激光测距仪在工业大行程测量系统中的应用
激光测距仪在工业大行程测量系统中的应用
作者:罗学科;李文;张翼;谢富春
新型激光测距仪在流体缸大行程测量中的应用实例它主要由控制系统、激光测距传感器、反射板组成,其中控制系统以PC机为上位机,以单片机为核心下位机说明新型激光测距仪的工作原理、控制 系统的软、硬件设计和优势.激光技术有着非常广泛的应用,激光测距是激光测量中一个很重要的方面,特别在工业大行程测量中 具有很大的优势目前国内流体缸行程测量方法主要有:外置式和内置式外置式行程测量方法是目前使 用普遍的方法,采用光电旋转编码器加嵌入式微处理器芯片,直接对旋转编码器输出信号进行处理, 提高了测量精度,简化了系统测噩零点的工作由于钢丝绳自重下垂而测量精度不高,且随活塞杆伸缩,钢丝绳移动经常被刮碰,特别是长行程水平配置时更明显,这严重影响了编码器使用寿命.内置式行 程测量方法是流体缸行程测量的发展方向,特点是寿命长、良好的环境适应性、可靠性、有效和稳定的工 作,为用户带来方便但是对千大行程测量,测量杆细长有挠度,因此加工受到限制,特别是水平配置时,不能测控大行程[1]. 国外行程测量方法有预埋式陶瓷测量 系统,缺点是无论喷涂、陶瓷杆磨削、沟槽加工都属特殊加工,费 用高,对密封寿命有影响,还需特殊密封,抗干扰能力也有一定局限性国内也有类似产品研制,虽有变化,但类似问题仍难以避免笔者设计的NCUT-1型激光测距仪解决了上述工业大行程测量中产生的问题,在工业大行程测量中具有很大的优势本文以激光测距仪在流体缸行程测量中的应用为例,简要介绍了NCUT-1型激光测距仪测距系统。
1 NCUT-1型激光测距仪工作原理及特点
NCUT-1型激光测距仪主要组成:单片机控制为核心的下位机,PC机为上位机,激光测距传感器,反射板将激光传感器与流体缸筒绑定,反射板与流体缸活塞杆头连接,通过传感器发出的激光经反射板后 反射回传感器接收端,处理器运用的算法将测距数据通过RS — 485通用异步收发器传送给下位 机,用户可以通过上位机或下位机实现直接控制同普通的激光测距仪相比,NCUT-1型激光测距仪采用瑞士专业生产的一种新型激光测距传感器;集 成多种工业接口;运用激光中远测距技术和先进的通讯方式保证了长距离测量的高精度和重复精度;为 了保障设备在工业应用及恶劣环境中不被灰尘和水侵入,传感器镜头还配有雨刷,激光传感器有坚固的外壳,防护等级度IP67.NCUT-1型激光测距仪系统在流体缸大行程测量的具体应用。
2 激光测距仪的系统组成
2. 1 硬件设计
C8051F020是完全集成的混合信号系统级微控制器(MCU)芯片,指令与MS岱051兼容,70%指令的执行时间为1或2个系统时 钟周期系统时钟频率25 M压,内部有两个增强型全双 工通用异步收发器(UART), 并都能向MCU产生中断, MCU程序存储器包含64 000字节FLASH和可用于访问 外部数据存储器的外部数据接口,外部数据存储器(64 kB)的地址空间可以映射到片内存储器.供电电压2.4- 3.6 V. 从前面介绍可以看出,选用岱051F020能更好满足激光传感器的采样速率(长距离10次?S一1)'现场工程 测量的数据存储,测距仪系统的通讯和在恶劣环境下的 工作要求,温度监测保证了激光传感器的正常工作因而采用C8051F020单片机使系统硬件设计简单化C3l.RS-232是目前常用的一种串行通讯接口,本系统通过RS-232连接上位机(PC机)和下位机(MCU)通讯,传输线采用屏蔽双绞线RS-485采用平衡驱动器和差分接收器组合,抗共模千扰能力强,即抗噪声干扰性好,具有多站能力本系统在传输过程中采用增加中继的方法对信号进行放大,可以使RS-485的传输距离达到3000 m, 并且通讯电缆采用光纤为一传播介质,收发两端各加了 个光电转换器保证了传输距离最远系统功能键使用3X3按键,分别是加,减,确定,取消,实现了下位机4级界面显示,另外还有雨刷开关,复位和电源开关键通过功能键实现了下 位机系统对激光传感器的控制、参数设置和上位机的通讯.数字蜇输出和模拟量输出为用户使用可编程逻辑控制器(PLC)进行二次开发提供方便.
2.2 软件设计
下位机软件设计是基于Keil C语言的软件开发,编译环境是Silicon Laboratories IDE(集成开发环 境),软件模块主要有:液晶显示、按键功能、串行通讯、数据处理、异常处理和主程序模块组成VB环境下的上位机软件开发:Visual Basic是一种十分流行的开发环境,使用VB的串口控件,可以灵活修改串口通 讯协议.NCUT-1型激光测距仪最多可挂20台激光传感器,因此每台设备的数据传送时间分配至关重要. VB提供了定时器控件,可实时设置间隔时间,间隔时间一到,马上就会执行Timer事件内的程序代码,这样就达到了不断循环执行访问设备的目的,为了保证不同距离测量时数据部丢失,间隔时间可以通过界面设置。分别是激光测距仪控制、参数设置、命令行调试、设备信息激光测距仪控制界面 主要功能:设备0和设备1可分别单步测量和跟踪测量;采样时间间隔可设置为最小采样间隔时间为0.1 s; 设备量程单位可选择mm,cm,m;通过设备速度差及位移差显示,可以观察两台设备的同步性;被测设 备位移差报警和设置报警位移差;测噩数据打印;温度检测和报警功能为防止用户操作顺序不正确,在关 键操作步骤都有帮助提示界面和10多种出错信息的报警处理提示参数设置界面,为了更好地进行厂家设备维护,该软件还增加了命令行调试界面、设备信息界面。
3 实例实验
为了验证NCUT-1激光测距仪在工业大行程测量应用中的几项重要参数,采用了精度高的TH5660A铣削加工机床作为实验用测试设备,模拟环境恶劣的测量现场作为实验现场,并对激光测距仪透雾性和透 水性对大行程测量的影响作了实验验证.
3. 1 精度测试条件
试验用TH5660A铣削加工机床参数:定位精度X<0.015 mm, Y(Z)<0.012 mm; 快速移动速度20m?min飞工作台行程X向1600 mm; 测量距离分别为3m和10 m; 串口通讯线长>200m;数据采样周期为0.1ms. 实验过程:将反射板固定在工作台行程X向,激光测距传感器放置距离工作台10m处,铣削加工机
床静止固定位置,NCUT-1激光测距仪执行单步测量100次,将单步测试数据存储.然后铣削加工机床沿X向走1, 10, 50,200 mm, 重复操作50次,将测试数据存储,此数据作为测试激光测距仪的定位精度然后以铣削加工机床的工作台一点为参考点,使工作台沿X向运行,到达参考点时停止,记录数据.按上述步骤往复操作50次此过程测试激光测距仪的行程跟踪测量重复精度,工作完成操作后,将数据打印实验结果:通过测试数据分析,NCUT-1型激光测距仪单步重复测量精度<0.2 mm, 跟踪测量重复 精度<0.5 mm; 行程中的跟踪测量精度<0.5 mm. 通讯距离200 m零延时。
3.2 工作时间测试
实验条件和实验过程同精度测试条件,激光测距仪工作在跟踪测量状态,测量时间约12 h, 实验结果数据表明,测距仪工作稳定,工作时间不影响测量精度.室外温度-10-0'C,跟踪测量一固定点约12 h. 数据分析测距仪工作稳定,测试数据在跟踪测量的重复定位精度范围内.
4 结论
NCUT-1型激光测距仪是一种新型外置式激光测距仪,精度高,抗干扰能力强,可靠性高,友好的用户界面和灵活简单的行程控制,实现了工程的大行程测量和绝对大行程测量,满足了工业测控对控制智能 伲操作简单化和远离现场操作的控制要求NCUT-1型激光测距仪测量的非接触式、长距离高精度的优势使其为料位控制、水位监测、移动定位、行变监测等行业提供了全新的解决思路.而且这种长行程测控设 计降低了造价,从而对需要行程控制、双缸或多缸同步控制系统具有很好的使用和推广价值,特别是对老 设备自动化的改造更有优越性。
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