基于LVDT傳感器的軸徑在線測量系統(tǒng)

于潤祥，陳 彬，蔡志民

(1.華北科技學(xué)院 機電工程學(xué)院,北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 河北省礦山設(shè)備安全監(jiān)測重點實驗室,北京 東燕郊 065201)

0 引言

軸類零件作為機械系統(tǒng)中最常用的零部件之一，對旋轉(zhuǎn)類零件(如齒輪)起支撐作用，以此來傳遞扭矩，運動等。目前工人主要使用卡尺等工具對軸類零件尺寸進行測量；也有學(xué)者研究利用機器視覺技術(shù)進行軸徑尺寸的測量，這些方法在小批量及抽檢過程中，具有很好的實用性，在大規(guī)模生產(chǎn)過程中，存在檢測速度慢，檢測成本高的問題[1]。當(dāng)前制造類企業(yè)對軸類零件尺寸的檢測，以低成本，高效率的自動化檢測為目標(biāo)。

相對于離線測量存在檢測效率低等缺點，在線測量檢測技術(shù)，可以將傳感信號采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果實時統(tǒng)計等工序集中在一起，實現(xiàn)流水線式生產(chǎn)，有效的提高了檢測的效率。目前實時在線測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機械加工、石油化工和精密測試中。本文采用在線實時測量技術(shù)，來對軸類零部件檢測和分選。考慮到差動式位移傳感器(簡稱LVDT)具備線性好、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈敏度高、易于實時測量等優(yōu)點[2-5]。設(shè)計了一種軸徑在線測量與分選系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用LVDT傳感器獲取軸徑的尺寸信息，通過單片機采集與處理后實時對軸徑的尺寸進行記錄與分選統(tǒng)計。其中LVDT主要由鐵芯、初級線圈、兩個次級線圈組成，鐵芯位置的變動與線圈互感系數(shù)之間存在對應(yīng)的線性關(guān)系，因此輸出信號與鐵芯之間存在對應(yīng)的關(guān)系，最后通過線性擬合實現(xiàn)位移的測量[6-8]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

設(shè)計的系統(tǒng)從整體上可分為三部分：①LVDT傳感器及其信號處理部分，主要利用傳感器與輔助結(jié)構(gòu)將軸徑的尺寸信息變成與之成比例的模擬信號；②單片機數(shù)據(jù)采集與處理部分，這一部分主要將模擬信號變成數(shù)字信號并進行尺寸的換算與其他信息的顯示等；③輔助送料與分選機構(gòu)，采用步進電機驅(qū)動送料傳送鏈，將待測軸放置在待測點，軸徑尺寸經(jīng)過系統(tǒng)計算后，根據(jù)設(shè)置的判別標(biāo)準(zhǔn)，利用步進電機驅(qū)動分選擋板，將軸徑合格與不合格的分放在兩個料斗中。

系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖如圖1所示。LVDT傳感器作為一種電感式傳感器，其原邊線圈需要激勵信號，產(chǎn)生交變磁場供次級線圈拾取。在其他條件一定的情況下，次級線圈輸出的信號與處于中心的鐵芯位置有關(guān)，信號含有干擾信號，需要進行調(diào)理將干擾信號去除。單片機是整個系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)對其他模塊電路的控制，以及驅(qū)動步進電機進行軸類零件的上料和分選。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路主要由LVDT傳感器激勵信號電路、輸出信號調(diào)理電路、單片機最小系統(tǒng)、AD采集電路以及其他電路組成。

2.1 激勵信號產(chǎn)生電路

由于LVDT傳感器是一種差動變壓器，初級線圈需要交變激勵信號[9]，因此利用CD4069芯片來產(chǎn)生所需要的交變信號。CD4069內(nèi)部包含六個相同的反向器，可以方便的通過電阻電容組成信號發(fā)生電路，所設(shè)計的交變信號電路如圖2所示。

圖2 激勵信號產(chǎn)生電路

合理利用CD4069以及提高交變信號的功率，可將剩余的4路反向器并聯(lián)作為緩沖器，來提高電路的帶負(fù)載能力。

2.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要由信號整流電路與放大濾波電路組成，如下圖3所示。

圖3 信號調(diào)理電路

為辨別LVDT位移的正負(fù)，設(shè)計了基于整流橋的差動信號調(diào)理電路。當(dāng)鐵芯處于中間位置，通過調(diào)節(jié)電阻R3，使信號輸出為零，當(dāng)鐵芯向上運動時，上面的整流橋輸出電壓大于下面整流橋的輸出電壓，最終的輸出電壓為正。反之，當(dāng)鐵芯向下運動時，上面的整流橋輸出電壓小于下面整流橋的輸出電壓，最終的輸出電壓為負(fù)。通過輸出電壓的正負(fù)極性，就可以對鐵芯運動方向進行判別。

由于輸出的位移信號微弱，并包含干擾信號[10]，因此，設(shè)計了基于LM324的信號濾波與放大電路，通過調(diào)節(jié)可變電阻R16與電容C2，可以對信號的放大倍數(shù)與濾波截止頻率進行調(diào)節(jié)。從而使LVDT傳感器的模擬輸出信號能夠準(zhǔn)確可靠的反映鐵芯的位置，從而提高位移測量的準(zhǔn)確性。

2.3 高精度A/D采集電路

為準(zhǔn)確的對LVDT傳感器輸出的模擬信號進行采集，綜合考慮檢測的速度與精度，選擇了ADI公司的24位高精度AD采集芯片AD7799對位移信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

AD7799內(nèi)部主要由模擬多路開關(guān)、輸入緩沖器、可編程增益控制器、可編程數(shù)字濾波器、串行SPI接口及時鐘發(fā)生器組成。AD7799采用外部參考電壓，外部電壓采用差動式，使用LM336芯片提供穩(wěn)定的2.5 V參考電壓。

在單端信號輸入時，LVDT傳感器輸出的電壓有可能超過5 V，超過了AD7799的最大量程電壓，需要對輸入電壓進行預(yù)處理，本文采用電阻分壓電路以及阻容濾波電路進行信號的預(yù)處理。使LVDT輸入的模擬信號經(jīng)過預(yù)處理電路后，滿足單端輸入的要求，輸出數(shù)字量后，采用STM單片機自帶的SPI接口，與AD7799進行數(shù)據(jù)的讀取，單片機以及外加參考電壓的接線圖如下圖4所示。整個器件的初始化以及讀寫命令可通過對芯片內(nèi)部的7個獨立寄存器配置來設(shè)置，各種參數(shù)的配置命令字可在芯片數(shù)據(jù)手冊查到。

圖4 AD7799接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示，主要有AD7799驅(qū)動程序、顯示屏驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)處理程序等幾部分，主控制器采用STM32系列單片機，主頻為72 MHz，可快速實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集，內(nèi)部采用濾波處理，使得輸出的位移量能夠滿足精度的要求，而且AD芯片的采樣頻率較高，滿足快速化的測量。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)進行初始化，完成AD芯片的初始化配置，然后對LVDT信號進行采集，每采集一次，進行數(shù)據(jù)計算，得出軸徑的大小，并與所設(shè)定的軸徑進行分類并進行存儲等操作。

3.1 AD驅(qū)動程序

AD7799采用SPI通訊方式，由于只用到一片AD7799芯片，因此CS片選端可以直接接地。AD采集程序的編寫主要包括讀函數(shù)、寫函數(shù)、初始化函數(shù)以及AD轉(zhuǎn)換函數(shù)。

在AD轉(zhuǎn)換函數(shù)中，首先配置讀狀態(tài)寄存器，然后判斷是否讀寫異?；蛘叱鲥e，如何沒有出錯進行下一步，由于AD7799是24位分辨率的AD芯片，因此轉(zhuǎn)換讀取的數(shù)據(jù)分成3次，每次讀取一個字節(jié)，從而最終完成24位精度的采集，AD采集子程序流程圖如圖6所示。

圖6 AD采樣處理流程圖

3.2 采樣數(shù)據(jù)處理

由于系統(tǒng)會受到工作環(huán)境及外界的干擾，為保證采樣數(shù)據(jù)的正確性，采用數(shù)據(jù)變化判斷算法，將每次轉(zhuǎn)化得到的數(shù)據(jù)與濾波器里的均方根進行比較，判斷是否超過閾值，從而得到一個精確的電壓值。通過這種原理，在軟件設(shè)計中采用比較的方式，當(dāng)輸出值的波動量在預(yù)期的范圍之內(nèi)時，則輸出，當(dāng)輸出超出閾值時，丟棄結(jié)果，再次采集數(shù)據(jù)直到數(shù)據(jù)滿足要求為止。最后通過線性擬合計算出鐵芯的位移量，即為測量的位移，并通過顯示屏顯示及進行數(shù)據(jù)的保存。

4 試驗測試分析

對系統(tǒng)測量精度進行測試，利用數(shù)控加工中心，加工了五種不同尺寸的軸徑，利用該系統(tǒng)，對不同軸徑的試件進行了5次測量并取平均值得到測試值，并與標(biāo)準(zhǔn)測量獲取的數(shù)據(jù)進行比較測試，測量結(jié)果與分析如表1所示。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠?qū)S徑的尺寸進行準(zhǔn)確的測量，誤差在2%以內(nèi)，可以滿足對普通軸徑尺寸測量的需要。

表1 不同規(guī)格軸徑測量結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 進行了軸徑檢測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，并分模塊進行了硬件電路的設(shè)計，采用高精度AD7799進行模—數(shù)轉(zhuǎn)換，保證了信號獲取的準(zhǔn)確度。

(2) 對采集數(shù)據(jù)進行了預(yù)處理，采用濾波與數(shù)據(jù)判別算法，對位移數(shù)據(jù)進行處理，進一步提高了位移測量的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)可用于各種軸的直徑在線測量，測量精度誤差在2%之內(nèi)，具有較好的重復(fù)性等特點。