基于单片机的零件尺寸数控测量装置

摘要：本文主要介绍一种基于单片机的零件尺寸测量装置的工作原理，在此基础上针对测量装置的机械系统和控制系统进行设计。该产品可以对小型轴类零件外径尺寸和管类零件的内外径尺寸进行测量。

关键词：单片机 测量 内外径尺寸

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）12-0007-01

1、引言

数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控检测装置作为数控机床的重要组成部分，可以替代游标卡尺、塞规等传统尺寸测量器件，针对轴类零件的外径尺寸、管类零件的内外径尺寸进行测量，在一定程度上提高数控机床、数控中心的工作效率及加工质量。本文介绍一种针对内、外径尺寸进行检测的数控测量装置，计算机数控（CNC）机床系统的配套设备[1][2]。

2、系统工作原理及总体方案

零件尺寸数控测量装置主要测量零件外径尺寸和内径尺寸，该装置具有独立工作能力，同时可加入CNC系统，接受协调控制系统的控制，完成等待测量、显示测量结果的功能。产品具有较高的精度、分辨率和灵敏度，其效率和质量具有较高的可靠性。

当零件加工完成后，由机械手将零件送到尺寸测量装置上进行尺寸测量，由MCS-51系列单片机构成的控制系统启动步进电机，其中固定刀口静止不动，动刀口即测量刀口向零件运动，当零件被测量刀口夹紧而夹紧力超过压缩弹簧产生的轴向力时，摩擦离合器的摩擦面产生滑动，此时丝杠停止转动，同时把记录数据送到CPU经处理后，通过显示电路显示所测量的零件尺寸。

3、系统组成

零件尺寸数控测量装置主要右机械系统和控制系统两部分组成。

3.1 机械系统

机械系统主要由传动部分，导向部分、刀口部分、摩擦离合器和检测部分组成。

传动部分根据结构需要，选用丝杠转动螺母作直线运动的传动机构；通过对滑动丝杠和滚动丝杠的比较，选用滚动丝杠；根据测量装置的精度要求，选用精密丝杠，直径16mm，螺距4mm。丝杠支承采用两端支承形式。此装置负荷不大，为了减小丝杠轴颈与支承间的摩擦，一端采用面对面双联成对角接触球轴承，轴承型号为7602012NT，有丝杠预紧作用。一端采用深沟球轴承，轴承型号为60012。在测量过程中，丝杠需正、反转，为了消除螺纹间隙对测量产生的误差，采用消隙螺母。

对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和。根据工作条件、负载特点，确定使用滑动导轨。

测量活动刀口固定在螺母上，刀口的移动应保持水平位置，即螺母的移动应平稳，不准转动。为了防止螺母在移动时转动，采用了两个滚动轴承000025作支撑，在导轨面上滚动，支架与螺母固定在一起的防转机构，向心轴可调整轴承与导轨面的距离，使其能防止螺母转动而又能使轴承与导轨面之间的摩擦最小。

在测量过程中当零件与测量刀口相接触而被刀口夹紧后，丝杠应停止转动，所以电机与丝杠之间应采用摩擦离合器。摩擦离合器的从动盘，在压缩弹簧的作用下，压紧摩擦离合器的主动圆锥盘，靠圆锥间的摩擦力传动扭矩，摩擦力距使丝杠和电机一起转动，当测量刀口夹紧零件后，摩擦离合器的摩擦面产生滑动，丝杠停转。本设计中的摩擦离合器应能满足以下基本要求：分离时，彻底分离，接合时柔和，并具有良好的散热能力；从动部分的转动惯量尽量小一些。这样，在分离离合器时，与丝杠相连部分的转速就比较容易变化，从而减轻对丝杠的冲击；具有缓和转动方向冲击，衰减该方向振动的能力，且噪音小。所以采用单圆锥摩擦离合器。

在使用圆锥摩擦离合器中，摩擦离合器的从动盘必须在弹簧的作用下才能压紧摩擦离合器的主动圆锥盘，且压缩力不能太大，使摩擦离合器的摩擦面产生滑动。经过比较，在本设计中，采用圆柱螺旋压缩弹簧。

为检测测量刀口移动距离采用光电编码器构成半闭环控制系统，对丝杠转动角位移进行检测。当丝杠螺距为4mm，测量精度为0.02mm时，光码盘应大于200脉冲/圈。光码盘装在丝杠上，随丝杠一起转动，丝杠停止转动后，控制系统使电机停转。

3.2 伺服控制系统

由于步进电机工作状态不易受各种干扰因素的影响，控制性能良好且在启动、停止、反转时不易丢步，结合测量装置的要求，采用步进电机驱动的半闭环控制系统。半闭环系统对伺服电机、滚珠丝杠的积累误差进行检测，并将检出的参数转换为移动部件的移动位置参数。再将该参数与指令给定参数相比较，用差值来进行控制。

控制部分采用MCS-51系列的8031作为主控器。本系统控制不是很复杂，也不需要进行大量复杂的计算。根据需要，扩展了4K EPROM（一片2732）和2K RAM（一片6116），分别用作监控程序和各类缓冲；根据系统需要，步进电机的控制直接由8031的P1口控制，同时设置了键盘及显示设备，本系统选用可编程接口芯片8155进行I/O接口的扩展；检测部分根据系统需要，采用8031的P3.5用于对来自光码盘的脉冲进行记数，用8155的定时输出控制步进脉冲的宽度，由环行分配器YB014实现步进电机的脉冲分配。

4、结语

以MCS-51系列单片机为主控器构成的控制系统，可以实现对零件内外径尺寸的测量，测量装置具有较高的精度、分辨率和灵敏度，其效率和质量具有较高的可靠性。

参考文献

[1]李玮华，杨秦建.一种微机控制零件尺寸测量装置[J].工具技术，2002，（6）.

[2]林其骏.机床数控系统[M].中国科技出版社，1991.