一種偏心軸類零件的測試平臺設計

秦利明 李軍 林樹森 宋存貴 錢楨濤

摘 ?要： 為了解決壓縮機關鍵零部件偏心軸的在線測量問題，文中設計一種基于STM32的偏心軸類零件的測試平臺。該款基于測微儀與帶編碼器步進電機的偏心軸測試平臺，實現了多種規格偏心軸零件的測量，并能在上位機上實時顯示測量數據。通過對測量系統的誤差來源系統分析，完成主要誤差源的建模與誤差補償。實驗與分析結果表明，文中所設計的平臺在測量速度、測量精度及系統穩定性等方面均有較好的表現，達到了設計目標。

關鍵詞： 偏心軸測量; 測量平臺設計; 誤差建模; 誤差補償; 在線測量; 實時顯示

中圖分類號： TN304.07?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

隨著工業制造技術向著自動化、智能化的快速發展，準確、高效的軸徑測量技術[1]日趨重要。偏心軸是機械設備中常用的典型零件，其主要作用是傳遞動力和扭矩，廣泛地應用于壓縮機、減速器等設備中[2]。因此，對于其尺寸進行高精度的準確、高效測量，將直接影響到工業生產的安全性與高效性[3]。針對偏心軸的測量需求，本文開發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、測量數據精準和穩定性高的特點。

1 ?測量系統硬件設計

本測量平臺由大理石板、3組直線導軌，以及帶編碼器的步進電機、偏擺儀和測微儀等零部件組成，如圖1所示。其主要性能參數如表1所示。

本測量系統使用STM32F103ZET6芯片[4]，其時鐘頻率高達72 MHz，是同類STM32系列產品中性能較好的芯片。使用的外設包括57HSZ3N型閉環步進電機[5]、HBS57電機驅動器[6]、LCD顯示屏、觸摸屏模塊和LED燈等。使用到的芯片內部資源包括UART串口通信和I2C通信[7]，以及利用時鐘相位信號控制步進電機驅動器，進而控制步進電機。系統的硬件結構如圖2所示。

本次設計中，未采用STM32F103ZET6開發板的PWM波控制步進電機[8]，而是通過電機驅動器進行控制，減少單片機的軟件負擔。僅需幾個字節的信號即可實現對步進電機的實時控制，也便于實現步進電機的閉環控制[9]，使得步進電機的轉速與轉角更加穩定、精確，可以有效減少驅動誤差的產生，從而能夠大幅度提升測量精度。

2 ?系統軟件設計

如圖3所示，觸摸屏上輸入數據D1，D2，系統自動計算移動距離，將計算得到的數據通過I2C通信移動至E2PROM。F103芯片發送相應脈沖至HBS57步進電機驅動器，驅動57HSZ3N步進電機移動至目標位置;觸發觸摸屏上的Return 0，F103芯片發出控制脈沖信號，控制步進電機返回到坐標原點。同時，在芯片內進行I2C通信，將E2PROM內的數據清除。開發板自帶的3個按鍵作用分別如下：Key1控制步進電機進行逆時針旋轉;Key2控制步進電機順時針旋轉;Key3用來選擇倍率。具體測量操作流程如圖4所示。

對步進電機的閉環控制進行設計，其思路如下：在HBS57電機驅動器接收到STM32F103ZET6芯片發送來的控制脈沖指令[10]后，結合步進電機內部發送的編碼器脈沖，判斷電機轉向、轉速及轉角。驅動器進行PID計算，而步進電機根據指令旋轉至目標位置，其控制流程如圖5所示。

本設計采用型號為57HSZ3N的閉環步進電機和型號為HBS57的電機，使用系統自帶的PWM斬波器控制，其具有良好的扭矩頻率特性。單片機僅需傳輸正轉或反轉信息以及是否選擇脫機模式，這樣時鐘即可對電機進行閉環控制。

3 ?機構誤差分析

該測量平臺在設計和制作過程中，各個組成部分的零部件設計與安裝精度較高，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。

本計量測試平臺的機構誤差主要來源為構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]等機械結構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，從而導致測量誤差。

本文稱上部運動軸系為軸1，被測零件運動軸為軸2，以軸1分析機構誤差對測量的影響。以軸1頂點為坐標原點，豎直向上為y軸正向建立空間坐標系。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]，工件軸線和導軌平行度誤差[δ4]。上述4項誤差分別由工件和測試平臺引起。z向定位誤差[δ2]不會影響偏心軸的測量而造成測量誤差。在實際測量前，V型塊和偏擺儀之間同軸度誤差[δ3]會通過控制程序輸入相應的移動值，由步進電機帶動絲杠移動，以保證[δ3]滿足測量要求。通過對軸2的分析可知，僅[δ4]會造成測量誤差。理想狀況時，被測零件軸線與z軸平行，與x，y軸平面垂直，此時[δ4]不會產生誤差。但實際測量時，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]。在此誤差情況下產生的測量值為：

機構誤差在機械結構固定的情況下，趨于穩定且具有良好的重復性。通過誤差補償技術對誤差進行分離，從而提高測量精度。

4 ?實驗結果分析

為驗證最終測量精度，對步進電機的控制精度做控制實驗，比較預期位置與實際位置間的誤差，其結果如表2所示。

表2中的數據是通過多次控制測量所得結果。從表2中可以看出，第一次移動2 mm時，誤差較大，之后的同向移動時，帶編碼器的步進電機控制的絲杠組移動誤差均在滿足要求之內。故在實際測量使用時，先控制電機反向運動一段距離d，然后再正向移動[d+Δd2]，其中Δd為偏心軸某端直徑與標準芯軸差值。

測試裝置的兩軸（Y軸、Z軸）具有較高的測量精度，由機構引入的誤差可忽略不計。在后續測量中，對被測零件進行比較式測量。在對某型號零件進行測量時，使用標準心軸在測量平臺上進行標準校核，以消除軸系幾何誤差引起的測量誤差。

隨機選取8件偏心軸零件，分別使用本測試平臺和常規測試兩種方法，對樣品進行測量，結果如表3所示。其中，本文測量平臺所測量的偏心距記為[ep]，平行度記為[hp];在常規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]表示測量平臺實際測量的偏心距。可以看出，測量誤差在0.01～0.03之間，主要處于0.01左右。在后續的多組測量中發現，測量誤差均低于0.1%。測量誤差在0.039 mm的實驗組誤差，經驗證，誤差來源于測量頭與工件軸線未垂直。

5 ?結 ?論

本文基于接觸式的偏心軸測量平臺，通過巧妙的機械結構設計可以達到較高的測量精度，實現高效的在線測量，能夠對不同規格的偏心軸零件的偏心距、偏心部分的平行度進行測量。同時，分析測量裝置的誤差來源，對誤差來源進行建模與分析。實驗結果表明，測量裝置具有良好的測量精度與工作效率，能夠廣泛運用于工業生產實際測量中。

參考文獻

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