（机械制造及其自动化专业论文）金属带长度测量系统的开发与精度分析.pdf

_ 己：| s f 上 a t h e s i sf o rt h e d e v e l o p s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n g l e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他入已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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 二此 思0 学位论文作者签名： 日 期： 学位论文版权使用授权书 王一年霞 御丫_ 7 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人授权东北大学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、交流。 学位论文作者虢王i 午莨 导师繇 多获馅 签字日期： 听j 7 ，。 签字日期： ，z z 善 ：； i 东北大学硕士学位论文摘要 金属带长度测量系统的开发与精度分析 摘要 在金属带式无级变速器中，金属带组件是有着很高使用要求的核心部件，由摩擦片 和闭式金属带组成，它的使用性能直接影响着整个无级变速器的工作性能。为保证其使 用寿命，不仅要求有较高的韧性，而且要实现均载( 即各层金属带上所受张力均匀) ， 而金属带之间的配合关系直接影响着金属带式无级变速器的工作情况和使用寿命。研究 金属带之问配合关系的基础和前提是测量出金属带之间的间隙量或过盈量的大小。 本文主要研究用于测量金属带周长的测量方法和对测量仪器加装电控部分。我们使 用了一台专门用于对其长度进行测量的仪器，原仪器是使用传统力学换算的方法来获得 金属带测量长度值的，现对其进行改造加装电控部分。电控部分的设计方案确定为使用 在一条尺带上配备两个读数头的光栅尺进行位移信号的测量，使用单片机读取光栅尺的 测量信号，经过数据处理后显示测量位移。电控部分的硬件电路和软件程序设计十分重 要，通过它可以提高测量系统的精度。 本文主要阐述了：金属带长度测量系统测量仪的机械结构；配有双读数头的光栅尺 安装方式；单片机及其外围电路设计；辨向和倍频细分电路的选择；单片机系统中的数 字滤波和软件系统的可靠性设计；数据采集系统的设计；以及测量系统精度分析。最后 还通过试验测量以验证系统设计的完善性。 通过本文的研究，使国内在金属带长度测量方面的技术更加完善，本测量系统的测 量精度也已经达到企业生产制造的要求。利用电控测量仪，可以快速精确的得到金属带 的长度或和偏差，以合理正确的选择在误差范围以内的金属带，为金属带组件的装配提 高了效率。 关键词：金属带长度测量仪；单片机；光栅尺；辨向和倍频细分；精度分析 i i i t， 一 ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p i n ga n da c c u r a c ya n a l y s i so f t h em e a s u r i n g s y s t e m f o rm e t a lb a n d sl e n g t h a bs t r a c t t h em e t a lb a n d sa r eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p a r t s i nm e t a lb e l tc v t ( c o n t i n u o u s l y - v a r i a b l et r a n s m i s s i o n s ) ，w h i c hi sm a d eu po fm e t a lb l o c k sa n db a n d s t h e i r w o r k i n gp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e sd i r e c t l yo nt h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo f c v t f o rp r o l o n g i n g t h el e n g t ho fl i f e ，t h em e t a lb a n d sh a v et ob el l i g h l yf l e x i b l ea n dl o a d e du n i f o r m i t y ( t h et e n s i l e f o r c e sa m o n go fm e t a lb a n d sl a y e r sa r eu n i f o r m i t y ) t h er e l a t i o no fm e t a lb a n d si n f l u e n c e s d i r e c t l y o nt h ew o r ka n dl i f eo fm e t a lb e l tc v t t h ef o u n d a t i o na n dp r e r e q u i s i t eo f r e s e a r c h i n gm e t a lb a n d sw i mr e l a t i o n si st om e a s u r et h es i z eo ft h eg a pa n ds u r p l u s t h em a i nr e s e a r c h e so ft h et h e s i sa r em e a s u r i n gt h em e t a lb a n do nt h ep e r i m e t e ro ft h e m e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dt h ei n s t a l l a t i o no fe l e c t r o n i cc o n t r o l p a r t i nt h em e a s u r i n g i n s t r u m e n tw eu s ea ne x c l u s i v e l yi n s t r u m e n tf o rt h em e a s u r e m e n to ft h el e n g t h ，w h i c hi st h e u s eo ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lm e t h o d st ob ec o n v e r t e dw i t ht h el e n g t h ，a n dn o wi t s t r a n s f o r m a t i o ni st h ei n s t a l l a t i o no fe l e c t r o n i cc o n t r o lp a r t t h ed e s i g no ft h ee l e c t r i cc o n t r o l p a r t i st h a t u s i n g t h ed u a l g r a t i n g s c a l e st om e a s u r ed i s p l a c e m e n ts i g n a l s ，r e a d i n g m e a s u r e m e n ts i g n a l sb ys i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r , p r o c e s s i n gd a t aa n dd i s p l a y i n gt h e d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t d e s i g n i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a mo ft h e e l e c t r i cc o n t r o lp a r ti sv e r yi m p o r t a n t ，a n dw ec a ni m p r o v et h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n t s y s t e mb yg o o dd e s i g n t h i sp a p e rm a i n l yd e s c r i b e sm e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h em e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o rm e t a l b a n d sl e n g t h ，i n s t a l l a t i o no ft h ed u a lg r a t i n gs c a l e s ，i n t r o d u c i n gs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r a n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i td e s i g n ，c h o o s i n gt h ed i r e c t i o n - j u d g m e n ta n df r e q u e n c yc i r c u i tf o r g r a t i n gs c a l es i g n a l s ，s i n g l e - c h i pd i g i t a lf i l t e r i n gs y s t e ma n dt h er e l i a b i l i t yo fs o f t w a r es y s t e m 协 d e s i g n ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n da c c u r a c ya n a l y s i so ft h em e a s u r i n gs y s t e m f i n a l l y , w e v 鲥匆t h ep e r f e c t i o no f t h es y s t e md e s i g nt h r o u g ht h et e s tm e a s u r e m e n t s t h r o u g ht h es t u d yo ft h i sa r t i c l e ，t h et e c h n o l o g yi nm e a s u r i n gl e n g t ho ft h em e t a lb a n d b e c o m em o r ec o m p l e t e ，a n dt h e a c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m h a sb e e nm e t m a n u f a c t u r i n gr e q u i r e m e n t so fe n t e r p r i s e s b yt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lm e a s u r i n gs y s t e m ，i tc a n g e tm e t a lb a n d l e n g t ho rd e v i a t i o nq u i c k l ya n da c c u r a t e l yf o rc h o o s i n gf a v o r a b l em e l tb a n d ， v 、 - 一 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论l 1 1 课题的提出1 1 1 1 国内外金属带技术现状l 1 1 2 金属带组件结构和性能。2 1 2 光栅编码器应用现状4 1 3 金属带长度测量系统组成7 1 4 课题的主要任务7 第2 章金属带长度测量系统总体方案9 2 1 金属带长度测量系统结构和功能介绍9 2 1 1 金属带长度测量仪机械结构一9 2 1 2 测量原理与测量理论基础1 0 2 2 位移光栅尺选择和安装1 2 2 2 1 光栅尺的选择1 2 2 2 2 光栅尺的安装12 第3 章系统硬件设计l5 3 1 单片机系统硬件设计1 5 3 1 1 系统硬件框图。1 5 ， 3 1 2 系统主要元件简介15 ，一 3 1 3 光栅位移传感器工作原理2 4 3 1 4 光栅尺信号处理方法2 6 3 1 5 辨向及倍频细分技术原理2 7 3 1 6 测量系统中用的辨向及四倍频电路3 0 3 2 单片机硬件电路设计3 3 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 1 电源及接地设计3 3 3 2 2 去耦电容设计3 3 3 2 3 电磁兼容性( e m c ) 设计3 3 3 2 4 输入输出设计3 4 3 2 5 辨向和倍频细分电路设计3 5 3 2 6 复位电路设计3 8 3 2 7 串行通信电路设计3 9 3 2 8 硬件电路的p c b 设计3 9 第4 章程序设计与调试4 1 4 1 单片机系统软件设计4 1 4 1 1 单片机软件设计规则和流程4 1 4 1 2 单片机汇编语言编程4 3 4 1 3 集成开发环境4 4 4 2 系统软件模块功能分析与设计4 5 4 2 1 主程序模块4 5 4 2 2 光栅测量计数及数据处理运算模块4 6 4 2 3 数据显示输出模块和采集模块4 8 4 3 单片机系统中数字滤波的算法4 9 4 4 单片机系统设计的可靠性5 3 4 4 1 单片机选型5 3 4 4 2 单片机硬件抗干扰5 3 4 4 3 单片机软件抗干扰5 4 4 4 4 单片机复位5 5 4 4 5 单片机系统可靠性测试5 5 4 4 6 其他注重问题5 6 第5 章系统调试5 7 5 1 试验系统组成5 7 5 2 系统调试5 7 5 2 1 金属带长度测量系统主电路板的调试5 8 v i i i 东北大学硕士学位论文目录 5 2 2 辨向及四倍频电路调试5 8 5 2 3 数据采集系统调试5 9 5 3 故障处理。5 9 第6 章金属带测量系统精度分析6 1 6 1 测量仪误差源的组成6 1 6 1 1 测量仪误差的组成6 1 6 1 2 测量仪主要误差6 2 6 2 金属带测量系统的精度分析6 3 6 2 1 系统误差分析与表示方法6 4 6 2 2 随机误差分析与表示方法6 4 6 2 3 粗大误差分析6 5 6 2 4 光栅尺测量误差分析6 5 6 2 5 测量系统的误差合成6 6 6 3 测量数据的处理方法6 8 6 3 1 建立数据处理的数学模型6 8 6 3 2 实验数据处理6 9 第7 章结论7 3 参考文献7 5 致谢7 9 附录8 1 i x 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的提出 近些年来，随着汽车制造业竞争的加剧，产品不断推陈出新，人们逐渐认识到一种 使汽车具有更高经济性、动力性、舒适性并省略频繁换档动作的新型变速器，这就是汽 车用的新型无级变速器一金属带式无级变速器。 金属带式无级变速器( c v t ) 属于摩擦式无级变速器，它是一种挠性中间体的机械 摩擦式变速器，用强度非常高的金属带代替了橡胶带。它具有结构简单、承载能力强、 变速范围大、体积小、效率高、噪音低、节能环保、传动性能优秀等优点，尤其是它克 服了以往各类无级变速器传递功率小的缺陷，可用于需要中大功率范围内的机械传动 中，特别是近几年来它在轿车变速器中的成功使用所显示出的良好机械性能。 在汽车金属带式无级变速器的核心技术中，金属带组件是最主要的核心元件，它的 使用性能直接影响着整个无级变速器的工作性能。为保证其使用寿命，不仅要求有较高 的韧性，而且要实现均载( 即各层金属带上所受张力均匀) ，而金属带之间的配合关系 直接影响着金属带式无级变速器的工作情况和使用寿命。研究金属带之间配合关系的基 础和前提是测量出金属带之间的间隙量或过盈量的大小。自从荷兰v d t 公司7 0 年代末 发明汽车金属带式无级变速器c v t 以来，日本多家公司投巨资研制其核心元件金属带 组件，均告失败。美国通用汽车公司也投巨资研制金属带组件，也未成功。目前荷兰v d t 公司独家垄断了金属带组件全球市场【4 】。 目前国内很多汽车厂家都把目光投向c v t 技术，已经有很多厂家成功的开发出自己 的c v t 。其中沈阳越士达无级变速器有限公司就是专门从事金属带生产的研究，本课题 就是为其做金属带长度测量系统的开发。 1 1 1 国内外金属带技术现状 汽车金属带式无级变速器c v t 是荷兰工程师h v a nd o o m e2 0 世纪6 0 年代末发明， 经过2 0 多年的研制开发于9 0 年代初成功地应用于多种轿车的传动中。目前已批量生产 的有福特、通用，日本的本田、丰田、日产、五十铃、富士重工，德国的宝马、大众等 有十多种车型采用c v t ，总产量已经达到2 5 0 万台年，仅日本j a t c o 公司就有1 5 0 万 台年的产量，并预计c 总产量3 年内达到4 0 0 万台年。但他们均采用荷兰v d t 公 司生产的母线为直线式的金属带，在金属带研发上停止不前。随着时间的推移，荷兰 v d t 公司生产的金属带也表现出越来越明显的问题，如速比小、功率小等。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 我们国家有巨大的汽车销售市场，汽车工业是我国的民族工业，“九五”期间轿车金 属带式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划，以跟踪世界 技术的发展和开发适合我国国情的汽车。在最近的十几年中，我国的c v t 技术已经上 前迈进了一大步。经过十多年的开发与研究，已经成功的开发出自己的金属带。现在沈 阳越士达公司已经成功的开发了摩擦片式金属带，而且在技术上已经成功的突破了荷兰 v d t 公司生产的金属带，采用曲线式锥盘母线代替直线式母线，成功的解决了速比小， 功率小等问题。 1 1 2 金属带组件结构和性能 金属带式无级变速器传动原理如图1 1 和图1 2 所示，主、从动两对锥盘夹持金属带， 靠摩擦力传递运动和转矩。主、从动边的动锥盘的轴向移动使金属带径向工作半径的无 级变化，从而实现传动比的无级变化，即无级变速。 图1 1 金属带式无级变速器中金属带的传动结构原理图 f i g 1 1t r a n s m i s s i o n ss t r u c t u r eo f m e t a lb e l ti nc v t - 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 主动轮 ( 发动机侧) 从动轮 ( 轮侧) 低速 高速 图1 2 c v t 工作原理 f i g 1 2p r i n c i p l eo fc v t 金属带组件是技术含量极高的元件，如图1 3 所示，采用两组由特殊钢制成的薄的 钢带环，这些钢带环内嵌在摩擦片中，摩擦片布满整条金属带，每个摩擦片的厚度和宽 度在不同型号的c v t 中可能不同，厚度一般在1 4 2 2 r a m 之间，每组钢带环由多片薄 钢坏组合而成，两个钢环组将数百个摩擦片组合成金属带组件。 图1 3 金属带组件结构 f i g 1 3t h e s t r u c t u r eo fc v t - 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 目前国外汽车金属带式无级变速器c v t 存在的主要问题： ( 1 ) 变速范围小 导致经济行驶车速范围小、节油范围小。目前国外汽车金属带式无级变速器的变速 比r b = 5 5 左右经济行驶车速不超过1 0 0 公里j 、时，一般超过1 0 0 公里d , 时就不在c v t 的节油区。 ( 2 ) 功率小 主要原因是变速锥盘的母线是直线，而直母线锥盘在变速过程中必然使金属带偏斜， 变速范围越大、半径越大( 转矩和功率越大) 偏斜越大，以至无法工作。 汽车电子控制金属带式无级变速器的核心技术是金属带组件和锥盘技术： ( 1 ) 金属带钢环组是由1 0 - - 1 2 层厚度在o 1 8 r a m 左右，强度很高吼 2 0 0 0 m p a 的 金属带环“无间隙”套装而成，各环间“无间隙”配合必须要求制造精度很高； ( 2 ) 锥盘母线是与摩擦片侧边相匹配的特殊曲线，设计水平和数控加工精度要求都 比较高；它不仅直接影响金属带的寿命，还影响变速比和功率的范围【3 4 1 。 1 2 光栅编码器应用现状 大多数光栅编码器是按照光电扫描原理工作的。光电扫描是无接触的，从而没有磨 损。它能扫描数微米宽的最精细的刻线，并能产生很小信号周期的输出信号。标尺载体 的光栅周期越精细，衍射现象对光电扫描的影响就越大。 光栅按工作原理可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅可作为散射元件进行光谱分 析及光波长的测定，而计量光栅的刻线较物理光栅粗，利用光栅的莫尔条纹现象进行位 移的精密测量和控制。光栅尺即为计量光栅的一种。 光栅根据形成莫尔条纹的原理不同分为几何光栅( 幅值光栅) 和衍射光栅( 相位光 栅) ，又可根据光路的不同分为透射光栅和反射光栅。光米级和亚微米级的光栅测量是 采用几何光栅，光栅栅距为1 0 0 t m 至2 0 , u r n 远于光源光波波长，衍射现象可以忽略，当 两块光栅相对移动时产生低频拍现象形成莫尔条纹，其测量原理称影像原理。纳米级的 光栅测量是采用衍射光栅，光栅栅距是8 a m 或4 # m ，栅线的宽度与光的波长很接近，则 产生衍射和干涉现象形成莫尔条纹，其测量原理称干涉原理。 大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也有反向运动。而光栅输 出信号为两路相位相差9 0 0 的方波信号，不能直接辨别物体的运动的方向。因此鉴相是 光栅尺信号的处理第一步。鉴相分为硬件鉴相和软件鉴相，两者适应不同的设备。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 硬件鉴相时通过设计硬件电路来识别光栅尺的运动方向，其原理图如图1 4 所示。 将光栅尺输出相位相差9 0 0 的两路方波信号，送到辨向电路中去处理。a 经反相后得到 方波a 和a f ，经微分电路后得到两组光脉冲信号a l 和a 2 ，分别加到与门y l 和y 2 的输 入端。假使当主光栅向左移动时光栅输出波形如图1 5 所示，对于与门y l ，由于a l 处 于高电平时b 总是低电平，故脉冲被阻塞无输出。对与门y 2 ，a l 处于高电平时，b 也 正处于高电平，故允许脉冲通过，并触发d 触发器使之置l 。同理，当主光栅反向移动 时，与门y 2 阻塞，y 1 输出脉冲并触发d 触发器使之置l 。这种方法比较精确，但需要 设计硬件【9 】。 图1 4 鉴相电路 f i g 1 4p h a s ed i s c r i m i n a t i o nc i r c u i t l、l 厂，厂 ll 厂厂 l 图1 5 时序图 f i g 1 5t h es c h e d u l i n gc h a r t 软件鉴相是通过软件算法鉴别信号的移动方向。光栅尺发出两路方波信号a 相、b 相，a 相，b 相的波形与位移方向之间的基本关系如图1 6 所示。根据此图可得算法如 下：a 相与高速计数器输入端相连，作为计数脉冲，b 相作为鉴相信号，则当a 端电平 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 由低变高( 即出现上升沿) 时，如果b 端为低电平时，则计数器减1 ；b 端为高电平时， 则计数器加l 。这种方法简单，但容易叠加误差。 奎nnn 广 b 厂 厂 厂 r 。一 图1 6 信号时序图 f i g 1 6t h es i g n a lo fs c h e d u l i n gc h a r t 在现代计算机控制的测量系统中，通常采用光栅编码器来进行位置和位移的检测。 光栅编码器具有测量精度高、抗干扰能力强的优点，被广泛应用于高精度的位移测量中。 一般光栅尺的刻线数小于2 5 0 条m m ，那么其分辨率( 脉冲当量) 为私，l 。随着对测量精 度要求的提高，分辨率t i m 是不够的，希望能提高到l l t m ，0 1 9 m 或更高。如果以光栅的 栅距直接作计量，则要求光栅的栅线密度每毫米达千、万条线之多。但从目前的工艺水 平，达到上万条栅线尚无法实现。因此，广泛采用的方法是在选择合适的光栅栅距的前 提下，对栅距进行细分，来达到最小的读数。 对于一般的编码器，厂家给出的a 、b 双相互差9 0 0 的方波脉冲，是用4 个光电元件 相当于等间距安放在一个栅距的距离上产生出的信号。因此，a 、b 双相脉冲的每个前 沿和后沿实际上都对应着1 4 栅距的位移信息。由此可知，厂家出的脉冲当量的1 4 才 是光栅尺可利用的最高精度，这可由用户通过并不复杂的4 倍频电子细分法来完成。不 经倍频而直接使用原始脉冲，将损失掉光栅尺潜在的4 倍的精度。须指出的是，直接使 用原始脉冲无疑是可靠的，而使用用户自制的倍频器则须选择可靠的电路及进行正确的 调试。 “一 光栅尺主要应用以下四个方面： ( 1 ) 各类测量机构、仪器的位移测量，如弹簧试验机、三坐标机、投影仪等； ( 2 ) 各类机床的数显系统，如车床、铣床、磨床、镗床、电火花、钻床等； ( 3 ) 各类数控机床的配套使用，如数控铣、n i 中心、数控磨等； ( 4 ) 配接p l c ，用于各类自动化机构的位移测量。 用光栅尺进行位置测量的准确度主要由下列因素确定： - 6 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 光栅刻线的质量； ( 2 ) 扫描的质量； ( 3 ) 信号处理电子设备的质量； ( 4 ) 由导轨带给扫描掩膜的移动偏型2 9 1 。 1 3 金属带长度测量系统组成 金属带式无级变速器的研究与它上面的一组金属带之间配合关系的研究是分不开 的。在金属带式无级变速器中，金属带组件是有着很高使用要求的核心部件，它的使用 性能直接影响着整个无级变速器的工作性能。因为金属带环之间的配合关系直接影响着 金属带式无级变速器的工作情况和寿命，所以必须精确的测量出金属带环之间的间隙大 小或过盈大小。 被测量的金属带属于闭环柱形薄壳。对于这种柔软闭环式金属带，要测量其长度， 必然要有能对其进行拉伸张紧的机械结构。目前国内还没有专f - j n 量金属带长度的工 具。因此，有必要研制适合测量这种封闭式金属带的测量仪器，专门来测量金属带环的 长度大小。 我们使用了一台专门用于对其长度进行测量的仪器，原仪器是使用传统力学换算的 方法来获得金属带测量长度值的，现对其进行改造加装电控部分。电控部分的设计方案 确定为使用在一条尺带上配备两个读数头的光栅尺进行位移信号的测量，使用单片机读 取光栅尺的测量信号，经过数据处理后显示测量位移。电控部分的硬件和软件设计十分 重要，通过它可以提高测量系统的精度。 利用电控测量仪，可以快速精确的得到金属带的长度或和偏差，以合理正确的选择 在误差范围以内的金属带，为金属带组件的装配提高了效率。 1 4 课题的主要任务 ( 1 ) 设计金属带测量仪电控部分总体方案； ( 2 ) 根据光栅尺工作原理及读数头原始信号，设计与单片机系统接口及信号处理、 数据处理和显示系统； ( 3 ) 根据系统总体方案，进行系统硬件电路的设计，制作p c b 板，并对系统硬件 电路测试； ( 4 ) 根据测量系统要求，进行单片机软件系统的设计，在i d e 环境下，对系统电 控部分全面调试； ( 5 ) 安装光栅尺，测量系统整体调试，设计保护用的电控盒放置电控部分； - 7 第1 章绪论 实现单片机与p c 机的通讯，采样测量数据； 性。 - 8 - 东北大学硕士学位论文第2 章金属带长度测量系统总体方案 第2 章金属带长度测量系统总体方案 2 1 金属带长度测量系统结构和功能介绍 被测量的金属带属于闭环柱形薄壳或薄环。对于这种闭环式金属带，要测量其长度， 必然要有能对其进行拉伸张紧的机械结构。我们使用了一台专门用于对其长度进行测量 的仪器，原仪器是使用传统力学换算的方法来获得金属带测量长度值的。 测量仪的设计尽量满足以下原n - ( 1 ) 阿贝原则； ( 2 ) 测量链最短原则； ( 3 ) 基准统一原则： ( 4 ) 最小变形原则。 阿贝原则是对测量仪器设计的一条指导性原则，为使测量仪器能给出正确的测量结 果，必须将仪器的读数刻度尺安放在被测尺寸线的延长线上。仪器之所以产生阿贝误差， 主要是由于运动件在移动过程中产生角运动的结果。 位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的路程位于一条直线上。如果这不 可能，那么或者必须使用传送位移的导轨没有角运动，或者必须用实际角运动的数据计 算偏移的影响 i o l 。 2 1 1 金属带长度测量仪机械结构 瓜一痧一、 。 ) 0 时为间隙，石 0 时为过盈。 只要测出大金属带的乃和小金属带的五及壁厚曰，则可得到相邻金属带间的间隙x 。 东北大学硕士学位论文第2 章金属带长度测量系统总体方案 2 2 位移光栅尺选择和安装 2 2 1 光栅尺的选择 为了测量金属带长度，在测量仪机械结构上安装位移光栅尺，用来测量动块和定块 之间的移动距离厂。位移光栅尺有以下优点： ( 1 ) 精度高，频率响应速度快。在测量仪器工作台移动范围内，能满足精度和速度 的要求。不同类型的测量仪器对检测装置的精度和速度要求不一样。通常要求检测元件 的分辨度( 即检测的最小位移量) 在0 0 0 0 1 - 4 ) o l m m 之内，测量精度在o 0 1 0 0 2 m m 以内。运动速度为0 2 4 m m i n 。 ( 2 ) 在测量仪的工作环境下，能可靠地工作，亦即受温度影响小，抗干扰能力强， 并能长期保持精度。 ( 3 ) 功耗低，体积小，重量轻，安装方便，寿命长，使用和维护简单方便。 光栅尺不用附加的机械传动元件来确定线性轴的轴向位置，因此排除了一系列可能 出现的误差源： ( 1 ) 由于直线导轨受热造成的位置误差； ( 2 ) 反向误差。 由上可知，直线运动机械结构的误差是造成光栅尺测量误差产生的主要原因。在机 械结构方面，封闭式光栅尺有一个铝外壳，用以保护标尺、扫描单元及其导轨不受铁屑、 灰尘和喷溅水的损害。弹性密封条向下将外壳封闭。扫描单元沿标尺移动时摩擦很小。 有一个连接器将扫描单元与安装块连接，用来补偿标尺和机床导轨之间的同轴误差【2 9 1 。 经分析和行业情况调查，长春光机所研究的s g c 系列的光电式位移传感器在在线和 实时测量上性能比较优越，故选择s g c 系列光栅尺。 s g c 系列光栅尺有两种形式：敞开式和封闭式。s g c 系列封闭式光栅尺可以防止灰 尘、切削和飞溅液体。封闭式光栅尺有着增量式和绝对式两种形式。增量式光栅通过光 栅探头扫描过的栅线进行计数来获得相对运动的距离数据，为了获得绝对位置，增量式 光栅在开机后须执行参考原点的动作。所谓绝对式光栅是相对增量式而言，绝对式光栅 以不同宽度、不同间距的栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到光栅上，开机后立 刻可以提供绝对位置，无须执行参考点动作。 由于现场环境是工厂车间，应该用闭式增量式光栅尺。根据金属带长度测量仪结构 需要，最终选择配备有两个读数头的s g c - 4 2 型封闭式光栅尺。 2 2 2 光栅尺的安装 安装中要注意的几点： 12 - 东北大学硕士学位论文第2 章金属带长度测量系统总体方案 ( 1 ) 尽可能地靠近被测部位以减少阿贝误差： ( 2 ) 避免用锤子或类似物件撞击； ( 3 ) 尽可能选择在振动较小的部件上安装； ( 4 ) 为避免温度的影响，应尽量远离发热源； ( 5 ) 必须注意切屑、冷却液及油液等污染物的溅落方向，不能使光栅尺体上的读数 头移动槽朝向溅落方向，如图2 2 所示； ( 6 ) 一般最好使读数头固定在非移动部件上，但根据测量仪的实际结构，两个读数 头必须分别随左、右半块移动，所以选择将光栅尺体固定在测量仪底座上。 图2 2 光栅尺的安装要避免水、油液等溅落在读数头移动槽的方向【2 9 】 f i g 2 2a v o i dt h ew a t e r , o i l ，e t cs p l a s hd o w nt ot h es c a n n e rh e a dw h e na s s e m b l i n go p t i c a lg r a t i n gs c a l e 对安装精度方面的要求为： ( 1 ) 光栅尺相互垂直的两个侧面与测量仪导轨运动方向的平行度误差在全长范围内 不大于0 2 m m 。读数头与光栅尺相邻两平行平面的间隙1 2 - - - , 1 5 r a m ，如图2 3 所示安装 精度要求； ( 2 ) 安装完成后要拆除读数头两端塑料支承块； ( 3 ) 接通电源，分别移动动块和定块，观察数显部分是否正常，使用百分表( 或其 它量具) ，使用与数显部分同时调零( 或记忆起始数据) 往返多次后回到初始位置，归 零误差( 或与记忆起始数据) 应不大于士o o l m m 。 1 3 东北大学硕士学位论文 笫2 章金属带长度测量系统总体方案 图2 3 光栅尺的安装精度要求【2 9 】 f i g 2 3t h ea s s e m b l yp r e c i s i o no fo p t i c a lg r a t i n gs c a l e 1 4 东北大学硕士学位论文第3 章系统硬件设计 第3 章系统硬件设计 3 1 单片机系统硬件设计 光栅尺的两个读数头分别固定在测量仪的定块和动块侧面，分别记录定块和动块的 位移量。其中定块记录的是位移调整量。两个读数头均输出两路相位相差9 0 0 的位移采 集信号( 如果该信号为正弦波形的，就需要设计a d 转换电路，将模拟信号转换为数字 信号。本课题所采购的光栅尺直接输出r s 4 2 2 差分信号即是t t l 方波信号，不需要设 计a d 转换电路) 。该采集信号经光电耦合器后进入细分和辨向电路，经细分和辨向电 路分别得到代表读数头的位移方波信号和两个运动方向信号，由于细分和辨向电路输出 的信号是t t l 电平，可直接将这两组方波信号分别接入c 8 0 5 1 f 0 0 5 的i n t 0 1 和 p 0 2 p 0 5 进行辩向计数，经单片机计算处理后输出测量值。光栅尺分辨率为舡，l ，即 2 0 0 脉冲m m ( 脉冲当量为0 0 0 5 m m ) 。由于光栅尺分辨率较高，需要进行高速计数，所 以要配备带高速光电耦合的输入接口。 3 1 1 系统硬件框图 金属带长度测量仪光栅位移测量系统电控部分的硬件主要有光栅信号细分辨向电 路，c 8 0 5 1 f 0 0 5 型单片机及外围电路，6 n 1 3 7 型光电耦合器，数码管显示和串行通信电 路组成。 八八辨向入 令 p c 机 7电路吖 光栅尺 光电c 8 0 5 1 耦合f 0 0 5 信号 器单片机 八扒细分 八 vy电路 。y 入 l e d y显示 图3 1 光栅尺测量系统硬件框图 f i g 3 1m a k e u po fo p t i c a lg r a t i n gs c a l em e a s u r e m e n ts y s t e m 3 1 2 系统主要元件简介 3 1 2 1 微处理器的选择 微处理器的选择是控制系统设计的关键，应综合考虑包括其性能、价格以及应用在 1 5 第3 章系统硬件设计 内的多种因素。首先，所选择的单片机应具有很好的性能。由于测量仪输入信号脉冲当 量较大和需求相当高的响应速度，所以选择的微处理器必须具有很强的抗干扰能力和稳 性，适应温度较宽，有很强的环境适应能力：要有很强的指令系统，指令执行的时间短， 运算速度快，数据处理能力强，适宜于进行实时测量和控制；要有很高的集成度，体积 小巧而灵活，可扩展性强，应用范围较广。其次，所选择的微控制器价格要适中，应在 满足控制要求的前提下尽量降低产品的成本，这样才能使产品在将来的市场中具有一定 的竞争优势。在目前的单片机市场中，8 位的单片机虽然速度上比不上1 6 位的单片机， 但是性能上与1 6 位单片机相差不大，而价格却比1 6 位单片机便宜很多，因此，如果系 统的控制速度没有特殊的要求，应该首先考虑使用8 位的单片机，而且在目前单片机的 主要应用领域中，8 位的单片机已经能够满足大部分的实际需求。第三，所选择的单片 机应该具有良好的可开发性。选用的单片机要有可靠的可以开发的手段，如程序开发工 具，仿真调试手段等。此外，对于所选用的单片机，应该了解它的语言体系，在同样的 需求下应该优先选择单片机语言比较熟悉的一种。 满足上述要求的单片机有许多种，选择美国c y g n a l 公司推出的高性能 c 8 0 5 1 f o x x 系列单片机作为光栅信号的微处理器，该系列单片机是集成在一块芯片上 的混合信号系统级单片机，具有集成度高、速度快、开发调试方便等传统8 位单片机无 法比拟的优势。 我们选用c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机作为属带式测量仪开发系统的微处理器，其具体性能如 表3 1 所示。 表3 1c 8 0 5 1 f 0 0 5 的性能列表 参数名称参数值参数名称 参数值 m i p s ( 峰值) 2 5 md a c 分辨率 1 2 位 f l a s h 存储 3 2 k b 定时计数器4 个 a d c 最大速度 1 0 0 k s p s片内r a m 2 3 0 4 b a d c 输入通道数8 个电压比较器2 个 a d c 分辨率1