传输轴检测校正设计说明

传输轴检测校正设计

Customer: 珠海凯邦电机

Proposal by: ＦＡＥ

Add:4/F,Building 3, Sanli industrial park, Xixiang, Baoan,Shenzhen, Guangdong province, P.R.C

公司地址: 深圳市宝安西乡街道广深公路东侧西部开发区三力工业园 Tel: (755)29706681 29706682, Fax:(755)29706553

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目录

目录 ........................................................................ 1 摘要 ........................................................................ 3 Abstract .................................................................... 4 第1章 绪论 ................................................................. 6

1.1 方案设计研究的目的和意义 ............................................ 6 1.2 国内外研究现状的分析 ................................................ 7

1.2.1国内发展概况 .................................................. 7 1.2.2国外发展 ...................................................... 8 1.3本方案设计目标、设计内容及要求 ...................................... 8

1.3.1方案设计目标 .................................................. 8 1.3.2方案设计内容及要求 ............................................ 8

第2章 系统工作原理和整体设计 ............................................... 9

2.1概述 ................................................................ 9 2.2系统功能的规划 ...................................................... 9

2.2.1功能的应用范围 ................................................ 9 2.2.2系统功能参数 ................................................. 10 2.3系统的工作原理 ..................................................... 11 第3章 径向跳动检测原理 .................................................... 13

3.1CCD的工作原理 ...................................................... 13

3.1.1MOS电容器 .................................................... 13 3.1.2电荷存储 ..................................................... 14 3.1.3电荷的注入和检测 ............................................. 14 3.1.4光电倍增管的窗口可分为侧窗式和端窗式两种 ..................... 16 3.1.5光电测量原理 ................................................. 18 3.2径向跳动值的确定 ................................................... 19 第4章 调校机构原理 ........................................................ 21

4.1调校的过程 ......................................................... 21 4.2调校模型的建立 ..................................................... 22

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4.2.1调校位移 ..................................................... 22 4.2.2调校实验数据 ................................................. 23 4.2.3校直关系的建立 ............................................... 24

第5章 设备的模型建立 ...................................................... 26

5.1系统的可靠性 ....................................................... 27 5.2抗干扰设计 ......................................................... 28 5.3自动上料分析 ....................................................... 28 第6章 总结和展望 .......................................................... 30

6.1全文总结 ........................................................... 30 6．2研究展望 .......................................................... 31 参考文献 ................................................................... 32

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摘要

在机械设备的安装和维护工程中，零件径向跳动测量和高精度准直问题是必不可少的重要工作环节。各机组轴系的精度是保证设备正常运行、降低振动与噪声、减少运转中的故障、延长使用寿命的重要技术指标。

目前尽管随着现代机械加工技术的提高，零件的加工精度得到很大提高，但在轴系安装中的装配精度及维护时同轴度精度却由缺乏必要的技术装备的支持而难以得到提高。到目前为止，轴系同轴度测量仍然采用目视、钢尺或钢丝、或是基于百分表、千分表和专用测量架，通过端面跳动和径向跳动来判断轴的同轴度情况，校准精度低，且对人员的工作经验有较高的要求，校正效率也低，使得同轴度误差的测量与校准问题日益凸现出来。因此研究出一种新的、高精度的、高效率的测量仪器，使零安装的方法现代化，以满足工程上的迫切需要已势在必行。

随着计算机技术、信息技术以及其相关技术的高速发展，推动了CCD、光电子等高新技术的长足发展。正是基于此，本设计方案利用光电子和计算机等技术，设计的一种CCD高精密测量技术。

本文在分析国内外的研究现状，以及同轴度测量技术的发展水平和存在的问题的基础上，提出了本方案的设计方法、技术路线和待解决的关键问题。所做的设计工作主要包括：1.径向跳动的测量原理。2.本文论述了智能的测量系统，设计了光路系统和光电信号的采集与信号处理电路，并且开发了一套测量校正操作系统。最后，对本方案研究的工作做了总结，对进一步的研究工作做了展望。

本文研究了基于CCD同轴度测量与校正技术，提供一种新的高精度、高效率的检测方法，解决现代装配精度要求高但零件精度低矛盾。

关键词：CCD、 径向跳动、测量、光电子技术、校正

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Abstract

In the erection and maintenance work of mechanical drive.coaxial measurement and high—precision alignment is an essential and important link，High centring precision of axial system of various units is an important technical target that can guarantee equipment regularly test run，can reduce vibration and noise，can decrease breakdown，and can prolongate use life．

At the present time，although modern machining technology and the parts precision already has improved greatly,assembly precisions of axial system mounting and alignment precisions maintenance are difficult to improve due to lack of supporting of necessary technical equipment．So far，coaxial measurement is still adopted visual method，steel rule or steel wire，or dial indicator measuring device．What two axis lines are alignment or not can be judged by end jigging and axial jigging．But those calibration methods have low precision and low efficiency，and have high requirements to operation man’s experiences，So the problem of measurement and calibration of coaxial error is conspicuous．It is the general trend that a new and high precision and high efficiency measuring instrument，The instrument will modernize the sharing measurement and meet engineering urgent need．

With the development of computer technology，information technology and correlation technology,the new technology of laser and photoelectron make great strides forwards．Just in these development，the topic researches a new coaxial precise measuring technology,finishes development work of model machine of principle by photoelectron and computer technology．

This test systematic analyzes home and world existing conditions of research，and level of development and existing problem of coaxial measurement．Then it brings forward research methods，technical line and key problem awaiting solution of this article．All the researches that are finished include mainly：1．Coaxial measurement principle research i.e.2．The paper describes the system of coaxial intelligent measuring。designs light path system of coaxial measurement．Finally，the paper summarizes the research work of this topic，prospects the future task．

The research of this topic will provide a mew means for coaxial measurement，improve measuring level and measuring precision of coaxial measurement，solve the contradiction between modern high finishing precision and low mounting precision．

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Key words：CCD；circular runout；Measurement；Photoelectron；Revise

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第1章 绪论

轴传动是机械传动的一种重要方式。机械轴中的径向跳动是保证各类机械的安装与维修工作中十分重要的一步，它是保证设备正常运行、降低振动和噪声、减少机器损坏、防止和排除故障及减少维修时间必不可少的重要环节。传统的轴系轴端径向跳动测量采用基于百分表、千分表和专用测量架，通过端面跳动和径向跳动来判断零件轴端径向跳动情况，从而进行调校，且对人员的工作经验有较高要求，校正效率低。而且近年来，国内对于设备自动化，智能化的需求越来越多，因此，研发出一种能对轴系部件径向跳动进行高精度测量与校准的新的技术与方法，保证调校质量，尽可能调高检测和调校的效率，以满足工程上的迫切需要。本文主要针对一些小型电机的电机转子轴的测量与调校进行方法的探索。

1.1 方案设计研究的目的和意义

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它在机械中主要用于支承齿轮、带轮、凸轮以及连杆等传动件，以传递扭矩。按结构形式不同，轴可以分为阶梯轴、锥度心轴、光轴、空心轴、曲轴、凸轮轴、偏心轴、各种丝杠等。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等，目前，尽管随着现代机械加工技术的提高，零件的加工精度得到很大提高，但在轴系加工和装配过程中的各种外在因素将影响轴类零件的轴径向跳动，从而使得装配后的零件的轴段跳动得不到保证，对于不同的设备或机器，只有将轴类零件径向跳动保证在一个有效的范围内才能保证运转设备的正常运行，减少机器的振动，减少机器损坏，本文主要是针对电机产品，电机转子的轴端径向跳动是直接影响产品质量的关键因数之一。在实际中，轴系的径向跳动校正大多采用人工来进行，但是近来国内对于自自动化和智能化的要求越来越高，所以自动对轴径向跳动的检测和校正问题就日益突现出来。

随着计算机技术、信息技术以及其相关技术的高速发展，推动了CCD、光电子等高新技术的长足发展。光电子和计算机等技术，研究了利用CCD图像采集和处理来对轴径向跳动检测校正的技术，并设计出能应用于轴径向跳动校正装置，以提高校正精度，提高工作

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效率。它具有一种智能校准系统，其计算机系统建立友好的人机对话界面，引导用户正确操作仪器，并将仪器当前的运行、状态随时报告用户，实现高精度轴径向跳动校准。

本方案设计的CCD轴径向跳动校正技术，利用计算机、光学、测量、图像处理、应用数学等先进技术，设计出一种新的、高精度、高效率的轴径向跳动检测校正设备，取代原始的百分表和千分表的测量，人工检测和调校。

1.2 国内外研究现状的分析

1.2.1国内发展概况

国内轴端径向跳动的精确测量与校准主要是基于百分表、千分表和V型支架，通过对轴径向跳动，结合调校经验来判断对轴某个位置进行压力，使轴端径向跳动得到调校。

测量原理是在轴的两端装上一个V型支架，在伸出轴端的指定位置安装一个百分表，在运行过程中对中转轴发生角度偏移时，百分表显示一组读数，这一组读数经计算处理后就会获得轴端径向跳动的情况，从而结合经验得知在轴转到那个角度时进行调校。这种基于百分表、干分表和专用测量架的轴径向跳动测量系统是以百分表、千分表为测量仪器测量轴段跳动度误差；这种测量系统是用手动测量进行轴段跳动的检测，人工记查看测量结果后结合自己的经验，来判断调校的位置以及调校的力度。这种工作方式由于主要是靠人工来完成，很难得到调校的效率和效果很一致，其主要缺点在于：由于是人工进行全部的工作，对于员工的要求就比较高，一个熟练的工人和一个新手在调校的效率和效果就会有差别，很难保证调校后产品的一致性。并且采用百分表和千分表属于接触式测量，对零件本身可能有一定的损伤。

我们试图利用CCD系统对轴段跳动进行检测，进而完成调校。国内目前对于CCD图像分析处理来检测校正同轴度已进入比较成熟的阶段，CCD,英文全称：Charge-coupled Device,中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD图像分析处理来检测主要是利用CCD图像采集、分析处理、从而达到测试同轴度得目的，其中以CCD为采集数据源的图像采集技术取得了长足的进步，基于CCD的计算机图像处理技术以及TMS32ODM642的图像处理算法具有检测一致性好、精确性高等优点。采用CCD传感器和相关图像处理技术不但能够实现产品的非接触检测，还能利用高像素的图像传感器在短时间内通过边缘采集得到大量的边缘点和图像轮廓，相对于人工检测所固有的主观

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性，速度慢，成本高，操作强度大等缺点表现出极大地优越性。因此，目前CCD传感器检测系统的研发已受到广泛重视，作为高性能的光电图像传感器以其优良的性能广泛应用于遥感成像、高精测量、景物鉴别、图文传真和工业检测控制等领域。

1.2.2国外发展

据国外报道，用于双光束激光轴段跳动回转校准系统的，仅有德国生产的ROTALIGN回转校准仪，其测量精度可达到微米量级。该回转校准系统是由激光发射器(LD)、棱镜链式托架、水平找正仪、计算器、调校机构等六部分组成。其原理为：安装在固定支架上的的激光器发射出一束直径为5mm的激光束射向安装在移动机器轴上的棱镜上，棱镜又将激光束反射回发射器下部的检测器中。当轴旋转时，各种不对中现象都会通过激光束反射改变了检测器上光束的位置，每旋转90度记下光束的准确位置。与激光发射器相连的计算器用这些详细的位移量为依据计算出找正时不同结果，并能显示校正时该有的变型量。

1.3本方案设计目标、设计内容及要求

1.3.1方案设计目标

本方案的目标是在满足工艺要求下，利用目前的最经济高效的技术改善现有的手动测试方法，用智能自动的手段进行测试，并在测试过程中对不合格工件的一个校正，设计一种基于CCD图像分析的轴径向跳动检测校正技术，并提供相应的技术手段。本论文融合了计算机、光学、测量、图像处理、应用数学等先进技术，提出了利用图像分析测量、定位技术，研究高精度的轴段跳动测量和校准装置的理论依据，研究并解决了该检测系统的关键技术，并完成了原理样机的研制工作。

1.3.2方案设计内容及要求

所做的主要设计工作包括以下内容： 1)基于CCD对轴段跳动的检测图像模型的研究 2)零件的自动传输上料设计 3)夹具定位夹紧设计

4)图像的采集分析与信号的处理及其系统软件的开发 5)调校机构的设计

6)对工件轴段跳动测量与校准的建模分析

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第2章 系统工作原理和整体设计

2.1概述

径向跳动是指被测回转表面在同一横剖面内实际表面上各点到基准轴线间距离的最大变动量。径向跳动又是一项综合误差它除包括引起同轴度误差的轴线平移、倾斜、弯曲外还包括同一横剖面的形状误差中的圆度误差等。在实际测量中，轴径向跳动的测量受到多方面的影响，操作者的自身素质和对图纸工艺要求的理解不同；测量机的探测误差，探头本身的误差；工件的加工状态，表面粗糙度；检测方法的选择，工件的安放、探针的组合；外部环境等，例如检测间的温度、湿度等都会给测量带来一定的误差，我们要尽量减小外界因素对测量造成的影响。对于我们针对电机转子产品而言，我们主要考虑因装配过程使电机转子轴的轴线发生倾斜，检测电机轴的径向跳动，从而调整转轴，调整转轴的轴线，使得轴端径向跳动减小。所以采用CCD图像采集分析来检测轴段不仅可以使得检测智能化，而且不用应考虑零件的自身因素从而对同轴度检测带来影响，由于CCD检测不需要接触，所以也不会将零件表面刮伤。同时在轴的校正过程中，手动的校正并然会因为操作者的经验不同从而对校正的产品所需时间和校正的质量有所不同。根据图像分析进行建模，根据各个产品不同从而调整的幅度不同进行具体调整操作校正，不仅速度快，而且对工件的损害小。

2.2系统功能的规划

2.2.1功能的应用范围

在电机转子装配过程中，可能会存在装配损害轴本身的特性，使轴线平移或倾斜弯曲，需要进行调校，它们都是一些十分重要而细微的工作。本方案主要是对一种电机转子的轴跳动检测并将不合格产品同轴度调至0.025mm范围内。主要检测的产品图如下图2.1。

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图2.1 检测产品图

虽然随着目前的加工精度的提高会使零件轴的径向跳动保持在一个有效的范围内，但是由于产品在组装过程的各个环节的注意点不同和装配的手法不同可能就会对轴的轴线产生影响，从而产生较大的径向跳动。从而使得轴的径向跳动偏离有效范围，进一步可能就会影响下一个环节的装配或整个设备的运行和精度，机器的使用寿命等。目前的手工操作存在诸多弊端，因此本方案的研究就是能快速智能的用于该工件轴径向跳动跳动检测和校正，满足目前轴系安装后对轴的检测和校正。

2.2.2系统功能参数

本系统主要是为了满足检测电机转子轴段径向跳动和校正工作需要而开发的一套智能型高精度、高效率系统，根据要求，该系统应该具有以下功能：自动采集、传输和存储数据；通过系统软件自动完成数据计算并给出调整量；然后机器自动根据调整量进行调整，从而达到自动校正的目的，该系统同时应具有屏幕说明和图形显示功能；建立完备的历史检修记录档案和打印输出功能。设备应具有自动上料定位夹紧和卸料的装置，实现检测校正自动化。

由于本系统主要是应用于机械设备现场进行检测和校正，因此功能的设定是主要考虑了以下几点原则：

1．在设备的制作过程中，应尽可能提高效率，智能化，实现整个过程上料、检测、校正、下料的全自动化。

2．在系统的规划时应尽量遵从现有的检测工艺及其标准，保证检测方式和校正结果等能满足现有工艺的要求。

3．作为检测校正系统，考虑到其用户设备使用和检修的技术，应具有较强的实用性、易操作性和轻便性，以便于在现场人员使用。

4．针对在轴端径向跳动检测的结果差异不同，结合工艺要求快速的对设备后续动作作出判断，合理的安排系统各项子任务的进行方式。

5．考虑到提高设备检修、生产管理和技术建档的需要，系统还应具有对历史文档的纪录和文档的输出打印功能。

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设备及其操作系统的主要功能：

1．设备在运行过程中应连续不间断的对电机转子轴进行测试和调整，对调整后的工件自动放入下一工序。

2．系统应允许用户以人机交换的方式进行系统初始化。

3．能完成电机转子轴端跳动的自动检测，并经信息处理和计算后由设备校正装置自动输出指定的调整量。从而达到对轴的端面跳动校正的目的。

4．对监测数据经信息处理后可自动以数据库形式保存，可随时调用进行历史分析或数据处理。

5．具有打印输出功能，形成完整的技术文档(包括各种图、表、有关检测及历史数据等)。

2.3系统的工作原理

电机转子轴端径向跳动调整精度而言，要达到某预期的技术要求就得采用与之相适应的测量和调整方法。因此，测量数据的正确获得和利用测量数据来正确判断端面跳动的大小，进而控制设备对轴的调整量的大小就是检测校正的技术关键。

工件端面跳动主要是轴的实际被测轴心线与基准轴线不平行，相交成一定角度。从而导致轴的同轴度偏差，校正同轴度即校正该角度的大小，从而减小轴的径向跳动。 设备的工作如下图2.2所示，将电机转子自动放入定位夹具，将其压紧，控制系统驱动测量驱动装置使电机转子转动，CCD系统在侧检测，将测得图像传入工控机进行处理， 电机转子转的一周，可算出电机转子轴段径向跳动的最大值和最小值及轴所在的转动角度，故

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图2.2

测量驱动装置将电机转子转到相应角度，控制器驱动校直驱动装置进行校直。

选用步进电机作为测量驱动装置和校直驱动装置的动力源。步进电机[ 3 - 4 ]是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为步距角),其旋转是以固定的角度一步一步运行的,可以通过脉冲个数控制角位移量,从而达到准确校直的目的。

转子轴的直径比较小,项目的难点之一就是如何准确测量出转子轴的径向跳动值。另一个难点是由于转子轴的长径比很大,校直时的压紧力稍微偏大就会引起转子弯曲变形, 而压紧力太小又不能起到校直作用。因此,测量径向跳动时使用步进电机能够准确测量出转子轴在整个圆周范围内的径向跳动,校直时使用步进电机可以精确设定校直位移的大小。

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第3章 径向跳动检测原理

径向跳动的测量方法一般有非接触测量和接触测量两大类 。由于考虑到自动化上料 、重复测量精度、与控制系统信息通讯、高效、经济等问题，故接触测量方法不能满足测量要求, 因此采用非接触测量方法,我们选用CCD系统进行径向跳动的检测。

3.1 CCD的工作原理

电荷耦合器件（CCD）是由整齐紧密排列的若干个小的光敏元（通常称为像素）组成的阵列，总约有几十万甚至上千万个。它们的作用就相当于人的视网膜上的感光细胞，用以感受照射在它们上面的光的强弱与色彩。CCD器件具有以下的特点：

（1） 具有体积小、重量轻、电压及功耗低、可靠性高、寿命长等一系列有点。 （2） 具有理想的“扫描”线性，可以进行像素寻址，可以变化“扫描”速度，畸变

小、尺寸重现好， 特别适合于定位、尺寸测量和成像传感等方面。 （3） 有很高的空间分辨率。

（4） 数字扫描能力。像元的位置可以由数字代码确定，便于和计算机结合。 （5） 光敏元间距的几何尺寸精确，可以获得很高的定位精度和测量精度。 （6） 具有很高的光电灵敏度和大的动态范围。

CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、储存、传输和检测。以下我们将分别从这几个方面讨论CCD器件的基本工作原理。

3.1.1MOS电容器

CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是是一个MOS （金属——氧化物——半导体）电容器。但是工作原理与MOS晶体管不同

CCD中的MOS电容器的形成方法是这样的：在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100~150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS电容器。

CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压VG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压VG时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向

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半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做“势阱”。在耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的，但如正栅压VG进一步增加，界面上的电子浓度将随着表面势成指数的增长，而表面势又是随耗尽层宽度成平方率增加的。这样随着表面电势的进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。而一旦出现反型层，MOS就认为处于反型状态。显然，发型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡，因此耗尽层的宽度几乎不变。反型层的电子来自耗尽层的电子—空穴对的热产生过程。对于经过很好处理的半导体材料，这种产生过程是非常缓慢的，因此在加有直流电压的金属板上叠加小的交流信号时，反型层中电子数目不会因叠有交流信号而变化。

3.1.2电荷存储

当一束光投射到MOS电容器上时，光子透过金属电极和氧化层，进入Si衬底，衬底 每吸收一个光子，就会产生一个电子—空穴对，其中的电子被吸引到电荷反型区存储。从而表明了CCD储存电荷的功能。一个CCD检测像元的电荷存储容量决定于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度等一些因素。

Si-SiO2的表面电势VS与储存电荷QS的关系。曲线的直线性好，说明两者之间有良好的反比例线性关系，这种线性关系很容易用半导体物理中“势阱”的概念来描述。电子所以被加有栅极电压VG的MOS结构吸引到Si-SiO2的交接面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与电极电压的关系恰如表面势VS与电荷QS的线性关系，反型层电荷填充势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，此时表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。

3.1.3电荷的注入和检测

CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。光注入就是当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。而所谓电注入，就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。

CCD利用光电转换功能将投射到CCD上面的光学图像转换为电信号“图像”，即电荷量与当地照度大致成正比的大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存功能将这些电荷包“自扫描”到同一个输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列。其中光电转换功能的物理基础是半导体的光吸收。当电磁辐射投射到半导体上面时，电磁辐射一部分被反射，另一部分透射，其余部分被半导体吸收。所谓半导体光吸收，就是电子吸收光子并从一个能态跃迁到另一个较高能级的过程。我们这里将要涉及到的是价带电子越过禁带到导带的跃迁，和局域杂质或缺陷周围的束缚电子（或空穴）到导带（获价带）的跃迁。他们分别

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称为本征吸收和非本征吸收。CCD利用处于表面深耗尽状态的一系列MOS电容器（称为感光单元或光敏单元）收集光产生的少数载流子。这些收集势阱是相互隔离的。由此可见，光转换成电的过程实际上还包括对空间连续的光强分布进行空间上分离的采样过程。

另外，衬底每吸收一个光子，反型区中就多一个电子，这种光子数目与存储电荷的定量关系正是CCD检测器用于对光信号作定量分析的依据。

转移到CCD输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷/电压（电流）的线性变换，称之为电荷检测。从应用角度对电荷检测提出的要求是检测的线性、检测的增益和检测引起的噪声。针对不同的使用要求，有几种常用的检测电路，如栅电容电荷积分器、差动电路积分器以及带浮置栅和分布浮置栅放大器的输出电路。这里就不一一叙述了。

1.电荷转移效率（CTE）:CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率。好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995[3]，所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。例如，一个有2048像元的CCD，其信号电荷的总的电荷转移效率为0.9999952048，即0.9898，损失率只有约0.1%。

2.常用固态光谱检测器量子效率对比:量子效率,比较了典型的PMT（光电倍增管）、PDA（光电二极管阵列）、CID（电荷注入器件）和CCD的量子效率。可见，CCD的量子效率大大优于PDA和CID，在400～700nm波段优于PMT。但是，不同厂商制造的CCD在几何尺寸、制造方法、材料上有所不同，结果它们的QE差别较大。如有的CCD只在350～900nm波段的QE达10% 以上，有的CCD在200～1000nm波段都有很高的量子效率。造成QE下降的主要原因是CCD结构中的多晶硅电极或绝缘层把光子吸收了，尤其是对紫外部分的光吸收较多，这部分光子不产生光生电荷。许多线阵CCD对紫外光的响应较差就是这个原因。采用化学蚀刻将硅片减薄和背部照射方式，可以减少由吸收导致的量子效率损失。背部照射减薄的CCD在真空紫外区的工作极限可达1000A。

3.暗电流:CCD在低温工作时，暗电流非常低，暗电流是由热生电荷载流子引起的，冷却会使热生电荷的生成速率大为降低[3]。但是CCD的冷却温度不能太低，因为光生电荷从各检测元迁移到放大器的输出节点的能力随温度的下降而降低。制冷到150°K的CCD暗电流小于0.001个电子╱检测元╱秒。

4.动态范围:动态范围DR的定义为： 其中VSAT为饱和输出电压，VDRK为有效像元的平均暗电流输出电压。在正常工作条件下，CCD检测器的所有像元经历同时曝光，表示的是单个检测像元的动态范围，即简单动态范围。CCD的简单动态范围非常大，宽达10个数量级。以7500Å的红光光子为例，CCD可在1毫秒积分时间内对光强达每秒5×109个光子的光束响应。可以对每秒7×10-2个光子的光源响应。而且在整个动态范围响应内，都能保持线性响应。这一特性对光谱的定量分析具有特别的意义。

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但在一些光谱分析中，如AES（原子发射光谱）中，实际的动态范围达不到那么大的值。一种扩展CCD动态范围的方法是根据光的强弱改变每次测量的积分时间[7，8]。强信号采用短的积分时间，弱信号采用长的积分时间。这种方法测量强信号旁的弱信号非常不利，存在Blooming（溢出）的问题，特别是对于AES。通过改进CCD制作工艺生产出来的性能优秀的CCD已在不同程度上解决了这个问题。CID电荷注射器件，天生的抗溢出器件。真正全谱直读，可任意元素的任意谱线读取。无逸出和每个单元独立读取，高低含量可在一次测定中同时获得5300的SCD分段电荷耦合器件，只6千多个检测单元只能提供235个测量段的信息，谱线信息量仅占6%，对于复杂样品谱线选择性受抑制。2100用小段CCD，只相当于覆盖0.0Xnm,上端测量参比光,下端测样品光,目的是可不断做谱线Vista Pro 采用7万多个检测单元的改良的CCD电荷耦合器件,放三排寄存器,可较好地防止电子溢出。但高低含量无法同时获得稳定。Vista MPX采用通用型的数码相机用CCD，没有抗溢出设计，高含量测定极易溢出，无法获得稳定结果。

CID检测器特有“无逸出”，“非破坏性读取”，“随机读取”的特点，能自动控制各个测量单元的最佳测量时间，实现样品主量、微量、痕量元素的同时测定。

SCD或CCD检测器往往需依靠外围电路来控制爆光时间，防止“逸出”。改良的SCD或CCD成本也不低，而民用型CCD则成本低廉，对高低含量的同时测定是不能为力的 所以，CID是真正的没有溢出，所以对于一次样品中的高、中、低含量都能很好的测定。

光电倍增管，外光电效应所释放的电子打在物体上能释放出更多的电子的现象称为二次电子倍增。光电倍增管就是根据二次电子倍增现象制造的。它由一个光阴极、多个打拿极和一个阳极所组成，见图，每一个电极保持比前一个电极高得多的电压（如100V）。当入射光照射到光阴极而释放出电子时，电子在高真空中被电场加速，打到第一打拿极上。一个入射电子的能量给予打拿极中的多个电子，从而每一个入射电子平均使打拿极表面发射几个电子。二次发射的电子又被加速打到第二打拿极上，电子数目再度被二次发射过程倍增，如此逐级进一步倍增，直到电子聚集到管子阳极为止。通常光电倍增管约有十二个打拿极，电子放大系数（或称增益）可达108，特别适合于对微弱光强的测量，普遍为光电直读光谱仪所采用。

3.1.4光电倍增管的窗口可分为侧窗式和端窗式两种 1) 灵敏度和工作光谱区

光电倍增管的灵敏度和工作光谱区主要取决于光电倍增管阴极和打拿极的光电发射材料。当入射到阴极表面的光子能量足以使电子脱离该表面时才发生电子的光电发射，即1/2mv2=h(-ф,( h(为光子能量，ф为电子的表面功函数，1/2mv2为电子动能)。当h(<ф时，不会有表面光电发射，而当h(=ф时，才有可能发生光电发射，这时所对应的光的波长λ=C/(称为这种材料表面的阈波长。随着入射光子波长的减小，产生光电子发射的效率

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将增大，但光电倍增管窗材料对光的吸收也随之增大。显然，光电倍增管的短波响应的极限主要取决于窗材料，而长波响应的极限主要取决于阴极和打拿极材料的性能。一般用于可见-红外光谱区的光电倍增管用玻璃窗，而用于紫外光谱区的用石英窗。光阴极一般选用表面功函数低的碱金属材料，如红外谱区选用银-氧-铯阴极，可见光谱区用锑-铯阴极或铋-银-氧-铯阴极，而紫外谱区则采用多碱光电阴极或梯-碲阴极。

光电倍增管的灵敏度S是指在1lm的光通量照射下所输出的光电流强度，即S=i/F，单位为μA/lm。显然，灵敏度随入射光的波长而变化，这种灵敏度称为光谱灵敏度，而描述光谱灵敏度随波长而变化的曲线称为光谱响应曲线(见右图)，由此可确定光电倍增管的工作光谱区和最灵敏波长。例如我们常用的R427光电倍增管，其曲线偏码为250S，光谱响应范围为160-320nm，峰值波长200nm，光阴极材料Cs-Te，窗口材料为熔炼石英，典型电流放大率3.3×106。

2) 暗电流与线性响应范围

光电倍增管在全暗条件下工作时，阳极所收集到的电流称为暗电流。对某种波长的入射光，光电倍增管输出的光电流为：i= KIIi+i0 ，式中，Ii对应于产生光电流i的入射光强度，k为比例系数，i0为暗电流。由此可见，在一定的范围内，光电流与入射光强度呈线性关系，即为光电倍增管的线性响应范围。当入射光强度过大时，输出的光电流随光强的增大而趋向于饱和（见右图）。线性响应范围的大小与光阴极的材料有关。

暗电流的来源主要是由于极间的欧姆漏阻、阴极或其他部件的热电子发射以及残余气体的离子发射、场致发射和玻璃闪烁等引起。

当光电倍增管在很低电压下工作时，玻璃芯柱和管座绝缘不良引起的欧姆漏阻是暗电流的主要成分，暗电流随工作电压的升高成正比增加；当工作电压较高时，暗电流主要来源于热电子发射，由于光电阴极和倍增极材料的电子溢出功很低，甚至在室温也可能有热电子发射，这种热电子发射随电压升高暗电流成指数倍增；当工作电压较高时，光电倍增管内的残余气体可被光电离，产生带正电荷的分子离子，当与阴极或打拿极碰撞时可产生二次电子，引起很大的输出噪声脉冲，另外高压时在强电场作用下也可产生场致发射电子引起噪声，另外当电子偏离正常轨迹打到玻壳上会出现闪烁现象引起暗电流脉冲，这一些暗电流均随工作电压升高而急剧增加，使光电倍增管工作不稳定，因此为了减少暗电流，对光电倍增管的最高工作电压均加以限制。

3) 噪声和信噪比

在入射光强度不变的情况下，暗电流和信号电流两者的统计起伏叫做噪声。这是由光子和电子的量子性质而带来的统计起伏以及负载电阻在光电流经过时其电子的热骚动引起的。输出光电流强度与噪声电流强度之比值，称为信噪比。显然，降低噪声，提高信噪比，将能检测到更微弱的入射光强度，从而大大有利于降低相应元素的检出限。

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4) 工作电压和工作温度

光电倍增管的工作电压对光电流的强度有很大的影响，尤其是光阴极与第一打拿极间的电压差对增益（放大倍数）、噪声的影响更大。因此，要求电压的波动不得超过0.05%，应采用高性能的稳压电源供电，但工作电压不许超过最大值（一般为-900v-1000v），否则会引起自发放电而损坏管子，工作环境要求恒温和低温，以减小噪声。

5) 疲劳和老化

在入射光强度过大或照射时间过长时，光电倍增管会出现光电流衰减、灵敏度骤降的疲劳现象，这是由于过大的光电流使电极升温而使光电发射材料蒸发过多所引起。在停歇一段时间后还可全部或部分得到恢复。光电倍增管由于疲劳效应而灵敏度逐步下降，称为老化，最后不能工作而损坏。过强的入射光会加速光电倍增管的老化损坏，因此，不能在工作状态下（光电倍增管加上高压时）打开光电直读光谱仪的外罩，在日光照射下，光电倍增管很快便损坏。

3.1.5光电测量原理

光电检测的原理一般是通过光电接受元件将待测谱线的光强转换为光电流，而光电流由积分电容累积，其电压与入射光的光强成正比，测量积分电容器上的电压，便获得相应的谱线强度的信息。不同的仪器其检测装置具有不同的类型，但其测量原理是一样的。其光电检测系统主要有以下四个部分组成：

1.光电转换装置，

2.积分放大电路及其开关逻辑检测 3.A/D转换电路 4.计算机系统

在这两种装置中，由光子产生的电荷被收集并储存在金属-氧化物-半导体（MOS）电容器中，从而可以准确地进行象素寻址而滞后极微。这两种装置具有随机或准随机象素寻址功能的二维检测器。可以将一个CCD看作是许多个光电检测模拟移位寄存器。在光子产生的电荷被贮存起来之后，它们近水平方向被一行一行地通过一个高速移位寄存器记录到一个前置放大器上。最后得到的信号被贮存在计算机里。

CCD器件的整个工作过程是一种电荷耦合过程，因此这类器件叫电荷耦合器件。对于CCD器件，当一个或多个检测器的象素被某一强光谱线饱和时，便会产生溢流现象。即光子引发的电荷充满该象素，并流入相邻的象素，损坏该过饱和象素及其相邻象素的分析正确性，并且需要较长时间才能便溢流的电荷消失。为了解决溢流问题，应用于原子光谱分析的CCD器件，在设计过程中必须进行改进，例如：进行分段构成分段式电荷耦合器件（SCD），或在象表上加装溢流门，并结合自动积分技术等。

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3.2径向跳动值的确定

将电机转子自动放入定位夹具，将其压紧，控制系统驱动测量驱动装置使电机转子转动，如图3.1,CCD系统在侧检测，将测得图像传入工控机进行处理，电机转子旋转一周，可算出电机转子轴段径向跳动的最大值和最小值及轴所在的转动角度，

图3.1

CCD在测量和校直的过程中, 计算机存储并可实时绘出电机转子轴的径向跳动与电机转子旋转角度的关系曲线如图3.2

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图3.2

在坐标中y1y2的绝对值就是该电机轴在该处的径向跳动的大小，若该值≤0.025mm，则记为合格，卸料进行下一个测试，并且得到在何角度时所得到跳动值最大。

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第4章 调校机构原理

调校机构开始工作时。计算机根据所测得的径向跳动最大偏差值用胡克定律计算出校直时所需的行程值。计算机给出信号, 由校直驱动装置在电机转子径向跳动最大偏差值位置进行反向校直。校直完成之后驱动测量机构再次测量径向跳动以检验校直结果。

4.1调校的过程

首先在测试过程中对径向跳动值大于0.025mm的零件则需要进行调试，使零件的性能达到使用标准，在调试过程中，由步进电机对工件旋转使得测试时得到的最大值正面朝上，从而进行反向校直，对于不同大小的力我们采用不同位移进行校正，首先输入最大跳动值的数据，由计算机计算处理得到校正时该往下偏移的距离，在发脉冲给步进电机，从而进行校正，校正完成后，在对零件进行测试。重复上述流程。流程表如4.1

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表4.1

在测量和校直的过程中, 计算机存储并可实时绘出电机转子轴的径向跳动与电机转子旋转角度的关系曲线以及校直力与时间的关系曲线,。

4.2调校模型的建立

4.2.1调校位移

在调校电子转子的过程中，由于我们所调校的部位与实际被测的部位的不同所以，们不能直接将我们所测试的数据直接进行反向调校，所以我们需利用比例关系将我们实际调校出的位移与测试的径向跳动的关系找出，从而可以根据测试时得到的数据进行调校。由模型图3.1，利用材料力学课建立受力图如下图4.2

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图4.2

由图可知，当检测位存在的径向跳动为y时，则在检测校正位出位移就是y/2，图中虚线表示零件轴的变形方向，那么在力F方向上须向下移动的位移就是

y1x2*y/2 y10.385y„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（4.1）

x14.2.2调校实验数据

根据模型我们建立了初步实验平台对30个零件初步进行校正的出如下数据：

零件序号 1 2 3 4 5 6 7 8 校直前径向跳动偏差（mm） 0.059 0.041 0.068 0.105 0.052 0.140 0.139 0.050 调校位移y=0.385y1（mm） 0.023 0.016 0.026 0.040 0.020 0.054 0.054 0.019 步进电机运动位校直后的径向跳移（mm） 0.023 0.016 0.026 0.040 0.020 0.054 0.054 0.019 动偏差（mm） 0.037 0.021 0.024 0..035 0.034 0.033 0.026 0.034 23 深圳弗莱博自动化设备有限公司设计用纸

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9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 0.053 0.083 0.067 0.139 0.072 0.037 0.258 0.074 0.061 0.125 0.045 0.023 0.083 0.045 0.029 0.067 0.059 0.075 0.088 0.092 0.042 0.075 0.032 0.017 0.010 0.026 0.022 0.029 0.034 0.035 0.016 0.029 0.020 0.032 0.026 0.054 0.027 0.014 0.100 0.028 0.023 0.048 0.017 0.020 0.032 0.026 0.054 0.027 0.014 0.100 0.028 0.023 0.048 0.017 合格 0.032 0.017 0.010 0.026 0.022 0.029 0.034 0.035 0.016 0.029 0.041 0.027 0.014 0.033 0.038 0.032 0.029 0.031 0.027 0.036 0.031 0.021 0.027 0.034 0.031 0.015 0.035 0.026 0.031 0.025 0.018 4.2.3校直关系的建立

由实验数据可以建立出一个数学模型的曲线方程，在不同的的径向跳动下，就会自动计算产生一个调校位移出来进行调校，根据数学方程在不同的调校位移时进行调校所产生的变形量也不同，在测试的过程中,发现因为工艺、材质的差异性, 具有相同径向跳动偏差程度的电机转子在相同校直力的作用下产生的效果不同, 有些能将电机转子的径向跳动偏差值校直到0. 025mm以下, 有些则是随着校直次数的增加偏差程度增大。同时还发现径向跳动偏差程度比较大的电机转子轴所用材料的特性偏差较大,不容易校直。为此,可以将径向跳动偏差值分成几个阶段分别进行处理,在原来校直力的基础上对不同的跳动偏差值用不同的系数加以修正。经过多次的抽样测试和系数的调整之后,试验结果如表所示, 大部分径向跳动偏差值大于0.025mm的电机转子都能校直到0.025mm 以下,一次校直成功率达70%

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以上。

校直前径向跳动偏差（mm） 0.084 0.054 0.068 0.045 0.038 0.078 0.056 0.078 0.098 0.035 0.074 0.067 0.087 0.073 0.042 0.031 0.128 0.048 0.174 0.046 0.057 行校直。

0.032 0.020 0.026 0.017 0.015 0.03 0.021 0.030 0.038 0.013 0.028 0.026 0.032 0.028 0.016 0.011 0.050 0.018 0.067 0.017 0.021 调校位移y=0.385y1（mm） 0.037 0.023 0.033 0.025 0.021 0.036 0.024 0.036 0.043 0.018 0.033 0.030 0.038 0.033 0.020 0.015 0.055 0.022 0.075 0.024 0.025 步进电机运动位移（mm） 校直后的径向跳动偏差（mm） 0.016 0.021 0.028 0.020 0.021 0.017 0.019 0.018 0.014 0.022 0.026 0.027 0.020 0.017 0.026 0.017 0.030 0.019 0.026 0.021 0.017 系统CCD检测该零件的径向跳动的大小，而且能够准确找出径向跳动最大的位置并进

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第5章 设备的模型建立

在设备的模型建立过程中，我们需要考虑到机器的稳定性和机器设备的人际关系。系统界面的管理，和对设备的控制及系统的稳定性。外界干扰不可避免地会影响系统的稳定性，干扰检测数据，影响检测结果。表现形式为系统采集误差加大，控制状态失灵，数据受干扰发生变化，程序运行失常等。所以可靠性和抗干扰性是系统软件和硬件设计中必须考虑并予以研究解决的问题。

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5.1系统的可靠性

可靠性的定义是产品或系统在规定条件和时问内，完成规定功能的能力。一个复杂的系统总是有许多基本的元件或部件组成，如何根据这些元部件的可靠性去顾及系统的可靠性，是系统可靠性工程研究的重要内容。

在不知道基本元器件可靠性基本数据的情况下，研究可靠性结构模型仍然具有重要的指导意义，可成为我们进行电路设计时的指导性原则。可以通过可靠性的模型分析，选择最优的结构方案。

导致系统内部运行不稳定的因素主要一下三点：

1)元器件本身的性能与可靠性。元器件是组成系统的基本单元，其特性好坏与稳定性直接影响着整个系统性能与可靠性。因此，在可靠性设计中，首要的工作是精选元器件，使其在长期稳定性、精度等级方面满足要求。

2)系统结构设计。包括硬件电路结构设计和运行软件设计。元器件选定之后，根据系统运行原理与生产工艺要求将其连成整体，并编制相应软件。电路设计中要求元器件或线路布局合理，以消除元器件之间的电磁耦合相互干扰；优化的电路设计也可以消除或削弱外部干扰对整个系统的影响，如去耦电路、平衡电路等等；也可以采用冗余结构。当某些元器件发生故障时也不影响整个系统的运行。软件是微机测控系统区别于其它通用电子设备的独特之处，通过合理的编制软件可以进一步提高系统运行的可靠性。

3)安装与调试。元器件与整个系统的安装与调试，是保证系统运行和可靠性的重要措施。尽管元器件选择严格。系统整体设计合理，但安装工艺粗糙，调试不严格，仍然达不到预期的效果。

外因是指微机所处工作环境中的外部设备或空问条件导致系统运行不可靠的因素，主要包括一下几点：

1)外部电气条件，如电源电压的稳定性、强电场与磁场等的影响。 2)外部空间条件，如温度、湿度、空气清洁度。 3)外部机械条件，如震动、冲击等

为了保证微机系统的可靠性，必须创造一个良好的外部环境。例如：采用屏蔽措施、远高产生强电场干扰的设备；安装仅因以防止震动等。元器件的选择是根本，合理的安转调试是基础，系统设汁是手段，外部环境是保证，这是可靠性设计遵循的基本准则，并贯穿于系统设计、安装、调试、运行的全过程。为了实现这些准则，必须采取硬件或软件方面的措施，这是可靠性设计的根本任务。

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5.2抗干扰设计

径向跳动测量系统大体上可分为传感器和数据处理部分。经过传感器采集到的模拟信号通过电缆进入数据处理部分。实际工作中的噪声信号往往很容易通过传输通道和直接的作用于传感器而进入系统，降低系统的可靠性，所以系统的抗干扰技术设计显得尤为重要。本系统通过对系统硬件和软件两方面的处理来加强系统的抗干扰性。

数据采集过程中的干扰一般作用时间短，可以通过多次重复采集，直到若干采样结果一致，才认为采集的数据有效。本系统对同一个测点重复采集并取其平均值作为测点值，如果对于同一个数据点经过多次采样后得到的信号值变化不定，说明干扰特别严重，就立即停止采样并发出报警信号。数据发送过程中发送端和接收端计算校验和数据输送完毕，通过比较校验和来确定数据传送是否正确。如果不正确，则需要重新进行数据传送。

对于设备的表面我们采用防护罩对对表面的机械结构件的防尘还有安全进行一定的保护显示界面放在设备的一侧，节省机构空间的同时对工作人员的工作范围减少。设备体效果图如下图5.1

图5.1

5.3自动上料分析

在一般的设备当中我们不仅要提高设备的精确度，同时我们还得体高的生产是的速度，这样才能实现生产的自动化智能化，

在该设备中我们实现自动上料主要时利用递进法，利用两两之间的推动进行逐一的上料，结构图如下图5.2

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图5.2

5.4产品的定位旋转

产品的定位采用v型块定位，两端对称处采用两个v型块进行支撑定位。再利用电机的旋转带动零件的旋转从而使工件在测试的过程的转动，如下图5.3

图5.3

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第6章 总结和展望

本研究主要目的是探索工程中轴类零件基于CCD径向跳动的新检测与校正技术，以及研制出基于此项技术的原理样机。本章将对前期的研究工作作简要的总结，并结合当前国内外智能测量技术研究动态，对精密测量的研究重点和发展方向作展望。

6.1全文总结

本文在分析和总结了国内外对同轴度精密测量的研究成果的基础上，研究了基于CCD的径向跳动测量的原理和校正的实现方法，设计并研制成功测量仪的原理。该仪器的成功研制，将显著地提高轴类零件精度及装配效率，克服随着加工技术的提高与安装精度和校正精度相对低下的矛盾。现将本论文的主要工作和创新点总结如下： 主要工作：

1.阐述了径向跳动智能精密测量的意义，总结了当前检测与校正技术的发展历史、检测原理、优缺点和发展趋势，分析了目前测量技术所存在的问题和难点。

2.推导和建立了CCD检测校正数学模型，对模型分别进行了研究，设计并研制了一套

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基于CCD的径向跳动测量仪的原理样机。该仪器采用了光电传感器和计算机检测技术，数据的采集过程由计算机控制完成，测量迅速准确，能一次完成误差的测定、各支承的调整量计算，并能以图形及文字的形式打印报告。

3.设计了一套全中文界面的测量检测系统操作软件。该系统软件能智能采集与处理数据，通过友好的人机交换界面，直观的显示测量结果。

4.系统的抗干扰性设计。通过对系统干扰源、光学元器件和电路的本身的性能和可靠性进行分析，设计了相应的抗于扰技术，并且通过软件的抗干扰设计，进一步保证了系统的稳定性和可靠性。

5.对测量系统的试验与操作方法进行了具体的说明。通过对光学元器件、系统电路和整机实验验证了该测量系统的准确性与实用性。

6．2研究展望

现代测试仪器研究的方向之一是智能化和数字化。基于仪器的这种发展方向和本论文所作的研究工作．对径向跳动精密测量领域的进一步研究的问题包括： 1)径向跳动测量原理的深入研究，进一步的建立更完善测量系统。 2)进一步的改进算法，提高计算精度和速度。

3)完善或改进测量校正操作系统，使操作者更容易理解和操作，达至完美的人机交互效果。 本课题关于测量系统的研究成果可用于轴类零件的检测和校正，对提高各种工程轴系安装工艺水平及检修技术水平具有重要价值和广泛的应用前景。

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