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四川大学硕士学位论文 外圆磨在线检测应用系统的硬件 研究与开发 机械设计及理论专业 研究生周自波指导教师侯力 检测是人类认识物质世界、改造物质世界的重要手段，是把待测的物理量 通过一种器件或装置采集、变换和处理。检测系统是为了完成检测任务而构造 的个实体系统，其目的在于快速、准确、真实地将被测对象的有关信息呈现 给检测者，以减少检测者对被检测对象观测的不确定程度。即获得信息。在线 检测就是在加工过程中，在不影响其他系统正常工作的情况下完成对所需物理 量的的测量。在磨床的磨削加工过程中可以利用在线检测技术检测零件的尺 寸，从而提高产品的质量，提高劳动生产率，节约劳动时间。特别是在批量生 产条件下，先进的在线测量技术意义尤其重大。 随着计算机技术的广泛应用，在检测系统中许多复杂的信号控制和处理都 采用单片微型计算机来完成，进入单片机中处理的必须是数字信号。数字式传 感器可以直接将被测量转换成数字信号输出，在不需要经过转换的情况下，直 接送入单片机中处理，同时还能提高系统的检测精度、分辨率及抗干扰能力， 又易于信号的运算处理、存储和远距离传输，因此得到了广泛的应用。 在以上所述的各种技术支持下，本课题结合生产实际，充分利用在线检测 技术、数字电路技术和计算机技术，研发出一套适合外圆磨床进行在线检测的 应用系统。主要研究工作和研究成果如下； l 、论述了检测技术的发展状况、外圆磨在线检测技术的现状，分析了进 行外圆磨在线检测的意义，提出了系统研究的主要内容，同时还给出了检测技 术的基本理论，从而为整个系统的研究开发提供了坚实的理论基础。 四川大学硕士学位论文 2 、分析了光栅技术的特点，给出了光栅信号的数学模型，得到了光栅检 测的基本原理。同时根据系统的要求，通过比较各种细分技术的优缺点，选择 适合本系统的细分技术，形成细分电路，对光栅信号进行细分，从而提高系统 的分辨率，提高检测精度。 3 、进行了检测系统的总体设计。给出了系统的框图，然后选择适合系统 的光栅传感器，放大电路，整形电路，细分辨向电路等；选择适合本系统的单 片微型计算机，进行了8 2 5 3 计数器的扩展、8 2 7 9 显示键盘芯片等的扩展。 同时还进行了系统掉电保护接口的设计。 4 、论述了系统软件设计的基本思想，分析了系统软件的基本功能和任 务，给出了数据处理的一般方法，列出了主要功能模块的程序流程图。同时还 进行了软件抗干扰的设计。 5 给出了系统机械装夹装黉功能设计的基本思想和原则，进行了机械装 置的设计，描述了机械装置在检测过程中的工作过程。 6 、得出结论，并对检测系统的发展趋势进行展望。 关键字：外圆磨，在线检测，光栅，单片机，硬件电路 i i 婴纠查兰堡主兰垡堡塞 t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to nh a r d w a r eo fo n l i n e m e a s u r e m e n ta p p l i c a t i o ns y s t e mo fc y l i n d r i c a lg r i n d e r m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：z h o uz i b os u p e r v i s o r ：h o ul i m e a s u r e m e mi sa ni m p o r t a n tm e a n st h a th u m a nb e i n g su s et ok n o wa n d r e b u i l dm a t t e rw o r l d i tc a nc o l l e c t t r a n s f o r ma n dd e a lw i mt h ep b y s i c a lq u a n t i t y w h i c hw a n t st om e a s u r et h r o u g hac e r t a i ni n s t r u m e n to rd e v i c e m e a s u r e m e u t s y s t e mi sa ne n t i t ys y s t e mt h a ti sb u i l tt oc o m p l e t eam e a s u r e m e n tt a s k i t s p u r p o s ei st os h o wt h ei n f o r m a t i o no ft h em e a s u r e do b j e c tt oi n s p e c t o rr a p i d l y ， a c c u r a t e l ya n dr e a l l y a n di tc a r lr e d u c eu n c e r t a i n t yd e g r e ew h i l et h ei n s p e c t o r m e a s u r e st h em e a s u r e do b j e c t o n l i n em e a s u r e m e n tc a nf i n i s hm e a s u r e i n gt h e n e e d e dp h y s i c a lq u a n t i t yw i t h o u ti n f l u e n c i n go t h e rs y s t e mn o r m a lw o r k i n gd u r i n g t h ep r o c e s so fm a c h i n i n g d u r i n gt h ep r o c e s so fg r i n d i n go ng r i n d e r ，o n l i n e m e a s u r e m e u tc a nb eu s e dt om e a s u r et h ed i m e n s i o no ft h ep a r t ，w h i c hc a n h e i g h t e nt h eq u a l i t yo ft h ep a r t ，i m p r o v el a b o rp r o d u c t i v i t ya n ds a v el a b o rt i m e e s p e c i a l l yd u r i n gb a t c hp r o d u c t i o n ，t h eu s eo fa d a v a n c e do n l i n em e a s u r e m e u t s h o w sg r e a tm e a n i n g s w i mt h ew i d eu s eo fc o m p u t e rt e c h n o l o g y m a n yc o m p l e xs i g n a l si nt h e m e a s u r e m e u ts y s t e ma r ec o n t r o l l e da n dt r e a t e db ys i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ( s c m ) t h es i g n a lt r e a t e db ys c mm u s tb ed i g i ts i g n a l d i g i ts e n s o rc a nc h a n g e t h em e a s u r e dq u a n t i t yi n t od i g i ts i g n a l i tn e e dn o tb ec h a n g e da n di ti ss e n tt o s c mt ot r e a td i r e c t l y ，w h i c hc a nh e i g h t e nm e a s u r e m e u tp r e c i s i o n ，r e s o l v i n g p o w e ra n da n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h es y s t e m d i g i ts i n g a li sa l s oe a s yt oo p e r a t e ， s t o r ea n dt r a n s m i tt or e m o t ep l a c e s oi ti sw i d e l ya p p l i e d i 四川大学硕士学位论文 b a s e do nv a r i o u st e c h n o l o g i e st a l k e d a b o v e ，t h ep r o j e c tc o m b i n e sw i t h p r o d u c t i o np r a c t i c ea n dm a k e sf u l lu s eo fo n l i n em e a s u r e m e n t ，d i g i tc i r c u i ta n d c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p sas u i to fa p p l i c a t i o ns y s t e mw h i c hf i t sf o r o n l i n em e a s u r e m e n to nc y l i n d r i c a lg r i n d e r t h em a i nr e s e a c hw o r ka n dr e s u l t sa r e a sf o l l o w s ： 1 d e v e l o p m e n to fo n l i n em e a s u r e m e n ta n ds t a t u sq u oo fc y l i n d r i c a lg r i n d e r a r e d i s c u s s e d m e a n i n g so fo n l i n em e a s u r e m e n to nc y l i n d r i c a lg r i n d e ra r e a n a l y s e d m a i nc o n t e n t so fs y s t e mr e s e a c ha r ep u tf o r w a r d a tt h es a m et i m e b a s i ct h e o r i e so fm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya r ep r e s e n t e d a l lo ft h e s el a yas o l i d t h e o r yf o u n d a t i o nf o rw h o l es y s t e mr e s e a e h 2 f e a t u r e so fg r a t i n gt e c h n o l o g ya r ea n a l y s e d m a t h e m a t i c sm o d e lo f g r a t i n g s i g n a li sp r e s e n t e d a tt h es a l t l et i m ea c c o r d i n gt ot h en e e do fs y s t e m ，a p p r o p r i a t e s u b d i v i s i o nt e c h n o l o g yi ss e l e c t e df o rs y s t e mt h r o u g hc o m p a r i n gw i t ha d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fa l lk i n d so fs u b d i v i s i o nt e c h n o l o g i e s s os u b d i c i s i o nc u r c n l t i sf o r m e da n di ts u b d i v i d e sg r a t i n gs i g n a l ，w h i c hh e i g h t e n ss y s t e mr e s o l v i n gp o w e a n dm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n 3 t h ed e s i g no fw h o l em e a s u r e m e n ts y s t e mi sc a r r i e do u t s y s t e ms c h e m a t i c i sg i v e n t h e na p p r o p r i a t eg r a t i n gs e n s o r ，a m p l i f i n gc i r c u i t ，s h a p er e g u l a t i n g c i r c u i t ，s u b d i v i s i o n & d i r e c t i o ni d e n t i f i c a t i o nc i r c u i ta n de t c a r es e l e c t e d a p p r o p r i a t es c mi s s e l e c t e d t h ee n l a r g i n go f8 2 5 3c o u n t e ra n d8 2 7 9 d i s p l a y k e y b o a r dc h i pa r ec a r r i e do u t a tt h es a m et i m et h ed e s i g no fp o w e r - d r o p p e dp r o t e c t i o ni sp u tu p 4 t h eb a s i ci d e ao fs y s t e ms o f t w a r ed e s i g ni sd i s c u s s e d t h eb a s i cf u n c t i o n a n dt a s ko f s y s t e ms o f t w a r ea r ea n a l y s e d t h eg e n e r a lm e t h o d so f d a t ap r o c e s s i n g a r eb r o u g h tf o r w a r d p r o g r a mf l o wc h a r t so f m a i nf u n c t i o nm o d e l sa r el i s t e d a t t h es a m et i m et h ed e s i g no f s o f t w a r ea n t i - j a m m i n ga b i l i t yi sc a r r i e do u t 5 t h eb a s i ci d e aa n dp r i n c i p l eo f s y s t e mm e c h a n i c a lc l a s pd e v i c ef u c t i o n d e s i g ni sg i v e n a n dd e s i g no fm e c h a n i c a ld e v i c ei sc a r r i e do u t t h ew o r k i n g p r o c e s so f m e c h a n i c a ld e v i c ei sd e s e r i b e da sw e l l i i 婴型查兰堡主兰堡丝苎 6 c o n c l u s i o n sa r ed r a w na n dd e v e l o p i n gt r e n d so fm e a s u r e m e n ts y s t e ma r e p r o s p e c t e d k e yw o r d s ：c y l i n d r i c a lg r i n d e r ，o n l i n em e a s u r e m e n t ，g r a t i n g ，s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r ( s c m ) ，h a r d w a r ed e s i g n 1 1 1 四川大学硕士学位论文 1 绪论 检测是人类认识物质世界、改造物质世界的重要手段。检测系统是为了完 成检测任务而构造的一个实体系统，其目的在于快速、准确、真实地将被测对 象的有关信息呈现给检测者，以减少检测者对被检测对象观测的不确定程度， 即获得所需信息。 在线检测就是在加工过程中，在不影响其他系统正常工作的情况下完成对 所需物理量的的测量。在磨床的磨削加工过程中可以利用在线检测直接检测零 件的尺寸，从而提高产品的质量，提高劳动生产率，节约劳动时间。特别是在 批量生产条件下，研究先进的在线测量技术意义尤其重要。 1 1 在线测量技术的发展状况 在生产过程中，为了提高生产率，需要直接在加工机床上对零件进行在线 测量。一方面，通过在线测量全部代替离线测量和统计质量控制，使质量保证 更靠近加工过程，保证零件从机床上拆卸下来就是合格的成品：另一方面，在 线测量又是为提高加工精度而进行的补偿加工中的关键步骤。 在线测量是加工、测量一体化技术的重要组成部分，是保证质量和提高生 产率的重要手段。国外很早以前就己经开始了这方面的研究，其中包括日本、 美国、北爱尔兰等一些国家。t i l l e n 和t i p t o n 是较早做过关于在线测量的调查的 人，对当时的几种测量方法作了比较并指出在线测量的必要性。1 9 8 9 年 s h i r a i s h i 对1 9 6 1 年至1 9 8 9 年的测量的情况做了更加彻底详细地调查，而且工作 一直进行至1 j 1 9 9 6 年，对各种测量方法进行了举例，并介绍了一种用于在线测量 仪器。从s h i m i s h i 的调查资料中我们可以发现国外早在6 0 年代就已经认识到在 线测量技术的重要性，并相继进行了大量的研究，主要是在圆柱体工件的磨削 加工中尺寸、形状、表面粗糙度的在线测量方面，有些研究成果在生产实际中 得到了广泛的应用，但由于加工过程的特殊复杂性，现有的在线测量技术的测 量准确度受到限制，不适用于超精密加工，而且到目前为止，对机械加工在线 测量技术研究最多的还是车削过程和磨削过程。 国内在这方面也有研究，1 9 8 8 年魏源迁、赵卓贤对在线检测形状误差原理 进行了探讨；同年袁烘祥、李均等发表了“超精密加工中圆度的在线测量与补 四川太学硕士学位论史 偿加工”论文：上海交通大学的施杰发表了题目为“曲轴连杆圆度在线检测及 磨削补偿系统研究”的博士毕业论文，主要内容为采用两点法分离出主轴回转 误差，然后得到工件的圆度误差并对其进行补偿磨削；上海交通大学的其他老 师也进行了这方面的研究工作，如提高圆度误差分离的措旌、在线自动检测系 统干扰信号的排除与抑制等。1 9 9 5 年哈尔滨工业大学王晓慧、李占魁发表了 “圆度、圆柱度在线测量及补偿控制实验研究”论文。除此之外，华中理工大 学刘丽冰教授致力于加工中心的在线检测及误差补偿技术的研究，也取得了一 定的成果：沈阳黎明发动机制造公司与南京航空航天大学一起研制了高精度不 可见内回转曲面线轮廓度的在线自适应测量仪。1 9 9 9 年1 0 月在北京举行的中国 国际机床展览会上，上海机床厂有限公司展出的h 2 4 6 数控端面外圆磨床具有自 动在线测量工件的功能；险峰机床厂的m k 8 4 4 0 数控轧辊磨床，采用闭环补偿 磨削技术，在进行连续补偿磨削时自动进行曲线与理论曲线比较，在达到预输 入轧辊精度要求后自动停机。总之，在线检测方面，国内大多数人做的形状误 差的测量上基本上都是用误差分离的方法。 纵观国内外有关在线测量现状，得出如下结论： ( 1 ) 在线测量分为两种，一种是测量机构在加工过程中直接实时测量工 件的加工精度，加工过程和测量过程同时进行。另外一种在线测量技术是加工 过程和测量过程分开，一道工序或整个切削过程完成后，不用卸下工件，对工 件进行在装测量，根据测量结果采取必要的手段保证零件的加工精度。 ( 2 ) 对于圆度误差的在线测量研究大多用于补偿加工中。 ( 3 ) 对于圆度误差的测量，无论是在圆度仪上进行的测量还是在机床上 进行的测量，为了提高测量精度均需做误差分离。 四川大学硕士学位论文 1 2 外圆磨在线检测的意义及现状 1 2 1 外圆磨在线检测的意义 在磨削加工过程中，为了知道加工的结果，必须对所加工的工件进行测 量。长期以来，尺寸的测量多使用通用测量工具、专用量具或组合量具、且多 以离线测量或线外检测为主。从而使得测量占据了大量的时间，降低了加工效 率。据资料介绍日本的加工业，在单件加工时间中，切削时间占其总工时的5 以下，而在辅助时间中，测量所占的时间为4 0 以上。因此，在提高加工 效率中，如何减少测量时间是一个重要的课题，因而近年来引起世界上许多企 业、研究所、高等院校致力于在线检测方法与装置的研究。 外圆磨在线测量技术的采用，实现了在加工过程中对被加工零件的主动测 量。从而可以连续地测量工件并以工件余量校正进给量，从而获得最佳的进给 速度，保证工件的最终质量。即根据检测到的工件尺寸的变化，指导磨削过程 由外圆粗磨转精磨，精磨转光磨，最后到尺寸，从而实现提高机床加工精度， 提高加工效率、节约了劳动时间的目的。 1 2 2 外圆磨在线检测的现状 现有的在线测量方法根据传感器进行分类，有机械式、光学式、超声波 式、电子式和气动式等种类，具体情况如表1 1 所示。 表1 1 按传感器分类的在线测量方法 ( t a ble 1 1m e t h o do fo nir t em e a s u r e m e n ta c c o r d in gs e n s o r ) 种类特点 适用场合 机械式 接触式测量主要用于直接测量工件的直径等。 电子式非接触测量用于测量工件的直径、圆度、圆柱度等。 光学式非接触测量 用于测量不损伤工件表面工件的直径等。 超声波式 非接触测量 用于非接触测量工件的直径等。 气动式非接触测量 可以在切削液中测量工件的外径和内径等。 四川大学硕士学位论文 这些在线测量的方法均有在外圆磨在线检测的研究中使用过，其中大部分 是非接触测量，但由于工件表面上往往残存着冷却液和铁屑等杂物( 即使添加 清洗工位，亦难保证被测表面清洁无污) ，这就使得采用非接触直接测量带来 定的困难，另外从工艺角度来看，直接非接触式测量的传感器安装与调整也 比较困难。接触式测量，可以减少工件表面存在杂物的影响，传感器安装也比 较方便，故采用接触式间接测量方式较好“1 。 在现今外圆磨的在线检测系统中，系统主要使用的敏感元件多数采用电感 式传感器：有气隙式、差动变压器式和差动电感式三种，少数产品采用电容式 原理。 气隙式传感器在工作时，检测规则头分别装在上下分离的测杆上，上下测 头接触工件，上下测杆分别由弹性支点支撑，随着机床的磨削进给，工件尺寸 不断减少，测头间的距离也随之减少，从而引起传感器间的气隙不断增大，气 隙的变化引起电感量的变化“1 。 差动变压器式传感器由同心分布在线圈骨架上一初级线圈和二个级线 圈组成，线圈组件内有一个可自由移动的杆状磁芯( 铁芯) ，当铁芯在线 圈内移动时，改变了空间的磁场分布，从而改变了初次级线圈之间的互感 量，当初级线圈供给一定频率的交变电压时，次级线圈就产生了感应电动 势，随着铁芯的位置不同，次级产生的感应电动势也不同，这样，就将铁 芯的位移量变成了电压信号输出。为了提高传感器灵敏度，改善线性度， 实际工作时是将两个次级线圈反串接，故两个次级线圈电压极性相反，于 是，传感器的输出是两个次级线圈电压之差，其电压差值与位移量成线性 关系埘川。 差动电感式传感器工作时，可动铁心向两边移动，两个电感线圈的电感 量均发生变化，导致输出电压的变化。 电容式传感器同样是根据电容的变化从而检测出被检测量的变化。 采用何种方式进行测量是设计整个测量系统的关键，它直接影响整个测量 系统的性能和结构。国内电感式和电容式传感器的精度难以达到要求，而国际 知名的产品，造价却很高，若使用就使得整个系统的制造成本大大提高。因此 在选用传感元件的时候要根据整个系统的需求，从整体出发，来权衡选用何种 传感元件最合适。 4 四川大学硕士学位论文 1 3 课题研究的主要内容 现今，有很多制造型企业的定单较多，使得生产任务比较繁重，而且生产 进度也比较紧张，因此不能很好地完成生产任务。必须要借助先进的检测技 术，提高劳动生产效率，节约劳动时间，才能完成生产任务，满足市场的需 求。 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 完成外圆磨在线检测系统的整体设计； ( 2 ) 完成敏感元件传感器的选择以及前向通道的设计： ( 3 ) 完成对检测的信号进行处理，包括数据处理单元的选择及其外围电 路设计、数据的采集以及数据处理和显示的程序设计； ( 4 ) 完成对信号的输出和显示，包括后向通道的设计、显示电路的设 计： ( 5 ) 完成系统机械装置的设计，即机械定位、装夹装置的设计。 四川大学硕士学位论文 2 检测技术基本原理 检测技术就是通过一种器件或装置，把待检测的物理量采集、变换和处 理，并显示。 2 1 检测的特征 测量的过程实质上是一个比较的过程，比较是测量最显著的特征，测量的 关键就在于被测量和标准量之间的比较。但是，在测量时，检测量往往不能直 接和标准量进行比较，需要把检测量和标准量变换到双方便于比较的某个中间 量后再进行比较。例如在压力和温度的测量的时候，都必须将其转换成相应的 形变、位移或其他的物理量才能进行比较。 另外，随着电子技术、传感技术、计算机技术的迅速发展，把非电量转换 成电量的测量具有：对电信号进行远距离传输，便于测量动态参数及变化过 程，测量精度高，便于和计算机连接等一系列优点。因此转换是现代检测技术 另一重要的特征“3 。 2 2 检测的方法 检测方法的正确与否比较关键，它关系到测量结果是否可靠以及测量工 作能否正常进行。检测方法按不同的分类方法可分为“1 ： 1 静态测量和动态测量 静态测量是测量那些不随时间变化或者变化非常缓慢的物理量。动态测 量是测量那些随时间迅速变化的物理量。当然静态和动态是相对的，一切事物 都是发展变化的，也可以把静态测量看作是动态测量的一种特殊形式。 2 直接测量、间接测量和组合测量 直接测量是测量结果能够直接用预先标定好的测量仪器、仪表的读数装置 上获得的测量。如用千分尺或百分表测量直径，用万用表测量电压、电阻等， 都是直接测量。直接测量的特点是简单而迅速。 间接测量是首先对与被测量有确定函数关系的物理量进行直接测量，然后 通过函数关系式计算求得测量结果的一类测量。间接测量通常用于直接测量不 6 四川人学硕士学位论文 易测准，或被测件由于结构的限制而无法进行直接测量的场合，如在测量大圆 柱直径时，可通过先测量其周长l ，按公式d = l n 来计算其直径。 组合测量是在测量中各个未知量以不同的组合形式出现，根据直接测量和 间接测量所得到的数据，通过解联立方程组来求出未知量的数值。组合测量一 般比较复杂，适用于科学实验和特殊场合。 3 接触式测量和非接触式测量 接触式测量是指在测量时测量仪器的测头与被测量对象有直接的接触。例 如用压电式传感器测量力时，需要把压电式传感器固定在被测量对象上。 非接触式测量是指测量时仪器的敏感元件与被测对象不直接接触，而是间 接地承受被测参数的作用，感受其变化，达到检测目的的方法。例如用辐射式 温度计测量温度，用涡流式传感器检测机械零件的厚度等。 非接触式测量不会干扰被测对象的运动状态，特别是在一些使用接触方法 无法胜任的场合，使用非接触式测量方法就更为方便、安全和准确。 4 在线测量和非在线测量 在线测量是在工件加工过程中进行的测量，它可直接用来控制零件的加工 过程，能在生产流水线上监控产品的质量，又被称为主动测量0 1 。 非在线测量是在零件完工后进行的测量，其作用仅限于检测产品、发现并 剔除废品，又被称为被动测量。 2 3 测量误差 在任何一个测量过程中，无论采用多么完善的测量方法和多么精确的检测 装置，都不可避免地会产生测量误差，测量的结果也就不可能绝对准确。 测量误差是指测量值与真值之间的差值。即： a = 4 一d o ( 2 - 1 ) 其中：测量误差； 一，测量值或观察值； 以真值。 测量误差又被称为绝对误差。可以是正值，也可以是负值，其绝对值 的大小决定了测量的精度。 四川大学硕士学位论文 真值是指在一定的时间、空间或某种状态下被测量客观存在的实际值。真 值一般来说是未知的，但有些真值是可以确定的。 绝对误差只能判断相同被测量的精度。对具有不同大小值的同类量进行测 量，要比较其精度，就需要采用相对误差。 按照误差的特点和性质，测量误差可分为以下3 种” ： 1 系统误差 在相同条件下，多次重复测量时，误差的绝对值和符号保持不变或者按一 定规律变化的误差。系统误差的规律是确定的，因而可以设法消除或在测量结 果中加以修正。 2 随机误差 在相同条件下，多次重复测量时，误差的绝对值和符号以不可预定的方式 变化的误差。随机误差是可以由许许多多的随机因素造成的。虽然在一次测量 中随机误差的产生没有确定的规律，但是通过大量测量会发现在多次重复测量 的总体上，随机误差却服从一定的统计规律。最常见的规律就是正态分布规 律。 任何一次测量，随机误差总是不可避免的，虽然不能消除它，但可以减少 其对测量结果的影响并可评定其误差的极限范围。 3 粗大误差 粗大误差是超出在规定条件下预期的误差。这种误差主要是由于测量者主 观上的疏忽大意，客观条件的剧烈变化或者使用有缺陷的计量器具所造成的。 粗大误差会使测量结果明显的歪曲，应剔除带有粗大误差的测量值。 2 4 检测系统的组成 一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装 置等部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。还要包括电源 和传输通道等一些不可缺少的部分。1 。图2 1 给出了检测系统的组成框图。 四川大学硕士学位论文 被 图2 1 检测系统的组成框图 ( fg 2 1s c h e m a tico fm e a s u r e m e n ts y s t e m ) 1 传感器 传感器是把被测量变换为另一种与之有确定对应关系，且便于测量的量 ( 通常是电学量) 的装置。传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部 分，它处于被测对象和检测系统的接口位置，构成了信息输入的主要通道，为 检测系统提供必需的原始信息。同时传感器还是整个检测系统最重要的环节， 检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能一次性确定的，因为检测系统 的其他环节无法为系统增添新的检测信息并且系统也不易消除传感器所引入的 误差1 。 2 测量电路 测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信 号。通常传感器输出信号是微弱的，这就需要经由测量电路加以放大等处理， 以满足显示记录装置的要求。测量电路根据需要还能进行阻抗匹配、微分、积 分、线性化补偿等信号处理工作。 测量电路的种类和构成是由传感器的类型决定，不同的传感器所要求配用 的测量电路经常具有不同的特征。 3 显示计录装置 显示计录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使检测 人员了解检测数值的大小或变化的过程。常用的有模拟显示、数字显示和图像 显示。 9 四川大学硕士学位论文 模拟式显示是利用指针与标尺的相对位置表示被测量数值的大小。其特点 是读数方便、直观，结构简单，价格低廉，在检测系统中被大量应用。但这种 显示方式的精度受标尺最小分度限制，而且读数时易引入主观误差。 数字式显示则直接以十进制数字的形式来显示读数，实际上是专用的数字 电压表。它可以附加打印机，打印记录测量数值，并且易于和计算机联机，使 数据处理更加方便。数字式显示有利于消除读数的主观误差。 当被测量处于动态变化之中时，用显示仪表读数就显得十分困难，这时可 以将输出信号送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，并以此作为 检测结果，供分析使用，这就是图像显示。常用的自动记录仪器有笔式记录 仪、光线示波器、磁带记录仪等。 2 5 检测系统的评价特性 检测系统的评价特性包括输入特性、输出特性和传递特性“。 1 输入特性 输入特性一般是指信号的输入形式、输入范围、输入阻抗。输入信号的形 式可以是直流信号、交流信号；输入范围决定了输入信号的上、下限，上限取 决于系统的非线性或机械上的原因，下限常由检测装置的灵敏度和信噪比来决 定：输入阻抗的大小决定了输入能量，若输入为电压信号，则要求输入阻抗 大，若为电流信号，则要求输入阻抗小，从而使检测装置对被测信号的干扰最 小。 2 输出特性 输出特性一般是指信号的输出形式、输出范围、输出阻抗。 3 传递特性 传递特性是指检测装置输出量与输入量的关系。一般总希望检测装置的输 出既能不失真地描绘出输入信号，又能把微弱的输入信号放大，或把过强的输 入信号进行适当的衰减，以便观察和记录。这就是说在检测装置的输入x 和 输出y 之间应有一定量的联系和描述x 、y 之间关系的数学表达式。把输出 y 和输入x 之间的函数关系称为检测装置的传递特性。 四川i 大学硕士学位论文 当被测量不随时间变化或随时间变化很慢时，可以认为检测系统的输入量 和输出量都与时间无关。表示它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方 程。在这种关系的基础上确定的检测装置性能参数通常称为静态特性。 描述静态特性的指标灵敏度、线性度、回程误差、精确度、稳定性和漂 移。 灵敏度表征的是检测装置对输入信号变化的一种反应能力。线性度用来表 示检测装置的实际特性曲线与理论直线靠近( 或称偏离) 的程度。回程误差也 称为回差或迟滞，是描述检测装置的输出同输入方向有关的特性。精确度也就 是精度，它是反映检测装置系统误差和随机误差的综合评定指标，用来表示检 测装置给出接近于被测量真值的示值能力。稳定性是指检测装置在规定条件下 保持其检测特性恒定不变的能力，在不明确影响量的情况下，稳定性是指检测 装置不受时间变化影响的能力。漂移是指检测装置的检测特性随时间的慢变化 ( 即输入量不变，但输出量会随着时间的变化而变化) 的特性。 当被测量随时间变化很快时，就必须考虑输入量和输出量之间的动态关 系，表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微分方程。由此引出的检测系 统针对快速变化的被测量的响应特性称为动态特性。 检测系统的动态特性通常用传递函数来描述，传递函数是输出量的拉氏变 换与输入量的拉氏变换之比，它与系统的初始状态无关，只取决于检测系统本 身的结构和元件的参数。 2 6 本章小结 本章介绍了检测的特征、方法和测量误差，给出了检测系统的组成框图及 检测系统的评价特性。 四川大学硕士学位论文 3 检测系统的硬件设计 3 1 检测系统的硬件总体设计 随着计算机技术的广泛应用，在检测系统中许多复杂的信号处理都采用微 型计算机来完成，因此模拟信号往往需要先经过模数转换后，再送入微型计 算机进行处理，这无疑将增加系统的复杂度和成本，而且模拟信号的检测精度 较低，易受干扰影响，不便于远距离传输。数字式传感器可以直接将被测量转 换成数字信号输出，可提高检测精度、分辨率及抗干扰能力，又易于信号的运 算处理、存储和远距离传输，因此得到了广泛的应用。 在系统中常使用的数字式传感器有光栅，磁栅，容栅，感应同步器，光电 编码器及激光干涉仪等，主要用于几何位置，速度等的测量。这些传感器所输 出的信号都是增量信号( 增量信号是指信号变化的周期数与被测位移成正比的 信号) n 3 3 。 本系统采用数字信号检测系统，使用光栅传感器作为信号检测元件。光栅 传感器安装在机械装夹装置上，该装置协助传感器完成对信号的检测。整个系 统的结构框图如图3 1 。 图3 1 系统的结构框图 ( fig 3 1s t r u c t u r es c h e m a tico fs y s t e 而 在图3 1 的框图中，传感器的输出的信号多数为较微弱的正弦或余弦波信 号，需经放大、整形变成数字脉冲信号后才能送入后续单元处理。在精度要求 四川大学硕士学位论文 不高和不需要辨向的时候，整形后的脉冲信号可直接送入计数器和计算机中， 但在多数情况下，为提高分辨率，常需要采用细分电路。辨向电路主要是用于 辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测量不便于读出和处理时，需 进行脉冲当量变换。计算机完成对信号进行复杂的运算处理，信号经过软件模 块处理后，再经过驱动，并将结果直接送到显示执行机构去显示或打印输出， 或求得控制量去控制执行机构。 3 2 硬件系统的物理实现 在系统中采用光栅传感器t g 3 1 0 作为信号检测元件，光栅传感器的输出 信号进入到细分板中细分辨向，再进入计数器8 2 5 3 中计数，计数结果送入单 片机a t 8 9 c 5 2 中处理，然后通过8 2 7 9 显示接口芯片显示出检测结果。系统物 理接口图如图3 2 所示。 图3 2 系统的物理接口图 ( f ig3 2p h s i c a ii n t e r f a c eo fs y s t e m ) 3 3 光栅传惑器的选择 本检测系统采用光栅位移传感器t g 3 1 0 作为传感元件来检测外圆尺寸的 变化。t g 3 1 0 光栅位移传感器的行程范围为0 - 1 0 m m ，光栅栅距为5 0 线m m ， 电源要求为+ 5v d c ，输出信号为两路含有直流电平的相位差分别为9 0 。的准 正弦信号，能够满足系统的精度要求，且价格适中。 本系统采用光栅位移传感器是由于光栅传感器具有位移放大和误差均化作 用的特点，因而检测精度高。同时光栅还有运动对应关系和便于实现自动控 制、响应速度快，价格便宜等特点。 光栅传感器是根据光学现象中莫尔条纹的原理所制造的，任何两组( 或多 组) 有一定规律的几何线族的重叠，均能形成按规律分布的葵尔图案“” 1 5 o 13 四川| 大学硕士学位论文 光栅就是在透明或不透明的平面基底上，刻划( 或照相) 密集的、等间距 的平行线条而形成“。 当两块光栅以微小交角相对倾斜重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向 上，将看到明暗交替的条纹，这就是莫尔条纹。光栅按每毫米内的栅线数分为 粗光栅和细光栅，莫尔条纹可以用粗光栅或细光栅来形成。粗光栅的栅距远大 于波长的光栅，栅距稍大于或接近波长的光栅是细光栅。本系统采用的光栅是 粗光栅，其产生的莫尔条纹及其测量原理如下： 在使用粗光栅测量位移时，由于栅距w 远大于波长，所以衍射效应可以忽 略。这时，可以通过用遮光原理来说明莫尔条纹的形成。如图3 3 所示，将两 块光栅1 和光栅2 的栅线相对倾斜不大的交角。重叠，组成光栅副，在不透光 的刻线的交点处，由于光线被挡住了，它们的连线形成暗条纹，而在透光的非 刻划区的交点处，因透光面积最大，它们的连线形成亮条纹。当光栅在一定的 夹角。下相对移动时，条纹将沿垂直于光栅刻线方向移动，严格地说是沿垂直 于刻线交角平分线方向移动，这类条纹被称为横向莫尔条纹。 2 e 图33 奠尔条纹的形成 ( f i g 3 3f o r m a t i o no fm o ir ef rn g e ) 四川大学硕上学位论文 明暗条纹的周期定义为莫尔条纹的宽度b ，即 肛麦 ” 2 其中：b 条纹的宽度( m m ) ； w 栅距( 咖) ； 0 夹角( r a d ) 。 由于0 角很小，所以式( 3 一1 ) 可简化为： 丑：堡 ( 3 2 ) 0 当光栅副中的任意一块光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就沿着垂 直于交角平分线的方向移动。当光栅移过一个栅距w 时，莫尔条纹也相应地移 动一个条纹宽度b 。若改变光栅的移动方向，则莫尔条纹也跟着改变移动方 向。由于莫尔条纹的运动与光栅的运动存在着上述的对应关系，因此可以通过 测量莫尔条纹的运动，即对莫尔条纹计数来测量光栅的位移量。 莫尔条纹的宽度b 和栅距w 的比值为莫尔条纹的放大倍数k ，且 k ：旦：!( 3 3 ) w0 即莫尔条纹的间距对光栅的栅距具有放大作用。当夹角很小的时候，1 e 的值 就很大，使得光栅传感器本身就具有放大作用。只要改变0 ，就可方便地调节 放大倍数k ，而且是连续可调的。也就是说，光栅副本身就是一只高质量的前 置放大器，能获得信噪比很大的稳定输出。这就使所需的电子逻辑系统比较简 单，同时由于莫尔条纹的宽度比光栅的栅距大好几百倍，所以就有可能对一个 条纹间隔再进行光学细分或电子细分，以读取条纹的分数值。 同时莫尔条纹还具有对误差进行均化的作用，这是由于光电元件所接收的 是进入指示光栅视场的刻线数的综合平均光信号，因此当光栅有局部或短周期 误差6 。时，由于有多根刻线参与工作，平均效应使误差6 。大大降低，且平均 误差为： ：三坠( 3 4 ) 4 n 15 四川i 大学硕士学位论文 由上述的莫尔条纹机理可知，只要通过测量莫尔条纹的变化，就可以检测 出被测量位移的变化。光栅测量长度是通过光栅传感器来完成的。光栅传感器 由光源、聚光镜、光栅副以及光电元件组成，在测量的时候，标尺光栅相对于 指示光栅移动，产生莫尔条纹，莫尔条纹的宽度b 由栅距w 和夹角e 决定。由 于栅距w 一定，调整夹角0 可以改变条纹宽度b ，使其发生任意变化，故夹角 0 可以起到调节放大的作用。通过这一放大作用，再加上采用多个光电元件就 可以完成对长度进行测量。根据莫尔条纹周期的个数及运动方向，就可以判定 光栅相对移动的栅距数和移动方向。同时由于莫尔条纹对误差具有均化作用， 使得此种方法的测量精度比较高，从而也使光栅检测优于其他的测量