一種新型雙金屬片形變測試系統(tǒng)設計*

樓應侯，朱文斌，2，王賢成，胡寧波，2，王友林，2

（1.浙江大學寧波理工學院機電與能源工程學院，浙江寧波 315100;2.太原科技大學機械工程學院，山西太原 030024）

0 引言

雙金屬片具有形狀彎曲的性能，已被廣泛用在繼電器、溫度計、煤氣表等產(chǎn)品上［1］。目前，傳統(tǒng)雙金屬片形變測試均采用常規(guī)方法即水域控溫接觸測量法［2］，由于接觸式測量會產(chǎn)生接觸變形，從而造成測量誤差，并且該方法存在檢測效率低、對操作人員的技術(shù)水平要求高等諸多缺點。基于此，迫切需要一種行之有效的測試系統(tǒng)來檢驗雙金屬片的形變。近年來，激光位移傳感器作為一種非接觸式的精密激光測量裝置，具有測試速度快、準確度高、實時處理能力強等優(yōu)點，已在工業(yè)中得到廣泛的應用［3，4］。因此，本文設計了一種新型的雙金屬片形變測量裝置，該裝置以恒溫試驗箱為基礎，以LabVIEW為核心搭建控制系統(tǒng)，利用激光位移傳感器來檢測雙金屬片在不同溫度下形變量。

1 測試原理和系統(tǒng)設計

1.1 測試原理

2種均勻具有一定原始曲率的雙金屬材料緊密地結(jié)合在一起，當溫度升高時，膨脹系數(shù)高的材料被壓縮，而膨脹系數(shù)低的材料被拉伸，這些作用力將形成均勻弧度力矩，使雙金屬片發(fā)生彎曲形變［5］，其彎曲率可表示為

式中 αa，αb為膨脹系數(shù)，m/K;ΔT為溫度差值，℃;b為元件厚度，m。

測試系統(tǒng)主要利用激光位移傳感器與平臺運動控制來檢測雙金屬片在不同溫度下的彎曲相對變形量。激光位移傳感器發(fā)出的光束經(jīng)過聚焦后照射到雙金屬片上表面端部，再經(jīng)漫反射后光線由成像透鏡成像到光敏元件接收面上，然后通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，由于電信號的輸出大小僅與被測點的位置有關(guān)，當雙金屬片受溫度影響發(fā)生彎曲形變，測試點高度將發(fā)生變化，像點位置也隨之改變，從而引起傳感器輸出信號發(fā)生變化［6，7］，最終可實現(xiàn)雙金屬片在不同溫度下形變量的精確測量。

1.2 測試系統(tǒng)總體設計

根據(jù)實際分析，裝置的設計需滿足以下條件:1）系統(tǒng)能實現(xiàn)-20～50℃范圍內(nèi)任意時刻的檢測并保證測試設備機械結(jié)構(gòu)對測試結(jié)果無影響;2）系統(tǒng)應具有較高的自動化水平，在整個測試過程中，用戶只需簡單操作系統(tǒng)就可完成整個測試。

根據(jù)設計要求提出的裝置整體示意簡圖如圖1所示。系統(tǒng)由恒溫試驗箱、三軸平臺、激光位移傳感器、控制系統(tǒng)等主要部分組成。工作時，將待測零件固定在工裝板上并放置到試驗箱安裝支架上，然后關(guān)閉試驗箱測試室門，當測試室達到預定的溫度時，三軸平臺帶著傳感頭運動，傳感頭發(fā)出的光束透過雙層隔熱玻璃從每個零件表面掃過，同時測量值被傳感控制器接收，并傳輸?shù)缴衔粰CLabVIEW中。在此過程中，控制系統(tǒng)主要控制伺服電機、恒溫試驗箱、報警裝置等的工作，還對激光位移傳感器的信號進行采集、顯示、處理和輸出。

圖1 測試系統(tǒng)組成示意圖Fig 1 Diagram of test system composition

2 測試系統(tǒng)硬件設計

為實現(xiàn)預定的功能，提高測試效率，保證系統(tǒng)的可靠性，本文提出的雙金屬片形變測試系統(tǒng)硬件部分整體框圖如圖2所示。因傳統(tǒng)水域測量法采用水作為雙金屬片的傳熱介質(zhì)，在節(jié)能、效率、測量精度等方面均存在不足。因此，本文選擇恒溫試驗箱為測試系統(tǒng)提供測試環(huán)境，并完成試驗箱的設計和激光位移傳感器的選型。

2.1 分體式恒溫試驗箱的設計

目前，市場上的恒溫試驗箱的測試區(qū)與制冷系統(tǒng)為一體式［8］，壓縮機等部件在工作過程中的振動會導致被測雙金屬片的振動，從而影響測試精度。因此，本文設計了分體式恒溫試驗箱。該試驗箱由制冷、制熱系統(tǒng)、循環(huán)通風系統(tǒng)、測試室以及控制系統(tǒng)等部分組成，分左右2個箱體，2個箱體之間用軟管連接用于通風循環(huán)，制冷回路、加熱管以及風機安裝在左箱體中，測試室安裝在右箱體中并在其頂側(cè)開有玻璃窗用于激光位移傳感器的透光檢測。試驗箱通過熱平衡控溫法實現(xiàn)測試室溫度控制，表1為分體式恒溫試驗箱的主要性能參數(shù)。

圖2 測試系統(tǒng)硬件框圖Fig 2 Hardware block diagram of test system

表1 試驗箱的主要性能參數(shù)Tab 1 Main performance parameters of test chamber

2.2 激光位移傳感器的選擇

激光位移傳感器由傳感頭和傳感控制器組成，是測試系統(tǒng)的核心。傳感頭主要實現(xiàn)位置信號的采集，傳感控制器對位置信號進行預處理并及時傳輸?shù)缴衔粰C，考慮到測試過程中傳感器檢測光需透過雙層玻璃，為保證測試精度，分別選用松下和基恩士的傳感器產(chǎn)品做透雙層玻璃試驗，經(jīng)過測試比較多個產(chǎn)品的綜合性能，最終選用基恩士LK—G5000型激光位移傳感器，其傳感頭主要性能見表2所示。

表2 LK—H150主要性能參數(shù)Tab 2 Main performance parameters of LK—H150

3 測試系統(tǒng)軟件設計

3.1 基于PLC的控制程序設計

本文選用臺達DVP40EH—PLC作為下位機，實現(xiàn)對伺服電機、循環(huán)風機、報警裝置的控制，其控制流程如圖3所示。

系統(tǒng)在完成原點回歸后，以當前位置作為檢測起始點，由于不同類型零件高度不同且激光位移傳感器的測試范圍為定值，所以，程序運行時首先根據(jù)上位機選擇的零件類型，Z軸電機運行到指定的位置，然后控制三軸平臺進行XY平面移動，待測試完成，系統(tǒng)重新初始化，等待下一次檢測。當系統(tǒng)發(fā)生錯誤時，PLC立即停止電機輸出，報警燈響起，并把錯誤信息傳輸給上位機和觸摸屏，以便用戶處理。此外，觸摸屏除顯示測試系統(tǒng)工作狀態(tài)外，還能實現(xiàn)PLC相關(guān)參數(shù)的修改。

圖3 PLC控制流程圖Fig 3 PLC control flow chart

3.2 基于LabVIEW的控制程序設計

測試系統(tǒng)采用LabVIEW作為上位機控制軟件［9］，主要實現(xiàn)以下功能:1）通過TCP/IP協(xié)議對激光位移傳感器的數(shù)據(jù)進行讀取、處理、顯示、儲存;2）經(jīng)過NI OPC Servers實現(xiàn)硬件接口的轉(zhuǎn)換，通過RS—232串行接口實現(xiàn)與PLC的連接并通過該端口控制PLC工作;3）通過RS—485串行接口，實現(xiàn)與DTC的數(shù)據(jù)傳輸;4）根據(jù)測試要求編寫人性化的人機界面。

3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理

測試中，LabVIEW根據(jù)PLC發(fā)送檢測開始信號，調(diào)用數(shù)據(jù)采集子VI。由于數(shù)據(jù)的實時處理會導致數(shù)據(jù)處理量大并增加編程的難度，并且在整個檢測過程中零件需在不同溫度下重復檢測，為此，程序設計分2步:1）在傳感器檢測時，將數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫;2）檢測完畢試驗箱升溫或降溫時，調(diào)用檢測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理。

1）數(shù)據(jù)采集

傳感控制器與LabVIEW是基于TCP/IP協(xié)議利用以太網(wǎng)實現(xiàn)兩者的通信。首先設置傳感控制器和計算機的IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)，然后在LabVIEW中運用“Get dll path”，“Dll retcode to VI Errcode”等函數(shù)編寫數(shù)據(jù)采集子VI，供LabVIEW主程序調(diào)用，最終實現(xiàn)LabVIEW對傳感器數(shù)據(jù)的采集。LabVIEW數(shù)據(jù)庫工具包基于ODBC（open database connectivity）技術(shù)，利用DSN（data source names）連接數(shù)據(jù)庫，將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并對這些數(shù)據(jù)進行管理和查詢。圖4為傳感器數(shù)據(jù)采集程序。

圖4 傳感器數(shù)據(jù)采集程序Fig 4 Data collection program of sensor

2）數(shù)據(jù)處理

LabVIEW對所采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)截取、數(shù)據(jù)過濾以及求平均值。在每次檢測完畢后，LabVIEW調(diào)用測試原始數(shù)據(jù)，由于被檢測的零件成規(guī)則排布，可根據(jù)伺服電機的行走路徑、行走速度以及采集到的數(shù)據(jù)進行計算分析，計算出每個零件數(shù)據(jù)的范圍并截取出每個零件的數(shù)據(jù)段，然后針對每個零件數(shù)據(jù)進行過濾，除去誤差較大的數(shù)值，最后對剩下的數(shù)據(jù)求平均值，即可得零件某溫度下的位移量。待零件所有溫度檢測點全部檢測完畢后，系統(tǒng)根據(jù)每個溫度檢測點的檢測數(shù)據(jù)，計算出雙金屬片在各溫度間的相對變形量，然后與標準變形量比較，就可判斷出零件的合格性。當產(chǎn)品檢測不合格時，記下該產(chǎn)品對應的序列號，測試時間和各項測試指標，并在人機界面上顯示，用戶可根據(jù)約定的排練順序，取出不合格產(chǎn)品。此外，LabVIEW利用數(shù)據(jù)庫工具包和報表工具包編寫數(shù)據(jù)庫管理和生成Word報表程序，從而用戶可在人機界面上查詢數(shù)據(jù)并打印報表。

3.2.2 基于OPC協(xié)議實現(xiàn)對PLC的控制

LabVIEW與PLC通信的實現(xiàn)過程分為2步:1）建立PLC與NI OPC服務器的連接:在NI OPC Servers軟件中添加新的Channl后，選擇Modbus Serial驅(qū)動程序，并設置通信格式，然后新建設備名并添加標簽屬性。2）建立OPC與LabVIEW的連接:首先，創(chuàng)建I/O服務器，并通過I/O服務器連接OPC標簽的共享變量，然后將帶標簽的共享變量拖入程序框圖，從而實現(xiàn)上位機與PLC的通信。測試系統(tǒng)運行中，LabVIEW通過RS—232串行接口把設置的參數(shù)和操作量傳遞給PLC，PLC根據(jù)內(nèi)部程序執(zhí)行上位機的指令，并向上位機傳輸PLC狀態(tài)。

3.2.3 基于Modbus協(xié)議實現(xiàn)對DTC的控制

在恒溫試驗箱運行中，LabVIEW通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)與溫控器通信并控制溫控器工作。LabVIEW程序運用NI Modbus函數(shù)實現(xiàn)對溫控器的控制，采用“MB Serial Init”函數(shù)進行端口配置、“MB Serial Master Query（poly）”函數(shù)讀寫寄存器的值、“VISA關(guān)閉”函數(shù)關(guān)閉等函數(shù)進行編程并把程序封裝成溫控器子VI。圖5為溫控器子VI。

圖5 溫控器VI部分程序框圖Fig 5 Program block diagram of temperature controller VI parts

3.2.4 LabVIEW人機界面的設計

本測試系統(tǒng)人機界面由主控、調(diào)試、報警、查詢、登入等界面組成。為了用戶能夠更好地操作測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了人性化操作界面，其中主控界面有基本參數(shù)選擇按鈕，測試系統(tǒng)實時狀態(tài)顯示功能，激光位移傳感器采集數(shù)據(jù)實時顯示等。

4 試驗研究

4.1 系統(tǒng)標定

按檢測流程標定出測試范圍（-20～50℃）內(nèi)每個整數(shù)溫度下工裝板的形變，以便系統(tǒng)計算零件形變量時除去此部分誤差，從而保證測量精度。

4.2 試驗描述與結(jié)果分析

所研制的測試系統(tǒng)對寧波藍寶石科技儀器有限公司煤氣表C型溫度補償片進行了測試。先將零件安置到試驗箱中，并設置試驗箱測試點溫度:-5，5，15，25，35 ℃。測試系統(tǒng)運行后，待測試室溫度由室溫降到-5℃，然后三軸平臺帶著傳感頭運動檢測出各零件與傳感器基準之間的相對位移，傳感器依次檢測各個溫度點，5個檢測點總共檢測時間大約58 min，每次檢測零件數(shù)為180個且不良零件全部檢出。表3為部分零件檢測數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:該測試系統(tǒng)工作效率高、可靠性好、自動化程度高。

表3 部分零件測試數(shù)據(jù)Tab 3 Test datas of parts

5 結(jié)論

基于恒溫試驗箱、激光位移傳感器等硬件平臺和Lab-VIEW軟件平臺研制了雙金屬片形變測試系統(tǒng)，并對設備進行了實際測試，結(jié)果表明:

1）所研制的恒溫試驗箱很好地解決了壓縮機等部件的振動對測試結(jié)果的影響，并為檢測提供了穩(wěn)定、可靠的測試環(huán)境，提高了檢測效率。

2）所研制的測試系統(tǒng)控制部分以LabVIEW為核心，采用性能優(yōu)良的激光位移傳感器，實現(xiàn)了透過雙層玻璃的檢測，且可較好地實現(xiàn)高效精確的數(shù)據(jù)傳輸和分析功能。

3）研制的測試系統(tǒng)采用觸摸屏和LabVIEW人機界面，系統(tǒng)可視性提高，便于實現(xiàn)在線監(jiān)測。

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