一种偏心轴类零件的测试平台设计

秦利明 李军 林树森 宋存贵 钱桢涛

摘  要： 为了解决压缩机关键零部件偏心轴的在线测量问题，文中设计一种基于STM32的偏心轴类零件的测试平台。该款基于测微仪与带编码器步进电机的偏心轴测试平台，实现了多种规格偏心轴零件的测量，并能在上位机上实时显示测量数据。通过对测量系统的误差来源系统分析，完成主要误差源的建模与误差补偿。实验与分析结果表明，文中所设计的平台在测量速度、测量精度及系统稳定性等方面均有较好的表现，达到了设计目标。

关键词： 偏心轴测量; 测量平台设计; 误差建模; 误差补偿; 在线测量; 实时显示

中图分类号： TN304.07?34; TP393                文献标识码： A                     文章编号： 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

随着工业制造技术向着自动化、智能化的快速发展，准确、高效的轴径测量技术[1]日趋重要。偏心轴是机械设备中常用的典型零件，其主要作用是传递动力和扭矩，广泛地应用于压缩机、减速器等设备中[2]。因此，对于其尺寸进行高精度的准确、高效测量，将直接影响到工业生产的安全性与高效性[3]。针对偏心轴的测量需求，本文开发了一套偏心轴偏心距、平行度的测量工具，该工具具有测量速度快、测量数据精准和稳定性高的特点。

1  测量系统硬件设计

本测量平台由大理石板、3组直线导轨，以及带编码器的步进电机、偏摆仪和测微仪等零部件组成，如图1所示。其主要性能参数如表1所示。

本测量系统使用STM32F103ZET6芯片[4]，其时钟频率高达72 MHz，是同类STM32系列产品中性能较好的芯片。使用的外设包括57HSZ3N型闭环步进电机[5]、HBS57电机驱动器[6]、LCD显示屏、触摸屏模块和LED灯等。使用到的芯片内部资源包括UART串口通信和I2C通信[7]，以及利用时钟相位信号控制步进电机驱动器，进而控制步进电机。系统的硬件结构如图2所示。

本次设计中，未采用STM32F103ZET6开发板的PWM波控制步进电机[8]，而是通过电机驱动器进行控制，减少单片机的软件负担。仅需几个字节的信号即可实现对步进电机的实时控制，也便于实现步进电机的闭环控制[9]，使得步进电机的转速与转角更加稳定、精确，可以有效减少驱动误差的产生，从而能够大幅度提升测量精度。

2  系统软件设计

如图3所示，触摸屏上输入数据D1，D2，系统自动计算移动距离，将计算得到的数据通过I2C通信移动至E2PROM。F103芯片发送相应脉冲至HBS57步进电机驱动器，驱动57HSZ3N步进电机移动至目标位置;触发触摸屏上的Return 0，F103芯片发出控制脉冲信号，控制步进电机返回到坐标原点。同时，在芯片内进行I2C通信，将E2PROM内的数据清除。开发板自带的3个按键作用分别如下：Key1控制步进电机進行逆时针旋转;Key2控制步进电机顺时针旋转;Key3用来选择倍率。具体测量操作流程如图4所示。

对步进电机的闭环控制进行设计，其思路如下：在HBS57电机驱动器接收到STM32F103ZET6芯片发送来的控制脉冲指令[10]后，结合步进电机内部发送的编码器脉冲，判断电机转向、转速及转角。驱动器进行PID计算，而步进电机根据指令旋转至目标位置，其控制流程如图5所示。

本设计采用型号为57HSZ3N的闭环步进电机和型号为HBS57的电机，使用系统自带的PWM斩波器控制，其具有良好的扭矩频率特性。单片机仅需传输正转或反转信息以及是否选择脱机模式，这样时钟即可对电机进行闭环控制。

3  机构误差分析

该测量平台在设计和制作过程中，各个组成部分的零部件设计与安装精度较高，但在测量过程中无法避免存在原理性和人为误差。本次测量存在的主要误差源如图6所示。

本计量测试平台的机构误差主要来源为构件加工与装配中的安装误差[11]。理想情况下，被测零件在平台上安装后，偏心轴被测部位垂直于传感器。由于滚珠丝杠副[12]等机械结构存在制造与安装误差，被测零件测试部位z方向与测试传感器间存在不确定夹角，从而导致测量误差。

本文称上部运动轴系为轴1，被测零件运动轴为轴2，以轴1分析机构误差对测量的影响。以轴1顶点为坐标原点，竖直向上为y轴正向建立空间坐标系。可知，误差来源[13]于工件表面素线的直线度误差[δ1]，z向定位误差[δ2]，V型块和偏摆仪之间同轴度误差[δ3]，工件轴线和导轨平行度误差[δ4]。上述4项误差分别由工件和测试平台引起。z向定位误差[δ2]不会影响偏心轴的测量而造成测量误差。在实际测量前，V型块和偏摆仪之间同轴度误差[δ3]会通过控制程序输入相应的移动值，由步进电机带动丝杠移动，以保证[δ3]满足测量要求。通过对轴2的分析可知，仅[δ4]会造成测量误差。理想状况时，被测零件轴线与z轴平行，与x，y轴平面垂直，此时[δ4]不会产生误差。但实际测量时，由于安裝、变形等多方因素影响，被测零件与z轴存在角度差[β]。在此误差情况下产生的测量值为：

机构误差在机械结构固定的情况下，趋于稳定且具有良好的重复性。通过误差补偿技术对误差进行分离，从而提高测量精度。

4  实验结果分析

为验证最终测量精度，对步进电机的控制精度做控制实验，比较预期位置与实际位置间的误差，其结果如表2所示。

表2中的数据是通过多次控制测量所得结果。从表2中可以看出，第一次移动2 mm时，误差较大，之后的同向移动时，带编码器的步进电机控制的丝杠组移动误差均在满足要求之内。故在实际测量使用时，先控制电机反向运动一段距离d，然后再正向移动[d+Δd2]，其中Δd为偏心轴某端直径与标准芯轴差值。

测试装置的两轴（Y轴、Z轴）具有较高的测量精度，由机构引入的误差可忽略不计。在后续测量中，对被测零件进行比较式测量。在对某型号零件进行测量时，使用标准心轴在测量平台上进行标准校核，以消除轴系几何误差引起的测量误差。

随机选取8件偏心轴零件，分别使用本测试平台和常规测试两种方法，对样品进行测量，结果如表3所示。其中，本文测量平台所测量的偏心距记为[ep]，平行度记为[hp];在常规测试方法中所测量的偏心距记为[ec]，平行度记为[hc];偏心距误差为[ei]，平行度误差记为[hi]。

式中[ep]表示测量平台实际测量的偏心距。可以看出，测量误差在0.01～0.03之间，主要处于0.01左右。在后续的多组测量中发现，测量误差均低于0.1%。测量误差在0.039 mm的实验组误差，经验证，误差来源于测量头与工件轴线未垂直。

5  结  论

本文基于接触式的偏心轴测量平台，通过巧妙的机械结构设计可以达到较高的测量精度，实现高效的在线测量，能够对不同规格的偏心轴零件的偏心距、偏心部分的平行度进行测量。同时，分析测量装置的误差来源，对误差来源进行建模与分析。实验结果表明，测量装置具有良好的测量精度与工作效率，能够广泛运用于工业生产实际测量中。

参考文献

[1] 郭继东.光透射式大尺寸车轴视觉测量技术[D].长春：吉林大学，2017.

[2] 宋献章，邵千钧，梁冬泰，等.八足机器人行走机构设计及其运动学分析[J].机电工程，2019，36（10）：1069?1074.

[3] 费家人，朱坚民，黄春燕.基于ADAMS的工业机器人轨迹精度模型研究[J].电子科技，2016，29（4）：20?23.

[4] 李玉，廖平.基于STM32的大型转子振动信号采集系统的设计[J].仪表技术与传感器，2015（12）：65?67.

[5] 杨丽.基于变结构PID控制的两相混合式步进电机闭环控制系统设计[D].天津：天津理工大学，2019.

[6] 朱天禹.基于AVR高低压步进电机驱动器设计[J].信息技术，2016（1）：117?120.

[7] 牛洪海，臧峰，周绪贵.基于DMA的高速UART串口通信设计与实现[J].自动化仪表，2018，39（9）：45?48.

[8] 周永明，许进亮，李向阳，等.基于DSP的两相步进电机细分驱动器设计[J].电力电子技术，2017，51（4）：87?89.

[9] 刘兴阳，钱翔，张文辉，等.微流控芯片流量PWM波产生器的设计与实现[J].中国科技论文，2016，11（22）：2548?2552.

[10] 郭显鑫，马文博，汪晓文，等.基于光耦的脉冲指令开关机控制电路[J].电源技术，2019，43（9）：1536?1538.

[11] 林剑锋，林伟青，张延强.五轴数控机床旋转轴误差辨识方法研究进展[J].机床与液压，2019，47（13）：165?170.

[12] 彭宝营，杨庆东，王红军，等.滚珠丝杠副直驱加载位置精度测试研究[J].组合机床与自动化加工技术，2019（6）：94?97.

[13] 李兵，程凯，孙彬，等.基于光幕的偏心轴轴径自动测量装置及测量方法[J].仪器仪表学报，2018，39（6）：1?10.