0 引 言
千分尺(又称螺旋测微计)是利用螺旋进退来测量长度的仪器,广泛应用于测量各种内径、外径和薄板的厚度等方面[1]。本文介绍的是机械式内径千分尺如何进行数字智能化改造以满足生产实践的
1 机械式内径千分尺的工作原理和智能化改造的必要性
机械式内径千分尺是一种广泛应用于机械制造行业,用于测量内径尺寸的高精度量具。它的结构如图1所示:
主要包括:千分表、千分表推杆、主体、固定测头、主尺推杆、转向杠杆、活动测头。机械式内径千分尺是一种比较量仪,因此,在使用前首先要用标准环规校准。测量的工作过程是:将主尺的测头放入待测的孔中,左右摆动主体使滑动测头在主体中滑动,转向杠杆将滑动测头的运动转换为主尺推杆的运动,推杆主尺再推动千分表推杆使千分表的指针来回摆动,操作者观察到的指针的最大摆动位置即为待测尺寸与标准环的差值。
机械式内径千分尺的应用虽然已有多年的历史,其结构也相当成熟。但随着科学技术的发展,各行各业都在进行设备的更新换代,随之配套的机械式内径千分尺就有了进行智能化改造的必要,主要表现在以下两个方面:
(1)原有的内径千分尺对示值的读取需要用肉眼完成。用内径千分表测量内径时需要操作者在用手左右摆动尺架的同时还要用肉眼捕捉指针摆动的最大角度,因此由于操作者观察的角度不同、个人习惯不同、周围环境的干扰以及操作者的工作态度等多种因数从而在很大程度决定了测量结果的准确性。
(2)随着信息时代的到来,生产过程的电子信息化管理也在不断地普及,数据库管理系统正在被越来越多的产品制造单位用来管理和控制产品的质量,所以每个零件的所有几何尺寸都要输入到计算机中。要满足这一新的需求,常用的方法是先把千分尺的示值抄写到卡片上,再把卡片上的数据手工录入计算机里,这不仅增加现场管理的工作量,同时还增加了在转录过程中数据出错的机会。所以,对现有的千分尺进行智能化改造,使其数字化并可以直接与计算机通讯相连是非常必要的,也是非常有实际意义的。基于此,本文提出了一个内径千分尺智能化改造的方案,并对这个方案进行了具体的实施。
2 内径千分尺智能化改造的总体方案
内径千分尺智能化改造的方法是[2~3]:用位移传感器取代机械式千分表,用A/D卡将位移传感器输出的模拟量转换成数字量,用计算机读取A/D转换后的数据量,用程序自动捕捉传感器输出的最大量并转换成几何长度显示并存入数据库中。工作原理如图2所示:
3 内径千分尺智能化改造的实施
根据上述的改造方案,对内径千分尺进行了改造,在改造过程中既要保证原有千分尺的测量精度和量程,又要照顾到所选元器件之间的相互匹配的问题。系统的整体精度由四个因素决定:机械运动的传递精度,传感器的数据采集精度, A/D转换的精度,计算机程序的数据处理精度。
3·1 传感器的选择
传感器的选择首要考虑的问题是对传感器精度的要求,要保证原内径千分尺的视值分辨率是1/1 000mm。其次要考虑对量程的要求,原有内径千分尺所配千分表的量程为1mm。综合各方面的考虑,选择了量程2mm,输出电压为+5V~-5V,输入电压为直流24V,外径为8mm的分离式差动电压位移传感器。这种传感器具有伸出杆的自动复位功能,当伸出杆处于最大伸出状态时,输出电压为负值,当伸出杆处于最大收回状态时,输出电压为正值。如果把输出电压为“0”时的伸出杆位置定为“0”点,那么,当伸出杆向里移动1mm时,输出电压是+5V,当伸出杆向外移动1mm时,输出电压是-5V。所以,伸出杆每向里移动1μm,输出电压就增加5mv。
3·2 A/D转换卡的选择
A/D转换卡的作用是把位移传感器输出的电压模拟量转换成数字量并传送给计算机,模/数转换的精度取决于A/D转换卡的位数,所以正确地选择A/D转换卡也是保证系统精度的重要环节[3]。同时,由于要由计算机自动捕捉最大值,因而还要对A/D的采样频率有要求。现在市面上常见的A/D卡有两种:总线结构为ASIA总线和PCI总线, ASIA的采样频率低于PCI的采样频率。本系统选择了12位的PCI总线结构的A/D转换卡,它的输出范围是0~212,即当A/D卡的输入值是-5V时,它的输出是“0”,当A/D卡的输入值是+5V时,它的输出值是212。
3·3 程序实现
在上述硬件结构的基础上,用VB开发了进行数据处理的程序[4~5],程序的主要功能如下:实时显示传感器检测到的数据,自动捕捉最小数据作为测量结果,存储测量结果和被测零件的其他属性,将测得的数据上传到上级数据库以实现产品质量的计算机信息化管理。见程序流程图(图3)。
4 结 论
(1)通过对原有千分尺的智能化改造,把机械式内径千分尺改造成了智能型的数字千分尺,改造后的内径千分尺直接与计算机相连,测得的数据直接存入HMIS数据库,不用人工读取,不需要手工录入,因而测量结果准确率达到100%。经国家一级计量鉴定部门鉴定得出结论:该智能型数字化千分尺的测量精度符合国家相关规定的要求,可以投入实际应用。
(2)该智能型数字化千分尺目前已经在铁路货车轴承检修工作中推广使用。
参考文献:
[ 1 ] 张兆奎,等.大学物理实验[M].北京:高等教育出版社, 2001.
[ 2 ] 刘迎春,叶湘滨.现代新型传感器原理与应用[M].北京:国防工业出版社, 1998.
[ 3 ] 卢文科.实用电子测量技术及其电路精解[M].北京:电子出版社, 2000.
[ 4 ] 陈红伟,王滨琦.数字智能化监控系统的设计[J].机电一体化, 2002 (3): 61-66.
[ 5 ] 陈红伟,林海.基于单片机与TC787数字智能化的晶闸管触发器[J].应用科学, 2001 (11): 31-32.
本文作者：张 颖,盖永杰
