汽车轮廓尺寸测量机的研究

工学硕士学位论文
汽车轮廓尺寸测量机的研究
姜庆昌
哈尔滨工业大学
2006年6月
国内图书分类号： TP271+.4
国际图书分类号： 621
工学硕士学位论文
汽车轮廓尺寸测量机的研究
硕士研究生：姜庆昌
导师：王武义副教授
副导师：石望远教授
申请学位级别：工学硕士
学科、专业：航空宇航制造工程
所在单位：机电工程学院
答辩日期：2006年6月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index：TP271+.4
U.D.C.：621
Dissertation for the Master Degree in Engineering
STUDY OF THE AUTOMOBILE
OUTLINE SIZE'S MEASURING
MACHINE
Candidate：JiangQingchang
Supervisor：Prof. WangWuyi
Associate Supervisor：Prof. SHiWangyuan
Academic Degree Applied for：Master of Engineering Specialty：Aeronautical and Astronautic
Manufacturing Engineering Affiliation: School of Mechatronics Engineering Date of Oral Examination：June, 2006
University：Harbin Institute of Technology
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摘要
汽车轮廓尺寸测量机是为公安交警车辆管理部门研制的大型轮廓尺寸测量设备。

用于对私装私改车辆及尺寸超限车辆的检测、查验和稽查。

汽车轮廓尺寸测量机的功能是对可疑车辆的轮廓尺寸长度、宽度、高度、车槽高度及轴距、轮距实施自动化测量，并对其尺寸是否超限作出评判。

三维轮廓跟踪扫描技术的核心在于采用多套光电传感器、激光测距传感器、超声波测距传感器进行探测，单片机把检测到的光电信号作为控制依据，控制步进电机驱动测量机及探测传感器在车长、车高和车宽方向上作轮廓跟踪扫描进给运动，记录其轮廓轨迹，并把测得的数据传送到上位机，经上位机数据处理获得被检车辆的特征尺寸。

进而与车辆管理数据库中的原始出厂数据实施比对，作出该车是否尺寸超限的评判。

汽车轮廓尺寸测量机为一宽度、高度均为4m的龙门式构架结构，其纵向进给长度为20m；由步进电机驱动移动龙门架小车沿同步导轨运动。

测量精度指标为±10mm。

本机全部采用非接触式测量方式，跟踪探测扫描使用了安全光幕、光电开关、激光测距传感器、超声波测距传感器等多种传感检测探测设备。

在长度、宽度、高度三个方向上使用相互独立的P89C58X2单片机作为采样、判断、进给控制单元；同时通过串行接口RS485与上位机进行通讯，传送测量数据。

上位计算机作数据接收、数据处理、查库比对和评判操作，最终给出被检车辆的超限评判和超限数据。

关键词汽车轮廓尺寸；轮廓跟踪扫描；光电探测；步进控制；单片机
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Abstract
The automobile outline size's measurement machine is the large outline size measurement equipment designed for the traffic police and vehicles management section, and used for private packing, privately changed the vehicles and over-size vehicles, especially for checking those vehicles, their length, width, height, the car slot height and the distance of auto axis, or for determining whether the vehicle’s size has extended the prescribed limit.
The technique core of the 3-D outline tracking scan lies in the adoption of several photoelectric sensors, laser measuring sensors and super voice wave measuring sensors to carry on probing, the single chip makes the photoelectric signal examined as the control basis, and controls the step motor to drive measurement machines and probing sensors to make outline tracking and scans movement along high and breadth direction of the vehicle, and record its outline track, and the data measured is delivered to the computer, finally, acquires the size of the vehicle checked through the place of computer data processing. Then, by comparing with the original vehicle data in the vehicle management database, it makes the adjudicate whether the size of vehicle is within the prescribed limit.
The automobile outline size-measuring machine is four meters in the width and height direction and the dragon gate type frame structure .The distance of movement in the perpendicular direction is 20 meters. Small moving vehicles driven by step motor move along a track synchronously. The measuring accuracy index is ±10 mm. This machine adopts a non-contact measurement method. All kinds of inspection devices such as photoelectric switch, laser measuring sensors and super voice wave measuring sensors etc are used in the measurement progress. This system uses the mutual independent P89C58X2 single chip to be a sampling and judging and entering unit on the length, width and highly directions. In the meantime, the P89C58X2 carries on communication with the computer and transmits measuring data through RS485. The computer receives, handles data before it determines whether the vehicles being checked is in accordance with the prescribed limit data. Keyword automobile outline size, the outline tracking scan, photoelectric detect, step control, single chip computer
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目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1 课题背景及研究意义 (1)
1.2 国内外汽车检测技术发展概况 (1)
1.2.1 国外汽车检测技术发展概况 (2)
1.2.2 国内汽车检测技术发展概况 (3)
1.3 几何量测量的现有技术途径简述 (4)
1.4 课题来源及研究内容 (5)
1.4.1 课题来源及相关工作 (5)
1.4.2 本文的主要研究内容 (6)
第2章系统总体设计方案 (7)
2.1 测量基准的术语及定义 (7)
2.1.1 车辆支承平面（简称X平面） (7)
2.1.2 车轮中心平面 (7)
2.1.3 车轮中心 (7)
2.1.4 车辆纵向对称平面（简称Y平面） (7)
2.1.5 测量条件 (7)
2.2 机械系统的设计 (8)
2.2.1 测量基准坐标系的建立 (9)
2.3 汽车长及轴距的测量方案 (10)
2.3.1 汽车长的测量方案 (10)
2.3.2 汽车轴距的测量方案 (10)
2.4 汽车宽度和高度的测量方案 (12)
2.4.1 汽车宽度的测量方案 (12)
2.4.2 汽车高度的测量方案 (14)
2.5 汽车轮距测量方案 (16)
2.5.1 超声波测距原理 (16)
2.5.2 汽车轮距测量方案 (16)
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2.6 汽车停车偏斜角度摆正方案 (18)
2.7 本章小结 (19)
第3章控制系统硬件电路设计与软件编制 (20)
3.1 控制系统方案的确定 (20)
3.2 汽车长度和轴距测量控制模块设计 (21)
3.2.1 驱动系统的设计 (21)
3.2.2 控制系统的硬件结构与功能 (24)
3.2.3 控制系统软件的编制 (25)
3.3 汽车高度测量控制模块设计 (27)
3.3.1 驱动系统的设计 (27)
3.3.2 控制系统的硬件结构与功能 (29)
3.3.3 控制系统软件的编制 (30)
3.4 汽车宽度测量控制模块设计 (30)
3.4.1 驱动系统的设计 (30)
3.4.2 控制系统硬件结构与功能 (33)
3.4.3 控制系统软件的编制 (33)
3.5 系统可靠性设计 (34)
3.6 本章小结 (35)
第4章数据的采集与传输 (36)
4.1 数据采集系统的设计 (36)
4.1.1 TCL2543与P89C58X2接口 (36)
4.1.2 在应用TLC2543时应注意的几个问题 (39)
4.2 P89C58X2串口通讯程序的开发 (39)
4.2.1 RS-232与RS-485通讯标准的比较 (39)
4.2.2 P89C58X2通讯程序的编制 (40)
4.3 上位机通讯程序的设计 (41)
4.3.1 通信接口设计 (41)
4.3.2 Visual Basic6.0串口通信 (41)
4.4 本章小结 (44)
第5章实验数据与误差原因分析 (45)
5.1 实验数据 (45)
5.2 误差分析 (47)
5.3 误差原因简要分析 (48)
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5.4 本章小结 (48)
结论 (49)
参考文献 (50)
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (53)
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (53)
哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理 (53)
致谢 (54)
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第1章绪论
1.1课题背景及研究意义
汽车轮廓尺寸测量机是用于汽车检测和车辆唯一性认证重要设备。

目前，车辆超限超载是造成道路交通事故的主要原因之一，车辆超限超载严重影响国家财产和人民生命安全[1]。

旨在从源头治理车辆超限超载的国家强制性标准《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》（GB1589-2004）已于2004年10月1日正式实施。

《营运车辆综合性能要求和检测方法》（GB18565-2001）整车装备检测项目中要求对汽车尺寸参数进行检测，车辆的结构不得任意改造。

车辆轮廓尺寸参数是汽车通过性参数及运行安全检测的重要内容之一。

我国汽车检测机构主要是使用钢卷尺、角度尺及标杆等进行手工测量，劳动强度大、测量时间长并易出现人为误差，已不适应自动化检测的需要。

因此，利用光电跟踪技术和三维轮廓跟踪扫描测量方法，研究汽车整车尺寸参数非接触测量系统，对于从源头治理超限超载，提高交通安全性具有非常重要的意义。

1.2国内外汽车检测技术发展概况
汽车检测技术是利用各种检测设备，对汽车在不解体情况下确定其技术状况或工作能力进行的检查和测量。

汽车技术状况是定量测得表征某一时刻汽车外观和性能的参数值的总和。

汽车检测主要是依靠先进的传感技术与检测技术，采集汽车的各种具有某些特征的动态信息，并对这些信息进行各种分析处理，区分、识别并确认其异常表现，预测其发展趋势，查明其产生原因、发生部位和严重程度，提出针对性的维修措施和处理方法。

汽车检测技术是伴随着汽车技术的发展而发展的。

在汽车发展的早期，人们主要是通过有经验的维修人员发现汽车的故障并有针对性的修理，即过去人们常常讲的“望”(眼看)、“闻”(耳听)、“切”(手摸)方式。

随着现代科学技术的进步，特别是计算机技术的进步，汽车检测技术也飞速发展。

目前人们已能依靠各种先进的仪器设备，对汽车进行不解体检测，而且安全、迅速、准确。

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1.2.1国外汽车检测技术发展概况
汽车检测技术是从无到有逐步发展起来的，早在50年代在一些工业发达国家就形成以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术和生产单项检测设备。

60年代后期，国外汽车检测诊断技术发展较快，并且大量应用电子、光学、理化与机械相结合的光机电、理化机电一体化检测技术。

进入70年代以来，随着计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、数据采集和处理自动化以及检测结果直接打印等功能的汽车性能检测仪器和设备。

在此基础上，为了加强汽车管理、工业发达国家相继建立汽车检测站和检测线，使汽车检测制度化。

概括的讲，工业发达国家的汽车检测在管理上己实现了“制度化”；在检测基础技术方面已实现了“标准化”；在检测技术上向“智能化、自动化检测”方向发展。

如美国、意大利、德国等国家汽车检测诊断设备的种类、制造工艺、产品水平均处于世界领先地位，其产品已形成系列化、标准化和规范化[2]。

发达国家对汽车的检测是十分重视的，日本早在1947年就举办了第一届“东京国际汽车机械工具博览会，甚至还把检测列入法规范围。

目前，日本拥有世界上最先进的电子调漆系统，过去各国的电子调漆设备都是通过汽车车架编号查找汽车油漆颜色和配方。

而日本研制的新型调漆设备，则是应用扫描仪在汽车车身上扫描、扫描仪与计算机联网，通过计算机快速显示出结果。

此外，日本还推出了综合检验台，测试的项目非常多，可以测定底盘输出功率、发动机功率、汽车行驶状态模拟、四轮定位、振动及悬挂以及制动和速度等，有些设备具有一机多能的测试功能。

一些先进的检测设备是当今世界名牌产品，有些设备进入中国市场，推动我国汽车检测行业的发展，为检测设备的国产化起到了积极的作用[3]。

以下为国外汽车检测技术的发展特点：
（1）向标准化方向发展工业发达国家的汽车检测有一整套的标准。

判断受检汽车技术状况是否良好，是以标准中规定的数据为准则，检查结果是以数字显示，有量化指标，以避免主观上的误差[4]。

除对检测结果有严格的标准外，国外对检测设备也有标准规定，由于检测技术的标准化，不仅提高了检测效率，也保证了检测质量。

（2）大量采用高新技术现代汽车高安全度、低排放污染和低燃油消耗的要求与高度成熟的电子技术的结合使汽车技术发展迅猛：现代汽车已开始采用发动机电子管理系统（Electronic Engine Management System）、防暴死制动系统（ABS）及牵引力控制系统（Traction Control System）等，这些新技术的应用，
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使汽车结构发生了巨大变化，这无疑给汽车检测带来影响，促进检测设备的进一步发展，新型汽车要新型设备来检测，国外汽车检测设备已普遍使用计算机技术、电子控制技术及数字显示等高科技。

（3）检测方法由传统手段转向数显华、微机化随着各种新技术的出现，以及对检测技术要求的提高，传统的仅凭维修人员感官检测的方式已不能适应维修新形势的需要。

为此，日、美、德等国开发了许多检测新型数字化仪表和微机化检测仪器，例如日本公司就开发了一些新型检测仪器和仪表，联式测压盒就是其中一种，盒中装有压力表，通过盒的软缆头可使驾驶员在驾驶室一次同时测得六缸柴油机的每个缸的高压油泵油压和涡轮增压器增加的压力。

（4）汽车检测设备具有快速、准确、方便的特点汽车检测技术不仅可以减少检测汽车所花费的劳动量、劳动强度、提高汽车检测的经济效益，而且能对汽车的产品质量做出客观的评价，对汽车技术的合理改进提供可靠的基础数据。

发达国家十分重视汽车检测技术的发展，不论是随车系统还是车外检测系统，大都引进了先进的计算机、CRT终端、打印机和中央控制等一系列先进技术。

甚至在汽车运行状态下不直接接触，不拆开汽车发动机部件，就可以掌握被检测的系统内部的变化，十分方便。

（5）开发专用、特种车辆配套的检测设备由于一些特殊工作和运输任务的需要，许多国家研制生产了完成特殊任务的专用车辆，例如矿山工程车、救援车、修理工程车等，他们针对修理车的用途研制与之配套的检测设备。

另外，为了修理大型、超大型工程车或运输车等，他们还开发了专用检测设备和机具[5]。

1.2.2国内汽车检测技术发展概况
自20世纪60年代后期，由于政府部门的重视，我国开始研制一些结构简单的检测设备，但是由于种种原因，检测技术一直发展缓慢。

到了20世纪70年代，特别是20世纪80年代以后，随着汽车数量的迅速增长，特别是随着汽车制造业和公路交通运输业的发展，我国的机动车保有量迅速增加。

我国十分重视汽车检测设备的研制、生产和装备[6]。

生产能力也从仅能生产简单的检测工具，发展到利用新技术、新工艺和新材料研究开发具有一定水平的检测诊断设备和维修设备。

从近几年在北京举办的中国国际汽车维修检测设备及其车用品展览会上不难看出，目前我国汽车检测行业的从业队伍正在不断壮大，检测设备的档次和技术含量越来越高，种类也日臻完善。

逐渐形成了类别和系列。

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与发达国家相比，我国的汽车检测设备还存在许多急需解决的问题。

主要表现为以下几点：
（1）产品可靠性低国外同类产品的使用寿命长，一般三到五年不更换易损件，而国内产品性能不够稳定，故障率多，外观质量差。

（2）自动化程度低，性能落后直至上个世纪末，国内的检测维修设备虽然有了很大的发展，但仍有许多设备处于机械式或半机械式状态。

而国外大都采用微机控制，数字显示或彩色屏幕显示，精度高、检测效果好。

（3）品种不全，更新慢与发达国家相比，我国部分检测维修设备还属空白，如本文研究的大型汽车轮廓尺寸测量设备。

有的检测线上用的甚至还是20世纪50、60年代的产品。

使用这些设备开展工作，工作效率低、劳动强度大、检测效果不好。

（4）技术含量低尤其是在汽车检测诊断技术方面，美国、日本、德国等工业发达国家，汽车检测技术已有相当水平，20世纪90年代初已研制成功了汽车诊断专家系统等高技术产品。

而我国出于受大规模集成电路及传感器等技术的制约，汽车检测诊断设备的技术水平仍有一定的差距。

（5）检测设备的加工能力有待提高目前存在这样的情况，有些项目虽然设计原理比较先进，但在加工制造中，受材料、设备的限制，工艺上难以实现，精度、强度等指标都有所放宽，在一定程度上降低了工具、设备的可靠性，进而影响了检测质量。

通过以上所述，我们明显可以看出我国汽车安全检测技术还很不完善，与世界先进国家的水平还有很大的差距[7]。

1.3几何量测量的现有技术途径简述
几何量测量的传统方法是采用三坐标测量机（CMM）。

三坐标测量机是集机械学、电子学、电子计算机为一体的高精度仪器，主要用于精密零件的几何量测量。

在测量方式上大体有接触式测量和非接触式测量两种方法[8] 。

从上世纪80年代开始，基于非接触测量方法的激光扫描探头逐渐在CMM上使用，代替接触式探头，从而大大增加了CMM测量几何量的适应面[9]。

除了非接触测量技术外，CMM为了适应测量仪器向精密化、集成化、智能化的发展趋势，还实现了如下的技术进步：1）误差自补偿技术；2）丰富的软件技术；3）系统集成应用技术[10,11]。

几何量测量的另一种应用比较广泛的方法是使用基于非接触测量的光学三
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坐标测量技术，它主要采用激光干涉和光电耦合原理，使用激光扫描或激光跟踪等设备，实现对静态或动态的几何参数进行测量。

日本在这方面技术的研究起步比较早，其中代表性的人物有Takashi M、Kanji M、T.Akuta 及 O.Nakamura 等。

Takashi M[12,13]研究了注塑模三维形状测量技术以及三维曲面的数字化测量方法，Takashi在光电接收器中使用了环形光电图像传感器。

Kanji M[17]在Takashi M基础上进行了更深入的研究，对光学部分进行了改进，并开发出了相应的测量仪器。

T.Akuta[14,15]在三维形状激光扫描测量中使用了自动聚焦技术。

O.Nakamura,et al[16]在坐标测量系统中应用了激光跟踪设备--激光干涉仪，Walter Zurcher和Raimund Loser对激光干涉仪的反射计进行了改进[17]。

激光跟踪仪是近十年才发展起来的新型仪器。

由于激光跟踪仪具有很高的测量精度和测量效率，正在逐步取代传统的几何参数测量方法。

激光跟踪仪可以测量各种几何元素，如点、线、平面、圆柱、圆锥、球及抛物面等，还可以借助对直线测量结果的分析计算，间接测量几何元素间的相对关系（距离、角度等）。

此外，能够实现几何量测量的方法还有：使用计算机图像处理技术的视频测量法、基于条纹分析的光栅投影测量法，以及对于衍射图纹的分析确定被测零件的表面形状和尺寸的激光衍射法等等[18,19,20]。

1.4课题来源及研究内容
1.4.1课题来源及相关工作
本文以河北省科技厅提出的课题“汽车轮廓尺寸测量机”为背景，根据唐山市交通车辆管理所提出的具体要求，主要针对交通部提出严厉查处的私装私改车辆及尺寸超限车辆，为其研制一套汽车轮廓尺寸参数自动测量系统。

由于此类产品目前在国内尚无同类产品，即使在国外也很难查到，因此可供参考的资料十分有限。

汽车轮廓尺寸测量机主要技术指标及要求如下：
（1） 整体测量时间在3min以内。

（2） 激光测距传感器开关量输出，响应时间2.0ms。

（3） 光电开关动作频率350Hz。

（4） 超声波测距传感器模拟量分辨率为检测距离的±0.25％。

（5） 数据检测精度：±10mm。

汽车轮廓尺寸测量机为一宽度、高度均为4m的龙门式构架结构，其纵向进
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给长度为20m，由步进电机驱动龙门架小车沿同步导轨运动。

测量系统包括机械传动系统、传感检测系统、运动控制系统和数据处理系统。

（1）机械传动系统机械系统由龙门架小车和同步导轨组成。

龙门架小车的驱动轮采用同步带轮，同步导轨为直线导轨上粘贴同步带，执行电机通过同步带驱动龙门架小车沿同步导轨运动。

（2）传感检测系统汽车轮廓尺寸测量机采用非接触测量方式，使用多种光电传感器和超声波测距传感器，传感检测元件安装在移动小车和龙门架上，在运动中对汽车三维轮廓进行跟踪扫描。

（3）控制驱动系统控制系统由工控机、单片机、控制柜、控制面板及接口电路几部分组成，用来完成整个测试系统信号变换、信号分发调度，同时对龙门架小车和检测元件的运动状态的控制；进行数据采集、传输和处理。

1.4.2本文的主要研究内容
本文主要研究的是汽车轮廓尺寸自动测量系统，其主要内容包括以下几个部分。

（1）整体方案的确定 在整体方案确定阶段，综合考虑系统的测量精度、测量时间、经济性、可靠性等方面的要求，结合目前的实际情况，确定了对汽车轮廓尺寸各个参数实现自动测量的技术方案。

（2）测量方法 由于汽车外形轮廓的复杂性，我们为检测系统设计一套三维轮廓跟踪扫描的测量方法。

测量方法的设计依据是在保证检测精度的前提下，提高检测效率，减少人为干预。

（3）控制系统的设计整个系统采用上位机和下位机控制，下位机由4片P89C58X2单片机构成，分别对移动小车步进电机、测高步进电机和测宽步进电机进行运动控制，同时对电机所走的步数进行计数，采集测量数据。

（4）数据的采集、传输与处理本系统采用TLC2543芯片对超声波测距传感器输出的模拟量进行转换。

下位机将测量的汽车特征数据通过串口RS485传送到上位机，上位机完成对数据的接收、数据处理、数据输出等工作。

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第2章系统总体设计方案
2.1测量基准的术语及定义
本系统在设计过程中参考了有关国家标准，如《汽车和挂车的术语及定义》（GB/T 3730.3-92）、《汽车主要尺寸测量方法》（GB／T12673-90）以及《道路车辆外廓尺寸限界、轴荷及质量限值》等。

下面对设计中用到的测量基准的术语和测量条件进行简要介绍。

2.1.1车辆支承平面（简称X平面）
测量车辆尺寸参数时，用于支承车轮的平坦、坚实的水平面。

2.1.2车轮中心平面
对于单式车轮，车轮中心平面为与车轮轮辋的两侧内边缘等距的平面。

对于双式车轮，车轮中心平面为外车轮轮辋内缘和内车轮轮辋外缘等距的平面。

2.1.3车轮中心
车轮中心平面与车轮回转中心线的交点。

2.1.4车辆纵向对称平面（简称Y平面）
线段AB的垂直平分平面。

A和B两点为通过同一轴上两端车轮轴线的X平面的垂面同车轮中心平面的交线△与X平面的交点。

如图2-1所示。

2.1.5测量条件
（1）测量场地应具有水平坚硬覆盖层的支承表面。

（2）汽车转向车轮应以直线前进状态置于测量场地上。

（3）汽车轮胎的气压应符合设计要求。

（4）除另有规定外，长度应在与X平面和Y平面的交线平行的直线上测
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8 量；宽度应在与X 平面平行且与Y 平面垂直的直线上测量；高度应在与X 平面垂直的直线上测量。

△ △
A B
Y 平面
图2-1 Y 平面图
Fig.2-1Y platform diagram
2.2 机械系统的设计
汽车轮廓尺寸测量机的机械系统为一宽度、高度均为4米的龙门式构架结构，其纵向进给长度为20米；由步进电机驱动龙门架小车沿同步导轨运动。

如图2-2所示（该机械系统具体结构图公司保密）。

1-同步导轨 2-小车同步带从动轮 3-小车同步带主动轮 4-驱动小车步进电机 5-安全光幕 6-光电开关 7, 8-滚动导轨 9-激光测距传感器 10-同步带 11-同步带轮 12-测宽-步进电机
13-龙门架 14-同步带 15-测高步进电机16-后轴从动轮 17-前轴主动轮
图2-2. 汽车轮廓尺寸测量机的机械系统示意图
Fig.2-2 Mechanics system sketch diagram of the automobile outline size’s measuring machine。