圆度仪维修改造时的几点做法

文晓希

（国防科技大学机电工程研究所，长沙　410073）

　　摘　要：维修改造圆度仪时，采用峰——峰值采样原理，对传统的电感测量放大电路进行改进，在模拟式圆度仪上增加光电定位装置，采用先进的软件开发与信号处理工具，研制Windows环境下的应用软件，本文针对圆度仪的维修改造工作提出几点具体、实用做法。
　　关键词；圆度仪；维修；技术改造；峰值采样； 电感测量放大电路

　　一、引言

　　圆度仪是用于测量工件圆度误差的一种精密测量设备，此类设备属机电一体化产品，主要由机械与电气两大部分组成。其中，关键部件是仪器的主轴与传感器，但这两部分均属耐用精密部件，故障率较低，绝大多数设备故障出现在仪器的电气部分。本文针对电气故障，提出几点具体做法。

　　二、分析与测试

　　由于电子元器件存在一个使用寿命问题，超过一定的期限，电气性能下降，故障率上升，此时有针对性的维修，将陷入困境，不但故障频繁，有时因技术已落后连配件都难以买到，事倍功半。由于圆度仪的主轴使用寿命大大超过电气部分，因电气故障报废或闲置整台仪器均是一种极大的浪费，此时Z佳维修办法是实行技术改造。方法是：利用现有圆度仪一切有利用价值的资源（如仪器主轴、基座、工作台、传感器等），去掉已老化的电气等部分，采用新技术、新方法研制与之配套的部分，这样，改造成本将远远低于购买一台性能相当的新设备，而各项性能指标与新设备相当。通常，使用时间不超过十年的设备，可有针对性地进行维修，十年以上的设备，则应考虑技术改造。

　　1.主轴性能测试

　　仪器的主轴是Z关键的部件，主轴完好是决定改造取得成功的关键，所以改造前，必须对仪器的主轴进行测试。判断主轴是否完好，可先观测外观，了解保养与使用情况，然后再进行测试。测试方法如下：根据主轴原有精度指标选取一相应精度的位移传感器（有时也可利用仪器原有的传感器）装于主轴上，安装标准半球并调整工作台及传感器位置，找正中心，转动主轴，通过二次仪表观测传感器信号输出；进行判断时，可根据主轴旋转一周内传感器输出信号的变化量初步估算主轴的旋转精度（需要有一定的实践经验），因为该变化量主要是主轴旋转误差、标准半球的安装偏心、传感器误差等综合影响的结果，如果该变化量在允许的变化范围内，可推断出主轴完好，否则，须进一步分析。通常，可通过计算机进行采样，用Z小区域法（要求不高时可采用Z小二乘法）来分析计算。该方法可消除标准球安装偏心的影响，准确地计算出主轴旋转误差、传感器误差等的综合影响，根据误差合成与分配理论，可较准确地得出主轴的旋转精度；由于主轴安装在轴套内，没有磨损（气浮、油浮），且有良好的防护，在无外界冲击等情况的影响下，主轴应保持完好。

　　2.传感器精度测试

　　传感器也属耐用精密部件，改造前必须进行测试。测试传感器时，可采用微动台架、标准量块等，将传感器连接到测微仪或相应的二次仪表上并安装好，调整微动台架、更换量块，用示波器或数字万用表等观测传感器的信号输出，通过对信号进行分析与处理，可判断出传感器的完好情况。进一步测试可采用相应的传感器精度测试系统（如传感器信号采集与分析系统）对传感器精度进行全面测试，如发现精度有问题，可先检查传感器（如DQR系列传感器）刀口簧片的完好情况，必要时可更换该簧片，否则，须维修或更换传感器。

　　三、研制与开发

　　1.测量放大电路的改进

　　测量放大电路是仪器电气的核心部分，电路精度应与传感器精度相匹配，针对高精度电感式位移传感器，我们对传统的测量放大电路进行了改进，去掉了传统电路中的相敏检波与整流环节，直接采样载波信号的峰值点，由于载波信号峰值点的包络线就是传感器的测量信号，且该包络线呈水平对称分布，载波信号的波峰与波谷有规律地分布在不同的包络线上，经数据处理后，便可得到传感器测量信号的数字信号，硬件上减少了有关信号处理环节对测量结果带来的影响，提高了系统的稳定性与可靠性，电路原理框图见图1。

　　电路调试要点是采用高精度的基准源（可采用晶振），使采样触发信号的触发缘对准测量信号的峰值点，为减小元器件热效应等的影响，传感器电桥激励电压宜控制在1V左右。

　　2.采样开始与结束信号的获取

　　在对模拟式圆度仪进行改造时，硬件上需增加一个采样开始与结束的信号发生装置，用来确定采样点的位置，此装置采用如下简便方法，便可很好地解决。

　　利用一个MOC70T光电二级管，制做一个图2所示小装置，用胶木或不透光材料制做一薄圆盘，圆盘上开一小狭缝，把圆盘与光电耦合管按图示位置装于主轴与机座上。圆盘随主轴转动，当圆盘上的狭缝对准光电管时，依据光电耦合原理，可产生一个脉冲信号，此信号可送至I/O接口，用于采样控制，此装置结构简单，便于安装调试，性能稳定可靠。

　　3.软件实现

　　研制开发在Windows环境下的应用软件是改造工作的主要内容，主要包括：软件界面、I/O接口、采样、数据处理、存储、显示与打印等功能实现。良好性能的应用软件不但可以给使用带来方便，而且可充分展现仪器的各种性能，较适合的开发环境有VisualC++、C++Builder等。

　　圆度误差评定是数据处理的核心工作，主要包括MZC、LSC、MIC、以及MCC 4种评定方法的软件实现，其中又以MZCZ为重要。编制MZC评定程序，是在LSC基础上，通过移动Z小二乘圆心，寻找内外相间的4个特殊点来实现的。圆心移动时主要涉及二个参数，一个是移动方向，另一个是移动步长，可采用逐次逼近法与精确计算法。逐次逼近法原理较简单，但移动次数不确定，且Z终只能实现在一定程度上的逼近。精确计算法是在给定的移动方向上，算出每一点的步长，选取Z小步长来实现。移动次数确定，并可得到精确解，但计算量较大，由于计算机性能越来越强，通常应用精确计算法。MIC与MCC均可依照MZC原理找到精确解。

　　接口软件主要涉及中断服务程序的设计与装载、接口芯片的初始化以及由接口电路和主机完成的功能中涉及的算化及程序实现。编制相对复杂，若采用Soft ICE调试工具，加大了改造工作的难度并使改造工作复杂化，非常实用与简便的方法是采用共享软件Tvic HW32。该软件可在Windows NT及以上的系统实现I/O空间和内存映射空间的I/O，以及硬件中断、DMA等功能，且提供了DLL、Active X和VCL形式的接口组件，可以与VisualC++、C++Bulider、Delphi等大多数开发环境协同使用，此软件可从www.entechtaiwan.com网站免费下载。

　　数字滤波软件与频谱分析软件可采用数学软件MATLAB来完成。MATLAB工具箱支持的原理滤波器是单输入单输出的线性时不变数字滤波器，可以用几种模型中的一种来表示线性时不变系统，并可以在不同表示形式间进行转换。工具箱为滤波器设计和谱分析提供了丰富的支持，很容易针对不同的应用来进行设计，既可以直接设计数字滤波器，也可以建立模拟原型并离散化。工具箱函数亦能用参数或非参数技术来估计功率谱密度和互谱密度，而且能计算或画图显示系统的频率响应，进行系统辨识、Hilbert变换、波形信号处理、瞬态响应分析和通讯系统仿真等。

　　四、结束语

　　我们采用上述方法对Talyrond-73、DQR-1等圆度仪进行了技术改造，均达到了预期的目的。我们采取同样的方法，还成功地对Talysurf-6轮廓仪、Talycontor跟踪仪等计量设备进行了技术改造，同样取得了非常满意的效果。
 

来源：《计量技术》2002年 第7期