基于位移傳感器接觸式形狀探測裝置的設(shè)計*

張林仙，溫沐陽，鄧彬偉，譚 洪

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，許多領(lǐng)域越來越多地提出了對三維工件尺寸和形狀參數(shù)測量的要求［1］。三坐標測量機是一種集機械、光學(xué)、電子、數(shù)控技術(shù)和計算機技術(shù)為一體的大型精密智能化儀器，作為一種通用性強、自動化程度高、高精度測量系統(tǒng)在先進制造技術(shù)與科學(xué)研究中有極廣泛的應(yīng)用［2］。

三維測量已成為制造業(yè)的一項重要技術(shù)，它在工業(yè)檢測、逆向工程等領(lǐng)域占有重要地位。其中，接觸式測量是目前使用最為廣泛的三維測量方法。筆者專門針對柱狀物體設(shè)計和實現(xiàn)了基于高精度位移傳感器利用三維接觸式測量方法來測量柱狀物體內(nèi)壁形狀的裝置。可有效方便的對柱狀物體內(nèi)壁形狀進行實時探測，并通過上位機(PC機)實時繪制內(nèi)壁形狀，如果有缺陷就可實時顯露出來，通過試制和實驗證明此裝置有效可行。

2 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)主要由傳動行進裝置、測頭檢測裝置、信號處理模塊以及上位機顯示等部分組成。具體來說，系統(tǒng)由STM32F107VCT6控制與數(shù)據(jù)采集模塊、多電機驅(qū)動模塊、矩陣按鍵模塊、測頭(KTRB-50L線性位移傳感器)模塊、上位機串口數(shù)據(jù)獲取分析與圖形實時繪制模塊以及相應(yīng)的外圍電路組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

測頭系統(tǒng)通過機械結(jié)構(gòu)與測量主體連接，測頭信號連接至STM32F107VCT6控制器然后通過坐標顯示系統(tǒng)顯示。測頭系統(tǒng)通過控制器與測量機其他部分協(xié)調(diào)配合完成測量任務(wù)。實際測量中由于環(huán)境條件和筒壁形狀的不同，導(dǎo)致測量信號強弱相差較大，因此采用數(shù)據(jù)擬合處理可達到精確繪制橫斷面形狀的目標［3］。

3 方案選擇與論證

3.1 測量方案

三維接觸式測量方法由傳統(tǒng)的探針式接觸測量方法發(fā)展而來，目前三坐標測量機是該方法發(fā)展的成功典范和主要的使用工具。它以精密機械為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用了精密儀器設(shè)計、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件應(yīng)用技術(shù)和傳感技術(shù)等高技術(shù)成果，能對三維復(fù)雜工件的尺寸、形狀及其相對位置進行高精度測量。

該系統(tǒng)主要由傳動行進裝置、測頭檢測裝置、信號處理模塊及上位機顯示等部分組成。其中測頭通過機械結(jié)構(gòu)與測量主體固連，測頭信號直接與坐標顯示系統(tǒng)相連，測頭通過這兩部分與測量機其他部分協(xié)調(diào)配合完成測量任務(wù)。實際測量中因環(huán)境條件和筒壁形狀的不同導(dǎo)致測量信號強弱相差很大，在該情況下很難得到橫斷面的形狀，須進行數(shù)據(jù)擬合處理。

3.2 STM32F107VCT6控制與數(shù)據(jù)采集

基于CORTEX 32位體系構(gòu)架的嵌入式處理性價比很高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和各種民用智能產(chǎn)品中。本裝置需進行多路數(shù)據(jù)采集和多電機控制及高速串行通信，因此選擇了ARM公司的CORTEX M系列控制器STM32F107VCT6。它集成了各種模塊，開發(fā)方便，運行穩(wěn)定，并帶有12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

3.3 KTRB-50L線性位移傳感器模塊

設(shè)計采用KTRB-50L線性位移傳感器。KTR系列位移傳感器即電子尺，量程10～100 mm，線性精度達到0.1%，壽命1 000萬次，適用于空間狹小安裝不方便的場合。-50L型主要技術(shù)參數(shù)為:電氣行程50 mm，電阻±5.0 kΩ，獨立線性率0.05(±20%)，機械行程57 mm，輸出范圍為0%～100%V(V為給定電壓)，分壓器模擬輸出。此種位移傳感器采樣無明顯跳變、性能穩(wěn)定、精度高、能滿足裝置對精度的要求。

3.4 電機模塊

(1)方案一 采用普通直流電機:直流電機一般可高速旋轉(zhuǎn)，能取得大的啟動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速高，價格低廉，但存在機械觸點，不能完成位置控制。

(2)方案二 采用伺服電機:伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。能提供很好的精度和穩(wěn)定性，但是伺服電機價格高昂，性價比不高。

(3)方案三 采用步進電機:步進電機扭力較大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。如果采用步進電機驅(qū)動器不僅可以做到精確控制，而且價格較伺服電機便宜，故采用步進電機。系統(tǒng)最終采用的是42BYG250混合式步進電動機，額定電流為(單相)0.4A DC，額定電壓為12 V，步距角為1.8°，可以很好地滿足本系統(tǒng)需求。

3.5 電機驅(qū)動調(diào)速模塊

(1)方案一 采用電阻網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字電位器調(diào)整電動機的電壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻元件價格比較昂貴。更為重要的問題在于一般電機的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率而且實現(xiàn)困難。

(2)方案二 采用由達林頓管組成的H型PWM電路用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和與截止模式下，效率很高;H型電路保證了可簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制;電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。

(3)方案三 采用L293D作為驅(qū)動芯片，L293D內(nèi)部集成為雙極型H-橋電路，這種雙極型脈沖調(diào)寬方式有很多優(yōu)點，但在高速情況下驅(qū)動能力相對較弱。

(4)方案四 采用步進電機細分器，考慮到電機使用的步進電機，而且該系統(tǒng)對精度要求較高，本設(shè)計采用THB6128步進電機驅(qū)動器的二相驅(qū)動板。因此采用該方案。

4 硬件和軟件流程圖設(shè)計

4.1 機械設(shè)計部分

該機械設(shè)計部分由傳動行進裝置、測頭、電機以及底座等部分組成。行進裝置由步進電機、滑輪、皮帶組成，通過電機控制測量頭的行進。與測量頭的支桿尾部相連的是另外一個步進電機，該電機可控制側(cè)頭旋轉(zhuǎn)，完成對物體內(nèi)壁的探測。機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 機械結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 上位機程序流程圖

通過VB編寫上位機軟件將STM32控制器采集到的位移傳感器及電機動作參數(shù)獲取，并通過數(shù)據(jù)擬合算法處理后把數(shù)據(jù)傳到上位機轉(zhuǎn)化為圖形實時繪制在顯示器上。上位機程序流程圖如圖3所示。

圖3 上位機程序流程圖

4.3 軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)運行后，首先進行各模塊的初始化，初始化完成后等待裝置復(fù)位。可通過上位機發(fā)送命令給系統(tǒng)，當下位機部分接收到上位機的命令后就進行測量。在測量過程中，下位機適時地將已經(jīng)測試出物體的形狀數(shù)據(jù)傳送給上位機并顯示出來。整個系統(tǒng)在運行過程中，可實時觀測系統(tǒng)的運行狀況。下位機軟件流程圖如圖4所示。

圖4 下位機程序流程圖

5 結(jié)語

測量結(jié)果表明能夠精確的顯示管內(nèi)壁的凹凸變化，將形狀實時顯示在電腦上，靈活性強，可實現(xiàn)空間坐標點位測量，方便地測量各種管狀物體的內(nèi)壁輪廓尺寸及位置參數(shù)，測量精度高且可靠。計算機的引入，可方便數(shù)字運算與程序控制，具有較高的智能化程度。

［1］ 桑新柱，呂乃光.三維形狀測量方法及發(fā)展趨勢［J］.北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(綜合版)，2001，16(2):32-37.

［2］ 張國雄.三坐標測量機［M］.天津:天津大學(xué)出版社，1999.

［3］ 王 霞，曹茂永.樁基鉆孔測量儀立體圖形顯示的實現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報，2001，22(z1):24-25.