深孔测径系统设计

I 摘 要 深孔测径是几何测量中的一项重要内容。 工业生产中，为了保证深孔类产品的质量，不仅需要对其外径进行检测，同时也需要对其内径进行检测，以便能及时对设备做出调整，保证产品符合生产要求。 本文主要以深孔内径检测为研究对象，首 先通过阅读孔径测量相关参考文献，了解了孔径测量的相关技术手段以及国内外的发展状况。随后对深孔的特点和生产工艺要求进行了概述，通过分析各种测量技术手段的特点和存在的弊端，并结合深孔测径的实际相关性，提出采用无线传输技术来实现深孔测径中测量数据的传输。 根据深孔测径技术中存在测量精度低、抗 干扰能力差、数据有线传输、测量方式复杂等特点，提出了一套基于无线传输深孔测径系统的设计方案。测量系统分为上位机和下位机（测量头）两部分。下位机作为测量部分，将测量得到的深孔内径值以无线的方式发送到上位机，上位机实时显 示内径测量值。下位机对内径的测量，以线性差动式位移传感器 为实现微位移测量的主要 传感器，对被测深孔采用四路同时测量，即测量水平 垂直四个方向，信号调理芯片 现传感器输出信号的转换，将非电量信息转换为电信号，通过 处理，将得到的数据以无线的方式发送出去。测量头采用边测量边旋转的方式前进。为了提高测量精度，对整个测径系统进行了详细的理论分析，总结了影响测量系统的误差来源，并针对出现的误差做出了相应的处理，通过对软件和 硬件的改进，提高了系统的测量精度。 最后，采用 动测量台架和传感器组成的标定系统，对不同厚度的标准样片进行测量，通过对测量结果的分 析可知，系统测量精度完全达到深孔测量标准，而且系统具有测量精度高、稳定 性和重复性好等特点，满足深孔测量要求，达到了设计目的。 关键词：深孔测径；无线传输技术；微位移测量； is an of In in to of we to its its in a to is on by a of in s of of of of so is to s to a on is as as of by to as to to it to an PU by To to 目 录 摘 要 . I . 文献综述 . 1 论 . 1 题研究背景和意义 . 2 线数据传输概述 . 2 径测量手段和技术发展状况 . 5 内外孔径测量新技术 . 7 章小结 . 8 2 深孔测径概述 . 8 孔测径工艺要求 . 8 前存在问题及测量方法选择 . 9 前存在问题 . 9 量方法选择 . 9 题研究内容与系统设计原则 . 10 题研究内容 . 10 统总体设计原则 . 11 径系统主要性能指标及使用条件 . 12 术性能指标 . 12 用条件 . 12 章小结 . 12 3 无线深孔测径系统总体设计方案 . 13 径系统功能 . 13 件电路功能 . 13 件系统功能 . 14 统总体设计方案 . 14 径系统组成 . 14 径系统工作原理 . 15 章总结 . 16 4 测径系统各功能模块介绍 . 17 感器模块 . 17 动式位移传感器介绍 . 18 势及特点 . 24 绍 . 25 应用 . 28 理器模块 . 31 2 据传输模块 . 32 据接收显示模块 . 34 头行进距离测量模块 . 35 源模块电路及系统其它主要接口电路 . 36 件设计 . 38 位机流程图 . 38 位机流程图 . 41 章总结 . 42 5 系统抗干扰设计和误差来源分析 . 42 统抗干扰设计 . 42 路元器件选择 . 42 统电路布局 . 43 路布线 . 44 径系统数据误差处理 . 44 差来源分析 . 45 机误差处理 . 46 统误差处理 . 47 验结果验证 . 48 章小结 . 50 6 总结与展望 . 51 结 . 51 望 . 51 参 考 文 献 . 52 附录 A 信号调理电路原理图 . 55 附录 B 测径系统硬件平台 . 56 附录 C 各模块程序代码 . 57 在学研究成果 . 63 致 谢 . 64 - 1 - 1 文献综述 论 在现代测量技术中，孔径测量不仅是长 度测量的一个关键技术，同时也是几何测量中的一项重要内容。伴随着自 然科学技术和工业自动化生 产水平高度发展的现代化今天，机械加工水平的高低与测量技术的精密性是密不可分的。 在机械加工业中，通常最常见的零件加 工比如有内圆、内孔等，且此类零件加工的数量一般也较多。目前，为了提高和实现零部件的 加工精度可以采用现代加工设备与加工工艺，但是检测方面一直存在着与加工技术相脱 离的情况，尤其是较小孔径内尺寸的测量。轴承类零件与孔径类零件相比，虽然它们的 公差等级相同，但测量难度还是比较大，其原因主要有测量仪器受活动空间限制、操作 调整不方便、测量速度较慢，尤其对盲孔、小孔或深孔等难度更大。对于一般孔径的测 量，可以借助一些孔径测量工具，通过直接测量来获得孔径参数，但对于深度较大且孔 内带有特殊结构的这类孔径，在测量过程中，不仅需要对其外直径进行检测，而且还要检测内径1，比如火炮的炮管2，其内部具有来复线结构。除此之外，对于像精密阀套 类零件，为了满足器件之间高精度配合间隙，需要精度要求很高的内径测量，以满足器 件间的准确对接，比如天宫一号与神州八号飞船的准确对接。 测量方法也从传统的直接测量转变到间 接测量，最后到现在的综合测量等，在原来一些比较落后的测量器具基础之上，出现了较为先 进的机械和电子相结合，甚至是光、机、电三者结合的现代化水平较高的测量器具。然 而现代化的电子技术测量仪器在当今的测量器具中起着不可比拟的作用。尤其是重要传 感器的使用，把非电量测量信息转换为电量信息进行测量，这已经是现代测量技术未来 发展的方向。对于深孔内径测量技术的要求，已经不只是局限于传统的测量技术。随着 科学技术的不断发展，目前已经融合了像光电检测技术、嵌入式系统的应用、无线数据传输等诸多技术 。 随着现代工业的发展和超高精密仪器的 制造，深孔的加工尺寸精度已达到微米级甚至更高级别，而且大多数为盲孔或者深小孔，对其 检测的要求也在不断的提高以满足生产要求，但通常会受到测量仪器的体积或是器件活 动空间的限制，有时环境因素也是限制测量精度的一个重要因素，再加上深孔内部结构 的复杂性，对其进行准确测量一直是该领域的重大难题。 - 2 - 题研究背景和意义 随着我们国家对航空工业、国防工业、 机械工业发展力度的不断加大，尤其是近几年航空工业的发展，对一些具有较小尺寸的深孔类 零件或嵌套类零件的加工提出高精密的要求，与之相应的也对其检测精度提出了更高的 要求。随之测量技术在一定程度上也得到了很大的进步，尤其是伴随着大规模、超大规 模集成电路制造工艺技术和电子科学技术的进一步提高，使得测量手段、方法、几何测 量器具向着高自动化、高精度、高效率、动态检测和数字化自动显示的方向迅猛发展。 在传统机械制造方面，最初最简单的测量工具刻度尺从测量精度只有 l 后来的螺旋测微仪和游标卡尺，将测量的精度提高到了 有就是把测量长度基准量块化，使检测精度达到微米级以上。但是这些 测量方法和手段都是接触式测量，测量效率比较低、测量精度也不是很高。为了适应现 在己经变化很大的市场需求，制造业正在加大力度开发一些科技含量高和附加利润较高 的产品。对这些产品开发的过程中，检测技术发挥着非常重要的作用，尤其是我们经常 会遇到的一些超精密轴承类器件内径的测量3，比如燃油调节器、航空液压泵、液 压阀、动力转向器等核心零部件，它们质量的高低对整机性能有着很大的影响。目前，由于 生产技术的不断发展和提高，对于所采用测量方法的测量效率、测量精度、测量仪自动 化水平的要求也越来越严格。比如，数控机床的加工中，使用光栅尺作为长度的测量器 具，不仅提高了测量精度，并且实现了自动化，大大提升了机械制造效率。还有比如在 其它的一些检测方面，传统的方法和检测手段已经很难适应现在新技 术要求，如曲面内表面不规则轮廓4,5、微小尺寸、孔距等高精度的测量。其中有的己经是传统方法和检 测手段无法解决的难题，有的还很难解决速度与精度相矛盾的问题。因此，对于探索新 的方法和检测手段，具有十分重要的研究意义。 对于现代化技术含量较高的测量仪器， 虽然它的测量精度很高，但由于会受到成本和测量参数比较单一的限制，以及对于环境的要求 较为特殊，使用范围也在一定的程度上受到限制，这就要求设计一个操作简单、使用范 围广、性价比高、精度高、性能稳定的测量仪器，这也是本课题的研究的目的及意义所在。 线数据传输概述 目前，随着信息化的日益发展，它的基 础和支持离不开信息的传递，从原始的烽火台、驿站直到今天现代化的信息传输。在国防、现 代化生产中，现代信息传输技术已经成为先进的生产力和战斗力，随着无线技术、通信 和现代计算机技术的相互融合，无线通信技术在有线通信的基础上也逐渐发展起来并逐 步走向成熟，它具有很多的优势是有 - 3 - 线技术无法比拟的，比如灵活方便、可移动、快捷 和安全等，其应用领域也在逐步的扩大，比如，工厂自动化控制、环境的监测、汽车电子等。 单片机与上位机之间的通信在某些特定 的场合中也不再采用有线数据传输，一般有线传输都是采用串行总线或者 并行总线进行传输，比如， 线等，取而代之的是无线数据传输，避免了有线传输在一些场合 的局限和不便，省去更多的麻烦，节约人力物力和投资成本，比如，无线测距仪、无线 矿山勘探仪。尤其是在现代军事领域中无线通信技术是信息传输的 主要手段，在战略和战术指 挥上都发挥着十分重要的作用。对一些实时目标的跟踪、识别、探测以及及时 作战命令的下达等都是通过信息系统来实现的。随着无线技术的不断发展，它的成本也 越来越低、应用领域越来越广泛，而且具有很好的适应性和较强的可扩展性，设备维护 也较容易实现等优势，在某些场合完全可以克服有线传输的弊端。 无线数据传输技术已经运用到我们 生活的各个领域，比如熟悉的 3G 无线数据传输、 牙、无线局域网 红外等短距离无线传输技术，还有具有大规模开发潜力的近距离无线技术，比如 距通信 ，它们各有千秋。目前， 输技术在国内得到较广泛的应用，它是一种基于 ，低功耗为最大优势，数据传输速率从 20 250合传送一些数据量比较低的信息，如指令、语音、文字等。 1、 （ 它是一种以 统为基础的无线分组交换技术，支持特定的点对点 、一点对多点的数据服务， 数据传输采用“分组”的形式， 值速率超过 100 s，能快速的与 接。 网简单方便，使用相应的 块及其配件，直接和带有 口的监测设备相连，采用透明的数据传输方式和中心 数据服务器进行数据的交换，具有运行可靠、实时性强、费用低、误码率低等特点。 以为用户提供一种成本较低且高效的无线数据分组业务，尤其在一些突发性的、 间断的、比较频繁的以及数据传输量少的场合特别适用，有时也用于传输一些较大数据 量场合，提供在端到端分组的模式下发送数据和接收数据，而不需要占用网络资源，其发展的优势如下： （ 1）移动电话市场的转变，给 展带来广阔的发展机遇。 （ 2）全球移动用户达 之多， 上用户占将近 40%左右，而且 的升级。 （ 3） 据数据流量收费，不用拨号即可随时接入互联网，随时与网络保持联系，资源利用率高。 - 4 - （ 4） 以认为是第二代移动通信技术向第三代技术过渡的一个最佳中间方案。 2、蓝牙（ 它是一种支持设备在短距离内进行数 据无线传输的技术，一般距离在 10m 之内，实现设备之间进行无线信息的交换。在移动电 话、笔记本电脑、无线耳机、 相关外设应用较多。 蓝牙技术的使用，在简化设备之间的通信，比 如在移动通信设备终端与 间连接的设备等能够有效的简化，从而提高了数据 传输的效率，同时也加快了无线通信技术的发展。它采用 作在 带，带宽为 1Mb/s，支持点对点、一点对多点的全双工传输通信技术。其优势为： （ 1）全球可用。全球的电子生产厂商都在其开发的产品中融合蓝牙技术，实现数据传输，它运行在全球免费频段 段，该波段是一种不需要申请的免费波段。也正是此原因，使用 术不需要支付任何费用。 （ 2）使用范围广。自从蓝牙技术推广以来，就得到了广泛的应用，现在很多电子产品中都集成该技术，手机、 无线耳机、医疗设备、汽车 等。由于它的体积小、功耗低、成本低等特点也就决定了此技术能很方便的嵌入到各种微小设备中。 （ 3）全球通用规格。蓝牙技术采用国际安全无线标准，通过资格认证程序可以测试产品是否符合蓝牙使用标准。 3、 术 术是目前发展较快且具有广阔前景的新型无线传输技术之一，由于它的众多优势，在同行业具有很大的发展空间，比如数 据传输安全可靠、缓冲容量较大、组网方便。同时在产品开发时必须考虑到产品的性价 比、功耗等因素，而它的设备成本较低、工作省电（不工作时处于休眠状态），也是这 次设计考虑的因素之一。将来在自动控制领域中它的优势会越来越明显，但是又考虑到 它的低数据率传输和使用范围较小的缺点，这又决定了它只能适用于一些 对传输数据速度较慢的业务，目前， 要在一些楼宇控制、汽车和农业自动化以及医用设备等的控制领域中应用较多。 传输距离在 70 到 300 公尺内，传输距离对耗电量影响极深， 备的天线愈长、讯号传输距离愈远、耗电量也就愈高；支持 64000 个节点数量，适合节点数量多、大面积的应用环境；支持多样 性的网络拓扑架构，目前 持的网络拓扑架构包括星状（ 丛集树 （ 网状（ 种。 由于 功耗和数据传输速率较低，在监视和无线传感网中广泛使用，本次设计在综合考虑测量仪的体积 、设备的成本、传输数据量 的大小、电源模块等几个因 - 5 - 素，以及比较各种无线 传输技术，最终使用 线模块作为本次设计的数据无线传输模块。 径测量手段和技术发展状况 孔径直径的测量一直是长度测量技术中 的主要内容之一，对于孔径直径的测量，根据获取结果方式的不同，可分为间接测量法、直接 测量法、综合测量法等。根据传感器与被测器件的接触与否可以分为接触法测量和非接 触法测量两种。而对于小孔的接触式测量方法中坐标测量方法是最具代表性，小孔的非 接式测量方法有像点瞄准法和光学方法等。除此之外，也出现了同时具备非接触式测量法和接触式测量法特点的测量技术 光纤式孔径测量法，下面是几种测量方法的具体介绍： （ 1）机械测量8,9机械测量是采用比如我们常用的一些测 量工具，通过测量器具的机械传动来达到测量的目的。根据被测器件的精度等级要求、数量的 多少和尺寸的大小等需求来选取合适的测量仪器，可以使用通用测 量工具或专用的测量工具， 比如游标卡尺、内径测微仪等。 以上测量器具的优点是成本较低、结构 较为简单、性能较为稳定、便于携带、受环境的影响较小等特点。缺点是通常需要人工进行手 动调整，目测测量结果，很难实现高精度测量，而且自动化水平也很低，目前具有数字 指示的电子卡尺，其精度也不太高、测量时受机械惯性的影响，动作比较迟缓，不适合动态测量。 （ 2）坐标测量机 三坐标测量机 三坐标测量机是指在三维直角坐标系中 测量长度的仪器，它是一种光机电相结合的高精密测量仪，是集最先进的导航技术、测头技术 、定位技术、测长技术为一体测量仪器，也是各种技术综合应用的典范，在三维直角坐 标系统内测量长度的仪器，一般配有计算机进行操作控制以及进行数据处理，通过对被测孔径的扫描完成测量，图 出的是典型的三坐标测量机。 - 6 - 图 三坐标测量机 三坐标测量机测量原理是通常采用三个点定一个圆的方法，通过测量被测孔圆周外表面或内表面上任意三点的坐标值，然后根据方程式 220x y y C（式 求出系数 A、 B、 C，即可按计算公式求得被测孔径 的直径。目前所使用的高精度三坐标测量机对孔径测量重复性可以达到 00辨率 （ 3）光学放大法 光学放大法是一种出现较早的非接触式 测量方法，其基本原理就是通过光学放大成像的原理，实现对小孔测量，比如通过使用 400 倍的光学放大装置，可以检验 38电子显微镜可以把被测器件放大 100000 倍后照相，然后通过对图像进行处理，但是光学放大法只是能测量一些孔表面信息， 不能测量孔深处尺寸的大小，如果要想获得孔相关参数的测量信息，需通过采用其它措 施，使用这种方法时，对于孔端面存在的杂物、任何毛刺、边缘缺陷等都会影响测量结 果。同时受到孔边缘的衍射效应，也会对测量结果产生不利影响。 （ 4）电动量仪 电动量仪是指把被测量（角位移或直线位移） 的变化转换为电信号，经过电路放大、运算处理后，通过显示或者控制执行机构进行 动作，完成测量的目的。它一般是由传感器、测量电路和显示执行机构等三部分组成。 电动测微仪按传感器原理可以分为电容式、电感式、光电式、点接触式，目前使用较多 的是电容、电感测微仪，虽然它们的测量精度以及抗干扰能力比以前有了很大的提高， 但仍然存在测量精度受材料和外界环境的干扰。 圆度仪是测量回转体零件圆度误差的仪 器，通过最小二乘拟合算法来获得直径值。从结构上可以分为旋转传感器式、旋转工作台式。 使用该仪器在进行测量时，首先要调 - 7 - 整被测工件轴线，使其与主轴的轴线同心，当主轴 在转动时，传感器测头随主轴一起绕被测器件转动，将被测器件垂直于轴线的截面实际 轮廓转换为电信号，再经过电路处理后送入到记录器，经记录器绘出被测零件的轮廓图 形，即可作为圆度误差的评定，但是它的缺点是主轴回转和弹性变形存在误差。 内外孔径测量新技术 国内外对于孔径的测量技术一直都在不 断的进行研究和探索，同时也取得了较大的成果，其主要目的就是通过对现有的测量仪器 进行改进，提高测量仪器的测量精度10和测量效率。 目前，对于把数字图像处理技术应用到 几何量的测量，实现高精密测量已经相对成熟，比如美国的 国的 及英国的 公司己经生产出采用为测头的非接触式测量机 ，它们都是采用光学成像和计 算机图像处理技术相结合，从而实现在几何测量中高精度的测量。图像处 理技术就是通过在测量时把被测对象的图像当作信息传递和检 测的载体或者手段，采用 像机作为被测器件的测量头，其作用就像是照相机的胶片，它是把图像的像 素转换为数字信号，它上面有很多排列整齐的电容，通过对光信号的感应，将影像转变 为数字信号，经过外部电路控制，每个小电容可以将其所带的电信号转给其周围相邻的 电容，图像处理的目的是从已获得的图像中提取有用信号，分析并计算出最终期望得到 的被测参数。这项技术在我们国内的研究还不是很成熟，还没能实现产品化。采用 像的原理，测量精度也可以得到微米级别，量程从几微米、几 厘米甚至可以达到几百厘米 ，目前日本佳能公司生产的径系统量程可以满足 8m 到 115测量范围；美国的 司生产的激光扫描测试系统11量程可以达到 50度在 范围内。 目前，一种新型的专门用来测量孔径的 测量仪器光电塞规使用也较为广泛，它主要由三部分组成，分别是数据显示装置、塞规测量头 、光电传感装置等三个主要部分。其主要特点就是将光电测量技术应用到孔径测量上， 它的测量精度、测量效率以及功能都远远的超过了传统塞规。 电塞规，它是以光纤传感器作为主测量装置，它由接收光纤、发射光纤两部分组成，采用光的反射原理，通过测量被测 器件与接收光纤位移的相对变化，而光强度也会随着接收光纤通过接收到物体外表面反 射光强弱发生变化，最终得到被测物体的位移。 现在新式的气动量仪已经实现数字化，比如在 国外，美国爱德蒙得公司、日本的司，在国内，思科博公司，它们生产的气动量仪不仅精度高，而且采用数字化测量。智能化的数字气动量仪也已经出现，其特 点是具有报警功能，当测量被测器件 - 8 - 的公差范围超出了仪器的预设值时会自动报警，同 时对于测量结果可以通过总线传输到计算机进行存储或者打印，自动化程度较高。 章小结 本章主要通过查阅大量有关孔径测量文 献，了解孔径测量相关技术手段，并对常用测量方法中接触式测量和非接 触式测量进行了简单的论述 ，为后续设计方案提供了参考。对无线传输技术和国内外孔径测量技术的发展状况进行了相关的介绍。 - 8 - 2 深孔测径概述 在当今的工业化生产中，为了确保生产 出来的深孔类产品质量符合生产要求，需要对产品的规格进行检测，包括外径的检测和内径的 检测，尤其是深孔类产品的内外径，这对于保证产品质量、节约材料、成本的降低具有 一定的实际作用。但是对于一些使用在特殊场合的钢管类产品中，其内部往往具有特殊 结构，对内径尺寸的精度要求较高，对其测量的难度也比较大，因此进行高精度测量此 类产品的内径已经是很重要的一个研究内容。 深孔的特点是，纵向深度较长，管径较 小，内部结构一般分为光镗式结构和来复线结构两种，如图 示，左边为光镗结构，右边为来复线结构。例如火炮的炮管12内部结构就较为特殊， 内部通常为来复线结构 ，因此检测炮管内径13存在一定的困难。本次设计就是专门针对火炮（主要是光镗管）这一 类深