（机械工程专业论文）指示表自动检定仪.pdf

摘要 指示表自动检定仪是机、光、电州匕的智能他仪嚣，采用了具有高 蘧燕髓竞撩拉移馋感器( 长受诗争耱疆黎毂髀为蘑豫娉感器完成垂动 采样，用计算机进行控制与数据处理，从而实现了检定过程的自动化和智 能倦，使强器霹有高鼹焱、高姣率、操悖灵活、繁餍方便等耪点。 本文详细介绍了指示表自动检定仪的机械融统、伺服控制系婉、图像 暮集与处理系统的淫诗，爝臻系统是在靖黝控锱下，爵谤纂氨遘过t i 0 卡、步透电椒西区动嚣，驱动旁进电动机，由步进电动机洒过传动机构推动 被熬糍示表的测 f 移动，从而裳现测抒蟪微量透给。在实现微量避给螃园 对，癖动系统的光栅位移瓣量道程和舀像采集进程，光栅僚感器( 长度讦) 测得搬示表测抒瓠i 移最，由讣数卡1 k 2 2 0 实对_ 悖送给毋算机，激d 摄 像寿液取酶表盘器露羟簿臻苯黎卡在苛髯瓿屏藕上得以实时显示，最后通 过对指示表揩钟位移计簿处理岛垲栅传感器测量妁位移萤进行比较，缛至t 囊示袁受裣最的示绩误差。 本文还遗过实验研究验证了系统精度和 生日达到了承统技术指标要 泰。 关黝；撬承囊羧定嫒巍撩蕊枣嚣c c d 掇辫橇零餐袭蓑 a b s t r a c t a u t o m a t i ct e s t e rf o rd i a lg a u g e s1 sa ni n t e l l i g e n t 1 s 廿u n l a l tu n i f i e d m e c h m f i s m , l i g h ta n de l e c t r o n i c t h eg r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o rt h a th a sh j 【曲 a c c t w a c y ( 1 e n g t hg a u g e ) a n d c a m c o r d e ri si m a g es e f l s o r c o n s u m m a t e l y a u t o m a t i c s a m p l i n gi sa d o p t e d i ti s c o n n o l l e da n dh a n d l e dd a mb yc o m p u t e r s oi th a s r e a l i z e dt h e i n t e l l i g e n c ea n da u t o m a t i o no fc a b 撕c o u r s e t h ei n s m a m e n t h a sf e a t u r e so fh i g h p r e c i s i o n ，e f f i c i e n c y ， f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n ti n o t - a f i o n , a n d s oo n t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt _ h ed e s i g no f t h ei n s t r u c t i o nm e c h a n i c a ls y s t e n 1 ， s e i v oc o n t r o l s y s t e ma n di m a g ec o l l e c t i o n a n d p r o c e s s i n gs y s t e m o ft h e a u t o m a t i ct e s t e rf o rd i a lg a u g e si nd e t a i l ni si l l t m a i n a i e dt h a tt h e s t e p m o t o rw i t ht h ec a r do f i oa n dt h e s t e pm o t o r a c t u a t o ri sd r i v e nb y c o m p u t e r t h e s t e pm o t o r d r i v e st h e s u r v e y m g r o do f a u t o m a t i ct e s t e rf o rd i a lg a u g e s t h r o u g h t h et r a n s f e rm a c h i n e r ya n dr e a l i z e sm i c r o - d i s p l a c e m e n to ft h es u r v e y i n gr o d s i m u l t a n e o u s l yw i t ht h em i c r o - d i s p l a c e m e n ts t a r t e dt h ep r o c e s s eo f t h eg r a t i n g s e n s o rm e a s u g n gt h ed i s p l a c e m e n ta n di m a g ec o l l e c t i o no ft h es y s t e m t h e g r a t i n gs e n s o r ( 1 e n g t hg a u g e ) m e a s u r e s t h ed i s p l a c e m e n to f t h ed i a lg a u g ew i t h s u r v e y i n g r o d i ti sd e l i v e r e dt ot h ec o m p u t e rw i t hab l o c k i k 2 2 0i nr e a lt i m e a n dt h ed i a li m a g e b y c c dc a m c o r d e ri ss h o w no nt h ec o m p u t e rs c i 蝴v , i t ht h e i m a g ec o l l e c t i o nc a r d i nr e a lt i m e f i n a l l y , i ti sc o m p a r e dt h ed i s p l a c e m e n to f 1 e d i a l g a u g e s w i t h t h e g r a t i n g s e n s o r m e a s u r i n g t h e i n d i c a t i o n e r r o r t h a t e x a m i n e d i so b t a i n e d i n t h i s 群i p 吼s y s t e m a t i cp r e c i s i o n a n dp e r f b r m 越c eb ye x p e r i m e n ti s v e r i f i e da n dt h e r e q u i r e m e n t o f t h e s y s t e m a t i ct e c h n i c a li n d e x i sr e a c h e d k e y w o r d s ：d h dg a u g e s t e s t e r g r a t i n g s e n s o rc c dc a m c o r d e r i n d i e a t i o n r r o r 第一章绪论 1 1 指示表自动检定仪研究的目的和意义 精密测量技术是机械工业发展的基础和条件，从生产发展历史来 看，机械加工精度的提高总是与测量技术的发展水平紧密相关的。精密 测量技术的发展推进了服务于各个部门的测量仪器的发展，在机械、电 子、航天、冶金工业以及天文气象等，特别是在自动化生产程度比较高 的工业企业中，测量仪器已成为进行检测、计量、记录、计算和控制生 产过程不可缺少的基本工具，这就对测量仪器的检定工作提出了更高的 要求。 百分表、千分表等精密测量仪器是常用量具，在科研生产部门、工 矿企业及工程技术单位应用相当广泛。由于其使用频率高，很容易产生 误差，计量检定部门需经常定时对其进行校验；同时仪表生产企业还需 要对仪表示值误差进行准确检定，以判断其是否合格。这是一项经常性 的劳动强度大的工作。传统的百分表千分表的检定方法，是采用组合不 同长度的标准量块纽为尺度基准，或采用具有刻度的高精度测微机构为 长度基准，然后由检定人员作瞄准、读数、记录等工作来对百分表、千 分表等指示表进行检定。这种检定方法存在的问题：一是人工目视读数 的精度低，可靠性差，重复性差；二是手工计算效率低，不直观，且只 能给出单点误差值，无法得到完整的误差曲线；三是只能进行有限位置 的定点检定，灵活性和通用性差；四是检定人员的劳动强度大，_ t - 作效 率低，同时造成计量检定部门和仪表生产企, j k 不胄g t l 时检出而延长检定 周期，使产品质量得不到有效保障。因此，鉴于传统检定方法所存在的 缺点，跟上科学发展和社会进步的需要，研制出一种能够快速、准确、 稳定可靠的全自动指示表检定仪，将对我国的仪表生产和质量提高发挥 巨大的作用。 近年来随着传感器技术、微电子技术、自动化技术、计算机技术和 信息处理技术的迅猛发展，促进了数字化仪器仪表与智能化仪器的快速 发展，使得仪器的精度越来越高，功能越来越强。本文所研究的课题就 是综合了机、光、电一体化的指示表自动检定仪，它的整个检定过程采 用微机控制并进行数据处理、结果显示、打印等，实现了检定过程的自 动化。它结合了机械技术( 检定仪的进给、驱动) ，光学技术( 采用光 栅传感器) ，计算机视觉技术( 采用图像采集、处理系统) 等，为指示 表检定提供了一种快捷、准确、可靠的检定方法。该检定仪精度高，分 辨能力强，回程误差小，操作简单，检定效率高，灵活性、通用性好， 可检定百分表、千分表、杠杆表、内径表等各种类型的指示表。因此， 其应用范围极为广泛。 1 2 国内外研究概况 微电予学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪 器带来了革命性的影响，电子测量与仪器仪表和计算机的结合，促进了 测量过程的自动化，这同时伴随着对仪器仪表检定仪器提出了更高的要 求。 国外在仪器仪表机电一体化技术和数字图像处理技术等方面的研 究较早，在仪器仪表自动检定方面的研究和应用也比较成熟。如德国马 尔( m a h r ) 公司研制的半自动、全自动表类检查仪( 如o p t i m a r l 0 0 半 自动表类检查仪和8 75 全自动表类检查仪) ，在检定过程中采用c c d 摄 像机来抓取仪表图像，运用图像处理技术来进行仪表指针示值的分析与 评定，能对指示表实现快速、可靠、准确的检定。但工作方式采用的是 半自动的，同时其价格的昂贵，很难被国内用户所接受。 目前，在国内的测量仪器仪表领域，有些项目已达到或接近国际先 进水平，但在全自动检定仪的研究上与国际先进水平相比，还有一定的 差距。现在国内使用的较为普遍的指示表检定方法，是采用组合不同的 长度的标准量块组为长度基准，或采用具有刻度的高精度测微机构为长 度基准，大多数是机械式检定仪，其检定效率低，并要求检定人员进行 示值读数，劳动强度大，检测周期长，极易造成检定结果的不准确。为 了提高检定效率和准确性，江苏锡山市电h 页仪表设备厂生产了由单片机 完成控制系统的s b j 一3 型的智能检定仪，但其整体检定精度不高，应用 不广。为此宁夏回族自治区计量研究所设计了一种以光栅尺为测量部 件，以微型计算机、打印机和计算机接口组成的测长表类自动检定仪， 该仪器完善了不同类型的单片机控制的检定仪的不足，即一是不直观； 二是还需要记忆一些东西( 如操作顺序等) ；三是记录存储不方便；四 是对大量程的百分表的检定就无能为力等。这种测长表类自动检定仪通 过r s 一23 2 c 串行接t 5 将测量数据自动采集和处理，测量结果由屏幕显 示或通过打印机输出，全部采用菜单式人机对话方式，操作简单，功能 较完善，精度较高。但是在今天，该仪器已不适用于新的指示表检定规 程，其软件界面已不友好，检定的精度已不能满足现状。为进一步提高 检定精度，适应国家检定规程的变更，西安特种仪表研究所研制了d s 系列光栅式指示表检定仪，但该仪器只是半自动工作方式，仍不能实现 全自动、智能化的检定。 另外国内对指示袁进行全自动检测还多采用光电法，光电法是根据 指针通过被检测表盘的受检点时，该点的反射光强度的变化，利用光电 效应来产生触发信号，从而获得指针在某一瞬时的位置，经比较计算得 到仪表的指示精度。该法虽然实时性较好，但由于反射光强度受表盘的 反射系数的影响较大，表盘不同，其反射系数亦有差异，故稳定性不佳。 如哈尔滨量具刃具厂生产的全自动检测设备，就是采用了光电扫描的原 理。但是此类检测设备大多数还是停留在半自动，甚至手动的水平上。 由此可见，研制开发高精度、高效率、全自动、智能化的指示表自 动检定仪势在必行。 1 3 本论文研究的主要内容 本课题研究的主要内容包括： 1 、系统的工作原理及总体结构设计 2 、高精度、微进给闭环伺服控制系统的结构设计 3 、翡示表表羹懋豫采囊及委豫楚理菰侍抟跨静淀诗 4 、验话搪示表自动检定仪的系统精度溉密用性 糖示袤窭磅裣定经功褥姥窦瑗是娃精密竞穗旗嚣技拳及辊蘸终动 技术等为基础，采用了伺服控制技术、c c i ? 图像采袋技术、数字图像处 理技术等关婕技术，并透过敬鸶缡秣采实裂系统斡费麓。 本文所研究的主薅内容是： t 、：手发馁鸯攫示表彝谚捡定议酶总舔撼嬷聂英工谗豢瑷，遗行系 统的机械结构设计： 2 、糖示裹彝鸯裣定鼹黼环餐镕芰藜裁系统的结褥设嚣，谶行系统髓 硬件设计( 如步进电动机、精密光栅及t o 卡的选择) 和软件 筵褥谩诗： 3 、指示表自动梭定仪悄服控制系统的三维实体避动仿舆； 4 、袁盘溪豫暴黎、疆黎贬理爵壤论分橱； 5 、系统精度的分析、评定，借助于理论分析、舞睑数椐，发现并 找虫影响糟哥表鸯馥捡意仪耱疫跨谈差霞素f 包括瓿辘缝构 囊 差、传动误麓、传感嚣误差、采样谥差等) 救产生的原因，综 合评定系统的精度。 根糖霹藏撵示表鼹捡定；l 甄程j j g 3 4 - - 9 6 ，簧誊耩示表播赞在转动对 要匀速进给，因而伺服控制系统的传动机构、执行元件的设计是保 正指 示袁鑫霉莹捡定校稳度酶一个蘩要条锌。 4 第二章系统总体方案研究 2 1 指承表自动检定仪系统的技术指标 本文霹究设诗鼹援示袁鸯动硷定镁可鹰- p 虿分表、子分表、扛抒表 等各种指示表的检定，因此根据国家检定规程j j g 3 4 - - 9 6 、j j g 3 7 9 9 5 戆要豢，对系统裁订了如下技术摇褥。 1 、测蒋范围0 1 0 m m 、0 5 0 m m 2 、分辫孪0 0 0 0 1 m m 3 、回程误差 l “m 4 、 露营$ 度0 ，5 瓣瓣( 1 0 m m ) 、1 辞燕5 0 m m ) 5 、自动检定速度每点约0 4 秒 6 、电嚣交流、2 2 0 ￥ 0 、5 0 h z 、 游 7 、环境温度2 0 8 0c 8 、嗣：境湿度8 8 敬g 总之，系统应具有操作简单，装夹快捷，检定遍度快，设置简便， 显示直观等特点。 2 2 系统总体方案分桥 指示表自动检定仪要完成对各种指示表精度的梭定，就鼹具有离精 度、高效率和智能化。因此本系统采用了机、竞、电始合的方案，结合 了机械技术( 完成糟示表自动检定仪的结祷设计) ，光学技求( 采用了 精密光栅传感器、c c d 摄像机) ，电予技术( 完成检定仪的控制和采样) ， 曹雾孰橇觉技术采用篷豫采集、处理系统) ，整个检定过程采蜀微祝 控制并进行数据处理，结果艘示与体存、打印等。 系统的总体结构如躅2 一 所示。系统由c c d 摄像规1 、照臻光溅2 、 被捡指示表3 、专弼夷具4 ，检定工作台5 、搬定仪测夹6 ，传动机构7 、 精密光栅传感器测萱抒与运动滑台问的联结器8 、精密光栅传感器( 长 爱曹) 9 葶口步透电蚕孰 0 等忍部分鼹成。系统在计算孰镪控裁下，驱动 步进电动机1 0 通过传动机构7 带动检定仪测头6 移动，直到测头与被 检指示表3 的测杆接触，步进电动机10 便可驱动测杆移动。被检指示 表测杆的位移量由光栅传感器( 长度计) 9 进行实时检测并送入计算机 中：与此同时，安装在被检表3 的表盘上方的c c d 摄像机进行连续采样， 并将图像数据送入计算机中，进行计算扣处理，最后得到被检表的指针 示值。 系统的基准量值系统采用步进电动机驱动和人工手动驱动两种方 式，来实现机构的运动；机械部分由检定仪测头、传动机构、夹具等组 成；光学部分由光栅传感器( 长度计) 及光电转换电路等组成；表盘图 像采集与处理系统是由照明光源、c c d 摄像机、高速图像采集卡和控制 电路等组成。 34 图2 1系统总体结构图 6 步进电动机1 0 的驱动受系统的计算机控制，当测头未与被检指示 表测杆相接触时，计算机控制步进电动机1 0 快速运动，实现测头的大 范围快速移动；当测头与被检指示表测杆相接触后，计算机控制步进电 动机10 低速稳定运动，实现被检指示表3 的指针匀速转动，保证被检 指示表示值的测量精度。当被检指示表指针达到最大行程后，计算机控 制步进电动机1 0 反向回转，实现反行程检定。 当更换不同规格的被检指示表3 时，可以选用不同的夹具或更换 不同的测头来实现检定，从而使检定仪的适应性很强。整个检定过程完 全是在计算机的控制下完成的，因此本系统具有较高的自动化和智能化 程度。 系统的工作原理是由计算机控制整个系统，实现表盘图像的采集、 表盘图像的处理、光栅信号的采集和步进电动机驱动脉冲的发送以及结 果的显示、打印等。首先计算机通过接口卡( i o 卡) 发送脉冲给步进 电机驱动器，控制步进电动机的运动，步进电动机通过驱动机构驱动光 栅和被检指示表指针运动。利用光栅测长原理，由光栅传感器( 长度计) 实时测量指示表指针的位移量，经转换电路和软件细分，把直线位移量 变成计算机可接收的数字信号。 - 3 光栅传感器测头的位移量与被检指示 表相邻受检点之间的分度间隔相等时，计算机启动图像识别系统，由 c c d 摄像机作为视觉传感器，采集指示表的表盘图像，由基于计 算机p c i 总线的图像采集卡，将数据送入计算机，由计算机进行图像处 理、识别，确定指示表指针的位置参数，并将该参数与光栅传感器采集 到的标准位移量比较，从而得出该指示表受检点的示值误差，最后形成 检定记录和结果，并及时显示、打印出来。按照这种方法依次检测正反 行程内各受检点的示值误差。在测量完正反行程各受检点的示值误差之 后，根据国家指示袁类检定规程j j g 3 4 - 9 6 等所规定的检定算法，并依 据所有受检点的示值误差，可以计算指示表的其它各项精度指标如工作 行程误差、回程误差等。 由此可见，系统受计算机控制，结构合理，操作简便可行，可实 现连续检测和检定过程自动化，提高了检定效率、准确性、稳定性，适 用于各种指示表的示值枪定，具有极其广泛的应用前景。 2 3 系统的软件结构设计 搪示袁蠡动硷定仪系统馥软件结秘方案采瑙模决纯，鑫疆齑- f e ) 设计方案。系统的程序功能模块关系如图2 2 所示。 图2 - - 2系统程序功能模块荧系 1 、主程序横蜓：是成用程序的总体榷架，由它连接缸个功能模块。 宅包括系统初始讫程序，务统鸯捡程序，盖谗簇_ 嚣l ：程序等。 2 、步进电动机控制模块：控制步进电动机，宛成脉冲信号的发生和 分配，正、反方向的运动拨削，转动速度梭制等。 3 、竞栅采样模块：镔取竞糖的采样值，进行数值转捷，存镑数据。 4 、表盘图像采集处理模块：基本功能是实现表盘图像的采集，表 焱圈豫酌处理，包括墨像二磕化、阉缓分期、边缘捡测、蚕豫 的锐化、指针示值的识别等。 5 、数据处理模块：完成对指示表示值误差、回程误差等的计算。 6 、藏示、存储、打印模块：将数据处理结果显示、打印出来，对 检定结暴并能以测量e l 忠的形式存储，以备技术与管理、捡定 人委查簿与决蓑。 劳了锻好趣完成各横凌簿传鼹，各磐序模块应具有如下鳃特性： ( i ) 透晴挂好：一个模块在完成耩定功能麻，不影响主程序现场， 誉改变各种糍针，可放心调用各程序模块。 ( 2 积容娃好：奏攘块鑫珏、2 - 岔务簧翱容，可直接斌积木方式 调用一踉列模墩，而不强作辅助准备工作。 3 ) 动蠹挂强：各模块提供最掌髑的功巍，减轻程序妁蚤蔓拄秀 发。使模块运行速度快，并能提供必要的出错信息。 受了实现系统功程，系统软箨舔结擒漉程霹如篷2 s 辑示。 嚣承表蜜萄捡定缀控餐系统中秘燕鬟软孛 是莹了完成菜糟控襄而 编制的用户程序，要报据控制系统的硬件配置不同而设计，但要满足系 婉实时性、针对性、灵活性哥口通用性及可靠性的基本要求。因此拳系统 软斧设诗主要暴焉￥is u a e + 0 诺言及v i $ u r ie + + 6 ，0 语言毒 m a t l a b 语言混合编程。v ts u a lc + + 6 0 集成了劝能强戈的编辑器、编 译器，链搂器、调试器、a p 拶i z a r d 、c l a s s w i z a r d ，a p p s t u d i o 等多 种多样的可视他编程工舆，c + + 语言相对其他语言有稂高的代确效率。 豌m a t l a b 语言装中了强犬的参种数字处理功如，集数饿分析、矩阵运 嚣、信号处理和蘑影鹭像跫理予一露，月户可方便连逮行分耪、骨霉及 设计工作。m a t l a b 语言提供的逡些函数，若用c 十+ 语言漱实现，语句较 长而复杂。商爵m a t l a b 语言逐巽有语法篱单，癸擎易用馥转点。理媳 愚m a t l a b 语言遗行图像处理、数值运薜，可缩短缟程时阃，避免程序 设计中的重复劳动。但m a t l a b 语言运行速度糖陵，单独使用m a t l a b 语 言缡器无法实骢系统实盼洼、诀速控靖葵求。掰默系统簌鹰两辩语言混 合编程，在用c + + 开发漱值计算比较复杂的应用程序时，将m a t l a b 语 言崴码嵌入爱程序孛，髋可酸凳分枣 薅m a t l a b 语言丰富的数餐谤雾螽 敬，精简源程序代码，在较短时间内充成一个较为复杂的运算工作，既 节省机器妁运算时间，咒可保留v c + + 6 + 0 面向醇象、可视化等w i n d o w s 程序风格和e 斗+ 语言对数据抉速砖廷理巍交。知蓬豫建瑾程序采蔼 v is u a l c + + 6 0 语言和m a t i a b 语言混合编秣，既体黼了两种语言的 饨势，秘霹又满足了系统穗基拳要拳。 争 开始 软件初始化 选择待检表类型，确定 手拎占- 个射南务唐问隅 打开图像设备采集表盘图像 确定表针当前时刻位置 控制电机做正向运动，并确定下一爱 检点指针位置，并保存指针位移量 读取光栅尺采集数据并保存 计算受检点示值误差并保存 芝竺竺兰兰兰：夕 控制电机做反向运动，并依 次检测各受检点示值误差 根据各个受检点的示值误 差，确定指示表的各项精度 绘出误差分布曲线图，给出检测结果 检测结束 图2 - - 3 系统软件的结构流程图 1 0 n 第三章指示表自动检定仪机械系统设计 指示表自动检定仪是集机、光、电为一体的系统，其功能的实现， 离不开机械系统。本系统的机械系统主要由专用夹具1 、滑台2 、支座 3 、机械传动机构4 等组成。如图3 1 所示指示表自动检定仪机械系统 结构图。 l23 4 图3 1 指示表自动检定仪机械系统结构图 3 1 机械系统的功能及性能要求 3 1 1 机械系统的功能 1 实现被检指示表测杆的匀速运动 被检指示表测杆的匀速运动是由伺服控制系统完成的。由计算机控 制步进电动机，通过传动机构和导向机构( 滑台导轨) 带动测头推动指示 表测杆买现的。 2 实现被检指示表的精确定位 被检指示表在检验时要求指示表的测杆与传动机构通过滑台带动 的测头要同轴，同时与光栅传感器( 长度计) 的测量杆也要求同轴，以 减小测量误差。为使c c d 摄像机中心轴线正对被检指示表表盘中心，利 用专用夹具来实现被检指示表的正确定位。 3 实现光栅传感器( 长度计) 测量杆的随动 由于系统的测量范围比较大，利用弹簧驱动测量杆运动，运动范围 受到一定的限制，而利用马达驱动测量杆运动，又难以保证测量杆的运 动和测头的运动同步。因此，采用外部联结驱动测量杆运动，利用联结 器将测量杆与滑台相连，这样既可以保证具有较大的测量范围，又可以 实现测量杆与测头的同步运动。 3 1 2 机械系统的性能要求 1 高精度机械系统的精度直接影响指示表自动检定仪的精度， 这就要求专用夹具设计、制造具有较高的精度，光栅传感器( 长度计) 的安装位置精度要高，同时要求整个机械系统结构变形小，传动机构的 传动环节少，误差小。 2 快速响应性好要求机械系统从接到指令到开始执行指定任务 之间的时间间隔要短。这样控制系统才能及时根据机械系统的运动情况 获得信息，下达指令，使其能准确无误地按指令要求完成任务。 3 良好的稳定性要求机械系统的工作性能不受外部条件的影响， 具有较强的抗干扰能力。这就要求光栅传感器( 长度计) 支架、滚珠螺 旋丝杠支座等不受环境影响而变形。同时要求传动机构及滑台在运动过 程中无爬行现象产生，以避免测头的运动不是匀速运动，影响检定精度。 3 2 机械系统的结构设计 3 2 1 传动机构设计 机械传动机构的功能是传递转矩和转速，目的是使执行元件与负载 之间在转矩和转速方面得到最佳匹配。指示表自动检定仪是一个闭环伺 服控制系统，机械系统中的传动机构就不仅仅是转矩和转速的变换器， 而且已成为伺服控制系统的一部分。由于机械传动机构对伺服系统的伺 服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动精度、动态特 性及传动的可靠性，对指示表自动检定仪系统的精度、稳定性和快速响 应性有重大影响。因此，传动机构的设计要根据伺服控制系统的要求 进行，以满足整个机械系统良好的伺服性能。 指示表自动检定仪的传动机构以传递运动为主。根据系统的技术指 标，通过分析计算得知，若传动机构不采用减速装置，将增加电动机的 性能要求，否则不能满足系统技术指标要求。所以本系统根据选定的电 动机性能及系统技术指标要求，采用带有减速装置的传动机构，它主要 由齿轮减速装置、滚珠螺旋机构组成。 根据指示表自动检定仪测头的运动速度糖恳的要求，需要有一减速 装置，为了使结构紧凑，运动灵敏，保证传动精度，选用齿轮减速装置， 且采用一级传动，其减速比为： 1 殳 i = 口，3 6 0 6 = = 25 3 6 0 0 0 0 0 1 19 5 2 6 4 齿轮采用直齿圆柱齿轮，大齿轮的齿数为4 0 ，小齿轮的齿数为2 0 ，模 数为1 ，其他结构参数及技术要求见工程图。另外，系统在检定过程中 耍不断变换运动方向，由于齿轮副的侧隙和加工装配误差的存在，会产 生齿轮传动的回差，所谓回差就是齿轮传动过程中，主动轮突然改变旋 转方向时，从动轮不能马上随之反转，而是有一个滞后量。这时主动轮 空转的转角和对应的从动轮的滞后角，即为齿轮传动的回差。由于该回 差处于闭环伺服控制系统中，可能会造成系统的不稳定，产生低频振荡。 为此，系统采用偏心套结构来调整齿侧间隙，如图3 2 所示。这样可 以降低齿轮的制造成本，提高传动精度和稳定性。 图3 2 偏。套调整齿侧间隙 指示表自动检定仪测头的运动，可采用螺旋机构带动滑台来实现。 但常用的螺旋机构中的丝杠和螺母间的相对运动是滑动，不能满足高精 度、高效率和快速响应等传动要求。而滚珠螺旋机构滚动摩擦系数接近 常数，启动与工作摩擦力矩差别很小，且启动时无冲击，低速时无爬行， 运动平稳，传动效率高，定位和重复精度较高，具有较长的工作寿命和 精度保持性，能满足系统的传动要求。因此本系统经分析计算采用南京 y - 艺装备厂生产的f f 一1 6x4 3 0 2 型内循环浮动反向器法兰单螺母 无预紧滚珠螺旋机构，丝杠总长为3 0 0 r a m 。滚珠螺旋机构的支承方式采 用单推一一单推支承组合，如图3 3 所示。为使传动稳定可靠，其传 动形式采用丝杠转动，螺母带动滑台在支座导轨上运动。轴承选用角接 触球轴承，轴承型号是3 6 2 0 0 一g b 2 9 2 8 3 。 图3 3 滚珠螺旋丝扛的支承组合 3 2 2 导向机构及支座设计 导向机构作用是支承和导向，主要是保证滑台带动指示表自动检定 仪的测头能按要求方向平稳运动。因此导轨采用矩形和矩形组合形式， 并选内侧面作导向面，这样可避免在改变运动方向时引起位置误差，导 向精度较高。 指示表自动检定仪还要求低速匀速运动，为防止爬行现象产生，采 用塑料导轨，运动导轨面粘贴聚四氟乙烯塑料软带。这种贴塑导轨摩擦 系数低，防爬行性好，阻尼特性好，耐磨，稳定性好，因此能满足系统 运动精度和平稳性要求。 支承件在各种机械中的主要功能是支承固定联接或作相对运动的 部件或零件，以保证零部件之间的相互位置或相对运动的精度。本系统 的支座就是支承其他零部件的基础部件，在其上有很多安装零部件的加 工面和运动部件的导向面，起到保证各零部件相对位置的基准作用，同 时不论是静载荷还是交变载荷，都要传给支座，导致其受力复杂，这样 在设计时就需满足静刚度、抗振性、热稳定性和工艺性等技术要求。因 此，支座采用整体结构，如图3 4 所示，材料为h t 2 0 0 。这种结拘可 保诚支座具有足够的刚度，变形量小，其几何精度和位置精度较高，机 械加工工艺矬好等。 图3 4 支座结构图 3 2 3 专用定心嶷具设计 导轨藤 指示表自动检定议在避行裣定时，要求摄像机雁对着被检指示表的 表盘中心，因摄像机是固定不动的，这就需安通过调整指示表的位置来 达到这令要求。为了使被捡提示表在最短的砖翔爨完成其定位，本系 统根据不同类型的被检指示表设计了各种专用定心夹具，如图3 5 所 示的百分袁、千分表、扭簧表等专朋夹具她构和图3 6 所示的杠杆表 专麓夹具缭构。 圈3 5 嚣分表、十分表、扭簧袁等专用夹具结构 百分表、千分表等专用定心夹具采用v 形块、半圆形来定位，实现 了指示表中心的对中，同时保证了指示表与摄像机的垂直距离。指示表 的夹紧由活动v 形块和螺钉来实现。 由于杠杆表的测杆结构较特殊，如图3 7 所示。为了保证在检测 时表盘中心能正对摄像机中心，除了设计专用夹具外，还要更换指示表 自动检定仪的测头，从而实现检定系统的通用性。同时采用可换测头， 还能延长指示表自动检定仪的使用寿命，保证检定精度。 图3 6 杠杆表专用夹具结构图3 7 杠杆表外形结构 另外，由于系统的驱动采用步进电动机驱动和人工驱动两种形式， 为了保证系统在运行过程中不会对系统各元器件造成损伤，设计了行程 极限限位装置，采用百纳控制公司的i m 0 4 0 p y f 0 6 c 型电感式接近 开关。电感式接近开关包含三部分：l c 振荡电路、触发电路、开关输 出电路。在感应面内有一个线圈和一个铁氧体，这两个元件构成了l c 振荡电路中的电感部分，振荡电路在振荡时，通过开关的感应面在其前 方产生一个高频交变的电磁场，如图3 8 所示。当一个金属物体进入 该磁场时，会在金属物体内产生涡流效应，从而导致l c 振荡电路的振 荡减弱，振幅变小。这一振荡变化，被开关的后置电路放大处理并转换 为一确定的输出信号，触发开关并驱动控制器件，从而达到非接触检测 控制的目的。其工作原理如图3 9 所示。该开关采用齐平式安装，感 1 6 二二二二二二二 赦检物体 高频变变磁场 ， 图3 8 在阻尼和无阻尼状态时的磁场 应距离是0 6 i i i m 。所以，该接近开关能检测一定距离的金属物体，从而 产生控制信号，来控制步进电动机停止运动。如果是人工驱动或由于惯 性力的作用，不能促使系统立即停止运动，此时可利用机械刚性限位块 来实现限位，从而保护各元器件不受损伤。 图3 9电感式接近开关的工作原理图 1 7 o c 第四章指示表自动检定仪伺服控制系统的研究 控制系统是指示表自动检定仪的的核心，要使指示表自动检定仪的 各组成部件能够协调工作，完成其特定的功能，必须有艮好的控制才能 实现。指示表自动检定仪控制系统采用计算机控制系统，计算机是整个 系统的控制中心，如图4 1 所示指示表自动检定仪控制系统的原理图。 系统由计算机直接控制实现表盘的图像采集、表盘的图像处理、光栅信 号的采集以及执行机构的驱动等，从而完成系统的功能。 图4 - - i 指示表自动检定仪控制系统原理图 采用计算机控制比以往采用单片机控制结构简单，控制方便、灵活。 本系统采用i n t e l 公司的p e n t i u m i v 型微机，该微机具有很强的计算能 力和较大的存储容繁，能提供许多不同功能的接口，扩充性好，灵活性 强，樊时性好，并能采用较好的软件开发工具。同时，为了实现系统的 鑫动托，提高系统的硷定致季，减少系统误羞，提高捡定糖度，还要正 确逸择设诗检潮无件( 如竞瓣传感器) 、执行抵撩f 如步避寇亏辊) 及 其他元器件等，保能各元器件能与控制系统性能相匹配。 指示表自动梭定仪的伺服控制系统是构成控制系统的赣要组成部 分，英耱注壹接影响穗示衷蠡动捡定援戆控裁品袭。另蹬，系统采用蠲 环控锱，硷裁无蟹援英精度要拳也套直接影磁系统戆穗庹。鞭此，翻鼹 控制系统的设计藏检测元件的戚确选择是至涎置要的。 毒，1 捂汞衰爨动裣定莰酌镧骚控裁系统魏缀或及妨莲要求 指示表自动桧定仪的伺服控制系统是一个数字式脉冲控制的闭环 伺服控制系统，藏由i o 接口卡( a c l 0 2 0 ) ，旁进电动机、步进电动机 驱动器、传动规拘、竞栅传感器( 长度诗) 及p c 机计数卡i k 2 2 0 等组 蔑，磕尊鳝一2 鼹示。系统工谗时，辔诗算瓤遮适i 内卡发送方向蕴裁 脉冲d i r 牵步进脉冲信号e p 蛉步进电动机驱动器，两路信号经功率放 大装强放大后，驱动步进电动机，由步进电动机通过传动机构推动被检 糍示表的测扦移动，从而实现测抒鲢微量进给。袁实现微蚤避给的同对， 疼动系统戆光据馥移浏量过程静露傣采集造程，竞褥俦惑器( 长虔计) 淤碍鞲示表测扦鼬位移量，由诗数卡i k 2 2 0 蜜时传送给计算机，由c c d 摄像头摄取的表盘图像经图像采集卡在计算机屏幕上得以嶷时显示，最 辫4 2 锅鼹控糊系统基拳纽成毽要 后通过对指示表指针位移计算处理与光栅饽感器测量的位移量进行比 较，得到指示表能检点的示值慢差。本系统对步进电动机的控带3 是在 w i n d o w s 平台下实现的，利用计算机和i o 卡实现对步进电动机的控制。 这种采用计算机直接控制步进电动机的方式较以往的采用单片机控制 步进电动机的控制方式具有电路结构简单，操作方便等特点，可以使系 统的控制更加灵活。 伺服控制系统是以机械参数作为被控量的自动控制系统，它由系统 的执行元件经过传动机构驱动被控对象测杆，从而完成所需的机械运 动。这就要求系统的输出能迅速而精确地响应指令输入的变化，固而该 系统在工作范围内应是可靠的稳定的，并能较经济地达到系统的精度要 求，同时具有响应速度快，对系统参数变化的灵敏度小，抗干扰能力强 等特性。 4 2 伺服控制系统的硬件设计 4 2 1 步进电动机的选择 步进电动机是作为控制用的一种特种电机，是一种将脉冲信号转换 成机械角位移的执行元件。其特点是输入一个电脉冲电机就转动一步， 即每当电机接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位 移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与 输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组的相序， 即可获得所需的转角、转速及转向，很容易实现数字控制。另外，步进 电动机作为执行元件还具有快速启停能力好，响应性好，以及步距误差 不长期积累，精度高等显著特点。因而指示表自动检定仪测头的微量进 给就采用步进电动机作为执行元件。 步进电动机的选择，首先要确定步进电动机的类型，选择步距角及 其精度，然后根据负载条件扣步进电动机的工作特性曲线，通过动力学 计算来选择和确定其最大静转矩，从而选定步进电动机的型号。 1 、步进电动机类型的选择 步进电动机按其结构特点分主要有三大类：反应式( v r 型) 步进 电动机、永磁式( p m 型) 步进电动机和混合式( h b 型) 步进电动机。 反应式步进电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的 齿形转子作步进驱动，其定子与转子均不舍永久磁铁，当相绕组不通电 时，就没有定位转矩，电动机的转轴可自由转动。而永磁式步进电动机 转子采用永久磁铁，定子采用软磁钢制成，在相绕组不通电时有定位转 矩，但转矩较大，转动惯量也较大，步距角较大。而本系统所需的步进 2 0 电动机不仅要求指示表的表针在步进电动机断电后必须准确定位，同时 要求步进电动机的步距角要小，分辨率高，定位精度高，以保证整个系 统的检定精度。因此，本系统就不能采用上述两种类型的步进电动机， 而采用混合式( h b 型) 步进电动机，由于该电动机综合了反应式( v r 型) 步进电动机和永磁式( p m 型) 步进电动机的优点，具有步距角较 小，定位精度高，误差不积累，断电后能自锁，运行时相对较平稳，输 出力矩相对较大等特点，能满足系统的性能要求。 2 、步距角的选择 根据系统的技术指标，要求系统的分辨率为0 1i tm ，这是因为指 示表的分度值为1 “n l ，为了保证指示表检定仪的检定精度，就要求步 进电动机每转一步所驱动的直线位移量妊须小于或等于1 “m ( 一般取 1 1 0um ) ，而决定步进电动机驱动直线位移量的固素主要是步进电动机 的步距角并口传动机构的导程。因此步距角的选择就至关重要。 步距角是指控制系统每发一个步进脉冲信号，步进电动机所转动的 角度，步距角越小，步进电动机的分别率越高。而步进电动机的步距角 已由其结构所决定，因此使用时可根据需要的脉冲当量和传动比选择步 距角。例如，步进电动机若以1 5 。的步距增量运动时，可有三种选择： 一种是常规选择，是步进电动机性能价格较合理的选择，即选步距角恰 好是1 5 。的步进电动机；第二种是选步距角小于1 5 。的步进电动机，但 这种步进电动机的步距角应是1 5 。的约数，如采用0 5 。步距角的步进电 动机走三步达到转角要求；第三种是选步距角大于1 5 。的步进电动机， 这种选择是基于特殊驱动方式一一细分驱动，来实现步进电动机小步距 角的运动要求。所谓细分驱动就是将一个步距角分成若干步的驱动方 法。其特点是( 1 ) 在不改变步进电动机参数的情况下，减小步距角； ( 2 ) 使步进电动机运行平稳，提高匀逮性，并能减弱或消除振荡；( 3 ) 提高电动机的输出转矩。 指示表自动检定仪的伺服控制系统要求步进电动机分辨率很高，即 步距角很小，同时还要求系统微量进给，因此按常规选择步距角很难满 足要求，必须对步距角进行细分才能实现系统要求。本系统初选二相步 进电动机，其步距角为1 8 。，采用步进电机驱动器来实现对步距角的细 分，而细分倍数的选取关系到系统的检定精度。 已知系统的分辨率为0 1 胛，从而可知步进电动机每一步所驱动的 直线位移量应小于或等于o 1 , w n ，即每一脉冲当量5 = 0 1 , u m p ，滚珠 螺旋机构的导程r 。= 2 5 r a m ，齿轮减速装置的传动比为i = 2 。根据 占：生及每转脉冲数s ：堑墅得 s fa 肝 细分数。：旦：! ：! ! ! ：! ：6 2 5 3 6 0 8 i3 6 0 0 0 0 0 1 2 由此可选步进电机驱动器的细分数为6 4 细分。 则测头直线位移量占= 丽a t s p = 夏1 万8 i 。面2 忑5 = 0 0 9 8 脚 。1 彬 由于传动机构带动测头的直线位移量d 满足系统最小位移量 o 1 a n 的要求，所以系统选择步进电机驱动器的细分数为6 4 细分，细 分后的步距角为o 0 2 8 。 3 确定步进电动机的型号 选择步进电动机时，除了选择其类型和步距角外，还要根据负载条 件和电动机的工作特性曲线，通过动力学计算确定其型号。 指示表自动检定仪测杆运动的实现，根据设计方案是采用步进电动 机，通过齿轮减速装置、滚珠丝杠，带动装有测头的滑台作直线往复运 动，其工作原理简图如图4 3 所示。 i 步进电动机卜二1l 滑台w j z 2_ 三 “。、厂u 忑了、- 、 图4 3 工作原理筒图 选择步进电动机时，为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快 的响应速度遵常要求步造电动机的受栽转丧茸争最大髓转矩始比值不是 于0 j 即lj l 。、0 5 ：换算到步进电动机轴上的转动惯羹和电动 - 转子的转动惯量之比不大子d 弦| “。，。，4 。根据机械系统的设计 已知滑台的重量为珏= 2 , 2 堙，滑台与支座导孰闷的擘擦系数为 a t = 0 , 0 6 ，滚珠丝枉的名叉直径为d o = 6 r a m ，导毒呈为f 。= 2 。5 m m ，丝 杠总长为l = 3 0 0 m 脚，齿轮的结构尺寸请参见工程图。则系统的等效负 载转矩为 ，：坐立：o ，0 3 2 8 删 。 2 m 7 i 系统的等效转动惯量为 j 。：j ，+ ，+ ! 兰j ；兰生：1 6 5 9 9 c 掰： 根撼上述计算初步采用四通公司生产的步进电动机，型号为5 6 b y g 2 5 0 c b a s s b l 0 2 4 l 绚蹲相混合或双轴绅步选电动机，其矩频特性曲线如 工 1 且 一0 矗 蚤 嚣“ o 2 驰 赫冲摄事附 一5 t 5 ，0 稀蠢 5 睡丑 转逛r ) 图4 45 6 b y g 2 5 0 c - - b a s s b l - - 0 2 4 1 型步进电动机矩频特挂曲践 2 3 图4 4 所示，其最大静转矩为l = 1 0 4 n m = 1 0 4 n c m ，转动惯量为 j 。= 2 6 0 9 c m 2 ，由此可得争= 0 0 0 0 3 o 5 ；等= 0 6 3 1 0 0 m 欧姆，输入量程：0 5 v ，0 1 0 v ， + 5 v 。 16 路数字量输入，t t l