高精密圆度仪的研究与设计

　　0 引言

　　圆度仪是集机、电、液、气一体化的技术密集的高科技产品。广泛用于汽摩配等工厂车间和计量部门,可测各种规则、不规则的环形工件的圆度、同心度、同轴度、平面度、平行度、垂直度、表面波纹度(Wc、Wp、Wv、Wt、Wa、Wq)、频谱分析、波高分析、偏心、轴弯曲度及跳动量等。采用LVDT(线性可变差动变压器)与微处理器技术的圆度仪测量系统,能够进行各种复杂的数据处理和实时控制,使得圆度仪测量系统更加精确和稳定,能够满足现代工业对轮廓仪测量系统的要求[1]。该课题的研究与应用,对现有圆度仪仪器技术的改造创新提供了很好的参考价值和引导作用。

　　1 系统总体设计

　　圆度仪采用半径法,工件旋转式测量圆度,旋转轴系采用高精度气浮主轴。本文以低速圆度仪为应用对象,主轴转速5r/min。电气部分由计算机、精密电感位移传感器、驱动电路、采集电路及导轨控制线路等组成。测量软件采用基于中文版WINXP操作系统平台的测量软件,完成数据采集、处理,分析及管理等工作。

　　整个系统结构如图1所示: PC工控机为圆度仪控制和评价的上位机系统;线性可变差动(LVDT)位移传感器、AD698调理电路、AD7691转换芯片及MSP430F149单片机构成的信号采集板卡构成了下位机系统。线性可变差动(LVDT)位移传感器对待测工件进行非电量测量, AD698调理电路对采集信号进行有效的放大、滤波与调理,使得微弱的信号转换成能被AD转换器所采得直流放大信号,之后通过18位AD7691转换器和MSP430F149单片机采集数据,并通过RS232串口向PC机实时发送数据。上位系统的应用软件可以实现系统设置、控制指令、设置测量参数、数字滤波、圆度评价及历史数据记录等操作[2-3]。

　　2 变量转换硬件设计

　　2.1 位移传感器

　　本系统采用LVDT差动变压器式位移传感器。它是由衔铁、铁心、初级线圈及次级线圈组成。初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上,线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。它的原理是:当铁磁性磁心受到与用于检测的移动部分相连的非铁磁杆拖拽沿它的内部移动时,初级绕组与2个次级绕之间的互感将发生变化。当初级绕组由交流电压供电时,铁磁性磁心位置的变化就会引起同名端反相串联的2个次级绕组之间感应的电压之差的变化。这样通过检测电压差就可以确定非铁磁杆的移动量。其中衔铁心在线圈内部偏离中心位置时,两个线圈产生的感应电动势不等,这时产生电压输出,其电压大小取决于位移量的大小;当衔铁心处于中间位置时,两个次级线圈产生的感应电动势相等,这样输出电压为0。LVDT工作过程中,铁心的运动不能超出线圈的线性范围,否则将产生非线性值,因此所有的LVDT均有一个线性范围,即仪器可以测量位移的物理范围。