氣動(dòng)式線性位移測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

李冉琦，張?zhí)齑?/p>

（桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司，廣西 桂林 541213）

0 引言

現(xiàn)有的線性位移測(cè)量工具，如卡尺、指標(biāo)表等，大部份是手動(dòng)驅(qū)動(dòng)測(cè)量桿的，這種手動(dòng)驅(qū)動(dòng)測(cè)量桿的測(cè)量方式缺點(diǎn)是由于人為因素，測(cè)量力度通常不均勻，特別是當(dāng)測(cè)量軟體工件時(shí)，造成較大測(cè)量誤差，并且手動(dòng)驅(qū)動(dòng)測(cè)量桿的測(cè)量方式已不能滿足日益需求的在線自動(dòng)測(cè)量，因此提出了采用氣動(dòng)輔助的線性位移測(cè)量工具。

1 研究?jī)?nèi)容

裝置是由壓縮氣體驅(qū)動(dòng)量桿來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，當(dāng)關(guān)閉并釋放壓縮氣體時(shí)量桿在彈簧力的作用下自動(dòng)復(fù)位，有效解決了手工驅(qū)動(dòng)量桿時(shí)測(cè)量力度不一致的問(wèn)題，并且易實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)測(cè)量。與各種氣動(dòng)測(cè)量頭、電感傳感器或各種測(cè)量裝置配套使用，可以實(shí)現(xiàn)高度差、平行度、垂直度、同軸度、跳動(dòng)、厚度等形位公差的檢測(cè)。通過(guò)電纜由PLC控制，接收數(shù)據(jù)并顯示在液晶屏上，動(dòng)?xùn)沤M件與量桿同步運(yùn)動(dòng)，與定柵組件形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)位移傳感器測(cè)量原理，動(dòng)?xùn)沤M件運(yùn)動(dòng)時(shí)，位移傳感器輸出一個(gè)位移值，這個(gè)值也就是量桿運(yùn)動(dòng)的位移量，即為被測(cè)量工件的測(cè)量值。

2 技術(shù)方案

氣動(dòng)式線性位移測(cè)量裝置，屬于距離檢測(cè)器件領(lǐng)域，用于解決傳統(tǒng)氣動(dòng)式線性測(cè)量裝置檢測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，氣動(dòng)式線性位移測(cè)量裝置包括：設(shè)置在殼體內(nèi)的第一主板和第二主板，第二主板設(shè)置在第一主板上方；第一主板上設(shè)置有傳感器單元；第二主板上設(shè)置有主控單元、顯示單元、通訊單元和供能單元；主控單元分別與傳感器單元、顯示單元、通訊單元和供能單元電連接；通訊單元另一端與PLC終端連接用于傳輸數(shù)據(jù)。第一主板和第二主板分開(kāi)布板可以有效提高電路板抗干擾及電磁兼容能力，可以確保極高的測(cè)量精度與重復(fù)精度；主控單元、顯示單元、通訊單元可快速準(zhǔn)確的讀取位移量數(shù)據(jù)并顯示，最終把數(shù)據(jù)傳遞給PLC終端。

系統(tǒng)包括外部設(shè)備電源和氣壓的輸入、主控MCU與各模塊的控制關(guān)系以及數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)與用戶終端設(shè)備的信息通訊，硬件電路部分以MSP430F435微控制器為核心，外圍電路包括電源防反接保護(hù)電路、LDO穩(wěn)壓模塊、232通訊模塊、485通訊模塊、傳感器模塊、LCD液晶顯示和LED指示模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控單元

設(shè)計(jì)中使用的MSP430F435是一種高性能、超低功耗的16位微控制器，具有在線系統(tǒng)編程功能，方便工程應(yīng)用調(diào)試[1]。外圍使用32 K晶振的情況下，其波特率可設(shè)為4800 bit/s和9600 bit/s。所述主控單元可記錄測(cè)量桿的初始位移數(shù)據(jù)，測(cè)量桿發(fā)生移動(dòng)后把讀取到的新數(shù)據(jù)與初始位置數(shù)據(jù)相減計(jì)算得到位移量數(shù)據(jù)。主控單元原理圖如圖2所示。

3.2 電源模塊

電源防反接保護(hù)[2]模塊和LDO穩(wěn)壓模塊對(duì)主控單元和各模塊有很好的保護(hù)和驅(qū)動(dòng)能力。所述電源防反接保護(hù)模塊采用雙N通道MOS場(chǎng)效應(yīng)管NTZD-3154N，當(dāng)電源電壓反接時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管不導(dǎo)通、截止，寄生二極管反接，電路是斷開(kāi)的，從而保護(hù)后級(jí)電路的安全，可以有效保護(hù)反接電壓達(dá)到24 V，有效避免用戶使用過(guò)程中因正負(fù)極接反而燒壞主要元件，減少損失。所述LDO穩(wěn)壓模塊采用的是10 mA低壓差線性（LDO）穩(wěn)壓器TPS79730，具有超低功耗和良好的輸出功率[3]，輸出穩(wěn)定的3 V電壓，用于驅(qū)動(dòng)微控制器以及各功能模塊。電源模塊原理如圖3所示。

圖2 主控單元原理圖

圖3 電源模塊原理圖

3.3 通訊單元

通訊單元用于與PLC終端連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，所述通訊單元包括：RS485模塊和RS232模塊，可采用ModBus RTU協(xié)議進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)傳輸均采用8位數(shù)據(jù)位、1～2位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)。通訊信息幀的格式為：地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和錯(cuò)誤校驗(yàn)碼的組合[4]。PLC終端根據(jù)通訊協(xié)議返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)包以完成通訊過(guò)程。用戶可通過(guò)PC終端對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行地址碼、波特率、預(yù)置數(shù)、設(shè)置零位等操作。RS232模塊采用SP3232EEN，RS485模塊采用SP3485EEN，RS485模塊的A、B兩引腳之間并聯(lián)一個(gè)120Ω的匹配電阻，進(jìn)行阻值匹配，消除線路上產(chǎn)生的信號(hào)反射。RS-485和RS-232模塊原理圖如圖4、5所示。

圖4 RS485模塊原理圖

圖5 RS232模塊原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

主控制芯片的程序按照其軟件流程工作，采用5 V直流電源供電，5 V電源電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓模塊，輸出穩(wěn)定的3 V電壓，送至RS485和RS232收發(fā)器、微控制器和各模塊。單片機(jī)根據(jù)程序控制各個(gè)模塊，處理獲取的信號(hào)，經(jīng)RS-485收發(fā)器輸出數(shù)字信號(hào)到用戶PLC，PLC根據(jù)通訊協(xié)議返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)包以完成通信過(guò)程。用戶可進(jìn)行波特率、預(yù)置數(shù)和儀表通道號(hào)的設(shè)置。

采用CRC16校驗(yàn)方法(冗余循環(huán)校驗(yàn)碼含2個(gè)字節(jié)，即16位二進(jìn)制數(shù))，CRC碼由發(fā)送設(shè)備計(jì)算，放置于所發(fā)送信息幀的尾部。接收信息設(shè)備再重新計(jì)算所接收信息(除CRC之外的部分)的CRC，比較計(jì)算得到的CRC是否與接收到的CRC相符，如果兩者不相符，則認(rèn)為數(shù)據(jù)出錯(cuò)[5]。命令約定說(shuō)明見(jiàn)表1～表4。

表1 PLC發(fā)送命令到測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)格式

表2 測(cè)量裝置回復(fù)的數(shù)據(jù)格式

表3 測(cè)量裝置反饋預(yù)置數(shù)成功的格式

表4 PLC發(fā)送下列命令到測(cè)量裝置可以設(shè)置串口參數(shù)

5 產(chǎn)品驗(yàn)證

該項(xiàng)產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)標(biāo)要求，其技術(shù)參數(shù)與國(guó)內(nèi)某知名品牌數(shù)顯千分表對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 此裝置與國(guó)內(nèi)某知名品牌數(shù)顯千分表對(duì)比

分辨力0.001 mm，重復(fù)定位精度達(dá)到±0.001mm，通過(guò)各種形式式試驗(yàn)（高低溫濕熱試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、無(wú)包裝振動(dòng)試驗(yàn)以及模擬汽車運(yùn)輸試驗(yàn)），試驗(yàn)結(jié)束后，產(chǎn)品精度和穩(wěn)定性均正常，達(dá)到量產(chǎn)要求。

這一氣動(dòng)式線性位移測(cè)量裝置申請(qǐng)了國(guó)家實(shí)用新型專利，專利號(hào)ZL202120557464.8。

6 結(jié)論

氣動(dòng)式線性位移測(cè)量裝置可以與各種氣動(dòng)測(cè)量頭裝置配套使用，可以實(shí)現(xiàn)高度差、平行度、垂直度、同軸度、跳動(dòng)、厚度等形位公差的準(zhǔn)確檢測(cè)。

采用第一主板和第二主板分開(kāi)的分體式結(jié)構(gòu)，可以有效提高電路板抗干擾及電磁兼容能力，同時(shí)利于設(shè)備整體的小型化，使其易于安裝在狹小空間內(nèi)，可以確保極高的測(cè)量精度與重復(fù)精度，主控單元、顯示單元、通訊單元可快速準(zhǔn)確的讀取位移量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并傳遞給PLC終端，通過(guò)外殼的防護(hù)功能，可防塵、防強(qiáng)噴射(達(dá)到IP65防護(hù)標(biāo)準(zhǔn))，可在惡劣的工作環(huán)境下使用。