毕业设计(论文)-圆度误差自动测量仪设计.docx

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1、圆度误差自动测量仪设计摘要本文主要介绍了目前的圆度误差检测方法的原理和特点，着重讨论了近年来出现的新型圆度误差检测手段，以及五种圆度误差的算法。其次介绍了系统硬件的选择以及系统原理的设计图（PrOte1）,主要包括单片机、传感器、滤波装置、放大电路、程序存储器、静态数据存储器、A/D转换芯片、I/O接口的扩展、报警装置以及键盘和LED显示器接口。最后介绍了软件的流程图，主要包括总体流程图、A/D转换流程图、中断服务流程图、LED显示器流程图以及报警装置流程图。关键词：圆度误差；单片机；传感器；芯片；流程图。Thedesignofautomaticmeasurementapparatusofro

2、undnesserrorAbstractThispaperdescribestheprinciplesandcharacteristicsofthecurrentmethodofroundnesserrordetection,emergedinrecentyearsfocusedonthenewroundnesserrordetectionmeans,andtheroundnesserroroffivealgorithms.Secondly,thechoiceofhardwareareintroducedaswellandthedesign(protel)ofsystemprinciples,

3、includingmicrocontroller,sensors,filteringdevice,amplifiercircuit,programmemory,staticdatastorage,A/Dconverterchip,I/Oexpansioninterface,alarmdevicesandkeyboardandLEDdisplayinterface.Finally,thesoftwareflowchart,includingtheoverallflow,A/Dconversionflowchart,flowchartoftheinterruptservice,LEDdisplay

4、andalarmflowdiagram.Keywords:Roundness;SCM;Sensor;Chip;Flowchart.目录摘要IAbstractII1绪论11.1 课题背景I1.2 圆度误差检测方法现状与展望I1.3 本文主要研究内容42圆度误差的算法52. 1最小二乘圆法53. 2最小夕卜接圆法64. 3最小区域法75. 4最大内切圆法86. 5全局寻优算法93硬件系统设计93.1 微型计算机硬件系统93.2 硬件的选择10微处理器的选择10传感器的选择12程序存储器EPROM的扩展及芯片选取13静态数据存储器的扩展及芯片选取14扩展及芯片选取15转换芯片的选取17通讯方式的选择

5、18键盘接口及LED显示器接口的设计204软件的设计214.1 软件总体流程图的设计214.2 A/D转换流程图设计234.3 中断服务流程图设计244.4 4LED显示器流程图设计254.5 报警流程图设计26结论26参考文献271绪论1.1 课题背景圆度误差是机械零件常见的形状误差之一，几何学上圆的定义为：“与一定点等距离的点的轨迹就是圆”，也称真圆或理想圆。但是，在机械零件的加工中，切削出真圆很困难。这是因为，在给定的剖面内，由于切削过程中机床主轴回转不平衡、刀具在切削中与主轴之间的摩擦、切削元件的径向跳动，以及金属撕裂、材料应变和制造过程中的剩余表面应力等,所有这些因素都会引起工件半径

6、的变化,带来圆度误差。圆度误差的存在，直接影响零部件的工作精度（配合精度、旋转精度）和互换性，并将产生摩擦、振动、噪声等，因而降低了它们的使用寿命。因此，准确检测圆度误差对于提高加工精度、保证零部件的工作精度和互换性具有重要的意义。1.2 圆度误差检测方法现状与展望由于在加工过程中机床主轴回转不平衡、刀具与主轴之间的受力、材料应变等诸多因素，回转类零件不可避免地产生圆度误差，直接影响回转类零件的互换性和配合精度，加剧互配件的磨损、震动，降低了其使用性能和寿命。而提高零件圆度误差的前提是及时有效地检测加工零件的圆度误差。圆度误差检测方法的发展经历了从接触式测量到非接触式测量，从离线测量到在线测量

7、，从被动测量到主动测量。具体方法有：基于半径变化量测量的圆度仪、分度头法、与激光技术相结合的激光衍射法、激光三角法；基于坐标测量的三坐标测量机、计算机视觉技术圆度检测法；生产车间普遍使用的两点、三点近似圆度误差检测法；基于图像处理的测量方法；测量技术与虚拟技术结合的虚拟圆度测量仪器；基于误差分离技术的圆度测量法；在线测量法及主动测量法等等。（1）圆度仪圆度仪是圆度检测的权威手段，具有精密的回转轴系，测量精度很高，大多属接触式测量。主要分为转轴式和转台式，分别适于测量尺寸较大和较小的零件。被测零件置于测量台上，调整被测轮廓轴线与圆度仪的回转主轴同轴。测头与被测轮廓接触,并做相对运动形成一理想圆，

8、将实际轮廓与理想圆比较,得到实际轮廓的半径变化量,再通过数据处理算出圆度误差值。影响圆度仪测量精度的主要因素有被测零件在仪器上的安装误差、仪器主轴回转误差、测头安装误差等，滤波器的传输频率、测头半径和测量力等对测量精度也有一定影响。圆度仪的主轴回转精度一般为0.02-0.2m,对微米级的测量基本可忽略，但对亚微米级测量会有一定影响。Taloround73UHRP型圆度仪和MitUtoyo圆度仪的主轴回转精度高达0.01属目前世界最高水平。如在现有硬件水平上加上使用补偿软件，圆度仪的测量精度可提高到纳米级。一方面通过提高主轴回转精度、采用数字滤波技术，加入误差分离方法、提高自动调心功能(调心精度

9、达5W加等手段，向高精度高效率的方向发展，并增添谱分析功能，使测量与加工相联系，起到质量控制作用。另一方面向多功能方向发展，除圆度外还可检测圆柱度、同轴度、垂直度、直线度、平面度等。国内有些单位利用圆度仪的高精度回转轴系，改造了早期进口的旧型圆度仪，提高了测量精度和效率。(2)基于分度装置的圆度误差测量方法这是在分度头或分度台等分度装置上通过极坐标方式测量。被测工件置于分度装置上并调整工件轴线尽可能与回转轴线同轴，指示器或传感器测头与被测轮廓最高点接触或对正(用于非接触测量头)后，被测工件由分度装置带动回转，每转过一个设定角度，测量出该测点相对起始测点的半径变化量，得到一系列测量点极坐标值，再

10、按选定圆度误差评定方法通过图解法或计算法确定圆度误差值。该方法受测量点数及回转轴同轴度影响，测量精度不高，适于测量一般精度的零件圆度误差。(3)基于直角坐标的圆度误差检测方法用坐标测量仪器的直角坐标系测量圆度误差，调整放置在仪器工件台上被测零件的轴线位置，使其平行于直角坐标系的竖轴，再测出被测截面轮廓所选测点的坐标，按选定圆度评定方法处理坐标数据，求出圆度误差值。最具代表性的是用三坐标测量机测量圆度误差，如测量方法合理，可达到圆度仪的检测精度。但因不是专门的圆度测量仪器，需确定初始坐标、选择测量点数等，引入了多种人为因素，增加了测量不确定度。由于结构限制，大部分截面不能连续扫描，测量过程烦琐耗

11、时。(4)二点、三点圆度误差测量法该方法属于特征参数测量法，所得到的圆度误差值不符合误差定义，仅为一种近似检测。但由于所用测量设备简单，操作方便，在生产中广泛使用。二点法也叫直径法，测量工具有千分尺、卡尺、弓字尺及指示器或传感器加固定支座等，圆度误差值等于最大最小直径差的一半，仅适用于对偶数棱圆的测量，多用于测量椭圆度。三点法是在两个固定支承和一个可在测量方向上移动的测量头之间的测量，有顶式和鞍式测量两种。顶式测量有对称和非对称之分。所测圆度误差等于最大示值差与反映系数的比值，反映系数是两固定支承的夹角、测头测量角和被测轮廓棱数的函数。单一夹角的三角法会产生一定的谐波抑制，在被测轮廓棱数不确定

12、时可采用两点三点组合法测量圆度误差，以尽可能减少谐波丢失。采用三点法测量时，两固定支承常用V形块代替，因V形块与被测工件是面接触，降低了测量精度。但EGIeaSon和HSchwenket用球体本身的高精度表面做测量基准，利用三点法原理，实现了球体圆度误差的高精度测量。2新型圆度误差检测方法上述均属常用的圆度误差测量方法，目前出现了以下新型圆度检测手段。(1)基于计算机视觉技术的圆度检测方法该方法的优点是非接触、测量速度快，阅题是受像素值限制，测量精度不离，不适于检测高精度产品；测量精度高时，算法变得复杂，检测实时性降低；受视场限糊，只适合测量小型工件。按摄像方位不同分为基于工件正截面图像的摄取

13、和基于工件轴截面的摄像。前者主要用于检测端面是圆轮廓或圆孔的小工件的圆度，由CCD、PSD等摄取工件正截面的正投影图像，再对图像进行一系列预处理(包括滤波去噪、图像增强等)后，提取出轮廓边缘，最后用一定的圆度评定方法计算圆度误差，不存在回转误差。后者由CCD图像传感器获取轴截面图像，通过滤波去噪、图像加强等处理后提取出轴截面图像的轮廓信息，再用直径法或坐标法算出圆度误差。(2)基于激光技术的圆度误差测量方法此类方法的优点是非接触测量，不损伤工件表面质量，可用于高速在线测量。包括激光衍射法、激光扫描法和激光三角法，都基于半径变化量测量。激光衍射法将被测回转工件装夹在顶尖上并以两顶尖回转轴线作为测

14、量基准，激光通过棱缘与被测工件的狭缝后形成衍射条纹，用接收元件接收衍射条纹的光强信号，通过测量衍射条纹平均间距得到不同测点处狭缝的宽度变量，确定圆度误差值。测量精度约为土0.4川%，属于离线测量。激光扫描法与激光衍射法的系统结构相似，只是接收的信号不同，扫描法接收的是光强信号，折算出相应的半径变化量。激光三角反射法利用光的反射原理来测量工件半径变化量，激光发射点和接收点在工件同一侧，结构简单紧凑。由于光斑尺寸小，还能反映工件的细节信号，在采样频率足够高时，可通过设定不同的滤波频带，同时测量圆度误差和光洁度。前两种方法的局限是接收屏占据空间较大，检测范围受限，尤其是衍射法为提高检测精度，棱缘与被

15、测工件问形成的狭缝要足够小，实际测量时调整不便。激光反射法量程较大，但测量数据受噪声干扰明显，消噪是重点解决问题。(3)虚拟圆度误差测量仪结合测量技术和虚拟技术，将由硬件设备完成的功能由计算机软件来实现，所谓“软件即仪器”。该方法降低了测量成本，信号处理灵活，便于功能扩展，目前基本用于离线测量。(4)基于误差分离技术的圆度测量方法该方法分为多点法和多步法两大类。多点法使用多个传感器，按一定位置分布在被测对象周围同时采集数据，数据处理后，可分离采样数据中的圆度误差与主轴回转误差，得到更准确的圆度误差值，或提取出主轴回转误差。包括两点法、对径法、三点法、四点法等，三点法应用较广，成为机电部标准。为

16、解决误差分离中存在的谐波抑制问题，出现许多改进的多点法误差分离测量法，如角位移传感器三点法、角位移传感器与线位移传感器混合法等。多步法也称转位法，即被测工件或回转轴相对测头一次或多次转过设定角度后分别测量，再通过数据处理，分离主轴回转误差。包括反向法、改进反向法、两步法、多步法及在多步法基础上提出的全谐波误差分离方法。多步法可通过采用频域解法或时域解法先行提取圆度误差或得到主轴回转误差。针对谐波抑制问题，有学者研究出联合多步测量法，可实现在属于形状误差的频带内基本无谐波抑制。多步法需多次重新定位，操作烦琐，适用于主轴回转精度圆度检测设备的误差分离，比较适合在线检测，但多测头的安装精度及和传感器的谐调性也会影响测量精度。(5)圆度误差在线主动检测