基于激光傳感器襯套尺寸檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：傳統(tǒng)的襯套內(nèi)、外徑尺寸檢測主要采用止規(guī)、千分尺、游標(biāo)卡尺等工具，費時費力且誤檢率高。為此，采用VB軟件編寫可視化控制界面與下位機PLC控制通信的方法，設(shè)計開發(fā)襯套內(nèi)、外徑尺寸自動化檢測系統(tǒng)，通過上位機通信編程自動獲取激光傳感器檢測的尺寸，并自動生成尺寸表格予以存儲。通過對系統(tǒng)進行現(xiàn)場調(diào)試和整體測試運行，證明該設(shè)計實現(xiàn)了激光傳感器在短距離自動檢測產(chǎn)品方面的精確性和高效性。與傳統(tǒng)檢測手段及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)尺寸比較，具有自動化程度強、精確度高的特點，證明了該設(shè)計方法和程序的合理性。

關(guān)鍵詞：激光傳感器；VB通信控制；襯套尺寸；高精確度尺寸檢測；PLC；自動化

中圖分類號：TP23 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-02

0 引 言

在現(xiàn)代加工制造業(yè)中，襯套在航空、汽車、船舶等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因此需對其進行嚴(yán)格的精度檢測以確保襯套合格。傳統(tǒng)檢測主要采用止規(guī)、千分尺、游標(biāo)卡尺等工具進行人工檢測。然而，一些被測量元件不容易與測量裝置接觸或者接觸后因為各種內(nèi)部或外部因素還會導(dǎo)致測量的精度下降[1-5]。因此，本文擬設(shè)計開發(fā)襯套內(nèi)、外徑尺寸的自動化檢測系統(tǒng)，同時提高激光傳感器在短距離自動檢測襯套尺寸時的精確性和高效性。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 控制要求

將襯套放置在V型定位塊中，電磁線圈通電，此時氣路激活，氣壓傳動使氣缸桿外移，從而實現(xiàn)通過夾緊氣缸固定被測工件。將激光傳感器對準(zhǔn)襯套的直徑位置，工件和激光傳感器的位置固定不變，即工件中心與測頭的距離恒定。通過U型槽的設(shè)置就可以自由調(diào)節(jié)激光傳感器的相對位置，以便滿足不同情況下的檢測要求。在激光傳感器和襯套組成的子系統(tǒng)中，通過激光傳感器依次檢測襯套的下階梯、中階梯、上階梯的外徑以及整個工件的內(nèi)徑。激光傳感器適用于短距離測距，經(jīng)多方考慮選用LSD-85N-RS型號傳感器，其測量范圍為（85±20）mm，超出范圍后將無法測距，設(shè)計7個LED距離指示燈，由近到遠地指示距離。LSD-85N-RS激光傳感器基于激光三角測量原理[6]。根據(jù)反射光線的角度計算CCD傳感器上光斑的距離，進而計算出實際物體的

2個不同位置之間的距離，最后用于測量物體的厚度、偏移、振動、距離、直徑等幾何量。

1.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1所示為整個檢測系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)圖。圖中：1為伺服電機，電機得電后轉(zhuǎn)動并控制滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)傳感器的上下移動。2為導(dǎo)向支架，用于固定檢測裝置，以確保裝置順利配合。3和4構(gòu)成一個絲杠-螺母傳動機構(gòu)，能夠平穩(wěn)、精準(zhǔn)帶動檢測裝置上下移動。5為夾緊氣缸，用于在正式檢測之前夾緊固定被測工件。在本設(shè)計中所涉及到的氣缸需要實現(xiàn)往復(fù)伸縮的功能。因此可以通過換向回路即改變進氣方向來調(diào)整執(zhí)行元件的運動方向。通過PLC進行控制，電磁線圈得電后，氣路接通，通過氣壓傳動實現(xiàn)向外推桿；當(dāng)電磁線圈失電時氣路就會斷開，桿件在彈簧自身拉力的作用下縮回，最終實現(xiàn)往返伸縮功能。6是一個中間鏤空的底座平板，該設(shè)計既可以將電機絲杠驅(qū)動系統(tǒng)插入其中，有利于整個系統(tǒng)重心的穩(wěn)定，又節(jié)省了制作材料和空間。7為一平面支撐板，將激光傳感器8固定在該支撐板上，并且在前伸板上挖一個

U型槽，盡管本設(shè)計中采用的是相對距離的檢測方法，但仍需盡可能地將激光傳感器對準(zhǔn)襯套的直徑位置，通過U型槽的設(shè)置就可以自由調(diào)節(jié)激光傳感器的相對位置，實現(xiàn)精確測量。整個系統(tǒng)通過支柱9來支撐。10是V型定位塊，通過氣缸推動可以有效固定被檢測工件。11是被檢測對象，12和13組成一個測量內(nèi)徑的系統(tǒng)并通過氣缸支架14固定。

2 控制設(shè)計

2.1 電氣控制組成

如圖2所示，襯套尺寸檢測系統(tǒng)包括3個子系統(tǒng)：襯套定位子系統(tǒng)，其負責(zé)將工件夾緊固定，定位內(nèi)徑后進行檢測；PLC控制運動子系統(tǒng)，控制型號為MR-J3-40的伺服電機，驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動激光傳感器在垂直方向上下移動[3]；激光檢測子系統(tǒng)，控制激光傳感器檢測襯套的各階梯外徑，通過PC連接記錄數(shù)據(jù)。

2.2 電氣控制流程設(shè)計

在完成系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與選擇以及電氣控制方案的設(shè)計之后，對檢測系統(tǒng)的軟件部分進行進一步的分析與設(shè)計?，F(xiàn)今，PLC是一種基于微處理器技術(shù)且能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)代通用工業(yè)自動化生產(chǎn)的控制設(shè)備。它內(nèi)部具有一種可編程存儲器，可實現(xiàn)邏輯、算術(shù)運算、順序控制、定時、計數(shù)等操作指令，然后通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出控制不同類型的機械

設(shè)備。

首先，應(yīng)用VB軟件設(shè)計編寫出滿足需求的總體可視化控制界面。由VB通過USB轉(zhuǎn)接口與激光傳感器連接，提供12 V直流電源，預(yù)實現(xiàn)襯套外部尺寸的檢測系統(tǒng)。

其次，編寫可實現(xiàn)激光傳感器定點移動功能的PLC控制程序并與VB程序通信。由PLC控制伺服驅(qū)動器通過伺服電機轉(zhuǎn)動，進而通過滾珠絲杠帶動激光傳感器在Z軸方向上完成一系列運動。同時由PLC控制電磁閥，驅(qū)動3個氣缸（2個雙桿雙軸氣缸和1個三爪氣缸）動作，實現(xiàn)工件夾緊定位和工件內(nèi)徑檢測。各子系統(tǒng)互相配合，達到系統(tǒng)自動檢測的目的。

再將VB程序通過RS 422轉(zhuǎn)接口與激光傳感器通信，實現(xiàn)系統(tǒng)高精度檢測，并將檢測數(shù)據(jù)依次錄入數(shù)據(jù)庫中與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)尺寸進行比較，從而判定工件的尺寸是否合格[7-8]。

最后，激光傳感器的檢測是通過控制程序來實現(xiàn)的。在該子系統(tǒng)中，利用VB 6.0軟件程序，在PC中通過串口與激光傳感器連接從而實現(xiàn)多位置檢測。LSD-85N-RS激光傳感器與PC之間通信所用的設(shè)備為USB 2.0 TO RS 422/RS 485轉(zhuǎn)接串口[6]。設(shè)計中所采用的傳感器的開關(guān)量輸出為NPN集電極開路輸出，所以對應(yīng)地采用PLC公共端漏型接法。在進行通信之前需要編寫包括設(shè)置波特率、傳輸代碼、數(shù)據(jù)長度等內(nèi)容的代碼。由于PLC的編程器接口為RS 422或RS 485，與計算機的串行通信接口RS 232C不同，因此計算機在實現(xiàn)通信編程軟件與PLC交換信息時，需要配備專門的帶轉(zhuǎn)接的編程電纜或通信適配器。設(shè)計采用計算機通過FX-232AW單元進行RS 232C/RS 422轉(zhuǎn)換，然后再與三菱PLC編程口連接。

3 結(jié) 語

襯套的廣泛使用以及對尺寸精度要求的提高，有力地推動了測量技術(shù)的發(fā)展。而對激光技術(shù)的深入研究與傳感器的大規(guī)模使用，意味著自動化測量的巨大應(yīng)用潛力[9]。本文利用激光傳感器測量襯套尺寸，彌補了人工檢測耗時耗力、精確度低等方面的不足，提升了自動化生產(chǎn)的效率[10]，使得激光傳感器的應(yīng)用范圍更加廣泛，也促進了激光傳感器技術(shù)的發(fā)展。

注：本文通訊作者為張陳。

參考文獻

[1]白浪，惠玉香，李小俊.霍爾元件用于靜電場測量的探索[J].西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，45（1）：31-34.

[2]閆坤，黃民.基于氣壓傳動的機械手控制系統(tǒng)的研究[J].輕工科技，2018，34（2）：54-55.

[3]周蘭美.液壓與氣動教學(xué)淺析[J].內(nèi)江科技，2012，33（9）：196.

[4]司鵬輝.步進電機和交流伺服電機性能綜合比較[J].電子測試，2015（13）：85-86.

[5]翟紅云.基于PLC的交流伺服電機驅(qū)動及位移控制技術(shù)研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（9）：80-81.

[6]胡志剛.基于三菱PLC的伺服電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].價值工程，2017，36（5）：80-81.

[7]馬春玉. VB編程語言在軟件開發(fā)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代信息科技，2018，2（4）：26-27.

[8]陳洪艷. VB編程開發(fā)中的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)運用[J].現(xiàn)代信息科技，2020（11）：83-84.

[9] COX L J. Solid-state laser engineering [J]. Optica acta international journal of optics， 2010， 24（9）： 995.

[10]鄭火勝.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)的分析研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2017，7（8）：96-97.

作者簡介：卞劉婷（2002—），女，研究領(lǐng)域為機械電子工程。

張 陳（1992—），男，碩士，實驗師，研究方向為機電控制與故障診斷。

收稿日期：2023-10-16 修回日期：2023-11-20

基金項目：2023年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目：“襯”心如意—襯套自動化尺寸測量（202311463046Y）