（测试计量技术及仪器专业论文）通用回转体检测仪的软硬件设计.pdf

通用回转体检测仪的软硬件设计 s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n sf o rt h e g e n e r a l d e t e c t i n gi n s t r u m e n t o f a x i s y m m e t r i cb o d y 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：谭文斌 指导教师：李醒飞教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年八月 摘要 回转体工件的生产在制造行业中占有很大的比重，由于内燃机的广泛使用， 气缸套、活塞等回转体工件在国民经济中更是占有极重要的地位，而随着现代工 业的快速发展，传统的回转体检测仪器不能很好地满足高精度在线检测的要求， 从而对高精度高效率的回转体检测仪器研制提出了要求，本课题的研究即是在这 种形势下开展的。 本文设计的通用回转体测量仪在检测原理上属于坐标测量，是一种将接触和 非接触两种探测技术结合的坐标测量系统，能够很好地满足工业生产提出的高精 度快速高效检测的要求，且具有较好的通用性和开放性，并在一定程度上实现了 仪器的智能化。 论文主要研究内容和工作如下； 根据回转体的特点，对传统的标准三坐标测量机进行改造，更适合于回转体 的检测，并节省了仪器的制造成本；将接触和非接触测量结合，继承两者的优势， 使仪器能同时具备高精度和快速高效的优点；建立了以“p m a c + i p c ”的双c p u 硬件结构为基础的运动控制系统，再与开放性良好的测量软件相结合，使仪器具 有较好的开放和扩展性；使用各硬件模块搭建了完整的运动控制系统，对该系统 的参数进行合理的设置与调试，并通过p m a c 实现了手轮功能、触发式测头的 保护以及典型的操作面板等功能；编写了智能化的测量软件，说明了测量软件的 设计思想和实现方法，并给出了一键快速测量的详细实现框架和步骤；根据国家 或行业的相关安全标准，对仪器进行了预先危险性分析，并采取了多种安全保护 措施保障仪器中的安全可靠运行；对检测仪进行了测量系统分析( m s a ) ，分别 对仪器的偏倚、稳定性、线性以及重复性和再现性等重要统计特性进行了研究， 并根据m s a 的判定原理和流程对仪器进行了实际评定。 关键词： 回转体；接触式测量；非接触式测量；p m a c ；测量系统分析； a b s t r a c t t h et o t a lp r o d u c t i o no fa x i s y m m e t r i c w o r k p i e c eh a sa c c o u n t e df o ral a r g e p e r c e n t a g e o f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a l o n g w i t hw i d e a p p l i c a t i o n o f i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e ，a x i s y m m e t r i cw o r k p i e c es u c ha sc y l i n d e rl i n e r , p l u n g e r h a sp l a y e dm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a le c o n o m y w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y , t h et r a d i t i o n a la x i s y m m e t r i cw o r k p i e c ed e t e c t o rc a n n ol o n g e rf u l f i l l st h e r e q u i r e m e n to fo n - l i n ed e t e c t i o n ，a x i s y m m e t r i cw o r k p i e c e d e t e c t o ro f h i g hp r e c i s i o na n dh i g he f f i c i e n c yh a sb e c o m et h et r e n do fd e v e l o p m e n t t h i sp a p e rp r e s e n t sag e n e r a ld e t e c t i n gi n s t r u m e n to fa x i s y m m e t r i cb o d yu s i n ga c o o r d i n a t em e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h ec o n t a c tm e a s u r e m e n t a n dn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t i tc a nf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a sh i g hp r e c i s i o na n do n - l i n ed e t e c t i o n ，a n di ta l s oh a sa d v a n t a g e sl i k eg o o dg e n e r a l i t y a n do p e n n e s s b e s i d e st h e s e ，i ti sa ni n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tt os o m ee x t e n t t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea x i s y m m e t r i cb o d y , t h et r a d i t i o n a la n d s t a n d a r dc m mi sr e f o r m e dt om a k et h i si n s t r u m e n tb em o r es u i t a b l ef o rt h ed e t e c t i o n o ft h ea x i s y m m e t r i cb o d y , a n dt ol o w e rm a n u f a c t u r i n gc o s t t h i si n s t r u m e n ti n h e r i t s a d v a n t a g e so ft h ec o n t a c tm e a s u r e m e n ta n dr l o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t , s oi th a sb o t h h i g hp r e c i s i o na n dh i g he f f i c i e n c y i ta l s oh a sg o o do p e n n e s sa n de x p a n s i b i l i t y , b e c a u s ei t sm o t i o nc o n t r o ls y s t e mi sb a s e do nad u a lc p ua r c h i t e c t u r ec o m p o s e db y p m a ca n di p c ，a n da l s ob e c a u s ei t sm e a s u r e m e n ts o f t w a r eh a sg o o do p e n n e s s t h i s p a p e rp r e s e n t sac o m p l e t em o t i o nc o n t r o ls y s t e mw i t hv a r i o u sh a r d w a r em o d u l e sa n d m a k e sr e a s o n a b l ep a r a m e t e r sf o ri t t h i ss y s t e mu s e sp m a ct oc o m p l e t ef u n c t i o n s s u c ha s h a n d w h e e l ，p r o t e c t i o no ft h et o u c ht r i g g e rp r o b ea n do p e r a t i o np a n e l i n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts o f t w a r ei se d i t e df o rt h i si n s t r u m e n t ，a n dt h ed e s i g n i n g t h o u g h t ，r e a l i z i n gm e t h o do ft h ew h o l es o f t w a r ea n dt h ed e t a i l e di m p l e m e n t a t i o ns t e p s f o ro n e - k e yf a s tm e a s u r e m e n ta r ei n c l u d e di nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt o r e l e v a n t c o u n t r yo ri n d u s t r ys a f e t ys t a n d a r d s ，t h ep r e l i m i n a r yh a z a r da n a l y s i si sm a d e ，a n d s o m es a f e t ym e a s u r e sa r et a k e nt oe n s u r et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h eo p e r a t i o n t h eb a s i cp r i n c i p l eo fm s ai s i n t r o d u c e d ，a n db i a s ，s t a b i l i t y , l i n e a r i t y ，r e p e a t a b i l i t y ， r e p r o d u c i b i l i t ya n do t h e ri m p o r t a n ts t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r er e s e a r c h e da si t sm a i n c o n t e n t s f i n a l l yt h i sp a p e rm a k e saa c t u a le v a l u a t i o nf o rt h i si n s t r u m e n ta c c o r d i n gt o t h ea s s e s s m e n tm e t h o d o l o g i e sa n dp r o c e d u r eo fm s a k e yw o r d s ：a x i s y m m e t r i cb o d y , c o n t a c tm e a s u r e m e n t ，n o n c o n t a c t m e a s u r e m e n t ，p m a c ，m e a s u r e m e n ts y s t e m sa n a l y s i s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞叁鲎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了谢意。 学位论文作者签名：多掌友交酊签字日期：夕一p 年7 月 易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：夕事支 签字日期：2 p 年7 月三日 导师签 签字日期： 。汐年7 月z 日 第一章绪论 第一章绪论 生产力是社会发展的决定因素，一个国家的国力首先取决于它的生产能力， 特别是它的制造能力，而测试技术是决定制造水平的因素之一【l 】。计量测试仪器 是人类认识、改造物质世界的重要手段，其发展标志着人类社会的进步与繁荣。 “两弹一星 元勋王大珩院士也说过：“仪器是认识世界的工具；科学是用斗量 禾的学问。用斗去量禾就对事物有了深入的了解、精确的了解，就形成科学”。 自古至今，衡量生产水平的两大指标一直是质量和效率。测试对于保证质量 的重要性是不言而喻的，没有测试就无法评定产品质量的优劣，更无从保证产品 的质量。何况现代生产都是通过测试，实现反馈，控制产品的质量。 生产效率同样也离不开测试。一台高速切削机床必须要有良好的轴系，包括 回转精度、动平衡等，而这一切都需要测试。为了提高生产效率就必须实现自动 化。制造业的自动化起源于上世纪初，主要是利用凸轮、挡块等在纺织、钟表等 大规模生产中实现刚性自动化。科学技术的进步要求产品不断更新、工艺技术不 断进步。这种刚性自动化在多数情况下已经成为生产发展的障碍，现代的自动化 是柔性自动化，越是柔性的系统越需要测量。没有测量就无法获得反馈信息，正 确、准确地控制工艺过程和执行部件的运动。 计量学是一门研究计量理论和实践的专门学科。在计量学中，几何量的计量 比较成熟而且已普遍开展。社会生产的需求和进步以及测试技术的发展，要求和 推动着计量测试仪器不断革新和进步。从最初机械制造中使用的一些机械式测量 工具，如角尺、卡钳等，到上世纪6 0 年代初出现并不断改进的三坐标测量机， 计量测试仪器产生了革命性变化【2 j 。 1 1 坐标测量机的发展 坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，简称c m m ) 是集机械、光学、 控制技术、计算机技术为一体的大型的精密测量仪器【3 1 。它广泛地用于机械制造、 电子工业、汽车和航空航天等工业中。它不仅可用作零件和部件的尺寸、形状及 相互位置的检测，例如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、型体等空 间型面的测量。此外还可用于划线、定中心孔、光刻集成电路等，并可对连续曲 面进行扫描及制备数控机床的加工程序等，解决二坐标万能测量显微镜等不能解 决的问题。坐标测量机不仅用于计量室进行产品检验，而且也是整个生产系统进 第一章绪论 行前置反馈控制的重要环节，它可以对下一批零件的加工工艺、加工参数进行修 正，对产品质量进行管理和误差诊断，实现大系统的闭环控制，以保证加工质量。 由于坐标测量机通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、且能与柔性 制造系统相连接，已成为一类大型精密仪器，故有“测量中心”之称。 自1 9 6 0 年，第一台三坐标测量机在英国诞生以来，坐标测量机技术已有了 4 0 多年的历史最初的手动数显打印型发展为手动型，再到当前应用较多的计算 机数字控制型( c n c ) 。在此期间，机械设计技术与机械加工技术的进步，空气轴 承的工业化，计算机的进步及其应用技术的开发，以及控制技术的发展，各种接 触式和非接触式测头的开发等，为三坐标测量机不断应用新技术提供了技术前 景，使坐标测量技术在近年有了惊人的进步，使其在精密测量机中，构成了不可 动摇的地位。 国外著名的c m m 生产厂家有日本三丰、德国的莱司和莱茨、意大利的d e a 、 美同的b r o w n & s h a r p e 、英国的r e n i s h a w 等公司，已生产了性能较好的三坐标测 量机。我国自7 0 年代开始研制三坐标测量机以来，也有了很大发展。我国主要 的生产厂家有中国航天精密机械研究所、青岛前哨英柯发测量设备有限公司、北 京机床研究所、昆明机床厂等。截至目前，我国已经具备了从制造精密型三坐标 测量机到生产型三坐标测量机，直至分辨率为几微米的划线测量机的各种型号的 测量机的能力，且占领了一定的国内市场。 随着工程技术的不断发展，先进制造技术、各种工程项目与科学实验的需要 对坐标测量机不断提出新的、更高的要求。从目前国内外坐标测量机的发展情况 和科技、生产对坐标测量机提出的要求看，今后一段时期内坐标测量机的主要发 展趋势主要包含以下几方面： 1 提高测量精度。目前，精密级的三坐标测量机测量空间任何一点的坐标 精度均可达到微米级。但是现代的超精加工、科学研究中往往提出纳米级的精度 要求。 2 提高测量效率。现代的生产节奏不断加快，要求测量在保证必要测量精 度的同时，还要有较高的效率。 3 发展探测技术，完善测量机配置。探测技术发展的一个重要趋势是非接 触测头越来越广泛的应用，而具有高精度、较大量程的扫描式模拟测头也是探测 技术的另一个发展方向。 4 发展软件技术，发展智能测量机。现代测量机软件越来越丰富，它不仅 包括坐标系的转换、测端半径补偿与测端中心位置确定、控制软件以及数据处理 软件，而且还包括误差补偿软件，c a d ，c a m 软件与网络通信软件等。新的坐 第一章绪论 标测量机需要能自动编程确定测量策略，能针对测量任务对本身进行优化以及能 进行故障的自动诊断等。 5 控制系统更开放。目前多数测量机都配置制造厂商自行制造他们专用的 制造系统。在整个制造工业的整体发展趋势引导下，具有开放式控制系统的测量 机是必然的。 。 6 进入制造系统，成为制造系统组成部分。坐标测量机将越来越多地用于 生产线，用于产品质量信息的反馈，成为柔性制造系统的一个有机组成部分。 坐标测量机是用测头来拾取信号的。坐标测量机的功能、工作效率、精度与 测头密切相关。没有先进的测头，就无法很好地发挥测量机的功能。测量机的发 展促进了新型测头的研制，而新型测头的出现又使测量机的功能更为完善。按照 测量方法分类，坐标测量机的测头可分为接触式和非接触式两类。接触式测头便 于拾取三向尺寸信号，应用比较广泛，种类也较多，如目前应用较广泛的英国 r e n i s h a w 公司生产的接触式测头。接触式测头优点在于可靠性好、精度高，可 实现三维微位移测量。其缺点是体积大，一般垂直向下使用；与被测表面接触， 有摩擦、磨损以及弹性变形；不能测量软性物体表面；需要进行测头半径补偿。 由于接触式测头的这些缺点，世界上很多国家开始研究和探索非接触扫描测头， 相继开发出了多种产品，发展非接触测量技术成为坐标测量机的发展趋势之一。 非接触测头的优点如下： 1 允许高的探测速度。接触测量需要逐点地对工件进行探测。即使是扫描 测量，也有测端与工件相碰、离开，测量机改变运动方向、加速、减速等过程。 这些都对提高测量与运动速度起制约作用。在采用非接触测头的情况下，不仅可 以在测量机连续运动过程中对工件进行“飞测，而且可以不是逐点地测量，而 是同时对一个面进行测量。 2 没有测量力和摩擦力。由于不与被测工件接触，在测量过程中不会产生 测量力和摩擦力，可用于测量各种柔质、易变形以及易于划伤的工件。 3 平面图像的测量。大规模集成电路及其掩模的测量是一个十分重要的领 域，要用光学非接触测头测量。 4 光斑可以做得很小。例如直径为1j a m 的光斑，可以对一些接触测端不易 伸入的部件进行测量，或对一些细节进行测量，也不必进行测端半径补偿。 5 在不少情况下，具有较大的量程。例如基于三角法原理的激光测头，量 程可达几十毫米，这是一般接触测头难以达到的。 6 探测信息丰富。例如c c d 视觉检测可以同时探测到视场内大量的二维信 息，甚至可以测得物体的光学特性。 正因为非接触测头具有这些突出的优点，近年来，非接触测头发展十分迅速， 第一章绪论 成为探测技术的一个重要的发展方向，推动着坐标测量技术的不断进步。而不同 类型的测头同时使用或者交替使用，能同时发挥出接触和非接触测头的优点，体 现坐标测量机的优越性能。例如，工件上不同特征的元素需用不同形式的测头， 或者先用摄像头大体找到某一元素( 如小孔) 的位置，再用接触测头去探测。这 种思路，也可用于自动生成测量路径。本课题即采用了接触和非接触测头的结合 来检测回转体的尺寸信息。 1 2 课题的提出及研究意义 回转体类工件的生产在制造行业中占有很大的比重。内燃机广泛用于工业、 农业、交通运输国防建设和中、小型发电站，而气缸套、活塞等回转体类工件是 内燃机的关键部分，需要高效率、高精度的在线检测，这是生产技术发展的必然 要求。 气缸套是镶在内燃机缸体内的筒形零件，与气缸盖、活塞、活塞环组成了内 燃机的燃烧室，其作用是气体压缩、燃烧和膨胀的空间，主要起密封、导向和散 热等重要作用【4 】。目前，除少数负荷轻、缸径较小的汽油机外，大多数柴油机和 汽油机，无论是民用还是军用，无论是陆地车辆还是航运船舶，都广泛使用着气 缸套。我国是一个巨大的汽车、拖拉机、摩托车用户市场，国内许多工厂生产气 缸套。气缸套检测目前还是采用传统的检测方法，以接触式百分表( 千分表) 和 测量规为主。这种方法检测效率低，使用人员多，人为因素直接影响测量结果， 气缸套的检测已经成为气缸套发展的瓶颈。质量不仅是制造出来的，更是检测出 来的，在改进气缸套生产线的同时，提高产品检测的质量和效率至关重要，这就 为快速高精度检测设备的使用提出了要求。很多其他类型回转体工件也存在类似 情况。 三坐标测量机可以检测回转体的三维轮廓，测量精度高，但设备较为昂贵， 且一般需要配置数控回转台等辅助设备，进一步提高了成本。回转体上有很多小 尺寸圆弧参数的检测，这也一定程度上限制了标准三坐标机的使用。此外，由于 一般回转体工件为生产线大批量生产，保证检测设备基本上可以满负荷运行。因 此开发一套专用于回转体尺寸的通用检测设备是有现实意义的，这也是某回转体 工件生产厂家提出的要求。本课题即设计了一种针对回转体尺寸参数进行快速检 测的检测设备。 在获取被测元素的空间坐标后，检测仪利用计算机对数据进行处理，最终得 到被测要素的尺寸参数、实现测量目的，因而本检测仪本质上是一种坐标测量系 统。同时本文针对被测对象为回转体的特点，简化了三坐标测量机的结构，节省 4 第一章绪论 了制造成本。 检测仪在探测技术方面采用c c d 计算机视觉检测与接触式触发测头的结合， 使仪器既具有非接触测量的优点，提高了检测速度，还具有接触测量高精度的特 点，提高了气缸套如台肩高度等关键尺寸参数的检测精度，这是坐标检测机探测 技术的一种新的尝试和发展。 采用开放性控制系统，使仪器具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹 控制精确、通用性好等特点。 检测仪在测量软件方面初步实现智能化，例如，用户可根据需求自定义检测 方案，实现对被测对象任意尺寸的自动检测；具有各种功能提示，具备一定程度 的自我诊断能力；具有一定的误差补偿能力等等。 此外，仪器的快速检测能力保证仪器可以进入生产线，及时反馈产品质量信 息，便于实现对整个生产过程的控制。 本课题研发的通用回转体检测仪是针对特定测量对象设计的简易高效的坐 标测量机，为高精度高效率的智能化三坐标测量机的研发打下了良好的基础。 1 3 本文的主要工作 本文研究目的是设计一种针对回转体尺寸的通用检测仪器以满足回转体类 工件的现代化生产对检测设备提出的高精度快速高效等测量要求。本文设计了一 套将接触和非接触两种探测技术结合的坐标测量系统，满足了高精度、快速高效 的测量要求，具有较好的开放性，且在一定程度上实现了检测仪器的智能化，此 外还研究了仪器运行的安全和可靠性，为新设备研发时安全和可靠性设计提供了 参考。本文的主要内容包括： 1 介绍仪器的整体结构组成，按照建立开放式的运动控制系统的要求，选 择“p m a c + i p c 的双c p u 硬件结构作为仪器控制系统的基础，合理选择了建 立该系统需要的硬件设备，并根据探测技术上接触和非接触测量结合的要求合理 选择了仪器的测头，此外还介绍了构成坐标测量机的其他设备，如机械结构等。 2 介绍了运动控制系统的建立以及控制核心p m a c 的程序编写。介绍了构 成运动控制系统电气连接的系统配线；在介绍p m a c 变量的组成和设置方法以 及p m a c 程序种类和作用等基础知识后，叙述了基于p m a c 位置跟随功能的手 轮功能参数和p i d 伺服算法参数的设置调试过程，并介绍了p l c 程序的应用， 如用于实现基于p m a c 标志信号的系统控制面板功能，以及在p m a c 中实现对 触发式测头进行防撞保护。 第章绪论 3 测量软件是仪器是否实现智能化的关键因素，测量软件的编写是设计测 量仪器中至关重要的一步。简要介绍了仪器的测量软件的设计思想和实现方法： 介绍了测量软件关于各类几何尺寸参数的测量方法，说明了测量路径的生成原则 以及路径规划，还介绍了测量软件的各项实用功能并给出了应用实例。 4 介绍了为保证检测仪的安全性和可靠性采用的安全保护措施。根据国家 或行业的相关安全标准，介绍了对仪器进行的预先危险性分析，并介绍了在本仪 器中采用的安全保护措施。 5 测量系统分析( m s a ) 是对测量系统性能进行判断的常用方法。说明了 对检测仪进行的测量系统分析：介绍了m s a 中的基本概念，表述了测量系统中 偏倚、稳定性、线性以及重复性和再现性等重要统计特征量，介绍了m s a 常用 的变差研究理论和测试方法，并提出了适合本检测仪的m s a 实验流程，还叙述 了对本仪器进行的测量系统分析。 6 第二章仪器的硬件组成 第二章仪器的硬件组成 本检测仪由工业控制计算机( i p c ) 、p m a c 运动控制器、伺服驱动系统、标 尺系统、机械结构组成。仪器通过p m a c 运动控制器控制电机驱动三个轴的运 动，包括x 轴的水平方向运动、在z 轴的竖直方向运动和c 轴的转台旋转，实 现从各个方位对被测件的检测。其中x 轴和z 轴的电机通过p m a c 控制卡接收 光栅尺的反馈信号形成闭环系统；因为旋转轴的精度要求不太高，仅通过电机编 码器构成半闭环系统便能满足测量要求1 5 j 。 2 1 整体结构 普通测量机结构有悬臂式、桥框式、龙门式、立柱式等等。本检测仪用于回 转体的尺寸检测，并且在特定条件下实现对特定工件如气缸套进行检测，因此整 体结构和测量方案与广泛使用的三坐标测量机不同。本仪器采取工件回转，检测 器件沿母线运动的方案进行测量，这种方案的特点是： 1 检测器件的运动简单，只需要沿工件的母线运动，靠转动被测工件来获 得被测工件的尺寸。这种方式有利于减少发生碰撞的可能性，提高测量系统工作 的可靠性与安全性。 2 有利于提高测量效率。本检测仪将检测器件移动到一个高度位置，再将 工件旋转一周，此过程中可用检测器件测量此高度位置的相关参数。完成该参数 的测量后再将检测器件移动一个新的高度位置，同样在工件旋转的同时用检测器 件测量此时的相关参数，以此类推即完成对被测工件测量。这种方案比不转工件、 完全靠检测器件的移动来完成测量有更高的效率。 本仪器采用立柱整体移动式结构，如图2 1 所示。立柱带动测量臂在底座上 移动，测量臂沿立柱上下移动。这种结构刚性好，机构紧凑，运行平稳，是对三 坐标测量机的简化，更适用于回转体测量。主要包括电气控制柜、大理石平台、 底座( x 向) 、主轴旋转台、立柱( z 向) 、测量架、外壳、操作面板和显示器组 成，如图2 2 所示。 为了地保证检测仪的测量精度，在测量原理确定以后，必须从结构上尽可能 地消除误差。结构设计时，首先应满足最短传动链原则，并尽可能简化机构，以 减少误差来源；其次增大结构的刚度和牢固件，以减小变形误差和振动的影响： 再次尽可能采用运动学或半运动学式的结构型式1 6 】。 第二章仪# 的硬件目a 图2 1 立柱整体移动式结构 圈2 - 2 通用回转体检删仪的整体结构 电气控制柜内布置有稳压电源、工业控制计算机、p m a c 运动控制卡 驱动单元。本检测仪的运动控制核，t 5 为p m a c 运动控制卡p m a c 2 a p c i 0 4 伺服 ，工 篓，一 棼 嚏 第二章仪器的硬件组成 业控制计算机负责运动指令的发送和对p m a c 卡的控制。工控机上的c p u 与 p m a c 的c p u d s p 构成主从式双微处理器结构，两个c p u 各自实现其相应 功能。 底座包括了沿x 向的伺服电机、滚珠丝杠、底座滑块及滚动导轨、x 向光栅 尺、底座外壳及底座防尘罩。电机驱动滚珠丝杠，从而带动固定在滑块上的立柱 沿x 向导轨运动，光栅尺精确地反映立柱在x 向的位移。 主轴旋转台包括主轴伺服电机、涡轮蜗杆、转台、气缸套工装。由电机驱动 涡轮蜗杆带动转台进行回转。可通过设计不同的工装来装卡不同的回转体，再配 以合适的测量软件，使本检测仪具有较好的通用性。 立柱包括沿z 向的伺服电机、滚珠丝杠、立柱滑块及滚动导轨、z 向光栅尺、 立柱外壳及底座防尘罩。电机驱动滚珠丝杠，从而带动固定在滑块上的测量架沿 z 向导轨运动，光栅尺精确地反映测量架在z 向的位移。 测量架包括触发式测头和c c d 视觉检测系统，在测量原理上分别属于接触 和非接触测量。 2 2 直线轴和转台设计 2 2 1 直线运动轴 机械传动装置的要求是传动平稳、爬行小、刚度高，较低的摩擦阻力和动、 静摩擦力之差，同时不会产生大的振动与噪声。为了能够达到上述要求，我们对 传动主要机构导轨和丝杠进行了严格的计算、选型。经分析，本仪器选用了 直线滚动导轨副和滚珠丝杠螺母副作为直线运动轴的主要部件。 丝杠传动具有精度高、分辨力高、空程与回程误差小等特点，并且还具有自 锁功能，只要丝杠停止运动，运动部件不会在惯性力或重力作用下继续运动，这 对竖直方向轴很重要，使其不会在重力作用下自行下垂，损坏测头。滚珠丝杠除 具有上述一般丝杠的优点以外，通过施加预紧力以消除轴向间隙，提高了系统的 刚度，保证了整套进给系统较高的定位精度和良好的动态响应特性1 7 j 。 本检测仪采用直线滚动导轨副来保证机器平稳、高精度运动。直线滚动导轨 副的优势在于可以省去全套压缩空气设备和气动控制组件，适用于无气源的环 境，并能够降低设备的制造成本。此外，直线滚动导轨副刚性良好，承载能力较 强，导轨两侧和滑块内侧都平行延伸着4 条平行导轨，使钢珠在运动中有良好的 接触；滑块两端特殊设计的反向器，使该珠能无阻滞地循环。钢球的过盈量配置 能实现不同的预负荷，因此用户可以不再调整，只要把导轨和滑块分别固定在要 第二章仪器的硬件组成 作相对运动的两个零件上即可，固紧好以后，导轨就安装在机器上可以使用了， 安装和调试简单方便【8 1 。直线滚动导轨副结构如图2 3 所示。 图2 3 直线滚动导轨结构 由于安装和调整找正对整机性能有较为明显的影响，在结构安装的过程中本 文严格按照图2 4 所示来装卡。 辱瓣露 图2 4 直线滚动导轨的安装 在丝杠的选择方面，本文采用双螺母副滚珠丝杠，这种丝杠可以很好的消除 运行过程中的回程误差，有利于保证测量的精度和重复性。 厢运 置线滚动导轨 联苹伞华半i 苹苹苹苹华苹 轴i - 一i 一l 撇机胁八a 仑分心 图2 - 5 直线运动轴的传动结构 l o 第二章仪器的硬件组成 因此，本检测仪x 轴和z 轴采用了直线滚动导轨配合滚珠丝杠螺母副的组合， 如图2 5 所示，主要由交流伺服电机、弹性联轴节、滚珠丝杠螺母副、直线滚动 导轨副以及光栅尺组成。 2 2 2 转台和工装 转台通过蜗轮蜗杆传递电机的转动进行回转，如图所示2 - 6 所示。本检测仪 的主轴定位系统主轴锥孔为莫氏5 拌，采用精密轴承回转轴系、蜗轮蜗杆传动， 伺服电机驱动。由于旋转轴的存在，本检测仪具有三个方向的测量自由度，能够 反映出工件真实的三维外形。 图2 - 6 主轴旋转定位系统 轴承 。 图2 - 7 康明斯气缸定位方法 l l 第二章仪器的硬件组成 前文已经提到，为同时满足检测工件的快速性和通用性，对不同的回转体设 计不同的工装再配以相应的测量方案即可( 有时可能需要更换c c d 型号) 。被测 件以康明斯气缸套为例，工件的定位方法如图2 7 所示，将工装尾部莫氏5 群锥柄 插入转台锥孔内，工装圆盘平面与锥孔( 柄) 保证垂直，工装圆盘平面上有四个 定位爪，以气缸套的端面和其内径作为定位基准。 2 3 运动控制卡 p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) 是美国d e l t at a u 数据系统公司 ( d e l t at a ud a t as y s t e m si n c ) 生产的高性能伺服运动控制器的一个家族，采用摩 托罗拉d s p 5 6 x x x 数字信号处理器。在数字处理器的强大功能支持下，p m a c 提 供了高性价比的多轴控制性能。p m a c 运动控制器本身就是一台计算机，它不但 可以单独作为一个运动控制系统，也可以通过与主机相连，构成一个“p c + 运动 控制器”型的运动控制系纠9 】【1 0 】。 p m a c 可以通过存储在它自己内部的程序进行单独的操作，从某种意义来 说，它就是一台实时的、多任务的计算机，能自动对任务进行优先等级判别，从 而使具有较高的优先等级的任务比具有较低的优先等级的任务能先被执行。 p m a c 主要完成以下工作】： 1 执行运动程序 p m a c 的最主要的任务，当执行运行程序时，p m a c 总是工作在实际运动之 前，并根据需要正确地协调即将执行的动作，提前运算有利于提高运动控制的性 能； 2 执行p l c 程序 执行那些不是用运动的顺序来直接协调的动作，在处理器时间允许的情况下 尽可能地连续扫描他们的操作。这些程序对于在运动顺序上不同步的任务是非常 有用的，主要用于对外界因素的监测。 3 伺服环更新 p m a c 对每一个电机都以一个固定的频率( 通常是2 k h z 左右) 对其进行伺服 更新。先根据运动程序或别的运动命令得到可能要求的位置增量，再将这同反馈 传感器读回的实际位置相比较，根据二者的差值对运动进行调整，直到该差值小 于要求的值。该功能是自动运行，不需要任何命令。 4 资源管理 p m a c 定期自的执行该功能，以确认整个系统是处于正常的工作状况下。这 些功能还包括安全检查，例如随动误差限制、硬件超行程限制、软件超行程限制、 第二章仪器的硬件组成 放大器出错以及门狗计时器的更新。 5 与主机通讯 p m a c 可以在任何时间与主机通信，甚至是在一个运动序列的中间。p m a c 将接受一个命令，然后采取相应的动作，将命令放入一个程序缓冲以便以后执行。 如果命令是非法的，它将会向主机报错。 此外p m a c 卡的仿真运行、中断功能、位置捕捉、位置随动、数据采集及分 析以及多次开发等功能可以满足各种不同的需求；而且p m a c 卡硬件结构和软 件结构上也有极大的开放性【l2 1 ，使其能工作在各种不同的控制系统中，扩展了其 应用范围。在测量仪中就用到了该卡的位置捕捉功能：由硬件电路完成，只耗时 二十几纳秒，捕捉精度高。 检测仪选用了p m a c 2 a p c 1 0 4 板卡，该卡基板有四个轴通道，是p m a c 系 列产品中结构紧凑、价格适中的一款 1 3 】【1 4 】。 2 4n n - 马g 动系统 数控系统中，伺服驱动系统的作用是根据指令要求，快速、准确地完成各坐 标轴的运动。常用的伺服驱动装置主要有：步进电机及其驱动单元、直流伺服电 机及其驱动单元、交流伺服电机及其驱动单元、直线电机及其驱动单元、陶瓷电 机及其驱动单元、力矩电机及其驱动单元，由于后三种驱动装置价格昂贵、维修 困难且应用领域有限，所以数控系统常采用前三种驱动装置【b 】。 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技 术、控制技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，交流伺服控制技术得到了极 大提高，使得先前困扰着交流伺服系统的电机控制复杂、调速性能差等问题取得 了突破性的进展，交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得交流伺服 系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代伺 服驱动系统的一个发展趋势i l 引。与其他类型电机相比较，交流伺服电机具有以下 优点17 】： 。 1 结构简单、运行可靠、易维护或免维护； 2 体积小、重量轻；损耗少、效率高； 3 快速响应性能优越，电机转动惯量小，受电气和机械特性影响的时间常 数小； 4 在低速状态下，仍能保持平稳运转； 5 电机空载转矩很小； 6 电机内配有位置检测装置( 光电编码器或绝对角位移编码器) 。 第二章仪器的硬件组成 测量仪所采用的交流伺服系统是日本安川株式会社( y a s 融w 舱) 生产的 i i 系列交流同步伺服电机s g m a h 0 4 a a a 4 1 及其配套的伺服驱动单元。 如图2 - 8 所示，i i 系列交流伺服驱动系统的伺服驱动单元内置电流环和速 度环，保证了定子内的不会因启动电流超标，而导致线圈过热。同时，使电机在 允许的最高加速度下启动，充分发挥电机的启动性能，并保证了启动的平稳性 i8 1 1 1 9 】 o r j 速度环 i 2 5 标尺系统 图2 - 8 一i i 伺服单元控制原理图 标尺系统，也称为测量系统，是坐标测量系统的重要组成部分。恰当地选择 标尺系统对提高整机精度是十分重要的。标尺系统直接影响到坐标测量系统的精 度、性能和成本。本仪器的标尺系统不仅要作为测量的依据，而且还要作为反馈 部件参与电机的控制，因此它还将直接影响到仪器的运动控制性能。本仪器使用 电机自带的编码器以及直线光栅作为计量和反馈部件。 光电编码器可以非常方便地测量电机轴的角位移，还可以测量轴的转速。编 码器以信号原理来分，有增量型编码器和绝对型编码器两种。其中增量型编码器 测量装置较简单，常用于测速，测转动方向，测移动角度、距离( 相对) 。它的 输入量为角位移，输出量为三组数字脉冲。其中a 相、b 相脉冲相位差9 0 。， 以判定编码器正转与反转；z 相输出在编码器每旋转一周时输出一个脉冲，以获 得编码器的零位参考。 本测量仪选用的伺服电机上自带了一个1 3 位增量型编码器，通过在伺服驱 动器上设定编码器脉冲分频比，可以自由设定编码器每轴输出的脉冲数，最少每 周1 6 脉冲，最多每周2 0 4 8 脉冲，该信号可以提供给p m a c 卡作为速度环和位 置环的反馈信号。 光栅可用于长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等方面的测量【2 们。光栅 是数控机床闭环系统尤其是测量机领域应用最多的一种检测装置。按类型分，光 栅主要包括直线光栅和圆光栅。本测量仪选用直线光栅，其技术参数为，z 轴有 第二章仪器的硬件组成 效长度2 7 0 r a m ，z 轴有效长度4 5 0 r a m ，分辨率0 0 0 0 5 r a m ，精度o 0 0 3 m m 。 2 6 测头 测头是坐标测量系统中是用来拾取信号的关键器件，坐标测量系统的功能、 工作效率、精度与测头密切相关。测头的选择是否合理，直接影响坐标测量系统 功能的发挥。测头可视为一种传感器，只是其结构和功能较一般传感器更为复杂。 坐标测量系统测头的两大基本功能是测微( 即测出与给定的标准坐标值的偏差 量) 和触发瞄准并过零发讯1 2 j 按结构原理，测头可分为机械式、光学式和电气式等。机械式主要用于手动 测量；光学式多用于非接触测量；电气式多用于接触式的自动测量。按测量方法， 测量头可分为接触式和非接触式两类。接触式测量头应用甚为广泛，种类也很多； 非接触测量头由于有独到的优点，发展十分迅速。 本检测仪采用的测头是触发式测头和光学测头的组合，如图2 - 9 所示。触发 式测头采用的英国r e n i s h a w 公司制造的t p 2 0 测头，由测头本体和可分离测头吸 盘两部分组成，在不需要重新修正的情况下，就可完成对探针配置的变换【2 l j ；光 学测头为c c d 摄像机，采用结构光作为光源来检测回转体的尺寸。 z 工 图2 - 9 触发式测头检测与c c d 视觉检测结合示意图 接触测量具有准确可靠、精度高的特点，但其测头易磨损，只能逐点测量， 测量速度较慢，并且较难检测回转体上诸如圆角之类的参数；而采用c c d 视觉 第二章仪器的硬件组成 检测的非接触测量可进行快速扫描测量，但易受被测物表面的颜色、斜率等反射 特性以及环境光线的影响。将接触测量和非接触测量结合应用到检测回转体上， 根据参数的测量要求不同，选择合适的测量手段，可实现参数检测在满足测量要 求条件下快速高效完成。 2 7 其他设备 1 工业控制机 在基于“p c + p m a c ”的开放式控制系统中，p c 机是整个控制系统的基础平 台。而测量仪工作环境是工业现场，情况恶劣，要保证系统能够在长时间连续可 靠地工作，首先必须保证p c 平台的可靠性。因此，测量仪选用专为工业自动化 设计的工业控制计算机( i p c ) 作为系统的p c 平台。 作为人机接口，工业控制机主要有这些功能：设置p m a c 变量，编辑调试 p m a c 程序，运行测量软件，实现人机交- q 2 2 1 。 2 稳压电源 本测量仪工作于工业生产现场，大功率设备的启闭，以及经常性正反转，将 造成电