回转工件端面跳动测量机构、信号检测说明书

一、引言在一些精密机械和测量仪器中，经常利用圆柱形零件的端面进行定位，因此回转工件的端面跳动除了影响配合以外，还影响机器的装配精度和工作时的运动精度。随着机械加工自动化程度和精度要求的提高，对于机械零件产品的技术测量也听出了更高的要求，不仅要求测量的数据准确，而且要求较高的测量速度，本设计即可利用电感位移传感器、单片机及相关硬件电路组成小型检测系统，完成回转工件端面跳动检测机构及其信号检测。二、设计方案2.1、端面跳动误差定义对于回转工件，其端面跳动误差是指被测实际要素绕基准线做无轴向移动回转一周时，由固定的指示器测量工件的端面在给定面上的最大与最小读数之差。当零件绕中心轴线旋转时，其被侧端面在指定直径处沿轴向的跳动即为端面跳动。2.2、端面跳动误差的测量传统测量端面跳动误差是人工用接触法测量，一方面由于存在测量力带来测量误差；另一方面测量效率不高。通常的测量方法是采用导向套或V型块来表达基准轴线，用顶尖对工件实现定位。这种方法的缺点是通用性差，有时还需要增设夹紧装置，而且轴向定位的误差影响测量结果。随着计算机集成制造〔CIM〕在制造企业的逐步推广，构建集成质量控制系统尤为必要，而这个系统的建立是以各种检测仪器的计算机应用为根底的，因此，开发包括端面跳动误差在内的新型形位误差微机化检测仪势在必行。因此本设计在传统端面跳动测量机构的根底上采用电感式位移传感器实时的将断面的跳动量送入单片机进行数据处理、显示，操作人员可直接从显示器中读出回转工件的端面跳动值，这一方法，一来消除了接触法测量力带来的误差，同时也消除了人工读数时产生的误差。三、机构设计跳动误差检机构由步进电机、减速器、测量工作台、测量台〔电感测微仪〕、三个互相垂直的空间坐标系支承、驱动系统显示系统等。工件支承在工作台上，并在电机驱动下做低速转动。电感测微仪夹持在一个转动臂上。测量工件的端面跳动误差时，电感测微仪处于水平位置，工件做匀低速转动，测量头〔电感测微仪〕沿Z轴以均匀间隔端面移动采集数据，便可以测量出回转工件的端面跳动误差。测量头从水平位置旋转一定角度与圆锥面母线垂直时，可以测量斜向圆跳动。四、硬件电路设计4.1、跳动误差检测机构的测量电路原理图跳动误差检测机构的测量电路原理图见图1。在检测机构电路设计和元器件选型中既要保证测量精度和测量效率，又要具有高效的可靠性、稳定性及元器件的兼容性。A/D转换单元电感测微仪信号滤A/D转换单元电感测微仪信号滤波放大器被测转轴减速器步进电机单片机数据处理单元显示单元图1检测机构的测量电路原理图4.2、步进电机的选择本设计中，步进电机型号为90BNF001，相关参数如下：相数：四相步距角：0.9°最大静转矩：3.92N×M电压：80V4.3、减速器的选择硬齿面减速机是按照国家标准〔GB19004-88〕生产的，本设计选择ZDY125〔单级〕系列减速机。其性能特点①.中心距，传动比等主要均经优化设计，主要零、部件互换性好。②.齿轮均采用优质合金钢渗碳、淬火而成，齿轮硬度达HRC58-62。③.体积小、重量轻、精度高、承载能力大、寿命长、可靠性高、传动平稳、噪音低。④.一般采用油池润滑，自然冷却，当热功率不能满足时，可采用循环油润滑或风扇，冷却盘管冷却。4.4、传感器的选择现假设本测量机构所能测量工件的跳动公差等级为3-6级，直径为10-70mm，允许的跳动误差为2-10μm,测量最大长度120mm.考虑到测量工件和传感器分别作匀低速转动和滑动，震动较轻，根据传感器的选取原那么，现选择动态分辨率为0.3-0.5μm的LY101系列传感器。本检测机构采用电感式位移传感器，该传感器利用差动电感原理〔半桥型〕工作，外形小巧，性能稳定。测量时，测杆和被测物体一起移动，它将带动磁芯一起在传感器的线圈中移动，从而使差动式传感器的两个线圈的阻抗发生大小相等但极性相反的变化。通过测量电路的处理，就可以得出运动的大小和方向。传感器的主要特征参数见表1.测量范围测杆行程导向形式线性度工作温度温度漂移鼓励频率输出±0.5mm2.5mm滚动0.15％FS1℃-40℃0.15um/℃19KHz0-10mV表1LY101系列传感器的特征参数表跳动误差的变化量很小，传感器输出的信号也十分微弱，通常在0到数毫伏范围内变化。因此选择或者设计信号放大滤波装置时需要将低信噪比的有效信号提出来并对噪声进行抑制。4.5、放大电路4.5.1、放大原理因为从传感器输出的信号较微弱，如果不对其进行放大，后面的滤波电路也无法工作，故应先对信号进行放大再滤波。现将电压兴旺倍数设置为Kp1=50，电路原理图如图2所示。图2放大电路原理图4.5.2、芯片介绍本设计采用Philips公司生产的LM358AD芯片。引脚功能见图3图3LM358AD功能引脚图4.6、滤波精加工工件端面的跳动误差经传感器转换后得到的是缓慢变化的信号，即是说传感器采集到的信号是一个低频信号，由此选择低通滤波。本设计中采用无限增益型低通滤波器。4.6.1、特点分析本设计采用的RC无限增益多路反应型低通滤波，此滤波电路结构简单，调整方便，易于集成化；且电路不存在正反应和负载效应，因而总是稳定的。但该电路的缺乏之处在于这种电路对运算放大器要求比拟高。4.6.2、滤波电路参数电路原理图如图3所示，本低通滤波电路由电容、电阻和运算放大器构成。图3滤波电路图其传递函数：滤波器参数：改变R6、R4的比值便能使电路具有一定的放大倍数，起了信号的放大作用。我们取R6=-100KΩ,R4=10KΩ,R5=5KΩ,R=500KΩ,C4=C5=10μF，这样本电路便对传感器的输出信号放大了10倍，即Kp2=10。加上前面的放大电路，整个信号调理电路的放大倍数是500，即Kp=500。4.7、A/D转换4.7.1、芯片介绍：ADC0809N⑴主要特性1〕8路8位A／D转换器，即分辨率8位。

2〕具有转换起停控制端。

3〕转换时间为100μs

4〕单个＋5V电源供电

5〕模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6〕工作温度范围为-40～＋85摄氏度

7〕低功耗，约15mW。⑵内部结构

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图4所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比拟器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近。图4ADC0809N内部结构⑶外部特性〔引脚功能〕

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图5所示。图5ADC0809N引脚图下面说明各引脚功能。

IN0～IN7：8路模拟量输入端。

2-1～2-8：8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：A／D转换启动信号，输入，高电平有效。

EOC：A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平〔转换期间一直为低电平〕。

OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能翻开输出三态门，输出数字量。

CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。

REF〔+〕、REF〔-〕：基准电压。Vcc：电源，单一＋5V。

GND：接地。

ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比拟器。START上升沿将逐次逼近存放器复位。下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门翻开，转换结果的数字量输出到数据总线上。4.7.2、ADC0809N与P89C51的接口电路ADC0809N与P89C51的连接采用查询方式，由于ADC0809N片内有三态输出锁存器，因此可以直接与P89C51接口。当A/D转换完毕，P89C51读取完成转换的数字量。图6ADC0809N与P89C51的接口电路4.8、单片机4.8.1、芯片介绍P89C51图7P89C51引脚图4.8.2、复位电路〔手动复位〕图8复位电路4.8.3、晶振电路图9晶振电路4.9、显示单元、芯片介绍Ⅰ、74LS6474LS64为8位移位存放器,其主要电特性的典型值如下：当去除端〔CLEAR〕为低电平时，输出端〔QA－QH〕均为低电平。串行数据输入端〔A，B〕可控制数据。当A、B任意一个为低电平，那么禁止新数据输入，在时钟端〔CLOCK〕脉冲上升沿作用下Q0为低电平。当A、B有一个为高电平，那么另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。引脚功能：CLOCK：时钟输入端CLEAR：同步去除输入端〔低电平有效〕A，B：串行数据输入端QA－QH：输出图1074LS164封装图Ⅱ、HDSP-431G图11HDSP-431G封装芯片说明：描述数字/字母数:3字符尺寸:10mmLED颜色:绿色共接:阳极照度,典型值:5mcd正向电流If:25mA正向电压,于If:2.25V外宽:12.8mm外部深度:7mm外部长度/高度:30.02mm工作温度范围:-40°Cto+105°CLED颜色:绿典型发光强度(每段)@If:5mcd反向峰值电压,PIV:5V字符数:3字符类型:3位引脚节距:2.54mm排距:10.16mm正向电压(每段)@If:2.5V每段额定电流,If:25mA电流,If典型亮度:10mA背景颜色:灰、驱动电路图12驱动电路五、软件程序设计本设计采用单片机对回转工件端面跳动的公差进行测量和处理显示。单片机对在A/D转换后的数字数据存取后进行数据处理，即是从存储单元里面找出最大值和最小值，然后相减得到端面跳动的公差。最终将计算后得到的端面跳动误差送到数码管显示。5.1、程序流程图定时20ms开始初始化开始数据采集、A/D转换开始主程序定时20ms开始初始化开始数据采集、A/D转换开始到时否？到时否？NY数据存储与处理数据存储与处理延时2S显示延时2S显示求最大值程序流程图：当前值为最大低四位交换地址保持最大值地址B(i+1)>B(i)B(i+1)=B(i)指针指向下个地址，读取下个低四位设定首地址的低四位为最大值读取50个数的低四位存储当前值为最大高8位到50次？更新最大值地址交换地址保持最大值地址A(i+1)>A(i)A(i+1)=A(i)指针指向下个地址，读取下个高8位设定首地址的高8位为最大值读取50个数的高8存入计数值50开始当前值为最大低四位交换地址保持最大值地址B(i+1)>B(i)B(i+1)=B(i)指针指向下个地址，读取下个低四位设定首地址的低四位为最大值读取50个数的低四位存储当前值为最大高8位到50次？更新最大值地址交换地址保持最大值地址A(i+1)>A(i)A(i+1)=A(i)指针指向下个地址，读取下个高8位设定首地址的高8位为最大值读取50个数的高8存入计数值50开始YNNYYNNNYY5.2、程序设计〔见附录〕六、结束语高精度高效率的现代制造技术必然要求与其相适应的检测手段。目前我国许多机械制造企业的检测装备还不能适应高精度产品检测的要求，局部设计图上标注的形位公差缺乏相应的检测手段，使质量控制变成制造链中的开环，影响了我国制造业的竞争力。开发出应用传感器和微机〔单片机或PC机〕技术结合的新型形位公差检测仪器，不仅是改造传统检测手段的需要，也将为企业逐步实现集成质量控制提供技术根底，为更广泛更有效的应用微机技术提供有利的支撑。七、参考文献[1]甘永立，几何量公差与测量，第四版，伤害科学技术出版社，2005[2]刘迎春，叶湘滨，传感器原理，第四版，国防科技大学出版社，2006[3]张国雄，测控电路，第二版，机械工业出版社，2006[4]李朝春，单片机原理及接口技术，第三版，北京航空航天大学出版社，2005[5]赵跃进，何献忠，精密机械设计根底，北京理工大学出版社，2003[6]李爱军，曾维鑫，画法几何及机械制图，中国矿业大学出版社，2002[7]庄宗元，AutoCAD2004实用教程，中国矿业大学出版社，2004[8]孙宝元，杨宝清，传感器及其应用手册，机械工业出版社，2004附录：ORG0000HAJMPSTARTORG0030HAJMPTIME20ORG0040HSTART:MOVR1,#00HMOVR2,#80H；初始化片内RAM的接收首地址MOVTMOD,#01H；T0模式1，定时MOVTH0,#B1H；装入T0计数初值MOVTL0,#E0H；延时20ms，晶振12MHzSETBEA；允许CPU中断SETBET0；允许T0中断SETBTR0；启动定时T0LOOP1:AJMPLOOP1；等待中断TIME2:POPR1；片内RAM输入地址低八位POPR2；片内RAM输入地址高八位MOVTMOD,#01H；T0模式1，定时MOVTH0,#B1H；装入T0计数初值MOVTL0,#E0H；延时20ms，晶振12MHzSETBEA；允许CPU中断SETBET0；允许T0中断SETBTR0；启动定时T0ST:CLRP1.0；低电平保持SETBP1.0；触发采样NOPNOPNOPNOPCLRP1.0；低电平保持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转换器启动LOOP2:JBP3.3,LOOP2JS:INCDPTR；使R/C为1MOVXA,@DPTR；读取高8位数据MOV@R2,A；高8位内容存入RAM首地址高8位INCDPTR；使R/C、A0均为1INCDPTRMOVXA,@DPTR；读取低四位MOV@R1,A；将低四位内容存入RAM首地址低八位INCR7INCR1；指向下一个存储地址CJNER7,#50,AD0809；采集50个数？假设不是，那么继续采集QZD:MOV20H,#00H；20H存储数据高8位最大值MOV21H,#00H；21H存储数据低4位最大值MOV22H,#00H；22H存储数据高8位最大值的地址高8位MOV23H,#00H；23H存储数据高8位最大值的地址高8位MOV24H,#00H；24H存储数据高8位最小值MOV25H,#00H；25H存储数据低4位最小值MOV26H,#00H；26H存储数据高8位最小值的地址高8位MOV27H,#00H；27H存储数据高8位最小值的地址高8位MOV28H,#00H；28H存储最大值与最小值差值的高8位MOV29H,#00H；29H存储最大值与最小值差值的低8位MOV30H,#00H；30H存储BCD码MOV31H,#00HMOV32H,#00HMOVR7,#50；设定比拟次数MOVB,R7MOVDPTR,#8000HMOVA,@DPTR；读取第一个数据的高8位MOVR6,A；作为数据高8位最大值的初始值存入R6MOVA,DPH；取数据高8位最大值存储地址的高8位存入R4MOVR4,AMOVA,DPL；取数据低8位最大值存储地址的低8位存入R5MOVR5,AINCDPTR；指向第一个数据的低8位MOVA,@DPTR；读取第一个数据的低4位MOVR3,A；作为数据低4位最大值的初值R值R3MOVA,B；取数据个数DECAMOVR1,A；保存比拟数据PUSHDPL；保存数据地址PUSHDPHMMSI:INCDPTR；指向下一个数据的高8位MOVXA,@DPTR；读取下一个数据的高8位MOVB,ASETBC；与数据高8位最大值相比拟SUBBA,R6JZMMS2；假设相同，转向比拟数据的低4位JNBOV,MMS3；差未溢出，符号位有效CPLACC.7；差溢出，符号位取反JBACC.7,MMS4；差为负，不更新高8位最大值MOVR6,B；更新数据高8位最大值MOVR4,DPH；更新数据高8位最大值的存储地址MOVR5,DPLSJMPMMS5MMS2:INCDPTR；指向下一个数据低4位MOVA,@DPTR；读取下一个数据的低4位SETBC；与数据低4位最大值相比拟SUBBA,R3JCMMS6；假设不超过最大值，那么不更新MOVR6,B；更新数据高8位最大值MOVA,@DPTR；读取下一个数据的低4位MOVR3,A；更新数据低8位最大值INCR4；更新数据高8位最大值的地址INCR4INCR5INCR5MMS6:SJMPMMS5MMS5:DJNZR1,MMS1；判断是否已处理完最大值的求取POPDPH；恢复数据地址POPDPLMOV20H,R6MOV21H,R3MOV22H,R5MOV23H,R4SJMPQZX；转向执行求最小值QZX:MOVR7,#50；设定比拟次数MOVB,R7MOVA,@DPTR；读取第一个数据的高8位MOVR6,A；作为数据高8位最小值的初始值存入R6MOVA,DPH；取数据高8位最小值存储地址的低8位存入R4MOVR4,AMOVA,DPL；取数据低8位最小值存储地址的低8位存入R5MOVR5,AINCDPTR；指向第一个数据的低8位MOVA,@DPTR；读取第一个数据的低4位MOVR3,A；作为数据低4位最小值的初始值R3MOVA,B；取数据个数DECA；减一，得到需要比拟的次数MOVR1,A；保存比拟次数PUSHDPL；保存数据地址PUSHDPHMMS12:INCDPTR；指向下一个数据的高8位MOVXA,@DPTR；读取下一个数据的高8位MOVB,ACLRC；与数据高8位最小值比拟SUBBA,R6JZMMS22；假设相同，转向比拟数据的低4位JNBOV,MMS32；差未溢出，符号位有效CPLACC.7；差溢出，符号位取反JNBACC.7,MMS42;；差为正，不断更新高8位最小值MOVR6,B；更西部数据高8位最小值MOVR4,DPH；更新数据高8位最小值的存储地址MOVR5,DPLSJMPMMS52MMS22:INCDPTR；指向下一个数据低4位MOVA,@DPTR；读取下一个数据的低4位CLRC；与数据低4位最小值相比拟SUBBA,R3JNCMMS6；大于或等于当前最小值，保持当前最小值MOVR6,B；更新数据高8位最小值MOVA,@DPTR；读取下一数据的低4位MOVR3,A；更新数据低8位最小值INCR4；更新数据高8位最小值的