一種偏心軸類零件的測試平臺(tái)設(shè)計(jì)

秦利明 李軍 林樹森 宋存貴 錢楨濤

摘 ?要： 為了解決壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件偏心軸的在線測量問題，文中設(shè)計(jì)一種基于STM32的偏心軸類零件的測試平臺(tái)。該款基于測微儀與帶編碼器步進(jìn)電機(jī)的偏心軸測試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多種規(guī)格偏心軸零件的測量，并能在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示測量數(shù)據(jù)。通過對(duì)測量系統(tǒng)的誤差來源系統(tǒng)分析，完成主要誤差源的建模與誤差補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果表明，文中所設(shè)計(jì)的平臺(tái)在測量速度、測量精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面均有較好的表現(xiàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 偏心軸測量; 測量平臺(tái)設(shè)計(jì); 誤差建模; 誤差補(bǔ)償; 在線測量; 實(shí)時(shí)顯示

中圖分類號(hào)： TN304.07?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）12?0035?03

Abstract： A STM32?based testing platform of eccentric shaft parts is designed to achieve the online measurement of the eccentric shaft （key component） in the compressor. The eccentric shaft testing platform based on the micrometer and the stepper motor with encoder can measure the eccentric shaft parts of various specifications and display the measured data in real time on the upper computer. The modeling and error compensation of the main error sources are completed by means of the systematic analysis of the error sources of the measurement system. The experimental and analytical results show that the designed platform has good performance in measuring speed， measuring accuracy and system stability， and has achieved the design goal.

Keywords： eccentric shaft measurement; measurement platform design; error modeling; error compensation; online measurement; real?time display

0 ?引 ?言

隨著工業(yè)制造技術(shù)向著自動(dòng)化、智能化的快速發(fā)展，準(zhǔn)確、高效的軸徑測量技術(shù)[1]日趨重要。偏心軸是機(jī)械設(shè)備中常用的典型零件，其主要作用是傳遞動(dòng)力和扭矩，廣泛地應(yīng)用于壓縮機(jī)、減速器等設(shè)備中[2]。因此，對(duì)于其尺寸進(jìn)行高精度的準(zhǔn)確、高效測量，將直接影響到工業(yè)生產(chǎn)的安全性與高效性[3]。針對(duì)偏心軸的測量需求，本文開發(fā)了一套偏心軸偏心距、平行度的測量工具，該工具具有測量速度快、測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

1 ?測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本測量平臺(tái)由大理石板、3組直線導(dǎo)軌，以及帶編碼器的步進(jìn)電機(jī)、偏擺儀和測微儀等零部件組成，如圖1所示。其主要性能參數(shù)如表1所示。

本測量系統(tǒng)使用STM32F103ZET6芯片[4]，其時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，是同類STM32系列產(chǎn)品中性能較好的芯片。使用的外設(shè)包括57HSZ3N型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)[5]、HBS57電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[6]、LCD顯示屏、觸摸屏模塊和LED燈等。使用到的芯片內(nèi)部資源包括UART串口通信和I2C通信[7]，以及利用時(shí)鐘相位信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本次設(shè)計(jì)中，未采用STM32F103ZET6開發(fā)板的PWM波控制步進(jìn)電機(jī)[8]，而是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，減少單片機(jī)的軟件負(fù)擔(dān)。僅需幾個(gè)字節(jié)的信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，也便于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制[9]，使得步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角更加穩(wěn)定、精確，可以有效減少驅(qū)動(dòng)誤差的產(chǎn)生，從而能夠大幅度提升測量精度。

2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示，觸摸屏上輸入數(shù)據(jù)D1，D2，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算移動(dòng)距離，將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)通過I2C通信移動(dòng)至E2PROM。F103芯片發(fā)送相應(yīng)脈沖至HBS57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)57HSZ3N步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)至目標(biāo)位置;觸發(fā)觸摸屏上的Return 0，F(xiàn)103芯片發(fā)出控制脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)返回到坐標(biāo)原點(diǎn)。同時(shí)，在芯片內(nèi)進(jìn)行I2C通信，將E2PROM內(nèi)的數(shù)據(jù)清除。開發(fā)板自帶的3個(gè)按鍵作用分別如下：Key1控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);Key2控制步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn);Key3用來選擇倍率。具體測量操作流程如圖4所示。

對(duì)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，其思路如下：在HBS57電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到STM32F103ZET6芯片發(fā)送來的控制脈沖指令[10]后，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部發(fā)送的編碼器脈沖，判斷電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角。驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行PID計(jì)算，而步進(jìn)電機(jī)根據(jù)指令旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)位置，其控制流程如圖5所示。

本設(shè)計(jì)采用型號(hào)為57HSZ3N的閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)和型號(hào)為HBS57的電機(jī)，使用系統(tǒng)自帶的PWM斬波器控制，其具有良好的扭矩頻率特性。單片機(jī)僅需傳輸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)信息以及是否選擇脫機(jī)模式，這樣時(shí)鐘即可對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。

3 ?機(jī)構(gòu)誤差分析

該測量平臺(tái)在設(shè)計(jì)和制作過程中，各個(gè)組成部分的零部件設(shè)計(jì)與安裝精度較高，但在測量過程中無法避免存在原理性和人為誤差。本次測量存在的主要誤差源如圖6所示。

本計(jì)量測試平臺(tái)的機(jī)構(gòu)誤差主要來源為構(gòu)件加工與裝配中的安裝誤差[11]。理想情況下，被測零件在平臺(tái)上安裝后，偏心軸被測部位垂直于傳感器。由于滾珠絲杠副[12]等機(jī)械結(jié)構(gòu)存在制造與安裝誤差，被測零件測試部位z方向與測試傳感器間存在不確定夾角，從而導(dǎo)致測量誤差。

本文稱上部運(yùn)動(dòng)軸系為軸1，被測零件運(yùn)動(dòng)軸為軸2，以軸1分析機(jī)構(gòu)誤差對(duì)測量的影響。以軸1頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎直向上為y軸正向建立空間坐標(biāo)系。可知，誤差來源[13]于工件表面素線的直線度誤差[δ1]，z向定位誤差[δ2]，V型塊和偏擺儀之間同軸度誤差[δ3]，工件軸線和導(dǎo)軌平行度誤差[δ4]。上述4項(xiàng)誤差分別由工件和測試平臺(tái)引起。z向定位誤差[δ2]不會(huì)影響偏心軸的測量而造成測量誤差。在實(shí)際測量前，V型塊和偏擺儀之間同軸度誤差[δ3]會(huì)通過控制程序輸入相應(yīng)的移動(dòng)值，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠移動(dòng)，以保證[δ3]滿足測量要求。通過對(duì)軸2的分析可知，僅[δ4]會(huì)造成測量誤差。理想狀況時(shí)，被測零件軸線與z軸平行，與x，y軸平面垂直，此時(shí)[δ4]不會(huì)產(chǎn)生誤差。但實(shí)際測量時(shí)，由于安裝、變形等多方因素影響，被測零件與z軸存在角度差[β]。在此誤差情況下產(chǎn)生的測量值為：

機(jī)構(gòu)誤差在機(jī)械結(jié)構(gòu)固定的情況下，趨于穩(wěn)定且具有良好的重復(fù)性。通過誤差補(bǔ)償技術(shù)對(duì)誤差進(jìn)行分離，從而提高測量精度。

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證最終測量精度，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制精度做控制實(shí)驗(yàn)，比較預(yù)期位置與實(shí)際位置間的誤差，其結(jié)果如表2所示。

表2中的數(shù)據(jù)是通過多次控制測量所得結(jié)果。從表2中可以看出，第一次移動(dòng)2 mm時(shí)，誤差較大，之后的同向移動(dòng)時(shí)，帶編碼器的步進(jìn)電機(jī)控制的絲杠組移動(dòng)誤差均在滿足要求之內(nèi)。故在實(shí)際測量使用時(shí)，先控制電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)一段距離d，然后再正向移動(dòng)[d+Δd2]，其中Δd為偏心軸某端直徑與標(biāo)準(zhǔn)芯軸差值。

測試裝置的兩軸（Y軸、Z軸）具有較高的測量精度，由機(jī)構(gòu)引入的誤差可忽略不計(jì)。在后續(xù)測量中，對(duì)被測零件進(jìn)行比較式測量。在對(duì)某型號(hào)零件進(jìn)行測量時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)心軸在測量平臺(tái)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)校核，以消除軸系幾何誤差引起的測量誤差。

隨機(jī)選取8件偏心軸零件，分別使用本測試平臺(tái)和常規(guī)測試兩種方法，對(duì)樣品進(jìn)行測量，結(jié)果如表3所示。其中，本文測量平臺(tái)所測量的偏心距記為[ep]，平行度記為[hp];在常規(guī)測試方法中所測量的偏心距記為[ec]，平行度記為[hc];偏心距誤差為[ei]，平行度誤差記為[hi]。

式中[ep]表示測量平臺(tái)實(shí)際測量的偏心距?？梢钥闯?，測量誤差在0.01～0.03之間，主要處于0.01左右。在后續(xù)的多組測量中發(fā)現(xiàn)，測量誤差均低于0.1%。測量誤差在0.039 mm的實(shí)驗(yàn)組誤差，經(jīng)驗(yàn)證，誤差來源于測量頭與工件軸線未垂直。

5 ?結(jié) ?論

本文基于接觸式的偏心軸測量平臺(tái)，通過巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以達(dá)到較高的測量精度，實(shí)現(xiàn)高效的在線測量，能夠?qū)Σ煌?guī)格的偏心軸零件的偏心距、偏心部分的平行度進(jìn)行測量。同時(shí)，分析測量裝置的誤差來源，對(duì)誤差來源進(jìn)行建模與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測量裝置具有良好的測量精度與工作效率，能夠廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際測量中。

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