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双轴联动蜗杆检测仪控制系统研究开发

作　者: 陈涛
导　师: 彭东林
学　校: 重庆理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 双轴联动 环面蜗杆 ARM FPGA 精密定位
分类号: TG80
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着新型蜗杆,特别是环面蜗杆的发明及理论研究的深入,人们对环面蜗杆制造误差的分析和检测产生了越来越多的关注。目前,大多数厂家只能依靠观察齿面接触斑点来判别制造质量,无法检测其制造误差。本文提出了双轴联动蜗杆检测仪的测量方案,以图实际解决环面蜗杆制造误差检测的这一长期难题。本文研究的双轴联动蜗杆检测仪控制系统是根据“装配式”检测原理(即测量状态与加工状态一致的原理)和坐标测量法,以基于ARM的运动控制电路和基于FPGA的信号检测电路为电路设计核心,建立了以圆时栅传感器和直线光栅尺为反馈信号的全闭环系统,控制被测蜗杆和测头双轴联动,实现环面蜗杆制造误差的动态检测。本文研究的内容包括双轴联动蜗杆检测仪的测量方案,双轴联动蜗杆检测仪控制系统的软、硬件设计等。主要取得了以下研究成果:提出了双轴联动蜗杆检测仪测量方案,它不仅避免了传统啮合法中配对蜗轮引入的附加误差,而且与三坐标测量机相比较,它计算量小、可以实时在线检测。本设计,在精密定位技术上也取得了一定的创新,在低成本的步进电机驱动的机械载物工作台的基础上,通过时间细分技术实现精密定位。时间细分技术是通过软件来实现的。硬件电路设计主要由基于ARM的运动控制电路和基于FPGA的信号检测电路构成,它解决了数据传输速度瓶颈和成本成倍增加矛盾的问题。设计了双轴联动蜗杆检测仪控制系统相关的验证实验,包括精密定位验证实验和环面蜗杆制造误差检测验证实验。精密定位验证实验,经激光干涉仪标定及控制系统根据标定结果对定位误差进行线性补偿后,空间高精度定位系统的直线定位精度可达到±2μm,它的角定位精度可达到±3″。环面蜗杆制造误差检测验证实验,根据环面蜗杆制造误差检测系统数学模型,建立测量坐标系并对其校准,然后精确确定被测蜗杆实际转角? 1与测头实际转角? 2,并将数据传给上位机(PC机)。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-16
  1.1 课题研究目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-13
    1.2.1 蜗杆检测技术的发展及现状  11
    1.2.2 位移传感器技术的发展及现状  11-12
    1.2.3 精密定位技术的发展及现状  12-13
  1.3 本文的创新点  13-14
  1.4 课题来源和主要研究内容  14-16
2 理论基础  16-26
  2.1 环面蜗杆简介  16-17
  2.2 环面蜗杆制造误差检测原理及数学模型建立  17-19
    2.2.1 单面啮合测量法原理  17
    2.2.2 坐标测量法原理及数学模型建立  17-19
  2.3 位移传感器原理分析  19-23
    2.3.1 光栅位移传感器原理分析  19-22
    2.3.2 时栅位移传感器原理分析  22-23
  2.4 空间高精度定位设计基础  23-26
    2.4.1 定位控制原理  23-24
    2.4.2 时间细分定位原理  24
    2.4.3 定位装置  24-26
3 整体方案设计  26-36
  3.1 基本测量原理  26
  3.2 测量原理的方案比较  26-27
  3.3 双轴联动蜗杆检测仪测量方案设计  27-28
  3.4 测量坐标系  28-33
    3.4.1 测量坐标系的建立  29-30
    3.4.2 坐标系的校准  30-33
  3.5 关键技术  33-36
4 控制系统硬件电路设计  36-50
  4.1 控制系统设计框图  36-37
  4.2 基于ARM 的运动控制电路  37-43
    4.2.1 ARM 控制器及其外围电路  37-40
    4.2.2 步进电机驱动电路  40-42
    4.2.3 电感测微仪信号转换电路  42-43
  4.3 基于FPGA 的信号检测电路  43-49
    4.3.1 信号转换电路  43-44
    4.3.2 FPGA 及其内部模块  44-49
  4.4 信号处理电路板  49-50
5 控制系统软件设计  50-62
  5.1 通信协议  50-54
    5.1.1 通讯方基本构成  50
    5.1.2 握手协议  50-51
    5.1.3 下传协议  51-52
    5.1.4 上传协议  52-53
    5.1.5 通讯过程约定  53-54
  5.2 下位机软件设计  54-62
    5.2.1 下位机总体设计方案  54-55
    5.2.2 定位状态软件设计  55-58
    5.2.3 检测状态软件设计  58-62
6 实验研究  62-68
  6.1 精密定位验证实验  62-65
  6.2 环面蜗杆制造误差检测验证实验  65-68
7 结论  68-70
  7.1 总结  68
  7.2 展望  68-70
致谢  70-72
参考文献  72-74
个人简历、 在学期间发表的学术论文及取得的研究成果  74

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 公差与技术测量及机械量仪 > 一般性问题
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