现代测试技术作业

轴直径自动测量系统研究

2016200379 丁守波

摘要：轴类零件是整个机械运转系统中的基础部件，也是最为典型的机器零件之一，在加工过程中，往往要对轴直径进行实时测量以保证轴的精度，传统测量方法还停留在接触式测量方法上，如千分尺、皮带尺等，运用这些方法只能测量精度等级在IT7/IT8等精度较低的零件，这往往会造成加工误差。在本文设计的自动测量系统中，我们采用激光扫描检测的方法，在夹具体夹紧零件的情况下进行测量，同时为了保证自动化测量，我们引入单片机控制系统来实现整个过程自动运行。

1.激光扫描系统的现状及发展趋势

为了适应零件检测的不断发展，国际上一些工业发达国家，自六十年代就陆续出现一些光电检测技术的研究成果，并逐步形成产业化，美国BetaLaserMike 公司的直径测量仪器达到了当今激光扫描的最高水平之一，测量范围为0一25mm 时，测量精度为土l，m，外型尺寸为38ox36oxsomm；我国自七十年代开始从事光电检测技术的研究，并逐步取得了一系列的研究成果，尤其根据需求在应用基础和实用方面的研究发展较快。但是国内激光测径仪市场还远未成熟，同发达的欧美国家相比，无论市场规模、产品档次、品种规格、消费水平等方面都还有相当大的差距。激光扫描检测系统应用范围十分广泛，目前已经在国防工业、钢铁工业、机械制造工业、电线电缆和光纤光缆制造业等许多部门得到应用。随着激光扫描检测系统应用范围的不断扩大，对激光扫描检测系统要求不断提高。2.轴零件夹具的设计

2.1夹具体方案的确定

夹具体是将夹具上的各种装置和零件连接成一个整体的最大、最复杂的基础件。夹具体的具体形式和尺寸主要取决于夹具上各种装置的布置以及夹具与机床的连接方式，设计夹具体时还需要考虑到零件在加工过程当中，夹具还需要承受夹紧力、切削力以及由于加工而产生的冲击和震动，所以设计的夹具需要具有必要的强度和刚度，此外，夹具体结构的工艺性、经济性以及可操作性和装拆的便捷性都是需要在设计过程中认真考虑的。

2.2阶梯轴夹具体的设计

对于阶梯轴直径的测量，我们首先要保证阶梯轴零件在夹具体上得到准确的定位，并且在测量中，使得阶梯轴不会发生横向和纵向上的移动。为使得测量的方便化和简单化，我们就要对该夹具的结构进行简单化，让我们在实际的测量中便于操作，能够及时的拆装，提高我们的工作效率。

综上所述，所设计的夹具体视图如下所示：图1 夹具体的斜二测图，图2 夹具体主视图，

图1 夹具总图

图2 夹具主视图

2.3 夹具体的零件以及各部分的功能

零件：1 阶梯轴；2螺柱；3 移动工作支架a；4 工作台；5 移动工作支架b；6移动工作支架c；7 步进电机a；8螺栓；9 螺孔；10 步进电机;11 丝杠；12 螺栓；13 螺栓；14 插件；15 移动工作支架d

功能：在实际的操作中，我们将阶梯轴置于工作台上，通过8螺栓和2螺柱将板件压紧在轴类零件上，起到固定的作用；通过将5移动工作支架移动到合适的位置，对阶梯轴的末端起到一定的支撑作用，减少阶梯轴由于自身重量的原因产生的自身变形，为保证5移动工作平台的稳定性，我们用螺栓在工作台上将其固定；6移动工作支架和14插件的作用是防止零件产生松动，在阶梯轴的中间起到进一步固定阶梯轴的作用，从而使工件的夹紧更加牢固；步进电机7，步进电机10，以及分别处于两个导轨上的丝杠则是为了实现测量的自动化，在实际的操作中我们用PLC同时控制两台步进电机，步进电机同时运转，从而带动丝杠一起转动，处于丝杠上的3和15移动工作支架同步运行，使得位于工作支架上的激光扫描仪发生运动，通过此种方式，将阶梯轴的影像进行精确地扫描，达到我们的要求。

3.激光检测系统原理与应用

3.1主要特点

高精度化，其最高的线性精度为3um级别；量程范围广，可以测

量500mm外径的物体，而且可以根据实际情况定制更加大型的外径型

号；在实际的测量中，支持多个传感器同步采集，确保工业在线高精

度差动测厚；可以对操作系统实施不同的参数设置，改变测量方式；

在pc上十分直观地显示出测量值，方便对测量过程进行监控；ZM100

系列测径仪采用半导体激光器发射的激光作为探测信号，抗干扰能力

强；采用LED光源，测量精度高；系统带有额外的四条输出信号，带

负载能力强。

3.2球面反射式激光扫描测量原理

球面反射式激光扫描检测基本原理是将一束发散角很小的激光光束，以恒定的速度平行扫描被测工件(一般为回转体外径)，并用放在被测工件另一侧的光电管收集光线，光电管接收光线照射，输出高电平。光束与待测工件相遇的时间内，光电管接收不到光线，光电管输出低电平，这个有电平高低变化的信号，经过电平比较电路，可得到一个方波脉冲，脉冲的宽度与被测工件的待测量成正比。故测出脉冲的宽度，原则上就测出被测工件的待测量。测量原理图如下所示：

图3 激光扫描测量原理图

4 PLC实现自动测量

在该控制系统中，我们采用的仪器是三菱FX3U系列PLC控制器，步进电机选择57BYG250B,步进电机控制器选择DM542型号，并外接5V和24V电源各一个。

4.1 步进电机特点

一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声，步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频因此在测量的过程中，我们要合理的设定步进电机的转速。

4.2 步进电机驱动器

步进电机的运行必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。在该项设计所采用的步进电机中，步进电机的步距角为1.8度。

4.3 可行性分析

在由PLC控制的步进电机驱动载有激光测量仪的移动工作台中，我们要合理的计算步进电机的转速以及移动工作台的转速。在4.1中我们提到，步进电机有一个空载转速，如果高于该转速，步进电机就不能立刻启动，如果要想获得比较高的转速，而这个转速会高于空载转速，我们就要利用PLC的另外一条指令。

测量轴的直径时要尽可能的减少人为误差和仪器测量误差，因此我们设计更加稳定、牢靠的夹紧装置，测量装置我们选用球面激光扫描仪，利用光的反射遮挡原理和扫描仪技术来采集阶梯轴的直径数据，最后我们采用单片机来进行控制，实现测量的自动化。

5.总结

首先感谢杨老师这一个多月以来精彩的演讲，使我在现代检测技术和控制技术方面有了一个全新的认识。通过对阶梯轴直径的测量，使我重新复习了夹具设

计的基本知识，也学习了如何用反射式激光扫描仪来测量轴的内径，以及如何用单片机来进行行程控制。作为一个纯机械类的学生，我深深的认识到了对于机电控制、检测方面知识的缺乏，在以后的学习中，我会更多的去学习电子、控制类的知识。