圆柱度高精度测量系统的设计

    0 前言

    圆柱度误差属于零件的三维、立体空间的形状误差,它比圆度误差显得更重要,尤其在高精度产品中。目前,圆柱度的测量大多是在圆度仪上进行,测量原始数据中既有待测件的圆柱度误差又有圆度仪的误差,因此提高测量精度可从两方面着手:一是提高圆度仪的精度从而减少其对测量结果的影响;二是改进测量方法,使用误差分离技术将工件误差与圆度仪误差分离。前者的潜力不大,靠机加工来提高精度很困难,而且造价贵,后者是通过多传感器测量,援用误差分离技术编制相应的软件将工件圆柱度误差从测量结果中分离。这种方法较易实现而且测量精度高,也相对廉价[1]。

    本文探讨的问题即是利用误差分离技术,构建一套高精度的圆柱度测量系统。它能实现数据的自动采集、处理、显示并打印测量结果;软件的计算结果,可在判断圆度和圆柱度误差合格性的同时进一步分析误差产生的原因,为加工设备的误差补偿装置提供误差修正依据,对精密和超精密加工的实现具有重要指导意义。

    1 圆柱度误差分离技术简介

    自从日本学者青木和大园在1966年提出三点法圆度误差分离技术以来,误差分离技术得到了广泛的研究和应用,并取得了很大的进展。其思路为利用被测工件轮廓不变这一特征,应用多个探头进行测量,当然测定的信号中包含有被测工件的形状误差,同时也包含机床或测量机构的运动误差,经过适当的数学运算将被测工件的形状误差和机床或测量机构的运动误差区分开,最终得到被测工件的形状误差以及机床或测量机构的运动误差。本系统采用三点法圆柱度误差分离技术,圆柱度误差分离技术依三点法圆度误差分离理论为基础。关于圆度、圆柱度误差分离技术的理论,请详参文献[2]。

    2 系统构成

    工作流程如下:采样y误差分离y圆柱度误差形貌重构y最小二乘评定。考虑利用单片机和PC机的优势,我们构造由PC机、数据采集板和圆柱度仪三部分硬件组成的高精度圆柱度测量系统本系统[3]。三者之间关系如图1所示,数据采集板与PC机之间为RS232C串口连接;数据采集板与圆柱度仪之间则靠I/O、A/D、D/A等关联。

    2.1 数据采集板

    数据采集板是以AT89C52 MCU为核心,以完成高精度的数据采集为目的的单片机系统。主要由MCUAT89C52、A/D芯片ads1211、D/A芯片MAX531、I/O扩展芯片PCF8574、电源输入及其DC-DC模块、RS232接口以及看门狗25045、外扩RAM等几部分组成,其模块结构图如图2。

    Atmel公司的AT89C52有定时/计数器2,可利用T2的加减计数功能。T2有两个输入端,T2(P1.0)为脉冲输入端,T2EX(P1.1)为加减计数控制端。利用90b相差的信号可以实现加减计数。同时本身具有一个全双工的串行口。62256是扩展的外部32K RAM。MAX232是MAXIM公司的一种RS-232接口芯片,利用MAX232实现89C52单片机与PC机的RS-232三线制串行通讯。