基于激光傳感器襯套尺寸檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：傳統(tǒng)的襯套內(nèi)、外徑尺寸檢測(cè)主要采用止規(guī)、千分尺、游標(biāo)卡尺等工具，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且誤檢率高。為此，采用VB軟件編寫可視化控制界面與下位機(jī)PLC控制通信的方法，設(shè)計(jì)開發(fā)襯套內(nèi)、外徑尺寸自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，通過上位機(jī)通信編程自動(dòng)獲取激光傳感器檢測(cè)的尺寸，并自動(dòng)生成尺寸表格予以存儲(chǔ)。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和整體測(cè)試運(yùn)行，證明該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了激光傳感器在短距離自動(dòng)檢測(cè)產(chǎn)品方面的精確性和高效性。與傳統(tǒng)檢測(cè)手段及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸比較，具有自動(dòng)化程度強(qiáng)、精確度高的特點(diǎn)，證明了該設(shè)計(jì)方法和程序的合理性。

關(guān)鍵詞：激光傳感器；VB通信控制；襯套尺寸；高精確度尺寸檢測(cè)；PLC；自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）11-00-02

0 引 言

在現(xiàn)代加工制造業(yè)中，襯套在航空、汽車、船舶等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因此需對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的精度檢測(cè)以確保襯套合格。傳統(tǒng)檢測(cè)主要采用止規(guī)、千分尺、游標(biāo)卡尺等工具進(jìn)行人工檢測(cè)。然而，一些被測(cè)量元件不容易與測(cè)量裝置接觸或者接觸后因?yàn)楦鞣N內(nèi)部或外部因素還會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的精度下降[1-5]。因此，本文擬設(shè)計(jì)開發(fā)襯套內(nèi)、外徑尺寸的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)提高激光傳感器在短距離自動(dòng)檢測(cè)襯套尺寸時(shí)的精確性和高效性。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 控制要求

將襯套放置在V型定位塊中，電磁線圈通電，此時(shí)氣路激活，氣壓傳動(dòng)使氣缸桿外移，從而實(shí)現(xiàn)通過夾緊氣缸固定被測(cè)工件。將激光傳感器對(duì)準(zhǔn)襯套的直徑位置，工件和激光傳感器的位置固定不變，即工件中心與測(cè)頭的距離恒定。通過U型槽的設(shè)置就可以自由調(diào)節(jié)激光傳感器的相對(duì)位置，以便滿足不同情況下的檢測(cè)要求。在激光傳感器和襯套組成的子系統(tǒng)中，通過激光傳感器依次檢測(cè)襯套的下階梯、中階梯、上階梯的外徑以及整個(gè)工件的內(nèi)徑。激光傳感器適用于短距離測(cè)距，經(jīng)多方考慮選用LSD-85N-RS型號(hào)傳感器，其測(cè)量范圍為（85±20）mm，超出范圍后將無法測(cè)距，設(shè)計(jì)7個(gè)LED距離指示燈，由近到遠(yuǎn)地指示距離。LSD-85N-RS激光傳感器基于激光三角測(cè)量原理[6]。根據(jù)反射光線的角度計(jì)算CCD傳感器上光斑的距離，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)際物體的

2個(gè)不同位置之間的距離，最后用于測(cè)量物體的厚度、偏移、振動(dòng)、距離、直徑等幾何量。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。圖中：1為伺服電機(jī)，電機(jī)得電后轉(zhuǎn)動(dòng)并控制滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的上下移動(dòng)。2為導(dǎo)向支架，用于固定檢測(cè)裝置，以確保裝置順利配合。3和4構(gòu)成一個(gè)絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，能夠平穩(wěn)、精準(zhǔn)帶動(dòng)檢測(cè)裝置上下移動(dòng)。5為夾緊氣缸，用于在正式檢測(cè)之前夾緊固定被測(cè)工件。在本設(shè)計(jì)中所涉及到的氣缸需要實(shí)現(xiàn)往復(fù)伸縮的功能。因此可以通過換向回路即改變進(jìn)氣方向來調(diào)整執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向。通過PLC進(jìn)行控制，電磁線圈得電后，氣路接通，通過氣壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)向外推桿；當(dāng)電磁線圈失電時(shí)氣路就會(huì)斷開，桿件在彈簧自身拉力的作用下縮回，最終實(shí)現(xiàn)往返伸縮功能。6是一個(gè)中間鏤空的底座平板，該設(shè)計(jì)既可以將電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)插入其中，有利于整個(gè)系統(tǒng)重心的穩(wěn)定，又節(jié)省了制作材料和空間。7為一平面支撐板，將激光傳感器8固定在該支撐板上，并且在前伸板上挖一個(gè)

U型槽，盡管本設(shè)計(jì)中采用的是相對(duì)距離的檢測(cè)方法，但仍需盡可能地將激光傳感器對(duì)準(zhǔn)襯套的直徑位置，通過U型槽的設(shè)置就可以自由調(diào)節(jié)激光傳感器的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)通過支柱9來支撐。10是V型定位塊，通過氣缸推動(dòng)可以有效固定被檢測(cè)工件。11是被檢測(cè)對(duì)象，12和13組成一個(gè)測(cè)量?jī)?nèi)徑的系統(tǒng)并通過氣缸支架14固定。

2 控制設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制組成

如圖2所示，襯套尺寸檢測(cè)系統(tǒng)包括3個(gè)子系統(tǒng)：襯套定位子系統(tǒng)，其負(fù)責(zé)將工件夾緊固定，定位內(nèi)徑后進(jìn)行檢測(cè)；PLC控制運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)，控制型號(hào)為MR-J3-40的伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)激光傳感器在垂直方向上下移動(dòng)[3]；激光檢測(cè)子系統(tǒng)，控制激光傳感器檢測(cè)襯套的各階梯外徑，通過PC連接記錄數(shù)據(jù)。

2.2 電氣控制流程設(shè)計(jì)

在完成系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選擇以及電氣控制方案的設(shè)計(jì)之后，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行進(jìn)一步的分析與設(shè)計(jì)?，F(xiàn)今，PLC是一種基于微處理器技術(shù)且能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)代通用工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的控制設(shè)備。它內(nèi)部具有一種可編程存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)邏輯、算術(shù)運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等操作指令，然后通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出控制不同類型的機(jī)械

設(shè)備。

首先，應(yīng)用VB軟件設(shè)計(jì)編寫出滿足需求的總體可視化控制界面。由VB通過USB轉(zhuǎn)接口與激光傳感器連接，提供12 V直流電源，預(yù)實(shí)現(xiàn)襯套外部尺寸的檢測(cè)系統(tǒng)。

其次，編寫可實(shí)現(xiàn)激光傳感器定點(diǎn)移動(dòng)功能的PLC控制程序并與VB程序通信。由PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)器通過伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而通過滾珠絲杠帶動(dòng)激光傳感器在Z軸方向上完成一系列運(yùn)動(dòng)。同時(shí)由PLC控制電磁閥，驅(qū)動(dòng)3個(gè)氣缸（2個(gè)雙桿雙軸氣缸和1個(gè)三爪氣缸）動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工件夾緊定位和工件內(nèi)徑檢測(cè)。各子系統(tǒng)互相配合，達(dá)到系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)的目的。

再將VB程序通過RS 422轉(zhuǎn)接口與激光傳感器通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)依次錄入數(shù)據(jù)庫中與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行比較，從而判定工件的尺寸是否合格[7-8]。

最后，激光傳感器的檢測(cè)是通過控制程序來實(shí)現(xiàn)的。在該子系統(tǒng)中，利用VB 6.0軟件程序，在PC中通過串口與激光傳感器連接從而實(shí)現(xiàn)多位置檢測(cè)。LSD-85N-RS激光傳感器與PC之間通信所用的設(shè)備為USB 2.0 TO RS 422/RS 485轉(zhuǎn)接串口[6]。設(shè)計(jì)中所采用的傳感器的開關(guān)量輸出為NPN集電極開路輸出，所以對(duì)應(yīng)地采用PLC公共端漏型接法。在進(jìn)行通信之前需要編寫包括設(shè)置波特率、傳輸代碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等內(nèi)容的代碼。由于PLC的編程器接口為RS 422或RS 485，與計(jì)算機(jī)的串行通信接口RS 232C不同，因此計(jì)算機(jī)在實(shí)現(xiàn)通信編程軟件與PLC交換信息時(shí)，需要配備專門的帶轉(zhuǎn)接的編程電纜或通信適配器。設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)通過FX-232AW單元進(jìn)行RS 232C/RS 422轉(zhuǎn)換，然后再與三菱PLC編程口連接。

3 結(jié) 語

襯套的廣泛使用以及對(duì)尺寸精度要求的提高，有力地推動(dòng)了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。而對(duì)激光技術(shù)的深入研究與傳感器的大規(guī)模使用，意味著自動(dòng)化測(cè)量的巨大應(yīng)用潛力[9]。本文利用激光傳感器測(cè)量襯套尺寸，彌補(bǔ)了人工檢測(cè)耗時(shí)耗力、精確度低等方面的不足，提升了自動(dòng)化生產(chǎn)的效率[10]，使得激光傳感器的應(yīng)用范圍更加廣泛，也促進(jìn)了激光傳感器技術(shù)的發(fā)展。

注：本文通訊作者為張陳。

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作者簡(jiǎn)介：卞劉婷（2002—），女，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械電子工程。

張 陳（1992—），男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制與故障診斷。

收稿日期：2023-10-16 修回日期：2023-11-20

基金項(xiàng)目：2023年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目：“襯”心如意—襯套自動(dòng)化尺寸測(cè)量（202311463046Y）