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大型機床導（dǎo）軌直線度測量儀的設計探討

2016-8-18 來源：四川省鹽業學校作者：崔宇翔

摘要：文章重點介紹了直線度測量儀的工作原理，大型機床導軌直線度測量儀的總體設（shè）計、硬件設計和軟件設計，以（yǐ）及大型機（jī）床導軌直（zhí）線度測量儀直線度誤（wù）差評定算法。

關鍵詞：大型（xíng）機床（chuáng）導軌；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、計算機技術（shù）、通信技術等在工業領域內（nèi）應（yīng）用的日益廣泛和成熟，以及大型機床生產數量的（de）逐漸增加，為提高機床導軌直線運動精度，提高大（dà）型機床工作性能，利用現（xiàn）代化信（xìn）息（xī）技術來（lái）設計科學先進的大型機床導軌直線度測量儀（yí）勢（shì）在必行（háng）。

1、直線度測量儀的工作原理

首先，將（jiāng）半導體激光（guāng）器置於被測直線段的一側，使其射出的光線與被測機（jī）床導軌平行。然後，將無（wú）線光靶置於（yú）被測（cè）機床導軌之上，使激光器射出的光線正好落在兩（liǎng）片光電池的中心位置，同時以激光器射出的光（guāng）線為（wéi）直線度測量基準，讓無線光靶沿著（zhe）被測導軌直線段移動。當激（jī）光照到無線光靶中的光電池時，兩個光電二極（jí）管就會同時輸出一個與（yǔ）光照麵積成正比的（de）微弱電流信（xìn）號[1]。這兩個微弱電流信號經（jīng）放大電路前（qián）置放（fàng）大器放大並轉換為電壓信號後，就可以根據兩片光電池產生的電壓（yā）差值來預測無線光靶移動的範圍，從而計（jì）算出被測導軌的直線度。

最後，將（jiāng）運算後的信號輸入單（dān）片機中轉換（huàn）成數字（zì）信號（hào）後相除，得到反（fǎn）映入射光光點位置的信號，再將其經無線光（guāng）靶中的無線數據傳輸模塊傳輸至數據（jù）采集模塊，數據采集模塊接收信號後傳送至PC 機（jī），由PC 機完成最後（hòu）的數（shù）據處理。

2 、大型機床導軌直線度測量儀的設計

2.1 總體設計

根（gēn）據大型機（jī）床導軌直線度測量（liàng）儀的具（jù）體用途，文章將其係統設計劃分為四大功能模塊，包括數據采集模塊、半導體激（jī）光器、無（wú）線光靶和PC 機。其中，數據采集模塊主要由單片機和無線數據傳輸兩（liǎng）部分組成，無線光（guāng）靶（bǎ）主要由放大電路、單片機、光電池和無（wú）線（xiàn）數據傳輸四部分（fèn）組成，PC 機（jī）主要由數據（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（zài）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同工作，從而能夠很好地完成大型機床導軌直（zhí）線（xiàn）度測量工作。

2.2 硬件設計

放大電路設計。放大電路的（de）設計需要使用光電（diàn）傳感器，常見（jiàn）光電傳感器有光電（diàn）二極管、四象限光電池等。光電傳感器（qì）光照度與反向電流成正比，具有響應快、噪聲低、方便等優點，多用於激光探測（cè）。四象限光電池多用於光（guāng）電開（kāi）關、光電（diàn）耦合等。不同光電傳感（gǎn）器（qì）有（yǒu）著不同的特點與適用範圍，對於大型機床導軌直線度測量係統放大電路而言，文章選用光電二極管。由於光電輸出為一個微弱的模擬（nǐ）信號，易受外界環境幹擾，因而前置放大器需要對模擬信號進行預處理，即其應集成高輸入（rù）阻抗、低輸出（chū）阻抗等多種能力。文章（zhāng）選擇ICL7650係（xì）列的集成運放（fàng）作為前置放大器。

單片機選型。在大（dà）型機床導軌直線度測量儀設計中，單片（piàn）機是（shì）整個係統最（zuì）為（wéi）核心的一個部件，它控（kòng）製著係統各個（gè）部分的（de）運轉狀態，並與其（qí）他（tā）部件一起完成數據采集、處理等（děng）操作[3]。對於單（dān）片機的選（xuǎn）型應（yīng）盡可（kě）能（néng）選擇低功耗、性價比高（gāo）的單片機，以降低能源損（sǔn）耗，延長設備的使用（yòng）壽命。文章選用超低功耗、多種存（cún）儲器形式、強大數據處（chù）理能力、高效開發環境的MSP430 型號單片機（jī）作為整個直線度測（cè）量係統的（de）控製中心。該單片機可以為係統的低功耗運行與設（shè）備的充分利（lì）用提供可靠保障（zhàng）。

2.3 軟件設計

CRC 校驗協（xié）議編寫（xiě）。由於係（xì）統實際運行過程中，受外界環境幹擾或一些其他因素影（yǐng）響，極易出現數據傳輸錯誤現象，所以為保證數據傳輸的完整性（xìng）、正確性與可靠性，需（xū）要采用相應（yīng）校驗方法對數據通信進行校驗。目前，常用校驗方法（fǎ）主要有循環冗餘校驗（CRC）、奇偶校驗等。循環冗餘校驗碼既可以（yǐ）用硬件來實現也可以（yǐ）用軟件來實（shí）現，文章采用軟件方法來實現對數據通信的循環冗餘校驗。首先（xiān），將一個16 位寄存器全部置1，將數據包中8 字節與其當前值進行異（yì）或運算，低位向高位移位，高位用0 補齊。然後，對移（yí）出的最低位（wèi）數（shù）值進行判斷，若移出的為0，則不做任（rèn）何操作；若移（yí）出（chū）的為1，則將寄存器與預設固定值進行一次異或，重複上述操作（zuò）直至8位移（yí）位全部完成[4]。當最後一位移位完成時（shí），在進行下一8 字（zì）節與寄存器（qì）當前值的異或，按照同樣（yàng）的運算方法當數據（jù）包中所有數據全部處理完畢後（hòu），生成的數（shù）據序列即（jí）為CRC 校驗碼。這一環節的流程圖如圖1 所示。

圖1 CRC 校驗子程序流（liú）程圖（tú）

通訊功能（néng）的實現。通訊功能（néng）的實現需要按照如下步驟進行，在VB 編程（chéng）軟件中引用MSComm控件對串口進行初始化，用232端口號對校（xiào）驗方式和（hé）波特率（lǜ）進（jìn）行設置，加載CRC 校驗碼（mǎ），加（jiā）載與初始化上行（háng）、下行定時（shí）器，測試通訊連接是否（fǒu）正常，此時串口根據預設定時時間向單片機發送命令，同時記（jì）錄發送次數，若數據功能位為0 且接收到數據信號，則說明通訊連接成（chéng）功，若（ruò）發（fā）送命令超出100 次還（hái）沒有（yǒu）接收到數據，說明串口（kǒu）通信錯誤，需要檢查數據（jù）接收終端（duān）。

3、大（dà）型機床導軌直線度（dù）測量誤差評定算法（fǎ）

空間直線度誤差評定算法作（zuò）為大型機床導軌直線度（dù）測量誤差常用算法之一，其具體計（jì）算過程為將空間直線投影（yǐng）到給定坐標（biāo）係的XY 平麵內，並求出投影後的直線度誤差。根據計算結果繪（huì）出某一空間線的（de）測量結果，並將（jiāng）該線投影在XY 平麵上，求出對應（yīng）坐標，從而將空間線轉（zhuǎn）化為平麵線。按照（zhào）平麵線直線度旋轉法求（qiú）出第（dì）一次投影的平麵線直線度誤差。

以X 軸為旋轉（zhuǎn）中心旋轉（zhuǎn）空（kōng）間線，此時該（gāi）線X 坐標不變，求出其在XY 平麵上投影的直線度誤差。重複（fù）上述步驟直至空間線旋（xuán）轉為初始位（wèi）置（zhì）。在這（zhè）一過程中，會得到許多平麵（miàn）直線度誤差，求（qiú）出其中最大值，該值（zhí）即為空間直線度誤差。

4、結束語

由上（shàng）文分析可知，要想設（shè）計（jì）出功能強大、性能良好（hǎo）、可擴（kuò）展性強、適用範圍廣的（de）大型機床導軌直線度測量儀，就必須從單片（piàn）機選型、無線數據傳輸、放大電（diàn）路、通訊功能實現、數據校驗、直線度誤差評定算法等各個環節進行科學合理的設計，對所需（xū）元器件精心選型，以進一（yī）步提（tí）高該係統在市場（chǎng）上的占有率（lǜ），提高產品的使用性能（néng）。

參（cān）考文獻

[1]張軍（jun1）峰，王燕燕.EST 法測量機床（chuáng）導軌直線度誤差分析[J].機床與（yǔ）液壓，2010，3：46-49.

[2]鄭茜瀅.高剛度滾動直線導軌設計及精度分析[D].哈（hā）爾濱工業大學，2013.

[3]李躍暉.大（dà）長度導軌直線度視覺測量方法的（de）研究[D].西安理（lǐ）工大學，2009.

[4]張恩政.基於雙頻幹涉的直線度及其位（wèi）置測量方法研究（jiū）[D].浙江理工（gōng）大學，2010.

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