王英劍， 蘇 中， 劉 洪

(1.北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院,北京 100101； 2.北京信息科技大學(xué) 通信學(xué)院，北京 100101；3.高動態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100101)

0 引 言

隨著科技發(fā)展，精細(xì)金屬絲使用領(lǐng)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(biāo)將直接影響系統(tǒng)性能[1]。本文對柵絲張力檢測儀總體結(jié)構(gòu)進行研究并設(shè)計，并經(jīng)實驗證明設(shè)計結(jié)果的優(yōu)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(fā)生一定形變時產(chǎn)生的壓力值，并通過設(shè)定其他參數(shù)，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(qū)動器、轉(zhuǎn)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(dá)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(xué)平臺上，樣品臺通過轉(zhuǎn)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(tài)。壓力探頭按設(shè)定速率向下進行設(shè)定的位移量，使柵絲發(fā)生形變，此時為Done狀態(tài)。探頭主視圖和側(cè)視圖示意如圖4。

圖4 探頭視圖

將測力儀測得Ready狀態(tài)和Done狀態(tài)的壓力值傳至上位機，通過數(shù)據(jù)處理與設(shè)定其他參數(shù)，最終實現(xiàn)柵絲張力的讀取、實時顯示、監(jiān)測與存儲。

2 柵絲張力檢測儀的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

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(huán)境下，采用MFC設(shè)計了界面布局合理的可視化功能界面，實現(xiàn)下位機數(shù)據(jù)上傳，也可通過上位機對下位機參數(shù)進行設(shè)定，以便于張力檢測儀的實時監(jiān)測[3]。

張力檢測軟件實現(xiàn)了位移平臺的控制、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及張力實時監(jiān)測。功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 張力檢測軟件功能結(jié)構(gòu)

2.2 探頭與柵絲接觸檢測

張力檢測儀工作時，探頭循環(huán)步進靠近柵絲，當(dāng)探頭與柵絲接觸時，兩者導(dǎo)通，此時上位機檢測到單片機發(fā)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(zhǔn)。2)支撐探頭向上位移，當(dāng)檢測與柵絲發(fā)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(dāng)檢測與柵絲發(fā)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(tài)。3)壓力探頭按設(shè)定速率向下進行設(shè)定的位移量，為檢測儀Done狀態(tài)。4)三軸位移平臺位置初始化，樣品臺按設(shè)定柵絲間距進行步進位移，柵絲編號加1，并重復(fù)上述步驟。

2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測

數(shù)據(jù)監(jiān)測包括張力值的實時顯示、繪制張力曲線、張力值驗證和數(shù)據(jù)自動存儲等。為了提高系統(tǒng)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(fā)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(xié)議，數(shù)據(jù)通信采用CRC(循環(huán)冗余碼)校驗提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，上位機將測力儀返回數(shù)據(jù)進行解析[5]。柵絲張力計算與Ready狀態(tài)壓力值、Done狀態(tài)壓力值、柵絲長度、下壓位移、彈性模量等有關(guān)。通過計算獲得柵絲張力并實時顯示數(shù)據(jù)和曲線，當(dāng)獲得張力數(shù)據(jù)異常時，此數(shù)據(jù)會自動提示并剔除。柵絲張力數(shù)據(jù)及曲線以一定格式自動保存至規(guī)定路徑下，以便提供歷史數(shù)據(jù)和曲線的查詢。數(shù)據(jù)檢測模塊程序流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)監(jiān)控流程示意

2.5 張力檢測儀測試數(shù)據(jù)

張力檢測儀測得的Ready狀態(tài)壓力值、Done狀態(tài)壓力值和計算所得柵絲張力值如表1所示。根據(jù)所得柵絲張力繪制曲線?？梢钥闯觯簭埩χ禐?7.43 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(shù)據(jù)異常并剔除。

3 結(jié) 論

該柵絲張力檢測儀經(jīng)過現(xiàn)場實際運行，性能穩(wěn)定，測量精度高，操作簡便，具有實際應(yīng)用價值。

表1 張力檢測儀測試數(shù)據(jù)