基于LPC3250大型轴类工件高准确度在线测量系统

　　引言

　　随着机械加工技术的不断发展，可加工的大型零部件的空间尺寸变得越来越大，从几米已扩展到几十米、几百米、甚至上千米，而其需要的安装精度也越来越高，因此对测量技术也提出越来越高的要求。其中，大型轴类零件直径的高准确度在线测量便是在许多重大技术装备制造中普遍提出又急需解决的共性技术测量问题。大型轴类零件直径的在线检测因存在很多困难，难以实现高准确度测量，目前没有理想的方法和仪器。

　　研制的多滚压轮大直径在线测量系统，通过：⑴多个滚压轮冗余测量;⑵非均匀温度场引起测量误差修正;⑶多路多类信号融合;⑷防滑滚压轮结构设计;⑸滚压轮变形修正等方法和技术上的创新，提高了“滚压轮法”测量大直径的准确度，实现了在D=1m~5m的测量范围内，测量准确度达到5mm/m。

　　系统概述

　　该系统主要由机械、嵌入式硬件和软件三部分组成。机械部分是整个系统工作的载体，采集数据所用的传感器都安装其上;嵌入式硬件部分负责采集反映大直径零件各项参数的数据，其中直径由圆光栅通过计数间接计算获得，圆度误差通过SONY探规信号间接计算获得。该系统测量模型为：

　　式(1)中D为被测大轴直径，d为标准滚压轮直径，F为滚压轮在大轴旋转的整圈内转过的角度，N为大轴旋转的圈数。

　　滚压轮法测量易受接触打滑、滚压轮受压变形和温度引起的变形的影响，这就极大地限制了测量的准确度，在本系统中针对这三个影响因素分别设计了防滑机构、和滚压轮压力测量和温度测量系统。针对所有传感器设计基于LPC3250的专用电路，利用其丰富接口和相应功能模块，设计包括整形、倍频、整体控制、LCD显示、USB设备存储、电源与复位、网络接口、键盘、计数、模拟量信号采集和语音提示等功能模块。

　　对于直径测量，应该修正压力变形对测量结果的影响，再利用光栅所测量数据进行处理，然后按式(1)进行计算，得出最终测量直径。对于圆度测量，利用探规测量数据进行相应的FFT和IFFT运算，消除偏心对测量结果影响，并求出圆度测量值。

　　硬件设计

　　系统传感器

　　本测量系统中，滚压轮转角测量采用了与滚压轮同轴安装的圆光栅测角系统。在本测量系统中使用的EE-SX672A是一种放大器内藏型光电开关，采用亮动工作方式。另外设计了多路温度检测系统完成测量，该多路温度检测系统由多只Pt100铂电阻传感器组成。

　　在系统的测量中要保证每个测数滚压轮和被测工件的表面接触均匀，这样才能使数据具有可比性，选用的压力计是BK-2F负荷传感器。对于系统另外一个重要测量圆度，采用SONY公司探规来实现，其型号为DG10BPM。

　　系统结构及功能

　　基于LPC3250大型轴类工件高准确度在线测量系统总体原理结构框图如图1所示，可以实现测量圈数可调便携式测量，本系统LPC3250与圈数控制模块共同实现准确控制。圆光栅和SONY探规信号具有相似性，只是实际情况是圆光栅测量过程中是单向性转动(在反转状况下会出现双向运动)，而SONY探规由于测量表面形状，是双向运动，因此圆光栅可以直接利用LPC3250计数器进行计数，而探规信号经双向计数模块经由I/O口读数，压力传感器信号经过信号调理，根据对测量结果影响经过A/D转换后送入LPC3250，温度传感器信号可以直接利用LPC3250自身A/D转换实现数据采集。

　　前段控制电路

　　光电开关信号是幅值可调的脉冲信号，在这个设计方案中，光电传感器的每个上升沿就代表滚轮转过一圈。系统可以设定在滚轮旋转N圈的过程对光栅传感器信号、探规信号、压力信号和温度信号进行实时采集。测量原理要求做到即采即停，可以用硬件和软件来实现这个目标，但硬件相对来说响应准时，所以系统采用硬件实现该功能。

　　电源模块

　　根据系统电路需要，共设计五组电源，即5V、3.3V、2.8V、1.8V和1.2V，其中5V电源主要作为外界芯片的供电电源和转换电源，后面四组作为LPC3250各个模块需要的电源。系统接进电源是9V，用LM2575开关稳压电源将9V稳压到5V，五组电源采用相应的稳压模块来实现。

　　传感器相应功能模块

　　探规信号模块

　　SONY探规输出是A/B四路差分信号。通过9针口把探规信号引进来之后，对它的四路信号进行RC二阶低通滤波，然后通过差动线路接收器将4路信号变成2路差分信号，经过相应处理后送入到相应的计数模块。

　　圆光栅信号模块

　　光栅读数头输出四路信号，DRO板对四路信号进行细分之后转换成数字信号。先将这四路信号经过RC二阶低通滤波器滤除干扰，经过相应信号调理后送入LPC3250计数器接口。

　　压力信号模块和温度信号模块

　　压力传感器是BK—3类型的，输出为0~5V的模拟信号。选用AD7805进行模数转化，然后将数据传输给LPC3250中，而温度传感器相对来说要求较低，信号进行RC二阶低通滤波器滤波，送到LPC3250自带的ADC模数转换模块。

　　其他功能及接口模块

　　复位电路

　　本系统中，复位电路采用了专用带I2C存储器的电源监控芯片，复位门槛电压为3.0V~3.15V，极大地提高了系统可靠性。

　　系统时钟电路

　　本设计使用了内部PLL电路，外部晶振可为10~25MHz。在模块设计时，根据实际需要考虑，系统的外部晶振设定为13MHz，RTC的时钟频率设定为32.768KHz。

　　另外，由于HCLT-2032需要输入一个频率为33MHz的操作时钟源，于是设计了一个33MHz的时钟源。

　　JTAG接口

　　本系统中，JTAG测试电路接口采用的是ARM公司提出的标准20针脚JTAG仿真测试接口。

　　键盘模块

　　系统中设计一个4×3的键盘模块。每一列都有一个上拉电阻，12个按键分别为0~9数字键和J、ENTER两个符号键。

　　LCD模块

　　LCD模块是比较人性化的人机接口部分，在这个系统中选用了TFT3224-3.5B——带触摸屏的液晶显示模块。在本系统中设计LCD是为了实时显示采集的四路传感器数值、以及滚轮旋转的圈数N，并能实时显示各传感器测量数据曲线。

　　系统存储器电路(SRAM和FLASH)

　　本系统还扩展了2MB的NOR FLASH和8MB的PSRAM。为了方便程序调试以及最终代码的固化应用，使用了LPC3250外部存储器接口的地址空间。

　　外部接口(USB、I2S、MAC、SD接口)

　　为了完整地应用LPC3250各个模块，系统还设计了四个外设接口，它们分别是USB接口、I2S接口、MAC接口、SD接口。

　　软件设计及数据处理

　　采集与存储程序

　　软件是整体功能实现及各硬件协同工作的重要保障，设计软件首先针对要实现的任务进行任务划分并设计软件流程图，由于要监测测量过程中各个测量参数，防止打滑等其他因素影响测量结果，并且不同参数对应不同测量要求，测量软件流程图如图2所示。

　　数据处理程序

　　圆度误差测量过程中，工件或旋转测头支承的径向跳动对测量结果有很大影响，采用三点法将被测工件圆度误差信息与旋转支承的径向跳动分离。另外一项重要测量参数直径，需要综合考虑压力、打滑和温度对测量结果的影响，直径测量程序处理流程图如图3所示。

　　结语

　　本系统根据测量要求，利用了LPC3250微处理器丰富的芯片资源，极大程度地节省了开发成本，缩短了研发周期，具有友好的人机交互操作和丰富的接口资源，具有可扩展性和协同工作性，便携式设计容易安装测量。可以在被测工件直径D=1m~5m范围内实现连续自动化测量，动态了解加工零件状态，为下一步加工提供参考，减少废品率，直径测量不确定度可以达到U=10Dmm，k=2，圆度测量不确定达到U=4mm，k=2。本系统可以提高我国水轮机工业制造水平，并可以推广到航天、造船等工件制造业，提高我国大型工件制造能力，具有广阔市场前景。