万能工具显微镜智能化测控系统

万能工具显微镜智能化测控系统

万能工具显微镜、分度头、光学测角仪是用传统方法对长度和角度等几何量的测量的常用工具。基于测量精度高、抗干扰能力强、长期稳定性好等优点，这些仪器在几何量测量中扮演重要角色。作为测量仪器中的大型光学仪器，万工显功能特别强大。它可以通过多种方法并结合附件在直角坐标及极坐标下进行各种几何量的测量，在精密测量中使用十分广泛。然而随着现代科技的发展，对精密测量的精度、效率等方面也提出了越来越高的要求，要求光学测量仪器达到高精度、高效率、智能化。

设计应用光栅数显技术，能使万工显测量、读数实现数字化。这种数字化的智能测控系统用以解决老旧万工显操作繁琐、人为误差大、工作效率低等问题。这将是一个很有实际意义的课题，它可以对很多院校和厂矿这类老旧仪器进行改造，提高了读数精度和自动化程度，其在精密测量领域具有广泛的应用和实际的意义。

1 系统需求分析

本课题是基于成熟测量工具万工显的技术升级改造，既要保持原有仪器的精度和稳定性，又要降低测量难度，所以要选择适用于万能工具显微镜改造升级并且经济实用的位移传感器；为避免误差积累影响系统精度，需自行设计机械安装方案；为避免错位松动影响系统稳定，需严格遵守安装说明。

1.基于DSP技术的信号细分及数据采集电路模块设计

原有仪器测量精度较高，稳定性好。改造升级后要达到甚至超过原来的测量精度，保持更好的稳定性。在满足这些要求的情况下，选择DSP技术对信号细分和数据采集。

2.功能软件的设计与开发

为了使样板、螺丝、齿轮、滚刀等的检测从不可能到可能，从不精确到精确，从复杂到简单。自行设计万能工具显功能軟件，实现简

单几何元素、基本几何元素、组合几何元素等规划测量功能。同时，系统完成了万能工具显微镜数字显示仪表的图形测量、图形构造、图形预置、公制/英制转换、坐标摆正、直角坐标/极坐标转换、参数设置、用户提示等先进的仪表功能的实现。

2.光栅检测原理及光栅位移传感器选型

1.光栅检测原理

光栅位移传感器也称光栅尺或计量光栅，由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，指示光栅则装在光栅读数头中。标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上。目前计量光栅的位置检测技术发展已相当成熟，被广泛用于角度位移检测，也可用于直线位移检测。

2. 光栅信号细分及数据采集

光栅的刻划密度基本上决定了光栅尺的分辨率。然而工艺水平限制光栅的刻划密度受，而且从成本来讲刻花线数越多，就越昂贵，因此很难依靠提高刻划密度来提高光栅尺的分辨率。采用光栅信号细分技术是提高光栅尺分辨率的另一途径。光栅测量系统本就有较高的分辨率，若再配合电子细分则可以达到很高的分辨率，并且随着电子技术的飞速发展，细分实现越来越简单、可靠。根据本课题实用型升级改造的要求，光栅信号细分技术来提高光栅尺的分辨率。

3.软件开发环境

软件开发环境采用为CCS（Code Composer Studio）集成开发环境，该环境下编程代码的可读性更好、可移植性更高，便于二次开发。

1.开发环境

CCS是一种针对TMS320系列DSP的集成开发环境，提供有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。它支持如下开发周期的所有阶段：设计、编程和编译、调试、分析。

2.系统软件总体设计

良好的设计方案可以减少软件的代码量，提高软件的通用性、扩展性和可读性。本系统的设计方案和步骤如下：

（1）根据系统设计要求的功能需求，逐级划分模块；

（2）明确各模块之间的数据流传递关系，力求数据传递少，以增强各模块的独立性便于软件编制和调试；

（3）确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并分别调试通过；

（4）按照开发式软件设计结构，将各模块有机的结合起来，即成一个较完善的系统。

本系统的核心部分是DSP的软件设计，只有对光栅位移传感器数据正确采样，之后的位移量测量才有实际意义。DSP软件一般包括初始化程序、数据采集程序、中断服务程序、按键处理程序、显示子程序及实现各种算法的功能模块。

4.智能测控系统的精度分析

1.光栅尺的细分误差

依据光栅尺结构的原理，检测光栅尺的长度尺寸值误差都是按照0.02mm为单位布置测量点，刚刚好都是0.02mm节距的整倍数。对小于0.02mm读数的处理则是通过系统内插细分来完成。实验中用精度为0.1um的电感测微仪，以1um距离为间隔反复检测光栅尺的细分误差，可以得出其误差都小于±0.5um的结论。

2.数字显示系统的的检定

查阅万工显检定规程中的相关条款，需要对读数装置的示值误差、读数装置的回程误差和示值误差进行检定。

3.示值误差的检定

检定示值误差也就是光栅尺的准确性。首先要选择检定标准，一般选择已经做过检定的玻璃刻度尺，要求其极限误差不大于0.5um；依据规程的规定横、纵向的示值误差分别进行检定。如果没有玻璃刻度尺，也可以选择万工显上原有的刻度尺作为标准与光栅尺进行比对。万工显原附有的示值误差表，还可以依此进行修正，光栅尺各被检点的实际误差由此来确定，若有超差再用线性补偿系统进行补偿。

5.总结与展望

本课题研究并设计基于光栅数显技术和DSP测控技术的万工显智能测控系统。本系统力图将传统的万工显改造成智能化、数字化的万工显，从而实现万工显检测过程的高精度、高效率。自行设计编程万能工具显微镜测控软件，扩展万工显的测量功能，使一些量的检测由复杂到简单，由不可能到可能。

目前整个系统只是实现了老旧万能工具显微镜的数字化显示和智能化的基本操作，并没有实现自动读数、自动测量等高级功能，所以在系统的改进设计上可以考虑开发自动读数和自动驱停模块，从而提高万能工具显微镜的智能化程度。■