激光非接觸式圓度誤差測量教具設計

陳國凡

摘 要：一種激光非接觸式圓度誤差測量教具，利用機械結構與電氣元件的結合進行圓度誤差測量，通過單片機控制步進電機驅動器，驅動步進電機，從而實現了圓柱滾筒的轉動。在底座的另一端激光傳感器發出的激光照射到圓筒上，因為圓筒表面圓度誤差的存在，因此在圓筒轉動的過程中，測出的距離不一樣。在圓筒滾動一定時間后測出的一系列數據經過計算機labview軟件界面處理后呈現在屏幕中。這樣在課堂上學生可以很直觀的看到存在于滾筒表面的圓度誤差。

關鍵詞：教具；圓度誤差；激光測量

0 引言

因為圓度是一個比較抽象的概念，在目前的大學課程中關于圓度的概念都是通過老師的講解以及相應課本中的介紹來呈現的，大部分學生并不能充分理解它。學生通過老師的講解只能假想圓度測試大概的情況，沒有深入的了解。

這種壓抑的課堂學習氣氛不僅影響老師的講課激情，也嚴重影響學生的聽課效率。如果在課堂上采用激光非接觸式測量圓度系統進行演練，就會直觀的展示圓度誤差的概念，同時也能帶動學生的學習熱情。因此我們認為應該在教學中推廣此教學方法。

激光非接觸式圓度誤差測量教具的主要優點有：

（1）本圓度測量教具降低了老師教課的繁瑣與難度，便于教學。

（2）在課堂上實物演練幫助學生對圓度的理解，有利于學生與老師之間的交流互動，也有利于提高學生的學習興趣。

（3）本圓度測量教具結構簡單、穩定，便于拆卸，操作簡單、方便。

（4）本圓度測量教具易于實現，成本低廉，便于推廣應用。

1 圓度誤差測試教具結構介紹

本教具由底座、可調式腳支撐、激光測距傳感器及其支架、步進電機及其驅動器、被測圓筒、軸承及聯軸器、單片機模塊等構成。

其中，底座長850mm，寬320mm，厚5mm（850×320×5），可調式腳支撐高60mm，圓筒中心與激光測距傳感器相距720mm，圓筒直徑50mm，電動機軸直徑7mm。圖1為激光非接觸式圓度測量教具實物圖：

滾筒軸貫穿穿圓筒中心，直徑為7mm，轉矩由F42-H40型號的步進電機經由小型聯軸器傳遞給圓筒軸，傳遞的額定轉矩為400N.mm，軸在電動機的帶動下旋轉，軸的扭轉強度為：

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

軸的材料為45鋼，[τ]=30-40MPa，因此，軸的扭轉強度符合條件。

支撐圓筒及激光傳感器的支架做成三角形狀是為了使圓筒轉動時狀態穩定。工作板下面的四個可調式腳支撐在水平儀的配合下微調，可以確保底座水平度，保證圓度誤差測試結果的精度。

S42-H40型步進電動機的作用是傳遞轉矩給圓筒軸，使圓筒軸帶動圓筒轉動起來。其基本參數：額定功率40W，額定電壓24V，額定電流1.7A，最大額定轉速1000rpm，額定轉矩400N.mm。 該步進電機在單片機及步進電機驅動器控制下工作。單片機通過控制步進電機驅動器控制步進電機的旋轉，單片機每發出一個脈沖信號，驅動器驅動步進電機轉動一個不距角。

2 圓度誤差測試教具軟件系統及工作過程

在LabVIEW環境下，編寫軟件利用modbus協議串口通信實現對單片機的控制，該控制包括設置串口號、波特率、數據位和停止位等，軟件界面設置有開始運行，停止采集，數據保存等功能按鈕。當開始運行指令下達時，單片機通過串口讀取指令，驅動步進電機帶動圓筒轉過一個步距角，此時激光傳感器采集距離數據，單片機通過A/D轉換獲取該數據。獲得的即時距離數據modbus協議串口通訊傳至計算機，在測試界面即時顯示該數據。當步進電機轉完一整圈，則獲取了全部180個距離數據。由于激光傳感器和滾筒轉動軸垂直距離一定，這180個數據的差異即包含有圓度誤差信息，通過圓度誤差計算公式擬合成圓度誤差曲線。激光非接觸式圓度誤差測試界面如圖2所示。

圓度誤差測試教具操作步驟如下：

第一步：測量前用可調式腳支撐配合水平儀衡量調整底板水平度；

第二步：檢查各處接線是否可靠；

第三步：將單片機串口用數據線與計算機連接；

第四步：連接電源進行供電并且啟動程序進行測量；

第五步：獲取圓度誤差數據，匯報測試結果。

3 結束語

非接觸式激光圓度測量教具適用于現在繁忙緊張的大學課程教學，它不僅能夠給老師的講課帶來方便，而且能有助于學生對圓度誤差的理解。本教具成本低廉，結構簡單、穩定、便于拆卸、操作簡單、方便。它具有直觀模擬，過程簡單方便，同時它可以有效利用較少的時間解決復雜的問題。正是因為它所具有的功能，所以它有非常廣泛的推廣應用價值。

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本文系測控技術及儀器省級特色專業建設成果。