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便携式凸轮机构分度精度测量仪的研制 摘要 分度凸轮机构具有结构紧凑、精度高、承载能力大、运动特性好、使用 寿命长等特点，在轻工、电子、医药、包装和自动机械、自动生产线等领域 得到了广泛应用。目前凸轮机构中分度装置的分度精度主要由加工凸轮的数 控机床或加工中心的精度来保证，但这是凸轮分度装置的静态精度，随着凸 轮机构的速度越来越高。在高速运转下，凸轮分度装置的分度精度是否达到 了要求，在目前仍缺乏行之有效的测量系统。国内外在这方面的报道比较少 见。 本课题采用软件和硬件相结合的方法，将圆光栅传感器、数据采集器、 笔记本计算机和虚拟仪器技术结合在一起，研制出一种能方便移动的、可适 用于多种场合且具有较高测量精度的便携式凸轮机构分度精度测量仪。 研制中，首先合理选用测量系统的各种硬件，使圆光栅传感器、数据采 集器和笔记本计算机正确连接，组成结构紧凑的硬件系统。凸轮轴与圆光栅 传感器的连接问题，解决方法是采用万向轴或柔性轴( 如波纹管等) 连接， 从而实现多种情况下的正确连接。数据采集器与笔记本计算机之间的接口采 用目前通用性很高的u s b 接口，其2 0 版本可达到4 8 0 m b p s 的数据传输率。 其次，采用l a b v i e w 虚拟仪器开发软件编制测量系统程序，利用细分技术、 滤波消噪技术等，提高测量精度，由此在计算机上即可实现凸轮机构分度精 度测量的全过程，并可方便的显示、打印和存储测量结果。最后，将硬件和 软件有机结合，优化和精简系统的机构、安装、调试和重量，实现便携测量。 研制成功后的测量仪能达到较高的测量精度，并能实现实时数据处理、 显示和打印测量结果，其测量结果既可作为研究单位对凸轮机构测试的基础 数据，又可作为工厂生产、检验和销售环节中的一种检测手段。便携的目的 可使该测量仪对凸轮分度装置的用户提供灵活的在线实时测试。如果在以后 能对测试软件再加以丰富和完善，则可添加对凸轮机构的动态特性分析、故 障诊断等功能，从而对凸轮机构的检测提供更多的信息。 关键词：凸轮分度精度便携式l a b v i e w 虚拟仪器技术测量仪 d e v e l o p m e n to fp o r t a b l em e a s u i u n g i n s t r u m e n tf o rp r e c i s l 0 n0 fc a mi n d e x i n g m e c h a n i s m a b s t r a c t c a mi n d e x i n gm e c h a n i s mh a s m a n ya d v a n t a g e s s u c ha s c o m p a c t f r a m e w o r k , h i 曲p r e c i s i o n ，s t r o n gc a r r y i n gc a p a c i t y , f i n e m o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c ，l o n gl i f ea n ds oo n a tp r e s e n t ，t h ep r e c i s i o no fc a mi n d e x i n g m e c h a n i s mm o s t l yd e p e n do nt h ep r e c i s i o no fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et 0 0 1 i t st h es t a t i cp r e c i s i o no fc a mi n d e x i n gm e c h a n i s m b u ti nh i 。g hr o t a r ys p e e d ， t h ee f f e c t i v em e a s u r i n gs y s t e mf o r t h ed y n a m i cp r e c i s i o no fc a mi n d e x i n g m e c h a n i s mh a sn o tb e e nd e v e l o p e d t h i sd e s i g nu s e st h em e t h o dw h i c ht h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r eu n i f y , t h er o u n dd i f f r a c t i o ng r a t i n gs e n s o r ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，t h ec o m p u t e ra n d t h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y u n i f i e si n t o g e t h e r , d e v e l o p e d a n d m a n u f a c t u r e dap o r t a b l e ，w i d ea p p l i c a b i l i t ya n dh i g hp r e c i s i o nc a mi n d e x i n g m e c h a n i s mm e a s u r i n gi n s t r u m e n t i nd e s i g n ，i nt h ef i r s tp l a c e ，w es e l e c t e dt h eh a r d w a r ef o re a c hm e a s u r i n g i t e m w el i n k e dt h er o u n dd i f f r a c t i o ng r a t i n gs e n s o r , t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d a n dt h ec o m p u t e rr i g h t l y t h ef l e x i b l es h a f tw a sb e i n gu s e dt oc o n n e c tt h ec a m s h a f ta n dt h er o u n dd i f f r a c t i o ng r a t i n gs e n s o rs h a f t t h eu s bi n t e r f a c ew a s b e i n gu s e dt ot r a n s f e rd a t af r o mt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dt oc o m p u t e r i t sd a t a t r a n s f e rr a t i om a y b er e a c h4 8 0 m b p s s e c o n d l y , w ed e v e l o p e dam e a s u r i n g s o f t w a r e s y s t e mo fc a mi n d e x i n g m e c h a n i s mw i t ht h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ts o f t w a r e l a b v i e w w eu s e df r a c t i o n i z et e c h n o l o g y a n df i l t e rn o i s et e c h n o l o g yt oe n h a n c et h ep r e c i s i o no fm e a s u r i n gs y s t e m t h e m e a s u r e m e n tp r o c e s so ft h ep r e c i s i o nf o rc a mi n d e x i n gm e c h a n i s mm i g h tb e c o n t r o l l e db yc o m p u t e r t h i ss y s t e mc o u l dd i s p l a y s ，p r i n t sa n ds a v e st h er e s u l t o fm e a s u r e m e n te a s i l y f i n a l l y , w ei n t e g r a t e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，o p t i m i z e d a n ds i m p l i f i e dt h es y s t e m ，r e a l i z e dp o r t a b l em e a s u r e m e n t t h er e s u l to ft e s t i n gi st h eb a s ed a t af o rr e s e a r c hc a mm e c h a n i s m i ti s i i t h em e t h o do ff a c t o r yi nt h ep r o d u c i n g ，c h e c k i n ga n ds e l l i n g t h ep o r t a b l e f u n c t i o nm a k ee a s yt om e a s u r eo n l i n ea n di nr e a lt i m e w h e nt h em e a s u r i n gs o f t i sp e r f e c t e d ，t h ef u n c t i o no ft h ei n s t r u m e n tm a yi n c l u d ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s ，b r e a k d o w nd i a g n o s i se t c k e yw o r d s ：c a m i n d e x i n gp r e c i s i o n ；p o r t a b l e ；l a b v i e w ；v i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ；m e a s u r i n gi n s t r u m e n t 1 1 1 便携式凸轮机构分度精度测量仪的研制 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：差堡! 型1日期：2 q q z 生垒旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：之鞋三丛导师签名：! 堑牢日期：巡 便携式凸轮机构分度精度测量仪的研制 1 绪论 1 1 引言 凸轮机构具有结构紧凑、精度高、承载能力大、运动特性好、使用寿命长等特点， 在轻工、电子、医药、包装和自动机械、自动生产线等领域得到了广泛应用。 在分度凸轮机构设计中，弧面凸轮分度机构常被广泛应用【l l 。弧面凸轮分度机构是 由美国人c n n e k l u t i n 在2 0 世纪2 0 年代发明的，又称滚子齿式凸轮分度机构，蜗杆式 凸轮机构、球面凸轮步进机构，其特点如下： ( 1 ) 具有较高的分度精度，适用于高速生产； ( 2 ) 与其它类似机构相比具有相对较高的承载能力和低维修率； ( 3 ) 能满足用户所要求的特殊运动特性。 这种机构是由凸轮、从动件、从动系统以及驱动系统组成。分度机构及其分度运动 如图1 1 和图1 2 所示。 分度机构的从动件一般为圆柱形滚子。滚子固定在从动盘上，而从动盘多固定在输 出轴上，当电动机作用于驱动系统，使运动按一定要求输入到凸轮轴( 主动轴) 上时， 凸轮轴便以一定的转速旋转，通过凸轮的轮廓带动与之啮合的从动轮，从而使精密间歇 分度运动由输出轴输出。在啮合过程中，通过凸轮轮廓的变化来控制和引导从动件( 输 出轴) 的旋转或停顿，以完成预先要求的间歇运动。这就是分度机构输入和输出轴的传 动比。凸轮以固定的速度旋转，从动件输出停顿和分度运动，这个过程周期性地循环。 在一个循环中( 从动件旋转3 6 0 。) 输出、停顿的次数称为停顿数；在标准的分度中这 种停顿次数也叫分度次数。若凸轮为单头蜗形曲线，停顿数则为从动盘滚子数；若凸轮 为多头蜗形曲线，则停顿数为从动盘滚子数除以凸轮的头数。 高速分度需要准确的控制和具有特定的加速度特性，这往往由机械组合运动来保 证。凸轮分度驱动机构可以设计成最能充分满足精度和刚度要求的机构。在凸轮分度机 构中，要求凸轮从动件总是和凸轮保持啮合，这主要是通过采用变化轴间距的方法在凸 轮和从动件间建立一个微小预紧，从而使从动件与凸轮之间产生一个适当的预紧力而加 以保障的。微小预紧消除了制造公差和安装间隙。这种预紧方式会产生轴向力，它由输 入轴和输出轴上的锥形滚子轴承来承担。这个预加载荷使输出运动的整个过程都是由凸 轮控制，从而保证机构的精度。为了特殊运动的需要，简单地修正凸轮，并对精密凸轮 和分度机构中的从动件、从动系统以及驱动系统精心设计，就可以使啮合中的冲击保持 最小，精度可达到精密级。与凸轮啮合的滚子采用滚针轴承，形成滚动接触，减少了摩 擦和磨损，从而延长了寿命，减小了振动，提高了精度【孙。该分度机构从动件的速度曲 陕两科技大学硕士学位论文 线和的加速度曲线也可以人为地控制，所以成为当今最好的分度机构之一。 衔 速 度 图1 - 1 凸轮分度机构例 f i g1 - 1c a mi n d e x i n gm e c h a n i s m d 图1 - 2 凸轮分度机构的分度运动四 对闭 图凸轮分度机构的分度运动哪 f i g1 - 2i n d e x i n gm o v e m e n to f c a mi n d e x i n gm e c h a n i s m n 我国对凸轮分度机构的研究始于2 0 世纪7 0 年代，目前上海工业大学、天津大学、 合肥工业大学、吉林工业大学、上海交通大学、大连轻工业学院、陕西科技大学等大专 院校和其它一些科研机构在弧面凸轮分度机构的研究、制造方面取得了一批成果。目前 以凸轮机构为核心，已经发展出成千上万种高效、小型、简易、精密、价廉的自动机械， 遍布各个行业【4 i 。正因为如此，对凸轮机构的检测变得尤为重要。尽管国内外己将许多 种凸轮产品系列化、标准化，但对凸轮分度装置精度等方面的测量仍然缺乏一种方便、 经济、实用且操作简单的测量仪器。 1 2 课题提出及其意义 国内外的企业和研究单位及大专院校对凸轮机构自身的各种性能都进行了大量的 便携式凸轮机构分度精度测每仪的研制 研究工作，虽然在研究过程中也采用了一些测试手段，但这些测试都是针对凸轮机构的 各种机械特性进行的，而对凸轮机构运动中其分度装置的精度测量却很少提及。目前凸 轮机构中分度装置的分度精度主要由加工凸轮的数控机床或加工中心的精度来保证，但 这是凸轮分度装置的静态精度。随着凸轮机构的速度越来越高，凸轮在高速运转的动态 情况下，凸轮分度机构的分度精度是否达到了要求，在目前仍缺乏行之有效的测量系统。 国内外在这方面的报道比较少见 5 】【6 胴。 随着凸轮机构的广泛应用及对生产率和改善劳动条件的要求不断提高，现在的凸轮 机构既要具有较高的转速，又要具有振动小、噪声低的特点，这就对凸轮机构在高速运 动中具有准确的分度精度提出了更高的要求。在这种情况下，对凸轮分度装置分度精度 的测量要求就会增加，因而该精度测量仪的研制也就显得十分必要和及时。 随着光机电一体化技术的高速发展，对凸轮分度装置精度的测量也将会向一个高精 度、便携式的方向发展，而且在结合了更多的计算机技术后，测量过程将会更加的自动 化和智能化，其测量结果也将会更加地准确可靠9 1 。 基于以上种种考虑，本课题在该测量仪的研制中采用软件和硬件相结合的方法，将 圆光栅传感器、数据采集器、笔记本计算机和虚拟仪器技术结合在一起，研制出一种能 方便移动的、可适用于多种场合且具有较高测量精度的便携式凸轮机构分度精度测量 仪。 研制成功后的测量仪能达到较高的测量精度，并能实现实时数据处理、显示和打印 测量结果，其测量结果既可作为为研究单位对凸轮机构测试的基础数据，又可作为工厂 生产、检验和销售环节中的一种检测手段，便携的目的可使该检测仪对凸轮分度装置的 用户提供灵活的在线实时测试。如果在以后能对测试软件再加以丰富和完善，则可添加 对凸轮机构的动态特性分析、故障诊断等功能。 1 3 课题的研究内容和主要任务 课题主要研究内容有以下几点： ( 1 ) 研制或合理选用测量系统的各种硬件，使圆光栅传感器、数据采集器和笔记 本计算机正确连接，组成结构紧凑的硬件系统。 ( 2 ) 采用l a b v i e w 软件编制测量系统程序，利用细分技术、滤波消噪技术等，提 高测量精度，程序扩展后可实现故障诊断等功能。 ( 3 ) 将硬件和软件有机结合，优化和精简系统的机构、安装、调试和重量，实现 便携测量。 课题中的技术关键问题及解决方法： ( 1 ) 凸轮轴与圆光栅传感器的连接问题，解决方法是采用万向轴或柔性轴( 如波 纹管等) 连接，从而实现多种情况下的j 下确连接。 陕两科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 数据采集器与笔记本计算机之间的接口问题，要求接口能满足高速大流量的 要求，解决方法是采用目前通用性很高的u s b 接口，其2 0 版本可达到4 8 0 m b p s 的数据 传输率【j 0 】【12 1 。 ( 3 ) 软件的编制问题，要求通过软件的运行，所有的测试过程均由计算机来完成， 解决方法是采用虚拟仪器技术，通过l a b v i e w 软件编制测量程序，由此在计算机上即可 实现凸轮机构分度精度测量的全过程，并可方便的显示和存储测量结梨b 】。经过扩展， 可实现凸轮机构的动态特性分析、故障诊断等功能。 本课题的特色和创新之处在于： ( 1 ) 采用虚拟仪器技术，将软件和硬件有机的结合在一起，通过计算机控制整个 测试过程，采用倍分频技术、小波消噪技术提高测量的精度和可靠性，实现实时数据处 理，测量结果可方便的显示、打印和存储。通过软件编程即可实现凸轮机构的动态特性 分析、故障诊断等扩展功能。 ( 2 ) 通过对测试系统的精简和优化，采用体积小的圆光栅传感器、u s b 接口的数 据采集器和笔记本计算机等硬件，使其成为一种便携式测量仪，由此增加实际应用的广 泛性和易推广性。 该测量仪研制成功后，其测量精度可达到5 ，能适用于多种工作场合和不同中心 距的多种凸轮分度机构，可实现实时数据处理，显示、打印和存储测量结果。 便携式凸轮机构分度精度测量仪的研制 2 便携式测量仪总体设计 2 1 方案选择 随着工业生产和科学技术的发展，许多角度测量要求已非一般机械式量具和仪器所 能解决，而高新技术和新的元件、器件的出现，为角度测量技术发展提供了新的方法和 手段。 目前，在角度测量方法和测量仪器中采用光、机、电、计算机相结合的实践已取得 了好的效果，由精密轴系、稳速传动机构、基准莫尔条纹信号的分度系统、莫尔条纹细 分与计数系统和p c 计算机等组成的精密圆分度测量仪已是国家角度测量基准设备【1 4 1 。 精密圆分度测量仪用6 4 8 0 0 线周的圆光栅做分度基准，测角分辨率为0 0 0 1 ”，仪器总 确定度0 0 1 7 ”。 这些测量仪器在凸轮角度的静态测量中均可以达到很高的精度，但在角度的动态测 量中，角分度的采样信号是在运动中发出的，凸轮的角位移变化是在运动中被采集的， 仪器所感受到的被测参数都是随时间变化的，因此，只研究静态精度是不够的，还必须 研究凸轮分度的动态精度。 根据本次设计便携、高精度的要求，最后确定采用圆光栅传感器、数据采集器和笔 记本式计算机做硬件，结合虚拟仪器技术，利用l a b v i e w 软件开发平台编制测试程序， 研制出可实时测量、显示、打印和存储测量结果的便携式凸轮机构分度精度测量仪。而 且随着测试软件的不断丰富和完善，还可以实现凸轮机构的动态特性分析、故障诊断等 功能。 计算机测试系统与传统的测试系统比较，计算机测试系统通过将传感器输出的模拟 信号转换为数字信号，利用计算机系统丰富的软、硬件资源达到测试自动化和智能化的 目的。 计算机系统通常采用总线结构。目前，计算机系统中广泛采用的都是标准化的总线， 具有很强的兼容性和扩展能力，有利于灵活组建系统，同时，总线的标准化，也促使总 线接口电路的集成化，既简化硬件设计，有提高了系统的可靠性。 常见的信号级兼容的标准总线有s t d 、i s a 、v m e 、p x i 和r s 2 3 2 c 等，命令级兼容的 总线有g p i b ( i e e e 4 8 8 ) 和c a m a c 总线等。 测控系统的内部总线分为：s t d s t d 3 2 总线，i s a p c l 0 4 a t 9 6 总线，e v x i 总线， p c i c o m p a c t p c i 总线和p x i 总线几种。 测控系统的外部总线有：r s 一2 3 2 c 总线，r s 一4 4 9 r s 一4 2 3 a 4 2 2 a 4 8 5 总线， g p i b 总线，u s b i e e e 一1 3 9 4 和现场总线几种。 陕两科技大学硕士学位论文 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是由i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、 n e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 等七家世界著名的计算机和通讯公司共同推出的串行接口标 准。1 9 9 5 年1 1 月正式发布了u s b o 9 规范，1 9 9 7 年开始有真正符合u s b 技术标准的外 设出现。u s b l 1 是目前推出的在支持u s b 的计算机与外设上普遍采用的标准。 u s b l 1 主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低速1 5 m b p s 和全速 1 2 m b p s 两种。直到1 9 9 9 年2 月，u s b2 0 规范的出现，情况才有所改观，u s b 2 0 向下 兼容u s b i 1 ，其速度可高达4 8 0 m b p s ，支持多媒体应用。 使用u s b 接口可以连接多个不同的设备，支持热插拔，在软件方面，为u s b 设计的 驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预。u s b 设备也不涉及中断冲突等问题， 它单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用计算机有限的资源，为用户省去了硬 件配置的烦恼。 u s b 接口连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用h u b ，把多个 设备连接在一起，再同p c 机的u s b 口相接。在u s b 方式下，所有的外设都在机箱外连 接，不必打开机箱，不必关闭主机电源。u s b 采用“级联”方式，即每个u s b 设备用一 个u s b 插头连接到一个外设的u s b 插座上，而其本身又提供一个u s b 插座供下一个u s b 外设连接用。通过这种类似菊花链式的连接，一个u s b 控制器理论上可以连接多达1 2 7 个外设，而每个外设间距离( 线缆长度) 可达5 米。u s b 还能智能识别u s b 链上外围设备 的接入或拆卸，真正做到“即插即用”。而且u s b 接i ：1 提供了内置电源。能向低压设备 提供5 v 的电源，从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。 电子测量仪器发展至今，大体分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟 仪器。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v 1 ) 是目前国内外测试技术界和仪器制 造界十分关注的热门话题。虚拟仪器虚是一种概念性仪器，迄今为止，业界还没有一个 明确的国际标准和定义。虚拟仪器实际上是一种基于计算机的自动化测试仪器系统，是 现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一 项重要技术。虚拟仪器利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接，以计算机为核 心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。 虚拟仪器技术的开发和应用的活跃源于1 9 8 6 年美国n i 公司设计的l a b v i e w ，它是 一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了虚拟仪器的概念。n i 提 出的“软件即仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 的口号，彻底打破了传统仪 器只能由生产厂家定义，用户无法改变的模式，利用虚拟仪器，用户可以很方便地组建 自己的自动测试系统。 6 便携式凸轮机构分度精度测量仪的研制 2 2 总体设计 根据选定的设计方案，采用圆光栅传感器、数据采集器和计算机组成的硬件系统如 图2 一l 所示【1 5 1 。 i i 凸艳舟度 栩 _ 竞传毒lt 暑 弓 敢纹蕾 盘二丑 奏器 一克- 自信 i 用 t 鼍采集卡l 担量i 入适重 量暑栗集卡- bu s b 着n 图2 - i 硬件系统 f i g2 - 1h a r d w a r es y s t e m 由以上的硬件组成的测试系统，结合虚拟仪器技术，利用开发软件编制各种功能模 块，其测量系统框图如图2 2 所示。 计 一显示、记录、打印测量结果i l 圆光栅传感器卜一数据采集器卜一 算 l a b v i e w 软1 口；主要萎兰耄： 一 机 图2 - 2 测量系统 f i g2 - 2m e w e m e n ts y s t e m 在总体设计过程中，测量系统硬件均由目前通用的元器件组成，根据测试要求，只 要选择符合特性参数的装置，进行正确的连接，能将被测对象的信号检测、转换并传输 给计算机就达到了测试的要求，剩下的主要工作是进行软件系统的开发。 在软件系统的开发当中，主要是实现角度的测量，首先为了减小外界干扰对测量数 据产生的误差，对近人计算机系统中的数据信号进行滤波降噪处理，利用l a b v i e w 软件 设计带通滤波器，去除无用的干扰数据，并平滑信号波形；其次，为了保证测量结果的 高精度，对采集到的数据进行细分处理，利用l a b v i e w 软件设计相应的细分和计数程序， 使测量结果达到测量精度要求：最后，将测量结果以波形变化的形式显示出来，也可以 陕两科技大学硕七学位论文 打印出来，并进行必要的数据记录存储。若将测量程序不断进行功能扩展，也可以增加 动态特性分析、故障诊断等实用功能。 便携式凸轮机构分度精度测量仪的研制 3 便携式测量仪硬件设计 3 1 测量系统硬件的组成 在总体方案设计中，根据目前角度测量的技术，测量系统的硬件主要由圆光栅传感 器，数据采集器、计算机三大部分组成。 圆光栅传感器是用光栅作转换元件，将凸轮的旋转角度经过光栅实现机光信号 的转换，再利用光电元件实现光电信号的转换，由此实现凸轮旋转角度转换为电信 号。 数据采集器主要作用是将圆光栅传感器输出的电信号按一定的频率进行采样，并经 过a d 转换，最终以数字量的形式将数据传入计算机，进行分析处理。 根据便携性的要求，计算机采用笔记本型的，便于携带，可在生产现场灵活使用。 3 2 圆光栅传感器及其选择 3 2 1 光栅结构及其测量原理 a 光栅结构及其信号特征 等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件称为光栅。光栅主要有 物理光栅和计量光栅，物理光栅是利用光栅的衍射效应而分光的原理进行工作的。计量 光栅是利用光栅形成的莫尔条纹原理进行工作的。计量光栅又分为长光栅和圆光栅，长 光栅用于长度测量，圆光栅用于角度测量【1 7 】。 莫尔条纹的形成原理如图3 1 示： 图3 - 1 莫尔条纹的形成原理 f i g3 - 1m o i r ef r i n g ep r o d u ep r o c e s s 陕两科技大学硕士学位论文 当两块黑白透射的光栅的刻线面相叠合，并使两者的交线有很小的相交角度护时， 若两光栅的栅线彼此重合，光束从缝隙中通过就形成亮带；若两光栅的栅线彼此错开则 形成暗带，这种明暗相间的条纹就称为光栅的莫尔条纹( m o i r ef r i n g e ) 。相邻的明带( 或 暗带) 之间的距离称为莫尔条纹间距，较长的为主光栅尺，较短的则为指示光栅。当指 示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，由挡光效应( 对线纹密度1 5 0 条佃m ) 或光的衍射作用( 对线纹密度 1 0 0 知i n m ) ，在与光栅线纹大致垂直的方向上产生亮暗 相间的条纹，这些条纹称为横向莫尔条纹【2 ”。 莫尔条纹重要特征： a ) 莫尔条纹由光栅的大量刻线共同组成，对线纹的刻线误差有平均抵消作用，能 在很大程度上消除短周期误差的影响； b ) 在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动。两光栅相对移动一个栅距d ，莫尔条 纹也同步移动一个间距阢固定点上的光强则变化一周。而且在光栅反向移动时，莫尔 条纹移动方向也随之反向； c ) 莫尔条纹的间距与两光栅线纹夹角占之间的关系为： = 丢。石d 2 s i i l 二 ” 2 ( 3 1 ) 式中：莫尔条纹间隙； d 光栅栅距； 口两光栅刻线间的夹角。 当d 一定时，占越小，则矿越大，这相当于把栅距放大了l 口倍，提高了测量的灵 敏度。若取d = o o l m m ，护= o o l r a d ，则由上式可得w = l m m 。这说明，无需复杂的光学 系统和电子系统，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距转换成放大1 0 0 倍的莫尔条纹 的宽度。这种放大作用是光栅的一个重要特点。 在理想条件下，光栅信号呈三角波，般采用狭逢光栅测量，这样不仅能增强光栅 信号的输出幅度，提高信噪比，而且能使光栅的周期平均化，起到了平均栅距误差的作 用，提高了测量精度。由于条纹信号通常利用四级硅光池等线性光电器件接收，并以电 信号的形式输出。由于光电接收器的长度与宽度构成定的光敏接收面，因此输出的光 电全信号更接近于正弦波。全信号中除直流分量外，其基波分量是以栅距或条纹问隔 为周期的正弦信号，二次以上的谐波分量一般比条纹信号要小。 根据上述莫尔条纹的特性，假如我们在莫尔条纹移动的方向上开4 个观察窗口a ， b ，c ，d ，且使这4 个窗口两两相距i 4 莫尔条纹宽度，即w 4 。由上述讨论可知，当 0 堡望壅苎丝塑塑坌鏖茎鏖型量垡塑翌型 两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，从4 个观察窗口a ，b ，c ，d 可以得到4 个在相位上依次超前或滞后( 取决于两光栅尺相对移动的方向) 1 4 周期( 即“2 ) 的近似于 三角函数的光强度变化过程，用l ，k ，三。，l 。表示，见图3 - 3 。若采用光敏元件来检测， 光敏元件把透过观察窗口的光强度变化工，岛，l c ，l 。转换成相应的电压信号，输出的幅 值可用光栅位移量x 的三角函数表示，则有： u = u o + 【，。s i n ( 兰与( 3 - 2 ) 副。+ 哪n ( 等+ 争= 砜坩s ( 等) ( 3 - 3 ) = u o + u , s i n ( 2 - w - “埘) = u o - u ms 砥争 。舢 = u o + 吣缸等+ 争圳。州一s ( 等) ( 3 - 5 ) 式中，u 。，u 。，u c ，u d 光敏元件对应输出的电压信号； u 。输出信号中的平均直流分量： u 。确出信号的幅值； x 两光栅间的瞬时相对位移。 运动方向 伞。仁l 函 l c 柄f 守西 fb l “” ：切t 移 _h ” 。f 7 乙 图3 - 2 光栅工作原理 f i g3 - 2o p t i c a lg r a t i n gp r o g r e s sp r i n c i p l e 这四相电信号的后续处理过程是：首先将u 。，u 。和u 。，u 。分别两两相减，消除信 号中的直流电平，得到两路相位差为9 0 。的信号，即： u ：u 一u 口= 2 u 。s i n ( 兰竺) ( 3 - 6 ) u 2 ：u b u 。：2 u 。c o s ( 望堡) ( 3 7 ) 陕西科技大学硕士学位论文 然后将它们送入送入数据采集器中，经过a d 转换器转换为数字信号，再送入计 算机，就可以借助于l a b v i e w 开发系统编制的各种数据处理程序对其进行分析处理， 最终将分度机构的角度变化精确的测量出来。 b 圆光栅测量原理和方案 当光栅采用圆光栅时，输出电压信号则为： ( f ) = 甜o + ”ls i n ( 0 9 + 九) ( 3 - 8 ) 式中：直流电压分量； 碥基波电压幅值； 九光栅或条纹的初始相位角； 光栅的角频率。 消除直流分量后电信号为： “o ) = u ls i n ( r o t + 九) ( 3 9 ) 若令q = 1 ，耐+ 九= 妒，则有： u c t ) = s i n ( 3 - 1 0 ) 由此可知，圆光栅输出的电压信号是一个随角度位移变化的正弦波，每转过一个栅 距角妒就产生一个正弦波，则角位移。与栅距角的对应关系为： 臼= n f p + 仃 ( 3 - 1 1 ) 式中：_ 一栅距角的个数； 驴栅距角； 盯小数部分。 要读取小数部分的仃，就必须对栅距角进行细分或测微。假设将栅距分成以等份， 并令其为系统的细分数，则细分系统的分辨率可表示为： f 。= 里 ( 3 1 2 ) 玎 式中，乞圆光栅细分系统的分辨率。 则测量小于一个栅距的小数部分盯可表示为： 盯= m f 。 m 2 1 ，2 ，3 ，n ( 3 1 3 ) 于是圆光栅的测量方程式为： = 枷+ m l = m r s , ( 3 1 4 ) 式中， 卜以分辨率为单位的总记数值，m = n n + m 。 根据圆光栅测量角位移变化的输出变换原理，可采用以下几种测量方案： 便携式凸轮机构分度精度测晕仪的研制 ( a ) ( b ) 取分 计数编码电路 样 - 4 ) 离 电 电 l 7 i 计颈利显不 路路 细分电路i - - ( c ) 图3 - 3 测量方案 f i g3 - 3m e a s u r ep r o j e c t 方案( a ) 为直接计数系统的原理方案。 当光栅每移动一个栅距角p 时，记数编码电路送出一个计数脉冲，由可逆计数器进 行计数和译码显示。 方案( b ) 为全细分计数系统的原理方案。 当光栅每移动一个栅距角妒时，细分电路可以送出等于细分数的疗个脉冲，由可逆 计数器进行计数和译码显示。这种原理是目前广为采用的方案。 方案( c ) 为整数与小数分别处理的计数系统的原理方案。 光栅信号由分离电路分离出整数计数脉冲和小数计数脉冲，然后分别经整数计数编 码电路和细分电路送出综合计数脉冲，由可逆计数器进行综合计数和译码显示。这种方 案适用于高精度快速测量。 本次设计时采用方案( c ) ，通过l a b v i e w 软件实现细分，最终达到测试精度要求。 3 2 2 圆光栅传感器的选择 目前市场上的圆光栅传感器类型很多，本次使用的是长春光学精密机械研究所研制 的，型号为z s l 2 0 ，1 0 8 0 0 线的圆光栅。 在使用之前，首先对该圆光栅进行了一些测试，主要内容包括：圆光栅输出的信号 类型、信号电压的最大值和最小值、各个输出端输出信号的关系、信号质量等，通过该 测试主要是为确定采集设备的工作量程和硬件配置、后续信号处理软件的编制做一些基 陕两科技大学硕士学位论文 础工作。 测试基本环境：采用1 2 v 标准电压给圆光栅供电，对圆光栅传感器的4 路输出信 号采用示波器进行观测。示波器最高扫描频率为2 0 m h z ，同时输入2 路模拟信号。采 集结果如图3 4 、3 5 所示： 图3 4 圆光栅输出信号 f i g3 - 4s i g n a lo u t p u tm a d eb yc i r c u l a ro p t i c a lg r a t i n g 图3 5 圆光栅输出信号电压幅值 f i g3 - 5v o l t a g eo f s i g n a lo u t p u tm a d eb yc i r c u l a ro p t i c a lg r a t i n g 在测试结果显示过程中，示波器参数为：扫描周期5 m s ；幅值每小格代表电压0 1 v 。 通过对测试结果分析，得到以下信息： ( 1 ) 示波器输出的信号为正弦信号。 ( 2 ) 确定了各个输出端的输出信号关系：l 、2 、3 、4 路输出信号相位依次相差9 0 便携式凸轮机构分度精度测最仪的研制 度。 ( 3 ) 确定了输出信号的幅值，大约为0 1 2 v ，最大值约为o 3 2 v ，最小值约为o 0 8 v ， 若用于检测，应该进行适当的信号放大。 ( 4 ) 信号比较整齐，虽有一定噪音，但噪音较小。 根据测试得到的关于圆光栅传感器的信息，基本达到了测试的要求。 实际使用时，采用差分电路，使1 、3 路信号、2 、4 路信号进行相减运算，这样就 可以得到相位相差9 0 度的正弦信号，然后再将其输入到数据采集器中，实现被测量模 拟信号的数字化。 3 3 数据采集器及其选择 3 3 1 数据采集及其过程 被测量经过圆光栅传感器转换后输出的是模拟量的电压信号，为了在计算机中对其 进行分析处理，就需要将其进行数字化1 8 l 。数据采集就是完成模拟量的离散采样、幅值 量化和编码，从而将模拟信号转换为数字信号，该过程也称之为模数( a d ) 转换。 模拟量信号到数字量信号的转换主要包括两部分： 一是采样。采样也称为抽样，它是利用采样脉冲序列从模拟信号中抽取一系列样值， 使之成为离散信号的过程。要想正确进行采样，采样频率的选择必须满足采样定理的要 求，即采样频率必须大于或等于信号最高频率的2 倍。 二是幅值量化。采样后输出的是时域离散、幅值连续的信号，各采样点的电压值要 经量化过程才能最终变为数字信号。量化后的电压值一般是某个最小数量单位的整数 倍，这个最小单位称为量化单位，也叫做量化步长、量化增量，它也是量化时误差的量 值。量化误差的大小一般取决于采样的位数，其位数越高，量化增量越小，量化误差也 就越小。 模数转换过程中使用的元器件主要是a d 转换器，一般分为间接a d 转抉器和直 接a d 转换器两大类。 间接a d 转换器一殷在将输入电压转换为数字量时需引入中间变量，如电压 时间变换型( v _ t 变换型) a d 转换器，a d 转换时首先把输入的模拟电压信号转换成 与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固有频率的时钟脉冲计数，计数 的结果就是正比于输入模拟电压信号的数字信号。间接a f t ) 转换器的缺点是转换速度 较低，一般多在数十毫秒到几百毫秒之间。 直接a 1 ) 转换器主要分为两种：并联比较型和反馈比较型。 并联比较型a d 转换器工作原理图如图3 - 6 所示，它是由电压比较器、寄存器和代 码转换电路三部分组成。输入o v r e fi 日j 的模拟电压，输出为三位二进制数码d 2 、d i 、 d n 。 v r 陕两科技大学硕士学位论文 图3 6 并联比较型a d 转换器 f i g3 - 6p a r a l l e l - c o m p a r ea dt r a n s i t i o n m s b ) i 蛳 转换控制信号 图3 7 遂次渐进性a d 转换器的电路结构框架 f i g3 - 7f m m e w o r ko f g r a d u a l l ya p p r o a c h i n g a d t r a n s f o r m i n g e l e c t r o c i r c u i t 6 便携式凸轮机构分度精度测量仪的研制 反馈比较型a d 转换器的工作原理是：取一个数字量加到a d 转换器上，于是得 到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的模拟电压信号相比较。如果两者 不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取得这个数字量就 是所求的结果。逐次渐进型a d 转换器的工作原理图如图3 7 所示。 由于圆光栅传感器的输出至少有两路信号，因此需要选择采样的同步方案。同步采 样的实现的方法有如下三种： ( 1 ) 准同步采样 在多通道采集信号时，对于一般采集设备中都是使用多路开关来控制和选择采集信 号，此时只需要一个a d 转换器。普通多路开关在不同通道之间扳动的时间受到采集 频率的限制，从而使得各个采集通道之间在采集周期上存在相差，且采样频率越低相位 差越大。这时可采用准同步方法来近似实现各通道之间的同步检测，即采用变采样间隔 的方法，通道间采用a d 转换允许的最快速度采集，而每通道样点的采样间隔( 频率) 可任意设定。 这种方法的优点是：电路简单，成本低，采样通道数任意，功耗小，其中功耗小是 非常重要的，它意味着u s b 采集器不需外加电源，而以上其它方法一般都需要外加电 源。 该方法缺点：不能实现完全的无相差。 这种方法可以实现采样相差尽量小，可满足要求不高，在极短时间内采样可认为是 同步采样的数据采集过程，此方法适合于采集变化比较慢或频率较