C#與Matlab混合編程在EA211水泵殼體平行度檢測中的應(yīng)用

□ 金洋洋 □ 李居峰 □ 袁 麗

上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院 上海 200072

水泵是發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要部件，它的作用是泵送冷卻液，使冷卻液在發(fā)動機(jī)的冷卻水道內(nèi)快速流動，以帶走工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，保持發(fā)動機(jī)正常的工作溫度。汽車發(fā)動機(jī)使用的是離心式水泵，由殼體、葉輪、軸承、泵軸、水封以及傳動帶輪等組成。

水泵殼體由鑄鐵或鑄鋁制成。鑄鐵殼體壁厚且質(zhì)量大，隨著對發(fā)動機(jī)輕量化要求的提高，目前只在某些商用汽車的大型發(fā)動機(jī)上還在使用鑄鐵殼體的水泵。很多鑄鐵殼體上還帶有部分水道和節(jié)溫器安裝室，這使殼體的質(zhì)量進(jìn)一步增加。大多數(shù)轎車水泵采用了鑄鋁殼體，而且尺寸越來越小，很多殼體已經(jīng)不再具有水道的功能。本文所研究的大眾汽車EA211發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的水泵殼體也是采用鑄鋁材料，在其生產(chǎn)過程中，水泵殼體上下面的平行度是一個(gè)重要指標(biāo)，它直接影響到水泵整體的性能以及汽車的行車安全。水泵殼體上下面的平行度要求如圖1所示。

1 Matlab和C#結(jié)合的思路

當(dāng)下，Matlab已成為應(yīng)用最廣泛的科學(xué)工程計(jì)算軟件，它廣泛應(yīng)用于自動控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號分析、圖象處理、財(cái)務(wù)分析等各領(lǐng)域。Matlab所使用的是一種腳本語言，是逐行解釋執(zhí)行的，程序中所有的變量都是通過mxArray來實(shí)現(xiàn)的，所以為了保證通用性，它的執(zhí)行效率非常低，在開發(fā)一些復(fù)雜算法時(shí)會發(fā)現(xiàn)程序執(zhí)行得特別慢，雖然MathWorks公司已竭力提高M(jìn)腳本文件的運(yùn)算速度，但到目前為止，效果仍然不能和同樣功能的可執(zhí)行程序相比。而且，M文件不能脫離Matlab的應(yīng)用程序環(huán)境，這就大大制約了程序的可移植性和通用性，因此，Matlab不適合作為通用的編程平臺，這給混合編程出了一個(gè)大難題。

C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮摹⑦\(yùn)行于.NETFramework之上的高級程序設(shè)計(jì)語言。它是一種安全、穩(wěn)定、簡單、優(yōu)雅的，由C和C++衍生出來的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率，以其強(qiáng)大的操作能力、優(yōu)雅的語法風(fēng)格、創(chuàng)新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語言。

如果利用C#與Matlab接口技術(shù)，一方面充分發(fā)揮Matlab的數(shù)值計(jì)算功能，并且可以不依賴它的軟件運(yùn)行，另一方面在C#里做出漂亮的界面，把復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理交給Matlab去做，這樣有助于發(fā)揮程序各自的優(yōu)點(diǎn)，降低開發(fā)難度，縮短編程時(shí)間，提高執(zhí)行效率?；贑#和Matlab結(jié)合優(yōu)勢的考慮，本文介紹一種C#與Matlab通過COM組件混合編程的技術(shù)，并且將這種技術(shù)成功地用于平行度在線自動檢測項(xiàng)目。

2 Matlab和C#混合編程的實(shí)現(xiàn)過程

▲圖1 EA211發(fā)動機(jī)水泵殼體的示意圖

通過COM組件的形式進(jìn)行混合編程，首先要考慮的問題是編好的程序到了工廠的電腦上能否正常運(yùn)行。經(jīng)過實(shí)際操作試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只要拷貝一下Matlab的MCR（即 MatlabCompilerRuntime）安裝文件，然后到所要運(yùn)行的電腦上安裝一下就可使用。如果電腦上安裝了Matlab，則不需要再重新安裝這個(gè)軟件。另外，不同的Matlab版本提供的MCR可能會不同，如果在另一臺電腦上自己編寫的軟件運(yùn)行有問題，可能是編譯器的版本不同引起的。

使用混合編程，首先把Matlab提供的MWARRAY類庫MWARRAY．dll添加到C#程序中。它的作用是把C#中的數(shù)組轉(zhuǎn)化為Matlab中的數(shù)組。同時(shí)需要在程序開始部分添加下面兩句話：

using MathWorks．Matlab．NET．Arrays; using MathWorks．Matlab．NET．Utility;

接下來需對Matlab進(jìn)行編譯，然后生成．dll文件，和添加MWARRAY一樣，添加到C#引用之中，并在程序開始處添加下面一句話：

usingmyFuti;（假設(shè)函數(shù)名為 myFuti）

這里有一點(diǎn)要注意，就是Matlab中M文件里編寫的程序必須是函數(shù)格式，不然就生成不了所需要的．dll文件。如果不是函數(shù)格式，需將其轉(zhuǎn)換成函數(shù)合適之后再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體操作就是在程序的第一行添加：function［］=myFuti（即建立一個(gè)空函數(shù)），在程序的最后一行添加：end，這樣就將其轉(zhuǎn)成函數(shù)格式了。

最后通過C#編程調(diào)用Matlab進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)混合編程的任務(wù)。

3 Matlab和C#混合編程技術(shù)在平行度檢測中的應(yīng)用

掌握了混合編程的技術(shù)之后，筆者打算把它應(yīng)用在近期所做的EA211水泵殼體平行度檢測項(xiàng)目上。在計(jì)算平行度的算法選擇中，決定使用當(dāng)今最流行的最小二乘法進(jìn)行曲面擬合，即根據(jù)空間所給的n個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)來擬合一個(gè)面，使各個(gè)點(diǎn)到這個(gè)擬合面之間的距離最小，那么這個(gè)平面就是所要求的面。從另一角度來看，就是求得一個(gè)平面方程 z=a（1）*x+a（2）*y+a（3），使各個(gè)點(diǎn)盡可能都是此方程的解。

現(xiàn)在就以具體數(shù)據(jù)為例，取空間8個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)的空間坐標(biāo) x、y、z 如下：

x=［2020．0520171616．0511．059．05］；y=［1520231810583］；

z=［4．04664．01034．05384．01804．0119

4．04394．03244．0360］

利用Matlab最小二乘算法編程如下：

A=［x′,y′,ones（size（x′））］;

a=A/z′，其中a為擬合曲面的3個(gè)未知系數(shù)。

將 3 個(gè)系數(shù)分離下來為：a（1）=［1，0，0］a； a（2）＝［0，1，0］a； a（3）＝［0，0，1］a

最后可以得到：a（1）＝0．0010， a（2）＝-0．0006，a（3）＝4．0233

與傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，兩者的誤差非常小，說明使用該算法是切實(shí)可行的。這樣就得到了擬合曲面的方程 z=a（1）x+a（2）y+a（3），為下一步計(jì)算平行度打下了基礎(chǔ)。

在項(xiàng)目方案中，筆者打算通過 “基恩士”LK-G30系列激光位移傳感器采點(diǎn)的方法來測EA211水泵殼體上下面的平行度。初步計(jì)劃在上平面采7個(gè)點(diǎn)，在下平面采8個(gè)點(diǎn)，采完這些點(diǎn)之后計(jì)算平行度。先利用下面8個(gè)點(diǎn)擬合一個(gè)虛擬平面，然后再計(jì)算上面7個(gè)點(diǎn)分別到這個(gè)擬合面的距離，取這些距離中的最大值和最小值，兩者相減即得到所求的平行度。圖2和圖3分別為水泵殼體上下面的采點(diǎn)情況示意圖。

▲圖2 上平面的采點(diǎn)情況

▲圖3 下平面的采點(diǎn)情況

4 結(jié)論

本文主要介紹了基于Matlab與C#的混合編程技術(shù)，并通過EA211水泵殼體平行度檢測的案例說明了這種方法的可行性與優(yōu)越性。文中的程序結(jié)合了C#與Matlab各自的優(yōu)勢，不僅提高了工作效率，使程序員更容易開發(fā)出功能強(qiáng)大、界面友好的軟件，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率與精確性。這對于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無縫集成、有效縮短軟件開發(fā)周期、優(yōu)化系統(tǒng)性能是十分有意義的。

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