（机械电子工程专业论文）基于usb的圆度检测系统的研究及开发.pdf

卜海大学硕士研究生学位论文 摘要 随着微电子技术和计算机技术的快速发展，圆度检测仪器发生了根本性的变 革，从传统的记录轮廓，人工评定的方式以飞快的速度朝高精度、多功能、小型 化、智能化、网络化的方向迅猛发展。回转零件是生产中应用广泛的一类零件， 研究开发基于回转体零件的测量设备意义重大。国产y d 2 0 0 a 型圆度仪是目前国 内回转体零件圆度误差的主要测量仪器，本课题以y d 2 0 0 a 型圆度仪为平台，展 开圆度检测技术的研究。 本文首先对圆度测量系统的工作原理进行了研究，在此基础上分析了 y d 2 0 0 a 型圆度仪的优缺点，并结合现代测量仪器的发展趋势，给出了一个基于 “p c + u s b + m c u ”体系的系统改造方案。接下来对系统的硬件部分的设计展开 详细的论述，对关键部件( 如传感器、m c u 、a d 等) 的选型进行了分析，并 就硬件设计中的两个关键模块：数据采集控制卡( 包括传感器转换电路、信号调 理电路，a d 转换电路等) 和u s b 接口电路的设计进行了详细的阐述。其次 对系统的软件设计进行了介绍，着重阐述了u s b 设备的固件设计、驱动程序及 其相应的安装程序的开发和主机( p c 机) 应用程序的设计。最后分析了形成圆 度测量系统误差的各种因素，给出了消除各种误差的方法；剖析了国标规定的圆 度误差评定的四种方法及其判别准则，研究开发了用计算机实现圆度误差评定的 算法，给出了数学模型以及程序实现框图。 用本论文设计的圆度检测仪对工件的圆度误差进行了实际测试，结果表明： 与传统圆度测量仪器相比，本系统不仅精度较高、可靠性高、稳定性好、成本相 对低廉，而且实现了测量过程的自动化、智能化和可视化，方便了用户的操作， 提高了测试效率。 关键词：圆度误差智能化数据采集u s b 固件 v 上海大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c ss c i e n c ea n dc o m p u t e rs c i e n c eh a s b r o u g h ta b o u tan e wr e v o l u t i o n a r yc h a n g ei nt h er o u n d n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n t t h ed e s i g no ft h er o u n d n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n ti st e n d i n gt ob eh i g hp r e c i s i o n ， m u i t i f u n c t i o n ，m i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e l l i g e n c ea n dn e t w o r ki n s t e a do ft h et r a d i t i o n a l m o d ew h i c ht h er o u n d n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n tr e c o r d st h er o u n d e r r o rm e s s a g eb y t h er e c o r d e r , j u d g e st h er o u n d e r r o rv a l u eb yh u m a n - a i m r e v o l u t i o na c c e s s o r yi s w i d e l yu s e di nm o d e mi n d u s t r y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm e a s u r i n gi n s t r u m e n t f o rt h i sk i n dp r o d u c ti sg r e a ts i g n i f i c a n c e ，n o wt h ey d 2 0 0 ai st h em a i nr o u n d n e s s m e a s u r i n gi n s t r u m e n ti no u rc o u n t r y s ot h i sp a p e rp r e s e n t sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o nr o u n d n e s st e s t i n gt e c h n i q u eb a s eo nt h ey d 2 0 0 a f i r s t l y , b a s e do nt h er e s e a r c ho nt h er o u n d n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n tw o r k p r i n c i p l e ，t h ea n t h o rm a k e sag e n e r a la n a l y s i so f t h et r a d i t i o n a ly d 2 0 0 ar o u n d n e s s t e s t e r , p o i n t so u tt h es t r o n g p o i n ta n dw e a k n e s so ft h i sm e a s u r i n gi n s t m m e n t ，a n d i n v e s t i g a t e st h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h em o d e mm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，t h u so f f e r sa r e n o v a t i o np l a nw h i c hi sb a s e do n “p c + u s b + m c u ”t h e nt h ed i s s e r t a t i o ne x p o u n d s t h eh a r d w a r ed e s i g no fs y s t e mw h i c hi n c l u d e st h es e l e c t i o no fk e yp a r t s ，s u c ha s s e n s o r ，m c u ，a da n ds oo n ；t h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lc a r d c o m p o s e do fs e n s o rt r a n s f o r mc i r c u i t ，s i g n a l sp r o c e s s i n gc i r c u i t ，a dt r a n s f o r mc i r c u i t a n ds oo n ；t h ed e s i g no fu s bi n t e r f a c ec i r c u i t f u r t h e r m o r et h ed i s s e r t a t i o n a l s o e x p o u n d st h es o f t w a r ed e s i g nw h i c hi n c l u d e st h ed e v e l o p m e n to ft h eu s bd e v i c e f i r m w a r e ；t h ed e s i g no ft h eu s bd e v i c ed r i v e rp r o g r a ma sw e l la st h ei n s t a l l e df i l e ； t h ed e v e l o p m e n to ft h ec l i e n ts o f t w a r eb a s eo np c f i n a l l yt h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e s v a r i o u sf a c t o r st h a tp r o d u c et h es y s t e me r r o ra n dp r o v i d e st h et e c h n i q u e sf o rr e d u c i n g t h ee n o lt h ed i s s e r t a t i o na l s oa n a l y z e sf o u rm e t h o d sf o re v a l u a t i n gr o u n d n e s se r r o r a sw e l la st h e i rb a s i cp r i n c i p l e so r d e r e db yg b ，s t u d i e st h o s em e t h o d sf o re v a l u a t i n g r o u n d n e s se r r o rt h r o u g hc o m p u t e r sa n dc o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i n gm e t h o d s ，p r o v i d e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dp r o g r a mb l o c kc h a r t t h er o u n d n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n td e s i g n e di nt h ep a p e ri su s e df o rp r a c t i c a l t e s to ft h es t a n d a r dp i e c e s t h er e s u l t ss h o wt h a t ，i nc o m p a r i s o nw i t ht h et r a d i t i o n a l m e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，t h i sn e wi n s t r u m e n tp o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e s ，n o to n l yi ni t s h i g hp r e c i s i o n ，w e l lr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , l o wc o s t ，b u ta l s oi nt h ea u t o m a t i o n ， i n t e l l i g e n c ea n dv i s u a l i z a t i o no fi t st e s t i n gp r o c e s s m o r e o v e r , i ta l o so f f e r sf r i e n d l y o p e r a t i o ni n t e r f a c ea n dg r e a t l yi n c r e a s e st e s t i n ge f f i c i e n c y k e y w o r d ：r o u n d n e s se r r o r , i n t e l l i g e n c e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，u s b ，f i r m w a r e 上海大学硕= l 研究生学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 奎卫导师签名：匹阻日期：叫 i i 上海大学硕士研究生学位论文 1 。1 课题背景和来源 第一章绪论 检测仪器是科学研究、技术开发和生产质量控制的重要设备，是获取信息的 工具和源头。随着科学技术的不断发展，对检测仪器的性能要求也越来越高，检 测仪器也就在不断的发展更新。 9 0 年代以来，微电子技术、计算机技术、精密机械技术、特种加工技术等 高新技术获得了迅猛的发展。一方面，这一背景和形势不断地向检测仪器提出了 更高、更新、更多的要求。一些传统的检测仪器，尤其是一些模拟电子仪器和数 字电子仪器，由于其数据处理能力较弱，因而其功能一般比较简单，精度低，响 应速度慢，已经不能满足测量的要求。另一方面，这些高新技术，也为检测仪器 的发展提供了强大的推动力，为其进一步发展提供了技术基础。特别是微电子技 术和计算机技术，引起了检测仪器结构的根本性变革，并由此出现了智能化检测 仪器，也称为智能仪器。 智能仪器是计算机技术向测量仪器移植的产物，是一种含有微型计算机或微 处理器的测量仪器【1 i 。由于智能仪器大多采用了嵌入式微处理器，从而可以依靠 软件解决以前采用硬件逻辑很难解决的问题；同时由于具有数据处理、存储等能 力，智能仪器可以进一步提高仪器的性能指标；另外由于整个测量过程都可以用 微处理器控制操作，如量程选择，数据采集、数据传输、数据处理以及显示打印 等，从而实现测量过程的全部自动化；与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器 的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的 操作更加方便、直观。可以说智能化仪器不仅解决了传统仪器不易解决或不能解 决的问题，还能简化仪器电路，提高仪表可靠性，更容易实现高精度、高性能、 多功能的目的。因此智能仪器已经成为当前电子测量中应用最普遍的一种形式， 迅速地在科研单位和工业企业中得到了广泛应用。 智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能等新兴技术与传 统的仪器仪表技术的结合，具有众多的优势，是现代仪器的发展趋势。 目前我国仪器产品的研制水平和生产水平的现状是不尽人意的，大部分的产 品处于中低档水平。据了解，目前我国高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口； 国外公司的中档产品以及许多关键的零部件占有国内6 0 以上的市场份额；而国 产分析仪器产品只占全球市场不n 2 o 的份额口】。更令人担忧的是国内智能仪器 所占的比重在1 0 以下，普及应用率低；而在国际上，随着计算机技术水平的迅 上海大学碾_ - t ：i j f 究生学位论文 猛发展，数字化、智能化、网络化的产品已经逐渐成为主流，因此差距有可能会 进一步加大，圆度检测仪器就是一个典型代表。 本课题就是在此背景下提出的，考虑到检测仪器的个性和国内圆度检测仪器 需要进行技术革新的紧迫性，上海大学与上海上量精密量仪有限公司联合进行本 课题的研究，即“y d 2 0 0 a 型圆度测量仪改进设计与实现”。其目的在于通过对 y d 2 0 0 a 型圆度测量仪的智能改造，提高我国圆度检测仪器的档次和水平，加 快高档圆度检测仪器的国产化，开发具有自主知识产权的圆度检测系统。 1 2 相关内容的研究现状 1 2 1 圆度仪的国内外研究现状 圆度仪是进行圆度误差检测的专用精密测量仪器，是航空、航天、汽车、精 密仪器仪表等行业必不可缺的测量设备。其主要用来测量零件( 轴、孔或类似零 件) 的圆度、圆柱度、同轴度或直线度误差等，一般测量误差要求在微米级到纳 米级。 在圆度误差的评定理论方面，国内许多学者的研究水平与国际水平相当，有 些研究已经处于世界领先水平。但是，在圆度测量系统的研制和对圆度误差测量 所得数据的利用等方面，就综合水平和整体实力来看，与先进国家相比仍有较大 的差距口l 。 当今圆度仪的制造技术、精度指标和产品质量最好企业当属英国的泰勒霍普 森有限公司。这家公司是全球的精密计量仪器和超精加工殴备的创新者和领导 者，也是世界上第一个发明圆度仪和粗糙度仪的世界著名的精密计量仪器制造企 业。其生产的t a y l o r 型圆度仪的应用范围最为广泛，被公认为高精度圆度仪的 标准检测仪器，但其价格十分的昂贵，在国内使用有限。目前国内使用的一些高 精度圆度检测仪器还是该公司8 0 年代的产品。 近年来，随着微电子技术和计算机技术的发展，圆度检测仪也由早期的记录 圆轮廓，采用标准模板估测向高精度、多功能、智能化、网络化的方向发展。国 外在这一方面比国内领先较多，不仅基本实现圆度仪的微机化和数字化，而且开 发出众多新型的高精度圆度测量仪。如英国泰勒霍普森公司的t a y l r o n d1 3 0 、 t a y l r o n d4 、日本三丰公司的r o u n d t e s tr a 一2 0 0 0 等。 在国内，目前研制圆度仪的厂家不少，有些已经使用了微控制器或微机【“ 5 1 。 但由于大部分厂家在数据采集、数据处理部分的设计上还是采用传统的设计思 路，没有把最新的计算机技术，如数字滤波、f f t 、总线技术等有效地应用到圆 度误差检测中来，因而研制出的圆度仪都有一个共同的特点，就是机械部分的精 上海大学硕士研究生学位论文 度较高，有的已经接近国外同类产品的水平，但由于数据采集电路、数据传输方 式、数据处理方法等因素的影响，使得整个系统的性能受到了限制，具体表现在 测量精度不高、系统稳定性不够好，功能单一。因此开发高精度、高稳定性、多 功能的智能圆度仪已成为迫切的需要。 此外，就我国目前使用的圆度仪而言，当前还有不少企业和科研机构使用的 还是七八十年代从国外进口的圆度仪，这些仪器测量主体部分到目前为止仍保持 较高精度，但数据处理部分性能落后，没有运用计算技术，其典型的不足有：计 算结果与实际测量值存在较大偏差；不能存储测量得到的数据；测量方法单一， 特别是当工件误差值较大时( 如存在毛刺) ，测量容易出现超差；测量系统的稳定 性较差、误差分辨率低、重复精度低。因此改造旧式圆度仪的数据采集处理部 分，实现计算机辅助测量，提高测量效率、测量精度和数据处理能力，有一定的 现实意义。 1 2 2u s b 技术的应用现状 如1 1 节所述，智能仪器是一种含有微型计算机或微处理器的测量仪器。作 为智能仪器核心部件的微型计算机或微处理器，其功能的强弱必然影响测量系统 的性能。 近年来，随着加工制造业对测量仪器性能要求的提高，测量仪器所要采集的 数据量也越来越大、数据处理的算法也越来越复杂。一些基于单片机的数据采集 处理系统已经不能满足测量系统的要求。相对与单片机，p c 机具有较高的数据 处理速度，较大的存储量，丰富的可利用资源，但由于其总线接口形式的一些缺 陷，限制了它在数据采集处理系统中的应用。如p c 机外置式的r s 2 3 2 、r s 4 8 5 总线，其应用的范围较广，但有传输速率较慢的缺陷；其内置式的p c i 、i s a 总 线，虽然传输速率较高，但需专门设计相应总线的测量控制版，价格较昂贵，安 装麻烦，而且受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 总线就是为了解决传统总线的不足，而推出 的- i t 新型串行通信标准 6 】。u s b 总线是1 9 9 5 年由康柏、微软、i b m 、d e c 等 公司提出的- i t 新型总线，在1 9 9 8 年投入实用，目前最高版本为u s b 2 0 ，支持 的传输速率为4 8 0 m p b s 。 经过近十年的发展，t j s b 总线技术越来越成熟，其应用范围也越来越广，在 嵌入式系统以及个人电脑的外围设备中的应用发展非常迅速。目前计算机外围设 备的市场上使用t j s b 接口的数码相机、扫描仪、移动硬盘、鼠标、键盘等设备随 处可见，但是u s b 接口在工业控制领域、数据采集系统以及智能仪器仪表中的应 用还不多见。但由于其具有众多的优点，如：利用i ) 8 1 3 接口可以实现外置式的数 上海大学硕士训f 究生学位论文 据采集卡与主机之间的通信，避免了主机内部电磁噪声对于数据采集的干扰，提 高系统可靠性和抗干扰性，从而提高系统的采样精度和稳定性；利用u s b 技术的 高传输速率，可以提高系统的数据传输和处理的效率；利用u s b 技术的拓扑结构， 可以增强系统的可扩展性，利于多点检测、远程监控和网络诊断；同时u s b 设备 又可以热拔插、即插即用，更加方便了用户的使用。相信其在这些领域具有广阔 的应用前景。 值得一提的是，应用u s b 的优势，在原来成熟仪器检测电路中加入u s b 控 制器，以p c 机作为二次仪表的开发平台，将会使仪器仪表检测技术产生质的飞 跃，可以设计出众多具有市场前途的智能仪器，这也是检测仪器的一个新的发展 方向 6 j 。 1 3 研究内容 作为国内生产研制圆度仪的著名厂家，上海上量精密量仪有限公司生产的 y d 2 0 0 a 型圆度仪的使用范围极其广泛。随着科学技术的进步，其暴露出的缺陷 也越来越明显，急需进行技术革新。 在综合分析y d 2 0 0 a 型圆度仪的优缺点的基础上，结合现代测量检测仪器的 发展趋势和计算机技术的最新发展，将从硬件、软件和误差评定算法三个方面对 y d 2 0 0 a 型圆度仪进行智能改造。其目标是在不改变原有机械结构的基础上，通 过对y d 2 0 0 系列圆度仪的数据采集处理系统的重新设计，使该系统在测量精度、 实时性和稳定性上有所提高，最终使该系统成为技术先进、性价比高、使用方便， 能够进行实时测量的高精度圆度测量系统。 具体来说，本课题主要研究内容包括以下四个部分： 1 数据采集控制卡的研制； 数据采集控制卡的主要功能是完成信号的检测和放大、滤波、整流以及相敏 检波、a d 转换等，实现检测信号从模拟量到数字量的转换，完成检测数据的采 集。由于圆度检测仪器是高精度的测量仪器，其传感器输出的采集信号非常微弱 ( 毫伏级) ，如何有效地检测这一微弱信号，并避免各种噪声的干扰，对提高系 统的精度和稳定性有着重要意义。因此，数据采集控制卡的设计是本课题的一个 重点，也是一个难点，详细内容见第三章。 2 u s b 接口的软硬件设计； u s b 接口有着其它接口所没有的众多优点，可以进行数据的高速传输，也 可以使客户方便地使用u s b 设备。但由于u s b 技术比较先进，而其协议相对比 较繁琐和难懂，因而要开发一个u s b 设备，需解决众多技术问题。如何实现u s b 接口的数据传输，完成对数据采集控制卡的实时监控和采集数据的实时回传是本 4 上海大学硕j ：- _ f i ) f 究生学位论文 课题的又一个设计难点。其硬件设计部分见3 6 节，软件实现见第四章。 3 数据处理及圆度误差的计算机评定； 要提高测量精度，提高测量效率，实现自动化测量，必须对测量过程中产出 的二f 扰信号进行有效地抑制，必须实现圆度误差的计算机评定。这也是设计中的 一个重点和难点，具体内容见第五章。 4 上位机应用软件的编制。 上位机应用软件主要用来实现人机交互操作，提供用户设置系统参数的接 口，实现采集数据的显示、分析、打印、保存等一系列功能。它是系统功能的集 成监控环境，也是设计中的个重要组成部分，具体内容见4 4 节。 1 4 研究意义 我国正在逐步成为世界制造中心，制造业在整个社会经济中占有越来越重要 的位置，但是目前中国整体制造水平还比较落后，一些高精度的部件还都是从国 外进口，很大程度限制了中国的经济发展，先进制造中心需要有先进的设备来保 证。研究开发具有自主知识产权的高精度智能化圆度检测仪器，对于提高我国圆 度检测仪器的档次和水平，摆脱对国外同类产品的依赖，节省外汇，推进我国圆 度测量仪器的数字化、智能化改造，提高圆度检测行业的水平有着切实的意义。 另外，由于本系统中数据采集部分具有开放性、灵活性，不仅适用于各类圆 度测量系统；在通过简单的软硬件改造后，也适用于其它些相关的测量仪器， 如圆柱度仪、粗糙度仪等。这对同类或相似产品的研发和一些旧产品的技术改造 都有一定的借鉴作用。 而且近年来国外开发了许多带有u s b 的外设，但在国内市场上，自主开发 u s b 产品较少，使用u s b 接口的智能仪器更是少见。究其原因，主要是u s b 的技术核心来自国外，其结构对用户不透明，掌握u s b 开发和编程的技术难度 较大，需要长时间的学习投入和潜心研究。因此，国内掌握u s b 开发技术人才 较少，也影响了我国u s b 产品的自主研制发。相信通过本课题的研究，对将要 利用u s b 接口技术来开发智能仪器的开发者有一定的帮助。 上海大学硕：i = 研究生学位论文 第二章圆度检测系统总体方案设计 圆度误差的存在将直接影响零部件的配合精度、旋转精度、摩擦、振动、噪 声等，因而降低了它们的使用寿命。近代高精度回转体零件，高温、高压下运动 的零部件，对圆度误差提出了越来越高的要求。圆度测量技术已经广泛地引起人 们的关注，这是科学技术发展的必然要求。本章将从圆度测量系统原理入手，分 析现有圆度检测系统的优缺点，进而给出本圆度检测系统的总体设计方案。 2 1 圆度测量系统原理研究 2 1 1 圆度及圆度误差 几何学上定义“与一定点等距离的点的轨迹就是圆”。也称真圆、理想圆或 几何圆【8 】。这就是说，如果某一物体在一定的横剖面内，对一定点，所有圆周上 各点距此点都等距时，该物体是圆形。 在机械零件的加工中，切削出真圆是很困难的。这是因为在给定的剖面内， 由于切削过程中机床主轴回转不平衡，刀具在切削中与主轴之间的摩擦，以及金 属撕裂，切削元件的径向振动，材料应变以及制造过程中的剩余表面应力，都会 引起半径的变化，带来圆度误差。 按i s o r 11 0 1 对圆度下的定义：圆度是圆的形状偏离几何圆的程度。其表 示方法为：将实际圆夹在两同心圆之间，当几何圆的间隔为最小时，用该两几何 圆的半径差来表示实际圆的圆度误差。 2 1 2 圆度测量的工作原理 在实际测量中，圆度误差的测量方法有弦长法、半径法和干涉法等。半径测 量法的实质是将被测量零件横截面实际轮廓与其理想圆的比较过程。测量时利用 精密主轴回转形成的轨迹，体现理想团。在半径法中，应用最广泛的是以旋转轴 心线为基准的传感器和主轴一起回转的传感器回转式圆度仪，以及工作台和主轴 一起回转的转台式圆度仪两种形式。前者适合用来测量较大零部件的圆度误差， 后者则适于测量小零件的圆度误差。 两种圆度检测仪器的工作原理基本相同：在测量圆度时，传感器的测头始终 与零件表面接触，它是通过测头与实际被测圆轮廓接触时，实际被测圆轮廓的半 径变化量可通过测头反映出来，此变化量由传感器接收，并转换成电信号输送到 上海大学硕- t ：i j t 究生学位论文 电气系统，经放大器、滤波器、运算器输送到记录器或微机系统，实现数据的自 动处理、打印及结果显示。 根据上述工作原理，对圆度仪提出了相应的要求：必须有高精度的旋转轴线 作为仪器的基准，用它带动传感器或工作台旋转，形成测量的标准运动；必须有 能根据量程变换放大倍数，高灵敏度，有足够频率响应的由传感器、放大器、滤 波器等组成的信号调理系统，并且连接一个用来指示被测零件轴线与主轴回转轴 线对中的对心表( 对心表的作用也可用软件在屏幕上显示代之) ；最后，还需一个 数据处理系统，如纪录器或是微机系统。 2 2y d 2 0 0 a 型圆度仪简介 本文的试验平台是y d 2 0 0 a 型圆度仪，它是一种转台式的通用性的精密仪器， 适用于检验短小型轴套类零件，如钢球、滚珠、轴承环、汽缸、喷嘴等，广泛应 用于科学研究和工业测量，其结构如图2 1 所示。 2 2 1 工作原理 1 旋转工作台 2 立柱 3 传感卷 4 被澳j 工件 5 记蒙器 6 信号调理系统 图2 1y d 2 0 0 a 型圆度仪结构示意图 y d 2 0 0 a 型圆度仪是转台式圆度仪，它以高精度的转台旋转轴线为基准来测 量工件的径向变化，其转台可调，以便其与旋转轴线垂直。测量时，被测工件放 置在该转台上，并使工件与转台旋转中心精确对正，此时传感器的测头与被测圆 轮廓接触；在转台转动过程中，实际被测圆轮廓的径向变化量就可以通过测头反 映出来，此变化量由传感器接收，并转换成电信号输送到测量系统；此信号通过 放大、检波、滤波后驱动记录器表头，用电敏方式将轮廓的径向变化记录在与转 台同步转动的记录器的火花记录纸上，然后由检测人员借助同心圆透明样板，人 工评定被测工件的圆度误差及其偏心量。 上海大学硕：仁研究生学位论文 2 2 2y d 2 0 0 a 型圆度仪的优缺点 y d 2 0 0 a 型圆度仪具有操作方便、通用性强、结构紧凑和易于维修等特点， 该仪器还装有防震装置，对环境要求不高，可以用于工业现场。但是，一方面随 着计算机科学技术的发展，仪器智能化程度的要求越来越高：另一方面随着加工 制造业技术水平的提高，对圆度检测仪器性能的要求也越来越高。在此情形下， y d 2 0 0 a 型圆度仪的缺陷也越来越明显，已不能很好地满足用户的要求，其不足 具体归结如下： 采样频率固定不可调，易造成测量圆的不闭合或者重复采样。这是由于 采样速度与工作台电机转速不同步造成的。当圆度仪在不同的使用场所 工作时，其工作台电机的供电电压的变化会引起电机转速的变化，由于 采样频率的固定，当电机转速过慢时，会引起采样点数的不足，无法形 成闭合的真实轮廓曲线；反之，当电机转速过快时，会引起重复采样， 造成实际的轮廓曲线首尾发生重叠。这两种情况都会对测量结果的造成 一定的影响； 评定方法落后，检测结果不一致性很大。采用人工评定的方法，检测人 员受分辨能力的限制、反应速度和固有习惯等因素影响，虽然观测的是 同一检测结果，但读数却有很大的随意性。 数据处理技术比较落后，没有运用计算技术，检测结果无法进行进一步 的处理。对于检测结果，系统只能用记录器加以记录，无法进行更深一 步的分析处理，如：频谱分析、表面粗糙度分析、异常处理等。 检测精度低：由于检测过程中，系统存在测量误差、截断误差、舍入误 差以及人工评定存在较大的人工误差，系统精度不高。 测试效率较低，可靠性不高。由于受数据处理系统的影响，整个系统的 测试效率不高，特别在连续测量时尤为明显：另外，系统的可靠性和稳 定性受r c 模拟滤波电路的影响也较大，由于器件的老化和温漂，系统 的可靠性和稳定性均不高。 功能单一，不易扩展和升级。y d 2 0 0 a 型圆度仪只具有单一的圆度检测 功能，且不易进行软硬件的升级和传感器的更新。如国外现在生产的圆 度仪一般具有频谱分析功能，为工艺上分析圆度误差产生的原因提供一 种工具和方法，使圆度测量和圆度加工更加紧密联系起来，具有很强的 实用性。可惜的是，此功能在y d 2 0 0 a 型圆度仪上很能进行扩展。 不难看出，y d 2 0 0 a 型圆度仪已经不符合现代测量仪器的高精度、多功能、 高柔性的智能发展方向，急需在功能上进行扩展，性能上进行提高。具体来说 一1 2 海大学硕士研究生学位论文 本文将从圆度检测系统的工作原理、y d 2 0 0 a 型圆度仪的特点，以及现代测量仪 器的发展方向三个方面加以考虑，拟从硬件、软件和评定算法三方面入手，对 y d 2 0 0 a 型圆度仪进行全面的技术改造。 2 3 系统方案设计 如上所述，y d 2 0 0 a 型圆度仪主要由三部分组成：测量主体、数据采集系统 及数据处理系统。其中，由仪器的主轴和传感器构成的测量主体部分属耐用精密 部件，其精度和性能均满足本系统的设计要求，故在本系统中予以保留；其数据 采集系统及数据处理系统存在一定的缺陷，对产品的性能影响较大，在本系统中 将对其软硬件进行重新设计。 2 3 1 硬件方案概述 在硬件方面，将以微机作为系统的核心，以下位m c u 作为数据采集的中心， 以u s b 接口作为p c 与m c u 之间数据传输的通道，构成一个“p c + u s b + m c u ”的数 据采集处理系统。 1 以微机作为系统核心的优势 y d 2 0 0 a 型圆度仪的一个最大缺陷在于它的数据处理能力较弱，只能靠人工 评定获得最终结果，且系统功能单一、可扩展性差，微机的引入将为这些问题的 解决提供了有效的途径。 一方面微机的高速计算能力为大数据量的快速处理、复杂算法和程序的编制 提供了可能。利用这点，可以在微机上编制、运行复杂的圆度采集数据的处理 程序，采用计算机评定来替代人工评定，提高系统的评定精度；也可以很方便地 编制新的数据处理功能模块，扩展系统的功能，如频谱分析、弧长计算、异常处 理等功能模块。 另一方面微机丰富的系统资源也为系统的功能升级和性能改善提供了有力 的保障。如，利用微机强大的数据管理系统可以对采集的数据及采集处理后的数 据进行有效的文件管理，在本系统中将采用数据库的形式对采集及处理的数据文 件进行管理：利用微机的网络接口可以方便地使系统具有远程的故障诊断及检测 功能。 从现代仪器的发展趋势来说，这种基于p c 的数据采集系统架构，由于其标 准公开、结构公开、软件及开发工具公开，因此具有很好的开放性和扩展性。同 时，它还具有通讯能力强、易于使用，硬件成本和开发成本均不高等优势。可以 说，它已成为智能仪器设计应用的主流。 上海大学硕：b 研究生学位论文 2 下位m c u 作为数据采集中心的原因 以p c 为核心的数据系统有2 种形式：一种是基于板卡的集中式数据采集系 统；一种是基于分布式的数据采集系统。 基于板卡的集中式数据采集系统一般是采用数据采集卡进行数据采集。代表 性的厂家如：k d v a n t e c h 、n i 等，其主要做法是将一块基于i s a 或p c i 的板卡插 入工业计算机或商用计算机，将外部信号通过导线引至计算机的端子上，然后接 入数据采集卡，通过定制的软件就可以进行数据采集。优点是速度较快，开发方 便；缺点是传输距离短、可靠性一般，布线费用高，易受机内噪声干扰，安装不 便，占用系统资源也较多。另外，随着计算机技术的发展，计算机外围设备数量 和种类的快速增加，基于板卡的集中式数据采集系统的缺陷就越来越明显。这是 由于计算机扩展槽是有限的，一般少于6 个，而且现有的大多数p c 机主板已不 支持i s a 总线。 基于分布式的数据采集系统，其基本方式是采用智能数据采集模块进行信号 的采集记录，再通过一些通用总线，如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等进行传送。上位机通过 定制的软件与智能数据模块通讯。它的优点是易维护、布线简单、可靠性高，占 用系统资源较少；缺点是速度较低，已成为智能仪器的一个重要发展方向。 另外，随着计算机技术的发展，嵌入式m c u 的功能不断得到完善，以下位 m c u 作为数据采集中心，不仅可以满足系统对可变信号采集实时陛的高要求，避 免机内各种噪声信号的影响，提高系统的精度和可靠性：而且由于上下位机的独 立设计，可以有效地降低系统对p c 机的依赖性，从而降低了系统硬件升级改造 和移植的难度，扩大了系统的使用范围。 综上，在本系统中将以单片机作下位机，以p c 作为上位机，组成分布式测 试系统。 3 以u s b 接口作为数据传输通道的理由 数据采集卡采用外置式结构，虽然可以有效地避免p c 机内各种噪声的干扰， 提高测量信号的质量，但随之而来的是一个新的问题：数据的有效传输问题。在 传统的一些检测仪器上，数据采集卡一般是采用串行总线r s 2 3 2 或r s 4 8 5 与p c 机进行通讯，但由于其传输速度较陧，且主机的串行口数目也是有限的，因而存 在一定的局限性。因此在本系统中将采用另一种总线外置式结构，即u s b 总线。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 总线是1 9 9 5 年康柏、微软、i b m 、d e c 等公司 为了解决传统总线的不足而推出的一种新型串行通信标准。在近年来发展很快， 大有替代串行口和并行口而成为p c 机上的标准配置的趋势。该总线接口具有突 出的特点与优点： 1 高带宽：具有较高的传输速率，符合u s b l 1 标准的接口传输速率为 1 2 m b p s ，最新的u s b 2 0 支持最高速率达4 8 0 m b p s ； 上海大学硕士研究生学位论文 2 安装方便：支持即插即用和热拔插功能，用户不必打开机箱就可以安装 设备，使用方便。 3 易扩展：能够同时挂接多个u s b 设备，使得在有多个外设与主机的连接 时更加方便可靠。另外，u s b 还具有实时性( 可实现与设备间的实时通信) 、动态 性( 可实现接口间的动态切换) 等特点。 正是这些特点，使得u s b 有效地解决了传统数据采集系统的缺陷。适合作为 p c 与采集卡之间的通信接口，且已成为现代数据通讯接口的发展趋势。在本系 统中，将充分利用u s b 总线的上述优点，达到设计要求：实时、高速、高精度、 使用方便( 支持即插即用、热拔插、无过多连接线等) 、便于远程监控和网络诊 断的开发等。 从上面三个方面的分析，可以看出本系统的硬件部分与原系统截然不同，本 系统结合计算机技术的最新发展，将u s b 接口技术与微机应用相结合，将计算机 作为上位机，单片机作下位机，组成分布式测试系统，通过u s b 接口实现数据 传输，对于实时性要求较高的数据采集由下位m c u 完成，而复杂耗时的数据处理 及显示则由上位p c 机来处理。可以说采用这种结构模式，为系统从功能和性能 上达到或超过当今先进的圆度检测仪器奠定了基础。 相对原系统来说，就不得不对硬件部分进行完全地重新设计。具体来说，包 括误差信号的信号调理电路，模数转换电路和u s b 接口电路。另外，为了避免检 测曲线的不闭合或重复采样，需增加一传感器来定义检测的起始点和终止点。具 体的硬件设计见第三章。 2 3 2 软件方案概述 软件部分主要是完成误差数据的采集、处理、评定及测量过程的控制。从系 统的硬件构成出发，可以把本系统的软件划分为两大部分。 一部分运行在m c u 上，称之为固件，它的设计环境及编程架构是与具体的 m c u 相关的，不同的m c u 之间，其差别是相当大的，故在此不再累述。还有一部 分是运行在p c 机上的，它包括驱动程序和客户应用软件，其具体的设计与运行 在p c 机上的操作系统息息相关。 目前来说，运行在p c 上的操作系统主要有w i n d o w s 、u n i x 和d o s 等。其中， u n i x 和d o s 是两款应用在特殊场合的操作系统。u n i x 由于其稳定性和可靠性， 一般运行在需要较强的网路服务的场所，如用在一些服务器上。而d o s 操作系统 由于其可以对硬件进行直接操作，一般运行在实时性要求较高的场合。这两种操 作系统存在的一个共同问题是其使用的范围非常有限，这对基于p c 的圆度检测 系统的推广是不利的。另外，一个合适的操作系统将极大地方便驱动程序和客户 上海大学硕士研究生学位论文 应用软件的开发，而上述两种操作系统都存在定的局限性，将在很大程度上加 大开发的难度。 w i n d o w s 操作系统是目前的主流系统，它是世界上最常用的多任务操作系 统，其优点是显而易见的，它提供简化了的用户接口，丰富的图形功能，支持众 多的开发工具软件。其缺点是不可以对硬件进行直接操作，实时性不好。但在本 系统中，由于采用分布式的结构，把对实时性要求较高的数据采集功能交给下位 机处理，对上位机的实时| 生要求不是很苛刻，因此，在本系统中运行在p c 机上 的驱动程序和客户应用软件将基于w i n d o w s 操作系统进行开发。 基于w i n d o w s 操作系统的图形界面的应用程序的开发，其可选择的开发工具 较多，如v b 、v c + + 、b u i i d e rc + + 等。在本系统中，将选用v c + + 作为开发工具。 另外，在软件部分还有一项重要的工作要做，就是要实现圆度误差的数字滤波和 计算机评定。 2 3 3 系统工作原理 图2 2 系统工作原理示意图 工作原理：采用差动电感传感器与精密电阻组成测量电桥，并用l o k h z 正弦 信号作为激励源，当工件误差使测杆产生位移时，电桥平衡被改变，其输出含有 被检测的工件误差信息的正弦调幅波，经分档、交流放大、相敏检波、滤波、直 流放大、a d 转换后送m c u ，再由m c u 通过u s b 接口传输给上位p c 机，由上位机 进行数据处理。系统工作原理如图2 2 所示。 从系统的总体构成及工作原理中，可以看出，改造后的圆度检测系统与原系 统相差较大，具体体现在硬件、软件和评定算法上面，第三章、第四章和第五章 将就三方面内容分别给以详细地阐述。 上海大学硕：卜研究生学位论文 第三章系统硬件研究及设计 3 1 硬件结构 如2 3 节所述，在硬件方面，本系统将以p c 为系统的核心，以下位m c u 作 为数据采集的中心，以u s b 接口作为p c 与m c u 之间数据传输的通道，构成一个 “p c + u s b + m c u ”的数据采集处理系统。其硬件构成如图3 1 所示。 基萃i 0 i l 电感传l刖u s b 【寤器卜 1 1 接口i 下位 虿 | | 。茸号调理电路 ，! m c u i 光电开关r r _ 1 制 仁。”2 。9 卜1 ip c i 图3 1 系统硬件结构示意图 由图3 1 可知，圆度检测系统的硬件构成是由数据采集控制卡，u s b 接口和 p c 主机三部分组成。其难点在数据采集控制卡及u s b 通讯接口的设计，主要有 传感器转换电路，信号调理电路，a d 转换电路，u s b 接口电路，以及m c u 外围 的一些功能电路模块，如光电传感电路、电机控制电路等组成。下面各节将具体 分析这些模块的硬件设计。 3 2 微控制器及u s b 接口芯片的选择 由硬件设计方案可知，数据采集控制卡和u s b 接口是整个硬件设计的关键， 作为数据采集控制卡的核心部件，m c u 性能的