（电路与系统专业论文）汽车轮毂壁厚检测仪的设计.pdf

摘要 本论文从工程的角度上，详细地论述了汽车轮毂壁厚检测系统的设 计及实现过程，其研究结果已应用于实际测量当中。本设计采用了编码 器和光栅尺传感器，提高了检测精度，采用了计算机技术，提高检测自 动化程度和检测效率，从而保证了汽车轮毂壁厚尺寸处于准确的范围之 内，既节省了资源，又保证了产品质量，同时提高了汽车行驶的安全性。 该系统设计主要包括软件和硬件设计两大部分。硬件部分主要由： 垂直定位系统，水平厚度测量系统，单片机硬件系统，上位机串口通信 系统等部分组成。软件部分实现对各硬件系统的协调控制，对直流电动 机和步进电动机的驱动控制，实现单片机与上位机串行通讯，虚拟仪器 实现上位机检测结果显示，并对检测结果进行制表存档，已备以后查询 调用。 本系统是根据用户的要求而设计的一套智能化厚度检测系统，它具 有测量精度高，操作简单的特点，有较好的实用价值，在汽车轮彀壁厚 检测的实际应用中取得了满意的效果，达到了用户的使用要求。 关键字：轮毂壁厚检测虚拟仪器 f r o mt h ep o i n to fv i e wo fp r o j e c t ，t h i st h c s i se l a b o r a t e dt h ed e s i g na n d i h er c a l j z a t j o np r o c e s so ft h j c k n e s ss u n ，e ys y s t e mf o ra u t o m o b i 】ew h e c lh u b w a l li nd e t a i l ，a n dm er e s e a r c hr e s u l th a sa p p l i e di nt h ea c t u a ls u r v ey 1 ti s a d o p t e dt h a tt h ee n c i p h e i o ra n dr a s l e rs e n s o rt oi m p r i ) v et h em e a s u r i n g a c c u r a c y a i l dc o m p u t c rt e c l l n 0 1 0 9 yt oe n h a n c et h ed e 孕e eo f s u r v e y a u t o m a t i z a t i o na n dt h ee f f i c i e n c yo fm e a s u r ei nt h i sd e s i 口，a c c o r d i n 出y ，i ti s e n s u r c dt h es i z eo fa u t o m o b i l ew h e e lh u bw a l li na c c u r a c yr a n 霉r c ，i tn o to i l l y s a v et h er e s o u r c e ，b u ta l s oe n s u r et h eq u a l “yo fp r o d u c t ，s i m u l t a n e i t y ， i m p r o v et h ed r i v i n gs e c u r i t yo fa u t o m o b i l e t h ed e s i g no ft l l i ss y s t e mm a j l l l yi n c l u d e s “，om a j o rp a n s ，t h ed e s j g n s o fh a r d w a r ea n ds o f 咐a r e t h ep a no fh a r d w a r em a i n l vi n c l u d e s ：v e n i c a l p o s i t i o i l i n gs y s t e m ，h o r i z o n t a lt l l i c l ( 1 l e s sm e a s u r c m e n ts y s t e m ，s i n 舀e c h i p h a f d w a r es v s t e m ，c o m m u n i c a t i o s v s t e mo ns e f i a lp o na n ds 00 n t h e s o f 押阻r ec a na c c o m p l i s hs u c hf u n c t i c l na st h ec o n t r o la n dh a m o n yt ot h e h a r d w a r es v s t e m ，t h ed r i v ea l l dc o m r o lt ot h ed ce l e c t r d m o t o ra n d s t 印p i n g e l e c 仃o i n o t o r c o m m u n i c a t i o nb e m e e nm c ua n dt h ec o m p u t c f ，t h e d i s p l a yo ft h er e s u l to nc o m p u t e rw 油l a b v i e w t a b l et h er e s u l ta i l dk e e p t l l e mi t t i ea f c h i v e si no r d e rt or c f c rt h e ml a t e l i ti sas v s t e mt t l a tt c s tt h i c h e s si n t e l l e c t u a l l va c c o r d i l l zt ot h e r c q u i r e m e n to ft h eu s e lnh a st h ec h 删t e ro fh i g ha c c u r a c ya n de a s vt o o p e r a t e i th a s 氩i r 重yg o o dp r 矗c t i c a lv a l u ea n dh a sg o tas a t i s f y j n ge 行e c ti n t h ea p p l i c a t i o no f t e s t i n ga u t o m o b i l ew h e e lh u bw a l l ，a l l da l s oa c h i e v e st h e u s e r sr e a u i f e m e n t 1 【e yw o r d s ：w h ih u b w a l i 咖c l l i e s se x a m i 腑a o n v i n u a ij n s t n i m e n l l i 1 1引言 第一章绪论 现代科学技术的迅速发展，人们在研究自然现象和生产活动时，必 然从外界获得信息，要及时正确地获取这些信息就必须合理地选择和 善于应用各种传感器和检测仪表。检测技术作为信息科学的一个重要分 支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的 完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会生活都是以信 息获取与信息转换为中心的，传感器作为信息获取与信息转换的重要手 段，是实现信息化的基础技术之一m “1 。 “没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。传 感器是信息检测的必要工具，是生产自动化、科学测试、计量核算、监 测诊断等系统中必不可少的基础环节，是检测系统与被测量对象之间的 接口，处于检测系统的输入端，其性能直接影响着整个检测系统，对检 测精确度起着主要作用。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一 样，源源不断地向人类提供宏观和微观世界的种种信息，成为人们认识 自然、改造自然得有力工具，并广泛的应用于工业、农业、国防和科研 等领域啪咖。 本论文是关于汽车轮毂壁厚检测仪的设计，随着现代科技的飞速发 展，各种测量仪器也正发生着曰新月异的变化。目前，国内对汽车轮毂 壁厚的测量，多数采用手工方式，用一些如卡尺等简易的工具，重复着 人工检测、定位、读数、手工记录这一简单而费时的工作，这样不仅精 度不高，误差大，而且浪费时间和入力，有时并不会收到预期效果。进 入自动化、智能化时代，利用一些简便且精确的测量仪器进行各种自动 测量，已经得到越来越广泛的应用。 厚度测量和位移测量一样也属于几何尺寸测量范围，在很多情况下， 可以用测长、测位移的传感器及技术来测厚度。在工程应用中，一般将 位移测量分为模拟式和数字式两大类。在模拟式测量中，需要采用能将 位移量转换电量的传感器；数字式测量方式主要是将直线位移或角位移 转换为脉冲信号输出的测量方法( 各种测量方法如图1 1 所示) 3 1 。 图1 1测位移传感器的测量方法分类 用于测量位移的传感器很多，小位移通常采用应变式、电感式、差 动变压器式、电容式等传感器，测量精度可以达到o 5 1 o ，其中电 感式和差动变压器式传感器的测量范围要大一些，有些可达1 0 0 m 坍。大 位移的测量则常采用感应同步器、计量光栅、磁栅等传感器。这些传感 器具有较易实现数字化、测量精度高、抗干扰性能强、避免了人为的读 数误差、方便可靠等特点。 衍射光栅用于光谱分析和光波波长测量已有一百多年的历史，而包 括衍射光栅和几何光栅在内的计量光栅用于直线和角度测量则是从上个 世纪世纪发展起来的。特别是上世纪5 0 年代以来随着数控机床的出现和 电子技术的发展，计量光栅技术已经形成为一项专门的工程技术。光栅 技术是比较典型而且常用的精密位移测量方法，利用光栅检：；雯l j 线位移和 角位移可以达到较高的精度。计量光栅作为测量元件已有多年的历史， 特别是在数控机床上，计量光栅是应用的较多的测量元件之一，它具有 测量精度高( 可达l “棚) 、响应速度快和量程范围广等特点。 我国对计量光栅的研究始于1 9 6 0 年前豆j ( 中国科学院长春光机所和 清华大学) ，其后不少单位又作了许多工作( 北京机床研究所、新天光学 仪器公司、中国计量科学研究院、昆明机床厂、重庆大学、哈尔滨工业 大学等) ，在长光栅和圆光栅的制造、应用方面开展了多项研究。在机床、 仪器、计量测试方面取得许多成果。随着数显、数控技术的推广应用， 计量光栅技术在我国将进一步得到广泛的应用“”1 。 随着科学技术的发展，计算机技术的成熟，并广泛的应用在各种各 样的检测技术系统中，并使得检测系统得到了更加广泛的发展，使得检 测系统更加智能化，程序化，完全实现了现代化检测系统通过简单的人 机对话实现了较复杂的功能。 光栅式位移传感器，现在人们把这种光栅称为计量光栅，由于它的 原理简单、装鬣也不十分复杂、测量精度高、可实现动态测量、具有较 强的抗干扰能力，被广泛应用于长度和角度的精密测量。随着科学技术 的不断发展，生产自动化程度迅猛提高的同时，要求检测的参数也越来 越多，对检测速度、精度、可靠性的要求也越来越高。因此，大力发展 检测技术已经成了全球范围内的共识。 在汽车轮毂的制造过程中，为了汽车行驶的安全和资源的节省， 定要考虑到轮毂的壁厚，必须对汽车轮毂的壁厚进行控制，著轮毂壁过 薄，汽车在行驶时就会存在安全隐患，若轮毂壁过厚，就会浪费资源， 减低厂家的生产效益，对于生产量达到几万甚至几十万只的厂家来说， 更是无可估量的浪费，所以汽车轮毂壁厚检测仪的研究和应用，就显得 极其重要。目前国内在这方面的检测以手动居多，费力且精度较低。所 以需要利用新方法，研制出科技含量较高，而且能够推广使用的替代产 品，从根本上解决这一问题，以适应时代的要求。本课题的设计，是将 光栅式位移传感器用于汽车轮毂壁厚的检测系统中，并用单片机进行控 制，用上位机显示测量结果。此系统能够自动判读，自动显示数据，并 可以存储数据，形成档案，以备以后查阅。 本设计选用了中国科学院长春光机所研制的s g c 一3 1 0 0 型光栅传感 器。它具有如下优点”“”： ( 1 ) 商精度。由于光栅刻划技术及电子细分技术的发展，以及莫尔条纹 对光栅栅距局部误差有消差的特性，因此光栅式测量原理与其它测量原 理相比较，测量精度较商。 ( 2 ) 兼有高分辨率、大量程的特性。这是一般测量仪器所无法比拟的。 ( 3 ) 可实现动态测量、自动测量及数字显示。 ( 4 ) 具有较强的抗卜扰能力。 ( 5 ) 响应速度快。 1 2 用户要求和主要设计工作 1 用户要求： ( 1 )垂直方向定位精度：0 5 聊脚 ( 2 ) 水平方向厚度测量精度：0 0 2 脚m ( 3 )轮毂直径：4 4 c 聊 ( 4 ) 轮毂高度：2 l c m ( 5 ) 垂直方向测试三个点，分别距轮毂底部为：1 6 c 研，1 2 c 聊，8 c m ( 6 )显示要求：上位机显示、存储 2 汽车轮毂壁厚检测系统的设计工作主要包括以下两部分： ( 1 ) 硬件部分的设计 硬件部分的设计主要包括以下几个方面的设计：垂直方向的零点定 位设计；直流电动机驱动电路设计；圆光栅增量编码器的位移检测；水 平方向的零点定位设计；步进电机驱动电路设计：光栅尺的细分信号处 理电路设计；单片机硬件系统设计；上位机串口通信系统设计等。 ( 2 ) 软件部分的设计 软件部分主要包括工作程序控制、直流电动机和步进电动机的单片 机控制：零点判别、位移测量、信息传输、上位机显示等。 本系统的特点是：操作简单、自动化程度高、实用性强、价格低廉、 稳定可靠、精度高等特点。由于本系统的设计是模块化的设计，所以还 具有很好的移植性，便于扩展，具有广泛的应用前景。 第二章系统总体方案设计 2 1汽车轮毂壁厚检测系统方案设计 系统总体设计包括四部分：垂直定位系统的设计，水平厚度测量系 统的设计，单片机系统设计和上位机显示系统设计。本系统的机械构造 示意图如图2 1 所示。 2 1 3 1 一圆光栅编码器2 一直流电机3 一红外发光接收对管4 一金属遮光板5 一丝杠 6 一测试臂7 一光栅尺定尺8 一光栅尺动尺9 一发光接收对管1o 一触头1 1 一支架 1 2 一轮毂1 3 底台1 4 一固定装置1 5 一导轨1 6 一步进电机1 7 一丝母 图2 1 系统机械构造示意图 1 垂直定位系统的设计 垂直定位系统是采用一个圆光栅增量编码器在直流电动机的带动下 进行的垂直方向定位及位移测量。图2 1 中1 是圆光栅编码器，用于垂 直位移检测，由图中2 所示的一个直流伺服电机带动，圆光栅编码器与 直流电机同轴。直流电动机通过图中5 所示的丝杠带动图中6 所示的测 试臂，使光栅尺a 和b 能上下移动，根据厂家对厚度测量的要求，要在 垂直方向上测量高度不同的三个点，分别距轮毂底部为1 6 c 聊、1 2 c 珊、8 c 。 图2 1 中3 是一个红外发光管和接收管，4 是一个金属的遮光板，是 用于垂直零点定位的装置，它金属遮光板与测试臂相连，也是由丝杠带 动进行上下移动，完成零点定位。当金属的遮光板挡住红外光线，使红 外接收管接收不到信号时，此时单片机接到一个高电平信号，此时即为 零点，垂直方向上开始计数，具体的垂直零点定位设计详见第三章3 1 节。当移动到第一个位置时，单片机停止计数并发出中断请求，直流电 动机停止动作，然后开始水平方向上的厚度测量。垂直方向上其它两个 位置的定位，都是以垂直零点为基准，进行垂赢方向上的定位测量。 2 水平厚度测量系统的设计 当垂直方向上到达第一个检测位置后，进行水平方向上的厚度测量， 水平方向上的轮毂壁厚度测量系统是采用安装在测试臂上的光栅尺a 和 b 在步进电动机的带动下进行的位移测量，是由图2 1 中9 所示的两个发 光对管组成，具体的定位设计将在第四章4 1 节进行详细的阐述。图2 1 中7 是光栅尺的定尺，8 是光栅尺的动尺，1 6 是步进电动机，步进电动 机也是通过丝杠带动光栅尺的动尺左右移动。水平零点定位后，则进行 厚度测量，当触头接触到轮毂壁时，电路闭合，向单片机发出一个高电 平信号，单片机接到高电平信号后，发出中断请求，单片机停止计数， 同时步进电动机停止动作，同时把位移量经串口传入上位机。 当两个光栅尺都处于零点位置时，它们的触头之间的距离是一定的， 设定为1 0 c m 。图2 1 中1 0 是光栅尺a 和b 前端装的一个金属触头，构 成一个灵敏开关，光栅尺的测量出触头开关的具体设计详见第四章4 4 节。 为了保证轮毂壁厚测量的精度，当两个光栅尺的触头接触到轮毂壁 时，必须与轮毂壁垂直，即与轮毂的直径在同直线上，因此设计了一 个固定装置，其俯视图如图2 ，2 所示，用于固定轮毂，使两个光栅尺的 触头与轮毅直径都处于同一直线上，保证了测量精度。 l 一固定装置2 一轮毂3 一触头 闰2 2 轮毂固定装置结构俯视示意图 3 单片机系统设计 本系统采用的是5 1 系列的单片机，型号为a t 8 9 c 5 1 。系统包括单片 机硬件系统设计、软件程序设计、串口通讯设计。直流电动机和步进电 动机的驱动都由单片机控制。当按下启动控制按键后，先进行垂直方向 的零点定位，一旦接收到垂赢方向零点信号，单片机开始对从圆光栅编 码器所传送的方波脉冲进行计数。 当到达第一个所测位置时，单片机发出控制信号，直流电动机停止 运行，之后发送信号给水平方向的测量系统，使步进电动机带动光栅尺 a 进行水平方向上的零点定位。当到达零点后，开始对光栅尺a 的位移 量进行计数，和动尺连在一起的触头接触到轮毂时，步进电动机停转， 把光栅尺a 的总位移量经串口传入上位机进行显示，然后进行光栅尺b 的零点定位和位移量计数，方法同光栅尺a 。 触头原始距离( 1 0 删) ，减去两光栅尺的移动距离之和，便为壁厚。 然后把各个计数器清零，发出控制信号，将水平方向上的两个光栅尺带 回到起始位置。然后圆光栅编码器继续向下运动，进行第二个和第三个 位置的测量，方法同上。 4 上位机显示系统设计 本系统的上位机显示部分采用的是通过l a b v i e w 7 0 编程实现该检 测控制系统的可视化操作。将两个光栅尺a 和b 所测得位移量的信息转 变为电信号，由电缆送入信号处理后进入单片机，采集的数据通过串行 通讯输入到上位机后，l 曲v i e w 7 o 通过编程和计算显示轮毂的最终厚 度，工件号，以及日期和时间。 在该系统的设计和开发过程中，我们采用了中国科学院长春光机所 研制的s g c 一3 一1 0 0 光栅测微传感器；长春三峰传感器技术有限公司的 p k t 5 叫系列增量式光电编码器；上海瑞克科技发展有限公司的型号为 7 7 0 s y x 一叭直流伺服电机；常州鼎兴电子有限公司生产的型号为 3 6 b f 0 0 3 i i 的反应式步进电动机。本系统的上位机显示部分采用的是通 过l a b v l e w 7 o 编程实现该检测控制系统的可视化操作。所以本系统具 有友好的界面，交互性较强，使得操作简单，易读数。在实践中，该检 测系统稳定性好；可靠性高；精度高；可以广泛应用于各种数控机床和 各种精密测量仪器仪表中。 2 2 系统总体框图 结合上一节对汽车轮毂检测系统的简述，设计系统的总体框图如图 2 3 所示。 水平厚度测量系统 图2 3 系统总体框图 2 3 本章小结 本章主要对汽车轮毂壁厚检测系统各个部分的设计原理进行了介 绍，最后介绍了系统总体的框图。 第三章垂直定位系统的设计 3 1 垂直零点定位的设计 测量时，首先要根据测量高度决定光栅尺相对轮教底面的位置，这 一过程是由直流电机拖动测试臂实现的，我们设置了一个测试臂的零点 坐标，此时光栅尺测试点距离底面为2 5 c m ，当测试臂从起始位置向下移 动时，一旦经过零点，圆光栅编码器进行计数。测试臂从零点开始向下 移动了l 距离，若2 5 c ，l 与l 的差等于测试高度，测试臂停止运行。由 上可见，测试臂垂直方向的零点定位及检测是必要的，定位部分结构示 意图如图3 1 所示，图中1 是一个红外发光管，2 是红外接收管，3 是由 一个遮光板和4 是一个0 2 肌小宽的狭缝，判断金属遮光板是否挡住红外 光，即红外接收管能否接收到信号，来定位零点。由于垂直定位精度为 0 5 所辨，此定位系统是可行的。 2 铴5 屠饧i 逝 ( a )( b ) 1 一红外发光管2 一红外接收管3 金属遮光板4 一狭缝 图3 1 垂直零点定位检测结构示意图 零点定位的红外接收管的定位信号送单片机的p 1 t 2 口，与单片机的 接口电路如图3 2 所示，图中的三极管选用型号为2 n 5 5 5 l ，它的工作电 流i c m 是5 0 0 a ，v c b o 为1 5 0 v ，口为1 0 0 。当接收管能接收到信号时， 接收管导通，c 点电压高于o 7 v ，三极管2 n 5 5 5 1 导通，a 点输出一个 低电平；当接收管不能接收到信号时，接收管截止，5 v 电压经r 4 为4 点提供一个高电平。根据金属遮光板的位置不同，有以下两种垂直零点 定位情况。 r 1 图3 2 红外接收管与单片机接口电路 ( 1 ) 在开机复位时，当红外接收管能接收到信号，即金属遮光板没 有挡住红外发光管，处在如图3 1 ( a ) 所示位置时，单片机的p 1 2 口一 直保持在低电平，单片机发出控制信号，使直流电动机带动测试臂向上 运动，当金属遮光板挡住红外发光管，使红外接收管接收不到信号，此 时单片机的p 1 2 口接到一个高电平信号，单片机发出使直流电动机停止 运转的控制信号，由于惯性直流电动机将带动测试臂继续上行，上行大 约1 c m 后，直流电动机停止运转，此时认为测试臂处于合理的起始位置。 然后直流电动机带动测试臂向下运动，当遮光板移出狭缝位置时，红外 接收管输出电路输出低电平，单片机的p 1 2 口由高电平跳变为低电平， 单片机的i n t 0 口开始计数，测量垂直方向位移量。 ( 2 ) 开机时，若红外接收管没有接收到任何信号，即金属遮光板挡 住红外发光管，处在如图3 1 ( b ) 所示位置时，单片机的p 1 2 口一直保 持在高电平，此时测试臂所处位置也认为处在合理的起始位置，然后直 流电动机带动测试臂向下运动，当单片机的p 1 2 口由高电平跳变为低电 平时，单片机的丽t 0 口开始计数。 每次工作前，都要将测试臂运行到起始位置，并且测试臂在下行寻 找测试位置时，都是以垂直零点为基准，进行垂赢方向上三个位置的定 位测量。 3 2 直流电动机驱动控制系统设计 3 2 1 电动机的选择 由于步进电动机的力矩小，效率较低，驱动能力较差，而直流电动 机具有优良的调速性能、较大的起动转矩、体积小、控制简单，所以本 设计选择了直流电动机“”。 在本系统中，经过测试，得知垂直位移机械系统的最大转矩为0 1 4 聊。根据要求，我们选用的是上海瑞克科技发展有限公司的直流伺服电 机，型号为5 0 s y x 0 2 ，其主要参数如表3 1 所示，安装尺寸数据见表3 - 2 ， 安装尺寸图见图3 3 。 表3 15 0 s y x 0 2 直流伺服电机参数 表3 25 0 s y ) ( - 0 2 直流伺服电机安装尺寸数据 d _ 5 0 d 1d 2zll 1l 2l 3ms 4 0483 036 0211 5 图3 3 直流伺服电机安装尺寸图 3 2 2 童流电动机驱动控制的设计 直流电动机的驱动比较简单，即可通过继电器或功率晶体管驱动， 也可以利用可控硅或功率型m o s 场效应管驱动。图3 4 的电路以达林顿 管为基础驱动电动机的正反转，它由完全对称的两部分组成。当a 、高 电平，b 端为低电平时，达林顿管b g l 导通，c 点电压接近于零，b g 3 截止，而此时b g 2 截止，b g 4 导通，电流由b g 4 经直流电动机流过b g l ， 电动机正转；当a 为低电平，b 为高电平时，达林顿管b g 2 导通，d 点 电压接近于零，b g 4 导截止，而此时b g l 截止，b g 3 导通，电流由b g 3 经直流电动机流过b g 2 ，电动机反转。当a 、b 两输入端同为高电平时， 达林顿管b g l 和b g 2 都导通，b g 3 和b g 4 都截止，此时无电流流过直 流电动机，电动机停转；当a 、b 两输入端同为低电平时，达林顿管b g l 和b g 2 都截止，b g 3 和b g 4 都导通，此时无电流流过直流电动机，电 动机停转。如采用脉冲调制，则可控制电动机的转速。图3 4 具有四种 组合输入状态，a 、b 两输入端分别由单片机的p 1 o 口和p 1 1 口进行控 制。 这里箝位二极管d l 和d 2 的加入具有重要的作用，它使达林顿管 b g 3 、b g 4 不会产生失控，当b g 2 和b g 3 导通时，d 2 上产生o 7 v 左 右的电压，此电压作用b g 4 的基极和发射极之间，且为负值，因此保证 了b g 4 可靠截止，这在运转时更显安全。本电路的另一个特点是输入控 制逻辑电平的高低与电机的直流工作电压无关，用t t l 标准电平就能可 靠地控制。 图3 4 直流电动机驱动电路 图中b g l b g 4 为达林顿管，根据所选用的直流电动机的电流和电 压，我们选择了型号为b d 6 7 9 的达林顿管，它的i c m 为4 a ，v c b o 为8 0 v ， p c m 为4 0 w ，声为1 0 0 0 。二极管d 1 、d 2 使用型号为i n 5 4 0 8 快恢复整流 二极管，其工作电流为3 a ，反向峰值电压为l 0 0 0 v 。 3 3 增量式圆光栅编码器的工作原理及型号选择 1 工作原理 增量编码器又称脉冲盘式数字传感器，光电式增量编码器的基本组 成如图3 5 所示。它的码盘比直接编码器的码盘简单，一般只需3 条码 道，光电元件也只要3 个“。 光源码盘光电元件 o 暑 a 二卜+ 零位脉冲 b 匕= 辨向脉冲 c 二卜啼增量脉冲 图3 5 脉冲盘式数字传感器 码盘上最外圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置， 所产生的脉冲将给计数系统提供一个初始的零位( 清零) 信号：中间一 圈码道称为增量码道，最内圈码道称为辨向码道。这两圈码道都等角 距地分布藿m 个透光与不透光的扇形区，但彼此错开半个扇形区即 9 0 。砌。扇形区的多少决定了增量编码器的分辨率 占：型( 3 1 ) m 码盘每转一周，与这两圈相对应的两个光电元件将产生m 个增量脉冲和 m 个辨向脉冲。由于两圈码道在空间上彼此错开半个扇区即9 0 0 砌，所以 增量脉冲与辨向脉冲在时间上相差1 ，4 个周期，即相位上相差9 0 “”1 。 2 型号选择 为了安装方便，我们选择了空心轴的圆光栅编码器，型号为长春三 峰传感器技术有限公司的p k t 5 0 a 系列编码器，它的分辨率为1 2 8 ，即 每转一圈输出1 2 8 个脉冲，垂直方向丝杠丝距为l m 埘，即编码器每输出 一个方波脉冲，位移大约为8 砧m ，可知编码器分辨精度o 0 1 棚，满足设 计要求。其输出电路为t t l 电平，其输出电路及和波形如图36 所示。 v c c a l j 、j l 一 输出 b r 一u 乙一 o v 图3 6 圆光栅编码器输出电路及波形 e 3 4 本章小结 本章首先介绍了垂直零点定位系统的设计原理：然后简要地介绍了 直流电动机的特点和其所选型号的主要参数，以及直流电动机的驱动电 路的设计原理；最后介绍了圆光栅增量编码器的工作原理及其型号的选 择。 第四章厚度测量系统的设计 4 1水平方向零点定位的设计 水平方向零点定位是厚度检测系统中很重要的一个环节，它保证检 测结果准确。当两个光栅尺在零点时，它们之间的距离是一一定的，此距 离为1 0 c m 。为了使零点定位更准确，本系统的零点定位设计利用了光栅 尺的a b s 脉冲，配合及两个型号为m o c 7 0 t 的发光及接收对管实现的。 水平零点定位的检测结构示意图如图4 1 所示，图中l 是会属遮光板，2 和3 是一对发光接收对管，其中2 是发光管，3 是接收管，4 和5 也是一 对发光接收对管，其中4 是发光管，5 是接收管，6 是光栅尺定尺，7 是 光栅尺动尺，8 是触头，9 是步进电动机，1 0 是丝杠，1 1 是丝母，1 2 是 基座。 光栅尺的绝对零点坐标是在量程范围内的某一区段分布若干个间隔 为2 0 珊m 的a b s 绝对位置坐标原点，即光栅尺每移动2 c m ，a b s 输出口 就输出一个脉冲。本设计所设定的是当金属遮光板处于两对发光接收对 管中间位置( 两对发光接收对管的距离为2 5 c m ) ，如图4 3 ( b ) 所示， 当光栅尺输出a b s 脉冲时，此时的触头位置即为水平检测零点。 246 1 一金属遮光板2 和4 一发光管3 和5 一接收管6 一光栅尺定尺7 一光栅尺动尺 8 一触头9 一步进电动机1 0 一丝杠1 1 一丝母1 2 一基座 图4 1 水平零点定位检测结构示意图 用于光栅尺a 零点定位的接收管3 和5 的信号经如图4 2 所示的电 路处理后( 发光管4 和接收管5 的信号处理电路与发光管2 和接收管3 的信号处理电路相同，图中予以省略) ，再经过一个或门送单片机的p 2 4 口，同样的，用于光栅尺b 的零点定位的两个光电接收管的信号也经过 一个或门送p 2 5 口，当接收管都被挡住时，单片机接到一个低电平信号； 光栅尺a 的a b s 脉冲信号送单片机的p 2 6 口，光栅尺b 的a b s 的脉冲 信号送单片机的p 2 7 口。图4 2 只画出了用于光栅尺a 零点定位与单片 机的接口电路，光栅尺b 零点定位的接收管接口电路与之相同，图中予 以省略。 图中的三极管选用型号为2 n 5 5 5 1 ，它的工作电流i c m 为5 0 0 删， v c b o 为1 5 0 v ，卢为1 0 0 。当接收管能接收到信号时，接收管导通，b 点 电压趋于零，三极管2 n 5 5 5 l 截止，5 v 电压经r 4 为a 点提供一个高电 平；当接收管不能接收到信号时，接收管截止，三极管2 n 5 5 5 1 导通，a 点输出一个低电平。根据金属遮光板的位置不同，有三种水平零点定位 情况，以光栅尺a 为例，详述如下： r 1 红外接收营5 图4 2 发光接收对管与单片机接口电路 ( 1 ) 当接通电源开始进行厚度测量时，首先要检测两个光栅尺的位 置是否处于起始位置，当光电接收管3 和5 都没有接收到任何信号时， 即金属遮光板处于图4 3 ( a ) 所示的位置时，单片机p 2 4 口是低电平， 认为光栅尺a 处于合理的起始位置，检测时，光栅尺a 的动尺右移，光 电接收管3 的输出转为高电平，管5 为低电平，经过或门送到单片机p 2 4 口的是一个高电平，在此种状态下，若单片机的p 2 6 口接收到个光栅 尺输出的a b s 脉冲，即查找到了a 尺的位移零点，此时触头位置即为检 测零点，并以此作为基准进行检测。步进电动机带动光栅尺a 的动尺继 续向右移动，单片机开始进行位移计数。当a 尺触头接触到轮毂壁时， 马上停止计数，计数结果对应的位移量即为a 尺零点到轮毂壁的距离。 若a 、b 两尺的零点距离为d ( d = 1 0 c m ) ，d 减去两光栅尺的位移量即为 轮毂的壁厚。 ：菘：程 ( a )( b )( c ) 1 一金属遮光板2 和4 一发光管3 和5 一接收管6 一定尺7 一动尺8 一触头 图4 3 水平零点定位三种检测情况示意图 ( 2 ) 测试启动前，若光电接受管3 接收到信号而发光对管5 没有接 收到信号，即金属遮光板处于图4 3 ( b ) 所示的位置时，单片机的p 2 。4 口是高电平，认为a 尺没处在合理的起始状态，单片机控制步进电动机 带动光栅尺a 先向左运动，当光电接收管3 不能接收到信号时，即p 2 4 口由高电平跳变为低电平，单片机发出中断信号，使步进电动机停止运 动，此时认为a 尺进入起始状态，接下去其测量工作过程如( 1 ) 所述。 ( 3 ) 测试启动前，若光电接受管3 和5 都能接收到信号，即金属遮 光板处于图4 3 ( c ) 所示的位置时，单片机的p 2 4 口是高电平，单片机 发出控制信号，使步进电动机带动光栅尺向左运动，当光电接受管3 和 5 都接收不到信号时，即p 2 4 口由高电平跳变为低电平，单片机发出中 断信号，使步迸电动机停止动作，认为a 尺进入合理的启动位置，其测 量工作过程如( 1 ) 所述。 当垂直方向达到第一个检测位置后，进行水平方向上光栅尺a 的零 点定位，当光栅尺a 处于零点后，开始水平方向上光栅尺a 的位移测量， 当触头a 接触到轮毅壁时，停止计数，同时步进电动机停止动作，把位 移量经串口传入上位机。光栅尺b 的零点定位和唯一测量方法同光栅尺 a ，这里不再赘述。第一个厚度测量完之后，步进电动机再带动光栅尺 回到零点位置，即又进行了一次水平方向的零点定位，然后直流电动机 继续向下运动，进行第二个和第三个位置的厚度测量，方法同上。 4 2 步进电动机驱动控制系统设计 4 2 1步进电动机工作原理 步进电动机又称脉冲电动机，是较早实用的典型的机电一体化元件 组件。步进电动机本体，步进电动机驱动器和控制器构成步进电动机系 统不可分割的三大部分。如图4 4 所示。 步进电机具有以下特点“”： ( 1 ) 可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统廉价a ( 2 ) 位移与输入脉冲数相对应，步距误差不长期积累，可以组成 结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在 要求更高精度时组成闭环控制系统。 ( 3 ) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 ( 4 ) 易于启动、停止、正反转及变速，响应性好。 ( 5 ) 停止时，可有自锁能力。 图4 4 步进电动机系统框图 因此，在该系统中采用步进电机来驱动光栅传感器，以达到对汽车 轮毂壁厚的检测。由于步进电机的步距误差不长期积累，因此本系统采 用步进电机组成的开环系统来完成对系统的检测，这样大大降低了生产 成本，而且符合系统的应用要求。 步进电动机的参数主要有下面一些“”： 1 ，步距角 指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。步距 角为： 口：堑 m l z ， 式中 z 一转子齿数； 。一运行拍数， ( 4 1 ) 通常等于相数或相数的整数倍，即 所。；砌 ( 4 2 ) 聊一电动机相数。 2 最大静转矩特征 绕组的电流改变时，最大静转矩与相应电流的关系豫娟 为最大静 转矩特征，如图4 5 所示： 0 图4 5 最大静转矩特征 3 精度 步进电机的精度有两种表示方法，一种用步距误差最大值来表示， 另一种用步距的累计误差最大值来表示。最大步距误差是指步进电机旋 转一周内相邻两步之间的步距与理想步距角的差值，用理想步距的百分 数来表示。最大累计误差是指任意位置开始，经过任意步之间，角位移 误差的最大值。 4 响应频率 在某一频率范围内步进电动机可以任意运行而不会丢失一步，则 这一晟大频率称为响应频率。通常用启动频率弦来作为衡量的指标。它 是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率，称为极限启动频率或 突跳频率。 5 运行频率 指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电动机能不失步运行的 极限频率。 4 2 2 步进电动机选型 测得步进电动机所要带动的丝杆的转动力矩为0 0 2 m ，因此我们选 用常州鼎兴电子有限公司生产的型号为，船冈i i 的反应式步进电动 机，其参数如表4 1 所示。 表4 - 1j 6 甜0 0 3 一i i 反应式步进电动机参数 ! ：兰：! 竺：竺：竺! 曼婆1 3 6 b f 0 0 3 一i i 是反应式步进电动机，当某一相绕组通电，例如a 相绕 组通电时，电动机内建立以a a 为轴线的磁场。由于定转子上有齿和槽， 所以当定转予齿的相对位置不同时，磁路的磁导也不同，定转子齿对齿 的每个极磁导为最大，定转子齿对槽处的每个极磁导为最小。转子的稳 定平衡位嚣是通电相磁路的磁导为最大的位置，所以a 相通电时转子处 于a 相极下定转子齿对齿的位置“”。 b 相绕组的轴线，与a 相绕组的夹角为1 2 0 。中间包含的齿距数为 1 2 0 0 9 0 = 1 3 + 1 3 ，即当a 相极下定转子齿对齿时，b 相磁极上定子齿的轴 线，沿a b c 方向超前转子齿的轴线1 3 齿距；c 相磁极上定子齿的轴线， 沿a b c 方向超前转子齿的轴线2 3 齿距。 在a 相断电的同时，给b 相通电，则建立以b b 为轴线的磁场，即 磁场沿a b c 方向转过了1 2 0 。空间角。此时，转子齿的轴线将力求与b 相磁极上定子齿的轴线对齐，已达到稳定平衡位置。很显然，比起a 相 通电时，转子沿a b c 方向转过1 3 齿距。 相似的，在b 相断电的同时，给c 相通电，则建立以c c 为轴线的 磁场，转子又沿a b c 方向转过1 3 齿距，以使c 相极下定转子齿对齿。 可见，在连续不断的按a 】m a 一的顺序分别给各相绕组通电 时，电动机内磁场的轴线a b c 方向不断转动。且每改变通电状态一次时， 转过的角度为二相磁极轴线间的夹角1 2 0 0 ，而转子则每次转过l 3 齿距， 即3 。空间角。当定子各相轮流通电完成一个循环时，磁场沿a b c 方向 转过3 6 0 0 空间角，转子沿a b 方向转过一个齿距。磁场转速与转子转速 的比等于转子齿数。 同理，如果按a - 一c 书a 钧顺序轮流通电，则磁场沿a c b 的方 向继续转动，转子也沿a c b 的方向继续转动，也就是说，改变轮流通电 的顺序，可以改变电动机的转向。 上面说描述的是三相单三拍的运行方式，其工作在单三拍和双三拍 时步距角为3 。其中单三拍工作时的各相通电顺序为a _ b c a 一， 双三拍工作时的各相通电顺序为a b - - b c _ c a _ a b 一- 。我们采用的是 三相六拍工作方式，它是单三拍与双三拍交替使用的一种方法，每改变 一次通电状态，电动机内磁场的轴线转过6 0 0 ，转子转过1 6 齿距，为三 拍时的一半。 三相六拍工作方式的正向通电顺序为a a b b b c c c a a 一，反向通电j 顷序为a a c c c b b b a a 一。可见， 磁场旋转一周，通电需要换相六次( 即六拍) ，转子才转动一个齿距角， 这是与单三拍和双三拍最大的区别。若在单三拍工作方式中，从a 相导 通到b 相导通之间，a 相先不截止，而是再维持一步的时间，这样步进 电动机从a 相跨度到b 相时首先在a 相与b 相的中心线上停留( 因为a 相与b 相中心线上的磁势最强) 。若从a 相跨度到b 相时所转动的角度 为3 。的话，那从a a b 所转动的角度为1 5 0 ，再从a b b 再转动1 5 。， 即将a b 一步所完成的转动分为两步来完成，这样步进电机就按每步 l ，5 。来转动，六拍工作时的步距角要比单三拍和双三拍时的步距角小 半，所以步迸精度就提高一倍1 8 9 1 捌。 4 2 3 步进电动机驱动控制的设计 步进电动机在驱动脉冲信号作用下，转轴作一定角度的旋转，转轴 又带动丝杠等机械装置，实现直线位移。 步进电动机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行。 通常把通电换相过程称为脉冲分配。我们采用的三相步进电动机的三相 六拍工作方式，其各相通电的顺序为a a b b b c c c a a 一 一通电控制脉冲必须严格按照这一顺序控制通电和断电。 实现脉冲分配的方法有两种：软件法和硬件法。软件法是完全用软 件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的i ，o 口向驱动电路 发出控制脉冲。由于软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉 冲，占用大量的c p u 时间，可能使单片机无法同时进行其它工作，而且 占用的i ，o 口较多，所以这里我们采用硬件法钔。 所谓硬件法实际上是使用脉冲分配器芯片，来进行通电换相控制， 本设计采用c h 2 5 0 芯片，它是产生驱动步进电动机脉冲信号的c m o s 集成电路。c h 2 5 0 输出双三拍、单六拍等脉冲信号，供不同性能步进电 动机驱动需要。适当施加有关引出端的电平，可控制步进电动机的正转 或反转。 图4 6 所示的是c h 2 5 0 的引出端功能图，其中，r 3 和为复位端， 当r 3 为“1 ”电平时，三拍工作状态复零；当心为“1 ”电平时，六拍工作状 态复零。c p 为时钟脉冲信号输入端，e n 为这一信号的允许端，当e n 为“1 ”电平时，从c p 端输入的时钟脉冲上升沿使d 触发器翻转；当c p 端为“o ”电平时，从e n 端输入的时钟脉冲下降沿使d 触发器翻转。j 3 r 和j 3 l 分别为双三拍的正转和反转，j 6 ，和j 6 l 分别为单六拍的正转和反转。 a 、b 、c 分别接步进电动机a 、b 、c 三相的驱动电路。t 步进电动机的 转速取决于时钟脉冲频率，频率越高，电机转速越高“钉。 j 3 r j 3 l r 3 丁h 丁6 l r 6 c p e n v d d 图4 6c h 2 5 0 引出端功能图 本设计采用的是三相六拍工作方式，步进电动机的驱动电路及其与 单片机接口电路如图4 7 所示。i n h 为禁止输出端，当i n h = “0 ”时，步 进电动机停转，步进电动机a 和b 的i n h 分别由单片机的p 1 4 口和p 1 5 口控制。起步时，将置“l ”，使环形分配器进入单六拍程序。c p - 0 ” 时，时钟由e n 输入，下降沿有效，步进电动机a 和b 的e n 端由单片 机的p 2 2 口和p 2 3 口控制。当转向控制p _ 1 ”时，输出脉冲为正转程序； p = “o ”时，输出脉冲为反转程序，步进电动机a 和b 的p 端由单片机的 p 2 0 口和p 2 1 口控制n 5 1 。 c h 2 5 0 如同所有的c m o s 集成电路一样，输出驱动电流都较小，不 能直接带动电机负载，所以要用专门的驱动电路驱动步进电动机的各相 绕组。步进电动机的驱动电路有很多种，有单电压驱动、双电压驱动、 高低电压驱动、恒流斩波驱动等等。由于所选用的步进电动机的转速和 频率都不高，本设计采用了如图4