大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)探討

崔宇翔

摘 要：文章重點(diǎn)介紹了直線度測(cè)量?jī)x的工作原理，大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，以及大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量?jī)x直線度誤差評(píng)定算法。

關(guān)鍵詞：大型機(jī)床導(dǎo)軌；直線度測(cè)量；誤差評(píng)定算法；設(shè)計(jì)

前言

近年來，伴隨自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的日益廣泛和成熟，以及大型機(jī)床生產(chǎn)數(shù)量的逐漸增加，為提高機(jī)床導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)精度，提高大型機(jī)床工作性能，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)來設(shè)計(jì)科學(xué)先進(jìn)的大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量?jī)x勢(shì)在必行。

1 直線度測(cè)量?jī)x的工作原理

首先，將半導(dǎo)體激光器置于被測(cè)直線段的一側(cè)，使其射出的光線與被測(cè)機(jī)床導(dǎo)軌平行。然后，將無線光靶置于被測(cè)機(jī)床導(dǎo)軌之上，使激光器射出的光線正好落在兩片光電池的中心位置，同時(shí)以激光器射出的光線為直線度測(cè)量基準(zhǔn)，讓無線光靶沿著被測(cè)導(dǎo)軌直線段移動(dòng)。當(dāng)激光照到無線光靶中的光電池時(shí)，兩個(gè)光電二極管就會(huì)同時(shí)輸出一個(gè)與光照面積成正比的微弱電流信號(hào)[1]。這兩個(gè)微弱電流信號(hào)經(jīng)放大電路前置放大器放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，就可以根據(jù)兩片光電池產(chǎn)生的電壓差值來預(yù)測(cè)無線光靶移動(dòng)的范圍，從而計(jì)算出被測(cè)導(dǎo)軌的直線度。

最后，將運(yùn)算后的信號(hào)輸入單片機(jī)中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后相除，得到反映入射光光點(diǎn)位置的信號(hào)，再將其經(jīng)無線光靶中的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊接收信號(hào)后傳送至PC機(jī)，由PC機(jī)完成最后的數(shù)據(jù)處理。

2 大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量?jī)x的具體用途，文章將其系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分為四大功能模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、半導(dǎo)體激光器、無線光靶和PC機(jī)。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要由單片機(jī)和無線數(shù)據(jù)傳輸兩部分組成，無線光靶主要由放大電路、單片機(jī)、光電池和無線數(shù)據(jù)傳輸四部分組成，PC機(jī)主要由數(shù)據(jù)庫、串口通信、直線度計(jì)算和繪圖四部分共同組成[2]。各個(gè)模塊在按照既定程序完成自己分配職責(zé)的同時(shí)，彼此之間也在相互協(xié)同工作，從而能夠很好地完成大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量工作。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

放大電路設(shè)計(jì)。放大電路的設(shè)計(jì)需要使用光電傳感器，常見光電傳感器有光電二極管、四象限光電池等。光電傳感器光照度與反向電流成正比，具有響應(yīng)快、噪聲低、方便等優(yōu)點(diǎn)，多用于激光探測(cè)。四象限光電池多用于光電開關(guān)、光電耦合等。不同光電傳感器有著不同的特點(diǎn)與適用范圍，對(duì)于大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量系統(tǒng)放大電路而言，文章選用光電二極管。由于光電輸出為一個(gè)微弱的模擬信號(hào)，易受外界環(huán)境干擾，因而前置放大器需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，即其應(yīng)集成高輸入阻抗、低輸出阻抗等多種能力。文章選擇ICL7650系列的集成運(yùn)放作為前置放大器。

單片機(jī)選型。在大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)最為核心的一個(gè)部件，它控制著系統(tǒng)各個(gè)部分的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并與其他部件一起完成數(shù)據(jù)采集、處理等操作[3]。對(duì)于單片機(jī)的選型應(yīng)盡可能選擇低功耗、性價(jià)比高的單片機(jī)，以降低能源損耗，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。文章選用超低功耗、多種存儲(chǔ)器形式、強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力、高效開發(fā)環(huán)境的MSP430型號(hào)單片機(jī)作為整個(gè)直線度測(cè)量系統(tǒng)的控制中心。該單片機(jī)可以為系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行與設(shè)備的充分利用提供可靠保障。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

CRC校驗(yàn)協(xié)議編寫。由于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，受外界環(huán)境干擾或一些其他因素影響，極易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤現(xiàn)象，所以為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、正確性與可靠性，需要采用相應(yīng)校驗(yàn)方法對(duì)數(shù)據(jù)通信進(jìn)行校驗(yàn)。目前，常用校驗(yàn)方法主要有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼

（CRC）、奇偶校驗(yàn)等。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼既可以用硬件來實(shí)現(xiàn)也可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，文章采用軟件方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)通信的循環(huán)冗余校驗(yàn)。首先，將一個(gè)16位寄存器全部置1，將數(shù)據(jù)包中8字節(jié)與其當(dāng)前值進(jìn)行異或運(yùn)算，低位向高位移位，高位用0補(bǔ)齊。然后，對(duì)移出的最低位數(shù)值進(jìn)行判斷，若移出的為0，則不做任何操作；若移出的為1，則將寄存器與預(yù)設(shè)固定值進(jìn)行一次異或，重復(fù)上述操作直至8位移位全部完成[4]。當(dāng)最后一位移位完成時(shí)，在進(jìn)行下一8字節(jié)與寄存器當(dāng)前值的異或，按照同樣的運(yùn)算方法當(dāng)數(shù)據(jù)包中所有數(shù)據(jù)全部處理完畢后，生成的數(shù)據(jù)序列即為CRC校驗(yàn)碼。這一環(huán)節(jié)的流程圖如圖1所示。

通訊功能的實(shí)現(xiàn)。通訊功能的實(shí)現(xiàn)需要按照如下步驟進(jìn)行，在VB編程軟件中引用MSComm控件對(duì)串口進(jìn)行初始化，用232端口號(hào)對(duì)校驗(yàn)方式和波特率進(jìn)行設(shè)置，加載CRC校驗(yàn)碼，加載與初始化上行、下行定時(shí)器，測(cè)試通訊連接是否正常，此時(shí)串口根據(jù)預(yù)設(shè)定時(shí)時(shí)間向單片機(jī)發(fā)送命令，同時(shí)記錄發(fā)送次數(shù)，若數(shù)據(jù)功能位為0且接收到數(shù)據(jù)信號(hào)，則說明通訊連接成功，若發(fā)送命令超出100次還沒有接收到數(shù)據(jù)，說明串口通信錯(cuò)誤，需要檢查數(shù)據(jù)接收終端。

3 大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量誤差評(píng)定算法

空間直線度誤差評(píng)定算法作為大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量誤差常用算法之一，其具體計(jì)算過程為將空間直線投影到給定坐標(biāo)系的XY平面內(nèi)，并求出投影后的直線度誤差。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪出某一空間線的測(cè)量結(jié)果，并將該線投影在XY平面上，求出對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，從而將空間線轉(zhuǎn)化為平面線。按照平面線直線度旋轉(zhuǎn)法求出第一次投影的平面線直線度誤差。

以X軸為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)空間線，此時(shí)該線X坐標(biāo)不變，求出其在XY平面上投影的直線度誤差。重復(fù)上述步驟直至空間線旋轉(zhuǎn)為初始位置。在這一過程中，會(huì)得到許多平面直線度誤差，求出其中最大值，該值即為空間直線度誤差。

4 結(jié)束語

由上文分析可知，要想設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大、性能良好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、適用范圍廣的大型機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量?jī)x，就必須從單片機(jī)選型、無線數(shù)據(jù)傳輸、放大電路、通訊功能實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、直線度誤差評(píng)定算法等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，對(duì)所需元器件精心選型，以進(jìn)一步提高該系統(tǒng)在市場(chǎng)上的占有率，提高產(chǎn)品的使用性能。

參考文獻(xiàn)

[1]張軍峰，王燕燕.EST法測(cè)量機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差分析[J].機(jī)床與液壓，2010，3：46-49.

[2]鄭茜瀅.高剛度滾動(dòng)直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)及精度分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]李躍暉.大長(zhǎng)度導(dǎo)軌直線度視覺測(cè)量方法的研究[D].西安理工大學(xué)，2009.

[4]張恩政.基于雙頻干涉的直線度及其位置測(cè)量方法研究[D].浙江理工大學(xué)，2010.