【文章內容簡介】 得到螺旋線行程誤差。使用激光干涉儀進行軸向位移測量的動態(tài)測量儀，是利用雙頻激光，利用其頻率之差，采集記錄激光干涉測量的脈沖數，就可以實現長度的測量。激光雙頻干涉儀同光柵尺測量一樣，也是對單一的母線進行測量，不能實現對多條母線的測量?，F在應該做的，就是由靜態(tài)測量法的啟發(fā)，進而得到一個能夠對絲杠牙型上任意的一條母線進行測量的方法。在緒論中的靜態(tài)法描述中，我們注意到影象測量法是對同一母線上同側牙型的兩個點進行測量，得到n個螺距的測量值。我們也可以想一種方式，對牙型上的點進行測量，然后對同一母線上的同側點進行距離測量，既而得到n個螺距的測量值。與靜態(tài)法不同的是，我們要利用電子計算機技術，對牙型上的點進行測量，并加以數據處理與數據輸出，實現測量的自動化。1．系統(tǒng)測量方案分析基于以上的敘述，我們初步確定以下的測量方案。對滾珠絲杠的軸向截面的輪廓進行測量，我們知道，對于點的位置的確定，在三維坐標內，應該有x、y、z三個坐標值，對于二維坐標，則需要有x、y兩個坐標值。對于本課題的項目，我們需要測量的點都在滾珠絲杠的軸向截面之內，也就是說，所有的測量點都在一個平面之內，所以我們就可以建立一個虛擬的二維坐標系，在此二維坐標系平面內對牙型輪廓進行逐點的測量，通過使用適當的位移傳感器得到每個點在這個虛擬的空間坐標系內的坐標值。又由于所測量的點都是是在軸向截面的二維平面內，所以我們只需要兩個位移傳感器，一個用來測量軸向的位移x，另一個測量縱向的位移y。2．系統(tǒng)機械結構方案分析（1）系統(tǒng)中應有提供被測絲杠與傳感器運動的裝置，且此裝置的設計能夠利于控制被測絲杠與傳感器相對運動的距離。這樣做，一方面可以方便工作論文人員的測量，一般對滾珠絲杠的測量，我們都是要對絲杠的某一段長度進行測量（如任意100mm行程內的行程變動量，任意250mm行程內的行程變動量等等），若我們采用能夠根據已知的測量長度進行控制的運動系統(tǒng)，就可以避免工作人員對測量距離的目測，從而減輕工作人員的勞動強度。另一方面，可以準確的把握已測量的距離，避免少測量或多測量一段距離，造成測量的失效或冗余數據的產生。例如，我們要測量滾珠絲杠100mm行程內的行程變動量。若只測量了90mm的行程運動系統(tǒng)便停止工作，勢必引起測量數據的不足，造成本次測量的失敗。如果測量了150mm的行程，便會產生多余的測量數據，不但加大了系統(tǒng)的數據處理量，而且也增加了測量過程的時間，不利于測量效率的提高。（2） 系統(tǒng)應盡量滿足阿貝原則。在緒論中我們已經提出過阿貝原則，即測工件與標準尺必須處在測量方向的同一直線上。采用阿貝原則能避免一次誤差，得到較高的測量精度。如果系統(tǒng)的設計不能完全滿足阿貝原則的要求，為了減小阿貝誤差，我們可以對阿貝原則進行擴展，即在測量過程中，使測量線和基準線盡量靠近，并保證沒有角運動，即保證兩條線平行[11]。這樣，我們就應該在設計系統(tǒng)結構的時候使其盡量滿足阿貝原則。根據以上分析，我們確定以下的機械結構方案，如圖26在此系統(tǒng)中，伺服電機用來控制傳動絲杠的旋轉，從而控制移動機架帶著被測絲杠移動，移動機架下固定著橫向位移傳感器的移動端，當固定機架移動時，橫向位移傳感器也隨之移動，測量出被測絲杠的軸向位移。另外，在被測絲杠的正上方（在絲杠的軸向橫截面內），相對機架固定不動的位置安裝一個縱向位移傳感器，可以測量絲杠牙型輪廓縱向的坐標。由于可能產生測量頭的自鎖問題，具體的縱向位移傳感器機構將在本文后面的敘述中給出。夾具采用兩塊V型鐵，用上下兩塊鋼板并配以m10的螺栓加以固定，這樣的夾具可以做到對滾珠絲杠的夾持固定，有較好的定位效果。夾具示意圖如圖27。3．系統(tǒng)電路方案分析機械結構確定以后，我們就要來設計系統(tǒng)的電路方案。本課題所涉及的系統(tǒng)電路應有以下幾個模塊：傳感器數據采集及處理模塊；運動裝置控制模塊；計算機接口模塊。根據以上的分析，我們確定以下的系統(tǒng)電路框圖，如圖28。（1）傳感器數據采集及處理模塊傳感器是測量系統(tǒng)中重要的組成部分，是進行測量的直接的功能元件，在本設計中，傳感器依然起著決定性的作用。前面已經提到，在本課題的設計中，我們需要測量的主要有兩個參數，滾珠絲杠軸向截面輪廓上點的橫、縱坐標。這樣，我們就需要兩個位移傳感器，用來測量所需要的參數。另外，由于不同的傳感器輸出信號的種類不同，受到的干擾也不同，這就需要有適合的信號處理電路，以便濾去夾雜在信號中的干擾，并將有用信號提取出來提供給其他裝置進行后續(xù)的處理。具體的傳感器的選擇和信號處理電路的設計我們將在后面給出。（2）運動裝置控制模塊前面我們已經說到，為了減少工作人員工作量和提高測量的效率，測量系統(tǒng)應能夠根據已經測量的絲杠長度來控制部件運動。在測量系統(tǒng)中，我們將用步進電機控制傳動絲杠，進而使固定在移動機架上的被測絲杠沿其軸向方向運動，實現輪廓點的測量。我們可以通過控制步進電機的轉數，來控制傳動絲杠的轉數，從而得到我們所需要的被測絲杠的測量長度。（3）計算機接口模塊傳感器信號經過采集處理之后，要傳入計算機進行數據的分析，處理，計算，以得到最后的測量結果；當被測絲杠的測量長度達到要求時，計算機要輸出一個信號，停止伺服電機的轉動。這都需要一個接口模塊來連接傳感器處理電路和伺服電機控制電路。4．測量系統(tǒng)的抗干擾方案任何電子電氣設備都會受到各種各樣的外界干擾，如雷擊，電網干擾，電磁干擾等。這些干擾有些是能夠對儀器造成巨大損壞的，如雷擊，有些則會減少儀器的使用壽命，如電網的干擾，有些則會對儀器的可靠性，精度等使用性能產生不良的影響。在現代的電子電氣儀器設計中，抗干擾設計成為了極為重要的一環(huán)，抗干擾設計的優(yōu)劣直接影響到電子電氣儀器的安全性，使用壽命，使用性能等眾多方面的能力。在本課題中設計的絲杠測量儀同樣也使用了電子器件，另外，由于本課題設計的絲杠測量儀可能會使用在干擾源更多更復雜的工廠中，因此抗干擾方案同樣是不可或缺的。5．算法方案從傳感器來的數據僅僅是單個輪廓點相對于設定的虛擬坐標系的坐標值，僅僅憑借這些坐標值是不能夠得到不同母線上的螺距誤差的，這里，我們可以采用些圖象處理的思想，將離散的單一的輪廓點用數值計算的方法，擬合出輪廓曲線，形成分段的函數方程，這樣就可以求解出實際中的滾珠絲杠n個螺距值。再根據測量長度中包含的螺距的數量，得到標準絲杠的螺距值，兩值相減就可以得到n個螺距的誤差。另外，由于安裝或制造可能產生誤差，在設計中也要進行軟、硬件的誤差補償。第2章 系統(tǒng)測量元件與運動元件的選擇測控系統(tǒng)是一臺測控儀器的核心，其中，測量元件又起著不可或缺的作用，正是各種測量傳感器的存在，才使得被測量（如位移，壓力，扭矩等）轉化為我們能夠采集和處理的電信號，因此傳感技術，通訊技術和計算機技術被稱為現代信息技術的三大基礎，分別構成信息技術系統(tǒng)的“感官”、“神經”和“大腦”。軸向位移傳感器在本系統(tǒng)中是用來測量被測滾珠絲杠沿其軸向方向移動的位移，作為被測量點在虛擬的二維坐標系里的x軸坐標值。此測量值經過處理采集之后，用于在計算機內進行后續(xù)的數據計算，曲線擬合，計算結果與分析。在本課題中，需要測量的軸向位移范圍根據使用情況的不同可以從十幾個毫米到300毫米，因此位移傳感器的測量范圍要滿足此要求。這里，我們要使用的是直線位移傳感器，常用的直線位移傳感器有：光柵，磁柵，容柵，球柵傳感器和感應同步器，進十年來，隨著光電子技術逐漸成為高科技產業(yè)的主導技術，各種光電子、光學相關的產品和技術如雨后春筍般不斷涌現，這就直接的成就了了光柵的迅速發(fā)展，使時光柵技術逐漸成為了位移測量（包括直線位移測量和角位移測量）主要技術。隨著數控技術和信息技術的發(fā)展，光柵傳感器也向高精度、高速度、智能化和集成化方向發(fā)展，并且特別注重產品的高質量、實用性和經濟性。2001年以來，當今世界生產光第三章系統(tǒng)測量元件與運動元件的選擇及其電路設計柵傳感器的主要廠家FAGOR，三豐（MITUTOYO）、雙葉（UFTABA）逐漸走向一致的規(guī)范?，F在生產磁柵的SONY、球柵的NEWALL也將應用參數向光柵靠攏。本測量系統(tǒng)采用中科院長春光學精密機械研究所研制的光柵傳感器。利用光柵傳感器將位移量轉換成電信號并由數顯表內可逆計數器產生的BCD碼，可通過LED數碼管顯示移動機架的位移量，通過I/O卡可將可逆計數器上的BCD碼讀入計算機，經過轉換后送入數據處理程序子模塊。從精度、分辨率、經濟性、可靠性等方面考慮，我們決定采用光柵傳感器，它是以高精度光柵作為檢測元件的精密測量裝置，優(yōu)點是測量值數字化顯示、精度高、穩(wěn)定可靠和抗干擾強。并可與北京中科恒業(yè)中自技術有限公司研制開發(fā)的GS8220系列數顯表（新型）雙坐標光柵數顯表配套使用，組成高精度數字化測量儀器。1．光柵傳感器主要技術參數如下：量程：500mm；柵距：(50線對/毫米)；精度：177。；相應速度：25米/分；工作溫度：0o C~40oC；輸出信號：相位依次相差90o幅值大于500mv的二路或四路正弦信號；參考標記：間隔50毫米；全量程位置任意一點；設絕對位置參考點（ABS）。2．光柵數顯表由于光柵傳感器輸出的是四路正弦信號，，所以必須對光柵傳感器信號進行細分、整形、辨向等處理。本論文中采用的是北京中科恒業(yè)中自技術有限公司生產的GS8220系列數顯表。它全部由硬件組成，信息處理速度快，允許輸入正弦頻率到50KHz，可直接配接具有正弦波或TTL方波輸出的光柵尺，數顯表的長度分辨率（步距）取決于其倍頻數和光柵的柵距。表21正弦波輸入信號的傳感器引腳插頭號123456789功能0176。180176。+5V0V90176。270176。ABS空屏蔽接具有正弦波或TTL方波輸出的光柵尺，數顯表的長度分辨率（步距）取決于其倍頻數和光柵的柵距為： (21)它把光柵傳感器輸入的的相位依次差90o的正弦信號，通過放大、整形、鑒向后，由可逆計數器產生BCD碼，并用LED數碼管顯示相對位移量，與傳感器的連接和信號采用九芯插座連接，見表31所示。通過此數顯表的連接，一方面我們可以直接從數顯表的LED數碼顯示管處直接讀得相對的位移量，另一方面，其內部的細分、整形、辨向處理功能節(jié)省了設計制作數據采集處理電路的工作，由于是專業(yè)化的設計和生產，所以其抗干擾能力和數據處理能力比較強。本課題中，縱向位移傳感器用來測量輪廓點的縱向相對坐標，以進行后續(xù)的數據處理。要求傳感器有足夠的測量范圍和精度，抗干擾能力強，數據采集方便，數據處理電路簡單。電感傳感器是一種建立在電磁感應基礎上，利用線圈的自感或互感的變化原理來實現非電量電測量的傳感器。傳感器測頭檢測到被測物體的位移，通過測桿帶動銜鐵產生移動，從而使線圈的電感或互感系數產生變化，自感或互感信號在通過引線接入測量電路進行測量。電感傳感器本身是互感系數可變的變壓器，當一次測線圈接入激勵電源以后，二次線圈就將感應產生的電壓輸出?；ジ凶兓瘯r，輸出電壓將做相應的變化，這就是電感位移傳感器的基本原理。該位移傳感器采用中國水利水電科學研究院開發(fā)的高精度傳感器，位移測量范圍177。2mm，%，測量精度177。，額定信號輸出177。5V，工作電源177。9V。外型尺寸90хΦ15，該位移傳感器輸出信號紋波干擾很低，并備有15位BCD[8421]串行數字數顯裝置，但由于我們選用486機型作為控制機，如再選用數顯裝置既不經濟，又增加了處理環(huán)節(jié)，所以我們改用TLC7135雙重積分型A/D板把模擬信號轉化為數字信號直接供計算機處理。被測工件可能存在表面質量問題，所獲得的采樣值可能發(fā)生突變，影響數據處理的準確率，本文采用中值濾波技術以克服這些尖點的突變影響，中值濾波對于緩慢變化的信號中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好的抑制作用。電感位移傳感器使用TLC7135型A/D轉換板，TLC7135有BCD和STB選通信號輸出，與單片機接口十分方便，而利用TLC7135的“Busy”端，只要兩個I/O接口和單片機內部一個定時器就可把TLC7135的數據送入單片機。TLC7135的轉換周期分為三個階段：1．自動調零階段；2．被測電壓積分階段；3．對基準電壓進行反積分階段。以輸入電壓Vx為例，TLC7135的“Busy”輸出端高電平寬度等于積分和反積分時間之和，TLC內部規(guī)定積分時間固定為10000個時鐘脈沖時間，反積分時間長度與被測電壓的大小成比例。利用單片機內部的計數器對TLC7135的時鐘脈沖計數，利用“Busy”作為計數器門控制信號，計數器以方式“1”工作，定時器控制位置為“1”，這時計數器只能在“Busy”為高電平時計數，將這段“Busy”高電平時間內計數器數值減去10000，其余數便是等于被測電壓的數值，POL端口是輸入電壓極性位，“1”為正電壓，“0”為負電壓。論文轉換電壓公式為： （22）在A/D卡主電路圖中。在不執(zhí)行MOVX指令的情況下，，供給TLC7135的示眾輸入端。選用這一轉換頻率，一方面照顧TLC7135的轉換精度，另一方面為了盡量少的占用AT89C52的資源。圖中單片機的P10口用于啟動A/D芯片的采樣，P16則用于接收A/D芯片采樣電壓的極性。在本課題中，電感位移傳感器是要測量絲杠牙型輪廓，故電感傳感器的測量頭必須能夠充分的接觸絲杠牙型的各個點，另外，由于是接觸式的測量，傳感器的測量頭的結構要能夠耐磨損。除了滿足以上的要求以外，測量頭的形狀也要在后續(xù)的數據處理中能夠易于補償，所以電感位移傳感器測量頭即不能采用易磨損的尖頂，也不應該使用不易于形狀補償的平底，在本課題中使用的電感位移傳感器采用球型測量頭。使用耐磨、具有一定剛度的材料以及尺寸大小合適的球型測量頭既可以充分的測量到絲杠牙型的各個位置，又不易于磨損，并且，在后續(xù)的數據處理，算法設計中更容易進行補償。電感位移傳感器模擬量輸出范圍5V到+5V，而TCL7135模擬量的輸入范圍為2V到+2V，為了使傳感器電路與轉換電路相匹配，電感位移傳感器輸出量經過反向放大電路轉換成TLC7135能接受的電壓量才能進行滿量程轉換，電壓轉換公式為