（精密仪器及机械专业论文）进口圆度仪的维修和数字化改造.pdf

进口圆度仪的维修和数字化改造 摘要 国内某研究所的t a l y r o n d 7 3 型和t a l y r o n d 3 0 0 型两台圆度仪都出现了故障， 需要维修。受该单位委托，对这两台圆度仪分别进行了数字化改造和维修。 t a l y r o n d 7 3 型圆度仪是泰勒霍普森( t a y l o r h o b s o n ) 公司7 0 年代的产品， 其主轴和位移传感器仍能满足测量工作的精度要求，但是电气部分的元件已经 过于老化，失去原有功能。本课题组使用集成的的模块化信号调理电路将测量 信号进行调理，然后输入数据采集卡，由计算机实现数据采集，并且使用 l a b v i e w 语言自行开发了圆度测量应用软件。对该型圆度仪改造后，可以选用 最小二乘圆法、最小外接圆法、最大内接圆法、最小区域法四种方法进行圆度 误差的评定，并能够实时显示调心和测量过程。与传统的圆度仪及测量方法、 数据处理方式相比，该仪器结构简单，实现了测量过程的自动化、数字化、智 能化及可视化，很大程度上提高了测量速度、数据处理速度和测试精度。 t a l y r o n d 3 0 0 型圆度仪上配备了圆光栅系统，该光栅系统的作用有两点：测 量主轴旋转的角度和对连接在主轴上的电机进行精确的反馈控制。该单位此仪 器的光栅系统出现故障，标尺光栅盘上4 0 左右的刻线损毁严重，没有输出信 号。圆光栅其它区域虽有信号输出，但是不能正确地输出幅值稳定、相位差为 州2 的两路s i n 和c o s 信号。通过对标尺光栅的更换和光栅系统的调试，该仪器 恢复了原有的功能和测量精度。 关键词：圆度仪圆度误差数字化光栅 r e p a i r i n ga n dd i g i t a lr e n o v a t i o no fi m p o r t e dr o u n d n e s s t e s t e r s a b s t r a c t o n et a l y r o n d 30 0r o u n d n e s st e s t e ra n do n et a l y r o n d 7 3r o u n d n e s st e s t e ro w n e d b ys o m ec o r p o r a t i o na r eo u to fw o r k ，w ew e r ea s k e d t or e p a i rt h e m t a l y r o n d 7 3r o u n d n e s st e s t e ri st h ep r o d u c to ft a y l o r h o b s o nc o m p a n y ，m a d e i n19 7 0 s i t sp r e c i s i o ns p i n d l ea n dl v d t ( l i n e a rv a r i a b l ed i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e r ) s t i l lh a v eh i g hp r e c i s i o n ，b u te l e c t r o n i cu n i t sa r et o oo l da n dt h e i rf u n c t i o n sa r el o s t t h e r e f o r e ，w ed e c i d e dt od e s i g nt h ec i r c u i tb ys i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ef i r s t l y s e c o n d l y ，t h ec o m p u t e r i su s e dt o a c q u i r ed a t ab yd a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) e q u i p m e n t l a s t l y ，w ep r o j e c t e dp r o g r a mw i t hl a b v i e ws o f t w a r ef o rr o u n d n e s s m e a s u r i n g a f r e rr e p a i r e da n dr e n o v a t i o n ，f o u ra l g o r i t h m s ：l e a s ts q u a r e sm e a n c i r c l e ( l s c ) ， m i n i m u mc i r c u m s c r i b e dc i r c l e ( m c c ) ， m a x i m u mi n s c r i b e d c i r c l e ( m i c ) ，a n d m i n i m u mz o n ec i r c l e s ( m z c ) a r eo p t i o n a lf o rr o u n d n e s s m e a s u r i n ga n dt e s t i n gp r o c e s si sv i s i b l e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lr o u n d n e s s t e s t e r sm e a s u r i n gm e t h o da n dd a t ap r o c e s s i n g ，t h i so n eo w n e dt h ea d v a n t a g e si ni t s s i m p l es t r u c t u r e ，m e a s u r i n ga u t o m a t i o n ，d i g i t i z a t i o n a n dv i s u a l i z a t i o ni nt e s t i n g p r o c e s s a tt h es a m et i m e ，t h es p e e da n da c c u r a c yo ft e s t i n gw e r ea l li m p r o v e d g r e a t l y a n o t h e rq u e s t i o ni sa b o u tt a l y r o n d 30 0r o u n d n e s st e s t e rw h i c hi se q u i p p e da l l o p t i c a la n g u l a re n c o d e r t h i so p t i c a la n g u l a re n c o d e rc a n n o to n l yd e t e c ts p i n d l e r o t a t i o nb u ta l s op r o v i d es i g n a l st oc o n t r o lt h es p i n d l ed r i v i n gm o t o r l a s ty e a r ，t h e i n s t r u m e n tw a so u to fw o r kb e c a u s et h ea n g u l a re n c o d e rc o u l dn o te x p o r tc o r r e c t s i g n a l s a b o u t4 0p e r c e n tg r a t i n gr e t i c u l e sw e r ed a m a g e dd e a d l y t h o u g hi t c a n e x p o r ts i g n a l si no t h e ra r e a ，i tc a n n o te x p o r ts i n u s o i d a la n dc o s i n es i g n a l sw i t h s t e a d ya m p l i t u d ea n dc o n s t a n tp h a s ed i f f e r e n c e 行f 2 t h er e p a i r i n gw o r kc o n t a i n s t h er e p l a c e m e n to fo l dg r a t i n ga n da d ju s t m e n ta b o u tt h er e l a t i v ep o s i t i o no fm a i n t i i n d i c a t i v eg r a t i n g f i n a l l 吼t a l y , n d 30 0m n d n e t e s t e rr e g a i n e di tsgrating a n di n d i c a t i v eg r a t i n g m a l l l a l y r o n d 3 0 0r o u n a n e s st e s t e g a i n y ， m e a s u r i n gf u n c t i o na n dp r e c i s i o n k e yw o r d s ：r o u n d n e s si n s t r u m e n t ；r o u n d n e s se r r o r ；d i g i t i z a t i o n ；g r a t i n g ； i i 图表清单 图1 1 圆度仪旋转形式3 图1 2t a l y r o n d 7 3u h p r 型圆度仪。3 图2 1t a l y r o n d 7 3 型圆度仪6 图2 2t a l y r o n d 7 3 型圆度仪工作原理图6 图2 3 仪器总体结构8 图2 4l v d t 的结构及原理9 图2 5a d 6 9 8 与l v d t 连接的功能框图1 0 图2 6 低通滤波器原理1 1 图2 7 圆度仪数字滤波器幅度传输特性1 2 图2 8 巴特沃斯模拟滤波器幅频特性1 2 图2 9 巴特沃斯滤波器程序流程1 3 图3 1 比c 圆度误差1 7 图3 2l s c 圆度误差1 7 图3 3 计算最d , - 乘圆的几何示意图1 8 图3 4m c c 圆度误差1 9 图3 5m i c 圆度误差图。1 9 图3 6 最小区域圆圆心的确定2 0 图3 7 最小区域圆法程序框图2 1 图3 8 寻找最d - 乘圆中心的方法2 2 图3 9 最d x - - 乘圆法程序流程2 3 图3 1 0 最小外接圆的判断条件2 3 图3 1 1 最小外接圆法程序流程2 3 图3 1 2 最小内接圆的判别条件2 4 图3 1 3 最大内接圆法程序流程2 4 图3 1 4 选取特征点程序流程2 5 图4 1m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r 配置界面2 9 图4 2 软件结构图3 0 图4 3 主程序流程图31 图4 4 测量系统主界面3 l 图4 5 测量系统主操作接口31 图4 6 主接口菜单3 2 图4 7 图像控制栏3 2 图4 8 参数设置及调心界面3 2 图4 9 系统标定模块3 3 图4 1 0 打印检测报告3 3 图5 - 1t a l y r o n d 3 0 0 型圆度仪外观图。3 4 v i 图5 2 仪器局部外观3 6 图5 3 主轴示意图。3 7 图5 4 长光栅刻线3 7 图5 5 圆光栅刻线。3 8 图5 6 长光栅莫尔条纹示意图3 8 图5 7 径向圆光栅莫尔条纹产生原理3 9 图5 8 莫尔条纹辨向原理4 0 图5 9 三光栅系统结构示意图4 1 图5 1 0 同轴度调整4 2 图5 1 1 径向圆光栅典型莫尔条纹轨迹4 3 表1 1t a l y r o n d 3 6 5 型圆柱度测量系统典型指标4 表1 2 国内外几种典型圆度仪的主要技术规格5 表2 1 t a l y r o n d 7 3 型圆度仪的性能、规格7 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，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已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金日巴王些太堂 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：勿矽7 红二夕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权金a 曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：，被 签字日期：2 - o 汐7 矿2 0 学位论文作者工作后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 衍膨膨 签字日期：歹汐口夕4 2 o 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师胡鹏浩教授的指导并提供良好科研实验条件下完成的，在 此向胡鹏浩教授表示感谢! 感谢王会生高工对我生活和课题上给予了悉心的指导与关怀。感谢党学明 副研究员对我的指导，他用扎实的理论和广博的知识面一次又一次地帮我解决 实验中遇到的各种难题，在研究方法、研究思想方面给予我很多指导。 感谢刘混海同学、李英新同学对我的课题给予的指导和建议，帮助我解决 课题中遇到的各种困难。 感谢李琪、谢虎、张毅、魏振、毕美华、刘文其等同学对我的帮助，感谢 测控技术研究所研究生工作室和班级同学对我的关心和帮助! 最后感谢我的家人、我的女友和朋友，感谢他们一直以来对我无私的支持 和帮助! m 作者：岳盛 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 课题来源及仪器改造的主要工作 1 1 1 本课题的提出 本课题为国内某研究所的横向委托项目。该单位的t a l y r o n d 7 3 型和 t a l y r o n d 3 0 0 型两台圆度仪都出现了故障，不能完成零部件的检测工作，严重影 响到了产品生产和产品质量的保证。两台圆度仪的具体情况及故障分别如下： 1 t a l y r o n d 7 3 型圆度仪 该仪器机械部分功能完好，主轴回转正常，随仪器配备的t e s a 电感测头 在出厂3 0 年后仍能输出信号。经测试，机械部分和传感器的精度仍能满足测量 要求，具备了对该仪器数字化改造的条件。由于是上世纪7 0 年代产品，其控制 部分和二次仪表均使用分离元件，甚至少数元件是电子管，受所处时代技术的 限制，其信号特征和现在的计算机技术背景下的信号特征有很大出入，数字化 改造中技术难度很大。 2 t a l y r o n d 3 0 0 型圆度仪 该型号圆度仪功能先进、测量精度高、有自动调心等先进功能，它是 t a y l o r h o b s o n 公司9 0 年代的产品。在圆度评定中，需要获得被测零件横剖面 上点的极坐标。该仪器与很多传统圆度仪通过电机测量主轴转角不同，它配备 了圆光栅和主轴连接，用于提供极坐标中的角度信息和对电机的精确反馈控制。 经测试该仪器仅测角光栅系统出现故障，测角光栅系统的标尺光栅( 光栅 盘) 1 4 0 。左右的刻线损坏严重，其它硬件部分功能完好。研读该仪器说明书及 光栅系统的信号调理电路板之后，使用示波器检查光栅系统中感光元件发出的 两路正、余弦信号，发现光栅盘刻线损毁部分没有信号输出，两感光元件不能 正确的输出幅值稳定、相位差为州2 的正、余弦信号，李沙育圆质量很差。 1 1 2 研究内容 要完成对这两台圆度仪的数字化改造及维修，需完成以下工作： 1 深入了解t a l y r o n d 7 3 型圆度仪中电感测头的信号特征；原电路部分的工作 原理、性能：电机的驱动形式及各项参数指标。然后，根据圆度评定的国家标 准，设计改造方案、进行理论验证，继而设计位移信号的调理电路、接口电路 以及使用l a b v i e w 语言编制可视化的用于圆度评定的程序。 2 针对t a l y r o n d 3 0 0 型圆度仪光栅系统的故障，研读光栅系统的成像原理以及 工作原理；分析该光栅系统中用于调节主、从光栅相对位置的微调机构；对光 栅盘进行测绘、复制，然后完成主光栅的更换和调试。 1 2 圆度仪改造的意义 在精密测试中，测量圆度误差是一项非常重要的工作，也是一项繁琐的工 作，尤其是上世纪8 0 年代以前生产的不带计算机自动数据处理功能的老式圆度 仪，这些圆度仪放大电箱测量数据的记录方式一般是采用电击穿记录纸记录， 数据处理是采用标准同心圆模板与记录纸上的记录曲线进行对比，采用人工对 线方式进行判读。人工判读时准确性较差，难度较大，尤其是最小区域法只是 理论上存在可以人工进行评定的可能性，但在具体圆度误差评定时，很难采用 人工办法找出最小域区域法的圆心，同时这些老式圆度仪已经工作几十年，其 放大电箱问题较多，故障率很高，现在使用起来非常困难，常常影响生产过程 中零件的圆度测量工作。目前，这些仪器机械精度、传感器性能还是非常好的， 就此报废十分可惜，而购买新圆度仪价格一般都在百万元以上，在这种情况下 进行老式圆度仪的数字化改造就比较实用和重要。 数据采集是进行圆度误差评定的关键问题之一，数据采集的主要问题是采 集速度和精度。计算机信息处理技术取得了快速发展，其速度快、存储量大以 及丰富的逻辑判断能力，可以实现高级复杂的处理算法，快速、精确的数据处 理能力为数据采集的速度及进行测量过程的实时显示提供了保障；数据采集卡 中a d 转换器的最高分辨率已经达到2 4 位二进制码，为圆度仪数字化改造中 的精度提供了保障。洛阳轴承研究所已成功实现对t a l y r o n d 7 3 型圆度仪的数字 化改造【2 1 。 1 3 圆度仪发展技术现状 圆度仪是以主轴( 或转台) 回转轴线为基准，配有传感器、电子放大器、 图形记录器，可进行圆度误差测量、图形显示、打字输出等的一种高精度测量 仪器【l 】。圆度仪适合于圆形零件径向、轴向形状及位置误差的测量，具有适用 范围广、测量效率高、测量结果直观等特点，是现代机械制造业中测量圆度等 误差的比较理想的仪器。用一个精密回转轴系上的一个动点( 测微装置的触头) 所产生的标准圆与被测工件轮廓进行比较，就可求得圆度误差值。 圆度仪基本上可分为两种，一种是工作台旋转式，如图1 1 ( a ) 所示，工件 随工作台一起转动，而测微器固定不转，因而其性能较稳定，但回转工作台承 载能力有限。另一种是传感器旋转式，如图1 1 ( b ) 所示，即工件固定在工作台 上不动，测微器围绕被测件转动，因而承载能力强，宜测量较重的工件，且主 轴的回转精度和使用寿命不受工件负荷影响，易保证较高的回转精度及较长的 使用寿命。其缺点是：用圆度仪测量其它有关形位误差项目时，由于传感器固 定在回转主轴上，对工件的相对几何位置不易任意改变( 如测垂直度误差时， 必须用测肩附件) ，且不能同时使用几个传感器，这又给同轴度测量带来困难【3 j 。 综上所述，传感器旋转式圆度仪多用于测量大型工件。工作台旋转式圆度仪宜 2 于测小件，由于它可避免传感器旋转式的缺点。所以近年来获得了较快发展。 ( 日i 作台旋转式圆度倥传感嚣旋转式晤度仪 图1 1 圆度仪旋转形式 目前圆度仪的制造技术、精度指标和产品质量最好的企业当属英国的幂 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设备的创新 者和领导者，也是世界上第一个发明圆度仪和粗糙度检查仪的世界著名的精密 计量仪器制造企业。当前世界公认的高精度圆度仪的标准仪器是 t a l y r o n d 7 3 u h r p 型圆度仪，该型号圆度仪主轴最高回转精度达到00 1 i t m ，是 目前世界回转精度最高的圆度仪( 图1 2 ) 。 幽1 2t a i y r o n d 7 3u h p r 型圆度仪 世界各国生产的圆度仪除了向高精度发展外，开始向多功能发展，如向圆 度、圆柱度综合测量仪方向发展，有的仪器还有形位误差测量功能英国的 t a y l o r - h o b s o n 有限公司的t a l y r o n d l 3 0 、日本三丰公司( m i t u t o y o ) 的r o u n d t e s t r a 2 0 0 0 、中国哈工大h i t - t a n l y 系列圆柱度仪都同时具有圆度、圆柱度测量 功能口l ；t a l y r o n d 4 型多功能圆度仪除了具有圆度、圆柱度测量功能外，还可以 测量工件的同轴度、坐标精度等。比如泰勒霍普森公司最新的t a l y r o n d 3 6 5 型圆柱度测量系统典型指标如表1 i 所示。除了测量圆度功能外，还可以测量： 圆柱度、同心度、平面度、垂直度、偏心、同轴度、跳动、直线度、全跳动、 部分圆弧圆度测量、部分圊弧平面度涮量等。 表1 - 1t a l y r o n d 3 6 5 型圆柱度测量系统典型指标 序号名称技术指标 1 圆度误差 ( 0 0 2 9 m - t - 0 0 0 0 3 9 m m m 测量高度) 2 全程直线度误差 o 3g m 5 0 0 m m 3立柱对主轴的平行度1g m 5 0 0 m m 4 全程直线度误差 o 2 5 9 m 2 0 0 m m 5 对主轴的垂直度 1g m 2 0 0 m m 6调中心范围，4 - 5 m m 7 调水平范围 4 - 0 5 0 8 传感器分辨率测量范围 0 0 0 1 2 9 m 士0 0 4 m m 随着计算机速度提高，为了解决传统r c 模拟滤波器精度差，减少模拟放 大电路设计制造的难度，提高模拟放大电路的工作稳定性等问题，当代圆度仪 大多采用数字滤波器进行滤波，数字滤波技术的应用大大改善圆度仪滤波性能。 为了使操作人员能够快速完成被测工件与圆度仪回转中心的同轴校正工 作，缩短测量时间，有的圆度仪工作台上配置数控x ，】，轴，具有自动调心功 能，定位精度可达到5 p m 。 现代生产的圆度仪普遍具有谱分析功能，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。 为了提高圆度仪主轴的回转精度，降低制造成本、制造难度，有少部分圆 度仪配置误差分离工作台附件，采用计算机分离圆度仪主轴的回转误差，以便 提高圆度仪测量精度。 随着技术的进步，圆度仪的发展可谓是日新月异，但目前我国使用的高精 度圆度仪基本上是依靠进口。虽然国内的上海机床厂、中原量仪厂、北京机床 研究所等少数厂家生产圆度仪，但精度不高，径向精度在0 1l x m 左右。国内外 几种典型圆度仪的主要技规格如表1 2 所示【l 】。 4 曼 o g _ 均 v non o岣口均 o v 、 nn n nn n n _ 呐 憾 n 卜 n n nn岣口口口 _ 瑙 需o 辩 幅 副 帽幅 稍帽 幅 懈 懈 啭餐 脚 镱镇镱趱簪 餐 廿 出 脚脚母岳脚 啦 ，一、 g g gg g 3i 蓰 罱挺 刨 - _ _ 昌鼹 _ g 弩 n n n 趟 ooo o恒 冀 o o g0 ooooo oo 匣 仝匿罕匠 星 距 内l nu 旧 n o 辽 o o 世 h 睡惜瞄憾幅曦 褪 暴 暴暴暴 暴暴 旧 副幅需 臀需 陌帽需 糍 粼 建 艇需艇磐 暴艇 艇 葚 暴 趟幽 艇出出需 幽出 释 + h 艋艋耨蒋艇幅艋 籍 基 投 捡拉 螳蛙 采 旷旷疑甓蜒j ! 广 雹 岳 懈 看 佰懈 佰 佰懈帽佰幅 r 撂 暴 寸4 nq 划 辩 埤辞蛑埤辩辩挥蛑 岩 【工一 s 芒 挞ll 配 笛 妖 搽 l懈球 。 h 工一 富 l ggr 蒙妻重量 【工_ 圃 至蛸 =始 钆 删区球 z _ 圃 将 隧长咖 划 廿悄嫩 出 般叫 血 始 - _ n o。o 配。 价 叫 l n o 号 g号 号 o 昌 o 式 n z 卜 荔目 薯 勺 山 叫 一 基 i c u 卜u 茎 配 o 卜 山 - 副 n o g 舌g g a 盏卜 出 o n 文 曼文 文 o 稚 口 岔i - q ， o 、 冬 ， 盏 盘盏 盏 c 6 卜 蜒累长辎随州星警越回剥球薰rlr春eld圃n-i僻 第二章t a l y r o n d 7 3 圆度仪概述及系统硬件设计 2 1 概述 t a l y r o n d 7 3 型圆度仪( 图2 1 ) 是上世纪7 0 年代 英国t a y i o r - h o b s o n 公司生产的高精度圆度仪之一。属 转轴式圆度仪，主轴采用液体动压滑动轴承主轴端 装有电感式位移传感器。主要用来测量工件的内、外 圆的圆度及在同一截面或各平行截面内、外圆的同轴 度，也可以测量凸肩或端面与内、外圆的垂直度。具 有操作方便、通用性强、结构紧凑和测量精度高的特 点。 经测试，这台圆度仪原来高精度的回转系统和高 精度传感罂系统仍满足测量工作所需要的精度，能够 保证改造后的性能指标与改造前的性能指标一致或者 2 2 工作原理 t s l y t o n d 7 3 型圆度 仪工作原理如图2 2 【”。 它是一台传感器旋转式 圆度仪，高精度回转的 主轴带动传感器产生标 准的旋转运动，被测零 件固定在工作台上，可 用微调机构调整零件与 主轴同心。在理想情况 下，标准运动的轨迹是 真圆，是圆度测量的基 ：r 图2 - 2 t a l y r o n d 7 3 型圆度仪工作原理图 准。当零件不圆时，则相对标准轨迹发生径向偏离，电感铡头的位移变化使得 传感器输出一幅度与测头位移成正比的正弦交流电信号。该信号被放大器放大 后，送到相敏整流器，可将位移信号由交流载频中解调出来，并能分辨出测头 移动的方向。这样就在相敏整流器的输出端得到一个大小与电感测头相对平衡 点的位移成正比、其位移值的正负代表测头位移方向的电压信号，经滤波后按 选择的圆度评定方 去进行运算，最后用记录器记录、打印测量结果。 2 3 仪器的主要技术规范 2 3 1精度 1 主轴回转精度 当被测件直径为3 2 l o o m m 、工作台上测量面的高度不大于1 0 0m m 、用 6 3 5 m m 测杆时，测得零件理想圆相对最小二乘圆的最大测量误差不超过 o 0 2 5 i t m ；当被测件直径大于1 0 0 m m 、高度大于1 0 0 m m 以及对间断表面测量时， 最大测量误差不超过o 0 5 p , m 。 2 主轴轴向误差不超过0 0 5 l - t m 。 3 全系统精度( 从测端到纪录器) 用标准长度测杆时，其误差不超过所选放大倍数的3 ；测端偏离误差不 超过满刻度的1 。 用非标准长度测杆时，其误差不超过所选放大倍数的5 ；测端偏离误差 不超过满刻度的1 。 2 3 2 测量范围 1 最大外径 2 最小内径 3 最大高度 4 工作台最大负载 2 3 3 性能、规格 3 5 5 m m 3 2 r a m 4 0 6 m m 6 8 k g t a l y r o n d 7 3 型圆度仪的性能、规格如表2 1 所示。 表2 - 1 t a l y r o n d 7 3 型圆度仪的性能、规格 l 主轴转速6 r m i n ；3 6 r m i n 2 工作台台面尺寸 7 0 4 0 0 m m 3 工作台x 、y 调整范围 2 5 4 m m 4 主轴轴线x - y 调整范围 0 2 5 m m 5 主轴至立柱表面的距离 2 0 3 m m 6倍乘器补偿可调范围0 4 1 0 倍 7 极坐标纪录器形式零位居中的动圈型 8 图纸纪录由主轴箱内起动脉冲开关控制 9滤波选择 1 5 0 0 u p r ；17 。1 5 0 u p r ；17 。5 0 u p r ；1 1 5 u p r ；1 5 - - 。5 0 0 u p r 10 0 ；2 0 0 ；5 0 0 ；10 0 0 ；2 0 0 0 ；5 0 0 0 ；10 0 0 0 ；2 0 0 0 0 1 0 仪器放大倍数 ( 使用6 3 5 r a m 长测杆时) 圆形电火花记录纸的直径为1 5 0 r a m ，记录幅度为4 0 m m ， 1 1记录纸 格距为2 m m 7 2 4 数字改造方案设计 2 4 1 系统总体设计 在原来高精度的主轴回转系统和位移传感器给予保留的基础上，采用计算 机采集与处理圆度误差信号作为总体设计方案。主要完成以下改造： 硬件电路的设计和升级：完成原先电路功能的电路设计，主要是位移传感 器信号的调理及放大、电机控制等；升级原先的电路滤波系统，采用数字滤波 技术；更改原来的电火花打印部分，所有信号的处理均使用数据采集卡来完成， 由计算机进行数据处理并输出评定结果。 软件系统设计：实现计算机对测量过程的控制，提高自动化程度；设计数 字滤波器完成信号的数字滤波；采用多种圆度评定方法对圆度误差进行评定； 通过计算机将测量结果输出、保存、显示等。 圆度仪的总体结构如图2 3 所示，主要由五部分组成：传感器、霍尔开关、 信号调理模块、数据采集模块及计算机。 r _ 爵磊一 差动电感 传感器 信号调理模块 ( a i ) 6 9 8 ) 数据采集模块 ( p c i 6 2 5 1 ) p c i 插槽 鲨巫 剖訇鬯 图2 3 仪器总体结构 t a l y r o n d 7 3 型圆度仪原来的电感测头是线性差动变压器，简称l v d t ( l i n e a r v a r i a b l ed i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e r ) ，是将机械位移转换成交流电压的一种传感器； 霍尔开关用以获取采样开始与结束信号；数据采集卡与上位机一起完成数据采 集功能；上位机及软件完成数据处理和输出。 2 4 2采样开始与结束信号的获取 根据参考文献 4 】，在对模拟式圆度仪进行改造时，硬件上需增加一个采样 开始与结束的信号发生装置，用来确定采样点的位置，本课题采用霍尔开关。 霍尔开关是一种固体化数字接近开关，工作频率高，具有耐油、防水、防尘等 特性，重复定位精度小于0 0 1 m m ，完全能够满足圆度仪测量系统测量定位需 要。 2 4 3传感器系统 1 根据参考文献【5 】 6 】，该型号圆度仪使用的l v d t 主要技术条件如下： ( 1 ) 铁心原始间隙每边为0 2 5m l t l ； ( 2 ) 测杆工作行程：当测杆长度分别为6 2 5 、1 2 5 和2 5 0m m 时，工作行 程相应地为0 0 7 、o 1 4 和0 2 8m m 。 ( 3 ) 测杆总行程0 5m m 。 ( 4 ) 单方向测量为o 1 2 克。 ( 5 ) 灵敏度：在0 2 8 m m 范围内平均灵敏度不小于4 m v i t m 。 ( 6 ) 垂直于测杆运动方向受力1 克时变差不大于1 5 格。 ( 7 ) 测头呈自由状态时，l 1 、l 2 的电感量大致相同，一个为1 7 5 m h ，另 一个为1 4 7 m h 。 ( 8 ) 经上海机床厂测试的资料，传感器的线性误差在第一档放大倍率时 如= 1 3 ，在第六档放大倍率强= o 7 5 ，在极限情况下万= 2 4 。 2 l v d t 的测量机理及特点 输出信号的载波信号。通过变压 图2 - 4l v d t 的结构及原理 器加到电感传感器的线圈2 上，当传 1 - 测杆2 - 线1 1 t3 - 磁芯4 - t 4 5 感器的测头位置沿工件表面移动时，磁芯3 位置上下移动。当磁芯处于中心位 置时，通过两线圈的电感量相等，输出材，为o 。当磁芯偏离中心位置，导致线 圈电感产生变化，从而引起输出信号幅值的变化。当磁芯的变化如图2 4 ( a ) 所 示，载波信号如图2 4 ( b ) 所示时，最后可产生图2 4 ( c ) 所示的叠加输出信 县 7 1 1 8 1 了 。 差动变压器式传感器的特点是灵敏度高、分辨力高，能测出比o 1 9 m 更小 的机械位移变化；输出信号强，有利于信号的传输；重复性好、在一定位移范 围内，输出特性的线性度好，并且比较稳定。因此，它被广泛应用于压力、位 移传感器的设计制造中尤其在航空、航天等环境恶劣、环境温度高的压力测量 方面，也得到了广泛的应用1 9 】。 2 4 4 信号调理模块； 一般情况下，从传感器输出的信号必须经过调理才能进入数据采集板卡， 原因是传感器工作环境比较复杂和恶劣，传感器两个输出端经常产生较大干扰 信号，而且从传感器出来的信号大多是微弱的信号，信号调理的目的就是放大 有用的信号，尽量去除或压制干扰信号。去除干扰信号的方法很多，大致可分 为用硬件模拟电路实现和通过数字处理实现两大类，其中数字处理的部分多用 9 计算机实现，即数字滤波。本文采用硬件滤波和数字滤波两种方式。信号调理 包括放大、滤波、传感器激励等内容。传统的l v d t 都是采用分立元件进行放 大、滤波、计算等处理，存在电路复杂，可靠性差等缺点，随着集成电路的发 展，目前已经出现了一些专用的集成电路。 a d 6 9 8 就是美国a n a l o gd e v i c e s 公司生产的单片式l v d t 信号调理系统。 a d 6 9 8 与l v d t 配合，能够高精确和高再现性地将l v d t 的机械位移转换成单 极性或双极性的直流电压。a d 6 9 8 具有所有必不可少的电路功能，只要增加几 个外接无源元件来确定激磁频率和增益，就能把l v d t 的次级输出信号按比例 地转换成直流信号。 1 a d 6 9 8 的特点： ( 1 ) a d 6 9 8 提供了用单片电路来调理l v d t 输出信号的完整解决方案， 它含有内部晶振和参考电压源，只需附加极少量的无源元件就可实现位置的机 械变量到直流电压的转换，并且无需校准。其单极性或双极性直流电压输出正 比于l v d t 的位移变化。 ( 2 ) a d 6 9 8 能够适用于多个不同类型的l v d t 。因为a d 6 9 8 的输入电压、 输出电压及频率适应范围都很宽，其电路的优化设计，使得它与任何类型的 l v d t 配合使用都能获得理想效果。 ( 3 ) 驱动l v d t 的激磁信号频率为2 0 h z - - 2 0 k h z ，它取决于a d 6 9 8 的一 个外接电容器。a d 6 9 8 的输出电压有效值达2 4 v ，能够直接驱动l v d t 的初级 激磁线圈。l v d t 的次级输出电压有效值可以低于1 0 0 m v 。 ( 4 ) 振荡器的幅值不随温度变化而影响电路的整体性能。a d 6 9 8 采用比 率译码方案，即通过计算次级电压与初级电压的比率来确定l v d t 的位置和方 向。 ( 5 ) 只要电源不过载，一个a d 6 9 8 可以串联或并联驱动多个l v d t 。其 激励输出具有热保护功能。 ( 6 ) 在简单的机电伺服回路设计中，可以将a d 6 9 8 作为一个积分环节来 处理。 2 a d 6 9 8 与l v d t 的连接的功能框图如图2 5 所示。 3 激磁电源 激励电源要求提供一定频率的正弦交 流信号，为测量电桥和相敏检波器供电。 激励电源输出电压的幅值和频率的变化将 影响测量电桥的灵敏度。本课题采用集成 的电感传感器处理器件a d 6 9 8 本身自带激 磁信号发生器，只要外接一个合适的电容 即可获得所需的激磁信号。 l o 图2 5 a d 6 9 8 与l v d t 连接的功能框图 4 滤波电路 滤波器是一种选频装置，它对某一个或几个频率范围( 频带) 内的电信号 给以很小的衰减，使这部分信号能顺利通过；对其他频带内的电信号则给以很 大的衰减，从而尽可能地阻止这部分信号的通过。在更多的情况下，滤波器被 狭义地理解为选频系统，如低通、高通、带通、带阻【l o 儿l l 】。 在圆度测量中，由于各种噪声信号的影响，使得测量数据不可信，因此必 须对原始的测量数据进行滤波处理。为了计量量值的统一和不同仪器测量结果 的可比性，国家标准g b t7 2 3 5 2 0 0 4 产品几何量技术规范( g p s ) 评定圆度误 差的方法半径变化测量规定圆度仪滤波器的带通范围规定如下：1 15 波 每转( u n d u l a t i o n sp e rr e v o l u t i o n ，简称u p r ) ，1 5 0 波每转，1 1 5 0 波每转，1 5 0 0 波每转，1 15 0 0 波每转( 相当于圆度仪滤波器全通) 共计五档滤波【l2 1 。 原电路中，传感器和控制器组成的测量电桥。测 ，蝼型n + 量电桥经过选频放大，再到相敏检波，然后送到噪音 j _ ， 滤波器，以滤除高频干扰信号。其圆度滤波器含有正 反馈放大器，用作阻抗匹配和提高增益。然后，通过 占 四组不同大小的电阻和电容分别组成三个低通滤波 图2 6 低通滤波器原理 器和一个高通滤波器，通带分别为：1 5 0 0 u p r 、1 5 0 u p r 、1 1 5 u p r 和1 5 5 0 0 u p r s j 。 在本仪器改造过程中，放大电箱模拟滤波只设置1 1 5 0 0 u p r ，而其余带通频率 的设置由数字滤波器实现，根据实际需要进行选择，这样大大简化放大电箱滤 波电路设计。由于电箱模拟低通滤波只完成1 1 5 0 0 u p r 滤波功能，因此设计时 使用简单的r c 滤波电路就能完成1 l5 0 0 u p r 滤波功能，滤波器工作原理如图 2 6 所示。r c 滤波器截止的频率：f o = l ( 2 7 r a c ) ，根据需要进行选择r 和c 的 大小。 2 4 5 圆度仪数字滤波器设计 1 数字滤波器简介 所谓数字滤波器是指输入、输出均为数字信号，通过一定的运算关系改变 输入信号所含频率成分的相对比例或滤除某些频率成分的器件。数字滤波器是 数字信号处理中最重要的组成部分之一，几乎出现在所有的数字信号处理系统 中，相对于模拟滤波器，数字滤波器具有以下显著优点：精度高；灵活性 大；可靠性高：易于大规模集成；并行处理。数字滤波器的这些优势使 它的应用越来越广泛，在数字通信、语音图像处理、谱分析、模式识别、自动 控制等领域得到了广泛的应用。数字滤波器主要分为二大类：有限脉冲响应数 字滤波器( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ，简称f i r ) ，f i r 数字滤波器的输出仅与当前 输入和过去的输入有关，而与过去的输出无关；另一类是无限脉冲响应数字滤 波器( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) ，简称i i r 。i i r 数字滤波器的输出不仅与当前 输入和过去的输入有关，而且与过去的输出有关，详见参考文献【1 3 卜【”】。 由于i i r 数字滤波器的延时较小，优于f i r 数字滤波器，圆度误差信号频 率主要集中在低频部分，i i r 数字滤波器中的巴特沃斯( b u t t e r w o r t h ) 滤波器完全 能够满足圆度误差信号滤波特性要求，另外i i r 数字滤波器中的巴特沃斯 ( b u t t e r w o r t h ) 滤波器设计时借助模拟滤波器的成果，设计过程规范、简单明了， 因此圆度仪数据处理系统采用巴特沃斯( b u t t e r w o r t