摘 要

本文主要利用Keil，Visual Studio，Labview三种软件，以STM32单片机和个人计算机为硬件，设计了一种基于激光三角法的零件表面直线度测量系统，用激光位移传感器对零件表面的直线度误差进行测量，对被测零件实施非接触和连续快速扫描测量，重构出的零件形状可精确反映直线度误差的高频成分，且对测量噪声有较好抑制能力，误差保持在5μm以内。最后对整个系统进行了仿真测试，对其实用性进行了评价。

论文主要研究设计了一整套测量系统，包括高精度控制步进电机行进部分、传感器输出信号AD转换部分和数字信号采集、重构与分析部分，并拥有友好的人机交互前台界面。此外，对于直线度重构部分，对最小二乘法等多种拟合方法进行了比较。

研究结果表明：该设计成功地完成了任务要求，有一定的实用价值。

本文的特色：设计了控制面板，将整套系统从下位机到上位机有机结合了起来。

关键词：直线度，单片机，激光三角法，最小二乘法

Abstract

This paper mainly uses KEIL, visual studio, LabVIEW and other software, and takes STM32 SCM and personal computer as hardware basis,to design a kind of spare part surface straightness measurement system based on laser triangulation method . The straightness error of the part surface is measured by laser displacement sensor. The measured part is measured by non-contact and continuous rapid scanning. The reconstructed shape can accurately reflect the high frequency components of straightness error and has a good ability of restraining the measurement noise, and the error is kept within 5μm.carries out the simulation test of the whole system , and the practicability is evaluated.

The system includes high subdivision control step motor moving part, sensor output signal AD conversion part, and digital signal acquisition, reconstruction and analysis part, and has a friendly human-computer interaction front-end interface..In addition,as for the part of straightness reconstruction, the least square method and other fitting methods are compared.

The results show that the design has successfully completed the task requirements and has a certain practical value.

Features of this paper: the control panel is designed to integrate the whole system from the lower computer to the upper computer.

Key words: Straightness，SCM，Laser triangulation，LSM

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.1.1直线度及其激光三角测量法原理介绍 1

1.2 设计的基本内容与预期目标 3

1.3 论文结构安排 4

1.4 本章小结 5

第2章 步进电机驱动设计 6

2.1 42型步进电机及其工作原理的简单介绍 6

2.2 常见驱动控制技术介绍与比较 6

2.3 STM32内部电路介绍 8

2.4 步进电机驱动器及LV8726驱动芯片介绍 9

2.5 驱动程序设计 11

2.6 单片机电机驱动文件控制面板程序设计 12

2.7 本章小结 15

第3章 传感器模数转换和串口设计 16

3.1 ILD1402-X9751202型激光位移传感器介绍 16

3.2 模数转换器（ADC）设计 18

3.3 程序设计 20

3.4 PC串口程序设计 23

3.5 本章小结 25

第4章 曲线拟合方法研究 26

4.1 样条插值拟合 26

4.2 基于最小二乘法的多项式拟合 29

4.3非线性LM拟合 31

4.4 仿真实验 33

4.5 本章小结 34

第5章 数字信号处理分析系统设计 36

5.1 信号采集部分设计 36

5.2 数据拟合部分设计 40

5.3 数据处理部分设计 41

5.4 本章小结 42

第6章 系统仿真测试结果 43

第7章 结论 45

参考文献 46

附录A STM32最小系统原理图 48

致谢 50

第1章 绪论

1.1 选题背景

1.1.1直线度及其激光三角测量法原理介绍

直线度误差属于形状公差中的一种，定义是实际直线对理想直线的允许变动量，它也是机械制造业中需要重点考虑的一个指标，因为它在很大程度上影响零部件的性能，是产品质量的四大重要影响因素之首。直线度测量是几何测量项目中的基础，其研究成果一直都受到各国测量学学者们的关注。通常对直线度的测量有如下要求，即应该在测量结果可信度达到一定程度的前提下，测量过程应该简洁快速且节约成本。国际上通常认为,测量精度低于0 .5 μｍ/ｍ的为一般水平,高于0 .5 μｍ/ｍ的属高精度测量,而高于0 .1 μｍ/ｍ则属先进水平。然而，由于测量手段与原理种类众多,目前还没有合理统一的分类方式。

常用的直线度测量方法有光学准直法、重力法、平尺法等。激光三角法属于光学测量的一种，其原理如下：激光束经过准直系统后以一定的角度聚焦到被测物体表面并发生散射，之后又经过接收透镜在另一个角度上聚焦，最终于CCD线阵上成像。这一散射光斑的位置会随被测表面相应的位置沿着激光轴方向发生位移时改变，从而导致在线阵 CCD 上成像的位置发生变化，也就是说计算出线阵 CCD 上光斑的移动，就可以推算物体实际上的位移距离。原理图如图1.1所示。