赵帅s李醒飞s谭文斌2
(1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072；
2.天津商业大学机械工程学院，天津300134)
摘要：为了实现在工业生产中工件尺寸的高效测量，以气缸套为研究对象，该文设计了气缸套内径自动测量系统，该系统以气动伸缩式位移传感器和高精度圆光栅作为主要的测量器件，基于PMAC运动控制器与运动控制原理实现了测量过程的自动化。同时，为了进一步提高在工业大批量生产中的测量效率，还引入了物料输送线系统和ABB机器人系统。经过实验验证，该系统测量精度高、速度快、自动化程度高，具有实际应用价值。 关键词：气缸套；测量；自动化;PMAC
中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号#1000-0682(2021)03-0016-06
Design of cylinder liner inner diameter measurement system based on PMAC
ZHAO Shuai1,LI Xingfei1,TAN Wenbin2
(1.Tianji)University State Key Laboratory op Precisioo Measurement Technology andlnstruments,Tianji)300072,China；
2.Tianji)Universito of Commerce,Tianji)300134,China#
Abstract:In ordar ta achieve high一efficiency measurement of workpiece size in industmai production,an automatic cylinder linar innao diameteo measuremeni system is designed wit cylindar linero as thvesearch object.Tha system usas pneumatic telescopic displgcemeni sensoo and high一precision cia cu I vt yratinys as tha main messuriny devices,based on PMAC motion controllvg and motion control prin-cipia realiza tha automation of taa masuoment process.Ai tha sama tinia,in ordar ta furthar iaprove tha mrsurement efficiency in industrial mass production,tha material conveyiny Vna system and taa ABB roboi system ara also introduced.Afar experimentai verification,tha system has high masuoment accuracy,high speed,high desrea of automation,and has practicyi application vvlua.
Keywords:cylindar tinar；masuoment;automation；PMAC
0引言
气缸套是内燃机的核心零件之一，在内燃机工作过程中，气缸套内表面要承受剧烈的摩擦负担，因此
其制造精度很大程度上影响着内燃机的使用寿命。提高测量精度是保证制造精度的重要措施，目前在工业生产中普遍采用人工检测来保证加工精度，其测量效率低，难以满足在大批量生产中的测量要求[1-2])
收稿日期：2020-11-19
基金项目：精密测试技术及仪器国家重点实验室开放基金(PI/1407)
作者简介：赵帅(1996)，男，河北唐山人，硕士研究生，研究方向为智能测量。
PMAC是美国Delta Tau公司生产的具有超强的信息处理与实时通信功能的运动控制器，其在机床加工、激光切割、机器人协同控制等方面具有广泛的应用[3-4])因此基于PMAC运动控制器及其控制原理提出了一种针对气缸套内径的工业自动化测量系统设计。
1测量原理
检测台示意图如图1所示。利用位移传感器测头测量气缸套内表面某点到测量起点的距离，并且由转台中的圆光栅提供当前的角度信息。控制转台旋转，多次记录传感器距离信息和与之相对应的转台角度信息，计算得到该截面圆的内径值。
测量架气缸套测头
转台
夹具图1检测台示意图
根据以上测量过程可以得到如图2所示的测量
原理图，图中0点为转台的回转中心，0'点该测量 截面圆的圆心,a ,b , c 分别是位移传感器测头测量
起点位置,A ,B ,C 分别是气缸套内表面截面圆上的
3个测量点，位移传感器的读数即为aA,bB,cC 的长
度，转台内的高精度圆光栅可以得到转台的转角信 息，即图中.A0C , .B0C , .A0B 的度数。图中 0a , 0b , 0c 的长度相等，为传感器测量起点到转台
转轴与传感器交点的距离，此距离可利用标准环规 进行标定得到⑸。
根据以上数学模型，利用三角形外接圆法可以
求得截面圆的直径，设该截面圆的直径为D ，则由几
热点趋势
何关系可得：
n AB x BC x AC
/ 八D =
2S --------
(1 #
式(1)中,S 为三角形ABC 的面积，可以根据海
伦公式求得：
rAC _0A +0C *
2 -2 x 0A x 0C x cos .A0C S _ 丄 l(AB +AC + BC ) (AB +AC -BC )( - AB +-4 槡C + BC ) (AB - AC + BC )
(2)
式(2)中，三角形ABC 各边的边长可以利用余
弦公式求得：
BC _/0B 2 + 0C 2 - 2 x 0B x 0C x cos .B0C
AB _/0A 2 +0B 2 -2 x 0A x 0B x cos .A 0B
(3)
其中：
0A _0a +Aa 0B _0b+Bb (4)
0C _0c+Cc
0a _0b_0c
根据上述过程即可求得该截面圆的直径，通过 控制固定传感器的Z 轴的上下移动，即可实现上、 中、下等不同位置截面的内径测量。
2硬件设计
为了满足工业大批量生产中的自动化测量要 求，测量系统引入了 ABB 机器人以及物料输送线。
整个测量系统的布局示意图如图3所示。
图3测量系统布局示意图
其中检测台主要负责进行气缸套内径测量;
abb 机器人前端固定有夹具，能夹取气缸套工件,
负责给检测台上料以及分类放置合格零件与不合格
零件；物料输送线主要运送工件到指定位置及回收
工件。气缸套自动测量系统的硬件结构图如图4所
示。其中，输送线定位夹具、机器人夹具以及传感器
运动方式为气动，因此需要高压气源提供动能。转
台和Z 轴分别采用了高精度气浮转台和气浮导轨, 因此也需要气源持续提供压缩空气。
另外，工控机通过RS -232与IN 控制器通信
来控制电磁阀的开闭，实现了对气动伸缩式位移传
感器探头的实时控制；同时，工控机通过USB 模块
来获取传感器的输出数据;PMAC 运动控制器通过
双绞线与工控机建立通讯。
物料传送台、PMAC 运动控制器、ABB 机器人以
及机器人夹具之间通过IN 口进行通信或控制，各部
分的端口定义如表1所示
。
图4硬件结构图大旗文学
表1IO口定义
设备NO名称状态含义
DO1/输送线产品到位，允许取料
DO2/合格件输送线允许放料
输送线DO3/不合格件输送线允许放料DI1/输送线取料完成
DI2/合格件放料完成
DI3/不合格件放料完成DO1/输送线取料完成
DO2/取料夹具合
DO3/取料夹具开
DO4/检测台上料完成
蚕蛾交尾多久
DO5/检测台取料完成
ABB DO6/合格件放料完成best jeanist
机器人DO7/不合格件放料完成
DI1/输送线产品到位，允许取料
DI2/合格件输送线允许放料
DI3/不合格件输送线允许放料
DI4/对应检测台DO1
DI5/对应检测台DO2
DO1&DO20&0允许上料
DO1&DO20&1等待抓料，检测进行中
检测台DO1&DO21&0允许抓料，检测合格
DO1&DO21&1允许抓料，检测不合格
DI1/上料完成
DI2/取料完成
3软件设计
奥德赛巴莱气缸套自动测量系统工作流程如图5所示。
图5工作流程图
为了实现以上测量过程，对测量系统进行了软
件设计，主要包括料输送线软件、abb机器人软件、
PMAC软件、工控机软件设计。
3.1物料输送线软件设计
物料输送线是由PLC完成控制与通信。输送
epo线的PLC程序流程图如图6所示
。
图6PLC程序流程图
3.2ABB机器人软件设计
ABB机器人的通信及运动控制程序是基于RAPIN语言设计的,RAPIN语言是ABB机器人专用的编程语言。在该系统中机器人程序主要负责控制夹具的开合、带动夹具运动到指定位置以及实现与检测台和输送线的实时通信。基于RAPIN语言的机器人程序流程图如图7所示。
3.3PMAC软件设计
PMAC运动控制器的软件设计主要包括两部分程序的编写：运动程序和PLC程序。用户通过输入指令来调用提前编译好的相应程序段，实现对检测台的运动会控制、位置获取与通信。
运动程序是PMAC的主要机制，通过相关的数学、逻辑和NO运算描述所需的运动。在该系统中主要有两段运动程序，分别是转台轴运动控制与Z 轴运动控制。以转台轴运动控制程序为例，用户需输入指令将欲运动速度与位置坐标存入PMAC内部的M变量中，之后调用该程序段，程序根据M变量中所存的速度与位置信息进行运动，实现对转台轴的运动控制。Z轴亦是如此。
除了可顺序和同步执行的运动程序外，PMAC 有64个非同步执行的PLC程序，他们可以以很快的速度重复执行。在该系统中的PLC程序主要包括两轴当前位置获取以及回零程序。当前位置获取是通过将圆光栅以及光栅标尺输出的信号分别保存在PMAC内置的M变量中，通过读取M变量的值并经过相应的单位换算，得到转台度数值和Z轴坐标值；回零是PMAC启动后首先要进行的操作，也就是让转台轴和Z轴回到各自的坐标系零点，这样后续的定位运动及位置获取才有意义[6]，用户可以通过相应的指令直接调用回零程序。
PMAC运动控制器的IN通信也是通过M变量来实现的，用户可以通过直接输入指令来对相应的M变量赋值或读取进行数字量输入输出。
3.4工控机软件设计
工控机的软件设计是以Microsift Visual Studio 作为开发平台，设计了基于C++的MFC程序，程序实现的主要功能包括：利用双绞线建立与PMAC 的通信、向PMAC发送指令和接收返回值、通过串口线与IO控制器建立通信来控制传感器、利用USB 模块与传感器建立通信来获取传感器读数、数据处理以及人机交互。程序流程图如图8所示
。
图7机器人程序流程图
图8'工控机程序流程图
