楊宇博

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津300192）

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基于主從架構(gòu)的三維回轉(zhuǎn)工作臺(tái)測(cè)角儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊宇博

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津300192）

摘要：三維回轉(zhuǎn)測(cè)角儀體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠自動(dòng)化測(cè)量光楔的角度。設(shè)計(jì)了三維回轉(zhuǎn)測(cè)角儀控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用工控機(jī)與單片機(jī)結(jié)合的主從架構(gòu)：工控機(jī)負(fù)責(zé)主控任務(wù)，基于VC++設(shè)計(jì)界面，通過串口與單片機(jī)通信；利用單片機(jī)體積小、功耗低、易于開發(fā)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制卡，實(shí)現(xiàn)裝置三維回轉(zhuǎn)測(cè)角儀的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低，便于操控，為工作生產(chǎn)提供了便捷。

關(guān)鍵詞：三維回轉(zhuǎn)；測(cè)角儀；光楔；主從結(jié)構(gòu)

光楔[1]是光學(xué)儀器中的重要光學(xué)元件，雙光楔有兩個(gè)具有一定楔角的光學(xué)平板玻璃組成，光線垂直入射光楔的前表面后經(jīng)過一系列的折射，從后表面出射產(chǎn)生一定的偏向角。研究人員通過改變光楔的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速可以產(chǎn)生不同大小的偏向角，可以得到許多不同的掃描圖形，因而需要準(zhǔn)確知道光楔的角度。光楔測(cè)角儀主要有一維和二維[2-3]，以二維[4]結(jié)構(gòu)型式居多，三維較少見，主要用作二維測(cè)量及分度裝置。市場(chǎng)上的三維回轉(zhuǎn)測(cè)量往往依賴手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)，這就造成了工作難度大并且精度難以保證，因此研究一種自動(dòng)三維回轉(zhuǎn)測(cè)角儀具有重要意義，以能夠?qū)崿F(xiàn)光楔角度自動(dòng)測(cè)量，提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

1　回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)軸和三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠組成，如圖1所示?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)為系統(tǒng)被控對(duì)象，用來放置光楔，控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃都是圍繞其動(dòng)作的?？蓪⑵鋸纳系较路謩e命名A、B、C三軸，它們的自由度可以通過空間坐標(biāo)軸來描述，建立坐標(biāo)系，如圖2所示，以工作臺(tái)中心為原點(diǎn)，鉛錘方向?yàn)閆軸，垂直光屏方向?yàn)閄軸；那么就知道了A軸繞X軸旋轉(zhuǎn)，同理可得B對(duì)應(yīng)Y軸、C對(duì)應(yīng)Z軸；可以通過運(yùn)動(dòng)控制卡來快速調(diào)節(jié)不同軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的位移與方向讓鍺光楔的空間位置達(dá)到理想狀態(tài)，便于快速測(cè)量提高工作效率。

圖1　回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

圖2　工作臺(tái)三軸運(yùn)動(dòng)方向簡(jiǎn)化圖

2　準(zhǔn)直儀

準(zhǔn)直儀用來測(cè)量光楔角度，屬于角度測(cè)量部分，控制系統(tǒng)根據(jù)準(zhǔn)直儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。AUTOMAT 1000系列雙軸光電自準(zhǔn)直儀如圖3所示，采用光學(xué)自準(zhǔn)直原理設(shè)計(jì)，結(jié)合半導(dǎo)體發(fā)光元件及線掃描CCD成像技術(shù)，通過內(nèi)部嵌入式處理器進(jìn)行高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理，可同時(shí)對(duì)大范圍二維角度獨(dú)立進(jìn)行精密測(cè)量；全系列AUTOMAT準(zhǔn)直儀產(chǎn)品均采用了專利電子目鏡技術(shù)，去除了傳統(tǒng)目鏡瞄準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，找準(zhǔn)直觀且方便，配合專用激光找準(zhǔn)附件，可進(jìn)行最長(zhǎng)達(dá)25 m的測(cè)量距離。它在本裝置中利用光學(xué)自準(zhǔn)直原理來測(cè)平面度是否一致。

圖3　準(zhǔn)直儀

3　三維回轉(zhuǎn)測(cè)角儀基本原理

該裝置運(yùn)用光學(xué)反射原理和數(shù)控相結(jié)合，使測(cè)角實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，便于工人的控制與精準(zhǔn)測(cè)量。其三維測(cè)角原理：采用一束光經(jīng)光楔，如圖4所示，表面1反射在光屏上的位置來調(diào)整鍺光楔的空間位置，此時(shí)設(shè)為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后通過調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)讓光經(jīng)過鍺光楔的2表面反射后能與基準(zhǔn)點(diǎn)重合，根據(jù)前后調(diào)節(jié)過程中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角的大小與軸的位置來確定該鍺光楔的角度大小及測(cè)出該光楔的角度。

圖4　光楔形狀

根據(jù)上述的原理，設(shè)計(jì)主從式架構(gòu)控制系統(tǒng)，其硬件構(gòu)成如圖5所示，采用工控機(jī)與單片機(jī)結(jié)合的主從架構(gòu)：工控機(jī)負(fù)責(zé)主控任務(wù)，基于VC++設(shè)計(jì)界面，通過具有光電隔離功能的USB轉(zhuǎn)RS232串口模塊與運(yùn)動(dòng)控制卡通信；利用單片機(jī)體積小、功耗低、易于開發(fā)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制卡，實(shí)現(xiàn)裝置三維回轉(zhuǎn)測(cè)角儀的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。

圖5　硬件構(gòu)成圖

基于STM32系列STM32F103VCT6單片機(jī)設(shè)計(jì)了4軸脈沖型運(yùn)動(dòng)控制卡。主要功能有：8路光耦輸入；4路步進(jìn)電機(jī)輸出控制（4路方向控制、4路脈沖輸出）；2路繼電器輸出；RS232串口通信，可實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)的通信。

4　軟件設(shè)計(jì)

基于VC++設(shè)計(jì)操作界面如圖6所示，該操作界面簡(jiǎn)潔﹑便于操控，左邊的二維面板將準(zhǔn)直儀分成了四個(gè)象限，這樣我們能較為直觀地觀看到光點(diǎn)所處的位置，便于我們來進(jìn)行左邊的操作。而右邊分成的四個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)臺(tái)手動(dòng)控制和停止等操作按鈕。數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)置則是準(zhǔn)直儀的調(diào)控過程，轉(zhuǎn)臺(tái)手動(dòng)控制則是便于人為的操控，跳過機(jī)械的緩慢性調(diào)節(jié)有利于提高工作效率。

圖6　操作界面

本裝置是采用工作臺(tái)的B軸的回轉(zhuǎn)角度來計(jì)算鍺光楔的角度；A、C軸的控制是來調(diào)整光楔的空間位置以便測(cè)量，因?yàn)槭謩?dòng)調(diào)節(jié)的效率低且準(zhǔn)確率低。測(cè)角流程圖如圖7所示，直觀詳細(xì)描述了測(cè)角的過程，根據(jù)前后兩次的B軸回轉(zhuǎn)的角度的差值即為所測(cè)的角度值。實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠完成光楔角度測(cè)量。

圖8　測(cè)角流程圖

5　結(jié)束語(yǔ)

本文利用單片機(jī)體積小、功耗低、易于開發(fā)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制卡，實(shí)現(xiàn)裝置三維回轉(zhuǎn)測(cè)角儀的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。該主從架構(gòu)控制系統(tǒng)成本低，便于操控，為工作生產(chǎn)提供了便捷，小巧占地空間小，自動(dòng)測(cè)量角度。因此，它可以應(yīng)用于光楔的角度測(cè)量，提高生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭垠波，巴榮聲，袁靜，等.90°石英旋光片和光楔在聚焦光束近場(chǎng)質(zhì)量測(cè)量中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14 （9）:127-130.

[2]謝啟華，李衛(wèi)升，黃云.激光陀螺測(cè)角儀測(cè)角誤差來源研究[J].激光技術(shù)，2012，36（2）:174-178.

[3]魏曉蓉.精密雙軸位置轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[4]吳武峰.精密獨(dú)立回轉(zhuǎn)雙工作臺(tái)的研究設(shè)計(jì)[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2015.

中圖分類號(hào):TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0074-03

收稿日期：2016-01-03

作者簡(jiǎn)介：楊宇博（1986-），男，天津人，工學(xué)士學(xué)位，助理工程師，研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化方向。

Design of the Control System of the Angle Measuring Instrument based on the Principal and Subordinate Structure

YANG Yu-bo
（Tianjin Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Tianjin 300192，China）

Abstract:Three-dimensional rotation goniometer is small size and simple structure，which can measure optical wedge angle automated.In this paper the goniometer digitized and automated control system was designed.The system uses IPC and MCU combination of master-slave architecture:industrial PC is responsible for control tasks，based on VC++interface design，through the serial communication with the microcontroller;the use of singlechip，small size，power consumption is low，easy to develop the characteristics of motion control card design，three-dimensional real-time motion control tasks means rotating goniometer.The control system is designed for low cost，easy to control，to provide a convenient for the work produced.

Key words:three-dimensional rotation；goniometer；optical wedge；master-slave architecture