大型機床導(dǎo)軌直線度測量儀的設(shè)計探討
2016-8-18 來源：四川省鹽業(yè)學(xué)校 作者：崔宇翔
摘要：文章重點介紹了直線度測量儀的工作原理，大型機床導(dǎo)軌直線度測量儀的總體設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，以及大型機床導(dǎo)軌直線度測量儀直線度誤差評定算法。
關(guān)鍵詞：大型機床導(dǎo)軌；直線度測量；誤差評定算法；設(shè)計
前言
近年來，伴隨自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)等在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的日益廣泛和成熟，以及大型機床生產(chǎn)數(shù)量的逐漸增加，為提高機床導(dǎo)軌直線運動精度，提高大型機床工作性能，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)來設(shè)計科學(xué)先進的大型機床導(dǎo)軌直線度測量儀勢在必行。
1、直線度測量儀的工作原理
首先，將半導(dǎo)體激光器置于被測直線段的一側(cè)，使其射出的光線與被測機床導(dǎo)軌平行。然后，將無線光靶置于被測機床導(dǎo)軌之上，使激光器射出的光線正好落在兩片光電池的中心位置，同時以激光器射出的光線為直線度測量基準，讓無線光靶沿著被測導(dǎo)軌直線段移動。當激光照到無線光靶中的光電池時，兩個光電二極管就會同時輸出一個與光照面積成正比的微弱電流信號[1]。這兩個微弱電流信號經(jīng)放大電路前置放大器放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號后，就可以根據(jù)兩片光電池產(chǎn)生的電壓差值來預(yù)測無線光靶移動的范圍，從而計算出被測導(dǎo)軌的直線度。
最后，將運算后的信號輸入單片機中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后相除，得到反映入射光光點位置的信號，再將其經(jīng)無線光靶中的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊接收信號后傳送至PC 機，由PC 機完成最后的數(shù)據(jù)處理。
2 、大型機床導(dǎo)軌直線度測量儀的設(shè)計
2.1 總體設(shè)計
根據(jù)大型機床導(dǎo)軌直線度測量儀的具體用途，文章將其系統(tǒng)設(shè)計劃分為四大功能模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、半導(dǎo)體激光器、無線光靶和PC 機。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要由單片機和無線數(shù)據(jù)傳輸兩部分組成，無線光靶主要由放大電路、單片機、光電池和無線數(shù)據(jù)傳輸四部分組成，PC 機主要由數(shù)據(jù)庫、串口通信、直線度計算和繪圖四部分共同組成[2]。各個模塊在按照既定程序完成自己分配職責的同時，彼此之間也在相互協(xié)同工作，從而能夠很好地完成大型機床導(dǎo)軌直線度測量工作。
2.2 硬件設(shè)計
放大電路設(shè)計。放大電路的設(shè)計需要使用光電傳感器，常見光電傳感器有光電二極管、四象限光電池等。光電傳感器光照度與反向電流成正比，具有響應(yīng)快、噪聲低、方便等優(yōu)點，多用于激光探測。四象限光電池多用于光電開關(guān)、光電耦合等。不同光電傳感器有著不同的特點與適用范圍，對于大型機床導(dǎo)軌直線度測量系統(tǒng)放大電路而言，文章選用光電二極管。由于光電輸出為一個微弱的模擬信號，易受外界環(huán)境干擾，因而前置放大器需要對模擬信號進行預(yù)處理，即其應(yīng)集成高輸入阻抗、低輸出阻抗等多種能力。文章選擇ICL7650系列的集成運放作為前置放大器。
單片機選型。在大型機床導(dǎo)軌直線度測量儀設(shè)計中，單片機是整個系統(tǒng)最為核心的一個部件，它控制著系統(tǒng)各個部分的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并與其他部件一起完成數(shù)據(jù)采集、處理等操作[3]。對于單片機的選型應(yīng)盡可能選擇低功耗、性價比高的單片機，以降低能源損耗，延長設(shè)備的使用壽命。文章選用超低功耗、多種存儲器形式、強大數(shù)據(jù)處理能力、高效開發(fā)環(huán)境的MSP430 型號單片機作為整個直線度測量系統(tǒng)的控制中心。該單片機可以為系統(tǒng)的低功耗運行與設(shè)備的充分利用提供可靠保障。
2.3 軟件設(shè)計
CRC 校驗協(xié)議編寫。由于系統(tǒng)實際運行過程中，受外界環(huán)境干擾或一些其他因素影響，極易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤現(xiàn)象，所以為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴⒄_性與可靠性，需要采用相應(yīng)校驗方法對數(shù)據(jù)通信進行校驗。目前，常用校驗方法主要有循環(huán)冗余校驗（CRC）、奇偶校驗等。循環(huán)冗余校驗碼既可以用硬件來實現(xiàn)也可以用軟件來實現(xiàn)，文章采用軟件方法來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)通信的循環(huán)冗余校驗。首先，將一個16 位寄存器全部置1，將數(shù)據(jù)包中8 字節(jié)與其當前值進行異或運算，低位向高位移位，高位用0 補齊。然后，對移出的最低位數(shù)值進行判斷，若移出的為0，則不做任何操作；若移出的為1，則將寄存器與預(yù)設(shè)固定值進行一次異或，重復(fù)上述操作直至8位移位全部完成[4]。當最后一位移位完成時，在進行下一8 字節(jié)與寄存器當前值的異或，按照同樣的運算方法當數(shù)據(jù)包中所有數(shù)據(jù)全部處理完畢后，生成的數(shù)據(jù)序列即為CRC 校驗碼。這一環(huán)節(jié)的流程圖如圖1 所示。
圖1 CRC 校驗子程序流程圖
通訊功能的實現(xiàn)。通訊功能的實現(xiàn)需要按照如下步驟進行，在VB 編程軟件中引用MSComm控件對串口進行初始化，用232端口號對校驗方式和波特率進行設(shè)置，加載CRC 校驗碼，加載與初始化上行、下行定時器，測試通訊連接是否正常，此時串口根據(jù)預(yù)設(shè)定時時間向單片機發(fā)送命令，同時記錄發(fā)送次數(shù)，若數(shù)據(jù)功能位為0 且接收到數(shù)據(jù)信號，則說明通訊連接成功，若發(fā)送命令超出100 次還沒有接收到數(shù)據(jù)，說明串口通信錯誤，需要檢查數(shù)據(jù)接收終端。
3、大型機床導(dǎo)軌直線度測量誤差評定算法
空間直線度誤差評定算法作為大型機床導(dǎo)軌直線度測量誤差常用算法之一，其具體計算過程為將空間直線投影到給定坐標系的XY 平面內(nèi)，并求出投影后的直線度誤差。根據(jù)計算結(jié)果繪出某一空間線的測量結(jié)果，并將該線投影在XY 平面上，求出對應(yīng)坐標，從而將空間線轉(zhuǎn)化為平面線。按照平面線直線度旋轉(zhuǎn)法求出第一次投影的平面線直線度誤差。
以X 軸為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)空間線，此時該線X 坐標不變，求出其在XY 平面上投影的直線度誤差。重復(fù)上述步驟直至空間線旋轉(zhuǎn)為初始位置。在這一過程中，會得到許多平面直線度誤差，求出其中最大值，該值即為空間直線度誤差。
4、結(jié)束語
由上文分析可知，要想設(shè)計出功能強大、性能良好、可擴展性強、適用范圍廣的大型機床導(dǎo)軌直線度測量儀，就必須從單片機選型、無線數(shù)據(jù)傳輸、放大電路、通訊功能實現(xiàn)、數(shù)據(jù)校驗、直線度誤差評定算法等各個環(huán)節(jié)進行科學(xué)合理的設(shè)計，對所需元器件精心選型，以進一步提高該系統(tǒng)在市場上的占有率，提高產(chǎn)品的使用性能。
參考文獻
[1]張軍峰，王燕燕.EST 法測量機床導(dǎo)軌直線度誤差分析[J].機床與液壓，2010，3：46-49.
[2]鄭茜瀅.高剛度滾動直線導(dǎo)軌設(shè)計及精度分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.
[3]李躍暉.大長度導(dǎo)軌直線度視覺測量方法的研究[D].西安理工大學(xué)，2009.
[4]張恩政.基于雙頻干涉的直線度及其位置測量方法研究[D].浙江理工大學(xué)，2010.
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