激光非接触式圆度误差测量教具设计

    陈国凡

    摘 要：一种激光非接触式圆度误差测量教具，利用机械结构与电气元件的结合进行圆度误差测量，通过单片机控制步进电机驱动器，驱动步进电机，从而实现了圆柱滚筒的转动。在底座的另一端激光传感器发出的激光照射到圆筒上，因为圆筒表面圆度误差的存在，因此在圆筒转动的过程中，测出的距离不一样。在圆筒滚动一定时间后测出的一系列数据经过计算机labview软件界面处理后呈现在屏幕中。这样在课堂上学生可以很直观的看到存在于滚筒表面的圆度误差。

    关键词：教具；圆度误差；激光测量

    0 引言

    因为圆度是一个比较抽象的概念，在目前的大学课程中关于圆度的概念都是通过老师的讲解以及相应课本中的介绍来呈现的，大部分学生并不能充分理解它。学生通过老师的讲解只能假想圆度测试大概的情况，没有深入的了解。

    这种压抑的课堂学习气氛不仅影响老师的讲课激情，也严重影响学生的听课效率。如果在课堂上采用激光非接触式测量圆度系统进行演练，就会直观的展示圆度误差的概念，同时也能带动学生的学习热情。因此我们认为应该在教学中推广此教学方法。

    激光非接触式圆度误差测量教具的主要优点有：

    （1）本圆度测量教具降低了老师教课的繁琐与难度，便于教学。

    （2）在课堂上实物演练帮助学生对圆度的理解，有利于学生与老师之间的交流互动，也有利于提高学生的学习兴趣。

    （3）本圆度测量教具结构简单、稳定，便于拆卸，操作简单、方便。

    （4）本圆度测量教具易于实现，成本低廉，便于推广应用。

    1 圆度误差测试教具结构介绍

    本教具由底座、可调式脚支撑、激光测距传感器及其支架、步进电机及其驱动器、被测圆筒、轴承及联轴器、单片机模块等构成。

    其中，底座长850mm，宽320mm，厚5mm（850×320×5），可调式脚支撑高60mm，圆筒中心与激光测距传感器相距720mm，圆筒直径50mm，电动机轴直径7mm。图1为激光非接触式圆度测量教具实物图：

    滚筒轴贯穿穿圆筒中心，直径为7mm，转矩由F42-H40型号的步进电机经由小型联轴器传递给圆筒轴，传递的额定转矩为400N.mm，轴在电动机的带动下旋转，轴的扭转强度为：

    τ=T/Wt=T/（0.2d3）=400/（0.2×73）=5.83MPa≤[τ]

    轴的材料为45钢，[τ]=30-40MPa，因此，轴的扭转强度符合条件。

    支撑圆筒及激光传感器的支架做成三角形状是为了使圆筒转动时状态稳定。工作板下面的四个可调式脚支撑在水平仪的配合下微调，可以确保底座水平度，保证圆度误差测试结果的精度。

    S42-H40型步进电动机的作用是传递转矩给圆筒轴，使圆筒轴带动圆筒转动起来。其基本参数：额定功率40W，额定电压24V，额定电流1.7A，最大额定转速1000rpm，额定转矩400N.mm。 该步进电机在单片机及步进电机驱动器控制下工作。单片机通过控制步进电机驱动器控制步进电机的旋转，单片机每发出一个脉冲信号，驱动器驱动步进电机转动一个不距角。

    2 圆度误差测试教具软件系统及工作过程

    在LabVIEW环境下，编写软件利用modbus协议串口通信实现对单片机的控制，该控制包括设置串口号、波特率、数据位和停止位等，软件界面设置有开始运行，停止采集，数据保存等功能按钮。当开始运行指令下达时，单片机通过串口读取指令，驱动步进电机带动圆筒转过一个步距角，此时激光传感器采集距离数据，单片机通过A/D转换获取该数据。获得的即时距离数据modbus协议串口通讯传至计算机，在测试界面即时显示该数据。当步进电机转完一整圈，则获取了全部180个距离数据。由于激光传感器和滚筒转动轴垂直距离一定，这180个数据的差异即包含有圆度误差信息，通过圆度误差计算公式拟合成圆度误差曲线。激光非接触式圆度误差测试界面如图2所示。

    圆度误差测试教具操作步骤如下：

    第一步：测量前用可调式脚支撑配合水平仪衡量调整底板水平度；

    第二步：检查各处接线是否可靠；

    第三步：将单片机串口用数据线与计算机连接；

    第四步：连接电源进行供电并且启动程序进行测量；

    第五步：获取圆度误差数据，汇报测试结果。

    3 结束语

    非接触式激光圆度测量教具适用于现在繁忙紧张的大学课程教学，它不仅能够给老师的讲课带来方便，而且能有助于学生对圆度误差的理解。本教具成本低廉，结构简单、稳定、便于拆卸、操作简单、方便。它具有直观模拟，过程简单方便，同时它可以有效利用较少的时间解决复杂的问题。正是因为它所具有的功能，所以它有非常广泛的推广应用价值。

    参考文献：

    [1]廖伟强，姜无疾.单片机串行通讯教学系统研究[J].大众科技，2013（11）：133-134.

    [2]万文. 基于 LabVIEW 的圆度误差测量分析系统研究[J].机床与液压，2011（9）：80-82.

    [3]孔令飞. 基于LabVIEW 的带式输送机托辊圆度误差的测试系统[J].煤矿机械，2011（ 2） ： 153 -155.

    [4]李潮锐. 虚拟仪器技术构建跨校区实验教学平台[J].实验室技术与管理，2007（ 1） ： 90 -93.

    本文系测控技术及仪器省级特色专业建设成果。