摘  要： 柔性物體易于變形，當(dāng)采用傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺、千分尺測(cè)量其外形尺寸時(shí)，不僅效率低，而且重復(fù)性和穩(wěn)定性差?；诩す馕灰茩z測(cè)與光電傳感技術(shù)，提出了一種用于柔性物體的非接觸測(cè)量方法。以STC89C52微控制器為核心并利用激光傳感器和精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)了測(cè)量裝置，根據(jù)被測(cè)物體遮擋光跳變間隔內(nèi)絲桿移動(dòng)的距離確定物體的寬度或外徑。一系列柔性物體的測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際測(cè)量精度可達(dá)0.1 mm。這種方法也可用于高溫物體的外形尺寸測(cè)量。

　　關(guān)鍵詞： 柔性物體；非接觸測(cè)量；激光傳感器；伺服電機(jī)測(cè)距

0 引言

　　現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率越來越高，測(cè)量技術(shù)也要求高效、準(zhǔn)確和無損傷。對(duì)于柔性物體的外形尺寸測(cè)量，由于其易變形的特性，使得利用游標(biāo)卡尺、千分尺等傳統(tǒng)的測(cè)量方式不僅效率低，而且一致性和穩(wěn)定性差，還有可能對(duì)物體表面造成損傷，因此，非接觸測(cè)量得到了廣泛應(yīng)用，如測(cè)量線徑[1]、物體厚度[2]、位移[3]以及限界檢測(cè)[4]等。目前非接觸測(cè)量儀大多采用電荷耦合器件（Charged Couple Device，CCD）技術(shù)，通過對(duì)物體各個(gè)方向的成像，構(gòu)建出物體輪廓，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出外形尺寸[5-8]。這種方法的圖像數(shù)據(jù)處理過程較復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高，數(shù)據(jù)量大，價(jià)格偏高。

　　激光具有亮度高、單色性和方向性好的特性，激光測(cè)距裝置常常被用于光電跟蹤系統(tǒng)[9]。本文基于非接觸測(cè)量方法，利用激光傳感器和精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種測(cè)量柔性物體尺寸的裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于加工制作、適合現(xiàn)場操作、測(cè)量數(shù)據(jù)便捷、顯示信息直觀、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。這種方法同樣適合高溫物體外形尺寸的測(cè)量，并可以推廣到柔性物體產(chǎn)品生產(chǎn)線的在線測(cè)量。

1 測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，非接觸測(cè)量裝置由激光傳感器、精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)組成。

　　精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)包括一根螺距為4 mm的精密絲桿和一個(gè)移動(dòng)滑臺(tái)。導(dǎo)軌的一側(cè)固定載物臺(tái)，由透明玻璃作為放置被測(cè)物體的平臺(tái)。激光傳感器固定在移動(dòng)滑臺(tái)上，隨絲桿旋轉(zhuǎn)前后運(yùn)動(dòng)，通過放置在載物臺(tái)上的物體。該激光傳感器具有靈敏度可調(diào)功能，從而適應(yīng)不同通透性物體。在被測(cè)柔性物體的邊沿處，激光傳感器輸出信號(hào)發(fā)生跳變，根據(jù)信號(hào)電平兩次跳變之間絲桿運(yùn)動(dòng)的距離，便可確定被測(cè)物體的實(shí)際外徑或?qū)挾取?/p>

2 測(cè)量裝置的測(cè)控系統(tǒng)

　　非接觸測(cè)量裝置測(cè)控系統(tǒng)如圖2所示，由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、開關(guān)、USB接口電路、LED數(shù)碼管顯示器等組成。測(cè)控系統(tǒng)的核心是STC公司的STC89C52微控制器，具有8 KB Flash存儲(chǔ)器，256 B RAM，32位    I/O口線。

　　電源系統(tǒng)為單片機(jī)最小系統(tǒng)提供5 V直流電壓，并為激光傳感器、伺服電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供24 V直流電壓。微控制器通過USB接口與PC相連，用于將程序燒錄到單片機(jī)中。測(cè)量值由4位LED數(shù)碼管顯示，其段選和位選信號(hào)分別由單片機(jī)的P0口和P2口產(chǎn)生，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。

　　絲桿通過杰美康57J1880EC-1000-50系列直流混合式伺服電機(jī)帶動(dòng)，步距角為1.8°，額定電流為4.0 A。伺服電機(jī)由杰美康2HSS57-10000混合式步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)器（閉環(huán)）控制，驅(qū)動(dòng)器使能信號(hào)ENA-和方向信號(hào)DIR-分別與單片機(jī)P1.0和P1.1相連，PLS-與單片機(jī)P1.2端口相連，接受來自STC89C52單片機(jī)的脈沖指令。ENA+、DIR+、PLS+引腳接5 V電源。該驅(qū)動(dòng)器具有8種細(xì)分模式，工作電流為0～6 A，工作電壓為24～80 V，具有全閉環(huán)、低發(fā)熱、平滑精確的特點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)思路

　　單片機(jī)通過定時(shí)器0中斷輸出脈沖信號(hào)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。每輸出800個(gè)脈沖（定時(shí)器中斷1 600次）電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，通過記錄定時(shí)器中斷次數(shù)便可計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)的距離。定時(shí)器1用于定時(shí)掃描數(shù)碼管顯示。外部中斷INT0和INT1接光電開關(guān)信號(hào)。按下按鍵K，單片機(jī)開始輸出脈沖，當(dāng)光電開關(guān)被擋住時(shí)，INT0觸發(fā)，開始記錄脈沖的個(gè)數(shù)。當(dāng)物體移出光電開關(guān)時(shí)（沒有遮擋），INT1觸發(fā)。記錄從INT0觸發(fā)到INT1觸發(fā)之間定時(shí)器0中斷的次數(shù)N，則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離為L=（N/1 600）×4 mm。

　　絲桿運(yùn)動(dòng)的快慢由控制電路中開關(guān)K1或K2決定，開關(guān)K1控制的速度是K2的兩倍，可以觀察和比較不同絲桿速度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

　　選取不同柔性物體分別進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，在此僅給出部分結(jié)果。先用游標(biāo)卡尺對(duì)每種物體進(jìn)行10次測(cè)量，取其平均值作為1次的測(cè)量值，可看作是一個(gè)“標(biāo)稱值”，然后在不同絲桿運(yùn)動(dòng)速度下，用測(cè)量裝置分別測(cè)量10次，得到物體的測(cè)量尺寸。

　　餐巾紙寬度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。由于受外力產(chǎn)生形變，游標(biāo)卡尺測(cè)量的尺寸波動(dòng)較大，從圖中可以看出，數(shù)值波動(dòng)大于0.5 mm。而測(cè)量裝置測(cè)量的尺寸波動(dòng)明顯減小，其中絲桿低速運(yùn)動(dòng)（K2按下）時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)集中于28.7～28.8 mm之間，重復(fù)性明顯優(yōu)于用游標(biāo)卡尺和絲桿高速運(yùn)動(dòng)（K1按下）時(shí)測(cè)量的值。

　　測(cè)量鉛筆盒寬度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。由于堅(jiān)硬物體測(cè)量時(shí)的受力變形幾乎可以忽略不計(jì)，此時(shí)可以認(rèn)為游標(biāo)卡尺測(cè)量的結(jié)果非常準(zhǔn)確，而此時(shí)測(cè)量裝置的測(cè)量精度不如手工測(cè)量，絲桿低速運(yùn)動(dòng)（K2按下）時(shí)的測(cè)量誤差為±0.1 mm，絲桿高速運(yùn)動(dòng)（K1按下）時(shí)測(cè)量效果略差一些。

　　為了提高測(cè)量精度，調(diào)整激光傳感器輸出靈敏度和傳感器輸出電路比較門限，再次測(cè)量兩種不同物體的外形尺寸，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。其中，紙片寬度的標(biāo)稱值為10.00 mm，游標(biāo)卡尺的測(cè)量值為10.12 mm，用測(cè)量裝置測(cè)量的數(shù)值在9.98～10.10 mm之間，測(cè)量最大偏差為±0.1 mm，誤差為1.0%。U盤寬度的標(biāo)稱值為17.30 mm，用游標(biāo)卡尺測(cè)量的值為17.27 mm，用測(cè)量裝置測(cè)量的數(shù)值在17.26～17.32 mm之間波動(dòng)，測(cè)量最大偏差為±0.04 mm，誤差為2.3‰?？梢钥闯觯鲜鰷y(cè)量結(jié)果較穩(wěn)定，且多次測(cè)量值與“標(biāo)稱值”非常接近。

5 測(cè)量誤差分析

　　5.1 絲桿誤差

　　滾珠絲桿副與滾珠之間的間隙會(huì)帶來測(cè)量誤差，使得單片機(jī)根據(jù)兩次中斷之間的間隔和絲桿的螺距計(jì)算出的距離并不等于絲桿移動(dòng)的實(shí)際距離，影響多次測(cè)量時(shí)的一致性。絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)的位置控制誤差的理論值為±0.02 mm，這也是導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)的主要原因之一。為了減小誤差，可以選擇更高精度的絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)。

　　5.2 測(cè)量響應(yīng)誤差

　　從激光傳感器輸出信號(hào)跳變到單片機(jī)中斷響應(yīng)的延遲帶來的誤差，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器啟動(dòng)和停止滯后[10]，表現(xiàn)為電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差越大。為了減小誤差，應(yīng)優(yōu)化中斷服務(wù)程序的代碼，縮短中斷響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不能太快。

　　5.3 傳感器感應(yīng)誤差

　　受聚焦性能的影響，任何激光線束都有一定的寬度，當(dāng)物體的邊緣部分遮擋或露出光線時(shí)，激光傳感器輸出信號(hào)就可能發(fā)生跳變，特別是物體邊緣不平整時(shí)，這取決于傳感器輸出靈敏度和信號(hào)比較電路的門限設(shè)置。不同通透性的物體，傳感器感光靈敏度不同，因此，需要進(jìn)行匹配與標(biāo)定[11-12]，在硬件和軟件兩方面進(jìn)行修正。為了避免現(xiàn)場干擾引起的丟光現(xiàn)象，可以采用斷光續(xù)接補(bǔ)償措施[13]，消除測(cè)量中斷問題。

6 結(jié)論

　　本文基于伺服電機(jī)測(cè)距原理設(shè)計(jì)了柔性物體非接觸測(cè)量裝置，利用激光傳感器、伺服電機(jī)與精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)，研制了基于STC89C52單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)。通過對(duì)不同物體進(jìn)行多次測(cè)量實(shí)驗(yàn)，證明了該方法的可行性。

　　（1）利用激光傳感器將被檢測(cè)物體邊緣轉(zhuǎn)化成高低電平信號(hào)，由單片機(jī)的外部中斷模塊捕捉柔性物體邊緣信號(hào)，測(cè)量柔性物體外形尺寸，重復(fù)精度可達(dá)0.1 mm。

　?。?）利用單片機(jī)的實(shí)時(shí)中斷產(chǎn)生伺服電機(jī)的控制脈沖，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的精確控制，理論控制精度可達(dá)±0.02 mm。

　?。?）對(duì)于不同通透性的物體，測(cè)量靈敏度需要進(jìn)行匹配與標(biāo)定。選用更高精度的絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)，減小激光傳感器接收器的透光縫隙，優(yōu)化中斷服務(wù)程序的代碼，測(cè)量精度有望進(jìn)一步提高。

　　與現(xiàn)有的游標(biāo)卡尺人工測(cè)量相比，本文設(shè)計(jì)的非接觸測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡便、使用方便、價(jià)格低廉，可滿足常規(guī)的柔性物體外形尺寸的測(cè)量，該原理可進(jìn)一步推廣至高溫物體的外形尺寸測(cè)量。

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