三維測頭數(shù)據(jù)采集模板的設計

1、本科畢業(yè)設計論文題目： 三維測頭數(shù)據(jù)采集模板的設計 院 系： 機電工程學院 學科專業(yè)： 機械設計制造及其自動化三維測頭數(shù)據(jù)采集模板的設計摘 要CNC齒輪測量中心是我校與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的精密測量儀器，利用坐標測量原理，可對多種類型的零件進行自動測量和精度評定。由于技術發(fā)展，三維測頭和交流伺服電機應用于齒輪測量中心已成為主流。為了保持在此項目上的優(yōu)勢，現(xiàn)開展了在CNC齒輪測量中心上使用三維模擬測頭的工作，本課題的內容就是為三維測頭設計相應的數(shù)據(jù)采集模板。本文是基于ISA總線的數(shù)據(jù)采集通道的設計。通過使用合適的譯碼電路來執(zhí)行總線命令，將測頭的模擬信號，經過所選的A/D轉換器的轉換，轉換為計算機可以讀取

2、的數(shù)字信號，從而完成相應的測量任務。本文根據(jù)A/D轉換器的時序，完成了應用電路的設計，并利用Protel99se軟件繪制了整個數(shù)據(jù)采集通道的電路原理圖和PCB圖。本文結合CNC齒輪測量中心R軸、Z軸、T軸自上而下分布的結構，通過對所選的滾珠絲杠的剛度計算、所選電機的轉動慣量的核算以及傳動系統(tǒng)的剛度計算，完成了對CNC齒輪測量中心Z軸的設計。本文設計的電路完成了三維模擬測頭信號的采集。機械部分的布局及其剛度滿足傳動的要求。關鍵詞：CNC齒輪測量中心；A/D轉換器；ISA總線；傳動系統(tǒng)Design of Data acquisition board for 3D probeAbstractCNC

3、Gear Measuring Center is precision measurement instruments which invented by my university and business development, the use of coordinate measuring principle, can be a variety of types of parts for automatic measurement and accuracy assessment. As a result of technological development, three-dimens

4、ional measurement and ac servo motor used in the first gear measuring center has become the mainstream. In order to maintain the advantages of this project, now carried out the work of the use of three-dimensional simulation in CNC Gear Measurement Center Measuring, the contents of this issue is des

5、igning three-dimensional probe template corresponding data acquisition.Data acquisition channels based on the ISA BUS was designed. The ISA BUS order was carried out by Decoding circuit. Under the control of ISA BUS order, Analog signals from Analogue gauge head will be converted into digital signal

6、 by A/D converter, and then the task of measuring was completed. A operating circuit of data acquisition board and a PCB was designed according to the conversion timing sequence of A/D converter by the Protel 99se software.The Z axis was designed by analyzing the structure of CNC gear survey center

7、, choosig reasonable ballscrew pairs and electric motor and calculating the rigidity of system.The collect of signal of 3D Analogue probe was operated exactly by the designed circuit. The layout of machine part and the rigidity of system satisfied to the requirement of Z axis of CNC gear survey cent

8、er.Key word: CNC Gear Measuring Center; A/D converter ;ISA BUS；drive system目 錄中文摘要I英文摘要II主要符號表11 緒論11.1前言11.2 CNC齒輪測量測量中心國內外相關研究情況11.3課題的目的及意義21.4課題研究的內容32 硬件電路設計42.1方案設計42.2電路設計42.2.1 AD轉換器選擇42.2.2數(shù)據(jù)緩沖器和寄存器的選擇72.2.3參考電源的選擇82.2.4晶振的選擇92.2.5運放的選擇92.2.6接口電路的設計92.2.7電路原理圖112.3 PCB版圖設計112.3.1電器規(guī)則檢查（ERC）

9、112.3.2 生成網絡表122.3.3 導入網絡表133 CNC齒輪測量中心Z軸傳動系統(tǒng)設計163.2 CNC齒輪測量中心Z軸機械結構總體方案的確定163.2.1配重的計算173.2.2傳動系統(tǒng)的選定及計算183.2.3電機的選定及計算223.2.4導軌的選定243.3 Z軸機械結構圖25結 論27致 謝29參考文獻30附錄1 硬件電路原理圖附錄2PCB版圖附錄3 機械機構圖主 要 符 號 表 脈沖當量MSB 最高有效位LSB 最低有效位L Z軸長H Z軸寬D Z軸高 導程 機床工作臺最快進給速度 驅動電機最高轉速 公稱直徑 拉壓 剛度Q 軸向最大載荷 固有頻率1 緒論1.1前言無論是過程控

10、制或是自動檢測，都是將來自各種傳感器的模擬信號（電流或電壓）轉換為數(shù)字信號傳輸給計算機處理后發(fā)出信息，進行數(shù)字顯示或控制執(zhí)行機構動作。顯然，設計一種高精度、低增益誤差的數(shù)據(jù)轉換模塊，使采集到的數(shù)據(jù)準確可靠，是保證控制或監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定工作的首要條件1。數(shù)模轉換器是工業(yè)檢測和控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的重要部件，它是測控現(xiàn)場的模擬信號源與數(shù)字計算機之間的接口，其任務是把現(xiàn)場中連續(xù)變化的被測信號轉換成離散信號，再由工控計算機作進一步的數(shù)據(jù)處理。這就要求系統(tǒng)將所采集的模擬數(shù)據(jù)信號盡可能真實的、不失真的顯示給控制人員2。目前，工業(yè)系統(tǒng)具有代表性的有ISA總線、PXI總線和PCI總線其中ISA總線因其生產最早

11、、應用接口簡單仍在許多對傳輸速度要求不是很高的場合被使用在工控計算機應用中3。為此，本設計主要是基于ISA總線的A/D轉換模板。該模板以A/D轉換為核心 ，在ISA總線技術的基礎上，利用較少的外圍元件來實現(xiàn)多通道、高精度的A/D轉換4。1.2 CNC齒輪測量測量中心國內外相關研究情況1995年9月在北京舉行的第四界中國國際機床展覽會上，我國開發(fā)研制的CNC齒輪測量中心首次展出，標志著我國的齒輪測量技術正在逐步接近國際先進水平。不過在儀器精度、穩(wěn)定性,尤其在測量軟件(如弧錐齒輪的測量軟件) 、儀器故障診斷功能等方面,和國外還有一定差距。近年來國產 CNC 齒輪測量中心有了長足的發(fā)展,其質量和性能

12、不斷提高,已經具有和國外產品競爭的能力。哈量的3903A齒輪測量中心,經過幾年努力,儀器精度和測量速度據(jù)稱已達到或接近 KLINGELNBERG公司產品的先進水平。哈爾濱精達公司作為后起之秀,發(fā)展引人矚目:其JD、JDS系列齒輪測量中心,目前在國內產品中銷量最多。進入21世紀，世界工業(yè)的發(fā)展為齒輪制造業(yè)的發(fā)展提供了前所未有的機遇，但同時對齒輪制造業(yè)提出了更高的要求，為此，強化并提高齒輪制造全過程的測量與監(jiān)控技術水平獲得了空前的重視,同時也為齒輪測量技術的發(fā)展提供了契機。現(xiàn)今主要有以下幾股技術潮流：1) 齒輪整體誤差測量與齒輪坐標測量合二為一。我國推出了既有標準蝸桿又有測頭的齒輪測量機CZN45

13、0;而國外的CNC齒輪測量中心也能給出“虛擬整體誤差”。2) 齒輪測量中心與三坐標測量機合二為一。美國TSK公司的 Radiance和 Process Equipment Company的 ND430 就是按這種理念研制的。3) 功能測試與分析測試合二為一。簡化齒輪測量是發(fā)展趨勢,齒輪整體誤差測量儀因高效率地給出齒輪全信息而會為世界接受。4) 齒輪加工與測量合二為一(一體化)。自從1988年MAAG公司在CNC齒輪磨床SE202E上耦合CNC齒輪測量技術以來,齒輪在機測量技術在齒輪磨床上得到普通采用。CNC齒輪測量中心經過二十多年的不斷改進與完善，在實際測試中已顯示出其優(yōu)越性?，F(xiàn)在，它已經成為

14、工業(yè)化國家檢測齒輪的主要工具5。CNC齒輪測量中心自70年代誕生以來得到了迅速發(fā)展，目前在美國、日本、瑞士等國十多個廠家開發(fā)生產齒輪測量中心。其中一些廠家從90年代開始停止了傳統(tǒng)齒輪量儀的生產，全部轉向生產齒輪測量中心。我國從“七五”后期”到“八五”期間投入較多資金和技術力量開發(fā)研制齒輪測量中心6。CNC齒輪測量中心是八十年代國際上迅速發(fā)展起來的機電結合的高技術齒輪量儀，八十年代后期國外產品開始進入我國。與傳統(tǒng)的機械式齒輪量儀相比，CNC齒輪測量中心不僅能測量齒輪，還可以測量復雜刀具、蝸輪、蝸桿、凸輪、曲軸等復雜工件，測量精度高、速度快、功能強，一次裝夾可以自動完成工件的多項參數(shù)的測量，同時解

15、決了許多用傳統(tǒng)方法無法檢測的技術難題。無論是制造中的技術含量，還是使用時的性能指標，CNC齒輪測量中心都代表了當今國際上最先進的測試技術水平7。1995年9月在北京舉行的第四屆中國國際機床展覽會上，我國開發(fā)研制的CNC齒輪測量中心首次展出，標志著我國的齒輪測量技術正逐步接近國際先進水平。CNC齒輪測量中心經過二十多年的不斷改進與完善，利用先進的CNC技術、CAA技術、精密檢測技術等，并吸收三坐標測量機的一些最新技術成就，逐步發(fā)展成為齒輪量儀的換代產品。在一些技術發(fā)達國家，CNC齒輪測量中心正逐步取代傳統(tǒng)的機械展成式量儀，成為齒輪檢測的主要手段9。德國HEINDENHAIN的P系列齒輪測量中心，

16、其特點是采用了專利的三維數(shù)字式高精度光柵測量頭(使用了HEINDENHAIN的超高精度光柵)，性能穩(wěn)定的優(yōu)質鑄鐵床身，高性能直線電動機驅動系統(tǒng)，高精度滾珠軸系和密珠滾動導軌。儀器精度達到德國標準1級；日木的齒輪測量儀器制造商，在我國市場經過近十年的沉寂后近年來亮相頻繁9。大阪精機在GC-HP系列齒輪測量儀器的基礎上，開發(fā)出CNC電子創(chuàng)成式的CLP系列齒輪測量儀器10。1.3課題的目的及意義CNC齒輪測量中心是我校與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的精密測量儀器，利用坐標測量原理，可對多種類型的零件進行自動測量和精度評定。由于技術發(fā)展，三維測頭和交流伺服電機應用于齒輪測量中心已成為主流。為了保持在此項目上的優(yōu)勢，現(xiàn)

17、開展了在CNC齒輪測量中心上使用三維模擬測頭的工作，本課題的內容就是為三維測頭設計相應的數(shù)據(jù)采集模板。1.4課題研究的內容本課題主要是從電路的設計以及機械部分結構的設計來滿足在CNC齒輪測量中心上使用三維模擬測頭的要求。本課題主要研究內容： （1）設計適用于CNC齒輪測量中心的三維測頭數(shù)據(jù)采集卡，要求基于ISA總線，三路16位AD轉換，能同時啟動AD轉換的電路模塊。 （2）電路模塊實現(xiàn)于PCB版圖。 （3）設計CNC齒輪測量中心的Z軸。 2 硬件電路設計2.1方案設計基于本課題制定了如下的兩個方案:(1)此方案是不對每一個模擬信號都是用AD轉換器，是將模擬信號經多路開關和采樣保持器再送至AD轉換器，可以減少使用AD轉換器。此方案優(yōu)點是當需要對多個模擬量進行模數(shù)變換時，由于模數(shù)轉換器（A/D轉換器）的價格較貴，通常不是每個模擬量輸入通道設置一個A/D，而是多路輸入模擬量共用一個A/D，中間經過多路轉換開關切換，即模擬量多路轉換開關；A/D轉換需要一定時間,在轉換過程中,如果送給AD轉換器的模擬量發(fā)生變化,則不能保證精度，為此在AD轉換器前加入采樣保持電路,起采樣和保持作用。（2）此方案是直接將齒輪測量中心的R、Z、T軸的模擬信號通過是三個AD轉換器，將其同時變?yōu)閿?shù)字信號，實現(xiàn)了同步轉