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基于位移传感器的圆弧形面参数测量装置

发布日期:2020-10-29 12:17

  基于位移传感器的圆弧形面参数测量装置_电子/电路_工程科技_专业资料。位移传感器的圆弧形面参数测量装置

  电子测量技术 ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY 第38卷 第3期 2015 年 3 月 基于位移传感器的圆弧形面参数测量装置* 张维光张东平张磊崔楠楠 (西 安 工 业 大 学 光 电 工 程 学 院 西 安 710021) 摘要:针对圆弧形面机构啮合面在设备检修过程中型面 参 数 测 量 及 型 面 失 效 状 态 诊 断 问 题 ,设 计 了 基 于 高 精 度 位 移传感器与显微观测系统的圆弧工件表面局部细节几何参 数 测 量 系 统 ,讨 论 了 高 精 度 位 移 传 感 器 测 量 范 围 与 显 微 系 统景深结合实现圆弧形面面型参数观测的技术方案,开发了基于 ARM 单片机的数据 采 集 系 统。 测 量 结 果 表 明,仪 器 在0.7mm 的测量范围内,单点位置测量精度可达到0.01mm。通过对仪器支撑轿机构进行针对性设 计,仪 器 对 于 圆 弧形面具有较为广泛的适用性。 关键词:型面测量;位移传感器;显微系统;ARM 单片机 中 图 分 类 号 :TB22 文 献 标 识 码 :A 国 家 标 准 学 科 分 类 代 码 :420.40 Arc-surfaceparametersmeasurementdevicebasedondisplacementsensor ZhangWeiguangZhangDongpingZhangLeiCuiNannan (SchoolofPhotoelectricalEngineering ,Xi?anTechnologicalUniversity ,Xi’an710021,China) Abstract:Aimingatthemeasurement& failurediagnosisproblemofArc-surfaceformatingsurfacesofmechanical artifactsinequipmentmaintenanceprocess,ameasurementsystemwithhigh-precisiondisplacementsensorand microscopyisdesignedtomeasurelocaldetailgeometryparametersoftheobject.Thetechnologysolutionofhigh- precisiondisplacementsensormeasurementrangematchedwithmicroscopedepthoffieldisanalyzed.Adataacquisition systembasedonARMisalsodeveloped.Theexperimentresultshowsthatthemeasurementaccuracyofmeasurement systemreachesto0.01 mminthemeasurementrangeof0.7 mmforsinglepointmeasurement.Ifaspecialsupport deviceisdesignedforameasurementobject,themeasurementsystemhaswiderapplicabilityforAre-surfacemechanical artifacts. Keywords:profilemeasurement;displacementsensor;microscopy;ARM 1 引 言 在机械机构设计及检 修 过 程 中,工 件 型 面 参 数 的 测 量 是一个基本问题 。 [1-2] 在长期服役过程 中,机 械 机 构 的 型 面 整体参数(如圆形度、齿廓)会发生变化,同时在局部 会 出 现 裂纹、划伤、磨损、烧蚀等缺陷 。 [3-5] 型 面 整 体 参 数 常 用 的 检 测方法是在标准件型 面 上 涂 研 磨 涂 料(如 机 油 与 红 丹 粉 混 合 物 )与 被 测 对 象 进 行 研 磨 后 人 工 观 测 两 型 面 的 贴 合 程 度 。 这种方法操作简单,但 不 能 准 确 获 得 量 化 测 量 结 果。 机 器 视觉检测方法可以获 得 量 化 测 量 结 果,但 测 量 结 果 易 受 工 作表面粗糙度的影响 。 [6] 型面局部缺陷参 数 检 测 方 法 有 基 于直线位移传感器的检测系统及基于光机结合的检测方法 等 。 [7-8] 这些检测方法均是针对特定对 象 提 出 的,检 测 仪 器 的适应性不强。本文以圆弧形面机构啮合面的型面参数测 量为目标,开发了可以 进 行 圆 弧 型 面 联 接 机 构 轴 与 套 孔 型 面参数测量的测量装置。分析了应用高精度位移传感器与 显微观测系统相结合进行圆弧工件表面局部细节几何参数 测量的技术方案,给出 了 检 测 仪 器 的 设 计 方 案 及 电 源 引 起 的测量数据误差解决方案。 2 测 量 系 统 设 计 圆孤形面是一种常见的动力传输或能量传输受力面, 通常 有 轴 类 零 件 和 套 类 零 件 2 种。 以 分 度 圆 直 径 为 Φ180mm,有 效 测 量 长 度 为 100 mm 的 花 键 零 件 为 测 量 对 象,设计可实现花键轴 和 花 键 套 齿 顶 局 部 参 数 测 量 的 测 量 方案。 2.1 测 量 方 案 设 计 花键轴类和套类零件 的 啮 合 面 均 为 圆 弧 凸 面,测 套 类 零 件 时 ,测 量 仪 器 需 探 入 套 类 零 件 内 部 ,测 量 仪 器 安 置 空 间 受到限制,测量难度 较 轴 类 零 件 大。 测 轴 与 测 套 两 类 零 件 收 稿 日 期 :2014-12 基 金 项 目 :陕 西 省 光 电 信 息 工 程 特 色 专 业 建 设 (201104TS2Y)、国 家 级 大 创 (4)项 目 · 100 · 张维光 等:基于位移传感器的圆弧形面参数测量装置 第3期 的测量系统结构框图如 图 1 所 示,系 统 由 高 精 度 位 移 传 感 器、测量探针、显微观测 镜 头、相 机、液 晶 显 示 器,数 据 采 集 处理电路及机械结构系统组成。测量探针与高精度位移传 感器联接,采集工件 表 面 位 置 信 息。 显 微 观 测 系 统 由 显 微 镜头、相机及液晶显 示 器 组 成。 相 机 输 出 的 视 频 信 号 接 入 液晶显示器的视频信 号 输 入 端,将 显 微 观 测 系 统 的 视 场 直 接显示在液晶屏上。显微测量系统可以观测探针在工件表 面测量时的位置和工 件 表 面 的 细 节 特 性,同 时 通 过 显 微 系 统和相机的参数,可以 估 算 出 工 件 表 面 蚀 坑 大 小 及 划 痕 宽 度等参数。 倍率约为 40 倍的 显微透 镜系统,其景深约为 0.7 mm。为 了确保测量 精 度,系 统 选 择 的 位 移 传 感 器 的 测 量 范 围 为 1mm,其测 量 范围 内的 非线%。测 量系统理 论 分析的核心是实现高精度位移传感器的测量范围与显微系 统的景深达到最佳结 合 点。在 保 证 测 量 精 度 的 前 提 下,尽 可能地提高测 量 范 围,简 化 仪 器 结 构,减 小 仪 器 尺 寸 与 重 量 ,如 表 1 所 示 。 表 1 仪 器 关 键 部 件 选 型 参 数 项目 型号参数 AML-M 微 型 位 移 传 感 器,测 量 范 围 ±0.5mm,非线%,非 重 复 误 差 < 位移传感器 0.1%,输 出 信 号 5001 mV/mm,供 电 电 压: 6~12V 显微镜头 MTD10C-110S的 显 微 镜,总 放 大 倍 数:40,工 作距离:110mm,视场为4.8 mm×3.6 mm,景 深 为 0.7018 mm,带 同 轴 照 明 光 源 图 1 测 量 方 案 结 构 位移传感器及观测机构安装在仪器的对称中心线上, 两侧用两个支撑轿支 撑,如 图 2 所 示。 仪 器 两 侧 的 支 撑 轿 的形状和尺寸根据测 量 对 象 进 行 定 制,确 保 支 撑 轿 与 工 件 型面接触时,探针的活 动 范 围 在 高 精 度 位 移 传 感 器 的 有 效 量程之内。 图 2 仪 器 支 撑 轿 机 构 位移传感器的输出信号是0~5V 的电压信号,采用单 片机系统采集传感器 信 号 并 转 换 成 位 移 量,通 过 液 晶 显 示 出来。应用单片机系统的键盘控制仪器的测量过程。仪器 的所有零件根据便携 式 仪 器 要 求,固 定 在 一 个 带 有 手 持 机 构的壳体内。 2.2 测 量 系 统 理 论 分 析 测量过程要求清晰地观测到探针测量的工件型面场 景,观测系统应具有 一 定 的 放 大 倍 率。 测 量 装 置 选 择 放 大 为了确 保 测 量 仪 器 探 入 被 测 花 键 套 (分 度 圆 直 径 为 Φ180mm)的内部,并可 在 一 定 范 围 内 旋 转 进 行 齿 廓 测 量。 经 理 论 分 析,测 量 仪 器 的 结 构 尺 寸 等 效 为 探 入 直 径 为 Φ65mm,探入长度为 80 mm 的 圆 孔 的 内 壁 测 量。 仪 器 观 测轴与探针运动方向夹角的确定以此为基础。由于显微系 统景深有限,理论上,当 观 测 轴 与 探 针 方 向 相 同 时,清 晰 观 测工件型面的区域会 大 一 些,当 显 微 镜 头 光 轴 与 探 针 方 向 成一定角度时,观测 系 统 只 能 清 晰 观 测 一 个 带 状 区 域。 加 之位移传感 器 的 有 效 测 量 范 围,仪 器 的 工 作 有 效 区 域 为 1mm(位 移 传 感 器 测 量 范 围 )×1.5 mm (显 微 系 统 景 深 )×3.6 mm(显 微 镜 头 视 场 宽 度 )。 仪 器 结 构 参 数 需 确 保 位 移 传 感 器 和 显 微 镜 头 安 装 后 ,经 安 装 位 置 微 调 ,使 仪 器 的 测 量 范 围 大 于 0.5 mm。 测量仪器结构参数中,显 微 镜 光 轴 与 探 针 运 动 方 向 的 夹角θ1 是确定系统整体结构的最主要的参数。若θ1 太 小, 测量仪器探入工件套 内 的 深 度 不 够,工 件 套 内 型 面 存 在 测 量盲区。若θ1 太大,受 显 微 系 统 景 深 限 制,可 清 晰 地 观 测 工件型面表面的带状 区 域 变 窄,减 少 了 仪 器 的 观 测 范 围 和 适 应 性 ,提 高 了 测 量 过 程 的 难 度 。 如图3 所 示,以 轴 套 的 直 径 为 65 mm,观 测 长 度 为 80mm,显微镜的作用距为110mm 为条件,显 微 镜 光 轴 与 探针运动方向的夹角θ1 的计算分析如下: 由图得cosθ1 =65/110=0.59,θ1 =54° 可测量深度:d =110sinθ1 =88.9mm 当考虑显微镜头外圆直径及机械固定机构的所需的空 间,θ1 应增大。当将显微镜 头 外 圆 尺 寸 考 虑 在 内,仪 器 能 探 入轴套内的有效直径缩小到约60mm,这时θ1 = 58°。将 机 械 固 定 机 构 尺 寸 考 虑 在 内 ,经 过 综 合 考 虑 ,仪 器 选 取 显 微 镜 光 轴 与 探 针 运 动 方 向 夹 角 60°。 · 101 · 第 38 卷 电子测量技术 图 3 仪 器 轴 套 测 量 工 作 空 间 位 置 分 布 在机械结构设计过程 中,为 了 确 保 仪 器 的 工 作 有 效 区 域1 mm(位 移 传 感 器 测 量 范 围 )×1.5 mm(显 微 系 统 景 深)×3.6mm(显微镜头 视 场 宽 度),位 移 传 感 器 的 固 定 方 式,显微镜头的固定 方 式 均 可 在 一 定 范 围 内 调 整。 在 仪 器 装配过程通过视频观测,选取最大测量范围时,确定位 移 传 感器及显微镜头的固定位置。 3基于 ARM 的数据采集系统设计 基于 ARM 的 数 据 采 集 系 统 的 主 要 功 能 是 通 过 A/D 转换将位移传感器输出 的 0~5001 mV,的 电 压 值 转 换 为 位 移 量 ,要 求 : 1)模 拟 电 压 采 样 的 重 复 性 误 差 <5 mV; 2)位 移 测 量 的 分 辨 率 为 1μm。 选 择 ST (意 法 半 导 体 )公 司 的 ARM 芯 片 STM32F103C8作为控制器。该 类 芯 片 封 装 小,速 度 快,常 作为便携式检测仪器的处理 器 。 [9-10] 数 据 采 集 单 元 的 A/D 芯片选择美信公司 的 MAX197,采 样 精 度 为 12 位,采 样 率 最大可达到100ksps。量程可以通过软件配 置 为 0~5V, 和微位移传感器匹配。 系统由 ARM 控 制 器、按 钮 检 测、继 电 器 触 发 控 制、高 精度 A/D 采样模块、液 晶 显 示 模 块 和 通 信 接 口 组 成,系 统 结构如图4所示。 测量数据传输其他显示终端上。 抗干扰是数据采集系统解决的关键问题。单片机系统 是 模 数 混 合 电 路 ,其 中 数 字 电 路 对 噪 声 不 敏 感 ,只 有 模 拟 部 分 对 噪 声 敏 感 ,所 以 抗 干 扰 就 是 要 抑 制 模 拟 电 路 的 噪 声 ,具 体有以下措施: 1)对 输 入 的 电 源 进 行 线 性 稳 压 ,减 小 电 源 的 纹 波 ; 2)对所有的数字芯 片 采 用 电 源 去 耦 电 容,减 小 数 字 电 路对电源的干扰; 3)数字电路和模拟 电 路 在 布 局 布 线 时 分 开,严 格 保 证 数字部分的电流不会经过模拟部分流到地。 尽 管 采 取 了 一 系 列 的 抗 干 扰 措 施 ,A/D 转 换 芯 片 采 集 到 的 位 移 传 感 器 电 压 信 号 仍 有 约 30 mV 周 期 性 的 波 动 量 。 将 采 集 位 移 信 号 波 动 周 期 与 单 片 机 系 统 A/D 数 据 采 集 周 期 进 行 对 比 分 析 ,位 移 信 号 的 波 动 周 期 约 为 40 个 数 据 采 样 点 。 系 统 通 过 对 40 个 采 样 点 的 数 据 进 行 平 均 ,最 终 测 试 数 据 采 集 系 统 对 位 移 量 的 采 集 变 化 量 为 1μm。 4 测 量 结 果 分 析 位 移 传 感 器 的 有 效 测 量 范 围 是1mm,显 微 系 统 测 量 范 围 为 4.8×3.6,景 深 为 0.7018 mm。 为 了 确 定 位 移 传 感 器 与 显 微 系 统 最 佳 的 装 配 位 置 ,先 将 支 撑 轿 机 构 安 装 好 ,置 与 圆 弧 形 面 上 ,在 位 移 传 感 器 有 效 工 作 范 围 内 ,确 定 位 移 传 感 器的安装位置。当位移 传 感 器 安 装 好 后,将 显 微 镜 头 插 入 主 框 架 安 装 孔 ,调 整 显 微 镜 头 ,在 液 晶 显 示 屏 上 清 晰 地 观 测 到 测 量 针 ,加 固 主 框 架 下 镜 头 的 加 固 顶 丝 ,完 成 仪 器 主 框 架 的安装。同时可以调整 显 微 镜 头 同 轴 照 明 光 照 强 度,使 检 测仪器能够清晰地观 测 到 零 件 表 面,未 含 安 装 壳 体 的 测 量 仪器总体如图5所示。 图 4 数 据 采 集 处 理 系 统 结 构 仪器通过按钮,控制继电器吸合,带动测量探针 的 上 下 运动。当探针 接 触 到 工 件 表 面 时,ARM 控 制 器 采 集 位 移 传感器的位移信号。探针的运动与位移量的采集之间通过 延时实现,延时时间 间 隔 在 仪 器 调 试 过 程 中 进 行 设 置。 液 晶显示单元显示位移 传 感 器 的 测 量 值,通 信 接 口 可 将 仪 器 图 5 未 含 安 装 壳 体 的 测 量 仪 器 总 体 当 测 孔 时 ,松 开 加 固 支 撑 轿 与 主 框 架 之 间 的 紧 固 螺 钉 , 同 时 ,更 换 孔 类 零 件 测 量 的 支 撑 轿 机 构 ,使 检 测 仪 器 可 以 适 应于孔的测量。 · 102 · 张维光 等:基于位移传感器的圆弧形面参数测量装置 第3期 图6(a)是测 量 仪 器 对 套 孔 类 零 件 的 测 量,图 (b)显 示 测量仪器可以获得被测物体表面的清晰图像。表明支撑轿 设计合理可行,高精度位移传感器与显微系统装配 合理,达 到了高精度位移传感器测量范围与显微系统景深最佳结合 要求,同时也证明了系 统 所 选 位 移 传 感 器 和 视 觉 系 统 能 满 足检测仪的开发要求。 5 结 论 应用高精度位移传感器与显微观测系统相结合进行圆 弧工件表面局部细节几何参数测量是可行的。系统选取高 精度位 移 传 感 器 的 测 量 范 围 为 1 mm,非 线%,显 微观测系统景深为0.7 mm,应 用 探 针 与 位 移 传 感 器 联 接, 采用相对测量方式获取的圆弧形面表面位置精度可达到 0.01 mm。 在 探 针 与 显 微 系 统 光 轴 夹 角 为 60°的 情 况 下 ,系 统可以探入空间直 径 为 Φ60 mm 的 套 孔 内,澳门赌场,进 行 工 件 内 壁 型面参数测量。通过对仪器支撑轿机构进行针对性设计, 仪器可以适应于相对位移变化量小于 0.7 mm 的 型面参数 测量需求场合。 参考文献 图 6 (a)测 套 孔 工 件 和 (b)显 微 系 统 观 测 套 孔 表 面 应用检测仪测量工件 表 面 烧 蚀 坑 示 例 如 下,当 进 行 测 量时,先检测烧蚀坑外工件表面的位置读数,后切换仪 器 测 量模式,将测量探针扎入烧蚀坑底部,由于从显微系 统 采 集 的视频信号中可以清 楚 地 判 定 出 烧 蚀 坑 的 位 置,所 以 可 以 较为准确地获得烧蚀坑底部的位置信息。仪器检测一次深 度值。如图 7 所 示,U:0.757 mm 为 烧 蚀 坑 外 工 件 面 位 置 读数,D:0.479为烧蚀坑底部位置读数,R:0.278为烧 蚀 坑 的深度测量值。 图 7 测 量 数 据 显 示 [1] 刘琪 芳.基 于 激 光 位 移 传 感 器 的 光 电 非 接 触 圆 度 测 量 [J].电 子 设 计 工 程 ,2011,19(1):106-108. 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