高精度自动外径测量仪的开发和应用_蔡锦达

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【摘要】仪器主要用途为管接头外径的高精度自动测量。通过定点测量，波峰波谷值测量两
种测量方案相结合，可对沟、槽等复杂外径尺寸进行精确测量，满足了应用要求。通过ＰＣ机的串口
通信功能，协调和同步伺服电机及激光测径仪，实现了对管接头的自动和多尺寸的精确测量及外形
轮廓测量。并在
ＰＣ
机上显示，保存和处理所采集的数据。

关键词：管接头；外径；检测仪；
ＶＣ
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】
Ｔｈｉｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｅｘｔｅｒｎａｌｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｐｉｐｅｊｏｉｎｔ．ｗｅ
ｌａｉｄｏｕｔａｐｒａｃｔｉｃａｌｃｏｍｂｉｎｉｎｇｓｃｈｅｍｅｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎ－ｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｐｅａｋａｎｄｂｏｔｔｏｍ－ｍｅａｓｕｒｉｎｇ，
ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｆｏｒｅｘｔｅｒｎａｌｄｉａｍｅｔｅｒ’ｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｐｌｏｗｇｒｏｏｖｅｓ，ｗｈｉｃｈａｎｓｗｅｒｅｄｐｒａｃｔｉｃａｌｎｅｅｄｓ；
ＴｈｒｏｕｇｈｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｗｉｔｈＲＳ２３２ｐｏｒｔｓｏｆＰＣ，ｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃａｎａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙａｎｄｍｕｌｔｉ－
ｄｉａｍｅｔｒｉｃａｌｌｙｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｎｄｐｒｏｆｉｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｐｉｐｅｊｏｉｎｔ．Ｔｈｅｄａｔａｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｄｉｇｉｔａｌ
ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒｓａｒｅｕｓｅｄｆｏｒｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ，ｓａｖｉｎｇａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｉｐｅｊｏｉｎｔ；Ｅｘｔｅｒｎａｌｄｉａｍｅｔｅｒ；Ｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ＶＣ

中图分类号：ＴＨ１２４文献标识码：
Ａ

高精度自动外径测量仪的开发和应用
蔡锦达徐铁
（上海理工大学数据数显实验室，上海２０００９３）
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ
ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｅｘｔｅｒｎａｌｄｉａｍｅｔｅｒ
ＣＡＩＪｉｎ－ｄａ，ＸＵＴｉｅ
（ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）

文章编号：１００１－３９９７（２００８）
０８－０２２１－０２

＊
来稿日期：
２００７－１０－１６

ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ机械设计与制造第８期２００８年８
月

综
述

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１概述
本仪器主要用途为管接头外径的高精度自动测量。
在运动控制方面，采用了台达公司的ＡＳＤＡ－Ａ系列伺服电
机以实现轴向位置的精确性
；

在测量仪器方面，采用了ＫＥＹＥＮＣＥ公司ＬＳ－７６００系列激光
测径仪，可实现每秒２４００次的高速采样，重复精度为±０．１５μｍ。
两者都具备串口通信功能，并提供串口指令以实现对其基
本功能的控制。
２测量方案

测量对象示意图，如图１所示。

图１测量对象
Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｐｉｐｅｊｏｉｎｔ
根据图１可知，管接头的径向方向上存在很多倒角和沟槽。

在测量上，要结合伺服电机的精确运动和激光测径仪的最优测
量方法来实现管接头外径的精确测量。由伺服电机带动管接头
轴向运动，伺服电机采用位置模式，在所要求轴向尺寸上精确定
位
，待测量外径完成后，走到下一个位置。

这里出现了一个难题。根据图
１
可知，由于外径尺寸复杂多

变，所以要求操作者能够精确地指定所测位置的轴向尺寸是相
当困难的。很多的尺寸都是规定在一定区域内的最大值和最小
值，又由于激光测径仪提供了相应的串口通讯指令———可测量
波峰值和波谷值
，所以可对管接头的外形轮廓进行精确测量。

所以最终采用了两个方案
：
（
１
）在操作者需要对某个精确轴向位置处径向尺寸进行测

量时，采用方案一，定点测量；
（
２
）在操作者只需对图纸所要求的外形轮廓进行测量时，采

用方案二
，波峰波谷值测量。

根据要求
，应使轴向尺寸和该尺寸处的径向尺寸严格对应。
由于激光测径仪可实现每秒
２４００
次的高速采样，所以这里使伺

服电机走到指定位置后
，再进行径向测量。
这里我们使用
ＰＣ机作上位机，通过使用ＰＣ的ＲＳ２３２
端口

分别与激光测径仪、伺服电机连接，串口通信发送相应硬件可识
别的指令，接收硬件的响应指令，实现伺服电机带动管接头走到
预定的一些轴向位置的同时，激光测径仪对管接头的外径进行
测量。原理图如图２所示。

２２１
－－
ＬＳ－７６０１
ＰＣ
ＡＳＤＡ－Ａ

ＬＳ
指令格式
指令
响应格式
响应
ｃｒ

ｃｒ

第８期
蔡锦达等：高精度自动外径测量仪的开发和应用
图２测量原理
Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
３具体实现

３．１
串口通信部分

典型地，串口用于ＡＳＣⅡ码字符的传输。通信使用３根线
完成
：地线，发送，接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一
根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手
，

但不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率，数据位，停止
位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口
，这些参数必须匹配。

３．１．１ＰＣ
相关串口通信部分

由于ＰＣ要与伺服电机，激光测径仪同时进行串口通信，所
以要使用两个串行通讯控件ＭＳＣｏｍｍ分别对其进行控制。
串口通信通过四个步骤来完成：打开串口，配置串口，读写
串口，关闭串口。在本程序中，利用ＭＦＣＣｌａｓｓＷｉｚａｒｄ添加
Ｃ＊＊＊＊Ｖｉｅｗ：：ＯｎＩｎｉｔｉａｌ
函数加入打开串口和配置串口的程序后，

就可以分别和伺服电机，激光测径仪进行串口读写（发送和读取
串口指令）。
３．１．２ＬＳ－７６００
相关串口通信部分

ＫＥＹＥＮＣＥ公司的ＬＳ－７６００
系列激光测径仪从外部设备接

收到指令后，就对收到的指令做出响应，并将响应返回给外部设备。
其串口通信相对简单
，指令本身不存在校验位，校验通过串口通信

协议实现。下面将介绍有关的指令格式。如图
３、４
所示。

图３指令与响应格式
Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒｍａｔａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｒｆｏｒｍａｔ

图４指定格式概要
Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｏｆｔｈｅｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒｍａｔ

通过以上的指令格式和响应格式，ＰＣ软件可对激光测径仪
进行测量模式和环境变量的更改
，读取相应的测量值。

３．１．３ＡＳＤＡ－Ａ
相关串口通信部分

伺服电机的串口通信采用ＡＳＣＩＩ模式，指令本身存在校验位。
下面将介绍有关的指令格式（ＡＳＣＩＩ模式），如图５所示。

图５指令响应格式
Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒｍａｔａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｆｏｒｍａｔ

ＡＳＣＩＩ模式采用ＬＲＣ（ＬｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌＲｅｄｕｎｄａｎｃｙＣｈｅｃｋ
）侦误

值。ＬＲＣ侦误值乃是从ＡＤＲ至最后一笔数据内容加总，得到之
结果以２５６为单位，超出之部分予以去除（例如加总后得到
８－１０的结果为十六进制之１２８Ｈ则只取２８Ｈ
），然后计算二的补

码，之后所得到的结果即为ＬＲＣ侦误值。
通过上述的命令格式，ＰＣ软件可对伺服电机进行起停、定
位、读取其所在位置等一系列操作。
３．１．４
通过串口实现自动测量动作过程

在开始程序后，伺服电机自动回原点。由操作者指定要测量
管接头的一系列轴向位置
，开始测量。

（１）通过串口向伺服电机走到下一个指定的位置的指令；
（２）ＰＣ读取伺服电机位置，判断是否为操作者指定的位置，如
是
，执行（３），如否，执行（４）；（３）测量该轴向位置的径向尺寸后，

执行（６）；（４）判断标志位ｉＲｅａｄＴｉｍｅｓ是否小于１０，如是，执行
（２），如否，执行（５）；（５）提示操作者出错，回原点。（６）判断是否
是最后一个位置：否，执行（７），是，执行（８）；（７）执行（１）；（８）提
示操作者已完成测量，回原点。
当伺服电机接收到指令“走到下一个位置”时，要从当前位
置走到指令要求的“下一个位置”。而在走到“下一个位置”后
，由
于伺服电机处于从属位置
，不会主动发送“到位置信号”回ＰＣ，

这就要求ＰＣ循环发指令“读取伺服电机的当前位置”，直到“伺
服电机的当前位置”与“指定的位置”相同时才执行下一步操作。
而在ＰＣ循环发指令“读取伺服电机的当前位置”的过程
中
，该进程中的主线程始终处于阻塞状态。程序界面不再响应任
何其它消息
，用户无法停止、暂停和进行其它操作。

解决该问题的方法有两种：（１）是采用多线程方式，而本程
序使用的串口ＡｃｔｉｖｅＸ控件，需要一个容器来容纳控件本身，而
一般的多线程方式为工作者线程，不存在界面和消息循环。（２）
是使用ＭＦＣ提供的后台型计时器，本程序就采用了这种方式。通过
计时器来实现循环发指令“读取伺服电机的当前位置”，这样既不影

２２２
－－