高精密多軸位移平臺柵絲張力檢測儀的實現*

王英劍， 蘇 中， 劉 洪

(1.北京信息科技大學 自動化學院,北京 100101； 2.北京信息科技大學 通信學院，北京 100101；3.高動態導航技術北京市重點實驗室，北京 100101)

0 引 言

隨著科技發展，精細金屬絲使用領域越來越多。由于金屬絲直徑小，一般低于0.1 mm，且表面光滑。將金屬絲通過凹槽纏繞在柵盤上，形成排布緊實、均勻分布的柵絲，柵絲張力的大小是否滿足指標將直接影響系統性能[1]。本文對柵絲張力檢測儀總體結構進行研究并設計，并經實驗證明設計結果的優越性。

1 柵絲張力檢測儀的硬件組成與工作原理

柵絲張力檢測儀是通過壓力傳感器測量柵絲發生一定形變時產生的壓力值，并通過設定其他參數，最終計算獲得柵絲張力。柵盤示意如圖1所示。柵絲張力檢測儀實物如圖2所示。張力檢測儀由1臺位移平臺控制箱、1臺測力儀、1臺三軸位移平臺、1片C51單片機組成。其中位移平臺控制箱由1臺運動控制器、3臺驅動器、轉接板及連接線纜組成[2]。測力儀具有多功能、高精度、曲線捕捉全測試過程等特點，測試精度達0.01 N。三軸移動平臺選用三個單軸位移平臺組成，其中大行程位移平臺量程為600 mm，支撐位移平臺和壓力位移平臺量程為100 mm，位移平臺定位精度均小于等于10 μm。

大行程位移平臺、支撐位移平臺和支撐架固定于光學平臺上，樣品臺通過轉接板固定于大行程位移平臺上，支撐探頭通過工裝固定在支撐位移平臺上，壓力探頭和壓力傳感器通過工裝固定在壓力位移平臺上。壓力探頭和支撐探頭實物如圖3所示。

圖1 柵盤示意

圖2 柵絲張力檢測儀實物

圖3 壓力探頭和支撐探頭實物

將柵盤固定在樣品臺上，中間通過放置絕緣棒使柵盤與其余裝置絕緣。通過控制支撐探頭和下壓探頭移動并同時接觸柵絲，單片機檢測到接觸信號，此時為Ready狀態。壓力探頭按設定速率向下進行設定的位移量，使柵絲發生形變，此時為Done狀態。探頭主視圖和側視圖示意如圖4。

圖4 探頭視圖

將測力儀測得Ready狀態和Done狀態的壓力值傳至上位機，通過數據處理與設定其他參數，最終實現柵絲張力的讀取、實時顯示、監測與存儲。

2 柵絲張力檢測儀的軟件設計與實現

2.1 檢測儀軟件

上位機檢測軟件是整個檢測儀重要組成部分。在VS2015編程環境下，采用MFC設計了界面布局合理的可視化功能界面，實現下位機數據上傳，也可通過上位機對下位機參數進行設定，以便于張力檢測儀的實時監測[3]。

張力檢測軟件實現了位移平臺的控制、系統參數設置及張力實時監測。功能結構如圖5所示。

圖5 張力檢測軟件功能結構

2.2 探頭與柵絲接觸檢測

張力檢測儀工作時，探頭循環步進靠近柵絲，當探頭與柵絲接觸時，兩者導通，此時上位機檢測到單片機發送的指令。探頭與柵絲接觸檢測流程如圖6所示。

圖6 探頭與柵絲接觸檢測流程

2.3 位移臺控制

位移臺控制主要包括單軸控制和程序控制。單軸控制即分別對大行程、支撐、下壓位移平臺進行位移控制。程序控制即對三軸位移平臺進行軌跡化控制，程序控制過程為:

1)對柵絲與探頭進行初始對準。2)支撐探頭向上位移，當檢測與柵絲發生接觸時，支撐探頭停止運動并向下移動100 μm。壓力探頭向下位移，當檢測與柵絲發生接觸時停止運動，壓力探頭向上移動100 μm，此時壓力探頭和支撐探頭同時接觸柵絲，為檢測儀Ready狀態。3)壓力探頭按設定速率向下進行設定的位移量，為檢測儀Done狀態。4)三軸位移平臺位置初始化，樣品臺按設定柵絲間距進行步進位移，柵絲編號加1，并重復上述步驟。

2.4 數據監測

數據監測包括張力值的實時顯示、繪制張力曲線、張力值驗證和數據自動存儲等。為了提高系統通信的可靠性,在PC和單片機之間開始指令傳送前,采用握手通信的方法,即上位機發送出特征字符,下位機接收并回送同一特征字符,由上位機進行檢測正確后開始指令傳送,以保證串行通信的可靠性[4]。PC機與測力儀間的通信采用MODBUS協議，數據通信采用CRC(循環冗余碼)校驗提高數據傳輸的可靠性，上位機將測力儀返回數據進行解析[5]。柵絲張力計算與Ready狀態壓力值、Done狀態壓力值、柵絲長度、下壓位移、彈性模量等有關。通過計算獲得柵絲張力并實時顯示數據和曲線，當獲得張力數據異常時，此數據會自動提示并剔除。柵絲張力數據及曲線以一定格式自動保存至規定路徑下，以便提供歷史數據和曲線的查詢。數據檢測模塊程序流程如圖7所示。

圖7 數據監控流程示意

2.5 張力檢測儀測試數據

張力檢測儀測得的Ready狀態壓力值、Done狀態壓力值和計算所得柵絲張力值如表1所示。根據所得柵絲張力繪制曲線。可以看出：張力值為17.43 N的7號柵絲為異常柵絲，上位機檢測到異常后會自動提示數據異常并剔除。

3 結 論

該柵絲張力檢測儀經過現場實際運行，性能穩定，測量精度高，操作簡便，具有實際應用價值。

表1 張力檢測儀測試數據