动信号往往还是由专门的模拟芯片控制器或者信号发生器产生,灵活性和可靠性是非常低的。在某些智能化要求较高的场合,用模拟芯片及信号发生器来控制步进电机有很大的局限[15]。5结论本次设计的题目是轴类零件圆柱度误差自动检测系统的设计。作者通过查阅大量资料、文献，并结合平时所学的专业知识，从机械结构设计和控制系统设计两个部分入手，对产品进行设计和创新，设计出了机械结构简单、合理，具有较高的性价比的轴类零件圆柱度误差自动测量仪。主要体现在以下几点：（1）仪器的机械部分，所设计的底座导轨结构和高精度双顶尖为测量精度提供了保证；采用小型步进电机带动被测轴自动旋转从而实现了圆柱度误差的自动测量，大大简化了操作；而且在仪器的整体设计上尽量减小了仪器尺寸。（2）设计采用了80c52这种较常用的单片机和ICL7109这种精度高、漂移低、价格低廉的双积分式12位A/D转换器，使所设计的电路结构较简单、所用的元器件较少。（3）系统在设计方法上采用了模块化设计，并兼容并蓄的建立了包含最小二乘法、最小区域法、最小外接圆法和最大内切圆法等评定圆度误差方法在内的模块，从而能对测量所得的数据进行实时采集和计算机处理，实现了圆度误差的精确测量和快速处理。经过几个月的紧张忙碌，毕业设计基本完成了，回顾这几个月的生活，我觉得自己付出了很多，也收获了很多。在设计中我查阅了机械工程制图、机械设计手册、测试技术等许多以前学过的课程，还查阅了关于形位误差和传感器方面的许多资料。在这个过程中，我们既巩固了已理解的知识，又学到了许多以前没有领会或是没有学过的知识；而且，在设计过程中，我应CAD制图等软件绘制了机械部分的图纸，用Protel99SE设计了硬件电路，这对我使用这些软件是一个很大的提升。现在想想，这几个月的生活，虽然辛苦，但看到自己每天都有所进步和提高，又是由衷的高兴。虽然自己的设计顺利完成了，但由于自己知识水平的欠缺和理论深度理解的不足，还是存在很多不足和需要改进的地方，比如：本设计在测量时采用步进电机以实现圆柱度误差的自动测量，但是在测量时步进电机的震动对测量精度的影响无法避免。在此提出一种测量方法尽量减小步进电机的影响从而保证较高精度：首先采用一个理想轴进行测量，绘制误差曲线；然后对被测件进行测量，绘制误差曲线，再对俩个曲线进行对照，以减小电机震动对进度的影响。如果以后有机会我能够从事与课题相关的研究，定会做更进一步的探讨。参考文献[1]郑育军，黄富贵等．国内外形位误差研究进展[J]．四川：工具技术，2006．[2]唐宇慧．圆柱度误差检测的现状与展望[J]．机床与液压，2004．[3]姜澄，张镭，范利敏．形位误差测量的误差分析[J]．广州：工具技术，1998．[4]张春梅．圆柱度误差检测方法现状与展望[J]．吉林：工具技术，2008．[5]张建民．步进电机的选择与安装[J]．北京：机电一体化系统设计2001．[6]JinhoKim，DongikShin，DeokwonYun，ChangsooHan．TheAnalysisofRadial/AxialErrorMotiononaPrecisionRotationStage[J]．Southkorea:PROCEEDINGSOFWORLDACADEMYOFSCIENCE，2007．[7]濮良贵，纪名刚．标准直齿圆柱齿轮传动强度的计算[J]．北京：.机械设计，2001．[8]蒙文舜，杨运经，刘云鹏．电容传感器的原理及应用[J]．陕西：现代电子技术，2004．[9]王学梅，王彩红，薛隽，李盾．电涡流传感器非接触在线测量位移[J]．郑州：郑州工业高等专科学校学报，2004．[10]石成英，李忠科，林辉，岳开宪．电感式微位移测量仪的设计与实现[J]．上海：自动化仪表，2005．[11]刘迎春．MSC-51单片机原理及应用教程[M]．北京：计算机网络图书，2005．[12]明友成．全自动凸轮轴测量仪的开发[J]．陕西：仪器仪表工程，2005．[13]郝宁．VisualBasic编程专家的领域知识及其在编程过程中的作用[J]．四川：发展与教育心理学，2003．[14]WeiGao，EijiroSato．Roundnessmeasurementusingangleprobes[J]．ProceedingsofSPIE2000，2000.12．[15]刘国永,陈杰平.单片机控制步进电机系统设计[J].安徽:安徽技术师范学院学报,2002.基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/I