专利名称：一种机电式压力尺寸测量装置的制作方法
技术领域：
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本实用新型涉及一种测量装置，特别是涉及一种机电式压力尺寸测量装 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。
技术背景
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。 发明内容
本实用新型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 寸测量装置。
本实用新型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。
本实用新型的机电式尺寸测量方法是
(1) 、测量物体所需压力设置
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。
(2) 、零位校准
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；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; (4)、被测量物体尺寸计算公式
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Hl，在停止
位置向下运行的位移为H2，根据上面的数据可得出
本实用新型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。
图1为本实用新型结构示意图2为本实用新型电控制原理框图3为核心处理器DSP;
图4为5V/3. 3V电平转换处理电路图5为光电编码器A相脉冲输入整形电路图6为光电编码器B相脉冲输入整形电路图7为光电编码器Z相脉冲输入整形电路图； 图8为电机转速控制信号输出放大电路图； 图9为电机转向控制信号输出放大电路图； 图10为电机转速控制信号输出放大电路图11为24位AD转换处理电路图；图12为DSP处理器滤波电容、复位及嵌位保护电路 图13为外部信号输入接电路图； 图14为控制板电源�？榈缏吠迹�具体实施方式
参见附图，本实用新型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8，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5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。 本实用新型的机电式尺寸测量方法是 (1)、测量物体所需压力设置-
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；
(2) 、零位校准
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；
(3) 、尺寸自动测量过程
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;
(4) 、被测量物体尺寸计算公式
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Hl，在停止
位置向下运行的位移为H2，根据上面的数据可得出 本实用新型采用两种测量尺寸的方法
方法l:在本实用新型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5ram(丝杆每旋转一周的位移为5ram)，丝杆旋转一周输出2000 个脉冲。每个缝隙有4个边沿TMS320F2812PGFQ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0. 000625鹏/个
方法2:
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8000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5腿)，所以电控装置能测量的最小位移分辨率0. 000625 mm(O. 045 X5/360)
本实用新型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
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。
电控装置电路简介
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，CIO、 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0PA2333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，Rl、 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0PA2333放大后的压力 传感器信号通过0PA2333的1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、 26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ADADS1225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、 IO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 转换之后从謂的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IC112、 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ICll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�？橥獠渴淙氲缭吹缪刮�+12V，此电源�？槲缏诽峁�+10、 +5V、 +3.3V、 +1.8V的工作电源。
在图1中，1——上横梁2—一移动横梁3—
4——高精度直线滑轨5—_下横梁6—
7——下横梁支撑臂8—一方管立柱9—
10——减速机11—一联轴器12
13——高精度直线滑轨14—一测量压杆15-
16——显示系统17—一电控装置18-
6——光电编码器
-伺服电机基准面
-底座
在图3中，核心处理器DSP芯片为TMS320F2812PGFQ
在图4中，5V/3. 3V电平转换芯片IC10和IC11为74HC245
在图5、 6、 7中，脉冲整形电路芯片为LM339
在图8、 9、 10中，放大电路处理芯片为9013
在图11中，24位AD转换处理芯片为ADS1225和0PA2333 。
权利要求1、一种机电式压力尺寸测量装置，其特征在于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。
专利摘要一种机电式压力尺寸测量装置，在底座上安装固定方管立柱及支撑臂，套装固定在立柱上，支撑臂上固定有测量基准面及下横梁，左、右高精度直线滑轨的两端分别连接固定上、下横梁，移动横梁两端分别固定在左、右高精度直线滑轨自带的直线轴承上，伺服电机与减速机输出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，下横梁还安装光电编码器，移动横梁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。本实用新型技术先进，性能优良，操作简易，测量精度极高。
文档编号G01B11/02GK201417137SQ20092006373
公开日2010年3月3日 申请日期2009年3月20日 优先权日2009年3月20日
发明者吕良飞 申请人:吕良飞
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
