一种圆柱坐标测量仪控制系统的设计与实现

　　0　引言

　　航空型材弯曲类钣金零件具有光滑的外形,为了适应弯曲件的测量,综合曲率半径仪和直角坐标测量仪的结构特点,设计并开发了一种圆柱坐标测量仪。在文献[1]中提出的旋转接触式坐标测量仪控制系统,针对叶片泵定子的内表面测量而设计,系统硬件采用PC机加控制电路的方式完成,软件采用VC++与MATLAB共同完成,并且可实现测量曲线的拟合,但曲线拟合需要跨平台完成。V·Carbone[2]等提出综合利用光学方法和测量仪进行曲面重构的方法;龚志远[3]等提出了利用测量仪获取的“点云”方法进行曲面拟合的方法。以上重构方法均用于反求工程中,都需要对零件外型扫描输入,而对于测量零件型面的图形化显示,则需要单纯依靠测量点来完成曲面的重构。

　　本文提出的圆柱坐标测量仪采用悬臂式结构,采用计算机扩展卡的方式实现控制系统的硬件部分,采用多线程技术、模块化结构开发了控制系统的软件部分。并利用VC++与MATLAB的混合编程技术,实现了测量零件型面的重构功能。不仅可对航空型材弯曲类钣金零件成形精度进行测量,而且可对复杂曲面零件外形进行测量。

　　1　圆柱坐标测量仪的结构特点

　　圆柱坐标测量仪,以测头在悬臂方向的半径R,悬臂相对工作台转过的角度θ,以及悬臂相对于工作台的高度H为3个坐标轴建立圆柱坐标系。圆柱坐标测量仪由控制计算机、电机驱动、3台步进电机、测量工作台、2个线位移传感器、1个角位移传感器、1个测头传感器、控制板卡和采集板卡以及运行于PC上的控制软件组成,结构如图1所示。

　　圆柱坐标测量仪采用悬臂式结构,具有结构紧凑、测量面开阔、耗材少、成本低等特点,对于复杂形状零件的测量具有显著的效率,特别是对于曲率的测量具有显著的精度优势;采用三轴驱动方式,实现测头位置的快速调整。

　　通过计算机加扩展卡的方式实现控制系统的硬件系统,具有模块化、可扩展的特性;测头的位置通过2个光栅位移传感器、1个角位移传感器以及测头传感器来记录,传感器的精度为测量仪的测量精度提供了硬件保证。

　　2　圆柱坐标测量仪硬件控制系统

　　2·1　硬件系统结构

　　如图2所示,由控制计算机、控制卡、3个电机驱动、1个微型摆线减速器(型号为WB652L1D243)、3台步进电机、测量工作台、2个光栅线位移传感器(型号分别为SCGV500和SCGV1000)、1个角位移传感器、1个测量头传感器(型号为TP2BL)、采集卡组成。

　　整个系统由工业PC控制,控制计算机通过COM1口发送控制数据到控制板卡的输入通道。电极的开关、方向等信息在控制板卡内部进行处理控制信号,经过D/A的转换后,通过3个输出通道分别发送到3台电机驱动进行信号处理。从而驱动3台步进电机完成测头在R方向、H方向和θ方向的位置移动。当测头运动到测量空间的某一点时,该点R的值通过安装在悬臂上的光栅线位移传感器进行记录;H值通过安装在立柱上的光栅线位移传感器记录;θ通过角位移传感器进行记录,测头位移传感器反馈测头位置的接触信号,以确定该点是否为测量点。4个传感器所记录的信号会实时的传递到采集板卡的输入通道,进行信号处理,经过A/D转换后COM2口传递到控制计算机。至此,整个控制信号实现了一个闭环的实时传递。