（机械电子工程专业论文）手表走时性能测试及其故障诊断系统的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 手表检测仪器在手表的生产与维修过程中是不可或缺的，其技术的发展影 响着手表行业的发展。近年来，随着计算机技术的不断发展，在仪器仪表领域， 将计算机技术与仪器技术相结合，形成了一种新型的仪器，即虚拟仪器。本课题 研究的即是基于p c 的手表检测系统。 本论文主要涉及了手表检测仪器的机械结构设计、控制系统设计以及数据 采集系统设计等。根据手表检测原理，表机检测时需要检测其不同的位置，我们 设计了一种能够满足所有手表检测所需位置的机械结构即两轴旋转机构，同时设 计了具有一定隔音效果的表机夹持机构；在此基础上，针对检测仪器的机械结构 和检测仪器的要求，完成了以a v r a t m e g a 8 5 1 5 为m c u 的控制系统的硬件设计， 并应用c 语言完成了控制系统下位机软件编程；之后，通过r s 2 3 2 串口，实现 p c 机与单片机间的通讯，并应用v c + + 6 0 开发了上位机监控界面，最后通过 多次的调试，完成了手表检测仪器整个控制部分设计；最后设计了基于p c 机声 卡和m a t l a b 的微弱表音信号的采集系统。该系统采用了双传感器加差分电路 的方法在很大程度上减小了背景噪声；由于采用了声卡作为数据采集卡以及 m a t l a b 作为其控制软件，使得本采集系统在满足测试系统要求的基础上具有 了极大的经济性和灵活性。 关键词：手表检测a v r 单片机串口通讯数据采集 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t c h - t e s t i n gi n s t r u m e n ti si n d i s p e n s a b l ei nw a t c hm a n u f a c t u r ea n dm a i n t e n a n c e t h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to f w a t c h - t e s t i n gi n s t r u m e n ta f f e c t st h ed e v e l o p m e n to f w a t c hi n d u s t r y i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ec o m ef o r t han e wt y p ei n s t r u m e n tw h i c h c o m b i n e dt h ep ct e c h n o l o g ya n di n s t n a n e n tt e c h n o l o g yw i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t et e c h n o l o g yi nt h ef i e l do f i n s t r u m e n t t h i sp a p e ri sa i m e da tt h er e s e a r c ho f a n e w t y p ew a t c h - t e s t i n gs y s t e mb a s e do np c n l i sp a p e ri m p l i c a t e st h ed e s i g no f m e c h a n i c a ls t r u c t u r e , c o n t r o ls y s t e ma n dd a t a c o l l e c t i o ns y s t e mo ft h ew a t c h - t e s t i n gi n s t r u m e n t a c c o r d i n gt ot h ew a t c h - t e s t i n g p r i n c i p l e , t h e r ea l es e v e r a lp o s i t i o n so fw a t c hn e e d e di nt e s t i n g s ow ed e s i g n e da n o r g a nw h i c hh a st w or o t a t i n ga x i s e st om e e tt h ed e m a n do fa l lt h ep o s i t i o n s ，a n dw e a l s od e s i g n e da no r g a no fw a t c hc l a m pw h i c hw a sh e r m e t i c t h e n , w eu s e da v r a t m e g a 8 5 1 5a sm c ut od e s i g nt h eh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e r e q u i r e m e n t so f t h et e s t i n gi n s t r u m e n ta n dm e c h a n i c a ls l l u c t u r e , a n du s e dcl a n g u a g e t of i n i s hs i n g l e c h i p sp r o g r a m m i n g w ei m p l e m e n t e dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np c a n ds i n g t e c h i pt h r o u g hr s - 2 3 2s e r i a lp o r t , a n de m p o l d e rt h es u p e r v i s o ri n t e r f a c e b a s e do nv c + _ 卜6 0 a f t e rd e b u g g i n gm a n yt i m e s t h ec o n t r o ls y s t e mo f w a t c h - t e s t i n g i n s t r u m e n tw a sc o m p l e t e l ya c h i e v e d a tl a s t , w ed e s i g n e dt h ec o l l e c t i o ns y s t e mf o r c o l l e c t i n gt h ew e a ks i g n a lo fw a t c hs o u n db a s e do ns o u n dc a r da n dm a t l a b t i l i s d a t ac o l l e c t i o ns y s t e mc u td o w nal o to fn o i s e sf r o mb a c k g r o u n db e c a u s eo ft h e a p p l i c a t i o no ft w os o n s o l f sa n dd i f f e r e n t i a lc i r c u i t t h es y s t e mi s e c o n o m i c a la n d f l e x i b l eb e c a u s ew eu s e dt h es o u n dc a r sa st h ed a t ac o l l e c t i o nc a r da n d 口l a ba s t h ec o n t r o ls o f t w a r e k e y w o r d s ：w a t c h - t e s t i n g a v r s i n g l e c h i p s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n d a t ac o l l e c t i o n 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 仪器仪表是人类认识世界、掌握客观世界规律必不可少的重要手段。它伴随 着人类制造和使用工具水平的提高应运而生。作为对物质世界信息进行测量与控 制的基础手段与设备，仪器仪表已经渗入到人类生产、生活的各个方面。成为人类 生活的“传感器”。 对于钟表行业来说，钟表检测仪器是其不可或缺的一部分。不管是钟表的生 产、维修及研究方面，离开了钟表检测仪器都将无法进行。本文对一种基于计算 机的新型手表检测仪器进行了研究和设计。 1 2 课题研究的目的和意义 我国自二十世纪五十年代生产首款手表以来，钟表产业取得了长足的发展。 如今，我国每年的手表产量达十四亿块，时钟产量达六亿台，分别占世界总产量 的8 0 和9 0 以上，成为钟表生产的第一大国1 1 】。然而中国钟表在国际市场上的 竞争力并不强，国内厂商大部分靠给瑞士和日本企业代工来维持收入。我国生产 了全世界7 0 以上的成品手表，但所获利润还不到全球手表业的1 0 。经营理 念落后、出口产品技术含量低、品牌培育意识不强等劣势阻碍了我国钟表产业的 进一步发展。为此，我国的钟表企业需采取重研发、创名牌、走出去加强技术合 作，充分提高产品附加值的相应对策才能提升我国钟表的竞争力。制约我国钟业 发展的诸多因素中，产品品质是其中一个关键因素。而钟表检测仪器则在提高钟 表品质方面起着不可替代的作用。目前我国钟表检测仪器的发展远远落后于钟表 的生产，这与我国钟表生产大国的地位不符合。正是因为钟表检测仪器对于钟表 业来说意义重大，所以要提高我国钟表的竞争力，就必须提高钟表检验仪器的质 量和效率，并发展新的钟表检验仪器。 由于计算机技术的进步，引起了各行业的技术革命。在仪器领域，计算机技 术与仪器技术相结合，形成了一种新概念仪器一一虚拟仪器 2 】。虚拟仪器是一种 主要利用p c 技术，只是添加a 仍及d a 变换等少许硬件，以软件为主的仪器。 虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的 图形界面来操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台仪器一样，从而 完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据储存等。它具有高效的性能、 上海大学硕士学位论文 强大的扩展功能以及节约开发时间等优势。由于钟表行业的特殊性，目前国内还 没有出现类似的基于计算机的手表检测系统，因此，基于计算机的手表检测仪器 的研究开发，可以说是填补了这方面的空白，这正是本课题的研究目的和意义所 在。 1 3 国内外研究概况 钟表检测仪器的类型有很多，如测量钟表走时快慢的校表仪，在生产中用作 调准仪器的游丝定长仪，测量摆轮振幅的摆幅仪等等。其中用的最多的是校表仪， 而本课题开展的研究也主要是基于校表仪的，所以下文所指的检测仪器主要是指 校表仪。 1 3 1 国外研究概况 国外钟表检测仪器的生产和研制主要集中在钟表生产强国瑞士。瑞士的 w i t s c h i 公司在钟表检测设备行业中处于领先地位。下图l 一1 所示为w i t s c h i 公 司所生产的两款手表检测仪器w a t c he x p e r ti i 和c h r o n o s c o p em i 。 上海大学硕士学位论文 图l l 所示仪器是该公司采用的称之为c h r o n o s c o p e 技术所研制的两台最新 的检测仪，是目前世界上最先进的机械手表校表仪之一，为世界钟表行业所认可。 这两台检测仪器都可自动实现对机械手表瞬时日差、摆幅、走时曲线的测量，并 能自动识别手表的节拍【3 】【4 】。其中c h r o n o s c o p em 1 主要用于机械手表的日差测 试，测量范围及分辨率为：1 9 9 9 s d a y ( 1s d a y ) 或0 1 9 9 9 s d a y ( 0 1s d a y ) 。同 时可测量节拍( 1 8 0 0 3 6 0 0 0 ，自动计算未知节拍) 、摆幅( 6 0 3 6 0 ) o ，分辨率1 。) 、 偏振( o 1 9 9 m s ，分辨率0 1 m s ) 等参数。另外，该校表仪也可以用于测量石英手 表的日差。 1 3 2 国内研究概况 1 ) 传统的打点式校表仪四嘲 这是一种在8 0 年代广泛使用的检测仪器。其基本原理是使被测表机中振荡 系统的振荡频率和校表仪中石英晶体振荡器的基准频率相比较，比较的结果用一 个打点记录装置打印成走时曲线。根据所打印的曲线的斜率不仅能测出表机走时 快慢，还可以分析表机的某些缺陷。故这种校表仪不仅用于成品手表的检验，还 可用于装配线上，以常用的f d 一2 型校表仪为例，其原理框图如下图1 2 所示。 对 比 记 录 装 置 图1 - - 2f d 2 校表仪原理 上方电路产生标准频率信号。标准频率信号经过分频、功率放大后驱动一同 步马达，马达的轴连到对比装置上。同步马达既能维持对比装置的标准转速，又 是纸带、墨带传动系统的动力源。 下方电路完成对表音信号的拾取、放大和选择，目的是为了取得一个和表音 一致的机械运动，这个机械运动是通过电磁开关的吸放来完成的。将电磁铁的动 作作用到对比记录装置上，就能完成对比记录工作。 2 ) 基于微处理器校表仪 随着微电子信息技术的发展，9 0 年代后出现了基于微处理器的校表仪。下 图1 3 所示为轻工业钟表研究所研制的m t g 2 0 0 0 型校表仪。m t g 2 0 0 0 型校表 上海大学硕士学位论文 图1 - - 3m t g 2 0 0 0 型校表仪 仪是新一代的机 械手表检验仪器， 它综合了纸带记 录式校表仪和数 字式校表仪的优 点，采用了大屏幕 液晶显示屏，既可 以显示手表走时 的线条，也可以显 示瞬时日差、摆幅 和偏振的数值。仪 器设计先进，不但保证了高精度、高可靠性，而且充分考虑了各种不同类型用户 的要求和操作习惯。具有标线对比线条移动、模拟声响、线条打印等多项功能， 广泛应用于手表的研究、生产、销售、维修等领域。其主要技术指标如下所示 7 1 。 主要技术指标： 1 日差：一3 0 0s d + 3 0 0s d ，允差士1s d 2 摆幅：1 0 0 0 3 5 0 0 ，允差土3 0 3 偏振：0 m s 4 0 m s ，允差圭0 1m s 1 4 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础的。作者本着经济 实用的原则，从手表检测的理论出发，设计了一种基于p c 的手表走时性能检测 系统。主要完成了机械结构的设计、控制系统的硬件和软件设计以及数据采集系 统的设计等。 本文的主要内容包括： 第一章阐述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。 第二章阐述了手表走时测试的基本理论。 第三章基于手表走时测试理论，设计了一种能够满足检测系统要求的机械 结构。 第四章依据机械结构及手表测试原理要求，完成了控制系统硬件以及软件 的设计。 第五章完成了上下位机接口程序的设计以及上位机监控界面的设计，通过 上海大学硕士学位论文 程序调试，确保了整个控制系统稳定工作。 第六章设计了一种以声卡作为数据采集卡，m a t l a b 作为控制软件的数 据采集系统。 第七章对全文作了总结，并对下一步的工作作了展望。 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章手表走时测试基本原理 本检测系统的检测对象主要是机械手表，在本章中详细介绍了机械手表的基 本工作原理以及对其检测的基本理论。这是我们进行手表检测及分析的基础，也 是进行检测仪器设计的根据。 2 2 机械式振动计时仪器基本原理 2 2 1 振动计时仪器基本原理 现代绝大部分计时仪器都是属于振动计时仪器。其原理是利用了一个周期恒 定的、持续振动的振动系统，振动系统的振动周期乘以被测过程内的振动次数， 就得到该过程的时间。即 时间= 振动周期振动次数 这就是振动计时仪器的基本工作原型矾。 2 2 2 机械式振动计时仪器工作原理【8 】【9 】 由于本课题主要的测试对象为机械手表，因此有必要对其工作原理有一个基 本的了解。机械手表的机芯由六大部分组成，即：摆轮游丝系统、擒纵机构、齿 轮传动系统、指针系统、原动机构和上条拨针机构。工作原理如下图2 1 所示。 图2 一l 机械式振动计时仪器工作原理 上海大学硕士学位论文 由图可见，上条机构把原动机构的发条卷紧，原动机构将发条的弹性位能转 变为机械能，带动传动轮系，传动轮系将发条的能量通过擒纵机构输送给摆轮游 丝系统，使其维持一个稳定的振动。摆轮游丝系统又将振动计时信号经过擒纵机 构、传动轮系并按一定的传动比送给指针机构指示时间。 2 3 表征手表精度的参数嗍【1 0 】 如果被测手表的指示值a 和标准时间t 相比，可能有一指示差5 a ， 6 a = a t 一块走时准确的手表，其指示差总是为零或为某一常数。而实际的手表其指 示差往往是变化的，即其走时有快慢变化。 一、日差 手表在一定位置从上满发条走时起，经过2 4 小时的指示差的差，称为日差， 它的单位以秒天来表示。因为日差的测量是必须经过2 4 小时从表盘的指示值读 出来的，所以在工厂里又称之为实走日差。 二、瞬时日差 将在任一时刻测得的手表的瞬时走时快慢推算成一天的偏差称为瞬时日差。 它是用仪器对手表进行测量时获得的，其含义是以当时测得的走时快慢并假设手 表将以此快慢行走2 4 小时所造成的积累走时偏差。瞬时日差也以秒天来表示。 对于一般机械手表实际上是测量其摆轮游丝系统的振动周期的偏差再推算成一 天的偏差，其瞬时日差如下式所示： 甲矿 膨= 二纽8 6 4 0 0 秒天 式中不为振动系统周期的名义值，r 为振动周期的实际值；8 6 4 0 0 为一天的 秒数。 三、温度系数 温度变化常影响手表的走时快慢，常用温度系数c 来表征手表的温度误差， 在我国的手表标准中把温度误差规定为温度从4 。c 一3 6o c 平均每1 。c 的日差 最大值。即在温度环境4 。c 和3 6 。c 时分别测定手表在面上位置启动后的瞬时 日差，则温度系数c 为 上海大学硕士学位论文 c ：丝堑= 丝 3 6 4 式中蚝和峨分别为3 6 。c 和4 。c 时的瞬时日差温度系数的单位为秒 天度，即温度每变化1 。c 所引起的日差。 四、位差 由于摆轮偏重及支撑摩擦等因素的影响，手表在不同位置时其走时将发生变 化。测定手表在启动时的不同位置( 砸上、柄下、柄左、柄上四个位置) 的瞬时 日差，在这四个瞬时日差值之间有六个差值，取其中最大的差值为最大位差名。 五、等时性误差 手表的走时随其振动系统摆幅变化而产生的变化称为等时性误差，由于手表 摆幅与发条力矩大小有关，而发条的力矩却随时间逐步降低。测定手表在不同位 置( 面上、柄下、柄左、柄上四个位置) 时上满发条起动后的瞬时日差和走完 2 4 小时时的瞬时日差，并找出其差值，在这四个位置中取该差值的最大值作为 最大等时性误差k 。 六、综合指标 这是表示手表质量的综合性指标。把等时性误差l 。，位差气。和温度系数c 代入下式来计算综合指标 n = o 1 5 k + 0 1 p 恤+ c 式中的几个系数表示各该项在综合指标中所占比重。综合指标越小表示 手表质量越高。 由上所述，很多表征手表精度的参数都是用瞬时日差计算出来的，而瞬时日 差则是用各种类型的手表检测仪器测量所得。 2 4 表音的形成 i l l 由于机械手表的测量都是把手表的表音作为输入讯号，所以先来研究一下表 音。当手表走时的时候会发出滴答的声响，这种声音是表机的擒纵机构在工作时 的一些碰撞所产生的。如果把表音通过转换器接到示波器上加以观察，可以发现， 手表的每个正常的滴答声是由如下图2 2 所示的三个脉冲所组成的波形。研究 表明，各段声音来自擒纵机构不同的部位，按固定的序列排列。 上海大学硕士学位论文 4 + 5 ， i h j t幺 r 7 r 。 k 图2 2 表音波形 释放音1 释放音组成表音的第一个脉冲，是在释放开始的时候圆盘钉碰撞权槽的一 瞬间产生的( 如图2 3 所示) ，同时，由于擒纵叉使擒纵轮后退，在擒纵轮齿和 叉瓦的锁面间也要产生碰撞，但后者较微弱。 ，1 、 黟瓣 卜卜卜卜 图2 3 释放音1 图2 4 冲击音2 + 3 冲击音2 + 3 它是在释放和传冲之间，擒纵轮齿落在叉瓦冲面上发出的声音，这里擒纵 轮补充能量，当擒纵叉的摆叉回击圆盘钉时，圆盘钉在摆叉槽内也发出声音( 如 图2 4 所示) 。 跌落音4 + 5 它是由擒纵轮齿落在叉瓦的锁面上，同时擒纵叉碰到限位钉上发出的声音 ( 如图2 5 所示) 。 上海大学硕士学位论文 图2 5 跌落音4 + 5 2 5 手表振动周期和节拍【5 】 在正常情况下，第四表音 最大，第二表音次之，第一表 音再次。其他两个表音对表机 测试过程没有太多价值【9 1 。 摆轮游丝系统的每个振动中有两次碰撞，出现两次表音，所以第一个到第三 个表音间的时间间隔口一c ，6 一z 就是表机的振动周期，如图2 - - 6 所示。 图2 6 表机振动周期 习惯上，用手表的节拍来表征手表是采用什么振动周期工作的振动系统。所 谓手表的节拍是指手表在每小时内产生的表音数，也就是每小时摆轮单程振动的 次数。对于振动周期为2 5 秒的手表来说，由于每秒产生5 个表音，故其节拍为 5 x 6 0 6 0 = 1 8 0 0 0 。对于振动周期为1 3 秒的手表来说，其节拍为6 x 6 0 x 6 0 = 2 1 6 0 0 。目前，国内外生产的手表常用节拍为：1 8 0 0 0 、1 9 8 0 0 0 、2 1 6 0 0 、2 8 8 0 0 、 3 6 0 0 0 等。 由图2 6 可以看出，第一个到第三个表音间的时间间隔等于一个振动周期， 因此振动周期的变化必将引起表音间隔的变化，这就有可能以表音作为表机测量 的输入讯号，通过的测量表音的间隔变化来测量手表的走时快慢和偏振等参数。 上海大学硕士学位论文 2 6 手表走时测试原理 手表走时性能测试系统的基本测量原理1 1 2 1 可如图2 - - 7 所示。 。ii。i。_ii。i。i。_i。卜 。厂厂广 图2 7 手表走时性能测试基本原理 设q - - a 2 的时间间隔为五，g 2 一a 3 的时间间隔为互，那么，相邻两个半周期五 和正之和，就是被测手表的周期值丁。但由于偶然因素的影响，仅测一个周期是 不可靠的。故一般选取较多的表音个数作为被测参数，以求得平均周期值r 。当 周期值被测出来后，就可以按下式计算出瞬时日差来，即 m ：r - t o 8 6 4 0 0 秒天 如 式中写为周期的名义值。 瞬时日差在机械手表检测中是一个比较基本的参数，可以根据这个参数调整 表机摆轮游丝系统的游丝长度使表机的振动周期尽可能接近名义值，消除日差。 另外，通常测量出的z 和不是不一样的，两者之差就是偏振值f ，即 a t = 墨一互，单位毫秒。这是由于摆轮往复摆动时往和复的摆动周期不等所造成 的。 2 7 本章小结 本章介绍了机械手表的一些基本知识，表音的形成，及手表测试系统的原理 等。其中，基本的测量参数是瞬时日差和偏振，这两个参数在机械手表检测中是 最常用的参数，也是本课题所要测量的参数。 上海大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章手表检测系统机械结构设计 机械结构是手表检测系统的检测平台，其最重要的功能是实现检测系统对表 机的位置要求。合理的机械结构设计是检测系统得以实现的保证。根据检测系统 的要求，本课题设计了能够满足手表检测所需的十个检测位置要求的两轴旋转机 构以及有一定隔音效果的表机夹持盒。 3 2 机械结构的总体要求 手表检测系统机械结构的主要功能是实现测量时表机位置的固定。由上一章 可知，在手表检测中其位差p 及等时性误差，的测量都对手表的测量位置有所要 求，其最基本的检测位置是面上、柄下、柄左、柄上这4 个位置。一般来说，除 了这四个位置外，手表检测还需要检测其他6 个常用位置，即：面下、柄右、柄 4 5 0 、柄1 3 5 0 、柄2 2 5 0 及柄3 1 5 0 。这1 0 个位置可由下表3 1 所示。 00oqo oo 柄上柄4 5 0柄右柄1 3 5 0柄下柄2 2 5 。柄左柄3 1 5 0面上面下 表3 1 手表检测位置 除了要实现检测时手表表机位置的固定外，手表检测系统的机械结构还需 要满足传声器的放置要求( 详见本文第六章) ，以及定的密封要求( 主要是为 了起到一定的隔离背景噪音干扰的作用) 。 3 3 机械结构设计方案 本课题机械结构的设计主要是设计其机构的运动，由于其负载很小，本文 上海大学硕士学位论文 所有涉及的零件如轴承，轴的设计都远远满足系统要求，其设计所涉及的计算在 此不再赘述。为了满足以上检测系统对机械结构的运动要求，本课题采用了以下 的设计方案。 3 2 1 两轴旋转机构设计 为了能满足手表检测中1 0 个检测位置的要求，设计了如下图3 1 所示的两 轴旋转机构。 图3 1 两轴旋转机构 如图所示，x 轴与y 轴是相互垂直的两轴，在电机的驱动下，两轴分别可 以绕其轴心旋转3 6 0 。在x 轴上铣削出一个平面，用于安装表机夹持盒，这样 可以认为是将手表安装在x 轴的铣削平面上。在当手表在上图所示位置时，即 是其面上的检测位置时，若x 轴旋转1 8 0 0 ，则其处于面下的检测位置。同样地， 假设当前手表在上图所示位置不动，将x 轴逆时针方向旋转9 0 0 ，就是其柄右的 检测位置。若此时保持x 轴不动，将y 轴依次转过4 5 0 ，就得到了其他所要求的 检测位置。 下表3 2 所示为表机初始位置为上图3 1 所示时，手表的1 0 个检测位置 与x 、y 轴的旋转关系。 上海大学硕士学位论文 表机检测 o0o ioqoo o 位置 x 轴旋转9 0 。9 0 09 0 09 0 。 9 0 09 0 。 9 0 0 9 0 。 0 01 8 0 。 角度( 逆) y 轴旋转2 7 0 0 3 1 5 0 0 04 5 。 9 0 0 1 3 5 。1 8 0 02 2 5 0 o 。0 0 角度( 顺) 表3 - - 2 手表检测位置与x 、y 轴旋转关系 3 2 2 表机夹持盒的设计 表机夹持盒是放置传声器以及待测表机的容器，也是本课题机械设计的一个 重要内容。上文已经提到，表机夹持盒除了要满足待测表机的检测位置的固定以 及满足两个传声器的合理放置位置外，还需要一定的密封性来隔离一部分的背景 噪音。因此我们采用了下图3 2 所示结构设计。 图3 2 表机夹持盒 图3 2 所示结构中，待测表机平放于手表放置平台上，其把头对准传声器 上海大学硕士学位论文 1 。压紧块可以沿弹簧导轨做水平运动，其主要功能是利用压紧弹簧1 的弹力来 压紧待测表机，防止由于电机旋转时所引起的表机脱落。其上的两块橡胶条是为 了增加其与表机间的摩擦力以及防止表机表面磨损而添加的。在盒体上加上盒 盖，即可组成具有一定隔音效果的表机夹持盒，可以减小环境噪音对测试结果的 影响。两个传声器安置于传声器放置架中，其结构如下图3 3 所示。 图3 3 传声器放置架 传声器放置根据要求( 见本文第六章) 采用如上图所示位置安装。弹簧导轨 凹槽用于弹簧导轨的安装固定。传声器l 和传声器2 相背对安装，传声器1 与弹 簧2 相连接。其上的两块橡胶块作用有两个：一个与压紧块橡胶条作用一致，即 增加与表机的摩擦力和防止表机表面磨损，另一个作用是起到保护传声器的作 用。这样由弹簧l 、压紧块及弹簧2 所组成的表机压紧装置就可以实现对表机的 固定，并且可以保证表机把头与传声器2 的紧密接触，同时又可以防止由于弹簧 l 弹力过大而引起的传声器损坏。 3 2 3 电机选择 本课题中，电机主要功能是实现对位置的控制。而步进电机是一种专门用于 位置控制和速度控制的特种电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行 机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动 一个固定的角度( 称为“步距角”) ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可 上海大学硕士学位论文 以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过 控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。其主要特 点如下【1 3 】： 步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此，当它转一圈后，没 有累计误差，具有良好的跟随性。 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非 常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下能保证获得大转矩，因此， 一般可以不用减速器而直接驱动负载。 步进电机自身的噪音较大，带惯性负载能力较差。 上述最后一个特点是步进电机固有的缺陷。由于本课题所要检测的是手表表 音信号，其相对于步进电机的噪音是非常微弱的。但是由于数据采集系统开始采 集数据是在步进电机已到达指定位置后才进行的。也就是说开始数据采集时，步 进电机是不工作的，因此其噪音问题对本课题影响很小。 由上可知，步进电机完全满足本课题需求。由于本课题中电机负载很小，对 速度要求不高，但要求电机尺寸要小。通过对市场上多种步进电机的进一步比较 之后，确定选择深圳雷赛的3 5 h s 0 1 和3 9 h s 0 3 两相混合式步进电机，其性能 参数如表3 3 所示【h l 。 参数 步距角保持转矩额定电流 转子惯量定位转矩 型号 ，o n ma g c m 2，g c m 3 5 h s 0 11 80 0 7 o 41 21 0 0 3 9 h s 0 31 80 2 90 51 8 01 8 0 机身j ( c j m m截面尺寸r a m伸出轴m m重量k g 3 5 h s 0 1 2 83 5 x 3 5m 5 x 1 80 1 7 3 9 h s 0 33 83 9 x 3 9m 5 1 8 0 2 0 表3 3 电机性能参数 对于本课题来说，由于表机夹持盒拟采用p v c 或铝合金等轻质材料制成， x 轴电机负载很小，所以尽量选择小的x 轴电机。x 轴电机越小，则其质量也 小，那么y 轴电机也可以相应地选择更小的，这对于机械结构来说，可以大大 缩小其尺寸。但是上表3 - - 3 中所选电机3 5 h s 0 1 是深圳雷赛公司所生产的尺寸 最小的步进电机，考虑到定制电机成本较高，故选择3 5 h s 0 1 。为了叙述方便， 在下文中x 轴电机3 5 h s 0 1 称为小电机，y 轴电机3 9 h s 0 3 称为大电机。 上海大学硕士学位论文 3 4 机械结构设计改进 随着课题的不断展开，原设计机械结构中的缺点也逐渐显露来，因此有必要 对其机械结构的设计进行改进。这里主要是对齿轮传动、u 型支架以及轴承等进 行了改进。下图3 4 及图3 - - 5 是改进前后的对比。 图3 4 改进前机械结构 图3 5 改进后机械结构 上海大学硕士学位论文 1 ) 齿轮传动的改进 齿轮传动是机械传动中最普遍，应用最广泛的传动形式。齿轮传动有传动效 率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定等优点1 1 5 】。因此在最初设计的时候，我 们使用了两对齿轮，分别用于x 轴和y 轴的传动。齿轮传动最大的缺点在于制 造及安装精度要求高，价格较贵。而本机械结构采用的是步进电机作为动力，它 可以不用减速器直接驱动负载。因此，我们最后采用了电机轴与旋转轴直接连接 的方法。图3 5 中4 个圆柱形垫圈是为了电机安装而添加的。通过对齿轮传动 的改进，不仅减小了大电机负载，而且由于没有了齿轮传动，y 轴和x 轴的尺 寸大大缩短，这样就使整个结构更加紧凑。 2 ) 轴承的改进 滚动轴承摩擦系数小，起动阻力小，而且它已经标准化，选用方便。因此， 在原设计中，我们采用的是深沟球轴承。但是由于采用了旋转轴与电机轴直接联 接，轴承不用承受径向载荷。同时考虑到滚动轴承装配相对于滑动轴承比较复杂， 所以我们改用了粉末冶金含油轴承。由于本系统负载小，要求的转速低，粉末冶 金含油轴完全可以满足本机械结构的需要。同时，粉末冶金含油轴承本身含有润 滑油，可以不用考虑其润滑问题。在相同轴颈尺寸下，粉末冶金含油轴承尺寸相 对于深沟球轴承要小【1 6 1 ，可以进一步缩小整个机械结构尺寸，使整个结构更加简 单。 3 ) u 型支架的改进 u 型支架原设计考虑到深沟球轴承以及齿轮的安装，不得不采用3 块侧板拼 装，提高了对装配的精度要求。改进后，由于不用考虑齿轮及深沟球轴承的安装， 我们采用了一体化的u 形支架，不仅使结构更加简单，而且较原先美观。在原 设计中，表机夹持盒是竖直放置安装，在改进了齿轮传动及轴承后，我们采用了 表机夹持盒横向放置安装的方法，这样x 轴的长度大为缩短，同时u 型支架尺 寸也大大缩小了。为了平衡u 型支架、小电机及表机夹持盒的重力，我们设计 的底座比较宽，可以用于安装控制电路板以及步进电机驱动器等控制设备。 3 5 本章小结 本章详细介绍了手表检测系统的机械结构设计。根据手表检测原理，表机测 量时所需的常用检测位置一共有十个。我们采用了简单的两轴旋转机构的设计， 很好的满足了检测系统要求。同时设计了具有一定隔音效果的表机夹持盒，除了 能够满足一定的隔离背景噪声的功能，通过合理设计传感器的安置位置，来达到 上海大学硕士学位论文 更加好的检测结果。最后通过对设计的改进，使得机械结构更加简单紧凑，更加 合理。 上海大学硕士学位论文 4 1 引言 第四章控制系统硬件及软件设计 控制系统是手表检测系统的一个重要组成部分，由相应的硬件以及软件组 成。本控制系统主要由下位机控制系统、上位机控制程序和接口程序三部分组成。 上位机控制程序根据用户需要，选择所需检测位置，通过接口程序将指令传给下 位机，下位机控制系统按上位机的指令执行所需位置，当执行完所需位置后，通 过接口程序返回给上位机。本章主要对下位机控制系统的硬件及软件设计进行阐 述，上位机控制程序及接口程序将在下一章中介绍。 4 2 控制系统的硬件组成 本控制系统的硬件结构示意图如图4 1 所示，p c 机通过r s 2 3 2 串口与单 片机u s a r t 通讯。其中单片机采用的是a t m e l 公司的a t m e g a 8 5 1 5 。单片机分 别通过t c 0 和t c 1 发送脉冲来控制步进电机驱动器。i s p ( i n s y s t e m p r o g r a m m i n g ) 作为单片机程序下载的接1 2 1 。 p c 冈 l 型 a v rm e g a 8 5 1 5 t c 0 | it c i 脚l 千 i i i 驱动器| 龛i 驱动器i 口一l 图4 1 硬件结构示意图 上海大学硕士学位论文 控制系统的硬件主要由下列几个模块组成：微处理器( m c u ) 模块、步进 电机驱动器接口模块、串口通讯模块、电源模块和i s p 模块。其实物如图4 2 所示。 嘲4 2 控制系统的使件实物图 4 2 1 微处理器模块 微处理器模块主要包括一块a t m e g a 8 5 1 5 、复位电路及其他一些外围电路。 作为控制电路板的核心，a v r 系列单片机是a t m e l 公司继5 1 系列单片机后推 出的新一代微处理芯片，各方面性能上都超越了原来的5 1 系列单片机。其主要 特点如下【17 】： r i s c 结构：1 3 0 条指令；大多数指令执行时间为单个时钟周期；3 2 个8 位 通用工作寄存器；全静态工作；工作于1 6m h z 时性能高达1 6m i p s ；只需两个 时钟周期的硬件乘法器。 非易失性程序和数据存储器：8 k 字节的系统内可编程f 1 a s h ；擦写寿命 1 0 ，0 0 0 次；具有独立锁定位的可选b o o t 代码区；通过片上b o o t 程序实现系统 内编程；真正的同时读写操作；5 1 2 字节的e e p r o m ；擦写寿命：1 0 0 ，0 0 0 次； 5 1 2 字节的片内s r a m ；达到6 4 k 字节的可选外部存储器空间；可以对锁定位 上海大学硕士学位论文 进行编程以实现用户程序的加密。 外设特点：具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器计数器；一个 具有预分频器、比较功能和捕捉功能的1 6 位定时器计数器：三通道p w m ； 可编程的串行u s a r t ；可工作于主机从机模式的s p i 串行接口；具有独立片 内振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器。 特殊的处理器特点：上电复位以及可编程的掉电检测；片内经过标定的 r c 振荡器；片内片外中断源；三种睡眠模式：空闲模式、掉电模式及s t a n d b y 模式。 a t m e g a 8 5 1 5 属于a v r 系列中的中端产品，其丰富的内部资源和优秀的性价 比很好的满足了本控制系统的要求。由于篇幅所限，这里对m e g a 8 5 1 5 的内部资 源不作详细描述，仅列出本控制系统所用到的资源，其他内容见产品手册和参考 文献。表4 1 列出了端口使用情况。 端口内部资源引脚作用 p b 0t c 0 比较输出引脚( 0 2 0 )l大步进电机驱动器脉冲信号端 p b l 普通f o2大步进电机驱动器方向信号端 p b 3普通i o4 大步进电机驱动器使能端 p b 5 p b 7 串行外设接口s p i 6 8i s p 下载口 r e s e t复位端9a v r 复位端，低电平复位 p d 0 u s a r t 输入引脚r x d1 0串口通讯输入端 p d l u s a r t 输出引脚t x d 1 l 串口通讯输出端 p d 3普通i o1 3 小步进电机驱动器使能端 p d 4普通i o1 4小步进电机驱动器方向信号端 p d 5t c 1 比较输出引脚( o c l a )1 5小步进电机驱动器脉冲信号端 g n d 接地端2 0信号地 v c c 电源端 4 0 5 v 电源 表4 1 控制系统m c u 端口使用情况表 表4 2 列出了中断资源使用情况，其中中断向量是在w i n a v r 编译环境下 的中断向量，w i n a 、r 编译环境将在下节中给予介绍。 上海大学硕士学位论文 中断向量中断源 中断定义 外部引脚电平引发的复位，上电复位， 、 r e s e t 掉电检测复位等 t i m e r 0 定时器计数器0 比较匹配中断，用以控制 s i go u t p u tc o m p a r e 0 c o m p大步进电机的步数 u s a i u s i g u a r t r e c v 串口接收中断，用以接收上位机的指令 r x c t i m e r l 定时器，计数器1 比较匹配中断，用以控制 s i g o u t p u t c o m p a r e i a c o m p 小步进电机的步数 表4 2 控制系统m c u 中断使用情况表 4 2 2 步进驱动器模块 步进电机驱动器是步进系统中的核心组件之 一，它按照控制器发出的脉冲方向指令控制电机 线圈的电流以及相应的电磁场和电磁力矩，从而 实现电机转轴与脉冲方向指令相对应的转动【15 1 。 基本的步进电机驱动模式有三种：整步驱动、半 步驱动以及细分驱动【1 8 】1 1 9 。其主要区别在于电机 线圈电流的控制精度。细分驱动模式具有低速低 频振荡、噪声和转矩波动极小，以及定位精度高 等优点。对于本系统而言，要求电机以极低的速 度( 0 5 r s ) 运行，因此本系统选用的驱动模式为 细分驱动模式。根据第三章中选择的雷赛公司的 步进电机，我们购置了相应的步进驱动器 m 4 1 5 b 。m 4 1 5 b 细分驱动器是一款性价比很高的 驱动器。它采用新型的双极性恒流斩波驱动技术， 在使用同样的电机时可以比其他驱动方式输出更 大的速度和功率。其细分功能使步进电机运转精 度提高，振动减小，噪音降低。此外，这款驱动 器还有其他许多理想特点f 1 4 】，例如：单电源供电、 图4 3 步进驱动器接口 光隔离信号输入、细分精度“细分可选，动态可改细分。另一有用的功能是静 止时电流可自动减半：即当电机处于停止状态时，输出电流可自动降至较低值， 从而减少电机和驱动器发热。 上海大学硕士学位论文 图4 3 是m 4 1 5 b 驱动器的接口电路。如图所示，该步进驱动器有两个接口 端p 1 和p 2 ，其中p 1 为弱电接口端，p 2 为强电接口端。其各端口功能如下表4 3 所示【1 4 】。 信号功能 p u l 脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步。 d i r 方向信号：用于改变电机转向，t 1 l 电平驱动。 0 p t 0光藕驱动电源。 e n a 使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止。 g n d直流电源地。 + v 直流电源正极，典型值2 4 v 。 a 十、a 电机a 相，a a 互调可更换一次电机运转方向。 b + 、b 电机b 相，b + 、& 互调可更换一次电机运转方向。 表4 3 驱动器端口功能说明 根据上表驱动器各端口功能，将其与m c u 模块、电源及步进电机正确连接， 便可通过程序来控制驱动器，最终控制步进电机。其具体实现将在下一节控制系 统的软件设计中详细阐述。表4 4 中给出了本课题所采用的驱动器的环境设定 和工作模式，具体的电气规格和设定方法参考产品说明手册。 供电电压电流值步距角细分倍数步数圈 l 小电机驱动器 2 4 v d c0 4 2 a1 8 。