氣動式線性位移測量裝置的設計

李冉琦，張天慈

（桂林廣陸數字測控有限公司，廣西 桂林 541213）

0 引言

現有的線性位移測量工具，如卡尺、指標表等，大部份是手動驅動測量桿的，這種手動驅動測量桿的測量方式缺點是由于人為因素，測量力度通常不均勻，特別是當測量軟體工件時，造成較大測量誤差，并且手動驅動測量桿的測量方式已不能滿足日益需求的在線自動測量，因此提出了采用氣動輔助的線性位移測量工具。

1 研究內容

裝置是由壓縮氣體驅動量桿來進行測量的，當關閉并釋放壓縮氣體時量桿在彈簧力的作用下自動復位，有效解決了手工驅動量桿時測量力度不一致的問題，并且易實現在線自動測量。與各種氣動測量頭、電感傳感器或各種測量裝置配套使用，可以實現高度差、平行度、垂直度、同軸度、跳動、厚度等形位公差的檢測。通過電纜由PLC控制，接收數據并顯示在液晶屏上，動柵組件與量桿同步運動，與定柵組件形成相對運動，根據位移傳感器測量原理，動柵組件運動時，位移傳感器輸出一個位移值，這個值也就是量桿運動的位移量，即為被測量工件的測量值。

2 技術方案

氣動式線性位移測量裝置，屬于距離檢測器件領域，用于解決傳統氣動式線性測量裝置檢測不準確的問題，氣動式線性位移測量裝置包括：設置在殼體內的第一主板和第二主板，第二主板設置在第一主板上方；第一主板上設置有傳感器單元；第二主板上設置有主控單元、顯示單元、通訊單元和供能單元；主控單元分別與傳感器單元、顯示單元、通訊單元和供能單元電連接；通訊單元另一端與PLC終端連接用于傳輸數據。第一主板和第二主板分開布板可以有效提高電路板抗干擾及電磁兼容能力，可以確保極高的測量精度與重復精度；主控單元、顯示單元、通訊單元可快速準確的讀取位移量數據并顯示，最終把數據傳遞給PLC終端。

系統包括外部設備電源和氣壓的輸入、主控MCU與各模塊的控制關系以及數據控制系統與用戶終端設備的信息通訊，硬件電路部分以MSP430F435微控制器為核心，外圍電路包括電源防反接保護電路、LDO穩壓模塊、232通訊模塊、485通訊模塊、傳感器模塊、LCD液晶顯示和LED指示模塊。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

3 硬件設計

3.1 主控單元

設計中使用的MSP430F435是一種高性能、超低功耗的16位微控制器，具有在線系統編程功能，方便工程應用調試[1]。外圍使用32 K晶振的情況下，其波特率可設為4800 bit/s和9600 bit/s。所述主控單元可記錄測量桿的初始位移數據，測量桿發生移動后把讀取到的新數據與初始位置數據相減計算得到位移量數據。主控單元原理圖如圖2所示。

3.2 電源模塊

電源防反接保護[2]模塊和LDO穩壓模塊對主控單元和各模塊有很好的保護和驅動能力。所述電源防反接保護模塊采用雙N通道MOS場效應管NTZD-3154N，當電源電壓反接時，場效應管不導通、截止，寄生二極管反接，電路是斷開的，從而保護后級電路的安全，可以有效保護反接電壓達到24 V，有效避免用戶使用過程中因正負極接反而燒壞主要元件，減少損失。所述LDO穩壓模塊采用的是10 mA低壓差線性（LDO）穩壓器TPS79730，具有超低功耗和良好的輸出功率[3]，輸出穩定的3 V電壓，用于驅動微控制器以及各功能模塊。電源模塊原理如圖3所示。

圖2 主控單元原理圖

圖3 電源模塊原理圖

3.3 通訊單元

通訊單元用于與PLC終端連接實現數據的雙向傳輸，所述通訊單元包括：RS485模塊和RS232模塊，可采用ModBus RTU協議進行通訊，數據傳輸均采用8位數據位、1～2位停止位、無奇偶校驗。通訊信息幀的格式為：地址碼、功能碼、數據區和錯誤校驗碼的組合[4]。PLC終端根據通訊協議返回相應的數據包以完成通訊過程。用戶可通過PC終端對測量裝置進行地址碼、波特率、預置數、設置零位等操作。RS232模塊采用SP3232EEN，RS485模塊采用SP3485EEN，RS485模塊的A、B兩引腳之間并聯一個120Ω的匹配電阻，進行阻值匹配，消除線路上產生的信號反射。RS-485和RS-232模塊原理圖如圖4、5所示。

圖4 RS485模塊原理圖

圖5 RS232模塊原理圖

4 軟件設計

主控制芯片的程序按照其軟件流程工作，采用5 V直流電源供電，5 V電源電壓經過穩壓模塊，輸出穩定的3 V電壓，送至RS485和RS232收發器、微控制器和各模塊。單片機根據程序控制各個模塊，處理獲取的信號，經RS-485收發器輸出數字信號到用戶PLC，PLC根據通訊協議返回相應的數據包以完成通信過程。用戶可進行波特率、預置數和儀表通道號的設置。

采用CRC16校驗方法(冗余循環校驗碼含2個字節，即16位二進制數)，CRC碼由發送設備計算，放置于所發送信息幀的尾部。接收信息設備再重新計算所接收信息(除CRC之外的部分)的CRC，比較計算得到的CRC是否與接收到的CRC相符，如果兩者不相符，則認為數據出錯[5]。命令約定說明見表1～表4。

表1 PLC發送命令到測量裝置的數據格式

表2 測量裝置回復的數據格式

表3 測量裝置反饋預置數成功的格式

表4 PLC發送下列命令到測量裝置可以設置串口參數

5 產品驗證

該項產品各項指標達到了國標要求，其技術參數與國內某知名品牌數顯千分表對比見表5。

表5 此裝置與國內某知名品牌數顯千分表對比

分辨力0.001 mm，重復定位精度達到±0.001mm，通過各種形式式試驗（高低溫濕熱試驗、跌落試驗、無包裝振動試驗以及模擬汽車運輸試驗），試驗結束后，產品精度和穩定性均正常，達到量產要求。

這一氣動式線性位移測量裝置申請了國家實用新型專利，專利號ZL202120557464.8。

6 結論

氣動式線性位移測量裝置可以與各種氣動測量頭裝置配套使用，可以實現高度差、平行度、垂直度、同軸度、跳動、厚度等形位公差的準確檢測。

采用第一主板和第二主板分開的分體式結構，可以有效提高電路板抗干擾及電磁兼容能力，同時利于設備整體的小型化，使其易于安裝在狹小空間內，可以確保極高的測量精度與重復精度，主控單元、顯示單元、通訊單元可快速準確的讀取位移量數據進行顯示并傳遞給PLC終端，通過外殼的防護功能，可防塵、防強噴射(達到IP65防護標準)，可在惡劣的工作環境下使用。