一种机电式压力尺寸测量方法及装置

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一种机电式压力尺寸测量方法及装置\n技术领域：\n[0001] 本发明涉及一种测量方法及装置，特别是涉及一种机电式压力尺寸测量方法及装置。适用于具有一定硬度产品硬度的测量，特别是对被测量产品需要施加一定压力的尺寸测量。\n背景技术：\n[0002] 压力尺寸测量是指测量产品尺寸需要施加一定压力的尺寸测量，目前，国外在压力尺寸的测量领域主要是采用气缸产生所需的压力，再根据气缸内压力的变化，从而计算出被测量物体的尺寸，此种实现方式结构复杂，噪声大，精度低，气缸加工要求高。国内厂家一般采用手动施加压力，然后使用千分尺手动测量，比较原始落后。\n发明内容：\n[0003] 本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种技术先进、自动化程度高、操作简易、测量精度高的机电式压力尺寸测量方法及装置。\n[0004] 本发明采用的技术方案是：这种机电式压力尺寸测量装置为：在底座上安装固定方管立柱，支撑臂套装固定在立柱上，支撑臂连接固定有测量基准面，支撑臂上端支撑固定下横梁，左高精度直线滑轨和右高精度直线滑轨的两端分别连接固定上横梁和下横梁，移动横梁两端分别固定在左高精度直线滑轨和右高精度直线滑轨自带的直线轴承上，伺服电机及减速机安装固定在上横梁上，减速机输出轴经联轴器与高精度滚珠丝杆上端连接，高精度滚珠丝杆自带法兰与移动横梁连接固定，下横梁的高精度滚珠丝杆安装连接处安装固定有光电编码器，移动横梁上还连接固定有朝下的测量压杆及压力传感器；电控装置包括DSP处理器、高精度24位AD、伺服电机控制系统、显示系统、光电编码器及整形电路、压力传感器、供电系统，24位AD将压力传感器输出的模拟信号转化为数字信号传送到DSP，DSP处理并与预先设定的压力值作比较，光电编码器输出的三路脉冲经脉冲整形电路后传送到DSP，DSP控制伺服电机转速和转向，伺服电机控制采用闭环PID算法，PID算法由DSP处理器实现，PID调节后的信号通过DSP输出至伺服电机控制系统，伺服电机控制系统输出信号，控制伺服电机运行，在此过程中DSP结合光电编码器反馈回的脉冲信号和压力传感器信号计算出为测物体的尺寸，同时DSP送计算结果至显示系统显示。\n[0005] 本发明的机电式尺寸测量方法是：\n[0006] (1)、测量物体所需压力设置：\n[0007] 启动检测设备，在显示面板上输入测量物体所需的测量压力(P)，然后在显示面板上按完成键，此时设备电控装置将自动记录输入的压力值。\n[0008] (2)、零位校准：\n[0009] 在压力尺寸测量过程中，首先对设备进行零位校准，校准方法是在显示面板上按向下键，设备测量压杆自动向下运行，在向下运行过程中，当压杆运行到测量基准面，设备自动停止，此自动停止的过程是采用压力自动反馈闭环控制实现，从而达到测量零位校准；\n[0010] (3)、尺寸自动测量过程：\n[0011] 通过零位校准之后，在显示面板上按开始测量键，测量压杆自动向上运行H1后停止1分钟，压杆在H1处停止时需要在压杆的正下方放置被测量物体。压杆停止结束后，压杆将自动向下运行，当压力传感器检测到的压力等于初始预置压力时，压杆停止，此时压杆运行位移为H2；\n[0012] (4)、被测量物体尺寸计算公式：\n[0013] 被测量物体的尺寸为H，由于测量压杆自动向上运行位于为H1，在停止位置向下运行的位移为H2，根据上面的数据可得出：\n[0014] H＝H1-H2\n[0015] 本发明采用高精度的光电编码器和压力传感器测量技术，微电脑数字化处理技术，伺服电机控制驱动系统，以及机械测量平台，智能化、自动化程度高，操作简单，测量的最小位移分辨率达0.000625mm，精度极高，是压力尺寸测量领域中一种技术先进、性能优良的设备和方法。\n附图说明：\n[0016] 图1为本发明结构示意图；\n[0017] 图2为本发明电控制原理框图；\n[0018] 图3为核心处理器DSP；\n[0019] 图4为5V/3.3V电平转换处理电路图；\n[0020] 图5为光电编码器A相脉冲输入整形电路图；\n[0021] 图6为光电编码器B相脉冲输入整形电路图；\n[0022] 图7为光电编码器Z相脉冲输入整形电路图；\n[0023] 图8电机转速控制信号输出放大电路图；\n[0024] 图9为电机转向控制信号输出放大电路图；\n[0025] 图10为电机转速控制信号输出放大电路图；\n[0026] 图11为24位AD转换处理电路图；\n[0027] 图12为DSP处理器滤波电容、复位及嵌位保护电路；\n[0028] 图13为外部信号输入接口；\n[0029] 图14为控制板电源模块；\n具体实施方式：\n[0030] 参见附图，本发明的机电式压力尺寸测量装置为：在底座18上安装固定方管立柱\n8，支撑臂7套装固定在立柱8上，支撑臂7连接固定有测量基准面15，支撑臂7上端支撑固定下横梁5，左高精度直线滑轨4和右高精度直线滑轨13的两端分别连接固定上横梁1和下横梁5，移动横梁2两端分别固定在左高精度直线滑轨4和右高精度直线滑轨13自带的直线轴承上，伺服电机9及减速机10安装固定在上横梁1上，减速机10输出轴经联轴器11与高精度滚珠丝杆3上端连接，高精度滚珠丝杆3自带法兰与移动横梁2连接固定，下横梁\n5的高精度滚珠丝杆安装连接处安装固定有光电编码器6，移动横梁2上还连接固定有朝下的测量压杆14及压力传感器12；电控装置包括DSP处理器、高精度24位AD、伺服电机控制系统、显示系统、光电编码器及整形电路、压力传感器、供电系统，24位AD将压力传感器输出的模拟信号转化为数字信号传送到DSP，DSP处理并与预先设定的压力值作比较，光电编码器输出的三路脉冲经脉冲整形电路后传送到DSP，DSP对伺服电机转速和转向测量，并通过闭环PID算法，输出信号至伺服电机控制系统和显示系统，伺服电机控制系统输出控制伺服电机运行。\n[0031] 本发明的机电式尺寸测量方法是：\n[0032] (1)、测量物体所需压力设置：\n[0033] 启动检测设备，在显示面板上输入测量物体所需的测量压力(P)，然后在显示面板上按完成键，此时设备电控装置将自动记录输入的压力值；\n[0034] (2)、零位校准：\n[0035] 在压力尺寸测量过程中，首先对设备进行零位校准，校准方法是在显示面板上按向下键，设备测量压杆自动向下运行，在向下运行过程中，当压杆运行到测量基准面，设备自动停止，此自动停止的过程是采用压力自动反馈闭环控制实现，从而达到测量零位校准；\n[0036] (3)、尺寸自动测量过程：\n[0037] 通过零位校准之后，在显示面板上按开始测量键，测量压杆自动向上运行H1后停止1分钟，压杆在H1处停止时需要在压杆的正下方放置被测量物体。压杆停止结束后，压杆将自动向下运行，当压力传感器检测到的压力等于初始预置压力时，压杆停止，此时压杆运行位移为H2；\n[0038] (4)、被测量物体尺寸计算公式：\n[0039] 被测量物体的尺寸为H，由于测量压杆自动向上运行位于为H1，在停止位置向下运行的位移为H2，根据上面的数据可得出：\n[0040] H＝H1-H2\n[0041] 控制算法\n[0042] 1.PID控制算法\n[0043] 离散形式的PID表达式为：\n[0044] \n[0045] 其中：u(k)为k时刻控制器的输出量；KP，KI，KD分别为比例系数，积分系数和微分系数；e(k)为当前时刻的交流伺服系统的位置与期望值之差；e(k-1)为上次采样时刻的交流伺服系统的位置与期望值之差。\n[0046] 由式(1)可得到控制器输出第k个周期时刻的控制量u(k)和第k-1个周期时刻的控制量u(k-1)之间的增量为：\n[0047] Δu(k)＝u(k)-u(k-1)\n[0048] ＝KP[e(k)-e(k-1)]+Kie(k-1)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]\n[0049] (2)\n[0050] 2.在本发明装置中采用的控制算法\n[0051] 本发明在控制过程中，如果采用离散式PID控制，系统将会出现较大的超调，这将会导致系统控制精度及系统的使用寿命下降。因为本系统在初始阶段会引入较大误差，较大的误差在初始阶段引入到积分环节，造成PID积分累积，从而使系统出现较大的超调。为了解决这一问题，本发明专利采用积分分离PID控制算法。\n[0052] 当系统误差较大时，取消积分环节，采用PD控制，避免由于积分累积引起系统较大的超调；当系统误差较小时，引入积分环节，采用PID控制，以消除误差，提高控制精度。\n即：\n[0053] |e(k)|＞ε 采用PD控制 (3)\n[0054] |e(k)≤ε 采用PID控制 (4)\n[0055] 式中，ε＞0根据控制需要设定的阈值。\n[0056] 积分分离控制算法可表示为：\n[0057] \n[0058] 在式中，u(k)为k时刻控制器的输出量；KP，KI，KD分别为比例系数，积分系数和微分系数；e(k)为当前时刻的交流伺服系统的位置与期望值之差；e(k-1)为上次采样时刻的交流伺服系统的位置与期望值之差，T为位置环采样周期，a为积分分离开关，e(i)为位置误差。当|e(k)|＞ε时a＝0，当|e(k)≤ε时，a＝1。\n[0059] 本发明采用两种测量尺寸的方法：\n[0060] 方法1：在本发明专利中选择光电编码器作为尺寸测量传感器，本专利选择的光电编码器为每圈输出2000个脉冲的增量式编码器。由于机械装置选择丝杆导程为5mm(丝杆每旋转一周的位移为5mm)，丝杆旋转一周输出2000个脉冲。每个缝隙有4个边沿：\nTMS320F2812PGFQ正交编码电路两个通道各有一个上升沿和一个下降沿，也就是说，丝杆每旋转一周，TMS320F2812PGFQ正交编码电路检测到8000个边沿，TMS320F2812PGFQ把检测到的边沿数存放在内部计数器中。有以上可得出电控装置能测量的最小位移分辨率为\n0.000625mm/个\n[0061] 方法2：\n[0062] 由方法一可测量得到，丝杆每旋转一周，TMS320F2812PGFQ正交编码电路检测到\n8000个边沿，光电编码器每旋转一周为360度，电控装置能测量的最小角度偏移量分辨率为0.045度/个，由于丝杆导程为5mm(丝杆每旋转一周的位移为5mm)，所以电控装置能测量的最小位移分辨率0.000625mm(0.045×5/360)\n[0063] 本发明所提供的实现机电式压力尺寸测量的装置，该测量装置组成部分有：传动系统、测量机械系统、测量控制系统、显示系统。其中，备注：传动系统由伺服电机、减速机组成。测量系统由上横梁、移动横梁、高精度滚珠丝杆、高精度直线滑轨、下横梁、光电编码器、下横梁支撑臂、联轴器、减速机、压力传感器、测量基准面、测量压杆、方管立柱组成。控制系统由DSP处理板、高精度AD转换板、伺服驱动系统组成。显示系统由液晶显示器、液晶显示控制板组成。检测过程如下：\n[0064] 启动检测设备，在显示面板上输入测量物体所需的测量压力，设备控制系统将自动记录输入的压力值。测量设备控制系统输出控制命令到伺服电机驱动系统，从而控制伺服电机转动产生扭矩，伺服电机转动产生的扭矩传递到减速机，然后经联轴器将扭矩传递到丝杆，在丝杆旋转的同时带动移动横梁作做上下往复运动。移动横梁的运动方向由控制系统控制电机正转反转实现。当电机正转过程中，带动移动横梁向下运动，固定在下横梁上的编码器实时采集丝杆旋转的位移信号。同时安装在移动横梁上的测量压杆也随移动横梁一起向下运动，直至测量头接触到被测量物体，在此过程中，由于电机的不断正向旋转，测量头施加到被测量物体上的压力不断增大，此压力信号通过安装在测量压杆顶端的压力传感器实时采集，采集到的压力信号经过高精度AD转换器转换为数字信号送至DSP，经过DSP处理并与预先设定的压力作比较，当施加的力与预先设定好的压力相同时，DSP控制电机反转，移动横梁返程，同时DSP将实时采集到的光电编码器位移信号自动计算出移动横梁运行位移。最后，DSP将依据测量到的数据和位移公式计算出被测量物体的位移，同时将被测量物体的位移数据送显示系统显示。\n[0065] 电控装置电路简介：\n[0066] 在本电控装置电路中，图3为整个电控装置的核心部分，它由TMS320F2812PGFQ及TMS320F2812PGFQ芯片必须的外围时钟电路、电源、复位电路、旁路电容构成，C10、C64、Y3构成时钟振荡电路，它为TMS320F2812PGFQ的时钟源，R99、C13为TMS320F2812PGFQ提供复位信号，M7为嵌位二极管，图3中其余电容为旁路电容。又外部压力传感器输出差分信号通过接口JP1的1脚、2脚输入OPA2333的3脚、5脚进行放大，放大器的放大倍数设置为100.8，放大倍数设置是由R3、R4、R5完成，图11中，R1、R2、C2、C3、C4构成一个滤波器，其余电容为电源滤波电容。放大器OPA2333放大后的压力传感器信号通过OPA2333的\n1脚、7脚输到ADS1225的10脚、11脚。ADS1225为24位的模数转换芯片，ADS1225引脚1是启动和停止ADS1225采样，ADS1225引脚2是ADS1225采样时钟输入，ADS1225引脚3是ADS1225处理后的数字信号输出。ADS1225的1、2、3脚分别与TMS320F2812PGFQ的28、25、\n26相连，ADS1225采样控制指令由TMS320F2812PGFQ的28、25、26引脚输出。由于外部压力传感器输出电压为毫伏级信号，在本设计中选择高精度24位AD ADS1225芯片，该芯片采样分辨率为0.0012mv。外部输入光电编码的A、B、Z相脉冲信号通过接口JP2的4脚，JP3的1、2脚输入到运算放大器LM339的6、4、10脚进行信号整形，LM339整形处理后的信号从LM339的1、2、13脚输出到电平转换芯片IC10的2、3、4脚，在图5中，电阻R71、R72是为A相脉冲整形电路提供2.7V阈值电压，在图6中，电阻R84、R85是为B相脉冲整形电路提供2.7V阈值电压，在图7中，电阻R78、R79是为Z相脉冲整形电路提供2.7V阈值电压，光电编码器输出的Z相信号是光电编码器旋转一周，Z相输出一个脉冲信号。IC10主要是把外部输入的+5V的脉冲信号转换为TMS320F2812PGFQ兼容的+3.3V脉冲信号。IC10有两控制引脚1、19，IC10的1脚是控制IC10数据传输方向，IC10 19脚是IC10的使能脚，IC10，IC10的1、19脚分别与TMS320F2812PGFQ的101、45脚相连。IC10方向、使能控制信号由TMS320F2812PGFQ输出。从IC10的2、3、4脚输入的脉冲信号经电平转换之后从IC10的18、17、16脚输到TMS320F2812PGFQ正交编码电路的57、59、60脚。TMS320F2812PGFQ正交编码电路检测外部输入的A、B相脉冲上升沿和下降沿，TMS320F2812PGFQ将正交编码电路检测到的边沿数存放在TMS320F2812PGFQ内部计数器中。此正交编码电路计数器中的值为本设计位移测量提供了精度保证。TMS320F2812PGFQ的92、93、94脚输出伺服电机控制信号，TMS320F2812PGFQ的92、93、94脚输出的控制信号输到电平转换芯片IC11，IC11把TMS320F2812PGFQ的92、93、94脚输出的3.3V的信号转换为5V信号，此三路伺服电机控制信号从IC11 2、3、4脚输到电阻R40、R42、R45的1脚，在通过电阻输到Q4、Q2、Q3的1脚，经过Q4、Q2、Q3放大输出到电阻R6、R44、R47的1脚，最后通过电阻R6、R44、R47输到接口JP4的1、2、3脚。芯片IC11的数据传输方向和使能信号分别与TMS320F2812PGFQ的46、47脚相连，IC11的数据传输方向和使能信号控制指令由TMS320F2812PGFQ的46、47脚输出，电路中的电阻R40、R42、R45、R6、R44、R47起限流作用。电源模块外部输入电源电压为+12V，此电源模块为电路提供+10、+5V、+3.3V、+1.8V的工作电源。\n[0067] 在图1中，1-上横梁 2-移动横梁 3-高精度滚珠丝杆\n[0068] 4-高精度直线滑轨 5-下横梁 6-光电编码器\n[0069] 7-下横梁支撑臂 8-方管立柱 9-伺服电机\n[0070] 10-减速机 11-联轴器 12-压力传感器\n[0071] 13-高精度直线滑轨 14-测量压杆 15-测量基准面\n[0072] 16-显示系统 17-电控装置 18-底座\n[0073] 在图3中，核心处理器DSP芯片为TMS320F2812PGFQ\n[0074] 在图4中，5V/3.3V电平转换芯片IC10和IC11为74HC245\n[0075] 在图5、6、7中，脉冲整形电路芯片为LM339\n[0076] 在图8、9、10中，放大电路处理芯片为9013\n[0077] 在图11中，24位AD转换处理芯片为ADS1225和OPA2333 。