曲軸軸線同軸度自動檢測儀的設計

1、摘 要1關鍵詞11 前言21.1 研究意義21.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀22 同軸度檢測模型33數(shù)學模型的建立54數(shù)據(jù)的采集94.1數(shù)據(jù)測量的機械部分設計94.2傳感器的工作原理10圓光柵角位移測量裝置原理10壓敏測微儀工作原理154.3測量結果的處理以及評定17分析測量不確定度的來源17不確定度的評定175動力輸入系統(tǒng)設計205.1硬件電路的設計205.1.1 單片機的選擇205.1.2.單片機的引腳功能:21鍵盤設計21顯示電路設計22驅動電路設計22系統(tǒng)硬件電路設計2352系統(tǒng)軟件設計24主程序流程圖設計24程序設計25有關參數(shù)的計算與分析256結論26參考文獻26摘 要AT89C51單片機作為

2、控制CPU，動力系統(tǒng)給主動輪提供一個10的小轉速來配合圓光柵和壓敏測微儀的測量工作關鍵詞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 研究意義1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 同軸度檢測模型3數(shù)學模型的建立當需要從定量的角度分析和研究一個實際問題時，人們就要在深入調(diào)查研究、了解對象信息、作出簡化假攝、分析內(nèi)在規(guī)律等工作的基礎上，用數(shù)學的符號和語言，把它表述為數(shù)學式子，也就是數(shù)學模型，然后用通過計算得到的模型

4、結果來解釋實際問題，并接受實際的檢驗。數(shù)學模型（Mathematical Model）是一種模擬，是用數(shù)學符號、數(shù)學式子、程序、圖形等對實際課題本質(zhì)屬性的抽象而又簡潔的刻劃，它或能解釋某些客觀現(xiàn)象，或能預測未來的發(fā)展規(guī)律，或能為控制某一現(xiàn)象的發(fā)展提供某種意義下的最優(yōu)策略或較好策略。數(shù)學模型一般并非現(xiàn)實問題的直接翻版，它的建立常常既需要人們對現(xiàn)實問題深入細微的觀察和分析，又需要人們靈活巧妙地利用各種數(shù)學知識。這種應用知識從實際課題中抽象、提煉出數(shù)學模型的過程就稱為數(shù)學建模（Mathematical Modeling）應用數(shù)學去解決各類實際問題時，建立數(shù)學模型是十分關鍵的一步，同時也是十分困難的一

5、步。建立教學模型的過程，是把錯綜復雜的實際問題簡化、抽象為合理的數(shù)學結構的過程。要通過調(diào)查、收集數(shù)據(jù)資料，觀察和研究實際對象的固有特征和內(nèi)在規(guī)律，抓住問題的主要矛盾，建立起反映實際問題的數(shù)量關系，然后利用數(shù)學的理論和方法去分析和解決問題。這就需要深厚扎實的數(shù)學基礎，敏銳的洞察力和想象力，對實際問題的濃厚興趣和廣博的知識面。數(shù)學建模是聯(lián)系數(shù)學與實際問題的橋梁，是數(shù)學在各個領域廣泛應用的媒介，是數(shù)學科學技術轉化的主要途徑，數(shù)學建模在科學技術發(fā)展中的重要作用越來越受到數(shù)學界和工程界的普遍重視，它已成為現(xiàn)代科技工作者必備的重要能力之一。數(shù)學模型建立必須用到包括數(shù)理統(tǒng)計、最優(yōu)化、圖論、微分方程、計算方法

6、、神經(jīng)網(wǎng)絡、層次分析法、模糊數(shù)學。不論是用數(shù)學方法在科技和生產(chǎn)領域解決哪類實際問題，還是與其它學科相結合形成交叉學科，首要的和關鍵的一步是建立研究對象的數(shù)學模型，并加以計算求解。數(shù)學建模和計算機技術在知識經(jīng)濟時代的作用可謂是如虎添翼。在本次設計中，數(shù)學模型必須可以對各個傳感器采集的數(shù)據(jù)進行有效的分析處理，并在計算機的輔助下快速的得出曲軸同軸度的誤差，有效的為生產(chǎn)檢驗曲軸的質(zhì)量提供參考依據(jù)。 最小二乘法是一種數(shù)學優(yōu)化技術，它通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。最小二乘法是用最簡的方法求得一些絕對不可知的真值，而令誤差平方之和為最小。最小二乘法通常用于曲線擬合 。這里有擬合圓曲線 的

7、公式推導過程最小二乘法擬合曲線： (1)令可得圓曲線方程的另一個形式： (12)經(jīng)過最小二乘圓擬合之后4數(shù)據(jù)的采集4.1數(shù)據(jù)測量的機械部分設計以圖四所示曲軸為例設計曲軸軸線同軸度測量儀的機械部分圖5 曲軸示意圖Crankshaft schematic由最小二乘圓的數(shù)學模型可知，要測量曲軸軸線同軸度需要采集的數(shù)據(jù)是角位移和與之對應的實際半徑r。那么在曲軸尾部設置一個圓光柵用于記錄角位移。在曲軸軸線上設置壓敏指針，用于記錄與對應的r。傳感器的具體設計方案為：因為步進電機在轉動的時候可能會發(fā)生漏步的現(xiàn)象，若要通過步進電機直接記錄曲軸轉動的角位移則必須解決步進電機漏步現(xiàn)象，考慮到成本和設計難度，決定直

8、接用傳感器記錄角位移，為保證測量精確，直接選擇測量曲軸轉動的角位移，在檢測儀尾部設置頂針，用于夾持圓光柵同時提高曲軸固定剛度。在測量徑向距離時首先考慮選用電子千分尺，以滿足低成本與制造工藝的要求，在設計過程中發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)必須在曲軸具有小轉速的動態(tài)過程中測量，以滿足自動測量的要求，千分尺無法進行動態(tài)測量，故改用壓敏測微儀記錄徑向位移，因此在測量儀的底座上鉆有5個孔，設計夾持元件用于夾持壓敏指針。為了測量角位移和與之對應的實際半徑r，必須保證曲軸在小轉動狀態(tài)下一一記錄角位移和與之對應的實際半徑r，那么在夾持曲軸的同時還要保證有扭矩的輸入，為了方便夾持，設計夾持端為曲軸小端面軸。由于在最小二乘圓的測

9、量模型中沒有要求定心測量，故為了滿足曲軸同軸度測量儀在不改變機械部分裝置的前提下，實現(xiàn)不同尺寸曲軸軸線同軸度的測量同時設計三個輪盤用于夾持曲軸，在三個輪盤中設計主動輪用于轉矩的輸入，帶動曲軸轉動，為了應對不同周徑曲軸的測量要求設計活動輪，在測量過程中用螺栓固定，具體設計方案如圖五所示在符合要求的情況下，不單獨設計壓敏測微儀和光柵測微儀部分，而通過直接采購傳感器再通過設計夾持裝置用于同軸度測量儀。圖6 裝夾工具示意圖Clamping tool schematic4.2傳感器的工作原理4.2.1圓光柵角位移測量裝置原理計量光柵技術的基礎莫爾條紋(Moire fringes)是由英國物理學家L Ra

10、yleigh首先提出的。到20世紀50年代才開始利用光柵的莫爾條紋進行精密測量。1950年，德國Heidenhain首創(chuàng)DIADUR復制工藝，即在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復制工藝，可制造出高精度、價格低廉的光柵刻度尺，所以光柵計量儀器才被廣大用戶所接受，并進入商品市場。1953年，英國Ferranti公司提出了一個4相信號系統(tǒng)，可以在一個莫爾條紋周期實現(xiàn)4倍頻細分，并能鑒別移動方向，這就是4倍頻鑒相技術，是光柵測量系統(tǒng)的基礎，并一直應用至今。60年代初，德國Heidenhain公司開始開發(fā)光柵尺和圓柵編碼器，并制造出柵距為4m(250線/mm)的光柵尺和10000線/轉的圓光柵測量系統(tǒng)，可實現(xiàn)

11、1m和1角秒的測量分辨率。1966年又制造出了柵距為20m(50線/mm)的封閉式直線光柵編碼器。在80年代又推出了AURODUR工藝，是在鋼基材料上制作高反射率的金屬線紋反射光柵，并在光柵一個參考標記(零位)的基礎上增加了距離編碼。1987年，又提出一種新的干涉原理，即采用衍射光柵實現(xiàn)納米級的測量，并允許較寬松的安裝。1997年推出用于絕對編碼器的EnDat雙向串行快速連續(xù)接口，使絕對編碼器和增量編碼器一樣很方便地應用于測量系統(tǒng)?，F(xiàn)在光柵測量系統(tǒng)已十分完善，應用的領域很廣，全世界光柵直線傳感器的年產(chǎn)量在60萬件左右，其中封閉式光柵尺約占85%，開啟式光柵尺約占15%。根據(jù)形成莫爾條紋原理的不

12、同，激光可分為幾何光柵(幅值光柵)和衍射光柵(相位光柵)，又可根據(jù)光路的不同分為透射光柵和反射光柵。微米級和亞微米級的光柵測量是采用幾何光柵，光柵柵距為100m至20m，遠大于光源光波波長，衍射現(xiàn)象可以忽略，當兩塊光柵相對移動時產(chǎn)生低頻拍現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測量原理稱影像原理。納米級的光柵測量是采用衍射光柵，光柵柵距為8m或4m，柵線的寬度與光的波長很接近，則產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測量原理稱干涉原理。現(xiàn)將德國Heidenhain公司產(chǎn)品采用的三種測量原理加以介紹。 (1)具有四場掃描的影像測量原理(透射法) 采用垂直入射光學系統(tǒng)均為4相信號系統(tǒng)，是將指示光柵(掃描掩膜)開四個窗口分

13、為4相，每相柵線依次錯位1/4柵距，在接收的4個光電元件上可得到理想的4相信號，這稱為具有四場掃描的影像測量原理。Heidenhain的LS系列產(chǎn)品均采用此原理，其柵距為20m，測量步距為0.5m，準確度為±10、±5、±3m三種，最大測量長度為3m，載體為玻璃。 (2)有準單場掃描的影像測量原理(反射法) 反射標尺光柵是采用40m柵距的鋼帶，指示光柵(掃描掩膜)用兩個相互交錯并有不同衍射性能的相位光柵組成，為此，一個掃描場就可以產(chǎn)生相移為1/4柵距的四個圖象，稱此原理為準單場掃描的影像測量原理。由于只用一個掃描場，標尺光柵局部的污染使光場強度的變化是均勻的，并對

14、四個光電接收元件的影響是相同的，因此不會影響光柵信號的質(zhì)量。與此同時，指示光柵和標尺光柵的間隙和間隙方差能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列的金屬反射光柵就是采用這一原理。LIDA系列開式光柵，其柵距為40m和20m，測量步距為0.1m，準確度有±5m、±3m，測量長度可達30m，最大速度為480m/min。LB系列閉式光柵柵距都是40m，最大速度可達120m/min。 (3)單場掃描的干涉測量原理 對于柵距很小的光柵，指示光柵是一個透明的相位光柵，標尺光柵是自身反射的相位光柵，光束是通過雙光柵的衍射，在每一級的諸光束相互干涉，就形成了莫爾條紋，其中+1和-1

15、級組干涉條紋是基波條紋，基波條紋變化的周期與光柵的柵距是同步對應的。光調(diào)制產(chǎn)生3個相位差120°的測量信號，由三個光電元件接收，隨后又轉換成通用的相位差90°的正弦信號。Heidenhain LF、LIP、LIF系列光柵尺是按干涉原理工作，其光柵尺的載體有鋼板、鋼帶、玻璃和玻璃陶瓷，這些系列產(chǎn)品都是亞微米和鈉米級的，其中最小分辨率達到1納米。 在20世紀80年代后期，柵距為10m的透射光柵LID351(分辨率為0.05m)，其間隙要求就比較嚴格(0.1±0.015)mm。由于采用了新的干涉測量原理，對納米級的衍射光柵安裝公差就放得比較寬，例如指示光柵和標尺光柵之間

16、的間隙和平行度都很寬(見表1)。 表1 指示光柵和標尺光柵之間的間隙和平行度Indicate the gap between the grating and scale grating and parallel degree光柵型號信號周期(m)分辨率(nm)間隙(mm)平行度(mm)LIP3720.21810.3±0.02LIP471250.6±0.02LIP5714500.5±0.06只有衍射光柵LIP372的柵距是0.512m，經(jīng)光學倍頻后，信號周期為0.128m,其它柵距均為8m和4m，經(jīng)光學二倍頻后得到的信號周期為4m和2m，其分辨率為5nm和50nm，

17、系統(tǒng)準確度為±0.5m和±1m，速度為30m/min。LIF系列柵距是8m,分辨率0.1m,準確度±1m，速度為72m/min。其載體為溫度系數(shù)近于零的玻璃陶瓷或溫度系數(shù)為8ppm/K的玻璃。衍射光柵LF系列是閉式光柵尺，其柵距為8m,信號周期為4m，測量分辨率0.1m,系統(tǒng)準確度±3m和±2m，最大速度60m/min，測量長度達3m,載體采用鋼尺和鋼膨脹系數(shù)(10ppm/K)一樣的玻璃。 光柵測量系統(tǒng)的幾個關鍵問題 (1)測量準確度(精度) 光柵線位移傳感器的測量準確度，首先取決于標尺光柵刻線劃分度的質(zhì)量和指示光柵掃描的質(zhì)量(柵線邊沿清晰至關

18、重要)，其次才是信號處理電路的質(zhì)量和指示光柵沿標尺光柵導向的誤差。影響光柵尺測量準確度的是在光柵整個測量長度上的位置偏差和光柵一個信號周期內(nèi)的位置偏差。 光柵尺的準確度(精度)用準確度等級表示，Heidenhain定義為：在任意1m測量長度區(qū)段內(nèi)建立在平均值基礎上的位置偏差的最大值Fmax均落在±a(m)之內(nèi)，則±a為準確度等級。Heidenhain準確度等級劃分為：±0.1、±0.2、±0.5、±1、±2、±3、±5、±10和±15m。由此可見，Heidenhain光柵尺的準確度等級

19、和測量長度無關，這是很高的一個要求，目前還沒有一家廠商能夠達到這一水平。 現(xiàn)在Heidenhain玻璃透射光柵和金屬反射光柵的柵距只采用20m和40m，對衍射光柵柵距采用4m和8m，光學二倍頻后信號周期為2m和4m。Heidenhain要求開式光柵一個信號周期的位置偏差僅為±1%，閉式光柵僅為±2%，光柵信號周期及位置偏差見表2。 表2 光柵信號周期及位置偏差Table2 Grating signal cycle and position error光柵類別信號周期(m)一個信號周期內(nèi)的位置偏差(m)幾何光柵20和40開啟式光柵尺±1%，即±0.2

20、77;0.4；封閉式光柵尺±2%，即±0.4±0.8衍射光柵2和4開啟式光柵尺±1%，即±0.02±0.04；封閉式光柵尺±2%，即±0.02±0.08(2)信號的處理及柵距的細分 光柵的測量是將一個周期內(nèi)的絕對式測量和周期外的增量式測量結合在一起，也就是說在柵距一個周期內(nèi)將柵距細分后進行絕對的測量，超過周期的量程則用連續(xù)的增量式測量。為了保證測量的精度，除了對光柵的刻劃質(zhì)量和運動精度有要求外，還必須對光柵的莫爾條紋信號的質(zhì)量有一定的要求，因為這影響電子細分的精度，也就是影響光柵測量信號的細分數(shù)(倍頻數(shù))

21、和測量分辨率(測量步距)。柵距的細分數(shù)和準確性也影響光柵測量系統(tǒng)的準確度和測量步距。對莫爾條紋信號質(zhì)量的要求主要是信號的正弦性和正交性要好；信號直流電平漂移要小。對讀數(shù)頭中的光電轉換電路和后續(xù)的數(shù)字化插補電路要求頻率特性好，才能保證測量速度高。 Heidenhain公司專門為光柵傳感器和crc相聯(lián)結設計了光柵倍頻器，即將光柵傳感器輸出的正弦信號(一個周期是一個柵距)進行插補和數(shù)字化處理后給出相位相差90°的方波，其細分數(shù)(倍頻數(shù))有5、10、25、50、100、200和400，再考慮到數(shù)控系統(tǒng)的4倍頻后對柵距的細分數(shù)有20、40、100、200、400、800和1600，能實現(xiàn)測量步

22、距從1nm到5m,倍頻數(shù)選擇取決于光柵信號一個柵距周期的質(zhì)量。隨著倍頻數(shù)的增加，光柵傳感器的輸出頻率要下降，倍頻器的倍頻細分數(shù)和輸入頻率的關系見表3。 表3 倍頻器的倍頻細分和輸入頻率Table 3 Octave segments of the multiplier and the input frequency倍頻細分數(shù)：02102550100200400輸入頻率（KHz）：600500200100502512.56.25選擇不同的倍頻數(shù)可以得到不同的測量步距。在Heidenhain的數(shù)顯表中可以設置15種之多的倍頻數(shù)，最高頻數(shù)可達1024，即1，2，4，5，10，20，40，50，64，8

23、0，100，128，200，400，1024。在微機上用的數(shù)顯卡最大倍頻數(shù)可到4096。 (3)光柵的參數(shù)標記和絕對坐標 光柵絕對位置的確立 光柵是增量測量，光柵尺的絕對位置是利用參考標記(零位)確定。參考標記信號的寬度和光柵一個柵距的信號周期一致，經(jīng)后續(xù)電路處理后參考信號的脈沖寬度和系統(tǒng)一個測量步距一致。為了縮短回零位的距離，Heidenhain公司設計了在測量全長內(nèi)按距離編碼的參考標記，每當經(jīng)過兩個參考標記后就可以確定光柵尺的絕對位置，如柵距為4m和20m的光柵尺掃描單元相對于標尺的移動20mm后就可確定絕對位置，柵距為40m的光柵尺要移動80mm才能確定絕對位置。 絕對坐標傳感器 為了在

24、任何時刻測量到絕對位置，Heidenhain設計制造了LC系列絕對光柵尺，它是用七個增量碼道得到絕對位置，每個碼道是不同的，刻線最細碼道的柵距有兩種，一種是16m，另一種是20m，其分辨率都可為0.1m，準確度±3m，測量長度可達3m，最大速度120m/min。它所采用的光電掃描原理和常用的透射光柵一樣，是具有四場掃描的影像測量原理。 (4)光柵的載體 光柵尺在20°±0.1環(huán)境中制造，光柵尺的熱性能直接影響到測量精度，在使用上光柵尺的熱性能最好和被測件的熱性能一致?？紤]到不同的使用環(huán)境，Heidenhain光柵尺刻度的載體具有不同的熱膨脹系數(shù)?，F(xiàn)有的材料有玻璃、

25、鋼和零膨脹的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨脹系數(shù)為8ppm/K，現(xiàn)在Heidenhain已采用了具有鋼一樣膨脹系數(shù)的玻璃。這些材料對振動、沖擊不敏感，具有確定的熱特性，不受氣壓和濕度變化的影響。對測量長度在3m以下的光柵尺載體材料都采用玻璃、玻璃陶瓷和鋼，超過3m以上則用鋼帶。通過對標尺載體所用材料和相應結構的選擇，使光柵尺與被測件的熱性能有最佳的匹配。在曲軸同軸度自動檢測儀中，為了滿足檢測精度要求現(xiàn)采用Heidenhain RCN 729角度編碼器，該角度編碼器通過計算從原點開始的測量步距數(shù)或細分電路的計數(shù)信號數(shù)確定當前位置，開機后必須執(zhí)行參考點回零操作建立原點。4.2.2壓敏測微儀工作原理壓力傳感

26、器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造 壓力傳感器而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。 我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當沿著一定方向受到機械力作用發(fā)生變形時，就產(chǎn)生了極化效應；當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應，這就是所謂的極化效應?？茖W家就是根據(jù)這個效應研制出了壓力傳感器。 壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過

27、這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以 已經(jīng)得到了廣泛的應用。在現(xiàn)在壓電效應也應用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。 壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這

28、樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應力。 壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。 壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫(yī)學測量中，比如說心室導管式微音器就

29、是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣。 除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應制造出來的壓阻傳感器，利用應變效應的應變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應和不同的材料，在不同的場合能夠發(fā)揮它們獨特的用途。壓力傳感器的種類繁多，其性能也有較大的差異，如何選擇較為適用的傳感器，做到經(jīng)濟、合理。其中壓敏傳感器的各項性能參數(shù)分別是1. 額定壓力范圍 額定壓力范圍是滿足標準規(guī)定值的壓力范圍。也就是在最高和最低溫度之間，傳感器輸出符合規(guī)定工作特性的壓力范圍。在實際應用時傳感器所測壓力在該范圍之內(nèi)。 2. 最大壓力范圍 最大壓力范圍是指傳感器能長時間承受的最

30、大壓力，且不引起輸出特性永久性改變。特別是半導體壓力傳感器，為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍。因此，即使在額定壓力以上連續(xù)使用也不會被損壞。一般最大壓力是額定壓力最高值的23倍。 3. 損壞壓力 損壞壓力是指能夠加工在傳感器上且不使傳感器元件或傳感器外殼損壞的最大壓力。 4. 線性度 線性度是指在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間直線關系的最大偏離。 5.壓力遲滯 為在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近某一壓力時，傳感器輸出之差。 6.溫度范圍 壓力傳感器的溫度范圍分為補償溫度范圍和工作溫度范圍。補償溫度范圍是由于施加了溫度補償，精度進入額定范圍內(nèi)的溫

31、度范圍。工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作的溫度范圍。在曲軸同軸度自動檢測儀設計與制造過程中，為了滿足測量徑向距離r的精度要求選用美國Mark-10公司生產(chǎn)的拉壓力測量傳感器SSM100。其優(yōu)點是產(chǎn)品所有的測力計支架以及附件都是通用的，小巧輕便，鋁合金外殼。拉壓力測量傳感器SSM100在測量過程中輸出的信號經(jīng)編碼器處理后轉換成徑向距離數(shù)據(jù)r，通過計算機幾率下結合圓光柵角位移數(shù)據(jù)進行分析與計算，得到曲軸在某一截面理想圓圓心坐標，通過同軸度誤差的數(shù)學進行運算，得到曲軸軸線同軸度誤差的最終數(shù)據(jù)24.3測量結果的處理以及評定測量工作是在一定條件下進行的，外界環(huán)境、觀測者的技術水平和儀器本身構造的不

32、完善等原因，都可能導致測量誤差的產(chǎn)生。通常把測量儀器、觀測者的技術水平和外界環(huán)境三個方面綜合起來，稱為觀測條件。觀測條件不理想和不斷變化，是產(chǎn)生測量誤差的根本原因。通常把觀測條件相同的各次觀測，稱為等精度觀測；觀測條件不同的各次觀測，稱為不等精度觀測。 具體來說，測量誤差主要來自以下四個方面： (1) 外界條件 主要指觀測環(huán)境中氣溫、氣壓、空氣濕度和清晰度、風力以及大氣折光等因素的不斷變化，導致測量結果中帶有誤差。 (2) 儀器條件 儀器在加工和裝配等工藝過程中，不能保證儀器的結構能滿足各種幾何關系，這樣的儀器必然會給測量帶來誤差。 (3) 方法 理論公式的近似限制或測量方法的不完善。 (4)

33、 觀測者的自身條件 由于觀測者感官鑒別能力所限以及技術熟練程度不同，也會在儀器對中、整平和瞄準等方面產(chǎn)生誤差。4.3.1分析測量不確定度的來源由測量概述可知，對曲軸徑向最小二乘圓圓心的測量不確定度影響顯著的因素主要有：徑向距離的測量重復性引起的不確定度分量角位移的測量重復性引起的不確定度分量壓敏測微儀的示值誤差引起的不確定度分量光柵測微儀的示值誤差引起的不確定度分量其中不確定度分量，應采用A類評定方法，而不確定度應采用B類評定方法。4.3.2不確定度的評定徑向距離的測量重復性引起的不確定度分量用貝塞爾公式計算實驗標準差 （13）算術平均標準差為 (14)又因為 所以的測量重復性引起的不確定度分

34、量為 （15）自由度的計算 (16)角位移的測量重復性引起的不確定度分量用貝塞爾公式計算單次實驗的標準差為 算術平均值得標準差為又因為 所以的測量重復性引起的不確定度分量為自由度的計算 壓敏測微儀的示值誤差引起的不確定度分量壓敏測微儀用于測量曲軸半徑，其工作原理是通過核心壓敏元件記錄徑向小距離位移，通常壓敏元件分辨率為1V，半寬為0.5V。誤差為0.2%，不同的壓敏測微儀有不同的誤差，考慮到成本與制作要求，曲軸同軸度檢測儀采購成品壓敏測微裝置，不再單獨設計壓敏測微裝置。在壓敏測微儀壓敏測微儀的誤差范圍為粗算不確定度分量。徑向距離誤差按均勻分布考慮，則取包含因子，則壓敏測微儀的示值誤差的不確定度

35、分量為：由此引起的徑向距離r誤差為 其自由度的計算光柵測微儀的示值誤差引起的不確定度分量光柵測微儀用于測量曲軸轉動的角位移，是利用光柵副產(chǎn)生光信號的原理由光柵角位移傳感器感受角位移量并用光柵數(shù)顯表顯示其值的角度測量系統(tǒng)。選用國家標準中的A組第三等級的光柵，其誤差范圍角位移誤差按均勻分布考慮，則取包含因子，則壓敏測微儀的示值誤差的不確定度分量為由此引起的角位移誤差為自由度的計算不確定度的合成由于不確定度， 相互獨立，他們之間的關系系數(shù)為0，根據(jù)合成標準不確定度的公式 （17）根據(jù)韋爾奇薩特思韋特公式，計算其自由度 (18)擴展不確定度的計算取置信概率為0.95，自由度為查表得t和包含因子k，故測

36、量最小二乘圓圓心的坐標的擴展不確定度為： (19)用擴展不確定度評定圓心坐標的不確定度，測量結果為（，） (20) 置信概率95%以上是用不確定度評價的方法評價檢測結果的質(zhì)量高低。為了提高曲軸同軸度自動檢測儀的測量結果，同時要是測量的樣本集最小，設定不確定度標準,設定當曲軸自動檢測儀獲得的數(shù)據(jù)不確定度大于時，設備繼續(xù)收集數(shù)據(jù)參與計算，以擴充樣本集的方式得到理想的目標數(shù)據(jù)。在獲得不確定度小于的樣本集之后，再將樣本集代入到最小二乘圓的數(shù)學模型中進行計算分析。這樣將大大提高最終同軸度誤差數(shù)據(jù)的準確性。曲軸同軸度自動檢測儀檢測精度和準確度關鍵在于對曲軸測量數(shù)據(jù)的精密度，精確度和精準度。然而，誤差是無法

37、避免的，我們可以通過提高測量裝置精度，使用更精密的傳感器，在測量過程中減少誤差。但獲得與真值接近的測量值的更優(yōu)越做法是對曲軸進行重復測量，得出大量樣本集，對測量樣本集數(shù)據(jù)建立更優(yōu)越的數(shù)學模型，通過對測量結果進行回歸分析或者應用灰色理論進行分析，預測出最小二乘圓圓心的位置坐標，這種方式是通過對測量之后的結果進行大樣本分析，并預測出真值，而放棄對測量過程中誤差的控制，從成本上節(jié)約，從效果上更接近真值，然而，通過數(shù)學模型分析得到真值的方法具有操作周期長，不同樣本并不能互換，不具有普遍適用的價值，且無法應用到閉環(huán)控制的反饋環(huán)節(jié)，因此，很難應用于工業(yè)生產(chǎn)換而言之只適用于研究，而不適用于工業(yè)生產(chǎn)。5動力輸

38、入系統(tǒng)設計曲軸同軸度誤差測量是通過測量角位移和與之對應的實際半徑r來實現(xiàn)的，要測量角位移和與之對應的實際半徑r最優(yōu)方案是記錄曲軸在轉動過程中角位移和與之同一時刻的半徑r，要滿足傳感器圓光柵的最大轉速和徑向測微儀的數(shù)據(jù)采集要求，設計曲軸以小轉速，且曲軸在轉動過程中只需要克服軸承的摩擦力做功，所需扭矩不大，動力系統(tǒng)方案如下選用步進電機作為動力輸入5.1硬件電路的設計5.1.1 單片機的選擇 本次設計以CPU選用89C5l作為步進電機的控制芯片89C51的結構簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上使用方便等優(yōu)點，而且完全兼容MCS5l系列單片機的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃

39、爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。5.1.2.單片機的引腳功能:1）VCC（40）：電源+5V。2）VSS（20）：接地，也就是GND。3）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。4）PSEN（29）：片外ROM選通信號，低電平有效。5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/EPROM編程脈沖輸

40、入端。6）RST/VPD（9）：復位信號輸入端/備用電源輸入端。 7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部ROM選擇 端8）P0口（39-32）：雙向I/O口。9）P1口（1-8）：準雙向通用I/0口。10）P2口（21-28）：準雙向I/0口。引解圖如六所示。圖7 AT89C51引腳圖AT89C51 pin diagram5.1.3鍵盤設計由于同軸度測量儀對步進電機的轉速要求并不高，故只設計三個控制按鈕，即 “正反”，“換擋”，“啟停”，由于按鈕較少，所以采用獨立鍵電路，這種按鍵電路的按鍵結構相對行列式按鍵電路更簡單，更使人易懂。5.1.4顯示電路設計如圖七，采用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示數(shù)據(jù)

41、與個項參數(shù)，方法簡單，容易控制，成本低。設計如下圖圖8 LED顯示電路LED display circuit5.1.5驅動電路設計驅動電路可分為：三極管直接驅動，采用斬波恒流驅動方式和芯片驅動電路等。驅動電路的性能直接關系到步進電機走步的準確與穩(wěn)定。本電路大電流高電壓型器件驅動電路圖9 ULN2803驅動芯片ULN2803 driver chip根據(jù)以上的方案比較與論證確定總體方案，確定硬件原理圖。原理如圖11所示：52系統(tǒng)軟件設計主程序流程圖設計電機是否工作正反轉顯示正轉顯示反轉是否停機是否停機處理電機速度處理電機速度停機返回開始顯示清零NYN N反轉正轉YYY開始始程序初始化串口是否發(fā)送數(shù)

42、據(jù)調(diào)用子程序結束程序設計可以將程序分為以下幾個部份：鍵盤輸入程序設計 本系統(tǒng)使用的鍵盤較少，因此采用獨立式鍵盤接口設計。獨立式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較少的場合。獨立鍵盤工作原理：通過上拉電阻接到+5V上。無按鍵，處于高電平狀態(tài)，有鍵按下電平為低。在消除抖動影響上是可以采用了軟件消抖方法：在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時子程序后（約5ms），再確認電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平，則確認真正有鍵按下，進行相應處理工作，消除了抖動的影響。 步進電機運行步數(shù)控制程序 此方案采用單相和雙相交差通電處理方式。此方法具有運行速度穩(wěn)定，運行步數(shù)準確無誤等優(yōu)點。5.2.3有關參數(shù)的計算與分析

43、在三拍方式控制中，假如A相電源通電，B、C兩相都不通電，在磁場作用下，使轉子齒和A相的定子齒對齊。若此時為初始狀態(tài)，并設與A相磁極對齊的齒為0號齒，由于B相齒與A相齒相差120度。且 不為整數(shù)。所以此轉子不能和B號齒對齊，只有13號小齒靠近B相磁極的中心線，與中心線相差3度，如果此時變?yōu)锽相通電，A、C兩相不通電，則B相磁極迫使與13號齒對齊，整個齒就轉了3度，稱為一步。步進電機就是以這種方式作為動力而轉動。在三拍A-B-C-A通電一周，轉子轉動了9度。固步距角可用公式表示： 步距角的速度的控制是通過改變脈沖的時間間隔來控制的。要求步進電機每轉10圈要60秒。則每進一步所在的時間為：計算公式所

44、示： 可見只要輸出一個脈沖后延時再輸脈沖就可以達到自定的速度。本次設計中通過電位器改變輸入的電壓值可改變步進電機的轉速，在本次設計中得到的步進電機的轉速為10r/min。但實際上步進電機在用行時是帶有一定量的負載，當運轉時會存在許多誤差，同時因為負載的存在可能引起失步和震蕩。這就使步進電機不能按預定的規(guī)律運行，從而是很難達到轉速精度的要求。為準確測量電機的轉速穩(wěn)定度,須選用高精度測量儀器。光電編碼器因光電式數(shù)字輸出而更具抗干擾性強和處理簡便的優(yōu)勢。光電編碼器的分分辨率是決定著反饋的準確性與反饋的精度。也對步進電機的延時長短起到一定的作用?？梢妼嶋H與理論是有一定的差別的。6結論曲軸同軸度自動檢測

45、儀采用四相步進電機作為動力輸入，壓敏測微儀測量徑向小位移，圓光柵測量曲軸轉角，通過誤差評級過程對測量數(shù)據(jù)進行修正得出更精確得測量值，通過最小二乘圓的數(shù)學模型擬合出曲軸軸線上理想圓的圓心，并通過計算機計算出曲軸軸線的同軸度誤差。具有測量數(shù)據(jù)精確誤差小，對同軸度的測量精度可以符合工業(yè)生產(chǎn)。曲軸同軸度測量過程中曲軸的最小二乘圓模型廣泛應用于圓柱類機械零件的形位公差計算，誤差評級也被廣泛應用于測量系統(tǒng)，稍微改變同軸度測量儀的機械部分可以將同軸度測量儀應用于測量曲軸軸頸平行度，圓跳動的檢測。作為曲軸同軸度自動檢測儀擴展作用。參考文獻1 陸耀祖，內(nèi)燃機構造與原理M，中國建材工業(yè)出版社，20042 何用 王

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49、機小車運行機構設計 1621826498450t門式起重機金屬結構設計 1621826498JS750混凝土攪拌機結構設計 1621826498PLC控制的翻轉機械手的設計 1621826498PLC控制的移置機械手的設計 1621826498S11-M-10010-0.4型變壓器的設計及制造工藝 1621826498SYYZ792銅連鑄連軋機（軋機部分）液壓系統(tǒng)設計 1621826498X5040升降臺銑床數(shù)控改造（橫向） 1621826498ZL50輪式裝載機工作裝置及其液壓系統(tǒng)設計 1621826498安裝支架的沖壓工藝及模具設計背負式小型機動除草機設計步進電機驅動的小車電氣控制系統(tǒng)設計

50、側邊傳動式深松旋耕機的設計茶籽含油量高光譜檢測技術研究柴油機活塞的加工工藝及夾具設計車床撥叉加工工藝及夾具設計車載機頂盒硬盤固定架優(yōu)化和散熱分析搭扣沖壓模具設計帶機架的立式擺線針輪減速機的設計帶式輸送機自動張緊裝置單相電子式預付費電度表的設計低壓電動機軟啟動器的設計電極片多工位級進模設計蝶形螺母注塑模設計多 功 能 鉆 機 的 鉆 架 設 計仿形刨床液壓系統(tǒng)設計封箱機設計蓋帽墊片的沖壓工藝及模具設計缸體氣缸孔鏜削動力頭設計缸體曲軸孔與凸輪軸鏜削動力頭的設計鋼筋調(diào)直機的設計高溫高速摩擦磨損試驗機設計刮板式脫殼機設計軌道式小型液壓升降機機架和小車設計紅薯丁切制機構設計紅薯條切制機構的設計高壓瓶蓋注

51、塑模具設計戶用型太陽能水泵的設計機床手柄注塑模設計基于JN338的電動機轉矩轉速測量系統(tǒng)設計基于PLC的包裝生產(chǎn)線計數(shù)分配環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)設計基于PLC的材料分揀模型控制系統(tǒng)設計基于PLC的加熱反應爐電氣控制系統(tǒng)的設計基于PLC的食用油灌裝生產(chǎn)線的電氣控制設計基于PLC的四軸聯(lián)動機械手控制系統(tǒng)設計基于PLC的污水處理電氣控制系統(tǒng)設計基于PLC四自由度機械手基于單片機的電子秤的設計基于單片機的電子密碼鎖設計基于單片機的非接觸式紅外測溫儀設計基于單片機的智力競賽搶答器設計基于單片機的自動照明節(jié)能控制系統(tǒng)設計基于單片機控制的LED亮化設計基于浮子流量計單片機流量控制系統(tǒng)的設計矩形柱座雙面倒角專用機床設計

52、矩形柱座雙面銑專用機床設計礦用固定式帶式輸送機的設計辣椒切碎機的設計離心式茶葉雨水葉脫水機設計犁刀變速齒輪箱體加工工藝及夾具設計立式離心式剝殼機設計立式推桿減速機的設計連桿端孔軸線平行度自動檢測儀的設計連桿端面平行度自動檢測儀的設計龍門動模式鋼板模壓機設計漏斗式熱風干燥機的設計螺旋式榨油機設計密封墊罩的冷沖壓模具設計棉花裸苗移栽機取苗機構設計與仿真棉花裸苗移栽機送苗機構設計與仿真棉花裸苗移栽機移栽機構設計與仿真滅火器外殼注塑模設計農(nóng)用鋪膜機設計平衡臂機械手設計普通車床的數(shù)控化改造設計汽車變速箱體加工工藝及夾具設計淺盒形件拉深工藝及模具設計曲軸加工工藝及夾具設計曲軸軸頸圓度自動檢測儀的設計曲軸軸線同軸度自動檢測儀的設計山茶采摘平臺升降機構結構設計山區(qū)履帶式噴霧機總體方案山楂采摘平臺行走控制系統(tǒng)設計上前蓋注塑模設計上下樓梯搬運器設計與仿真生物質(zhì)秸稈切碎機設計手持式激光測距儀的設計手動機器人控制系統(tǒng)的設計手機外殼注塑模設計手推式草坪修剪機設計與仿真手推式割草機設計數(shù)控回轉工作臺設計雙活塞漿體泵液力缸設計水稻育秧播種流水線控制系統(tǒng)水力切割除草試驗臺設計太陽能路燈的設計太陽能逆變設計太陽能蓄電池充放電器控制的設計太陽能最大功率跟蹤系統(tǒng)的研究筒形件的沖壓工藝及模具設計土豆清洗機的設計拖拉機液壓提升實驗臺設計挖掘機液壓系統(tǒng)的設計萬能材料試驗機設計微機控