1、1一、设计方案1.1 端面跳动的定义跳动公差有圆跳动公差和全跳动公差两个特征项目，端面跳动是指圆跳动公差，即实际被测要素在无轴向移动的条件下绕基准轴线旋转一周过程中，由位置固定的指示表在给定的测量方向上对该实际被测要素测得的最大与最小值之差。1.2 端面跳动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 型块来体现基准轴线，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
2、这个系统的建立是以各种检测仪器的计算机应用为基础的，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基础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。二、测量机构设计2.1 总体设计端面跳动测量机构的组成包括三坐标工作台，支承机构，传感器和其他电路部分。2.2 水平导轨的设计端面跳动测量中，需要根据工件及传感器的安装来调节位置，因此要进行导轨的设计。水平导轨采用如图所示的双矩形组合导轨设计，
3、这种导轨的制造和检测容易，承载能力大，辅助导轨面用压板调节间隙，导向面用镶条调节间隙。导向面在平导轨的两内侧，导向面的距离较小，加工测量方便，可取较小的间隙，导向精度高。图 1 水平导轨2.3 竖直导轨的设计竖直导轨的设计要考虑到重力的影响，因此需加上紧固螺母。其他部分采用与水平导轨相同的设计。2图 2 竖直导轨2.4 基座的设计为减小测量机构的力变形，需合理选基座的各个参数。假设工件的质量为 610kg，则基座的壁厚应至少为 8mm，基座的材料选用铸铁即可。三、电路设计3.1 测量电路原理图测量电路原理图见图 3。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
4、性、稳定性及元器件的兼容性。图 3 检测机构的测量电路原理图3.2 步进电机的选择3.2.1 相关参数本设计中，步进电机选用永磁式步进电机 42BY48H07A，它主要用于医疗仪器、工业自动化和办公自动化等场合，相关参数如下：相数 4 相步矩角 7.5电压 12V相电流 0.2A电阻 60 启动转矩 60g.cm最大静转矩 400g.cm绝缘等级 E额定功率 4.2W表 1 步进电机参数减速器步进电机电感测微仪信号滤波放大器A/D转换单元单片机数据处理单元显示单元被测转轴33.2.2 驱动方式步进电机采用 4 相 8 拍驱动方式，即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA导线颜色 1 2 3
5、4 5 6 7 85 红 + + + + + + + +4 橙 - - -3 黄 - - -2 粉 - - -1 蓝 - - -表 2 步进电机驱动时序3.2.3 驱动电路图 4 步进电机驱动电路3.2.4 驱动芯片本设计中选用 ULN2803 作为步进电机的驱动芯片，该芯片具有高电压大电流的特点，广泛用于计算机、工业和消费产品中。其最大额定值如下：额定值 符号 值 单位输出电压 VO 50 V输入电压 VI 30 V集电极电流-连续 IC 500 mA基集电流-连续 IB 25 mA工作环境温度范围 TA 0 至+7 保存温度范围 Tsig -55 至+150 结温 Tj 125 表 3 U
6、LN2803 最大额定值3.3 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 2-10m,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则，现选择动态分辨率为 0.3-0.5m 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4过测量电路的处理，就可以得出运动的大小和方向
7、。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 激励频率 输出0.5mm 2.5mm 滚动 0.15FS 1 -40 0.15um/ 19KHz 0-10mV表 4 LY101 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。3.4 放大电路3.4.1 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。现将电压发达倍数设置为 Kp1=50，电路原理图如图 5
8、所示。图 5 放大电路原理图3.4.2 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 6 LM358AD 功能引脚图3.5 滤波电路5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。3.5.1 特点分析本设计采用的 RC 无限增益多路反馈型低通滤波，此滤波电路结构简单，调整方便，易于集成化；且电路不存在正反馈和负载效应，因而总是稳定的。但该电路的不足之处在于这种电路对运算放大器要求比较高。3.5.2 滤波电路参数电路原理图如图 3 所示，本低通滤
9、波电路由电容、电阻和运算放大器构成。图 7 滤波电路图其传递函数为： 202()pKHsS滤波器参数为： 64fR05641C0456()R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=-100K，R4=10K，R5=5K ，R=500K，C4=C5=10F，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。3.6 A/D 转换3.6.1 接口电路6A/D 转换电路就是将模拟量转换为数字量的电路。实现 A/D 转换的方法有很多，如积分型、逐次比较型、并行比较型等，
10、本设计中，采用集成 A/D 转换器，芯片采用 12 位 AD转换芯片 AD1674。接口电路图如下：图 8 AD1674 接口电路3.6.2 芯片介绍AD1674 数模转换芯片是美国模拟器件公司的新一代产品，它是逐次逼近型的 12 位精度中高端产品。AD1674 有如下特点：（1）有参考电压基准和时钟电路，单 /双极性输入；（2）全 8 位或 16 位微处理器接口；（3）250ns 总线取数时间，能满足一般微处理器的时序要求；（4）高转换率，其采样时间控制在 10us 以内，速度极快，所以此系统设计时是采用查询的方式与单片机连接的；（5）片内集成了采样保持器，保持器使数据传送的准确性得到了保证
11、，而且避免了另加元件使系统复杂化的麻烦。7图 9 AD1674 引脚图3.6.3 工作原理AD1674 采用逐次逼近法将输入的模拟信号转换为数字量，它有多种工作模式，其功能真值表如下：CE CS R/C 12/8 A0 功能0 X X X X 无X 1 X X X 无1 0 0 X 0 启动 12 位 A/D 转换1 0 0 X 1 启动 8 位 A/D 转换1 0 1 1 X 12 位并行输出1 0 1 0 0 高 8 位数据输出1 0 1 0 1 低 4 位数据输出，余下 4 位为 0表 5 AD1674 功能真值表上表中：CE：芯片使能，高电平激活，用于开始一个转换过程或读取操作CS：芯
12、片选择，低电平有效R/C：高电平时为读操作，低电平时为转换操作12/8：决定数字输出数据的格式，为低则为两个 8 位的字节，为高则为一个 12 位的字A0：在转换过程中，A0 为低则为 12 位转换，否则为 8 位转换；在以 8 位字节为单位的读数过程中，A0 为 0 时输出高 8 位（DB11DB4） ，A0 为 1 时输出 DB3DB0，DB7DB4为 00003.7 单片机本设计选用 P89C51 作为主控芯片，该芯片具有低功耗、高性能的特点，拥有丰富的硬件资源，芯片价格便宜，且易于更换，其接口电路如下：3.7.1 复位电路8图 10 复位电路3.7.2 时钟电路图 11 时钟电路3.8
13、 显示单元本设计中采用 LCD1602 作为显示单元，其主要技术参数如下：显示容量：16x2 个字符芯片工作电压：4.55.5V工作电流：2.0mA字符尺寸：2.95x4.35（WxH）mmLCD1602 可显示两行，每行 16 个字符，不能显示汉字，内置含 128 个字符的 ASCII 字符集字库，并有并行接口，无串行接口。与单片机的接口电路如下：图 12 LCD1602 接口电路93.9 电源设计单片机供电采用 LM78L05 三端线性稳压芯片配合直流稳压电源构成。直流输入低于18V 的直流电，输出为 5V（误差小于 5%） ，完全满足单片机及其他芯片的要求。供电系统原理图如下：图 13
14、单片机供电系统芯片 LM78L05 的相关参数如下：表 6 LM78L05 参数10四、程序设计4.1 流程图设计主程序流程图：中断程序流程图：4.2 程序设计（见附录）开 始初始化A/D 转换延 时LCD 显示中断处理t0_num 自加 1t0_num=speed_num ?中断返回t0_num=0YN给 P2 口赋值i+i=8 ?i=0YN11五、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，部分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
15、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基础，为更广泛更有效的应用微机技术提供有利的支撑。参考文献：1甘永立，几何量公差与测量，第九版，上海科学技术出版社，20052叶湘滨，熊飞丽，传感器与测试技术，国防科技大学出版社，20063张国雄，测控电路，第四版，机械工业出版社，20064李朝青，单片机原理及接口技术，第三版，北京航空航天大学出版社，20065赵跃进，何献忠，精密机械设计基础，北京理工大学出版社，20036李爱军，陈国平，画法几何及机械制图，中国矿业大学出版社，20027浦昭邦，王宝光，测控仪器设计
16、，机械工业出版社，20078孙宝元，杨宝清，传感器及其应用手册，机械工业出版社，20049郭天祥，51 单片机 C 语言教程，电子工业出版社，200912附录：/*回转工件端面跳动测量程序 *平台：Keil U4 + P89C51晶振：12MHZ编写： 日期：2012-11-20*/#include /包含头文件#include /包含 NOP 空指令函数_nop_();#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit adcs=P20; /定义 AD 芯片片选端口sbit sts=P34; /AD 转换状态端口sbit ada0
17、=P35; /AD 位数选择端口sbit adrc=P36; /AD 工作模式选择端口sbit adce=P37; /AD 芯片使能sbit lcdrs=P21; /数据 /命令选择端sbit lcdrw=P22; /读写选择端sbit lcden=P23; /定义 LCD1602 片选端口uchar code table= /电机转向控制0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;uchar i=0,t0_num=0;13/*LCD1602*/void delay(uint xms) /延时程序uint i,j;for(i=xms;i0;i-)for(j=
18、110;j0;j-);void write_com(uchar com) /LCD 写地址lcdrs=0;lcdrw=0;P0=com; /P0 为 LCD 并行数据端口delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;delay(5);void write_dat(uchar dat) /LCD 写数据lcdrs=1;lcdrw=0;14P0=dat;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;delay(5);void lcd_init()lcden=0;write_com(0x38); /设置 16x2 显示，5x7 点阵， 8 位数据接口wri
19、te_com(0x0c); /开显示，不显示光标write_com(0x06); /写一个字符后地址指针加 1write_com(0x01); /清屏/*AD 转换*/void ad_transform() /启动 AD 转换ada0=0; /选择 12 位转换模式adrc=0;adce=1;while(sts);15adce=0;uint read_ad() /读取 AD 并行口数据uint temp;uchar tempa,tempb;P1=0xff;adrc=1;ada0=0;adce=1;_nop_();tempa=P1;adce=0;ada0=1;adce=1;_nop_();tem
20、pb=P1;adce=0;temp=(tempa4);return(temp);16void main()uchar A1,A2,A3,A4;uint adval=0;TMOD=0x01; /T0 定时器初始化TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;lcd_init();adcs=0;while(1)ad_transform();delay(10);write_com(0x80);write_dat(0x30+A1);write_dat(0x30+A2);write_dat(0x30+A3);write_dat(0x80+A4);adval=read_ad();17A1=adval/1000;A2=adval%1000/100;A3=adval%100/10;A4=adval%10;void timer0() interrupt 1 /通过 T0 定时器中断为步进电机提供脉冲TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;t0_num+;if(t0_num=20)t0_num=0;P2|=tablei; /P2 端口的高 4 位为步进电机的控制端口i+;if(i=8) i=0;
