基于误差分离技术的圆柱度测量系统

　　0 前言

　　精密和超精密加工技术是机械制造业最重要的组成部分之一,其不仅直接影响尖端技术和国防工业的发展,而且还影响着机械产品的精度和表面质量以及产品的使用性能[1],而精密加工的精度主要是靠测量精度来保证,因此对工件的测量提出了更高精度要求。

　　圆柱度误差是指零件的三维、立体空间的形状误差,它反映的是实际圆柱轮廓表面对其理想圆柱面的变动量,其测量过程比圆度误差的测量要复杂得多。目前,圆柱度误差的测量大多是在圆度仪上进行,实现圆柱度的精密测量最主要的方法是采用误差分离技术[2],亦即:通过分离工件的多个截面的圆度误差并重构出实际被测圆柱轮廓,得出工件的圆柱度误差值。

　　本文基于圆柱度误差分离技术,针对现有的圆度测量仪,设计了适用于圆柱度精密测量的测量系统。

　　1 测量原理和系统构成

　　利用圆度仪测量圆柱度时,将被测圆柱体工件沿垂直轴线分成数个等距截面放在回转台上,回转台带动工件一起转动;3个传感器安装在导轨支架上,并可沿导轨做上下的间歇移动,逐个测量等距截面,获取含有混合误差的原始信号(测量原理图如图1所示)。测量传感器拾取的原始信号中不仅包含有被测工件的各个截面的圆度误差、母线的直线度误差,而且还含混入了导轨的直行运动误差及回转台的回转运动误差。将上述误差相分离,并依据最小二乘圆心进行重构出实际圆柱面轮廓,然后采用国标规定的误差评定方法得到被测圆柱面的圆柱度误差。

　　圆柱度测量系统的整体结构主要有3部分构成:机械测量主体、数据采集板及数据处理系统[3]。机械测量主体采用河南省机械设计及传动系统重点实验室的圆度仪。数据采集板与PC机之间为RS232C串口连接,与圆柱度仪之间则靠I/O、A/D、D/A等关联,实现误差信号的放大、滤波及模数转换等功能。数据处理系统采用VC++作为开发平台并调用OpenGL的相关函数,实现了误差分离、评定、结果数据显示、图形输出等功能。

　　2 硬件系统设计

　　根据圆柱度的测量原理设计了以AT89C52MCU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X25045、外扩RAM等几部分组成,其系统硬件结构图如图2所示。

　　单片机AT89C52含有定时/计数器T2,可利用T2的加减计数功能[4]。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90°相差的信号可以实现加减计数。24位高精度A/D芯片ADS1211采用了低噪声的输入放大器,可以在转换速度为10 Hz时获得23位的有效分辨率,借助于其内部独特的调制器加速操作模式,在转换速度为1kHz时仍可达到20位的有效分辨率[5]。MAX232是MAXIM公司的一种RS-232接口芯片,利用MAX232实现AT89C52单片机与PC机的RS-232三线制串行通讯。