摘  要： 柔性物體易于變形，當(dāng)采用傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺、千分尺測量其外形尺寸時，不僅效率低，而且重復(fù)性和穩(wěn)定性差?；诩す馕灰茩z測與光電傳感技術(shù)，提出了一種用于柔性物體的非接觸測量方法。以STC89C52微控制器為核心并利用激光傳感器和精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計了測量裝置，根據(jù)被測物體遮擋光跳變間隔內(nèi)絲桿移動的距離確定物體的寬度或外徑。一系列柔性物體的測量實驗結(jié)果表明，實際測量精度可達(dá)0.1 mm。這種方法也可用于高溫物體的外形尺寸測量。

　　關(guān)鍵詞： 柔性物體；非接觸測量；激光傳感器；伺服電機測距

0 引言

　　現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率越來越高，測量技術(shù)也要求高效、準(zhǔn)確和無損傷。對于柔性物體的外形尺寸測量，由于其易變形的特性，使得利用游標(biāo)卡尺、千分尺等傳統(tǒng)的測量方式不僅效率低，而且一致性和穩(wěn)定性差，還有可能對物體表面造成損傷，因此，非接觸測量得到了廣泛應(yīng)用，如測量線徑[1]、物體厚度[2]、位移[3]以及限界檢測[4]等。目前非接觸測量儀大多采用電荷耦合器件（Charged Couple Device，CCD）技術(shù)，通過對物體各個方向的成像，構(gòu)建出物體輪廓，由計算機計算出外形尺寸[5-8]。這種方法的圖像數(shù)據(jù)處理過程較復(fù)雜，對計算機性能要求較高，數(shù)據(jù)量大，價格偏高。

　　激光具有亮度高、單色性和方向性好的特性，激光測距裝置常常被用于光電跟蹤系統(tǒng)[9]。本文基于非接觸測量方法，利用激光傳感器和精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)，設(shè)計了一種測量柔性物體尺寸的裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于加工制作、適合現(xiàn)場操作、測量數(shù)據(jù)便捷、顯示信息直觀、價格低廉等優(yōu)點。這種方法同樣適合高溫物體外形尺寸的測量，并可以推廣到柔性物體產(chǎn)品生產(chǎn)線的在線測量。

1 測量裝置的結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，非接觸測量裝置由激光傳感器、精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)、測控系統(tǒng)組成。

　　精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)包括一根螺距為4 mm的精密絲桿和一個移動滑臺。導(dǎo)軌的一側(cè)固定載物臺，由透明玻璃作為放置被測物體的平臺。激光傳感器固定在移動滑臺上，隨絲桿旋轉(zhuǎn)前后運動，通過放置在載物臺上的物體。該激光傳感器具有靈敏度可調(diào)功能，從而適應(yīng)不同通透性物體。在被測柔性物體的邊沿處，激光傳感器輸出信號發(fā)生跳變，根據(jù)信號電平兩次跳變之間絲桿運動的距離，便可確定被測物體的實際外徑或?qū)挾取?/p>

2 測量裝置的測控系統(tǒng)

　　非接觸測量裝置測控系統(tǒng)如圖2所示，由單片機最小系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、開關(guān)、USB接口電路、LED數(shù)碼管顯示器等組成。測控系統(tǒng)的核心是STC公司的STC89C52微控制器，具有8 KB Flash存儲器，256 B RAM，32位    I/O口線。

　　電源系統(tǒng)為單片機最小系統(tǒng)提供5 V直流電壓，并為激光傳感器、伺服電機和伺服電機驅(qū)動器提供24 V直流電壓。微控制器通過USB接口與PC相連，用于將程序燒錄到單片機中。測量值由4位LED數(shù)碼管顯示，其段選和位選信號分別由單片機的P0口和P2口產(chǎn)生，采用動態(tài)掃描顯示方式。

　　絲桿通過杰美康57J1880EC-1000-50系列直流混合式伺服電機帶動，步距角為1.8°，額定電流為4.0 A。伺服電機由杰美康2HSS57-10000混合式步進(jìn)伺服驅(qū)動器（閉環(huán)）控制，驅(qū)動器使能信號ENA-和方向信號DIR-分別與單片機P1.0和P1.1相連，PLS-與單片機P1.2端口相連，接受來自STC89C52單片機的脈沖指令。ENA+、DIR+、PLS+引腳接5 V電源。該驅(qū)動器具有8種細(xì)分模式，工作電流為0～6 A，工作電壓為24～80 V，具有全閉環(huán)、低發(fā)熱、平滑精確的特點。

3 軟件設(shè)計思路

　　單片機通過定時器0中斷輸出脈沖信號，控制伺服電機轉(zhuǎn)動。每輸出800個脈沖（定時器中斷1 600次）電機轉(zhuǎn)一圈，通過記錄定時器中斷次數(shù)便可計算出轉(zhuǎn)動前進(jìn)的距離。定時器1用于定時掃描數(shù)碼管顯示。外部中斷INT0和INT1接光電開關(guān)信號。按下按鍵K，單片機開始輸出脈沖，當(dāng)光電開關(guān)被擋住時，INT0觸發(fā)，開始記錄脈沖的個數(shù)。當(dāng)物體移出光電開關(guān)時（沒有遮擋），INT1觸發(fā)。記錄從INT0觸發(fā)到INT1觸發(fā)之間定時器0中斷的次數(shù)N，則電機轉(zhuǎn)動的距離為L=（N/1 600）×4 mm。

　　絲桿運動的快慢由控制電路中開關(guān)K1或K2決定，開關(guān)K1控制的速度是K2的兩倍，可以觀察和比較不同絲桿速度對測量結(jié)果的影響。

4 測量實驗

　　選取不同柔性物體分別進(jìn)行測量實驗，在此僅給出部分結(jié)果。先用游標(biāo)卡尺對每種物體進(jìn)行10次測量，取其平均值作為1次的測量值，可看作是一個“標(biāo)稱值”，然后在不同絲桿運動速度下，用測量裝置分別測量10次，得到物體的測量尺寸。

　　餐巾紙寬度測量的實驗數(shù)據(jù)如圖3所示。由于受外力產(chǎn)生形變，游標(biāo)卡尺測量的尺寸波動較大，從圖中可以看出，數(shù)值波動大于0.5 mm。而測量裝置測量的尺寸波動明顯減小，其中絲桿低速運動（K2按下）時測量數(shù)據(jù)集中于28.7～28.8 mm之間，重復(fù)性明顯優(yōu)于用游標(biāo)卡尺和絲桿高速運動（K1按下）時測量的值。

　　測量鉛筆盒寬度的實驗數(shù)據(jù)如圖4所示。由于堅硬物體測量時的受力變形幾乎可以忽略不計，此時可以認(rèn)為游標(biāo)卡尺測量的結(jié)果非常準(zhǔn)確，而此時測量裝置的測量精度不如手工測量，絲桿低速運動（K2按下）時的測量誤差為±0.1 mm，絲桿高速運動（K1按下）時測量效果略差一些。

　　為了提高測量精度，調(diào)整激光傳感器輸出靈敏度和傳感器輸出電路比較門限，再次測量兩種不同物體的外形尺寸，測量結(jié)果如圖5所示。其中，紙片寬度的標(biāo)稱值為10.00 mm，游標(biāo)卡尺的測量值為10.12 mm，用測量裝置測量的數(shù)值在9.98～10.10 mm之間，測量最大偏差為±0.1 mm，誤差為1.0%。U盤寬度的標(biāo)稱值為17.30 mm，用游標(biāo)卡尺測量的值為17.27 mm，用測量裝置測量的數(shù)值在17.26～17.32 mm之間波動，測量最大偏差為±0.04 mm，誤差為2.3‰?？梢钥闯?，上述測量結(jié)果較穩(wěn)定，且多次測量值與“標(biāo)稱值”非常接近。

5 測量誤差分析

　　5.1 絲桿誤差

　　滾珠絲桿副與滾珠之間的間隙會帶來測量誤差，使得單片機根據(jù)兩次中斷之間的間隔和絲桿的螺距計算出的距離并不等于絲桿移動的實際距離，影響多次測量時的一致性。絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)的位置控制誤差的理論值為±0.02 mm，這也是導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動的主要原因之一。為了減小誤差，可以選擇更高精度的絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)。

　　5.2 測量響應(yīng)誤差

　　從激光傳感器輸出信號跳變到單片機中斷響應(yīng)的延遲帶來的誤差，導(dǎo)致計數(shù)器啟動和停止滯后[10]，表現(xiàn)為電機轉(zhuǎn)速越快，測量數(shù)據(jù)的誤差越大。為了減小誤差，應(yīng)優(yōu)化中斷服務(wù)程序的代碼，縮短中斷響應(yīng)時間，同時電機轉(zhuǎn)動不能太快。

　　5.3 傳感器感應(yīng)誤差

　　受聚焦性能的影響，任何激光線束都有一定的寬度，當(dāng)物體的邊緣部分遮擋或露出光線時，激光傳感器輸出信號就可能發(fā)生跳變，特別是物體邊緣不平整時，這取決于傳感器輸出靈敏度和信號比較電路的門限設(shè)置。不同通透性的物體，傳感器感光靈敏度不同，因此，需要進(jìn)行匹配與標(biāo)定[11-12]，在硬件和軟件兩方面進(jìn)行修正。為了避免現(xiàn)場干擾引起的丟光現(xiàn)象，可以采用斷光續(xù)接補償措施[13]，消除測量中斷問題。

6 結(jié)論

　　本文基于伺服電機測距原理設(shè)計了柔性物體非接觸測量裝置，利用激光傳感器、伺服電機與精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)，研制了基于STC89C52單片機的測控系統(tǒng)。通過對不同物體進(jìn)行多次測量實驗，證明了該方法的可行性。

　?。?）利用激光傳感器將被檢測物體邊緣轉(zhuǎn)化成高低電平信號，由單片機的外部中斷模塊捕捉柔性物體邊緣信號，測量柔性物體外形尺寸，重復(fù)精度可達(dá)0.1 mm。

　?。?）利用單片機的實時中斷產(chǎn)生伺服電機的控制脈沖，實現(xiàn)伺服電機轉(zhuǎn)速和位置的精確控制，理論控制精度可達(dá)±0.02 mm。

　?。?）對于不同通透性的物體，測量靈敏度需要進(jìn)行匹配與標(biāo)定。選用更高精度的絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)，減小激光傳感器接收器的透光縫隙，優(yōu)化中斷服務(wù)程序的代碼，測量精度有望進(jìn)一步提高。

　　與現(xiàn)有的游標(biāo)卡尺人工測量相比，本文設(shè)計的非接觸測量裝置結(jié)構(gòu)簡便、使用方便、價格低廉，可滿足常規(guī)的柔性物體外形尺寸的測量，該原理可進(jìn)一步推廣至高溫物體的外形尺寸測量。

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