曲轴轴线同轴度自动检测仪的设计

1、摘 要1关键词11 前言21.1 研究意义21.2国内外研究现状22 同轴度检测模型33数学模型的建立54数据的采集94.1数据测量的机械部分设计94.2传感器的工作原理10圆光栅角位移测量装置原理10压敏测微仪工作原理154.3测量结果的处理以及评定17分析测量不确定度的来源17不确定度的评定175动力输入系统设计205.1硬件电路的设计205.1.1 单片机的选择205.1.2.单片机的引脚功能:21键盘设计21显示电路设计22驱动电路设计22系统硬件电路设计2352系统软件设计24主程序流程图设计24程序设计25有关参数的计算与分析256结论26参考文献26摘 要AT89C51单片机作为

2、控制CPU，动力系统给主动轮提供一个10的小转速来配合圆光栅和压敏测微仪的测量工作关键词Abstract: The automatic inspect instrument for crankshafts axis and Pressure-Sensing Instrument to survey Power input is provided by Stepping Motor. Choosing MCU AT89C51 to control CPU , the power system provides 10 r/min rotational speed to coordinate mea

3、sure work with Circular Grating and Pressure-Sensing Instrument.Key Words: Least Square Circle; Circular Grating; Pressure-Sensing Instrument; Stepping Motor; 1 前言1.1 研究意义1.2国内外研究现状2 同轴度检测模型3数学模型的建立当需要从定量的角度分析和研究一个实际问题时，人们就要在深入调查研究、了解对象信息、作出简化假摄、分析内在规律等工作的基础上，用数学的符号和语言，把它表述为数学式子，也就是数学模型，然后用通过计算得到的模型

4、结果来解释实际问题，并接受实际的检验。数学模型（Mathematical Model）是一种模拟，是用数学符号、数学式子、程序、图形等对实际课题本质属性的抽象而又简洁的刻划，它或能解释某些客观现象，或能预测未来的发展规律，或能为控制某一现象的发展提供某种意义下的最优策略或较好策略。数学模型一般并非现实问题的直接翻版，它的建立常常既需要人们对现实问题深入细微的观察和分析，又需要人们灵活巧妙地利用各种数学知识。这种应用知识从实际课题中抽象、提炼出数学模型的过程就称为数学建模（Mathematical Modeling）应用数学去解决各类实际问题时，建立数学模型是十分关键的一步，同时也是十分困难的一

5、步。建立教学模型的过程，是把错综复杂的实际问题简化、抽象为合理的数学结构的过程。要通过调查、收集数据资料，观察和研究实际对象的固有特征和内在规律，抓住问题的主要矛盾，建立起反映实际问题的数量关系，然后利用数学的理论和方法去分析和解决问题。这就需要深厚扎实的数学基础，敏锐的洞察力和想象力，对实际问题的浓厚兴趣和广博的知识面。数学建模是联系数学与实际问题的桥梁，是数学在各个领域广泛应用的媒介，是数学科学技术转化的主要途径，数学建模在科学技术发展中的重要作用越来越受到数学界和工程界的普遍重视，它已成为现代科技工作者必备的重要能力之一。数学模型建立必须用到包括数理统计、最优化、图论、微分方程、计算方法

6、、神经网络、层次分析法、模糊数学。不论是用数学方法在科技和生产领域解决哪类实际问题，还是与其它学科相结合形成交叉学科，首要的和关键的一步是建立研究对象的数学模型，并加以计算求解。数学建模和计算机技术在知识经济时代的作用可谓是如虎添翼。在本次设计中，数学模型必须可以对各个传感器采集的数据进行有效的分析处理，并在计算机的辅助下快速的得出曲轴同轴度的误差，有效的为生产检验曲轴的质量提供参考依据。 最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配。最小二乘法是用最简的方法求得一些绝对不可知的真值，而令误差平方之和为最小。最小二乘法通常用于曲线拟合 。这里有拟合圆曲线 的

7、公式推导过程最小二乘法拟合曲线： (1)令可得圆曲线方程的另一个形式： (12)经过最小二乘圆拟合之后4数据的采集4.1数据测量的机械部分设计以图四所示曲轴为例设计曲轴轴线同轴度测量仪的机械部分图5 曲轴示意图Crankshaft schematic由最小二乘圆的数学模型可知，要测量曲轴轴线同轴度需要采集的数据是角位移和与之对应的实际半径r。那么在曲轴尾部设置一个圆光栅用于记录角位移。在曲轴轴线上设置压敏指针，用于记录与对应的r。传感器的具体设计方案为：因为步进电机在转动的时候可能会发生漏步的现象，若要通过步进电机直接记录曲轴转动的角位移则必须解决步进电机漏步现象，考虑到成本和设计难度，决定直

8、接用传感器记录角位移，为保证测量精确，直接选择测量曲轴转动的角位移，在检测仪尾部设置顶针，用于夹持圆光栅同时提高曲轴固定刚度。在测量径向距离时首先考虑选用电子千分尺，以满足低成本与制造工艺的要求，在设计过程中发现测量数据必须在曲轴具有小转速的动态过程中测量，以满足自动测量的要求，千分尺无法进行动态测量，故改用压敏测微仪记录径向位移，因此在测量仪的底座上钻有5个孔，设计夹持元件用于夹持压敏指针。为了测量角位移和与之对应的实际半径r，必须保证曲轴在小转动状态下一一记录角位移和与之对应的实际半径r，那么在夹持曲轴的同时还要保证有扭矩的输入，为了方便夹持，设计夹持端为曲轴小端面轴。由于在最小二乘圆的测

9、量模型中没有要求定心测量，故为了满足曲轴同轴度测量仪在不改变机械部分装置的前提下，实现不同尺寸曲轴轴线同轴度的测量同时设计三个轮盘用于夹持曲轴，在三个轮盘中设计主动轮用于转矩的输入，带动曲轴转动，为了应对不同周径曲轴的测量要求设计活动轮，在测量过程中用螺栓固定，具体设计方案如图五所示在符合要求的情况下，不单独设计压敏测微仪和光栅测微仪部分，而通过直接采购传感器再通过设计夹持装置用于同轴度测量仪。图6 装夹工具示意图Clamping tool schematic4.2传感器的工作原理4.2.1圆光栅角位移测量装置原理计量光栅技术的基础莫尔条纹(Moire fringes)是由英国物理学家L Ra

10、yleigh首先提出的。到20世纪50年代才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年，德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，即在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，可制造出高精度、价格低廉的光栅刻度尺，所以光栅计量仪器才被广大用户所接受，并进入商品市场。1953年，英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直应用至今。60年代初，德国Heidenhain公司开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距为4m(250线/mm)的光栅尺和10000线/转的圆光栅测量系统，可实现

11、1m和1角秒的测量分辨率。1966年又制造出了栅距为20m(50线/mm)的封闭式直线光栅编码器。在80年代又推出了AURODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅，并在光栅一个参考标记(零位)的基础上增加了距离编码。1987年，又提出一种新的干涉原理，即采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装。1997年推出用于绝对编码器的EnDat双向串行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一样很方便地应用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广，全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右，其中封闭式光栅尺约占85%，开启式光栅尺约占15%。根据形成莫尔条纹原理的不

12、同，激光可分为几何光栅(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。微米级和亚微米级的光栅测量是采用几何光栅，光栅栅距为100m至20m，远大于光源光波波长，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，光栅栅距为8m或4m，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。现将德国Heidenhain公司产品采用的三种测量原理加以介绍。 (1)具有四场扫描的影像测量原理(透射法) 采用垂直入射光学系统均为4相信号系统，是将指示光栅(扫描掩膜)开四个窗口分

13、为4相，每相栅线依次错位1/4栅距，在接收的4个光电元件上可得到理想的4相信号，这称为具有四场扫描的影像测量原理。Heidenhain的LS系列产品均采用此原理，其栅距为20m，测量步距为0.5m，准确度为±10、±5、±3m三种，最大测量长度为3m，载体为玻璃。 (2)有准单场扫描的影像测量原理(反射法) 反射标尺光栅是采用40m栅距的钢带，指示光栅(扫描掩膜)用两个相互交错并有不同衍射性能的相位光栅组成，为此，一个扫描场就可以产生相移为1/4栅距的四个图象，称此原理为准单场扫描的影像测量原理。由于只用一个扫描场，标尺光栅局部的污染使光场强度的变化是均匀的，并对

14、四个光电接收元件的影响是相同的，因此不会影响光栅信号的质量。与此同时，指示光栅和标尺光栅的间隙和间隙方差能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列的金属反射光栅就是采用这一原理。LIDA系列开式光栅，其栅距为40m和20m，测量步距为0.1m，准确度有±5m、±3m，测量长度可达30m，最大速度为480m/min。LB系列闭式光栅栅距都是40m，最大速度可达120m/min。 (3)单场扫描的干涉测量原理 对于栅距很小的光栅，指示光栅是一个透明的相位光栅，标尺光栅是自身反射的相位光栅，光束是通过双光栅的衍射，在每一级的诸光束相互干涉，就形成了莫尔条纹，其中+1和-1

15、级组干涉条纹是基波条纹，基波条纹变化的周期与光栅的栅距是同步对应的。光调制产生3个相位差120°的测量信号，由三个光电元件接收，随后又转换成通用的相位差90°的正弦信号。Heidenhain LF、LIP、LIF系列光栅尺是按干涉原理工作，其光栅尺的载体有钢板、钢带、玻璃和玻璃陶瓷，这些系列产品都是亚微米和钠米级的，其中最小分辨率达到1纳米。 在20世纪80年代后期，栅距为10m的透射光栅LID351(分辨率为0.05m)，其间隙要求就比较严格(0.1±0.015)mm。由于采用了新的干涉测量原理，对纳米级的衍射光栅安装公差就放得比较宽，例如指示光栅和标尺光栅之间

16、的间隙和平行度都很宽(见表1)。 表1 指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度Indicate the gap between the grating and scale grating and parallel degree光栅型号信号周期(m)分辨率(nm)间隙(mm)平行度(mm)LIP3720.21810.3±0.02LIP471250.6±0.02LIP5714500.5±0.06只有衍射光栅LIP372的栅距是0.512m，经光学倍频后，信号周期为0.128m,其它栅距均为8m和4m，经光学二倍频后得到的信号周期为4m和2m，其分辨率为5nm和50nm，

17、系统准确度为±0.5m和±1m，速度为30m/min。LIF系列栅距是8m,分辨率0.1m,准确度±1m，速度为72m/min。其载体为温度系数近于零的玻璃陶瓷或温度系数为8ppm/K的玻璃。衍射光栅LF系列是闭式光栅尺，其栅距为8m,信号周期为4m，测量分辨率0.1m,系统准确度±3m和±2m，最大速度60m/min，测量长度达3m,载体采用钢尺和钢膨胀系数(10ppm/K)一样的玻璃。 光栅测量系统的几个关键问题 (1)测量准确度(精度) 光栅线位移传感器的测量准确度，首先取决于标尺光栅刻线划分度的质量和指示光栅扫描的质量(栅线边沿清晰至关

18、重要)，其次才是信号处理电路的质量和指示光栅沿标尺光栅导向的误差。影响光栅尺测量准确度的是在光栅整个测量长度上的位置偏差和光栅一个信号周期内的位置偏差。 光栅尺的准确度(精度)用准确度等级表示，Heidenhain定义为：在任意1m测量长度区段内建立在平均值基础上的位置偏差的最大值Fmax均落在±a(m)之内，则±a为准确度等级。Heidenhain准确度等级划分为：±0.1、±0.2、±0.5、±1、±2、±3、±5、±10和±15m。由此可见，Heidenhain光栅尺的准确度等级

19、和测量长度无关，这是很高的一个要求，目前还没有一家厂商能够达到这一水平。 现在Heidenhain玻璃透射光栅和金属反射光栅的栅距只采用20m和40m，对衍射光栅栅距采用4m和8m，光学二倍频后信号周期为2m和4m。Heidenhain要求开式光栅一个信号周期的位置偏差仅为±1%，闭式光栅仅为±2%，光栅信号周期及位置偏差见表2。 表2 光栅信号周期及位置偏差Table2 Grating signal cycle and position error光栅类别信号周期(m)一个信号周期内的位置偏差(m)几何光栅20和40开启式光栅尺±1%，即±0.2

20、77;0.4；封闭式光栅尺±2%，即±0.4±0.8衍射光栅2和4开启式光栅尺±1%，即±0.02±0.04；封闭式光栅尺±2%，即±0.02±0.08(2)信号的处理及栅距的细分 光栅的测量是将一个周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合在一起，也就是说在栅距一个周期内将栅距细分后进行绝对的测量，超过周期的量程则用连续的增量式测量。为了保证测量的精度，除了对光栅的刻划质量和运动精度有要求外，还必须对光栅的莫尔条纹信号的质量有一定的要求，因为这影响电子细分的精度，也就是影响光栅测量信号的细分数(倍频数)

21、和测量分辨率(测量步距)。栅距的细分数和准确性也影响光栅测量系统的准确度和测量步距。对莫尔条纹信号质量的要求主要是信号的正弦性和正交性要好；信号直流电平漂移要小。对读数头中的光电转换电路和后续的数字化插补电路要求频率特性好，才能保证测量速度高。 Heidenhain公司专门为光栅传感器和crc相联结设计了光栅倍频器，即将光栅传感器输出的正弦信号(一个周期是一个栅距)进行插补和数字化处理后给出相位相差90°的方波，其细分数(倍频数)有5、10、25、50、100、200和400，再考虑到数控系统的4倍频后对栅距的细分数有20、40、100、200、400、800和1600，能实现测量步

22、距从1nm到5m,倍频数选择取决于光栅信号一个栅距周期的质量。随着倍频数的增加，光栅传感器的输出频率要下降，倍频器的倍频细分数和输入频率的关系见表3。 表3 倍频器的倍频细分和输入频率Table 3 Octave segments of the multiplier and the input frequency倍频细分数：02102550100200400输入频率（KHz）：600500200100502512.56.25选择不同的倍频数可以得到不同的测量步距。在Heidenhain的数显表中可以设置15种之多的倍频数，最高频数可达1024，即1，2，4，5，10，20，40，50，64，8

23、0，100，128，200，400，1024。在微机上用的数显卡最大倍频数可到4096。 (3)光栅的参数标记和绝对坐标 光栅绝对位置的确立 光栅是增量测量，光栅尺的绝对位置是利用参考标记(零位)确定。参考标记信号的宽度和光栅一个栅距的信号周期一致，经后续电路处理后参考信号的脉冲宽度和系统一个测量步距一致。为了缩短回零位的距离，Heidenhain公司设计了在测量全长内按距离编码的参考标记，每当经过两个参考标记后就可以确定光栅尺的绝对位置，如栅距为4m和20m的光栅尺扫描单元相对于标尺的移动20mm后就可确定绝对位置，栅距为40m的光栅尺要移动80mm才能确定绝对位置。 绝对坐标传感器 为了在

24、任何时刻测量到绝对位置，Heidenhain设计制造了LC系列绝对光栅尺，它是用七个增量码道得到绝对位置，每个码道是不同的，刻线最细码道的栅距有两种，一种是16m，另一种是20m，其分辨率都可为0.1m，准确度±3m，测量长度可达3m，最大速度120m/min。它所采用的光电扫描原理和常用的透射光栅一样，是具有四场扫描的影像测量原理。 (4)光栅的载体 光栅尺在20°±0.1环境中制造，光栅尺的热性能直接影响到测量精度，在使用上光栅尺的热性能最好和被测件的热性能一致。考虑到不同的使用环境，Heidenhain光栅尺刻度的载体具有不同的热膨胀系数。现有的材料有玻璃、

25、钢和零膨胀的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨胀系数为8ppm/K，现在Heidenhain已采用了具有钢一样膨胀系数的玻璃。这些材料对振动、冲击不敏感，具有确定的热特性，不受气压和湿度变化的影响。对测量长度在3m以下的光栅尺载体材料都采用玻璃、玻璃陶瓷和钢，超过3m以上则用钢带。通过对标尺载体所用材料和相应结构的选择，使光栅尺与被测件的热性能有最佳的匹配。在曲轴同轴度自动检测仪中，为了满足检测精度要求现采用Heidenhain RCN 729角度编码器，该角度编码器通过计算从原点开始的测量步距数或细分电路的计数信号数确定当前位置，开机后必须执行参考点回零操作建立原点。4.2.2压敏测微仪工作原理压力传感

26、器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造 压力传感器而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过

27、这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以 已经得到了广泛的应用。在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这

28、样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就

29、是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。 除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。压力传感器的种类繁多，其性能也有较大的差异，如何选择较为适用的传感器，做到经济、合理。其中压敏传感器的各项性能参数分别是1. 额定压力范围 额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间，传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。 2. 最大压力范围 最大压力范围是指传感器能长时间承受的最

30、大压力，且不引起输出特性永久性改变。特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额定压力范围。因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的23倍。 3. 损坏压力 损坏压力是指能够加工在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。 4. 线性度 线性度是指在工作压力范围内，传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。 5.压力迟滞 为在室温下及工作压力范围内，从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。 6.温度范围 压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内的温

31、度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。在曲轴同轴度自动检测仪设计与制造过程中，为了满足测量径向距离r的精度要求选用美国Mark-10公司生产的拉压力测量传感器SSM100。其优点是产品所有的测力计支架以及附件都是通用的，小巧轻便，铝合金外壳。拉压力测量传感器SSM100在测量过程中输出的信号经编码器处理后转换成径向距离数据r，通过计算机几率下结合圆光栅角位移数据进行分析与计算，得到曲轴在某一截面理想圆圆心坐标，通过同轴度误差的数学进行运算，得到曲轴轴线同轴度误差的最终数据24.3测量结果的处理以及评定测量工作是在一定条件下进行的，外界环境、观测者的技术水平和仪器本身构造的不

32、完善等原因，都可能导致测量误差的产生。通常把测量仪器、观测者的技术水平和外界环境三个方面综合起来，称为观测条件。观测条件不理想和不断变化，是产生测量误差的根本原因。通常把观测条件相同的各次观测，称为等精度观测；观测条件不同的各次观测，称为不等精度观测。 具体来说，测量误差主要来自以下四个方面： (1) 外界条件 主要指观测环境中气温、气压、空气湿度和清晰度、风力以及大气折光等因素的不断变化，导致测量结果中带有误差。 (2) 仪器条件 仪器在加工和装配等工艺过程中，不能保证仪器的结构能满足各种几何关系，这样的仪器必然会给测量带来误差。 (3) 方法 理论公式的近似限制或测量方法的不完善。 (4)

33、 观测者的自身条件 由于观测者感官鉴别能力所限以及技术熟练程度不同，也会在仪器对中、整平和瞄准等方面产生误差。4.3.1分析测量不确定度的来源由测量概述可知，对曲轴径向最小二乘圆圆心的测量不确定度影响显著的因素主要有：径向距离的测量重复性引起的不确定度分量角位移的测量重复性引起的不确定度分量压敏测微仪的示值误差引起的不确定度分量光栅测微仪的示值误差引起的不确定度分量其中不确定度分量，应采用A类评定方法，而不确定度应采用B类评定方法。4.3.2不确定度的评定径向距离的测量重复性引起的不确定度分量用贝塞尔公式计算实验标准差 （13）算术平均标准差为 (14)又因为 所以的测量重复性引起的不确定度分

34、量为 （15）自由度的计算 (16)角位移的测量重复性引起的不确定度分量用贝塞尔公式计算单次实验的标准差为 算术平均值得标准差为又因为 所以的测量重复性引起的不确定度分量为自由度的计算 压敏测微仪的示值误差引起的不确定度分量压敏测微仪用于测量曲轴半径，其工作原理是通过核心压敏元件记录径向小距离位移，通常压敏元件分辨率为1V，半宽为0.5V。误差为0.2%，不同的压敏测微仪有不同的误差，考虑到成本与制作要求，曲轴同轴度检测仪采购成品压敏测微装置，不再单独设计压敏测微装置。在压敏测微仪压敏测微仪的误差范围为粗算不确定度分量。径向距离误差按均匀分布考虑，则取包含因子，则压敏测微仪的示值误差的不确定度

35、分量为：由此引起的径向距离r误差为 其自由度的计算光栅测微仪的示值误差引起的不确定度分量光栅测微仪用于测量曲轴转动的角位移，是利用光栅副产生光信号的原理由光栅角位移传感器感受角位移量并用光栅数显表显示其值的角度测量系统。选用国家标准中的A组第三等级的光栅，其误差范围角位移误差按均匀分布考虑，则取包含因子，则压敏测微仪的示值误差的不确定度分量为由此引起的角位移误差为自由度的计算不确定度的合成由于不确定度， 相互独立，他们之间的关系系数为0，根据合成标准不确定度的公式 （17）根据韦尔奇萨特思韦特公式，计算其自由度 (18)扩展不确定度的计算取置信概率为0.95，自由度为查表得t和包含因子k，故测

36、量最小二乘圆圆心的坐标的扩展不确定度为： (19)用扩展不确定度评定圆心坐标的不确定度，测量结果为（，） (20) 置信概率95%以上是用不确定度评价的方法评价检测结果的质量高低。为了提高曲轴同轴度自动检测仪的测量结果，同时要是测量的样本集最小，设定不确定度标准,设定当曲轴自动检测仪获得的数据不确定度大于时，设备继续收集数据参与计算，以扩充样本集的方式得到理想的目标数据。在获得不确定度小于的样本集之后，再将样本集代入到最小二乘圆的数学模型中进行计算分析。这样将大大提高最终同轴度误差数据的准确性。曲轴同轴度自动检测仪检测精度和准确度关键在于对曲轴测量数据的精密度，精确度和精准度。然而，误差是无法

37、避免的，我们可以通过提高测量装置精度，使用更精密的传感器，在测量过程中减少误差。但获得与真值接近的测量值的更优越做法是对曲轴进行重复测量，得出大量样本集，对测量样本集数据建立更优越的数学模型，通过对测量结果进行回归分析或者应用灰色理论进行分析，预测出最小二乘圆圆心的位置坐标，这种方式是通过对测量之后的结果进行大样本分析，并预测出真值，而放弃对测量过程中误差的控制，从成本上节约，从效果上更接近真值，然而，通过数学模型分析得到真值的方法具有操作周期长，不同样本并不能互换，不具有普遍适用的价值，且无法应用到闭环控制的反馈环节，因此，很难应用于工业生产换而言之只适用于研究，而不适用于工业生产。5动力输

38、入系统设计曲轴同轴度误差测量是通过测量角位移和与之对应的实际半径r来实现的，要测量角位移和与之对应的实际半径r最优方案是记录曲轴在转动过程中角位移和与之同一时刻的半径r，要满足传感器圆光栅的最大转速和径向测微仪的数据采集要求，设计曲轴以小转速，且曲轴在转动过程中只需要克服轴承的摩擦力做功，所需扭矩不大，动力系统方案如下选用步进电机作为动力输入5.1硬件电路的设计5.1.1 单片机的选择 本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。AT89C51是一种带4K字节闪

39、烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。5.1.2.单片机的引脚功能:1）VCC（40）：电源+5V。2）VSS（20）：接地，也就是GND。3）XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。4）PSEN（29）：片外ROM选通信号，低电平有效。5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输

40、入端。6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。 7）EA/VPP（31）：内/外部ROM选择 端8）P0口（39-32）：双向I/O口。9）P1口（1-8）：准双向通用I/0口。10）P2口（21-28）：准双向I/0口。引解图如六所示。图7 AT89C51引脚图AT89C51 pin diagram5.1.3键盘设计由于同轴度测量仪对步进电机的转速要求并不高，故只设计三个控制按钮，即 “正反”，“换挡”，“启停”，由于按钮较少，所以采用独立键电路，这种按键电路的按键结构相对行列式按键电路更简单，更使人易懂。5.1.4显示电路设计如图七，采用LED数码管动态显示数据

41、与个项参数，方法简单，容易控制，成本低。设计如下图图8 LED显示电路LED display circuit5.1.5驱动电路设计驱动电路可分为：三极管直接驱动，采用斩波恒流驱动方式和芯片驱动电路等。驱动电路的性能直接关系到步进电机走步的准确与稳定。本电路大电流高电压型器件驱动电路图9 ULN2803驱动芯片ULN2803 driver chip根据以上的方案比较与论证确定总体方案，确定硬件原理图。原理如图11所示：52系统软件设计主程序流程图设计电机是否工作正反转显示正转显示反转是否停机是否停机处理电机速度处理电机速度停机返回开始显示清零NYN N反转正转YYY开始始程序初始化串口是否发送数

42、据调用子程序结束程序设计可以将程序分为以下几个部份：键盘输入程序设计 本系统使用的键盘较少，因此采用独立式键盘接口设计。独立式键盘适用于按键数量较少的场合。独立键盘工作原理：通过上拉电阻接到+5V上。无按键，处于高电平状态，有键按下电平为低。在消除抖动影响上是可以采用了软件消抖方法：在第一次检测到有键按下时，执行一段延时子程序后（约5ms），再确认电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，进行相应处理工作，消除了抖动的影响。 步进电机运行步数控制程序 此方案采用单相和双相交差通电处理方式。此方法具有运行速度稳定，运行步数准确无误等优点。5.2.3有关参数的计算与分析

43、在三拍方式控制中，假如A相电源通电，B、C两相都不通电，在磁场作用下，使转子齿和A相的定子齿对齐。若此时为初始状态，并设与A相磁极对齐的齿为0号齿，由于B相齿与A相齿相差120度。且 不为整数。所以此转子不能和B号齿对齐，只有13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3度，如果此时变为B相通电，A、C两相不通电，则B相磁极迫使与13号齿对齐，整个齿就转了3度，称为一步。步进电机就是以这种方式作为动力而转动。在三拍A-B-C-A通电一周，转子转动了9度。固步距角可用公式表示： 步距角的速度的控制是通过改变脉冲的时间间隔来控制的。要求步进电机每转10圈要60秒。则每进一步所在的时间为：计算公式所

44、示： 可见只要输出一个脉冲后延时再输脉冲就可以达到自定的速度。本次设计中通过电位器改变输入的电压值可改变步进电机的转速，在本次设计中得到的步进电机的转速为10r/min。但实际上步进电机在用行时是带有一定量的负载，当运转时会存在许多误差，同时因为负载的存在可能引起失步和震荡。这就使步进电机不能按预定的规律运行，从而是很难达到转速精度的要求。为准确测量电机的转速稳定度,须选用高精度测量仪器。光电编码器因光电式数字输出而更具抗干扰性强和处理简便的优势。光电编码器的分分辨率是决定着反馈的准确性与反馈的精度。也对步进电机的延时长短起到一定的作用。可见实际与理论是有一定的差别的。6结论曲轴同轴度自动检测

45、仪采用四相步进电机作为动力输入，压敏测微仪测量径向小位移，圆光栅测量曲轴转角，通过误差评级过程对测量数据进行修正得出更精确得测量值，通过最小二乘圆的数学模型拟合出曲轴轴线上理想圆的圆心，并通过计算机计算出曲轴轴线的同轴度误差。具有测量数据精确误差小，对同轴度的测量精度可以符合工业生产。曲轴同轴度测量过程中曲轴的最小二乘圆模型广泛应用于圆柱类机械零件的形位公差计算，误差评级也被广泛应用于测量系统，稍微改变同轴度测量仪的机械部分可以将同轴度测量仪应用于测量曲轴轴颈平行度，圆跳动的检测。作为曲轴同轴度自动检测仪扩展作用。参考文献1 陆耀祖，内燃机构造与原理M，中国建材工业出版社，20042 何用 王

46、生泽，光电传感器及其应用M，北京，化学工业出版社，20043 濮良贵 纪名刚，机械设计M，北京，高等教育出版社，20064 刘启新，电机拖动基础M，北京，中国电力出版社，20075 钱政 王中宇 刘桂礼，测试误差分析与数据处理M，北京，北京航空航天大学，20086 陈山弟, 形位公差与检测技术M,北京，机械工业出版社，20097 于凤丽，公差配合与技术测量M，北京，机械工业出版社，20078 金莹，公差配合与技术测量M，哈尔滨，哈尔滨工程大学出版社，20119 范真，毛卫平，刘桂玲，几何量公差与检测学习指导M，北京，化学工业出版社，201110 刘锦波，张承慧，电机与拖动M，北京，清华大学出版

47、社，200611 吴红星，电机驱动与控制专用集成电路及应用M，北京中国电力出版社，200612 肖硕，单片机数据通信典型应用大全M，北京，中国铁道出版社，201113 李响初，数字电路基础与应用M，北京，机械工业出版社，200814 单成祥，牛彦文，张春，传感器设计基础M，北京，国防工业出版社200715 白雪，电机与电气控制技术M，西安，西北工业大学出版社200816 何乐年，王忆，模拟集成电路设计与仿真M，北京，科学出版社，200817 吴宗泽 罗胜国，械设计课程设计手册M，北京，高等教育出版社，200618 攀映川，数学分析，M，北京，人民教育出版社，198019N.D.Manring,

48、G.R.Luecke,Modellinganddesigningahydrostatictransmissionwithafixed-displacementmotor,J. Dyn. Syst. Meas. Control 120 (45) (1998) 20 A. Myklebust, Dynamic response of an electric motor-linkage system during start-up, J. Mech. Des. 104 (1982)附录附录一：最小二乘圆数学模型的MATLAB程序25吨水平定向钻机推进机构设计 1621826498250t单梁桥式起重

49、机小车运行机构设计 1621826498450t门式起重机金属结构设计 1621826498JS750混凝土搅拌机结构设计 1621826498PLC控制的翻转机械手的设计 1621826498PLC控制的移置机械手的设计 1621826498S11-M-10010-0.4型变压器的设计及制造工艺 1621826498SYYZ792铜连铸连轧机（轧机部分）液压系统设计 1621826498X5040升降台铣床数控改造（横向） 1621826498ZL50轮式装载机工作装置及其液压系统设计 1621826498安装支架的冲压工艺及模具设计背负式小型机动除草机设计步进电机驱动的小车电气控制系统设计

50、侧边传动式深松旋耕机的设计茶籽含油量高光谱检测技术研究柴油机活塞的加工工艺及夹具设计车床拨叉加工工艺及夹具设计车载机顶盒硬盘固定架优化和散热分析搭扣冲压模具设计带机架的立式摆线针轮减速机的设计带式输送机自动张紧装置单相电子式预付费电度表的设计低压电动机软启动器的设计电极片多工位级进模设计蝶形螺母注塑模设计多 功 能 钻 机 的 钻 架 设 计仿形刨床液压系统设计封箱机设计盖帽垫片的冲压工艺及模具设计缸体气缸孔镗削动力头设计缸体曲轴孔与凸轮轴镗削动力头的设计钢筋调直机的设计高温高速摩擦磨损试验机设计刮板式脱壳机设计轨道式小型液压升降机机架和小车设计红薯丁切制机构设计红薯条切制机构的设计高压瓶盖注

51、塑模具设计户用型太阳能水泵的设计机床手柄注塑模设计基于JN338的电动机转矩转速测量系统设计基于PLC的包装生产线计数分配环节控制系统设计基于PLC的材料分拣模型控制系统设计基于PLC的加热反应炉电气控制系统的设计基于PLC的食用油灌装生产线的电气控制设计基于PLC的四轴联动机械手控制系统设计基于PLC的污水处理电气控制系统设计基于PLC四自由度机械手基于单片机的电子秤的设计基于单片机的电子密码锁设计基于单片机的非接触式红外测温仪设计基于单片机的智力竞赛抢答器设计基于单片机的自动照明节能控制系统设计基于单片机控制的LED亮化设计基于浮子流量计单片机流量控制系统的设计矩形柱座双面倒角专用机床设计

52、矩形柱座双面铣专用机床设计矿用固定式带式输送机的设计辣椒切碎机的设计离心式茶叶雨水叶脱水机设计犁刀变速齿轮箱体加工工艺及夹具设计立式离心式剥壳机设计立式推杆减速机的设计连杆端孔轴线平行度自动检测仪的设计连杆端面平行度自动检测仪的设计龙门动模式钢板模压机设计漏斗式热风干燥机的设计螺旋式榨油机设计密封垫罩的冷冲压模具设计棉花裸苗移栽机取苗机构设计与仿真棉花裸苗移栽机送苗机构设计与仿真棉花裸苗移栽机移栽机构设计与仿真灭火器外壳注塑模设计农用铺膜机设计平衡臂机械手设计普通车床的数控化改造设计汽车变速箱体加工工艺及夹具设计浅盒形件拉深工艺及模具设计曲轴加工工艺及夹具设计曲轴轴颈圆度自动检测仪的设计曲轴轴线同轴度自动检测仪的设计山茶采摘平台升降机构结构设计山区履带式喷雾机总体方案山楂采摘平台行走控制系统设计上前盖注塑模设计上下楼梯搬运器设计与仿真生物质秸秆切碎机设计手持式激光测距仪的设计手动机器人控制系统的设计手机外壳注塑模设计手推式草坪修剪机设计与仿真手推式割草机设计数控回转工作台设计双活塞浆体泵液力缸设计水稻育秧播种流水线控制系统水力切割除草试验台设计太阳能路灯的设计太阳能逆变设计太阳能蓄电池充放电器控制的设计太阳能最大功率跟踪系统的研究筒形件的冲压工艺及模具设计土豆清洗机的设计拖拉机液压提升实验台设计挖掘机液压系统的设计万能材料试验机设计微机控