非接触式高度测量仪的设计

戴乃昌1　温作锐2

（1．温州职业技术学院机械工程系，浙江 温州 325035；

2.浙江工贸职业技术学院汽机系，浙江 温州 325000）

【摘　要】根据现代测量中尽可能排除人类干扰与影响的思想，开发制作了非接触式高度测量仪的机械系统和控制系统。本文基于三坐标测量仪的机械结构，并根据加工工艺，详细研究传感器测量参数，充分发挥设备的测量精度优势，并利用PLC实现了测量系统的稳定控制。利用可编程序逻辑控制器对测量仪进行集成控制，在测量的精度、速度、人机交互方面表现出卓越性能。

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关键词 非接触式测量；精密检测；PLC

※基金项目：温州市科技计划项目（2013G0002）。

作者简介：戴乃昌（1975—），男，副教授，主要研究方向为数控技术。

温作锐（1976—），男，高级技师，主要研究方向为电气工程。

随着科学技术和工业的发展，三维测量技术在自动化生产、质量控制、机器人视觉、反求工程、CAD/CAM以及生物医学工程等方面的应用日益重要。传统的接触式测量技术存在测量时间长、需进行测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因而不能满足现代工业发展的需要。非接触式三维测量不需要与待测物体接触，可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量，具有广阔的应用前景[1]。

1　非接触式高度测量的原理

物体三维接触式测量的典型代表是坐标测量机(CMM，Coordinate Measuring Machine)。CMM是一种大型精密的三坐标测量仪器，它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。

三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器，有其显著的优点，包括：

（1）灵活性强，可实现空间坐标点测量，方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数；

（2）测量精度高且可靠；

（3）可方便地进行数字运算与程序控制，有很高的智能化程度。

早期的坐标测量机大多使用固定刚性测头，它最为简单，缺点也很多。主要为

（1）测量时操作人员凭手的感觉来保证测头与工件的接触压力，这往往因人而异且与读数之间很难定量描述；

（2）刚性测头为非反馈型测头，不能用于数控坐标测量机上；

（3）必须对测头半径进行三维补偿才能得到真实的实物表面数据。

针对上述缺陷，人们陆续开发出各种电感式、电容式反馈型微位移测头，解决了数控坐标测量机自动测量的难题，但测量时测头与被测物之间仍存在一定的接触压力，对柔软物体的测量必然导致测量误差。另外测头半径三维补偿问题依然存在。三维测头的出现可以相对容易地解决测头半径三维补偿的难题，但三维测头仍存在接触压力，对不可触及的表面（如软表面，精密的光滑表面等）无法测量，而且测头的扫描速度受到机械限制，测量效率很低，不适合大范围测量。

光学非接触式三维测量技术根据获取三维信息的基本方法可分为两大类：被动式与主动式。主动式是利用特殊的受控光源（称为主动光源）照射被测物，根据主动光源的已知结构信息（几何的、物体的、光学的）获取景物的三维信息。被动式是在自然光（包括室内可控照明光）条件下，通过摄像机等光学传感器摄取的二维灰度图像获取物体的三维信息[2]。

处于初始状态时，高重复精度接近开关位于直线模组的最高位置处，将被测量的工件置于工作台上，步进电机驱动直线模组上的滑块下滑，高重复精度接近开关向下运动。当高重复精度接近开关接近工件表面时，高重复精度接近开关采集到上升沿脉冲信号，PLC的高速中断端口接收到该上升沿脉冲信号，从而使步进电机停止运动。通过计算步进电机走过的距离，可以算出工件的高度。接着，高重复精度接近开关向上升，回到直线模组的最高处。

2　非接触式高度测量仪的设计

本文设计出一种非接触式高度测量仪，使用该测量仪进行工件高度的自动化测量，避免人工操作时的人为因素，同时造价便宜，具备高度的性价比。

本文所设计的非接触式高度测量仪，主要包括底座、电气柜、直线模组、传感器、步进电机、按钮和指示灯。底座表面采用磨削工艺达到良好的表面质量，使工作台的上表面具有较好的平面度、粗糙度。直线模组和底座的上表面相垂直，步进电机驱动直线模组上的滑台上下运动，在滑台上固定有传感器，该传感器为高重复精度接近开关，电气控制系统置于电气柜内部。

高重复精度接近开关，应用高速运转高精度定位，重复精度可达0.005mm， 可用于CNC等产品。本机构的电机采用步进电机，它将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有许多问题需要慎重设计，例如，导通延时、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。

本机构的电机采用步进电机，它将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有许多问题需要慎重设计，例如，导通延时、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。

电气控制系统以信捷XC2-16T-E为控制核心[3]。8点NPN型输入，8点继电器（R）或晶体管（T）输出，AC220V（E）或DC24V（C）电源，不外接扩展模块和BD板可带时钟，可对数据进行掉电保持，支持基本的逻辑控制和数据运算，支持高速计数、脉冲输出、外部中断、C语言编辑功能块、I/O点的自由切换、自由格式通讯（选配）等功能[4]。

3　结束语

本设计已制作成功非接触式高度测量仪的实物模型，在非接触式高度测量仪开发的基础上，可以为后续的非接触式高度测量仪用于大规模工业生产的开发建立开发平台。

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参考文献

［１］张立杰,李永泉,王艮川.基于三坐标测量机的球面5R并联机构运动学标定研究[J].中国机械工程,2013,24(22):2997-3002.

［２］三菱公司.三菱微型可编程控制器使用手册[S].2002.

［３］黎洪生,李超,等.基于PLC和组态软件的分布式监控系统设计与研究[J].武汉理工大学学报,2002,24(3):27-29.

［４］李红莉,陈晓怀,王宏涛.坐标测量机测量端面距离的不确定度评定[J].中国机械工程,2012,23(20):2401-2404.

［责任编辑：杨玉洁］