激光非接觸式圓度誤差測(cè)量教具設(shè)計(jì)

陳國(guó)凡

摘 要：一種激光非接觸式圓度誤差測(cè)量教具，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣元件的結(jié)合進(jìn)行圓度誤差測(cè)量，通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了圓柱滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)。在底座的另一端激光傳感器發(fā)出的激光照射到圓筒上，因?yàn)閳A筒表面圓度誤差的存在，因此在圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，測(cè)出的距離不一樣。在圓筒滾動(dòng)一定時(shí)間后測(cè)出的一系列數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)labview軟件界面處理后呈現(xiàn)在屏幕中。這樣在課堂上學(xué)生可以很直觀的看到存在于滾筒表面的圓度誤差。

關(guān)鍵詞：教具；圓度誤差；激光測(cè)量

0 引言

因?yàn)閳A度是一個(gè)比較抽象的概念，在目前的大學(xué)課程中關(guān)于圓度的概念都是通過(guò)老師的講解以及相應(yīng)課本中的介紹來(lái)呈現(xiàn)的，大部分學(xué)生并不能充分理解它。學(xué)生通過(guò)老師的講解只能假想圓度測(cè)試大概的情況，沒(méi)有深入的了解。

這種壓抑的課堂學(xué)習(xí)氣氛不僅影響老師的講課激情，也嚴(yán)重影響學(xué)生的聽(tīng)課效率。如果在課堂上采用激光非接觸式測(cè)量圓度系統(tǒng)進(jìn)行演練，就會(huì)直觀的展示圓度誤差的概念，同時(shí)也能帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因此我們認(rèn)為應(yīng)該在教學(xué)中推廣此教學(xué)方法。

激光非接觸式圓度誤差測(cè)量教具的主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）本圓度測(cè)量教具降低了老師教課的繁瑣與難度，便于教學(xué)。

（2）在課堂上實(shí)物演練幫助學(xué)生對(duì)圓度的理解，有利于學(xué)生與老師之間的交流互動(dòng)，也有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（3）本圓度測(cè)量教具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，便于拆卸，操作簡(jiǎn)單、方便。

（4）本圓度測(cè)量教具易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉，便于推廣應(yīng)用。

1 圓度誤差測(cè)試教具結(jié)構(gòu)介紹

本教具由底座、可調(diào)式腳支撐、激光測(cè)距傳感器及其支架、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、被測(cè)圓筒、軸承及聯(lián)軸器、單片機(jī)模塊等構(gòu)成。

其中，底座長(zhǎng)850mm，寬320mm，厚5mm（850×320×5），可調(diào)式腳支撐高60mm，圓筒中心與激光測(cè)距傳感器相距720mm，圓筒直徑50mm，電動(dòng)機(jī)軸直徑7mm。圖1為激光非接觸式圓度測(cè)量教具實(shí)物圖：

滾筒軸貫穿穿圓筒中心，直徑為7mm，轉(zhuǎn)矩由F42-H40型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)經(jīng)由小型聯(lián)軸器傳遞給圓筒軸，傳遞的額定轉(zhuǎn)矩為400N.mm，軸在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度為：

τ=T/Wt=T/（0.2d3）=400/（0.2×73）=5.83MPa≤[τ]

軸的材料為45鋼，[τ]=30-40MPa，因此，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度符合條件。

支撐圓筒及激光傳感器的支架做成三角形狀是為了使圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)狀態(tài)穩(wěn)定。工作板下面的四個(gè)可調(diào)式腳支撐在水平儀的配合下微調(diào)，可以確保底座水平度，保證圓度誤差測(cè)試結(jié)果的精度。

S42-H40型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作用是傳遞轉(zhuǎn)矩給圓筒軸，使圓筒軸帶動(dòng)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。其基本參數(shù)：額定功率40W，額定電壓24V，額定電流1.7A，最大額定轉(zhuǎn)速1000rpm，額定轉(zhuǎn)矩400N.mm。 該步進(jìn)電機(jī)在單片機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制下工作。單片機(jī)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，單片機(jī)每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)不距角。

2 圓度誤差測(cè)試教具軟件系統(tǒng)及工作過(guò)程

在LabVIEW環(huán)境下，編寫(xiě)軟件利用modbus協(xié)議串口通信實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的控制，該控制包括設(shè)置串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位和停止位等，軟件界面設(shè)置有開(kāi)始運(yùn)行，停止采集，數(shù)據(jù)保存等功能按鈕。當(dāng)開(kāi)始運(yùn)行指令下達(dá)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)串口讀取指令，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)圓筒轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，此時(shí)激光傳感器采集距離數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換獲取該數(shù)據(jù)。獲得的即時(shí)距離數(shù)據(jù)modbus協(xié)議串口通訊傳至計(jì)算機(jī)，在測(cè)試界面即時(shí)顯示該數(shù)據(jù)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)完一整圈，則獲取了全部180個(gè)距離數(shù)據(jù)。由于激光傳感器和滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直距離一定，這180個(gè)數(shù)據(jù)的差異即包含有圓度誤差信息，通過(guò)圓度誤差計(jì)算公式擬合成圓度誤差曲線。激光非接觸式圓度誤差測(cè)試界面如圖2所示。

圓度誤差測(cè)試教具操作步驟如下：

第一步：測(cè)量前用可調(diào)式腳支撐配合水平儀衡量調(diào)整底板水平度；

第二步：檢查各處接線是否可靠；

第三步：將單片機(jī)串口用數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接；

第四步：連接電源進(jìn)行供電并且啟動(dòng)程序進(jìn)行測(cè)量；

第五步：獲取圓度誤差數(shù)據(jù)，匯報(bào)測(cè)試結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

非接觸式激光圓度測(cè)量教具適用于現(xiàn)在繁忙緊張的大學(xué)課程教學(xué)，它不僅能夠給老師的講課帶來(lái)方便，而且能有助于學(xué)生對(duì)圓度誤差的理解。本教具成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、便于拆卸、操作簡(jiǎn)單、方便。它具有直觀模擬，過(guò)程簡(jiǎn)單方便，同時(shí)它可以有效利用較少的時(shí)間解決復(fù)雜的問(wèn)題。正是因?yàn)樗哂械墓δ埽运蟹浅V泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖偉強(qiáng)，姜無(wú)疾.單片機(jī)串行通訊教學(xué)系統(tǒng)研究[J].大眾科技，2013（11）：133-134.

[2]萬(wàn)文. 基于 LabVIEW 的圓度誤差測(cè)量分析系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓，2011（9）：80-82.

[3]孔令飛. 基于LabVIEW 的帶式輸送機(jī)托輥圓度誤差的測(cè)試系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2011（ 2） ： 153 -155.

[4]李潮銳. 虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建跨校區(qū)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理，2007（ 1） ： 90 -93.

本文系測(cè)控技術(shù)及儀器省級(jí)特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)成果。