形位误差综合测量实验设备的研制(4)

本实验系统构成如图2.1所示。实验系统由机械系统、位移传感器和模数转换模块构成的电气系统以及计算机软件系统构成。

图2.1实验系统构成示意图

2.2系统总体方案

由于本实验设备主要面向实验教学环节实际需求，需要覆盖典型的形位误差测量实验，同时具有成本和经济上的考虑，所以本实验系统在设计时需同时从功能性和经济性出发，结合具体实验测量的原理进行布置。在控制成本的同时，力求加深学生们对实验原理和步骤的学习效果，同时编制合理的软件，减轻后期数据处理的工作量。

考虑到实验系统操作上的便利和实验系统部署和后期维护的经济型，初步决定实验系统的测量原理为，通过机械结构在X、Y、Z三个方向上的运动，将测量头移动到合适的位置，将被测实验工件的形位误差量转化为测量头上安置的位移传感器的位移量进行测量和误差评定。通过这种设计，可以取消传统三坐标测量仪上对三个坐标轴方向上安置的光栅尺和较复杂的气垫导轨结构，有效地简化了实验台机械和电气结构的设计难度，实现精度和经济性的平衡[13]。

2.2.2系统硬件方案

实验系统机械结构考虑以精密平板作为底座，开展测量实验。这样设置的优势在于在测量多种形位误差时，均可以将平板底座作为测量基准进行测量，简化实验台的结构布置，提高经济性。在测量原理上考虑以适当的结构将测量工件的形位误差转换成位移量，方便布置高精度位移传感器获得位移量。最后配合模数转换模块，将数据输入计算机籍由软件部分实现对实验数据的误差处理[14]。

进行具体实验部署时，由于进行直线度、平行度、圆度、全跳动误差等测量实验时，测量点需进行一个方向上（X/Y/Z向）的直线运动；进行平面度测量时，测量点需进行两个方向上（X、Y向）的独立直线运动。如是，测量头需要实现三个方向上的直线运动，并且对运动的精确性都有一定的要求。

由于实验系统面向学生教学实验环节，需考虑到实验设备的经济型和结构简洁性，故对实验系统机械结构的运动方式设计为手动控制，学生手动调节测量头到达测量点进行测量取值。由于回避了电机—丝杆系统的弊端，比较容易控制机械运动的精度。同时采用手动操作测量，也有利于学生一步一步掌握具体形位误差测量实验的基本测量原理，

在进行实验的过程中加强对形位误差的概念、测量原理和具体步骤的理解和记忆效果[15]。

电气设计方案中，由于一般的位移传感器原理上均是将物理量转化成电流或电压之类的模拟信号，而实验系统设计是通过配套的软件进行实验误差的分析和评定，所以需要配置带有A/D转换功能的数据转换模块将模拟位移量信号转换成数字量信号，并且通过相应的数据传输接口将数据输入进计算机，最后由实验软件进行数据处理[16]。

综上所述，本实验系统硬件方案可以由图2.2和图2.3来表示。

图2.2机械结构方案图

机械部分结构的设计，需保证测量头能在X/Y/Z方向上进行准确移动。

图2.3电气结构方案图

系统电气结构的设计，需保证能由位移传感器将实验工件的形位误差值转换为位移量进行采集，并由相应的模块将模拟量转换成数字量，并通过通信功能传输进计算机。

2.2.2系统软件方案

控制软件部分在整个实验过程中首先利用可视化的人机界面指引学生完成实验测量取值的过程，同时通过数据传输得到传感器和转换模块传递的数字信号，最后通过数据处理模块对数据量进行处理，评定形位误差得到实验结果并显示和报告。

研究目前国内存在的经济型形位误差评定软件系统以及兄弟院校研制的用于形位误差测量实验的教学软件可以发现，其最大的缺陷是没有实现系统化，要么是针对具体的实验设置的单独的软件，实验功能及相应程序均已固化，后期升级改造空间很小，更别论拓展到其他实验项目的测量[10, 17-20]；要么就是纯粹设计成用于数据处理的算法软件，软件本身脱离形位误差测量实验的实际操作，需要后期调入测量数据甚至手动输入数据

[21-24]。这样的软件系统应用范围就比较有限，无法满足高校实验教学环节的需求。

软件结构的设计需满足图中所示的功能，主要包括数据的传输、数据的存储和实时显示、对形位误差的评定以及结果的输出功能。此套控制软件的设计上应考虑采用系统化、模块化设计，将每一个具体的形位误差测量实验设计成一个单独的模块，针对具体实验设计相对应的人机界面，努力做到实验步骤的设置具有引导性和启发性，加强学生对实验原理和过程步骤的理解和掌握，能更好地学习具体形位误差的概念和测量方法。同时针对具体的实验，选择合适的算法作为模块化封装到一起，提高实验数据处理环节的计算效率。也对后期整个实验系统升级和扩展实验项目留有余地[25]。

图2.4 软件结构方案图

2.3设计方案小结

本实验教学系统针对前人研制的测量设备的不足之处，有效地满足了高校实验教学环节的需求。总体来说，本实验系统具有以下几个特点：

（1）开放性

由于本系统是面向教学实验环节的实际需求研制的，其结构设计需满足开放性的要求，便于直观教学。本实验系统的机械结构和电气元件在保证使用功能的同时都可以被学生直接观察到。另外，本实验系统在使用功能上也具有较好的开放性，使得系统在具有较强的适应性，通过更换更高等级的功能模块，再利用VC++的编程环境调整测量软件，可以在一定程度上实现对实验系统的升级改造，完成更高要求的测量工作，扩展应用领域。

（2）针对性

形位误差测量教学实验环节对设备器材的依赖性较强，目前传统的实验设备和市场上出现的经济型形位误差测量设备均有着不同程度的弊端，阻碍了在实验教学环节上的推广应用。本套设备在设计制造整个流程均瞄准了现阶段普通高等学校形位误差测量实验开展部署的实际需求，通过设计合理的结构，选用合理的器材，在达到传统实验器具精度效果的同时，保证了一定的经济型，利于高校实验室规模引进，开展教学。

（3）引导性

在现代高校开放性教学的潮流引导下，传统的实验器材由于操作和后期数据处理上的复杂性越来越局限了学生学习相关专业课程的热情和积极性。本套实验系统具有简洁的机械构件和用户友好的人机界面，同时控制软件中实验步骤的编制过程也充分体现了相关形位误差测量的基本原理，在实验过程中，学生可以根据引导一步步熟悉和掌握相关形位误差的原理和测量方法，同时通过具有数据处理和误差评定功能的实验软件，学生可以在第一时间得到测量结果的反馈，从而对他们的测量过程进行自我评估和调整。通过整套实验系统的引导性，充分锻炼和提高学生们的动手能力。

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